автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Совершенствование физико-механических свойств пористых проницаемых СВС-материалов, используемых для фильтрации отработавших газов двигателей

Введение.

Глава 1 Состояние проблемы. Цели и задачи исследования.

1.1 Классификация фильтрующих материалов и их анализ.

1.2 Виды материалов, используемых для фильтрации отработавших газов дизелей.

1.3 Физико-химические процессы в системах очистки отработавших газов с СВС-калитическими фильтрами.

1.4 Выбор и общие положения технологии СВС.

1.5 Технология получения СВС-материалов.

1.6 Постановка задач исследования.

Глава 2 Методическое обеспечение определения характеристик и свойств каталитических СВС-материалов.

2.1 Гранулометрический состав и характеристики исходных компонентов.

2.2 Программа исследований пористых проницаемых СВС-каталитичеких материалов.

2.3 Изучение структуры и физико-химических характеристик пористых проницаемых СВС-материалов.

2.2.1.Определение проницаемости пористого СВС-каталитического 3 материала.

2.3.2 Определение размеров и извилистости пор в проницаемом СВС -каталитическом материале.

2.3.3 Методика определения долей тупиковых, закрытых и открытых сквозных пор в пористом СВС - материале.

2.3.4 Определение фильтрующих свойств пористых СВС-материалов.

2.4 Выводы по главе 2.—

Глава 3 Определение физико-механических характеристик пористого проницаемого СВС-материала и их влияние на качество очистки.

3.1 Определение ударной вязкости СВС-материалов.

3.2 Испытания СВС материалов на сжатие.

3.3 Разработка состава шихты для получения пористого проницаемого материала.

3.4 Извилистость пор в пористых проницаемых СВС-материалах.

3.5 Выводы по главе 3.

Глава 4 Поведение СВС-материалов при очистке газов.

4.1 Результаты экспериментальной оценки процессов дезактивации и регенерации каталитических блоков.

4.2 Результаты изучения влияния среднего диаметра пор каталитических блоков на процессы дезактивации.

4.3 Результаты определения влияния толщины стенок блоков из СВС-каталитических материалов на дезактивацию нейтрализаторов.

4.4 Результаты испытаний по дезактивации каталитических блоков нейтрализаторов в зависимости от площади закрытия пор.

4. 5 Результаты регенерации каталитических блоков обработкой парами специальных растворов.

4.6 Измерение электрического сопротивления каталитических блоков из СВС-материалов.

4.7 Выводы по главе 4.

Глава 5 Практическое применение разработанных СВС-материалов в устройствах для очистки отработавших газов.

5.1 Разработка устройства каталитического нейтрализатора с пористыми проницаемыми СВС-блоками.

5.2 Операции технологического процесса получения цилиндрических СВС-фильтров.

5.3 Выводы по главе 5.

Выводы по диссертации.

Актуальность темы. Научно-технический прогресс в очистке газовых аэрозолей от вредных веществ и твердых частиц заключается в применении новых более современных материалов и применении высоких технологий для их получения.

Отечественными школами ученых, возглавляемыми А. Г. Мержановым, В. И. Итиным, В. В. Евстигнеевым и др. разработана технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения пористых проницаемых материалов, на базе которых появилась возможность изготовления по энергосберегающей безотходной технологии фильтрующих и каталитических материалов, представляющих интерес для машиностроения, а именно для автомобиле- и тракторостроения. Новые материалы открывают возможности их использования в устройствах для очистки отработавших газов. В автомобиле- и тракторостроении эти материалы используются в каталитических нейтрализаторах и сажевых фильтрах.

Дальнейшее развитие систем очистки газов с использованием СВС-материалов сдерживается тем, что окончательно не изучены их физико-механические свойства в зависимости от химического и гранулометрического состава исходных порошковых компонентов.

Существующие методики определения физико-механических свойств пористых материалов не учитывают специфику структур СВС-материалов и их анизотропность. Требуется разработка СВС-материалов, применяемых в качестве фильтров для очистки отработавших газов двигателей. Поэтому настоящая работа, направленная на определение прочностных и фильтрующих свойств пористых СВС-материалов в зависимости от структуры и состава шихты, является актуальной.

Цель работы - совершенствование физико-механических свойств СВС-материалов, предназначенных для очистки газов машиностроительных производств и транспорта за счет выбора состава шихты.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: выявление влияния исходных порошковых компонентов на механические и физические свойства СВС-материалов, применяемых для очистки отработавших газов двигателей, на основе никелида алюминия и оксида железа; выявление влияния структуры пористых проницаемых СВС-материалов на основе никелида алюминия и оксида железа на эффективность очистки отработавших газов двигателей от твердых частиц; разработка методики исследований и приборного комплекса по определению физико-механических и эксплуатационных свойств пористых проницаемых СВС-материалов, применяемых для очистки отработавших газов двигателей; разработка фильтров с полученными пористыми проницаемыми блоками из СВС-материала на основе никелида алюминия и оксида железа.

Объект исследования - материалы и физико-механические свойства пористых проницаемых СВС-материалов на основе никелида алюминия и оксида железа.

Научная новизна работы: установлены зависимости, связывающие механические свойства пористого проницаемого СВС-материала на основе никелида алюминия и оксида железа с его химическим составом. Выявлено, что добавление в состав этих материалов меди, хрома, железа, титана и оксида железа не оказывает влияния на изменение ударной вязкости. Добавление 8 % карбида титана в шихту СВС-материала на основе никелида алюминия повышает предел прочности на сжатие на 33 %, а добавление 12 % ферросилиция в шихту СВС-материала на основе оксида железа - на 19 % по сравнению с составами без добавок; разработан новый состав шихты для получения СВС-материала на основе оксида железа с добавлением формовочной глины марки КШ/2 Тг

Добавление формовочной глины марки KIII/2 Т2 в количестве 6 % повышает предел прочности на сжатие на 31 % по сравнению с составом без добавок;

S экспериментально определена зависимость фильтрующих свойств разработанного СВС-материала на основе оксида железа с добавлением формовочной глины марки КШ/2 Т2 от диаметра пор материала, количества ступеней очистки и толщины стенки фильтра. Качество очистки отработавших газов от твердых частиц при увеличении толщины стенки фильтрующего материала возрастает на 3 % на 1 мм толщины. При диаметре пор 150 мкм эффективность очистки составляет 86 %. При применении трех ступеней качество очистки составляет 87 %;

•S выявлена возможность уменьшения сопротивления СВС-материала на основе оксида железа посредством введения в него ферросилиция. При добавлении ферросилиция в количестве 10 % удельное сопротивление такого СВС-материала уменьшается с 0,46 Ом-м до 0,26 Ом-м, что позволяет проводить регенерацию фильтрующих элементов за счёт нагрева их электрическим током.

Практическая значимость работы состоит в том, что добавление в состав шихты формовочной глины марки KIII/2 Т2 при получении СВС-материала на основе оксида железа, позволило повысить его прочность на сжатие на 31 %. На основе полученных из него фильтрующих элементов сконструирован каталитический нейтрализатор, позволяющий при эксплуатации дизельных двигателей уменьшить выброс вредных веществ.

Также разработан метод регенерации фильтров из СВС-материалов на основе оксида железа с помощью разогрева электрическим током, позволяющий увеличить ресурс работы нейтрализаторов в два раза.

Работа выполнена как часть целевой комплексной программы Сибирского отделения РАН «Экология», блок «Атмосфера», научно-технической программы Министерства образования и науки Российской Федерации ГР № 01200605509, перспективного плана развития научноисследовательских работ Алтайского государственного технического университета имени И. И. Ползунова (АлтГТУ).

Реализация результатов работы. Предложенный состав шихты используется на ПО «Алмаз» при производстве фильтрующих элементов для нейтрализаторов отработавших газов, описанных в данной работе. Материалы диссертации используются в учебном процессе Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова в курсах лекций «Конструкционные и защитно-отделочные материалы в автомобилестроении».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: постоянно-действующем семинаре Автотранспортного факультета АлтГТУ (Барнаул, 2004-2007 гг.), VII международной научно-технической конференции «Проблемы развития литейного, сварочного и кузнечно-штампового производств» (Барнаул, 2004 г.), 1-ой Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Барнаул, 2004 г.), 62-64-ой научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (Барнаул, 2004-2006 гг.).

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, включая статью в центральном журнале, входящем в перечень изданий ВАК РФ, и двух патентах на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного содержания, общих выводов, списка используемой литературы из 94 наименований. Работа изложена на 116 страницах, содержит 25 рисунков и 12 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Получены зависимости механических свойств (прочности, ударной вязкости) СВС-материала от химического состава добавочных компонентов. Выявлено, что:

- добавление к шихте СВС-материала на основе никелида алюминия меди, хрома, железа, титана и оксида железа в количестве 5 % не оказывает существенного влияния на значения ударной вязкости;

- добавление к шихте СВС-материала на основе никелида алюминия карбида титана TiC в количестве 8 % масс, повышает прочность на сжатие полученного материала на 33 % до 6 МПа, а добавление ферросилиция в количестве 12 % масс, к шихте на основе оксида железа на 19% до 11 МПа относительно состава без добавок.

2. Определение электрического сопротивления СВС-материала выявило, что добавление в исходный состав шихта на основе оксида железа ферросилиция в количестве 10 % приводит к снижению удельного сопротивление до 0,26 Ом-м, а также открывает возможность для создания новых регенерационных систем на основе разогрева электрическим током.

3. Разработан состав шихты СВС-материала на основе оксида железа который, за счет добавления глины марки KIII/2 Т2 в количестве 6 %, позволяет повысить прочность на сжатие до 12 МПа, что на 31 % больше, по сравнению с составом без добавок. Определены зависимости эффективности очистки полученного материала в зависимости от диаметра пор, толщины стенки фильтра и количества фильтрующих перегородок. Качество очистки отработавших газов от твердых частиц при увеличении толщины стенки фильтрующего материала возрастает на 3 % на 1 мм толщины. При диаметре пор 150 мкм эффективность очистки составляет 86%. При применении трех ступеней качество очистки составляет 87 %.

4. Применении СВС-фильтров на основе оксида железа с добавлением глины формовочной KIII/2 Т2 в разработанной конструкции каталитического нейтрализатора, защищенной патентом № 2267014, МПК F01N 3/28, позволяет предохранять фильтры от ударных нагрузок, осуществлять четыре ступени очистки и задерживать до 90 % твердых частиц.

5. Разработаны методики определения проницаемости, определения размеров и извилистости пор, долей тупиковых, закрытых и открытых сквозных пор, определения фильтрующих свойств,

6. Разработанные установки для получения слепка пор позволили получить представление о внутреннем строении СВС-материала, наличие гротовых и сквозных объединенных пор.

7. Дезактивация каталитических блоков коксом происходит плавно примерно до 90 часов работы, а далее резко возрастает и вызывает к 180 часам работы полный выход нейтрализаторов из строя.

8. Сделаны выводы о необходимости регенерации СВС-фильтров, с целью увеличения срока службы и улучшения эксплуатационных характеристик.

9. При регенерации предпочтительнее применять растворы солей церия или CuCb+NaCl в 90% этиленгликоля и 10% нашатырного спирта.

1. Вагнер В.А., Новоселов A.J1., Лоскутов А.С Снижение дымности /Алт. краевое правление союза НКО СССР. — Барнаул: Б.И.,1991. — 140 с.

2. Исследование роста частиц сажи // Автомоб. пром-сть США. —1984. — № 6, —С. 10.

3. Мельберт A.A., Новоселов А.Л. Перспективы применения СВС-ка-талитических фильтров для очистки отработавших газов автомобилей // Вести. АлтГТУ им. И.И. Ползунова. — 1999. — № 2. — С. 157-158.

4. A ceramic filter for diesel particulates // Diesel Prog. N. Amer. —1987. — Vol. 47,N6.—P. 46, 47,50.

5. Diesel-Partikel-Filtersystem // Hebezeuge und Forderm. — 1999. —Vol. 39, N1-2, — P. 19.

6. Bosch. Автомобильный справочник: Пер. с англ. Первое русское издание. — М.: За рулем, 2000. — 896 с.

7. Варшавский И.Л., Малов Р.В. Как обезвредить отработавшие газы автомобиля. — М.: Транспорт, 1968. — 128 с.

8. Горбунов В.В., Патрахальцев H.H. Токсичность двигателей внут реннего сгорания: Учеб. пособие. — M.: Изд-во РУДН, 1998. — 214 с.

9. Лупачев П.Д., Володин В.М., Маев В.Е., Коньков Р.Г. Снижение вы бросов сажи с отработавшими газами тракторных дизелей. — М.: ЦНИИТАИавтосельхозмаш, 1991. — 31 с. (Сер. 1. Тракторы и дви гатели. Вып. 1.)

10. A ceramic filter for diesel particulates // Diesel Prog. N. Amer. — 1987. — Vol. 47, N 6. — P. 46, 47, 50.

11. Активность оксидного медно-цериевого катализатора при нейтра лкзацик выхлопных газов автомобилей и промышленных выбро сов / И.О. Крылов, Т.В. Симон, A.B. Крылова // Хим. и нефтегаз. машиностроение. — 1997. — №4. — С. 62-64.

12. Булаев В.Г. Влияние содержания серы на изменение активности катализатора // Тез. Междунар. науч.-техн. конф., 4-6 дек. 1996 г. — М.: МАДИ-ТУ, 1998. — С. 39-42.

13. И.Истомин СВ. Термический нейтрализатор с сажевым фильтром // Технологии формирования качества деталей при восстановлении и упрочнении. — Саратов, 1997. — С. 114-118.

14. Erstmales Metallkatalyzator im Porsche Carrera // MTZ. — 1989. — N 1. —P. 18.

15. Каталитические нейтрализаторы транспортных двигателей / О.И. Жегалин, H.A. Китросский и др. — М.: Транспорт, 1979. — 80 с.110

16. Лупачев П.Д., Володин В.М., Маев В.Е., Коньков Р.Г. Снижение вы бросов сажи с отработавшими газами тракторных дизелей. — М.: ЦНИИТАИавтосельхозмаш, 1991. — 31 с. (Сер. 1. Тракторы и дви гатели. Вып. 1.)

17. Дугин Г.С. Вопросы снижения токсичности отработавших газов ав тотранспорта // ВИНИТИ. — 1990. — № 15.

18. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1973. — 200 с.

19. Diesel-Partikel-Filtersystem // Hebezeuge und Forderm. — 1999. — Vol. 39, N 1-2. — P. 19.

20. Новоселов А. Л., Мельберт А. А., Беседин С Л. Основы инженерной экологии в двигателестроении: Учеб. пособие. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1993.—-98 с

21. Снижение токсичности автотранспортных дизелей: Учеб. посо бие / А.Л. Новоселов, C.B. Новоселов, A.A. Мельберт и др. / Под ред. A.A. Новоселова. —Барнаул: Б.И., 1996. — 122 с.

22. Коваленко В.П., Ильинский A.A. Основы техники очистки жидкостей от механических загрязнений. М.: Химия, 1982. - 272 с.

23. Жужиков В.А. Фильтрование. М.: Химия, 1980. - 400 с.

24. Скобеев И.К. Фильтрующие материалы. М.: Химия, 1978. - 263 с.

25. Фильтры. Каталог-справочник. -М. 1955.

26. Erstmales Metallkatalyzator im Porsche Carrera // MTZ. — 1989. — N 1. —P. 18.

27. Мержанов А.Г. СВС-процесс: теория и практика горения. — Чер ноголовка, 1981. — 31 с.

28. Интегральные технологии самораспространяющегося высокотем пературного синтеза / В.В. Евстигнеев, Б.М. Вольпе, И.В. Милюко ва и др. — М.: Высш. шк., 1996. — 274 с.

29. Ермолович И.В., Фомин В.М., Салахадин М. Сажевые фильтры из пенометалла // Тракторы и с/х машины. — 1997. — № 4. — С. 15-16.

30. Мержанов А.Г., Боровинская И.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез неорганических соединений// Доклады Академии Наук СССР, 1972, т. 204, с. 366-369.

31. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Володин И.П. Исследование безгазового горения с фазовыми превращениями// Доклады Академии Наук СССР,1972, т. 206,с. 905-908.

32. А.Г. Мержанов, Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: 20 лет поисков и находок, Черноголовка, 1989, 91 с.

33. Максимов Ю.М., Некрасов Е.А., Алдушин А.П. Расчет параметров волны горения в системе Zr-Al// ФГВ,- 1981. №2. С. 35-41.

34. Некрасов, Е.А., Максимов Ю.М., Зиатдинов М.Х., Штейнберг A.C. Влияние капиллярного растекания на распространение волны горения в безгазовых системах// ФГВ,- 1978.- Т. 14.- №5.- С.26-32.

35. А.Г. Мержанов А.Г., Юхвид В.И., Боровинская И.П., Дубовицкий Ф.И.

36. Способ получения тугоплавких неорганических материалов. — A.C. № 617485. Заявка №2145103, 1975. Бюлл. изобр. № 28, 1978.

37. Новиков JT.A., Смайлис В.И. Уровень и перспективы снижения ток сичности и дымности судовых, тепловозных и промышленных ди зелей: Обзор. — М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1990. — 28 с. (ДВС сер. 4, вып. 3).

38. Новоселов A.A., Новоселов А.Л., Мельберт A.A. Развитие систем ка талитической очистки отработавших газов ДВС // Совершенство вание систем автомобилей, тракторов и агрегатов: Сб. статей в 2 ч. Ч. I. — Барнаул: АлтГТУ, 1999. — С. 52-57.

39. Новоселов А.Л., Мельберт A.A., Ковалева Л.А. Развитие конструк ций многоступенчатых блочных нейтрализаторов отработавших газов дизелей // Ежегод. сб. науч. трудов / Ползуновский центр АлтГТУ. — Барнаул, 1997. — С. 26-29.

40. Новоселов А.Л., Лебедева O.A., Ковалева Л.А. Влияние типа катали затора на эффективность нейтрализатора отработавших газов // Ежегод. сб. науч. трудов / Ползуновский центр АлтГТУ. — Барна ул, 1997, —С. 30-31.

41. Левашов Е.А., Рогачев A.C., Юхвид В.И., БоровинскаяИ.П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. -М.% Изд-во БИНОМ.-176.

42. Левашов Е.А. Разработка технологических процессов получения новых керамических и керамико-металлических материалов методом СВС. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н., Москва, МИСиС, 1995, 97 с.

43. ГОСТ 25283-82 Изделия порошковые. Метод определения проницаемости газов и жидкостей.

44. ГОСТ 25281-82 Металлургия порошковая. Метод определения плотности формовок.

45. Пористые проницаемые материалы: Справ.изд./ Под ред. Белов C.B. — М.: Металлургия, 1987.-335 с.

46. Порошковая металургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник /И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, И.Д. Радомысельский и др. Киев: Наукова Думка, 1985. - 624 с.

47. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

48. ГОСТ 25.503-97 Расчет и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие.

49. Евстигнеев В.В., Гусельников В.М., Лебедева O.A., Воронков Н.Г., Косса E.H., Вольпе Б.М. Шихта для получения пористого проницаемого материала. Патент SU1811683A3, 25.12.90

50. Лебедева O.A., Шечков Г.Т., Воронков Н.Г., Беседин С.Л. Шихта для получения пористого проницаемого материала. Патент RU2081731C1, 20.06.97, Бюл.№ 17.

51. Вольпе Б.М., Евстигнеев В.В., Лебедева O.A., Косса E.H. Шихта на основе никеля для получения пористого проницаемого материала. Патент RU2009017C1, 150.03.94. Бюл.№5.

52. Лебедева O.A., Шечков Г.Т., Шихта для получения пористого проницаемого материала. Патент RU2154550C1, 20.08.2000, Бюл.№23.

53. Белов С. В. Определение средних размеров пор спеченных пористых металлов.— «Известия вузов. Машиностроение», 1966, № 1, с. 158—163.

54. Беркман А. С. Пористая проницаемая керамика. М., Госстройиздат, 1959, 172 с.

55. Солонин С. М., Слепцова Н. П. Чернышев Л. И. Определение разме ров пор фильтровых материалов из несферических порошков. «Порошковаяметаллургия», 1971, № 1, с. 38—44.

56. ГОСТ 17.2.2.01-86 Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений.

57. ГОСТ 14846-81 Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний.

58. Самохов A.A., Зайдман Н.М., Чижик М.Д., Буянов P.A. Об изменении активности катализаторов в процессе эксплуатации. Новосибирск: Наука, 1976. 107 с.

59. Стрельников В.А., Истомин C.B., Цыпцин В.И. снижение токсических выбросов автотракторных дизелй // тракторы и с/х машины. №10. - 2003. -с. 6-9.

60. Simulation ofcontinuously regenerationg diesel particulate filters in transient driving cycles // Proc. Inst. Mech. Eng. D. 2002. - 216. - №7. - c. 591 - 606.

61. Тенденции развития конструкции фильтров для очистки отработавших газов дизелей от твердых частиц / Новоселов A.A., Кашкаров А.Г., Мельберт A.A. и др. // Повышение экологической безопасности автотракт, техники: Сб. статей. Барнаул, 2001. - с. 16-19.

62. Унгефук A.B., Мельберт A.A. Возможности снижения токсичности дизелей восстановлением их технического состояния // Повышение экологической безопасности автотракт, техники / Акад. транспорта РФ, АлтГТУ им.И.И.Ползунова. Барнаул, 1998. - с. 111-113.

63. Лебедева, O.A. Электросопротивление СВС-пористых материалов на основе железа и никеля / О.А.Лебедева, С.Н.Павлов, С.С. Торбунов // Проблемы развития литейного, сварочного и кузнечно-штампового производств.

64. Материалы VII международной научно- технической конференции. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ. 2004, - С. 35.

65. Новоселов, А.Л. Закоксовывание пористых проницаемых СВС-каталитических блоков нейтрализаторов / А.Л.Новоселов, А.А.Мельберт, А.А.Жуйкова, С.Н.Павлов // Вестник КГТУ. Серия Транспорт. Выпуск 40. 2006. С.62-66.

66. Павлов, С.Н. Методы расчета на прочность СВС-материалов / Новоселов А.Л. // Наука и молодежь. 1-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых / АлтГТУ- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004. - С. 54-55.

67. Патент №2267014 РФ, МПК F01N 3/28 Кассетный каталитический нейтрализатор / А.Л. Новоселов, С.Н. Павлов, A.A. Мельберт, A.A. Жуйкова; -№2004110268/06; заявл. 04.05.2004; опубл. в 2005, Бюл. № 8.

68. Патент №2272159 РФ, МПК F01N 3/28 Секционный каталитический нейтрализатор / А.Л. Новоселов, С.Н. Павлов, A.A. Мельберт, A.A. Жуйкова; -№2004118127; заявл. 15.06.2004; опубл. в 2006, Бюл. № 8.