Введение к работе
Актуальность работы. В связи с подписанием договора об ограничении и сокращении стратегических наступательных вооружений между Советским Союзом и Соединенными Штатами Америки, потребовалась ликвидация большого числа различных ракетно-космических систем, как современных, так и снимаемых с вооружения по сроку эксплуатации.
Проблема ликвидации ракетно-космических систем связана с широким использованием в их конструкциях композиционных пластиковых материалов, в том числе и углепластиков, для которых в настоящее время не разработаны технологии утилизации.
Углепластики используются в конструкциях сопловых (выходных) блоков ракетных двигателей на твердом топливе ( ВБ РДТТ) наряду с другими материалами.
В настоящее время область применения композиционных углепластиковых материалов - военная и гражданская авиация, ракето- и автомобилестроение, судостроение и медицина.
Однако, несмотря на новизну углепластикового материала и достаточно ограниченную область его применения, на ряде промышленных предприятий России и зарубежных стран возникла проблема его утилизации. Особенно актуально это для предприятий, производящих элементы конструкций ракетно-космической техники, участвующих в программе сокращения стратегических наступательных вооружений (СНВ).
Актуальность проблемы заключается еще и в том, что подобные широкомасштабные операции по утилизации изделий возлагаются военными заказчиками, как правило, на предприятиях - изготовителях этой продукции. Отсутствие технологии утилизации этих элементов приводит к их скоплению и изъятию из производственных нужд больших площадей, а применение таких методов, как сжигание на открытом воздухе и неорганизованное захоронение неэффективно с эколого-экономической точки зрения.
Основанием для проведения работ явилось постановление Совета Министров СССР от 23.08.90 г. № 883-17 о создании базы ликвидации ракетных средств СНВ и необходимости разработки новых технологий, обеспечивающих выполнение процедуры ликвидации элементов ракетных средств СНВ и дающих максимальный эколого-экономический эффект.
' Анализ литературы, проведенные предварительные исследования и имеющийся опыт переработки природных и искусственных органических материалов методом пиролиза, с целью получения карбоншата, являющегося сырьем для производства активированных углей, позволили предположить возможность решения проблемы утилизации углепластика в конструкциях выходных блоков РДТТ методом низкотемпературного пиролиза с последующей активацией продукта.
Цель работы.: Научно обосновать и разработать экологически безопасную технологию утилизации углепластиков на примере ликвидации конструкций выходных блоков ракетных двигателей на твердом топливе.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать конструкции выходных блоков ракетных двигателей на твердом топливе, с учетом возможности поэлементной утилизации материалов.
-
Экспериментально исследовать возможность утилизации углепластика методом низкотемпературного пиролиза с целью получения сырья для производства активных углей.
-
Определить основные параметры процесса утилизации углепластика и потребительские свойства получаемого продукта.
4. Разработать технологическую схему утилизации угле
пластика в конструкциях выходных блоков.
5. Спроектировать опытно-промышленную установку кар
бонизации углепластикового материала конструкции, ВБ
РДТТ отвечающую требованиям программы ликвидации
элементов РКТ, а также экологической безопасности про
цесса.
б'. Наработать опытную партию углепластикового карбо-
низата и активного угля с целью проведения работ по их
сертификации и определения возможных областей их при-
-,: менения.
7. Оценить эколого-экономическую эффективность разра-' '- ботанной технологии.
Научная новизна работы. Впервые экспериментально установлена возможность утилизации методом низкотемпературного пиролиза композиционных углепластиков, являющихся основным конструкционным материалом в сложных, неразборных, высокопрочных конструкциях сопловых (выходных) блоков
РДТТ без предварительного трудоемкого механического воздействия.
Проведены исследования состава выделяющихся пиролиз-ных газов методом хроматомасс-спектромегрии, на основании которых разработан эффективный с эколого-экономической точки зрения способ их обезвреживания.
Выявлены особенности характера терморазложения углепластика в инертной среде, определены пики основного газовыдс-ления, а также изучена зависимость основных характеристик материала от параметров процесса пиролиза (конечной температуры, скорости нагрева).
Исследовано влияние параметров процесса пиролиза на формирование физико-механических свойств и пористую структуру углепластикового карбонизата как материала, используемого для производства углеродных сорбентов.
Определены оптимальные условия парогазовой активации углепластикового карбонизата, обеспечивающие получение высококачественных активных углей.
Впервые изучена пористая структура и адсорбционные свойства полученных углепластиковых адсорбентов.
Практическое значение и внедрение результатов работы.
Разработана технология ликвидации выходных блоков РДТТ с утилизацией углепластикового материала методом низкотемпературного пиролиза.
В НПО "Искра" (г.Пермь) в рамках "Федеральной целевой программы промышленной утилизации вооружений и военной техники" смонтирована опытно-промышленная установка, позволяющая производить поэлементную разборку конструкции соплового блока и последующую утилизацию углепластикового материала методом низкотемпературного пиролиза.
По проведенным работам получено положительное решение о выдаче патента по заявке на изобретение № 5030292/04/010186 от 29.09.92 г. МКИ С10В53/00. Способ утилизации крупногабаритных изделий из высокопрочных органических пластиков.
Результаты проведенных исследований использованы при разработке технических условий на углепластиковые активные угли (ТУ 6-00209591-456.0П-95) и определении возможных областей их использования.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Анализ возможных методов утилизации композиционных пластиковых материалов.
-
Концепция поэлементной утилизации сложных клеенных конструкций, включающих композиционные углепласти-ковые материалы, методом низкотемпературного пиролиза на примере выходного блока РДТТ.
-
Параметры процессов пиролиза и парогазовой активации углешгастиковых материалов, технические характеристики и свойства получаемых материалов.
-
Конструкция, принцип действия и основные технологические параметры опытно-промышленной установки пиролиза.
-
Принципиальная технологическая схема процесса ликвидации конструкций выходного блока РДТТ.
-
Оценка эколого-экономической эффективности предлагаемой технологии.
Апробация работы. Основные материалы работ докладывались на международной конференции "Проблемы охраны окружающей среды на урбанизированных территориях", г.Пермь, 4-6 апреля, 1995 г., Всероссийской научно-технической конференции "Научно-технические проблемы конверсии промышленности Западного Урала", г.Пермь, 27-30 ноября 1995 г..
Публикация результатов. Материалы диссертации изложены в подготовленных в соавторстве 6 публикациях в виде тезисов докладов, а также одной заявке на изобретение, но которой получено положительное решение ВНПИГПЭ о выдаче патента и одном авторском свидетельстве.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа издожена на 145 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 12 рисунков, 13 таблиц, введение, литературный обзор, теоретический анализ проблемы, раздел разработки технологии утилизации ВБ РДТТ, экспериментальный раздел, результаты экспериментов и их обсуждение, эколого-экономическую оценку эффективности предлагаемого технологического решения, общие выводы, список использованной литературы, состоящий из 94 библиографических наименований.