Комплексом свойств




Скачать 337.79 Kb.
НазваниеКомплексом свойств
страница1/3
Дата публикации02.03.2013
Размер337.79 Kb.
ТипДокументы
uchebilka.ru > Химия > Документы
  1   2   3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВОВ ЭМАЛЕЙ С ЗАДАННЫМ

КОМПЛЕКСОМ СВОЙСТВ
Голеус В.И., проф., д.т.н.

ГВУЗ «Украинский государственный химико-технологический университет», г. Днепропетровск кафедра химической технологии керамики и стекла

Тел.: (0562) 4736 97;

e-mail: holvik22@gmail.com
Введение
Эмалированные изделия из черных и цветных металлов широко применяются в быту, строительстве, химическом и пищевом машиностроении, а также других областях науки и техники. Как правило, эмалевые покрытия главным образом используются для защиты металлических изделий от коррозии, при этом часто к ним дополнительно предъявляют ряд специальных требований по химической стойкости, жаростойкости, электроизоляционным, декоративным и другим эксплуатационным свойствам. Комплекс эксплуатационных и технологических свойств, которым должны удовлетворять эмалевые покрытия, определяется их назначением и свойствами металлических подложек, на которые они нанесены [1-3].

В связи с этим количество известных составов эмалевых стекол (фритт), которые применяются в технологии эмалирования различных металлов, является достаточно большим и с расширением областей использования эмалированных изделий постоянно увеличивается. Последнее в свою очередь вызывает необходимость в совершенствовании и оптимизации уже известных составов эмалей, а также разработки новых составов эмалевых фритт и покрытий на их основе.

Кроме того, современный технический прогресс требует ускоренного решения технических задач связанных с разработкой новых составов эмалей и внедрения их в производство. Однако следует признать, что традиционные методы проектирования новых составов эмалей не всегда являются эффективными. Это обусловлено следующими соображениями.

Традиционно в основе разработки новых составов эмалей лежит информация о наиболее общих закономерностях влияния различных оксидов на технологические свойства эмалевых фритт и эксплуатационные свойства эмалевых покрытий. Источником этой информации является эксперимент, который, как правило, является достаточно трудоемким и в современных экономических условиях весьма дорогостоящим, так как требует значительных материальных затрат.

Уменьшить объем экспериментальных исследований можно за счет обоснованного выбора стратегии их проведения, а также за счет использования компьютерной техники и расчетных методов оценки свойств стекол и эмалевых покрытий в зависимости от их состава.

Для скорейшего достижения желаемого результата и повышения эффективности экспериментов представляется целесообразным проводить их в два этапа. На первом этапе целью исследований должна быть разработка базового состава эмалевого стекла, на основе которого принципиально возможно получение покрытий с заданным температурно-временным режимом обжига. Это обусловлено тем, что большинство эмалевых покрытий получают по шликерно-обжиговой или порошково-обжиговой технологии. Указанная технология предусматривает использования эмалевых фритт, которые характеризуются определенным комплексом технологических свойств обеспечивающих получение на металле при заданных температурах обжига сплошных, бездефектных и равномерной толщины стекловидных покрытий. К этому комплексу технологических свойств, прежде всего, следует отнести вязкость () и поверхностное натяжение () эмалевого расплава, а также температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) стекловидного покрытия.

Как известно [3-5] формирование стекловидных покрытий на подложках из различных материалов возможно лишь в том случае, когда расплав стекла при температурах обжига покрытий имеет вязкость равную 500-4000 dПаС (пз) и характеризуется относительно не большим значением поверхностного натяжения ( Н/м). Кроме того, качественные показатели получаемых покрытий (прочность сцепления, сплошность и др.) существенно зависят от значений их ТКЛР, который должен бить меньше ТКЛР эмалируемого металла. Так как значения ТКЛР различных металлов изменяются в широких пределах, то при выборе составов покрытий для конкретных видов металлических подложек необходимо учитывать также и указанное их свойство.

После решения задач первого этапа экспериментальные исследования на втором этапе разработки могут быть уже направлены на дальнейшее совершенствование базового состава эмали с целью получения покрытий с заданным комплексом эксплуатационных свойств.

Объем экспериментальных исследований первого и второго этапов зависит от количества первичной информации об объекте исследований, а также от формы представления этой информации. Информация о влиянии химического состава эмалевых фритт и покрытий на их свойства представленная в виде математических зависимостей позволяет использовать компьютерную технику для выбора оптимальных составов эмалей с заданным комплексом как технологических, так и эксплуатационных свойств.

В химии и технологии стекла, как известно [6,7], для количественного описания зависимости свойств стекол от их состава используют чаще всего формулы сложения (аддитивные). Известные аддитивные формулы предназначены в основном для расчета свойств стекол в твердом состоянии и в связи с этим могут быть использованы для оценки эксплуатационных характеристик покрытий. В тоже время методов расчета значений вязкости, поверхностного натяжения и других свойств стеклорасплавов, которые определяют температурно-временной режим обжига стеклопокрытий, разработано еще недостаточно. Кроме того, известные методы расчета свойств расплавов стекол разработаны в основном для силикатных стекол, составы которых имеют строгие ограничения по качественному и количественному содержанию компонентов. Как известно основу составов большинства эмалевых, глазурных и стеклокристаллических покрытий составляют боросиликатные стекла и поэтому известные методы малопригодны для расчета свойств их расплавов.

В связи с этим целью данной работы было разработка методов расчета тех свойств многокомпонентных боросиликатных расплавов, которые определяют формирование бездефектных, сплошных и согласованных по ТКЛР с материалом подложки покрытий в заданном температурном интервале. Т.е. необходимы для решения тех задач, которые обусловлены целью первого этапа проектирования составов эмалевых фритт с заданным комплексом свойств. Предусматривалось также оценить точность предсказания свойств предлагаемыми методами, а также возможность использования их для компьютерного проектирования составов покрытий различного функционального назначения.

^ Методика разработки уравнений регрессии для расчета свойств

эмалевых стекол

При разработке расчетных формул (уравнений) использовали принцип, который в химии стекла применяется еще со времен Винкельмана и Шотта и который в соответствии с современной научной терминологией называется кибернетическим принципом черного ящика [8,9]. В соответствии с этим принципом, не вдаваясь в проблемы внутреннего химического строения стекла, устанавливают экспериментально-статистическими методами количественную взаимосвязь между составом и свойствами стекла. При этом входными в черный ящик независимыми переменными принимаются содержание компонентов в стекле, а также при необходимости температура, а выходными – значения их свойств.

Для оценки этими методами эмпирических коэффициентов в уравнениях регрессии, которые выбраны для описания зависимости свойств стекол от их состава и температуры, необходима достаточно объемная выборка составов стекол с известными значениями их свойств. Учитывая это, в работе по результатам собственных исследований и многочисленным литературным данным [5, 10-14] были составлены соответствующие выборки составов многокомпонентных боросиликатных стекол с экспериментально найденными значениями их вязкости, поверхностного натяжения и ТКЛР.

Предельное содержание компонентов в стеклах, которые вошли в соответствующие выборки, а также их статистические характеристики показаны в таблицах 1-4.

Из представленных данных следует, что стекла, которые вошли в выборки, содержат в своем составе оксиды, которые являются наиболее вероятными компонентами различных эмалевых, глазурных и других стеклопокрытий.

Математические модели, которые использованы для описания свойств стекол, представлены в работе, как в виде формул сложения, так и в виде более сложных уравнений регрессии, в которых наряду с линейными эффектами включали также и наиболее значимые эффекты взаимодействий факторов. Коэффициенты в уравнениях регрессии оценивали методом наименьших квадратов с использованием компьютерной техники.

Точность предсказания разработанными математическими моделями значения свойств стекол в зависимости от их состава и температуры (то есть их адекватность) оценивали сравнением остаточной дисперсии с дисперсией относительно среднего значения выходной переменной . Чем больше значение превышает значение , тем точнее уравнение регрессии аппроксимирует экспериментальные данные. Указанные дисперсии рассчитывали по следующим формулам:

,

,

,

,

где – дисперсия значений свойств всей выборки;

– остаточная дисперсия;

– выборочное среднее значение свойства;

n – количество составов стекол;

l – количество коэффициентов в уравнении регрессии.

Математические модели для расчета вязкости расплавов стекол

Для описания зависимости вязкости расплавов стекол от их состава и температуры в качестве основной выбрана следующая модель:

(1)

- расчетное значение вязкости, dПаС (пз),

- содержание компонентов, мол. %,

- коэффициенты уравнения регрессии,

Т – температура, К,

n – количество компонентов.

Выбор модели (1) обусловлен тем, что температурная зависимость вязкости многих стеклообразующих расплавов описывается формулами:

или , (2)

где , а () и b – постоянные.

Сравнение уравнений (1) и (2) показывает, что модель (1) для всех исследуемых расплавов предполагает постоянное значение температурного коэффициента (b).

Результаты расчета коэффициентов регрессии в уравнении (1), результаты проверки его адекватности и предельное содержание компонентов, при котором оно применимо, приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Коэффициенты регрессии в уравнении (1) для расчета вязкости расплавов эмалевых стекол (Fp=14, R=0,935)

№ п/п

Оксид (переменная)

Коэффициенты регрессии и их среднеквадратичные отклонения

Пределы содержания компонентов (мол. %)

1

ao (const)

-13,95 1,24

-

2

Li2O

0,02500,0125

0-35

3

Na2O

0,03900,0123

0-40

4

K2O

0,05810,0123

0-35

5

MgO

0,08410,0124

0-50

6

CaO

0,05720,0125

0-50

7

SrO

0,04620,0123

0-40

8

BaO

0,05440,0124

0-50

9

ZnO

0,01120,0130

0-20

10

CdO

0,05730,0151

0-20

11

PbO

0,02640,0124

0-40

12

CuO

0,03560,0146

0-20

13

MeO*

0,04700,0133

0-20

14

Al2O3

0,15760,0125

0-20

15

B2O3

0,06370,0124

0-45

16

SiO2

0,12240,0124

10-85

17

TiO2

0,00770,0140

0-20

18

ZrO2

0,17230,0147

0-14

19

P2O5

0,03080,0284

0-3

20

F**

-0,006230,00368

0-34

21

1/T

9708,6103,9

0,00048-0,00126

(520-1800 oC)


MeO* - MnO, Fe2O3, CoO, NiO;

F** - количество атомов F на 100 молей стекла.
Из представленных данных следует, что разработанная математическая модель является адекватной. Это подтверждается значением коэффициента множественной корреляции (R=0,935) близким к единице, а также значительно меньшим значением остаточной дисперсии () в сравнении с дисперсией выходной переменной ().

Используя эту математическую модель можно в зависимости от химического состава и температуры рассчитывать десятичный логарифм вязкости стеклорасплавов с точностью, которая при доверительной вероятности в 95 % оценивается среднеквадратичным отклонением 0,29. Учитывая, что при формировании покрытий вязкость стеклорасплавов изменяется в значительно более широких пределах (102,5-104 пз), то указанная точность является вполне приемлемой, а приведенное уравнение может успешно применятся при разработке химического состава этих покрытий.

Необходимо при этом отметить, что с практической точки зрения при разработке покрытий важно иметь возможность рассчитывать в зависимости от химического состава стекла не только значения его вязкости при определенной температуре, но и прогнозировать возможный их температурный интервал формирования. Поэтому в работе были рассчитаны коэффициенты регрессии в уравнении (3), в котором в качестве зависимой переменной было взято температуру, при которой вязкость расплава равна 1000 пз:

, (3)

где - содержание компонентов, мол. %,

- коэффициенты уравнения регрессии,

t3 – расчетное значение температуры, при которой пз, oC,

n – количество компонентов.

Результаты расчета коэффициентов регрессии в уравнении (3), результаты проверки его адекватности и предельное содержание компонентов, при котором оно применимо, приведены в таблице 2.

Статистический анализ уравнения регрессии подтвердил его адекватность, а также возможность расчета температуры, при которой вязкость расплава равна 103 пз, со среднеквадратичным отклонением 35оС. С учетом этого отклонения температурный интервал обжига покрытий может быть в пределах от (t3 - 35) до (t3 -35) оС. Проверочный расчет температур обжига стеклопокрытий различного функционального назначения показал, что они полностью совпадают с экспериментально установленными интервалами обжига эмалей для алюминия, меды и стали, а также глазурей для фаянса и фарфора. Это дает основание утверждать, что уравнение (3) является универсальным, и может успешно применяться при разработке различных покрытий с заданным интервалом обжига.
Таблица 2 – Коэффициенты регрессии в уравнении (3) для расчета температуры, при которой вязкость расплавов равна 1000 пз (Fp=14, R=0,935)

№ п/п

Оксид (переменная)

Коэффициенты регрессии и их среднеквадратичные отклонения

Пределы содержания компонентов (мол. %)

1

ao (const)

-177,457,7

-

2

Li2O

-0,3540,38

0-35

3

Na2O

2,0600,30

0-40

4

K2O

5,2460,33

0-35

5

MgO

13,0330,22

0-50

6

CaO

5,7950,26

0-50

7

SrO

5,1200,44

0-40

8

BaO

4,5860,35

0-50

9

ZnO

-2,6580,55

0-20

10

CdO

4,4071,35

0-20

11

PbO

0,1190,32

0-40

12

CuO

-0,3861,23

0-20

13

MeO*

-0,3861,23

0-20

14

Al2O3

25,6400,59

0-20

15

B2O3

7,17030,31

0-45

16

SiO2

17,0030,21

10-85

17

TiO2

-1,0861,01

0-20

18

ZrO2

21,9611,15

0-14

19

P2O5

14,5723,87

0-3

20

F**

-1,8340,56

0-34

MeO* - MnO, Fe2O3, CoO, NiO;

F** - количество атомов F на 100 молей стекла.
  1   2   3

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Комплексом свойств iconN различных углей с аналогичным комплексом показателей-критериев эффективности I
Задачу сравнительной интегральной оценки конкурентоспособности углей можно сформулировать следующим образом. Уголь любой шахты характеризуется...

Комплексом свойств iconТема «оценка качества продукции»
Комплексный показатель совокупности свойств р зависит от «взвешенных» параметров учитываемых свойств qi, т е от показателей отдельных...

Комплексом свойств iconВлияние параметров обработки на характеристики мдо-покрытия
Мдо), который позволяет получать на деталях из вентильных металлов (Al, Ti, Zr, Mg и др.) и их сплавов многофункциональные покрытия...

Комплексом свойств iconКонструкционные (машиноподельные) металлические материалы
Сталь – основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, газовых аппаратов, приборов, различных...

Комплексом свойств iconРеферат Дипломный проект на тему «Автоматизированная система управлениясанаторным...
Автоматизированная система управления санаторным комплексом. Подсистема Диетпитание

Комплексом свойств iconУправление Строительным Комплексом Научно-исследовательский институт...
Краткое описание системы пуск проектирование и Управление Строительным Комплексом

Комплексом свойств iconСвойств в Delphi, дается подробное описание нескольких наиболее общих...
...

Комплексом свойств iconПаспорт специальности
Разработка методов исследования и оценивания физических, химических, технологических свойств материалов, показателей качества и потребительских...

Комплексом свойств iconИсследование термоэмиссионных свойств
Л. О. Бирюкович, А. Н. Степанчук. Исследование термоэмиссионных свойств сплавов системы Lab6-Meb6 (где Me-Ce,Pr,Nd). В работе проведено...

Комплексом свойств iconОсобенности строения молекулы воды и способы изменения ее свойств
Изменение химического состава, структуры и свойств воды может значительно изменить качество и сохраняемость товаров. Однако на сегодня,...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<