ВВЕДЕНИЕ Композиционным материалам в различных отраслях ... уделяется все больше внимания, поскольку ...
advertisement
ВВЕДЕНИЕ Композиционным материалам в различных отраслях науки и техники уделяется все больше внимания, поскольку подбором различных исходных компонентов, образующих композиционную среду, может быть достигнута уникальная комбинация свойств объекта. Это сыграло исключительно важную роль в космической и ядерной технике и успешно разрешило многие земные проблемы, например, в строительстве или в металлургии. Многие промышленные аппараты работают при воздействии агрессивной среды и механических нагрузок в условиях высоких температур. В таких случаях необходимо, чтобы защитные покрытия были хорошими теплоизоляторами. Теплоизоляционные материалы - разновидность строительных материалов, характеризующихся малой теплопроводностью. Разность температур в средах, разделенных ограждением, приводит к переходу тепла от нагретой к холодной среде. Цель теплоизоляции - ограничить количество передаваемого тепла. Любое ограждение оказывает некоторое сопротивление переходу тепла. Однако для достижения значительного теплосопротивления необходимо либо делать ограждения большой толщины, что экономически нецелесообразно, либо применять теплоизоляционные материалы, позволяющие значительно уменьшить толщину ограждения. В связи с этим задача настоящей работы сводилась к получению композиционной многослойной теплозащитной плитки с различным функциональным назначением составляющих слоев (теплоотражающих и теплоаккумулирующих). Решение этой задачи обеспечило бы получение монолитного многофункционального изделия с градиентным изменением его свойств по толщине. Непременным условием при этом было использование в качестве основных компонентов шихты - различных отходов энергетической, металлургической и химической промышленности. Наиболее эффективный путь решения проблемы промышленных отходов - создание и широкое применение безотходной технологии, т.е. технологии, базирующейся на системах с замкнутым циклом и обеспечивающей многократную (комплексную) переработку сырья с получением нескольких видов полезного продукта. При комплексном использовании сырьевых материалов промышленные отходы одних производств являются сырьем для других. Важность такого подхода к переработке природных сырьевых ресурсов следует рассматривать в нескольких аспектах. Во-первых, утилизация отходов позволяет решить задачи охраны окружающей среды, многократно сократить, а в ряде случаев совсем исключить накопление отходов в отвалах и различных хранилищах, устранить вредные выбросы в окружающую среду. Во-вторых, вовлечение промышленных отходов в производство полезного продукта в значительной степени перекрывает потребность ряда перерабатывающих отраслей в сырье, причем во многих случаях в высококачественном, подвергнутом в процессе первичной переработки подготовке. В то же время представляется возможным существенное сокращение природного сырья. В-третьих, при комплексном использовании сырья снижаются удельные капитальные затраты и сокращается срок их окупаемости. Снижаются также непроизводительные затраты на основном производстве, связанные с удалением и хранением отходов, а вспомогательное производство практически полностью освобождается от транспортных расходов по доставке сырья. Получение высокоэффективных конструкционных материалов с использованием отходов позволяет решать одновременно задачу по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов. Как известно, многие промышленные отходы относятся к системам окислов алюминия, кремния и кальция, т.е. являются вполне приемлемым сырьем для получения строительных материалов, в том числе и теплоизоляторов. При получении прочного монолитного композита важно обеспечить прочное сцепление между наполнителем и связующей матрицей. Для композиционных материалов, в технологический процесс получения которых выходит операция термической обработки, вероятность получения высокой прочности достаточно высока. В связи с этим большое внимание уделяется подготовке поверхности наполнителя. Состояние поверхности должно обеспечить ее активное участие в процессах, происходящих в связующей матрице. Один из способов создания необходимого состояния структуры поверхности - это механическая активация твердых частиц в мельницах специальной конструкции, когда происходит не только измельчение твердого тела, но и целенаправленное изменение его энергетического состояния по объему в целом и в поверхностном слое частицы в особенности. Среди многообразия приемов создания теплоизоляционных материалов определенное место отводится окислительное - восстановительным реакциям алюмо - и углетермии. Специфика этого процесса дает широкие возможности в получении как чисто керамических, так и металлокерамических изделий различного состава и назначения с градиентным распределение металлической фазы по объему синтезируемого материала. Учитывая опыт работы многих исследователей в области создания композиционных защитных материалов, в особенности выполняющих функции теплоизоляторов, мы в настоящей работе выбирали путь наиболее экономичный с точки зрения материальных затрат и энергоресурсов. Использовался метод механической активации исходных материалов с углеродсодержащими добавками. Предполагалось, что в зависимости от режима измельчения и вида углеродсодержащего материала, дисперсные частицы будут иметь различную структуру поверхностного слоя, и, следовательно, разные физико-химические свойства, что и определит их дальнейшее использование в композиционных соединениях. 1 Общая часть 1.1 История РГП «Институт проблем горения» РГП "Институт проблем горения" организован постановлением Совета Министров Казахской ССР № 295 от 24.07.1990 года. Научными результатами РГП "ИПГ" заинтересовали лауреата Нобелевской премии академика Н. Н. Семенова, академиков Я. Б. Зельдовича, В. Н. Кондратьева, Н. М. Эммануэля и, при поддержке декана химического факультета профессора Б. А. Беремжанова, стали причиной для организации на химическом факультете кафедры химической кинетики и горения. Постоянную заботу о развитии кафедры проявлял ректор университета академик У. А. Джолдасбеков. С 1979 по 1989 гг. кафедрой заведовали профессор Г. И. Ксандопуло, с 1990 по 1997 гг. – профессор Б. Я. Колесников, а с 1998 по 2002 гг. – профессор З. А. Мансуров. В 1988 году на базе кафедры химической кинетики и горения КазГУ был создан Казахский межотраслевой научнотехнический центр СВС, преобразованный в 1991 году в Институт проблем горения Министерства образования Республики Казахстан. Директором ИПГ стал академик технических наук, профессор Ксандопуло Г. И. При Институте проблем горения работает филиал кафедры химической кинетики и горения (ныне кафедры химической физики). Результаты фундаментальных и прикладных исследований, проводимых в ИПГ, внесли вклад в развитие ряда актуальных областей процессов горения. Они нашли практическое применение в Казахстане и странах ближнего и дальнего зарубежья. По словам академика Н. Н. Семенова: “можно считать, что труды ученых кафедры и ИПГ заложили основы оригинальной казахстанской школы в области химической физики”. Основные научные направления 1. Изучение структуры газовых пламен; 2. Изучение проблем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для создания новых и улучшения традиционно выпускаемых материалов; 3.Синтез высокотемпературных электропроводных керамических материалов; 4.Исследование закономерностей получения композиционной керамики на основе карбидов, силицидов, боридов переходных металлов в условиях СВС; 5.Разработка путей повышения рентабельности производства за счет непрерывности цикла и применения комплексных технологий; 6.Разработка нанотехнологий и наноуглеродных материалов; 7.Исследование добычи и переработки нефтепродуктов и газов с использованием принципов технологического горения. 1.2 Структура ИПГ Полное название: Республиканское Государственное Предприятие на праве хозяйственного ведения «Институт проблем горения» Комитета Науки Министерства Образования и Науки Республики Казахстан. Сокращенное наименование: РГП «Институт проблем горения» КН МОН РК. Сокращенная аббревиатура: ИПГ РГП «Институт проблем горения» имеет следующую структуру: I. Аппарат управления 1. Генеральный директор; 2. Научный руководитель; 3. Зам. генерального директора по экономическим и финансовым вопросам; 4. Ученый секретарь; 5. Начальник АХО; 6. Начальник ПТО. II. Научные лаборатории 1. Лаборатория углеродных нано материалов; 2. Лаборатория нано биотехнологий; 3. Лаборатория проблем горения; 4. Лаборатория механохимических процессов; 5. Лаборатория моделирования процессов горения; 6. Лаборатория СВС-огнеупоров; 7. Лаборатория конструкционной и функциональной керамики; 8. Лаборатория плазмохимии; 9. Лаборатория топлив и реагентов; 10. Лаборатория физических методов исследования; 11. Патентно-информационный отдел. 1.3 Лаборатория механохимических процессов В лаборатории проводятся научные исследования в области химии и физики твердого тела, механохимии, коррозии металлов, обогащения полезных ископаемых, процессов спекания и горения. Исследования направлены на разработку научных и технологических основ создания новых перспективных материалов и изделий с заданными свойствами, механохимического вскрытия минерального сырья и обогащения полезных ископаемых. Осуществляются поисково-исследовательские и технологические проекты по механохимическому синтезу материалов с высокой теплопроводностью для микроэлектроники, исследованию процессов взаимодействия марганцевых руд с алюминиевыми сплавами для разработки технологических основ получения легирующих материалов, синтезу порошковых систем с мультислоевой структурой частиц и наноструктурированных СВС - композитов на их основе По программе «Развитие нанонауки и нанотехнологий в Республике Казахстан на 2011 – 2015 г.г.» (МОН РК) проект: «Механохимический синтез материалов с высокой теплопроводностью для микроэлектроники». Руководитель: д.х.н. Кетегенов Т.А. По программе фундаментальных исследований 2014 – 2016 г.г.» (МОН РК) проект: «Разработка научных и технологических основ синтеза порошковых систем с мультислоевой структурой частиц и наноструктурированных СВС-композитов на их основе». Руководитель: д.х.н. Мофа Н.Н. По программе фундаментальных исследований 2013 – 2016 г.г.» (МОН РК) проект: «Исследование процессов взаимодействия марганцевых руд с алюминиевыми сплавами для разработки технологических основ получения легирующих материалов». Руководитель: к.х.н. Касымбекова Д.А. Сотрудники лаборатории имеют более 15 охранных документов, в том числе предварительные патенты РК: - способы получения и составы защитных материалов (обмазок, бетонов, керамических плиток); - способ модифицирования кремнезема и получения различных сорбентов; - способ очистки питьевой и природной воды, а также устройство для сбора нефтепродуктов с поверхности воды; - способ изготовления динаса; - способ получения концентрата двуокиси титана и пигментного диоксида титана; - способ получения порошка силумина из металлической стружки; - вращающаяся печь для обжига керамзита и способ изготовления керамзита. Лаборатория неоднократно участвовала в выставках: В 2003 г. магнитный адсорбент и химически стойкий порошок были представлен на выставках в г. Москве (Россия), в г. Филадельфия (США), посвященных достижениям образования и науки Казахстана. В 2006 г. принимали участие в работе выставки перспективных достижений науки и технологии Казахстана «Инженерная наука и инновации», представляя магнитный адсорбент, коротко обжиговую вращающуюся печь новой конструкции и технологию получения пигментного диоксида титана. По результатам научных разработок внедрено получение химически стойкого порошкового материла ПКЗ-ША, предназначенного для защиты поверхностей различных сооружений и агрегатов на предприятиях металлургической и энергетической отраслей промышленности. Рисунок 1- Центральный вход в здание РГП «Институт проблем горения» 2 Специальная часть 2.1 Литературный обзор Из большого числа разнообразных композиционных материалов теплоизоляционные материалы находят самое широкое применение в различных отраслях промышленности: металлургической, теплоэнергетической, химической, пищевой и пр. Они используются не только как конструкционные материалы, но в основном для изоляции технологической аппаратуры, тепловых установок и различных трубопроводов [1]. Высокоэффективная теплоизоляция позволяет не только сократить потери тепла и сэкономить топливо, но и способствует во многих случаях интенсификации технологических процессов. Основу большинства промышленных теплоизоляционных материалов составляют алюмосиликаты, содержащие кварц, муллит, корунд и более сложные химические соединения. Соединениям углерода наряду с оксидными образованиями кремния в нашей работе уделено особое внимание. Известно, что карбиды металлов устойчивы к воздействию как высоких, так и низких температур [2]. Сам по себе углерод в различных модификациях не смачивается или плохо смачивается многими металлическими или силикатными расплавами и поэтому при получении антиадгезионных и противопригарных покрытий в их состав вводят углеродсодержащие вещества [3] . Исторически применение теплоизоляции началось с использования рыхлых и сыпучих материалов в виде зернистых (пористых вулканических пород), волокнистых (сухие водоросли, стебли злаковых культур, шерсть), и порошковых систем (пеплы, рыхлые земли) [4]. В настоящее время четко выделились четыре направления производства теплоизоляционных материалов: создание искусственных материалов с последующим формованием из них высокопористых изделий; формование изделий из природных пористых материалов путем дополнительной поризации в процессе изготовления; производство высокопористых изделий из плотных искусственных и природных волокнистых и порошкообразных материалов путем поризации поризованных сыпучих и рыхлых материалов для засыпной теплоизоляции. Теплоизоляционные изделия изготовляют путем формования исходных композиций (масс) с целью создания в материале пористости заданного объема и вида [5]. Основное функциональное назначение ограждающих конструкций в жилых, промышленных и сельскохозяйственных зданиях - создание комфортного микроклимата в помещениях. Что касается футеровки и обмуровки различного теплоэнергетического оборудования и трубопроводов, технологических аппаратов и печей, то их основное назначение - уменьшение потерь тепла или холода в окружающую среду. Поэтому знание закономерностей теплопередачи ограждающих конструкции имеет большое значение для создания теплоизоляционных материалов с оптимальными теплофизическими характеристиками и проектировании конструкций с наименьшими теплопотерями. 2.1.1 Основные представления о теплопередаче Передачу внутренней энергии (теплота) от теплой (здание) или горячей (оборудование) поверхности конструкций в пространство (окружающую среду) называют теплообменом, или теплопереносом. Передача теплоты вследствие теплопроводности происходит самопроизвольно от одной изотермической поверхности к другой в сторону, где температура ниже. Таким образом, необходимым условием передачи теплоты является наличие перепада температур (температурный градиент ). При этом передача теплоты происходит по нормали к изотермической поверхности. Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока - q . Вектор теплового потока противоположен температурному градиенту. Теплоперенос является сложным теплофизическим процессом, в котором можно выделить три элементарных вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение [6]. Теплопроводностью или кондуктивной теплопередачей называют перенос теплоты в сплошной среде при непосредственном соприкосновении тел или частиц одного тела, имеющих различную температуру. Этот вид передачи характерен для материалов в любом агрегатном состоянии. Конвекцией называется переноса тепла путем перемещения вещества в пространстве. Конвективный теплообмен свойственен движущимся жидкостям и газам. При этом различают два вида конвекции: естественную, при которой происходит самопроизвольное перемешивание частей жидкости или газа с различной температурой, и вынужденную, когда движение частиц вызывается внешним воздействием (перемешиванием , продувкой и т.д.). Тепловым излучением, или лучеиспусканием называют перенос теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением: тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего тепло, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тела, поглощающего лучистую теплоту. Элементарные виды теплообмена не обособлены и в чистом виде в задачах строительной теплофизики не встречаются. Как правило, в технике одновременно действует несколько видов теплообмена, поэтому количественная оценка вклада каждого из них в общую теплопередачу затруднена. В строительных ограждающих конструкциях теплопередача происходит одновременно путем теплопроводности и конвективного переноса теплоты и называется конвективным теплообменом. В многослойных конструкциях высокотемпературного технологического оборудования и агрегатах теплоэнергетики теплопередача имеет еще более сложный характер, и в ней участвуют все три вида теплообмена. Преимущественное влияние того или иного способа теплопередачи зависит от материала конструкции, характера его пористости, конструктивного решения ограждения (защиты), среды, в которой эксплуатируется ограждение (защита), и температуры эксплуатации. При выборе схемы расчета теплопроводности высокотемпературного оборудования учитывают число слоев, составляющих конструкцию, характеристики материала и температурный градиент. По числу слоев конструкции подразделяют на однослойные и многослойные. Большинство ограждающих конструкций зданий и печей относится к многослойным. Даже однослойные (по строительной номенклатуре) стеновые панели из керамзитобетона и ячеистого бетона с точки зрения теплофизики следует рассматривать как многослойные, так как они включают наружный фактурный слой (керамическая или стеклянная плитка, декоративная штукатурка), основной слой материала и внутренний штукатурный слой. Теплопроводность каждого из этих слоев различна. Теплоизоляционные материалы в соответствии с существующими нормативными документами классифицируются по следующим основным признакам: форме и внешнему виду, структуре, виду исходного сырья, объемной массе, жесткости (относительной деформации сжатия), теплопроводности и возгораемости. По форме и внешнему виду материалы подразделяют на штучные изделия (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, полуцилиндры, сегменты); рыхлые и сыпучие материалы (вата минеральная, стеклянная, вспученные перлит и вермикулит). Наиболее распространенный вид жестких теплоизоляционных изделий плиты длиной 1 м, шириной 0,5 м и толщиной 5 - 10 см. Толщину назначают исходя из термического сопротивления материала. Сравнительно небольшие размеры плит обусловлены их невысокой прочностью. Сыпучие теплоизоляционные материалы представляют собой минеральные и органические вещества в виде бесформенных волокнистых или зернистых порошкообразных масс. К сыпучим материалам относят молотый диатомит, необработанную и гранулированную минеральную вату, перлитовый песок, вспученный вермикулит, торфяную крошку и др. Сыпучие теплоизоляционные материалы в сухом виде используют для засыпки пустот в стенах временных и других облегченных зданиях, для утепления чердачных перекрытий. Неорганические сыпучие материалы применяют и для тепловой изоляции различного промышленного оборудования. К сыпучим материалам относят также некоторые порошкообразные смеси, которые в виде мастик употребляют для теплоизоляции горячих поверхностей оборудования. Такие материалы часто называют мастичными [7] . Наиболее прогрессивные теплоизоляционные материалы - штучные изделия. Теплозащитные свойства ограждений из них лучше, чем у засыпных или мастичных теплоизоляционных конструкций. Штучные изделия изготавливают в заводских условиях по строго установленной технологии, а качество их контролируют по соответствующим стандартам. Теплозащитные же свойства засыпных и мастичных конструкций зависит не только от свойств материалов, но и от способов их применения; свойства засыпной теплоизоляции существенно меняется в процессе эксплуатации. Кроме того, производительность труда при выполнении теплоизоляции из штучных изделий выше, чем при засыпной, набивной или особенно мастичной, которую делают обычно вручную. Основное направление в развитии производства теплоизоляционных материалов в настоящее время - расширение выпуска высококачественных жестких крупноразмерных изделий. По структуре материалы подразделяются на волокнистые, ячеистые и зернистые. По виду исходного сырья различают неорганические и органические материалы. К неорганическим относят, например, минеральную вату, ячеистые бетоны, теплоизоляционную керамику. Органическими материалами считают древесноволокнистые и торфяные плиты, камышит, а также теплоизоляционные (газонаполненные) пластмассы. Существует еще группа материалов, изготовляемых из смеси неорганического и органического сырья, например. фибролит, получаемый из древесной шерсти и цемента, изделия из минеральной ваты на органическом связующем. Их не выделяют в отдельную группу, а условно относят или к органическим материалам (фибролит), или к неорганическим (изделия из минеральной ваты на органических связующих). Основанием для этого служит преобладающее содержание либо минеральной, либо органической части материала. Объемная масса материала в сухом состоянии (кгм3) принята за основу подразделения теплоизоляционных материалов на марки (таблица 1). Таблица 1 - Классификация материалов по объемной массе Группа материалов Особо низкой плотности Низкой плотности Средней плотности Плотные 15 100 200 400 25 125 225 450 Марка 35 150 250 500 50 175 300 600 75 350 - Марку материалов, имеющих промежуточное значение объемной массы относят к ближайшей большей. По жесткости теплоизоляционные изделия подразделяют исходя из относительной деформации сдвига (таблица 2). Таблица 2 - Классификация изделий по жесткости Вид изделия Мягкие Полужесткие Жесткие Повышенной жесткости Твердые Относительное нагрузке, МПа 0,02 Более 30 От 6 до 30 До 6 - сжатие, % 0,04 До 10 при удельной 0,1 - - - До 10 По теплопроводности материалы и изделия делят на классы (таблица 3).
