разное

Взаимосвязь между параметрами получения пеяостекла и его свойствами [4]

Представляется целесообразным на одном наиболее ха­рактерном составе пенообразующей смеси показать с помощью метода полного факторного эксперимента [182] количествен­ную взаимосвязь в системе режим — свойства, что позволит более точно определить направление действия каждого из них в многофакторной системе.

Для определения взаимосвязи режим — свойства была по­ставлена задача найти интерполяционные уравнения, опреде­ляющие зависимость объемной массы, водонасыщения и ме­ханической прочности пеностекла от основных параметров его получения: концентрации углерода в смеси, ее дисперсности, температуры и продолжительности процесса вспенивания. Данные четыре параметра приняты в качестве факторов варьи­рования в эксперименте, который был проведен по матрице дробного линейного плана типа 24-1 [182]. Значения условий эксперимента приведены в табл. 21.

Эксперимент был проведен в заводских условиях Опытно - экспериментального завода НИИСМ. В качестве исходных компонентов смеси приняли стекло 12 (0,30% S03) и газовую сажу. Вспенивание проводили в электропечи в формах разме­ром 200Х200ХІ70 мм, навеска смеси 0,75 кг. Свойства пено­стекла изучали на образцах-кубиках с размером ребра 70 мм.

При выборе пределов варьирования переменных исходили из технологических соображений, условий проведения экспери­мента, а также данных, полученных при исследовании процес­са пенообразования з нейтральной среде. Для каждой из вось-

Ми строк плана-матрицы проведены два параллельных опыта, по результатам которых найдены средние значения выходов эксперимента. Характеристика структуры полученных образ­цов приведена на рис. 4.16. По данным исследования структу­ры некоторых образцов приведены дифференциальные кривые их пористости (рис. 4.17).

Значения коэффициентов реГреССИИ переМеННЫХ И ОКрит (^-критерий) приняли исходя из 0,05 уровня значимости.

Учитывая значимые коэффициенты регрессии, исследуемые свойства пеностекла можно представить следующими интерпо­ляционными уравнениями:

7 = 252,6 +25,1*!— 31,9х2 — 46,6х3-

- 17,6x4- 24,4%^, (4.45) W= 2,59 + 0,59*! - 0,76х2 + 1,16х3 —

- 0,77x^2 - 0,36х2хя, (4.46) Ясж = 20,79 — 2,69хг + 1,31х2 - 9,09х3 -

- 3,09х4 + З. ОЭх^. (4.47)

Не включенные в данные уравнения члены, связанные с эф­фектами высших порядков и остальными взаимодействиями, могут быть опущены, так как разность (уо—Ь0) для каждого из исследуемых свойств оказалась незначимой, т. е. (у0—Ь0) <; <ЬКрит - Проверка уравнений по /''-критерию показала их адек­ватность опытным данным.

По полученным уравнениям (4.45) — (4.47) в зоне экспери­мента построены изолинии свойств пеностекла, что облегчило практическое использование моделей вспенивания (рис. 4.18).

Рис. 4.16. Структура пеностекла в зависимости от техноло­гического режима его получения, Х2

Объемная масса, водонасыщение и механическая прочность пеностекла показаны в зависимости от концентрации углерода в смеси и дисперсности стекла при постоянных температуре и продолжительности процесса, которым придавали максималь­ное (860 °С, 40 мин (рис. 4.18, а)), среднее (820 °С, 30 мин (рис. 4.18,6)) и минимальное (780° С, 20 мин (рис. 4.18, в)) значения.

Как показано на рис. 4.18, при каждом из заданных темпе - ратурно-временных параметров объемная масса пеностекла

Описывается одинаковыми по характеру изолиниями и числен­ные ее пределы изменяются в равном интервале вследствие отсутствия в уравнении (4.45) парных эффектов дисперсности стекла и концентрации углерода с температурой и выдержкой процесса.

Наиболее низкая объемная масса пеностекла (160— 260 кг/м3) получена при максимальных температуре и про­должительности процесса (рис. 4.18, а). При понижении тем­пературы іі сокращении выдержки объемная масса пеностекла возрастает до 255—320 кг/м3 (рис. 4.18,6) и далее до 290— 390 кг/м3 (рис. 4.18, в).

Влияние дисперсности стекла и концентрации углерода па объемную массу пеностекла взаимосвязано, что показано кон­фигурацией ее изолиний; таким образом, действие этих техно­логических параметров также следует оценивать совместно. Низкая объемная масса пеностекла (160 кг/м3, рис. 4.18, а) получена из высокодисперсных смесей, изолинии для у = = 170 кг/м3 и выше располагаются в области менее дисперсных смесей. По расположению изолиний на плоскости C = S (рис. 4. 18) видно, что величина дисперсности стекла, необхо­димая для получения определенной плотности пеностекла, зависит от содержания углерода в смеси: в смесях с 0,25— 0,35% С необходим более тонкий помол стекла, тогда как в смесях, где содержание углерода ниже (0,15—0,20%), доста­
точна и более низкая дисперсность смссн. По мере ее уменьше­ния изменяется форма изолиний — от более пологой, затем выпуклой, переходя к крутой; этим объясняется возрастание зависимости дисперсности стекла от концентрации углерода, Т. е. усиление взаимосвязи между данными факторами.

Водонасыщение пеностекла описывается изолиниями, ко­торые по форме и расположению различаются между собой в зависимости от температуры вспенивания. Так, оно составляет 2—6% при 880 °С, 2—4,5% при 840°С и 1—3% при 800 °С, т. е. уменьшается как абсолютная величина водонасыщения, так и интервал его изменения в зоне эксперимента. В уравнении (4.46) это соответствует парному эффекту, включающему тем­пературу вспенивания.

При постоянной температуре (рис. 4.18, а) водонасыщение описывается изолиниями также различного характера, что со­ответствует парному эффекту, включающему концентрацию углерода в смеси и дисперсность стекла. Таким образом, и объемная масса, и водонасыщение пеностекла зависят не толь­ко от каждого из данных параметров, но и от их взаимосвязи.

При любой из рассматриваемых температур минимальное водонасыщение (рис. 4.18) наблюдается при максимальной дисперсности стекла, при этом оно характерно для широкого интервала концентраций углерода. Далее, в области меньших значений дисперсности и более высокой концентрации углеро­да располагаются изолинии повышенного водонасыщения, имеющие вначале выпуклую, а затем близкую к прямолиней­ной форму. Отсюда вытекает, что с уменьшением дисперсности стекла ее зависимость от концентрации углерода возрастает, а водонасыщение пеностекла увеличивается при повышении концентрации углерода в смеси. Данное сочетание параметров приводит к формированию пеномасс с неравномерной струк­турой.

Механическая прочность пеностекла значительно различает­ся в зависимости от температуры и продолжительности вспе­нивания. Поскольку в уравнении (4.47) отсутствуют парные эффекты, включающие t или т, изолинии прочности (рис. 4.18) имеют одинаковый характер. Напротив, в зоне эксперимента с постоянными значениями t изолинии имеют различную форму и по-разному расположены на плоскости С = S в зависимости от концентрации углерода в смеси и дисперсности стекла (рис. 4.18, а). Взаимосвязь данных параметров между собой и определяет расположение изолиний: более высокая прочность пеностекла наблюдается в области низкой концентрации угле­рода (0,15—0,20%), дисперсность стекла при этом изменяется в широком интервале и может быть минимальной. Изолинии высокой прочности расположены также и в области с повышен­ной концентрацией углерода — 0,25—0,35%, но дисперсность

Стекла при этом максимальная — 6300—6500 см2/г. При умень­шении дисперсности стекла совместно с концентрацией углеро­да прочность пеностекла падает, при этом взаимосвязь между данными параметрами процесса усиливается, и изолинии при­нимают форму, близкую к-прямолинейной.

Результаты данного исследования позволяют определить, какие значения технологических параметров необходимы для получения пеностекла с заданным и наиболее выгодным ком­плексом свойств. Пеностекло с низкой объемной массой (160 кг/м3) и водонасыщением (<3% объема) может быть получено при температуре 860 °С и выдержке 40 мин при со­держании углерода 0,15—0,35%, однако при этом необходима и различная дисперсность стекла: при 0,35% С она выше и со­ставляет 6500 см2/г, тогда как при 0,15% С те же свойства бу­дут получены при удельной поверхности стекла 5900 см2/г. Еще более низкое водонасыщение — менее 2,5% — у пеностекла с объемной массой до 160 кг/м3, И А сж 10 кгс/см2 может быть получено при максимальной (6500 см2/г) удельной поверхности стекла и концентрации газообразователя в пенообразующей смеси 0,31—0,35%.

Полученные уравнения (4.45) — (4.47) позволяют рассчи­тать основные свойства пеностекла в зависимости от техноло­гического режима его получения, а также оценить влияние каждого из изученных факторов на объемную массу, водона­сыщение и прочность пеностекла. Вместе с тем они указывают на наличие сложной взаимосвязи в системе режим — свойства, используемой при синтезе пеностекла.

Набор переменных (%1, 2, п), их основной уровень (хог) и интервал варьирования (Д%г) для различных систем могут быть самыми разными. Они выбираются по данным предва­рительной информации, полученным при исследовании раз­дельного влияния технологических факторов на конечные свой­ства пеностекла в выбранной системе. Поэтому, располагая данными о количественной взаимосвязи между переменными системы режим — свойства и изменяя их соответствующим образом, процесс получения пеностекла с комплексом тех или иных конечных свойств можно направлять таким образом, чтобы в результате хода его получить материал с оптималь­ными значениями.