Применение ингибиторов коррозии и ингибиторов отложения солей для систем охлаждения в процессах литья

Технология переработки полимерных материалов ставит перед конструктором и технологом сложные теоретические и практические задачи. От того, с каким багажом знаний и опыта они приступят к их решению, зависит качество производственных процессов, качество готовой продукции и ее себестоимость, а значит, итоговые экономические показатели деятельности предприятия и цена продукции для потребителя. При производстве каждого конкретного изделия, если в технологию производства входит процесс литья под давлением, возникает задача стабилизировать и активизировать процессы теплообмена, происходящие между формой и отливкой.

Длительность производственного цикла литья любой продукции под давлением включает в себя и тот период, когда отливка проходит процесс охлаждения в форме. Соответственно, для интенсификации процесса литья необходимо максимально снизить время охлаждения. В этих целях применяются различные методы, основанные на общем принципе – скорость отвода теплоты от охлаждаемого изделия должна быть максимальной, но с условием сохранения качества производимого изделия.

Основной фазой теплообмена является период нахождения изделия в литьевой форме, в данном случае система термостатирования выступает в качестве системы именно охлаждения. Когда производится литье под давлением изделий из термостатичных полимеров, вся работа системы охлаждения должна быть направлена на то, чтобы отводить тепло, периодически поступающее вместе с расплавленным материалом в те объемы, где происходит формирование изделия.

Именно поэтому перед технологом и конструктором стоит задача тщательного расчета всех процессов охлаждения. Он должен проводиться не менее чем в три этапа – сначала прогнозный, потом расчетный, и, наконец, проверочный. При этом инженер не может не осознавать реальную сложность стоящей перед ним задачи, так как каждый из принятых на практике методов расчета имеет характер оценочный, допускающий произвольные изменения значимых параметров, а это значит, что абсолютно точный результат получен быть не может. При этом данный недостаток свойственен как давно апробированным на практике инженерным методам расчета, так и новейшим программным продуктам, работа которых также построена на использовании определенных допущений. В настоящее время чаще всего для расчета процессов охлаждения используются программные продукты компании Moldflow, например MPI/FLOW или MPI/COOL. Их преимуществом, несмотря на определенную условность результатов, является возможность быстрого перебора всех допустимых вариантов решения и нахождения среди них оптимального.

Однако, практика указывает на то, что даже расчет, основанный на максимальном количестве учтенных показателей, анализирующий все возможные режимы, при непосредственном процессе протекания теплообмена оказывается неточен, и происходит отступление от предусмотренных показателей. После того как литейная форма произведена и поставлена в производство, сам процесс литья изделия из термостатичных полимеров предлагает значительное количество различных вариантов его протекания. В связи с тем, что теплофизические качества каждого полимера различны, а его конструкция добавляет системе вариабельности, отход от заданных параметров охлаждения происходит практически в каждом случае. Часто возникают не рассчитанные заранее критические ситуации, которые существенно усложняют процесс охлаждения. Особенно осложняется процесс охлаждения тем, что на поверхности каналов охлаждения возникают нестационарные отложения, которые представляют собой смесь продуктов коррозии материалов. Из них состоят поверхности этих каналов и различных солей, входящих в состав хладагента, обычно воды, эти соли условно можно назвать «солями жесткости».

На коэффициенты передачи тепла от отливок к хладоносителю влияет число Рейнольдса, то есть чем оно выше, тем меньше вязкость и больше скорость течения хладагента по каналам форм для литья. Вода – практически универсальное термостатирующее вещество, именно поэтому она чаще всего используется в качестве хладоносителя. У воды очень высокие теплофизические свойства, но это не единственное ее достоинство. В качестве хладагента она отличается также такими достоинствами как доступность, невысокая стоимость, нетоксичность, экологическая безопасность, пожаро- и взрывобезопасность. Когда конструируются системы охлаждения литьевых форм для циркуляции воды, предусматривается особый контур.

Однако эксплуатация литьевых форм с таким видом теплоносителя как вода выявляет и наличие у нее существенных недостатков, среди которых свойства воздействовать на металлы, особенно на черные, так, чтобы вызывать у них коррозию, а также склонность к отложению на поверхности каналов теплопередачи солей жесткости. Такие явления снижают теплопроводность, причем значительно, и создают гидравлическое сопротивление течению воды, замедляют его скорость.

Следует учитывать и то, что количество выпадения осадков, их скорость, толщина отложений в разных частях системы неодинаковы. Все это существенно нарушает течение хладообмена между расплавленным полимером (М) и хладагентом.

Отложения, имеющие коррозионную и солевую природу, существенно сужают объем каналов, по которым протекает жидкость, что также влияет на скорость ее прохождения и сам теплообмен. Расчеты, основанные на самых простых алгоритмах, показывают, что сужение диаметра одного протока на 10% приводит к снижению скорости течения воды на 36%, если не учитывать влияние иных факторов.

Накипно-коррозийные отложения не только негативно влияют на протекание процессов охлаждения, они еще служат основной причиной неоднородности поверхностных слоев отливки. Неравномерное распределение ее усадки, разное распределение остаточных напряжений в этих слоях служит причиной возникновения утяжин или появления коробления, также это причина возможного ухудшения оптических и других свойств готового изделия.

Законы теплофизики позволяют провести анализ закономерностей протекания теплоотвода от изделия по каналам охлаждения (рис. 1).

Рис. 1  Поперечное сечение участка литьевой формы (а) и характерное для стадии охлаждения детали из ПМ мгновенное распределение температуры Т (б) в плите матрицы, изготовленной из «черной» стали (1) или менее теплопроводной - нержавеющей стали (2): 3 – плита пуансона; 4 – изделие из ПМ; 5 – плита матрицы; 6 – канал охлаждения; 7 – слой накипно-коррозионных отложений.

Перед тем как расплавленные полимеры будут впрыснуты в форму, ее температура Т (температура формующей поверхности) будет иметь достаточно невысокий показатель – Т min, но сам впрыск вещества, имеющего очень высокую температуру, быстро повысит нагрев формующих поверхностей до показателя Т max, потом температуры снизятся, достаточно плавно, до некоего параметра Т извлечения детали из формы, и, по мере охлаждения, вновь опустится до показателя Т min (рис. 2).

Рис. 2. Характерная зависимость от времени t цикла литья температуры Т оформляющей поверхности плиты матрицы, изготовленной из «черной» (1) или из нержавеющей (2) сталей.

Однако если на поверхности каналов охлаждения будут находиться коррозионно-солевые отложения, это существенно ухудшит параметры теплопередачи от расплава к хладагенту, из-за этого процесс охлаждения отливки удлиняется, что негативно влияет на общую производительность процесса. Кроме того, увеличивается перепад температур между полимером и хладагентом, а также между ними и поверхностью литейной формы (рис.3).

Рис. 3 Характерное мгновенное (на стадии охлаждения детали из ПМ) распределение температуры Т оформляющей поверхности плиты матрицы в районе расположения каналов охлаждения (их месторасположение указано осевыми линиями): 1 – каналы без отложений; 2 – с отложениями.

Вследствие этого важнейшим вызовом для инженера является решение задачи уменьшения сопротивления распространению движения теплового потока. Практика выработала три пути решения этой проблемы:

· Производство формы для литья из материала с максимально возможно лучшими показателями теплопроводности;

· Уничтожение уже сложившихся отложений, что позволит интенсифицировать теплообмен и улучшить качество производимой продукции;

· Предотвращение возникновения отложений. Это может быть сделано как в самой системе охлаждения литьевых форм, так и в общей системе водоподготовки для производственных процессов в целом.

При этом решение всех этих задач может происходить системно.

Можно привести данные анализа, которые покажут, как количественно влияют друг на друга термическое сопротивление материала плит матрицы (Rм) и накипно-коррозионные отложения (Rнко) и на итоговый коэффициент К теплопередачи, причем процесс теплопередачи учитывается при прохождении тепла через два слоя – плиты матрицы и слоя коррозийно-солевых отложений. Теория теплообмена предлагает для расчетов тепловых потоков использовать формулу Ньютона, наиболее удобную для расчета удельного теплового потока:

q = K * (Т1 – Т2)

К здесь непосредственно коэффициент теплопередачи, под Т1 понимается теплота отливки, под Т2 – теплота хладоносителя, а q таким образом окажется пропорциональным разности указанных температур.

Важно учитывать, что невозможно увеличить интенсивность теплообмена, как-то управляя величинами Т, они неизменяемы, температура отливки полностью зависит от свойств конкретного полимера, а температура хладоносителя задается изначально.

Вычислив самый короткий путь между отливкой и хладоносителем и проанализировав его теплопроводимость, можно составить следующую формулу для коэффициента теплопередачи К, характеризирующего передачу тепла от отливки к хладагенту:

Здесь значение R определяет суммирующее термическое сопротивление движению теплового потока, возникающее по пути от отливки к хладоносителю, при этом, при наличии рассчитываемого слоя отложений, оно будет равно сумме всех четырех видов тепловых сопротивлений:

где а₁ – коэффициент, определяющий теплоотдачу от расплава полимерных материалов на поверхность матрицы (и, равно - от стенок канала охлаждения от жидкости хладоносителю); б_м(б_нко) – показатель, характеризующий толщину плиты матрицы (и указанного слоя отложений); л_м (л_нко) – коэффициент, определяющий теплопроводность материала, из которого изготовлена матрица (и теплопроводность слоя отложений).

Все указанные параметры изменяются в процессе литья незначительно, поэтому необходимо сосредоточиться на анализе коэффициента К, определяющего передачу тепла через стенку, состоящую из двух слоев, равную

при этом

На основе приведенных формул можно рассчитать оптимальные значения коэффициента К для тех материалов, из которых чаще всего производится матрица для литейных форм – углеродистой конструкционной стали высокого качества, производимой под маркой Ст З0 (так называемая «черная сталь») и ее модификации – стали Ст30 ХНЗА – нержавеющей стали. Расчеты можно проводить как при наличии, так и при отсутствии коррозийно-солевых отложений.

Таблица 1. Исходные данные для расчета и рассчитанные по формуле (6) и (7) значения R термических сопротивлений стенки матрицы, изготовленной из различных материалов, и слоя отложений различного состава на поверхности термостатирующих каналов формы

Объект	Материал матрицы или основной компонент отложений	Исходные данные		R, м2×К/Вт
		l, Вт/м×К	d, м
Матрица	Сталь 30	75,5	6×10-3	0,79×10-4
	Сталь 30 ХН3А	33,7	То же	1,78×10-4
Отложения	CaCO3	2,4	1×10-3	4,17×10-4
	Fe2O3	1,3	То же	7,69×10-4
	Fe(OH)2	1,2	То же	8,33×10-4

Примечание: l - коэффициент теплопроводности; d - толщина стенки матрицы или слоя отложений.

Таблица 2. Коэффициенты К (формула 4) теплопередачи сквозь двухслойную стенку матрицы и отложения в сравнении с вариантом отсутствия отложений.

Материал матрицы	Наличие отложений	К, Вт/м2×К
Сталь Ст30	Нет	12 580
	Да	1 096
Сталь Ст30 ХН3А	Нет	5 620
	Да	990

Примечание: коэффициент теплопередачи К рассчитан по формуле (3); исходные данные для расчета см. в табл. 1.

Данные проведенных экспериментов дают возможность однозначно установить, что на коэффициент К наибольшее значение оказывает толщина коррозийно-солевых отложений, что значит, что именно она влияет на скорость и интенсивность теплообмена. Именно понимая этот фактор, инженер приходит к выводу о важности использования ингибиторов коррозии и отложения солей, которые включаются в состав воды – хладагента. Кроме того, применение ингибиторов позволяет использовать в производственном процессе литья форм более теплопроводные марки стали, а они одновременно являются более дешевыми, что позитивно влияет на себестоимость готовой продукции.

Процесс борьбы с коррозией и накипно-коррозионными отложениями начался давно, за десятилетия использования этих технологических процессов были опробованы десятки способов борьбы с коррозией. Среди них были более или менее эффективные способы, но есть экологически опасные и даже токсичные. Для изготовления ингибиторов используют различные химические вещества, среди них хром, цинк, амины, многие из них опасны для здоровья. Также используются и нетоксичные вещества, например, фосфаты, карбонаты, но, замедляя коррозию, они могут усилить выпадение солей и образование отложений. Многие из них не очень эффективно действуют во влажной среде.

Сотрудники московской компании ООО «Спектропласт» смогли предложить рынку новую группу ингибиторов в форме комплексных добавок, представляющих собой водорастворимые составы, в которые включены ингибиторы коррозии и отложения солей, относящиеся к серии СП-В.

Эти составы одновременно уменьшают коррозионную активность воды, свойства воды, обуславливающие выпадение осадков, и снижают коррозионную активность водных паров. Кроме того, они абсолютно нетоксичны, экологически безвредны, получили заключение Санэпидназора, позволяющее их использовать в промышленных целях и для систем жизнеобеспечения жилых помещений.

Процентное соотношение концентрата и воды может варьироваться в пределах от 0,5% до 5%, точные параметры будут зависеть от качества самой воды, температуры протекания производственных процессов, марок стали, используемой для изготовления водотоков. Использование таких ингибиторов коррозии и отложения солей снижает коррозионную активность воды, как при комнатной температуре, так и при высоких температурных показателях.

Таблица 3. Влияние ингибиторов коррозии и отложения солей серии СП-В и исходного состояния поверхности образцов стали марки Ст20 на скорость их коррозии (мм/год) в технической воде с различной температурой Т

Состояние поверхности	Т = 200С		Т = 700С
	-	СП-В	-	СП-В
Без ржавчины	0,50	0,01	1,00	0,02
Со ржавчиной	1,10	0,02	2,80	0,03

Примечание: жесткость воды – около 10 моль/м³; содержание концентраторов ингибиторов - 5 % масс.

Рис.4 Внешний вид внутренней поверхности стальных труб с номинальным диаметром 32 мм после трехлетней эксплуатации в контакте с технической водой, содержащей (а) и не содержащей (б) комплексные добавки (комплексоны) – концентраты марки СП-В 10-0

Перед выпуском этой серии ингибиторов в продажу они прошли множество испытаний, образцы из стали оценивались при их полном погружении в воду, содержащую ингибиторы, и в воду, не содержащую ингибиторы данной группы СП-В. Было установлено, что, когда каналы охлаждения отключаются от поступления воды, ее остаточные пары провоцируют еще большую активность коррозии; применение ингибиторов заметно снижало риск наступления таких неблагоприятных последствий.

Таким образом, применение ингибиторов группы СП-В может вызвать две группы благоприятных эффектов:

· сделать теплообмен в форме для литья более интенсивным и более стабильным;

· увеличить скорость охлаждения полимерной отливки, а значит, увеличить скорость протекания производственных процессов и рентабельность производства.

Кроме того, на практике были выявлены группы дополнительных позитивных эффектов применения ингибиторов, среди которых:

· Улучшение точности изготовления литейных изделий, большее соответствие размерам, другие позитивные производственные показатели;

· Увеличение длительности срока службы и практической надежности системы охлаждения, особенно с учетом того, что ингибиторы защищают металл и при отключении воды сроком до месяца;

· Увеличение на 20-30% длительности срока службы каждой литьевой формы;

· Снижение частоты ремонтов системы, увеличение периодов между профилактическими ремонтами;

· Уменьшение себестоимости готовой продукции.

Все эти факторы в совокупности повлияли на то, что процесс литья деталей из ПМ стал более эффективным. Лица, ответственные за процесс производства -  не только инженеры, но и экономисты, маркетологи - должны проанализировать опыт применения таких ингибиторов коррозии в производстве и приложить усилия к их внедрению. Кроме процессов литья, такие ингибиторы могут применяться в процессах водоподготовки, системах отопления, а также различных производственных процессах, связанных с рециклингом. Необходимо будет только подготовить обоснованное в каждом определенном случае ТЭО.