Л.С. Генель, к.т.н., генеральный директор,
М.Л. Галкин, к.т.н., коммерческий директор, член-корреспондент Международной академии холода
Т.М. Корнеева, инж.-технолог,
ООО «Спектропласт»
В.А. Брагинский, к.т.н., МООИП

→ Купить ингибитор коррозии

От уровня и точности решений задач, которые встают перед конструктором, технологом и специалистом инструментального производства в технологии переработки полимерных материалов (ПМ), существенным образом зависят производительность процесса, качество и себестоимость продукции, а также другие экономические, производственные, а также и экологические показатели. Среди актуальных инженерных задач, которые должны быть решены при проектировании, изготовлении и эксплуатации любой формы для литья под давлением конкретного изделия, одной из первоочередных является стабилизация и интенсификация теплообмена между литьевой формой и охлаждаемой отливкой.

Как известно, суммарная продолжительность цикла литья под давлением изделий из термопластичных ПМ в значительной степени определяется временем их охлаждения в форме. Поэтому, с целью повышения производительности процесса, скорость отвода теплоты от отливки должна быть максимально допустимой для конкретного изделия.

Основной вклад в общий процесс теплообмена вносит теплообмен собственно в литьевой форме, точнее – в системе ее термостатирования (фактически – в системе охлаждения). При литье под давлением изделий из ПМ система охлаждения должна обеспечивать интенсивный отбор тепла, циклически поступающего с расплавом материала в зону формования изделия. Принципиально важно производить расчет системы охлаждения литьевой формы: прогнозный, проектный и, при необходимости, проверочный. Реальная сложность заключается в том, что каждая из известных методик расчетов, в силу принимаемых допущений, позволяет получить рекомендации лишь оценочного, сравнительного характера. Это относится и к давно апробированным инженерным методикам [1, 2], и к современным программным САЕ-системам (например, программные продукты фирмы Moldflow: MPI/FLOW, MPI/WARP, MPI/SHRINKAGE, MPI/COOL и др.), главное преимущество которых - возможность быстрого перебора вариантов и нахождения среди них наиболее рационального. Однако и в этом случае, даже при четком исполнении рекомендаций по расчету системы охлаждения при изготовлении и постановке литьевой формы на производство объективные технологические особенности литья под давлением, вариабельность теплофизических свойств перерабатываемых ПМ и индивидуальные особенности конструкции конкретного изделия влияют на то, что практически всегда, в большей или меньшей степени, нарушается требуемый расчетный тепловой режим охлаждения в форме, а следовательно и в отливке. В итоге возникают сложные, часто неуправляемые ситуации, влияющие на режим теплообмена во всех элементах системы охлаждения литьевой формы, существенно осложненные образованием на поверхности каналов охлаждения нестационарного слоя отложений, состоящих из продуктов коррозии поверхностных слоев каналов и имеющихся в хладагенте, например, в воде, солей различного вида и в различном количестве в зависимости от состава и жесткости воды (условно – «солей жесткости»).

Значения коэффициентов теплопередачи от отливок к хладоносителю увеличиваются при больших значениях числа Рейнольдса, т. е. при низкой вязкости и высокой скорости течения хладагента в каналах охлаждения литьевых форм. Вода как хладоноситель – почти универсальное термостатирующее средство. Кроме главного достоинства воды – высоких теплофизических свойств – следует иметь в виду ее доступность и низкую стоимость (по сравнению с другими известными хладагентами), нетоксичность, пожаро- и взрывобезопасность, экологичность. В системах охлаждения литьевых форм вода циркулирует по специально сконструированному контуру.

Однако в процессе эксплуатации литьевых форм активно проявляются и негативные особенности воды как хладоносителя. А именно: высокая степень коррозионного воздействия на металлы, в первую очередь на «черные» стали, и значительная склонность к образованию на поверхностях каналов охлаждения отложений в виде продуктов коррозии и солей жесткости. Это приводит к существенному снижению теплопроводности, увеличению гидравлического сопротивления течению воды. Скорость выпадения осадков и толщина образовавшегося слоя отложений в различных участках системы охлаждения неодинакова. Это затрудняет, нарушает и дестабилизирует теплообмен между расплавом ПМ и хладагентом.

Кроме того, накипно-коррозионные отложения сужают проходное сечение канала охлаждения, что приводит к снижению скорости течения хладагента и, соответственно, ухудшению теплообмена. Так, например, простые расчеты показывают, что образование на поверхности канала охлаждения слоя отложений толщиной, равной 10 % от диаметра канала, приводит к снижению скорости течения воды при прочих равных условиях на 36 %.

Негативно влияя на температурное поле в литьевой форме, накипно-коррозионные отложения в определенной мере «ответственны» за возникающую в последующем структурную неоднородность поверхностных слоев отливки, неравномерное распределение усадки и остаточных напряжений в этих слоях, возникновение утяжин, коробления, возможное ухудшение оптических и других свойств изделий.

Опыт показывает, что наиболее удобный и эффективный путь предотвращения этих негативных эффектов, заключается в применении в составе воде ингибиторов коррозии и добавок для замедления выпадения из воды солей жесткости.

Основываясь на известных законах теплофизики, проведем качественный анализ закономерностей теплоотвода от отливки к каналу охлаждения (рис. 1, а).

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.

Непосредственно перед впрыском расплава ПМ температура Т формующей поверхности имеет достаточно низкое (условно) значение– Т_min (рис. 2), но при впрыске расплава ПМ, нагретого до гораздо более высоких температур, быстро повышается до некоего значения Т_max (рис. 2), а затем плавно снижается до значения Т_изв извлечения изделия из формы и, наконец, до значения 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.

Наличие накипно-коррозионных отложений на поверхности каналов охлаждения ухудшает теплопередачу от расплава хладагенту, что приводит к увеличению длительности охлаждения отливки (рис. 2) и соответственно – к снижению производительности процесса, а также к увеличению перепада температур DТ как между расплавом ПМ и хладагентом (рис. 1, б и рис. 2), так и по оформляющей поверхности формы (рис. 3).

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

Одной из важных задач является снижение сопротивления распространению теплового потока. Эта задача может быть решена путем:

- предотвращения образования накипно-коррозионных отложений в системе охлаждения литьевой формы (равно как и во всем контуре охлаждения, в общей производственной системе водоподготовки);

- эффективного устранения уже образовавшихся отложений, тем самым максимально способствуя стабилизации и интенсификации теплообмена, повышению качества продукции и производительности;

- выбора материала формы с лучшими показателями теплопроводности.

Приведенный ниже анализ позволяет количественно оценить влияние термических сопротивлений плиты матрицы (R_м) и слоя накипно-коррозионных отложений (R_нко) на коэффициент К теплопередачи сквозь двухслойную стенку, состоящую из плиты матрицы и слоя отложений (рис. 1, а).

В теории теплообмена и, особенно, в практических расчетах часто пользуются формулой Ньютона для удельного теплового потока q:

, (1)

где К – коэффициент теплопередачи; q считается пропорциональным разности температур (Т₁ – Т₂), под которыми здесь следует понимать температуру Т₁ отливки и температуру Т₂ хладоносителя.

Для увеличения интенсивности теплообмена между отливкой и хладагентом управлять значениями Т₁ и Т₂ практически нет возможности, поскольку температура Т₁ отливки определяется свойствами ПМ, а температура Т₂ имеет, как правило, вполне определенное значение.

Далее, анализируя тепловую проводимость самого короткого пути между отливкой и хладоносителем (рис. 1, а), можно записать следующее выражение для коэффициента теплопередачи К_S от отливки хладагенту:

, (2)

где R_S - термическое сопротивление тепловому потоку на пути от отливки к хладоносителю, равное сумме всех четырех термических сопротивлений на этом пути (при наличии слоя отложений):

, (3)

где a₁ (a₂)– коэффициент теплоотдачи от расплава ПМ поверхности матрицы (от поверхности канала охлаждения хладоносителю); d_м (d_нко) – толщина плиты матрицы (слоя отложений); l_м (l_нко) – коэффициент теплопроводности материала матрицы (слоя отложений).

Значения a₁ и a₂ несущественно изменяются в процессах литья под давлением изделий из ПМ, поэтому далее имеет смысл остановиться на анализе коэффициента К теплопередачи сквозь двухслойную стенку, равную

, (4)

где

, (5)

, (6)

. (7)

На основе выражений (4) –(7) и данных, приведенных в табл. 1, были рассчитаны значения К для двух наиболее распространенных материалов плиты матрицы - углеродистой качественной конструкционной стали марки Ст30 («черная» сталь) и высококачественной стали марки Ст30 ХН3А (нержавеющая сталь) при наличии и отсутствии накипно-коррозионных 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.

Приведенные в таблице 2 данные наглядно свидетельствуют о решающем влиянии слоя накипно-коррозионных отложений на значение К и, следовательно, на интенсивность теплообмена. Поэтому столь важно применение в составе воды ингибиторов коррозии и отложения солей. Кроме того, применение ингибиторов дает возможность использовать для изготовления формообразующих элементов литьевых форм более теплопроводные и к тому же более дешевые марки сталей, что дает немалый дополнительный технико-экономический эффект.

Следует сказать, что борьба с коррозией и накипно-коррозионными отложениями в водной среде вообще и в системах охлаждения литьевых форм, в частности, имеет давнюю историю. Ряд зарубежных и отечественных фирм предлагают для этого различные средства [3], которые, однако, нельзя признать универсальными. Широко применяемые сейчас ингибиторы коррозии и накипеобразования для воды часто содержат хром, цинк, амины и другие вещества, которые являются токсичными, экологически опасными. Некоторые нетоксичные ингибиторы коррозии – фосфаты, силикаты, карбонаты и т. д. – способствуют образованию отложений. Большинство ингибиторов неэффективно защищают металлические поверхности во влажной атмосфере или в среде, лишь частично покрывающей металлическую поверхность.

Специалисты ООО «Спектропласт» (Москва) разработали и освоили промышленный выпуск комплексных добавок – водорастворимых концентратов ингибиторов коррозии и отложения солей серии СП-В. Эти концентраты позволяют уменьшить коррозионную активность воды и ее склонность к выпадению осадков при одновременном уменьшении коррозионной агрессивности паров воды, являются нетоксичными и экологически безопасными, имеют санитарно-эпидемиологическое заключение, рекомендующее их к промышленному применению, включая их применение на пищевых производствах и в жилых помещениях. Концентраты СП-В вводятся в воду в количестве от 0,5 до 5 % масс. - в зависимости от качества воды и марок сталей, температуры и длительности эксплуатации термостатируемого объекта. Применение ингибиторов коррозии и отложения солей позволяет резко снизить скорость коррозии металлов как при комнатной, так и при повышенной температурах (табл. 3 и рис. 4).

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 воды, содержащей (а) и не содержащей (б) комплексные добавки (комплексоны) – концентраты марки СП-В 10-0

Промышленному выпуску комплексных добавок предшествовали разнообразные испытания, в том числе проводилась сравнительная оценка образцов при различных способах их погружения в водную среду без ингибиторов и с концентратами ингибиторов марки СП-В 10-0. При этом было, например, установлено, что при отключении каналов охлаждения литьевой формы от поступления воды та часть каналов, которая находится в парогазовой фазе, существенно активнее подвергается коррозионному воздействию, а применение концентратов ингибиторов приблизительно на порядок уменьшает скорость коррозии металлов в парогазовой фазе.

Таким образом, благодаря концентратам ингибиторов серии СП-В в значительной степени повышаются:

- стабильность и интенсивность теплообмена в литьевой форме;

- скорость охлаждения отливки и, соответственно, производительность процесса литья;

Другими положительными эффектами от применения концентратов ингибиторов, как показывает практика, являются:

- улучшение размерной точности литьевых изделий из ПМ и других показателей их качества, а также стабильности свойств;

- увеличение срока службы и надежности системы термостатирования, в т. ч. благодаря уникальной способности защищать металл в каналах охлаждения при отключении их от поступления воды, без просушки и консервации в течение длительного (более месяца) времени;

- увеличение «жизненного цикла» литьевой формы (ориентировочно на 20-30%);

- расширение вариантов рационального размещения и конструктивного исполнения каналов охлаждения;

- сокращение времени обслуживания системы термостатирования формы, включая время на консервацию и расконсервацию литьевой формы;

- снижение частоты ремонтов систем термостатирования и, соответственно, увеличение межремонтных периодов;

- уменьшение стоимости изготовления литьевых форм за счет обоснованного применения более дешевых марок сталей (взамен нержавеющих) и меньшей трудоемкости их изготовления.

Все перечисленное положительно влияет на себестоимость изделий из ПМ и ее структуру, что должно приниматься во внимание конструктором литьевых форм (прежде всего при выборе марок сталей для формообразующих деталей форм), технологом инструментального производства, технологом по переработке ПМ (при оптимизации режимов, контроле параметров теплообмена и мероприятий по контролю качества продукции) и, наконец, маркетологом.

Опыт разработчиков концентратов серии СП-В, накопленный при мониторинге на местах их использования, дает основание рекомендовать эти комплексные добавки во многих технологических процессах и операциях, связанных с термостатированием, а также стабилизацией и интенсификацией теплообмена при использовании оборотной воды. Помимо литья под давлением их можно применять, например, в системах установок для экструзии и калибрования, гранулирования, промывки, рециклинга ПМ, в системах водоподготовки, открытого и закрытого водооборота (общего и индивидуального назначения) и теплоснабжения. Важно лишь в каждом конкретном случае составить надлежащее технико-экономическое обоснование.

Литература:

1. Видгоф И.Б. Основы конструирования литьевых форм для термопластов. – М.: Машиностроение, 1979. - 264 с.
2. Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов. – М.: Химия, 1991. – 352 с.
3. Генель Л.С., Галкин М.Л. Выбор промежуточных хладоносителей // Холодильный бизнес. – 2004, № 12. - с. 31-35; 2005, № 1. - с. 17-20.