Резистивні матеріали будівельного призначення на основі лужних в'яжучих систем

Размещено на http://www.allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Резистивні матеріали будівельного призначення на основі лужних в'яжучих систем

Гузій Сергій Григорович

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті в'яжучих речовин і матеріалів Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Пушкарьова Катерина Костянтинівна, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри будівельних матеріалів

Офіційні опоненти - - доктор технічних наук, професор Сердюк Василь Романович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри менеджменту організацій кандидат технічних наук, Анопко Дмитро Віталійович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, завідувач лабораторією в'яжучих і бетонів спеціального призначення відділу технології виготовлення залізобетонних конструкцій Провідна установа - Донбаська державна академія будівництва та архітектури, кафедра технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг, Міністерство освіти і науки України, м. Макіївка

Захист відбудеться 26.06 2002 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 "Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби" Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ - 37, повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ - 37, повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий 24.05.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Бродко О.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми: аналіз розвитку виробництва резистивних матеріалів показує, що розширення сфери їх використання можливе за рахунок створення матеріалів із заданими електро-, теплофізичними та фізико-механічними характеристиками, що експлуатуються в діапазоні температур 293-1073К. Причому, отримання таких композицій повинно здійснюватися з використанням ресурсозберігаючих і низькоенергоємних технологій.

Резистивні неметалічні композиційні матеріали являють собою складні гетерогенні системи, один із компонентів яких є струмопровідним. Такі матеріали відзначаються нестабільністю значень електричного опору при змінах температурно-вологого поля, що призводить до зменшення сфери їх застосування.

Подальше удосконалення властивостей електропровідних матеріалів можливо шляхом оптимізації їх складу та застосування таких видів в'яжучих речовин, які забезпечують формування діелектричного компоненту у складі композиційного матеріалу з опором більшим 108 ОмЧм.

Одержання резистивних матеріалів, що включають в своїй структурі діелектричний компонент, дозволить стабілізувати електротехнічні параметри та більш чітко їх регулювати в робочому діапазоні температур.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до держбюджетної теми міністерства освіти і науки України № 21ДБ-1992 “Розробити та освоїти технологію виробництва композиційних матеріалів спеціального призначення на основі лужних і лужноземельних алюмосилікатних композицій” у 1992-1995 рр. Здобувач виконував обов'язки виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення фізико-хімічних закономірностей отримання резистивних композиційних матеріалів в системі “b-C2S - (SiC, C) - Na2O.nSiO2.mH2O”, що характеризуються мінімальною зміною електричного опору в робочому інтервалі температур за рахунок направленого формування діелектричної матриці на основі лужних в'яжучих систем і розробити технологію виробництва електропровідних матеріалів будівельного призначення зі стабільними електрофізичними характеристиками.

Задачі досліджень:

встановити на модельних системах “b-C2S - (SiC, C) - Na2O.nSiO2.mH2O” фізико-хімічні закономірності направленого формування діелектричної матриці з мінімальною зміною питомого електричного опору в діапазоні температур 293-1073К;

встановити основні закономірності зміни питомого електричного опору резистивних елементів від виду лужного компоненту та типу електропровідного заповнювача;

розробити та оптимізувати склади резистивних матеріалів і дослідити їх властивості;

розробити основи технології отримання резистивних матеріалів;

провести практичне випробування та застосування розроблених складів електропровідних матеріалів у промислових умовах і визначити їх техніко-економічну ефективність.

Об'єктом досліджень є процеси формування штучного каменю з наперед заданими електрофізичними та фізико-механічними властивостями.

Предмет досліджень - резистивні матеріали на основі лужних в'яжучих систем. лужний в'яжучий опір заповнювач

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано із застосуванням сучасних методів фізико-хімічного аналізу: диференційно-термічного, рентгенофазового, інфрачервоної спектроскопії та електронної мікроскопії. Використані традиційні методики визначення міцності, електро- та теплофізичних характеристик штучного резистивного каменю. Оптимізацію складів резистивних композицій проведено за допомогою методів математичного планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

розроблені фізико-хімічні основи отримання резистивних матеріалів із заданими електрофізичними властивостями в робочому діапазоні температур від 293 до 1073К на основі лужних в'яжучих і заповнювачів, що представлені карбідом кремнію та графітом;

показано, що стабільність електрофізичних властивостей композиційних матеріалів досягається за рахунок направленого синтезу діелектричної матриці, склад продуктів гідратації та дегідратації якої представлений відповідно низькоосновними гідросилікатами кальцію групи CSH(B) та силікатами кальцію (a-CS і b-CS), що характеризуються максимальним значенням питомого опору серед відомих гідро- та силікатів кальцію;

встановлено взаємовплив діелектричної матриці та функціональних заповнювачів (карбід кремнію, графіт) на формування електрофізичних характеристик отриманих матеріалів. Показано, що при введенні карбіду кремнію в систему “b-C2S - Na2O.nSiO2.mH2O” даний компонент виконує функцію не тільки електропровідного (величина питомого опору резистивного матеріалу становить не більше 106 ОмЧм), але й функцію структуроутворюючого (за рахунок додаткового синтезу воластоніту в складі продуктів випалювання матриці) компоненту, що призводить до стабілізації значень її питомого опору та відкриває можливості отримання на її основі високоомних матеріалів. Введення графіту в лужну систему, поряд із карбідом кремнію, призводить до зниження величини “запираючого шару” та перерозподілу зарядів на поверхні зерен останнього, що дозволяє отримати низькоомні резистивні матеріали із величиною питомого опору 10-2-103 ОмЧм;

визначена принципова можливість отримання резистивних матеріалів будівельного призначення за рахунок використання діелектричної матриці та направленого вибору функціональних заповнювачів. Так, у випадку використання як заповнювача карбіду кремнію, синтезовані високоомні матеріали (нелінійні опори), які здатні працювати в режимах короткого включення, а в разі використання суміші карбіду кремнію з графітом - отримані низькоомні матеріали (електронагрівачі), що здатні працювати в умовах тривалого включення.

Практичне значення одержаних результатів:

розроблено склади високо- та низькоомних резистивних матеріалів на основі лужних в'яжучих і вивчені їхні основні фізико-механічні та електрофізичні характеристики в діапазоні температур 293-1073К;

встановлено технологічні параметри синтезу резистивних матеріалів із стабільними електрофізичними властивостями;

розроблено основи технології отримання резистивних композиційних матеріалів (нелінійні опори та нагрівальні елементи), причому, як вихідні компоненти можуть бути використані не тільки хімічно чисті речовини (SiC, C), але й відходи виробництва вогнетривкої та абразивної промисловості.

Резистивні матеріали оптимального складу використані в промислових умовах при виготовленні нагрівальних елементів і гріючих панелей, які застосовані в сушильних конструкціях з підготовки каоліну для випалювання, що працюють в умовах виробничої фірми “ПЕК” м. Біла Церква. Використання розроблених резистивних елементів в гріючих панелях сушильних конструкцій дозволяє у 5,3 рази підвищити термін їх служби в порівнянні з конструкціями, отриманими на основі електропровідних бетонів (бетелів). Економічний ефект від впровадження даної розробки становить 235 грн. 36 коп. на одну гріючу панель.

Особистий внесок здобувача полягає в виконанні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні результатів роботи у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародному науковому симпозиумі студентів і молодих вчених (Польща, Зелена Гура, 1997 р.), міжнародних конференціях: “Матеріали для будівельних конструкцій” ICMBў94 (Дніпропетровськ, 1994 р.), “Захисні будівельні матеріали та конструкції” (Санкт-Петербург, СПбІІЗТ, 1995 р.), “Лужні цементи та бетони” (Київ, ДНДІВМ, 1994, 1999 рр.), “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (Рівне, РДТУ, 2001 р.), “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми” (Київ, НДІБК, 2001 р.), 53, 58, 60, 61 та 62 науково- практичних конференціях КНУБА (1992, 1997, 1999-2001 рр.), міжнародних семінарах: “Структуроутворення, руйнування композиційних будівельних матеріалів і конструкцій” (Одеса, ОДАБА, 1996 р.), “Моделювання та оптимізація в матеріалознавстві” (Одеса, ОДАБА, 2001 р.), “Актуальні проблеми міцності” (Київ, ІПМ, 2001 р.), “Будівельні матеріали, вироби та конструкції зі спеціальними експлуатаційними властивостями” (Київ, “Знання”, 1993 р.), “Матеріали для сучасного будівництва” (Київ, НДІБМВ, 2001 р.).

Публікації: за темою дисертації опубліковано 21 друковану роботу, в тому числі 6 публікацій - в наукових фахових виданнях, 5 - у збірниках і журналах та 10 - у матеріалах вітчизняних та міжнародних конференцій, семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 113 сторінках основної частини, яка складається із вступу, п'яти розділів, висновків і містить 21 таблицю та 38 рисунків. Повний обсяг дисертації становить 171 сторінку і включає поряд з основною частиною список використаних джерел з 200 найменувань та 10 додатків, що містять 9 таблиць.

Зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність та доцільність виконання даної роботи, сформульована мета досліджень, наукова новизна, практичне значення та основні задачі, що розв'язані в роботі.

У першому розділі наведено огляд стану проблеми та визначено теоретичні передумови досліджень.

Сучасний рівень виробництва резистивних елементів та гріючих конструкцій вимагає розробки електропровідних матеріалів із регульованими електро-, тепло- та фізико-механічними характеристиками, що експлуатуються в діапазоні температур 293-1073К.

Існує декілька технологічних напрямків розвитку електропровідних композицій на основі мінеральних в'яжучих речовин, які включають можливість отримання ефективних матеріалів за рахунок введення заповнювачів із електронним типом провідності (М.С. Добжинський, Л.Є Врублевський, В.Р. Сердюк та ін.), використання нових видів в'яжучих речовин (І.В. Автономов, Р.Ф. Рунова, С.Є. Максунов та ін.), а також введення діелектричного компоненту до структури композиційного матеріалу (В.П. Горілов, Г.А. Пугачов та ін.).

Аналіз ефективності використання вищенаведених заходів, в т.ч. оцінки стабільності електрофізичних характеристик матеріалів показує, що найбільш доцільним є розвиток останнього напрямку, причому, зміна кількості діелектричної складової в складі резистивних композицій дозволяє регулювати їх експлуатаційні властивості.

Аналіз теоретичних положень в області композиційної побудови резистивних матеріалів із заданими властивостями, а також даних про зниження основності новоутворень, що формуються, при гідратації силікатів кальцію в присутності лужних сполук, дозволяє висунути гіпотезу про можливість одержання в системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” електропровідних матеріалів зі стабільними характеристиками, які відрізняються розширеним температурним інтервалом експлуатації та довговічністю, за рахунок направленого формування в їх структурі діелектричної матриці, що представлена низькоосновними силікатами кальцію, які характеризуються максимальним значенням питомого опору в порівнянні з відомими силікатами кальцію. Причому, для досягнення стабільності електрофізичних властивостей резистивних матеріалів, ступінь зміни електрофізичних характеристик матриці в робочому діапазоні температур повинен бути мінімальним.

У другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів, необхідних для виготовлення лужного в'яжучого та електропровідних матеріалів.

Як силікатний компонент в'яжучого використовували клінкерний мінерал в-C2S, який синтезований в умовах дослідного заводу НДІцемент (Росія), техногенну сировину, що містить мінерали C2S, та є відходами чорної та кольорової металургії (нефеліновий шлам, шлак марганцю металевого, щлак конверторний). як лужний компонент в'яжучої речовини використовували натрієве розчинне скло (ГОСТ 13078) із силікатним модулем Мс=1,0-2,8, густиною r=1400 кг/м3 Київського склотарного заводу. Струмопровідні компоненти представлені заповнювачами - карбідом кремнію марки 54С фракцій 8-64 мкм (ГОСТ 26327) Запорізького абразивного комбінату і графітом марки ГЛ-1 (гост 4596) Завальєвського графітового комбінату (Україна), а також відходами виробництва карбідокремнієвих нагрівачів Запорізького вогнетривкого заводу та графітових електродів Дніпровського електродного комбінату (м. Запоріжжя).

Дослідження впливу режимів температурної обробки на фазовий склад новоутворень лужних в'яжучих та на процеси структуроутворення електропровідних матеріалів здійснені за допомогою комплексу фізико-хімічних методів: рентгенофазового, диференційно-термічного, мікроскопічного та інфрачервоної спектроскопії.

Оптимізацію складів та технологічних параметрів отримання електропровідних матеріалів проводили за допомогою методів експериментально-статистичного моделювання.

Для встановлення фізико-механічних, електро- та теплофізичних характеристик композицій були використані зразки-циліндри, діаметр і висота яких становить 22 мм, та зразки-пластини розмірами 10х125х3,5 мм. Зразки виготовляли методом пресування (питомий тиск 50 МПа/см2) шихти вологістю 8-10%. Механічні властивості резистивних матеріалів визначали згідно ГОСТ 2055. Розрахунки електрофізичних і теплофізичних характеристик (питомого опору, коефіцієнтів нелінійності, температурного опору, теплопровідності, лінійного температурного розширення та середньої теплоємкості) резистивних композитів здійснено за традиційними методиками. Довговічність отриманих матеріалів оцінена за методикою, що передбачає встановлення середнього часу безвідмовної роботи електропровідних матеріалів з використанням розподілення Вейбулла.

У третьому розділі встановлено основні фізико-хімічні закономірності отримання резистивних композиційних матеріалів на основі лужних в'яжучих і електропровідних заповнювачів у системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”.

За допомогою двофакторного трирівневого плану експерименту досліджено вплив параметрів рідкого скла та температури обробки в системі “в-C2S-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” на особливості направленого синтезу діелектричної матриці, яка характеризується мінімальною зміною питомого опору (1,2-2,3%) і показано, що найбільш високими фізико-механічними властивостями (50-60 МПа) і питомим опором більшим 108 ОмЧм відзначаються композиції, що отримані при використанні лужного компоненту з силікатним модулем Мс=1,9 і густиною 1250 кг/м3 . Згідно даних рентгенофазового аналілу склад продуктів гідратації і дегідратації діелектричної матриці представлений кристалохімічно подібними мінералами a- і b-CS, які характеризуються максимальним значенням питомого опору серед відомих силікатів кальцію.

Особливості продуктів дегідратації даної в'яжучої системи, яка представлена

метасилікатами кальцію з високим питомим опором, дозволяють відмовитися від додаткового введення діелектричного заповнювача. Враховуючи діелектричні властивості матриці, як струмопровідний компонент доцільно використовувать компоненти з електронним типом провідності, наприклад, карбід кремнію та графіт.

Так, за допомогою двофакторного трирівневого плану експерименту оптимізовані склади резистивних матеріалів в модельній системі “в-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”, які дозволяють після випалювання при Т=1273К одержати штучний камінь із заданими характеристиками (міцність при стиску більша 20 МПа, а величина питомого опору не більша 106 ОмЧм) (рис. 2, а). Встановлено, що при введенні карбіду кремнію в кількості 68-85%, можливе отримання високоомних матеріалів, величина питомого опору яких становить 5,3-8,8Ч105 ОмЧм.

Для розширення сфери застосування отриманих високоомних матеріалів і зниження їх питомого опору до величин 10-1-103 ОмЧм доцільно у вищезгадану систему крім карбіду кремнію ввести графіт, який змінює розподіл зарядів на поверхні зерен карбіду кремнію та знижує величину “запірного шару”.

За допомогою симплекс-решітчастого методу планування експерименту оптимізовано склади низькоомних композицій в модельній системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” і показано, що оптимальні значення електромеханічних характеристик (міцність при стиску не менша 15 МПа, величина питомого опору не більша 0,3 ОмЧм) досягаються після термообробки композицій, що вміщують b-C2S - (15-28) мас.%, SiC - (54-67) мас.% і С - (14-23) мас.%.

За допомогою фізико-хімічних методів досліджень визначено, що SiC виконує роль не тільки струмопровідного компоненту, але і структуроутворюючого, що сприяє збільшенню кількості діелектричної складової за рахунок додаткового синтезу воластоніту в складі продуктів випалювання матриці, та призводить до стабілізації значень її питомого опору. Введення до складу композицій графіту обумовлює формування в продуктах дегідратації низькоосновних силікатів кальцію та тилеїту, які сприяють стабілізації значень питомих опорів отриманих низькоомних матеріалів.

Четвертий розділ присвячений розробці та оптимізації складів резистивних композиційних матеріалів в системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”, отриманих на основі техногенної сировини, та дослідженню їх основних властивостей.

На основі лужного в'яжучого оптимального складу відповідно до плану двофакторного трирівневого експерименту було розроблено склади високоомних електропровідних матеріалів (рис. 3, а), в яких як силікатний компонент використано нефеліновий шлам, помелений до питомої поверхні 400 м2/кг, а як струмопровідний заповнювач - відходи виробництва карбідкремнієвих нагрівачів, що були подрібнені до фракцій 16-64 мкм.

Отримані високоомні матеріали характеризуються міцністю при стиску після випалу при Т=1273К не менше 64 МПа, питомим опором - 1,8Ч105 ОмЧм, коефіцієнтом нелінійності - 0,18-0,23 і можуть бути рекомендовані для виготовлення нелінійних елементів систем управління енергетичними, виробничими та будівельними процесами.

На основі лужного в'яжучого оптимального складу відповідно до плану симплекс-решітчастого експерименту розроблено низькоомні електропровідні матеріали в яких як силікатний компонент використано шлак марганця металічного, помелений до питомої поверхні 400 м2/кг, а як струмопровідні заповнювачі - відходи виробництва карбідкремнієвих нагрівачів, які були подрібнені до фракцій 8-12 мкм та графітових електродів, помелених до питомої поверхні 700 м2/кг.

Отримані низькоомні матеріали характеризуються міцністю при стиску не більше 20 МПа та питомим опором не більше 0,5 ОмЧм і можуть бути рекомендовані для виготовлення нагрівальних елементів для гріючих конструкцій будівельного призначення.

Виконано розрахунок надійності експлуатації низькоомних резистивних елементів і встановлено, що середній період безвідмовної роботи при температурі 813К складає 236 годин, в той час як для відомих аналогів середній час безвідмовної їх роботи при температурі 813К не перебільшує 125 хвилин.

Порівняння характеристик відомих резистивних матеріалів із характеристиками розроблених складів нагрівальних елементів (табл. 2) дозволяє відзначити наступні їх переваги: більш низький опір (10-2 - 102 ОмЧм) та розширений температурний інтервал експлуатації (максимальна температура нагрівання на 300-640 градусів перевищує граничну температуру експлуатації відомих аналогів).

У п'ятому розділі представлені результати дослідно-промислового впровадження розроблених складів резистивних композиційних матеріалів для виробництва на їх основі нагрівачів для конструкцій, які використані в сушильному агрегаті, що експлуатується в умовах промислової фірми “ПЕК”, м. Біла Церква. Здійснено випробування 50 гріючих панелей, конструкція яких передбачає використання розроблених нагрівальних елементів в кількості 6 шт. на одну гріючу панель. Економічний ефект від впровадження даної розробки становить 234 грн. 36 коп. на одну гріючу панель і досягається не тільки зниженням собівартості панелей, але й підвищенням терміну їх експлуатації у 5,3 рази.

Висновки

1. Вивчено фізико-хімічні закономірності отримання резистивних матеріалів на основі лужних в'яжучих зі стабільними електрофізичними властивостями в діапазоні температур Т=293-1073К, структура яких представлена діелектричною матрицею (з опором більше 108 ОмЧм), яка армована заповнювачами, що містять вуглець (карбід кремнію, графіт).

2. Досліджено особливості направленого синтезу діелектричної матриці, яка характеризується мінімальною зміною опору (1,2-2,3%) в системі “b-C2S-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” та показано, що найбільш високою міцністю (50-60 МПа) і питомим опором (більше 108 ОмЧм) відзначаються композиції, які отримані при використанні лужного компонента з силікатним модулем Мс=1,9 і густиною 1250 кг/м3. Склад продуктів гідратації та дегідратації діелектричної матриці представлений відповідно низькоосновними гідросилікатами кальцію групи CSH(B) та силікатами кальцію (a-CS, b-CS), які характеризуються максимальними значеннями питомого опору серед відомих гідро- та силікатів кальцію.

3. Вивчено особливості процесів гідратації і дегідратації в системі “b-C2S-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” і показано, що введення лужного компоненту збільшує кількість низькоосновних гідросилікатів (в продуктах тверднення) і силікатів групи воластоніту (в продуктах випалювання) та сприяє плавному протіканню процесів випалювання матеріалу без різкого зниження характеристик міцності композицій.

4. Встановлено основні закономірності зміни електрофізичних характеристик резистивних матеріалів, які отримані на основі діелектричної матриці та заповнювачів, що вміщують вуглець (карбід кремнію, графіт). Вивчено вплив добавки карбіду кремнію на процеси структуроутворення композицій в системі “b-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” та показано, що даний компонент виконує функцію не тільки електропровідного (величина питомого опору не більше 106 ОмЧм), але і структуроутворюючого елемента, сприяючи збільшенню кількості діелектричної складової за рахунок додаткового синтезу воластоніту в складі продуктів дегідратації матриці.

5. Введення у систему поряд з карбідом кремнію графіту приводить до перерозподілу зарядів на поверхні зерен карбіду кремнію та знижує величину “запірного шару”, що дозволяє отримати низькоомні матеріали зі зниженими значеннями питомого опору (10-1-103 ОмЧм).

6. За допомогою двофакторного методу планування експерименту оптимізовано склади резистивних композиційних матеріалів у системі “b-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”, які дозволяють отримати штучний камінь із заданими характеристиками міцності (границя міцності на стиск більше 20 МПа) та електрофізичними характеристиками (питомий опір не більше 106 ОмЧм) і встановлено, що при введенні SiC в кількості 68-85% можливо отримати високоомні матеріали з питомим опором r=(5,3-8,8)Ч105 ОмЧм.

7. За допомогою симплекс- решітчастого методу планування експерименту оптимізовано склади низькоомних композицій в системі “b-C2S-SiC-С-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” і показано, що оптимальні значення електромеханічних характеристик (міцність при стиску не менше 15 МПа, а величина питомого опору не більше 0,3 ОмЧм) досягаються після термообробки композицій складу, що вміщують b-C2S - (15-28) мас.%, SiC - (54-67) мас.% і С - (14-23) мас.%. В складі продуктів дегідратації вищевказаних композицій відзначається направлене формування низькоосновних силікатів кальцію та тилеїту, які сприяють стабілізації значень питомих опорів розроблених резистивних матеріалів.

8. Встановлені фізико-хімічні закономірності процесів структуроутворення в системах “b-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” і “b-C2S-SiC-С-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” були використані для отримання високо- та низькоомних резистивних матеріалів будівельного призначення на основі техногенної сировини, що містять b-C2S і g-C2S (нефеліновий шлам, шлак марганцю металічного, шлак конвертерний), і відходів вогнетривкої і абразивної промисловості.

9. Розроблено склади високоомних електропровідних матеріалів, які отримані на основі техногенної сировини (міцність при стиску після випалу при Т=1273К не менше 64 МПа, питомий опір - 1,8Ч105 ОмЧм, коефіцієнт нелінійності - 0,18-0,23), і які можуть бути рекомендовані для виготовлення елементів систем управління енергетичними, виробничими і будівельними процесами.

10. На основі техногенної сировини отримані низькоомні резистивні матеріали (міцність при стиску не менше 20 МПа, питомий опіро не більше 0,5 ОмЧм), і які можуть бути рекомендовані для виготовлення нагрівальних елементів гріючих конструкцій будівельного призначення. Виконано розрахунок надійності експлуатації низькоомних резистивних елементів і встановлено, що середній час безвідмовної роботи при температурі 813К складає 236 годин, в той час як для відомих аналогів середній час безвідмовної роботи при температурі 813К не перебільшує 125 хвилин.

11. Розроблено основи технології отримання резистивних матеріалів будівельного призначення, що передбачають використання техногенної сировини як для отримання в'яжучих, так і струмопровідних заповнювачів.

12. В промислових умовах на основі розробленого оптимального складу резистивної композиції отримані низькоомні нагрівальні елементи, які характеризуються міцністю при стиску після сушки - 11,4 МПа, після прямого пропускання електричного струму (електротренування) - 40,67 МПа; питомим опором - 0,13 ОмЧм; пористістю - 15%; середньою густиною - 2190 кг/м3; коефіцієнтом теплопровідності в інтервалі температур 323-673 К - 4,12 Вт/мЧК; середнім значенням КЛТР в інтервалі температур 293-673 К - 7,1Ч10-6 1/К; періодом безвідмовної роботи при температурі нагрівання поверхні 723К - 273 год.

Здійснено промислове випробування 50 гріючих панелей, конструкція яких передбачає використання розроблених нагрівальних елементів в кількості 6 шт. на одиницю продукції. Панелі застосовані в сушильному агрегаті з підготовки каоліну для випалювання в умовах роботи виробничої фірми “ПЕК” (м. Біла Церква). Економічний ефект від застосування зазначених конструкцій за період експлуатації складає 234 грн. 36 коп. на одну гріючу панель, що обумовлено не тільки зниженням собівартості панелей, але й підвищенням терміну їх експлуатації у 5,3 рази.

Основні положення дисертації викладено в працях

1. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Оценка надежности эксплуатации объемных резистивных элементов в системе “b-C2S - SiC - C - Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Конструкции гражданских зданий: Сб. науч. тр. - К.: КиевЗНИИЭП. - 1999. - С. 152-156.

2. Пушкарьова К.К., Гузій С.Г. Мікроструктура резистивних композиційних матеріалів в системі “b-C2S - SiC - C - Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. - Рівне: РДТУ. - 2000.- вип. 5. - С. 82-85.

3. Гузій С.Г. Вплив лужного та температурного середовища на стійкість карбіду кремнію проти окислення // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. - Рівне: РДТУ. - 2001. - вип.6. - С. 16-22.

4. Гузий С.Г. Греющие панели из резистивных композиционных материалов для конструкции “теплый пол” // Будівельні конструкції: Зб. наук. пр. - К.: ДНДІБК. - 2001. - вип. 54. - С. 241-245.

5. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Моделирование процессов получения нелинейных высокоомных резистивных композиционных материалов в системе “b-C2S - SiC - C - Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Будівництво: Зб. наук. пр. - Д.: ДІІТ. - Вип. 9. - 2001. - С. 54-57.

6. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Исследование физико-химических процессов формирования диэлектрической матрицы в системе “b-C2S - Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій: Зб. наук. ст. - К.: КНУБА. - 2002. - Вип. 5. - С. 23-29.

7. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Технология получения и разработка составов электропроводных композиционных материалов со стабильными электрофизическими характеристиками в диапазоне температур 20-800оС // Вопросы современного строительного материаловедения и строительства: Сб. науч. тр. - Л.: Львовстромниипроект. - 1998. - С. 113-121.

8. Пушкарьова К.К., Гузій С.Г. Резистивні композиційні матеріали (РКМ) в системі “b-C2S - SiC - C - Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Конструкции гражданских зданий: Сб. науч. тр. - К.: КиевЗНИИЭП. - 1999. - С. 65-75.

9. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Моделирование процессов получения резистивных композиционных материалов на основе щелочных вяжущих, модифицированных добавками ферросилиция // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій: Зб. наук. ст. - К.: КНУБА. - 1999. - Вип. 2. - С. 44-48.

10. Гузий С.Г., Журавская Н.Е., Трофимович В.В. Разработка способов очистки газовоздушных выбросов на коммунальных предприятиях // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій: Зб. наук. ст. - К.: КНУБА. - 1999. - Вип. 2. - С. 210-214.

11. Гузій С.Г. Нагрівальні панелі з резистивних композиційних матеріалів // Будівельні матеріали та вироби. - 2001. - №2. - С. 29-30.

12. Кривенко П.В., Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Жаростойкие электропроводные композиционные материалы на основе шлакощелочных связок // Тез. докл. респуб. семинара “Строительные материалы, изделия и конструкции со специальными эксплуатационными свойствами”. - К.: “Знание”, 1993. - С. 13-14.

13. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Пленочные электронагревательные элементы на основе щелочных алюмосиликатных связок // Тез. докл. III Междунар. конф. “Материалы для строительных конструкций” ICMBў94. - Д.: ПГАСА. - 1994. - Ч. II.-- С. 42-43.

14. Guziy S.G. Current-condacting composite materials based on alkaline aluminosilikate binders // Alkaline Cements and Concretes: Proc. 1st Int. Conf. - Kiev: VIPOL. - 1994. - Vol.2 - P. 1085-1094.

15. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Моделирование свойств специальных электропроводных композитов на основе щелочного алюмосиликатного связующего // Тез. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф. “Защитные строительные материалы и конструкции”. - С.Пб.: СПбИИЖТ. - 1995. - С. 40-41.

16. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Специальные электропроводные покрытия на основе щелочных алюмосиликатных вяжущих веществ // Тез. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф. “Защитные строительные материалы и конструкции”.- С.Пб.: СПбИИЖТ. - 1995.- С. 41-42.

17. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Структура и электротехнические свойства резистивных материалов на основе щелочных вяжущих веществ // Материалы Междунар. семинара “Структурообразование, разрушение композиционных строительных материалов и конструкций”. - О.: ОГАСА. - 1996. - С. 45-46.

18. Романенко Н.Е., Гузий С.Г. Совершенствование процесса обезвреживания горючих примесей в отбросных газах // 19 th Int. Sc. Symp. of students and young research workers. - Poland: Zielowa Gora. - Kwiecien. - 1997. - Vol. 1. - P. 254-257.

19. Guziy S.G. The studies on properties of the resistive composite materials based on alkaline cements in a systems “b-C2S - (Fe, FeSi, SiC, C) - Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Alkaline Cements and Concretes: Proc. of the Second Int. Conf. - Kiev: ORANTA Ltd. - 1999. - P. 599-610.

20. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Применение методов математического планирования эксперимента для оптимизации составов электропроводных материалов // Материалы к 40-му междунар. семинару по моделированию и оптимизации композитов ”Моделирование и оптимизация в материаловедении” (MOK'40). - О.: Астропринт. - 2001. - С. 76-77.

21. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Изучение влияния дисперсного углерода на электромеханические свойства электропроводных материалов на основе щелочных вяжущих систем // Тез. докл. XXXVII Междунар. семинара “Актуальные проблемы прочности”. - К.: ИПМ. - 2001. - С. 359-360.

Анотація

Гузій С.Г. Резистивні матеріали будівельного призначення на основі лужних в'яжучих систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2002.

В роботі теоретично обгрунтована та практично підтверджена можливість отримання на основі лужних в'яжучих систем резистивних матеріалів будівельного призначення, що складаються з діелектричної матриці та струмопровідних заповнювачів. Встановлено, що стабільність електрофізичних властивостей резистивних матеріалів в робочому інтервалі температур 293-1073К досягається за рахунок направленого синтезу діелектричної матриці, що представлена низькоосновними силікатами кальцію групи воластоніта (a-CS, b-CS), які характеризуються максимальним значенням питомого опору серед відомих силікатів кальцію. Запропоновано склади високо- та низькоомних матеріалів на основі техногенної сировини. встановлено технологічні параметри синтезу резистивних матеріалів та розроблено основи технології їх виробництва. Отримані резистивні матеріали застосовані як нагрівальні елементи в конструкціях гріючих панелей.

Ключові слова: лужні в'яжучі системи, резистивні матеріали, питомий електричний опір, нагрівальні елементи, гріючі панелі.

Аннотация

Гузий С.Г. Резистивные материалы строительного назначения на основе щелочных вяжущих систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Киев, 2002.

Современный уровень развития и производства резистивних элементов и греющих конструкций на их основе требует разработки электропроводных материалов с регулированными электро-, тепло- и физико-механическими характеристиками, которые эксплуатируются в диапазоне температур 293-1073К.

На сегодняшний день существует несколько направлений развития электропроводных композиций на основе минеральных вяжучих веществ, которые включают возможность получения эффективных материалов за счет введения заполнителей с электронным типом проводимости, использование новых видов вяжучих веществ, а также введение диэлектрического компонента в структуру композиционного материала.

Анализ известных решений показывает, что наиболее целесообразным является развитие последнего направления, причем, изменение количества диэлектрической составляющей в составе резистивних композиций разрешает регулировать эксплуатационные свойства получаемых материалов.

Анализ теоретических положений в области композиционного построения резистивних материалов с заданными свойствами, а также данных о снижении основности новообразований, которые формируются при гидратации силикатов кальция в присутствии щелочных соединений, позволяет предположить возможность получения в системе “?-C2S-SiC-C-Na2OЧnSi2Чm2O” электропроводных композиций со стабильными характеристиками, отличающихся расширенным температурным интервалом эксплуатации и долговечностью, за счет направленного формирования в их структуре диэлектрической матрицы, которая представлена низкоосновными силикатами кальция, характеризующимися максимальным значением удельного сопротивления по сравнению с известными силикатами кальция. Обеспечение стабильности электрофизических свойств резистивних материалов возможно достичь за счет минимального изменения электрофизических характеристик матрицы в рабочем диапазоне температур.

Разработаны физико-химические основы получения резистивных материалов с заданными электрофизическими свойствами в рабочем диапазоне температур (293-1073К) на основе щелочных вяжущих и углеродсодержащих заполнителей. Показано, что стабильность электрофизических свойств резистивных материалов достигается за счет применения щелочных вяжущих и направленного синтеза диэлектрической матрицы, состав продуктов гидратации и дегидратации которой представлен смесью низкоосновных силикатов кальция (a-CS и b-CS), характеризующихся максимальным значением удельного электрического сопротивления среди известных силикатов кальция. Установлено взаимовлияние диэлектрической матрицы и функциональных углеродсодержащих заполнителей на формирование электрофизических характеристик получаемых материалов; показано, что при введении карбида кремния в систему “b-C2S - Na2OЧnSiO2ЧmH2O”, данный компонент выполняет функцию не только электропроводного (величина удельного сопротивления резистивного материала не более 106 ОмЧм), но и структурообразующего элемента, способствуя увеличению количества диэлектрической составляющей за счет, дополнительного синтеза волластонита в составе продуктов обжига матрицы; в то же время, введение графита в щелочную систему, наряду с карбидом кремния, приводит к перераспределению зарядов на поверхности зерен последнего и снижает величину “запорного слоя”, что позволяет получить материалы с пониженными значениями удельного сопротивления 10-2-103 ОмЧм.

Разработаны принципы композиционного построения резистивных материалов строительного назначения, учитывающие характеристики диэлектрической матрицы и особенности заполнителей. Так, использование карбида кремния в качестве заполнителя позволяет синтезировать высокоомные материалы (нелинейные сопротивления, работающие в режиме кратковременном включения), а применение последнего вместе с углеродом - низкоомные материалы (электронагреватели), работающие в режимах длительного включения.

Разработаны составы высоко- и низкоомных резистивных материалов на основе щелочных вяжущих и изучены их основные физико-механические и электрофизические характеристики в интервале температур 293-1073К.

установлены технологические параметры синтеза резистивных материалов со стабильными электрофизическими свойствами и разработаны основы технологии получения резистивных материалов (нелинейных сопротивлений и нагревательных элементов), причем в качестве исходных компонентов могут быть использованы не только химически чистые вещества (SiC, C), но и отходы производства огнеупорной и абразивной промышленности.

Резистивные материалы оптимального состава апробированы при выпуске опытной партии греющих панелей в количестве 50 шт., конструкция которых предусматривает использование разработанных нагревательных элементов в количестве 6 шт. на одну греющую панель, в производственной фирме “ПЕК” г. Белая Церковь. Использование полученных нагревательных элементов (вместо известных бетэлов) в составе греющих панелей позволило в 5,3 раза повысить срок их службы в сушильном агрегате производственной фирмы “ПЕК”. Экономический эффект от внедрения данной разработки составляет 234 грн. 36 коп. на одну греющую панель.

Ключевые слова: щелочные вяжущие системы, резистивные материалы, удельное электрическое сопротивление, нагревательные элементы, греющие панели.

Annotation

Guziy S.G. Resistive materials for use in construction based on alkaline binding systems.- Manuscript.

Dissertation research for obtaining a scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.23.05 - building materials and articles.- Kyiv National University of Construction and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2002.

The work gives theoretical background and practical proofs to possibility of producing the resistive materials, consisting of a dielectric matrix and current-conducting fillers from the alkaline binding systems intended for a wide range of uses in construction. The research results allow to conclude that stability of electro- physical properties of the resistive materials within a range of working temperatures between 293-1073 K may be reached at the expense of a directed synthesis of a dielectric matrix, which is represented by low basic calcium silicates of wollastonite (a-CS, b-CS) type characterized by a maximum value of specific electrical resistivity among the known calcium silicates. The optimal formulations of the materials with high and low electrical resistivity using wastes and by- products, the process parameters for synthesis of the resistive materials and the bases of manufacturing technology have been developed. The produced resistive materials have been tried as heating elements in the heating panels.

Keywords: alkaline binding systems, resistive materials, specific electrical resistivity, heating elements, heating panels.

Размещено на Allbest.ru

...