在碳-石墨制品浸漬中的應用

第2 0屆炭·石墨材料學術會論文集 【文章編號】炭學?6?8文集20(2006)-43 “規(guī)劃法"在碳一石墨制品浸漬中的應用初探 羅新陽 (東新電碳股份有限公司．四川自貢643000) 雜，運用得當將使設計成功。進行優(yōu)化設計 一、前言 關鍵是建立數(shù)學模型。 隨著科技的發(fā)展，市場需求的不斷提高， 1．建立數(shù)學模型 在各種苛刻工作條件 下，碳一石墨制品的使 對浸漬規(guī)劃問題連行分折：一方面希望 用參數(shù)不斷提高，其應用領域也不斷擴大。 制品的成本越低越好。另一方面．又希望制品 為此．根據(jù)各種不同使用情況，作為碳材，需 質(zhì)優(yōu)性能好，創(chuàng)造的價值越高越好。由此可 采取相應工藝措施(常用的有浸漬)進行處 知．這是具有兩個目標函數(shù)的規(guī)劃問題。建 理，以滿足市場和用戶的需求。 立數(shù)學模型如下： 碳一石墨制品經(jīng)焙燒、石墨化，在燒結過 使目標函數(shù)。≤“謄≤b[?6?7(x)一k．是(。)] 程中有 熱解氣體排出，不是致密的，存在氣 (即：獲取利潤最大) 孔，因而要進行浸漬處理，成為不透性材料。 浸漬就是將液態(tài)物質(zhì)在一定的溫度和壓力下 浸人制品的微孔中，然后按浸漬目的和浸漬 劑的性質(zhì)，將浸漬過的制品作相應的熱處 理． 使浸漬劑固化、碳化，驅除溶劑或密實 等。浸 漬目的主要是提高制品的機械強度、耐 磨性、 耐鷹蝕性．電和熱的傳導性，降低制 品對氣 體、液體的滲透』生，并使其性能均 一。 =、浸漬“規(guī)劃” )廣_-技術指標；?6?7(x)—創(chuàng)造價(產(chǎn))值； 碳 一石墨制品的配料和半成品各生產(chǎn)工 ￡(x)一生產(chǎn)成本；k一生產(chǎn)安全系數(shù) 藝錯綜復雜，怎樣才能取得較優(yōu)的工藝方案， 約束條件： 使經(jīng)濟效果好，應用“規(guī)劃法” 能迅速達到選 (1)g．(x)≥0，i=1，2， ，m一 優(yōu)的效果。 同樣．要想浸漬制品能得到用料 (攫漬制品的技術指標) 最省、成本最 低、工作性能最好、質(zhì)優(yōu)價廉，技 (2)}ll(X)≥O，j=l，2， ，P 術經(jīng)濟效果最佳 的結果，運用“數(shù)學規(guī)劃問 (生產(chǎn)中各項成本) 題”理論于浸漬．采用 最優(yōu)化設計，使工廠生 包括：與年產(chǎn)量成正比的可變費用(生產(chǎn) 產(chǎn)碳材料更富競爭力，同時對工廠獲取利潤 工人工資、生產(chǎn)原材料費，使JH設備和工裝的 大有卒孥益， 折舊、維修費，能源電力消耗贊等)和不變費 從浸漬規(guī)劃問題中，欲追求其成本最低、 用(調(diào)整工人工資、專用沒備和專用工裝的損 性能最好的目標．影響因素和限制條件較復 耗費、車閾經(jīng)費、企業(yè)管理贊等)——可用概 羅新陽．男．高級工程師。 ·256· !006(1) 率統(tǒng)計公式。 。 ③提高制品的電和熱的傳導性； (3)x∈D (浸漬制品技術指標的合 ④降低對氣體、液體的滲透性(氣密性： 格標準) 材料組織緊密、無孔隙．不滲漏，易成形加 (4) k≥1 (生產(chǎn)安全系數(shù)) 工)，使浸后制品性能均一。 2．求解 列出項如下： 建立了數(shù)學模型以后，就可惜助各種解 “x)：C】Xl+G X2+c3x3一已X4 題方法，解出](i值。 其中x，——機械強度； 既 然浸漬規(guī)劃問題是兩個目標函數(shù)的規(guī) X：——耐磨，耐腐性； 劃問題，就可用約束法(即：抓住一個主要目 X——電和熱的傳導性； 標函數(shù)?6?7(x)，將其余目標函數(shù)￡(X)給出希 x——滲透性 望值后，加到約束 條件里面去，構成新的單目 再分析浸漬制品加工后產(chǎn)品的不同使用 標規(guī)劃問題)處理化簡成(也可用評價函數(shù) 要求，將目標函數(shù)f(x)的有關項進行合理選 法、分層序列法等進行處理化簡)單目標(線 取，又可簡化運算。如浸后制品加工成： 性或 非線性)規(guī)劃問題： ①機械密封動、靜環(huán)及其它轉軸密封使 目標函數(shù) a≤1≤b￡(x) 用時，要求性能可靠、壽命l毛、功耗少。 約束 條件 ＆(x)≥0，i=1，2， ，113 ②軸承使用時，要求剛度最大，功耗最 小，溫升最低。 丘(x)≤￡o ③電刷使用時，要求導電、導熱、潤滑性 x∈D 良好。且對換向器或滑環(huán)的磨損甚微。 其中?6?7o一事先給定的希望值，￡o≥黑色E(x) ④換熱器用換熱塊使用時。要求強度高、 ￡(x)一假定主要目標函數(shù) 傳熱好，抗腐蝕、抗熱震、抗沖擊且結構致密 在約束可行區(qū)域內(nèi)搜尋目標函數(shù)極值 優(yōu)質(zhì)不滲。 (即約束最優(yōu)化方法)，使目標函數(shù)具有最大 2)分析應滿足的約束要求，從而列出約 值的可行點x?6?7=(x1+，x2+， ，K。)7，即是 束條件＆(x)的具體各項。 問題的最優(yōu)解。 應滿足約束要求： 要滿足浸漬制品技術指標要求，需尋求 ①浸漬液(劑)配方(如：環(huán)氧、呋喃、酚醛 “浸漬規(guī)劃 單目標函數(shù)問題”￡(x)的解[以下 樹脂+稀釋劑+固化劑)，浸物含量、浸液粘 省去，用f(x)代替 L(X)j。 度； 1)分析浸漬目的．從而列出浸漬目標函 ②浸透：抽真空壓力x時鬩+浸入量[體 數(shù)“x)的具體各項。 積X(壓力+溫度)]； 浸漬目的： ③浸后熱處理，使浸漬劑固化(或碳化、 ①提高制品的機械強度(硬度Hs、抗壓 驅除溶劑、密實、碳化硅等)： 8，、抗折8：)(可避免產(chǎn)生強度破壞和端面變 [變動溫度(升溫曲線)+壓力]×時問 形)； ④浸漬次數(shù)j。≥1(二次或多次) ②提高制品的耐磨(磨耗少使用壽命 故列出約束條件g．(x)的具體項為 長)、耐腐蝕性(不產(chǎn)生有礙端面滑動特性的 ＆(x)#A?6?8x≥0．i=l，2， ．irl 反應生成物)； aj≤x．≤b，j=1，2， ，n ． ·257· 其中 a：、bJ——技術參數(shù)xj合格的下界和 b。——所需i】寸ihj (h) 上界 固化壓力——‰ ≥0 (MF'a) 矩陣A= 固化時間——b。．。==b． (h) ：：：：：+8“』：；。k?6?8：：。。，+T，1a2l xl】2I ，電×k x sx(P+) l 浸漬次數(shù)——j．≥1的整數(shù) 設汁變量： ?，。kl+a32。‰：+一+句 “bⅢ，8-¨I¨“k¨l+1 j 塒優(yōu)化目標影響最大的獨蒞參數(shù)挑選m 來作為設計變量x。碳一石墨坯料(筒科．方 Xl tXj2，X13 料及已加工成各種形狀的半成品)浸漬前的 X21，x笠，?6?8哂 參數(shù)： X= x3l'xj21xzz xlI——硬度Hs， Ⅺl，xn，x43 ‰——抗折強度(MPa) 浸漬液(劑)配方——a，I+a12+a13(如： 砘——抗壓強度(MPa)， 樹脂+稀釋劑+固化劑) x2。——摩擦系數(shù)p， 浸 物含量——a。 (如：樹脂／浸液％) ‰——磨損值150h， 漫液 粘度——ab=-q (Pa?6?7s) 軸——石墨化灰份(％)， 抽真空壓力——a2． (ⅫPa) x，l——電阻系數(shù)p， 抽真空時間—— b (h) 殛：——(一對電刷)接觸電壓降(V)， 浸入量： k——導熱系數(shù)x， r●—一 浸漬系數(shù)——a。=、／毒￡?6?8r·v，；：而 ‰——體積密度(e／cm3)． ～：——開口氣孔率(％)， 其中E——開口氣孔率(％)； 硒——顆粒度 r一氣孔的平均直徑 (CI'TI)； 注： r一浸漬劑的表面能(爾格／cIll2)； 當加工浸后制品用作換熱塊時，目標函 §一固一液邊界上的瀾濕角； 數(shù)“x)值第3項GX傳熱可由公式(對熱傳 ”一浸液牯度(Pa-s) 導和對流均適用) 浸漬時間——k=√t-- dQ=一九(dr／an)dAdr 式中卜-時間(s) 式中d卜熱量微分子(J) 與浸漬方向垂直的浸料(筒料、方料及已 ^——導熱系數(shù)：W／(m·K)j； 加工成各種形狀的半成品)的表面積一s T--溫度： (c矗)；漫漬壓力——P(MPa)；浸潰溫度—— n一流速(周圍介質(zhì)流動速度：咖u(0·5)1； T(℃) dA——表面積(m?6?8)； ?6?8 熱處理(固化)： dr一一切應力(Pa) 升溫曲線——a3l×k+如x b】2+ + 得出： a3m×b，。 抵——導熱系數(shù)x ‰——溫度范圍及升溫速度， c3—_(DT／an)dAdr i=1，2， ，m(ac，h) 從上述建立的數(shù)學模型看是屬非線性規(guī) ·258- 劃同題，可選用復臺形算法(可憑經(jīng)驗給出初 始可行點)進行迭代運算，優(yōu)選出設計方案， 體積密度 硬度 開口氣孔率．也m系數(shù) 再進行分析判斷(評估是否最優(yōu))是否符合浸 (g，c矗) (1tRl0／％0) (曙) i(附) 漬實際。 加壓 l 66 90 19 48 三、“規(guī)劃”理論用于浸漬實踐 無壓 1 78 109 】3 42 通過“規(guī)劃”理論運用于浸漬實踐，同時 跟蹤浸漬生產(chǎn)，收集大量檢測數(shù)據(jù)，再反復進 表1中對比數(shù)據(jù)說叫，無壓固化產(chǎn)品質(zhì) 行研判，收到事半功倍的效果，對工作大有裨 量優(yōu)于加壓固化?？梢?，“規(guī)劃”理論用于浸 益! 漬，優(yōu)選出無壓固化的設計方案，符合浸漬實 1．電刷浸漬酚醛樹脂固化 際，是可行的。采用大罐無壓固化，既解決工 為防浸物(酚醛)含量(約束矩陣A中 廠原有設備固化與生產(chǎn)矛盾，又保證生產(chǎn)安 全，同時固化產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定上升。為此，后來 軋)在固化中溢出。通常固化壓力(約束矩陣 工廠修建窯爐專作無壓固化使用，采用多種 A中電。)需高于浸漬壓力P(參見約束矩陣 設備固化，大批投產(chǎn)難題迎珊d解。 A第二行第二列項)，在試生產(chǎn)中，固化設備 2．換熱塊浸漬樹脂 采用小罐(加熱方式為罐外通電)，隨著需求 由于碳一石墨坯料浸前參數(shù)K，、K、Ⅺ， 量增加，小罐固化已滿足不了生產(chǎn)需求，設備 改為中罐(罐外燃氣加熱)，由于中罐設備所 及k不同，原浸漬劑使用呋喃協(xié)脂。浸漬次 承受壓力限制，固化壓力由此改為等于(或低 數(shù)i．有多至5次，現(xiàn)改用浸物禽量a。較高的 于)浸漬壓力，叉隨著批量擴大，需大批量投 酚醛樹脂，浸漬效果明顯改觀，在清除表面少 產(chǎn)，工廠設備不能滿足生產(chǎn)要求，固化設備再 量結團殘留物后，只精漫一次，總浸漬次數(shù)j。 次更改為大罐。 =2，就已取得滿意的效果，從而降低了浸漬 使用大罐設備為罐內(nèi)通電加熱，而酚醛 成本。 樹脂浸液中因漫物(酚醛)含量較少，乙醇(酒 四、結論 精)含量多(乙醇：閃點12．78℃，沸點 78．31℃，最易引燃濃度7．1％)，固化中乙醇 按加工制品的不同用遮，采用的浸漬劑 揮發(fā)在罐內(nèi)濃度大，安全問題急待解決。需 有：1．碳化類(煤焦油瀝青等)；2．聚臺類(各 要固 化壓力(a。+；)約束由六于浸漬壓力P再 種合成樹脂)；3．漫金屬(銀、銅、鋁、銻、巴氏 次降低至 a3。+。=0(即不加壓固化)，采用無 合金等)；4．浸潤滑劑、油脂、鹵化物(機汕、石 壓固化前無先 例．又要保證固化產(chǎn)品質(zhì)量合 臘煤油、皂化液、硬脂酸鉛、氯化鋇等)。無論 格，運用浸漬規(guī) 劃，優(yōu)選出設計方案，編制出 選用哪類浸漬劑及其裎物含量，均可將“規(guī) 《浸電刷工藝規(guī)程》，先采用少量待國產(chǎn)品在 劃”理論用于浸漬，對浸凌制攝質(zhì)量均能穩(wěn)步 烘箱內(nèi)作試驗，掌握第一手數(shù)據(jù)資料對無壓 上升，使用參數(shù)不斷提高。質(zhì)優(yōu)價廉．滿足用 固化的可行性及質(zhì)量保證進行評估考證，經(jīng) 戶需求，拓寬碳材應用領域，I文得攝佳技術經(jīng) 烘箱固化后檢測其理化、整流性能，再與加壓 濟效果，使工廠所產(chǎn)碳材更富競爭力。 固化塊檢Ⅻ14作對比，見表1。 編者：“規(guī)劃”理論的應用是較新概念．文中的樹脂固化等試驗針對性很強