Исследование свойств стеклокристаллических материалов на основе шлаков ТЭС c использованием метода планирования эксперимента Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 502.174.1

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ШЛАКОВ ТЭС C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

© 2012 г. Е.А. Яценко, В.А. Смолий, А.С. Косарев, И.С. Грушко, Б.М. Гольцман

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Рассмотрены проблемы переработки золошлаковых отходов ТЭС и синтеза на их основе стекло-кристаллических материалов строительного назначения, а также возможность применения методов оптимального планирования эксперимента, позволяющих существенно сократить затраты времени и материальных средств на выполнение исследовательских работ.

Ключевые слова: зола и шлаковые отходы ТЭС; золоотвалы; ресурсосберегающая технология; строительные материалы; шлакоситаллы; стеклокристаллические материалы.

Problems ofprocessing of ashes and slag waste of thermal power plants and synthesis on their basis of crystal glass materials of building appointment are considered; of application of methods of optimum planning of the experiment is considered, allowing essentially to reduce expenses of time and material means for performance of research works.

Keywords: ashes and a slag waste of thermal power plants, resource-saving technology, building materials, crystal glass materials.

Среди перспективных строительных материалов особое место занимают искусственные стеклокристаллические материалы, получаемые на основе стекол - ситаллы. Благодаря тому, что ситаллы характеризуются комплексом весьма ценных эксплуатационных свойств: повышенной прочностью и долговечностью, морозоустойчивостью, нулевым водопоглоще-нием, высокой абразивоустойчивостью, способностью длительное время работать в неблагоприятных условиях и агрессивных средах, биостойкостью, гигиеничностью, устойчивостью к выцветанию под воздействием солнечного излучения и моющих средств, негорючестью, - они находят широкое применение в электронике и приборостроении, в химической и текстильной промышленности, в машиностроении и строительстве. Кроме того, синтез стеклокристалли-ческих материалов типа шлакоситаллов возможен также на основе зол и шлаков ТЭС, являющихся серьезным источником загрязнения окружающей среды регионов. На территории Российской Федерации ежегодно образуется более двадцати миллионов тонн золошлаковых отходов, увеличение накопления зо-лошлаковых отходов на полигонах приводит к росту проблемы оплаты производителем ущерба, нанесенного им окружающей среде, что диктует необходимость использования новых территорий под их скла-

дирование. Таким образом, использование золошла-ковых отходов в производстве шлакоситаллов позволяет решать не только проблему экономии материальных ресурсов, но и проблемы безопасности населения страны [1 - 10].

Нами ведутся исследования по разработке состава и технологии стеклокристаллических материалов на основе шлаков ТЭС [11 - 13]. Синтезированы стекла серий A, B, C и D. Как основной компонент в составах всех серий использовался шлак Несветайской ТЭС (табл. 1, где ппп - потери при прокаливании), а также СаС03 и стеклобой. СаСО3 является легкоплавким соединением, при его введении в состав шихты температура плавления снижается, что положительным образом сказывается на качестве провара, стеклобой также способствует снижению температуры варки и гомогенизации расплава. Бура (кристаллическая) способствует плавлению шихты, уменьшает вязкость расплава, препятствует расстеклованию, что приводит к увеличению прочности, стойкости к механическому воздействию. Фториды часто вводят в состав стекол для интенсификации варки, происходящей вследствие снижения вязкости расплава. При введении фтора в качестве стимулятора кристаллизации удается получать очень прочные материалы. Ионы фтора вводим, используя фтористый натрий.

Таблица 1

Усредненный химический состав шлака Несветайской ТЭС [14]

Компоненты SiO2 Л12Оз Fe2O3 CaO MgO TiO2 Na2O K2O MnO SO3 P2O5 ппп

Содержание, % (по массе) 57,2 16,9 10,5 3,6 1,9 1,0 2,7 4,5 0,2 0,1 0,2 1,2

На основании проведенных теоретических исследований разработаны составы стекол для кристаллических стеклокомпозиционных материалов. В серии стекол А содержание шлака максимальное - 80 %, СаС03 - от 10 до 20 %. В серии В содержание шлака -75 %, количество стеклобоя от 5 до 20 %. В состав стекол серии С введен NaF в количестве 5 %, количество основного компонента уменьшено до 70 %. В стеклах серии D количество шлака минимально - 65 %, так же отсутствует СаС03, NaF присутствует в количестве 5 - 10 %, остальное - стеклобой. В результате исследования данных составов:

- установлен оптимальный режим кристаллизации данных стекол, исследована их кристаллизационная способность;

- исследована химическая стойкость шлаковых стекол и кристаллических стеклокомпозиционных материалов на их основе, установлено, что стекло-композиционные материалы относятся к первому, второму и третьему гидролитическому классу и их можно классифицировать как устойчивые стекла, не изменяемые водой стекла и твердые аппаратные стекла соответственно;

- установлено, что для всех составов стекол независимо от содержания составляющих прочностные свойства при ситаллизации повышаются (табл. 2).

Таблица 2

Свойства шлакоситаллов

Серия Прочностные свойства

Твердость, отн. ед. (по шкале Мооса) Микротвердость, МПа Прочность на сжатие, МПа

А 6 13800 442

В 7 14500 455

С 6,5 14300 449

D 7 14100 451

В ходе проведения дальнейших исследований среди предложенных составов будут выбраны наиболее оптимальные, соответствующие требованиям, предъявляемым данному виду продукции.

В последние годы бурное развитие вычислительной техники и появление ряда пакетов прикладных программ в значительной степени упростили расчеты, связанные с оптимальным планированием эксперимента. Так, решение большинства задач в области разработки новых качественных материалов с заданными свойствами связано с проведением сложных и дорогостоящих экспериментов. Это справедливо и для разрабатываемой технологии производства кристаллических стеклокомпозиционных материалов на основе шлака ТЭС, учитывая большие трудо- и энергозатраты, а также сложность разрабатываемых составов. Отсюда понятно значение методов оптимального планирования эксперимента, позволяющих существенно сократить затраты времени и материальных средств на выполнение исследовательских работ [15, 16].

В соответствии с поставленной задачей и исходя из априорных данных были выбраны факторы варьирования (независимые переменные), их значения приведены в табл. 3: Х1 - содержание шлака; Х2 - содержание стеклобоя, Х3 - температура ситаллизации при выдержке в течение 40 мин.

Математическое планирование применяем для составов серий В, С, D, исключая составы серии А, так как они имеют самые низкие прочностные показатели: прочность на сжатие, твердость, микротвердость.

Интервалы и шаг варьирования для каждой из независимых переменных был выбран достаточно широким, с тем, чтобы максимально учесть все возможные варианты. В качестве зависимой переменной (функции отклика) было выбрано значение микротвердости полученного материала (МПа).

Матрица планирования, совмещенная с результатами эксперимента, представлена в табл. 4.

После обработки результатов эксперимента получена линейная математическая модель следующего вида: Y = 9,9219X1+19739,5353X2-58826,396X3

Остаточная дисперсия составляет 0,19 и коэффициент детерминации ^-квадрат 0,718. Чем меньше разброс значений остатков около линии регрессии по отношению к общему разбросу значений, тем, очевидно, лучше полученная модель. Значение R-квадрата является индикатором степени подгонки модели к данным (значение R-квадрата, близкое к 1,0, показывает, что модель объясняет почти всю изменчивость соответствующих переменных).

Таблица 3

Факторы варьирования

Условные обозначения независимой переменной Наименование переменной Размерность переменной Пределы варьирования Интервал варьирования

X1 Содержание шлака % по массе 65 - 75 5

X2 Содержание мела % по массе 5 - 25 10

X? Температура 2-й ступени ситаллизации при выдержке в течение 40 мин °С 900 - 1000 50

С целью количественного описания различий между группами наблюдений было выполнено моделирование поверхностей (графики последних получены квадратичным сглаживанием) по различным группирую-

щим переменным, а также построены карты линий уровня, которые представляют собой проекции 3-мерных поверхностей на 2-мерную плоскость (графики поверхностей и их проекций представлены на рис. 1 - 3).

Таблица 4

Матрица планирования и функция отклика физических переменных

Факторы Функция отклика Г-микротвердость, МПа,

варьирования при Х3 - температуре ситаллизации (выдержка в течение 40 мин)

X1 X2 900 950 1000

5 11820 11880 11940

65 15 12160 12270 12340

25 11930 12010 12150

5 13380 13420 13530

70 15 13850 13890 13940

25 13540 13610 13760

5 14290 14350 14380

75 15 14410 14430 14500

25 14350 14400 14450

й С

о «

а

о а и я

й с

о «

а

о а и я

14400

^Я 140ÜÖ

I i13000

I I 1Э200 I I 12ЭОО I 3 12<ЮО

Н 12000

Н 14900 Н 14000 [ I 13500 I I 13000 □ 12500 ■ 12000 ■ 11500

Зависимость изменения микротвердости от содержания шлака, мела при температуре ситаллизации:

а - 900 °С; б - 950 °С; в - 1000 °С

а

б

в

Широкий выбор 3-мерном графиков, включая различные XYZ диаграммы и пространственные графики, позволил выбрать оптимальные для отображения результатов тернарные графики поверхностей и контуров поверхности с описанием квадратичной функциональной зависимости изменения свойств готового материала. В 3-мерном отображении поддерживается интерактивное вращение, изменение пропорций, перспективы.

Полученные уравнения, описывающие эти поверхности, имеют вид:

при 900 °С Y = 2649,75X1 + 99,5X2 - 17,2Х12 -

- 0,25Х1Х2 - 2,55Х22- 88098,75;

при 950 °С Y = 2573,3333Х1 + 109,6667Х2 -

- 16,6667Х12 - 0,4Х1Х2 - 2,5167Х22- 85317,6389;

при 1000 °С Y = 2760,5Х1+125Х2-18Х12-0,7Х1Х2--2,25Х22-91775,4167.

Анализируя полученные зависимости и графики, можно сделать вывод, что ввод в состав ситаллов 75 % шлака и 15% мела приводит к значению микротвердости 14500 МПа, при оптимальном температуре около 1000 °С. Таким образом, применение, наряду с полным факторным планированием и математической обработкой результатов эксперимента, методов математического моделирования позволяют максимально наглядно представить результаты и определить дальнейшие задачи исследований в области создания ресурсосберегающих технологий стеклокомпозицион-ных кристаллических материалов на основе шлака ТЭС.

Данная научно-исследовательская работа проводится в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.

Поступила в редакцию

Литература

1. Пантелеев В.Г., Мелентьев В.А. Золошлаковые материалы и золоотвалы. М.,1978. 296 с.

2. Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы. М., 1966. 346 с.

3. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Применение зол и шлаков в производстве строительных материалов. М., 1979. 475 с.

4. Данилович И.Ю., Сканави Н.А. Использование топливных

шлаков и зол для производства строительных материалов : учеб. пособие для СПТУ. М., 1988. 72 с.

5. Саркисов П.Д. Отходы различных производств - сырье для получения строительных материалов. Экология и промышленность России. 2001. № 3. С. 4 - 7.

6. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д., 2007. 368 с.

7. http://skatr.ru/ispolzovanie-zoloshlakovykh-otkhodov-tets-v-stroitelstve

8. Бондарев К.Т., Козловский В.С. Шлакоситаллы. М., 1970. 274 с.

9. Павлушкин Н.М. Основы технологии ситаллов. М., 1979. 356 с.

10. Шпирт М.Я. Безотходная технология. Утилизация отходов добычи и переработки твёрдых горючих ископаемых. М., 1986.

11. Проблемы комплексной переработки золошлаковых отходов и синтеза на их основе силикатных материалов строительного назначения / Н.Н. Ефимов [и др.] // Техника и технология силикатов. 2010. № 2(17). С. 17 - 21.

12. Разработка ресурсосберегающей технологии шлакоси-таллов путем переработки золошлаковых отходов ТЭС / Е.А. Яценко [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. Спецвыпуск. С. 123 - 127

13. Экологические аспекты и проблемы утилизации и ре-циклинга золошлаковых отходов тепловых электростанций / Н.Н. Ефимов Е.А. [и др.] // Экология промышленного производства. 2011. № 2. С. 40 - 44.

14. Состав и свойства золы и шлака ТЭС: справ. пособие / под ред. В.А. Мелентьева. Л., 1985. 292 с.

15. Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. М., 1980. 280 с.

16. Боровиков В.В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере : для профессионалов; 2-е изд. СПб., 2003. 688 с.

19 декабря 2011 г.

Яценко Елена Альфредовна - канд. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (НПИ). Тел. (8635) 25-56-24. E-mail: e_yatsenko@mail.ru

Смолий Виктория Александровна - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», ЮжноРоссийский государственный технический университет (НПИ). Тел. (8635) 25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru Косарев Андрей Сергеевич - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», ЮжноРоссийский государственный технический университет (НПИ). Тел. (8635)25-56-71. E-mail: smeelov@mail.ru Грушко Ирина Сергеевна - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (НПИ). Тел. (8635) 25-51-35. Гольцман Борис Михайлович - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (НПИ). Тел. (8635) 25-51-35. Jatsenko Elena Alfredovna - Candidate of Technical Sciences, professor, head of department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-56-24. E-mail: e_yatsenko@mail.ru

Smoliy Victoria Aleksandrovna - post-graduate student, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (NPI). Ph. (8635) 25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru Kosarev Andrey Sergeevich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-56-71. E-mail: smeelov@mail.ru Grushko Irina Sergeevna - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-35.

Golcman Boris Michailovich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-35._