Изучены особенности применения математико-статистических методов обработки экспериментальных данных при изучении интенсификации процесса спекания керамических масс с повышенным содержанием высококальциевого отхода, а также минерализаторов спекания - литийсодержащих отходов. Установлена область оптимальных составов керамических масс, позволяющих получить керамическую облицовочную плитку с высокими функциональными свойствами.
Ресурсосбережение, строительная керамика, математическое планирование, отходы, техногенные материал
Современные технологии производства строительной керамики предъявляют определенные требования, главным образом, к сырьевым материалам, которые должны обеспечить высокое качество и конкурентоспособность выпускаемых изделий. Использование местных сырьевых материалов, а также различных вторичных продуктов зачастую позволяет обеспечить наряду с качественными характеристиками и высокие экономические показатели производства.
Скоростной режим обжига, внедренный практически на всех ведущих предприятиях отрасли, также определяет составы керамических масс. Способы получения строительной керамики по такой технологии разработаны и изложены в ряде публикаций [1-3]. В целях получения безусадочной керамики в условиях низкотемпературного обжига при твердофазовом спекании используют карбонатные компоненты - мел, известняк, доломит и др. Однако зачастую ее послеобжиговые физико-механические свойства неудовлетворительны. Поэтому разработка способов интенсификации процесса спекания малоусадочных керамических материалов является актуальной.
В ходе проведенных исследований по интенсификации процесса обжига установлено минерализующее влияние литийсодержащих отходов производства ацетатного волокна на спекание высококальциевых масс, в которых наряду с глиной и песком, в качестве сырьевых, использовали природные (мел, доломит) и техногенные (отход химической водоочистки, стеклобой) материалы. Керамические массы готовили на основе местных материалов Ростовской области - глины Владимировского месторождения, песка и мела Тарасовского месторождения; а также высококальциевых отходов химводоочистки (ХВО) Ростовской ТЭЦ и Новочеркасской ГРЭС и боя тарного стекла, литийсодержащих отходов ОАО «Каменскволокно».
Таблица 1
| x | y | z | Функции отклика | ||
| Водопоглощение, % (F1) | Усадка, % (F2) | Предел прочности при сжатии, МПа, (F3) | |||
| 1 | 0 | 0 | 24,40 | 1,10 | 27,90 |
| 0 | 1 | 0 | 18,50 | 0,60 | 32,10 |
| 0 | 0 | 1 | 23,00 | 0,40 | 34,20 |
| 0,5 | 0,5 | 0 | 18,40 | 0,30 | 30,40 |
| 0,5 | 0 | 0,5 | 18,80 | 0,50 | 37,10 |
| 0 | 0,5 | 0,5 | 14,20 | 1,80 | 39,70 |
| 0,333 | 0,333 | 0,333 | 11,10 | 1,25 | 35,70 |
| 0,5 | 0,33 | 0,167 | 13,30 | 0,90 | 33,50 |
С целью изучения влияния щелочных и щелочноземельных соединений, входящих в состав использованных техногенных материалов на основные свойства черепка и установления областей оптимального их содержания, в системе был использован метод математического планирования экспериментов - симплекс-решетчатый план Шеффе неполного третьего порядка. Основными технологическими показателями керамической плитки являются прочность, усадка и водопоглощение. Состав варьируемой части определяют три компонента, мас. %: Х-высококальциевый отход (10%), Y - стеклобой (10%), Z - литийсодержащий отход (1%).
Керамическую массу готовили по шликерной технологии с последующим формованием образцов пластичным методом. Обжиг осуществляли в муфельной печи при температуре 900 0С, с последующей выдержкой при максимальной температуре в течение 1 часа. С целью установления основных свойств керамического черепка в зависимости от количества варьируемых компонентов использовали матрицу планирования эксперимента приведенную в таблице 1.
Для определения области оптимальных составов керамической массы нами использовался автоматизированный метод математического планирования эксперимента, с использованием системы STATISTICA, в которой реализуется графически ориентированный подход к анализу экспериментальных данных, а также математическая система MathCAD, являющаяся программным средством для решения технических проблем различной сложности [4, 5]. Кроме этого, определяется математическая модель (неполная кубическая), адекватно описывающая изменение свойств материалов в зависимости от изменения входящих факторов, которыми являются % (масс.) добавки техногенных продуктов. Функции отклика - основные технологические характеристики: водопоглощение, усадка и предел прочности при сжатии. Диаграммы характера изменения свойств представлены на рисунке 1 (а, б, в). Используя современные программные пакеты, на основании предварительно составленного алгоритма и изменения уровня варьирования, удалось значительно упростить процедуру нахождения диапазона областей составов, обеспечивающих наилучшие физико-механические свойства керамики по полученным уравнениям регрессии (см. . Реализованные инструменты являются универсальными и могут применятся для множества составов не только керамики, но и глазурей, эмалей, стекольных шихт, цементных сырьевых смесей и т.д.
в)
Рисунок 1 - Диаграммы изменения: а) водопоглощения, %; б) усадки, %; в) прочности, МПа и уравнения, адекватно
Рисунок 2 – Алгоритм расчета оптимальной области составов, реализованный в системе MathCAD
Рисунок 3 – Диаграмма оптимальных показателей свойств черепка в зависимости от состава керамической массы. Для области с градиентом – предел прочности на сжатие 35…40Мпа, водопоглощение 10…12%, усадка 1…1,5%
С помощью математико-статистических методов планирования установлена область оптимальных составов керамических масс (см. рисунок 3), обеспечивающих получение облицовочной плитки с наилучшими физико-механическими показателями. Выявлено, что добавка литийсодержащего отхода в количестве 0,1…0,4% оказывает наибольшее интенсифицирующее воздействие на процесс спекания. При этом необходимо отметить весьма важный факт - обесцвечивание керамического черепка при использовании данного отхода. Это позволяет использовать данные массы для изготовления окрашенной керамики на основе неокрашенной матрицы, использовать более дешевые прозрачные глазури, что имеет немаловажное значение в производстве керамических материалов.
1. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики [Текст] / В.Ф. Павлов. – М.: Стройиздат, 1976. – 240 с.
2. Вильбицкая Н.А. Особенности формирования кристаллических фаз в высококальциевой керамике [Текст] / Н.А. Вильбицкая, С.П. Голова [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки. – 2001. – № 4. – С. 87–89.
3. Боровиков В.П. Популярное введение в современный анализ данных в системе Statistica [Текст]: учебное пособие для вузов / В.П. Боровиков. – М.: Горячая линия – Телеком, 2012. – 288 с.
