CC BY
1
Ахметов Рустам Гумарович, директор литейно-механического завода, [email protected]. Казахстан, Житикара, АО «Костанайские Минералы».
Шакирзянова А. Ф., начальник производственной лаборатории технического контроля, Казахстан. Житикара. АО «Костанайские Минералы»
METHODOLOGY FOR DETERMINING THE ENVIRONMENTAL EFFICIENCY OF VERTICAL SHAFT DRYING
FURNACES AND WAYS TO IMPROVE IT
E.S. Nurkhozhaev, V.N. Makarov, R.G. Akhmetov, A.F. Shakirzyanova
The urgency of the task of increasing the efficiency of dust collection is due to the constant increase in costs for environmental protection measures. A significant reduction in emissions from stationary sources of dust formation, in particular, vertical shaft drying furnaces, can be achieved by replacing part of capital-intensive aspiration systems with energy-saving and environmentally efficient devices built directly into the furnace dryer. The creation of the above-mentioned devices, optimization of their parameters and operating modes are impossible without the development of criteria for evaluating the environmental efficiency of vertical shaft drying furnaces, methods for their determination based on comprehensive studies of the correlation of the main aerothermodynamic drying and firing processes with auxiliary aspiration and separation processes that determine dust emissions. The conducted research is based on a dynamic theory using Lagrange equations that determine the trajectories of dust particles depending on their fractional composition in gravitational and aerodynamic force fields, taking into account the viscosity and temperature of the coolant by reducing them to two parametric functions from the Stokes and Froude criteria, followed by conversion into similarity indicators. To solve the obtained mathematical models, the theory ofhypersingular equations is used using the theory of ordinary differential equations and partial differential equations. Verification of the obtained mathematical model for determining the criteria for the environmental efficiency of furnaces was carried out on the basis of experimental industrial studies conducted at Kostanay Minerals JSC. The proposed mathematical model based on the Stokes-Froude criterion equations can be used for engineering calculations of the total fractional efficiency of the furnace. The use of an inertial gravity separator integrated into the oven dryer makes it possible to bring its overall environmental efficiency to 0.62, and increase the coefficient of environmental efficiency by more than 4.7 times.
Key words: environmental efficiency, inertial gravity separation, hypersingular equations.
Nurkhozhaev Erbol Saparbaevich, chairman of the management board, [email protected], Kazakhstan, Zhitikara, JSC Kostanay Minerals,
Makarov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, ur. intelnedra@mail. com, Russia, Yekaterinburg, Ural State Mining University,
Akhmetov Rustam Gumarovich, director of the foundry and mechanical plant, [email protected], Kazakhstan, Zhitikara, JSC Kostanay Minerals,
Shakirzyanova A.F., head of the production laboratory of technical, Kazakhstan, Zhitikara, JSC Kostanay Minerals
УДК 678.8
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-532-533
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ ДЛЯ ПОДБОРА ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА СВЕТОПРОПУСКАЕМОГО
МАТЕРИАЛА
А.В. Голунов, Л.Г. Варепо, А.С. Голунова, И. В. Нагорнова
В статье рассмотрен процесс управления параметрами реактопластичного материала. В композитном материале в качестве матрицы используется двухкомпонентный реактопласт и наполнение частицами, определяющее прочностные и оптические характеристики конечного продукта. В работе предлагается использование методов статистической обработки экспериментальных данных для подбора оптимального состава композита. Материал, полученный в ходе эксперимента, технологичен и может быть формован с помощью литья в эластичные формы. Таким образом, представленные результаты позволили получить модель, которая позволяет управлять функциональными параметрами композитного материала с управляемыми физико-химическими свойствами, при этом конечная прикладная область применения материала может быть достаточно широка: от строительства и отделки, до формирования защитных покрытий.
Ключевые слова: композитный материал, светопропускаемая способность, анализ Парето.
Многокомпонентные полимеры представляют собой уникальные соединения, в которых совмещены свойства нескольких полимерных компонентов, образуя структуру с улучшенными механическими и химическими характеристиками. Этот подход к созданию материалов стал ключевым моментом в производстве композитных материалов, которые находят широкое применение в различных областях, от авиации и строительства до медицины и электроники. На сегодняшний день, промышленность, с целью обеспечения максимально эффективных материалов
и технологий их формовки, использует подход «материал по требованию», в рамках данного подхода каждый материал разрабатывается исключительно под готовый продукт. Этот подход может быть реализован за счет композитных материалов, которые представляют собой двух и более многокомпонентные системы, в которых функциональные добавки меняют свойства материала и технологию его обработки.
Известна работа, [1] в которых решалась задача модификации нанодисперсными, волокнистыми и кристаллическими наполнителями для улучшения свойств и снижения усадки материала в ходе формования, однако, технология аддитивного построения может быть оптимальной при подготовки опытного и мелкосерийного производства. В работах [2-4] решается задача подготовки состава строительных материалов, которые формуются способом литья, однако по своему составу строительные бетоны отличаются от полимерных материалов, применяемых в промышленных технологиях. В работе [5] представлен многокомпонентный коллоидный материал, модификация которого происходит мелкодисперсными порошками и задачами модификации является изменение химических свойств материала. Во всех вышеописанных случаях подбор оптимального соотношения компонентов осуществлялся методом статистического анализа и его частным случаем планированием эксперимента, и оценкой адекватности полученной модели. Таким образом, решение задачи подбора оптимального соотношения компонентов полимерного материала является задачей актуальной и использование для этого инструментария методов математической статистики, а в частности планирование эксперимента, не является противоречивым действием.
Современные требования к материалам предполагают не только высокую прочность и стойкость, но и легкость, устойчивость к агрессивным средам, и возможность создания сложных форм. Композитные материалы, основанные на многокомпонентных полимерах, отвечают этим требованиям, что делает их объектом повышенного внимания исследователей и промышленников. При этом актуальность использования композитов подтверждена тем, что подбор рецептуры состава композитного материала зависит напрямую от прикладной области использования материала и индивидуальных требований к нему. При решении задачи нахождения рецептуры реактопластичного полимерного материала с соотношением колориметрических (цветовых), прочностных и оптических свойств реакто-пластичного полимера с помощью теории планирования эксперимента в анализируемой литературе не встретилась и является задачей актуальной для проведения серии экспериментов и их дальнейшего анализа. При этом требуемые свойства материала необходимо сузить областью следующих свойств: нагрузка не ниже 350-400 кг на 4 см2 и оптической пропускной способностью не ниже 300 лм при источнике освещения: модуль светодиодный 2*2 LED 280 лм 6500 K 0.96 Вт.
Целью данной работы является подбор оптимального соотношения компонентов полимера, отвердителя, катализатора и армирующего вещества для получения оптимального соотношения с точки зрения прочностных и оптических свойств конечного полимера.
Краткая теория. Композиты - это неоднородные сплошные материалы, состоящие из нескольких компонентов с четкой границей раздела между ними. В качестве таких компонентов обычно выступают полимеры, керамика или металлы. Как правило, компоненты, составляющие композит, делят на матрицу (или связующее) и включенные в нее армирующие элементы (или наполнители). Особенности композитных материалов широко описаны в работах [6-8]. Функция армирующих элементов, как правило, состоит в обеспечении необходимых механических характеристик композита, таких как прочность, жесткость и т.д., а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и их защиту от агрессивных воздействий окружающей среды. Композиты можно условно разделить на несколько категорий:
волокнистые композиты, где армирующими элементами являются волокна; композиты, упрочненные частицами;
нанокомпозиты - представляющие материалы, наполненные наночастицами; слоистые композиты, структура которых напоминает слоеный пирог;
сэндвич-композиты, которые часто называют трехслойными конструкциями, где тонкие, но при этом жесткие панели соединены толстым слоем какого-то легкого заполнителя.
Композиты, упрочненные частицами, состоят из матрицы и равномерно распределенных в ней микрочастиц слюды, кварца, стекла, диоксида кремния, карбоната кальция и других материалов. В отличие от волокнистых композитов в этих материалах за несущую способность конструкции отвечает матрица, а не наполнитель. Средний размер частиц наполнителя обычно составляет порядка микрона, то есть 10-6 м. В нашем случае материал представляет из себя двухкомпонентный реактопласт (основа+ отвердитель), а также необходимый для повышения технологичности катализатор реакции полимеризации, за счет которого осуществляется управление временем полимеризации. Четвертым компонентом является армирующий мелкодисперсный порошок, за счет которого материал обретает прочность, а также необходимые оптические и колориметрические параметры.
В статье [9] описан процесс организации данных в процессе экспериментального анализа опытных образцов, таким образом, обработка экспериментальных данных проводилась с помощью функции моделирование экспериментов (DoE) программы Statistica.
Инструменты и методы. В данной работе для проектирования мастер-модели тестового образца используется САПР Компас 3D, для обеспечения подготовки производства свободно распространяемое ПО ChituBox x64. Испытание на сжатие проводились на установке Zwick/Roell Z010/ по ГОСТ 32656-2017 Композиты полимерные. Методы испытаний. Испытания на растяжение и сжатие. Построение мастер модели тестового образца проводилось на установке Phrozen Sonic Mega 8 K. Подготовка образцов материала на электронных аналитических весах AND DX-200. Смешивание и дегазация проводилась на установке MK mini. А нагрев, при необходимости ускорения полимеризации при температуре свыше 50о С в специализированном сушильном шкафу. Варьирование состава осуществлялось в пределах: концентрация катализатора: от 0,1% до 0,5%; концентрация наполнителя: от 50% до 100%; толщина материала 7 мм до 15 мм.
Целевыми функциями или параметрами оптимизации от вышеперечисленных факторов являлись: максимальная нагрузка до разрушения, 350-400 кг; светопропускаемая способность, 300 лм.
Форма и размер тестового образца представлены на рис.1. Тестовый объект представляет из себя пластину переменной толщины размером 200x100 и 100x100 мм (б).
а б
Рис. 1. Тестовый образец
Результаты и их обсуждение. Испытания на сжатие проводились с целью оценки максимально выдерживаемой образцом статической нагрузки. Так была проведена оценка прочности материала и его функциональная пригодность. На данный показатель оказывали влияние толщина образца и концентрация функциональной добавки. В ходе эксперимента были выявлена следующая закономерность толщина образца - ключевой показатель определяющий прочность (рис.2), изменения функциональной добавки не приводят к значимым изменениям прочности. Необходимые показатели по прочности были достигнуты при значении толщины образца материала в 11 мм.
График серии:
1000 800
В 600 ^
о
о
g 400 и
200 О
0 2 4 6 S 10
Деформация сжатия в %
Рис. 2. Графическая интерпретация процесса сжатия до разрушения образцов полимерных пластин
После проведения испытания на светопропускание были получены результаты, представленные в табл. 1.
Таблица 1
Таблица значений проводимого экспериментального анализа свет пропускной способности образцом _реактопластичного материала_
№ п/п Толщина пластины, мм Концентрация катализатора, % Концентрация функц. добавки, % Оптические свойства, Лк
1 7,00000 0,100000 75,0000 239
2 15,00000 0,100000 75,0000 266
3 7,00000 0,500000 75,0000 210
1 ПГ>
5 7,00000 0,300000 50,0000 275
6 15,00000 0,300000 50,0000 283
8 15,00000 0,300000 100,0000 285
9 11,00000 0,100000 50,0000 260
10 11,00000 0,500000 50,0000 150
11 11,00000 0,100000 100,0000 270
12 11,00000 0,500000 100,0000 160
14 11,00000 0,300000 75,0000 340
15 11,00000 0,300000 75,0000 340
Анализ Парето (рис. 3) показывает, какие из факторов оказывают наибольшее влияние на параметр оптимизации и каков характер этой зависимости (линейный или квадратичный).
: / м Т/
| / ////
т / / /Ж
'lrig4- —i— -1- -1-
pan cnart от standardized Effects; vartaole: opl.par. 3 '■-f >(' factors, 1 Stocks, 15 nuns: MS RC5ldual-2eo,5S£5 Dv: opt. pat.
oonc.caL%<a) iSJCoac.cat.^tL) сопс.а.а.ч.<й> H.mrm(O)
(aQConu.d.K<L)
. 1 jlIIVLi
Согласно анализу Парето, наибольшее влияние на параметр оптимизации оказывает концентрация катализатора (зависимость квадратичная) и вторичное влияние оказывает концентрация армирующей добавки (зависимость линейная). При этом толщина пластины также оказывает значимое воздействие на параметр оптимизации.
Desirability Surface/Contours; Method: Spline Fit
Н 10.711!
S ;; :vO'J
II 4,201572
,2321843 2.33ТДОЭ
,, O"
Stani&rdliid Effect Гм1:гпл1« (Absolut« V. I , * -
Рис. J. Анализ Парето
Н < -0.9 ■ <-0,6
Рис .4. Графическая интерпретация зависимости светопропускания от концентрации армирующей добавки, толщины пластины и концентрации катализатора реакции
Графическая интерпретация зависимости (рис.4) показывает область оптимума, которая описывает наилучший набор соотношений для количества компонентов материала.
Выводы и заключение. Таким образом, для обеспечения приемлемого светопропускания и прочности пластин из реактопластичного материала имеет смысл варьировать толщину материала от 9 до 13 мм, при значении концентрации катализатора не в диапазоне 0,2-0,3 % и концентрация армирующей добавки в диапазоне от 62,5 до 87,5, тогда оптические параметры светопропускания материала будет находится в пределах от 300 до 340 Лк. При этом в ходе анализа выявлена четкая область оптимума с параметрами 0,3% катализатора, 75 % армирующего вещества и 11 мм толщиной пластины.
В ходе работы представлено соотношение компонентов композитного материала для обеспечения оптимального состава для решения прикладной задачи обеспечения светопропускной способности в 300 лм, технологичности формовки посредством литья, устойчивости к нагрузке в 350-400 кг на 4 см2. При этом учтены экономические показатели всех компонентов, страна происхождения и энергоэффективность технологического процесса формовки. Подобный материал найдет себе применение при производстве мелкосерийных изделий. Полученные закономерности помогут осуществлять подготовку материала с заданными параметрами, при этом варьируя их в широком диапазоне свойств.
Список литературы
1. Ходер В.Б. Наполненные фотополимерные композиции для 3D-печати методом стереолитографии (обзор) / В.Б. Ходер, Е.И. Кордикова, Г.Н. Дьякова // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2022. № 1(253). С. 27-32. DOI: 10.52065/2520-2669-2022-253-1-27-32.
2. Немахов И.В. Особенности разработки методики подбора состава и оптимального соотношения компонентов декоративного бетона // Проблемы развития современного общества : сборник научных статей 5-й Всероссийской научно-практической конференции. Курск: Юго-Западный государственный университет, 2020. Том 2. С. 14-16.
3. Запруднов В.И. Подбор оптимальных соотношений компонентов древесно-цементного фибролита / В.И. Запруднов, А.А. Векшина // Лесной комплекс в цифровой экономике: Тезисы докладов международного симпозиума. Москва: Научные технологии, 2019. С. 78-79.
4. Еличев К.А. Разработка методики подбора состава и оптимального соотношения компонентов декоративного бетона / К. А. Еличев, Э. М. Пинт, А. А. Морозов // Дневник науки. 2019. № 4(28). С. 50.
5. Подбор оптимального соотношения компонентов в составах смесевых сиккативов / Н.А. Мельник, Б.М. Раевский, Н.И. Мазниченко, С.Н. Санчило // Лакокрасочные материалы и их применение. 2012. № 7. С. 26-27.
6. Эксплуатация оборудования и программного обеспечения при производстве полиграфической и упаковочной продукции: учебное пособие / А. В. Голунов, Ю. Д. Бусарова, А. С. Голунова [и др.]. Омск: Омский государственный технический университет, 2023. 108 с.
7. Структура, свойства и производство композитных материалов: монография / Бобрышев А. Н. и др. Москва: Academia, 2009. 266 с.
8. Митрофанов А.В., Митрофанов О.В. Прикладные методы проектирования несущих панелей из композитных материалов. Москва: Компания Спутник+, 2003. 239 с.
9. Влияние неоднородности структуры изображения на регистрируемые значения координат цвета / А. В. Голунов, А. С. Голунова, С. А. Щеглов [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 2. С. 426-431.
Голунов Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Варепо Лариса Григорьевна, д-р техн. наук, профессор, larisavarepo@yandex. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Голунова Алина Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, as. golunova@gmail. com, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Нагорнова Ирина Викторовна, канд. техн. наук, директор полиграфического института, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет
ANALYSIS OF FACTORS FOR SELECTING THE OPTIMUM COMPOSITION OF LIGHT TRANSMITTING MATERIAL
A.V. Golunov, L.G. Varepo, A.S. Golunova, I.V. Nagornova
The article discusses the process of controlling the parameters of thermoset plastic material. The composite material uses a two-component thermoset plastic as a matrix and is filled with particles, which determine the strength and optical characteristics of the final product. The work proposes the use of methods of statistical processing of experimental data to select the optimal composition of the composite. The material obtained during the experiment is technologically advanced and can be molded using casting into elastic forms. Thus, the presented results made it possible to obtain a model that allows one to control the functional parameters of a composite material with controlled physical and chemical properties, while the final application area of the material can be quite wide: from construction and finishing to the formation of protective coatings.
Key words: composite material, light transmittance, Pareto analysis.
Golunov Alexander Vladimirovich, candidate of technical science, docent, sasha_golunov@mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Varepo Larisa Grigorievna, doctor of technical sciences, professor, larisavarepo@yandex. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Golunova Alina Sergeevna, candidate of technical science, docent, as. golunova@gmail. com, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Nagornova Irina Viktorovna, candidate of technical science, the head of the Institute, i.v. nasornova@mospolytech. ru, Russia, Moscow, Printing art institute of the Moscow polytechnic university
