Ученые межотраслевой лаборатории «Современные электротехнологии» Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» разработали энергоэффективную установку индукционного нагрева для графитизации углеродного волокна.
Углеродное волокно обладает уникальными механическими свойствами: жесткостью, легкостью и жаропрочностью. Сегодня этот композитный материал широко используется в авиастроении, строительстве, автомобилестроении, судостроении и других сферах.
Заключительным этапом производства углеродного волокна является графитизация – высокотемпературная обработка волокна, для которой используются установки, способные разогреть исходный материал до 3000°С. Она является дорогостоящим, сложным и высокотехнологичным процессом, удорожающим композитный материал. В настоящее время существует несколько видов высокотемпературных печей: установки индукционного нагрева, резистивного нагрева, с использованием лазерного излучения.
В целях сокращения затрат на производство углепластика ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ» предложили использовать для высокотемпературной обработки углеродного волокна индукционную установку косвенного нагрева проходного типа. Ее конструкция отличается от всех существующих аналогов.
«Преимущество нашей установки заключается в простой геометрии графитовой печи и более низкой цене запасного нагревателя. В ее состав входит индукционная печь проходного типа длиной 8000 мм, источник питания 600 кВт, конденсаторная батарея, станция охлаждения и система управления. Все элементы установки являются частью технологической линии, предназначенной для проведения графитации непрерывно движущихся углеродных жгутов с регулируемой скоростью перемещения и температурой термообработки. Питание индуктора печи током переменной частоты происходит от комплектного источника. Автоматическую работу индукционной установки в заданном режиме обеспечивает система управления», – рассказал разработчик, старший преподаватель кафедры ЭТПТ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Юрий Перевалов.
Индукционная печь позволит увеличить объем выпуска в России высококачественного конструкционного материала нового поколения. При этом затраты на его производство значительно снизятся.
Заказчиком разработки является Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» через индустриального партнера. Научным руководителем проекта выступил доктор технических наук, профессор СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Виктор Демидович. На первом этапе был создан цифровой двойник системы, полностью имитирующий работу установки. Это позволило обеспечить оптимальное проектирование, высокую надежность и оперативное проведение пуско-наладочных работ. Разработчикам удалось добиться полуторакратного повышения производительности установки по сравнению с начальной на старте проекта. Конструктив установки, разработанный при помощи цифрового двойника, на втором этапе исследований позволил обеспечить надежную круглосуточную работу установки 24/7 при температуре до 3000°С.
С 2019 года установка успешно запущена на Заводе углеродных и композиционных материалов (Челябинск). Сейчас разработчики усовершенствуют установку в целях еще большей ее производительности.