разное

Процессы, протекающие в пеностекле в интервале температур отжига *

Расчет скорости охлаждения изделий из массивного стекла [297, 298] и пеностекла [14] рекомендуется проводить по фор­муле, разработанной и экспериментально проверенной А. Н. Даувальтером [84]:

3Rk (1 — (і) __ зЯд(І-р) (514)

A Ecyd? aEd2

Здесь v — скорость охлаждения, °С/ч; R — максимально допустимые напряжения на поверхности изделия, кгс/см2; % — коэффициент теплопроводности, ккал/(м-ч-"С)\ с — удельная теплоемкость, ккал!(кг-°С)-, а — коэффициент термического расширения, °С-1; у— плотность, кг/лг3; Е — модуль упруго­сти, кгс/см2-, р, — коэффициент Пуассона; d — полутолщина из­делий при двустороннем охлаждении, м\ a^Xjcy— коэффици­ент температуропроводности, м2/ч.

Приведенная формула учитывает лишь напряжения, возни­кающие при безопасном охлаждении изделия, но не учитыва­ет тех, которые остались в нем к моменту начала охлаждения. Разброс в значениях скоростей охлаждения пеностекла при от­жиге, рекомендуемых на основании расчетов или эксперимен­тальных данных (табл. 22), объясняется большой сложностью процесса и отсутствием экспериментальных данных о свой­ствах пеностекла в интервале температур отжига, необходи­мых для выполнения соответствующих расчетов.

Исследование теплофизических свойств. Из пеностекла, по­лученного на основе стекла 6Н, готовились образцы цилиндри­ческой формы радиусом 2,5 см и длиной 30 см. Скорость нагре­ва образцов составляла 3 °С/мин. Средние величины получен­ных значений коэффициента температуропроводности приведены в табл. 23. Данные при 0 °С получены путем экстра-

Исследование выполнено с участием кандидата технических наук В. И.

Пилецкого.

Полиции результатов эксперимента в области более высоких значений температуры. Величина теплопроводности пеностекла в исследуемом интервале температуры (20—500 °С).была рас­считана на основании зависимости а = К/су [203]. Значения удельной теплоемкости стекла при различной температуре при­няты из работ [94, 297]. Влияние удельной массы газа в пено­стекле при расчете не учитывалось.

Результаты определений теплопроводности, выполненные различными авторами (рис. 5.16) [1, 94, 301, 302], и произве­денные нами расчеты показывают, что теплопроводность пено­стекла, как и других материалов с аморфной твердой фазой, подчиняется общей закономерности ее роста с повышением температуры. Приведенные в литературе данные только по объемной массе пеностекла не позволяют сопоставлять резуль­таты зависимости K=f(t), так как даже при одинаковой объемной массе на теплопроводность материала существенное влияние оказывают размер и форма пор, а также степень их

Таблица 22

Скорость охлаждения пеностекла при отжиге

Температурный

Скорость охлаждения,

Литература

Интервал, °С

"С/мин

600—50

0,2—0,3

[16]

600

Выдержка 3 ч

[15]

600—200

0,7

200—50

1,2-1,4

520-30

0,79

[14]

600

Выдержка 2—3 ч

[299]

600-200

0,7-1,0

200—50

1,2-2,0

600-400

0,37-0,42

[11]

400-50

0,73

635-50

0,6

[13]

600

Выдержка 4—6 ч

[12]

600-26

0,46

[50]

600-30

0,5-0,8

Таблица 23

Температуропроводность пеностекла в области температур отжига

Газообразо­ватель

Объемная масса, кг/м3

А-103, м'/ч при заданной t, °С

Диаметр ячеек, мм

0

100

200

300

400

500

Антрацит Сажа

180 175

2-2,5 1-1,5

1,58 1,46

2,04 1,74

2,52 1,95

3,10 2,22

3,59 2,63

4,07 2,93

Связанности между собой [303]. Если, согласно работам А. Ф. Чудновского [302], Л. Л. Васильева и Ю. Е. Фраймана [305], в дисперсных материалах (размер тор 2—3 мкм) при небольших градиентах температуры эффектами конвективного переноса тепла и лучистой теплопроводности можно прене­бречь, то полученные нами данные подтверждают выполнен­ные И. С. Камерером [306] расчеты, а также данные, приво­димые Ф. Шиллом [1], о значитель­ном росте эффективной теплопро­водности газовой 'фазы при увеличе­нии диаметра пор в материале за счет опережающего увеличения лу­чистой теплопроводности.

Так как качественное пеностекло характеризуется большим количест­вом закрытых пор, давление газовой фазы в которых меняется при изме­нении температуры, то это также мо­жет влиять на характер изменения его теплопроводности. Данное пред­положение согласуется с результата­ми работы [307] о зависимости теп-

Рис. 5.16. Зависимость коэффициента тепло­проводности пеностекла от температуры по данным: 1, 2 — расчета; 3 — JI. М. Бутта и Э. 3. Житомирской [75]; 4 — 1. Хаазе [300]; 5 — В. Шулле [301]; 6 — фирмы Корнинг [2] ЮО 300 500 t^Z

Лопроводности некоторых теплоизоляционных материалов от давления и состава атмосферы.

Дилатометрические свойства пеностекла. Результаты иссле­дования (табл. 24) показывают, что коэффициент термическо­го расширения пеностекла соответствует коэффициенту тер­мического расширения исходного стекла, определенного по стандартной методике [304].

Процессы, протекающие в пеностекле в интервале температур отжига *

Полученное нами значение коэффициента термического расширения пеностекла 2Н близко к результатам исследований И. И. Китайгородского и Т. JI. Ширкевич [308], которые на аналогичном пеностекле получили значение а = 93-10~7 на образцах 10X10X50 мм. Значения температуры начала де­формации (7"н. д) и трансформации (Tg) при испытании образ­цов пеностекла имеют несколько больший разброс, чем у ис­ходных стекол, и не всегда отчетливо выражены при графиче­
ском изображении результатов эксперимента. Это можно объяснить влиянием структуры пеностекла на его деформатив - ную способность в области температур трансформации. Влия­ние толщины образца на его деформацию в области темпе­ратуры размягчения стекла ранее изучалось А. П. Заком [309], который установил, что уменьшение диаметра образца (стекловолокна) резко снижает температуру, соответствующую одинаковой деформации более массивного образца. Этим мож-

Таблица 24

Коэффициент термического расширения пеностекла и исходных стекол в интервале температуры 20—500 °С

Материал

А.10"', °С"1

Т н. д

Тё

О

С

Пеностекло 2На

92,0

530+10

510+5

Пеностекло 6На

89,5

560+10

540+5

Стекло 2Н

92,8

540 + 2

510 + 2

Стекло 6Н

88,9

575 ±2

540+2

Но также объяснить снижение Ти. д пеностекла по сравнению с исходным стеклом (табл. 24).

Результаты исследования линейного расширения пеностек­ла указывают на близость термических свойств стекла и пено­стекла, что не соответствует выводам И. И. Китайгородского с соавторами [310] о большом разбросе в значениях коэффици­ента термического расширения пеностекла без какой-либо за­кономерности и совпадает с выводами Т. J1. Ширкевич [267] о соответствии термических свойств исходного стекла и пено­стекла.

Зависимость механической прочности пеностекла от темпе­ратуры. При определении термомеханических характеристик образцы пеностекла, предназначенные для испытаний на сжа­тие, помещались в трубчатую печь, обеспечивающую изотер - мию образца и передачу на него усилий сжатия. Испытуемые образцы (7X7X7 еж) нагревались со скоростью 3 °С/мин и последующей выдержкой при температуре опыта в течение 20 мин. Для учета влияния объемной массы образцов на проч­ность пеностекла полученные результаты выражались в едини­цах эффективной (приведенной) прочности (Япр), равной от­ношению прочности к объемной массе. Они показаны на рис. 5.17 в виде зависимости Rnp=f(t).

При испытании образцов пеностекла на изгиб рабочий ор­ган машины МИИ-100 находился в печи с регулируемой тем­пературой. После установки образцов размером 4X4X16 см
печь разогревалась со скоростью 3° С/мин до температуры опыта, которая поддерживалась на достигнутом уровне в те­чение 20 мин.

Полученные данные (рис. 5.17) позволяют сделать вывод о том, что прочность пеностекла с повышением температуры плавно уменьшается, не обнаруживая резких изменений в ис­следованном интервале температуры. Некоторое ускорение снижения прочности у пеностекла 2Н при температуре 500 °С

Связано, по-видимому, с прибли­жением к области трансформации стекла.

Влияние температуры на проч­ность хрупких материалов, как указывал А. Смекал [311], прояв­ляется в ослаблении связей меж­ду атомами из-за тепловых коле­баний, действующих во всей тем-

Рис. 5.17. Зависимость приведенной проч­ности (RnP) пеностекла от температуры: 1, 2, — на основе стекла 2Н и антрацита (2На); 3, 4— то же (6На); 5, б —для 6Н и сажи (6Нс)

Пературной области от абсолютного нуля до температуры де­формации? а также в релаксации опасных напряжений вслед­ствие вязкой текучести и поверхностной диффузии, приводящей к закруглению краев микротрещин и уменьшению концентра­ции напряжений у их вершин. Полученная нами зависимость прочности пеностекла от температуры соответствует аналогич­ной зависимости для ряда низкопрочных стекол, которая так­же во всем температурном интервале вплоть до Tg характери­зуется пологой кривой без каких-либо максимумов![312, 313]. Это объясняется тем, что разрывное напряжение стекла на­столько мало, что уменьшение напряжений вблизи микротре - шин проявляется очень слабо. У таких стекол обычно с ростом температуры падает прочность [313].

В изученном нами интервале температуры прочность пено­стекла на сжатие всегда превышает прочность его на изгиб. Поэтому при расчетах, связанных с определением допустимых нагрузок (в том числе термических), необходимо учитывать значение прочности на изгиб.

Процессы, протекающие в пеностекле в интервале температур отжига *

Полученные нами результаты исследований показали, что прочность образцов пеностекла 6На (рис. 5.17, кривые 3, 4) вы­ше, чем для пеностекла 2На (рис. 5.17, кривые 1,2), а ониже-

Упругие свойства пеностекла

Стекло

Газообра­

Е

О

Д

Примечание

Зователь

К гс/смг

2Н 6Н 6Н

Антрацит Антрацит Сажа

11750 12700 14200

4890 5250 5850

0,20 0,20 0,22

Образцы заводского пеностекла, полу, ченного в печи с одноярусной садкой форм (Гомельский стеклозавод)

Ние ее є ростом температуры соответственно меньшее, что можно объяснить уменьшением количества дефектов в разде­лительных стенках ячеек пеностекла 6На. Для пеностекла на газовой саже (6ИС) эти показатели еще выше (рис. 5.17, кри­вые 5, 6), что связано с повышением качества его структуры.

Зависимость упругих характеристик пеностекла от темпера­туры. Знание упругих характеристик пеностекла представляет большой интерес как с точки зрения его применения, так и в отношении их влияния на термические свойства, учитываемые при разработке режимов отжига.

Упругое поведение всякого изотропного тела характери­зуется модулем продольной упругости Е (модуль Юнга), мо­дулем сдвига G и коэффициентом Пуассона р. Из закона Гука для деформаций в упругой области следует, что величи­ны Е и G показывают пропорциональность между напряже­ниями и деформацией при растяжении и сдвиге, а коэффи­циент р характеризует изменение объема тела при деформа­ции. Эти величины связаны между собой соотношением

\i = —------ 1. (5.15)

2 G к '

Сведения об упругих характеристиках пеностекла приво­дятся лишь в единичных работах, причем они противоречивы [138, 314]. Поэтому нами в ходе экспериментов было исполь­зовано несколько методов исследований (см. гл. II, пара­граф 3). Для определения упругих характеристик пеностекла при комнатной температуре была использована установка типа ИЧМК. Значения упругих свойств пеностекла при у — = 180 кг/м3 приведены в табл. 25. На рис. 5.18 показана зави­симость E=f(y).

Близкие значения модуля упругости и коэффициента Пуассона были получены тензометрическим методом. Сходи­мость результатов определений подтверждает вывод Г. М. Бартенева [313] о том, что стекла в области до нижней температуры их отжига имеют хорошо выраженную упру­гость, поэтому результаты, полученные с использованием как статических, так и динамических методов, практически совпа­
дают. Анализ их указывает на независимость коэффициента Пуассона от изменений температуры в изученной температур­ной области. Модуль упругости пеностекла (как и у большин­ства силикатных стекол) уменьшается с ростом температуры, что связано, очевидно, с увеличением расстояний между иона­ми в твердой фазе и повышением кинетической энергии тепло­вого движения частиц. Экспериментальные данные, рассчи­танные для пеностекла объемной массой 180 кг/м3, приведены в табл. 26.

Анализ их показывает, что температурные зависимости упругих характеристик пеностекла на основе использованных

Е, к гс/см 2

Процессы, протекающие в пеностекле в интервале температур отжига *

Нами составов стекол уменьшаются с повышением температуры, а коэффи­циент Пуассона имеет такое же значе­ние, как и у массивных силикатных сте­кол (ц = 0,18—0,3 [297]). Полученное значение коэффициента Пуассона не-

Рис. 5.18. Зависимость модуля упругости от объемной массы пеностекла, отличающегося характером структуры

Сколько выше значений, приведенных Е. Н. Прокофьевым [314], объясняется это меньшими деформативными способно­стями использованных им образцов пеностекла в связи с их большой объемной массой (у = 300 кг/м3).

Исследование свойств пеностекла в интервале температур отжига позволяет оценить влияние каждого из этих факторов на безопасную скорость охлаждения изделий из пеностекла и установить общие закономерности, характерные для процес­са отжига. Расчет скорости охлаждения по формуле (5.14) с использованием полученных нами данных при исследовании свойств пеностекла позволил установить новую зависимость температура — скорость охлаждения (рис. 5.19). При выпол-

Таблица 26

Зависимость модуля упругости пеностекла от температуры

Стекло

Газообразо - ватель

Модуль упругости, кг с/см2, при °С

20

100

200 I 300

400 1 500

2Н 6Н 6Н

Антрацит Антрацит Сажа

11750 12700 14200

11540 12490 13990

11300 12230 13730

11060 11960 13470

10820 11710 13210

10540 11460 12950

Нении расчетов толщина блоков (2d) была принята равной 0,1 м при объемной массе пеностекла 180 кг/м3.

Поскольку для определения допустимой скорости охлаж­дения полученные расчетные значения необходимо разделить на коэффициент запаса прочности, то его выбор в значитель­ной мере повлияет на общую продолжительность отжига, осо­бенно если принять его равным 5—10, как принято при отжи­ге массивных стеклянных изделий. Поэтому с учетом прове-

Процессы, протекающие в пеностекле в интервале температур отжига *

Рис. 5.19. Изменение скорости охлаждения пеностекла (v/k) и его свойств в зависимости от температуры отжига: а — пеностекло 2На; б — пеностекло 6На; в—пеностекло 6НС (/?изг—прочность на изгиб; а — коэффициент тем­пературопроводности; а — коэффициент термического расширения; Е — мо­дуль упругости; [X — коэффициент Пуассона)

Ренных на практике рекомендаций Ф. Шилла [1] нами был принят К — 3.

Полученные расчетные значения для температурной кри­вой охлаждения пеностекла исключают возможность увеличе­ния скорости охлаждения на заключительных стадиях процес­са отжига, что не согласуется с данными работ [11, 15, 299]. Увеличение скорости охлаждения пеностекла в начальных стадиях процесса охлаждения с последующим ее снижением по мере охлаждения пеностекла косвенно подтверждается ре­зультатами исследований Р. Гар дона [315], который, изучая напряжения в процессе отжига листового стекла, установил рост напряжений при постоянной скорости охлаждения.

Скорость охлаждения в интервале зоны собственно отжига должна быть достаточно низкой, чтобы остаточные напряже­ния, возникающие после ее прохождения, имели небольшие значения. Так как в настоящее время отсутствуют методы, по­зволяющие определить остаточные напряжения, возникшие в

Пеностекле после прохождения начальной зоны отжига, на этом участке можно применять экспериментально установлен­ную рядом исследователей [13, 15] скорость охлаждения 0,6— 0,7 °С/мин.

В отличие от массивных стекол, где за верхнюю темпера­туру отжига принимается значение ее при вязкости стекла 1013 пз (при этом значении ее Tg релаксационный процесс в основном заканчивается в течение нескольких минут), для пеностекла следует принимать более высокое значение тем­пературы, близкое к Гн. д.. При нижней температуре отжига релаксация напряжений длится несколько часов. Значение ее соответствует температуре при вязкости стекла 1014,5 пз.

Таким образом, исходя из предположения, что у алюмомаг- незиального стекла во всей области температур собственно отжига при понижении температуры на каждые 8—10 °С вяз­кость увеличивается в два раза [298], температурный интер­вал для области вязкости 1013—1014'5 пз равен 50 °С и нижняя температура отжига для пеностекла 2Ha(7,g = 510 °С) составит 460 °С, а для пеностекла 6Ha(7'g = 540 °С) — 490 °С.

Анализ данных скорости охлаждения пеностекла в зави­симости от его теплофизических и термомеханических свойств (табл. 27) показывает, что у изученных нами типов пеностек­ла определяющим фактором является температуропровод­ность материала, которая обусловлена степенью и равномер­ностью дисперсности газовой фазы в пеностекле. Термомеха­нические характеристики оказывают незначительное влияние на скорость отжига данных типов пеностекла, поскольку ме­ханическая прочность и модуль упругости, связанные обратной зависимостью, характеризуются изменением своей абсолютной величины от температуры в зависимости, близкой к постоян­ной величине, а коэффициенты термического расширения пеностекла 2На и 6На мало различаются между собой. При отжиге пеностекла 6Не с улучшенными структурно-механиче­скими показателями необходим более длительный режим от­жига, причем зависимость температура — время отжига при­ближается к линейной, в то время как кривая отжига пено­стекла, вспененного на основе антрацита, соответствует кривым, характеризующим инерционный тип отжига.

При наличии в структуре пеностекла сообщающихся кана­лов между отдельными ячейками температуропроводность его значительно повышается, что позволяет вести более ускорен­ное охлаждение его на протяжении всего периода отжига.

Математический анализ рассчитанной нами зависимости температура — скорость охлаждения (табл. 27) показывает, что она соответствует кривым, характеризующим инерцион­ный тип отжига [298], и может быть описана уравнением t— ( — Се~Кх (5.19), где t — температура в момент времени т; т —

Таблица 27

Зависимость скорости охлаждения пеностекла от температуры отжига

Свойства пеностекла

Скорость охлажде­ния, °С/мин

<, °С

^изг'

Кгс/см2

А-10\

Мг/ч

Е,

Кгс/см2

А-Ю'1*, °С"1

1-ц*

D, м

Макси­мальная V

Допусти­мая v/k

Пеностекло 2На

20

9,54

1,58

11750

2,21

0,74

100

9,18

2,04

11540

2,82

0,94

200

9,00

2,52

11300

92,0

0,8

0,05

3,49

1,16

300

8,55

3,10.

11060

4,17

1,39

400

8,28

3,59

10820

4,79

1,60

500

7,20

4,07

10540

4,84

1,63

Пеностекло 6Н,

20

10,62

1,58

12700

2,37

100

10,10

2,04

12490

2,96

200

9,54

2,52

12230

89,5

0,8

0,05

3,52

300

8,91

3,10

11960

4,13

400

8,65

3,59

11710

4,74

500

8,28

4,07

11460

5,18

Пеностекло 6НС

20

10,90

1,46

14200

1,95

100

10,62

1,74

13990

2,3

200

10,27

(,95

13730

89,5

0,78

0,05

2,54

300

9,54

2,22

13470

2,73

400

9,18

2,63

13210

3,18

500

8,73

2,93

12950

3,43

* Приведенные в таблице значения ос и 1 — ц являются средними для исследованной области температуры.

Время от начала охлаждения; С и К—постоянные, завися­щие от свойств пеностекла.

Установленная экспериментально зависимость темпера­тура— время отжига подтверждается выполненными В. Л. Инденбомом и Л. И. Видро [316] расчетами, согласно которым замедляющее в зоне температур отжига охлаждение оказывается для получения минимальных структурных и тер­мопластических напряжений более выгодным, чем принятое обычно равномерное или ускоряющееся охлаждение.

Исследование свойств пеностекла и процессов, протекаю­щих в нем в интервале температур отжига, позволяет заклю­чить следующее.

Термомеханические свойства пеностекла зависят от харак­тера его структуры. Так, пеностекло на основе стекла 6Н,

Г

Обладающего меньшей склонностью к кристаллизации, обла­дает более высокими прочностными показателями, чем пено­стекло на основе стекла 2Н.

Термомеханические свойства пеностекла подчиняются за­кономерностям, тождественным для низкопрочных силикатных стекол.

Одним из основных факторов, влияющих на скорость охла­ждения изученных видов пеностекла, является его температу­ропроводность. Расчеты показывают, что практически безо­пасная скорость охлаждения пеностекла в начале процесса может быть равной 1,2—1,8°С/мин, снижаясь в конце его до 0,6—0,7 °Cj мин.

Постоянство свойств пеностекла зависит от скорости его от­жига и наличия дефектов структуры, обусловленных видом ис­пользуемого газообразователя и склонностью стекла к кри­сталлизации.

Температурная кривая отжига должна рассчитываться на основании данных значений термомеханических и теплофизи- ческих свойств пеностекла, находящихся во взаимосвязи с данными свойств исходного стекла и структурой пеностекла. Для этой цели может быть использована известная формула А. Н. Даувальтера, рекомендованная им для расчета скорости отжига монолитных стекол.

Величина коэффициента запаса прочности (К), учитывае­мая при расчете скорости отжига, выбирается с учетом дила­тометрических и прочностных характеристик пеностекла и на­ходится в пределах 2—4. Для изделий одного вида большее значение К принимается в случае более мелкопористого пено­стекла с замкнутой структурой.

разное

Качественная автономная канализация для загородного дома от грамотных специалистов фирмы «Дом Экологии»

Квалифицированные инженеры, работающие в компании «Дом Экологии», советуют владельцам частных домов либо коттеджей заказать услугу по установке автономной канализации, которая требует минимального обслуживания. Уже многие клиенты, посетившие раздел http://www.osk-ekoline.com.ua/avtonomnaja-kanalizacija-polijetilen.html, смогли …

Преимущества зеркальных шкафов в интерьере

Не секрет, что шкаф-купе — мебель довольно габаритная, так как его объемы должны предусматривать размещение множества вещей. Однако зачастую это отрицательно сказывается на визуальном восприятии небольшого помещения.

Дизайнерские радиаторы из чугуна от radimaxua.com

Интернет-магазин radimaxua.com предлагает широкий ассортимент дизайнерских радиаторов из чугуна, выпускаемых под брендом RETROstyle. Изготовлением декоративных радиаторов занимаются европейские заводы.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.