3-3. ОПТИМАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ В ПЕЧАХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ЭМАЛИРОВАНИЯ
Рис. 3-15. Зависимость температуры термопары от высоты печи агрегата для эмалирования типа М-24 для различных способов измерения.
1 — термопара со стекловолокнистой изоляцией и покрытием алюминиевой фольгой; 2 — то же, фольга покрыта лаком; 3 — температура воздуха.
Для сравнения на рис. 6-2 приведено также распределение температуры воздуха вдоль печи, определенное расчетным путем. Для спая термопары справедливо следующее уравнение теплового баланса:
О температурном режиме печи агрегатов для эмалирования обычно судят по так называемой температурной кривой печи, представляющей собой распределение температуры, измеренной внутри камеры печи термопарой, по высоте печи. Величина этой температуры является условной, так как, по существу, термопара фиксирует не температуру окружающего воздуха и тем более не температуру эмалируемой проволоки в рассматриваемой точке, а температуру, возникающую в месте горячего спая термопары. Температура спая термопары зависит от диаметра шарика в месте спая и величины коэффициента черноты спая, так как если термопара не движется, то нагрев ее в значительной степени происходит за счет теплоизлучения. На рис. 3-15 показаны кривые распределения температуры, зафиксированные термопарой, в печи агрегата типа М-24 для двух случаев: первого — когда термопара была обмотана стекловолокном и покрыта сверху алюминиевой фольгой и второго — когда после предыдущего опыта алюминиевая фольга была дополнительно покрыта лаком. Так как лак, сгорая в печи, обуглился, коэффициент черноты значительно возрос. Поэтому во втором случае температура спая термопары существенно повысилась, причем максимальное расхождение температур термопар в обоих случаях достигло 200 °C.
где ат — коэффициент конвекции спая термопары, ккал/(м2·ч·град); Ат — коэффициент черноты спая термопары, ккал/(м2·ч·°К4); Тизм — температура, измеренная термопарой, °К; Тс — температура стенок печи, °К; Тв — действительная температура воздуха, °к.
Рис. 3-16. Кривые распределения температуры в вертикальных печах агрегатов для эмалирования типов М-24, С-24 и Б-30.
Измеряемая термопарой температура равняется температуре воздуха только в том случае, если Тв=Тс. Очевидно также, что в некоторых участках печи (там, где преимущественно сконцентрирована мощность нагревателей) или в значительной области специальных печей для тепловой обработки жаростойкой изоляции температура, показываемая термопарой, будет выше, чем температура воздуха, и ниже температуры стенок печи. В связи с этим сравнение температурных режимов различных печей необходимо производить с помощью термопар одинаковой конструкции и с одинаковым состоянием (степенью черноты) их поверхности. Одним из наиболее точных способов измерения температуры в печах указанных агрегатов является способ, при котором термопарные проволоки свариваются встык с последующей зачисткой места спая.
До сравнительно недавнего времени в практике производства эмалированных проводов считалось, что оптимальным видом температурных кривых для вертикальных эмалировочных печей являются кривые, показанные на рис. 3-16. Характер подъема температуры до максимальной определялся экспериментально. Скорость подъема температуры для каждого типа лака и определенного диаметра проволоки лимитировалась вскипанием растворителя и образованием неровной поверхности (брак по так называемой «корявости»). В области максимальной температуры наиболее интенсивно происходят быстрое испарение растворителя и процесс пленкообразования.
Рис. 3-17. Оптимальные кривые распределения температуры в вертикальных печах современных агрегатов для эмалирования.
1 — для поливинилацеталевого лака; 2 — для полиуретанового лака.
В последнее время воззрения на оптимальные температурные режимы указанных печей претерпели существенные изменения. Печи вертикальных агрегатов выполняются двухзонными с поддержанием в нижней зоне температуры более низкой, чем во второй, верхней, зоне (рис. 3-17). В нижней зоне на всей длине поддерживается температура, близкая к температуре испарения растворителя, причем эта температура должна быть такой, чтобы не наступило отверждение верхнего слоя лака. В противном случае часть растворителя может оказаться «запертой» под твердой пленкой и при последующем нагреве, вырываясь наружу, будет повреждать изоляционный слой. Образующиеся пары растворителя должны быстро удаляться из зоны. Так как при повышенной температуре вязкость и поверхностное натяжение лаковой основы резко снижаются, воздушный поток не должен вызывать смещения изоляционного слоя. По данным фирмы Дженерал Электрик, оптимальная скорость движения воздуха в первой зоне должна быть не выше 200 м/мин.
Температура во второй зоне примерно на 100° С выше, чем в первой зоне, где происходят процессы пленкообразования. Так как эти процессы происходят после испарения растворителя, когда пленка находится уже в полутвердом состоянии; повышенная скорость воздушного потока уже не оказывает вредного влияния на изоляционный слой. Двухступенчатые температурные кривые на вертикальных агрегатах для эмалирования способствуют получению проводов повышенного качества и в сочетании с другими особенностями конструкции агрегатов обеспечивают повышение производительности труда.
В горизонтальных печах распределение температуры носит другой характер. Оптимальное распределение кул, не вступивших в реакцию, может быть обозначено N1. При этом β=Ν2/Ν, где Ν — полное число реактивных групп в единице объема. Естественно, что если все реактивные группы вступят в реакцию сшивания, то получим Ν2=Ν и степень запечки будет равна 1. Если Ν2=0, т. е. реакции сшивания не происходит, то β=0. Исходя из того, что сшивание линейных молекул может произойти только в том случае, если кинетическая энергия реактивных групп будет больше некоторого потенциального барьера — энергии активации, можно получить следующее уравнение:
температуры вдоль горизонтальной печи показано на рис. 3-18.
В МЭИ и СКТБ МП под руководством канд. техн. наук С. Д. Холодного была показана возможность дальнейшего увеличения скоростей эмалирования на существующих агрегатах за счет изменения характера температурных кривых печей. При этом за основу оценки процесса пленкообразования было принято понятие «степень- запечки» эмалевой пленки и были определены зависимости степени запечки от температуры и времени термообработки. Степень запечки β определяется числом связей Ν2 в единице объема, образовавшихся между соседними линейными молекулами вещества, составляющего основу эмаль-лака и вступающего в реакцию при пленкообразовании.
Длина печи
Рис. 3-18. Кривые распределения температуры в печи горизонтального агрегата для эмалирования.
Число наборов групп
(3-31)
где — доля стехиометрических наборов групп, которые могут вступить в реакцию благодаря взаимному расположению групп в наборе; С1 — число вероятных реакций в единицу времени для одного набора реактивных групп; t — время.
Величина определяется следующим образом:
(3-32)
В выражении (3-32) φ1 — энергия активации реакции сшивания; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; ν1 — эффективная частота колебаний реактивных групп при реакции сшивания.
Так как при воздействии продуктов реакции на образовавшуюся поперечную связь может протекать и обратная реакция (например, гидролиз), то представляется возможным определить и вероятность С2 обратной реакции:
(3-33)
где ν2 и φ2 — частота колебаний и энергия активации для обратной реакции.
Характер зависимости (3-31) можно установить по изменению физических свойств эмалевой пленки, так как количество образовавшихся связей недоступно для непосредственного измерения. Так, при образовании поперечных связей происходит удаление побочных продуктов реакции, приводящее к потере массы эмаль-пленки. В частности, максимальная потеря массы Q будет наблюдаться, когда осуществлены все возможные связи, а если осуществлено только N2 связей, то потеря массы q будет меньше, чем Q (Ν1 обозначает число не прореагировавших наборов реакционноспособных групп).
В этом случае при постоянной температуре реакции
(3-34)
Из уравнений (3-32) и (3-34) можно получить равенство
(3-35)
где А — величина, постоянная для заданной степени запечки.
Рис. 3-19. Зависимость времени запечки от температуры при одном цвете эмали.
1—5 — провода ПЭВ; 6—10 — провода ПЭТВ.
Рис. 3-20. Оптимальная температурная кривая в агрегате для эмалирования типа С-24, достигаемая за счет увеличения мощности нагревателей верхней зоны.
Оценивая степень запечки по цвету эмалированного провода, т. е. предполагая, что цвет эмаль-пленки связан с образованием пространственных связей, можно связать определенную потерю массы с соответствующим ей цветом изоляции. Естественно, что по цвету сравниваются пленки, полученные на основе одного и того же лака. В этом случае для линий одинакового цвета справедливо уравнение (3-35). Экспериментальные кривые для эмаль-пленки одинакового цвета, полученные при различных температурах, показаны на рис. 3-49. Из приведенных графиков следует, что, задавая более высокие температуры в печи, можно уменьшить время запечки эмали, т. е. повысить скорость эмалирования, причем имеющиеся возможности повышения скорости еще не исчерпаны. Чем больше скорость эмалирования, тем меньше время пленкообразования и тем выше должна быть температура провода.
Следовательно, скорость пленкообразования определяется температурой в верхней зоне печи. Анализ зависимостей, приведенных на рис. 3-19, показывает, что при повышении температуры движущейся проволоки в верхней зоне на 15—20 °C скорость эмалирования увеличивается вдвое. Оптимальная температурная кривая для агрегата типа С-24 при эмалировании полиэфирными лаками, достигаемая за счет увеличения мощности нагревателей в верхней зоне печи и обеспечивающая в сочетании с необходимыми маршрутами калибров значительное увеличение скоростей эмалирования, показана на рис. 3-20.
