Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю
05.17.11–технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2005.
Дисертація присвячена розробці наукових основ синтезу легкотопких безкобальтових ґрунтових емалей, що містять комплексний активатор зчеплення, які полягають у регулюванні складу скломатриці, співвідношення іонів перемінної валентності в цьому активаторі і процесів формування системи сталь–емалеве покриття з декількома одночасно присутніми оксидами зчеплення при температурах до 850 С та створенню енерго- та ресурсозберігаючої технології емалювання з використанням техногенних матеріалів, що містять оксиди перемінної валентності. Розроблено скломатрицю в псевдопотрійній системі Na2O+S—B2O3+S—SiО2+S, де S = 6,5 CaО + 3,5 Al2O3, на її основі синтезовані модельні фрити з різними активаторами зчеплення. Визначено їх фізико-хімічні та топкістні властивості, процеси формування покриттів та оптимізовано склад комплексного активатору зчеплення. Встановлено взаємозв’язок між питомою електропровідністю й корозійною активністю склорозплавів з одночасним вмістом декількох різних катіонів перемінної валентності та міцністю зчеплення зі сталлю відповідних грунтових покриттів. Вперше встановлено полікатіонний ефект для таких грунтових емалей в низько- і високотемпературному діапазонах. Встановлена перспективність застосування гальванічного шламу як замінника активаторів зчеплення в ґрунтових склоемалях, а також визначено оптимальний режим його термообробки. Встановлено особливості склоутворення в системі скломатриця–шлам та розроблені склади шламвміщуючих ґрунтових емалей з високим рівнем фізико-хімічних і технологічних властивостей. Науково обгрунтовані та експериментально доведені особливості їх формування, здійснено дослідно-промислові випробування результатів досліджень.
Дисертаційна робота присвячена рішенню науково-практичної задачі – розробці наукових основ синтезу легкотопких безкобальтових ґрунтових емалей, що містять комплексний активатор зчеплення, і ресурсоенергозберігаючої технології емалювання сталі з використанням техногенних матеріалів, що містять оксиди перемінної валентності. проведені дослідження дозволили сформулювати наступні висновки:
1. Розроблено наукові основи синтезу легкотопких безкобальтових ґрунтових емалей, що містять комплексний активатор зчеплення, які полягають у регулюванні складу скломатриці, співвідношення іонів перемінної валентності в цьому активаторі і процесів формування системи сталь–емалеве покриття з декількома одночасно присутніми оксидами зчеплення при температурах до 850 С. Розроблено склади і ресурсоенергозберігаюча технологія зазначених емалей з використанням гальванічного шламу як замінника комплексного активатора зчеплення. Застосування результатів досліджень у виробництві показало економічну ефективність використання розробленої легкотопкої бескобальтової ґрунтової емалі за рахунок зниження собівартості виробів і витрат електроенергії при емалюванні.
2. З урахуванням сформульованих вимог до властивостей легкотопких ґрунтових емалей, що розробляються у системі Na2O–B2O3–Al2O3–CaO–SiО2 обрано область склоутворення і встановлено можливість синтезу стекол – основи зазначених емалей у псевдопотрійній системі Na2O+S–B2O3+S– SiО2+S, де S = 6,5 CaО + 3,5 Al2O3.
3. Встановлено особливості впливу оксидів нікелю і міді – активаторів зчеплення при їх парціальному й інтегральному введенні до складу ґрунтових емалей на процеси взаємодії їх розплавів зі сталлю, формування перехідної зони метал–покриття і зчеплення цих покриттів зі сталевою підкладиною. Визначено значення концентрації цих оксидів при їх парціальному вмісті, що забезпечують максимальну міцність зчеплення покриттів – у випадку оксидів нікелю і кобальту до 2 мас. %, а у випадку оксиду міді до 6 мас. %. Встановлено, що максимальне значення міцності зчеплення покриттів при 6 мас. % комплексного активатора зчеплення досягалось, на відміну від складів, що містять лише один активатор зчеплення, не при найбільшій корозійній активності розплаву, а при деякім оптимальному її значенні. Показано, що при парціальному введенні активаторів зчеплення визначальним є розвиток електрохімічної корозії на границі розплав-метал, при інтегральному пріоритетне значення має утворення проміжного шпінельного шару в контактній зоні покриття-метал.
4. Детально досліджена електропровідність склоемалей з комплексним активатором у двох температурних діапазонах: нижче і вище інтервалу склування і показано, що для всіх досліджених складів температурна залежність електропровідності підкоряється закону Раша-Хіндріхсена. Вперше експериментально встановлено полікатіонний ефект в ґрунтових склоемалях за рахунок одночасної присутності кількох різних катіонів перемінної валентності в низько- і високотемпературному діапазонах.
5. На підставі вищевказаних досліджень, а також вивчення впливу діоксиду марганцю на в’язкістно-топкістні властивості емалевого розплаву з комплексним активатором зчеплення був оптимизирован склад легкотопкої безкобальтовой ґрунтової емалі (мас. %): SiО2 – 46,0; B2O3 – 15,0; Na2O – 20,0; СaO – 6,5; Al2O3 – 3,5; CuО – 4,0; NiО – 2,0 MnО2 – 3,0.
6. Проведено комплексну всебічну оцінку можливості використання гальванічних шламів в емалювальному виробництві, що включала визначення їх хімічного і фазового складу, фізико-хімічних властивостей, екологічних характеристик і обсягів накопичення в Харківському регіоні. Вона дозволила встановити перспективність застосування гальванічного шламу як замінника активаторів зчеплення в ґрунтових склоемалях, а також визначити оптимальний режим його термообробки.
7. Термодинамічні розрахунки показали можливість утворення ферритів нікелю, міді і цинку, при цьому виявлене збільшення інтенсивності утворення ферриту нікелю з ростом температури, що є передумовою виникнення міцних хімічних зв'язків між ґрунтом на основі гальванічного шламу і сталевим субстратом.
8. Встановлено особливості склоутворення в системі скломатриця–шлам, визначено максимально можливий вміст шламу в складі шихти ґрунту, синтезовані склади шламвміщуючих ґрунтових емалей і вивчені їх основні фізико-хімічні та технологічні властивості.
9. Визначено вплив компонентів гальванічного шламу на топкістні характеристики, ТКЛР, корозійну активність і міцність зчеплення ґрунтових склоемалей. З використанням даних металографічного аналізу і РФА встановлено, що висока міцність зчеплення шламвміщуючих ґрунтів обумовлена утворенням на границі покриття-метал проміжного шару слідуючого складу: NiFe2O4; CuFe2O4; Fe3O4.
10. В умовах АТЗТ ТД «Емальзавод» були проведені дослідно-промислові випробування розробленої ґрунтової емалі ЕШ з комплексним активатором зчеплення на основі гальванічного шламу, які показали аналогічність експлуатаційних характеристик ґрунту ЕШ і промислового ґрунту ЕСГ-21 та забезпечення зниження собівартості продукції на 1,53 грн/м2 площі емальованих виробів при використанні розроблених покриттів.
Здобувачем проведено аналіз данних щодо перспектив використання різноманітних промислових відходів в якості альтеративної сировини в технологіях емалювання.
Воронов Г.К. Методы расчета базовой стекломатрицы для иммобилизации тяжелых металлов // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2001. - Вып. 19. – С. 94-98.
Воронов Г.К., Брагина Л.Л. Исследование электропроводности легкоплавких грунтовых эмалей // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2002. - Вып. 17. – С. 9-12.
Здобувачем встановлено особливості єлектропровідності грунтових емалей з комплексним активатором зчеплення.
Воронов Г.К., Брагина Л.Л. Влияние структуры стали на ее взаимодействие c силикатными расплавами // Сб. научн. трудов УкрНИИогнеупоров. – Харьков: Каравелла. – 2001. - № 101. – С. 186-190.
Здобувачем з’ясовано вплив структури сталі на корозійні властивості грунтових емалевих розплавів та міцність зчеплення покриттів.
Брагина Л.Л., Резникова В.В., Воронов Г.К. Изучение механизма сцепления двухслойных покрытий однократного обжига со сталью // Вопросы химии и химической технологии. – Днепропетровск: УДХТУ – 2003 г. – № 1. - С. 44-46.
Здобувачем досліджено особливості використання грунтових покриттів в новітніх технологіях емалювання.
Воронов Г.К., Брагина Л.Л., Трусов Н.В. Термодинамический анализ образования феррошпинелей в системе Fe2O3—NiO—CuO—ZnO—MnO // Сб. научн. трудов УкрНИИогнеупоров. - Харьков: Каравелла. – 2002 г. , - № 102. – С. 130-135 с.
Здобувачем проведено оцінку вирогідності формування проміжного шару в системі металл–покриття.
Брагина Л.Л., Воронов Г.К. Ресурсосбережение в технологии эмалирования стали // Вопросы химии и химической технологии. – Днепропетровск: УДХТУ – 2002 г. – № 6. - С. 50-52.
Здобувачем представлено розроблену ресурсозберігаючу техгологію емалювання з використанням техногенної сировини.
Воронов Г.К., Саливон Е.Ю. Особенности формирования структуры и свойств шламсодержащих стеклоэмалей // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2004. - Вып. 33. – С. 114-119.
Здобувачем визначено процеси, що протікають при формуванні грунтів з комплексним активатором зчеплення.
Брагина Л.Л., Воронов Г.К. Влияние электропроводности расплава на формирование покрытий для защиты теплообменников // Збірник наукових праць ВАТ УкрНДІвогнетривів ім. А.С.Бережного – Харків: Каравела. – 2004 р. , - № 104. – С. 135-140 с.
Здобувачем визначено вплив електропровідності розплавів на формування грунтових покриттів.
Здобувачем обгрунтовано та експериментально доведено перспективність застосування легкотопких безкобальтових склоемалей з комплексним активатором зчеплення.
Брагіна Л.Л., Рєзнікова В.В. Воронов Г.К. Покриття на склополімерній зв’язці для новітньої технології емалювання “Combismalt”// Сб. праць. ІІ Міжнар. науково-техн. конф. «Композиційні матеріали». – К.: НТУУ «КПІ». - 2001. – С. 8.
Здобувачем досліджено процеси формування покриттів при емалюванні за технологією “Combismalt”
Воронов Г.К. Многофакторное моделирование прочности сцепления эмалевых покрытий со сталью // Вестник БГТУ им. Шухова.–№ 6. – Ч.3.–2003.–С.126-12.
Воронов Г.К., Брагина Л.Л. Стеклоэмалевые покрытия для защиты стальных деталей теплообменников // Сб. докладов 4-й Международной конференции “ОТТОМ-4”.– Харків, 2003.-С.216-222.
Здобувачем наведено дані щодо використання розроблених покриттів в енергетичній галузі.
Воронов Г.К., Брагина Л.Л., Гордийчук И.В. Особенности формирования покрытий для защиты теплообменников // Сб. докладов Междунар. научно-техн. конф. «Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности». – Харьков: Каравелла – 2004 г. – С. 32-34.
Здобувачем з’ясовано особливості процесів формування грунтових покриттів при емалюванні деталей теплообмінників.
Ground enamels based on technogenius raw material basis and matte enamels for architectural-building purposes/ L. Bragina, G. Voronov, O. Savova, N. Sobol // Innovative trends in enamelling technology. – Ostrava: VSB – Technical University of Ostrava, 2004. – P. 20-25.
Здобувачем обгрунтовано перспективність використання техногенних матеріалів в якості замінників активаторів зчеплення при отриманні грунтових емалевих покриттів.
Воронов Г.К., Резникова В.В. Расчет вязкостных характеристик эмалевых расплавов с использованием метода «Flow-Button-Test» // Тр. наук.-техн. конф «Перспективные направления развития науки и технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов».– Днепропетровск, 2003.–С.41-42.
Здобувачем розраховано топкісні властивості емалевих фрит за новітньою методикою.
