05.17.11 "Технологія тугоплавких неметалічних матеріалів"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/17839

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 10 з 13

Теоретичні основи технології керамічних матеріалів на основі системи RO – Al₂O₃ – SiO₂ для авіакосмічної техніки
(2024) Кривобок, Руслан Вікторович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.11 «Технологія тугоплавких неметалічних матеріалів» (161 – Хімічні технології та інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2024. Дисертацію присвячено розробленню теоретичних основ і технології радіопрозорих керамічних матеріалів на основі композицій алюмосилікатних систем, за рахунок спрямованого синтезу цільових фаз, здатних забезпечити комплекс необхідних електрофізичних, електродинамічних і техніко-експлуатаційних характеристик функціональної кераміки. The dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in the specialty 05.17.11 "Technology of refractory non-metallic materials" (161 – Chemical Technologies and Engineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2024. The dissertation is dedicated to the development of theoretical foundations and technology of radio-transparent ceramic materials based on compositions of aluminosilicate systems through the targeted synthesis of target phases capable of providing a set of necessary electrophysical, electrodynamic, and technical and operational characteristics of functional ceramics.
Теоретичні основи технології периклазошпінельних вогнетривів на основі композиції MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ для футерівки цементних печей
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2022) Борисенко, Оксана Миколаївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.11 «Технологія тугоплавких неметалічних матеріалів» (161 – Хімічні технології та інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2022. Об’єкт досліджень – фізико-хімічні процеси спрямованого формування фазового складу та термопластичної структури периклазошпінельних вогнетривів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂. Предмет досліджень – закономірності та особливості фазо- та структуроутворення під час випалу та експлуатації периклазошпінельних вогнетривів, які обумовлюють формування комплексу заданих властивостей та експлуатаційних характеристик. Дисертацію присвячено розробці фізико-хімічних засад створення периклазошпінельних матеріалів з використанням композицій системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ з заданою термопластичною матрицею, яка має підвищену адаптивну здатність зберігати цілісність матеріалу та експлуатаційну надійність вогнетривів в умовах знакозмінних та високоградієнтних термічних навантажень. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що на підставі теоретичних та експериментальних досліджень здобувачем вперше: - встановлено субсолідусну будову трикомпонентних систем MgO – Al₂O₃3 – FeO (змінюється в двох температурних інтервалах: I – до 1141 К та II – вище 1141 К), MgO – Al₂O₃ – TiO₂ (змінюється в трьох температурних інтервалах: I – до 1537, II – 1537 – 2076 К, III – вище 2076 К), MgO – TiO₂ – FeO (змінюється в трьох температурних інтервалах: І – до 1115 К, ІІ – 1115 – 1413 К, ІІІ – вище 1413 К), Al₂O₃ – TiO₂ – FeO (змінюється в п’яти температурних інтервалах: I – до 1413 К, II – 1413 – 1537 К, III – 1537 – 1630 К, IV – 1630 – 2076 К, V – вище 2076 К) та чотирикомпонентної системи MgO – Al₂O₃ – FeO – ТіО₂ (змінюється в шести температурних інтервалах: I – до 1141 К, II – 1141 – 1413 К, III – 1413 – 1537 К, IV – 1537 – 1630 К, 1630 – 2076 К, VI – вище 2076 К); надано геометротопологічну характеристику досліджених систем та їх фаз, що дозволило виявити термодинамічно стабільні за температури понад 1141 К комбінації фаз: MgO – FeO – Mg₂TiO₄ – MgAl₂O₄, FeAl₂O₄ – Mg₂TiO₄ – FeO – Fe₂TiO₄, FeAl₂O₄ – Mg₂TiO₄ – MgAl₂O₄ – FeO и FeAl₂O₄ – MgTiO₃ – MgAl₂O₄ – Al₂O₃, що забезпечує синтез шпінельвміщуючих вогнетривів із заданим комплексом експлуатаційних властивостей; - розроблено модифікатори, що містять шпінельні фази Mg₂TiO₄, Fe₂TiO₄, FeAl₂O₄; визначено їх вплив на процеси формування фазового складу, мікроструктуру, фізико-механічні властивості периклазоршпінельних вогнетривів, що забезпечує відповідність їх експлуатаційних характеристик вимогам до вогнетривів, які працюють в жорстких умовах роботи обертових цементних печей (межа міцності на стиск ≥ 35 МПа, відкрита поруватість ≤ 16 %, термостійкість (1300 °С – вода) ≥ 7 теплозмін до руйнування); - встановлено, що під час випалу та експлуатації периклазошпінельних вогнетривів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ відбуваються фазово-структурні перетворення, які супроводжуються об'ємними змінами, що дозволяє реалізувати кероване структуроутворення матеріалу для формування мікротріщинуватої структури, здатної забезпечити цілісність виробів під час експлуатації в умовах високоградієнтних термічних навантажень; - запропоновано концепцію підвищення термостійкості та забезпечення цілісності периклазошпінельних матеріалів на основі композицій системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂, що включає як відомі механізми поглинання надлишку енергії тріщинами, що розвиваються в результаті термоудару (ефект створення мікротріщинуватої гетерофазної структури за рахунок різного теплового розширення фаз), так і нові механізми структурно-фазової адаптації під час експлуатації матеріалу, за умови утворення термопластичної матриці в присутності розроблених модифікаторів, що містять шпінельні фази і тверді розчини (FeAlTiO₅, Al₀,₀₂₈Fe₂,₃₈₇O₄Ti₀,₅₈₅, MgFe₀,₆Al₁,₄O₄, (Fe₁,₀₉Ti₀,₉₁)((Fe₀,₀₉Ti₀,₉₁)O₄)); - визначено особливості процесів фазоутворення під час виробництва таексплуатації периклазошпінельних вогнетривів та встановлено, що введення модифікатора у кількості 4 – 6 м ас. % до складу шихти сприяє утворенню мікротріщиноватої структури матеріалу, яка демпфує термомеханічні навантаження під час експлуатації печей, за рахунок утворення кристалічних фаз (Mg₂TiO4, FeAl₂O₄, Fe₂TiO₄, MgTiO₃) та твердих розчинів (Al₀,₀₂₈Fe₂,₃₈₇O₄Ti₀,₅₈₅, FeAlTiO₅, MgFe₀,₆Al₁,₄O₄, (Fe₁,₀₉Ti₀,₉₁)((Fe₀,₀₉Ti₀,₉₁)O₄))), залежно від складу модифікатора й шихти, та їх взаємно нівелюючих об’ємних змін при нагріванні і охолодженні; також утворення цих фаз та твердих розчинів сприятиме набору гарнісажа на поверхні вогнетриву; - теоретично обґрунтовано фізико-хімічні засади виробництва периклазошпінельних вогнетривів з модифікаторами на основі периклаз – ільменітовий концентрат та спечений глинозем – ільменітовий концентрат, які базуються на переважному термодинамічно вигідному співіснуванні комбінацій фаз системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂, формування яких обумовлює отримання матеріалу з цільовим фазовим складом та мікроструктурою, що забезпечує підвищення експлуатаційних властивостей виробів (межа міцності на стиск 66 – 112 МПа, відкрита поруватість 11,1 – 12,2 %, термостійкість (1300 °С – вода) ≥ 12 теплозмін до руйнування). Практичне значення отриманих результатів для вогнетривкої та цементної промисловості полягає у тому, що на основі проведених досліджень будови трикомпонентних систем MgO – Al₂O₃ – FeO, MgO – Al₂O₃ – TiO₂, MgO – TiO₂ – FeO, Al₂O₃ – TiO₂ – FeO та чотирикомпонентної системи MgO – Al₂O₃ – FeO – ТіО₂, оптимізовано області складів, придатних для отримання не тільки периклазошпінельних вогнетривів, але й для інших композиційних матеріалів з заданим цільовим фазовим складом та заданими експлуатаційними властивостями. Розроблено технологію одержання периклазошпінельних вогнетривів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – ТіО₂ із заданою термопластичною матрицею, яка має підвищену адаптивну здатність зберігати цілісність матеріалу та експлуатаційну надійність вогнетривів в умовах знакозмінних та високоградієнтних термічних навантажень, що в свою чергу збільшить час експлуатації обертової печі та знизить витрати енергоресурсів на 15 %. Розроблено технологічну схему виробництва периклазошпінельних матеріалів, відповідно до якої на ТОВ «Дружківський вогнетривкий завод» випущена дослідно-промислова партія периклазошпінельної цегли в кількості 10 т. В у мовах ЦЗЛ ТОВ «Дружківський вогнетривкий завод» визначено фізико-технічні характеристики дослідної партії. Пропозиції та рекомендації щодо виробництва периклазошпінельних вогнетривів для футерівки цементних обертових печей, які розроблені в дисертаційній роботі, прийнято до впровадження ТОВ «Дружківський вогнетривкий завод». В умовах ТОВ «Сервісний центр «Вогнетрив Сервіс»» випробувано периклазошпінельні вогнетриви для футерівки короткої обертової печі. Економічний ефект від впровадження периклазошпінельних вогнетривів склав 700 тис. грн на рік. Технічна новизна розробок захищена 1 патентом України на корисну модель та подана заявка на винахід «Склад периклазошпінельного вогнетриву» № а202105264, яка пройшла формальну експертизу. Теоретичні та практичні результати, які отримані під час виконання досліджень, впроваджено у практику навчального процесу кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей НТУ «ХПІ» (спеціальність 161.04 – «Хімічна технологія тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів»).У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано головну мету та завдання роботи, представлено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів. Перший розділ присвячено огляду сучасних уявлень про фізико-хімічні процеси та технології отримання периклазошпінельних матеріалів. Визначено роль периклазошпінельних матеріалів та виробів з них для футерівки сучасних печей випалу цементного клінкеру. У другому розділі наведено характеристику вихідних сировинних матеріалів; визначено вибір методів експериментальних досліджень; надано опис розрахункових методів, використаних у дисертаційній роботі. Третій розділ присвячено теоретичним основам створення периклазошпінельних вогнетривів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂. У четвертому розділі представлено аналіз температур і складів евтектик полікомпонентних перетинів системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂, який підтвердив можливість синтезу периклазошпінельних вогнетривів з високими експлуатаційними характеристиками в цій системі т а н адав н еобхідну технологічну інформацію для цільового керування взаємозв’язком «склад – структура – властивості» під час їх отримання. П’ятий розділ присвячено експериментальним дослідженням щодо підбору модифікатора для периклазошпінельних вогнетривів. У шостому розділі наведено розрахунки об’ємних змін, які відбуваються у матеріалах на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ під час випалу та експлуатації, які необхідно враховувати підбираючи фазовий склад того чи іншого матеріалу залежно від температурних умов та характеру газового середовища обертової цементної печі. Сьомий розділ присвячено дослідженню процесів фазоутворення в периклазошпінельних матеріалах за допомогою електронно-мікроскопічних досліджень. У восьмому розділі надано результати промислової апробації, реалізації та впровадження отриманих результатів.
Теоретичні основи технології периклазошпінельних вогнетривів на основі композиції MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ для футерівки цементних печей
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2022) Борисенко, Оксана Миколаївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спе-ціальністю 05.17.11 − технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. – Наці-ональний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2022 р. Дисертацію присвячено створенню фізико-хімічних засад одержання периклазошпінельних матеріалів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ з заданою термопластичною матрицею, яка має підвищену адаптивну здатність зберігати цілісність матеріалу та експлуатаційну надійність вогнетривів в умовах знакозмінних та високоградієнтних термічних навантажень. Досліджено субсолідусну будову трикомпонентних систем MgO – FeO – Al₂O₃, MgO – FeO – TiO₂, МgO – Al₂O₃ – ТiO₂, FeO – TiO₂ – Al₂O₃ та чотирико-мпонентної системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂. Аналіз отриманих результатів розрахунків геометро-топологічних характеристик трикомпонентних систем та чотирикомпонентної системи дозволяють цілеспрямовано планувати склади нових композиційних матеріалів, а саме периклазошпінельних вогнетривів, з заданим фазовим складом та заданими властивостями. Розроблено склади периклазошпінельних вогнетривів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ для обертових цементних печей шляхом апробації технологічного підходу введення до складу сировинної шихти модифікатора у вигляді заздалегідь синтезованого продукту, який містить кристалічні фази систем Al₂O₃ – TiO₂ – FeO, MgO – FeO – TiO₂ та MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂, що забезпечує покращення експлуатаційних характеристик периклазошпінельних матеріалів, а саме підвищує здатність адаптувати фазовий склад та мікроструктуру матеріалу до змін експлуатаційних параметрів, що спрямовано на знижен-ня собівартості цементного клінкеру та збереження енергоресурсів за рахунок збільшення строку експлуатації футерівки.
Фізико-хімічні засади одержання спеціальних цементів на основі композицій системи CaО – BaО – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – SiO₂
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Тараненкова, Вікторія Віталіївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021 р. Дисертацію присвячено створенню фізико-хімічних засад одержання спеціальних цементів з високою міцністю, жаро- та вогнетривкістю, сульфатостійкістю, стійкістю до дії жорсткого радіаційного випромінювання на основі силікатів, алю-мінатів, феритів і алюмоферитів кальцію та барію за рахунок цілеспрямованого фо-рмування фазового складу і структури клінкеру та цементного каменю. Запропоновано концепцію розрахунку ентальпій утворення неорганічних оксидних сполук; систематизовано базу термодинамічних даних сполук системи; на основі встановлених фазових рівноваг уточнено та досліджено субсолідусну будову барійвмісних потрійних систем та вперше встановлено будову чотирикомпонентної системи CaО - BaО – Al₂O₃ – Fe₂O₃ багатокомпонентної системи CaО - BaО – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – SiO₂; розвинуто та удосконалено теорію оцінки ймовірності прояву в’яжучих властивостей неорганічними оксидними сполуками із залученням концепції електронегативності; виявлено стабільні комбінації фаз, що обумовлюють одер-жання в’яжучих матеріалів поліфункціонального призначення на основі силікатів, алюмінатів, феритів і алюмоферитів кальцію та барію. Встановлено особливості перебігу процесів фазоутворення та гідратації кальційбарійвмісних цементів, визначено фазовий склад клінкерів та продуктів гідратації спеціальних цементів. Розроблено склади високоміцних спеціальних кальційбарійвмісних цементів, визначено їх основні фізико-механічні та технічні властивості. Розроблено ресурсо-зберігаючу технологію отримання кальційбарійвмісних силікатних та алюмінатних цементів з використанням відходів хімічної промисловості. Композиційні матеріали, одержані на основі розроблених спеціальних цементів, апробовано в промислових та напівпромислових умовах з позитивними висновками, а результати досліджень впроваджено у практику навчального процесу.
Фізико-хімічні засади одержання спеціальних цементів на основі композицій системи CaО – BaО – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – SiO₂
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Тараненкова, Вікторія Віталіївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021 р. Дисертацію присвячено створенню фізико-хімічних засад одержання спеціальних цементів з високою міцністю, жаро- та вогнетривкістю, сульфатостійкістю, стійкістю до дії жорсткого радіаційного випромінювання на основі силікатів, алю-мінатів, феритів і алюмоферитів кальцію та барію за рахунок цілеспрямованого фо-рмування фазового складу і структури клінкеру та цементного каменю. Запропоновано концепцію розрахунку ентальпій утворення неорганічних оксидних сполук; систематизовано базу термодинамічних даних сполук системи; на основі встановлених фазових рівноваг уточнено та досліджено субсолідусну будову барійвмісних потрійних систем та вперше встановлено будову чотирикомпонентної системи CaО - BaО – Al₂O₃ – Fe₂O₃ багатокомпонентної системи CaО - BaО – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – SiO₂; розвинуто та удосконалено теорію оцінки ймовірності прояву в’яжучих властивостей неорганічними оксидними сполуками із залученням концепції електронегативності; виявлено стабільні комбінації фаз, що обумовлюють одер-жання в’яжучих матеріалів поліфункціонального призначення на основі силікатів, алюмінатів, феритів і алюмоферитів кальцію та барію. Встановлено особливості перебігу процесів фазоутворення та гідратації кальційбарійвмісних цементів, визначено фазовий склад клінкерів та продуктів гідратації спеціальних цементів. Розроблено склади високоміцних спеціальних кальційбарійвмісних цементів, визначено їх основні фізико-механічні та технічні властивості. Розроблено ресурсо-зберігаючу технологію отримання кальційбарійвмісних силікатних та алюмінатних цементів з використанням відходів хімічної промисловості. Композиційні матеріали, одержані на основі розроблених спеціальних цементів, апробовано в промислових та напівпромислових умовах з позитивними висновками, а результати досліджень впроваджено у практику навчального процесу.
Ресурсо- та енергоощадна технологія клінкерних керамічних матеріалів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Присяжна, Лариса Василівна
Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалевих силікатних матеріалів. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" МОН України, Харків, 2020. Дисертацію присвячено розробці ресурсо- та енергозберігаючої технології клінкерних керамічних виробів на основі низькосортної полімінеральної глинистої і техногенної сировини. На сьогодні запаси придатної глинистої сировини (пластичних каолініто-гідрослюдистих глин) майже вичерпані, що вимагає пошуку нових шляхів розширення сировинної бази виробництва. Показано, що висока ресурсо- та енергоємність вітчизняного виробництва клінкерної кераміки негативно позначаються на стабільності роботи підприємств та конкурентоздатності продукції на зовнішньому ринку. Визначено, що удосконалення технології має відбуватись в напрямку зменшення енерговитрат на формування, сушку та випал виробів, а також розширення сировинної бази виробництва за рахунок використання широко розповсюджених низькосортних глин і техногенних матеріалів. В роботі теоретично обґрунтована та експериментально підтверджено можливість отримання за ресурсо- та енергоощадною технологією клінкерних керамічних матеріалів на основі полімінеральної глинистої сировини (НПГС) при використанні як інтенсифікаторів спікання та фазоутворення багатотоннажних промислових відходів. На основі результатів дослідження складу та властивостей легкоплавких та неспікливих полімінеральних глин визначено особливості спікання різних видів НПГС у взаємозв’язку з характерними ознаками їх хімічного складу та сформульовані науково-технологічні принципи проектування сировинних сумішей на їх основі, які полягають у корегуванні їх складу з використанням техногенної сировини для досягнення потрібного з точки зору спікання вмісту та співвідношень оксидів: ΣАl₂O₃+SiO₂/ΣRO+R₂O+Fe₂O₃ = 4,5÷7,5; Аl₂O₃/SiO₂ = 0,3÷0,35; ΣRO+R₂O+Fe₂O₃ = 9÷15; RO/R₂O = 0,2÷0,5; K₂O/Na₂O = 3,0÷4,0; це забезпечує отримання виробів з високощільною структурою (W = 0,5÷4,5 %) та підвищеною міцністю (σcт= 30÷70 МПа, σзг = 6÷12 МПа). Встановлено ефективність використання широкого кола промислових відходів та визначена роль їх у формуванні клінкерної кераміки як інтенсифікаторів спікання (польовошпатвмісні), активаторів фазоутворення (глиноземвмісні), стимуляторів розширення спеченого стану (алюмосилікатні). За результатами оцінки флюсуючої здатності встановлені критерії вибору відходів за характеристиками розплаву (кількість розплаву ≥ 50%, в’язкість 10³′⁷÷10⁴′⁵ Па∙с, поверхневий натяг 0,26÷0,29 Н/м), що є умовою отримання якісної клінкерної цегли при зниженій температурі випалу (до 1100°С). Встановлено взаємозв'язок "склад – структура – властивості" та визначено технологічні умови забезпечення нормативного рівня властивостей виробів за енергоощадних умов виробництва; розроблено науково-технологічні принципи отримання різних видів клінкерної цегли на основі НПГС, які полягають у корегуванні складу технологічних сумішей з використанням техногенної сировини для досягнення необхідного вмісту основних фазоутворюючих оксидів та їх співвідношень. Визначено особливості пластичного формування керамічних мас на основі НПГС: розроблено маси, що характеризуються домінуючим розвитком повільних еластичних деформацій, здатних компенсувати напруги, які виникають під час формування брусу, що склало підстави для використання напівжорсткої екструзії. Встановлено закономірності структуро- та фазоутворення клінкерної кераміки в умовах енергоощадного випалу: в інтервалі температур 1000‒1050 °С відбувається утворення фаз муліту, герциніту, геденбергіту, які армують склофазу і підвищуюють міцність клінкерної цегли. При цьому кількість залишкової аморфної фази не перевищує 20–22%. Визначено вплив атмосфери випалу на фазовий склад та відтінки кольору клінкерних виробів; окреслені межі варіювання співвідношень фазоутворюючих оксидів для формування комплексу кольоротвірних фаз і отримання виробів базової палітри кольорів клінкерної кераміки: коричневого (гематит ɑ-Fe₂O₃, магнетит Fe²⁺Fe₂³⁺O₄, брауніт Mn²⁺Mn³⁺₆SіO₁₂, гаусманіт Mn²⁺Mn₂³⁺O₄, герциніт Fe²⁺Al₂O₄), теракотового (гематит ɑ-Fe₂O₃, магнетит Fe²⁺Fe₂³⁺O₄, геденбергіт CaFeSi₂O₆), бежевого (гематит ɑ-Fe₂O₃, геденбергіт CaFeSi₂O₆) та жовтого (рутил TiO₂). Отримані відомості дозволяють отримати бажаний колір клінкерних керамічних виробів за рахунок спрямованого утворення кристалічних фаз, які обумовлюють забарвлення кераміки залежно від окислювально-відновлювальних умов випалу виробів. Реалізація резервів ресурсо- та енергоощадження на основних етапах виробництва клінкерної кераміки дозволила розробити рецептурно-технологічні параметри для виготовлення керамічного клінкеру високої марочності (М 300‒700) з використанням напівжорсткої екструзії напівфабрикату при зниженій на 50–100 °С температурі випалу. На виробничій лінії ТзОВ "Кермейя" проведено дослідно-промислові випробування, за результатами яких розроблені склади керамічних мас впроваджені у виробництво стінової клінкерної цегли та бруківки. Використання розробок виключає сировинну залежність виробництв клінкерної кераміки та знижує виробничі енерговитрати. Проведені техніко-економічні розрахунки показали, що клінкерна цегла, отримана з використанням розробленої ресурсо- та енеоргоощадної технології, є дешевшою в 1,5–2 рази порівняно з аналогічними за якістю виробами провідних європейських брендів (Vandersanden, Roben, Feldhausklinker, Terca wienerberger). Результати досліджень впроваджені у навчальний процес кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей НТУ "ХПІ" при викладанні дисциплін "Виробництво кераміки і вогнетривів", "Ресурсо- та енергозбереження в технології тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів", а також при підготовці бакалаврів та магістрів за спеціальністю 05130104 "Хімічні технології тугоплавких неметалічних і силікатних матеріалів".
Ресурсо- та енергоощадна технологія клінкерних керамічних матеріалів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Присяжна, Лариса Василівна
Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалевих силікатних матері-алів. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Дисертацію присвячено розробці ресурсо- та енергосберігаючої технології клінкерних керамічних виробів на основі некондиційних полімінеральних глин. Встановлено доцільність використання у виробництві клінкерної цегли багатотоннажних промислових відходів. Розроблено принципи проектування мас на основі низькосортних глин при використанні промислових відходів в ролі інтенсифікаторів спікання та фазоутворення. Визначено фізико-хімічні закономірності кольоро- та фазоутворення керамічного клінкеру з урахуванням складу атмосфери випалу. Розроблено сировинні композиції для отримання основної кольорової гами к клінкерної цегли. За рахунок комплексної реалізації резервів енергоощадження на основних етапах виробництва розроблено рецептури і технологічні параметри, що дозволя-ють виготовляти стіновий та дорожній керамічний клінкер з використанням напівжорсткої екструзії напівфабрикату при зниженій на 50–100 °С температурі випа-лу. Розроблено енергоощадну технологію виробництва клінкерної цегли при використанні як основної сировини (95 мас. %) відходів вуглевидобування.
Керамічні матеріали на основі карбіду кремнію для атомної енергетики
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Лобач, Костянтин В'ячеславович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата (доктора філософії) технічних наук зі спеціальності 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021 р. Дисертаційна робота спрямована на вдосконалення наявних і впровадження нових інноваційних технологій і матеріалів які б дозволили реакторам атомних станцій станути більш безпечними навіть у разі виникнення аварійних ситуацій. Робота присвячена розробці технології отримання безпористого SiC-матеріалу з підвищеним коефіцієнтом тріщиностійкості та поліпшеною корозійною стійкістю в реакторних умовах, який може бути використаний як матеріал SiC-матриці в SiC/SiC композитах для виготовлення оболонок тепловиділяючих елементів (ТВЕЛ), а також у якості механічно міцного і стійкого до γ-опроміненню захисного матеріалу для контейнерів високоактивних відходів і відпрацьованого ядерного палива. Актуальність теми та вагомість результатів дисертації підтверджується тим, що вона виконувалась в межах науково-дослідної тематики та проєктів Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут" НАН України. Достовірність та обґрунтованість одержаних результатів дисертаційної роботи досягається використанням сучасного обладнання; стандартних методик визначення властивостей; аналізом отриманих експериментальних даних та їх систематизацією. В роботі методом високошвидкісного гарячого пресування отримано дослідні зразки для вивчення формування безпористої структури в чистій (без добавок) SiC-кераміці, в діапазоні температур (Т = 1850 – 2100)°С, часу витримки (t = 10 – 45) хвилин, тиску P = 40 МПа та швидкості нагрівання V = 200°С/хв. Встановлено, що SiC-кераміка, яка отримана при температурі спікання Т = 2050 °С, тиску Р = 40 МПа, швидкості V = 200 ºC/хв та часі витримки під тиском t = 30 хвилин сформована з безпористої, монолітної та однорідної структури з ознаками крихкого руйнування, має високу щільність (до 99,4 % від теоретичної), твердість – 27,3±0,5 ГПа та коефіцієнт тріщиностійкості 4,3 MPa∙м½. Розглянута можливість поліпшення коефіцієнту тріщиностійкості шляхом введення невеликої кількості добавок та вивчення їхнього впливу на фізико-механічні властивості SiC-кераміки. Досліджено вплив добавок Cr (у діапазоні від 0,3 до 1,2 мас. %) на механічні властивості SiC-кераміки. Встановлена оптимальна кількість добавки хрому (0,5 мас. %), за якої SiC має найкраще співвідношення значень тріщиностійкості й мікротвердості (HV/K1c = 4,5). Показано, що додавання Cr призводе до підвищення тріщиностійкості на (25 – 30) % (K1c = 6,2 MПa∙м½), в порівнянні з SiC без добавок, при збереженні високого рівня твердості зі значенням 28,0 ГПа. Досліджено формування та розподіл Cr у структурі SiC. Вивчено механізми формування дрібнодисперсних карбідних сполук (CrxCy), які сприяють виникненню вторинних фаз та підвищенню тріщиностійкості матеріалів. Отримані результати можуть бути враховані та значно вплинути на вибір матеріалів та технологію виробництва SiC-матриці в SiC/SiC композитах для виготовлення оболонок ТВЕЛів водо-водяних ядерних реакторів, оскільки існує проблема виготовлення тонкостінних трубок (оболонок) з крихкої кераміки SiC, яка має низькі значення коефіцієнта тріщиностійкості. Досліджено можливість підвищення корозійної стійкості SiC-кераміки шляхом введення добавок Cr в умовах, що імітують внутрішнє середовище реактору ВВЕР-1000. Вивчені механізми впливу Cr на особливості корозійного процесу. Зафіксовано приріст маси SiC до 3,27 мг/см² на початку корозійних випробуваннях, що покращує корозійну стійкість SiC у гідротермальних умовах. Встановлено, що введення 0,5 мас. % Cr призводить до формування структури поверхні SiC з поліпшеною корозійною стійкістю і є перспективним технологічним рішенням для досягнення необхідного рівня корозійної стійкості SiC у реакторних умовах. Проведені радіаційні випробування керамічних зразків SiC(0,5%Cr), за допомогою гальмівного випромінювання γ-квантів до поглиненої дози 2·10⁶ Гр, що відповідає дозовому навантаженню на матеріал контейнера при зберіганні радіоактивних відходів протягом 300 років, відповідно до вимог МАГАТЕ. Показано, що введення 0,5 мас. % Cr не призводить до зниження структурної цілісності та механічної міцності кераміки SiC після γ-опромінення до поглиненої дози 2·10⁶ Гр. Експериментально встановлено, що композит SiC(0,5Cr) може бути використаний як матеріал контейнеру для безпечного захоронення ВАВ та ВЯП.
Керамічні матеріали на основі карбіду кремнію для атомної енергетики
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Лобач, Костянтин В'ячеславович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) зі спеціальності 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021 р. Дисертаційна робота присвячена створенню композиційної кераміки на основі SiC з поліпшеними фізико-механічними властивостями та корозійною стійкістю шляхом формування безпористої структури методом ВГП та введення добавок для застосування в атомній енергетиці. Проаналізовано вплив різних добавок на фізико-механічні властивості SiC. Встановлено, що введення 0,5 мас. % Cr в SiC призводить до підвищення коефіцієнта тріщиностійкості на (25 – 30) %. Показано формування та розподіл Cr у структурі SiC та описано механізми його впливу на механічні властивості. У роботі наведено механічні характеристики SiC з добавками Cr у діапазоні від 0,3 до 1,2 мас. %. У роботі вивчені механізми впливу Cr на особливості корозійного процесу. Зафіксовано приріст маси SiC до 3,27 мг/см² на початку корозійних випробуваннях, що покращує корозійну стійкість SiC. Встановлено, що введення 0,5 мас. % Cr не призводить до зниження структурної цілісності та механічної міцності кераміки SiC після γ-опромінення до поглиненої дози 2·10⁶ Гр. Показана принципова можливість використання отриманого керамічного композиту SiC(0,5%Сr), як матеріалу для контейнерів ВАВ і ВЯП українських АЕС.
Конструкційно-теплоізоляційні керамічні матеріали з організованою поровою структурою для енергозберігаючого будівництва
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Галушка, Ярослав Олегович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів (161 – Хімічні технології та інженерія). Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертацію присвячено розробці технології теплоефективної конструкційно-теплоізоляційної будівельної кераміки з покращеними теплотехнічними і механічними властивостями на основі цегельно-черепичної сировини невисокої технологічної якості та компонентів техногенного походження. В роботі здійснено огляд та аналіз сучасних науково-технологічних досягнень в галузі створення теплоефективної кераміки для енергозберігаючого будівництва. Надана порівняльна характеристика сучасних конструкційно-теплоізоляційних матеріалів для зведення теплоізоляційної оболонки будівель, показані переваги керамічних матеріалів при їх використанні в одношарових стінових конструкціях. Розглянуті особливості технологій конструкційно-теплоізоляційної кераміки та фактори, що визначають рівень експлуатаційних властивостей таких матеріалів. Проаналізований взаємозв'язок між структурно-фазовим складом і властивостями конструкційно-теплоізоляційної стінової кераміки. Наведені відомості про використані сировинні матеріали, методи та методики теоретичних та експериментальних досліджень, застосованих в роботі. Проведені теоретичні дослідження, спрямовані на прогнозування теплозахисних властивостей моделей крупнорозмірних поризованих і непоризованих виробів різної пустотності. З використанням імітаційного 3D-моделювання проведений порівняльний аналіз механічних властивостей моделей, вивчений вплив геометричних параметрів пористої структури керамічного матеріалів на їх механічні властивості. Показані переваги моделі меншої пустотності з поризованою керамічною стінкою з точки зору кращої теплопровідності, а також переваги структурної моделі зі сферичними порами з точки зору кращої механічної міцності. Проведені системні дослідження полімінеральних глин з відмінним хіміко-мінеральним складом як типових представників сировинної бази цегельно-черепичної галузі. Вивчені процеси фазоутворення цих порід у взаємозв'язку з характеристиками їх спікання і властивостями. Показано, що для посилення механічної міцності керамічних матеріалів доцільно використовувати середньоспікливі породи, однак можливо застосовувати і неспікливі породи з підвищеним вмістом карбонатних мінералів, які є джерелом синтезу структурозмінюючих кристалічних фаз при випалі. Досліджений взаємозв'язок "технологія-структура-властивості" керамічних матеріалів, отриманих за різними механізмами поризації. Визначені добавки, здатні утворювати підвищену пористість матеріалів при мінімальному рівні їх знеміцнення. Встановлені корелятивні зв'язки між структурними показниками, які вказують на необхідність організації пористих структур з дрібними замкненими сферичними порами як найменш дефектних і міцних. Вивчені різні види золоматеріалів як пороутворювачів при виготовленні конструкційно-теплоізоляційної кераміки з поризованою стінкою. Встановлена доцільність та ефективність використання техногенних золосфер, які дозволяють організувати високопористу структуру (в середньому 53 %) з переважанням пор закритого типу (30 %). Проведені дослідження в напрямку опрацювання способів зміцнення керамічної основи поризованих керамічних матеріалів, отримуваних на основі неспікливих суглинків. Показана доцільність використання глинистих добавок, зокрема керамзитової глини в кількості 10 – 20 %, для покращення пластичних властивостей мас, їх спікання та механічної міцності керамічної матриці поризованих матеріалів. Досліджені металургійні шлаки (доменні та ваграночний) як техногенні добавки структурозміцнюючої дії, які є джерелом синтезу кристалічних фаз анортиту, діопсиду та воластоніту при випалі матеріалів. Визначений позитивний вплив ваграночного шлаку на зміцнення керамічних матеріалів (на 70 %). Проведені дослідження по розробці оптимальних рецептурно-технологічних параметрів отримання поризованої конструкційно-теплоізоляційної будівельної кераміки на основі неспікливого суглинку і техногенних компонентів. Визначена область раціональних складів керамічних мас, оптимальний склад маси (56 % суглинку, 14 % керамзитової глини, 10 % золосфер і 20 % ваграночного шлаку), температура випалу, а також ступінь подрібнення сировинних компонентів, які в комплексі за температури випалу 970 °С дозволяють отримати матеріали з середньою густиною 1380 кг/м³ і межею міцності при стиску 20,2 МПа. Опрацьовані технологічні прийоми по зміцненню контактної зони "керамічна матриця-золосфера" шляхом попередньої обробки золосфер для забезпечення їх адгезії до інших компонентів маси. Встановлено, що для покращення міцності необхідно забезпечувати максимально можливу взаємодією між поризатором і масою, що досягається використанням попередньої обробки золосфер керамзитовим шлікером, який сприяє рідкофазному спіканню золосфери з масою під час випалу. Досліджені технологічні властивості керамічної маси оптимального складу, (пластична міцність, чутливість до сушки, дилатометричні температури спікання), на підставі чого визначені режими сушки та випалу напівфабрикатів. Розроблена технологічна схема виробництва поризованої конструкційно-теплоізоляційної кераміки, яка передбачає скорочений цикл сушки (24 год) і випалу (44 год), на основі якої можна отримати поризовану конструкційно-теплоізоляційну кераміку з маркою за механічною міцністю М 175, коефіцієнтом теплопровідності 0,19 Вт/(м·К) і густиною 850 кг/м³ (при 40 % пустотності). Прогнозований економічний ефект від скорочення випалу та відповідної економії природного газу складає 3656391 грн/рік при річній продуктивності підприємства 33 млн ум. штук виробів. Наукова новизна результатів роботи. Теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість отримання конструкційно-теплоізоляційних керамічних матеріалів із заданою пористою структурою збільшеної теплової ефективності та механічної міцності на основі недефіцитної цегельно-черепичної сировини та техногенних компонентів. Вперше: - на основі 3D-моделювання експлуатаційної поведінки пустотілих керамічних виробів з пористим та щільним каркасом визначені технологічні принципи отримання конструкційно-теплоізоляційної будівельної кераміки з покращеними теплозахисними і деформаційно-міцнісними характеристиками, які полягають у зниженні пустотності виробів, організації раціональної пористої структури керамічного каркасу зі сферичними порами та зміцненні локальних зон "керамічна матрицяпора" як найбільш уразливих ділянок структури; - на основі системного дослідження процесів спікання і фазоутворення полімінеральних глинистих порід доведена можливість використання неспікливих суглинків в масах для отримання поризованої будівельної кераміки з їх модифікацією керамзитовою глиною (10 – 20 мас. %), яка забезпечує необхідну пластичну консистенцію глиномас (коефіцієнт консистенції 0 – 0,25) і суттєве зміцнення матеріалів (максимально на 112 %) залежно від кількості глини і температури випалу (920 – 980 °С) за рахунок кращої спікливості мас; - встановлені закономірності структуроутворення в поризованих керамічних матеріалах з використанням пороутворюючих добавок з різними механізмами поризації у взаємозв'язку з технологічними параметрами їх отримання та властивостями. Вони полягають в тому, що за однакового рівня загальної пористості (40 %) механічна міцність структур визначається їх однорідністю та долею закритих пор, оптимальне поєднання яких можливо при використанні тонкодисперсних органо-мінеральних поризаторів, які формують найбільш міцні структури з глобулярними і сферичними порами та коефіцієнтом анізотропії 0,8 – 1,0; - визначена ефективність використання висококальцієвого ваграночного шлаку в масах для отримання керамічних матеріалів підвищеної міцності як функціонального компонента, який при випалі матеріалів за температур 970 – 1000 °С є джерелом синтезу новоутворень з подовженою неізометричною формою кристалів (анортит, діопсид, воластоніт), які зміцнюють структуру, що покращує межу міцності при стиску матеріалів на 70 %. Практичне значення отриманих результатів для промисловості будівельних матеріалів полягає у розробці ресурсоощадної технології пористо-пустотілих керамічних будівельних виробів зниженої пустотності з покращеними теплотехнічними та експлуатаційними характеристиками на основі неспікливої глинистої сировини і техногенних добавок. Проведені в умовах ТОВ "Плінфа" (м. Харків) лабораторно-промислові випробовування керамічної маси оптимального складу і запропонованих технологічних рішень підтвердили практичну цінність розробок, впровадження яких у промислове виробництво дозволить отримати економічний ефект за рахунок суттєвого зниження витрат природного газу на рік (414556,8 м3) для підприємства середньої продуктивності (33 млн штук умовних виробів на рік). Результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальний процес кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей НТУ "ХПІ" при викладанні дисциплін: "Інноваційні матеріали і технології в технологіях тугоплавких неметалевих силікатних матеріалів (ТНСМ)", "Хімічні технології будівельних матеріалів для медицини, техніки і будівництва", "Виробництво кераміки та вогнетривів", "Ресурсо- та енергозбереження в технології ТНСМ".