Введение к работе
Актуальность работы. Вопросы, посвященные созданию теплоизоляционных материалов, не нуждающихся при их производстве значительных затрат имеют большое теоретическое и прикладное значение. Чаще всего для теплоизоляции применяют легковесные огнеупоры и штучные изоляционные материалы. Их изготавливают путем обжига отформованных изделий, что требует значительных энергетических затрат, удлиняет технологический цикл и базируются на использовании дорогостоящих сырьевых компонентов. В большинстве случаев при их изготовлении применяются различные порообразователи, усложняющие технологию производства. Предприятия, выпускающие легковесный шамот – основной вид теплоизоляционного материала, не в состоянии покрыть потребность промышленности. Поэтому вопрос о производстве новой, более эффективной теплоизоляции является очень острым.
Среди перспективных материалов для тепловой защиты промышленных тепловых агрегатов, особое место принадлежит группе веществ, создаваемых на основе кремнезема, в том числе кварцевому стеклу. Кварцевое стекло обладает комплексом ценных физико-химических свойств: термостойкостью, огнеупорностью, химической и радиационной стойкостью, прозрачностью в широком диапазоне длин волн, высокими электроизоляционными свойствами.
Способы получения изделий из кварцевого стекла резко отличаются от методов, принятых в технологии обычного стекла. Последнее обусловлено исключительно высокой вязкостью расплава кремнезема и вместе с тем повышенной его летучестью. Эта проблема успешно решается применением принципов керамической технологии, вследствие чего устраняются ограничения в отношении величины и конфигурации изделий, получаемых материалов. Материал, получаемый на основе кварцевого стекла по керамической технологии – кварцевая керамика, по сравнению с кварцевым стеклом, обладает повышенными термостойкостью и теплоизоляционными свойствами.
Одним из перспективных направлений производства легких теплоизоляционных материалов на основе кварцевой керамики является применение метода самоуплотняющихся масс из отходов стеклолитейного производства с использованием явления вспучивания полистирола. Немаловажным фактором в этом случае является возможность применения для производства побочных продуктов самой стекольной промышленности, а также вторичное использование огнеупоров – боя шамота. Это снижает расход материалов и энергозатраты и способствует улучшению экологической обстановки. Комплексное применение отходов промышленности с целью получения новых теплоизоляционных материалов с регулируемыми свойствами на основе кварцевой керамики определяют актуальность данной работы.
Работа выполнена в соответствии с планом приоритетных направлений НИР ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет», а также развития науки и техники Правительства Российской Федерации №2727 1П-П8 от 21.07.1998 раздел «Технология реабилитации окружающей среды от техногенных воздействий».
Целью работы является разработка составов и технологии производства теплоизоляционных изделий на основе кварцевой керамики из материалов стеклолитейной отрасли по малоэнергоемкому способу с использованием отходов промышленности. Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:
- изучить специфику физико-химических процессов, происходящих при одновременном тепловом и силовом воздействии на кварцево-полистирольные и шамотно-кварцево-полистирольные массы при формовании, сушке и обжиге;
- найти зависимости между физико-механическими и теплофизическими характеристиками шамото-кварцево-полистирольных легковесов от технологических параметров;
- на основе статистической обработки результатов экспериментов построить математическую модель для оптимизации состава формовочной массы, технологических параметров производства готовых изделий и с целью прогнозирования свойств легковесов;
- дать технико-экономическое обоснование целесообразности и эффективности разработанной технологии.
Научная новизна
- обоснована и экспериментально подтверждена гипотеза о возможности получения легковесных теплоизоляционных материалов на основе кремнеземистых отходов стекольного производства с использованием явления вспенивания полистирола в момент интенсивного электропрогрева формуемых масс;
- установлена целесообразность модификации свойств формовочной массы за счет введения в его состав шамота определенной дисперсности в качестве активного наполнителя многофункционального назначения, интенсифицирующего процесс вытеснения влаги в период формования композита;
- найдена зависимость между массопроводящими формовочной массы от количества и гранулометрического состава вводимого шамота;
- установлена взаимосвязь между однородностью и удобоукладываемостью формовочной массы от содержания пенополистирола, а также найден режим электроподогрева и его влияния на физико-механические свойства теплоизоляционных изделий на основе стеклоотходов;
- разработана математическая модель технологии производства, позволяющая произвести анализ влияния отдельных переделов, таких как формование, совмещенного с тепловым воздействием, сушка и обжиг и решить оптимизационную задачу.
Практическая значимость
- разработаны составы и технология производства высокопористого теплоизоляционного материала на основе отходов стеклолитейного производства. Получены материалы со средней плотностью 400-700 кг/м3, прочностью при сжатии 1,5-4,5 МПа и теплопроводностью при температуре 500-600 0С на горячей поверхности 0,11-0,18 Вт/м К.
- обоснованы возможности получения качественного теплоизоляционного материала при значительном сокращении времени сушки и обжига, сокращении количества брака.
- установлено, что утилизация отходов производства приведет к снижению площадей отведенных под отвалы, исключению расходов на их содержание, что в целом приведет к улучшению экологических условий местности.
Реализация результатов исследования
Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены на Ивановском керамическом заводе (ОАО «Ивстойкерамика») в цехе экспериментальных исследований, выпущена опытная партия теплоизоляционного материала со средней плотностью 400-600 кг/м3 и прочностью при сжатии 3,5 МПа.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: XV Международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа» г. Иваново 2008 г., XVIII Международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа» г. Иваново 2011 г., V научная конференция аспирантов и соискателей, ИГАСУ, г. Иваново, 2007 г., VI научная конференция аспирантов и соискателей, ИГАСУ, г. Иваново, 2009 г.,
Публикации результатов
По результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных трудов, включая материалы вузовских, международных научно-технических конференциях, а также 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
На защиту выносятся
- теоретические предпосылки и результаты экспериментальных исследований возможности получения теплоизоляционных изделий из отходов стекольного производства с использованием явления вспенивания полистирола;
- результат исследований механизма массопереноса в системе кварц-полистирол-шамот с образованием крупных пор, обуславливающих минимальное сопротивление перемещению влаги в процессе термической обработки;
- экспериментально установленные закономерности направленного формирования теплоизоляционных и физико-механических свойств легковеса на основе кварцевой керамики в зависимости от технологических параметров;
- математические модели и результаты оптимизации влияния основных рецептурных факторов на структуру, физико-механические и эксплуатационные свойства предлагаемого материала;
- новые составы теплоизоляционного материала со средней плотностью 400-700 кг/м3 и теплопроводностью 0,11-0,18Вт/мК;
- практические рекомендации по проектированию технологических линий по производству теплоизоляционных легковесов, а также результаты опытно-промышленной реализации результатов работы.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введение, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения, изложена на 140 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц, 44 рисунка, библиографический список из 127 наименований и приложений.
