КАМЕРА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ

Полезная модель относится к оборудованию, применяемому в технологических линиях для изготовления строительной композитной арматуры или других линейных профилей методом протяжки через формообразующую фильеру и печь полимеризации, в которой происходит процесс термоотверждения изделия.
Композитная полимерная арматура обладает рядом преимуществ по сравнению с металлической, но не заменяет ее, а заполняет определенные ниши в производстве строительных изделий и конструкций. Полимерная арматура прочнее и легче, чем арматура стальная, а теплопроводность ее ниже, чем у металла, приблизительно в 100 раз. Однако изготовление композитной арматуры является достаточно сложным и требует соблюдения технологического режима, особенно при отверждении сырой заготовки в камере полимеризации. При этом большое значение имеют внешние температурные воздействия (тепловые потоки) на поверхность стержня, внутренний теплоперенос и градиенты температур по сечению стержня.
Известно применение камеры полимеризации для отверждения композитной арматуры, описанное в книге Фролова Н.П. «Стеклопластиковая арматура и стеклобетонные конструкции» (М. : Стройиздат, 1980 г., стр. 20-24). В зоне полимеризации при помощи термодатчиков устанавливается плавно повышающийся температурный режим от 90 до 180°C. В конце зоны нагрева температура постепенноснижается до 50…60°C. При поверхностном нагреве стержня резкое повышение либо снижение температуры вызывает нежелательные термические напряжения в поперечном сечении стержня. При этом температурный режим в процессе прохождения камеры полимеризации для разных диаметров арматуры должен изменяться, поскольку процесс полимеризации зависит от теплопроводности стержня и времени его нахождения в каждой зоне нагрева.
Недостатком известной линии является то, что в ней не контролируются такие важные параметры, как количество тепла, поглощаемое стержнем при проходе в печи. Сам процесс поглощения тепла стержнем может сильно зависеть от температуры в цеху, степени герметизации камеры полимеризации, теплопотерь через имеющиеся отверстия входа-выхода стержня и за счет теплопередачи стенок камеры. Это обстоятельство заставляет изготовителя регулировать процесс полимеризации с избыточной интенсивностью, что также снижает качество изделия в целом и уменьшает производительность.
Известно другое техническое решение камеры полимеризации по патенту на полезную модель РФ №130543 (опубл. 27.07.2013 г. ), в которой для увеличения скорости полимеризации наряду с типовыми нагревателями внутренняя поверхность камеры снабжается отражателями инфракрасного излучения. Простейшим вариантом отражателей могут служить полированные листы из нержавеющей стали. В сочетании с увеличением длины камеры, а также улучшении ее теплоизоляции рабочие температуры могут достигать 415°C, что позволяет изготовлять арматуру больших диаметров (до 20 мм и более) с производительностью до 400 м/час (на малых диаметрах), не ухудшая ее качественные и эксплуатационные свойства.
Другое аналогичное техническое решение камеры полимеризации представлено в патенте на изобретение РФ №2597385 (опубл. 10.09.2016 г. Бюл. №23), в которой полимеризационная камера состоит из четырех секций и снабжена электронным регулятором температуры. Каждая печная секция камеры оснащена индивидуальным датчиком контроля температуры.
Недостатком двух рассмотренных известных решений камер полимеризации по патентам является невозможность ее использования в плохо отапливаемых помещениях, где в течение суток возможны большие перепады температуры. Это также ухудшает конечные прочностные характеристики арматуры и их стабильность по длине готового изделия. Процесс поглощения тепла стержнем также может сильно зависеть от температуры в цеху, степени герметизации камеры полимеризации, теплопотерь через имеющиеся отверстия входа-выхода стержня и за счет теплопередачи стенок камеры.
Наиболее близким аналогом является полимеризационная камера по патенту на изобретение РФ №2648900 (опубл. 28.03.2018 г. Бюл. №10) в которой применяется устройство градиентного нагрева в двух вариантах: 1) на базе инфракрасной лампы модель D35 CROWN с подвижными экранами; 2) прямым пропусканием электрического тока через элементы сопротивления, встроенные в детали устройства градиентного натяжения. Нагрев нитей ровинга осуществляется на специальных роликах прямым пропусканием тока через элементы сопротивления, встроенные в тело ролика. Измерение и регулирование температуры нагрева проводится с помощью ХА-термопары, встроенной в каждый ролик и многопозиционного ПИД-регулятора ТРМ - 148.
Механизм управления параметрами ровинга при протягивании предназначен для создания градиентных условий формирования структуры прутка ∅20-32 мм путем изменения и автоматического поддержанияградиента натяжения и температуры нитей по сечению в соответствии с физико-механическими закономерностями при полимеризации связующего для устранения неоднородности деформаций при усадке.
Полная усадка материала, определяющая неоднородность напряженного состояния в процессе формирования свойств изделия, складывается из химической и термической:
- химическая усадка вдоль направления армирования близка к нулю, а поперек - достигает десяти процентов;
- коэффициент линейного термического расширения вдоль направления армирования в несколько раз меньше, чем поперек.
Температурный градиент, разница во времени по стадиям полимеризации, различие коэффициентов термического расширения составляющих приводит к возникновению сложно-напряженного состояния (системы нормальных и касательных напряжений), определяющего потенциальную возможность зарождения и распространения трещин отрыва и расслоения.
Таким образом процесс полимеризации в этом устройстве также регулируется по показаниям датчика температуры. Информации о внутренних процессах, происходящих в теле стержня датчик температуры не дает. Становится возможным появление в полимерных композициях усадочных внутренних напряжений связанных с фазовым переходом композиции из жидкой в твердую в процессе отверждения и незавершенностью релаксационных процессов.
Это обстоятельство заставляет изготовителя регулировать процесс полимеризации с избыточной интенсивностью, в то время, как температурный режим в процессе прохождения камеры полимеризациидля разных диаметров арматуры должен изменяться, поскольку процесс полимеризации зависит от теплопроводности стержня и времени его нахождения в каждой зоне нагрева. При этом либо снижается качество изделия в целом либо уменьшается производительность.
Задача, решаемая полезной моделью, и достигаемый технический результат заключаются в создании камеры полимеризации, в которой тепловые процессы внутри изделия контролируются и регулируются в процессе работы для широкой номенклатуры диаметров, с гарантированным достижением качества полимеризации с максимально возможной для этого диаметра производительностью.
Для достижения указанного технического результата камера полимеризации композитной арматуры, содержащая печь, с наружными отверстиями входа и выхода арматурного стержня из печи, снабжена входным и выходным шлюзами, а также газоотводом, причем шлюзы выполнены идентично и содержат полость с наружным отверстием, соединяющим ее с атмосферой, и промежуточным отверстием, соединяющим ее с печью, внутри полости установлена обойма перегородок с калиброванными отверстиями, а каждая полость снабжена по меньшей мере двумя роликоопорами для арматурного стержня, одна из которых установлена за пределами полости, а другая внутри нее между обоймой перегородок и печью, причем внутри газоотвода смонтирован вентилятор, термодатчики и расходомер.
Достижение технического результата обеспечивается также тем, что роликоопоры для стержня выполнены желобчатыми с цилиндрической частью и вертикальными боковыми ребордами.
Благодаря наличию этих признаков предлагаемая камера полимеризации позволяет контролировать и регулировать тепловые  процессы внутри изделия в процессе работы для широкой номенклатуры диаметров, с гарантированным достижением качества полимеризации с максимально возможной для этого диаметра производительностью.
Суть предлагаемой камеры полимеризации по полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1-8 показано:
Фиг. 1 - Общий вид камеры полимеризации, которая может быть использована как отдельный элемент и встраиваться в технологические линии по производству композитной арматуры или других линейных профилей методом протяжки через формообразующую фильеру и печь термоотверждения.
Фиг. 2. Устройство воздушного шлюза на входе стержня (Вид I на фиг. 1), в котором основным элементом является «лабиринтное уплотнение», образованное набором камер в блоке перегородок с калиброванными отверстиями, при проходе через которые наружного воздуха создается гидравлическое сопротивление и стабилизация скорости протекания внутрь печи.
Фиг. 3. Устройство воздушного шлюза на выходе стержня (Вид II на фиг. 1), которое работает по тому же принципу, что и на входе стержня.
Фиг. 4. Оборудование газоотвода из печи (Вид III фиг. 1), в котором смонтированы термодатчик, вентилятор и расходомер, подключенные к процессору.
Фиг. 5. Устройство сменной перегородки с калиброванными отверстиями заданного диаметра в замкнутой камере воздушного шлюза (Разрез А-А, фиг. 2).
Фиг. 6. Фотография стенки печи на входе стержня (Вид Б, фиг. 2) со снятой крышкой воздушного шлюза для варианта протяжки двух стержней одновременно (при этом сменные перегородки выполняются с двумя отверстиями).
Камера полимеризации выполнена в виде печи 1 и двух воздушных шлюзов: входного 2 и выходного 3, а также снабжена газоотводом 4. Шлюзы 2 и 3 выполнены идентично и имеют одинаковый набор элементов конструкции. Каждый шлюз включает замкнутую полость 5 с отверстиями в торцевых стенках: наружное отверстие 6, соединяющее атмосферу (пространство цеха и полость 5) и промежуточное отверстие 7, соединяющее печь 1 и полость 5. Внутри полости 5 установлена обойма 8 перегородок 9, в которых выполнены калиброванные отверстия 10. Снаружи полости 5 и внутри полости 5 между обоймой 8 и промежуточным отверстием 7 установлены роликоопоры 11 для арматурного стержня 12, который при опирании на роликоопору 11 центрируется относительно отверстий 6, 7, и 10. Сочетание элементов этой конструкции образует так называемое «лабиринтное уплотнение» (обойма 8 перегородок 9), которое работает за счет создания перепада давления при перетекании газового или воздушного потока через каждую перегородку 9 в смежную полость.
В печи 1 имеются нагревательные элементы 12 и вытяжной короб 13, к которому присоединен вытяжной газоотвод 4. Внутри газоотвода 4 смонтирован вентилятор 15, термодатчики 16 и расходомер 17. В печи 1 установлены нагреватели 18.
Вентилятор 15, термодатчики 16 и расходомер 17 и нагреватели 18 подключены к программируемому контроллеру 19.
Камера полимеризации работает следующим образом.
При включенной печи 1 работают нагревательные элементы 12, создавая тепловое излучение и нагревая воздух внутри печи.
При работающей печи 1 вентилятор 15 включается и нагретая газовоздушная смесь из печи 1 поступает наружу через вытяжной короб 13 в газоотвод 4, в котором измеряется температура потока термодатчиками 16, а расход газовоздушной смеси расходомером 17. Например, это может быть трубка ПИТО, подключенная к микропроцессору для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Внутри печи 1 создается разряжение и наружный воздух (из помещения, в котором установлена камера полимеризации) поступает в нее через входной шлюз 2 и выходной шлюз 3. Входной шлюз 2 и выходной шлюз 3 являются таковыми для стержня 12: через один из них он входит в печь 1, а через другой - выходит из печи 1. Для поступающего в печь 1 воздуха шлюзы 2 и 3 работают аналогично и движущийся стержень на газодинамический процесс протекания воздуха влияния не оказывает. Каждый шлюз работает следующим образом: Воздух через наружное отверстие 6 попадает в первую камеру обоймы 8 между перегородками 9, затем через калиброванные отверстия 10 попадает в камеру 5 и через промежуточное отверстие 7 непосредственно в печь 1. Опорные ролики 11 обеспечивают центрирование арматурного стержня 12 относительно калиброванных отверстий 10, гарантируя стабильность потока воздуха, поступающего в печь 1. За счет действия шлюзов 2 и 3 создается равномерный поток газовоздушной смеси через газоотвод 4 с расходом газовоздушной смеси Qгвс.
Режим работы печи 1 в зависимости от показаний термодатчика 16, и расходомера 17 изменяется контроллером 18, который управляет работой вентилятора 15.
ΔL
В каждый момент времени единичная масса стержня при входе в камеру получает и постепенно поглощает некоторое случайное по величине количество тепла W, нагреваясь при этом. Время нахождения единичного сечения (например, длиной ΔL=1 мм) определяется скоростью протяжки стержня Vпр и длиной печи 1 Lп: T=Lп/Vпр, с.
Общее количество тепла, уносимое с собой из печи единичным сечением m стержня арматуры ΔW=m⋅Сст Т ст, где:
m - масса единичного сечения стержня, кг;
Сст - удельная теплоемкость материала стержня, Дж/кг град;
- Тст - температура стержня, град.
Количество тепла в единицу времени, уходящего из печи с нагретым стержнем, равно разности тепловых потоков, входящего в печь 1 через шлюзы 2 и 3 воздуха Wв [Дж/с] и выходящего через газоотвод 4 потока газовоздушной смеси Wгвс [Дж/с] определяется зависимостью:
гвс
в
ΔW=Wгвс-Wb=Qгвс⋅Сгвс γ⋅Тгвс-Qв ⋅ Св⋅γ⋅Тв), где:
3
- Qгвс и Qв - объемный расход газовоздушной смеси (Qгвс=v⋅S) и воздуха (Qв=Qгвс) [м/с];
- Сгвс и Св - удельная теплоемкость газовоздушной смеси и воздуха [Дж/кг град];
гвс
в
3
- γ и γ - плотность газовоздушной смеси и воздуха [кг/м];
- Тгвс и Тв - температура газовоздушной смеси и воздуха [град].
Зная фактическую величину ΔWфaкт, можно сравнивать ее с нормативной ΔWнорм и судить о качестве прогрева стержня. Если величина ΔWфaкт не отклоняется от нормативной ΔWнорм на заданную, например, в процентах в виде коэффициента устойчивости «k» величину, например, ΔWфaкт=ΔWнорм +/- k⋅ΔWнорм, то процесс полимеризации соответствует технологическому регламенту для данного диаметра арматуры.
Измеренная величина ΔWфaкт позволяет судить о стабильности технологической операции отверждения и в целом о качестве изготовления арматуры.
При работе камеры программируемый контроллер 18 реализует описанный алгоритм управления и фиксирует фактические величины коэффициента устойчивости k. При его превышении снижается температурный режим в печи 1 либо уменьшается скорость протяжки стержня.
Реализация алгоритма управления осуществляется по уставкам, которые задает оператор, руководствующийся технологическим регламентом, разрабатываемым при наладке производства арматуры различной номенклатуры.