Научная статья на тему 'Комплексная переработка и использование низкосортных кварцевых песков в производстве стеклотары и черепицы'

Комплексная переработка и использование низкосортных кварцевых песков в производстве стеклотары и черепицы Текст научной статьи по специальности «Силикатное сырье»

CC BY
338
82
Поделиться

Аннотация научной статьи по химической технологии, химической промышленности, автор научной работы — Крашенинникова Н. С., Казьмина О. В., Прошкина А. В.

Установлена принципиальная возможность использования песка Кудровского месторождения Томской области в производстве тарного стекла. Обогащение фракции песка с размером частиц более 0,2 мм оттирочно-флотационным методом позволяет получать качественное тарное стекло коричневого цвета. С целью комплексного использования песка фракцию размером менее 0,2 мм предлагается применять в качестве наполнителя полимерной композиции для производства черепицы.

Похожие темы научных работ по химической технологии, химической промышленности , автор научной работы — Крашенинникова Н.С., Казьмина О.В., Прошкина А.В.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Комплексная переработка и использование низкосортных кварцевых песков в производстве стеклотары и черепицы»

содержащим диопсид, рис. 2, б. Менее резкий характер нарастания объемной усадки наблюдается у композиций на основе волластонита, рис. 2, а. Минимальное значение р соответствует образцам, содержащим цеолит. Также было отмечено увеличение усадки на ранних стадиях отверждения композиций с цеолитом, что, скорее всего, обусловлено адсорбцией наполнителем компонентов смолы.

Приведенные результаты показывают, что природные силикаты диопсид и волластонит играют роль ускорителей отверждения полиэфирной смолы, а цеолит тормозит этот процесс. При оптималь-

ных содержаниях волластонита и диопсида композиции на их основе можно изготовлять с частичной заменой или без введения дорогостоящих, токсичных и в контакте с инициаторами взрывоопасных органических ускорителей. Кроме того, комбинируя наполнители, можно изменять скорость отверждения и создавать материалы с требуемым комплексом свойств. Введение минеральных наполнителей позволяет снизить усадку готовых материалов от 8 до 3 %, а, учитывая их низкую стоимость и наличие больших запасов в Сибирском регионе, значительно уменьшить цену конечной продукции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Батаев А.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - 384 с.

2. Практикум по полимерному материаловедению / Под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1980. - 256 с.

3. Иконникова К.В., Иконникова Л.Ф., Саркисов Ю.С., Мина-кова Т.С. Методические материалы к практическим работам по определению кислотно-основных поверхности. - Томск: Изд-во Томск. ун-та, 2003. - 28 с.

4. Коляго Г.Г., Струк В.А. Материалы на основе ненасыщенных полиэфиров. - Минск: Наука и техника, 1990. - 143 с.

5. Малкин А.Я., Бегишев В.П. Химическое формирование полимеров. - М.: Химия, 1991. - 240 с.

6. Соломатов В.И., Бобрышев А.Н., Химмлер К.Г. Полимерные композиционные материалы в строительстве / Под ред. В.И. Соломатова. - М.: Стройиздат, 1988. - 312 с.

7. Кузнецов Г.К., Чиркова Е.А. Влияние силикатных наполнителей на отверждение полиэфирных смол // Пластические массы. - 1982. - № 3. - С. 20-23.

8. Гладышев Г.П., Попов В.А. Радикальная полимеризация при глубоких степенях превращения. - М.: Наука, 1974. - 243 с.

УДК 666.123.22

КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОСОРТНЫХ КВАРЦЕВЫХ ПЕСКОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТЕКЛОТАРЫ И ЧЕРЕПИЦЫ

Н.С. Крашенинникова, О.В. Казьмина, А.В. Прошкина

Томский политехнический университет E-mail: kazmina@tpu.ru

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Установлена принципиальная возможность использования песка Кудровского месторождения Томской области в производстве тарного стекла. Обогащение фракции песка с размером частиц более 0,2 мм оттирочно-флотационным методом позволяет получать качественное тарное стекло коричневого цвета. С целью комплексного использования песка фракцию размером менее 0,2 мм предлагается применять в качестве наполнителя полимерной композиции для производства черепицы.

Ситуация с обеспечением стекольного производства Западно-Сибирского региона минеральным сырьем осложнена тем, что данный экономический район не имеет собственной базы кондиционного сырья, стекольные заводы вынуждены привозить сырьевые материалы из других районов России. В то же время потребность предприятий, выпускающих определенные виды стеклоизделий, в основном кварцсодержащем материале может быть удовлетворена за счет использования песка местных месторождений. Изучение и применение близлежащих песков взамен привозных способствует комплексному и эффективному использованию местных природных сырьевых материалов.

Объектом исследования в предлагаемой работе является песок Кудровского месторождения Томской области. Работа проводилась по двум напра-

влениям, связанным с исследованием возможности использования Кудровского песка в качестве кварцсодержащего сырья для производства стекла, а также в качестве наполнителя полимерной композиции для производства черепицы.

Выбор данных направлений связан, во-первых, со строительством в непосредственной близости от Кудровского месторождения завода по производству тарного стекла, во-вторых, с возросшим спросом на новые виды кровельных материалов. В настоящее время наряду с керамической черепицей широкое распространение получили сравнительно дешевые песчано-полимерные кровельные материалы [1]. Они имеют ряд преимуществ: высокая механическая прочность, меньший вес (в 2...2,5 раза легче керамической и цементной черепицы), высокая стойкость к воздействию плесени, грибков, кислот и др. [2].

Кварцевый песок является основным кремне-земсодержащим компонентом в составе стекольных шихт для производства большинства видов стекол, его содержание в шихтах составляет более 70 мас. %. Поэтому к качеству песка предъявляют довольно жесткие требования по химическому, минералогическому, гранулометрическому составам, а также к постоянству химического состава и содержанию различного рода примесей [3].

По минералогическому составу исходный Ку-дровский песок относится к глинисто-полевошпатовым и содержит 90...97 мас. % кварца, 3...10 мас. % полевого шпата, а также глинистых минералов в виде гидрослюды.

Пески - это обломочные породы, состоящие в основном из зерен кварца, которые по размеру частиц делятся на крупнозернистые - 1,00.0,50 мм, среднезернистые - 0,50.0,25 мм и мелкозернистые - 0,25.0,10 мм. Кудровский песок относится к среднезернистым пескам, т.к. практически на 75 % состоит из частиц размером 0,50.0,25 мм, остальное - мелкая фракция с размером частиц менее 0,1 мм, рис. 1.

Согласно приведенным характеристикам и требованиям ГОСТа 22551-77 на кварцевый песок (табл. 1), Кудровские пески в исходном состоянии (П^ относятся к марке Т, что делает их пригодными для производства тарного зеленого стекла.

я я я и й Л

и

я §

ы

Л

л

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

э

0,1

0,8

Рис. 1.

, 0,25 0,32 0,5 0,63 , Размер фракции, мм Гранулометрический состав исходного песка Кудров-ского месторождения

Известно, что примеси в песках присутствуют в виде отдельных зерен минералов (слюда, полевой шпат), в виде пленок на зернах кварца, включений в массы зерен или в виде твердых растворов с основными минералами [4]. Максимальное количество (до 65 %) оксидов железа вносится в стекло с тонкодисперсной фракцией песка, а также с пленкой на поверхности зерен кварца. Поэтому, для повышения сортности песков их подвергали классификации с целью удаления мелкой (менее 0,2 мм) фракции и обогащению отти-рочно-флотационным методом. Обогащенные пески (П2) соответствуют марке ПС-250, КТ (ГОСТ 2255177) и пригодны для производства полубелого и коричневого тарного стекла.

В связи с тем, что в последнее время возрос спрос на коричневую стеклотару для различных видов пищевой продукции, для дальнейших исследований выбран состав коричневого тарного стекла. Варку стекла проводили в лабораторной силитовой

печи, в корундовых тиглях при температуре 1430 °С, с выдержкой расплава при максимальной температуре 30 мин. Для получения стекла выбранного состава готовили шихту с использованием обогащенного Кудровского песка согласно рецепта, приведенного в табл. 2.

Таблица 1. Химический состав песка Кудровского месторождения

Индекс песка Содержание оксидов, мас. % Ат * ' 'пр.

бЮ2 А1А FeA №20

Исходный песок (П,) 97,26 1,47 0,27 0,4 0,6

Обогащенный песок (П2) 99,32 0,33 0,19 - 0,16

ГОСТ 22551-77 > 95 < 2 < 0,15 - -

* Атпр. - потери при прокаливании

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Из полученной стекломассы были приготовлены стандартные образцы, визуальный осмотр которых показал наличие полного провара и осветления стекла. В целом качество образцов соответствовало требованиям отраслевых стандартов, предъявляемых к тарному стеклу [5].

Таблица 2. Расчетный состав шихты и стекла

Сырьевые материалы Состав шихты, в.ч., на 100 в.ч. стекломассы Содержание оксидов, мас. %

бЮ2 №20 СаО МдО А1А FeA

Песок 62,63 62,4 - - - 0,21 0,120

Сода 21,74 - 12,73 - - - 0,001

Доломит 22,49 0,07 - 6,930 3,990 - -

Полевой шпат 12,72 8,65 1,76 0,064 0,041 2,56 0,051

Сульфат натрия 7,43 - 0,05 - - - -

Крокус 0,44 0,310

Итого 127,45 71,12 14,54 6,994 4,031 2,77 0,480

Заданный состав стекла - 71,10 14,60 7,00 4,00 2,80 0,502

С целью комплексного использования Кудров-ского песка исследования по второму направлению, а именно получению песчано-полимерной черепицы, проводили на песке с размером частиц менее 0,2 мм. В качестве полимерной добавки, выполняющей роль пластификатора, использовали бытовые полимерные отходы, которые обратимо переходят при нагревании в пластическое состояние: полиэтилен, полипропилен, полистирол и по-лиэтилентерефталат. Наиболее важные физико-механические характеристики этих материалов представлены в табл. 3 [6].

По температурам плавления и размягчения, рассмотренные полимерные отходы можно условно разделить на две группы: полиэтилен, полипропилен - «мягкие полимеры» (МП); полиэтиленте-рефталат, полистирол - «твердые полимеры» (ТП).

Основными технологическими стадиями процесса получения песчано-полимерной черепицы являются измельчение полимерных отходов, при-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

готовление рабочей смеси и ее прессование. В данной работе за основу была принята технологическая схема, которая используется в производстве песчано-полимерной черепицы.

Таблица 3. Физико-механические свойства полимеров

Свойства Полиэтилен Полипропилен Полистирол Полиэтилен-терефталат

Температура плавле- о г ния, С 103...137 160.176 - 260

Температура размяг- 0 г чения, С - - 80.220 245

Предел прочности при растяжении, МПа 10.45 30.35 40.50 175

Стадия измельчения полимерных отходов, необходимая для однородного перемешивания их с наполнителем, осуществляется в промышленных условиях с помощью дробилки барабанного типа до частиц размером 2...20 мм. Причем, отходы «мягкого» и «твердого» пластика дробятся отдельно [7]. Затем, для получения однородной полимерной массы, измельченный полимер загружается в экструзион-ную машину в пропорции 60 % «мягкого» и 40 % «твердого» полимера. Процесс регенерации непрерывен, при этом температура массы на выходе составляет 165.200 °С. После охлаждения масса дробится до фракции размером 2.10 мм и перемешивается с песком, предварительно смешанным с красителем. Полученная песчано-полимерная масса загружается в плавильно-нагревательный агрегат, где нагревается до 250 °С и подается на прессование.

После процесса формовки изделие размещается на сушильном столе, где под воздействием окружающего воздуха происходит окончательное остывание и фиксация изделия, а также очистка его от облоя.

С целью выбора оптимального состава рабочей смеси и температуры формования проведена серия опытов при различных соотношениях песка и полимеров (табл. 4) и режимах термообработки.

Таблица 4. Составы рабочих смесей для получения песчано-полимерных образцов

Компонент Содержание компонентов, мас. %

Песок 30 50 70 75 - 75 75

МП 70 50 30 25 25 - 15

ТП - - - - - 25 10

Песчано-полимерные образцы получали методом горячего прессования в металлической форме. В зависимости от вида полимерных отходов температура нагревания составляла: МП - 220 °С; ТП -320 °С. Время выдержки при данных температурах изменялось от 10 до 40 мин, давление прессования составляло 40.45 МПа.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Лучшие образцы с гладкой поверхностью и ровными краями были получены на «мягких полимерах» с использованием состава рабочей смеси (мас. %): 75 песка и 25 полимера. В предлагаемой работе измельчение МП осуществляли резанием до получения кусков размером до 5 мм, что позволило добиться удовлетворительной однородности рабочей смеси без ее дополнительной экструзии.

Результаты проведенных исследований позволили внести изменения в существующую технологию, связанные с подготовкой сырьевых материа-

220 0С

Охлаждение и фиксация

Рис. 2. Технологическая схема получения песчано-полимерной черепицы

лов и температурным режимом формования, которые отражены в технологической схеме, рис. 2.

Таблица 5. Свойства материалов и изделий на основе кварц-содержащего сырья

Показатель Песчано-поли-мерные образцы Песчано-поли-мерая черепица (ТУ 575657282389-001-01) Керамическая плитка (для пола)

Прочность при сжатии, МПа 20,82 - -

Прочность при изгибе, МПа 16 15 19

Термостойкость, °С 100 - 125

Водопоглоще-ние, % 1,83 < 6 < 4,5

Химическая стойкость Стойки к кислотам и щелочам

Использование в качестве пластификатора только «мягких полимеров», а не смеси МП и ТП, как в существующей технологии, позволяет упростить схему, исключив из нее стадию экструдирова-ния и измельчения экструдата, при этом температура формования практически не изменяется.

По технологическим свойствам полученные образцы отвечают основным требованиям, предъявляемым к песчано-полимерной черепице, и находятся на уровне показателей для керамической плитки (табл. 5).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таким образом, песок Кудровского месторождения может быть использован для частичной или полной замены кварцсодержащего сырья в производстве тарного стекла, а также успешно применяться как основа для производства песчано-поли-мерной черепицы с одновременной утилизацией полимерных отходов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анцупов Ю.А., Ильин А.В., Лукасик В.А. Изготовление отделочных плиток на основе полимерных отходов // Строительные материалы. - 2004. - № 1. - С. 44-45.

2. Каменев Е.И., Мясников Г.Д., Платонов М.Г. Применение пластических масс: Справочник. - Л., 1985. - 448 с.

3. Парюшкина О.В., Мамина Н.А. и др. Стекольное сырье России. - М.: АО "Силинформ", 1995. - 84 с.

4. Панкова Н.А., Михайленко Н.Ю. Стекольная шихта и практика ее приготовления. - М.: РХТУ, 1997. - 80 с.

5. Новый стандарт на марки стекол // Стекло и керамика. - 2002.

- № 8. - С. 32-33.

6. Химическая энциклопедия: В 5 т. - Т. 3 / Редкол.: И.Л. Кнунянц и др. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. -639 с.

7. Сидненко П.М. Измельчение в химической промышленности.

- М.: Химия, 1968. - 282 с.

УДК 669.017.3+539.26

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В РЕЖУЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ

В.Д. Клопотов, В.П. Нестеренко

Томский политехнический университет E-mail: VKlopotov@mail2000.ru

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

С помощью численного моделирования решена нестационарная задача распространения тепла в основной плоскости резца при различной интенсивности тепловых потоков, образующихся в зоне контакта режущего клина с обрабатываемым материалом. Исследовано распределение температурного поля вдоль режущей кромки резца при минимальном износе и при износе, близкому к критическому. Определены границы износа режущего инструмента, при достижении которых невозможно эффективное его использование.

Введение

При проектировании состава и свойств инструментальных материалов чрезвычайно важной является информация о вероятном распределении температур в режущем клине. Исследованию вопроса распределения тепла на передней и задней поверхности режущих инструментов посвящено довольно много теоретических и практических работ [1, 2]. Вместе с тем, износ режущего инструмента тесным образом связан и с распределением тепловых напряжений вдоль режущей кромки. В связи с этим моделирование распределения температурных полей на этом участке может предоставить важные

дополнительные сведения, необходимые для конструирования свойств инструментальных материалов, а также для оптимизации процесса резания. Для достижения обозначенных целей решалась нестационарная задача распространения тепла в плоскости резца. При моделировании предполагалось, что ведется обработка стали Х18Н10Т сменной твердосплавной пластинкой из твердого сплава ВК8, имеющей форму прямоугольника размером рхё (рис. 1), в условиях прямоугольного резания. Переменным параметром при моделировании являлся тепловой поток в рабочей части режущей кромки, который зависит от степени ее износа.