разработаны новые способы сушки-гранулирования угольных активных масс и активных масс на основе твердых деполяризаторов, даны рекомендации по выбору параметров этого процесса и размеров гранул;
повышена эффективность процесса обезвоживания гранул активных масс;
разработаны новые способы формования электродных лент, предложены новый способ управления процессом формования и его математическое описание, позволяющее учитывать опережение, отставание и усадку лент активной массы в межвалковом пространстве;
разработан алгоритм расчета оптимальных параметров процесса формования ленточных положительных электродов и параметров прокатного оборудования, определены оптимальные значения этих параметров;
разработаны оборудования, составы композиций и технология их электроосаждения;
разработаны новые устройства подачи гранул в формующие валки и устройств формования электродов, реализующих предложенные технологии;
получен новый фактический материал о физических и технологических характеристиках активных масс и угольных, диоксидномарганцевых и оксидно-медных электродов литиевых источников тока, о процессах сушки и гранулирования активных масс, а также о процессе формования ленточных электродов;
созданы и переданы в опытное производство макетные образцы оборудования для гранулирования активных масс и формования ленточных электродов.
Техническая новизна работы состоит в совершенствовании и повышении эффективности технологии изготовления положительных электродов ЛИТ и устройств для реализации этой технологии. Новизна разработанных решений и авторский приоритет подтверждены 38 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
На защиту выносятся:
полученные закономерности, разработанные теоретические положения и математическое описание процесса непрерывного формования ленточных электродов, позволяющие рассчитывать и оптимизировать параметры процесса формования электродов и параметры технологического оборудования, управлять процессом формования ленточных электродов; алгоритмы расчета оптимальных параметров процесса формования ленточных электродов и параметров технологического оборудования;
разработанные теоретические положения совмещенного процесса сушки-гранулирования активных масс, принципы построения процесса сушки-гранулирования активных масс и выбора комбинаций гранулирующих и сушильных устройств, выбора технологических схем и режимов сушки с переменной температурой, предложенные технологические схемы сушки-гранулирования активных масс;
принципы разработки специального оборудования, конструкции установок; для сушки и гранулирования электродов, рекомендации по выбору оптимальных параметров, апробированные на созданном и эксплуатированном на производстве ЛИТ оборудовании;
новые способы активных масс и формования электродов;
рекомендации по выбору размеров гранул и рекомендованные параметры процессов сушки-гранулирования, оптимальные параметры процесса формования ленточных положительных электродов ЛИТ и параметры технологического оборудования;
конструкции и макетные образцы оборудования для гранулирования активных масс и формования ленточных положительных электродов ЛИТ, рекомендованные параметры оборудования для сушки-гранулирования и формования.
Личный вклад автора.
В диссертации обобщены результаты исследований за 1979-2001 годы, в которых автор принимал непосредственное участие. Автору принадлежит ведущая роль в выборе и формировании направлений исследований, разработке экспериментальных подходов и теоретическом обобщении полученных результатов. Автор является организатором лаборатории «Механизация и автоматизация производства химических источников тока», инициатором, участником и руководителем технологических и конструкторских разработок, проводившихся по наряд - заказам головных научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов по химическим источникам тока, выполнявшихся в рамках программ НИОКР АН СССР, Минвуза СССР и РФ, в которых являлся ответственным исполнителем, руководителем и непосредственным исполнителем, инициатором и участником апробации и внедрения.
Апробация и внедрение работы. Материалы диссертации доложены на 10 международных, всесоюзных и российских научных и научно-практических конференциях, на заседаниях технических советов ВНИИТ и Hi 111 «Квант» г. Москва, НИИХИТ и ОАО «Литий-элемент» г. Саратов, ОКТБ «Орион» г. Новочеркасск. Макетные образцы и технологические рекомендации были внедрены во ВНИИТ и НЛП «Квант», НИИХИТ и ОАО «Литий-элемент» и опытное производство ОКТБ «Орион» г. Новочеркасск. По результатам эксплуатации макетных образцов составлено техническое задание на разработку и изготовление серийного оборудования для формования
ОАО «Источники тока» г. Смоленск. «Электроды,» изготовленные по предложенным технологиям, прошли испытания НЛП «Квант», ОАО «Литий-элемент» и НКТБХИТ (г. Новочеркасск).
Публикации.
Теоретические положения диссертации, результаты исследований и разработок изложены в 88 работах, том числе в 2 монографиях, 48 печатных работах.
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.
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.