CC BY
54
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 677.5
А.Д. Жуков, Т.В. Смирнова*, А.А. Еременко, Н.А. Копылов
ФГБОУВПО «МГСУ», *ЗАО «Минеральная вата»
СИСТЕМНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МИНЕРАЛОВАТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
В конструкциях кровель, в фасадных системах, при огнезащите возникает необходимость применения теплоизоляции, обладающей относительно высокими прочностными характеристиками при сохранении эффективности утепления. Использование изделий двойной плотности позволяет получить прочную теплоизоляцию, обладающую высокой эксплуатационной стойкостью. Начальная структура этих изделий формируется на стадии формировании минераловатного ковра и закрепляется в процессе тепловой обработки. Изложены результаты исследований тепловой обработки, которая осуществляется прососом нагретого воздуха сквозь слой минераловатного ковра.
Ключевые слова: минеральная вата, двойная плотность, структура, тепловая обработка.
Современные теплоизоляционные изделия характеризуются показателями качества, изложенными в ГОСТ Р 52953—2008 и стандарте EN 13162. Данный стандарт действует в Европе и относится ко всем теплоизоляционным изделиям из минеральной ваты [1, 2]. Стандарты определяют шесть важнейших свойств, которые должны декларироваться производителями теплоизоляционных материалов вне зависимости от того, в какой конструкции применяется данный материал. Эти свойства: теплопроводность, геометрические размеры, прямоугольность и плоскостность, стабильность размеров, прочность на растяжение, пожаробезопасность [3]. Пожарно-технические характеристики продукции должны обеспечивать безопасность на конкретном объекте, в конкретной конструкции. Изделия на основе минеральной ваты отвечают всем нормативным требованиям, подтвержденным и лабораторными исследованиями и мониторингом материалов в реальных условиях эксплуатации [4].
Технология плит из каменной ваты основана на использовании шихты с модулем кислотности Мк 1,8.. .2,2, которую плавят в ванных печах или модернизированных вагранках; центробежно-валковым способом перерабатывают расплав в волокно, получают ковер с помощью раскладчика и подпрессовщика (гофрировщика) с последующей тепловой обработкой ковра и форматированием его в изделия (рис. 1). В качестве связующего применяют нейтрализованные фенолоспирты.
Изготовление изделий двойной плотности базируется на технологических схемах изготовления изделий из каменной ваты. Особенностью технологии плит двойной плотности является установка специального комплекса, который размещается в линейной технологической цепочке после подпрессовочного устройства и перед камерой тепловой обработки. Устройства работают на ли-
92
© Жуков А.Д., Смирнова Т.В., Еременко А.А., Копылов Н.А., 2013
ниях РОКВУЛ (заводы в гг. Железнодорожном, Выборге и Елабуге) и ориентированы на изготовление кровельной и фасадной теплоизоляции комбинированной структуры.
Процесс производства изделий определяется соответствующим технологическим регламентом, спонтанное изменение параметров которого строго запрещено [5]. При этом для более полного изучения технологического процесса, определения структуры взаимодействия его параметров целесообразно системное изучение технологии на базе общей методологии технологического анализа.
X
111
Ч Хи 1111
Тепловая
_ _ 1-Л" обработка ковра ковра двойной I > Г V |
плотности
L__________
двойной
ПЛОТНОСТИ
I_____________1
Рис. 1. Структурная схема процесса
Изучение влияния факторов на процесс изготовления плит двойной плотности основывалось на общей методике технологического анализа и методологии, положенной в основу программного комплекса, разработанного с целью исследования технологических процессов [6, 7]. В комплексе предусматривается индивидуальная деятельность экспериментатора и обработка результатов эксперимента с помощью специальных программ для ЭВМ, разработанных в МГСУ: «JE-STAT-15. Расчеты и анализ факторного пространства», <^Е-STAT-23. Построение нелинейных моделей и решение интерполяционных и оптимизационных задач», «GJ-STAT-06. Обработка и аналитическая оптимизация результатов эксперимента» [8].
Анализ технологической информации позволил установить группу факторов, непосредственно влияющих на функции отклика. При выборе факторов для последующего эксперимента учитывались требования, предъявляемые методологией статистического анализа и в частности, их взаимная независимость. Результатам стало формирование кибернетической схемы процесса. Изучаемый процесс объединил два самостоятельных технологических передела (см. рис. 1): формирование ковра двойной плотности и тепловую обработку этого ковра с последующим охлаждением.
Всего было выделено 14 факторов. Первые 7 факторов и характеризовали свойства минерального волокна (длину и диаметр волокон), а также параметры ковра после гофрировщика. Влияние корольков не рассматривалось. Современные многовалковые центрифуги в сочетании с эффективными плавильными агрегатами, обеспечивающими стабильно высокую температуру расплава, позволяют получать минераловатный ковер с малым (до 5 %) содержанием неволокнистых включений. При таких концентрациях корольки не оказывают
большого влияния на теплопроводность и другие свойства изделий. Прирост теплопроводности при увеличении содержания неволокнистых включений с 0 до 5 % составляет около 2.. .4 %.
Факторы с 8 по 10 являлись параметрами управления процессами формирования ковра двойной плотности. Последняя группа факторов характеризовала особенности тепловой обработки минераловатного ковра. После выбора факторов и определения их средних значений, интервалов варьирования и значений факторов на уровнях был выполнен первый этап. Был проведен эксперимент, условия которого приведены в таблице.
Условия эксперимента по определению значимости факторов
Наименование фактора Символ Величина коэффициента при Х. для
X. 1 У У2 У3 У4
Средняя плотность ковра, кг/м3 Х1 20 2,9 40 1,0
Толщина ковра, м Х2 4 0,5 10 0,08
Содержание связующего, % Х3 7 1,1 4 0,11
Однородность ковра, % Х4 4 0,6 -12 -0,4
Сжимаемость ковра под нагрузкой 0,1 кПа, % Х5 5 0,2 4 0,12
Диаметр волокна, мкм Х6 6 0,4 4 0,3
Длина волокна, мм Х7 4 1,8 2 0,2
Относительная толщина разрезки ковра, м/м Х8 2 0,2 3 0,06
Степень уплотнения покровного слоя, % Х9 4 0,7 8 0,12
Степень уплотнения двухслойного ковра в камере тепловой обработки, % Х10 8 0,9 9 0,4
Температура теплоносителя, °С Х11 5 0,7 2 0,10
Скорость прососа теплоносителя, м/с Х12 3 0,3 3 0,08
Продолжительность тепловой обработки, мин Х13 2 0,2 2 0,06
Продолжительность охлаждения, мин Х 14 2 0,2 2 0,07
Доверительный интервал Ab 4,4 0,6 5,0 0,15
В качестве функций отклика были приняты: прочность на сжатие при 10%-й деформации У1, кПа; прочность на отрыв слоев У2, кПа; средняя плотность плит У3 кг/м3; характеристика теплопроводности У Вт/м-К. Для удобства вычислений и интерпретации использовалась вспомогательная функция У равная Ш3.
Проведение эксперимента первого этапа и обработка его результатов позволили определить степень влияния каждого фактора на результат. Толщина ковра Х2, относительная толщина его разрезки Х8 и параметры тепловой обработки Х11, Х12, Х13, Х14 оказались в категории малозначимых факторов. Все коэффициенты при этих факторах оказались меньше доверительных интервалов ДЬ.
Это вовсе не означает, что эти факторы не следует учитывать при оптимизации технологии. Дело в технологическом регламенте, который значительно ограничивает области варьирования этих факторов, т.е. установленные рамки
изменения факторов сами по себе близки к области оптимума и характеризуются низкими градиентами.
Общий результат определения значимости факторов приведен в таблице. Чем выше коэффициент (по абсолютному значению), тем выше влияние данного фактора на данный результат. По итогам первого этапа получены следующие уравнения регрессии:
У, = 40 + 20Х, + 7Х + 5Х< + 6ХЛ + 8Х1П +5Х;
1 1 3 5 6 10 117
У2 = 7 + 2,9Х1 + 1,1Х3 + 1,8Х7 + 0,7Х9 + 0,9Х0 + 0,7Х11; У3 = 100 + 40Х1 + 10Х2 - 12Х4 + 8Х7 + 9Х10; У, = 38 + 1,0Х1 - 0,4Х4 + 0,3Х6 + 0,2Х7 + 0,4Х10.
Установлено, что наибольшее влияние на результаты эксперимента (функции отклика) оказывают следующие факторы: средняя плотность ковра Х1; содержание связующего Х3; диаметр волокна Х6; длина волокна Х7; степень уплотнения двухслойного ковра Х температура теплоносителя, Х11 °С. План второго этапа эксперимента строился с учетом областей варьирования этих факторов и в соответствии с условиями, определенными выше.
Предметом изучения стали именно те факторы, влияние которых на результат проявилось в наибольшей степени. Матрица планирования экспериментов строилась на основе ортогональных и рототабельных планов [9]. Интервалы варьирования факторов оставлялись те же, что и в эксперименте первого этапа. В результате, после оценки значимости коэффициентов и проверки адекватности моделей получены следующие уравнения регрессии
У1 = 38 + 18Х1 + 6Х3 + 5Х6 + 5Х7 + 5Х10 + 4Х11 + 4Х1Х10 - + 3Х1Х11 - 2Х6Х10
при доверительном интервале АЬ = 1,6;
У2 = 6,5 + 2,2Х1 + 0,9Х3 + 1,2Х7 + 0,9Х10 + 0,8Х11 - 0,3Х1Х7 + 0,3Х1Х11 + + 0,4ХХ - 0,5Хю2
при доверительном интервале АЬ = 0,2;
У3 = 96 + 36Х1 + 9Х7 + 8Х10 + 4Х1Х10 - 5Х72
при доверительном интервале АЬ = 3,2;
У4 = 37,5 + 0,8Х1 + 0,3Х6 + 0,4Х10 + 0,2ХХ10 - 0,2Х62
при доверительном интервале АЬ = 0,12.
Принципиальный характер влияния факторов на результаты второго этапа не изменился по сравнению с результатами первого этапа. При этом проявились некоторые парные и квадратичные взаимодействия, значимые при прогнозировании свойств изделий (решении задач интерполяции), параметров их изготовления и выборе стратегии оптимизации.
В результате анализа результатов эксперимента второго этапа установлено, что три функции приобрели экстремальный характер. В частности характер функции У2 позволяет ожидать экстремума по фактору Х функции У3 — по фактору Х7 и У4 — по фактору Х Проведение необходимых расчетов позволило определить значения факторов, соответствующие оптимуму функций. Далее эти значения переведены из кодированного в натуральный вид.
Решение интерполяционных задач и использованием результатов оптимизации может осуществлять аналитическим или графическим путем. Аналитическую интерпретацию осуществляют по алгоритму с созданием расчетных программ.
ВЕСТНИК
МГСУ-
6/2013
По результатам проведения экспериментов первого и второго этапа, а так же результатам оптимизации строится номограмма выбора параметров изготовления изделий двойной плотности (рис. 2).
Рис. 2. Номограмма для выбора параметров изготовления минераловатных плит. Зависимость прочности при 10%-й деформации, прочности на отрыв слоев, средней плотности и теплопроводности от средней плотности ковра после гофрировщика, степени уплотнения ковра СУ, расхода связующего Рсв, диаметра йв и длины Ьв волокна
В секторе номограммы I устанавливается зависимость средней плотности плит от средней плотности ковра после гофрировщика и степени уплотнения ковра в камере тепловой обработки.
По результатам оптимизации установлена четкая корреляция между средней плотностью плит и их теплопроводностью. Обе эти зависимости от средней плотности ковра носят линейный характер, причем тангенсы угла наклона этих прямых к оси абсцисс относятся друг к другу как 1:0,25. Эта особенность была учтена при формировании II сектора номограммы, где определялась зависимость теплопроводности плит от их средней плотности и диаметра минеральных волокон.
По III сектору номограммы определяется зависимость прочности плит при 10%-й деформации от плотности ковра и расхода связующего, а по IV сектору — прочности на отрыв слоев в зависимости от плотности ковра и длины волокна.
Таким образом, с помощью четырех секторов номограммы установлена взаимосвязь между характеристиками ковра, свойствами волокна, расходом связующего, параметрами формования и свойствами изделий. Эта номограмма позволяет решать как прямую задачу: прогнозировать свойства изделий в зависимости от устанавливаемых величин варьируемых факторов, так и обратную задачу: выбирать соотношение параметров характеризующих технологический процесс, отвечающих установленным к изделиям требованиям по прочности, плотности, теплопроводности.
Библиографический список
1. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Математическая модель и инженерный метод расчета влажностного состояния ограждающих конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2006. № 2. С. 60—63.
2. Гагарин В.Г. Теплозащита и энергетическая эффективность в проекте актуализированной редакции СНИП «Тепловая защита зданий» // Энергоэффективность XXI век : III Международный конгресс. СПБ., 2011. С. 34—39.
3. Бессонов И.В., Старостин А.В., Оськина В.М. О формостабильности волокнистого утеплителя // Вестник МГСУ 2011. № 3. С. 134—139.
4. Румянцев Б.М., Жуков А.Д. Эксперимент и моделирование при создании новых изоляционных и отделочных материалов : монография. М. : МГСУ, 2012. 155 с.
5. Ефименко А.З. Системы управления предприятиями строительной индустрии и модели оптимизации. М. : МГСУ, 2011. 304 с.
6. Жуков А.Д., Смирнова Т.В., Чугунков А.В. Перенос тепла в высокопористых материалах // Интернет-Вестник ВолгГАСУ 2012. № 3. Режим доступа: http://vestnik. vgasu.ru/?source=4.
7. Повышение эффективности минераловатных изделий : монография / А.Д. Жуков, Е.Ю. Боброва, Т.В. Смирнова, П.К. Гудков. М. : МГСУ, 2012. 160 с.
8. GJ-STAT-06. Обработка и аналитическая оптимизация результатов эксперимента / А.Д. Жуков, П.К. Гудков, А.В. Чугунков, Т.В. Смирнова, В.А. Рудницкая. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012618742 от 26 сентября 2012.
9. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М. : Финансы и статистика, 1981. 192 с.
Поступила в редакцию в марте 2013 г.
Об авторах: Жуков Алексей Дмитриевич — кандидат технических наук, профессор кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Смирнова Татьяна Викторовна — аспирант кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; руководитель отдела проектирования и технической поддержки, ЗАО «Минеральная вата», 105064, г. Москва, Земляной вал, д. 9, [email protected];
Еременко Александр Андреевич — студент Института экономики, управления и информационных систем в строительстве, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Копылов Никита Андреевич — студент Института экономики, управления и информационных систем в строительстве, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].
Для цитирования: Системное моделирование технологии минераловатных изделий / А.Д. Жуков, Т.В. Смирнова, А.А. Еременко, Н.А. Копылов // Вестник МГСУ 2013. № 6. С. 92—99.
BECTHMK 6/2013
6/2013
A.D. Zhukov, T.V. Smirnova, A.O. Erjomenko, N.A. Kopylov
SYSTEM SIMULATION OF TECHNOLOGY OF MINERAL WOOL PRODUCTS
Insulation is widely used in constructions of roofs, facades and fire protection. Using of dual-density allows to obtain not only a strong thermal insulation but also has a high operational stability. Product structutre is formed in the stage of mineral wool carpet and fixed during thermal processing. Manufacturing of dual-density products is based on the technological schemes of mineral wool production. Dual density slabs technology require the special complex located in the linear process flow after press unit and heat treatment camera. Units operate on lines Rockwool (in the cities of Zheleznodorozhniy, Vyborg and Elabuga) and are focused on making the roof and facade insulation with combination structure. Studying of factors influencing the production of dual density slabs process is based on a common methodology of technological analysis and methodology. Software system is developed to study processes. The complex provides individual activity of the experimenter and processing of the experimental results with the help of special computer programs developed at MSSU: "JE-STAT-15. Calculations and analysis of the factor space", "JE-STAT-23.Construction of nonlinear models and solution interpolation and optimization problems", "GJ-STAT-06.Processing and analytical optimization of the results of the experiment". The experiment and processing of the results allowed to determine the degree of influence of each factor. Founded is that the greatest influence on the results have the following factors: density, binder content, fiber diameter, fiber length, degree of compaction two layers of carpet. It results in the nomogram for solving problems of interpretation and adaptation, optimization of process parameters.
Key words: mineral wool, double density, structure, thermal treatment.
References
1. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Matematicheskaya model' i inzhenernyy metod rascheta vlazhnostnogo sostoyaniya ograzhdayushchikh konstruktsiy [Mathematical model and engineering method for calculating humidity condition of constructions. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo [Academia. Architecture and engineering]. 2006, no 2, pp. 60—63.
2. Gagarin V.G. Teplozashchita i energeticheskaya effektivnost' v proekte aktualizirovan-noy redaktsii SNIP «Teplovaya zashchita zdaniy» [Thermal protection and energy efficiency in update version of SNIP "Thermal protection of buildings"]. III Mezhdunarodnyy kongress. Energoeffektivnost' XXI vek [III International Congress. Energy efficiency XXI century]. St.Petrburg, 2011, pp. 34—39.
3. Bessonov I.V., Starostin A.V., Os'kina V.M. O formostabil'nosti voloknistogo uteplitelya [Dimensionally stable fiber insulation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 3, pp. 134—139.
4. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D. Eksperiment i modelirovanie pri sozdanii novykh izo-lyatsionnykh i otdelochnykh materialov. Monografiya [Experiment and simulation in creation of new insulation and finishing materials]. Moscow, MGSU Publ., 2012, 155 p.
5. Efimenko A.Z. Sistemy upravleniya predpriyatiyami stroitel'noy industrii i modeli opti-mizatsii [Enterprise management systems in building industry and optimization models]. Moscow, MGSU Publ., 2011, 304 p.
6. Zhukov A.D., Smirnova T.V., Chugunkov A.V. Perenos tepla v vysokoporistykh ma-terialakh [Heat transfer in high porous materials]. Internet-Vestnik VolgGASU, 2012, no. 3. Available at http://vestnik.vgasu.ru/?source=4.
7. Zhukov A.D., Bobrova E.U., Smirnova T.V., Gudkov P.K. Povyshenie effektivnosti miner-alovatnykh izdeliy [Increasing of mineral wool products efficiency]. Moscow, MGSU, 2012, 160 p.
8. Zhukov A.D., Gudkov P.K., Chugunkov A.V., Smirnova T.V., Rudnitskaya V.A. GJ-STAT-06. Obrabotka i analiticheskaya optimizatsiya rezul'tatov eksperimenta. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM № 2012618742 ot 26 sentyabrya 2012 ["GJ-STAT-06. Processing and analytical optimization of experiment results." Certificate of state registration of the computer # 2012618742 on September 26, 2012].
9. Voznesenskiy V.A. Statisticheskie metody planirovaniya eksperimenta v tekhniko-eko-nomicheskikh issledovaniyakh [Statistical methods of experiment planning in technical and economic studies]. Moscow, Finansy i statistika Publ., 1981, 192 p.
About the authors: Zhukov Alexey Dmitrievich — candidate of technical science, professor, Department of Finishing and Insulating Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Smirnova Tatyana Viktorovna — postgraduate student, Department Finishing and Insulating Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU) 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; head of design and technical support department ZAO "MineralnayaVata"; [email protected];
Erjomenko Alexander Andreevich — student, The Institute of Economics, Management and Information Systems in Civil Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Kopylov Nikita Andreevich — student, The Institute of Economics, Management and Information Systems in Civil Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].
For citation: Zhukov A.D., Smirnova T.V., Erjomenko A.O., Kopylov NA Sistemnoye Modelirovanie Nekhnologii Mineralovatnykh Izdelii [Peculiar System simulation of technology of mineral wool products]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 6, pp. 92—99.
