CC BY
104
УДК 666.973:691.33
ОСОБЕННОСТИ АРМИРОВАННЫХ ШЛАКОЛИТЫХ ФУНДАМЕНТНЫХ БЛОКОВ
ЩЕРБАК О. С. *
Каф. экологии и охраны окружающей среды, Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24 а, Днепропетровск, Украина, 49600; тел. (0562) 46-93-71, e-mail: scherbak28@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-4797-7225
Аннотация. Постановка проблемы. Производство изделий из шлаковых расплавов выгодно и экономично, поскольку не требует дополнительных энергозатрат, отпадает необходимость в специальных плавильных печах и значительно снижаются удельные капитальные вложения и себестоимость единицы продукции. Однако для обеспечения потребительских качеств выпускаемых изделий возникает необходимость в дополнительной термической обработке, что несколько усложняет их производство [1; 2]. Цель. Теоретическое и экспериментальное обоснование получения шлаколитых фундаментных блоков из шлаков силикомарганца. Выводы. Решение проблемы отходов должно рассматриваться с позиций так называемого промышленного метаболизма, согласно которому экономика, структура производства и потребления, а также качество жизни являются единной системой и соответственно единной социально-экономической проблемой.
Ключевые слова: шлаковое литье, шлак силикомарганца, фундаментный блок, армирование, сталь.
ОСОБЛИВОСТ1 АРМОВАНИХ ШЛАКОЛИТИХ ФУНДАМЕНТНИХ
БЛОК1В
ЩЕРБАК О. С. *
Каф. екологй та охорони навколишнього середовища, Державний вищий навчальний заклад «Придшпровська державна академ1я буд1вництва та архггектури», вул. Чернишевського, 24 а, м. Дтпропетровськ, Украша, 49600; тел. (0562) 46-93-71, e-mail: scherbak28@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-4797-7225
Анотащя. Постановка проблеми. Виготовлення виробiв iз шлакових розплавiв випдне й економiчне, оскшьки не вимагае додаткових енерговитрат, вщпадае необхвдшсть у спещальних плавильних печах i значно знижуються питомi каштальш вкладення i собiвартiсть одиницi продукци. Проте для забезпечення споживчих якостей виробiв, що випускаються, виникае необхiднiсть в додатковш термiчнiй обробцi, це дещо ускладнюе 1х виробництво [1; 2]. Мета. Теоретичне й експериментальне обгрунтування отримання шлаколитих фундаментних блоков iз шлашв силжомарганцю. Висновки. Вирiшення проблеми вiдходiв повинне розглядатися з позицiй так званого промислового метаболiзму, зпдно з яким економiка, структура виробництва i споживання, а також як1сть життя е единою системою i ввдповщно единою соцiально-економiчною проблемою.
Ключов1 слова: шлакове литво, шлак сил1комарганцю, фундаментний блок, армування, сталь.
FEATURES OF REINFORCED OF SLAGS CASTING OF FUNDAMENTAL BLOCKS
SHCHERBAK O. S. *
Department Ecology and Invironmental Protection, State higher educational establishment the «Pridneprovskaya state academy of building and architecture», street of Chernyshevskogo, 24 and, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49600; tel. (0562) 46-93-71,e-mail: scherbak28@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-4797-7225
Summary. Purpose. Theoretical and experimental ground of receipt of slags casting of fundamental blocks from the slags of silicomanganese. Method. It was got further development, theoretical pictures of forming of structure of slags casting wares, technology of making of slags casting of fundamental blocks is improved from the slags of silicomanganese, allowing to improve their fisical-mehanical properties due to re-enforcement. Results. Phase-mineralogical composition and the main fisical-mehanical properties of slags casting of the reinforced fundamental
blocks from the slags of silicomanganese is investigated, technology of production of slags casting of the reinforced fundamental blocks from the slags of silicomanganese is developed. Scientific novelty. Theoretical pictures of forming of structure of slags casting wares got further development, technology of making of slags casting of fundamental blocks from the slags of silicomanganese is improved, allowing to improve their fisical-mehanical properties due to re-enforcement. Practical meaningfulness. Large wares for the decline of internal tensions reinforce a steel. As a coefficient of thermal expansion of slag less than, than became, at the cooling-down of wares a steel tightens founding densely, hindering formation of cracks. The reinforced slags casting wares can be applied in place of the combined teams of reinforced-concrete, they excel the last on прочностным indexes.
Keywords: slag casting, slag of silicomanganese, fundamental block, re-enforcement, steel.
Введение. Одной из важных составляющих устойчивого развития современного общества является экологическая безопасность и охрана окружающей природной среды (ОПС), большую опасность по отношению к которой представляют крупнотоннажные отходы промышленных предприятий. Выход шлаков ферросплавного производства на территории стран СНГ превышает 3,5 млн т в год, в том числе на предприятиях Украины приближается к 0,9 млн т в год. Низкий объём переработки отходов в Украине (1015 %) обуславливает рост техногенного загрязнения всех компонентов ОПС. Проблема отходов имеет ряд серьезных экологических и экономических аспектов и требует принятия неотложных мер по её решению. Одним из перспективных и эффективных путей ее решения является использование промышленных отходов для создания новых технических материалов.
Производство изделий из шлаковых расплавов выгодно и экономично, поскольку не требует дополнительных энергозатрат, отпадает необходимость в специальных плавильных печах и значительно снижаются удельные капитальные вложения и себестоимость единицы продукции. Однако для обеспечения потребительских качеств выпускаемых изделий возникает необходимость в дополнительной термической обработке, что несколько усложняет их производство [1; 2].
Из расплавленных металлургических шлаков отливают разнообразные изделия: камни для мощения дорог и полов промышленных зданий, тюбинги, бордюрный камень, противокоррозионные плитки, трубы и др. Литые изделия из шлакового расплава экономически более
выгодные, чем каменное литье, приближаясь к нему по механическим свойствам. Средняя плотность литых изделий из шлака достигает 3000 кг/м , а предел прочности при сжатии — 500 МПа.
По износостойкости, жаростойкости и ряду других свойств шлаковое литье превосходит железобетон и сталь. Литые изделия из шлака эффективнее, чем сталь, в различных футеровках, например, бункеров и тачек для транспортирования абразивных материалов (руд, агломерата, щебня, песка и т. д.). Срок службы их в 5-6 раз больше срока службы стальной футеровки. На каждой тонне литых из шлака плит экономят не менее 2-3 т металла.
Не менее эффективна литая брусчатка для дорог и полов промышленных зданий. Срок службы автомобильных дорог из шлаколитой брусчатки между капитальными ремонтами в 2 раза больше, а эксплуатация дешевле, чем асфальтовых. Из шлака отливают тюбинги для водонепроницаемых креплений горных выработок, жаростойкие блоки с температурой службы до 1 1001 200 °С, химически стойкие изделия.
Цель. Теоретическое и экспериментальное обоснование получения армированных шлаколитых фундаментных блоков из шлаков силикомарганца.
Методика. Получили дальнейшее развитие теоретические представления о формировании структуры шлаколитых изделий, усовершенствована технология изготовления шлаколитых фундаментных блоков из шлаков силикомарганца,
позволяющая улучшить ихфизико-механические свойства за счет армирования.
Результаты. По химическому составу шлаки силикомарганца представляют собой
насыщенный по кремнезему расплав сложного состава, который может быть отнесен к системе БЮ2 - МпО - СаО - М§0 -Л120з - (№, К)20. Среднестатистическое содержание компонентов в шлаках силикомарганца ОАО «НЗФ» составило: 50,56 % ЙО2; 14,9 % СаО, 4,39 % М§0, 15,12 МпО пределы содержания остальных компонентов: 1,7 - 10,5 % (ЫаК)А 8 - 10% АЬОз, 2 -3% Бе0, 0,6 - 1,2% Б2". Среднеквадратичное отклонение при статистической обработке около 1 300 серийных рентгеноспектральных анализов составляло (мас.%): 0,29 - БЮ2, 1,34 - СаО, 0,55 -М§0, 1,65 - МпО. Состав шлака расположен в ликвационной области БЮ2 вблизи линии выделения кристобалита с распространением в область кристаллизации волластонита, согласно тройной системы МпО - СаО - БЮ2 [1; 2].
Полученные результаты показали, что наиболее эффективным методом формования расплава шлака Б1-Мп без добавок является литье; формование изделий следует осуществлять при максимально возможных температурах расплава.
Многочисленные исследования [6-8] указывают, что с ростом БЮ2 в расплаве электропроводность снижается. Это объясняется уменьшением отношения п0/пБ1, что сопровождается полимеризацией кремнекислородных анионов, например, по схеме:
БЮ4 " 4 + БЮ4 " 4 - 02 " = БЮ;
ПЙ206 "7 - п02" = (Б102"3)2п
Полимеризация, дробление кремнекислородных анионов, кристаллизация расплава обычно сопровождаются изломами на кривых температурной зависимости электропроводности, что особенно важно в дальнейшем при разработке технологии получения стекло" кристаллических материалов. Величины полученных значений электроводности шлаков силикомарганца в исследуемом температурном интервале согласуются с известными данными [6; 8] (рис.) для модельных расплавов системы Са0-Мп0-Й02.
Температурная зависимость электропроводности расплавов шлаков БНМп показала наличие перегибов при температурах 1 200-1 300 °С,
отражающее внутриструктурные изменения в расплавах, связанных с их кристаллизацией.
Рис. Температурные .зависимости электропроводности шлаков
Примечание: Номера кривых соответствуют составам шлаков таблице 2.
Вязкость шлаковых расплавов не в полной мере характеризует их свойства и ее надо рассматривать в комбинации с поверхностными свойствами шлаков. Поверхностное натяжение и плотность являются важными статическими характеристиками шлаковых расплавов, от которых во многом зависят полнота и скорость протекания процессов углетермического восстановления, а также разделения шлаковой и металлической фаз. Взаимосвязь величин поверхностного натяжения и потерь металла в отвальных шлаках экспериментально подтверждена в [3]. Наиболее оптимальным, с этих позиций, является шлак с возможно наименьшим поверхностным натяжением и плотностью. Поверхностное натяжение играет значительную роль при удалении пузырей и гомогенизации шлакового расплава, способствует получению гладких поверхностей изделий [6; 8].
Исследованиями установлено [6; 8], что в зависимости от газовой среды поверхностное натяжение одного и того же силикатного расплава будет разным. Все газы (кроме азота) понижают поверхностное натяжение оксидных расплавов по сравнению с инертным протеканием процессов углетермического восстановления, а
также разделения шлаковой и металлической фаз. Наиболее оптимальным, с этих позиций, является шлак с возможно наименьшим поверхностным натяжением и плотностью.
Поверхностное натяжение играет значительную роль при удалении пузырей и гомогенизации шлакового расплава, способствует получению гладких поверхностей изделий [6; 8].
Влияние отдельных компонентов на удельную поверхностную энергию шлакового расплава оценивается критериями Ребиндера и Семченко [8]. Согласно первому, любой компонент, понижающий температуру плавления, понижает и его поверхностное натяжение расплава на границе с газом. Большой достоверностью отличается критерий Семченко, по которому влияние компонента на поверхностное натяжение
определяется величиной его «обобщенного момента» (М):
где: е - заряд электрона; Z - валентность иона; R - радиус иона, А.
Известно, что замена закиси марганца кремнезема в составе оксидных расплавов повышает межфазное натяжение на границе раздела железомарганцевыми сплавами [3; 6]. Замена БЮ2 на оксид кальция при постоянном содержании ТЮ2 ведет практически к пропорциональному увеличению поверхностного натяжения [4; 5]. Добавки М§0, БеО, А1203 увеличивают поверхностное натяжение шлаковых расплавов, а БЮ2, Р205, ТЮ2 уменьшают его [7].
Таблица 1
Поверхностное натяжение и плотность расплава шлака
Температура, °С Поверхностное натяжение, кДж/м2 Плотность, кг/м
1500 465 2820
1450 473 2910
1400 479 2920
1350 20х 484 2980 3030
Закристаллизованные шлаки обладают рядом положительных эксплутационных свойств: износостойкостью, термостойкостью, кислотостойкостью. Шлаковое литье по своим прочностным свойствам соответствует бетону марки 550-700, может работать при температурах до 900 °С. В качестве литых
изделий шлаковое литье может заменять металл, огнеупорные материалы, бетон. Срок службы оборудования, покрытого этим материалом, увеличивается в 1,5-6 раз. Основные характеристики изделий из шлакового литья приведены в таблице 1.
Таблица 2
Физико-механические свойства шлаков силикомарганца
Плотность, т/м3 Предел прочности Истираемость кг/м2 Водопоглощение, % Кислотостойкость, % Щгяочносгойкость,%
29 при сжатии 600 при изгибе 65 0,2 0,0 99,8 96
При затвердении, кристаллизации и шлака составляет 7 % объема, что вызвано последующем охлаждении отливок усадка изменением температуры и фазовыми
превращениями. Неравномерное распределение температур, колебания химического состава шлака приводят к возникновению напряжений, которые могут превышать предел прочности литья на растяжение и вызывать образование трещин. Термические напряжения в изделиях снимают в специальных печах для кристаллизации и отжига.
Для уменьшения напряжений и ликвидации усадочных явлений в отливках создают жесткий каркас наполнителя, в качестве которого используют кусковые шлаки. При отливке небольших плоских изделий количество наполнителя составляет 10-25 % объема, и он в основном расплавляется, аккумулируя тепло. В массивных изделиях наполнитель составляет до 40-60 % объема изделия и оплавляется лишь частично, снижая усадку и улучшая условия кристаллизации шлака. При этом возможно в широких пределах изменять среднюю плотность изделий, а также улучшать условия работы форм и значительно сокращать сроки охлаждения отливок.
Крупные изделия для снижения внутренних напряжений армируют стальной арматурой. Поскольку коэффициент термического расширения шлака меньше, чем стали, при остывании изделий стальная арматура плотно стягивает отливку, препятствуя образованию трещин. Армированные шлаколитые изделия можно применять вместо сборных железобетонных, они превосходят последние по прочностным показателям. Однако недостатками этих изделий являются: некоторое снижение прочности стали при высокой температуре шлакового расплава, а также сравнительно высокая трудоемкость изготовления. Для получения пористого шлакового литья выполняют поризацию шлакового расплава. С этой целью, например, на дно формы насыпают увлажненную коксовую мелочь
или обрабатывают расплав водой. Из поризованного шлакового расплава формуют изделия разнообразных конфигураций. В зависимости от степени поризации средняя плотность литых изделий колеблется в
диапазоне 350—1500 кг/м при прочности на сжатие 1,5—30 МПа.
Научная новизна и практическая значимость. Изучение технологических свойств шлака силикомарганца показало, что температурная зависимость вязкости шлака Б1-Мп подчиняется общим закономерностям вязкого течения кислых силикатных расплавов. Вместе с тем шлак силикомарганца является существенно более меньшим по сравнению с промышленным шлакоситаллом и каменным литьем; температурный интервал формования для шлака силикомарганца вдвое меньше, чем для шлакоситалла, и на 60°С короче, чем соответствующий интервал для каменного литья. Жидкотекучесть шлака силикомарганца при температурах формования составляет от 60 до 90 мм, что значительно выше, чем у каменного литья. Температурный коэффициент изменения поверхностного натяжения До/ДТ расплава в интервале 1 500-1 250°С составляет 7,6 10-2 кДж/см2 и при снижении температуры на 100 °С увеличивается на 4 %, как для большинства составов силикатных расплавов.
Низкая вязкость и высокая жидкотекучесть расплава шлака Б1-Мп в интервале 1 5001 380°С, резкое нарастание вязкости и в интервале 1 380-1 320°С, обусловленное упорядочением структуры расплава, позволило научно обосновать метод формования изделий из огненно-гадкого шлака БНМп - высокотемпературное литье. Определены тмпературные интервалы основных температурно-фазовых превращений кристаллизации огненно-жидкого шлака при охлаждении.
Выводы. Решение проблемы отходов должно рассматриваться с позиций так называемого промышленного метаболизма, согласно которому экономика, структура производства и потребления, а также качество жизни являются единной системой и соответственно единной социально-экономической проблемой.
1. В соответствии с отмеченными заданиями основными мероприятиями использования важнейших видов отходов являются: обеспечение на металлургических
предприятиях в результате внедрения новых технологий и мощностей утилизации отходов, которые содержат железо (шламы, окалина, колосниковая и агломерационная пыль), с использованием остатков в
цементной промышленности вместо пиритных огарков.
2. Улучшение формирования шлаколитых фундаментныхблоков за счет армирования.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Большаков В. И. Использование отходов промышленности при производстве строительных материалов
/ В. И. Большаков, Н. В. Калиниченко, С. А. Щербак // Theoretical Foundations of Civil Engineering. Polish-Ukrainian-Lithuanian Transactions (conference), Warsaw, September, 2010 / Ed. by W. Szczesniak. - Warsaw, 2010. - V. 18. - Р. 451-454.
2. Большаков В. И. Современное состояние в переработке жидких шлаков ферросплавного производства / Большаков В. И., Елисеева М. А., Спильник Н. В., Куцин В. С., Неведомский В. А., Щербак С. А. // Науковий вюник будiвництва : зб. наук. пр. / Харшвський нац. ун-т буд-ва та архгтектури. - Харшв, 2010. -Вип. 61. - С. 336-340.
3. Большаков В. И. Технология производства шлаколитых строительных материалов из шлаков силикомарганца / Большаков В. И., Камбаров О. А., Елисеева М. А., Неведомский В. А., Щербак С. А., Щербак О. С. // Вюник Придшпровсько1 державно1 академи будiвництва та архгтектури. - Дшпропетровськ, 2010. - № 2-3. - С. 13-17.
4. Большаков В. И. Углеродотермия шлаков силикомарганца и пути их применения / Большаков В. И., Куцин В. С., Неведомский В. А., Щербак С. А., Елисеева М. А // Вюник Придшпровсько1 державно1 академи будiвництва та архгтектури. - Дншропетровськ, 2011. - № 5. - С. 4-8.
5. Будiвельне матерiалознавство на транспорта / О. М. Пшшько, А. В. Краснюк, В. В. Пунагш, О. В. Громова. -Дншропетровськ : Вид-во Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. транспорту iм. акад. В. Лазаряна, 2010. - 624 с.
6. Вагин В. В. Каменное и шлакокаменное литье. Практическая петрургия : монография / В. В. Вагин, Л. Ф. Лекаренко, П. Драгоун. - Донецк : ПП Чернецька Н. А., 2011. - 244 с.
7. Зайцев А. И. Физическая химия металлургических шлаков / Зайцев А. И., Могутнов Б. М., Махназов Е. Х. -Москва : Интеконтакт Наука, 2010. - 269 с.
8. Попов К. Н. Строительные материалы / Попов К. Н., Каддо М. Б. - Москва : Студент, 2012. - 439 с.
REFERENCES
1. Bol'shakov V.I. Kalinichenko N.V., Shcherbak S.A. Ispol'zovanie othodov promyshlennosti pri proizvodstve stroitel'nyh materialov [The use of industrial wastes in the production of construction materials].Theoretical Foundations of Civil Engineering. Polish-Ukrainian-Lithuanian Transactions (conference). Warsaw, 2010, V. 18, pp. 451-454. (in Russian).
2. Bol'shakov V.I, Eliseeva M.A., Spil'nik N.V., Kutsyn V.S. Sovremennoe sostoyanie v pererabotke zhidkih shlakov ferosplavnogo proizvodstva [The present state of a processing liquid slag ferroalloy production]. Naukovy visnyk budivnutstva - Scientific Bulletin of constraction. Sbornik nauchnykh trudov - Collection of Scientific paper. Kharkiv, 2010. 336-340 p. (in Russian).
3. Bol'shakov V.I., Kambarov O.A., Eliseeva M.A., Nevedomskii V.A. Tehnologiya proizvodstva shlakolitnyh stroitel'nyh materialov iz shlakov silikomargantsa [Technology of production of slag cast building materials from slag silico]. Visnyk PDABA - Bulletin of Prydniprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnepropetrovsk, 2010, no. 2-3, pp.13-17. (in Russian).
4. Bol'shakov V.I., Kutsyn V.S., Nevedomskii V.A., Shcherbak S.A. Uglerodotermiya shlakov silikomargantsa i puti ih primeneniya [Carbon thermia of silicomanganese slag and the way of use them.]. Visnyk PDABA - Bulletin of Prydniprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnepropetrovsk, 2011, no.5, pp.4-8. (in Russian).
5. Pshinko O.M., Krasniuk A.V., Gromova O.V. Budivel'ne materialoznavstvo na transporti [Construction materials on transport]. Dnepropetrovsk, Vudavnutstvo Dnipropetrovskogo natsionalnogo universitrtu zaliznychnogo transportu im.akad. V. Lazaryana 2010. 624 p. (in Ukrainian).
6. Vagin V.V., Lecarenko L. F., Dragoun P. Kamennoe shlakokamennoe lit'e [Stone and slag stone molding]. Donetsk, PP Chernetska N.A. 2011. 244 p. (in Russian).
7. Zaitsev A.I., Mogutnov B.M., Makhnazov E.Kh. Fizicheskaya khimiya metalurgicheskih shlakov [Physical chemistry of metallurgical slags]. Moscow, Intecontact Nauka, 2010. 269 p. (in Russian).
8. Popov K.N., Kaddo M.B. Stroitel'nye materially [Construction materials]. Moscow, Student, 2012, 439 p. (in Russian).
