УДК 691.434.7:666.76:691.33

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЦЕПТУРЫ ЖАРОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ШЛАКОВ И ГЛИН МЕТОДАМИ АКТИВНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Тарасов Роман Викторович1, Макарова Людмила Викторовна2, Шашкина Мария Викторовна3
1ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
3ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», студент

Аннотация
В качестве эффективного инструмента оптимизации рецептуры для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик могут использоваться методы активного планирования эксперимента. В работе исследовалось влияние рецептурных и технологических факторов на прочность жаростойких композиционных материалов на основе шлаков и глин.

Ключевые слова: активный эксперимент, жаростойкие материалы, оптимизация


OPTIMIZATION OF HEAT-RESISTANT COMPOSITE MATERIALS BASED ON SLAG AND CLAY ACTIVE METHODS OF EXPERIMENTAL DESIGN

Tarasov Roman Viktorovich1, Makarova Ludmila Viktorovna2, Shashkina Maria Viktorovna3
1Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
2Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
3Penza State University of Architecture and Construction, student

Abstract
As a tool for optimizing the formulation to provide the required performance can be used methods of active experiment planning. In the article the study of the influence of prescription and technological factors on the strength of the heat-resistant composite materials based on slag and clay.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Тарасов Р.В., Макарова Л.В., Шашкина М.В. Оптимизация рецептуры жаростойких композиционных материалов на основе шлаков и глин методами активного планирования эксперимента // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/46385 (дата обращения: 29.09.2017).

В проведенных ранее исследованиях по выявлению влияния рецептурных факторов глиношлаковых композитов на их работоспособность при высокой температуре было установлено, что наиболее эффективен в таких условиях материал при соотношении компонентов вяжущего Глина:Шлак=40:60 при наполнении его шамотным песком в качестве мелкозернистого заполнителя [1…8]. Такое соотношение компонентов смеси  при соблюдении определенных технологических режимов позволяет обеспечить высокие эксплуатационные характеристики, необходимую терщиностойкость, теплопроводность и термостойкость [9…12].

Для оптимизации состава и технологических параметров формирования наполненных глиношлаковых композитов использовалось центрально-композиционное ротатабельное планирование [13, 14]. В качестве варьирующихся факторов были взяты: содержание заполнителя (шамотный песок) Х1, содержание активизатора (щелочи) Х2 и давление прессования Х3, а в качестве параметра оптимизации – предел прочности при сжатии в высушенном состоянии (Rсж, МПа). Условия изменения переменных приведены в табл. 1.

Таблица 1. Условия изменения переменных

Наименование Кодированное обозначение Переменные

Содержание заполнителя (Х1)

Содержание активизатора (Х2)

Давление прессования (Х3)

Минимальное значение

40

1

10

Максимальное значение

+

80

3

20

Среднее значение

0

60

2

15

Нижняя «звездная» точка

-1,682

26,36

0,318

6,59

Верхняя «звездная» точка

+1,682

93,64

3,682

23,41

Интервал варьирования

D

20

1

5

После обработки экспериментальных данных было получено уравнение регрессии, характеризующее прочность на сжатие в высушенном состоянии. Адекватность модели проверялась по критерию Фишера, а значимость коэффициентов – по критерию Стьюдента. 

Анализ полученного уравнения позволяет сделать ряд выводов. Знак минус при квадратичном члене Х2 означает, что при увеличении содержания щелочи наступает момент, когда дальнейшее увеличение прочности композита за счет указанного фактора прекращается. Эффект взаимодействия факторов показывает, что степень влияния одного фактора на прочность композита зависит от величины другого фактора. При Х2= -1 коэффициент Х3 становится +10,01, а при Х2= +1 его величина равна +11,09, что больше величины первого коэффициента на 10,7%. Это значит, что повышение прочности за счет увеличения содержания щелочи более существенно при высоком давлении прессования, чем при низком.

Для того, чтобы получить зависимость прочности глиношлаковых образцов в высушенном состоянии от одного фактора – давления прессования, значения других переменных стабилизируем в следующем уравнении:

 

В первом случае при увеличении давления прессования с 6,59 МПа (нижняя «звездная» точка) до 23,41 МПа (верхняя «звездная» точка) прочность увеличивается от 20,83 МПа до 54,5 МПа, то есть на 33,67 МПа, а во втором случае от 31,05 до 68,35, то есть на 38,2 МПа.

После отсеивания статистически незначимых коэффициентов уравнение принимает следующий вид:

 

Из уравнения видно, что фактор Х1 (содержание заполнителя) в данных пределах варьирования не влияет на прочность глиношлакового наполненного композита. Это подтверждает ранее полученные экспериментальные данные в незначительном влиянии на прочность образцов в высушенном состоянии шамотного песка, используемого в количестве 20-90% от массы ГШВ [15].

По результатам расчетов по математическим моделям построены графические зависимости прочности в высушенном состоянии (через 28 суток твердения) от факторов варьирования (рис. 1).

Рисунок 1 – Зависимость прочности высушенных наполненных глиношлаковых образцов от содержания щелочи NaOH и давления прессования:

1-давление прессования – 10 МПа;

2-давление прессования – 15 МПа;

3-давление прессования – 20 МПа;

Как видно из рисунка 1, зависимость прочности в высушенном состоянии от содержания активизатора NаОН линейна в пределах значений давления прессования от 10 до 20 МПа с интервалом варьирования 5 МПа.

Степень влияния каждого фактора на прочность при сжатии в высушенном состоянии наглядно можно представить в виде поверхности (рис. 2).

Рисунок 2 – Влияние факторов на прочность композита в высушенном состоянии

Таким образом, можно сделать вывод о том, что максимальные значения прочности при сжатии в сухом состоянии могут быть получены при высоком содержании щелочи в глиношлаковой системе при условии повышенного давления формования при содержании шамотного песка от 20 до 90% от массы композиционного вяжущего.

Однако, учитывая, что при 90%-ном содержании шамотного песка [16…18] термостойкость материала становится значительно выше, чем при другом содержании, долю шамотного песка следует принимать не менее 90%.


Библиографический список
  1. Тарасов, Р.В. Эффективный жаростойкий материал на основе модифицированного глиношлакового вяжущего [Текст] / Р.В. Тарасов: канд. диссертация. –  ПГАСА, 2002.-150 с.
  2. Калашников, В.И. Новый жаростойкий материал для футеровки промышленных печей [Текст] / В.И. Калашников, В.Л. Хвастунов, Р.В. Тарасов, Д.В. Калашников // Строительные материалы. – 2003. – №11. – С.40-42.
  3. Батынова, А.А. Влияние рецептурных и технологических факторов на эксплуатационные свойства жаростойких материалов на основе молотых шлаков и глин [Текст] / А.А. Батынова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45013 (дата обращения: 17.01.2015).
  4. Батынова, А.А. Оценка влияния дисперсности компонентов вяжущего на свойства композиционных материалов на основе молотых шлаков и глин [Текст] / А.А. Батынова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/44900 (дата обращения: 23.01.2015).
  5. Батынова, А.А. Анализ термических свойств металлургических шлаков [Текст] / А.А. Батынова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/43380 (дата обращения: 06.01.2015)
  6. Слепова, И.Э. Оценка возможности использования глин месторождений Пензенской области для производства керамической продукции [Текст] / И.Э. Слепова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2014.- № 8 [Электронный ресурс].- URL:http://web.snauka.ru/issues/2014/08/37211 (дата обращения: 20.08.2014).
  7. Тарасов, Р.В. Оценка влияния содержания шлака на физико-механические и термические свойства жаростойких композиционных материалов Текст] / Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова, М.В. Шашкина // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/46166 (дата обращения: 01.02.2015).
  8. Блохина, Т.П. Оценка воздушных и огневых усадочных деформаций глин месторождений Пензенской области [Текст] / Т.П. Блохина, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2014.-№ 7. [Электронный ресурс].- URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/08/37254 (дата обращения: 25.08.2014).
  9. Батынова, А.А. Технология производства материалов на основе активированного шлака и глин [Текст] / А.А. Батынова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/43378 (дата обращения: 06.01.2015).
  10. Батынова, А.А. Влияние тепловлажностной обработки на формирование прочности жаростойких композитов на основе шлаков и глин [Текст] / А.А. Батынова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45664 (дата обращения: 23.01.2015).
  11. Батынова, А.А. Анализ огнеупорных свойств композитов на основе металлургических шлаков и глин [Текст] / А.А. Батынова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/43495 (дата обращения: 08.01.2015).
  12. Батынова, А.А. Анализ теплопроводности теплоизоляционных материалов на основе металлургических шлаков и глин [Текст] / А.А. Батынова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/44984 (дата обращения: 17.01.2015).
  13. 13 Адлер, Ю.П. Введение в планирование эксперимента [Текст] / Ю.П. Адлер.- М.: Металлургия, 1968. – 155 с.
  14. Тарасов, Р.В. Выбор параметра оптимизации и факторов в рамках подготовки к активному эксперименту [Текст] / Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова, О.Ф. Акжигитова // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/04/33940 (дата обращения: 29.01.2015).
  15. Тарасов, Р.В. Влияние введения наполнителя на характер трещинообразования жаростойких композитов на основе молотых шлаков и глин [Текст] / А.А. Батынова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № 1 [Электронный ресурс]. URL:http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45541 (дата обращения: 17.01.2015).
  16. Тарасов, Р.В. Оценка качественных показателей пористости и водопоглощения жаростойких композиций на основе молотых шлаков и глин [Текст] / Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова, А.С. Григорьева // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № 1 [Электронный ресурс]. URL:http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45837 (дата обращения: 23.01.2015).
  17. Тарасов, Р.В. Влияние обжига на пористость и водопоглощение жаростойких композиций на основе молотых шлаков и глин [Текст] / Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова, А.С. Григорьева // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45871 (дата обращения: 28.01.2015).
  18. Батынова, А.А. Влияние межчастичных расстояний наполнителя на термические свойства композитов на основе шлаков и глин [Текст] / А.А. Батынова, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45614 (дата обращения: 23.01.2015).


Все статьи автора «Макарова Людмила Викторовна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: