разное

Анализ модели состав — свойства и поиск зоны оптимума

Анализ моделей (7.3) — (7.9) и значений коэффициентов Ьи Ьц, Ьц проводили с помощью алгебраических категорий и связанных с ними геометрических фигур. Безразмерные кодиро­ванные значения факторов Хі в данной задаче связаны с нату­ральными (размерными) переменными соотношением

Xj Xjo

14

Где

(xj) max (Xj) тіп Axj _ 14 ~ 14 14 2

Модели (7.3) — (7.9) содержат линейные, квадратичные эффекты и взаимодействия и описывают поверхность второго порядка.

По числовым значениям коэффициентов bp bH, btj оценивали изменение искомых свойств стекол (г/и) в зависимости от их хими­ческого состава, а по знакам при коэффициентах определяли на­правление изменения содержания окислов — переменных для опти­мизации свойств стекол. Поскольку в полученных моделях пол­ный анализ всех сочетаний знаков затруднителен вследствие того, что надо рассматривать З6—З13 комбинаций (при by 1; b — 0; b <i 1), то был использован способ графического анализа полино­миальных моделей, состоящий в построении графа связи рассмат­риваемых переменных xv Анализ графа позволил при многофак­торном моделировании ■ перейти к изучению моделей, описывающих связь параметра оптимизации и двух факторов. Для полученных сечений многомерных моделей (7.3)—(7.9) строили диаграммы ли­ний равного выхода уИ на факторной плоскости. Для построения изолиний выбирали ряд сечений факторного пространства при xt = 0; xt = ± 0,5; xt = ± 1 (і = 1, 2), рассчитывали уравнение каждого сечения типа у = boJrbixiJr Ьц х\ и решали его для определенных изолиний свойств. Точки изолиний во всех сечениях соединяли плавной кривой. Для точности построения изолиний рассматривали ряд дополнительных сечений внутри (xi < ± 1) и вне зоны эксперимента (дс,>± 1).

Химическая стойкость стекла. Стекла, синтезированные в изученной области системы, обладают высокой гидролити­ческой устойчивостью. Изменение химического состава стекол в выбранных пределах (табл. 35) приводит к сравнительно не­
большому изменению их химической устойчивости, поэтому графический анализ уравнений (7.3) и (7.4) не проводили.

Для модели (7.4) характерна сравнительно небольшая ве­личина эффектов отдельных окислов, а также отсутствие ли­нейных эффектов по основным компонентам — Si02, А1203, CaO, MgO. Изменение водоустойчивости стекол зависит от их состава: увеличение содержания КгО снижает (по отношению к основному уровню) водоустойчивость стекол, что можно компенсировать совместным увеличением в их составе К20 с А1203 или К20 с СаО. Влияние кремнезема и глинозема на устойчивость стекол к воде противоположно и взаимосвяза­но, что согласуется с данными других авторов [50, 52, 115, 127].

Величина потерь массы стекол при определении устойчиво­сти к кислоте составила 0,02—0,12%, при этом изменение хи­мического состава стекол оказывает более значительное вли­яние на их устойчивость к кислоте, чем к воде. Кислотоустой - чивость повышается с убывающей скоростью при увеличении содержания кремнезема, а также при изменении содержания MgO, особенно при варьировании его в широком интервале. Действие MgO усиливается, если увеличение его в составе стекла сопровождается снижением содержания КгО. При уве­личении содержания А120з эффект взаимодействия Si02-Al203 подтверждает противоположное и взаимосвязанное влияние данных окислов на устойчивость стекол к кислоте. Кислото - устойчивость также снижается с увеличением содержания К20 и СаО. Поэтому для обеспечения требуемой вязкости и главным образом «длины» стекла, увеличение содержания СаО в стекле следует сопровождать уменьшением в его соста­ве А1203. Таким образом, разрушающее действие кислоты по­вышается при уменьшении в составе стекла кислотных окис­лов и увеличении содержания окислов, проявляющих основ­ные свойства.

Кристаллизационные и вязкостные свойства. С целью оп­ределения области оптимальных составов стекол проведено совместное компромиссное решение уравнений (7.7) — (7.9), характеризующих кристаллизационные и вязкостные свойства. Для решения их содержание MgO(x4) и КгО^) в стекле при­нято постоянным. При этом учитывали устойчивость стекла к кристаллизации в области температуры вспенивания пеностек­ла. Определенная «длина» стекла в температурном интервале вспенивания необходима для получения равномерной структу­ры по всему объему блока пеностекла вследствие некоторого градиента температур в печи.

Исходя из необходимости применения некристаллизующих - ся стекол или стекол с повышенной температурой начала кри­сталлизации (Гн. к), снижения lgt] и соответственно темпера­туры вспенивания пеностекла, а также уменьшения Algrj в об­ласти 800—900 °С для равномерного структурообразования путем анализа уравнений (7.7) — (7.9), найдено:

1) х\ ф 0 (уравнения (7.7) и (7.9)); х5 = 1,

2) х\ ф 0 (уравнение (7.8)).

Поскольку в (7.9) (64) >( (М + (Ы + (Ы), то принима­ем по bi *4 =— 1.

Уравнения (7.7) — (7.9) при *4 = —1 и *5 = + 1 преобразу­ются:

!gr],)00-lO'2 563 - f 5х,->- 39*2-9*3— Щ - 28** , (7.7') Algrw,_Soo-l02=l62-b I3x2--r 7*s-37^ - 4*^, (7.8') Тв. к = 942 - f 17*х - 8х2 - 25*3 — 25*2 ; 22*2 -

— 7*х*2 ■ - 7*^. (7-9')

Для исследования зависимости кристаллизационных и вяз­костных свойств стекол от содержания Si02(*i), АІ20з(*2) и СаО(*3) уравнения (7.7') — (7.9') были решены графически в зависимости:

1) от переменных *i(Si02) и *3(СаО) при А1203(*2) = + 1; 0; —1;

2) от переменных *i(Si02) и *2(А1203) при СаО(*3)= + 1; 0; —1.

Полученные графические решения по кристаллизационным и вязкостным свойствам были совмещены (см. рис. 7.7, а—в и 7.8, а — в).

Анализ свойств стекол в зависимости от содержания Si02 и А1203 при СаО от +1 до —1 позволяет сделать следующие выводы.

Температура начала кристаллизации стекол представлена гиперболической поверхностью. Снижение 1 н. к происходит В направлении изменения содержания Si02, повышение — в на­правлении изменения А1203. При уменьшении содержания СаО область НекрИСТЗЛЛИЗуЮЩИХСЯ стекол И С ПОВЫШеННОЙ Тн. к в зоне эксперимента расширяется (рис. 7.7, а — в).

Вязкость стекол в данных сечениях (при 900 °С) представ­лена параболической поверхностью. Величина ее резко снижа­ется при уменьшении содержания А1203, особенно в интервале х2(А1203) от 0 до —1, и незначительно изменяется в зависимо­сти от содержания Si02. Зависимость lgr] от содержания СаО сложная. При уменьшении содержания *3(СаО) от +1 до 0 вязкость стекол в зоне эксперимента снижается до минималь­ной величины, далее при *3 от 0 до —1 снова повышается.

Градиент вязкости (Algr] в области 800—900 °С) в данных сечениях представлен гиперболами незначительной кривизны, величина Algr] резко возрастает в направлении повышения со-

Держания А1203 (рис. 7.7, а — в). Зависимость «длины» стек­ла от содержания Si02 не столь значительная, однако более сложная. При х3(СаО)>0 Algrj повышается в направлении снижения содержания Si02 (рис. 7.7, а — б); при хз(СаО)<0 наблюдается обратная зависимость (рис. 7.7, б, в), а при ну­левом уровне х3(СаО) изолинии Algrj расположены параллель­но оси Xi(Si02), т. е. содержание Si02 не изменяет величину градиента вязкости стекла в интервале 800—900 °С. Градиент вязкости стекла в противоположность вязкости имеет наиболь­шую величину при нулевом уровне СаО, при изменении содер­жания СаО до +1 или —1 понижается и имеет минимальную величину при СаО = — 1.

В сечениях пох2(А1203) температура начала кристаллиза­ции повышается с уменьшением содержания Si02(JCi) и СаО(х3). В сечениях при Xj = 0 и —1 и х3 = 0 и —1 имеются обширные области составов стекол, устойчивых к кристалли­зации (рис. 7.8, а — в). Величина их зависит также от содер­жания А120з (а;2).

Вязкость стекол при 900 °С описывается также параболи­ческой зависимостью (рис. 7.8, а — в). Минимальное значение

Igrj обнаружено при содержании СаО(х3), близком к средне­му уровню (х3=®0). Увеличение или уменьшение содержания СаО относительно среднего уровня приводит к возрастанию вязкости стекол.

Минимальным значениям lgrj при 900 °С в каждом из рас­смотренных сечений (рис. 7.8, а — в) соответствует макси­мальный градиент вязкости, т. е. изменение содержания СаО оказывает противоположное влияние на вязкость стекол при 900 °С и градиент вязкости в интервале температур вспенива­ния (табл. 37).

При оптимизации области составов стекол, предназначен­ных для получения строительного пеностекла, а также пено­стекла для низкотемпературной изоляции (влагозащитного) были приняты ограничения исходя из технологической и эко­номической целесообразности ведения процесса вспенивания (табл. 38). Этим условиям соответствуют ограниченные на рис. 7.7, а — ей 7.8, а — в области составов. По данным се­чениям построены аксаном-етрические фигуры, включающие оптимальные составы стекол, пригодных для получения стро­ительного (рис. 7.9, а) и влагозащитного (рис. 7.9, б) пено­стекла.

15 Зак. 1463

Оптимальные по основным свойствам области составов включают ряд высокоглиноземистых стекол с тепловым рас­ширением (92,7—96,6)-Ю"7 °С-1, устойчивых к кристаллиза­ции или кристаллизующихся выше температуры вспенивания и с различной «длиной» стекла в температурном интервале структурообразования пеностекла (табл. 39).

Исследование зависимости состав — свойства для стекол системы Si02 — AI2O3 — СаО — MgO — Na20 — К20 с приме­нением плана-матрицы типа Has позволило получить полино­миальные модели второго порядка (7.3) — (7.9) для расчета свойств стекол (химической устойчивости к воде и кислоте, вязкости при 800, 850 и 900 °С, градиента вязкости в интерва­ле 800—900°С и кристаллизации), позволяющие определить направление действия каждого из окислов на свойства стекол, количественно оценить их влияние и установить их ранговую, значимость.

Анализ моделей позволяет заключить, что основным свой - •ством, ограничивающим область составов стекол для получе­ния строительного пеностекла, является величина градиента вязкости в интервале 800—900 °С. Меньшую по величине об­ласть составов ограничивают изолинии вязкости, а затем кри­сталлизационной способности стекол.

Таблица 37 Зависимость свойств стекол от химического состава

Для влагозащитного пеностекла данные свойства распола­гаются в направлении градиент вязкости в интервале 800— 900 °С -*- кристаллизационная способность -*■ вязкость стекол.

Особенности синтеза высокоглиноземистых стекол. Иссле­дования, выполненные нами, по синтезу пеностекла различно­го назначения показали, что требования к исходному сырью, главным образом стеклу, могут изменяться в широком диапа­зоне. Причем для одного и того же свойства стекла границы

Колебаний могут быть разными в зависимости от назначения пеностекла и условий его получения.

Идентификация свойств стекол, полученных методами по­строения диаграмм многокомпонентных систем и математико* статистического планирования и обработки эксперимента, подтвердила целесообразность их использования. При раз­работке новых составов стекол с заданным комплексом физико-химических свойств удовлетворительную сходимость результатов обеспечивают метод дробного линейного плана или планы второго порядка типа Has, позволяющие получать независимые оценки для всех коэффициентов принятой мо­дели.

Анализ полиномиальных моделей для расчета свойств сте­кол, полученных при реализации плана-матрицы Has, и резуль­татов экспериментального исследования кинетики процессов газо - и пенообразования позволил определить некоторые ос­новные параметры, необходимые для оценки силикатных сте-

Кол, пригодных для получения пеностекла различного назна­чения.

Приведенные в табл. 40 ограничения по ряду свойств стек­ла и параметрам получения пеностекла могут быть рекомен­дованы для предварительной оценки стекла любого химическо­го состава. Такая информация в дополнение к прямым мето­дам исследований позволяет значительно сократить объем исследовательских работ при поиске состава стекла с опти­мальными для конкретного вида пеностекла физико-хими­ческими свойствами.

Используя разработанный метод синтеза стекол и оптими­зации их состава, нами в заводских условиях подтверждена возможность варки высокоглиноземистых составов стекол без снижения технико-экономических показателей работы стекло­варенных печей.

На промышленных установках для производства пеностек­ла с одно - и многоярусной садкой форм показана возмож­ность получения качественного пеностекла, сответствующего требованиям нормативных документов на строительное и вла­гозащитное пеностекло.

[1] В работе составы стекол, пенообразующих смесей и других композиций выражены в массовых (весовых) процентах, поэтому наименование нх в тексте не указывается.

[2] Исследования выполнены с участием кандидатов технических наук В. Н. Яглова и В. И. Лилецкого.

Й ai ЙС32. Йаі___ Й2І „

Cq. . . CD n T I T I, , r T I Я ИТ. и, г а n n n 0=1 E—. С—. E—■ n ИНН « «H^^h hhhh HH HH

[3] Исследование выполнено с участием кандидата технических наук Н. П.

Садчеико.

[4] Исследование выполнено с участием кандидата технических наук Н. П. Садченко.

[5] Исследование выполнено с участием Б. И. Петрова.

[6] Исследование выполнено с участием Б. И. Петрова.

[7] Исследование выполнено с участием кандидата технических наук С. С. Акулича.

[8] Исследование выполнено с участием кандидата технических наук Н. П. Садченко (Минский НИИСМ), доктора технических наук В. А. Возне­сенского и инженера А. Ф. Ковальчука (Кишиневский политехнический институт им, С. Лазо).