CC BY
23
УДК 004:666.642.1:546. 41
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ СВОЙСТВ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНЫХ
СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАКЕТОВ
© 2007 г. H.A. Вильбицкая, С.П. Голованова, Е.В. Корохова
Современные технологии производства керамической облицовочной плитки предъявляют определенные требования главным образом к сырьевым материалам, которые должны обеспечить высокое качество и конкурентоспособность выпускаемых изделий. Использование местных сырьевых материалов, а также различных вторичных продуктов зачастую позволяет обеспечить наряду с качественными характеристиками и высокие экономические показатели производства.
Скоростной режим обжига, внедренный практически на всех ведущих предприятиях отрасли, также определяет составы керамических масс. Способы получения керамической плитки по такой технологии разработаны и изложены в ряде публикаций [1—3]. В целях получения безусадочной керамики в условиях низкотемпературного обжига при твердофазовом спекании используют карбонатные компоненты— мел, известняк, доломит и др. Однако зачастую ее послеобжиго-вые физико-механические свойства неудовлетворительны. Поэтому разработка способов интенсификации процесса спекания малоусадочной облицовочной плитки является исключительно актуальной.
В ходе проведенных исследований по интенсификации процесса обжига установлено минерализующее влияние литийсодержащих отходов производства ацетатного волокна на спекание высококальциевых масс, в которых наряду с глиной и песком в качестве сырьевых использовали природные (мел, доломит) и техногенные (отход химической водоочистки, стеклобой) материалы. Керамические массы готовили на основе местных материалов Ростовской области: глины Владимировского месторождения, песка и мела Тарасовского месторождения; а также высококальциевых отходов химводоочистки (ХВО) Ростовской ТЭЦ и Новочеркасской ГРЭС и боя тарного стекла, литийсодержащих отходов ОАО «Каменскволокно».
С целью изучения влияния щелочных и щелочноземельных соединений, входящих в состав использованных техногенных материалов на основные свойства черепка и установления областей оптимального их содержания в системе был использован метод математического планирования экспериментов— симплекс-решетчатый план Шеффе неполного третьего порядка. Основными технологическими показателями керамической плитки являются прочность, усадка и водопог-
лощение. Состав варьируемой части определяют три компонента, % (по массе): X — высококальциевый отход (10 %), У — стеклобой (10 %), Z — литий-содержащий отход (1 %).
Керамическую массу готовили по шликерной технологии с последующим формованием образцов пластичным методом. Обжиг осуществляли в муфельной печи при температуре 900 °С, с последующей выдержкой при максимальной температуре в течение 1 ч. С целью установления основных свойств керамического черепка в зависимости от количества варьируемых компонентов использовали матрицу планирования эксперимента, приведенную в табл. 1.
Таблица 1
Матрица планирования эксперимента по плану неполного третьего порядка
№ п/п X Y Z Функфии отклика
Водопог-лощение, % (F1) Усадка, % (И) Предел прочности при сжатии, Мпа (^3)
1 1 0 0 24,40 1,10 27,90
2 0 1 0 18,50 0,60 32,10
3 0 0 1 23,00 0,40 34,20
4 0,5 0,5 0 18,40 0,30 30,40
5 0,5 0 0,5 18,80 0,50 37,10
6 0 0,5 0,5 14,20 1,80 39,70
7 0,333 0,333 0,333 11,10 1,25 35,70
8* 0,5 0,33 0,167 13,30 0,90 33,50
Для определения области оптимальных составов керамической массы нами использовался автоматизированный метод математического планирования эксперимента, с использованием системы БТАТ1БТ1СА, в которой реализуется графически ориентированный подход к анализу экспериментальных данных, а также новейшая математическая система МаЛСАО 7.0, являющаяся программным средством для решения технических проблем различной сложности [4, 5]. Кроме этого определяется математическая модель (неполная кубическая), адекватно описывающая изменение свойств материалов в зависимости от изменения входящих факторов, которыми являются % (по массе) добавки техногенных продуктов. Функции отклика— основные технологические характеристики: водо-поглощение, усадка и предел прочности при сжатии. Диаграммы характера изменения свойств представлены на рис. 1. Используя современные программные пакеты, на основании предварительно
составленного алгоритма и изменения уровня варьирования, удалось значительно упростить процедуру нахождения диапазона областей составов, обеспечивающих наилучшие физико-механические свойства керамики по полученным уравнениям
регрессии. Реализованные инструменты являются универсальными и могут применяться для множества составов не только керамики, но и глазурей, эмалей, стекольных шихт, цементных сырьевых смесей и т. д.
F1 =24,4X+18,5Y+23,0Z-12,2XY-26,2YZ-19,6XZ-122YX
24 22 20 18 16 14 12
F2=1,1X+0,6Y+0,4Z-2,2XY+5,2YZ-1,0XZ+7,50XYZ
0.00 x
б)
1.00 y
ГИ 1.8 I I 1.6
I I 1.4
I I 1.2 □ 1
I I 0.8 I I 0.6
I I 0.4
F3=27,9X+32,1Y+34,2Z+1,6XY+26,2YZ+24,19XZ-58,79XYZ
z
0.00-1.00
0.00 x
0.25 0.50 0.75
1.00 y
34 32 30 28
z
y
Рис. 1. Диаграммы изменения: а — водопоглощения, %; б — усадки, %; в — прочности, МПа, и уравнения, адекватно описывающие процесс изменения этих свойств от изменения состава
С
НАЧАЛО
I
/Ввод числа /
расчетных точек (m,n,k) /
i
1
У=У+Дy
i=i; j=i; g=i; i=0;
x=x„.„
i
Х=Х+Д x
I
i
/ Вывод результатов С / ~ \ [
( конец ;
i=i+i
Си=х; C|2=y; C,3=z; C|4=F1(x,y,z); C|5=F2(x,y,z); C|6=F3(x,y,z);
z=z+д z
ZZI—
Рис. 2. Алгоритм расчета оптимальной области составов, реализуемый в системе MathCAD
С помощью математико-статистических мето- рис. 3), обеспечивающих получение облицовоч-дов планирования установлена область оптималь- ной плитки с наилучшими физико-механически-ных составов керамических масс (см. рис. 2, ми показателями.
Рис. 3. Диаграмма оптимальных показателей свойств черепка в зависимости от состава керамической массы. Для области | | — предель прочности на сжатие 35—40 МПа; водопоглощение 10—12 %;
усадка 1—1,5 %
Выявлено, что добавка литийсодержащего отхода в количестве 0,1—0,4 % оказывает наибольшее интенсифицирующее воздействие на процесс спекания. При этом необходимо отметить весьма важный факт— обесцвечивание керамического черепка при использовании данного отхода. Это позволяет использовать данные массы для изготовления окрашенной керамики на основе неокрашенной матрицы, использовать более дешевые прозрачные глазури, что имеет немаловажное значение в производстве облицовочной плитки.
Литература
1. Павлов В. Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики.М. 1976.
2. Интенсификация спекания кальцийсодержа-щих керамических масс /Н.Д. Яценко, H.A. Вильбиц-кая, В.П. Ратькова, С.П. Голованова, А.П. Зубехин //Стекло и керамика. 2000. № 9. С. 32-34.
3. Особенности формирования кристаллических фаз в высококальциевой керамике /H.A. Вильбицкая, С.П. Голованова, А.П. Зубехин, Н.Д. Яценко //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2001. № 4. С. 87-89.
4. Боровиков В. В. STATISTICA. Искусство данных на компьютере. Для профессионалов. 2-е изд. СПб., 2003.
5. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCAD7.0 в математике, физике и в Internet. М., 1999.
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт)_22 ноября 2006 г.
