разное

Способы формования пеностекла [6]

Исходя из данных о деформационно-упругих характеристи­ках пеномасс и требований, предъявляемых к пеностеклу как изоляционному материалу, рассмотрим два наиболее вероят­ных способа формования: прессование изделий различной конфигурации в формах; прокат непрерывно движущейся ленты.

Исследование процесса прессования изделий. Согласно взглядам Т. И. Белобородовой [26], существенная, если не ре­шающая, роль в данном процессе принадлежит тепловым яв­лениям. Однако точное аналитическое решение задачи о рас­пространении тепла в системе форма — пеномасса вряд ли возможно, поскольку сам по себе процесс прессования изделий из пеностекла является многофакторным. Кроме того, экспери­ментальное исследование термической стороны процесса связа­но со значительными трудностями, обусловленными относи­тельной кратковременностью.

Как показали наши исследования, реологические свойства пеномасс в области температуры их формования близки к ана­логичным свойствам монолитных стекол. В связи с этим сде­лана попытка распространить известные методы расчета про­цесса прессования изделий из монолитного стекла [26, 336] на пеностекло.

В качестве объекта исследования было выбрано изделие размером 70X70X5 мм, имеющее форму параллелепипеда, вы­сота которого по отношению к размерам основания была очень мала. Изделия прессовали в подогреваемой графитовой форме. Разность температур между пеномассой и телом формы при­нята равной 80 °С, что для мелкопористого пеностекла соответ­ствует пределу его критической деформации (см. рис. 5.12, кривая 2). Такое допущение вызвано необходимостью умень­шить теплопотери формуемой пробы, теплосодержание которой в связи с небольшой объемной массой и величиной навески очень мало. Выбор данных условий, основанный на результа­тах определений пластично-упругой деформации пеностекла и анализа зависимости скорости прессования от температуры, связан также с необходимостью удлинения цикла прессования, что при нестационарном режиме работы пресса позволяет при­близить параметры прессования к их значениям, соответствую­щим работе стационарной установки.

Следующее и, пожалуй, наиболее важное допущение отно­сится к механизму распространения тепла в формуемом изде­лии. По данным О. Р. Мак Интайр и Р. Н. Кеннеди [275], рас­пространение тепла в мелкодисперсном материале (размер пор до 0,5 мм) проходит следующим образом (в %)'• теплопро­водностью в твердой фазе — 7; проводимостью газа в ячей­ках— 63; конвекцией в ячейках — 4; лучеиспусканием — 26.

По данным И. П. Федоровой [336], при распространении тепла путем теплопроводности и излучения в неподвижной пластине из обычного оконного стекла толщиной 25 мм на до­лю излучения падает не более 12% от общего теплового пото­ка, проходящего через пластину. Для пластины пеностекла толщиной 5 мм, обладающей пористостью до 92% и более вы­соким значением коэффициента черноты, второй слагающей (лучеиспусканием) можно пренебречь. Поэтому для расчетов принимаем условие, при котором передача тепла в пластинке пеностекла осуществляется проводимостью газа в ячейках.

Тепловой контакт между формой и пеномассой считаем идеальным. Распределение температур в пеномассе в началь­ный момент времени полагаем равномерным. Существенные для процесса прессования тепловые параметры пеномассы и формы Я, с, у ввиду небольшой продолжительности процес­са считаем не зависящими от температуры. Коэффициенты те­плопередачи (а) от поверхности пеностекла и формы к окру­жающей среде рассматриваются как постоянные величины. На основании изложенного прессование пеностекла в первом приближении можно рассматривать как процесс, осуществляе­мый путем чистой теплопроводности. Таким образом, матема­тическая формулировка этой задачи может быть представле­на дифференциальными уравнениями теплопроводности для пеностекла и формы:

TOC \o "1-3" \h \z = а„ , (5.4)

Dx п dx* v '

«* _e J^L /55)

Dx " i> dx2

Здесь a = X/cy — коэффициент температуропроводности; К — коэффициент теплопроводности; с — теплоемкость; у — объ­емная масса пеностекла. Индексы п и ф относятся соответст­венно к пеностеклу и форме.

Во время контакта пеностекла с формой на границе разде­ла тепловые потоки и температуры равны dtn dtfo

Решая уравнение теплопроводности (в общем виде) в пла­стинке графо-аналитическим методом [26] с учетом начальных
и граничных условии третьего рода, находим уравнения взаи­мосвязи между температурой поверхности (^пов), центра (ta) формуемой пластаны и ее толщиной (Ах):

= - ■ (5.7)

1 +-----

21

Решая выражение (5.7) относительно Ах и іа, получаем

Ах = (5-8)

TA = tn0B{l+^f\. (5.9)

Ограничив себя в выборе Ах и Ат, можно принять

АДт _ I (Ах)2 ~~ п

Или

Дт = (5.11)

Па

Здесь п — количество элементарных слоев, принятых для гра­фического построения температурного поля в исследуемой пластине; At — время.

Зная Ах, из равенства (5.11) находим At: Г 2Ц<л-/пов) 12

At = i------- ------------------ L. (5Л2)

Таким образом, задавшись величиной Ах и выбирая, со­гласно данным рис. 5.12, значение їПов для конкретного вида пеностекла, можно рассчитать At, необходимое для формова­ния изделий из пеностекла.

Решая аналогичным образом уравнение (5.5), можно так­же определить (из 5.12) tnов для формы в заданный момент времени и по ее значению выбрать требуемый материал формы, обеспечивающий температурный режим прессования.

При малом значении высоты формуемого изделия по отно­шению к его длине и ширине точку А с небольшим допущением можно считать расположенной в плоскости раздела изделия на две равные части. Поэтому расчеты At и Ах с достаточной для практических целей точностью можно производить, пользуясь уравнением (5.12). Значения ^Пов и tA должны определяться эк­спериментально в соответствии с описанной выше методикой для каждого вида пеностекла отдельно (см. рис. 5.12). При этом значение /Пов должно находиться® пределах ІА^>іПОй>ікр.

Произведем расчет ^Пов для принятых нами условий прес­сования пеностекла. Значения а и А, для мелкопористого пено­стекла при tA, принятой 825 °С, и, принимая по условиям за­дачи Дх=0,0025 м, по уравнению (5.7) находим

'пов ( 4,07 x 0,0025 2x0,156

Коэффициент теплопроводности пеностекла при t = 825 °С и y = 200 кг/м3 рассчитываем по уравнению Kt = 0,049 + 0,000 Ш, рекомендованному [3] для влагозащитного пеностекла. Коэф­фициент теплоотдачи от брикета к стенке формы рассчитываем по формуле

Где сПр — приведенный коэффициент излучения, равный 4,5 ккал/(м2-ч) [26]; Тп и Тф — соответствующие температуры пеностекла (1198°К) и стенки формы (998 °К).

Полученное

Значение tuohr согласно экспериментальным данным (см. рис. 5.12, кривая 2), находится выше ^Кр на 26°С и соответствует скорости прессования ~7 мм/сек, при которой не обнаружена остаточная деформация пеностекла.

Исследование формования ленты пеностекла методом про­ката. Как уже отмечалось выше, попытки осуществить формо­вание непрерывно движущейся ленты завершились неудачно из-за отсутствия сведений о пластично-упругих свойствах пиро - пластического пеностекла. Тем не менее способ непрерывного вспенивания пеностекла продолжает осваиваться, что требует проведения более глубоких исследований. Известные схемы, в которых применяются прокатные машины для формования пе­ностекла, в литературе [33, 94, 339—346] описаны недостаточ­но. Отсутствуют также сведения о структуре и свойствах пено­стекла, полученного методом проката.

Процесс формования качественного пеностекла возможен лишь при стационарном режиме работы прокатной установки. Условно его можно разбить на два этапа, соответствующих определенным физическим изменениям в пиропластическом и стабилизированном пеностекле, из которого формуется лента.

Первый этап формования осуществляется в зоне, в которой пеномасса испытывает изменение объема. Эти изменения не­разрывно связаны с температурным распределением в форму­емой ленте и по-разному протекают в зависимости от пластич­но-упругих свойств пеномасс, давления газов в ячейках, вяз­кости и поверхностного натяжения стекла. Разумеется, что этот этап должен находиться в области температур между ^тах вспенивания И ^кр (см. рис. 5.12).

Второй этап начинается там, где пеномасса приобрела уже заданный профиль, но внутри ее еще протекают структурные изменения, вызванные перераспределением расплава в разде­лительных стенках ячеек. Конец второго этапа, очевидно, со­ответствует состоянию пеностекла, при котором вследствие об­щего понижения температуры и повышения вязкости расплава возможно самосохранение формы сформованной ленты. Эта стадия заканчивается при температуре, сравнительно мало от­личающейся от температуры стеклования Tg.

Экспериментальное исследование процесса формования за­ключалось в определении деформационно-упругих характе­ристик пеномасс с различной исходной структурой, характери­зуемой средним диаметром ячеек, скорости прессования пла­стинок различной толщины и температурных полей в зоне прессования и стабилизации структуры.

Критическое значение скорости прессования ( ^'н. д) для раз­личных структур пеномасс определялось на образцах пеностек­ла, вспененного в металлических формах (100X100 мм), из смесей, позволяющих получить требуемую структуру конечного материала (на основе стекла 12 и различных газообразовате - лей). Режим подготовки образцов для испытаний на стадиях нагрева и вспенивания был одинаковым и отличался лишь продолжительностью охлаждения, которая изменялась в связи с условиями эксперимента. Замеры vu■ д проводились на пла­стинах толщиной 40, 50, 60, 70 и 80 мм при обязательной ста­билизации значения объемной массы. Приложение нагрузки (р= 1000 г, F= 100 см2) производилось по всей плоскости прес­суемого образца с различной скоростью при постоянной тем­пературе эксперимента.

Анализ результатов исследований показал, что величина подпрессовки (АН) образцов, вспененных в формах 100Х X 100 мм, находится в пределах 20—25% от их общей, т. е. первоначальной высоты (#). Значение АН уменьшается до 10—15% при увеличении линейных размеров образцов. Как и для малых образцов (см. рис. 5.11), скорость прессования сни­жается с увеличением среднего диаметра ячеек и понижением температуры, что обусловлено изменением давления газов вну­три ячеек и вязкости стекла, вызывающих повышение пластич­но-упругих свойств пеномассы. Замечено также, что скорость прессования можно существенно повысить, увеличивая высоту формуемой заготовки. При этом Д# увеличивается в замедля­ющемся темпе, что указывает на более благоприятное формо­вание изделий большей толщины.

Обобщение и математическая обработка эксперименталь­ных данных, полученных при исследовании формования пено­масс в виде небольших заготовок (100x100 мм, Н — 40— 80 мм), дали возможность построить номограмму для опреде­
ления скорости прессования пеностекла методом непрерывного проката по данным пластично-упругих свойств пеномасс и высоты формуемого слоя (рис. 5.14).

Приведенный нами графический метод определения скоро­сти прессования пеностекла охватывает практически все наи­более распространенные виды пеностекла и позволяет рассчи­тать температурную кривую в зоне прессования, т. е. на стадии первого этапа формования. Зависимость »н. д = /(^пов)

9 В 3

(рис. 5.14, /) указывает на нелинейный характер изменения скорости прессования, что необходимо учитывать при проекти­ровании профиля формующего устройства (верхнего конвейе­ра, поскольку прессование в принятой схеме одностороннее). На начальных стадиях, т. е. при более высоком значении t„0B, скорость прессования может быть максимальной (рис. 5.15), затем она должна снижаться одновременно с повышением тем­пературы. Градиент dvnv[dt для Мелкопористого пеностек­ла может быть больше, чем для крупнопористого (2—2,5 мм).

В связи с повышением в ячейках давления в момент прессо­вания увеличивается вероятность восстановления временно де­формировавшихся структурных комплексов. Поэтому прессо­вание пеностекла, с одной стороны, желательно проводить при максимальной температуре, с другой — при значительно мень­шей скорости, чем критическая (£>н. д). В силу этой зависимо­сти при расчете vup нами принят коэффициент запаса К, учи­тывающий толщину формуемой ленты, структурно-механиче - ские характеристики пеномассы и температуру. Наиболее благоприятные результаты получены при значении /(>2,5.

Характер кривой прессования (рис. 5.15) указывает на не­обходимость применения для формования ленточного конвейе­ра, позволяющего регулировать наклон и кривизну его в зоне прессования в связи с изменением скорости вспенивания пено­стекла.

На втором этапе процесса задача сводится к безопасному охлаждению отформованной ленты до температуры, близкой к Tg. В этой области температур скорость охлаждения можег быть различной, она не регламентируется технологическими особенностями процесса. Важно лишь, чтобы снижение темпе­ратуры обеспечивалось без существенных перепадов. Для уско­рения процесса можно рекомендовать равномерное обдувание поверхностей ленты холодным воздухом.

Комплекс выполненных исследований по формованию пено­стекла позволяет заключить следующее.

Решающая роль в процессе формования пеностекла любым из рассмотренных способов принадлежит тепловым явлениям, наиболее существенно влияющим на изменение пластично - упругих свойств пеномасс в области температур прессования. Экспериментальное исследование термической стороны процес­са осложнено значительными трудностями в связи с кратко­временностью процесса и взаимным наложением явлений. В связи с этим при выборе моделей для расчета процесса фор­мования необходимо прибегать к ряду упрощений.

Простейшая из задач — прессование пластин в формах — может быть представлена дифференциальными уравнениями теплопроводности для пеностекла и формы, решение которых наиболее целесообразно вести графо-аналитическим методом.

Процесс непрерывного формования пеностекла с теплофи - зической точки зрения является значительно более сложным, что затрудняет математическую формулировку задачи и ана­литическое ее решение. Предложенный нами графический ме­тод решения данной задачи, основанный на изучении взаимо­связи между деформационно-упругими свойствами пеномасс и структурными изменениями в них, протекающими в темпера - турно-временной зоне процесса, позволяет с достаточной для практических целей точностью определить граничные условия процесса непрерывного прессования ленты пеностекла.

Разработанная на основании обобщения эксперименталь­ных данных номограмма для определения скорости прессова­ния пеностекла методом непрерывного проката может быть использована для графического построения кривых прессова­ния и температурно-временного режима, а также для разра­ботки конструкции формующих устройств. Приведенный гра­фический метод решения данной задачи охватывает практиче­ски наиболее распространенные виды пеностекла.