Исследования процесса получения кристаллизующихся пеностекол с помощью математического планирования эксперимента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследования процесса получения кристаллизующихся пеностекол с помощью математического планирования эксперимента

Дамдинова Д.Р., канд. техн. наук, доцент, Хардаев П.К., д-р техн. наук, профессор, Павлов В.Е., магистр техники и технологии, Карпов Б.А., аспирант Восточно-Сибирский государственный технологический университет

В данной статье показана эффективность использования методов математического планирования эксперимента при поиске оптимальных условий получения кристаллизующихся пеностекол на основе стеклобоя и эффузивных пород, как перлит и базальт.

Основной целью в настоящей работе являлось получение закристаллизованных пеностекол (пеностеклитов) в системе «стеклобой+эффузивная порода» по энерго- и ресурсосберегающей технологии. Задачи исследований включают: определение рационального соотношения компонентов стеклошихты; изучение влияния разновидностей перлитов и вида стеклобоя на свойства пеностеклита; изучение влияния механощелочной активации стеклошихты и температурно-временных режимов вспенивания на свойства пеностеклита; исследование возможности использования комбинированных катализаторов кристаллизации при получении пеностеклитов.

В качестве исходных материалов для получения пеностеклитов путем непосредственного спекания и вспенивания применяли тарный стеклобой и эффузивные породы: перлиты Мухор-Талинского и базальт Селендумского месторождений Республики Бурятия.

В настоящей работе исследованы составы стеклошихт с боем тарного стекла зеленой и коричневой окраски, перлитами темно-зеленого и коричневого цветов и базальта. Подготовка компонентов сырьевой шихты осуществлялась путем раздельного помола стеклобоя и пород в шаровой мельнице. Породы дополнительно подвергались механоактивации в вибрационной мельнице. С целью инициирования процессов кристаллизации в стеклошихту в качестве комбинированных катализаторов вводились свинцово-железистые отходы разработки месторождения полиметаллических руд, смесь оксидов титана и циркония. Стеклошихта, составленная из компонентов системы «стеклобой+перлит+базальт+катализатор», затворялась водным раствором гидроксида натрия. Из полученной смеси прессовали образцы, которые затем обжигались в муфельной печи при температуре 800-825 °С.

Постоянными оставались содержание воды затворения (15% сверх массы сухой шихты) и удельная поверхность порошка стеклобоя, равная 3500 см²/г. Удельные поверхности перлита и базальта после механоактивации достигают соответственно 4000 и 3900 см² /г после 3 минут и 4500 и 4300 см² /г после 10 минут нахождения в активаторе.

В качестве параметров оптимизации были выбраны средняя плотность (y₁) и прочность при сжатии (y₂) пеностеклитов, как наиболее полно характеризующие на данном этапе исследований свойства синтезируемого пеноматериала.

Исследования влияния химического состава стекла и температурных условий вспенивания на свойства пеностеклитов связано с проведением большого количества экспериментов. Поэтому при поиске оптимальных условий получения пеностеклита использовали ортогональный ненасыщенный двухуровневый план Плаккета-Бермана [1]. На основании анализа литературных данных и проведенных поисковых экспериментов в качестве входных параметров были выбраны 10 переменных факторов, которые оказывали влияние на процесс получения пеностеклита.

Уровни (+) или (?) варьирования факторов представлены в табл. 1.

Таблица 1 Условия планирования

Уравнения регрессии для y₁, y₂ имеют вид:

(1)

(2)

Расчет коэффициентов в уравнениях регрессии и оценка их значимости по критерию Стьюдента позволили выявить незначимость эффектов некоторых факторов. В уравнении (1) незначимыми оказались факторы x₁, x₈, x₉ и x₁₀. В уравнении (2), самым значимым оказался эффект температурного фактора. Применение планов Плаккета-Бермана позволило получить раздельные оценки линейных эффектов всех факторов. Полученные уравнения регрессии позволяют определить условия, обеспечивающие получение пеностеклитов на основе пород и материалов с повышенным содержанием стеклофазы и комбинированных катализаторов кристаллизации.

В ходе исследований выяснено, что рост температуры вспенивания до 825 °С, продолжительности до 15 минут и увеличение содержания гидроксида натрия до 9 масс. % наибольшим образом способствуют снижению средней плотности пеностеклита. По Аппену [2], флюсующее действие оксида натрия объясняется разрывом мостиков Si-O-Si и образованием силанольных связей вместо силоксановых:

Таков же механизм действия воды:

Изменение степени связности Si?O-каркаса может способствовать снижению вязкости. По мнению автора [2], вода не только снижает вязкость силикатных расплавов, но и обладает минерализующим действием.

Исследования показали, что замена зеленого перлита на коричневый не приводит к существенному отличию результатов. Это можно объяснить структурным сходством этих разновидностей перлитов. По данным Сергеева Н.И. в коричневых перлитах содержится 7,5% связанной воды, тогда как в темно-зеленых содержится этой воды 6,2% [3]. Согласно известной классификации перлитовых пород, темно-зеленые перлиты отнесены к стекловидным, а коричневые - к гидратированным. Данное обстоятельство указывает на то, что при вспенивании пеностеклитов на следующем этапе исследований предпочтительнее использовать перлит коричневого цвета с повышенным содержанием воды, которая может выступить в качестве дополнительного вспучивающего агента.

Результаты исследований также показали, что при использовании коричневого стеклобоя вместо зеленого наблюдается тенденция снижения показателя средней плотности пеностеклита. Это возможно связано с наличием в коричневом стеклобое оксида Fe₂O₃, выступающего в роли плавня.

Механоактивация эффузивных пород в этой работе производилась с целью разрушения структуры пород по схеме:

Механизм воздействия механощелочной активации на силоксановую связь в структуре эффузивных пород заключается в разрыве связей Si?O?Si, Al?O?Si, вследствие чего снижается энергия активации стекло- и фазообразования в пеностеклите. Косвенным подтверждением такого заключения является малая значимость эффекта такого фактора, как содержание стеклобоя, вследствие того, что при механоактивации эффузивных пород энергетические состояния этих пород и стеклобоя выравниваются. Значимым оказывается соотношение базальта к перлиту. Установлено, что в исследуемой нами системе увеличение продолжительности механоактивации до 10 минут приводит к росту показателей средней плотности и прочности при сжатии пеностеклита. Согласно уравнению регрессии (2), эффект фактора продолжительности механоактивации является самым значительным с позиций упрочнения структуры пеностеклита.

В наших исследованиях также изучалась возможность упрочнения структуры пеностеклита путем направленной кристаллизации материала межпоровых перегородок при вспенивании. Основанием для этого являются известная склонность к кристаллизации тарных стекол при повторной термической обработке и содержание в них красящих оксидов Fe₂O₃, Cr₂O₃ и др. Наличие структурных мотивов в перлитах, а также кристаллических фаз в базальте, по нашему мнению, могут способствовать процессу кристаллизации. Процессу кристаллизации благоприятствуют также повышенная удельная поверхность порошков исходных пород и материалов, чрезвычайно развитая поверхность раздела фаз в пеностеклите.

Для усиления картины развития процесса кристаллизации при синтезе пеностеклита в стеклошихту в качестве комбинированных катализаторов кристаллизации вводились PbO, Fe₂O₃ - содержащие отходы и смесь чистых оксидов TiO₂ и ZrO_2. Известно, что оксиды TiO₂ и ZrO_2, относительно хорошо растворимые в силикатных стеклах, повышают склонность стекла к кристаллизации и действуют как стимуляторы тонкой равномерной кристаллизации в производстве ситаллов[2].

Исследования показали, что увеличение содержания комбинированных катализаторов кристаллизации в составе шихты до 1,5 масс. % способствует росту показателей средней плотности и прочности пеностеклита. Использование PbO, Fe₂O₃ - содержащих отходов привело к уплотнению структуры пеностеклита в области пониженных температур. Так, средняя плотность пеностеклита при температуре 800°С достигает 825кг/м³, а прочность при сжатии составила 9,6 МПа. При температуре 850 °С показатели физико-механических свойств пеностеклита понижаются соответственно до 490 кг/м³ и 1,6 МПа.

С применением смеси оксидов TiO₂ и ZrO₂ получены устойчивые результаты во всем температурном интервале 800-825 °С. Так, прочность при сжатии пеностеклита с добавкой смеси указанных оксидов для пеностеклитов со средней плотностью 510-580 кг/м³ составила 4,6-6,9 МПа.

Таким образом, результаты данного этапа исследований свидетельствуют о правомерности вышеуказанных предпосылок к получению на основе механоактивированных эффузивных пород и боя тарных стекол с использованием комбинированных катализаторов кристаллизации закристаллизованного пеностекла с повышенными прочностными показателями.

пеностеклит перлит катализатор кристаллизация

Список литературы

1. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов/ М.: Наука, 1965.

2. Аппен А.А. Химия стекла/ Ленинград.: Химия, 1970.-352 с.

3. Сергеев Н.И.. Перлитовое сырье для получения вспученных щебня и песка и его классификация //Сб. тр./ВНИИСТРОМ.- М., 1975.-№33.-162 с.

Размещено на Allbest.ru