Реферат: Научные основы технологии и оборудования гранулирования активных масс и формования положительных электродов литиевых источников тока
Теоретические положения диссертации, результаты исследований и разработок изложены в 88 работах, том числе в 2 монографиях, 48 печатных работах.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 427 страницы машинописного текста, содержит 141 рисунок и 43 таблицы. Список литературы включает 528 наименований.
Список использованных в автореферате сокращений: AM - активная масса, УАМ, ДМАМ и ОМАМ - соответственно, активная масса угольных, диоксидномарганцевых и оксидномедных электродов; УЭЛ, ДМЭЛ и ОМЭЛ - соответственно, угольная, диоксидномарганцевая и оксидномедная электродная лента; УЭ, ДМЭ и ОМЭ - угольный, диоксидномарганцевый и оксидномедный электрод.
Содержание работы
Во введении обоснованы актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту, выделены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, отмечена техническая новизна работы, описаны структура диссертации, апробация и внедрение результатов работы.
В первой главе проведен анализ состояния разработок ЛИТ, технологии и оборудования для изготовления положительных электродов, а также технологии и оборудования для изготовления лент и листов из металлических порошков, ленточных и рулонных композиционных материалов в машиностроении, химической и резино-технической промышленности. Предложены классификации, отражающие конструкцию ЛИТ и конструкцию их электродов, позволяющие проводить ориентированный выбор способов их изготовления, а также классификации способов и устройств для изготовления электродов. Показано, что в большей части конструкций ЛИТ используются тонкие электроды в виде лент, пластин и дисков. Часто изготовлению пластин и дисков предшествует изготовление электродных лент. Пластины получают резкой полученных лент на карточки, а дисковые электроды - вырубкой из лент. Проанализированы составы активных масс положительных электродов. Активные массы УЭ ЛИТ с жидкими деполяризаторами содержат пористый углеродный материал, чаще различные сажи, реже их смеси с графитом или графит.
Содержание связующего в УАМ обычно колеблется в пределах 5... 20%. Активные массы электродов с твердыми деполяризаторами в большинстве случаев состоят из порошка активного материала, токопроводящей добавки (чаще углеродного материала) в количестве 8...10% и связующего в количестве 5...10%. В качестве связующего в основном используют фторопласты, которые вводят в виде суспензий или порошков. Выбор фторопластов связан с их высокой стойкостью в электролитах, однако, массы с фторопластовым связующим значительно сложнее перерабатывать, чем массы с термопластичными или водорастворимыми связующими.
Сформулированы требования к положительным электродам в виде тонких лент, пластин и дисков. Показано, что, наряду с заданной плотностью, пористостью и достаточно высокой электропроводностью, ленточные положительные электроды рулонных ЛИТ должны обладать высокой механической прочностью в сочетании с гибкостью и эластичностью.
Проведен аналитический обзор технологий изготовления положительных электродов химических источников тока (ХИТ), а также аналогичных композиционных ленточных и рулонных материалов, сделан обзор соответствующего оборудования. Предложены классификации способов и устройств для изготовления электродов, описаны их достоинства, недостатки и даны рекомендации по применению. Показано, что формование прокаткой - наиболее предпочтительный способ изготовления электродных лент толщиной более 0,3...0,4 мм. Прокатка высокопроизводительна, позволяет легко регулировать толщину получаемых электродов, не требует дорогостоящих прессформ и матриц. Предпочтительным вариантом этого способа является формование лент активной массы (AM) с последующей накаткой их на токоотвод. Такой вариант исключает брак электродов, связанный с выходом сетки токоотвода на поверхность электрода, неравномерностью распределения массы относительно токоотвода, большой деформацией и разрывами токоотвода в процессе формования. Показано положительное влияние гранулирования активных масс на технологические свойства AM. Проведен анализ способов гранулирования материалов и оборудования для их реализации. Сформулированы требования к оборудованию для производства положительных электродов ЛИТ.
Анализ современного состояния производства ЛИТ показал, что эффективность используемых технологий и оборудования мала. Внедряются технологии, рассчитанные на единичное производство с большой долей ручного труда. Реальное повышение эффективности производства ЛИТ сдерживается отсутствием исследований и разработок промышленно пригодных технологий, в основе которых лежат непрерывные технологические процессы. Не оптимизированы режимы технологических процессов и параметры используемого оборудования. В первую очередь, это относится к технологии изготовления положительных электродов ЛИТ, в том числе угольных, диоксидномарганцевых и оксидномедных электродов (УЭ, ДМЭ и ОМЭ). Уделяя достаточное внимание изучению свойств AM и поведению электродов в источнике тока, исследователи мало обращают внимание или вовсе не рассматривают вопросы влияния параметров технологических процессов и оборудования на эксплуатационные характеристики электродов. Не рассматриваются вопросы воспроизводимости характеристик электродов. Без решения этих проблем невозможно наладить эффективное производство. В связи с этим сформулированы задачи исследования, решение которых необходимо для достижения поставленной в диссертации цели.
Во второй главе описаны результаты комплексных исследований процессов сушки и гранулирования угольной, диоксидномарганцевой и оксидномедной активных масс (УАМ, ДМАМ и ОМАМ).
Сухая УАМ содержала технический углерод (чаще сажу ПМЭ-ЮОВ) и фторопластовое связующее - суспензию Ф-4Д в количестве 8...10% (по сухому веществу). ДМАМ содержала: порошок MnO (84...85%), технический углерод (9...10%) и Ф-4Д (5...6%). Состав ОМАМ: технический углерод (5...10%), Ф-4Д (5...10%), порошок СиО (85...87%).
После смешения компонентов AM представляет собой пасту высокой влажности. Поэтому при получении гранул AM неизбежна операция обезвоживания. Сушка на поддонах и в промышленных сушилках конвейерного типа неэффективна. Сушилки с высокой скоростью теплоносителя, например, распылительные сушилки, сушилки с кипящим слоем и с наклонными перфорированными полками обладают высокой производительностью, но одновременно измельчают AM до размеров частиц менее 1...3 мм. Измельченная AM склонна к пылению, слеживанию, зависанию в бункерах подачи, высоки потери массы. Кроме этого, установлено, что переработка AM, сопровождающаяся измельчением или значительными сдвиговыми деформациями, приводит к разрушению трехмерной структуры, формирующейся в процессе влажного смешения компонентов, разрывам связи между частицами. Это значительно снижает обезвоживания и гранулирования рассматриваются как единое целое: каждая из параллельных (совмещенных) или последовательных операций одновременно должны обеспечивать на всех стадиях обезвоживание AM и формирование гранул с заданными формой, размерами, структурными и физико-механическими характеристиками при максимальной эффективности совмещенного процесса; обезвоживание, как лимитирующая операция совмещенного процесса разделяется на ряд последовательных операций, в которых используются разные способы и устройства; условиями перехода от одного способа обезвоживания к другому являются удаление заданного количества влаги и достижение заданной прочности гранул; сушка осуществляется при переменном температурном режиме, причем, температура и время каждой ступени определяются электрическими и механическими характеристиками электродов; комбинация устройств обезвоживания и гранулирования, а также размеры их рабочих зон, должны полностью соответствовать порядку и продолжительности стадий обезвоживания.
Разработаны две технологические схемы сушки-гранулирования AM. Для УАМ: 1) формование гранул из водной пасты в ячейках гранулятора или на конвейерной ленте; 2) сушка на поддерживающей поверхности при температуре 150...155°С до удаления 60...70% начального количества влаги; 3) перегрузка и сушка в барабанной сушилке при 130...135°С. Для ДМАМ и ОМАМ: 1) формование пласта массы; 3) прессование пласта при давлении 2Д. .4.0 МПа; 3) нанесение. сети канавок на поверхность пласта; 4) сушка при температуре 150...155°С до удаления 40...70% начального количества влаги; 5) перегрузка и сушка в барабанной сушилке при 130...135°С.
Применение вышеизложенных принципов и разработанных технологий позволило сократить продолжительность сушки-гранулирования УАМ на 30...35%, а ДМАМ и ОМАМ на 45...50%. Уменьшены общие габариты и металлоемкость установок сушки и гранулирования (длина зоны сушки конвейерного гранулятора сокращена в 5 раз, а металлоемкость сушилки снижена в 3...4 раза).
Третья глава посвящена исследованию влияния параметров оборудования на устойчивость процесса гранулирования и синтезу конструкции грануляторов AM и их рабочих органов. Показана неэффективность грануляторов, используемых в промышленности, и сделан вывод о необходимости синтеза новых базовых конструкций грануляторов AM ЛИТ.
Формование гранул из УАМ должно производиться, когда поры AM заполнены водой, и несжимаемость пасты гарантирует сохранение высокой пористости, а обезвоживание AM должно происходить без ее уплотнения. Поэтому для сушки-гранулирования УАМ разработан гранулятор конвейерного типа с ячеистой лентой и встроенной сушилкой. Размеры ячеек определяются оптимальными размерами гранул. Устойчивость процесса гранулирования зависит от формы и относительных размеров выступов, образующих ячейки ленты. Показано, что отношение ширины оснований выступов к шагу в продольном направлении должно составлять 0,5...1, а отношение шага выступов к диаметру ролика в зоне разгрузки от 0,05 до 0,2. Шаг выступов в поперечном направлении - 1...2 величины продольного шага. Ряды выступов смещены на половину продольного шага выступов. При выходе размеров за рекомендованные пределы нарушается устойчивое разделение AM на гранулы и разгрузка ячеек, при этом потери AM возрастают более чем на порядок.
Удаление избытка влаги из ДМАМ и ОМАМ может производиться прессованием. Разработаны два варианта грануляторов с прессующим устройством.
В первом грануляторе из пасты между двумя непрерывными лентами формуется пласт, который подается на прессующее устройство с параллельными плитами. Подача лент прекращается, и производится прессование пласта. Далее подача возобновляется, и верхняя лента, огибая направляющий ролик, освобождает пласт. Затем на пласт, который движется вместе со второй лентой, наносится сеть поперечных и продольных канавок. По этим канавками происходит разделение пласта на гранулы во время сушки. Плиты пресса снабжены продольными ребордами. Получены зависимости потери влаги AM от относительной высоты реборд. Суммарная высота реборд должна составлять 0,4...0,9 наименьшего расстояния между лентами во время сжатия слоя. Это обеспечивает удержание пасты в зоне прессования и удаление из неё избытка влаги. Получены уравнения для расчета ширины бункера-питателя, формующего валка и плит пресса с учетом уширения пласта при его формовании и прессовании.
При высоком содержании в пастах порошков твердых деполяризаторов в результате прессования может происходить значительное уплотнение пласта и, как следствие, снижение пластичности массы. В этом случае нанесение канавок валком поперечной резки сопровождается разрушением пласта массы с образованием трещин в теле гранул. С целью устранения таких дефектов был разработан гранулятор с формующей лентой, которая снабжена поперечными треугольными в сечении выступами. Конструкция этого гранулятора аналогична предыдущей, но разделение пласта поперечными канавками происходит до его прессования. Разделяют пласт выступы формующей ленты. Продольные канавки наносятся валком продольной резки. Шаг выступов верхней формующей ленты соответствует заданному размеру гранул. Однако он должен быть равен 1...6 величин формующего зазора, а высота выступов - 0,4...0,8 величины формующего зазора. В этих интервалах обеспечивается высокое качество гранул и удаляется максимальное количество влаги. Получено уравнение зависимости количества удаляемой при прессовании влаги от относительной высоты выступов.
Во время работы грануляторов с прессующим устройством велика вероятность налипания массы на ножи валков продольной и поперечной резки. Для масс, обладающих высокой адгезией к конструкционным сталям, разработаны узлы, обеспечивающие съем массы с ножей. Основные элементы этих узлов - бесконечные ленты, применение которых позволило исключить потери массы за счет налипания на ножи.
Грануляторы конвейерного типа предназначены для крупносерийного и массового производства. Для производства ЛИТ широкой номенклатуры малыми партиями разработаны малогабаритные дисковый и шнековый грануляторы.
Дисковый гранулятор снабжен горизонтальным вращающимся перфорированным диском. Отверстия диска заполняются активной массой, проходят через зону сушки и затем попадают в зону выгрузки. Во время сушки происходит усадка гранул, они отрываются от стенок отверстий и выпадают в окно поддерживающего прокатку широкой ленты AM, а затем разрезать её на несколько лент.
При прокатке AM в валках с рифленой рабочей поверхностью усадка лент меньше, чем при прокатке в гладких валках. Уменьшение усадки объясняется: 1) тем, что рифления валков формуют на ленте AM ребристую структуру, препятствующую усадке лент; 2) увеличением плотности лент при прокатке AM в рифленых валках.
При формовании электродов могут быть использованы установки разных конструкций, поэтому при разработке математического описания поведения лент в межвалковом пространстве были рассмотрены все варианты формующих установок.
Устройство 1 может иметь раздельные управляемые приводы вращения валков формования AM и валков накатки, либо валки могут быть кинематически связаны. В первом случае деформация лент AM компенсируется регулированием угловых скоростей формующих валков и валков накатки.
Если в устройстве валки кинематически связаны, то передаточное отношение и передачи между формующими валками и валками накатки должно влияния на передаточное отношение предельной деформации растяжения лент.
При формовании ЭЛ с помощью установки, имеющей гладкие валки и нагреватели лент в межвалковом пространстве, величина Д определяется как:
В устройстве 2 валки кинематически связаны, а использование известных способов компенсации опережения и отставания лент невозможно, поэтому нами разработан способ компенсации удлинения лент в межвалковом пространстве за счет их усадки: осуществляя нагрев лент на участке «а»-«б» (см. рис.7) интенсифицировали испарение жидкости и, соответственно, усадку лент, в результате добивались компенсации удлинения.
Необходимость исследования усадки AM было связано не только с установлением зависимостей для определения коэффициента усадки, но и с выявлением таких условий формования, при которых не происходит образование трещин после окончательной сушки электрода. Трещины могут появляться в активном слое вдоль сетки-токоотвода, реже - вдоль оси прокатки. Это явление наблюдал DeyA. N., однако причины им не были указаны. Образование трещин - результат усадки AM. Установлено, что при повышении плотности активного слоя электродных лент усадка лент практически линейно уменьшается, при этом снижается вероятность образования трещин. Уравнения зависимостей имеют вид: для УАМ при прокатке однослойных лент: б = - 446+201, двухслойных лент: еус = - 2592 + 120; для ДМАМ при прокатке однослойных лент: 8 ус = - 24,7ул| + 57,1, двухслойных лент: еу(: = - 21,1 + 49,8; для ОМАМ при прокатке однослойных лент: еус = - 29,8+ 70,4, двухслойных лент: Б = - 25,72 + 62,5, где Е - усадка лент, Е = [(100%, где - начальная длина образца ленты, длина образца после усадки, причем т = (100 - е 100, и У2 - соответственно, плотность лент AM и плотность двухслойных лент, моделирующих активный слой электрода.