CC BY
43
УДК 669.02
П. О. Быков1, Ж. М. Ыцсан2, Б. А. Касымова3, М. ¥зак*
1,2к.т.н., ассоц. профессоры; 3,4магистранты, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар
e-mail: 1Bykov_petr@mail.ru; 2ixan_0180@mail.ru; 3bakhtygulkassymova@gmail.com; 4info@mirstankov.kz
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
В настоящей статье приведен анализ основных отходов металлургии и теплоэнергетики и представлен обзор оборудования спроектированного для изготовления строительных материалов (облицовочный кирпич, тротуарная плитка и т.п.) в индивидуальном строительстве.
Ключевые слова: отходы, металлургия, теплоэнергетика, строительные материалы, оборудование.
ВВЕДЕНИЕ
В Павлодарском регионе образуется большое количество отходов металлургии и теплоэнергетики, основными из которых являются: шламы глиноземного производства, сталеплавильные и ферросплавные шлаки, золошлаковые отходы теплоэнергетики [1-4].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Состав золошлаковых отходов и отходов металлургических предприятий Павлодара приведен в таблицах 1-5.
Таблица 1 - Химический состав зол ТЭС, %
Зола из отвалов SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO TiO2 CaO MgO SO3 п.п.п. гигр. вода CO2 не св. SiO2
Павлодарские ТЭЦ 46,7 25,2 6,58 0,66 1,28 7,66 3,1 1,26 3,41 0,57 3,96 26,7
Таблица 2 - Фазово-минералогический состав зол, мас. % (усредненный)
Теплостанция Стекло- Аморфи- Оксиды Полевой Корунд, Кальцит Углистые
фаза зованное железа шпат, муллит, частицы
глинистое кварц, кристо-
вещество пироксен балит
Павлодарские ТЭЦ 30 25 9 10 7 8 11
Таблица 3 - Химический состав отходов глиноземного производства Павлодарского алюминиевого завода
Компоненты, % А1203 №20 ОД СаО SiO2 тю2 С02 SO3
Отвальный шлам 4,3-5,0 0,9-1,5 27-32 39-44 19-21 0,8-1,0 0,5-0,7
Железистые пески 17-20 0,5-0,8 52-56 4,6-5,6 6,2-8,2 2-3 9-12,0 2,2-3,0
Таблица 4 - Средний химический состав шлака дуговых сталеплавильных печей ПФ ТОО «Кастинг», %
Р^об SiO2 А1203 СаО Ме0 МпО S осн I
28-35,9 12,1-18,9 1,9-4,8 21,1-24,6 6,9-20,2 5,1-8,2 0,03-0,04 1,2-1,7 90,0-98,3
Таблица 5 - Средний химический состав шлака агрегата ковш-печь ПФ ТОО «Кастинг», %
Р^об SiO2 А1203 СаО Ме0 МпО S осн I
0,9-6,4 25,1-28,1 0,3-0,9 45,5-63,1 7,4-13,8 1,6-4,7 0,3-0,8 1,7-2,5 91,6-99,2
Как известно [5], золошлаковые отходы и отходы металлургии являются ценным сырьем для производства строительных материалов.
Проведенный анализ показывает [6], что производство строительных материалов - важная стабильно растущая отрасль экономики Казахстана, обеспечивающая 8,6 % объемов производства обрабатывающей промышленности. Перспективы развития данного сектора определяются с одной стороны -внутренним спросом строительной индустрии, возможностями импортозамещения и реализации продукции на рынках стран макрорегиона, с другой стороны - наличием собственной сырьевой базы и производственным потенциалом казахстанских предприятий сектора.
Емкость внутреннего рынка строительных материалов составляет почти 800 млрд. тенге, из них за счет импорта покрывается 39 %. Импортная емкость макрорегиона по приоритетным товарам составляет порядка 3 млрд. долл. США.
В секторе действуют 1453 предприятия, на которых занято более 40 тыс. человек. Наиболее развитыми производствами являются: производство цемента, готового бетона, бетонных изделий, пластиковых труб, теплоизоляционных и кровельных материалов.
Существенную долю рынка (до 44 %) занимает производство строительных изделий из бетона.
Следует отметить, что существует не учтенные довольно большие объемы производства строительных материалов (облицовочный кирпич, тротуарная плитка и т.п.), которые используются в индивидуальном строительстве и изготовляются собственными силами застройщиков.
Учитывая, что технологический процесс изготовления данных изделий в принципе довольно не сложный и в общем виде состоит из подготовки сырьевой массы, формования изделий, выдерживания полученного после прессования изделия, складирования готовых изделий [7], то действительно организация индивидуального производства строительных изделий для собственных нужд является перспективным направлением развития отрасли строительных материалов, позволяющей снизить затраты на строительство.
Стоит отметить, что для производства данных видов изделий в индивидуальном строительстве использование стандартного промышленного оборудования для подготовки сырьевой массы и формования изделий является не эффективным.
Целью работы являлось проектирование и производство оборудования для изготовления строительных материалов (облицовочный кирпич, тротуарная плитка и т.п.) в индивидуальном строительстве.
В таблице 6 приведены основные типы спроектированного оборудования для изготовления различных строительных изделий [8].
Таблица 6 - Оборудование для изготовления строительных изделий
Наименование Назначение Характеристика Цена, тенге
Шлакоблочный станок Дракон на 4 блока Шлакоблочный станок «Дракон» -полумеханическая установка для изготовления строительных блоков, пескоблоков, шлакоблоков, керамзитоблоков предназначен для среднего производства Технические характеристики: - тип оборудования -безподдонный, ручной - питание: 220 В - мощность: 500 Вт - число оборотов, об/мин - 3000 - кол-во блоков: 4 шт - размеры изготавливаемых блоков: 390х190х188 - габаритные размеры станка: 1300х980х980 200 000
Стационарный шлакоблочный станок на 5 блоков Шлакоблочный станок - установка для изготовления строительных блоков, пескоблоков, шлакоблоков, керамзитоблоков предназначен для среднего производства Технические характеристики: - тип оборудования -безподдонный, - питание: 220В - мощность: 1500 Вт - число оборотов, об/мин - 3000 - кол-во блоков: 5 шт - размеры изготавливаемых блоков: 390х190х188 - габаритные размеры станка: 1300х1200х980 400 000
Шлакоблочный станок Марс на 2 блока Шлакоблочный станок «МАРС-2» -полумеханическая установка для изготовления строительных блоков, пескоблоков, шлакоблоков, керамзитоблоков предназначен для малого производства Технические характеристики: - Тип оборудования -безподдонный, ручной - Питание: 220В - Мощность: 500 Вт - Число оборотов, об/мин - 3000 - Кол-во блоков: 2 шт - Размеры изготавливаемых блоков: 390х190х188 - Габаритные размеры станка: 1300х980х980 100 000
Бетоне принуд БПТ- мешалка щтельного типа 500 щщш Бетономешалка принудительного типа БПТ - 500 Технические характеристики: - производительность 3 куб. м \ час - подходит для любых типов смесей - один смесительный вал, 3 лопасти - простая надежная конструкция - мощный привод 7,5 кВт 450 000
Вибростол для тротуарной плитки и декоративных заборов ВС-2 Вибростол ВС-2 предназначен для изготовления различных изделий из бетона методом вибропрессования или вибролитья Технические характеристики: - трамбовка цемента, песка; - трамбовка смесей из асфальтобетона мелкозернистой и крупнозернистой фракции; - изготовление фигурной тротуарной плитки; - изготовление памятников и др.; - производство строительных блоков на основе пенобетона; - для проведения испытаний. - изготовление еврозаборов Габаритные размеры: 1300x800x800 100 000
ЕСО-РКЕМШМ 2700 станок для производства кирпичей Станок для производства кирпичей Основные технические характеристики: - производительность: 3500 шт./ смена (8 часов) - габариты: 1050*950*1850 мм. - цикл формирования кирпича: 15-20 секунд - обслуживающий персонал: 2-3 человека - вес: 1000 кг. - метода прессования: Гидравлический - давление: 16 МПа 2 800 000
Станок для производства лего-кирпичей Lego Professional Станок для производства лего-кирпичей (одноблочный, двухблочный) Основные технические характеристики: - производительность: 1500 блоков/смена (8 часов) - цикл формирования: 15-20 сек. - метод прессования: гидравлическое давление - габариты: 1300*1500*1000 - давление: 16 Мпа - вес: 200 кг. 700 000 -900 000
Lego Econom -i У г Ручной станок для производства лего-кирпичей Основные технические характеристики: - производительность: 1200 блоков/смена (8 часов) - цикл формирования: 15-20 сек. - метод прессования: гидравлическое давление - габариты:350*500*1000 - давление: 8 Мпа - вес: 120 кг. 250 000
кондс - )Р i р. Л ш i Станок для производства шлакоблоков, тротуарной плитки, кирпича Состав: вибропресс, матрица - пуансон, пульт управления, насосная станция. Производительность за 1 смену: - блок (шлакоблок) -(390х190х190мм) - 700 шт - тротуарная плитка (200 х100х70мм) - 45 м2 - кирпич (250х120х88мм) -1500 шт 1 300 000
КОНДОР 1-40 Ир®, i 1 Станок для производства шлакоблоков, тротуарной плитки, кирпича Состав: вибропресс, матрица -пуансон, бетономеситель V = 40л, пульт управления, подставка под бетоносмеситель, насосная станция, стеллаж, поддон, 5 шт. Производительность за 1 смену: - блок (шлакоблок) -(390х190х190мм) - 700 шт - тротуарная плитка (200 х100х70мм) - 45 м2 - кирпич (250х120х88мм) -1600 шт 1 500 000
КОНДОР 1-90
Станок для производства шлакоблоков, тротуарной плитки, кирпича
Состав: вибропресс, матрица -пуансон, бетономеситель V = 90л, пульт управления, подставка под бетоносмеситель, насосная станция, стеллаж, поддон, 5 шт. Производительность за 1 смену:
- блок (шлакоблок) -(390х190х190мм) - 700 шт
- тротуарная плитка (200 х100х70мм) - 45 м2
- кирпич (250х120х88мм) -1600 шт
1 700 000
Конструктивной особенностью данного оборудования является универсальность, малые габариты, малая металлоемкость, низкое энергопотребление и стоимость, что делает их коммерчески привлекательным при индивидуальном строительстве.
Особенностью проектирования данного оборудования являлось использование CAE APM WinMachine для проведения прочностных и других расчетов с целью оптимизации конструкции для снижения массы конструктивных элементов оборудования [9, 10].
APM WinMachine представляет собой универсальную систему для расчета и проектирования стержневых, пластинчатых, оболочечных, твердотельных, а также смешанных конструкций [9, 10].
С помощью программы можно рассчитать произвольную трехмерную конструкцию, состоящую из стержней произвольного поперечного сечения, пластин, оболочек и объёмных деталей при произвольном нагружении и закреплении. При этом соединения элементов в узлах может быть как жестким так и шарнирным.
В результатевыполненных системой APM Structure3D расчетов можно получитьследующую информацию:
- нагрузки на концах элементов конструкции;
- карту распределения напряжений в конструкции;
- деформацию произвольной точки;
- карту распределения напряжений в произвольном сечении стержня;
- эпюры изгибающих и крутящих моментов, поперечных и осевых сил для отдельного стержня и для конструкции в целом;
- результаты проверки конструктивных элементов на несущую способность;
- коэффициент запаса устойчивости конструкции по Эйлеру;
- напряженно-деформированное состояние конструкции при больших перемещениях (геометрически нелинейная задача);
- частоты и формы собственных колебаний конструкции;
- изменение напряженно-деформированного состояния конструкции под действием;
- произвольно меняющихся во времени нагрузок.
В работе для всех основных узлов проектируемого оборудования был выполнен расчёт на статическую прочность.
В рамках расчета на статическую прочность были проведены два вида расчета:
1) на максимальные (предельные) нагрузки рабочего состояния;
2) на особые нагрузки.
Расчеты на статическую прочность проводились с помощью модуля АРМ Structure3D, входящего в состав системы АРМ WinMachine.
Например, при построении расчетной модели механизма перемещения станка для производства шлакоблоков, тротуарной плитки, кирпича использовался 10-ти узловой конечный элемент (тетраэдр). Данный элемент имеет три степени свободы в каждом узле в виде проекций перемещений узлов на оси системы координат.
Кинематические граничные условия задавались в виде запрета всех перемещений точек на поверхности отверстия проушины.
Силовые граничные условия задавались в виде силы, распределенной по внутренней поверхности отверстий, за которые крепятся стропы.
При нелинейном статическом расчете на предельные нагрузки при аварийных условиях эксплуатации приняли билинейную модель упругопластического поведения материала. На основе характеристик материала, используемого в расчете, задали диаграмму деформирования.
Кинематические граничные условия задавались в виде запрета всех перемещений точек на поверхности отверстия проушины.
Силовые граничные условия задавались в виде силы, распределенной по платикам, установленным в местах крепления механизмов схвата.
ВЫВОДЫ
В работе было спроектировано оборудование для изготовления строительных материалов (облицовочный кирпич, тротуарная плитка и т.п.) в индивидуальном строительстве.
Конструктивной особенностью данного оборудования является универсальность, малые габариты, малая металлоемкость, низкое энергопотребление и стоимость, что делает их коммерчески привлекательным при индивидуальном строительстве.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Ибрагимов, А. Т., Будон, С. В. Развитие технологии производства глинозема из бокситов Казахстана. - Павлодар : ТОО «Дом печати», 2010. - 304 с.
2 Боргер, В. В. Переработка бокситовых ресурсов и отходов глиноземного производства. - Материалы международной научно-практической конференции «Металлургия Прииртышья в реализации программы форсированного индустриально-инновационного развития «Казахстан - 2020» (27 апреля 2011 года). - Павлодар : Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, 2011. - С. 23-31.
3 Ибрагимов, А. Т. Разработка и внедрение технологии переработки низкокачественного бокситового сырья Казахстана // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Алматы, 2010. - 22 с.
4 Быков, П.О. Исследование формирования однородности непрерывнолитого слитка с целью улучшения качества прокатной продукции. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Караганда, 2010. - 144 с.
5 Иванов, А. И., Кожевников, Г. Н., Ситдиков, Ф. Г., Иванова, Л. П.
Комплексная переработка бокситов. - Екатеринбург : Ур. РАН, 2003. - 180 с.
6 Государственная программа индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2015-2019 годы, утвержденная Указом Президента РК от 1 августа 2014 года № 874.
7 Барабанщиков, Ю. Г. Строительные материалы и изделия. - М. : Академия, 2008.
8 http://mirstankov.kz/#mirstankov
9 Замрий, А. А. Проектирование и расчет методом конечных элементов в среде APM Structure3D. - М. : Издательство АПМ, 2010.
10 Шелофаст, В. В., Чугунова, Т. Б. Основы проектирования машин. Примеры решения задач. - М. : Изд-во АПМ., 2010. - 240 с.
Материал поступил в редакцию 12.12.16.
П. О. Быков, Ж. М. Ыцсан, Б. А. Касымова, М. ¥зак
Металлургиялык калдыктарды кайта евдеуге арна.^ан жабдыктарды ецд1ру жене жобалау
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к.
Материал 12.12.16 баспаFа тусть
P. Bykov, Zh. Yksan, B. Kasymova, M. Uzak
Design and production of equipment for processing of metallurgical waste
S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.
Material received on 12.12.16.
Бул мацалада металлургия мен жылу энергетикадагы негiзгi цалдыцтарды талдау мен жеке цурылыс барысында цурылыс материалдарын эзiрлеудi цамтамасыз ететт жабдыцтар (цаптама тртш, жаяужол кiрпiшi жэне т.б.) туралы шолу келтiрiлген.
The article provides an analysis of the main wastes in metallurgy and heat power engineering and gives an overview of the equipment designed for the production of construction materials (facing bricks, paving tiles, etc.) in individual construction.
