CC BY
50
(e-mail: gx700fl@mail.ru)
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia Boytsov Aleksey Georgievich, Doctor of technical sciences, associate professor (e-mail: agboytsov@mail.ru)
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia APPLICATION OF ANTIFRICTION AND WEAR RESISTANCE MULTICOMPONENT COATINGS TO TITANIUM ALLOYS BY ELECTROSPARK DEPOSITION
Abstract. A study was conducted to establish antifriction properties and wear resistance properties multicomponent layers formed by ESD
Keywords: electrospark deposition, antifriction coatings, wear resistant coatings, multilayer coatings
УДК 67.08:691.32
МОДИФИКАЦИЯ СОСТАВОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ Пименов Александр Трофимович, д.т.н., профессор (e-mail: pimenov.alecsandr@yandex.ru) Прибылов Вячеслав Сергеевич, аспирант (e-mail: pribylov_ws@mail.ru) Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (ФГБОУ ВО НГАСУ (Сибстрин)), г.Новосибирск, Россия
На примере сталеплавильных шлаков металлургических предприятий Кемеровской области (мартеновские, конвертерные) показаны возможности повышения их гидравлической активности уже на этапе их извлечения из плавильных агрегатов путем насыщения добавками известняка (CaCO3).
Определены принципиальные направления применения
модифицированных металлургических шлаков для производства строительных материалов как: наполнитель в асфальтобетонные смеси для целей дорожного строительства; низкомарочные вяжущие, обладающие гидравлической активностью.
Ключевые слова: сталеплавильные шлаки, модификация активности, повышение степени осно'вности, дорожные асфальтобетонные смеси низкомарочные вяжущие.
Поступательное развитие и наращивание темпов металлургического производства на территории РФ сопровождается усилением антропогенной нагрузки на окружающую среду. Нерациональное обращение с отходами черной металлургии актуализирует проблему практической утилизации шлаков, включая их внедрение и повсеместное применение предприятиями дорожного хозяйства. Практика показала, что лишь около трети отходов вторично используется, преимущественно для отсыпки земляного полотна
автомобильных дорог муниципального типа (дороги с переходным и низшим типом покрытия), а также щебеночных оснований и асфальтобетонных покрытий дорог различного назначения. При этом абсолютно большая часть металлургических шлаков складируется в отвалах, образуя многотонажные терриконики и негативно влияя на окружающую среду конкретных территорий. В странах Западной Европы наблюдается обратная картина - рециклинг отходов предприятий черной металлургии превышает 90% (см. рис.1)
Дорожное строительство Минеральные удобрения Металлургическое производство
Захронение на свалках Промежуточное складирование Прочее
Рисунок 1 - Использование сталеплавильных шлаков в
Германии
Основные направления доктринальных документов [1-4] как информационной базы регуляции развития экономических отраслей, определяют острую необходимость повышения доли вовлеченных в строительную индустрию альтернативных продуктов переработки промышленных предприятий, а также сокращение доли минерального сырья и его замену промышленными отходами.
Важными составляющими металлургических шлаков являются сталеплавильные (мартеновские, конверторные), ежегодный выход которых составляет сотни миллионов тонн. В химическом составе сталеплавильных шлаков содержатся одноименные с портландцементным клинкером ионы (кальций, кремний, железо, магний и др.), что определяет возможность их использования в комплексе с минеральными вяжущими, способствуя не только расширению спектра производимых дорожно-строительных материалов, но и экономической целесообразности их применения для целей дорожного строительства [5-13].
Накопленный нами опыт работы со сталеплавильными шлаками [14-18] свидетельствует о том, что строительные материалы (строительные смеси и бетонные растворы различного функционального назначения), полученные с использованием доменных, мартеновских, конвертерных и
электросталеплавильных шлаков являются ключевым фактором развития различных отраслей дорожного строительства. Основные эксплуатационные характеристики шлаков (устойчивость структуры против распадов, прочность, долговечность и др.) зависят от технологических способов рециклинга как системного комплекса этапов работ по изучению их состава, структуры, свойств, а также определения направлений последующего их применения после воздействий различных типов (механические, физико-химические, термические и др.). Результаты ранее проведенных испытаний состава, структуры и свойств доменных и сталеплавильных шлаков (металлургические производства Кемеровской области) показали возможные пути их применения в строительной отрасли, в том числе - в качестве заполнителя при изготовлении тяжелых бетонов и асфальтобетонных смесей для целей дорожного строительства [17,19]. Шлаки представляют ценное сырье для приготовления нерудных материалов и минеральных вяжущих. По данным А.Я. Тулаева [20], себестоимость шлаковых строительных материалов в 2 раза ниже себестоимости аналогичной продукции из естественных горных пород.
Вместе с тем представляется целесообразным не только определение путей переработки шлаков для производства строительных смесей типа песчано-щебеночных, песчано-гравийных, но и модификации их состава и свойств с целью диверсификации номенклатуры выпускаемой шлаковой продукции. В данном случае важно определение стратегических подходов повышения активности и относительной стабильности свойств сталеплавильных шлаков.
Целью работы является повышение активности сталеплавильных шлаков путем модификации их состава при получении строительных материалов для дорожного строительства. Объект исследования -конвертерные и мартеновские шлаки, как типичные отходы металлургических предприятий г. Новокузнецка (Кемеровская область). Результаты лабораторных и промышленных испытаний шлаковых смесей показали принципиальную возможность и технологичность использования металлургических шлаков как компонента вяжущих веществ, в т.ч. при производстве теплоизоляционных материалов. Кроме того, показана возможность применения шлаковых смесей как активной минеральной добавки к вяжущим при получении цементных бетонов специального назначения для целей дорожного строительства [14-19], что требует изучения химического состава шлаков.
Анализ химического состава мартеновского и конвертерного шлаков (таблица) показывает их осн'овную природу (величины отношения CaO/SiO2 равны 1,6 и 1,8 для мартеновского и конвертерного шлаков соответственно). Полученные результаты свидетельствуют о том, что в составе исследуемых шлаков присутствуют одноименные с составом клинкера элементы (кальций, кремний, железо и др.), возможно в виде оксида кальция, а также алита (трехкальциевый силикат (3Са0*Si02)),
белита (двукальциевый силикат (2СаО*БЮ2 )) и др. При этом структура алита может быть модифицирована за счет размещения в решетке инородных ионов, особенно М^2+, А13+ и Бе3+. Известно, что трехкальциевый силикат активно вступает в реакции гидратации, не только определяя направления процесса структурообразования, но и активно способствуя формированию прочности цементного камня.
Таблица 1 - Химический состав основных элементов сталеплавильных шлаков
Шлак Химический состав , %
Бе2О3 &О2 СаО MgO Л12О3 Б
Мартеновский 16,82 19,36 30,91 12,05 6,38 0,16
Конвертерный 23,50 18,40 32,70 8, 74 5,64 0,05
Однако, применение сталеплавильных шлаков в качестве активной минеральной добавки к вяжущим технологически возможно при существенном повышении содержания ионов кальция (>60%). В этой связи целесообразно модифицировать составы сталеплавильных шлаков по направлению повышения их осн'овности уже на этапе их выпуска путем введения добавок известняка (СаСО3). Температура металлов при технологической операции выпуска шлаков составляет около 16000С, а известняк, как известно, плавится уже при температуре около 9000С. Образующий при плавлении оксид кальция, находясь в неустойчивом состоянии, образует силикаты кальция разной степени осно'вности.
Модификация состава сталеплавильных шлаков приближает их по составу к портландцементному клинкеру, что определяет их свойства как гидравлического вяжущего вещества, а в смеси с цементом- способствуя формированию специальных свойств бетонов и строительных растворов -водо- и сульфатостойкости ГОСТ 24211-20081.
Эксперименты показали, что сталеплавильные шлаки после механической обработки (дробление, помол, фракционирование) могут быть использованы и в качестве самостоятельного компонента. Молотый шлак представляет собой материал, получаемый путем тонкого измельчения гранулированных сталеплавильных шлаков (фракции 2,05,6; 0,5-1,0; 0-0,25 мм). Данный материал, физико-механические свойства которого схожы с показателями неактивированного минерального порошка МП-2 ГОСТ Р 52129-20032 (пористость 40-50%, плотность 2,71 -2,73 г/см3, битумоемкость - 70-80 г) был применен в качестве одного из
1ГОСТ 24211-2008 Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия (с
Изменением N 1).
2
ГОСТ Р 52129-2003 Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей. Технические условия.
заполнителей при подборе состава шлаковых смесей для основания дорожной одежды [18].
Молотый шлак в качестве добавки или основного компонента может применяться и при изготовлении низкомарочных цементов, в том числе и щелочных, а также бетонов, включая монолитный бетон и готовые бетонные изделия для несущих целей, в строительных растворах, при изготовлении сухих строительных смесей [21,22], а также при устройстве земляного полотна автомобильных дорог [23].
Таким образом, модифицирование свойств шлаков на этапе их извлечения из плавильных агрегатов позволяет:
• разработать подходы технологических воздействий на металлургические шлаки с целью стабилизации состава и структуры, а также повышения их активности;
• определить принципиальные направления применения модифицированных металлургических шлаков для производства строительных материалов как:
- наполнитель в асфальтобетонные смеси при приготовлении и укладке различных видов асфальтовых бетонов, включая дорожное строительство;
- низкомарочные вяжущие, обладающие гидравлической активностью.
Список литературы
1. О стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 10 мая 2016 г., № 868-р [Электронный ресурс]//КонсультантПлюс. ВерсияПроф.-URL: http://www.consultant.ru/ document/ cons_ doc_ LAW_ 197766/ (последняя дата доступа: 20.11.18)
2. Об отходах производства и потребления: Федер. закон, от 24 июня 1998, № 89-ФЗ [Электронный ресурс] // КонсультантПлюс. ВерсияПроф. - URL: http://www.consultant.ru/ document/ cons_doc_LAW_19109/ (последняя дата доступа: 20.010.18)
3. Об утверждении Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года : распоряжение Правительства РФ от 22 ноября 2008 г., № 1734-р [Электронный ресурс] // Сайт Правительства Российской Федерации- URL: http://government.ru/docs/22047/ (последняя дата доступа: 20.11.18)
4. Стратегия социально-экономического развития Сибири до 2020 года: утв. распоряжением Правительства РФ от 5 июля 2010 г., № 1120-р [Электронный ресурс] // Система Техэксперт. - URL: http://docs.cntd.ru/document/902229380 (последняя дата доступа: 20.11.18)
5. Шешуков О.Ю., Михеенков М. А., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К., Метелкин А. А., Шевченко О. И. Вопросы утилизации рафинировочных шлаков сталеплавильного производства / ФГАОУ ВО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н.Ельцина», Нижнетагил. технол. ин-т (фил.). - Нижний Тагил: 2017г. - 208 с.
6. Валуев Д.В., Гиатулин Р.А. Технологии переработки металлургических отходов: учебное пособие. -Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012-196 с.
7. Пархоменко А. Д., Рузина А.В. Опыт использования обогащенного мартеновского шлака в агломерационной шихте ОАО «АМК»// Днепропетровск: Металлургическая и горнорудная промышленность. 2004. №4. -С. 11-12.
8. Журавлев П.В. Синтез низкоосновного малоэнергоемкого клинкера с использованием шлаков и получение высококачественного смешанного цемента. Белгород, //Автореф. канд. дисс. по специальность 05.07.11. «Технология керамических, силикатных и тугоплавких материалов» / 2000. -17 с.
9. Рубанов Ю.К. Первичная переработка и использование саморассыпающихся электросталеплавильных шлаков в технологиях силикатных материалов. Белгород. // Автореф. канд. дисс. по специальности 05.17.11. «Технология керамических, силикатных и тугоплавких материалов» 2003. - 17 с.
10. Попов К.Н. и др. Новые строительные материалы из промышленных отходов. // Справочное и учебное пособие для обучения групп резерва высшего звена управления предприятиями строительного комплекса. М.: Логос-Развитие. 2002. - 152 с.
11. Алехин Ю.А., Люсов А.Н. Экономическая эффективность использования вторичных ресурсов в производстве строительных материалов. //М.: Стройиздат. 1988. - 342 с.
12. Анашкин Н.С. Павленко С.И. Мартеновские шлаки и их использование в металлургии и других отраслях народного хозяйства. // Новосибирск: СО РАН. 2006. -136 с.
13. Пименов А.Т. Концептуальные подходы к применению металлургических шлаков при производстве строительных материалов различного назначения /А.Т. Пименов, Л.В.Ильина, О.Е Смирнова //Ресурсоэнергоэфективные технологии в строительном комплексе региона-2018, Т.1 № 1 (9). С.179 -182
14. Пименов А.Т. Соловьева О.Н. Влияние структуры смесей из металлургических шлаков для оснований дорожных одежд на их деформативность // Транспортное строительство. - 2018, №12. С. 11-13.
15. Пименов А.Т., Соловьева О.Н., Гайворонский А.А. Технологические приемы утилизации отходов металлургического производства//Современные материалы, техника и технология: сборник научных статей 7-й Международной научно-практической конференции (29-30 декабря 2017, г. Курск) - Из-во ЗАО «Университетская книга», Курск, 2017 - с. 281-284.
16. Пименов А.Т., Отточко С.Ю, Зеленская Л.Р., Соловьева О.Н., Применение металлургических шлаков для производства строительных смесей//Современные материалы, техника и технология: сборник научных статей 7-й Международной научно-практической конференции (29-30 декабря 2017, г. Курск) - Изд-во ЗАО «Университетская книга», Курск, 2017- с. 285-284.
17. Пименов А. Т. Использование металлургических шлаков в дорожном строительстве/УП Международный симпозиум «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (ЛРСБСЕ 2018): тезисы докладов, Новосибирск, 1-8 июля 2018.- стр.204.
18. Пименов А. Т. Влияние составов оснований и технологий производства работ на качество дорожной одежды / А.Т. Пименов, О.Н. Соловьева // Транспортное строительство. - 2018, №2. С. 8-11.
19. А.Т. Пименов, В.С. Прибылов. Влияние сталеплавильных шлаков в составе асфальтобетона дорожных покрытий на их свойства в процессе эксплуатации/ Ресурсосбережение и экология строительных материалов, изделий и конструкций: Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции (16 ноября 2018г.) - Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2018, С. 306 - 309
20. А.Я. Тулаев, М.В. Королев, В.С. Исаев, В. М. Юмашев Дорожные одежды с использованием шлаков/под ред. А.Я. Тулаева - М.: Транспорт, 1986, 221с.
21. Шаповалов Н.А., Загороднюк Л.Х., Тикунова И.В., Щекина А.Ю., Шкарин А.В.// Шлаки металлургического производства- эффективное сырье для получения сухих строительных смесей. -Фундаментальные исследования. - №1. -2013, стр.167-172.
22. Кашибадзе Н.В. Сухие строительные смеси с использованием сталеплавильных шлаков. Автореферат дисс. кандидат тех. наук. - Белгород, 2009, -22 с.
23. Логвиненко А.А. Материалы для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог с использованием отвальных электросталеплавильных шлаков. Автореф. дис. на соиск.учен. степ.канд.тех.наук, Белгород, 2003. - 20 с.
Pimenov Alexander Trofimovich, DSc, Professor
(е-mail: pimenov.alecsandr@yandex.ru)
Pribylov Viacheslav Sergeevich, Post-graduate student
(е-mail: pribylov_ws@mail.ru)
Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin), Novosibirsk, Russia
MODIFICATION OF METALLURGICAL SLAGS COMPOSITIONS TO IMPROVE THEIR HYDRAULIC ACTIVITY
Abstract. By the example of steel-smelting slags of metallurgical enterprises of the Kemerovo region (open-hearth, converter), the possibilities of increasing their hydraulic activity already at the stage of their extraction from smelting units by saturation with limestone (CaCO3) additives are shown.
The principal directions for the use of modified metallurgical slags for the production of building materials were determined as: a filler in asphalt concrete mixtures for road construction purposes; low quality binders with hydraulic activity.
Key words: steel-smelting slags, modification of activity, increase of the degree of basicity, road asphalt-concrete mixtures, low-grade binders.
