Формование электродных лент проводили в два этапа: формовали ленты из гранул оксидномедной массы, которые затем накатывали с двух сторон на сетчатый токоотвод.

Исследование процесса сушки гранул и лент активной массы проводили с помощью термогравиметра с механотронным датчиком массы образца. Исследование процессов гранулирования активной массы и формования электродов проводили на лабораторных установках и макетах оборудования, разработанных и изготовленных в лаборатории «Механизация и автоматизация производства химических источников тока» ЮРГТУ (НПИ).

Исследование электрических характеристик электродов проводили в ячейках, макетах источников тока и серийных источниках. При испытаниях электродов использовали гальваностатический режим разряда, реже разряд на постоянное сопротивление. Для определения физико-механических характеристик электродных лент использовали общепринятые методики и стандартизованное оборудование и приспособления.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния состава активной массы, параметров процессов гранулирования и формования ленточных электродов на электрические и физико-механические характеристики оксидно-медных электродов.

Показано, что при увеличении содержания связующего в оксидно-медной массе от 5...7 до 13... 15% при невысоком содержании токопроводящей добавки (5...7%) или при пропорциональном снижении от 10... 12% до 5...7% наблюдается повышение удельных емкости и энергии электродов, а также их прочности. Относительно малое содержание токопроводящей добавки не снижает электрические характеристики, т.к. роль токопроводящей добавки играет мелкодисперсная медь, 15...20 мин. В этом случае обеспечиваются высокие электрические и физико-механические характеристики активных масс и электродных лент (рис. 4 и 5) и более чем в 2 раза сокращается суммарная продолжительность сушки гранул. Показано, что наиболее эффективен для гранулирования оксидномедной массы в условиях серийного и мелкосерийного производства дисковый гранулятор с перфорацией в виде ступенчатых отверстий. Оптимизированы форма и размеры.

Оптимальными являются размеры гранул в интервале 5... 15 мм. Удельная емкость и прочность электродов, изготовленных из таких гранул, близки к максимальным (рис.2 и 3, пл. 1 - толщина формуемых лент активной массы). Уменьшение размеров гранул менее 3 мм существенно снижает удельную емкость и прочность электродов. Рекомендовано производить сушку гранулированной оксидномедной массы в два этапа: первый - при температуре 150...160°С, затем, после удаления части влаги, окончательно сушить массу при температуре 130...135°С. Время сушки при 150...160°С не должна превышать активной массы оксидномедных ленточных электродов, разряжаемых током плотностью Менее 1 мА/см2 приводит к существенному росту их удельной (по объему) емкости и прочности, при этом достижение плотности активного слоя 2,8 г/см3 не приводит к появлению максимумов на кривых Q. Дальнейшее увеличение плотности оксидно-медных лент прокаткой малоэффективно, т.к. требует проведения дополнительных обжатий в валках диаметром более 250 мм. Увеличение плотности активного слоя свыше 2,8 г/см3 приводит к существенному снижению коэффициента.

Получены зависимости удельной емкости и прочности электродных лент и плотности активного слоя от параметров процессов гранулирования и формования описываются однотипными зависимостями. Показано, что плотность активной массы может служить критерием оценки емкости и прочности электродных лент. Уравнения регрессии, связывающие плотность и прочность электродов с плотностью их активного слоя хорошо описываются полиномами второго порядка. Установлены условия устойчивости процесса формования оксидномедных электродных лент:

1) температуры процесса: max = 4, (W - температура кипения пропитывающей жидкости);

2) обеспечения достаточного относительного содержания q пропитывающей жидкости в лентах активной массы перед их накаткой на токоотвод.

3) ограничения обжатия е лент при накатке на токоотвод предельными обжатиями: е = 1,2 < е < е = 2,3;

4) ограничения скорости формования электродных лент максимальной скоростью, определяемой критерием CD/D - для гладких валков (щ/PV, = 5,25 (с-м)"~ допустимая деформация растяжения лент.

Разработка механизированной технологии формования ленточных оксидномедных электродов предполагает установление закономерностей процессов активной массы и накатки их на токоотвод, а также сопутствующих им процесс, отставания, уширения, усадки, сушки лент, \их деформационных характеристик, влияния параметров процесса формования 1 параметров оборудования на плотность активной массы, т.к. плотность управляемый в ходе формования, фактор определяющий эксплуатационные характеристики электродов,

В результате исследования опережения, усадки, сушки, расширения и деформационных характеристик оксидномедных лент в процессе формования получены: - уравнения частных зависимостей относительного опережения Sm от толщины 1 и плотности 1 лент и диаметра формующих валков, а также общее критериальное уравнение влияния этих факторов на опережение. Выше приведенные зависимости положены в основу математического аппарата расчета параметров процесса формования оксидномедных электродных лент и алгоритма управления процессом формования. Исходными данными являются: удельная емкость электрода Q, его толщина h (обычно 0,5 < h, < 1,0 мм), толщина сетки-токоотвода h коэффициент открытия сетки К плотность гранул активной массы у, диаметр валков D, длина бочки валков формования и накатки (&2), коэффициент шероховатости валков CSHR, длина ленты I между зазором валков формования и накатки, температура нагревателей ленты в межвалковом пространстве t (t < f max). Вычисляются: эффективная толщина токоотвода плотность активного слоя электродов (рекомендуемые значения: 2,6 < 2,8 г/см3), плотность формуемых лент активной массы.

Разработанное математическое описание использовано для оптимизации параметров процесса формования оксидномедных электродов и параметров прокатного оборудования. Показано, что для достижения плотности = 2,6.. .2,8 г/см3 минимальный диаметр валков формующих устройств должен составлять 150... 160 мм. Достижение большей плотности без введения дополнительных уплотняющих проходов невозможно. С увеличением толщины прокатанных электродных лент область возможного варьирования параметров D и hA расширяется. Предложенный алгоритм позволяет определять значения оптимальных параметров процесса формования электродов, при которых достигается оптимальная плотность активного слоя электродов при минимальном числе проходов, что обеспечивает высокое качество электродов, высокую производительность процесса и малую материалоемкость оборудования, т.к. формование электродных лент производится в 2 прохода.

В пятой главе

изложены результаты сравнительных испытаний электродов, оценки эффективности механизированной технологии и внедрения разработанных технических решений.

Показано, что в результате учета выявленных в процессе исследования зависимостей эксплуатационных характеристик от параметров процессов гранулирования и формования, а также зависимостей самого процесса формования позволил увеличить плотность формуемых электродов и повысить их удельную емкость с 900... 1000 А-ч/дм3 до 1400... 1500 А-ч/дм3. НРЦ свежеприготовленных элементов составляло 2,7...2,9 В, после частичного технологического разряда -1,8... 1,9В. Рабочее напряжение разряда обычно составляло 1,5...1,1 В (реже до 0,9 В). Макеты источников показали свою работоспособность в диапазоне температур от - 20 до + 60°С, при этом для низких температур (- 20°С) при плотности тока разряда менее 0,5 мА/см2 снижение емкости составляло 3..5% емкости при +20°С, при плотности тока разряда 0,8... 1 мА/см2 наблюдалось снижение емкости на 60...80%. При высоких температурах (до + 60°С) при плотностях тока ОД.. .0,5 мА/см2 емкость либо была постоянной либо уменьшалась по мере увеличения времени разряда на З...Ю%. Для относительно больших плотностей тока разряда (1,5... 2 мА/см2) наблюдался нелинейный рост емкости элементов по мере увеличения температуры разряда плотности тока, который при 2 мА/см2 доходил до 8.. 12% емкости при +20°С. Саморазряд элементов при хранении в течение первых 2-х лет при комнатной температуре cоставил 4.. .8%, при +40°С - 14.. .20%, причем потеря емкости нелинейно уменьшалась по мере хранения и после 12 месяцев стабилизировалась на уровне 2..3% в год.

Сравнительные испытания электродов изготовленных по непрерывной механизированной технологии и вручную с помощью валков тех же диаметров показали, что разброс толщины электродов и плотности их активного слоя при использовании непрерывной прокатки уменьшает в 2...3,5 раза. В результате в 2...2,5 раза уменьшается дисперсия емкости электродов и на 5...8% средняя удельная емкость. По сравнению с исходной лабораторной технологией удельная емкость была повышена на 40..60%.

Использование разработанной технологии позволило поднять производительность по сравнению с «ручной» технологией в 8... 12 раз.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлены зависимости электрических и физико-механических характеристик электродов от состава активной массы, размеров гранул и режимов их сушки, параметров процесса формования электродов и используемого оборудования. Показано, что:

1) наибольшая емкость электродов соответствует содержанию связующего 8... 12% и технического углерода 5...7%;

2) размер гранул должен составлять 5...15 мм;

3) сушку гранул нужно проводить в два этапа - при 150...160°С 15...20 мин, затем при 130...135°С;

4) плотность активного слоя электродов должна быть 2,6...2,8 г/см , при более высокой плотности необходимо проводить дополнительные уплотнительные проходы, снижается удельная (по массе) емкость электродов и коэффициент использования СиО;

5) увеличение критерия D/h„i с 80 до 500 позволяет до 2 раз увеличить плотность, удельную (по объему) емкость и прочность электродов;

6) плотность оксидномедных лент и активного слоя электродов позволяет оценить основные качественные характеристики электродов, поэтому плотность активной массы можно использовать в качестве критерия оценки качества оксидномедных электродов в процессе их изготовления.

2. Проведены комплексные исследования процесса формования ленточных оксидномедных электродов ЛИТ, в результате которых установлены:

1) ограничения по температуре процесса, содержанию в лентах пропитывающей жидкости, обжатию при накатке на токоотвод, скорости формования (ш/D < (ca/D)fe);

2) закономерности, отражающие влияние параметров процесса формования и технологического оборудования на качество электродов и эксплуатационные характеристики ЛИТ, в том числе, зависимости опережения, отставания и усадки лент в процессе формования, времени сушки электродных лент, их плотности, прочностных и деформационных свойств от параметров процесса формования и параметров оборудования, получены уравнения, описывающие эти зависимости.

3. Разработано математическое описание процесса формования оксидномедных ленточных электродов с учетом опережения, отставания и усадки лент в процессе формования электродов. Предложены алгоритмы управления процессом формования и оптимизации параметров процесса формования и параметров прокатного оборудования. Определены оптимальные параметры процесса формования и параметры оборудования, выработаны соответствующие рекомендации. Решена задача расчета параметров технологического процесса по заданным характеристикам оксидномедных электродов.

4. Предложена усовершенствованная механизированная технология формования ленточных оксидномедных электродов, которая позволила повысить удельную емкость (по объему) на 40...60% и довести до 1400...1500 А-ч/дм3, улучшить стабильность параметров положительных электродов ЛИТ, уменьшив дисперсии: удельной (по объему) емкости электродов в 2,0...2,5 раза; плотности активного слоя и толщины электродов в 2,0...3,5 раза по сравнению с электродами, изготовленными с использование ручного труда; повысить производительность труда в 8... 12 раз и снизить материалоемкость оборудования за счет уменьшения числа проходов при формовании электродов.

5. Разработана новая конструкция дискового гранулятора, позволяющая получать гранулы заданных размеров из оксидномедной массы, признанная изобретением.

6. Проведена апробация предложенной технологии и математического аппарата для расчета технологических параметров в условиях опытно-промышленного производства, которая подтвердила эффективность принятых технических решений.

Перечень публикаций

1. Сербиновский М.Ю, Думчус AJVL, Шкураков В JL Влияние параметров процесса формования на плотность элегародных лап // Элекпхжимическая энергетика, 2001. - Т.З. - С. 74-79.

2. Сербиновский М.Ю., Волощук В.Г., Шкураков ВЛ. Опережение при формовании лент активной массы // Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Техн. науки. 2001 - № 4. - С. 25-29.

3. Сербиновский М.Ю., Шкураков В.Л., Шкураков Л. Влияние размеров гранул оксидномедной массы на характеристики электродов ХИТ II Новые технологии управления движением технических объектов: Материалы 4-й Междунар. науч.-техн.конф. - Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001. - Т.1. - С. 78 - 80.

4. Сербиновский М.Ю., Шкураков В.Л. Влияние параметров процесса формования оксидномедных электродов на их удельную емкость // Новые технологии управления движением технических объектов: Материалы 4-й Междунар. науч.-техн. конф. - Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001. - Т.1.-С. 86 - 88

5. Сербиновский М.Ю., Шкураков В.Л. Влияние параметров процесса формования оксидомедных электродов на их электрические и физико-механические характеристики // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Материалы VT Междунар. конф. / Под ред. А.В. Чурикова. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2002. - С.159 -160.

6. Сербиновский М.Ю., Шкураков В.Л., Овсеенко СЮ. Расчет параметров и управление процессом формования оксидномедных электродов литиевых источников тока // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Материалы 3-й Междунар. науч. практич г. Новочеркасск, 17 января 2003г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ООО НПО «ТЕМП», 2003. - С. 32 - 35.

7. Патенг№ 2194568 Россия. МКИ В 09J2C0. Грануляюр / МЮ. Сербиновский, В.Г. Волощук,

В.Т. Лопшов, В.Л. Шкураков, Л.В. Шкураков Заявл. 26.072001, Опубл. 20.122002. Бкш. № 35.

Страницы: 1, 2