CC BY
79
ПРИМЕНЕНИЕ ПОРИСТЫХ СВС-МАТЕРИАЛОВ В КАЧЕСТВЕ ФИЛЬТРОВ Гончарук Семен Юрьевич, студент (e-mail: [email protected]) Самборук Анатолий Романович, д.т.н., профессор (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, Россия
В данной статье рассматриваются особенности применения пористых СВС-материалов в качестве фильтров для очистки сточных вод пищевой промышленности. Приведены основные характеристики пористых проницаемых материалов и фильтров, полученных методом СВС в трех крупнейших научных центрах России. Описана методика синтеза пористых мембран в режиме СВС.
Ключевые слова: шихта, метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, фильтр, фильтрация, пористость.
Система фильтрации воды - это комплекс взаимодополняющего друг друга оборудования, направленного на обеспечение механической, биологической, химической фильтрации, а также обеззараживания с применением специализированных УФ-ламп.
Главным компонентом такой системы является водный фильтр, который и осуществляет биологическую, механическую и химическую фильтрацию.
Ключевым показателем качества фильтра является его пористость.
Для получения пористых фильтров для отчистки сточных вод пищевой промышленности был выбран метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
СВС является технологическим процессом получения материалов, основой которого является экзотермическая химическая реакция взаимодействия исходных реагентов в форме горения. Исходные реагенты для реализации данного метода используются в виде порошков [1]. Обеспечения процесса горения реализуется сильной экзотермической реакцией взаимодействия порошкообразных реагентов между собой [2].
В качестве наглядного примера схемы СВС процесса получения карбида титана в учебной литературе приводится рисунок 1 [3].
Воспламеняющая спираль Горячим продукт горения "ПС
Фронт горения Направление горения
Холодные порошковые реагенты *П+С
V///////////,
Рисунок 1 - Схема получения карбида титана
Синтезированные продукты порошкового самораспростроняющегося высокотемпературного синтеза материалов часто имеют высокую пористость. Исходя из этого, можно сделать вывод: технология СВС может быть применена при получении пористых материалов [4], [5].
При создании в Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) междисциплинарной проектной команды (МПК) «Автоматизированные системы отчистки сточных вод пищевой промышленности» было разработано техническое задание на создание фильтров со следующими характеристиками:
• Размер пор: микро- или ультра-фильтрационные фильтры, которые имеют размер пор соответственно 0,2-0,5 мкм и 0,02, и 0,05 мкм;
• Конфигурация - напорные трубчатые;
• Ориентировочные размеры - внутренний диаметр 10-20 мм, длина 0,5-2м;
• Направление фильтрования, наиболее вероятно, изнутри трубок наружу, однако возможно направление снаружи - внутрь;
• Прилагаемое давление 0,1-0,5 Мпа;
• Удельный поток воды через фильтр 50-100 л/(ч*м );
• Срок эксплуатации - около 25 лет;
2
Стоимость - не более 100 иББ/м , (трубка диаметром ё=10мм, длиной 1=2 м должна стоить не более 400 руб.)
Для выполнения технического задания, в качестве базового метода по созданию проницаемых пористых материалов (ППМ) был выбран СВС [6],
[7].
Были проведены исследования на уже существующих образцах СВС фильтров для отчистки воды от твердых микрочастиц, примесей и т. д.
Путем пропускания фильтрата через мембрану, заявленной для тонкой отчистки, определялась степень отчистки воды от твердых микрочастиц
[8], [9].
Для образцов, имеющих различную пористость, и так же изготовленных из порошков, имеющих различный диаметр частиц, была определена полнота и тонкость фильтрования. Результаты данного исследования представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Зависимость полноты и тонкости фильтрования жидкости _ от свойств исходных порошков. _
Средний размер Пористость Диаметр пор, Тонкость фильт-
частиц, мкм материала, % мкм рации, мкм
0,050-0,100 28 25 7-9
0,100-0,150 30 30 15-18
0,150-0,200 35,5 55 20-25
0,200-0,250 36,5 75 35-45
0,250-0,300 38,5 130 50-65
0,300-0,500 40 160 75-85
На основании данных таблицы 1 можно сделать следующие выводы:
1. Пористые проницаемые материалы обладают высокой степенью отчистки жидкой среды от твердых микрочастиц и мелкодисперсных примесей [10];
2. ППП могут быть использованы в качестве фильтров для фильтрования разнообразных технических средств;
3. Пористые проницаемы материалы (ППМ) могут быть использованы так же для отчистки воды, предназначенной в качестве питьевой [11], [12].
Кроме того, полученные результаты позволяют судить об эффективности отчистки жидкостей:
1. Сопротивление пористого фильтрующего элемента зависит от размера пор и общего объема пор, скорости фильтрования, толщины стенок и зернистости исходного порошка [13];
2. Тонкость фильтрации и сопротивление имеют прямую зависимость от размера пористости фильтрующего элемента. Чем выше пористость -тем выше тонкость фильтрации и сопротивление;
3. С увеличением размера частиц порошка снижается сопротивление фильтрующего материала, но уменьшаются фильтровальные свойства [14].
4. Диаметр пор имеет прямую зависимость от размера частиц исходных реагентов.
Для того, чтобы выполнить одно из условий технического задания, а именно: обеспечить работоспособность фильтра на срок более 25 лет было принято решение обеспечить возможность регенерации фильтра для продления его срока эксплуатации.
Ранее были проведены исследования о возможности регенерации водных фильтров. Регенерация обычно проводится на основе специально подготовленной экспериментальной жидкости. В качестве такой жидкости была выбрана смазочно-охлаждающая водная жидкость (СОЖ).
Сама суть такого исследования заключается в проведении обратной промывки чистой смазочно-охлаждающей водной жидкости именно до постоянного значения перепада давления. После этого процесс фильтрования повторялся порядка десяти раз. Результаты данного исследования представлены в виде графика на рисунке 2:
0.1
О - .....
1 г 3 4 5 6 7 е е ю Число и «слов регенерации
1 - рабочая жидкость - водная СОЖ;
Рисунок 2 - График зависимости коэффициента восстановления от числа циклов регенерации
После получения образцов из порошков, имеющих различный диаметр частиц, были проведены исследования по выявлению влияния размера пор на коэффициент восстановления фильтрационных свойств. Кроме того, если образцы были получены из порошков с разным диаметром частиц, то и поры у этих образцов будут иметь различный диаметр. Как и в прошлом исследовании использовали водную СОЖ. Но на этот раз в СОЖ были добавлены частицы металлов. Диаметр микрочастиц металлов варьировался от 10 до 30 мкм. Результаты данного эксперимента были отображены в виде графика на рисунке 3:
3 4 5 6 7 6 Число циклов регенерации
1-3 однослойная металлокерамика со средним диаметром пор соответственно 1 Г.8, 75 и 24 мкм; 4 - двухслойная металлокерамика {первый слой - 128 мкм, второй слой 24 мкм)
Рисунок 3 - График зависимости коэффициента восстановления фильтрационных свойств от числа циклов регенерации при добавлении в СОЖ микрочастиц металлов, имеющих размер от 10 до 30 мкм
Исходя из данных предыдущих испытаний, было выявлен тот факт, что рабочую смазочно-охлаждающую жидкость нужно подвергать фильтрова-
нию через пористый материал, имеющий диаметр пор около 24 мкм. Это делается для того, чтобы обеспечить полноту фильтрования примерно около 99,8%. Но, при дальнейшем исследовании показаний, выявлено снижение пропускной способности от 25% до 30% (рисунок 3, кривая 3). Такой результат был запечатлен уже на пятом и шестом циклах регенерации фильтра обратной промывки.
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать следующий вывод: метод обратной промывки рабочей жидкостью является наиболее эффективным способом регенерации материала фильтра, при условии, что будет использоваться в качестве рабочей жидкости водная смазочно-охлаждающая жидкость [15].
Подведем следующий итог, основанный на результатах исследований, данные которых представлены выше: существующие фильтры, изготовленные с применением технологии порошкового самораспростроняющего-ся высокотемпературного синтеза материалов, обладают достаточными фильтрационными свойствами для отчистки воды. Но на сегодняшний день такие фильтры не могут обеспечить требуемый уровень отчистки, указанный в техническом задании [16], [17], [18].
Следовательно, нужно искать новые рецептуры шихты для достижения требуемой пористости фильтра (0,2-0,5 мкм и 0,02-0,05 мкм). Например, в Алтайском государственном техническом университете (АлГТУ) на сегодняшний день уже разработаны технологии, при помощи которых можно получить крупногабаритные СВС-фильтры на основе керамических соединений [19].
Таблица 2 - Характеристика СВС-фильтров, изготовленных в АлГТУ.
Показатели Значение показателей
Пористость, % > 60
Температура эксплуатации, °С До 1000
Эффективность фильтрации дисперсных микропримесей с размером частиц более 0,01 мкм, % До 99,99
Производительность ультрафильтрации воды при перепаде давления на фильтре 0,1 МПа, л/см ч До 10
Производительность ультрафильтрации газов при перепаде давления на фильтре 2 кПа, л/см2ч До 40
Прочность на изгиб, МПа > 0,5
Геометрические размеры образцов, мм: - диски, диаметр - цилиндры, трубы, стаканы: диаметр Длина До 200 До 40 До 1000
На основе исследований, проводимых в АлГТУ, был проведен отбор пористых материалов. Они задерживают твердые микрочастицы. Такие микрочастицы имеют диаметр от 5 до 7 мкм и более. Такие СВС-фильтры используются для очень тонкой отчистки как масляных, так и водных жидкостей от металлических микрочастиц и твердых примесей [20]. В таблице 2 сведены характеристики СВС-фильтров, разработанных в АлГТУ.
Помимо этого, был проведен обзор и тщательный анализ результатов исследований по разработке пористых проницаемых материалов и фильтров методом порошкового (СВС) в трех крупнейших научных центрах России: Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (г. Черноголовка, Московская область); Отделе структурной макрокинетики томского научного центра СО РАН (г. Томск); Алтайском государственном техническом университете (АлГТУ) (г. Барнаул) [22],[21].
На основе полученной информации было выявлено, что результаты Ал-ГТУ являются наиболее перспективными. Именно на их основе и было разработано техническое задание, но уже с более высокими характеристиками, на изготовление фильтрационных мембран на автоматизированную установку для отчистки сточных вод пищевой промышленности, разработанной в СамГТУ.
На базе данного технического задания была разработана методика синтеза пористых мембран различной формы в режиме СВС:
- из приготовленной шихты прессовались цилиндрические образцы диаметром 23 мм и высотой 5-15 мм при различном удельном давлении.
Рисунок 4 -Опытный образец до сжигания
- для уменьшения влияния окружающей среды синтез проводился под слоем песка, Для того чтобы затруднить увеличение геометрических размеров синтезированных образцов при реализации автоколебательных режимов горения использовался груз весом 0,5 кг;
- Синтезированный образец извлекался из песка после его охлаждения до 500С.
Рисунок 5 - Опытный образец после сжигания. На рисунке 6 приведена микроструктура скола полученного образца.
Рисунок 6 - Микроструктура синтезированного образца
Полученный пористый материал имеют структуру, типичную для высокопористых материалов и состоит из трехмерных взаимопроникающих элементов: твердой матрицы и порового пространства. Образцы имеют открытую пористость и отличаются хорошей газопроницаемостью.
В ходе проведенных исследований были отработаны рецептуры опытных шихт и технология изготовления мембран в режиме горения, разработаны опытные образцы пористых мембран.
Список литературы
1. Амосов А. П., Боровинская И. П., Мержанов А. Г. Порошковая технология само-распростроняющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учебное пособие. / Под научной редакцией В. Н. Анциферова. -М.: Машиностроение-1, 2007/-1БВК 978-594275-360-3
2. Левашов Е. А., Рогачев А. С., Юхвид В. И., Боровинская И. П. Физико-химические и технологические основы самораспростроняющегося высокотемпературного синтеза: Учебное пособие для ВУЗов по направлению «Металлургия», специальностям: 070800 - Физико-химические методы исследования процессов и материалов и
110800 Композиционные и порошковые материалы, покрытия. -М.: БИНОМ, 1999. /-ISBN 5-7989-0126-2
3. Мержанов А. Г. Самораспростроняющийся высокотемпературный синтез. // Физическая химия. Современные проблемы. Ежегодник. / Под редакцией Акад. Я. М. Ко-лотыркина. М.: «Химия» 1983
4. Юсупов Р.А., Кирдяшкин А.И., Балашов В.Б.Способ изготовления пористых труб. Пат. 1818880 (РФ). 1996.
5. Мазной А.С., Кирдяшкин А.И., Китлер В.Д., Максимов Ю.М., Юсупов Р.А. Структурные особенности пористых материалов, сформированных волной саморас-простроняющегося высокотемпературного синтеза. // Перспективные материалы. 2013.
6. Макаренко А.Г. Технология керамических материалов на основе СВС с фильтрацией газов. // Изв. Вузов «Цветная металлургия». 2001.
7. Вадченко С.Г., Балихина Н.Т., Кванин В.Л. Особенности горения полых цилиндрических тел./ / Физика горения и взрыва. 2002.
8. Анциферов В.Н., Пещеренко С.Н. Пористые вещества как новый класс материалов. Перспективные материалы. 2000.
9. Павловская Е.И., Шибряев Б.Ф. Металлокерамические фильтры. М.: Недра, 1967.
10. Андриевский Р. А. Пористые металлокерамические материалы. М.: Металлургия, 1964.
11. Белов С.В. Пористые материалы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981.
12. Ходоренко, В.Н. Биосовместимые пористые проницаемые материалы/ В.Н. Хо-доренко, Ю.Ф. Ясенчук, В.Э. Гюнтер //Биосовместимые материалы и импланты с памятью формы. - Томск, 2001.
13. Пористые сетчатые материалы. / Сидельников Ю.И., Третьяков А.Ф., Матурин Н.И. и др. - М.: Металлургия, 1983.
14. Итин В. И., Прочностные свойства пористых проницаемых материалов на основе титана для стоматологии. / В. И. Итин, В.Э. Гюнтер, В.Н., Ходоренко, М.Л. Чобаян и др. // Порошковая металлургия. - 1997.
15. Витязь, П. А. Фильтрующие материалы: свойства, области применения, технология изготовления / П. А. Витязь, В.М. Капцевич, P.A. Кусин - Мн.: НИИ ПМ с ОП, 1999.
16. Витязь, П. А. Пористые порошковые материалы и изделия из них / П. А., Витязь, В.М. Капцевич, В.К. Шелег -Мн.: Высшая школа, 1987.
17. Витязь, П.А. Свойства пористых порошковых материалов/ П.А. Витязь, В.М. Капцевич, В. Е. Романенков, Т. А. Смирнова, А. И. Сорокина // Сб. Порошковая металлургия. -Мн: Выш. школа, 1986.
18. Анциферов В.Н., и др. Двухслойные фильтры для установок очистки сжатого воздуха. // Химическая промышленность. 1994.
19. Мельберт А.А., Новоселов А.Л. Песпективы применения СВС-фильтров. //Вестник АлтГТУ им. И И. Ползунова. - №2. -1999.
20. Мельберт А. А.,Новоселов А.Л. Эффективность СВС-каталитических блоков. // Вестник АлтГТУ им. И.И.Ползунова. -№2. - 1999.
21. Тубалов Н. П., Формирование структуры и эксплуатационных свойств пористых СВС-материалов на основе бинарных и многокомпонентных соединений// Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, АлГТУ им. Ползунова И. И., Барнаул 2005.
22. Юсупов Р. А., Технология получения пористых проницаемых материалов с использованием природных минералов методом самораспростроняющегося высокотемпературного синтеза. // Автореферат, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, СО РАН, Томск 2005.
Goncharuk Semyon Yurievich, student (e-mail: [email protected]) Samara State Technical University, Samara, Russia Samboruk Anatoly Romanovich, Doc.Tech.Sci, professor Samara State Technical University, Samara, Russia THE APPLICATION OF POROUS SHS MATERIALS AS FILTERS Abstract. This article discusses the features of the use of porous SHS materials as filters for wastewater treatment in the food industry. The main characteristics of porous permeable materials and filters obtained by SHS in three major scientific centers of Russia are presented. The technique of synthesis ofporous membranes in the SHS mode is described. Keywords: Charge, self-propagating high-temperature synthesis method, filters, filtration, porosity.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПРОФИЛЯ ОБРАБОТАННОГО ВАЛА ОХВАТЫВАЮЩЕЙ ФРЕЗОЙ С РАДИАЛЬНОЙ КОНСТРУКТИВНОЙ ПОДАЧЕЙ
Исаев Александр Вячеславович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» Куц Вадим Васильевич, д.т.н., профессор (e-mail: [email protected]) Сидорова Марина Александровна, аспирант
(e-mail: [email protected]) Разумов Михаил Сергеевич, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Гречухин Александр Николаевич, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В узлах машин одними из наиболее ответственных соединений являются разъемные соединения для передачи крутящего момента. К ним предъявляются высокие требования по усталостной прочности, долговечности и др. В настоящее время в машинах разного функционального назначения для передачи крутящего момента наибольшее применение находят шлице-вые и шпоночные соединения. Профильные бесшпоночные соединения, известные еще давно, находят ограниченное применение в отечественном машиностроении вследствие недостаточной технологичности и слабой разработанности необходимого для их производства технологического и инструментального обеспечения [1-5].
Решением данной задачи является использование инструментов с конструктивной радиальной подачей, например, охватывающей фрезы с радиальной конструктивной подачей (рис.1) [6-8].
Охватывающая фреза для обработки профильных валов работает следующим образом, охватывающей фрезе для обработки профильных валов сообщают движение вращения, а также движение вращения передают валу
