Ингибиторы коррозии и отложения солей для систем термостатирования формообразующей оснастки и технологического оборудования

Галкин М. Л., канд. тех. наук, зам. ген. директора ООО «Спектропласт»

Время охлаждения изделий из термопластичных ПМ в форме существенно влияет на качество изделия и на производительность всего процесса литья под давлением. Основной вклад в скорость процесса охлаждения 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. Тепловой режим охлаждения в форме, а, следовательно, и в отливке часто происходит в неуправляемых ситуациях, влияющих на режим теплообмена во всех элементах системы охлаждения литьевой формы. Это обусловлено образованием на поверхности каналов охлаждения непостоянного слоя отложений, состоящих из продуктов коррозии поверхностных слоев каналов и имеющихся в хладоносителе (например, в воде) солей разного вида и в различном количестве в зависимости от состава и жесткости воды (условно – «солей жесткости»).

Накипно-коррозионные отложения сужают проходное сечение канала охлаждения, что приводит к снижению скорости течения хладоносителя и, следовательно, к ухудшению теплообмена. Так, 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, неравномерную усадку в поверхностных слоях изделия и остаточные напряжения, и связанные с ними утяжины, коробление, возможное ухудшение оптических и других свойств изделий. Одной из важных задач стабилизации теплообмена 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.

Негативно влияя на температурное поле в литьевой форме, накипно-коррозионные отложения в определенной мере «ответственны» за возникающую в последующем структурную неоднородность поверхностных слоев отливки, неравномерную усадку в поверхностных слоях изделия и остаточные напряжения, и связанные с ними утяжины, коробление, возможное ухудшение оптических и других свойств изделий. Результаты проведенных расчетов для конкретных исходных данных (двух наиболее распространенных материалов для плиты матрицы - углеродистой качественной конструкционной стали марки Ст30 и высококачественной стали марки Ст30ХН3А при наличии и отсутствии накипно-коррозионных отложений) наглядно свидетельствуют о решающем влиянии слоя накипно-коррозионных отложений на значение коэффициента теплопередачи К и, следовательно, на интенсивность теплообмена (табл. 1 и 2.)

Таблица 1. Исходные данные для расчета и рассчитанные значения термических сопротивлений стенки матрицы, изготовленной из разных материалов, и слоя отложений различного состава на поверхности термостатирующих каналов формы

Объект	Материал матрицы или основной компонент отложений	Исходные данные		Термич. сопроти-вление R, м2×К/Вт
		Теплопроводность l, Вт/м×К	Толщина d, м
Матрица	Сталь 30	75,5	6×10-3	0,79×10-4
	Сталь 30 ХН3А	33,7	6×10-3	1,78×10-4
Отложения	CaCO3	2,4	1×10-3	4,17×10-4
	Fe2O3	1,3	1×10-3	7,69×10-4
	Fe(OH)2	1,2	1×10-3	8,33×10-4

Таблица 2. Коэффициент теплопередачи К сквозь двухслойную стенку матрицы литьевой формы и слоя отложений 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

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 заметить также, что значительная шероховатость поверхности каналов охлаждения с накипно-коррозионным слоем способна при определенных условиях вызывать изменение режима течения воды в пограничном слое с ламинарного на турбулентный и существенно повысить тем самым гидравлическое сопротивление в системе охлаждения, снизив при этом эффективность теплообмена в литьевой форме.

Специалисты ООО «Спектропласт» (Москва) разработали и освоили промышленный выпуск комплексных добавок – водорастворимых концентратов ингибиторов коррозии и отложения солей серии СП-В. Промышленному выпуску комплексных добавок предшествовали разнообразные испытания. Так, проводилась сравнительная оценка образцов при различных способах их погружения в водную среду без ингибиторов и с концентратами ингибиторов марки СП-В 10-0 (см. Таблицу 3). 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.

Таблица 3. Скорости коррозии в воде некоторых металлов и отложения солей жесткости (Результаты сравнительных испытаний)

Материал образца	Скорость коррозии, мм/год; при температуре испытания:
	Т = 20°С		Т = 70°С
	без ингибиторов	с ингибиторами СП-В	без ингибиторов	с ингибиторами СП-В
Сталь Ст20	0.5	0.01	1.0	0.02
Ржавая сталь Ст20	1.1	0.02	2.8	0.03
Сталь/Медь	0.8	0.01	1.2	0.01
Замедление отложения солей, отн. ед. (разы), по ТУ 2415-006-11490846-04 п.5.5
Сталь Ст20	1	12	1	5

Примечание : жесткость воды – около 10 моль/м 3 ; содержание концентратов ингибиторов - 5 % масс.

Концентрат ингибиторов коррозии и отложения солей марки СП-В вводится в воду в количестве от 0,5 до 7% в зависимости от качества воды и марок сталей, температуры и длительности эксплуатации. Это способствует:

• повышению стабильности и интенсивности теплообмена в литьевой форме;
• сокращению цикла литья за счет повышения скорости охлаждения отливки;
• улучшению размерной точности литьевых изделий из ПМ и других показателей их качества, а также стабильности свойств;
• увеличению 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 пресс-формы в течение длительного (более месяца) времени;
• увеличению продолжительности функционирования литьевой формы (ориентировочно на 20-30%);
• расширению вариантов рационального размещения и конструктивного исполнения каналов охлаждения;
• сокращению времени обслуживания системы термостатирования формы, включая время на консервацию и расконсервацию литьевой формы;
• снижению частоты ремонтов систем термостатирования;
• уменьшению себестоимости литьевых форм за счет обоснованного применения более дешевых марок сталей (например, углеродистых взамен нержавеющих) и меньшей трудоемкости изготовления форм.

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, назначении контроля параметров теплообмена и мероприятий по контролю качества продукции) и, наконец, маркетологом.

Концентраты СП-В изготавливаются по ТУ 2415-006-11490846-04, являются нетоксичными и экологически безопасными и имеют санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.01.12.241.П.12016.05.4, отпускаются в таре по 10, 20 и 200 литров со склада в г. Москве.

Литература

1. 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.
2. Генель Л.С., Галкин М.Л., Корнеева Т. М., Брагинский В. А. Ингибиторы коррозии и отложения солей в системах охлаждения литьевых форм//Полимерные материалы. – 2006, №4. - с. 34-39.