ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Технология и оборудование для нанесения покрытий на длинномерные изделия»

Рекомендуемая область пременения

Металлургическая, горная, машиностроительная промышленность:
- получение повышенных антифрикционных, износостойких, антикоррозионных свойства поверхностей длинномерных изделий;
- нанесение покрытий с целью повышения качества сцепления с резиной;
- нанесение покрытий исключающих приработочный износ трущихся поверхностей;
- нанесение цветных декоративных покрытий и др.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – разработка современных высокоэффективных и экологичных технологий, поиск новых решений в области нанесения покрытий.

Многие отрасли промышленности нуждаются в повышении работоспособности изделий, особенно если они работают в агрессивных средах в условиях повышенной нагруженности и циклической напряжённости.

Технология и оборудование, представленные в проекте, доступны для любого современного предприятия и принадлежат к самым современным и наукоёмким продуктам. Это лучшие инновационные разработки среди мировых аналогов, снижающие себестоимость производимого продукта и улучшающие экологию предприятий выпускающих биметаллы.

Нанесение покрытий осуществляется механическим способом без применения предварительной подготовки поверхности. Рабочим инструментом для нанесения покрытий является вращающаяся с высокой скоростью металлическая щётка, находящаяся в одновременном контакте с обрабатываемой поверхностью и слитком из материала покрытия.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время в России широко применяется длинномерные изделия в виде проволоки и полосы с нанесённым  покрытием с целью повышения коррозионной стойкости, электропроводности, сцепляемости  с резиной и других потребительских свойств, а также увеличения жизненного цикла изделия. Гальванический способ нанесения покрытий на данное время является самым распространённым.

Гальванический способ, составляющий более 20 % по объему, включает в себя ряд химических и электрохимических процессов и чаще всего идёт по  схеме: анодное обезжиривание>анодное травление>активация>осаждение подслоя>нанесение покрытия>промывка>сушка. Процесс производства очень длительный, кроме того, покрытие характеризуется значительной пористостью слоя, что приводит к снижению сроков ее хранения и эксплуатации, вследствие окисления слоя покрытия по всей толщине.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Нанесение материалов на стальную основу так называемое плакирование гибким инструментом является одним из новых, технически и экономически целесообразных технологических методов поверхностной обработки, конечной целью которой является получение заданных функциональных или эксплуатационных свойств изделий путем управления свойствами их поверхностного биметаллического слоя. В основу процесса, которым более двадцати лет занимаются учёные МГТУ им. Г.И. Носова, заложено механотермическое воздействие ворса металлической щётки на поверхность изделия. При этом ворс щётки находится в одновременном контакте с материалом с которого наносится покрытие и поверхностью на которую наносится покрытие.

Механизм нанесения покрытия объясняется следующим образом. При взаимодействии ворса вращающейся щетки с изделием происходит разрушение и удаление окисных пленок и загрязнений из зоны контакта. Смятие микронеровностей и пластическое течение металла приводит к непосредственному контакту чистых поверхностей изделия и инструмента, в результате чего происходит схватывание, представляющее собой самопроизвольный процесс, протекающий с выделением энергии. Интенсивное тепловыделение при трении гибкого инструмента о поверхность изделия способствует облегчению процесса схватывания. В дальнейшем из-за взаимного движения соединившихся поверхностей узел схватывания разрушается. Срез происходит, как правило, в толще менее прочного металла, и его частицы остаются на поверхности более  твердого. С течением времени на более твердой поверхности образуется инородная пленка-покрытие. Иначе говоря, частицы металла срезаются с элемента материала покрытия (ЭМП) и переносятся ворсом щётки на обрабатываемую поверхность, причём обрабатываемая поверхность не требует предвари­тельной подготовки и последующей обработки.

Описанный выше способ позволяет наносить покрытия на изделия любой формы и длины. Ниже идёт описание оборудования и технологии, для нанесения покрытий на проволоку,  т.е. на длинномерное изделие, которая может быть распространена и на ленту. Общий вид установки для нанесения покрытий на проволоку представлен на рис.1.

Рис.1. Общий вид установки для нанесения покрытий на проволоку

Установка состоит из разматывателя (рис.2а), устройства для обработки сердечника (рис. 2в), моталки (рис.2б), смоточного устройства (рис.2г).

Схема  устройства для обработки сердечника представлена на рис. 3.

Согласно этой схеме, для нанесения покрытия, сердечник 1 необходимо заправить в устройство, для этого оно вводится в состояние заправки сердечника. Плита, на которой смонтирована щётка 3 с приводом от электродвигателя, через ремённую передачу, устанавливается в вертикальное положение, и щётка выводится из контакта с поверхностью барабанов 2. Сердечник 1 наматывается одним сплошным слоем на первый барабан по часовой стрелке, а затем сердечник наматывается на второй барабан также одним сплошным слоем, но против часовой стрелки.

Такой способ навивки даёт возможность щётке производить воздействие на обе половины периметра сердечника.

Рис. 2. Блоки, входящие в установку для нанесения покрытий на длинномерные изделия

Рис. 3. Схема устройства для нанесения покрытия на  сердечник: 1 – сердечник; 2 – барабаны; 3 – щетка; 4 – ЭМП; 5 – цилиндры подачи ЭМП; 6 – защитный кожух; 7 – электродвигатель ЭМП; 8 – пружина; 9 – опоры барабанов; 10 – винт ходовой; 11 – основание; 12 – храповой механизм; 13 – электродвигатель перемещения барабанов; 14 – ременная передача; 15 – шкив; 16 – эксцентрик; 17 – муфта.

Затем плита опускается, ворс щётки 3 вводится в контакт с барабанами с намотанным на них сердечником, включается привод вращения щётки, привод перемещения сердечника и привод вращения ЭМП 4. При этом ЭМП находится в контакте с ворсом щётки. Сердечник, перемещаясь, приводит во вращение барабаны, при этом на барабаны постоянно поступает и сходит сердечник, причём поступающий сердечник оттесняет намотанные витки, на расстояние равное диаметру обрабатываемого сердечника. При оттеснении происходит небольшое подкручивание сердечника. Для того чтобы происходило оттеснение, барабаны выполнены конусными и, со стороны поступления сердечника, снабжены галтелью.

Такой способ навивки позволяет сердечнику вступать в контакт со щеткой обеими сторонами и при переносе металла покрытия ворсом щетки формировать покрытие по всему периметру сердечника. Наличие большого количества витков сердечника позволяет одной щёткой многократно воздействовать на одну и ту же поверхность, что положительно влияет на формирование покрытия сердечника. Первые витки будут очищаться, подготавливаться под покрытие, а на последующие витки будет наноситься само покрытие, снимаемое с ЭМП, контактирующего со щеткой 3.

Устройство для удержания и подачи ЭМП состоит из двух полых цилиндров, один из которых закреплён на корпусе ограждения щётки, а второй установлен в первом, с возможностью осевого перемещения, вместе с ЭМП, размещённом в нём. На торце второго цилиндра закреплён двигатель с валом упруго, через пружину, соединённым с ЭМП и приводящим его во вращение. ЭМП выполнен в виде стакана, в донышке которого имеется отверстие, с резьбой для соединения его с валом двигателя. Такая форма ЭМП, как показывает опыт, обеспечивает наилучшие условия для съёма частиц металла ворсом щётки с последующим его переносом на обрабатываемый сердечник.

Кроме формы и режимов нагружения ЭМП, на качество покрытия оказывает влияние постоянство натяга, который создаётся за счёт сведения барабанов. Под натягом подразумевается разница между межосевым расстоянием, от момента контакта до рабочего положения, щётки и контактирующим с ней барабаном, на поверхности которого размещён сердечник.

Для возможности сведения, опора каждого барабана установленного консольно, выполнена с ласточкиным хвостом в основании и отверстием с резьбой, причём в одной опоре выполнена резьба правая, а в другой – левая.

Опоры соединены между собой с помощью винта, имеющего с одной стороны правую, а с другой левую нарезку. Ласточкины хвосты опор барабанов установлены в паз основания, имеющего такой же профиль, с возможностью их перемещения. При вращении винта опоры могут сходиться или расходиться, а  барабаны,находящиеся на этих опорах, прижиматься или отходить от торца щётки.

Механизм сведения барабанов выполнен таким образом, что к валу винта можно крепить исполнительный механизм, который обеспечивает автоматическое слежение за процессом нанесения покрытия на сердечник.

Система управления обеспечивает: замер тока статора приводного двигателя щетки; индикацию параметров тока и мощности; сигнализацию и аварийное отключения двигателя при перегрузках; стабилизацию процесса обработки сердечника, путем поддержания сигнала с датчика мощности на заданном уровне. Функциональная схема системы управления показана на рис. 4.

Рис.4. Схема управления приводом устройства для нанесения покрытий

Сигнал с трансформатора тока ТТ выпрямляется, усиливается и подается на стрелочный индикатор ИН 1 тока, а также на релейный элемент Р, который фиксирует максимально–допустимое значение тока и отключает двигатель привода щётки от сети и включает индикаторную лампу Л. В электронном блоке датчика электромагнитной мощности сигнал с трансформатора тока ТТ и напряжения ТН перемножаются и фильтруются, в результате формируется сигнал, пропорциональный величине электромагнитной мощности.

За датчиком устанавливается требуемое значение электромагнитной мощности, отдаваемой двигателю из сети.

Регулирующий прибор (РП) формирует управляющее воздействие на двигатель исполнительного механизма (ИМ) перемещения щеточного блока в функции отклонения сигнала с ДЭМ от заданного значения.

Регулирующий прибор вместе с двигателем исполнительного механизма формирует пропорционально–интегральный (ПИ) закон управления. Сигнал с регулирующего прибора (РБИ 2) проходит блок ручного управления и усиливается релейным усилителем мощности.

Блок ручного управления (БРУ) позволяет обслуживающему персоналу активно вмешиваться в работу системы. Нажатием на кнопку М (меньше) или Б (больше), на исполнительный двигатель ИД от усилителя подается питающее напряжение и исполнительный двигатель перемещает щетку в нужном направлении (Б или М). Для перехода на автоматический режим требуется нажать кнопку А (автоматика).

Настраивается система следующим образом.

Задатчиком устанавливается требуемое значение мощности на приводном двигателе щётки. Включается исполнительный механизм. Барабаны сдвигаются до контакта с ворсом щётки. Исполнительный механизм отключается. Затем  включается приводной двигатель щётки и исполнительного механизма кнопкой ручного управления (кнопка Б). Нагрузка на приводной двигатель растет. Сигнал с датчика ДЭМ также возрастает. Как только сигнал с ДЭМ выравнится с сигналом задатчика, включается кнопка А (автоматика). Система вводится в автоматический режим работы.

По мере износа щетки, уменьшается момент на валу приводного двигателя, уменьшается сигнал с ДЭМ, возрастает ошибка регулирования. Как только ошибка превысит зону нечувствительности РП, регулирующий прибор начнет формировать управляющие импульсы, изменяя их длительность и паузу в функции ошибки управления. Исполнительный двигатель перемещает барабаны, прижимая щетку к обрабатываемому сердечнику, намотанному на барабаны и восстанавливает момент на валу приводного двигателя.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Технология реализуется на специально сконструированном оборудовании. В состав оборудования для нанесения покрытий входит металлическая щётка, два барабана для размещения витков проволоки, устройство для сведения и разведения барабанов с целью прижатия покрываемых поверхностей проволоки к рабочим поверхностям щётки, устройство для подачи слитка из материала покрытия, которое монтируется на защитном кожухе щётки, моталки,  разматывателя, тянущего устройства и системы управления.

Щётка состоит из корпуса и металлического ворса. Корпус используется многократно, а ворс, по мере его износа, заменяется  на новый.

Система управления обеспечивает: замер тока статора приводного двигателя щетки; индикацию параметров тока и мощности; сигнализацию и аварийное отключения двигателя при перегрузках; стабилизацию процесса обработки сердечника, путем поддержания сигнала с датчика мощности на заданном уровне.

В качестве покрытия могут быть использованы материала всего спектра цветных металлов, включая алюминий, медь, цинк, олово, свинец, латунь, бронзы, баббиты, а также органических - политетрафторэтилен и фторопласт.

Одной щётки хватает на  50-80 часов постоянной работы. Около 70% веса слитка из наносимого  материала превращается в покрытие. Стоимость щётки диаметром 350 мм в сборе составляет около 1 тыс. руб., стоимость ворса щётки около 0,5 тыс. руб.

Срок окупаемости применения технологии составляет от 1,5 до 2 лет.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая производительность. Нанесение покрытий производится при скоростях до 1 м/с. В зависимости от скорости  покрытия сердечника при непрерывной работе оборудования можно нанести покрытие примерно на 1,5- 3 км. проволоки за час.

Энергосбережение.

Технология не требует использования воды, пара, газа и пр.

Экологическая безопасность.

Технология нанесения покрытий не требует предварительной подготовки поверхности стального сердечника перед плакированием,  т. е. не требует применения химических веществ.

Энергопотребление.

Нанесение покрытий производится на специально изготовленной установке включающей в себя двигатель мощностью 3-5 кВт на моталке, двигатель мощностью 5 - 10 кВт на устройстве для нанесения покрытия, двигатель мощностью до 1 кВт на устройстве для сведения щёток,  одну металлическую щётку диаметром 350 мм. Поэтому расход электроэнергии будет зависеть от мощности двигателей применяемых в установке, и в пересчёте на квадратный метр нанесённого покрытия будет составлять одну двадцатую часть от его токопотребления.

Малолюдная технология.

Для организации производства достаточно иметь одного рабочего.

Кроме того, внедрение данного проекта позволяет снизить себестоимость продукции за счёт повышения эффективности использования энергоресурсов, снижения их фактического потребления, а также снижения экологических платежей.

Новые потребительские свойства продукции

- антикоррозионные;
- схватывающие;
- цветные декоративные и др.
Выше перечисленное обеспечивается за счёт применения покрытия из алюминия, меди, цинка, олова, свинца, латуни, бронзы, баббита, политетрафторэ-тилена, а также нанесение многослойных и смешанных покрытий типа «металл+металл» или «металл+полимер» формирующихся на поверхности изделий в виде сплошной пленки толщиной 0,5... 100 мкм. Стоимость плакирования 1 кв.м. поверхности не превышает 100...150 руб.
Метод реализуется на специально сконструированном оборудовании, не требует применения химических веществ, при этом энергетические затраты всего 5-10 кВт/ч на м2 покрытия.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Покрытия соответствуют государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Данная технология прошла этап экспериментального освоения. Коммерческий анализ выполненных экспериментальных работ подтверждает конкурентные преимущества технологии нанесения покрытий металлическими щётками и свидетельствует об её высокой эффективности. Для реализации технологии нанесения покрытий используется индивидуально изготовленное оборудование.
Производится модернизация устройств, с помощью которых производится нанесение покрытий с целью улучшения и расширения потребительских свойств производимой продукции. Данному оборудованию не требуется усилия для сопровождения, кроме соблюдения правил эксплуатации.

Предлагаемые инвестиции

10 млн. руб.

Рынки сбыта

Технология нанесения покрытий имеет высокую степень отработки. Учитывая проблемы коррозионной стойкости и электропроводности проволоки с покрытием, предлагается оптимальное решение этих вопросов с использованием современной, малозатратной технологии нанесения покрытий, с использованием металлических щёток.
Технология нанесения покрытий из различных материалов может реализовываться на одном и том же оборудовании, без какой либо его перестройки, для чего необходимо только поменять элемент материала покрытия на необходимый.
Самым важным является то, что технология экологически чистая, не требует применения химических веществ, и может быть реализована на любом предприятии горной и металлургической промышленности, машиностроении и пр.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для её реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичных технологий.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

10.01.2007