Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Бесшамотные высокотемпературные теплоизоляционные материалы, предпосылки создания и их назначение 10
1.1.Современное состояние производства и применения бесшамотных теплоизоляционных материалов 10
1.2. Выбор способа изготовления бесшамотных высокотемпературных теплоизоляционных материалов энергоэффективным и скоростным методом . 12
1.3. Обоснование выбора способа получения бесшамотных высокотемпературных материалов энергоэффективным и скоростным методом 28
1.4.Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2. Научная гипотеза, цель, задачи и методы проведения исследований 33
2.1. Гипотеза и задачи исследований 33
2.2. Методика проведения экспериментов
2.2.1 Изучение свойств исходных материалов 36
2.2.2 Методика исследования структурных и реологических характеристик формовочной смеси 37
2.2.3 Исследование физико-механических и термических свойств бесшамотного теплоизоляционного материала 39
2.2.4. Описание установки и методика изучения электрогидротеплосилового воздействия на подвижные исходные смеси .
2.2.5. Исследование макро- и микроструктуры материала 46
2.3. Математическое планирование эксперимента и системный анализ 47
ГЛАВА 3. Закономерности создания бесшамотных теплоизоляционных материалов методом самоуплотнения в гидравлически закрытых объемах 48
3.1. Выбор и характеристика структурообразующей добавки в соответствии с ее влиянием на способность создания объемного прессования массы находящейся в гидравлически закрытом объеме 48
3.2. Теоретические представления о механизме уплотнения и движения жидкости в самоуплотняющейся системе на основе структурообразующей добавки растительного происхождения 51
3.3. Минералогические, химические и биологические особенности структурообразующей добавки растительного происхождения, проявляющиеся при электрогидротеплосиловом воздействии на формовочную массу 56
3.4. Технологические особенности метода электрогидротеплосилового воздействия при получении бесшамотных теплоизоляционных изделий на структурообразующей добавке растительного происхождения 67
3.5. Управление процессами самоуплотнения масс через регулирование количеством поглощающейся воды затворения структурообразующей добавкой 74
3.6. Исследование процессов тепло- и массопереноса при электропрогреве самоуплотняющихся масс на основе структурообразующей растительного происхождения 85
3.6.1. Построение математической модели технологии 85
3.6.2 Анализ уровня влияния термовлагопереноса на растрескивание сырца при гидротеплосиловом воздействии на формовочную массу
3.7.Сушка сырцов 104
3.8. Выбор режима обжига
3.9. Изучение макро- и микроструктуры и физико-механических свойств
бесшамотных теплоизоляционных материалов 113
ГЛАВА 4. Производственное испытание и технико экономическое обоснование 125
4.1 Опытно-производственные работы 125
4.2 Технико-экономическое обоснование разработанной технологии 127
Заключение 137
Библиографический список
- Выбор способа изготовления бесшамотных высокотемпературных теплоизоляционных материалов энергоэффективным и скоростным методом
- Изучение свойств исходных материалов
- Теоретические представления о механизме уплотнения и движения жидкости в самоуплотняющейся системе на основе структурообразующей добавки растительного происхождения
- Технико-экономическое обоснование разработанной технологии
Выбор способа изготовления бесшамотных высокотемпературных теплоизоляционных материалов энергоэффективным и скоростным методом
Введение в исходную массу зерен природного или искусственного полученного заполнителя, имеющего свою пористость; Введение в исходную массу и последующее удаление (испарением, возгонкой, растворением и выжиганием) добавок, оставляющих поры; Вспучивание в ходе термической обработки всей массы или отдельных ее компонентов за счет выделения газа в процессе химического взаимодействия между компонентами; Воздухововлечение в шликер керамических материалов при механической обработке за счет введения пенообразующих добавок или отдельно приготовленной пены (пенометод); Закрепление в шликере газовых пузырьков, возникающих в результате протекания химических реакций разложения или взаимодействия введенных в массу газообразующей добавки [5]. Основными способами являются пеновый, газовый и способ выгорающих добавок. Пенометод, примененный впервые в СССР в 1929 г., освещен в трудах Д.Н. Полубояринова, И.Я. Гузмана, М.Н. Гензлера, С.В. Глебова, А.А. Пирогова [4,5,6,7,8]. Впервые теплоизоляционные материалы, изготовленные по пенометоду, были испытаны в 1936 г. [6]. Преимущество пенометода заключается в возможности получения теплоизоляционных огнеупоров с пористостью выше 60% и даже 85%. Этот метод дает также возможность использовать в больших количествах любой непластичный материал при небольшом количестве связующего и позволяет получить высококачественный теплоизоляционный огнеупор из природных и искусственных огнеупорных и высокоогнеупорных материалов.
Однако, технологически он более сложен, чем метод выгорающих добавок, так как требует более мелких помолов минерального компонента и больших затрат при изготовлении сырца и его сушки. Технологию производства по пеновому способу можно описать следующим образом. Приготовленный отдельно шликер керамической массы и пенную эмульсию гомогенизируют в смесителе интенсивного действия. Контролируемое смешивание пены и шликера обеспечивает требуемую кажущуюся плотность изделий. В качестве пенообразователей используют специальные мыла, сапонины и сульфаты. Пеномассу разливают в металлические формы, в которых получают сырец. Затем сырец сушат и обжигают.
Пена закрепляется путем введения в шихту большого количества непластичного материала, жадно впитывающих воду, таких как, шамот, опилки, либо алюмокислых солей (квасцов), которые кристаллизуются с большим количеством гидратной воды [7].
Дисперсность минерального компонента шихты является важнейшим технологическим параметром в производстве высокотемпературной теплоизоляции на основе пены, определяющим стабильность пеномассы и прочностные показатели изделия, которые улучшаются с возрастанием в шамоте количества тонкодисперсных фракций и уменьшением размера зерен [8].
Пеномасса зачастую в процессе сушки склона к расслоению. Однородность сырцов в связи со слоистой структурой резко снижается, в центре готовое изделие становится более плотным. Расслоение массы связано в первую очередь с неравномерной сушкой пеномассы в металлической форме (отставание сушки внешних и внутренних слоев сырца) и слабой силой сцепления минеральных частиц массы. Помимо этого, слоистость может образоваться в результате неоднородности пеномассы, возникшей в результате некачественного перемешивания пены и шликера. При размере частиц минерального компонента свыше некоторой критической величины (для данной плотности) получение стабильной пены невозможно, грубодисперсные частицы не удерживаются пленками пены и осаждаются в нижних слоях, расслаивая и разрушая пеномассу. Для получения массы, характеризующейся малыми значениями предельного напряжения сдвига, необходимо введение в состав шихты большого количества воды. В противном случае, поризацию массы пеновым способом осуществить не удается, так как при перемешивании с жесткими массами слабые стенки пор пены разрушаются, поэтому масса должна быть подвижной, текучей.
Длительная продолжительность сушки сырцов (3-5 суток) диктуется тем, что большая влажность пеномассы требует очень мягкого режима сушки, вследствие низкой структурной прочности, а внутренние напряжения, вследствие воздушных усадок, значительны.
Всесоюзным институтом огнеупоров (ВИО) совместно с заводами разработаны меры по механизации производственного процесса при производстве теплоизоляционных изделий пенометодом, в частности с кажущейся плотностью 0,3—0,4 г/см3 [9—11]. Усовершенствована также технология введения в пеномассу минерализаторов, позволившая сократить период сушки сырца и получить изделия с улучшенной структурой [9].
Содержание глины в шихте при производстве высокотемпературной теплоизоляции в значительной степени определяет прочность готовых изделий. Однако, ее технологические свойства и, в первую очередь, значительная воздушная (сушильная) усадка, создают необходимость в создании в формовочной массе жесткого каркаса, получаемый введением в состав массы отощающей добавки, которой в алюмосиликатных теплоизоляционных материалах служит шамот. Прирост количества шамота в шихте уменьшает конечную прочность изделий, повышает их среднюю плотность и значительно увеличивает расход электроэнергии и топлива (обжиг глины и помол шамота). Таким образом, экономически и технически важно исключить из состава сырьевой смеси шамот - самый энергоемкий компонент и перейти при производстве высокотемпературной теплоизоляции на бесшамотные массы.
Изучение свойств исходных материалов
Уплотнение массы, заключенной в гидравлически закрытом объеме, осуществлялось путем гидротеплосилового воздействия, создаваемого электрическим полем. Изучение уплотнения проводилось на гидравлически закрытой конструкции формы размерами в нормальный кирпич. Выбор электропрогрева обусловлен преимуществом, позволяющим производить прогрев массы по скоростному режиму, создающего в уплотняющейся системе температурный градиент, направленного от центральных слоев к периферии. Помимо этого электропрогрев проще автоматизировать и позволяет снизить теплозатраты [77]. При этом создаются необходимые условия для химического взаимодействия растительной добавки с формовочной влагой равномерно по всему объему.
При электропрогреве непосредственно через формовочную массу пропускается ток промышленной частоты. Энергия электрического тока в результате большого сопротивления среды преобразуется в тепловую и смесь прогревается по заданному режиму [78]. Масса, состоящая из огнеупорной глины, растительной добавки и воды, является проводником второго рода. В соответствии с законом Джоуля-Ленца энергия электрического тока в результате сопротивления среды преобразуется в тепловую, которая нагревает формуемую смесь [79, 80]. Для регулировки процесса нагрева массы, соответствующего заданному режиму, изменяется значение электрического напряжения. В исследованиях для характеристики электрических параметров использовалась величина обратная электропроводимости – удельное электрическое сопротивление [81].
Проводником электрического тока при электропрогреве самоуплотняющейся массы является жидкая фаза, представляющая собой воду с растворенной в ней электролитами. Твердые компоненты в виде выгорающей добавки и частиц огнеупорной глины практически не проводят электрический ток. Очевидно, что электропроводящая способность массы зависит от количества формовочной влаги и растворенных электролитов. Увеличение воды и щелочи в массе вызывает увеличение электропроводимости. Процесс изменения удельного электрического сопротивления, представленный на рисунке 3.12, характеризуется тремя периодами.
В первый период при электропрогреве растет подвижность ионов с повышением температуры массы. Для второго периода характерен определенный баланс, при котором величина удельного электрического сопротивления на какое то время стабилизируется. В третий период удельное электрическое сопротивления постоянно возрастает вследствие уменьшения количества формовочной (свободной) влаги из-за химического и адсорбционного связывания воды растительной добавкой, а также нарушением капилляров в процессе уплотнения минерального компонента. Интенсивность роста удельного электрического сопротивления обусловливается водопоглощающей способностью растительной добавки. Суть способа заключается в следующем. В специально разработанную гидравлически закрытую форму из диэлектрического материала (текстолита) на двух противоположных гранях, которой установлены пластинчатые электроды укладывается бесшамотная масса. Форма закрывается крышкой и масса подвергается электропрогреву через пластинчатые электроды током промышленной частоты 50 Гц в течение 15-25 минут. При этом гранулы проса при температуре 80 C всасывают в себя воду и набухают, увеличиваясь в объеме, создавая в гидравлически закрытых формах избыточное давление. В ходе объемного прессования происходит внутреннее силовое воздейстие на массы. Для релаксации внутреннего напряжения сырца его выдерживают в форме до 15 минут. Далее следует распалубливание и равномерно прогретый сырец сушат два часа при температуре 80 C, исключая время подъема температуры.
В процессе прохождения электрического тока происходит разогрев всего объема смеси, при этом поверхностные слои сырца отдают часть тепла на нагрев стенок формы, создавая небольшой перепад температуры, не превышающий 5-7 С и наблюдаемый только в начальный период времени [82].
В эксперименте исследовались следующие возможные тактики электропрогрева: 1. режим ступенчатого изменения напряжения (рисунок 3.13); 2. режим с постоянной форсированной скоростью нагрева (220 В); 3. режим с постоянной плавной скоростью нагрева с термостатической выдержкой (120 В). Начальная температура формуемой смеси составляет 20 C. При ступенчатом режиме напряжение электрического тока устанавливалось в 50 В и повышалось каждые 5 минут на 50 В. Рисунок 3.13 Ступенчатый режим электропрогрева.
При проведении электропрогрева с плавной скоростью к формуемой смеси подавался ток с напряжением 120 В. Через 15 минут от начала нагрева температура смеси в центре образца достигает значения 80 C. Далее сырец отключался от электрического тока и выдерживался в форме. В процессе нагрева наблюдалось выделение воздушных пузырьков с их схлопыванием при удалении из формы. К концу прогрева выделение воздушных пузырьков полностью прекращается, пластическая прочность достигает максимума.
Для описания взаимосвязи между электрофизическими процессами и их влиянием на уплотнение массы с растительной добавкой измерялись температура прогрева, сила тока и давление.
При форсированном режимом нагрева смесь подключалась к току напряжением 220 В. Через 8 минут прогрева температура смеси достигла 95 C и началось кипение образца, в результате чего он разрыхляется и уплотнения не происходит (рисунок 3.14).
Теоретические представления о механизме уплотнения и движения жидкости в самоуплотняющейся системе на основе структурообразующей добавки растительного происхождения
Производственная проверка разработанной технологии высокотемпературной бесшамотной теплоизоляции осуществлялась на мощностях предприятия ЗАО «Кировская керамика». Цели и задачи производственной апробации: исследовать возможности получения изделий на основе выгорающей добавки растительного происхождения методом самоуплотнения масс; проверить технологические параметры, изложенные в данной работе, и уточнить их с учетом масштабного фактора; исследовать основные эксплуатационные и функциональные свойства изделий полученных в промышленных условиях и сравнить их с показателями лабораторных образцов.
При проведении производственного испытания использовались следующие материалы: 1.Глина огнеупорная Новорайского месторождения дружковского рудоуправления марки ДН-1; 2. Просо сорт «Саратовское»; 3.Гидрофобизатор ГКЖ-11. Характеристики сырьевых материалов приведены во второй главе. Технологический процесс состоит из следующих переделов: приготовление формовочной смеси, формование сырца электропрогревом в гидравлически закрытой форме, конвективная сушка, высокотемпературный обжиг. Огнеупорную глину, предварительно гидрофобизованную совместным помолом с ГКЖ-11, и выгорающую добавку дозировали по массе. Смесь приготавливалась путем смешения компонентов в горизонтальном лопастном смесителе в течение 5 минут. Полученная масса подавалась пневматическим устройством к посту формования и заливалась на полный объем в формы из текстолита гидравлически закрытой конструкции. Соответствующее заданному режиму напряжение подавалось к электродам при помощи трансформатора. После электропрогрева сырцы выдерживались в форме для снятия напряжений в течение 15 минут. Отформованные сырцы распалубливали и при помощи механического захвата загружали на печные вагонетки. Сырцы имели четкие грани и форму, температура поверхности сырца - 60 C. Сушку производили в печном сушиле в течение 2 часов (температура теплоносителя - 80 ). Высушенные сырцы характеризовались повышенной механической прочностью равной 1,2 МПа. Обжиг ввелся по установленному режиму, продолжительностью 36 ч; максимальная температура 1300 C; выдержка при данной температуре 3 ч. Во процессе обжига изделия сохранили свою первоначальную форму. Трещин, деформаций, и отдельных выплавок не выявлено. Изделия имеют размеры с допустимыми отклонениями, поэтому шлифовка и обрезка не требовалась. Характеристики полученных изделий представлены в Приложении 1.
Опытная промышленная апробация показала что: применение нового способа изготовления высокотемпературной теплоизоляции на основе активной выгорающей добавки растительного происхождения по режимам, подобранным в данной работе, позволяет получить изделия, превышающие требования ГОСТ; - при электропрогреве следует соблюдать установленную скорость набора температуры и не допускать превышение её свыше максимальных значений. Все тепловые процессы должны проводиться в строгом соблюдении порядка и режима согласно выданным инструкциям; выбор технологических параметров, разработанная модель подбора состава, прогнозирование свойств материала, а также проведение оптимизационных решений соответствуют реальному процессу и могут быть использованы при решении технологических задач и задач автоматизации [97]. Промышленные испытания подтвердили положения рабочей гипотезы и дают возможность разработать технологическую схему производства изделий и дать рекомендации по их внедрению.
Предлагаемая технология высокотемпературной теплоизоляции может быть внедрена на действующих предприятиях огнеупорной промышлености без значительных капитальных затрат. Новая технология, основанная на методе самоуплотнения масс, с использованием растительной добавки (проса) взамен полистирола имеет ряд преимуществ, обуславливающий ее экономический эффект перед пенотехнологией: - технология позволяет получить высокотемпературную теплоизоляцию с улучшенными эксплуатационными свойствами: повышенной механической прочностью, низкой средней плотностью, высокой огнеупорностью; - ликвидация технологического передела, такого как, приготовление и помол шамота снижает энергоемкость, ликвидация шлифовки и обрезки оббоженных изделий придает технологии немногодельность, компактность и экономичность, позволяющих эффективно и рационально использовать дорогостоящее сырьё (при пеновом способе образуется до 40% отходов); - использование механизации, простота изготовления, автоматизация процесса производства, приводит соответственно к уменьшению ручного труда, улучшению культуры труда; - возможность использования технологии изготовления на одной технологической линии, используя минимальное количество сменных кассет, позволяющих получать фасонные изделия и блоки различной конфигурации и размера; - уменьшение расхода электроэнергии и топлива, значительное сокращение времени на формование изделий; - значительное высвобождение производственной площади за счёт ликвидации большого количества сменного оборудования и тоннельных сушилок;
Снижение удельного расхода топлива, электроэнергии и сырья на единицу продукции и другие преимущества новой технологии позволяют получать при производстве значительный экономический эффект. В целях экономического подтверждения перечисленных преимуществ новой технологии был рассчитан экономический эффект от внедрения механизированной линии по производству бесшамотной высокотемпературной теплоизоляции. При определении технико-экономической эффективности разработанной технологии производства бесшамотной высокотемпературной теплоизоляции [98] использовались следующие соображения: - расчетный выпуск годовой продукции со средней плотности 400 кг/м3 принимался 1000 тонн в год: - технологическое оборудование устанавливается на свободных площадях цеха, т.е. затраты на капитальное строительство исключены.
Технико-экономическое обоснование разработанной технологии
Уплотнение массы, заключенной в гидравлически закрытом объеме, осуществлялось путем гидротеплосилового воздействия, создаваемого электрическим полем. Изучение уплотнения проводилось на гидравлически закрытой конструкции формы размерами в нормальный кирпич. Выбор электропрогрева обусловлен преимуществом, позволяющим производить прогрев массы по скоростному режиму, создающего в уплотняющейся системе температурный градиент, направленного от центральных слоев к периферии. Помимо этого электропрогрев проще автоматизировать и позволяет снизить теплозатраты [77]. При этом создаются необходимые условия для химического взаимодействия растительной добавки с формовочной влагой равномерно по всему объему.
При электропрогреве непосредственно через формовочную массу пропускается ток промышленной частоты. Энергия электрического тока в результате большого сопротивления среды преобразуется в тепловую и смесь прогревается по заданному режиму [78]. Масса, состоящая из огнеупорной глины, растительной добавки и воды, является проводником второго рода. В соответствии с законом Джоуля-Ленца энергия электрического тока в результате сопротивления среды преобразуется в тепловую, которая нагревает формуемую смесь [79, 80]. Для регулировки процесса нагрева массы, соответствующего заданному режиму, изменяется значение электрического напряжения. В исследованиях для характеристики электрических параметров использовалась величина обратная электропроводимости – удельное электрическое сопротивление [81]. Проводником электрического тока при электропрогреве самоуплотняющейся массы является жидкая фаза, представляющая собой воду с растворенной в ней электролитами. Твердые компоненты в виде выгорающей добавки и частиц огнеупорной глины практически не проводят электрический ток. Очевидно, что электропроводящая способность массы зависит от количества формовочной влаги и растворенных электролитов. Увеличение воды и щелочи в массе вызывает увеличение электропроводимости.
Процесс изменения удельного электрического сопротивления, представленный на рисунке 3.12, характеризуется тремя периодами. Рисунок 3.12. Изменение удельного сопротивления электропроводимости в процессе электропрогрева масс. В первый период при электропрогреве растет подвижность ионов с повышением температуры массы. Для второго периода характерен определенный баланс, при котором величина удельного электрического сопротивления на какое то время стабилизируется. В третий период удельное электрическое сопротивления постоянно возрастает вследствие уменьшения количества формовочной (свободной) влаги из-за химического и адсорбционного связывания воды растительной добавкой, а также нарушением капилляров в процессе уплотнения минерального компонента. Интенсивность роста удельного электрического сопротивления обусловливается водопоглощающей способностью растительной добавки. Суть способа заключается в следующем. В специально разработанную гидравлически закрытую форму из диэлектрического материала (текстолита) на двух противоположных гранях, которой установлены пластинчатые электроды укладывается бесшамотная масса. Форма закрывается крышкой и масса подвергается электропрогреву через пластинчатые электроды током промышленной частоты 50 Гц в течение 15-25 минут. При этом гранулы проса при температуре 80 C всасывают в себя воду и набухают, увеличиваясь в объеме, создавая в гидравлически закрытых формах избыточное давление. В ходе объемного прессования происходит внутреннее силовое воздейстие на массы. Для релаксации внутреннего напряжения сырца его выдерживают в форме до 15 минут. Далее следует распалубливание и равномерно прогретый сырец сушат два часа при температуре 80 C, исключая время подъема температуры.
В процессе прохождения электрического тока происходит разогрев всего объема смеси, при этом поверхностные слои сырца отдают часть тепла на нагрев стенок формы, создавая небольшой перепад температуры, не превышающий 5-7 С и наблюдаемый только в начальный период времени [82].
В эксперименте исследовались следующие возможные тактики электропрогрева: 1. режим ступенчатого изменения напряжения (рисунок 3.13); 2. режим с постоянной форсированной скоростью нагрева (220 В); 3. режим с постоянной плавной скоростью нагрева с термостатической выдержкой (120 В). Начальная температура формуемой смеси составляет 20 C. При ступенчатом режиме напряжение электрического тока устанавливалось в 50 В и повышалось каждые 5 минут на 50 В. Рисунок 3.13 Ступенчатый режим электропрогрева.
При проведении электропрогрева с плавной скоростью к формуемой смеси подавался ток с напряжением 120 В. Через 15 минут от начала нагрева температура смеси в центре образца достигает значения 80 C. Далее сырец отключался от электрического тока и выдерживался в форме. В процессе нагрева наблюдалось выделение воздушных пузырьков с их схлопыванием при удалении из формы. К концу прогрева выделение воздушных пузырьков полностью прекращается, пластическая прочность достигает максимума.
Для описания взаимосвязи между электрофизическими процессами и их влиянием на уплотнение массы с растительной добавкой измерялись температура прогрева, сила тока и давление.
При форсированном режимом нагрева смесь подключалась к току напряжением 220 В. Через 8 минут прогрева температура смеси достигла 95 C и началось кипение образца, в результате чего он разрыхляется и уплотнения не происходит (рисунок 3.14).Q