CC BY
7поддержки от потери тепловых излучении через стенки теплицы рекомендуется
ш Жпол п МДж
аккумулировать №акк ~-= 2—-- энергии солнечной радиации.
2 м ■ суток
2.6. Материалом аккумулятора энергии выберем бетон и используем его в качестве фундамента модельной конструкции теплицы Толщина бетонного аккумулятора: Ж
¿бет = -~-- = 0.04М.
с ■о ■ s ■ А/
бетон ^ бетон
Представим форму аккумулятора солнечного излучения как парал-лелепипед, размерами: бетонный фундамент- 0,48 м х 0,25 м х 1,0м; бетонная дорожка-0,50м х 0,24м х 1,0м.
В данной статье установлено: для эффективного использования солнеч-ной энергии необходимо выбирать размеры элементов модельной конструкции теплиц по способам, которые рекомендуются авторами; нововведенные коэффициенты тепловых потерь способны определить количество тепла теряемых стенками теплицы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Закон Республики Узбекистан «О рациональном использовании энергии.
(Ведомости Олий Мажлиса Республики Узбекистан, 1997 г., № 4-5, ст. 118; 2003 г., № 5, ст. 67; Собрание законодательства Республики Узбекистан, 2007 г., № 39, ст. 402; 2013 г., № 18, ст. 233, № 41, ст. 543).
2. Якубов Ю.Н. Аккумулирование энергии солнечного излучения. Таш-кент, Издательство «ФАН» Р.Уз.1981.103с.
ВПЛИВ ПОРОУТВОРЮВАЧ1В Р1ЗНО1 ХШ1ЧНО1 ПРИРОДИ НА СТРУКТУРУ ПРОНИКЛИВИХ
МАТЕР1АЛ1В
д.т.н., професор Рудь В. Д. асистент Повстяна Ю. С. астрант Савюк I. В. к.т.н., ст..викладач СамчукЛ. М.
Луцький нащональний техшчний утверситет
Abstract. In this work the structural characteristics of the porous ceramics obtained on the basis of the scale and steel 18H2N4MA natural mineral - saponite CBC mode process depending on the nature of the pore-formers used. The optimal stoichiometric ratio of the mixture components, porosity change depending on the sintering temperature, the number of open and closed pores, water absorption and linear shrinkage. In analyzing the size and shape of the pores of the porous most appropriate for the body structure appeared with the addition of pore-formers - urea and sodium bicarbonate. Photomicrography of showing even distribution of pores in the plane of the samples gives grounds for further research of mechanical and filtration properties.
Keywords: scale, saponite, waste, a ceramic filter, a porous ceramic structure.
Вступ. Сучасш технологи мшроелектрошки, процеси водотдготовки, технологи точно! мехашки, передбачають використання чистих i надчистих вихщних матерiалiв. Забезпечення ще! вимоги досягасться за рахунок очищення вихщних матерiалiв у рщкому, газовому та шших станах. В свою чергу, ставить шдвищенш вимоги до властивостей проникливих матерiалiв. Що
використовуються для очищення вихдно! сировини. Проникливi матерiали, на сьогодшшньому eTani промислового виробництва повиннi володГти наступними характеристиками: мiцнiстю та жорстюстю виконавчих eлeмeнтiв, eкономiчними показниками при !х отримaннi. А саме головне, проникливi пористi мaтeрiaли повиннi володгги максимальною проникливiстю, грязeмiсткiстю та шшими eксплуaтaцiйними властивостями.
Перспективним методом отримання таких мaтeрiaлiв е порошкова металурпя, СВС -процеси, мeтaлотeрмiя. Вс щ методи не забезпечують отримання мaтeрiaлiв з високими параметрами пористосп( особливо наскрГзно!). Розв'язання цього недолГку можливо завдяки застосуванням пороутворювачГв. Нажаль, в лГтературних джерелах немае порГвняльно! характеристики впливу рГзних за хГмГчною природою пороутворювачГв на структуру проникливих матерГалГв.
КрГм того, конкурентоспроможшсть нових матерГалГв можливо забезпечити при використанш у якосп вихдних компонента вщходГв промислового виробництва та природних мшералГв.
Метою роботи е обгрунтування технологи отримання пористих проникливих матерГалГв з використанням вщходГв кувально-штампувального виробництва, сапонГту та рГзними за хГмГчним складом пороутворювачГв.
Постановка проблеми. Технолопчш процеси кувально-штампувального виробництва ПАТ «Ковельсшьмаш» характеризуеться утворенням значно! кшькосп вщходГв у виглядГ окалини. В Луцькому нацюнальному техшчному ушверситет розроблена технолопя утилГзацп таких вщходГв. Кшцевим продуктом яко! е порошки легованих сталей. Особливу цшшсть мають порошки сталГ 18X2H4MA. Зпдно зазначено! мети роботи проведено широкий комплекс експериментальних робГт по отриманню пористих проникливих матерГалГв з використанням порошюв сталГ 18X2H4MA, сапонГту Ташювського родовища (Хмельницька обл.) та рГзних за хГмГчним складом пороутворювачГв.
Аналiз основних дослiджень. У робот [1] вихщною сумшшю для виготовлення виробГв з керамГчних матерГалГв е порошок марки A-1000SG(Alcoa) та полГетиленглюколь (ПЕГ). При проведенш дослщжень матерГали рГзно! пористосп одержували рГзними способами, тобто ПЕГ був у ргдкш i твердш фазах.
У робот [2] вихщними матерГалами е порошок залГза (ГОСТ 9849-86) та порошок бшарбонат амонда NH HCO3 (ТУ У 6-04687873.025-95). З шдвищенням вмюту пороутворювача в сушшГ щшьнють матерГалу зростае. Це пов'язано з бшьшою щшьнютю порошку бГкарбонату амонда в порГвнянш з щшьнютю порошку залГза. Пюля сткання вщносна пористють зразюв зменшуеться незначно. ДрГбш пори, утвореш частинками залГза, зменшуються при сшканш, а розмГр великих тр залишаеться приблизно постшним i вщповщае розмГрам частинок пороутворювача. 3i збшьшенням тиску пресування пористють виробГв трохи зменшуеться.
У робот [3] вихщними матерГалами е водорозпилений порошок залГза, (ГОСТ 9849-86) i порошок хлориду натрда (ГОСТ 13830-97). Порошок хлориду натрда добре пресуеться i ущшьнюеться при однакових тисках значно бшьше шж порошок залГза. Вщповщно, з шдвищенням вмюту NaCl в сумшГ цих порошюв, щшьнють пресовок при рГвних тисках зростае. При вмют хлориду натрГя20% i 40% вщповщш кривГ ущшьнення можна розраховувати за правилом сумшей. При вмют бшьш 20% хлориду натрда в сумшГ напруження нижча, шж при пресуванш зразюв Гз залГза. Це пояснюеться невисокою мщнютю частинок хлориду натрда на зрушення.
У робот [4] використовуеться карбонат кальцда (CaCO3). Проведено теоретичний аналГз i експериментальне дослщження впливу кшькосп та фракцшного складу пороутворювача на густину виливюв з тно алюмшда Отриманш результати дозволяють бшьш глибоко зрозумГти вплив параметрГв пороутворювача на густину сплаву. В ходГ дослщжень було виявлено, що параметри керамГчних часток мають значний вплив на процес стнювання. В результат дослщження виявлено, що фракцп 0,315...0,630 мм е кращими за якютю замшування та кшцевою густиною виливка. В процес стнювання при трихвилиннш витримщ порофор розкладаеться повнютю. Регулюючи фракцшний склад пороутворювача можливо впливати на густину та пористють виливюв з тно алюмшда
Викладення основного матерiалу. При дослщженш основу композицшних складових шихти для отримання пористих матерГалГв складають промисловГ вщходи машинобущвного виробництва, яю являють собою оксиди металГв i металГчш порошки. В якост вихщних матерГалГв
були взят наступи MaTepian^ окалина стал 18Х2Н4МА, порошок оксиду алюмшда ТУ (48-5-2287), природний мiнepaл - caпонiт Тaшкiвcького родовища та шicть видiв поpоутвоpювaчiв.
Головш напрямки використання caпонiтових мiнepaлiв пов'язаш з бaгaтофункцiонaльнicтю та eфeктивнicтю дп цих мiнepaлiв в piзних галузях пpомиcловоcтi. Наприклад, в хiмiчнiй промисловосп caпонiтовi глини використовуються як адсорбенти. В легкш пpомиcловоcтi глинозем використовують для очищення cтiчних вод. Враховуючи виcокi cоpбцiйнi та цiннi фiзико - хiмiчнi влacтивоcтi можливе застосування сапонтв в якоcтi безпечних i недорогих cоpбeнтiв для очистки розчинниюв в пpоцeci хiмiчного очищення [6]. Використання сапонтв при фшьтрацп розчинниюв дозволить покращити якicть очистки розчинника, тдвищити eкологiчну безпеку процесу, зменшити кiлькicть шламових вiдходiв.
При оглядi лiтepaтуpних джерел було пpоaнaлiзовaно, що для отримання пористо! кepaмiки використовуються наступш поpоутвоpювaчi: кapбaмiд (CH4N20), полieтилeнглiколь (C2nH4n+2On+1), карбонат кaльцiю (СаСО3), пдрокаробант нaтpiю (NaHC03), кapболiд (CO(NH2)2) та хлорид натрш (NaCI). Вci поpоутвоpювaчi piзнi за хiмiчним складом та властивостями, тому виникла щкавють, як кожен з даних поpоутвоpювaчiв буде взaeмодiяти з даною системою. Склад c^rni визначався експериментально. Формування зразюв здiйcнювaлоcь в piзному cпiввiдношeннi компонента. Масова частка компонента для зразюв наведена у табл.1
Таблиця 1. Масова частка компонента
№ Зразка m О <N < Окалина н '53 о О СаСОэ Карбонат кальщю o-f ^ Ж * ю ¡X & а С Ка £ -П 0 ь 2 Ö S - ^ s * о 1 с о NaHCOs Пдрокарбонат нарш ^ ч ►f • Н й о Ö ю О & С Ка NaCI Хлорид натрш
Масова частка, %
1 30 30 30 10
2 30 30 30 10
3 30 30 30 10
4 30 30 30 10
5 30 30 30 10
6 30 30 30 10
Отримання матерiалу проводилось за схемою:
- змшування порошюв вихщних реагентiв;
- сушка вихiдноi шихти реагентiв в умовах захисного середовища;
- пресування вихiдноi шихти реагента в цилшдричш заготiвки рiзного дiаметра i висоти при варiацii значення густини матерiалу отриманих зразюв шляхом змши тиску пресування;
- здшснення процесу СВС в лабораторнiй установщ i отримання зразкiв функцiональних матерiалiв;
- аналiз отриманих структур з використанням рiзних пороутворювачiв.
Змiшування порошюв вихiдних реагентiв проводили в кульовому млиш, який
представляе собою горизонтально розмщений обертаючий цилiндр з набором стальних кульок дiаметром 20 мм в середиш. Змiшування тривае протягом 6, 8 12 та 24 годин до утворення однорiдноi маси. Пресування вихiдноi шихти вщбуваеться за допомогою гiдравлiчного преса моделi ПСУ 500 в дiапазонi тискiв 10 - 25 МПа. Зразки мали цилшдричну форму 0 30 та висотою 60 мм. Синтез здшснювався в лабораторному реакторi, який був виготовлений в Луцькому нащональному техшчному унiверситетi. На рис.1. показанi фотозшмки отриманих зразкiв з додаванням рiзних пороутворювачiв.
Оскiльки даний матерiал плануеться використовувати для регенерацii технiчниi рщин основним його параметром е пористють. Площинну пористiсть визначали по мiкрофотографiях
шлiфiв за допомогою програми Smart-eye. Встановлено, що середня пористють для Bcix зразюв piBHa 15-20 % (рис. 2). Об'емну пористють визначали ваговим методом за геометричними параметрами зразюв.
Зразки для метaлогpaфiчних дослщжень готовилися за стандартною методикою [7]. Растрова електронна мшроскошя проводилась за допомогою ESEM Philips XL30-FEG. З метою отримання чггкого зображення границь зерен шлiфи протравлювали 4% H2SO4.
Рис.1. Фотозтмки отриманих зразюв з додаванням р1зних пороутворювач1в
Температура.
Рис. 2. Залежмсть в1дносног nopucmocmi eid температури сткання
На рис.3. наведеш фотозшмки структур отриманого мaтеpiaлу без додаванням пороутворювача.
х250 х250
Рис. 3. МЫроструктури зразюв без додавання пороутворювача
Аналiз електронних мшрофотографш при спостереженнi показав свил включення в структурi, це оксиди залiза. Розподiл дiлянок вщновленого залiза дозволяе припустити, вiдбуваeться подальшому зростаннi металевих фрагментiв, одночасно iз зростанням областей вiдновленого залiза вщбуваеться фазороздiлення - перемiщення залiза в напрямку оксиду алюмшда . Основною фазою продукцн е також оксид алюмшда з рiвноважними параметрами решггки. У структурi кiнцевого продукту алюмшш присутнiй у виглядi полiв розмiром вiд 10 до 300 мкм, структура яких схожа iз структурою областей вщновлення залiза в продуктах реакцш вiдновлення оксиду залiза (IV).
Мехашзм утворення феритних полiв, як можна зробити висновок з дослщження структур матерiалу, включае стадп розплавлення вихщного фериту окалини, утворення первинних зародкiв в результатi вщновно! реакци, !х зростання i злиття в протяжнi областi в процесi фазороздшення. У структурi продукцп представлена також оксидна матриця, основу яко! складае оксид алюмшда А12О3 з включенням залишкiв оксидiв залiза Бе203. Металевий компонент продукту представлений твердим розчином на основi залiза, якi мають змшний склад по площi шлiфа. Компонентом е також i алюмшш в кшькостях, менших гранично! розчинносп зазначених елементiв в залiзi, що пояснюе вщсутнють iнтерметалiдних сполук у склащ металевого компонента. Характерною складовою продукту взаемодi! в складнiй систем е матриця на основi оксидiв залiза, склад яких змiнюеться вщ Бе203 до FeO. Вщновлення оксищв протiкае, найiмовiрнiше, в ходi метало-вщновлювано! реакцi! в послiдовностi Бе203, Бе304 - Бе0.
д) х 500 е) х 350
Рис. 4 Мгкроструктура пористого проникливого матергалу з додаванням ргзних пороутворювач1в (а - карбол1д, б - хлорид натр1ю, в - карбам1д, г - пол^етиленгл^колъ, д -карбонат калъц1ю, г - г1дрокарбонат натр1ю)
При цьому зростання пластин FeO вщбуваеться за рахунок реакцшного вщновлення дисперсних частинок магнетиту Бе304, що е складовою фазою вихщно! окалини. Паралелъне протшання реакцш м!ж алюмшем { оксидом хрому (IV), а також м!ж алюммем { окалиною, призводить до утворення в структур! продукту складних оксид1в складу FеО (А1) 20з. На рис.4. наведен! структури матер!алу при додаванш пороутворювач!в р!зних за х!м!чною природою.
З отриманих структур можна зробити висновок, що при додаванш пороутворювач!в р!зних за х!м!чним складом та властивостями можливо отримати пористий матер!ал. При анал!з! розм!ру та форми пор найбшьш прийнятною для пористого тша буде структура з додаванням пороутворювач!в - карбам!ду та пдрокарбонату натр!ю.
На рисунку 5 зображено утворення закритих та в!дкритих пор спечених зразюв при сп!канн! в штервал! температур 800 - 1750 °С. 1з залежност! видно, що вщкрип пори !з зб!лъшенням температури сп!кання до 1600 °С ! вище зменшуються. Причиною тако! поведшки може бути утворення р!дко! фази у спеченому зразку. Зразок мае аморфну фазу ! деяю кристал!чш фази, як! утворюються в процес! сп!кання. Аморфна фаза утворюеться з рщкого оксиду алюм!н!ю. Через присутшсть сил тяж!ння, р!дка фаза, як правило, заповнюе вщкрип др!бн! пори. Збшьшення температури викликае зб!льшення кшькосп р!дко! фази ! зменшення !! в'язкост!. В результат! з ростом температури вщ 1000 до 1600 °С б!льш! пори заповнен! рщиною !, отже, к!льк!сть в!дкритих пор зменшуеться. П!сля 1600 °С рщка фаза зменшуеться, оск!льки вона заповнюе велик! пори, обсяг яких розширюеться через великий тиск газу всередиш закритих пор.
—*— б годин —■— 8 годин 12 годин 24 години ■ 6 годин -* 8 годин —■ 12 годин
--------24 годный
Температура сткання, °С
Рис. 5. Кшъюстъ в1дкритих та закритих пор в залежност7 в1д температури сткання
Слщ зазначити, що в!дкрита порист!сть зменшуеться з! зб!льшенням часу зм!шування. При збшьшення часу змшування з 6 до 24 годин загальна пористють зразка зменшуеться. Коли компоненти сумш! змшують протягом коротких !нтервал!в часу утворюеться бшьше великогабаритних частинок сушш!. П!д час такого процесу змшування к!льк!сть др!бних частинок заповнюе деяю пори сум!ш!. Таким чином, засипка сумш! створюе велик! пром!жки м!ж частинками. Коли сум!ш зм!шують довше, утворюеться однор!дний порошок з др!бними частинками та б!льше пор заблоковаш др!бними частинками. Очевидно, що бшьш др!бн! частинки заповнюються щ!льн!ше, ! зазори м!ж ними менш!. Тому в останньому випадку сткання е бшьш ефективним ! в!дкритих пор менше.
Рис. 6. Поглинання води з спечених зразки яке залежитъ в1д температури сткання
Рис. 6 показуе змшу водопоглинання в залежносп вiд температури спiкання керамiчних виробiв, компоненти яких змiшують протягом рiзного часу. Водопоглинання безпосередньо пов'язане з наявшстю вщкритих пор i результати показують, що його значення зменшуеться при сшканш в iнтервалi температур вiд 1000 до 1500°С. 3i збiльшенням часу змшування до 24 годин спостериаеться зниження абсорбци води. Температура необхщна для того, щоб досягти мшмального рiвня водопоглинання, поступово зменшуеться з збшьшення часу змiшування. Час змшування 24 годин призводить до зменшення агломерацп.
Час змiшування 24 години призводить до скорочення часу сткання а необхщна температура для досягнення мiнiмум поглинання води 1600°С. Згщно стандарту ISO 13006 для виготовлення фшьтрувально! керамiки необхiдне водопоглинання менше 2%. Експериментальнi результати показують, що поглинання води в зразках, спечених при температурах вище 1500°С вщповщають вимогам цього стандарту незалежно вщ часу змшування.
Рис. 7. Залежмсть лттног усадки eid температури сткання для зразюв змшаних
протягом 6, 8, 12 та 24-х годин
Рис. 7 показуе лшшну усадку i об'емну густину спечених зразюв яка залежить вщ температури спiкання. Було встановлено, що лшшна усадка зростае з пщвищення температури спiкання, а максимальна вщбуваеться при 1650°С. Вимiряна маса та пористють показуе аналогiчну тенденщю, що i в лшшно! усадки, тобто спочатку зростае, досягае максимального значення, а поим зменшуеться при 1650°С. Максимальна насипна густина (рис. 8) була досягнута при температурi сткання 1600°С i часу подрiбнення 24 годин.
800 1000 1150 1250 1350 1450 1550 1650 1750 Температура спкэння, °С
Рис. 8. Залежмсть об'емног густини спеченого зразка eid температури сткання
Збшьшення об'емно! густини може бути пов'язано з полшшенням усадки частинок. Частинки меншого po3MipoM розсипаються серед бiльш великих та можуть збшьшити насипну густину порошку що може призвести до збшьшення рщко! фази, яка зменшуе простiр займаних пор мiж частинками. Зменшення об'емно! густини при 1600°С призводить до розширення обсягу пор, що пов'язано з шдвищенням тиску в закритих порах. Роль пор е дуже важливою для контролю величини об'емно! густини в спеченому зразку.
Висновок: Експериментальш дослщження показали, що при додаванш пороутворювачiв рiзних за хiмiчним складом та властивостями можливо добитись пористо! структури. Було виявлено, що зi збiльшенням часу спiкання зменшуються як вiдкритi так i закрит пори. Сумiш змiшували протягом 24 год i спiкали в iнтервалi температур вiд 800°С до 1750°С, в даних зразках виявлено водопоглинання менше 2%. Тиск пресування становив 10-25 МПа, змшування проводилось протягом 6, 8, 12 та 24 годин. При цьому на залежностях усадки вщ температури сткання спостертаються двi характернi областi. В iнтервалi температур 12001300 °С зi збiльшенням температури зростання усадки незначне. В подальшому, при пiдвищеннi температури усадка зразюв проходить значно штенсившше. На цьому етапi спiкання також вщбуваеться значне зниження пористосп зразюв до 18-20%. Такий характер залежностей ствпадае з сучасними уявленнями про вплив температури сткання на процес сткання порошкових виробiв.
Л1ТЕРАТУРА
1. Preiss, A. Tailored graded pore structure in zirconia toughened alumina ceramics using double-side cooling freeze casting / A. Preiss, B. Sua, S.Collins et al. // J. Eur. Ceramic. Soc. - 2012. -Vol. 32, №8. - Р. 1575-1583.
2. Каныгина О.Н., Четверикова А.Г., Лазарев ДА., Сальникова Е.В Высокотемпературные фазовые превращения в железосодержащих глинах Орен-буржья // Вестник Оренбургского государственного университета.-2010 г.-№6 (112). -С. 113-118.
3. Лукин Е. С. Пористая проницаемая керамика из оксида алюминия / Е. С. Лукин, А. Л. Кутейникова, Н. А. Попова // Стекло и керамика.- 2003.- No3.- С. 17-1
4. Мосин Ю. М.,ВоробьеваВ. В., КостинС. В., ПрискоковВ. А. Керамические проницаемые материалы на основе глин с регулируемой поровойструктурой// Огнеупоры и техническая керамика. -1996. -No4. -С. 14-17.
5. Стрелов К.К. Структура и свойства огнеупоров. М., Металлургия,1982.
6. Грег, С. Адсорбция, удельная поверхность, пористость [Текст]пер. с англ./ С. Грег, К. Синг. — М.:Мир, 1984. — 310 с.
7. Евстигнеев В.В., Тубалов Н.П., Лебедева О.А. Интегральная технологическая схема получения пористых материалов для изготовления изделий промышленного назначения. Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов. Труды всероссийской конференции. Москва, 2002, с.443 - 447.
