Д.т.н. Селиванова З.М., Стасенко К.С.

Тамбовский государственный технический университет

Повышение точности изготовления и контроля теплопроводности минераловатных плит при воздействующих факторах

Технологический процесс производства минват очень сложен, он включает в себя большое количество разнообразных операций (подготовка сырья, плавка компонентов, получение волокна, обработка, распределение, получение формы волокна, резка и т.д.). На каждом этапе производства происходит воздействие различных факторов, влияющих на качество и характеристики получаемых теплоизоляционных материалов. Теплофизические и физико-механические свойства теплоизоляционных материалов зависят от сложного комплекса факторов, включающих: вид исходного сырья, технологию получения волокна, диаметр и длину волокон, их химический и фазовый состав, структуру материала, качество связующего компонента.

Управляемыми параметрами при производстве минват являются: концентрация исходных компонентов, концентрация связующего компонента, концентрация модифицирующих добавок, фракционный и химический состав сырья, скорость вращения валков и уровень термообработки. Неуправляемые параметры – температура (T_ос) и влажность (W_ос) окружающей среды.

Функциональную зависимость выходных параметров точности, определяющих качество выпускаемых теплоизоляционных материалов, можно представить аналитической моделью [1]:

y_n = f (x_i, δ_T,Q_и, D_m, V_ииис),

где y_n – выходные параметры точности (погрешность измерения и потери точности при контроле теплопроводности), n – количество y; x_i – входные параметры (исследуемых материалов, исходного сырья, технологического оборудования, интеллектуальной информационно-измерительной системы); i – количество x; δ_T = {S_n, n = 1,…,k} – множество требований к точности определения теплопроводности теплоизоляционных материалов; Q_и – управляемые параметры технологического процесса изготовления материалов; D_m – неуправляемые параметры, имеющие случайный характер, m – количество параметров. К неуправляемым параметрам относятся воздействующие дестабилизирующие факторы на интеллектуальную информационно-измерительную систему (ИИИС) и технологический процесс производства материалов; V_ииис – параметры, определяющие метрологический уровень ИИИС.

Зависимость теплопроводности минераловатнх плит от входных параметров (λ = f (x_i)).

В ходе проведения экспериментальных исследований материалов, основные параметры которых приведены в таблице 1, с помощью ИИИС получены зависимости теплопроводности минераловатных плит и полиметилметакрилата (ПММ) от входных параметров материалов и сырья

λ = f (x_i). На рис.1 приведено графическое представление экспериментальной зависимости λ, которая определяется с использованием ИИИС, минераловатной плиты (изовента) и сырьевого материала (габбро-базальтовой породы) от их плотности. ПММ и рипор (λ=0,028 Вт/м·К) используются при исследованиях как эталонные аттестованные образцы при контроле работы ИИИС

(λ=0,195 Вт/м·К).

Таблица 1. Параметры исследуемых материалов

Параметры (ед. изм.)	Исследуемые материалы
	Минераловатные плиты						Эталонные образцы
	ГЕРАКЛИТ	ИЗОЛАЙТ	ИЗОВЕНТ	ИЗОРУФ-В	ИЗОФАС-160	ИЗОФАС-ЛМ	ПММ	РИПОР
Плотность, кг/м^3	40	50	90	175	160	90	900	50
Теплопроводность, Вт/м·К	0,028	0,032	0,035	0,035	0,038	0,039	0,195	0,028
Влажность по массе, %, не более	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,2	0,3
Содержание органических веществ по массе, % , не более	2,0	2,5	3,5	4,0	4,0	3,5	23	2,0
Диаметр волокна, мкм	5	5	5	5	5	5	1,5-3	5
Эквивалентный размер пор, мкм	20	20	18	13	14	18	2-5	20

В табл. 2 приведены параметры сырьевых материалов габбро-базальтовых пород.

Таблица 2. Параметры сырьевых материалов

Параметры (ед. изм.)	Габбро-базальтовые породы (ГБП)
Плотность, кг/м^3	30-220
Теплопроводность	0,035 — 0,039
Влажность по массе, %, не более	0,5-1
Содержание органических веществ по массе, %, не более	2,8
Диаметр волокна, мкм	80-400

λ, Вт/м·К

λ = f(x_ГБП)

λ^* = f(x_ГБП)

λ = f(x_И)

λ^*= f(x_И)

x_i,кг/м³

Рис. 1. Зависимости теплопроводности изовента λ = f (x_И) и сырьевого материала (габбро-базальтовой породы) λ = f (x_ГБП) от входных параметров материалов (плотности), и аппроксимирующие функции, λ^* = f (x_И) = 0,0002x_И + 0,0218 и λ^* = f (x_ГБП) = 0,05x_ГБП + 0,026

Зависимости теплопроводности минераловатных плит от управляемых параметров (λ = f (Q_и)).

Получены экспериментальным путем зависимости теплопроводности минераловатных плит от управляемых параметров: сырья (λ = f (Q_и)) – химического состава габбро-базальта.

В табл. 3 представлены сведения о химическом составе габбро-базальта.

Таблица 3. Химический состав габбро-базальта

Оксиды	Содержание оксидов, % по массе
SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO CaO MgO Na2O K2O	50,41 10,42 2,29 8,08 8,83 12,37 1,65 0,51

На рис. 2 представлен пример экспериментальной зависимости теплопроводности минераловатной плиты – изоруфа от управляемого параметра сырья (химического состава) и аппроксимирующие функции.

λ^* = f(Q_с)

λ = f(Q_с)

λ, Вт/м·К

Q_с, %

Рис. 2. Зависимости экспериментальная теплопроводности изоруфа от управляемых параметров сырья (химического состава), λ = f (Q_с) и аппроксимирующая функция λ^* = f (Q_с) = 0,0002Q_с + 0,0273

Зависимости теплопроводности минераловатных плит от неуправляемых параметров (λ = f (D_m)).

Исследованы влияния температуры T_ос и влажности W_ос на теплопроводность минераловатных плит.

На рис. 3 приведены зависимости теплопроводности изофаса-ЛМ от T_ос, а на рис. 4 – от W_ос.

T_oc, °C

λ^* = f (T_ос)

λ = f(T_ос)

λ, Вт/м·К

Рис. 3. Зависимости экспериментальная теплопроводности изофаса-ЛМ от температуры окружающей среды T_ос, λ = f (T_ос) и аппроксимирующая функция

λ^* = f (T_ос) = 0,0003T_ос + 0,027

W_oc, %

λ^* = f(W_ос)

λ = f(W_ос)

λ, Вт/м·К

Рис. 4. Зависимости экспериментальная теплопроводности изофаса-ЛМ от влажности окружающей среды W_ос, λ = f (W_ос) и аппроксимирующая функция

λ^* = f (W_ос) = 0,0005W_ос +0,0279

Зависимость теплопроводности минераловатных плит от параметров метрологического уровня ИИИС (λ = f (V_ииис)).

При разработке ИИИС были учтены тип производства, особенности технологического процесса и его режимные параметры при изготовлении минераловатных плит. С целью уменьшения дополнительных погрешностей при измерении λ минераловатных плит должны соблюдаться предусмотренные стандартом условия: температура 20°С, атмосферное давление 101325 Па, относительная влажность окружающего воздуха 58 %. Метрологический уровень измерения и контроля теплопроводности минераловатных плит зависит от метрологических характеристик ИИИС, которые позволяют судить о пригодности системы для измерений в заданном диапазоне λ с допустимой погрешностью до 3% [2].

Для определения метрологического уровня ИИИС проведены измерения λ ряда теплоизоляционных материалов. Результаты измерений и метрологической обработки представлены в табл. 4.

Таблица 4. Результаты метрологической обработки измерений теплопроводности исследуемых теплоизоляционных материалов

Исследуемые теплоизоляционные материалы	Эталонные значения	Измеренные значения	Относительная погрешность измерений
	λэт, Вт/м·К	λизм, Вт/м·К	δλ, %
Рипор Гераклит Изолайт Изовент Изоруф Минвата 1 Минвата 2 Минвата 3 Изоруф-В Изофас-ЛМ ПММ	0,028 0,035 0,032 0,032 0,034 0,033 0,037 0,04 0,035 0,039 0,195	0,0282 0,034 0,0323 0,033 0,0337 0,0327 0,0364 0,041 0,0346 0,04 0,194	0,71 2,8 0,94 3,1 0,88 0,9 1,62 2,5 1,14 2,56 0,51

Как следует из табл. 4, контроль λ минераловатных плит должен выполняться при высоком метрологическом уровне ИИИС, так как материалы имеют низкую теплопроводность и отличаются по λ незначительно. Для обеспечения достоверности контроля λ исследованы зависимости λ минераловатной плиты от погрешности контроля λ ИИИС, которая определялась при измерении на эталонном материале – ПММ.

На рис. 5 приведены зависимости погрешности определения λ минераловатной плиты изофаса – ЛМ от метрологического уровня ИИИС.

λ = f(V_ИИИС)

λ^* = f (V_ИИИС)

δ_ИИИС, %

δ_λи, %

Рис. 5. Зависимости теплопроводности минераловатной плиты (изофас – ЛМ) от параметров метрологического уровня (относительной погрешности),

(λ = f (V_ииис)) и аппроксимирующая функция λ^* = f (V_ииис) =

0,4023δ_ИИИС + 0,7992

В базе знаний интеллектуальной информационно-измерительной системы в виде фреймов представлены аналогичные зависимости теплопроводности минераловатных плит от входных параметров сырья и исследуемых материалов, управляемых и неуправляемых параметров, воздействующих дестабилизирующих факторах окружающей среды – температуры и влажности, от параметров метрологического уровня ИИИС, примеры которых для отдельных видов минераловатных плит представлены в данной работе. Полученные аппроксимирующие функции указанных зависимостей позволяют получать достоверную и точную информацию о λ исследуемых материалов в ходе технологического процесса их изготовления и контроля готовой продукции.

Таким образом, осуществляется повышение точности изготовления и контроля теплопроводности минераловатных плит в результате учета зависимостей влияния воздействующих факторов на технологический процесс изготовления и контроля λ минераловатных плит с использованием базы знаний ИИИС при принятии решений в технологическом и измерительном процессах, что позволяет в итоге обеспечить требуемое качество выпускаемых минераловатных плит.

Литература

1. Селиванова, З.М. Решение задачи обеспечения заданной точности и качества при определении теплопроводности теплоизоляционных материалов интеллектуальной информационно-измерительной системой / З.М. Селиванова, К.С. Стасенко // Вопр. совр. науки и практики. Ун-т им. В. И. Вернадского. -2011.- №4(35). - С. 435-443.

2. Селиванова, З.М. Интеллектуальная информационно-измерительная система для определения теплофизических свойств твердых материалов / З.М. Селиванова // Приборы и техника эксперимента.- 2006.- №4. - С. 100.