Разработка составов нефриттованных глазурей на основе стеклобоя и опоки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка составов нефриттованных глазурей на основе стеклобоя и опоки

Утилизация стеклобоя может внести заметный вклад в решение одновременно двух важнейших проблем современности - охраны окружающей среды и рационального использования сырьевых ресурсов.

По данным работ [1-4], использование стеклобоя обеспечивает уменьшение объема городских отходов и снижение затрат на их транспортировку, сокращение расхода сырья, особенно соды, для производства глазури; снижение расхода энергии ; при добавлении в шихту 60% боя экономия энергии составляет 12%.

Применение нефриттованных глазурей взамен фриттованных позволяет экономить природный газ, электроэнергию, сырьевые материалы, так как из технологического передела исключается ванная и барабанная стекловаренная печь для варки фритты и соответственно технологическое оборудование по подготовке сырья.

Разработка составов нефриттованных глазурей для покрытия керамических изделий велась в системе SiО₂ - Al₂O₃ - CaО - Na₂O - B₂O₃ - Fe₂O₃. В этой многокомпонентной силикатной системе синтезированы легкоплавкие глазури с температурой розлива 950-1000⁰С 5. Вышеуказанная система включает составы с использованием недефицитного сырья как опоки, стеклобоя и беложгущие глины. Опоки представляют собой кристаллическую породу осадочного происхождения.Содержание высокореакционной стекловидной кремнеземистой фазы составляет 93-95%. с целью сокращения количества опытов нами использованы методы планирования экспериментов [5]. В частности нами было применен ротабельный план второго порядка Бокса-Хантера [5]. Это позволило получить математическую модель исследуемой системы в виде уравнения регрессии при проведении только 20 опытов. В том числе было проведено 6 параллельных опытов, необходимых для оценки воспроизводимости опытов, значимости коэффициентов уравнения регрессии и проверки адекватности математической модели.

· На основе предварительного анализ, нами выбраны следующие диапазоны изменения факторов (входов Х) (см. таблицу 1). X₁ - содержание стеклобоя, %;

· X₂ - содержание опоки;

· X₃ - содержание буры [°С].

Таблица 1 Диапазоны варьирования состава (входов)

На втором этапе математической обработки результатов проведенных экспериментов для поиска оптимального состава асфальтобетоного изделия нами применен метод нелинейного программирования на основе т.н. квази-ньютоновского алгоритма, реализованного в системе Mathcad-14.

Дополнительно нами было проведено имитационное компьютерное моделирование с использованием полученных математических моделей. В результате этого нами получены графики зависимостей показателей тепературы плавления и температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) остава изделия.

Проверка значимости по критерию Стьюдента [5] показала, что все 11 найденных коэффициентов математической модели значимы.

Проверка по критерию Фишера [5], показало, что уравнение (1б) адекватно описывает результаты эксперимента (расчетное значение критерия Фишера равное 2,95, что меньше критического равного 5,1. Получено также значение R2= 0,9584, т.е. его значение достаточно близко к 1, что дополнительно подтверждает адекватность полученной математической модели. На данном этапе математической обработки результатов проведенных экспериментов для поиска оптимального состава глазури использован метод нелинейного программирования на основе т.н. метода оптимизации Левенберга (Levenberg-Marquardt metod), реализованного в системе Mathcad-14 с использование уравнений связи в виде (1) при ограничениях на диапазоны изменения входов.

В нашем случае использованный алгоритм оптимизации показал высокую устойчивость и быструю сходимость.

Как показано выше, в результате математической обработки результатов экспериментов нами найдены математические модели вида (1), адекватно описывающая влияние состава:

на температуру плавления (Y₁):

Y₁=908+13,72Х₁+12,1Х₂-18,9Х₃+7.1Х₃+3,3Х₁Х₂ (1)

наТКЛР Y₂

Y₂=6,58-0,39Х₁-0,15Х₂+0,18Х₃+0,01Х₁Х₂+0,02Х₁Х₃+0,03Х₂Х₃

Для математической модели (1) определены значения состава, обеспечивающие экстремальные (максимальные и минимальные) значения температуры розлива.

Таким образом, эти результаты хорошо согласуются с проведенными экспериментальными исследованиями и могут быть рекомендованы в качестве оптимального состава.

Составы глазурей приведены в таблице 2.

Таблица 2.Составы нефритованных глазурей

Всего для исследования было принято 11 составов, в которых взамен содержания стеклобоя увеличивалось содержание опоки при постоянном содержании технической буры и глины. При выборе составов были учтены рекомендации работ 3-4. При содержании стеклобоя более 60 % температура розлива глазурей резко снижается, но при этом возрастает склонность глазурного покрытия к цеку.

Это обусловлено увеличением доли щелочных оксидов, которые как известно повышают температурный коэффициент линейного расширения.

Уменьшение содержания стеклобоя менее 50 % приводит к увеличению температуры розлива глазури.

Учитывая дефицитность боросодержащего сырья и его высокую стоимость, содержание В₂О₃ принято минимальным.

Таблица 3.Химический состав нефритованных глазурей

Оксид бора вводили через техническую буру , глину вводили с целью стабилизации глазурной суспензии (предотвращения оседания), а также увеличению термостойкости. Содержание глины должно быть не более 5 %, поскольку при увеличении более 5 % резко повышается температура розлива глазури.

Глазури готовили совместным помолом всех компонентов в шаровых мельницах до остатка на сите 0,056 мм 0,1-0,2 %.

Плотность глазурной суспензии составляли 1,65-1,7 г/см³ при влажности 45-50 %.

В качестве корректирующих добавок в виде электролитов исполь-зовались триполифосфат натрия и жидкое стекло в количестве 0,2-0,5 %.

Термообработку образцов керамических плит с нанесенной глазурью производили при температуре 950-1070⁰С с выдержкой при этих температурах 15-20 мин.

Результаты экспериментов показывают, что составы с содержанием стеклобоя - 55…60 % растекаются при 950-970 ⁰С. Составы с содержанием стеклобоя менее 45 % не растекаются при 1050 ⁰С.

Структура поверхностного глазурного слоя имеет «пузырчатое» строение. Размер пузырей колеблются от 0,1 до 0,2 мм. Пузыри во многих случаях образуют ячеистую структуру с тончайшими перегородками. Характер контактного слоя глазури и керамики показывает о проникновении глазури в поверхностный слой керамики, а керамическая основа характеризуется плотным однородным строением.

Утилизация стеклобоя может внести заметный вклад в решение одновременно двух важнейших проблем современности - охраны окружающей среды и рационального использования сырьевых ресурсов.

Литература

стеклобой нефриттованный глазурь утилизация

1. Шапиро С.Д. и др. Использование обратного стекольного боя при варке сортовых стекол. // Эксп.-инф. ВНИИЭСМ, сер. 11, вып.7, 1983.

2. Саркисов П.Д. Физико-химические свойства стекол на основе стекольного боя. // Эксп.-инф. ВНИИЭСМ, сер. 11, вып.10, 1983.

3. Кузьмин И.Д., Теплякова К.Д., Едомина Л.Д. Нефтритованные глазури на основе диатомитового концентрата. // Керамическая промышленность, вып. 5, 1988.

4. Грум-Гружимайло О.С. Синтез глухих глазурей с учетом их оптических характеристик Стекло и керамика. // Вып. 12, 1987, с. 6-8.

5. В.Очков Mathcad 14 для студентов, инженеров и конструкторов BHV-Петербург, 2007 г.

Размещено на Allbest.ru