CC BY
118
кообразную шихты в горшках емкостью 10 л до полного осветления стекломассы. Температурный режим варки представлен на рис. 3. Процесс варки стекла оценивали путем визуального определения качества проб, отбираемых в определенное время для обоих видов шихт и по затратам общего времени на варку стекла до полного осветления. Как видно из графика, гранулирование сокращает время провара шихты и общее время варки стекла в среднем на 10 %. Ускоряющее влияние гранулирования на процесс варки стекла объясняется улуч-
шением теплофизических свойств шихты и достижением тесного контакта реагирующих компонентов, что способствует интенсификации реакций силикатообразования [4].
Таким образом, как показали результаты проведенных исследований, использование гранулированных шихт позволяет интенсифицировать процесс варки стекла для производства сортовой посуды, а также существенно сократить пыление и унос тонкодисперсных компонентов шихты при загрузке ее в печь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Павлушкин Н.М. Химическая технология стекла и ситаллов. -М.: Стройиздат, 1983. - 432 с.
2. Бах Х., Баукке Ф.Г, Брюкнер Р. Вид виды брака в производстве стекла. - М.: Стройиздат, 1986. - 648 с.
3. Марков С.М. Особенности процесса варки стекла из гранулированных шихт, приготовленных различными методами. Дис. ... к.т.н. - М., 1990. - 347 с.
4. Tiede R.L. Agglomeration of glass batch // Glass. - 1979. - V. 56. -№ 12. - P. 475-478.
5. Витюгин В.М., Трофимов В.А., Лотова Л.Г Термогранулирование содосодержащих стекольных шихт без связующих добавок // Стекло и керамика. - 1977. - № 2. - С. 8-11.
6. Назаров В.И., Мелконян Р.Г., Калыгин В.Г. Техника уплотнения стекольных шихт. - М.: Легпромбытиздат, 1985. - 121 с.
7. Крашенинникова Н.С. Влияние условий термообработки на химическую однородность гранулированных стекольных шихт // Известия Томского политехнического университета. - 2003.
- Т. 306. - № 5. - С. 51-53.
УДК 669.046.582.5
ВЯЗКОСТНО-ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ РАСПЛАВЛЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ШЛАКОВ РАЗНОГО СОСТАВА
А.С. Заворин
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Экспериментальные зависимости вязкости шлаковых расплавов канско-ачинских углей от температуры представлены с учетом химического состава. Показано влияние кристаллической фазы на характеристику вязкости. Предложена экспресс-методика расчетного определения вязкости расплава по химическому составу.
Введение
Исследования свойств золы твердого топлива в расплавленном состоянии имеют большое значение для разработки технологий энергетического сжигания. В частности, наличие минеральных продуктов, полностью или частично расплавленных, приводит к шлакованию поверхностей нагрева котлов, а также к образованию связанно-шлаковых и некоторых видов первичных натрубных отложений [1]. Новым технологиям использования кан-ско-ачинских углей на основе глубокого термического воздействия на топливо в стадии его подготовки к сжиганию (внутрицикловая газификация, частичная пиролитическая газификация, предварительный высокотемпературный подогрев) свойственна резко выраженная восстановительная среда, которая благоприятствует плавлению.
В топках с жидким шлакоудалением от термофизических свойств и состава шлакового расплава
зависит работоспособность всей котельной установки, так как нарушения нормального процесса шлакоудаления лимитируют маневренность котла и саму возможность несения им нагрузки. Хотя применение топок с жидким шлакоудалением для сжигания канско-ачинских углей в настоящее время сокращается, в регионах Сибири таких котлов насчитывается около шести десятков с суммарной паропроизводительностью более 21000 т/ч [2]. Поэтому для повышения надежности традиционной технологии сжигания в режиме жидкого шлакоуда-ления не исчерпана потребность в изучении вязкости как свойства, влияющего на эвакуацию шлака из топочной камеры.
Новые технологии сжигания углей с переводом минеральной составляющей в расплавленное состояние (внутритопочная газификация угля под слоем шлакового расплава, полная переработка угля в барботируемых шлаковых расплавах) относят к числу наиболее перспективных для энергетики
[3]. Совершенствование этих технологий безальтернативно основывается на изучении процессов шлакообразования и вязкостных свойств расплавов.
В связи со сложностью экспериментальной базы, требующей уникального оборудования, и значительной трудоемкостью самого эксперимента среди задач исследования вязкости по-прежнему актуальна разработка расчетных методов ее определения [4].
Методы исследования
Для измерения вязкости расплавов использован вискозиметр ТПУ с коаксиальными цилиндрами
[5] и с измерительной системой Н.В. Трикашного
[6], протарированный по эталонному веществу. Измерения выполнялись при многократном повторении циклов нагрева и охлаждения в диапазоне температур выше значения, определяемого по стандарту для начала жидкоплавкого состояния.
Состав исследованных проб охарактеризован методом химического силикатного анализа. По его результатам введены некоторые упрощения состава пересчетом на уравнение: Si02+Fe203+Al203+Ca0+Mg0=100 %. Во-первых, реальные жидкие шлаки канско-ачин-ских углей содержат незначительное количество щелочных и серных соединений, дегазирующих в процессе шлакообразования. Естественно, эти соединения не оказывают существенного влияния на величину вязкости расплава и поэтому могут быть исключены из рассмотрения. В связи со сравнительно малым содержанием не учитывается наличие в шлаке ТЮ2. Во-вторых, железо в расплаве может находиться в различных формах, что имеет место как в реальной топке, так и в условиях лабораторных измерений вязкости. Разнообразие форм железа (окис-ное, закисное, металлическое) не может не сказаться на характеристике вязкости; но пока не представляется возможным количественно характеризовать соотношение отдельных форм, можно принять, что все железо в расплаве представлено трехвалентной формой, и вести анализ применительно к общему (эквивалентному) содержанию Бе203.
Для характеристики кристаллической фазы расплава, температура которого изменялась с той же скоростью, что и при измерении вязкости, с помощью молибденового стержня, погруженного в молибденовый тигель на полную глубину, отобраны пробы, которые с целью сохранения структуры расплава сразу же закаливались в проточной воде с температурой 2...5 °С. После закаливания пробы были растерты в агатовой ступке до получения однородного порошка, после чего приготовлены иммерсионные препараты, которые исследовались на поляризационном микроскопе МИН-8. Количественная оценка кристаллической фазы проводилась визуальным подсчетом освещенной площади поля наблюдения при скрещенных николях и сравнением ее с площадью поля наблюдения, занятого частицами, при параллельных николях.
Для тех же порошковых проб шлака выполнен рентгенофазовый анализ на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3. Полученные дифрактограм-мы обрабатывались с целью идентификации состава и параллельной оценки доли кристаллической фазы в расплаве.
Характеристики вязкости
Экспериментальные зависимости вязкости от температуры, соответствующие охлаждению расплава, представлены на рис. 1. Наряду с результатами автора использованы экспериментальные данные Н.В. Трикашного [6], полученные в идентичных условиях. Данные по составу исследованных проб шлака приведены в табл. 1.
Согласно признакам, выявленным ранее [6] и уточненным по более представительным данным, профиль характеристик вязкости позволяет разделить их на три группы. К одной из них относятся расплавы с большим значением отношения Si02/Ca0 (порядка 2,0.2,5 и более). Характеристики вязкости пологие (рис. 1, а), не имеют резко выраженных изломов, располагаются на графике в области повышенных значений вязкости и температуры. По мере увеличения содержания СаО характеристики смещаются в сторону понижения вязкости и температуры. Согласно градации шлаков по численным значениям предэкспоненциаль-ного показателя зависимости вязкости от температуры расплавы этой группы относятся к так называемым «длинным» шлакам. Кислый состав определяет низкую кристаллизационную способность, поэтому они при охлаждении затвердевают, как правило, в стекловидном состоянии либо переходят из истинно-жидкого состояния при больших значениях вязкости (100 Пах и более). Для таких расплавов температура нормального жидкого шла-коудаления ограничивается условным значением вязкости 20 Па.с, а течение их подчиняется закону для истинной (ньютоновской) жидкости, определяемому уравнением ¥=п(ду/йх), где / - сила взаимодействия между отдельными слоями жидкости при течении, п - вязкость жидкости, йу/йх - градиент скорости по слою текущей жидкости [7].
Другая группа расплавов представлена вязкостно-температурными кривыми, которые имеют характерные изломы, разделяющие их на два участка: пологий в области высоких температур и крутонаклонный в области пониженных температур (рис. 1, б). Пологие участки кривых имеют те же тенденции изменения местоположения на графике от соотношения кислых и основных компонентов, что и характеристики расплавов первой группы, и соответствуют условию течения истинной жидкости. Излом вязкостно-температурной кривой с переходом ее в крутонаклонный участок свидетельствует о том, что расплав теряет свойство истинной жидкости, т.е. способность к самопроизвольному течению. Такое изменение реологических свойств
объясняется появлением значительного количества кристаллической фазы, в результате чего расплав переходит в пластическое состояние, для которого течение расплава определяется уравнением Бингама-Шведова ¥=0+п{йу/йх), где 0 - максимальное напряжение сдвига [8].
2/7, Па с___________________________________________
X УЧ ' >—
\ \ , • • ■—- - г' ^
- X ". Ч^..Л \Х-. • .
\ О'ч!4 . 2'
ч.
** 7 "Ч.
107 С »
9/
Г^Т XX V 22 , - тт^ т
18 17 - V Г у >1 , Ч| к Г ' ч! ^41 МзЖШёШц
/%> 16
г — ■
25 ^ 19 / ^^Ч^2(ТЧ.
24 Ч^? Х. I:
~Л до 1 1 „А : "Л 1
у у 42 \ “Т V >-35 \:
1 й \29 7 \ Ч' 41
- —144| —/И \\\\1 , х лк|\
/1 / 1 1 34 \43 / ^ \
1100 1300 1500 /, °С
Рис. 1. Зависимость вязкости от температуры при охлаждении расплавов золы\ различного состава (цифровые обозначения соответствуют табл. 1): а) 5Ю2/Са0>2,0... 2,5; б) ^\0г/Са0=1,0-2,5; в) ^\0г/Са0>1,0. Уголь: — ир-
ша-бородинский;---березовский; — назаровский;
...урюпский
На фиксируемое положение точки излома характеристики влияют скорость нагрева и частота вращения коаксиальных цилиндров вискозиметра. При обеспечении очень низкого темпа снижения температуры расплава (3...5 град/мин) проявляется связь местоположения точки излома с составом (рис. 1, б): чем ниже показатель кислотности, тем выше температура и меньше вязкость расплава в точке излома. Таким образом происходит переход от характеристик вязкости «длинных» шлаков к характеристикам, типичным для «коротких» шлаков. Отношение 8Ю2/СаО для расплавов второй группы лежит в диапазоне приблизительно от 0,95 до 2,5, а вязкость расплава в точке излома характеристики составляет от 0,7...1,0 до 50 Пах.
Третья группа характеристик вязкости (рис. 1, в) свойственна расплавам высокоосновного состава (отношение 8Ю2/СаО преимущественно <1). Высокая кристаллизационная способность расплавов проявляется при малых значениях вязкости (менее 1,0 Па.с) и позволяет отнести их по профилю ха-
рактеристик вязкости к предельно «коротким» шлакам. Участок характеристики, соответствующий закономерностям течения истинной жидкости, общепринятыми экспериментальными методами обнаружить затруднительно.
Естественно, классификация расплавов по параметру 8Ю2/СаО является в значительной мере условной, поскольку не учитывает влияния других компонентов состава. Это выражается наложением диапазонов показателя 8Ю2/СаО между I и II, II и III группами составов по табл. 1.
Влияние кристаллизации на вязкость
Как показано [8], в ходе нагрева кристаллизующийся шлак, с началом образования жидкой фазы представляющий собой гетерогенную систему, становится пластичным и способен деформироваться лишь под воздействием усилия, превышающего величину напряжения сдвига, которая с ростом температуры уменьшается. Состояние расплава, в котором жидкая фаза становится преобладающей в гетерогенной системе, соответствует структурированной жидкости и сохраняется теоретически до полного растворения взвешенных в жидкой фазе кристаллов. Вместе с тем при небольшом содержании кристаллов, когда они механически не взаимодействуют, шлак ведет себя как гомогенная среда и, в частности, способен к самопроизвольному течению от действия собственного веса. При охлаждении расплава происходит смена этих состояний в обратной последовательности. Поскольку состояние структурированной жидкости в условиях измерения вязкости с конечной скоростью изменения температуры является неравновесным, в температурной области ниже ликвидуса возникает «гистерезис» вязкости. Согласно представлениям [7], при нагревании шлака происходит запаздывание растворения кристаллов и вследствие этого вязкость расплава завышается, а при охлаждении сказывается запаздывание кристаллизации, в результате чего вязкость занижается. Как видно из приведенных характеристик (рис. 1, в, г), незначительное изменение температуры и даже выдержка при неизменной температуре могут вызвать резкое изменение свойств расплава кристаллизующегося шлака. Поэтому для кристаллизующихся шлаков температура нормального жидкого шлакоудаления (/нж) определяется по температуре точки разветвления характеристики вязкости (¿0) из условия /нж>/0.
Для исследования кристаллической фазы в расплаве выбрана проба золы березовского угля с составом, типичным для кристаллизующихся шлаков: 8Ю2=21,50 %, СаО=49,11 %, Fe203=7,40 %, А1203+ТЮ2=14,20 %, М80=6,80 %, Ш20+К20=0,99 %. Для данного расплава получена характеристика динамической вязкости (рис. 2), разветвляющаяся при нагреве и охлаждении расплава. В соответствии с этим для данного расплава параметры перехода в истинно жидкое состояние определяют: Г0=1425 °С при вязкости п0=1,0 Па.с.
Таблица 1. Химический состав расплавов золы
№ х-ки вязкости Зольность угля А1, % Компоненты бессульфатной массы, мас. % Отноше- ние БЮ2/Са0
бю2 Са0 Ре20э А!20э Мд0
1 28,11 65,95 11,51 8,30 13,50 0,74 5,73
2 30,06 65,20 12,52 6,88 13,61 1,79 5,21
3 23,28 64,57 14,78 11,05 6,83 2,77 4,37
4 11,60 49,60 13,79 4,31 28,39 3,91 3,60
5 14,18 55,54 15,40 5,01 21,12 2,93 3 , 61
7 10,08 59,33 19,99 6,44 9,33 4,91 2,97
8 15,00 55,61 22,39 5,46 13,70 2,84 2,48
9 9,70 54,62 22,51 4,19 14,54 4,14 2,43
10 12,04 54,54 26,18 5,92 10,81 2,55 2,08
11 14,93 48,80 24,34 13,74 10,36 2,76 2, 00
12 7,89 52,05 20,71 10,33 10,50 6,41 2,51
13 9,02 57,00 25,89 6,38 6,10 4,63 2,20
14 7,99 52,57 24,44 6,45 11,72 4,72 2,16
15 9,05 47,74 22,41 15,11 10,90 3,84 2,13
16 7,91 50,98 26,63 7,84 11,39 3,16 1,91
17 12,73 44,87 27,29 10,02 12,48 5,34 1,64
18 7,77 44,98 28,02 8,21 15,47 3,32 1,61
19 7,08 44,18 28,16 10,53 11,26 5,87 1,57
20 7,20 41,35 31,84 8,98 13,21 4,62 1,30
21 7,81 38,17 30,50 14,51 13,68 3,14 1,25
22 9,51 40,57 34,65 12,67 7,18 4,93 1,17
23 10,17 38,63 34,92 11,63 12,81 2,01 1,11
24 6 , 92 30,59 30,92 20,21 15,95 2,33 0,99
25 7,55 32,48 32,72 12,45 18,87 3,48 0,99
26 9 ,00 35,06 35,62 12,84 11,88 4,60 0,98
27 8,86 35,86 37,26 9,32 15,62 1,94 0,96
28 6,04 35,23 38,68 9,22 10,42 6,45 0,91
29 5,80 32,17 33,94 17,54 13,27 3,08 0,95
30 11,80 38,65 28,70 13,46 16,90 2,29 1,30
31 5,96 36,64 37,14 8,61 11,40 6,21 0,99
32 8,67 33,73 40,76 14,81 6,58 4,12 0,83
33 6,98 34,99 45,30 6,59 7,51 5,61 0,77
34 5,07 27,98 40,70 16,70 7,85 6,77 0,67
35 5,13 25,23 37,98 20,55 9,21 7,03 0,66
36 6,90 25,61 46,09 10,73 12,82 4,75 0,56
37 5,24 26,49 51,48 10,47 3,72 7,84 0, 51
38 6,24 25,30 51,53 5,99 12,23 4,95 0,49
39 3,68 19,96 48,56 10,00 11,15 10,33 0,41
40 3,81 18,27 49,17 11,23 14,36 6,97 0,37
41 3,78 16,79 49,32 14,33 11,12 8,44 0,34
42 4,95 14,46 45,66 18,75 11,48 9,65 0,32
43 4,16 15,88 54,43 8,83 12,39 8,47 0,29
44 4,50 13,56 54,20 17,94 5,12 9,18 0,25
45 8,27 9,91 50,96 24,71 7,67 6,75 0,19
крупных, имеющих округлую или вытянутую форму, а также за счет длинных ветвеобразных нитей кристаллов. При охлаждении до 1350 °С содержание кристаллической фазы заметно увеличивается главным образом за счет укрупнения всех кристаллов, а при 1300 °С кроме того появляются кристаллические агрегаты с постепенным переходом в аморфное вещество.
Изменение количества кристаллической фазы в расплаве обнаруживает связь с профилем характеристики вязкости (рис. 2).
Морфология кристаллов в расплаве в процессе изменения его температуры выглядит следующим образом. При температурах от 1620 до 1550 °С в расплаве имеются немногочисленные кристаллы в виде отдельных прозрачных частиц размером менее 1 мкм. В области температур от 1527 до 1474 °С несколько возрастает общая степень окристалли-зованности и встречаются более крупные кристаллические образования в виде отдельных прозрачных игл и даже их сростков с размерами 10.20 мкм, причем значительно возрастает количество мелких кристалликов. По мере снижения температуры от 1450 до 1375 °С степень окристал-лизованности постепенно растет за счет не только мельчайших кристалликов, но и появления более
1400 1500 1600
Рис. 2. Изменение содержания кристаллической фазы: а) в охлажденном расплаве и б) характеристика его вязкости
Отмечается несовпадение температуры ¡0 с состоянием ликвидуса, которое для данного расплава лежит в области выше 1620 °С. Это свидетельствует о незначительном влиянии кристаллической фазы на измеряемую динамическую вязкость расплава при малой степени кристаллизации. Изменение профиля характеристики вязкости происходит при содержании кристаллической фазы в расплаве 10.13 %, что совпадает с данными других исследований [7].
Как следует из оптического анализа, в области температур выше этой точки процесс кристаллизации развивается за счет образования центров кристаллизации, а при более низких температурах главную роль играет рост уже образовавшихся кристаллов. Отсюда можно видеть, что первый излом
характеристики вязкости охлаждаемого расплава соответствует началу интенсивного увеличения содержания кристаллической фазы. Второй излом характеристики, который не находит заметного отражения на кривой изменения содержания кристаллической фазы, можно объяснить переходом шлака в состояние, близкое к пластическому, когда постепенное увеличение количества кристаллов приводит к резкому возрастанию вязкости за счет значительного дополнительного динамического воздействия твердых частиц на измерительную систему вискозиметра и за счет их взаимного трения.
Рентгенограммы расплава показывают, что формирование кристаллической фазы идет за счет минеральных образований, главные отражения рентгеновской дифракции которых соответствуют меж-плоскостным расстояниям: ^/п=2,68; ¿/я=2,72; ^/«=3,09. Возможные продукты, идентифицируемые этими и другими отражениями на рентгенограммах, перечислены в табл. 2. Кроме того, к ним могут относиться модификации двухкальциевого силиката 2СаОБЮ2 в сочетании с трехкальциевым силикатом 3СаОБЮ2.
Таблица 2. Варианты идентификации фазы, кристаллизирующейся в расплаве золы, по данным РФА
№ Наименование и формула Справочные данные по межпло-скостным расстояниям (в последовательности убывающей интенсивности рентгеновских отражений) Источ- ник данных
1 3CaO.Al2O3 2,69 1,91 1,555 3,04 3,78 [10]
2 2CaO.Fe2O3 2,69 1,94 2,84 1,585 [10]
3 Браунмиллерит 4CaO-Al2O3.Fe2O3 2,66 2,78 1,93 2,05 1,58 1,53 [10]
4 Гроссуляр 3CaO-Al2O3.3SiO2 2,66 2,32 2,65 1.58 1.58 1,64 2,96 2,97 1,92 1,71 2,42 [9] [11]
5 Мервинит 3CaO-MgO-2SiO2 2,65 1,87 2,73 1,90 2,30 1,53 2,20 2,94 2,03 2,83 [10]
6 Андрадит 3CaO-Fe2O3.3SiO2 2,70 3,02 1,61 [11]
7 Повеллит CaO^O3 3,10 3,08 1,93 1,92 1,84 1,753 4,76 4,71 3,41 1,686 1,589 2,601 1,982 1,545 2,276 [11] [12]
ли относительно выводов о связи вязкости расплава с процессом кристаллизации. С другой стороны, образование повеллита ведет к уменьшению содержания в жидкой фазе кальция, основного кристаллообразующего компонента, и тем замедляет образование других кристаллов на основе кальция.
Сравнение данных других авторов [8, 13] по температуре разветвления характеристик вязкости
(4) и экспериментально определенной температуре нормального удаления шлака из топок (/нж), температуре ликвидуса (/л) для зоны основного состава показано на рис. 3.
2000
1800
1600
1400
1200
/ /
/ 1
_ _iö / * 1
/ / Ч 1 V <>
1 Л \ / / и
о )
П V о ^ о Г>
/V\( п > О гу уУ
Л s А) ЧЧН о ^ ^ оо о
10
20
30
40
50
60 CaO, %
Изменение интенсивности отражений рентгеновской дифракции основных минералов в расплаве в целом согласуется с профилем характеристики вязкости и с данными оптического анализа. В частности, подтверждается физическая причина расхождения ветвей характеристики при нагреве и охлаждении расплава, объясняемого влиянием разницы в скорости образования и растворения кристаллов. Вместе с тем видно, что эта разница не ограничивается точкой /0.
Следует отметить, что образование молибдата кальция в расплаве (см. табл. 2) является результатом взаимодействия с тиглем. Это имеет значение для методического обеспечения измерения вязкости подобных расплавов, но не играет существенной ро-
Рис. 3. Характерные температурные состояния шлаковых расплавов в зависимости от содержания CaO [8, 13]
Имеет место хорошее совпадение t0 и tHK во всем исследованном диапазоне составов кристаллизующихся расплавов. Несмотря на то, что для высокоосновных шлаков (CaO>45 %) переход из структурированного в истинно жидкое состояние по характеристикам вязкости фиксируется условно, величина t0 удовлетворяет практической задаче определения области температур надежного течения расплава.
Связь вязкости с химическим составом
Изменение вязкости от температуры для истинно жидкого состояния расплава описывается формулой Френкеля [13]:
W
n = A exp| —
(1)
где А - предэкспонент для данного состава; Я - постоянная Больцмана; Ж - энергия активации вязкого течения.
Согласно классической теории механических свойств жидкостей [13], значения А и Ж зависят от температуры и состава. Если не учитывать влияние температуры на А и Ж, что удовлетворяет достаточной точностью расчетов, то можно записать:
= а - ЪТ, (2)
где а, Ь - коэффициенты, зависящие от состава расплава.
Уравнению (2) соответствует прямолинейный отрезок характеристики вязкости в полулогарифмических координатах в области истинно жидкого состояния. Отсюда усматривается возможность подхода к поиску аналитического выражения вязкости от химического состава.
Действительно, имея экспериментальные графики вязкостно-температурной зависимости для различных расплавов, можно определить численные значения коэффициентов а и b через отрезки, отсекаемые на осях координат. Эти коэффициенты можно представить в виде функций: a,= / [(Siüj) + (FeA) + (Al^) + (CaO) +(MgO) ], b= /2[(SiO2) + (Fe2Ü3)i + (AlA) +(CaO)i +(MgO)],
которые являются алгебраической суммой произведений, один из сомножителей которых представляет собой содержание какого-то компонента, а другой - его весовой (вязкостный) коэффициент. Для нескольких анализируемых расплавов получаются системы линейных алгебраических уравнений:
fa =k (SiO2)j +1 (Fe2O3)j + m (Al2O3)t + n (CaO)t + p (MgO)j
an =k (SiO2)n +1 (Fe2O3) n + m (Al2O3) n + n (CaO) n + p (MgO) n b = K (SiO2)j + i(Fe2O3)j + M (Al2O3)j + N(CaO)t + P(MgO)t
[bn = K (SiO2)n + L (Fe2O3) n + M (Al2O3) n + N (CaO) n + P (MgO) n
Изложенным графо-аналитическим методом обработаны полулогарифмические характеристики вязкости 40 расплавов золы и шлаков канско-ачин-ских углей, полученные на ротационном вискозиметре ТПУ и имеющие слабонаклонный прямолинейный участок в области, условно определяемой как истинно жидкое состояние. Массив исходных данных анализировался для всего множества сочетающих систем линейных алгебраических уравнений.
С учетом константы вискозиметра, связывающей измеряемый прибором крутящий момент с логарифмом вязкости, и в итоге последовательного сужения доверительного интервала значений весовых коэффициентов, участок условного истинно жидкого состояния описан следующим образом: a- b (t- c)
П=—^; a=6,69SiO2+0,44Fe2O3+3,15Al2O3-8,61CaO+2,74MgO; b=27,14SiO2+18,30Fe2O3+11,46Al2O3-2,68CaO+21,30MgO, c=1100 °C.
Абсолютные значения и знак весовых коэффициентов а и Ь позволяют оценить влияние отдельных компонентов состава на положение графика вязкости расплава.
Сравнение значений а и Ь с определенными по эксперименту показывает, что отклонения соизмеримы суммарно с погрешностью измерения вязкости и с погрешностью химического анализа.
Заключение
Целесообразность исследования взаимосвязи химического состава и вязкости зол и шлаков обычно мотивируется потребностью косвенной оценки параметров течения не прибегая к непосредственному измерению. Такая постановка вопроса применительно к энергетическим шлакам актуальна, т.к. экспериментальные измерения вязкости расплавленных шлаков очень трудоемки, требуют специального оснащения и поэтому не отвечают потребностям оперативного контроля и краткосрочного прогнозирования, особенно при изменении характеристик угля, поступающего для сжигания в котельные установки.
Рассмотренный подход к аналитическому определению вязкости расплавов золы и шлаков углей дополняет известные аналитические методы ускоренной оценки текучести шлака, некоторые из которых не распространяются на высококальциевые составы золы. Большинство методов ориентированы на определение температуры нормального жидкого шлакоудаления /нж и тем самым задают нижний предел области температур в топочной камере над шлаковой леткой, но не позволяют оценить изменения текучести шлака внутри этой области, что имеет значение для ряда технологий, связанных с расплавленным состоянием минеральной части топлива.
Предложенный метод дает такую возможность, но в отличие от известных не требует подсчета вязкости при нескольких значениях температуры. Достаточно определить химический состав шлака или золы угля, затем получить параметры, по которым построить отрезок характеристики в области истинно жидкого состояния. Для определения ¡0 на этом отрезке следует нанести точку, найденную по предложенной в [8] функции /0=ДСаО). При этой методике важно то, что можно четко установить, каким из действующих критериев нормального шлакоуда-ления нужно воспользоваться: температурой, ограничивающей истинно жидкое состояние (4), или температурой, соответствующей вязкости 20 Пах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Заворин А.С., Раков Ю.Я. Феноменологические модели образования натрубных отложений в котлах // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - № 1. - С. 144-150.
2. Пугач Л.И. Проблемы рационального использования канско-ачинских углей на ТЭС. - Новосибирск: Изд. НЭТИ, 1992. - 215 с.
3. Новые подходы к технологии использования твердого топлива в электроэнергетике / А.Ф. Дьяков, А.А. Мадоян, В.И. Доброхотов и др. // Теплоэнергетика. - 1998. - № 2. - С. 14-19.
4. Алехнович А.Н. Расчет вязкости шлаковых расплавов и его использование для анализа применимости непроектных углей // Теплоэнергетика. - 2003. - № 12. - С. 20-25.
5. Заворин А.С., Лебедев П.К., Казанов А.М. О выборе основных рабочих характеристик прибора для измерения вязкости шлаковых расплавов // Сжигание углей Канско-Ачинского бассейна: Сб. научн. статей. - Томск: Изд-во ТПИ, 1972. - С. 63-71.
6. Трикашный Н.В. Теплотехнические характеристики углей некоторых месторождений Канско-Ачинского бассейна: Дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 1968. - 192 с.
7. Залкинд И.Я., Троянкин Ю.В. Огнеупоры и шлаки в металлургии. - М.: Металлургиздат, 1964. - 288 с.
8. Залкинд И.Я., Вдовченко В.С. Вязкость и структура шлаковых расплавов при жидком шлакоудалении // Минеральная часть топлива и ее роль в работе энергетических устройств: Матер. Всесоюзн. научно-техн. совещ. - Алма-Ата, 1971. - С. 97-105.
9. Михеев В.И. Рентгенометрический определитель минералов.
- Т. 1. - М.: Госгеолтехиздат, 1957. - 868 с.
10. Миркин Л.И. Справочник Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. - М.: Физматгиз, 1961. - 863 с.
11. Винчелл А.Н., Винчелл Г. Оптические свойства искусственных минералов. - М.: Мир, 1967. - 526 с.
12. Михеев В.И., Сальдау Э.П. Рентгенометрический определитель минералов. - Т. 2. - Л.: Недра, 1965. - 363 с.
13. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. - Л.: Наука, 1975. - 599 с.
УДК 536.24:666.973.2:666.64.492.3:692.2
ДВУМЕРНЫЙ НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОПЕРЕНОС В НЕОДНОРОДНОЙ КЕРАМЗИТОБЕТОННОЙ СТЕНЕ
А.Н. Хуторной, А.Я. Кузин, А.В. Колесникова, Н.А. Цветков
Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: [email protected]
Разработана конструкция монолитно возводимой керамзитобетонной наружной стены с упорядоченным расположением в толще вертикальных паронепроницаемых составных опалубок с эффективным утеплителем. На основе физико-математической модели численно выполнен параметрический анализ влияния различных факторов на тепловые режимы керамзитобетонной стены. В климатической камере объемом 58 м проведено экспериментальное исследование полей температуры и теплозащитных свойств фрагмента стены размером 2х2х 0,3 м. Получено удовлетворительное согласие результатов расчета и эксперимента по температурным полям и плотностям тепловых потоков, что позволяет рекомендовать к практическому использованию разработанную численную методику.
В работе [1] показано преимущество использования монолитно возводимых керамзитобетонных наружных стен зданий с вертикальными пустотами, заполненными утеплителем [2]. Предложенный способ утепления позволяет повысить теплозащитные свойства стены на 30.50 % и уменьшить ее массу на 20 %. Для исключения возможности образования зоны конденсации в слое утеплителя внутреннюю опалубку можно выполнять из паронепроницаемых, например, полимерных материалов, а стыки ее составных элементов герметизировать высокоадгезионным материалом.
Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей процессов теплопереноса в таких неоднородных конструкциях чрезвычайно важны для обоснования предложенного способа повышения их теплозащитных свойств, особенно при строительстве в Сибири.
Рассмотрим теплоперенос через плоскую неоднородную систему, состоящую из керамзитобето-на 1 с осевым отверстием, заполненным утеплителем 2 (рис. 1). Форма керамзитобетона и утеплителя - прямые параллелепипеды, поперечные сечения которых - квадраты со сторонами й1 и 4 соответственно. Известны теплофизические характеристики (ТФХ) (А;,р;,С;,/=1,2) материалов системы, ее геометрические размеры, температуры наружной (^е) и внутренней (^;|И) сред, коэффициенты теплоотдачи на наружной (а,) и внутренней (а0) поверхностях ограждения.
Необходимо рассчитать поля температур и плотностей тепловых потоков в поперечном сечении неоднородной керамзитобетонной стены.
Теплоперенос в поперечном сечении неоднородного керамзитобетонного фрагмента стены в областях 1 и 2 описывается двумерными нелинейными нестационарными уравнениями теплопроводности
д1‘ д ( п Щ1+ 5 ^
1+#1М I• i-и- (1)
с начальными и граничными условиями t1-с- tin(X У)• i-1,2;
.dt, ,
—Л дх ' x-С —ас (tg ins — tC)’
, dL\
, ах Iх- xk
dt,
-a(t — t );
w V g e w ‘ >
— - o
dyly-c ;
dti| - с-
dyly-Yk ;
-12
dti dx \
dt2
x-X, l2 | x-X, • Л dx \x-Xi ^2 dx \x-X i
. dt,I , dtii
dxlx-X2 ^ dxV-X2
dt2
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Y < У < Y>; (7) Г, < y < Y2;(8)
