автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Рациональные режимы в технологии пеностекла на основании моделирования процесса термообработки

На правах рукописи ^

Яшуркаев Тимур Владимирович

РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ В ТЕХНОЛОГИИ ПЕНОСТЕКЛА НА ОСНОВАНИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ

Специальность 05.1711 - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород 2007

003052272

Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете им. ВТ. Шухова.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Шутов Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Минько Нина Ивановна

кандидат технических наук.

Остапко Александр Сергеевич

Ведущая организация:

ОАО «Саратовский институт стекла»

Защита диссертации состоится «12» апреля в 10-00 на заседании совета К 212.014.01 при Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова. (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова

Автореферат разослан «9» марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время одним из основных направлений развития промышленности и научной сферы является разработка энергосберегающих технологий. Основной путь снижения энергетических затрат на отопление зданий лежит в повышении термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью теплоизоляционных материалов. При решении общей задачи экономии энергоресурсов необходимо учитывать затраты на производство самих теплоизоляционных материалов, составляющих большую часть их себестоимости.

В связи с этим одной из наиболее актуальных проблем можно считать создание новых и совершенствование существующих материалов, предназначенных для теплоизоляции различного рода сооружений.

На сегодняшний день существует большое количество утеплительных материалов с разнообразными свойствами. Среди них можно выделить пеностекло, изготовленное на основе неорганического стекла, отличающееся рядом уникальных особенностей, делающих его многофункциональным материалом, пригодным как для внутренней, так и для внешней тепло- и звукоизоляции зданий, а также для других целей.

Пеностекло - один из наиболее эффективных материалов, применяемых для теплоизоляции зданий. Однако технология производства пеностекла связана с термообработкой, потребляющей большое количество энергоресурсов. Высокая цена диктуется большими затратами на сырье и термическую обработку. В связи с этим актуальным вопросом является совершенствование процессов термообработки в технологии пеностекла. Знание особенностей процессов вспенивания и отжига позволяет влиять на качество материала, расход энергии и производственных площадей путем регулирования режимов термообработки и размеров технологического оборудования.

Цель работы: Разработка рациональных режимов термообработки в технологии теплоизоляционного пеностекла на основании моделирования процесса.

Научная новизна работы:

Выявлено влияние структуры на радиационные характеристики теплоизоляционного пеностекла, а следовательно, и на особенности теплообмена, и установлено, что с увеличением размера пор повышается радиационная составляющая теплового потока.

Разработана методика определения напряжений, учитывающая сложноорганизованную структуру неорганических высокопористых материалов (макро- и микропоры, кристаллические включения и т.д.), в процессе термической обработки. Определено влияние структуры материала на величину временных и остаточных напряжений.

Предложена математическая модель высокопористой структуры пеностекла, адекватно описывающая особенности образования напряжений в пористых материалах и позволяющая прогнозировать поведение пеностекла как при его производстве, так и в процессе эксплуатации.

Исследовано взаимное влияние размера пор, теплопроводности и прочности теплоизоляционного пеностекла, позволяющее разработать рекомендации по рациональной структуре пеностекла с заданными свойствами.

Практическая ценность работы:

Разработанная математическая модель термообработки .высокопористых материалов позволяет рассчитывать температурное поле и напряжения по

ч

сечению образца в зависимости от режима термообработки, структурных параметров изделий, их теплофизических свойств и характера внешнего воздействия. Это дает возможность проводить проектирование режимов термообработки на различных этапах процесса производства.

На основе модели высокотемпературной термообработки высокопористых материалов рассмотрены процессы, протекающие в зонах быстрого охлаждения и стабилизации в печи вспенивания, разработаны режимы, позволяющие повысить эффективность производства, а также снизить энергозатраты и продолжительность процессов при термообработке пеностекла в 2 раза.

Объекты исследований: технологические процессы для термической обработки в производстве пеностекла широкой номенклатуры.

Автор защищает:

Математическая модель высокопористой структуры теплоизоляционных материалов.

Зависимость распределения тепловых потоков в высокопористых материалах от их плотности, строения матрицы и размера пор.

Особенности образования напряжений в высокопористых материалах с учетом неоднородности структуры матрицы и размеров пор при производстве и эксплуатации пеностекла как теплоизоляционного материала.

Влияние размеров пор на эксплуатационные свойства пеностекла.

Результаты исследования режимов высокотемпературной термообработки пеностекла, применяемых при промышленном производстве пеностекла.

Внедрение результатов работы: Результаты работы апробированы и внедрены в опытно-промышленное производство на ООО Производственно-коммерческая фирма «Уральская стекольная компания».

Публикации: всего опубликовано 12 печатных работ из них 7 по теме исследований.

Апробация работы:

Результаты работы доложены на Международной научно-практической Интернет-конференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (Белгород,- 2005), 4-й Научно-технической конференции «Надёжность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград,-2005), Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород,- 2005).

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 174 страницах, включает 63 рисунка и 8 таблиц. Библиографический список составлен из 121 источников.

Введение. Обоснована актуальность диссертационной работы, указана научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Состояние вопроса и постановка задач

Приведен сравнительный анализ технических свойств пеностекла и других теплозвукоизоляционных материалов. Выявлено, что пеностекло обладает хорошими теплоизолирующими свойствами, однако, практически не используется в строительстве по причине высокой стоимости из-за жестких требований к химическому составу сырьевых материалов и большим температурам вспенивания - порядка 850°С и более.

В связи с необходимостью проведении высокотемпературных процессов при производстве пеностекла проведен анализ литературах источников, посвященных изучению особенностей строения структуры и теплообмена в высоко пор истых материалах, в частое™ их методам моделирования.

Исходя из изложенного, в работе ставятся следующие задачи:

1. Провести исследование структуры пеностекла, выявить особенности образования напряжений в высокопористых материалах с учетом неоднородности структуры матрицы и размеров пор при производстве и эксплуатации пеностекла как теплоизоляционного материала. Построить математическую модель структуры пеностекла.

2. Исследовать процесс теплопередачи в пористой теплоизоляции с учетом влияния химического состава пеностекла на радиационный тепло пере нос. Построить математическую модель теплообмена в пористых теплоизоляциях.

3. Найти зависимость распределения тепловых потоков и напряжений в высокопорисгых материалах от их плотности, строения матрицы и размера пор. Изучить влияние размеров пор на прочность и другие эксплуатационные свойства пеностекла.

4. Разработать параметры теплоизоляционного пеностекла и режимы высокотемпературной термообработки, применяемых при промышленном производстве.

Исследование структуры пеностекла

Ввиду сложной системы высокопористых структур практическое исследование внутреннего строения и процессов, протекающих при их термообработке и эксплуатации, значительно затруднено, а следовательно, определение структурной прочности эффективных высоко пористых теплоизоляционных материалов практически невозможно. Поэтому построение структурной модели в ысо ко пористых материалов было целесообразным.

Обоазен №7 Образен Образец №9

Рнс. I. С'фуктура исслсдуеьшч образцов.

Основные свойства исследованных образцов приведены в таблице.

Таблица

Свойства исследуемых образ!(Ов

№ н/и Газообразоватед 1. Плотность, кг/м' Пористость, % Средний размер пор, мм

1 Мол 373 85 1,05

2. Мел МО 86,4 1.15

3 Мел 152 94 3.1

4 100 96 0,58

5 Меп 241 90 1,36

6 Уголь +Сажа 210 92 0,82

7 Мел 395 84 0,25

Я. Сажа 329 86,7 0,19

9 Мел 238 90,5 0,73

Исследование микроструктуры пеностекла

На втором этапе провели исследование микроструктуры пеностекла с использованием двух методов: микроскопии в проходящем и отраженном свете.

Целью исследования являлось определение микроскопического строения пеностекла. В известных нам литературных источниках уделяется недостаточное внимание данному направлению, однако для построения адекватной математической модели шШВ . Т МЧ^ВФ' ММ

учесть количество определяющих м одел иру емого

необходимо максимальное факторов, структуру

вещества. ^^МЗрЖ^У

На рис. 2. представлены Н^ влЙЁ^.

изображения образцов снятых лр ' ,и ^^^^^НЛНв

в отраженном свете. В -,У-. \ '^^^^^Диу^у

условиях 50-кратного ^ТвЭййэЙС^,^' Я

увеличения подтверждается ^ШШШвЯШ^Г

вывод о наличии в материале рис. 2. Микроструктура пеностекла л отраженном пор различного размера, к свете: я-увеличение 50 раз; б - увеличение ¡000 раз. тому же становится отчетливо видно, что поры преимущественно имеют не круглую форму, а приближенную к шестиграннику.

На рис. 2, в представлено строение межпоровой перегородки. Из фотографии видно, что матрица пеностекла имеет неоднородную структуру, содержащую микропоры (У) и инородные включения (2).

По периметру перегородки можно предположить наличие частичной кристаллизации поверхности (в виду изменения коэффициента отражения). Кристаллизацию пеностекла можно рассмотреть в проходящем свете на шлифе образца № 7, представленного на рис. 3. Откуда видно, что микроструктура пеностекла далеко неоднородна (особенно это заметно нри большом увеличении — рис. 3, б).

Изучение микрофотографий образцов пеностекла показало что:

1а фи и пеностекла в проходящем свете: а -увеличение 500 раз; б-увеличение 1000 раз.

- сечения пор в пеностекле имеют форму близкую к шестиграннику, (в большинстве моделей, описывающих структуру пористого тела);

- матрица пеностекла имеет неоднородную структуру, содержащую инородные включения и микропоры;

- на поверхности матрицы наблюдается частичная кристаллизация стекломассы.

Для более полного исследования кристаллизации пеностекла проведен рентгенофазовый анализ рассматриваемых образцов (рис. 4).

Из результатов РФА следует, что в структуре пеностекла присутствуют кристаллические включения различного химического состава; количественное содержание кристаллической фазы определяется не только химическим составом стекла, но и видом газообразователя и параметрами термической обработки. Состав и количественное соотношение фаз может значительно изменяться, что существенно усложняет изучение напряженно-деформированного состояния структуры пеностекла.

Рис.4. Рентгенофазовый анализ исследуемых образцов: 1- № 4,2-№ 6,3-№ 9,4-№ 8,0-кристобалит, О- девитрит

Разнообразие посторонних включений в структуре пеностекла и отсутствие действенных методов оценки напряжений в высокопористых материалах не позволяет получить достоверные данные о напряженно-деформированном состоянии рассматриваемых образцов. Было принято решение построить математическую модель структуры высокопористого пеностекла.

Основные допущения при моделировании структуры пеностекла.

1. С точки зрения макроструктуры матрица пеностекла имеет гексагональное строение. Поры имеют одинаковый размер, равный среднему размеру пор.

2. Поры имеют сечение правильного шестигранника.

3. Основу матрицы составляет неорганическое стекло, в связи с чем необходимо учитывать релаксацию напряжений.

4. Предел прочности образцов при внешнем воздействии зависит от вида элемент он структуры и характера связей между ними.

5. Поры в материале считаются закрытыми, конвективные потоки ввиду малого диаметра нор отсутствуют.

Описание моделирования структуры высокопористых материалов В основании модели принят дискретный подход к решению поставленных задач. В предлагаемой модели материал состоит из шарообразных частиц малого диамефа и постоянного состава, характерного дня представляемого ими элемента структуры пеностекла. Частицы являются неделимыми, при оказании внешнего воздействия не деформируются, а изменяют расположение в трехмерном пространстве. Диаметр частицы меняется лишь при изменении ее температуры (в результате термического расширения). Взаимодействие между частицами осуществляется в точке контакта и определяется прочностью связей между ними (пределом прочности при растяжении, сжатии или сдвиге). Изменение расположения частицы я пространстве происходит в результате перераспределения всей совокупности частиц материала, деформация имеет месю при отклонении от равновесного взаимного расположения соседних частиц. ! 1оры описываются совокупностью шарообразных частиц, обладающими свойствами [аза (рис. 5).

ДАШЙЯ&ЮОШР о Ф © о о о о ® (о о от

®Ф£> ООр • ®р О О*) ©

©еюоооеотетее о о о о о о# е © # те #

теоаотеоооите • © © е •> ое оооо о © о<мю ее тЮоооФ

О * ©© ® ОС С ОС' ©

юо с

йюос > о с) • и о ее© о

О - газ; О - егекпофвзв;« - кристалл.

Рис. 5. Схема геометрической модели Рис. 6. Образование напряжений в пористого тела. предложенной модели пористого тела

Подобный подход к моделированию гетерогенных материалов позволяет перейти к рассмотрению внутренних взаимодействий в элементарном объеме без газообразных включений. В результате внешнего воздействия на пористою систему элементы модели либо изменяют свои относительные координаты (при приложении внешней нагрузки), либо диаметр (при изменении температуры), или н то и другое.

При отличии координат точек взаимодействия между отдельными элементами модели, полученных в результате внешнего воздействия, от координат в свободном (ненапряженном) состоянии будет иметь место деформация частиц и образование напряжений (рис.6).

Величина напряжений в данном случае будет определяться известными законами для упругого (закон Гука) и вязко-упругого (с учетом релаксационной теории) состояния.

Основные допущения при моделировании процессов

образования напряжений

1. Предполагается, что толщина перегородок и слоев, а также диаметр пор остаются постоянными по всему сечению образца пеностекла.

2. Диаметр частиц принят равным единице.

3. В расчетах, связанных с релаксационной теорией, влияние краевых эффектов игнорируется.

4. Интервал термообработки разбивается на ряд дискретных шагов.

5. Считается, что на протяжении каждого шага свойства элементов остаются постоянными, а их изменения происходят в конце шага.

6. Постоянные величины, характеризующие процесс релаксации для разных свойств одного и того же стекла, считаются одинаковыми.

На основании изложенных положений может быть записан алгоритм расчета напряжений, образующихся в пеностекле при термообработке.

Алгоритм расчет напряжений при термической деформации пеностекла В основу модели положено, что изначально в равновесном состоянии пеностекло состоит из шарообразных частиц одинакового радиуса /?, а все изменения их размеров происходят в результате термического расширения. При расчете определяется геометрическое расположение всех частиц в фактическом и свободном состоянии. Величина линейной деформации Д1 определяется из смещения координат сходственных точек соседних частиц (рис. 7):

2/?,-(/гз + /?4)

Л/ = -

(1)

2

Величина свободного размера элемента определяется его коэффициентом температурного (линейного) расширения, с учетом влияния «структурной» части, так называемой равновесной величины свойства по формуле:

И=1-<Г.-ТАУа.-<ГА-Т,)-ат, ------- -

где ат, ас- мгновенный и структурный коэффициенты термического

расширения; Тв, 7}*, Тк - начальная, структурная и конечная температуры.

Величина фактического размера элемента / принимается равной среднеарифметическому значению всех свободных размеров Л,

взаимосвязанных соседних элементов в исследуемого образца:

/

(2) Рис 7 Моделирование напряженно-деформированного состояния

В соответствии с законом Гука для упругих деформаций, наличие деформации слоев образца сопровождается образованием в них различного рода напряжений.

о = ВЫ //, (3)

где Е - модуль упругости.

В результате деформации одного элементов модели (см. рис. 7) возникают касательные напряжения за счет сдвиговых деформаций частиц. В соответствии с законом Гука касательные напряжения г определяются по формуле

т = уО, (4)

где С - модуль сдвига.

Следовательно, прочность пеностекла определяется величиной

нормальных напряжений и касательных напряжений между соседними частицами.

Уравнения (2)-(4) справедливы лишь для материалов, являющихся упругими во всем интервале температур при термообработке. Для стекла в интервале температур 480...600 °С характерно упруго-пластичное состояние, при котором имеет место релаксация напряжений, значительно снижающих значения, рассчитанные по приведенным выше уравнениям.

Скорость протекания релаксационного процесса, обратно пропорциональна вязкости стекла. При этом в соответствии с принципом суперпозиции предполагается, что на ход релаксации разности АТр наличие любых предшествующих или последующих скачков температур не оказывает влияния. Релаксация структуры приводит к изменению всех свойств, включая вязкость. А величина вязкости, в свою очередь, влияет на релаксацию структуры. Поэтому необходимо рассчитать вязкость в конце шага / и скорость релаксационных процессов на следующем (г + 1)-м шаге.

Применение дискретного подхода позволяет использовать для расчета релаксации напряжений уравнение

)=- ]• ^ }• (5)

/ 1=0

^-приведенное время за которое релаксирует заданная доля напряжений.

За счет релаксации напряжения на каждом шаге уменьшаются на некоторую величину Аар =тр к - ■ Это приводит к изменению фактического линейного размера слоя. Величина свободного размера на следующем шаге уменьшится на

ДА/= Детр^/Е . (6)

Абсолютное значение напряжений в слое пеностекла определяется:

для нормальных напряжений

к

Врез,к = '

(=1

для касательных напряжений

=1.г,-тгк. (8)

/=1

Учет релаксации структуры производится при вычислении структурной температуры претерпевшей изменения на шаге к.

ТП =7"о + £|-е*р|-(<й-4,) К,/т!гТ-\ Д7;}' (9)

/=1

Учет изменения вязкости стекла в течение шага к производится в зависимости от величин структурной и фактической температуры на данном шаге:

\grjfr = Л +-, где А, В-сот1 (10)

т/,к ~ т0

Расчет теплообмена в пористых материалах

Основной особенностью строения пеностекла является высокое содержание газовой фазы (удельная пористость составляет « 0,92 при плотности материала около 200 кг/м3), поэтому теплопередача в нем будет осуществляться двумя путями: по материалу (стеклу) и в газовой среде.

Исходя из принятой геометрической модели пористого тела, можно сделать вывод, что теплопередача в нем осуществляется по трем направлениям: по

перегородкам между слоями в пеностекле; в газовой среде, заполняющей поры; и излучением между слоями материала. Слои считаются изотермичными, изменение температуры по их поперечному сечению не учитывается.

Передача тепла по материалу осуществляется за счет его теплопроводности. Теплоперенос в газовой среде осуществляется за счет хаотичного движения молекул при столкновительном режиме.

Радиационный теплоперенос определяется оптическими характеристиками материала (излучательной, поглощательной, отражательной и пропускательной способностями), а также геометрической формой образца.

Основные допущения при моделировании процессов теплопереноса в пористых материалах

1. Предполагается, что пористое тело представляет собой отдельные слои, соединенные поперечными перегородками, образующими поры.

2. Предполагается, что толщина перегородок и слоев, а также диаметр пор остаются постоянными.

3. Слои считаются изотермичными, а изменение температуры по их поперечному сечению не учитывается.

4. Считается, что конвективный теплообмен не оказывает существенного влияния на теплопередачу в пористом теле.

5. При расчете теплопереноса излучением считается, что радиационные свойства сплошной части одинаковы для всех слоев.

6. Реальные полупрозрачные поверхности заменяются непрозрачными с увеличенной перфорацией.

7. Считается, что радиационные, молекулярные и кондуктивные потоки взаимосвязаны между собой только в результате их взаимодействия со слоями.

Алгоритм расчета теплообмена в пористых теплоизоляционных материалах

Рассмотрим перенос теплоты через пористую изоляцию, длина которой много больше толщины Л.

Исследуемая пористая изоляция характеризуется пористостью р -- ЩУ (где Уг - объем газовой фазы в пористом теле; в V - общий объем материала) и средним размером пор /„ в направлении переноса теплоты.

В соответствии с принятой схемой будем рассматривать пористую изоляцию как многослойную систему, число слоев в которой п = Л//„+1. Расстояние между слоями равно среднему размеру пор /„. Общее число поверхностей, образованных слоями, N = 2-й - 2. Внутренними будем условно считать поверхности, обращенные к более нагретой стороне образца.

Радиационные свойства сплошной части поверхности слоя характеризуются излучающей Ер, поглощающей Ар, отражающей Яр и пропускающей т„ способностями, которые считаются заданными.

Количество теплоты, передаваемое между слоями, описывается следующей системой уравнений:

(/=1,зд...,л'~о <п)

где , , <9* - соответственно радиационная, молекулярная и кондуктивная

составляющие теплового потока.

Результирующий тепловой поток определяется результирующим тепловым потоком со сплошной части поверхности и потоком проходящим через отверстия (при наличии открытой пористости):

е;=ои+ей и=1,3,5,. (12)

где <21,,, - результирующий радиационный тепловой поток со сплошной частиповерхности; - результирующий радиационный тепловой поток,

проходящий сквозь отверстия слоя.

Результирующий радиационный тепловой поток со сплошной части определяется как:

= Ар -01 - (« = 1,3,5,..., 1), (13)

где 01, - падающий на поверхность радиационный тепловой поток;

- собственный радиационный поток, испускаемый поверхностью; АР - поглощательная способность материала.

Радиационный тепловой поток, проходящий сквозь отверстия, равен разности потоков падающих на них с разных сторон:

(<=з,5,7,...^-1) (щ

Радиационный тепловой поток, падающий на поверхность, слагается из собственных потоков, испускаемых окружающими слой поверхностями и отраженных падающих на них потоков:

05)

где - зеркально-диффузионные оптико-геометрические коэффициенты

поверхностей; я - отражательная способность.

Собственные радиационные потоки, испускаемые поверхностями, определяются исходя из закона Стефана - Больцмана:

Qcmi = РшАгР0? =1.2Д-, Ю; (16)

где Рт - площадь сплошной части поверхности; ер - излучающая способность материала; сгд - излучающая способность абсолютно черного тела; Т, -температура поверхности.

Излучающая способность трехатомных газов учитывается путем изменения радиационных характеристик слоев пеностекла.

Полупрозрачные поверхности в пористом материале заменены условными непрозрачными поверхностями с увеличенной перфорацией:

Д, = А+ гт,<1 -А); £,,/(1 - ГгЛА^Лт/о - ц,у, я,Р=КЛ1 - О- (17)

Исследование свойств пеностекла, проверка адекватности модели термообработки

Далее рассматриваются свойства пеностекла, которые необходимо знать для эффективной работы построенной модели.

Предложенную математическую модель пеностекла можно условно разбить на две части, которая использует в своей работе разные группы свойств. При расчете температурного поля используются термические свойства элементов: радиационные характеристики, теплопроводность, теплоемкость, коэффициент теплоотдачи. При расчете напряженно-деформированного состояния высокопористой системы требуется знать химический состав элементов, участвующих в организации структуры, их коэффициент термического расширения, константы, определяющие вязкость стекла, и т.д.

Для расчета тепловых потоков в пеностекле необходимо знать коэффициенты поглощения, излучения, отражения, и пропускания теплового излучения элементов, входящих в структуру материала. Данные характеристики

определялись методом ИК- спектроскопии с использованием прибора VERTEX 70.

Исследование поглощающей способности пеностекла различного состава Используя спектрометр VERTEX 70, проведено определение поглощающей способности отобранных для исследования тонкоизмельченных образцов пеностекла. Результаты представлены на рис.8. Характер поведения кривых во всем рассматриваемом диапазоне не изменяется, однако интенсивность пиков зависит не только от химического состава применяемого стекла но, и от особенностей производства. Это можно проследить на примере кривых 1 (стекло шампанской бутылки) и 2 (пеностекло из стекла того же состава). В исследуемых образцах наблюдается существенный разброс в интенсивностях полученных кривых поглощения. При этом возникает вопрос об оптимальности величины

Акм) 1юш

Рис.8. ИК-спектроскопический анализ исследуемых образцов.

. 11 стекло; №1; ... ..............№2; ЛЬЗ; ...........................№4;

--—№5; м №6;-№7; ———.№8;--№9

поглощающей способности для теплоизоляционных материалов и пеностекла в частности.

Проверка адекватности модели

Был проведен ряд экспериментов по определению линейных размеров специально подготовленных образцов (имеющих малую толщину) при медленном нагреве.

В качестве оборудования использовался дериватограф <2-1500£> с дилатометрической приставкой. Режим нагрева соответствовал линейному со скоростью нагрева 5° С/мин до температуры 600 °С. Внешние деформации сведены к минимальным. Свойства использованных в опытах образцов представлены в таблице. Толщина образцов 2 мм.

Следующим этапом проверки адекватности моделирования структуры пеностекла стало определение нормальных напряжений в образцах пеностекла. Для чего был дополнительно проведен ряд вышеописанных экспериментов, но уже с образцами толщиной 20 мм. Их целью являлось определение среднего размера образца в зависимости от температуры. Режим нагрева соответствовал ранее проведенным опытам: скорость нагрева -5°С/мин до температуры 600 °С.

Отклонение экспериментальных и расчетных размеров составило около 8%. Завышенная погрешность, очевидно, связана с неточностью косвенной методики экспериментального определения напряжений в образце пеностекла. Исследование влияния радиационных характеристик пеностекла на его теплоизоляционные свойства

ИК-спектрометрический анализ показал, что максимальную поглощающую способность имеют образцы № 6 и № 8, изготовленные с использованием углеродсодержащего газообразователя, которая почти в 1,5 и более раза превышает поглощающую способность образцов, изготовленных с применением карбонатного газообразователя (№ 1,2,5,7,9 и № 3, имеющего сходный состав стекла). При этом поглощающая способность образцов существенно (в 2,6) увеличивается при добавлении Ре2Оэ (образцы № 1,2 и 5). Таким образом, поглощательная способность пеностекла зависит не только от исходного состава

При изучении данных

рентгенофазового анализа

рассматриваемых образцов обнаружено относительно большое количество в кристаллической фазе. Наибольшее количество кристаллической фазы составляет кристобалит с небольшой долей девитрита.

Изготовленные по одной технологической схеме с применением сходных режимов вспенивания и отжига промышленные образцы одного состава стекла содержат различное количество и состав кристаллической фазы. Очевидно, это связано с различными плотностью и размером пор образцов (разница по размеру пор в 4.3 раза, а по плотности в 1.5 раза), влияющих на теплообмен в пеностекле.

Процесс кристаллообразования и скорость роста кристаллов зависит от свойств стеклянной матрицы пеностекла и процесса теплопередачи в нем. В свою очередь на процесс теплопередачи при высоких температурах большое влияние оказывают радиационные характеристики. Используя разработанную модель, определили зависимость распределения теплового поля по сечению образца пеностекла от поглощающей способности при равномерном охлаждении со скоростью 2°С/мин от 800°С до 100°С. Образец имеет; плотность р = 210 кг/м3, размер пор равен 0,82.

Ввели критерий распределения теплового поля, К р= Ттш/Ттах, показывающий, насколько близко распределение температурного поля по сечению образца к однородному состоянию (при Кр = 1 градиент температур равен нулю). Зависимость Кр от поглощающей способности для рассматриваемого режима в конце термообработки приведен на рис. 9. Из графика следует, что с увеличением поглощающей способности Кр увеличивается, повышая равномерность теплового поля. Поэтому при использовании пеностекла при температурах до 200 °С, необходимо стремиться получать пеностекло с максимальной поглощающей способностью, что позволит получить более равномерно распределенные поры, снизить величину тепловой деформации изделия и энергозатраты на вспенивание и отжиг пеностекла.

стекла, но и от вида газообразователя. Кг

поглоияюцря способность

Рис. 9. Зависимость поглощающей способности

К„

Определение влияния размера пор и плотности на свойства теплоизоляционного пеностекла.

Повышение размера пор образца ведет к росту радиационной составляющей теплового потока и увеличивает эффективную теплопроводность пеностекла при высоких температурах. При охлаждении пеностекла зависимость эффективной теплопроводности от размера пор существенно возрастает при увеличении температуры. Исходя из графиков (рис. 10), увеличение размера пор при температуре окружающей среды (20 °С), повышает теплопроводность пеностекла в 1.16 раза. При максимальной температуре применения пеностекла (450 °С) теплопроводность повышается в 2,3 раза. При температуре начала отжига (650°С) теплопроводность пеностекла

увеличивается 2,7 раза, а при температуре вспенивании (800°С) возрастает в 3,6 раза.

4 5 6 Размер пор, им Рис. 10 Зависимость теплопроводности

пеностекла от размера пор__ 800°С;

_650°С;-450°С;-20°С

Оси

Зависимость теплопроводности пеностекла от плотности имеет, фактически, линейный характер.

Из графиков рис. 11 видно, что максимальные нормальные напряжения образуются с размером пор 1 мм.. При увеличении размера пор до 4 мм. нормальные напряжения снижаются в 1,9 раз, а при пор 8 мм снижаются в 3,8 раз.

При определении прочности образцов одной плотности с разным размером пор подтверждено, что с уменьшением размера пор увеличивается прочность.

Прочность, МПа

Рис. 11. Зависимость напряжений по сечению пеностекла для различных пазмепов поп 1.- 1 мм. 2 - 4мм. 3 - 8 мм.

Таким образом, при исследовании влияния размера пор на свойства пеностекла пришли к выводам: с одной стороны уменьшение размера пор улучшает теплоизоляционные свойства при высоких температурах и увеличивает прочность пеностекла, но, с другой стороны, повышает неоднородность теплового поля и напряжения, что приводит к ужесточению режима отжига и

Римгр пор, ми

Рис. 12 Зависимость прочности 1 и средней эффективной теплопроводности 2 от размера пор Образец с р =365 кг/м\ пористостью = 87%

повышению себестоимости продукции. Для определения

наиболее компромиссного размера пор объединены вышеизложенные данные на одном рисунке (рис. 12).

Кривые средней эффективной теплопроводности и прочности пересекаются в районе размера пор равной 1 мм.

Таким образом, с точки зрения затрат на производство пеностекла размер пор должен иметь наибольшее значение, однако это приводит к существенному уменьшению прочности получаемого изделия и, естественно, ухудшает теплоизоляционную способность пеностекла при высоких температурах. Компромиссным вариантом в данных условиях можно считать структуру пеностекла с размером пор равным 1 мм.

Процесс термообработки пеностекла можно разделить на два этапа: термообработка шихты с изменением структуры: сыпучий материал спекание —» образование пор —> рост пор; термообработка пеностекла со сформированной высокопористой структурой.

На первом этапе термообработки кардинально изменяется структура материала. Процессы на данном этапе имеют сложный характер, требуют отдельного изучения и в данной работе не рассматриваются.

На втором этапе изменение структуры происходит лишь в результате термической усадки и возможной частичной кристаллизацией. Общая пористость и размер пор фактически остаются постоянными. Таким образом, с точки зрения законов протекающих процессов, можно объединить этап фиксации структуры и последующий отжиг пеностекла.

Исследование процесса охлаждения пеностекла при фиксации структуры

Фиксация структуры пеностекла происходит интервале температур 650-560 °С, при вязкости 108<Г1<1012 Па-с. Охлаждение образца должно проходить с максимальной скоростью. Помимо заданной температуры требуется знать допустимую скорость охлаждения блока пеностекла с различной структурой (плотностью, размером пор и частичной кристаллизацией) для расчета длины зоны охлаждения в печи вспенивания.

Конструкционные параметры печи вспенивания в зонах резкого охлаждения и стабилизации

Конструкционные параметры зоны охлаждения определяются исходя из продолжительности процесса охлаждения пеностекла. Длина зоны зависит от средней величины периода между толканиями форм по каналу печи и геометрических размеров формы: ¿0™=г0хл-('фор'п) (18)

где Ьохл - длина зоны охлаждения; /фоР - длина формы, м; п - частота толканий.

Регулировка размеров зоны охлаждения осуществляется частотой толкания и продолжительностью охлаждения формы тохл, зависящую от коэффициента теплоотдачи (скорости движения воздуха) (рис.13). Частота толкания определятся процессами, имеющими место в зоне вспенивания, и является для зоны охлаждения величиной постоянной. Продолжительность охлаждения, помимо коэффициента теплоотдачи, зависит от скорости, с которой вязкость стекла центральных слоев достигнет значения 10 Па-с, соответствующей температуре слоя равной 560°С. Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости движения охлаждающего воздуха и определяется по нижеприведенной методике.

Определение коэффициента теплоотдачи

В соответствии с характером движения воздуха коэффициент теплоотдачи при ламинарном движении определяется из формулы:

е-с; (19)

* ЛЯ ц-Л.

где ¡1 - вязкость холодного теплоносителя, Па-с; с - удельная теплоемкость холодного теплоносителя, Дж/(кг-К); Я - тепло про водность теплоносителя, Вт/(м К); р - коэффициент объемного расширения теплоносителя, К g - ускорение свободного падения, м/с2.

Основной задачей зоны стабилизации является выравнивания температурного поля в материале, снятия остаточных напряжений и облегчения процесса расформоеания изделия перед отжигом.

Величина зоны определяется исходя из градиента температур в блоке, минимальной температуры охлаждения, а также от частоты толкания и размеров формы. Ввиду быстрой релаксации напряжений и относительно высокой теплопроводности при температурах рассматриваемых процессов, охлаждение и стабилизацию можно проводить с относительно большой скоростью.

В процессе изучения изменения теплового поля по сечению образца выяснилось, что при охлаждении и последующем нагревании температура слоев пеностекла имеет волнообразную структуру, В результате при повышении

температуры поверхностного слоя температура центрального слоя продолжает уменьшаться, что позволяет сократить продолжительность охлаждения на Дт^р, и что дает возможность сократить зону охлаждения на:

С - (»«и- Ат^рН/фир-п) (20)

Вязкость центральных слоев для данного режима, хотя и не достигает 10к, однако, как показывает практика, оказывается достаточной для фиксации структуры очевидно благодаря образованию внешнего каркаса из поверхностных слоев н снижения температуры центральных слоев при расформовании изделий.

Применение данного подхода к расчету технологических параметров позволило сократить время охлаждения и стабилизации в печи вспенивания с 38 до } 0 минут. Дополнительным эффектом от применения принудительного охлаждения появилась возможность утилизации теши из зоны охлаждения на технологические и иные цели. Влияние на технологические особенности процесса отжига пеностекла структурных параметров материя л я

В производственных условиях столкнулись с рядом трудностей при проведении отжига, связанных с большой продолжительностью процесса ввиду низкой тепло про водности пеностекла и дв уст-алий пой технологией производства (вспенивание - отжиг с промежуточной расформовкой изделия). В результате периодичности загрузки печи отжига температурное поле носило нестационарный характер, имея расхождения по сравнению с заданным режимом до 200 °С и более. При этом продукция имела большой процент брака, низкую прочность и со временем разрушалась.

При исследовании данной ситуации с помощью математической модели обнаружили возникновение временных и остаточных напряжений, существенно превышающих допустимые значения. Рассматривая напряженное состояние в

вспенивания для производства

процессе отжига можно сделать вывод, что режим термообработки должен состоять из нескольких этапов.

На первом этапе термообработки напряжения релаксируют фактически мгновенно, а теплопроводность стекла довольно высока. Скорость может меняться в достаточно широких пределах от 1 до 5 °С/мин и более. Основное требование к данному этапу — минимальная разница температур между поверхностью и центром в момент перехода на второй этап.

Врем я, и ин

Рис. М.Изменение нормальных напряжений от продолжительности процесса: _____ поверхностный слой; _____ центральный слой На втором этапе образуются остаточные напряжения в пеностекле в промежутке интервала ответственного отжига. Скорость охлаждения должна быть минимальной и не превышать 0,5 - 2°С/мин.

Напряжения, образовавшиеся на третьем этапе термообработки, носят временный характер и поэтому могут достигать предела прочности на растяжение применяемого в качестве сырья стекла. Скорость охлаждения на третьем этапе можно принять исходя из свойств стекла от 1 до 5 °С/мин.

Сокращение режима термообработки достигается за счет нелинейности режима термообработки и сокращения продолжительности выдержки на этапах стабилизации пены и отжига. На этапе стабилизации пены продолжительность охлаждения уменьшается за счет принудительной конвекции.

Учитывая большую толщину изделия из пеностекла, выравнивание теплового поля при выдержке является достаточно длительным процессом. В результате проведения комплексного исследования процесса производства пеностекла с использованием математической модели термообработки выяснилось, что при переменных тепловых нагрузках (охлаждении и последующем перенагреве) выравнивание температурного поля по сечению блока может происходить быстрее за счет передачи тепла от более горячих внутренних слоем более холодным поверхностным. В результате этого средняя температура изделия понижается (например достигает температуры верхней границы интервала ответственного отжига), а градиент температур по сечению уменьшается исключая необходимость выдержки, имеющей целью ликвидацию данного градиента.

После совмещения процесса охлаждения, стабилизации и отжига для образца с размером пор 1 мм и плотностью 200 кг/м3 получили режим термообработки. Напряжения, образовавшиеся в результате применения предлагаемого режима, не превышают допустимых (рис.14) при этом сокращается продолжительность термообработки высокопористого пеностекла в 2 раза по сравнению заводским режимом.

выводы

1. Установлено, что с точки зрения макроструктуры поры в пеностекле распределены гексагонально, имеют форму близкую к шестиграннику сразличными размерами. На микроуровне в структуре пеностекла имеются кристаллические включения, микропоры, и др. элементы. В качестве кристаллической фазы обнаружены кристаболит, девитрит.

2. Определено, что при термообработке пеностекла образуются напряжения, как первого, так и второго рода. Напряжения первого рода образуются в аморфной фазе (стекле) за счет разницы температур условных слоев матрицы. Напряжения второго рода образуются на границе раздела аморфной и кристаллической фаз за счет разности коэффициентов термического линейного расширения стекла и кристаллов.

3. Построена модель, описывающая структуру высокопористого материала как систему неделимых элементов шарообразной формы (элементарных частиц) с постоянным составом. Взаимодействие между частицами осуществляется на границе контакта. В подобной системе возникают три вида напряжений: растяжения, сжатия и сдвига. Предельные напряжения определяются исходя из прочности связи частиц друг с другом (для частиц одной фазы -прочностью этой фазы, для частиц разных фаз - прочностью межфазового сцепления). Для элементов аморфной фазы (стекла) характерно наличие релаксационных процессов, снижающих величину абсолютных значений напряжений.

4. Установлено, что теплоперенос в пористом теле с закрытой пористостью осуществляется тремя механизмами: кондуктивным теплообменом через элементы матрицы пеностекла, теплопроводностью по газовой среде и радиационным теплопереносом между слоями. Интенсивность теплопереноса зависит от плотности, размера и характера пор, а также радиационных характеристик материала матрицы пеностекла. В свою очередь, радиационные характеристики пеностекла зависят от типа используемого газообразователя, вводимых добавок, железного намола и режима термообработки.

5. Доказана адекватность разработанной математической модели термообработки, учитывающей особенности распределения температурного поля в слоях пеностекла и характер образования напряжений в сложноорганизованной структуре высокопористой матрицы, реально протекающим процессам. Погрешность расчетов составляет 8%.

6. В результате моделирования тепловых процессов в пеностекле определено, что при средней температуре эксплуатации (20°С) увеличение размеров пор фактически никак не сказывается на теплопроводности (А^ф увеличивается в 1,16 раза). Однако при максимальной температуре применения пеностекла (450°С) увеличение размера пор с 1 до 8 мм приводит к росту коэффициента теплопроводности в 2,3 раза. При температуре (650°С) увеличивается теплопроводность пеностекла в 2,7 раза, и 3,6 раза при вспенивании (800°С).

7. Выявлено, что зависимость теплопроводности пеностекла от плотности носит, линейный характер. При увеличении размера пор с 1 до 4мм. нормальные напряжения снижаются в 1.9 раз, для пор размером 8мм. нормальные напряжения снижаются в 3.8 раз.

8. Наиболее рациональной с точки зрения производства и эксплуатации можно считать структуру пеностекла с размером пор равным 1 мм.

9. Благодаря использованию предложенного технологического режима печи вспенивания утилизируется тепло из зоны охлаждения и сокращается режим с 38 до 10 минут по сравнению с заводским режимом.

г

10. В результате совместного рассмотрения технологических режимов процессов охлаждения, стабилизации и отжига для образца с размером пор 1 мм и плотностью 200 кг/м3 получен режим термообработки, при котором образовавшиеся напряжения, не превышают допустимых значений. При этом сокращается продолжительность термообработки высокопористого пеностекла в 2 раза по сравнению заводским режимом.

11. Результаты работы апробированы и внедрены в опытно-промышленное производство на ООО Производственно-коммерческая фирма «Уральская стекольная компания». Снижение себестоимости продукции на 21%. Ожидаемый годовой экономический эффект составил 3 519 360 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Модель ассиметричной термообработки листового стекла./ Шутов А.И., Алексеев C.B., Яшуркаев Т.В.. //Межвузовский сборник научных трудов. «Вестник КГТУ. Серия транспорт».- Красноярск,- 2005.

2. Особенности ассиметричной термообработки листового стекла. /Шутов А.И., Алексеев C.B., Яшуркаев Т.ВУ/ Международная научно-практическая Интернет-конференция «Проблемы и достижения строительного материаловеденья».-Белгород,-2005.-С256-257.

3. Расчет радиационного теплового потока при ассиметричной термообработке стекла./ Шутов А.И., Алексеев C.B., Яшуркаев Т.В.//Международная научно-практическая Интернет-конференция «Проблемы и достижения строительного материаловеденья».-Белгород,- 2005.-С258-259.

4. Ассиметричная термообработка./ Шутов А.И., Алексеев C.B., Яшуркаев Т.В.// 4-й Научно-техническая конференция «Надёжность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаменгов».-Ч.1.-Волгоград,-2005.-С.82-85.

5. Радиационная составляющая в ассиметричной термообработке Шутов А.И., Алексеев C.B., Яшуркаев Т.В.// 4 Научно-техническая конференция «Надёжность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов».-Ч.1.-Волгоград.-2005,-С.86-89.

6. Модель закалки листового стекла./ Шутов А.И., Алексеев C.B., Яшуркаев Т.В.// Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в промышленности строительных материалов».- Вестник БГТУ № Ю.-Белгород,- 2005,-С. 329-331.

7.. О влиянии размера пор на тепловые потоки при термообработке пеностекла./Шутов А.И., Алексеев C.B., Яшуркаев Т.В.// «Стекло и керамика» 2006. №7 С. 3-4.

Подписано в печать 9 марта 2007 Формат 60x84/16

Усл. п. л. 1.0 Тираж 100 Заказ ЖД^

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г.Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Содержание

Введение

1. Состояние вопроса и постановка задач

1.1. Актуальность использования теплоизоляционных материалов в строительстве

1.2. Классификация и краткая характеристика теплоизоляционных материалов

1.3. Требования к теплоизоляционным материалам и структура необходимая для их обеспечения

1.4. Основные характеристики теплоизоляционного пеностекла и способы его производства

1.4.1. Производство теплоизоляционного пеностекла

1.4.2. Сырьевые материалы

1.4.3. Анализ технологии производства пеностекла

1.5. Свойства стеклообразного состояния вещества

1.5.1. Свойства стекла в условиях равномерного изменения температуры

1.5.2. Изменение свойств стекла в условиях изотермической выдержки

1.5.3. Тепловое расширение стекла

1.6. Особенности теплообмена в высокопористых телах

1.7. Структура пористых теплоизоляционных материалов.

1.7.1. Пористость теплоизоляционных материалов.

1.7.2. Размер пор теплоизоляционных материалов.

1.7.3. Характер пористой структуры теплоизоляционных материалов

1.7.4. Распределение пор в теплоизоляционных материалах

1.8. Выводы

1.9. Постановка цели и задач исследования

2.Методы исследования.

2.1. Метод определения пористости, плотности, прочности, теплопроводности и размера пор.

2.2. ИК-спектроскопический метод

2.3. Рентгенофазовый метод

2.3.1. Методы и схемы съемки рентгенограмм.

2.3.2. Расшифровка рентгенограмм.

2.4. Микроскопический метод.

2.4.1. Приготовление препаратов

2.4.2. Методы исследования препаратов

2.5. Дериватографический анализ

3. Изучение с I роения высокопористых материалов.

3. Изучение строения высокопористых материалов.

3.1. Моделирование структуры пористых материалов

3.1.1. Исследование образцов пеностекла с различными характеристиками

3.1.2. Основные допущения при моделировании структуры пеностекла

3.1.3. Описание моделирования структуры высокопористых материалов на основе стекла

3.2. Расчет напряжений при термической деформации слоев пеностекла.

3.2.1. Основные допущения при моделировании процессов образования напряжений при термической обработке пеностекла

3.2.2. Алгоритм расчета напряжений в пеностекле при термообработке

3.3. Расчет теплообмена в пористых материалах.

3.3.1.Теплопередача в газовой среде

3.3.2. Теплопередача по материалу матрицы пеностекла

3.3.3. Теплопередача излучения между слоями пеностекла.

3.3.4. Основные допущения при моделировании процессов теплопереноса в пористых материалах

3.3.5. Алгоритм расчета теплообмена в пористых теплоизоляционных материалах

З.З.б.Определение зеркально-диффузионных оптико-геометрических коэффициентов методом парциальных потоков

3.4. Выводы

4. Исследование свойств пеностекла, проверка адекватности модели термообработки.

4.1. Определение параметров свойств пеностекла, используемых в процессе моделирования

4.2. Проверка адекватности модели

4.3. Выводы

5. Определение рациональных свойств и разработка технологических режимов производства теплоизоляционного пеностекла.

5.1. Исследование влияния радиационных характеристик пеностекла на его теплоизоляционные свойства.

5.1.1. Влияние состава шихты и ее термообработки на радиационные характеристики пеностекла

5.1.2. Влияние поглощательной способности на процесс теплопередачи в пеностекле.

5.2. Определение влияния размера пор и плотности на свойства теплоизоляционного пеностекла—.

5.2.1. Влияние размера пор и плотности на теплопроводность теплоизоляционного пеностекла

5.2.2. Влияние размера пор и плотности на напряженно-деформированное состояние теплоизоляционного пеностекла

5.2.3. Определение предлагаемого размера пор.

5.3. Влияние структуры и минералогического состава на технологические особенности производства пеностекла

5.3.1 Исследование процесса охлаждения пеностекла при фиксации структуры

5.3.2 Конструкционные параметры печи вспенивания в зонах резкого охлаждения и стабилизации.

5.3.3 Влияние на технологические особенности процесса отжига пеностекла структурных параметров материала.

5.4. Применение излучающих (инфракрасного спектра) печей

5.5. Выводы

6. Расчет экономической эффективности

Актуальность работы. В настоящее время одним из основных направлений развития как промышленности, так и научной сферы является разработка энергосберегающих технологий. Основной путь снижения энергетических затрат на отопление зданий лежит в повышении термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью теплоизоляционных материалов. При решении общей задачи экономии энергоресурсов необходимо учитывать затраты на производство самих теплоизоляционных материалов, составляющих большую часть их себестоимости.

В связи с этим одной из наиболее актуальной проблемой можно считать создание новых и совершенствование существующих материалов, предназначенных для теплоизоляции различного рода сооружений.

На сегодняшний день существует большое количество утеплительных материалов с разнообразными свойствами. Среди них можно выделить пеностекло, изготовленное на основе неорганического стекла, отличающееся рядом уникальных особенностей, делающих его многофункциональным материалом, пригодным как для внутренней, так и для внешней тепло- и звукоизоляции зданий, а также для других целей.

Пеностекло - один из наиболее эффективных материалов, применяемых для теплоизоляции зданий. Однако технология производства пеностекла связана с термообработкой, потребляющей большое количество энергоресурсов. На мировом рынке теплоизоляционных материалов неорганического происхождения монополистом в производстве пеностекла является американская компания «Pittsburgh Corning Corp.» с широкой европейской дилерской сетью. Цена материала, производимого дочерним предприятием фирмы в Бельгии, составляет 450 USD/м3 и выше. Цена материала, изготовленного крупнейшим в СНГ производителем пеностекла -Гомельским стеклозаводом (Республика Беларусь) колеблется от 150 до 250 USD/m3.

Высокая цена диктуется большими затратами на сырье и термическую обработку. В связи с этим актуальным вопросом является совершенствование процессов термообработки пеностекла. Знание особенностей процессов вспенивания и отжига позволяет регулировать качество материала, расход энергии и производственных площадей путем коррекции режимов термообработки и размеров технологического оборудования.

Цель работы: Разработка рациональных режимов термообработки теплоизоляционного пеностекла на основании моделирования процесса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести исследование структуры образцов пеностекла с различными характеристиками. Построить математическую модель структуры пеностекла;

- исследовать процесс теплопередачи в пористом теплоизоляционном материале с построением математической модели;

- найти зависимость распределения тепловых потоков и напряжений в высокопористых материалах;

- изучить влияние размеров пор на прочность и другие эксплуатационные свойства пеностекла;

- применить результаты исследований и моделирования для разработки рациональных режимов высокотемпературной термообработки, в процессе производства пеностекла, на стадиях стабилизации пены и отжига.

Научная новизна работы

1. Выявлено влияние структуры на радиационные характеристики теплоизоляционного пеностекла, а следовательно, и на особенности теплообмена, и установлено, что с увеличением размера пор повышается радиационная составляющая теплового потока.

2. Разработана методика определения напряжений, учитывающая сложноорганизованную структуру неорганических высокопористых материалов (макро- и микропоры, кристаллические включения и т.д.), в процессе термической обработки. Определено влияние структуры материала на величину временных и остаточных напряжений.

3. Предложена математическая модель высокопористой структуры пеностекла, адекватно описывающая особенности образования напряжений в пористых материалах и позволяющая прогнозировать поведение пеностекла как при его производстве, так и в процессе эксплуатации.

4. Исследовано взаимное влияние размера пор, теплопроводности и прочности теплоизоляционного пеностекла, позволяющее разработать рекомендации по рациональной структуре пеностекла с заданными свойствами.

Практическая ценность работы

Разработанная математическая модель термообработки высокопористых материалов позволяет рассчитывать температурное поле и напряжения по сечению образца в зависимости от режима термообработки, структурных параметров изделий, их теплофизических свойств и характера внешнего воздействия. Это дает возможность проводить проектирование режимов термообработки на различных этапах процесса производства.

Разработаны рекомендации по рациональной структуре пеностекла в зависимости от направления его использования.

На основе модели высокотемпературной термообработки высокопористых материалов рассмотрены процессы, протекающие в зонах быстрого охлаждения и стабилизации в печи вспенивания, разработаны режимы, позволяющие повысить эффективность производства, а также снизить энергозатраты и продолжительность процессов при термообработке пеностекла в 2,0 раза.

Апробация работы

Результаты работы доложены на Международной научно-практической Интернет-конференции «Проблемы и достижения строительного материаловеденья» (Белгород, 2005), 4-й Научно-технической конференции «Надёжность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2005), Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2005).

Внедрение результатов работы: Результаты работы апробированы и внедрены в опытно-промышленное производство на ООО Производственно-коммерческая фирма «Уральская стекольная компания».

Публикации всего опубликовано 12 печатных работ из них 7 по теме исследований.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 168 страницах, включает 62 рисунка и 8 таблиц. Библиографический список составлен из 122 источников.

Ю.Результаты работы апробированы и внедрены в опытно-промышленное производство на ООО Производственно-коммерческая фирма «Уральская стекольная компания», при этом произошло снижение себестоимости продукции на 21%. Ожидаемый годовой экономический эффект составил 3 519 360 руб.

1. Справочник по производству тепло-звукоизоляционных материалов / под ред. Спирина. М.: Стройиздат, 1975. - 420 с.

2. Строительные материалы: Справочник / под ред. Л.С. Болдырева, 11.П. Золотова. М.: Стройиздат, 1989. - С. 490-492.

3. Строительные материалы: справочник / под ред. E.H. Штанова. -Нижний Новгород: Изд-во "Вента-2", 1995.-С. 176-179.

4. Нациевский, Ю.Д. Справочник по строительным материалам и изделиям: Керамика. Стекло. Древесина / Ю.Д. Нациевский, В.П. Хоменко, В.В. Беглецов. Киев: Буд1вельник, 1990. - 144 с.

5. Горяйнов, К.Э. Технология производства полимерных и теплоизоляционных изделий: учебник для вузов / К.Э.Горяйнов, В.В. Коровникова.-М.: Высшая школа, 1975.-С. 163-168.

6. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справочное пособие / под ред. С.С. Кутаталадзе М.: Стройиздат, 1990. - С. 2678.

7. СниП 2.04.14-88. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов.

8. СНиП 3.03.01. 87. Несущие и ограждающие конструкции.

9. СНиП 3.04.01. 87. Изоляционные и отделочные покрытия.

10. Гладышев, Б.М. Механическое взаимодействие элементов структуры и прочность бетонов / Б.М. Гладышев. Харьков: Вища шк. Изд-во при Харьк. ун-те, 1987. - 168 с.

11. Шилл, Ф. Пеностекло /Ф. Шилл. -М., 1965.-С. 51-54.

12. Демидович, Б.К. Пеностекло / Б.К. Демидович. Минск: Наука и техника, 1975. - 248 с.

13. Китайгородский, И.И. Пеностекло / И.И. Китайгородский, Т.Н. Кешинян. М.: Промстойиздат, 1953. - 77 с.

14. A.c. 2108305. МПК6 С03С11/00. Способ изготовления пеностекла / Писарев А.Л. № 96106950/03; заявл. 11.04.86; опубл. 10.04.98, Бюл. № 29. - 90 с.

15. A.c. 96106950/03. МПК6 C03C11/00. Способ изготовления пеностекла / Писарев А.Л. № 96106950/03; заявл. 11.04.86; опубл. 20.04.98, Бюл. №29.-91 с.

16. A.c. 1248980. СССР МПК4 С03С11/00. Способ изготовления пеностекла / Б.К. Демидович, Н.П. Садченко и др. № 3824008; заявл. 17.12.84; опубл. 7.08.96, Бюл. № 29. - 91 с.

17. A.c. 1470691. СССР МПК4 С03С11/00. Способ отжига пеностекла / Б.К. Демидович, Н.П. Садченко и др. № 4241895; заявл. 25.03.85; опубл. 23.12.86, Бюл. № 47. - 88 с.

18. A.c. 1337357. СССР МПК4 С03С11/00. Способ отжига пеностекла / Б.К. Демидович, Н.П. Садченко и др. № 4053203; заявл. 9.04.86; опубл. 15.09.87, Бюл. № 34. - 85 с.

19. A.c. 1278319. СССР МПК4 СОЗСИ/ОО. Способ отжига пеностекла / Б.К. Демидович, Н.П. Садченко и др. № 3871299; заявл. 9.04.86; опубл. 15.09.87, Бюл. № 34. - 85 с.

20. A.c. 1604764. МПК5 С03С11/00. Стекло для получения пористых высококремнеземистых изделий / Анфимова И.Н., Мазурин О.В. и др. № 4706393; заявл. 22.11.88; опубл. 7.11.90, Бюл. № 41. - 117 с.

21. A.c. 1675243. МПК5 СОЗСИ/ОО. Стекло для получения пеноматериалов / Сулейменов Ж.Т., Касымова С.С. № 4706393; заявл. 19.09.89; опубл. 07.09.91, Бюл. № 33. - 84 с.

22. A.c. 1470693. СССР МПК4 С03С11/00. Пеностекло / Черепанов Б.С., Давидович Д.И. и др. № 4296014; заявл. 13.08.87; опубл. 07.04.89, Бюл. № 13.-103 с.

23. A.c. 1413067. СССР МПК4 С03С11/00. Пеностекло / Черепанов Б.С., Давидович Д.И. и др. № 4198986; заявл. 24.02.87; опубл. 30.07.88, Бюл. № 28. - 98 с.

24. A.c. 1335544 СССР МПК4 С03С11/00. Пеностекло / Исту А.Б. -№ 4035335; заявл. 30.01.86; опубл. 07.09.87, Бюл. № 33. 83 с.

25. A.c. 1359259 СССР МПК4 С03С11/00. Пеностекло и способ его получения / Саакян Э.Р. -№ 3958131; заявл. 23.09.85; опубл. 12.15.87, Бюл. №33.-83 с.

26. A.c. 1133240 СССР МПК4 С03С11/00. Стекло для пеноматериалов / Минько H.H., Белоусов Ю.Л. № 3611040; заявл. 10.05.83; опубл. 7, Бюл. № 1. -91 с.

27. A.c. 2033982. МПК5 С03С11/00. Шихта для изготовления пеностекла / Белицкий H.A., Казанцева JI.K. и др. № 5057206/33; заявл. 05.06.92; опубл. 27.04.95, Бюл.№ 12.-149 с.

28. A.c. 1821452. МПК5 С03С11/00. Шихта для получения пеностекла / Белицкий H.A., Казанцева JI.K. и др. № 5057206/33; заявл. 07.12.90; опубл. 15.06.93, Бюл. № 22. - 60 с.

29. A.c. 1564130. МПК5 С03С11/00. Сырьевая смесь для получения гранулированного пеностекла / Удачкин И.Б., Рудь С.И. и др. -№ 4444671; заявл. 20.0688; опубл. 15.05.90, Бюл. № 18. 122 с.

30. Горлов, ЮЛ. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий: учебник для вузов по спец. "Производство строительных изделий и конструкций" / Ю.П. Горлов. М.: Высшая школа, 1989.-С. 5-7, 168-176.

31. Кобеко, П.П. Аморфные вещества / П.П. Кобеко. М. - Л.: Изд-во AI I СССР, 1952.-432 с.

32. Минеральное сырье и отходы промышленности для производства строительных и технических материалов Л.: Наука, Ленинградское отделение, 1982. - 136 с.

33. Жерновая, Н. Ф. Использование стеклобоя в производстве пористых строительных материалов / Н.Ф.Жерновая, В.И.Онищук // Известия вузов. Строительство.— 1996 .— № 10. — С. 99—101.

34. ГОСТ 28991-91. Угли бурые, каменные и антрациты для производства кирпича. Введ. 1993-01-01. —М.: Изд-во стандартов. 1993 -6с.

35. ГОСТ 12085-88. Мел природный обогащенный. — Введ. 1990-01-01. — -М.: Изд-во стандартов. 1989.—60с.38. ТУ 0258-001 -01013393-94.

36. Раяко, А В. Тепловые процессы в технологии силикатов: учебник / A.B. Ралко, A.A. Крупа. Киев: Вища школа, 1985. - 232 с.

37. Роусон, Г. Неорганические стеклообразующие системы / Г. Роусон; пер. с англ. М.: Мир, 1978. - 312 с.

38. Волконский, Б.В. Технологические, физико-механические, физико-химические исследования цементных материалов / Б.В. Волконский. -Л.: Стройиздат, 1972.-С. 98.

39. Справочник по защите от шума и вибрации жилых и общественных зданий / под ред. В.И. Заборова. Киев: Буд1вельник, 1989. - 160 с.

40. Шихта для изготовления пеностекла: Заявка 2002 11 18 20 / 03 (01 23 76) от 05.07.2002. / Шутов А.И., Мосьпан В.И., Балясников В.И., Кириченко С.Э., Воля П.А.

41. Пеностекло как декоративный материал / Шутов А.И., Мосьпан В.И., Воля П.А. Семикопенко Ю.В. // Исследователь, 2001. - № 12. (026).

42. Шихта для изготовления ячеистого стекла: Положительное решение по заявке № 2002 12 15 29 от 05.08.2002. / Шутов А.И., Мосьпан В.И., Балясников В.И., Кириченко С.Э., Воля П.А.

43. Цыремпилов, А.Д. Снижение энергозатрат при производстве пеностекла / А.Д. Церемпилов, Ю.С. Алексеев // Строительные материалы, 1998.-№3.-С. 20-21.

44. Горбунов, Н.И. Рентгенограммы, термограммы и кривые обезвоживания минералов, встречающихся в почвах и глинах / 11.И. Горбунов, И.Г. Цурюпа, Е.А. Шурыгина. М.: Изд-во академии наук СССР, 1952.-188 с.

45. ГОСТ 16381-77 (ст СЭВ 5069-85). Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация и общие технологические требования. 1977-07-01 М.: Изд-во стандартов. 1977.-15 с.

46. ГОСТ 12730.0-78. Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглащения, пористости и водонепроницаемости. 1980-01-01 М.: Изд-во стандартов. 1980.-80 с.

47. ГОСТ 8562-85. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе. Введ. 1985-18-01. —М.: Изд-во стандартов. 1985—30с.

48. ГОСТ 7076-87 (CT СЭВ 4923-84). Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности. Введ. 198707-31. —М.: Изд-во стандартов. 1987.—9с.

49. Банит, Ф.Г. Механическое оборудование цементных заводов: учебник для техникумов / Ф.Г. Банит, O.A. Несвижский. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1975. - С. 90-121.

50. Крыхтин, Г.С. Работа мелющих тел в мельнице с сортирующей бронефетеровкой / Г.С. Крыхтин // Труды НИИЦемента. Вып. 13. -1960. С. 12- 16

51. Креймер, М.Б. Об опыте внедрения сортирующих конусных каблучковых бронеплит в цементной промышленности / М.Б. Креймер, Г.С. Крыхтин // Сб. по обмену опытом в цементной промышленности, ПКБ НИИЦемента. Вып. 1. - 1958.

52. Константопуло, Г.С. Механическое оборудование заводов железобетонных изделий и теплоизоляционных материалов: учебник для индустриальных техникумов / Г.С. Константопуло. 3-е изд., переработ, и доп. - М.: Высшая школа, 1977. С. 2- 5

53. Товаров, В.В. О методах расчета производительности барабанных мельниц и определения размалываемости материалов / В.В. Товаров // Труды Гипроцемента. Вып. 16. - 1953. С. 65- 68

54. Гипроцемент. Определение характеристик размалываемости материалов. ЦБТИ ВНИИНСМа АСиА СССР. М., 1959. С. 7- 13

55. СНиП II-3-79. Строительная теплотехника».

56. A.c. 1125476. Пеностекло / Э.Р.Саакян. Опубл. 1984. . - № 4513248; заявл. 11.09.86; опубл. 8.11.86, Бюл. № 11. - 41 с.

57. A.c. 1071587. Композиция для получения пеностекла/ Н.В. Месропян. № 2759664; заявл. 14.04.81; опубл. 12.15.83, Бюл. № 11.-71 с.

58. A.c. 1564130. Сырьевая смесь для получения гранулированного пеностекла / И.Б. Удачкин , С.И. Рудь и др.; опубл. 1988. Бюл. № 2. -12 с.

59. A.c. 2149146. Шихта для получения пеностекла / В.И. Наумов, Е.С. Ахлестин, В.В. Гимик, Е.П. Головин, В.П. Сучков Опубл. 2000. Бюл. №4.- 12 с.

60. A.c. 2132307. Сырьевая смесь для изготовления пеностекла / JI.H. Волочиенко, Т.В. Аникина, В.А.Бухарев Опубл. 1999. Бюл. № 4.-41 с.

61. Павлушин, Н.М. Химическая технология стекла и ситаллов / Н.М. Павлушкин. М.: Госстройиздат, 1983. - 432 с.

62. Кобеко, П.П. Аморфные вещества / П.П. Кобеко. М. - Л.: Изд-во AI 1 СССР, 1952.-432 с.

63. Мазурин, О.В. Стеклование и стабилизация неорганических стекол / О.В. Мазурин. Л.: Наука, 1978. - 62 с.

64. Мазурин, О.В. Отжиг спаев стекла с металлом /О.В. Мазурин. М.: Энергия, 1980.- 140 с.

65. Мазурин, О.В. Исследование структурного гистерезиса в некоторых многокомпонентных стеклах дилатометрическим методом / О.В. Мазурин, В.П. Клюев // Физика и химия стекла. 1975. - Т. 1, № 3. - С. 245-251.

66. Инденбом, В.Л. Термопластичные и структурные напряжения в твердых телах / В.Л. Инденбом, Л.И. Видро // Физика твердого тела. -1964.-Т. 6, №4.-С. 992-1000.

67. Филимонов, С.С Теплообмен в многослойных и пористых теплоизоляциях / С.С. Филимонов, Б.А. Хрусталев, И.М. Мазилин. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 184 с.

68. Кравцов, С.Ф. Расчет экранной изоляции / С.Ф. Кравцов, Э.Г. Братута, Р.Г. Акмен //Изв. вузов. Энергетика. 1986. -№ 7. - С. 66-69.

69. Филимонов, С.С. Сложный теплообмен в многослойных экранно-вакуумных системах / С.С. Филимонов, Б.А. Хрусталев,И.М. Мазилин //Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1983. -№4.-С. 134-142.

70. Михальченко, P.C. К вопросу о тепломассопереносе в слоисто-вакуумной теплоизоляции / P.C. Михальченко, Н.П. Першин // ИФЖ. 1977. - Т. XXXII, № 5. - С. 814-821.

71. Житомирский, И.С. Нестационарная задача тепломассопереноса в слоисто-вакуумной изоляции / И.С. Житомирский, А.М. Кислов, В.Г. Романенко // ИФЖ. 1977. - Т. XXXII, № 5. - С. 806-814.

72. Vortmeyer D. W™rmestrahlung in Sehl ttungen. Z. Chemie Ingenieur Technik. 1966. Bd 38. H. 4. S. 404.

73. Vortmeyer D. Der Energietransport der W™rmestrahlung in Festbetten mit exothermer Reaction. Z. Berichte den Bunsen Geselschaft f. r Physikalische chemie. 1970. Bd 74, N 2. S. 127.

74. Vortmeyer D., Borner C.J. Die Strhlungdurchlasszahl in Sehl ttungen. Z. Chemie Ingenieur Technik. 1966. Bd 38. H. 10. S. 1077.

75. Филимонов, C.C. К расчету переноса теплоты в пористых теплоизоляциях / С.С. Филимонов, Б.А. Хрусталев, И.М. Мазилин // Теплоэнергетика. 1985. -№ 3. - С. 20-23.

76. Гвоздев, A.A. Расчёт несущей способности конструкции но методу предельного равновесия / A.A. Гвоздев. М.: Стройиздат, 1949. - Т. I. -300 с.

77. Берг, О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона /О.Я. Берг. М.: Стройиздат, 1962. - 300 с.

78. Баринова, JI.C. ПСМ неотъемлемая часть строительного комплекса / JI.C. Баринова, В.В. Миронов, К.Е. Тарасевич// Строительные материалы, 2000. - № 8. -С. 4-8.

79. Мальцов, К.А. Учёт несплошности бетона при построении теории прочности / К.А. Мальцов, А.П. Пак // Изв. ВНИИ гидротехники. -1966.- Т. 80.-С. 3-14.

80. Кондратов Л,И. Строительный материал архитектурно-строительное стекло из Саратова/ Л.И. Кондрашов, Бондарева В.М //Строительные материалы, 2000. - № 6. -С. 21.

81. Радиационный теплоперенос в высокотемпературных газах: справочник / под ред. Р.И. Солоухина. М.: Энергоатомиздат, 1984. -97 с.

82. Крейт, Ф. Основы теплопередачи / Ф. Крейт, У. Блэк // 1984, С. 2340,51-55.

83. Кудинов, A.A. Теплообмен в многослойных конструкциях / A.A. Кудинов. -1992. С. 23-36.

84. Оцисик, М.Н. Сложный теплообмен: пер. с англ./ М.Н. Оцисик; под ред. H.A. Анфимова.-М.: Мир, 1976.-С. 49-57.

85. Теория теплообмена // Сб. рекомендуемых терминов/ Комитет научно-технической терминологии АН СССР; под ред. Б.С. Петухова. -М.: Энергия, 1971.-7 с.

86. Ходыко, Ю.В. Методы расчета излучения молекулярных газов на основе моделирования спектрального состава / Ю.В. Ходыко, Э.И. Виткин, В.П. Кабашнков // Инженерно-физический журнал. -1979. Т. XXXVI, № 2. - С. 204-217.

87. Каменщиков, В.А. Радиационные свойства газов при высоких температурах/ В.А. Каменщиков. М.: Машиностроение, 1971. -С. 13-56.

88. Пеннер, С.С. Количественная молекулярная спектроскопия и излучательная способность газов / С.С. Пеннер. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. С. 24-27.

89. Детков, С.П. Степень черноты окиси углерода / С.П. Детков, В.Н.Токмаков //Инженерно-физический журнал. 1976. - Т. XXX, № 4.-С. 632-639.

90. Сибси, Тунеер. Конвективный теплообмен: Физические основы и вычислительные методы. 1987. 56 с.

91. Калиничеико, В.И. Численные решения задач теплопроводности / В.И. Калиниченко. М.: 1987. - С. 45-57.

92. Кулиниченко, В.Р. Справочник по теплообменным расчетам / В.Р. Кулиниченко. -1990. С. 67-78.

93. Мацевитый, Ю.М. Гибридное моделирование тепловых процессов / Ю.М. Мацевитый. 1987. С. 32-39,45-50.

94. Мазурин, О.В. Релаксационная теория отжига стекла и расчет на её основе / О.В. Мазурин. -1982. С. 21-31.

95. Петрова, Г.Л. Теория теплового излучения / Г.Л. Петрова. М.: МГУ, 1983.-С. 21-33.

96. Блох, А.Г. Теплообмен излучением: справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, J1.H. Рыжков. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

97. Сперроу, Э.М. Теплообмен излучением / Э.М. Сперроу, Р.Д. Сесс. -Л.: Энергия, 1971.-74 с.

98. Зигель, Р. Теплообмен излучением: пер. с англ. / Р. Зигель, Дж. Хауэлл под ред. Хрусталева. М.: Мир, 1975. - 211 с.

99. Суринов, Ю.А. Лучистый теплообмен при наличии поглощающей и рассеивающей среды / Ю.А. Суринов // Изв. АН СССР. ОТН. 1952. - № 9. - С. 1331-1352.

100. Маликов, Ю.К. Расчет угловых коэффициентов излучения методом параллельных плоскостей / Ю.К. Маликов // Теплофизика высоких температур. 1986. - № 6. - С. 1149-1155.

101. Джалурия, Й. Естественная конвекция: тепло- массообмен / Й. Джалурия; пер. с англ. -М.: Мир, 1983.-400 с.

102. Тютютшк, В.Е. Технология ИК-отжига стеклоизделий /B.Е. Тютюнник, Ю.В. Гулоян // Стекло и керамика. -2000. № 8. C. 33-36.

103. Павлов, В.Е. Пеностекло с повышенными конструктивными свойствами на основе эффузивных пород и стеклобоя / В.Е. Павлов // Автореферат-Улан-Уде: Изд-во ВСГТУ,2006. С. 27.

104. Яшуркаев, ТВ. Охлаждающая система периодического действия / Т.В. Яшуркаев // Международный студенческий форум «Образование наука производство»: сб. тез. док. Белгород, 2002, Ч. II. - С.88.

105. Шутов, А.И. Основные принципы ОСУТП выработки листового стекла / А.И. Шутов, И.А.Щетинина, Т.В. Яшуркаев // Международный конгресс «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии». -Белгород, 2003. С. 437-439.

106. Шутов, А.И. Модель ассиметричной термообработки листового стекла / А.И. Шутов, С. В. Алексеев, Т.В. Яшуркаев //Межвузовский сборник научных трудов. «Вестник КГТУ. Серия транспорт». -Красноярск, 2005.

107. Шутов, А.И. Ассиметричная термообработка / А.И. Шутов, С. В. Алексеев, Т.В. Яшуркаев // IV Научно-техническая конференция «Надёжность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов».-Волгоград, 2005. Ч. I. -С. 82-85.

108. Шутов, А.И. О влиянии размера пор на тепловые потоки при термообработке пеностекла / А.И. Шутов, С. В. Алексеев, Т.В. Яшуркаев // Стекло и керамика. № 7. - 2006. - С. 3-4.