Разработка материалов нового поколения на основе использования металлоотходов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621

DOI: 10.18698/2306-8477-2018-11-573

Разработка материалов нового поколения на основе использования металлоотходов

© А.А. Кузнецов

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия

Исследовано новое направление в применении материалов, созданных на основе отходов металлургического производства. Раскрыта роль композитов со стеклянной матрицей, особое внимание уделено шлакоситаллу, предложено его использование в промышленности, строительстве.

Ключевые слова: композит, наполнитель, матрица, ситалл, доменный шлак, шла-коситалл

Научно-технический прогресс неразрывно связан с развитием материалов. Именно материалы дали название целым эпохам: каменный век, бронзовый век, железный век. Бурный рост промышленного производства требует создания новых материалов с различными уникальными свойствами. Работоспособность конструкций атомной и термоядерной энергетики, ракетно-космической техники обеспечивают материалы, способные работать в экстремальных условиях эксплуатации. Широкое развитие информационных технологий в разных сферах деятельности стало возможным с появлением новых материалов с особыми электрофизическими свойствами.

Исследование новых материалов предполагает установление взаимосвязей между тремя элементами: составом, структурой и свойствами (ССС). Диаграмма алгоритма исследования материалов показана на рис. 1.

В последние годы активно развивается новое направление — исследование и практическое применение композиционных материалов, которые сочетают в себе свойства металлов и неметаллов. Свойства металлических и неметаллических материалов по отдельности в большинстве случаев не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Только грамотное сочетание в едином материале требуемых свойств различных веществ металлической и неметаллической природы, органического и неорганического происхождения позволяет конструировать состав и структуру материалов с заранее

Свойства

Рис. 1. Тройная диаграмма алгоритма исследования материалов

заданными свойствами. Такие материалы в отличие от традиционных получили название композиционных или сокращенно композитов [1].

Композиты (от лат. composition — составление) представляют собой сочетание в едином материале свойств различных веществ: металлов и неметаллов, органических и неорганических веществ с целью конструирования материалов с заранее заданными свойствами. Композиты называют материалами будущего. Они являются новой ступенью в развитии материаловедения.

Композиты состоят из матрицы и наполнителя. Матрица связывает отдельные элементы наполнителя в единый монолит. Наполнители делятся на два класса: зернистые и волокнистые (рис. 2).

Матрица Непрерывный наполнитель

Волокнистый наполнитель

Рис. 2. Классификация композиционных материалов по виду наполнителя

Широкое применение в промышленности получили дисперсно-упрочненные композиты. Дисперсные включения различной химической природы повышают степень прочности матрицы, создают в ней условия для химического взаимодействия матричного или специально введенного в матрицу элемента с активными газами, преимущественно с кислородом. Дисперсные включения делают прочной металлическую, полимерную, керамическую, углеродную или стеклянную матрицы [2].

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы со стеклянной матрицей называют ситаллами (от лат. silicium — кремний). Технические ситаллы используют в машиностроении в качестве конструкционного, жаропрочного и жаростойкого материала. Разработана и широко внедряется в машиностроение технология получения си-таллов на основе дешевых металлургических шлаков. Шлакоситаллы обладают стойкостью против коррозии, а также износостойкостью.

При производстве одной тонны металла образуется около 1 т шлака. В России ежегодно накапливаются миллионы тонн шлака и с каждым годом в отвалах их становится все больше и больше [3].

Использование доменных шлаков в сочетании с обычным кварцевым песком и другими недефицитными добавками позволило получить новый микрокристаллический материал — шлакоситалл. Большие запасы

и дешевизна шлака обусловливают его низкую стоимость, а также экономическую эффективность производства и применения шлакоситаллов.

Шлакоситалл — высокоизносоустойчивый материал, применяемый для защиты от сухого и гидроабразивного износа различных поверхностей в технике, также он используется как декоративный строительный материал для отделки наружных и внутренних стен и полов.

Применение шлакоситалла в химической и коксохимической промышленности для футеровки аппаратуры, газоотходов, корпусов вытяжных вентиляторов дает существенные экономические выгоды по сравнению с известными футеровочными материалами.

Высокое сопротивление стирающему воздействию абразивной среды делает шлакоситалл ценным материалом для футеровки бункеров, желобов, лотков, течек, корпусов флотационных машин, воронок, классификаторов скребковых транспортеров, а также для облицовки наклонных эстакад и других сооружений, подверженных воздействию абразивных материалов.

Отличительное свойство шлакоситалла — высокие диэлектрические характеристики в совокупности с другими положительными свойствами делает шлакоситалл незаменимым для применения в электротехнической и машиностроительной промышленности.

В промышленных зданиях применение шлакоситалла целесообразно для антикоррозионной защиты стен, перегородок, колонн, устройства покрытий полов, особенно при агрессивных условиях производства, а также при высокой влажности воздуха или влажных процессах.

Листовой шлакоситалл отличается от известных облицовочных, например, керамических, материалов значительно большими габаритами изделий, в результате чего резко сокращается количество швов и расход материалов для их заделки. Кроме того, на 30 % повышается производительность труда при укладке покрытий [4].

Полы из шлакоситалловых плит отличаются огнестойкостью, малой стираемостью, полным отсутствием пылевыделения, легкостью очистки от пыли и грязи. Комбинации расположения плит различных цветов позволяют создать любой рисунок пола, отвечающий эстетическим и гигиеническим требованиям [5].

Экспериментальные исследования показали, что применение шлакоситалла для покрытия полов в цехах с интенсивным движением внутрицехового безрельсового транспорта настолько эффективно, что за 50 лет эксплуатации износ покрытия составляет всего лишь 1 мм [6].

Конструкции, выполненные с применением шлакоситалла, удовлетворяют самым высоким санитарно-гигиеническим требованиям.

Для крепления шлакоситалла обычно используют цементно-пес-чаные растворы, в условиях воздействия агрессивных сред — кислотоупорные материалы, а также смеси с применением полимерных материалов.

Шлакоситалл — стеклокристаллический материал с мелкозернистой структурой, получаемый путем направленной кристаллизации стекла на основе шлаков, зол и других промышленных отходов и горных пород. Небольшая стоимость исходного сырья, высокомеханизированные способы получения в сочетании с высокими эксплуатационными свойствами делают шлакоситалл конкурентоспособным по отношению к традиционным материалам.

Технология получения шлакоситаллов методами литья, прессования и непрерывного проката впервые в мире была разработана в Донецкой области. Освоено получение шлакоситалла серого, белого, синего, коричневого и других цветов (таблица). Механическая шлифовка и полировка поверхности резко улучшают эстетические свойства изделий. При нанесении на поверхность шлакоситалла силикатных эмалей можно получать строительный облицовочно-декора-тивный материал с различной окраской.

Таблица

Физико-механические свойства шлакоситалла

Показатели Шлакоситалл

серый белый

Плотность, кг/м3 2600...2750 2600...2700

Предел прочности при сжатии, МПа 500...600 450...550

Предел прочности при изгибе, МПа 80...120 65...100

Модуль упругости, МПа (0,9...1,1)105 (0,76...0,9)105

Коэффициент Пуассона 0,21...0,28 0,21...0,26

Микротвердость, МПа 6500...7500 6000...8000

Удельная ударная вязкость, КДж/м2 2,8...4,0 3,0...3,5

Термостойкость, К 426...470 376...420

Температура размягчения, К 1223...1273 1173

Коэффициент линейного термического расширения, К-1 (72...76) 10-7 (90,5...95) 10-7

Теплопроводность при 293 К, Вт/(мК) 1,05 1,05

Потери массы при истирании, кг/м2 0,15...0,3 0,3...0,6

Кислотостойкость в минеральной кислоте (Н^ОД % 99,15...99,98 99,1...99,9

Щелочестойкость в 35%-ном р-ре №0Н, % 73...82 80...85

Водопоглощение, % 0 0

Пробивная напряженность электрического поля при частоте 50 Гц, кВ/м (40...50)103 (40...50) 103

Диэлектрическая постоянная при частоте 50 Гц 7,0...7,7 7,0...7,2

В настоящее время разработаны непрерывно действующие механизированные и автоматизированные технологические линии производительностью 13,5 тыс. т в год, что соответствует 500 тыс. м2 шлакоситалла при толщине ленты 10 мм. При работе двух линий общая производительность — 20 тыс. т в год [7].

Для изготовления шлакоситалла используются гранулированный шлак доменного производства, песок и добавки. Расход сырья на 1 т стекломассы, кг: шлак — 500...600; песок — 300...400; сода — 60...80; кремнефтористый натрий — 40...50.

Для получения шлакоситалла белого цвета дополнительно вводят 30...50 кг отходов цинкового производства. Шихта и бой с помощью автоматических загрузчиков подаются в стекловаренную печь. Готовая стекломасса поступает на валки прокатной машины, которые формуют непрерывную ленту стекла шириной до 1600 мм, толщиной 4...15 мм, движущуюся со скоростью от 20 до 150 м/ч.

Лента стекла подвергается кристаллизации и отжигу в конвеерной печи. На выходе из печи лента автоматически разрезается на листы и плиты заданных размеров. На производство 1 т листового шлако-ситалла расходуется: электроэнергии — 170 кВт/ч; технологического топлива (условное топливо калорийностью 7000 ккал/кг) — 1070 кг; технической воды — 24,5 м3; умягченной воды — 5,5 м3 [8].

В современных условиях в машиностроении применяются сте-клокристаллические материалы, полученные на основе отходов других отраслей промышленности: углеобогатительной, химической, энергетической, цветной металлургии (отходы углеобогащения, золы и шлаки ТЭЦ, шламы хроматного, боратного производства и т. д.). По свойствам такие материалы не уступают шлакоситаллу на основе доменных шлаков. При этом можно использовать для производства шла-коситалла доменные шлаки и золы ТЭЦ заводов Центральной России, Западной Сибири, а также предприятий зарубежных стран: Болгарии, Польши, Китая.

Низкая стоимость исходного сырья, высокомеханизированный способ его получения в сочетании с высокими эксплуатационными характеристиками делают шлакоситалл конкурентоспособным по отношению к традиционным материалам при использовании его в аналогичных целях.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Кузнецова Т.И., Ганина Г.Э., Клементьева С.В. Приоритеты российского машиностроения в свете новой индустриальной революции. Гуманитарный вестник, 2017, вып. 1. DOI: 10.18698/2306-8477-2017-1-408

[2] Кузнецов М.А. Реализация потенциальных возможностей машиностроительных материалов нового поколения. Материалы Всероссийской науч-

но-практической конференции «Системыуправления полным жизненным циклом высо-котехнологичной продукции в машиностроении». Москва,

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018, с. 91-93.

[3] Омельченко И.Н., Кузнецов А.А. Новые тенденции на рынке железорудного сырья. Гуманитарный вестник, 2017, вып. 8.

DOI: 10.18698/2306-8477-2017-8-463

[4] Кузнецов А.А. Наукоемкая технология производства машиностроительных материалов нового поколения на основе использования отходов металлургического производств. Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Системыуправления полным жизненным циклом высокотехнологичной продукции в машиностроении». Москва, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018, с. 87-90.

[5] Колобов А.А., Омельченко И.Н., ред. Экономика инновационной деятельности наукоемких предприятий. Москва, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007, 384 с.

[6] Самсонов К.С., Севрюкова А.В., Кузнецова Т.И. Повышение эффективности системы контроля над созданием инновационных материалов. Гуманитарный вестник, 2016, вып. 10. DOI: 10.18698/2306-8477-2016-10-390

[7] Щеглов Б.А., Сафонов А.А. Теоретические основы и прикладные задачи технологии композитов. Москва, URSS, 2015, 105 с.

[8] Волков Г.М. Машиностроительные материалы нового поколения. Москва, ИНФРА-М, 2018, 319 с.

Статья поступила в редакцию 01.11.2018

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:

Кузнецов А.А. Разработка материалов нового поколения на основе использования металлоотходов. Гуманитарный вестник, 2018, вып. 11. http://dx.doi.org/10.18698/2306-8477-2018-11-573

Кузнецов Андрей Александрович — аспирант факультета «Инженерный бизнес и менеджмент» МГТУ им. Н.Э. Баумана. е-mail: andrew_lumia@hotmail.com

Development of new generation materials based on the use of metal wastes

Development of new generation materials based on the use of metal wastes

© A.A. Kuznetsov

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 105005, Russia

The paper explores a new direction in the development of new generation materials based on the use of metal wastes. We reveal the role of glass matrix composites, paying special attention to slag glass-ceramic, and propose its use in industry and construction.

Keywords: composite, filler, matrix, sitall, blast furnace slag, slag glass-ceramic

REFERENCES

[1] Kuznetsova T.I., Ganina G.E., Klementyeva S.V Gumanitarny Vestnik — Humanities Bulletin of BMSTU, 2017, no. 1. DOI: 10.18698/2306-8477-2017-01-408

[2] Kuznetsov M.A. Realizatsiya potentsialnykh vozmozhnostey mashinostroitel-nykh materialov novogo pokoleniya [Potential implementation of new generation engineering materials]. Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Sistemy upravleniya polnym zhiznennym tsiklom vysokotekhno-logichnoy produktsii v mashinostroenii» [Proc. of the All-Russian scientific and practical conference "Control Systems of Full Life Cycle of Hi-tech Products in Mechanical Engineering"]. Moscow, BMSTU Publ., 2018, pp. 91-93.

[3] Omelchenko I.N., Kuznetsov A.A. Gumanitarny Vestnik — Humanities Bulletin of BMSTU, 2017, no. 8. DOI: 10.18698/2306-8477-2017-8-463

[4] Kuznetsov A.A. Naukoemkaya tekhnologiya proizvodstva mashinostroitel-nykh materialov novogo pokoleniya na osnove ispolzovaniya otkhodov metal-lurgicheskogo proizvodstva [High technology of new generation engineering materials production based on the use of metal waste]. Materialy Vserossiys-koy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Sistemy upravleniya polnym zhiznennym tsiklom vysokotekhnologichnoy produktsii v mashinostroenii» [Proc. of the All-Russian scientific and practical conference "Control Systems of Full Life Cycle of Hi-tech Products in Mechanical Engineering"]. Moscow, BMSTU Publ., 2018, pp. 87-90.

[5] Kolobov A.A., Omelchenko I.N., ed. Ekonomika innovatsionnoy deyatelnosti naukoemkikh predpriyatiy [Economy of innovative activity of technology-intensive enterprises]. Moscow, BMSTU Publ., 2007, 384 p.

[6] Samsonov K.S., Sevryukova A.V., Kuznetsova T.I. Gumanitarny Vestnik — Humanities Bulletin of BMSTU, 2016, no. 10. DOI: 10.18698/2306-8477-2016-10-390

[7] Shcheglov B.A., Safonov A.A. Teoreticheskie osnovy iprikladnye zadachi tekh-nologii kompozitov [Theoretical bases and applied problems of composites technology]. Moscow, URSS, 2015, 105 p.

[8] Volkov G.M. Mashinostroitelnye materialy novogo pokoleniya [New generation engineering materials]. Moscow, INFRA-M Publ., 2018, 319 p.

Kuznetsov A.A., post-graduate student, Faculty of Engineering Business and Management, Bauman Moscow State Technical University. e-mail: andrew_lumia@hotmail.com