автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Методические средства проектирования технологических процессов тепловой обработки изделий из стекла

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени Н.Э. Баумана

На правах рукописи

КАЛИНИН ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ

МЕТОДИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛА

(05.02.08 - Технология машиностроения)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

м X

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сгибнев Анатолий Васильевич

Москва 1999

-2-ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛА...........................................14

1.1. Разнообразие технологических процессов тепловой обработки изделий из стекла...........................................................14

1.2. Проблемы проектирования технологических процессов тепловой обработки..................................................................20

1.3. Особенности математического моделирования температурного состояния изделий из стекла.....................................26

1.4. Методы обратных задач в проектировании технологических процессов тепловой обработки......................................30

1.5. Формулировка цели и задач работы........................................36

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАДИАЦИОННО-КОНДУКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ СТЕКЛА.......................................................................................37

2.1. Радиационно-кондуктивный теплообмен в слое монолитного стекла.................................................................................37

2.1.1. Математическая модель.................................................37

2.1.2. Алгоритм решения.........................................................42

2.1.3. Тестирование алгоритма................................................ 45

2.2. Радиационно-кондуктивный теплообмен в слое спекающихся стеклянных частиц........................................................47

2.2.1. Математическая модель.................................................47

2.2.2. Алгоритм решения........................................................58

2.2.3. Тестирование алгоритма................................................60

Выводы ко второй главе..................................................................63

-3стр.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИКО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЙ АППАРАТ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛА....................64

3.1. Некоторые общие подходы к проектированию технологических процессов тепловой обработки..................................64

3.1.1. Основные задачи проектирования технологических процессов тепловой обработки.....................................64

3.1.2. Математическая формулировка задач проектирования в рамках методологии обратных задач.................65

3.2. Алгоритм решения граничных обратных задач проектирования...........................................................................................67

3.2.1. Основные элементы градиентного алгоритма............67

3.2.2. Вычисление градиента целевой функции в случае теплообмена в слое монолитного стекла.....................71

3.2.3. Вычисление градиента целевой функции в случае теплообмена в слое спекающихся стеклянных частиц ....................................................................................74

3.3. Программная реализация и тестирование алгоритма............77

3.3.1. Программная реализация...............................................77

3.3.2. Тестирование алгоритма................................................77

3.4. Сравнение математико-алгоритмического аппарата

с традиционными методами теоретического обоснования проектных решений..................................................................83

Выводы к третьей главе...................................................................88

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛА....................90

4.1. Определение режимов инфракрасного отжига стеклянных изделий.......................................................................................90

стр.

4.1.1. Условия моделирования................................................90

4.1.2. Теоретическое обоснование рациональных режимов инфракрасного отжига...................................................94

4.1.3. Результаты испытания опытно-промышленной установки...........................................................................108

4.2. Исследование тепловых процессов производства стекло-

кристаллических материалов................................................112

4.2.1. Проблемы и направления совершенствования производства стеклокристаллических материалов.........112

4.2.2. Условия моделирования..............................................115

4.2.3. Численное моделирование режимов спекания стек-логранулята...................................................................126

4.3. Определение режимов термической полировки рельефных

поверхностей...........................................................................138

4.3.1. Условия моделирования..............................................138

4.3.2. Определение программы работы привода технологической установки для термической полировки.....145

Выводы к четвертой главе.............................................................148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............."..i...................................................................................151

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................166

-5-ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Благодаря уникальному комплексу свойств, изделия из стекла широко применяются в аэрокосмической технике, прибо-ро- и машиностроении, строительстве, медицине. Производство изделий из стекла справедливо относят к производствам с большими тепловыми потерями и вредными выбросами. В отрасли велика доля ручного труда, а качество изделий по многим позициям уступает зарубежным. В значительной мере эти недостатки вызваны самой сущностью технологий, а также устаревшими техническими решениями оборудования. Имеющимися у отечественных инженеров-конструкторов средствами проектирования добиться кардинальных изменений в отрасли невозможно. До сих пор в освоении технологий преобладают интуитивно-эмпирические приемы, а расчетное обеспечение режимов обработки сводится к приближенным методикам [1-3].

В последние годы осваиваются технологии обработки изделий из стекла потоками теплового излучения. Новые технологии отжига, обжига, полировки, закалки стеклянных изделий отличают высокая экономичность, производительность, экологическая чистота [4-12]. Благодаря исследованию математических моделей радиационно-кондуктивного теплообмена (РКТ) и развитию методологии решения некорректных обратных задач (03) математической физики к настоящему времени сложились предпосылки для качественного изменения в освоению указанных технологий [13-19].

Практически во всех технологиях производства изделий из стекла определяющее значение имеют тепловые процессы. Они оказывают влияние на физикохимические, фазовые и структурные превращения в стекле и проявляются в технических характеристиках и потребительских свойствах изделий. Замечено, что свойства готовой продукции непосредственно связаны с однородностью температурных полей, формирующихся в процессе обработки. Так, при отжиге с повышением однородности уменьшаются остаточные температурные напряжения, и возрастает прочность изделий. Напротив, при закалке формируется неоднородное температурное поле, порождающее на-

пряжения сжатия в поверхностных слоях, что обеспечивает высокую сопротивляемость изделий внешним силовых нагрузкам. Комбинируя источники нагрева, имеющие преимущественно поверхностный или объемный характер нагрева стекла, используя закономерности развития естественной и вынужденной конвекции и, тем самым, регулируя скорости нагрева и/или охлаждения и градиенты температуры, можно добиться желаемого температурного и напряженно-деформированного состояния.

Очевидно, что подход к выбору режимов термообработки, основанный на проведении экспериментальных исследований, сопряжен с большими материальными и временными затратами и особенно уязвим при изменении номенклатуры изделий. Строгое теоретическое обоснование технологических режимов требует применения специализированного программного обеспечения, основанного на математических моделях комбинированного теплообмена. Разработка таких моделей для решения прикладных задач стекольной промышленности ведется с начала 1950-х годов. Большой вклад в изучение процессов РКТ внесли в нашей стране A.B. Галактионов,

B.Н. Елисеев, Ю.А. Липовцев, Н.В. Марченко, В.А. Петров, O.A. Сергеев,

C.B. Степанов, Р.З. Фридкин, В.Д. Чельцова, И.П. Шахматова и за рубежом Р. Висканта, Р. Гардон, М. Оцисик, Э. Спэрроу. Реальные процессы в стекле при интенсивных тепловых воздействиях зачастую нелинейны, сопровождаются физикохимическими и структурно-фазовыми превращениями, что требует совершенствования моделей и применения новых численных алгоритмов.

Для эффективного практического применения высокоточных математических моделей необходимо располагать алгоритмическими средствами оптимизации. В течение последних двадцати лет активно развивается методология 03, объединяющая строгие математические модели и алгоритмы оптимизации. В ряде отраслей науки и техники: астрофизике, разведке полезных ископаемых, компьютерной томографии, теплофизике и механике ком-

позиционных материалов благодаря постановке и решению 03 достигнуты впечатляющие результаты. Что касается теплофизических приложений, то следует отметить значительную роль работ, выполненных О.М. Алифано-вым, Е.А. Артюхиным, Дж. Бэком, И. Жарни, Н. Забарасом, JI.A. Коздобой, Ю.М. Мацевитым, Н. Маккормиком, В.В. Михайловым, Д. Мурио, A.B. Не-нарокомовым, C.B. Резником, В.М. Юдиным. Эти работы являются сильным стимулом к распространению приемов этой методологии на стекольное производство. Методами 03 можно решить ряд важных технических задач, возникающих при проектировании нового оборудования. Существенно, что при этом основные проектные задачи по выбору компоновочных решений, материалов и покрытий могут решаться с единых позиций и с достаточной для практики точностью.

В последние годы- обострилась проблема утилизации отходов стекла. Один из путей решения данной проблемы видится в производстве изделий из стеклокристаллических материалов (СКМ), получаемых из гранулированного сырья, в том числе с использованием бытовых и промышленных отходов стекла. Согласно [1, 20, 21] СКМ обладают уникальным сочетанием различных потребительских качеств: высокие прочность, химическая стойкость, морозостойкость, низкое водопоглощение, разнообразие цветовой гаммы, отсутствие радиационного фона, невысокая цена (в 2...3 раза дешевле гранита). Например, перспективный материал «Экстрастеп» при плотности 23002450 кг/м имеет предел прочности 230-320 МПа на сжатие и 20 МПа на изгибов то время как у распространенных керамических материалов, имеющих плотность 1900-2000 кг/м , эти показатели лежат в пределах, соответственно 15-180 и 2-12 МПа. Отличительной особенностью новых материалов является то, что их предлагается производить из отходов стекла без использования токсичных добавок. К известным маркам относятся также отечественные материалы «Стеклокристаллит», «Стеклокремнезит», «Стеклокерамзит» и

зарубежные аналоги «Пирокерам 0333» (США), «Неопарис» (Япония), «Ке-ракс» (Германия) [1, 22].

Стекло представляет собой ценный материал, производство которого сопряжено с высокими материальными и энергетическими затратами, поэтому его повторная переработка оправдана с позиций ресурсосбережения. Стеклобой относится к твердым отходам, практически не разлагается, и рассчитывать на его естественную утилизацию нельзя. В нашей стране масштабы загрязнения бытовым стеклобоем принимают угрожающий характер. В зарубежных странах - Германии, США, Франции, Чехии, Швейцарии, Японии отходы стекла нашли применение при выпуске стеклотары и некоторых типов СКМ электротехнического и строительного назначения. Для сбора и подготовки сырья предусмотрены специальные контейнеры, транспорт, действует система экологического воспитания и поощрения населения [23]. Однако в России отсутствует серийное технологическое оборудование для переработки отходов стекла в строительные материалы.

Отечественная научная школа по СКМ (Б.Г. Варшал, Н.М. Павлушкин, П.Д. Саркисов, И.Д. Тыкачинский, Р.Я. Ходаковская и др.) имеет мировую известность. Однако, удовлетворительные результаты, полученные в лабораторных и опытно-промышленных установках, не удалось реализовать в промышленности. Так, на ряде предприятий (Ленинский стекольный завод, г. Москва, Экспериментальный керамический завод МО РФ, п. Подрезково Московской обл., завод им. Ф.Э. Дзержинского, г. Гусь-Хрустальный, Керченский межколхозный стекольный комбинат) с середины 1970-х годов предпринимались попытки наладить производство изделий из СКМ способом спекания, были созданы промышленные образцы технологических установок получения СКМ, серийно выпускавшие продукцию. В настоящее время производство таких материалов в нашей стране приостановлено.

Это объясняется в первую очередь тем, что качество выпускаемой продукции было крайне низким и нестабильным, использовалось технологиче-

ское оборудование с низким КПД, для понижения температуры спекания и в кристаллизации материала применялись токсичные фтористые добавки [24].

Наиболее рациональный путь при создании промышленных технологических установок для производства высококачественных изделий из СКМ заключается в соединении теоретических и экспериментальных методов исследования. В связи с этим следует выделить средства математического моделирования пространственно неоднородных, нестационарных и нелинейных физических процессов в спекающихся и кристаллизующихся стеклообразных материалах. Эта задача чрезвычайно высокой сложности и до сих пор не решалась. Значительный вклад в исследование физикохимических явлений в таких материалах внесли A.A. Аппен, С.С. Вильковский, A.M. Калинина, А.Н. Колмогоров и В.Н. Филипович (кристаллизация переохлажденных расплавов), Я.Е. Гегузин, В.А. Ивенсен, Б.Я. Пинес, В.В. Скороход, С.М. Солонин и Я.И. Френкель (спекание порошковых материалов).

Таким образом, на данном этапе разработка средств, включающих методы, модели, алгоритмы и программы и предназначенных для проектирования технологических процессов обработки изделий из стекла источниками теплового излучения, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Тема диссертации отвечает п.2.6.1 Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления, утвержденной РАН на 1995-1999 гг., где значатся вопросы создания методологии проектирования новых технологических установок для термообработки стеклянных изделий и внедрения новых технологических процессов в заводскую практику. Тема диссертации была связана с выполнением плана НИР и ОКР Миннауки России на 1998 г. по направлению «Производственные технологии» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», проект № 03 04 04 003 П «Разработка технологии

переработки промышленных и бытовых отходов стекла в экологически чистые строительные материалы», с реализацией проекта № 02.0015 «Перспективные технологии переработки отходов стекла» Межвузовской научно-технической программы Н.Т.485 «Эффективные технологии утилизации, обезвреживания и захоронения отходов» Минобразования России на 19982000 гг. Вопросы, рассмотренные в диссертации, были включены в планы НИР, проведенных в НИИ специального машиностроения (НИИ СМ) МГТУ им. Н.Э. Баумана в 1995-1998 гг., что нашло отражение отчетах.

При выборе и разработке методов проведения исследований автор основывался на передовых достижениях в области моделирования процессов комбинированного теплообмена, физикохимии стекла, методологии решения 03, достигнутых в научных коллективах МГТУ им. Н.Э. Баумана, РХТУ им. Д.И. Менделеева, МАИ, МГУ им. М.В. Ломоносова, НИИстекла, ОИВТ РАН, ИХС им. И.В. Гребенщикова, ГИС, ГНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова, ОНПП «Технология».

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые при проектировании технологических процессов обработки изделий из стекла источниками теплового излучения применены математико-алгоритмические средства, основанные на феноменологических моделях физических явлений и методологии ОЗ. В частности, принципиальной новизной обладают:

• математическая модель РКТ в слое спекающихся стеклянных частиц, учитывающая комбинированный характер переноса энергии, объемный характер поглощения и рассеяния излучения, кинетику процессов спекания и кристаллизации, изменение физических свойств материала в процессе его синтеза;

• универсальный алгоритме решения некорректных граничных ОЗ нестационарного РКТ;

• результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований температурных зависимостей теплопроводности и теплоемкости, спектраль-

ных зависимостей коэффициента отражения и степени черноты СКМ в условиях изменения его пористости;

• рациональные режимы инфракрасного (ИК) отжига стеклянных изделий, производства стеклокремнезитовых плит методом спекания, термической полировки рельефных поверхностей;

• выводы о влиянии спектральных �