CC BY
0М.Е. Заяханов, д-р техн. наук, проф., e-mail: zayakhanov@mail.ru
И.Ю. Соктоева, аспирант, e-mail: BairaU@yandex.ru Н.Н. Анчилоев, ст. преподаватель, e-mail: anchiloev@yandex.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 691.618.93
КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА
В статье обсуждаются технологии получения теплоизоляционного материала - пеностекла, получаемого путем вспенивания при обжиге смесей из измельченных в порошок различных природных матералов и стеклобоя, с добавлением щелочного компонента. Затрагивается вопрос оптимизации производства пеностекла путем экономии материалов и ресурсов. Приводятся результаты полученных экспериментальных данных. Подтверждена возможность использования глинистых материалов для получения эффективных теплоизоляционных пеностеклокерамических материалов. Также излагается опыт использования прикладного математического пакета Maple при компьютерном моделировании процесса проектирования и исследования эффективных теплоизоляционных материалов, в частности пеностекла, путем создания математической модели процессов получения пеностекла, позволяющей регулировать входные факторы с выходными параметрами (целевой функцией). Обработка полученных экспериментальных данных проводилась методами математической статистики и регрессионного анализа.
Ключевые слова: пеностекло, стеклобой, компьютерное моделирование, оптимизация, теплоизоляционные материалы, энергоэффективность.
M.E. Zayakhanov, Dr.Sc.Engineering, Prof.
I.Yu.Soktoeva, P.G.
N.N.Anchiloev, Senior teacher
COMPUTER AIDED DESIGN AND TECHNOLOGY MANAGEMENT OF PRODUCING FOAMED GLASS
The article discusses the technology of obtaining a thermal insulation material - foam glass obtained by foaming during firing mixtures of various natural materials crushed into powder and cullet, with the addition of an alkaline component. The question of optimizing the foam glass production, by saving materials and resources is raised. The results of the obtained experimental data are presented. The possibility of using clay materials to obtain effective heat-insulating foam glass-ceramic materials has been confirmed. It also describes the experience of using the Maple applied mathematical package for computer modeling of the design process and the study of effective thermal insulation materials, in particular, foam glass, by creating a mathematical model offoam glass production processes that allows adjusting the input factors with output parameters - the objective function. The processing of the obtained experimental data was carried out by the methods of mathematical statistics and regression analysis.
Key words: foam glass, cullet, computer modeling, optimization, thermal insulation materials, energy efficiency.
Введение
В современном строительстве энергоэффективных зданий и сооружений наблюдается повышенный спрос на ограждающие конструкции с использованием материалов, имеющих низкие показатели теплопроводности и высокие показатели по прочности. К таким материалам относятся и различные виды пеностекол. Известно, что пеностекло - высокопористый ячеистый неорганический теплоизоляционный материал, получаемый спеканием тонкоиз-мельченного стекла и газообразователя. Мелкопористая структура пеностекла с замкнутыми порами обеспечивает низкие значения коэффициента теплопроводности (0,060-0,070 Вт/(м-К))
и показателя водопоглощения (2-4% по объему), что способствует повышению надежности и увеличению срока эксплуатации изделий и конструкций из пеностекла [1].
Одним из направлений оптимизации технологии производства пеностекла является переход на многокомпонентные шихты, включающие природные и техногенные виды сырья. Для реализации данного подхода требуется проектировать составы шихт, как правило, состоящих из 2-10 компонентов, которые обеспечили бы получение эффективных материалов с заданными свойствами. Подобную задачу приходится решать неоднократно при переходе на новые источники сырья и использовании новых подходов к реализации технологий пеностекла.
При увеличении количества компонентов, разнообразии способов подготовки шихты и режимов получения пеностекла традиционные методы оценки пригодности сырья и разработки рецептурно-технологических параметров становятся недостаточно эффективными ввиду увеличения количества экспериментов, расхода сырьевых компонентов, затрат электроэнергии и т.д. Поэтому в настоящей работе при проектировании составов из многокомпонентных сырьевых шихт для пеностекла предлагается усовершенствование методики подбора составов и режимов получения пеностекла с применением методов математического моделирования и программного обеспечения. Применение электронно-вычислительных систем позволяет экономить время и средства на проведение расчетов регрессионного анализа. Использованный в эксперименте пакет Maple является одним из лидеров среди универсальных систем и обеспечивает пользователю удобную интеллектуальную среду для проведения математических вычислений в аналитическом виде. В случае, если найти решение в аналитическом виде не удается, пользователь может воспользоваться численными или приближенными методами поиска решения с любой степенью точности.
Целью исследований являлось создание математической модели процессов получения пеностекла, позволяющей регулировать входные факторы с выходными параметрами (целевой функцией).
Ранее в качестве сырьевых компонентов в исследованиях для производства пеностекла были использованы стеклобой, алюмосиликатные породы, перлит, цеолит, золошлаковые отходы ТЭЦ, щелочные компоненты [1-3]. В проводимой работе были проведены исследования по использованию в качестве компонента шихты для производства пеностекла глинистых материалов. Основанием рассмотрения глинистой породы в качестве компонента шихты для пеностекла послужил ее фазовый и химический состав. При выборе сырья большое значение имеет распространенность и доступность материалов. Как известно, глинистые породы содержат наночастицы глинистых и неглинистых минералов, оксидов железа, органического вещества с размерами меньше 100 нм и являются типичными представителями природных нанома-териалов со своими наноструктурами. При оптимизации состава шихты использовались методы компьютерного моделирования, поскольку есть необходимость решать промежуточную задачу - нахождение аналитической зависимости оптимизируемого параметра от исследуемых факторов, т.е. получение математической модели процесса. Эта задача обычно решается экспериментально при неполном знании механизма явлений. Для обработки полученных экспериментальных данных использовался регрессионный анализ, позволяющий проводить активный эксперимент [4].
Методика эксперимента
Исходная глина подвергалась сушке в термошкафу и затворялась водным раствором щелочи (NaOH) для активации процесса поризации. После затворения глина была подвергнута повторной сушке. Полученный таким образом глинистый камень измельчали в виброистира-теле до удельной поверхности, сравнимой с удельной поверхностью стеклопорошка, до полного прохождения через сито № 008. После смешивания порошков, затворенных водой путем прессования формовали образцы в виде кубиков размером 3 х 3 х 3 см. Обжиг производили в электрокамерной печи ЭКПС-10 при различных температурах. Таким образом были получены образцы с различным содержанием стеклобоя, щелочи и глинистого сырья.
При проведении математического планирования первого эксперимента входными факторами приняты количество стеклобоя (х1, %), количество гидроксида натрия (х2, %) и продолжительность обжига (хз, мин). Количество глины в опытах составляло (100 - х1, %). За исследуемую величину целевой функции У принята средняя плотность (далее - плотность) образцов пеностекол. Матрица планирования эксперимента приведена в таблице.
Таблица
Условия планирования
Факторы Нижний уровень Средний уровень Верхний уровень
Стеклобой (х1 ) ,% по массе 30 50 70
Гидроксид натрия (х2 ), % по массе 6 8 10
Продолжительность обжига, мин (х3) 30 45 60
С учетом ранее проведенных экспериментов [5-7] на постоянном уровне приняты содержание воды затворения (25%) и температура обжига (950 °С). Полученные образцы имели плотность, лежащую в пределах 500-1420 кг/м3 .
Проведенные экспериментальные исследования и расчеты позволили получить уравнения регрессии:
У = 974 .25 - 180 .25 х1 + 38 х2 + 14 .5 х3 + 235 х4 + 62 .5 х5 + 53 .25 х6 + 32 .75 х7 ; (1) У = 974 .25 - 180 .25 х 1 + 38 х2 + 14 .5 х3 . (2)
В принятом диапазоне факторного пространства снижению плотности пеностекла способствует, согласно уравнению регрессии (2), содержание в шихте стеклобоя, что подтверждает роль стеклобоя как плавня.
Функции отклика зависимости плотности пеностекла от входных параметров построены с помощью пакета прикладных программ Мар1е17 (рис. 1-3).
Рисунок 1 - Графики зависимости плотности от количества стеклобоя и щелочи: а - стандартное отображение; б - отображение с контурными линиями; в - отображение на поверхности оси Ъ
Рисунок 2 - Графики зависимости плотности от количества щелочи и времени обжига: а - стандартное отображение; б - отображение с контурными линиями;
в - отображение на поверхности оси Ъ
2401ХК 2200М 2000М ]§000{ !(МК |4000{ ]2000{ ]0000( 8000С МООС
Рисунок 3 - Графики зависимости плотности от количества стеклобоя и времени обжига: а - стандартное отображение; б - отображение с контурными линиями; в - отображение на поверхности оси Ъ
Как показал анализ полученных результатов, количество стеклобоя - показатель фактора Х1, в наибольшей степени влияет на плотность полученного материала, его повышение ведет к уменьшению плотности. Увеличив количество щелочи - показатель Х2, получили более легкий и пористый материал, обладающий хорошими теплоизоляционными качествами. Использование различных программных комплексов в процессе планирования и оптимизации экспериментов значительно ускоряет процесс расчета и помогает в создании высококачественных наглядных графиков, столь необходимых для аналитического анализа.
По классической технологии, автором которой является И. Китайгородский [8], используется специально сваренное стекло (эрклез) с использованием кварцевого песка, известняка, соды и сульфата натрия, что требует возведения стекловаренной печи и больших затрат ресурсов и капиталовложений. Использование в настоящей работе комплексной шихты, состоящей из стеклобоя и горных пород, а также технологических добавок - интенсификаторов плавления, позволило получать пеностекло без использования высокотемпературной варки.
Вывод
Анализ полученных результатов по отимизации состава технологических параметров получения пеностекла позволяет сделать вывод, что при механощелочной активации сырья вполне возможно получить весьма прочные пеноматериалы со средней плотностью 12001300 кг/м3. При увеличении содержания стеклобоя до 33 мас.% плотность полученного пеностекла снижается на 50% (600-800 кг/м3 ), теплоэффективность же, наоборот, возрастает, и мы имеем достаточно прочный и эффективный теплоизоляционный материал. Методы компьютерного моделирования позволяют успешно проводить активный эксперимент с наименьшими затратами сырья и ресурсов. При всем современном разнообразии различных пеностекольных изделий и материалов необходима разработка надежного метода прогнозирования его основных показателей.
Библиография
1. Дамдинова Д.Р., Хардаев П.К., Константинова К.К. Эффективные пеностекла на основе эффузивных пород и стеклобоя. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. - 166 с.
2. Дамдинова Д.Р., Павлов В.Е., Хардаев П.К. и др. Влияние состава на структуру и свойства пеностекол с использованием золошлаковых отходов ТЭЦ // Научное обозрение. - 2016. - № 10. -С. 47-55.
3. Дружинин Д.К., Дамдинова Д.Р., Хардаев П.К. и др. Использование золошлаковых отходов предприятий теплоэнергетики и стеклобоя при получении пеностекол различного функционального
назначения. Инновационные технологии в науке и образовании // Материалы V Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Улан-Удэ, 3-5 июля 2017 г. - Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2017. - С. 39-46.
4. Пижурин А.А., Пижурин А.А. Основы научных исследований в деревообработке: учебник для вузов. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - 305 с.
5. Дамдинова Д.Р., Анчилоев Н.Н., Хардаев П.К. и др. Исследование возможности получения пе-нокерамики с использованием местных глин и стеклобоя // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 50-летию Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления и строительного факультета. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012.
6. Дамдинова Д.Р., Анчилоев Н.Н., Павлов В.Е. Пеностекла системы стеклобой - глина - гидрок-сид натрия: составы, структура и свойства // Строительные материалы. - 2014. - № 8. - С. 38-41.
7. Дамдинова Д.Р., Анчилоев Н.Н., Павлов В.Е. Оптимизация состава пеностеклокерамического материала с использованием стеклобоя и местных глинистых пород // Сб. науч. тр. Серия: Технические науки. - Вып. 18. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2014. - С. 109-114.
8. Китайгородский И.И., Кешишян Т.Н. Пеностекло. - М.: Промстройиздат, 1953. - 132 с.
Bibliography
1. Damdinova D.R., Khardaev P.K., Konstantinova K.K. Effective foam glass based on effusive rocks and cullet. - Ulan-Ude: ESSTU Publishing House, 2006. - 166 p.
2. Damdinova D.R., Pavlov V.E., Khardaev P.K. et al. Influence of the composition on the structure and properties of foam glass with the use of ash and slag waste from CHP // Scientific review. - 2016. - N 10. -P. 47-55.
3. Druzhinin D.K., Damdinova D.R., Khardaev P.K. et al. The use of ash and slag waste of thermal power plants and cullet in the production of foam glass of various functional purposes. Innovative technologies in science and education. Proceedings of V All-Russian Scientific and Practical Conference with international participation. Ulan-Ude. 3-5 July 2017. - Ulan-Ude: BSU Publishing House. - 2017. - Р. 39-46.
4. Pizhurin A.A, Pizhurin A.A. Fundamentals of research in woodworking: university textbook. - M.: State Educational Institution of Higher Vocational Education MSFU, 2005. - 305 p.
5. Damdinova D.R., Anchiloev N.N., Khardaev P.K. et al. The study of the possibility of obtaining foam ceramics using local clay and cullet // CONSTRUCTION COMPLEX OF RUSSIA. SCIENCE EDUCATION. PRACTICE: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference dedicated to the 50th anniversary of the East-Siberia State University of Technology and Management and the Faculty of Civil Engineering. - Ulan-Ude: ESSUTM Publishing House, 2012
6. Damdinova D.R., Anchiloev N.N., Pavlov V.E. Foam glass of a cullet - clay - sodium hydroxide system: composition, structure and properties // Building materials. - 2014. - N 8. - Р. 38-41.
7. Damdinova D.R., Anchiloev N.N., Pavlov V.E. Optimization of the composition of the foam glass-ceramic material using cullet and local clay rocks // Collection of Scientific Works. Series: Technical Sciences. - Ulan-Ude: ESSUTM Publishing House. - 2014. - N 18. - Р. 109-114.
8. Kitaygorodskiy I.I., Keshishyan T.N. Foamglas. - M.: Promstroyizdat, 1953. -132 p.
