CC BY
23
S. Borisov, Yu. Ya. Intensifikaciya processov sushki v akusticheskom pole. Primenenie ultrazvuka v khimiko-tekhnologicheskikh pro-cesakh [Text] / Yu. Ya. Borisov. — Izd-vo AN SSSR, 1960. — 211 p.
9. Borisov, Yu. Ya. Ultrazvuk v tekhnike nastoyashhego i budu-shehogo [Text] / Yu. Ya. Borisov, L. O. Makarova. — Izd-vo AN SSSR, 1960. — 152 p.
10. Sazhin, B. S. Obzornaya informaciya [Text] / B. S. Sazhin,
E. A. Chuvpilo. — M.: Ser. XM-1, CINTIKhimneftemash, 1975. — 72 p.
11. Sauvageot, F. Juelgues donnels experimental sur le comparte-mentan cours de la cryogessication des composes volatils de jue fruits-full [Text] / F. Sauvageot, P. Beley, A. Marchand, D. Simatas // Inst. int. froid. — 1969. — Vol. 9. — P. 133-149.
12. Peskin, R. Proc. Heat Transf. and Fluid [Text] / R. Peskin. — Stanford: Mech. Inst., 1960. — 114 p.
13. Zenz, F. Fluidization and Fluid — Particle Systems [Text] /
F. Zens, D. Othmer. — N. Y., 1960. — 278 p.
14. Sazhin, B. S. Apparaty so vstrechnymi zakruchennymi poto-kami [Text] / B. S. Sazhin // TOKhT. — 1977. — № 4. — P. 633-636.
15. Gebhart, B. Heat Transfer [Text] / B. Gebhart. — Mc. Graw, N. Y., 1970. — 327 p.
16. Sazhin, B. S. Sovremennye metody sushki [Text] / B. S. Sazhin. — M.: Znanie, 1973. — 64 p.
17. Gamayunov, N. I. Oscilliruyushhij rezhim sushki [Text] / N. I. Gamayunov, L. I. Ilchenko // Khim. prom. — 1979. — № 6. — P. 344-348.
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛОМАСООБМЕНА В ПРОЦЕССЕ СУШКИ И ОСОБЕННОСТИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ОРГАНИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье представлен анализ традиционных способов интенсификации процессов тепломасообмена при сушке материалов. Экспериментально доведена перспективность использования способа совмещенных процессов сушки и диспергирования с помощью механического ротора при интенсификации процесса сушки высоковлажных термолабильных материалов.
Ключевые слова: сушка, интенсификация, термолабильный материал, камера, совмещенный процесс, механический ротор.
Ляшенко Андрт Володимирович, кандидат техтчних наук, старший науковий ствробтник, 1нститут техтчно1 тепло-фiзики НАН Украти, Kuïe, Украта, e-mail: A.Lyashenko@ukr.net.
Ляшенко Андрей Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, Украина.
Lyashenko Andrew, Institute of Engineering Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine, e-mail: A.Lyashenko@ukr.net
УДК 666.948 : 666.972.112 DOI: 10.15587/2312-8372.2015.47676
Шсчанська В. В. Алскссснко I. А.
0ПТНМ13АЩЯ ГРАНУДОМЕТРНЧНОГО СКЛАДУ ПЕРНКЛА30В0Г0 БЕТОНУ
З використанням симлекс-гратчастого методу планування експерименту дослгджено вплив гранулометричного складу бетонних сумшей, як мктять в якостi заповнювача вторинну сиро-вину — подрiбнений брак периклазових виробiв i спечений периклаз, на показники властивостей периклазового бетону тсля термiчноí обробки. Оптимiзовано гранулометричний склад перикла-зового бетону на гiдравлiчному в'яжучому — сумiшi периклазового I кальцш-алюмтатного цементу, який забезпечуе досягнення комплексу заданих показнитв властивостей бетону.
Ключов1 слова: гранулометричний склад, периклазовий бетон, заповнювач, гiдравлiчне в'яжуче, показники властивостей.
1. Вступ
Сучасна концепщя розвитку вогнетривко! галу-зi спрямована на комплексне виршення задач щодо рацюнального використання сировинних матерiалiв, зниження паливно-енергетичних i трудових витрат за умов забезпечення тдвищеного експлуатацшного ресурсу вогнетривiв у футеровках агрегапв рiзного функцюнального призначення. Ефективним напрямком реалiзацii означених задач е впровадження технологш виготовлення неформованих матерiалiв, зокрема вогне-тривких бетошв, як застосовуються для виготовлення монолггних футеровок, блоюв, панелей i виробiв склад-но'i геометрично'i конфкурацп. Серед широкого спектру вогнетривких бетошв найбшьш високою вогнетривюстю та стшюстю до хiмiчноi взаемодп з агресивними компонентами середовища (розплавами металiв i шлаюв, газiв) характеризуются магнезiальнi бетони,до яких вщносяться периклазовi бетони, що мктять понад 85 % MgO i менше 6 % СаО [1-3]. Висока зносостшюсть
периклазових бетошв до комплексно'i ди руйнуючих факторiв обумовила 'iх використання у футеровках тепло-вих агрегапв чорно1 та кольорово! металургп, хiмiчноi та цементно! промисловосп, а саме, печей з високим вмктом арчаних газiв у тчному простора пристро1в призначених для транспортування розплавiв металу, форм для лиття титанвмщуючих металiв у вакууму високотемпературних фшк^в тощо [1, 2, 4, 5].
Для виготовлення периклазових бетошв використо-вують заповнювачi (спечений периклаз, брак виробiв i лом магнезiальних вогнетривiв) i в'яжуче, яке мштить периклазовий цемент i хiмiчнi зв'язки та за хiмiко-мшеральним складом подiляеться на гiдратацiйнi, суль-фатно-хлориднi, силiкатнi, фосфатнi та оргашчш [1-3]. Проблематика застосування бетонiв на гiдравлiчних в'я-жучих (дисперсiйна система «периклазових цемент — вода») пов'язана з утворенням пдроксиду магнiю (бру-ситу), що супроводжуеться розпушенням структури композицшного матерiалу та погiршенням мехашчно! мiцностi бетону в процесi твердшня i в умовах термiчного
нагрiвання [1, 6-9]. Для зниження гiдравлiчноi активностi периклазового цементу використовують рiзнi види актив-них до гiдратацii добавок або комбшоване в'яжуче, яке складаеться з декшькох видiв цементiв, що ^м ефекту пасивацii зерен цементу забезпечуе тдвищення меха-нiчноi мiцностi бетону при твердшш, а при термiчному нагрiваннi i температурах експлуатацii не призводить до зниження вогнетривкост бетону i погiршення його високотемпературних властивостей [10, 11].
Основним завданням щодо створення низькопо-ристих i мехашчно мiцних композицiйних матерiалiв е отримання щiльноi упаковки мiнеральних складових бетонних мас, що для конкретного способу формуван-ня бетону i призначення забезпечуеться вибором ра-цiонального гранулометричного та речовинного складу бетонних сумшей, який сприяе досягненню необхiдних властивостей бетону в умовах твердшня i при високих температурах на^вання. З точки зору подальшого роз-витку технологii виготовлення периклазових бетошв на гiдравлiчних в'яжучих та розширення галузей 'х засто-сування, оптимiзацiя гранулометричного складу бетону та стввщношення заповнювача i в'яжучого е важливою складовою проектування бетошв з комплексом заданих показниюв властивостей.
2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми
У фундаментальних роботах Л. Б. Хорошавша [1, 2], яю е основою технологи виготовлення магнезiальних бетошв, вщзначено, що зерновий склад бетонних су-мiшей практично не залежить ввд виду заповнювача i цементу i визначаеться максимальним розмiром зерен заповнювача. Так, для звичайних бетошв, що мштять 15-35 % цементу з розмiром часток менше 0,06 мм i заповнювач з максимальним розмiром зерен 10 мм або 5 мм, рацюнальний зерновий склад бетонних сумшей вщповвдае вмiсту заповнювача фракцii (фр.) 10-3 мм i 5-1 мм — 45 % i 55 %, фр. 3-0 мм i 1-0 мм — 25 % i 20 % при кiлькостi цементноi складовоi 30 % i 25 % вщповщно. При цьому автор не викладае рекомендацш щодо розподшу вузьких фракцiй заповнювача в межах широкого дiапазону граничних розмiрiв зерен заповню-вача та не конкретизуе метод формування бетону (пре-сування, трамбування, лиття, вiбрацiйне формування), який для рекомендованих складiв е найбiльш доцiльним. Слiд зазначити, що споаб формування бетонних мас обумовлюе введення у суху сумш певноi кiлькостi хь мiчних зв'язок у виглядi водних розчинiв рщкого скла, сiрчанокислого магнiю, металофосфатних зв'язок, лкно-сульфонатiв технiчних, з яких найбшьш оптимальною з точки зору досягнення зниження гiдравлiчноi актив-ност периклазового цементу, необхiдного ущiльнення та змщнення композиту пiсля сушки, збереження сталост об'ему, високо' термiчноi стшкосп та механiчноi мщ-ностi при на^ванш е полiфосфат натрiю [1, 2, 12]. Так, введення водного розчину полiфосфату натрт у склад бетонно' сумiшi, що мiстить 10 % гiдравлiч-ного в'яжучого — глиноземистого цементу, дозволило отримати за методом лиття периклазовi бетоннi блоки, яю характеризувалися високою хiмiчною стiйкiстю до дп розплавiв кольорових металiв, термiчною стшюс-тю (25-30 теплозмiн), значеннями границ мiцностi при стиску тсля термообробки при 120 °С i 1300 °С —
15,7 Н/мм2 i 20,3 Н/мм2 вiдповiдно [5]. Вщомосп щодо використання в якост гiдравлiчного в'яжучого магне-зiальних бетошв цеменпв рiзноi природи надто обмежеш, що вiрогiдно пов'язано з характером фiзико-хiмiчних процесiв взаемодп цементiв та утворенням при високих температурах (понад 1300 °С) легкоплавких сполук в системi MgO-СаO-Al2Oз. За результатами дослщжень авторiв [10] комбiнацiя гiдравлiчних в'яжучих (тонко-дисперсний спечений периклаз i кальцiй-алюмiнатний цемент) за рахунок вщмшносп кiнетики гiдратацii позитивно впливае на зниження реакцшно' здатност пе-риклазу до утворення бруситу та структурне змщнення бетону при твердшш. Але у разi надлишку кальцш-алюмiнатного цементу, в наслщок значного пiдвищення лужностi середовища, гiдравлiчна активнiсть периклазу зростае i зростае юльюсть новоутвореного бруситу, що супроводжуеться зниженням мехашчно' мщносп бетону [10]. Таким чином, введення у склад периклазового бетону обмежено' юлькосп кальцш-алюмшатного цементу за умов оптимального гранулометричного складу заповнювача та стввщношення заповнювача i в'яжучого може сприяти формуванню в об'емi конгломерату мщних прошаркiв в'яжучого ефективно' товщини, що забезпечить в умовах твердшня i сткання матерiалу формування мщного та щiльного композиту.
Для вибору рацюнального гранулометричного складу вогнетривких бетошв користуються аналиичними залеж-ностями Фуллера, Андреасена i Боломея, якi дозволяють визначити стввщношення заповнювача i тонкодисперсного компоненту, вмют вузьких фракцш заповнювача у складi бетонних сумшей та отримати гранично щiльну укладку мшеральних часток бетону [13]. Також вщомо аналiтичне рiвняння, використання якого запропоновано для вибору рацюнального складу вогнетривких мас для виготовлення безвипалювальних периклазових виробiв за методом натвсухого пресування [14]:
Xi =
а + (1 -а)'
di
100, %,
(1)
де Х{ — вмют фракцп з розмiром зерен менше <4 %; Бтах — максимальний розмiр зерна, мм; а — коефщент, що залежить вщ типу маси i кiлькостi тонко дисперсно' скла-дово'; п — показник ступеню, що характеризуе розподш вузьких фракцш у складi крупнозернисто' сумiшi i врахо-вуе стввщношення крупнозернисто' та тонкодисперсно'' складово'' у сумш1
Теоретичний i практичний досвщ отримання щiльних упаковок бетонних мас свщчить про ефективнiсть використання зерен заповнювача сферично' форми [13, 15], але для периклазових бетошв заповнювач у виглядi обструганих зерен сприяе тдвищенню термiчноi стш-косп, що е необхiдною вимогою до експлуатацшних властивостей бетонiв. До ефективних методiв оптимь зацп гранулометричного складу вогнетривких бетошв вщносяться методи математичного планування, зокрема симплекс-метод, який дозволяе отримати математичш моделi — рiвняння регресп рiзного ступеню, що описують складну багатофакторну залежшсть в системi «склад — властивють» та надають юльюсну оцiнку основних ефек-пв та ефектiв взаемодп факторiв [16, 17]. Для визначення рацiональних зернових складв композицiйних матерiалiв,
n
якi забезпечують максимально можливе ущшьнення по-рошкiв, визначають насипну щшьшсть сухих бетонних сумшей та ступiнь 'х ущiльнення при вiбрацii, що, для вiбрацiйного способу формування бетошв корелюеться з результатами визначення показниюв властивостей бетошв [18, 19].
Таким чином, визначення закономiрностей впливу гранулометричного складу сушшей периклазових бетонiв на гiдравлiчному в'яжучому на змшення властивостей композитiв та вибiр областi оптимальних зернових складiв бетонних сумiшей мае науковий i практичний iнтерес для проектування бетошв з ефективною структурою i комплексом заданих фiзико-технiчних показникiв властивостей.
3. 06'ект, щль та задач1 дослщження
Об'ект дослгдження — периклазовий бетон, що мктить в якосп заповнювача спечений периклаз i вторинну сиро-вину — подрiбнений брак периклазових виробiв та ком-позицшне гiдравлiчне в'яжуче у виглядi сумМ цементiв рiзноi природи.
Мета роботи — оптимiзувати гранулометричний склад бетонних сумшей, який забезпечуе отримання низькопористого мехашчно мiцного бетону пiсля сушки i високотемпературного випалу.
Для досягнення означено' мети вирiшувалися на-ступш задачi:
— обгрунтувати область варшвання факторного простору шляхом визначення насипно' щiльностi сухих бетонних сумшей з певним спiввiдношенням вузьких у складi зернистого заповнювача в умовах вiбрацi';
— з використанням симплекс-гратчастого методу пла-нування експерименту дослщити характер змiнення показникiв властивостей бетону та оптимiзувати гранулометричний склад композицшних сумiшей, що забезпечуе збалансоват характеристики механiчноi мiцностi i вiдкритоi пористостi бетону пiсля сушки i випалу.
4. Характеристика сировинних матер1ал1в
I методов визначення насипно! щмьносп та показниюв властивостей бетону
Для проведення дослiджень використовували спечений периклаз з вмктом MgO 96,7 % (виробництво КНР), подрiбнений брак периклазових виробiв марки П-96 (ПАТ «Запорiжвогнетрив»), кальцш-алюмшат-ний цемент <^огка1-70» з вмiстом СаО 28,7 % (Польща).
Дослiднi бетонш сумiшi складалися iз зернисто' скла-дово' (заповнювача) — подрiбненого браку периклазових виробiв фр. 6-2 мм i периклазу фр. 2-0,063 мм, тонко дисперсно' складово' (гiдравлiчного в'яжучого) — пери-клазового i кальцш-алюмшатного цементу. Периклазовий цемент (залишок на сип № 063 — 2,5 %) представляв собою продукт помелу периклазу фр. < 0,5 мм у трубному млиш ПАТ «Запорiжвогнетрив». Вмкт кальцш-алюмь натного цементу у складi дослщних сумiшей складав 6 %. Розрахунок гранулометричних складiв бетонних сумшей здiйснювали за рiвнянням (1).
Для визначення насипно' шдльносп композицiйних сумiшей застосовували воронку висотою 75 мм, верхшм i нижшм дiаметрами 100 мм i 25 мм, яку закршлюва-ли на висот 100 мм над поверхнею цилшдру об'емом 145 см3. У воронку засипали матерiал, вiдкривали отвiр i заповнювали цилiндр протягом 30 секунд при частой
вiбрацii 50 Гц [18, 19]. Насипну щдльшсть бетонно' сумiшi розраховували за формулою:
т1 - т-2 3
У нас =-7}-, г/см3, (2)
де т\ — маса цилшдра з матерiалом, г; т2 — маса цишндра, г; V — об'ем цилшдра, см3.
Для проведення дослщжень на симплекс в якостi факторiв обрано Х\ — вмiст браку виробiв фр. 6-2 мм, Х2 — вмкт периклазу фр. 2-0,063 мм, Х3 — вмiствяжу-чого; за параметри прийнято показники властивостей термооброблених експериментальних зразюв бетону: уявна щiльнiсть, вщкрита пористiсть i границя мiцностi при стиску.
1з дослiдних сумiшей, якi не вмщували хiмiчних добавок — регуляторiв реологiчних властивостей бетонних мас, у лабораторнш мiшалцi готували маси з волопстю 8 % за наступним режимом: сухе перемшування за-повнювачiв — 2 хв. i тсля додавання тонкодисперсно' складово' — 4 хв., зволоження дистильованою водою i перемiшування маси 4 хв. З отриманих мас форму-вали зразки-куби з розмiром ребра 40 мм за методом вiбрацiйного формування в розбiрних металевих формах при частой 50 Гц. Експериментальш зразки тсля твердшня на повiтрi протягом двох дiб, сушили при 110 °С протягом 24 год. та випалювали при 1600 °С з витримкою 5 год. вщповщно. Показники властивостей бетонних зразюв: вщкриту пориспсть (П) i уявну щiль-шсть (р), границю мiцностi при стиску (о) визначали зпдно вимог стандарпв Укра'ни.
5. Результати досл1джень впливу
гранулометричного складу бетонних сум1шей на показники властивостей периклазового бетону
5.1. Виб1р област1 вар1ювання гранулометричного складу бетонних сумшей. На пiдставi аналiзу рекомендацiй авторiв [1, 2] щодо вмшту тонкодисперсного компоненту у складi звичайних периклазових бетошв обрано значення показниюв ступеш рiвняння (1) а = 0,2 та п = 0,54-0,75 та розраховано гранулометричш складовi бетонних сумiшей, що мiстять заповнювач з макси-мальним розмiром зерна 6 мм, яю вiдповiдають вмкту зерен фр. 6-1 мм — 49,6-59,2 %, фр. 1-0,063 мм — 23,1-18,3 %, фр. < 0,063 мм — 26,8-24,0 % з певним розподшом вузьких фракцш: 6-5 мм, 5-4 мм, 4-3 мм, 3-2 мм, 2-1 мм, 1-0,5 мм i 0,5-0,063 мм (табл. 1).
Таблиця 1
Гранулометричний склад бетонних сумшей та 1х насипна щшьшсть
Найменування матерiалу Вмшт зерен фракцш, %, при n
0,54 0,66 0,75
Зерниста складова (заповнювач) 73,2 76,0 77,5
фр. 6-0,063 мм
Брак периклазових виробiв фр. 6-2 мм, 35,8 41,2 45,0
в тому числг
— фр. 6-5 мм 7,5 9,1 10,2
— фр. 5-4 мм 8,2 9,7 10,8
— фр. 4-3 мм 9,2 10,6 11,5
— фр. 3-2 мм 10,9 11,8 12,5
Закiнчення табл. 1
Найменування матерiалу BMicT зерен фракцш, %, при n
0,54 0,66 0,75
Периклаз спечений фракци 2-0,063 мм, 37,4 34,8 32,5
в тому числг
— фр. 2-1 мм 13,8 14,0 14,2
— фр. 1-0,5 мм 9,5 9,2 8,5
— фр. 0,5-0,063 мм 14,1 11,6 9,8
Танкадисперсна складава (в'яжуче) 26,8 24,0 22,5
в таму числi:
— периклаз фр. менше 0,063 мм 20,8 18 16,5
— цемент <^огка1-70» 6 6 6
Насипна щшьшсть сумМ, г/см3 2,41 2,51 2,53
Як видно з отриманих результапв зростання вмшту у сумiшi зернистого заповнювача фр. 6-2 мм з 35,8 % до 45 % при одночасному зменшент кшькосп периклазу фр. 2-0,063 мм i тонко дисперсно! складово! з 26,8 % до 22,5 % супроводжуеться тдвищенням насипно! щшьнос-тi бетонних сумшей на 0,12 г/см3. Насипна щшьшсть бетонних сумшей зернових складiв, що вщповщають п = 0,66 i п = 0,75 практично не вiдрiзняються.
5.2. Визначення впливу гранулометричного складу бетонних мас на показники властивостей термооброблених бетонних зразшв на сиплексi. Для проведення дос.и-джень з використанням симплекс-гратчастого методу i побудови матрицi планування експерименту (табл. 2) в якостi базових зернових та речовинних складов бетонних сумшей (склад № 1-№ 3) обрано склади, що вщповь дають розподiлу вузьких фракцiй, наведених в табл. 1.
Таблиця 2
Матриця планування експерименту
Номер складу Фактори
Кодоваш значення Натуральш значення, %
X, X3 X1 X3
1 1 0 0 35,8 37,4 26,8
2 0 1 0 41,2 34,8 24,0
3 0 0 1 45,0 32,5 22,5
4 1/2 1/2 0 38,5 36,1 25,4
5 1/2 0 1/2 40,4 34,9 24,7
6 0 1/2 1/2 43,1 33,7 23,3
7 1/3 1/3 1/3 40,7 34,9 24,4
За результатами проведеного активного експерименту та результапв математично! обробки даних отримано рiв-няння регресп в системi «склад — властивкть» (табл. 3) та побудовано !х графiчнi iнтерпретацii (рис. 1, 2).
Рис. 1. 1залши паказникв властивостей бетону пiсля сушки при 110 °С: а — уявна щшьшсть; б — вщкрита париспсть; в — границя мiцнастi при стиску; Х1 — брак вираб1в фр. 6-2 мм; Х2 — периклаз фр. 2-0,063 мм; Х3 — в'яжуче
Таблиця 3
Полшомiальш моделi в системi «склад — властившть»
в
Показники властивостей Рiвняння регреси
р, г/см3 р110 = 2,7X1 + 2,72X2 + 2,75X3 + 0,08X1X2 - 0,06X1X3 + 0,02X2X3 *
р1600 = 2,79X1 + 2,81X2 + 2,75X3 + 0,3X1X2 - 0,2X1X3 + 0,08X2X3
П, % П110 = 19,085X1 + 19,40X2 + 19,445X3 -2,05X1X2 -0,26X1X3 + 2,11X2X3
П1600 = 19,30X1 + 17,40X2 + 20,10X3 - 5,40X1X2 - 7,6X1X3 - 0,6X2X3
с, Н/мм2 с110 = 10,75X1 + 15,50X2 + 24,00X3 + 29,50X1X2 -3,50X1X3 + 9,20X2X3
с1600 = 36,50X1 + 41,75X2 + 30,60X3 + 36,30X1X2 + 35,40X1X3 - 8,70X2X3
Примггка: * чисельник — 110 °С; знаменник — 1600 °С.
Аналiз графiчних штерпретацш змiнення властивос-тей бетону тсля сушки при 110 °С (рис. 1) показав, що незалежно вщ зернового i речовинного складу бе-тонних сумiшей уявна щiльнiсть зразюв коливаеться у вузькому iнтервалi значень — 2,70-2,75 г/см3 (рис. 1, а). При цьому бшьш висою значення щшьносп (2,74 г/см3 i 2,75 г/см3) вiдповiдають областi складiв, що мiстять: брак виробiв фр. 6-2 мм — 43,2-44,6 % i фр. 2-0,063 мм — 33,1-32,7 % та 22,7-23,2 % в'яжучого. При цьому вщ-крита пористость бетону (рис. 1, б) i мехашчна мщ-нiсть (рис. 1, в) досягають максимальних значень в межах 19,84-19,35 % i 21,5-23,2 Н/мм2 вiдповiдно. Це пояс-нюеться суттевим впливом вмiсту заповнювача крупно! фракцп — браку виробiв, що забезпечуе зростання мехашчно! мiцностi бетону. Але недостатня юльюсть тонкодисперсно! складово! — в'яжучого обумовлюе пщви-щення вiдкрито'i пористостi бетону Мшмальт значення пористостi — 18,86-19,02 % (рис. 1, б) забезпечуються у разi гранулометричного складу вихщних сумiшей, що мiстять заповнювач фр. 6-2 мм — 36,6-40,2 % i фр. 2-0,063 мм — 37,3-35,3 % та 26,7-24,5 % в'яжучого.
Значно змшюються характер залежностей власти-востей бетонних зразюв тсля випалу при температурi 1600 °С, що обумовлено процесами сткання маси та !! усадки. Загальна тенденщя змшення властивостей бетону визначаеться впливом вмшту тонкодисперсного компоненту — цементу (Х3), який в результатi розподшу мiж крупними i середнiми зернами заповнювача тд
дiею високотемпературного сткання утворюе прошарки, мiцнiсть яких визначае структурну мщшсть i власти-вост конгломерату (рис. 2).
Аналiз взаемозв'язку показниюв властивостей бетону тсля випалу вщповщае основним закономiрностям спечених композипв: бiльш висока уявна шдльшсть i низька вiдкрита пористiсть композиту забезпечують досягнення максимально! механiчно'i мщност! Так, ва-рiювання складiв сумшей в межах вмiсту заповнювача фр. 6-2 мм — 41,3-36,7 % i фр. 2-0,063 мм — 34,738,8 % та в'яжучого — 24,0-26,3 % забезпечувало от-римання бетону зi щшьшстю 2,86-2,83 г/см3 (рис. 2, а) i вiдкритою пористiстю 17,13-17,46 % (рис. 2, б). При цьому максимальна мехашчна мщшсть бетону — 46,9-45,2 Н/мм2 (рис. 2, в) вщповщала наступному зерновому складу вихщних сумшей: брак виробiв фр. 6-2 мм — 40,4-37,3 %, периклаз фр. 2-0,063 мм — 35,4-36,7 %, в'яжуче — 24,3-26 %. Шдвищення вмк> ту заповнювача при одночасному зменшенш юлькосп в'яжучого до 22,7-23,2 % супроводжуеться зниженням уявно! щiльностi i механiчно'i мiцностi до 2,7-2,79 г/см3 i 36,8-31,6 Н/мм2 вiдповiдно, та бшьш високими зна-ченнями вщкрито! пористостi — 18,12-19,77 %, що свщчить про недостатню кiлькiсть тонкодисперсного компоненту для щшьно! укладки бетонно! маси при формуваннi бетону i створеннi щiльних та мiцних прошарюв у мiжзеренному просторi матерiалу тсля випалу.
Рис. 2. 1золти показнишв властивостей бетону пiсля випалу при 1600 °С: а — уявна щшьшсть; б — вiдкрита п□ристiсть; в — границя мiцн□стi при стиску; Xi — брак вир□бiв фр. 6-2 мм; — периклаз фр. 2-0,063 мм; Х3 — в'яжуче
6. Обговорення результат1в дослщжень впливу гранулометричного складу бетонних сумшей на змшення насипно'! щшьност та ф1зико-техн1чних властивостей периклазового бетону
Узагальненi данi щодо областей гранулометричних складiв сумiшей, яю забезпечують необхiдне поеднання властивостей бетошв пiсля термообробки (табл. 4) вка-зують на вiдмiнностi дiапазонiв значень факторiв для показникiв властивостей бетону тсля сушки i пiсля високотемпературного випалу.
Таблиця 4
Властивост бетонних зразтв тсля сушки i випалу
Дiапазон BMicTy складових бетонних сумшей, % Показники властивостей бетону
тсля сушки при 110 °С п п сля випалу ри 1600 °С
Х2 Х3 Р, г/см3 П, % о, Н/мм2 Р, г/см3 П, % о, Н/мм2
43,244,6 33,132,7 22,723,2 2,742,75 19,8419,35 21,523,2 — — —
38,742,6 36,033,5 25,323,4 2,722,73 18,86 20,420,7 — — —
41,336,7 34,738,8 24,026,3 — — — 2,862,83 17,1317,46 46,943,5
40,437,3 35,236,7 24,426,0 — — — 2,862,85 17,1317,46 46,945,2
З точки зору проектування оптимальних структур композиту, яким вщповщае комплекс найбшьш бажаних показниюв властивостей бетону, прiоритетнiсть вибору оптимального гранулометричного складу сумшей ви-значаеться функцiональним призначенням вогнетривких бетошв, тобто властивостями периклазового бетону тсля високотемпературного випалу.
Так, область зернових i речовинних складiв бетонних сумшей, що вiдповiдае вмiсту подрiбненого браку виробiв фр. 6-2 мм в межах 40,4-38,7 % i периклазу фр. 2-0,063 мм — 35,2-36,0 % при вмкт в'яжучого 25-26 % забезпечуе отримання периклазового бетону з задовшьними показниками властивостей бетону тсля сушки i комплексом бажаних властивостей композиту тсля випалу При цьому стввщношення вузьких фракцш заповнювача складало: для подрiбненого браку виробiв 6-5 мм : 5-4 мм : 4-3 мм : 3-2 мм = 1 : 0,92 : 1,10 : 1,15; для зернистого периклазу — 2-1 мм : 1-0,5 мм : 0,50,063 мм = 1 : 0,64 : 1,44, i забезпечувало отримання бетону тсля сушки i випалу наступними показниками властивостей: уявна шдльшсть — 2,72-2,73 г/см3 та 2,86-2,85 г/см3, вщкрита пориспсть — 18,86 % та 17,13-17,46 %, границя мщносп при стиску — 20,420,7 Н/мм2 та 46,9-45,2 Н/мм2 ввдповщно.
Слщ зазначити, що показник насипно' шдльносп бетонних сумшей (табл. 1), який використовувався при виборi дiапазону варшвання гранулометричного складу сумшей i прогнозування шiльностi упаковки бетонних мас при вiбращi корелюеться лише з властивостями бетону тсля сушки (табл. 2, склади № 1-№ 3). При випалi бетону, в наслщок складних процесiв сткан-ня i фазоутворення, усадки i формування структури композиту, тенденцiя змшення властивостей бетону в залежностi вщ гранулометричного складу вихiдних
сумiшей не ввдповщае в повнiй мiрi характеру змшення 'х насипно' шдльност! Але значний прирiст насипно' шдльносп бетонно' сумiшi, що вщповщае n = 0,66 у порiвняннi з композицiею для n = 0,54 (табл. 1) та результати дослщження властивостей бетошв на симплекс вказують на доцiльнiсть вибору обласп варiювання факторiв в межах вказаних складiв композицiй.
7. Висновки
На пiдставi проведених дослiджень встановлена певна обмежешсть щодо використання показника насипно' щшьносп бетонних сумiшей в якост критерiю оцш-ки ступеню ушiльнення периклазових бетонних мас вiбрацiйного формування, тенденцiя змiнення якого в залежност вiд гранулометричного складу дослщних сумiшей не вiдбивае в повиш мiрi характер змiнення властивостей термообробленого бетону. Бшьш доцiльно використовувати показник насипно' щшьносп бетонних сумiшей для попереднього вибору област варiювання факторного простору щодо реалiзацi' методiв матема-тичного планування експерименту.
З використанням симплекс-гратчастого методу от-римано рiвняння регресп в системi «склад-властивкть» та дослiджено вплив гранулометричного складу ком-позицiйних сумiшей периклазового бетону, що мштить заповнювач — подрiбнений брак периклазових виробiв i периклаз та в'яжуче у виглядi сумiшi цементiв рiзно' природи. Встановлено оптимальний гранулометричний склад композицшних сумшей, що вiдповiдае певному розподiлу вузьких фракцш заповнювача у крупнозер-нистш складовiй та забезпечуе досягнення достатньо високих показниюв мехашчно' мiцностi бетону тсля сушки i комплекс необхщних властивостей периклазового бетону тсля високотемпературного випалу. Отримаш результати свщчать про те, що для вiброформованих периклазових бетонiв на гiдравлiчному в'яжучому, варшвання ствввдношенням вузьких фракцш заповнювача та вмкту в'яжучого е фактором спрямованого регулювання процесами формування оптимально' структури бетону, яка характеризуеться рiвномiрним розподiлом часток заповнювача рiзного розмiру в об'емi конгломерату та рацюнальною товщиною прошаркiв мiжзеренного простору зцементованих пдратами мiнеральних скла-дових цеменпв та новоутвореннями фаз — продуктами високотемпературного синтезу.
Лгтература
1. Хорошавин, Л. Б. Магнезиальные бетоны [Текст] / Л. Б. Хо-рошавин. — М.: Металлургия, 1990. — 168 с.
2. Хорошавин, Л. Б. Магнезиальные огнеупоры [Текст]: справ. изд. / Л. Б. Хорошавин, В. А. Перепелицын, В. А. Кононов. — М.: Интермет Инжиниринг, 2001. — 576 с.
3. Сизиков, А. М. Пути повышения качества магнезиальных бетонов [Текст] / А. М. Сизиков, Е. В. Шаповалов. — Омск: СибАДИ, 2009. — 92 с.
4. Кащеев, И. Д. Огнеупоры для промышленных агрегатов и топок [Текст]. К. 2. Служба огнеупоров: справ. изд. в 2 к. / И. Д. Кащеев и др. — М.: Интермет Инжиниринг, 2002. — 656 с.
5. Спрыгин, А. И. Магнезиальные бетонные блоки для агрегатов цветной металлургии [Текст] / А. И. Спрыгин, Л. Б. Хорошавин // Огнеупоры. — 1985. — № 5. — С. 47-49.
6. Kim, H. Surface modification of MgO micro-crystals by cycles of hydration-dehydration [Text] / H. Kim, J. Kang, M. Y. Song, S. H. Park, D. G. Park, H. Kweon, S. S. Nam // Bull. Korean Chem. Soc. — 1999. — № 20(7). — Р. 786-790.
7. Birchal, V S. S. The effect of magnesite calcination conditions on magnesia hydration [Text] / V. S. S. Birchal, S. D. F. Rocha, V. S. T. Ciminelli // Minerals Engineering. — 2000. — Vol. 13, № 14-15. — Р. 1629-1633. doi:10.1016/s0892-6875(00)00146-1
8. Ahari, K. G. Hydration of refractory oxides in castable bond systems — I: alumina, magnesia and alumina-magnesia mixtures [Text] / K. G. Ahari, J. H. Sharp, W. E. Lee // Journal of the European Ceramic Society. — 2002. — Vol. 22, № 4. — Р. 495-503. doi:10.1016/s0955-2219(01)00299-0
9. Salomao, R. A novel approach for magnesia hydration asseement in refractori castable [Text] / R. Salomao, L. R. M. Bittencourt, V. C. Pandolfelli // Ceramics International. — 2007. — Vol. 33, № 5. — Р. 803-810. doi:10.1016/j.ceramint.2006.01.004
10. Саломао, Р. Влияние гидравлических вяжущих на гидратацию спеченного магнезита в огнеупорных бетонах [Текст] / Р. Саломао, В. К. Пандолфелли, Л. Р. Биттенкурт // Огнеупоры и техническая керамика. — 2011. — № 4-5. — С. 59-63.
11. Altun, A. Thermomechanical properties of the MgO based self-flowing castables [Text] / A. Altun // 48th International Colloquium of Refractories, Aachen, 28 and 29 September, 2005. — P. 49-52.
12. Будников, П. П. Огнеупорные бетоны на фосфатных связках [Текст] / П. П. Будников, Л. Б. Хорошавин. — М.: Металлургия, 1971. — 192 c.
13. Пивинский, Ю. Е. Неформованные огнеупоры [Текст]. Т. 1. Общие вопросы технологии: справоч. изд. в 2 т. / Ю. Е. Пи-винский. — М.: Теплоенергетик, 2005. — 448 с.
14. Пьяных, Е. Г. Влияние зернового состава масс и давления прессования на свойства магнезиальных образцов [Текст] / Е. Г. Пьяних, Г. И. Антонов, В. И. Гончаров, И. М. Квасман, Ю. Л. Каменецкий // Огнеупоры. — 1973. — № 10. — С. 46-53.
15. Ballani, F. Modelling the microstructure of concrete with spherical grains [Text] / F. Ballani, D. J. Daley, D. Stoyan // Computational Materials Science. — 2006. — Vol. 35, № 4. — Р. 399-407. doi: 10.1016/j.commatsci.2005.03.005
16. Гуренко, И. В. Оптимизация гранулометрического состава бетона специального назначения [Текст] / И. В. Гуренко, Г. Н. Шабанова, А. Н. Корогодская, В. В. Дейнека и др. // Вюник НТУ «ХП1». Хiмiя, хiмiчна технолопя та еколопя. — 2005. — № 51. — С. 183-189.
17. Бражник, Д. А. Оптимизация гранулометрического состава низкоцементных периклазосодержащих неформованных масс [Текст] / Д. А. Бражник, Г. Д. Семченко, А. А. Бонда-ренко, А. М. Самань // Сборник научных трудов ОАО «Укр-НИИО им. А. С. Бережного». — Харьков: Каравелла, 2005. — № 2. — С. 86-87.
18. Вернигора, Н. К. Анализ фракционного состава огнеупорных бетонов на шамотном заполнителе [Текст] / Н. К. Вернигора, С. М. Логвинков, Г. Н. Шабанова, А. Н. Корогодская // Сборник научных трудов ОАО «УкрНИИО им. А. С. Бережного». — Харьков: Каравелла, 2006. — № 106. — С. 71-77.
19. Онасенко, Ю. А. Вплив конф1гураци зерен I зернового складу заповнювача на властивост бетону [Текст] / Ю. А. Онасенко,
B. В. Шсчанська, Л. Д. Пилипчатш // Схщно-бвропейський журнал передових технологш. — 2012. — № 4/6(58). —
C. 18-23. doi:10.15587/1729-4061.2012.5587
ОПТИМИЗАЦИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПЕРИКЛАЗОВОГО БЕТОНА
С использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента исследовано влияние гранулометрического состава бетонных смесей, которые содержат в качестве заполнителя вторичное сырье — дробленный брак периклазовых изделий и спеченный периклаз, на показатели свойств периклазового бетона после термической обработки. Оптимизирован гранулометрический состав бетона на гидравлическом вяжущем — смеси периклазового и кальций-алюминатного цемента, обеспечивающий достижение комплекса заданных показателей свойств.
Ключевые слова: гранулометрический состав, периклазовый бетон, заполнитель, гидравлическое вяжущее, показатели свойств.
Шсчанська Вiкторiя BÎKmopiena, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра металургшного палива та eo^Memprnie, На-щональна металургшна академ1я Украти, Днтропетровськ, Украта, e-mail: v_peschanska@mail.ru.
Алексеенко 1нна Анатолпвна, асистент, кафедра металургшного палива та вoгнempивiв, Нацюнальна металургшна академЯ Укра1-ни, Днтропетровськ, Украта, e-mail: inna.harsika@yandex.ru.
Песчанская Виктория Викторовна, кандидат технических наук, доцент, кафедра металлургического топлива и огнеупоров, Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, Украина.
Алексеенко Инна Анатолиевна, ассистент, кафедра металлургического топлива и огнеупоров, Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, Украина.
Peschanskaya Victoria, National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, Ukraine, e-mail: v_peschanska@mail.ru. Alieksieienko Inna, National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, Ukraine, e-mail: inna.harsika@yandex.ru
УДК 666.293.522 БШ: 10.15587/2312-8372.2015.47704
РОЗРОБКА Б1ЛИХ ТИТАНОВИХ ЕМАЛЕВИХ ПОКРИТТ1В З1 ЗНИЖЕНОЮ ТЕМПЕРАТУРОЮ ВИПАЛУ
Дослгджено вплив модифгкуючих додаткгв Ы20 I ВаО на властивостг фрит та оптичнг характеристики бших малофтористих титанових емалевих покриттгв. Встановлено оптимальнг концентращ оксидгв лтт та барт у складг дослгдних емалей. Отримано гладкг, щгльнг, бл склопокриття з гарним блиском та необхгдними фгзико-хгмгчними властивостями, якг можуть бути рекомендованI для нанесення гх на сталевг вироби господарчо-побутового призначення.
Ключов1 слова: бше покриття, малофториста емаль, бшизна, ступть жовтизни, оксид барт, оксид лтт.
1. Вступ пературою випалу, але розробки в цьому напряму про-
довжуються [1]. Крiм того, вичизняними та зарубiжними
Бшьшшть тдприемств бвропейського союзу вже дослщниками [1-5] проводяться роботи з синтезу та тривалий час використовують фрити зi зниженою тем- впровадженню у виробництво безфтористих та малофто-
Рижова 0. П., Хохлов М. А., Кислична Р. I.
