在碳-石墨制品浸漬中的應(yīng)用

第2 0屆炭·石墨材料學(xué)術(shù)會論文集 【文章編號】炭學(xué)?6?8文集20(2006)-43 “規(guī)劃法"在碳一石墨制品浸漬中的應(yīng)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(dāng)將使設(shè)計成功。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計 一、前言 關(guān)鍵是建立數(shù)學(xué)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(xué)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(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)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(yīng)工藝措施(常用的有浸漬)進(jìn)行處 知．這是具有兩個目標(biāo)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(xué)模型如下： 碳一石墨制品經(jīng)焙燒、石墨化，在燒結(jié)過 使目標(biāo)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(jìn)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(yīng)的熱處 理． 使浸漬劑固化、碳化，驅(qū)除溶劑或密實 等。浸 漬目的主要是提高制品的機(jī)械強(qiáng)度、耐 磨性、 耐鷹蝕性．電和熱的傳導(dǎo)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(shù)指標(biāo)；?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(fù)雜，怎樣才能取得較優(yōu)的工藝方案， 約束條件： 使經(jīng)濟(jì)效果好，應(yīng)用“規(guī)劃法” 能迅速達(dá)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(shù)指標(biāo)) 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(shù)經(jīng)濟(jì)效果最佳 的結(jié)果，運用“數(shù)學(xué)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(shè)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(shè)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(biāo)．影響因素和限制條件較復(fù) 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(dǎo)性； (3)x∈D (浸漬制品技術(shù)指標(biāo)的合 ④降低對氣體、液體的滲透性(氣密性： 格標(biāo)準(zhǔn)) 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(xué)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(jī)械強(qiáng)度； 既 然浸漬規(guī)劃問題是兩個目標(biāo)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(dǎo)性； 標(biāo)函數(shù)?6?7(x)，將其余目標(biāo)函數(shù)￡(X)給出希 x——滲透性 望值后，加到約束 條件里面去，構(gòu)成新的單目 再分析浸漬制品加工后產(chǎn)品的不同使用 標(biāo)規(guī)劃問題)處理化簡成(也可用評價函數(shù) 要求，將目標(biāo)函數(shù)f(x)的有關(guān)項進(jìn)行合理選 法、分層序列法等進(jìn)行處理化簡)單目標(biāo)(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(jī)械密封動、靜環(huán)及其它轉(zhuǎn)軸密封使 目標(biāo)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(dǎo)電、導(dǎo)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(qiáng)度高、 ￡(x)一假定主要目標(biāo)函數(shù) 傳熱好，抗腐蝕、抗熱震、抗沖擊且結(jié)構(gòu)致密 在約束可行區(qū)域內(nèi)搜尋目標(biāo)函數(shù)極值 優(yōu)質(zhì)不滲。 (即約束最優(yōu)化方法)，使目標(biāo)函數(shù)具有最大 2)分析應(yīng)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(yīng)滿足約束要求： 要滿足浸漬制品技術(shù)指標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jī)械強(qiáng)度(硬度Hs、抗壓 驅(qū)除溶劑、密實、碳化硅等)： 8，、抗折8：)(可避免產(chǎn)生強(qiáng)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(yīng)生成物)； aj≤x．≤b，j=1，2， ，n ． ·257· 其中 a：、bJ——技術(shù)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(shè)汁變量： ?，。kl+a32。‰：+一+句 “bⅢ，8-¨I¨“k¨l+1 j 塒優(yōu)化目標(biāo)影響最大的獨蒞參數(shù)挑選m 來作為設(shè)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(qiáng)度(MPa) 浸漬液(劑)配方——a，I+a12+a13(如： 砘——抗壓強(qiáng)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(dǎo)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(dāng)加工浸后制品用作換熱塊時，目標(biāo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力(Pa) 升溫曲線——a3l×k+如x b】2+ + 得出： a3m×b，。 抵——導(dǎo)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(xué)模型看是屬非線性規(guī) ·258- 劃同題，可選用復(fù)臺形算法(可憑經(jīng)驗給出初 始可行點)進(jìn)行迭代運算，優(yōu)選出設(shè)計方案， 體積密度 硬度 開口氣孔率．也m系數(shù) 再進(jìn)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(fù)進(jìn) 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?？梢姡?ldquo;規(guī)劃”理論用于浸 益! 漬，優(yōu)選出無壓固化的設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備 改為中罐(罐外燃?xì)饧訜?，由于中罐設(shè)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(kuò)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(shè)備不能滿足生產(chǎn)要求，固化設(shè)備再 量結(jié)團(tuán)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(shè)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(jié)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(jī)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(shè)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?jǐn)?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(jìn)行評估考證，經(jīng) 戶需求，拓寬碳材應(yīng)用領(lǐng)域，I文得攝佳技術(shù)經(jīng) 烘箱固化后檢測其理化、整流性能，再與加壓 濟(jì)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(yīng)用是較新概念．文中的樹脂固化等試驗針對性很強(qiáng)