name: Теоретические и прикладные основы процессов высокотемпературной термической обработки и особенности технологии при производстве теплоизоляционного пеностекла
keyword_list: Пеностекло теплоперенос термическая обработка математическое моделирование сырьевая смесь методы сетевого планирования
abstract: Целью работы является разработка научных основ моделирования процессов высокотемпературной термической обработки сырьевой смеси для получения пористых стеклокристаллических материалов на основе пеностекла. 
  В результате исследований получены следующие наиболее важные результаты.
  1.	На основании выполненного обзора и анализа технологических параметров процесса получения пеностекла показано, что наиболее исследованными являются направления, которые отражают физико-химические особенности процессов формирования пористой структуры пеностекла на стадиях термической обработки сырьевой смеси, а также на этапах отжига готового материала, что в значительной степени регулируется режимными параметрами технологического процесса, вместе с тем, при моделировании и расчете процесса, макрофизические параметры принимаются как постоянные величины, что не в полной степени отражает специфику формирования необходимой пористой структуры материала при нестационарных режимах теплопереноса.
  2.	Разработана математическая модель, описывающая процессы теплопереноса в результате воздействия высокой температуры на сырьевую смесь для получения пеностекла, в частности: разработана модель нестационарного теплопереноса в слое сырьевой смеси для расчета нестационарных температурных полей с учетом циклического изменения температурных условий в местах контакта металлической формы для вспенивания пеностекла с композитом сырьевой смеси на стадиях нагревания и охлаждения.
  3.	Разработаны принципы управления процессами высокотемпературной термической обработки технологического процесса производства пеностекла на основе теории теплопереноса с применением метода «микропроцессов», заключающиеся: в представлении совокупности процессов высокотемпературной термической обработки в математической модели в виде временных стадий, формализованных временными масштабами процессов формирования необходимой высокопористой структуры, что позволяет рассмотреть весь цикл термического воздействия как систему с учетом аддитивности временных параметров.
  4.	На основе разработанной математической модели произведен расчет температурных профилей в материале с учетом эффектов теплопроводности. Установлено, что скорость изменения показателей температуры в центре засыпки сырьевой смеси при λ=0,047 Вт/(м• оС), τ = 90 мин. (5400 c) и t = 750 °С в два раза меньше расчетных показателей на поверхности, что подтверждает предположение об инерционности процесса термической обработки сырьевой смеси для получения пеностекла.
  5.	Зависимости, полученные при моделировании динамики распределения температурных полей в пеностекле при одномерной постановке задачи, демонстрируют наличие кривых с экстремумами в интервалах показателей температуры от 750 ± 20 оС до 650 ± 20 оС в сторону ее понижения, что объясняется инерционностью процесса теплопереноса в твердых телах. Показано, что, при интенсивном охлаждении сырьевой смеси, участки засыпки, находящиеся на расстоянии от ее граней порядка 0,03 ± 0,01 м, прогретые до температуры выше 650 ± 20 °С, не успевают передать ранее набранное тепло на грани засыпки. Выдержка материала при температурах порядка 650 ± 20 °С более 75 минут (4500 с) нецелесообразна, в виду того, что окончательная стабилизация температуры в центре материала произойдет более чем через 120 минут (7200 с). Предложен принцип циклического термического воздействия на пеностекольную форму для вспенивания, предусматривающий механизм периодического подвода тепла, что предусматривает минимизацию эффекта неравномерного распределения пор в структуре материала.
  6.	Разработаны методы математического моделирования и получены номограммы, позволяющие исследовать функциональные зависимости температуры на поверхности тел канонической формы в зависимости от значений чисел Био и Фурье при малых значениях числа Фурье, что способствует исключению ошибок при реализации методов расчета с использованием «зонального» метода и метода «микропроцессов», что позволяет учитывать периодичность воздействия температуры на материал.
  7.	Разработан новый математический метод определения необходимого времени для формирования заданной пористой структуры, где в качестве описания расплава сырьевой смеси адаптированы уравнения движения вязкой несжимаемой жидкости (Навье-Стокса) и уравнение неразрывности в сферических координатах, учитывая, что скорость движения жидкости вокруг поры имеет только радиальную составляющую и вследствие сферической симметрии пор зависит только от r – расстояния от центра пузырька и t – времени процесса.
  8.	Показана зависимость разработанного коэффициента активности источника газообразования α´ от массы газообразного продукта и его интенсивности, что отражает физико-химическую картину процесса формирования пористой структуры пеностекла. Установлено, что повышение активности источника газообразования снижает время процесса формирования поры, в соответствии с этим при изменении параметра С (мм3/с2), который учитывает влияние активности источника газообразования от вязкости расплава сырьевой смеси, изменяется время формирование поры с заданным радиусом. Так при увеличении радиуса поры до 2 мм (0,002 м) необходимо затратить в 8 раз больше времени, чем для формирования поры в 1 мм (0,001 м), а для формирования поры 3 мм (0,003 м) – в 27 раз. 
  9.	Доказана эффективность внедрения на этапе планирования технологического процесса производства пеностекла математического моделирования макрофизических параметров процессов высокотемпературной термической обработки пеностекла, что повышает эффективность всего технологического процесса на 10%. Повышение эффективности процесса получения пеностекла представлено в количественном и качественном виде, где количественный критерий – вероятность отклонения распределения времени работ двух сетевых графиков, а качественный критерий – интервальное значение D-функции Харрингтона.
  10.	Разработана математическая модель теплопереноса на стадии самопроизвольного остывания пеностекольного блока, которая позволяет провести исследование особенностей распределения показателей температуры блока пеностекла и оценить сходимость функциональной зависимости между временем и температурой в заданных точках контроля по результатам экспериментальных данных, проведено исследование адекватности математической модели и доказана высокая сходимость результатов моделирования и экспериментальных измерений показателей температуры в заданных точках контроля. Полученные расчетные значения коэффициента детерминации Пирсона 0,969 для точки контроля №1 и 0,985 для точки контроля №2 демонстрируют наличие устойчивой функциональной связи между показателями динамики температуры, полученными в результате расчета по разработанной математической модели, и данными, полученными в результате экспериментального измерения показателей температуры с помощью средств контроля.
  11.	Разработанные в диссертации математические модели и методы моделирования макрофизических параметров процессов высокотемпературной обработки пеностекла, составляющие теоретические основы технологического процесса производства пеностекла, позволяют исследовать широкий класс задач при планировании технологии производства стеклокристаллических материалов на основе пеностекла, так и при прогнозировании конечных свойств готовой продукции, отвечающей актуальным показателям цены и качества. Практическое применение теоретических результатов в виде компьютерных программ и баз данных позволяет снизить временные затраты при реализации отдельных технологических этапов и повысить оперативность процесса прогнозирования макрофизических параметров технологического процесса производства пеностекла.
  Экспериментальные результаты и теоретические рекомендации диссертационной работы рекомендованы для внедрения на предприятиях по производству строительных теплоизоляционных и акустических неорганических материалов в различных регионах РФ. Общим экономическим эффектом свыше 15 млн. руб. в год. Вместе с тем результаты работы могут быть предложены для апробации и внедрения при проектировании композитов для создания комфортной среды обитания человека, в первую очередь, при освоении Севера и Арктики, для строительства объектов МО РФ. Также результаты работы использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по специальностям и направлениям подготовки «Строительство», «Техника и технология строительства», «Строительство уникальных зданий и сооружений».
chairman_dissertation_council.name: Варвара
chairman_dissertation_council.surname: Румянцева
chairman_dissertation_council.patronymic: Евгеньевна
chairman_dissertation_council.position: Директор института информационных технологий, естественных и гуманитарных наук
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: W-4421-2017
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 57196442725
chairman_dissertation_council.rinc_id: 423801
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Евгений
organization_supervisor.surname: Румянцев
organization_supervisor.patronymic: Владимирович
organization_supervisor.position: ректор
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 67.15.55
rubrics.name: Производство строительных теплоизоляционных материалов и изделий
oecds.code: 02.05.PM
oecds.name: MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY
speciality_codes.name: Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)
speciality_codes.code: 05.02.13
supervisors.fio: Федосов С.В.
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Процессы и аппараты химических технологий
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Черкасов В.Д.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Строительные материалы и изделия
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Богданов В.С.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Рудобашта С.П.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Процессы и аппараты химических технологий
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ИВГПУ, ФГБОУ ВО "ИВГПУ"
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
protection_organization.ogrn: 1133702011222
protection_organization.supervisor_name: ЕВГЕНИЙ
protection_organization.supervisor_surname: РУМЯНЦЕВ
protection_organization.supervisor_patronymic: ВЛАДИМИРОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: Донской государственный технический университет; ДГТУ
author_organization.name: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет"
author_organization.ogrn: 1026103727847
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения