CC BY
27Т.А. Довыденко, Н.А. Сканави DOI: 10.24411/9999-034A-2020-10131
T.A. DovydenN.A. Skanavi
Стеновой керамический материал с отходами гидроабразивной резки стали Wall ceramic material with waste from waterjet cutting of steel
Ключевые слова: отходы гидроабразивной резки, гранатовый абразив, строительная керамика. Keywords: waste of waterjet cutting, garnet abrasive, building ceramics.
Аннотация: Изучены состав и свойства дисперсных отходов гидроабразивной резки металлов и их поведение в составе керамической массы и керамического черепка. Выявлено положительное влияние добавок отходов на свойства керамики: повышение прочности при оптимальном содержании отходов в смеси, уменьшение воздушной и огневой усадки во всех составах с отходами, возможность варьирования цвета изделий. Полученные результаты, а также электронно-микроскопическое исследование однородности структуры керамического черепка позволили сделать вывод о возможном использовании отходов гидроабразивной резки стали в производстве строительной керамики: в качестве отощающей добавки, флюсующей добавки-плавня, компонента для объемного окрашивания.
Abstract: The composition and properties of dispersed wastes of waterjet cutting of metals and their behavior in the composition of ceramic mass and ceramic shard are studied. The positive effect of addition of waste on the properties of ceramics was revealed: increased strength at the optimal content of waste in the mixture, reduction of air and fire shrinkage in all waste components, the possibility of varying the color of products. The results obtained, as well as the electron microscopic study of the homogeneity of the structure of the ceramic shard, led to the conclusion about the possible use of waste of waterjet cutting of steel in the production of building ceramics: as a fluxing agent - flux, component for volumetric staining, thinning agent.
На сегодняшний день гидроабразивная резка является одним из самых эффективных методов раскроя листового металлопроката, резки твердых горных пород, листовых композитных материалов, керамики, стекла и др. Суть процесса резки заключается в действии на материал высокоскоростной (300^900 м/с) струи воды, смешанной с абразивом [1]. В момент столкновения с материалом кинетическая энергия струи преобразуется в механическую энергию микроразрушения материала и происходит резание.
В качестве абразива используется гранатовый песок [1,2], состоящий в основном из железисто-алюминиевого граната - альмандина (Бе3А12[8Ю4]3). Это минерал вишнево-красного цвета, обладающий высокой твердостью - 7^8 по шкале Мооса, высокой плотностью - 4,1^4,3 г/см3, очень высокой устойчивостью к разрушению, отсутствием токсичности по отношению к человеку и окружающей среде.
Наибольший интерес представляет гидроабразивная резка металлов. По сравнению с другими видами резки отсутствует термическое воздействие на металл, имеется возможность резать заготовки большой толщины (более 300 мм), а также пакеты из нескольких слоев тонколистовых материалов, обеспечивается малая ширина реза (0,2^3 мм) и высокое качество обработанной поверхности, а также экологичность процесса ввиду отсутствия воспламеняющихся и взрывоопасных веществ. Эти преимущества дают возможность предположить, что доля гидроабразивной резки в сфере резки металлов будет возрастать, а следовательно, будет возрастать и количество образующихся отходов.
В результате процесса гидроабразивной резки образуются отходы в виде шлама, содержащего гранатовый абразив [2], претерпевший разрушения в процессе резки, частицы разрезаемого металла и воду. Обезвожен-
ный сухой остаток складируется на предприятии и по мере накопления вывозится на полигоны твердых бытовых отходов.
Комплексное исследование исходного гранатового абразива и сухой части отходов позволило проследить процесс образования отходов и охарактеризовать их как очень мелкие, практически двухфракционные (фракция 0,16-0,315 мм - 70,5%, фракция менее 0,16 мм - 27,1%) тяжелые пески с большим содержанием пылевидной фракции, в химическом составе которых преобладают оксиды железа, кремния и алюминия. Такая характеристика отходов позволила наметить возможные пути их использования, одним из которых является производство стеновой строительной керамики [1,3,4].
Особенностью отходов гидроабразивной резки стали как добавки к глинистому сырью является наличие металлического компонента, поведение которого при обжиге керамики предстояло изучить. Исследованиями на растровом электронном микроскопе БЕ^иАШТА 200 установлено, что частицы разрезаемого металла входят в основном в мельчайшую фракцию отходов [1,4]. На рисунках 1 и 2 приведены микрофотографии отходов фракции 0,08^0,16 мм. Видны более крупные щеб-невидные разрушенные песчинки абразива, покрытые налипшими мельчайшими частицами разрезаемого металла. Структура мельчайших частичек листовидная, слоистая, с острыми гранями. Частички относительно однородны по крупности и строению. Налипание частичек разрезаемого металла на относительно крупные частицы альмандина может быть обусловлено тем, что альмандин, как и другие железистые гранаты, обладает магнитными свойствами.
То, что частицы разрезаемого металла входят в мельчайшую фракцию отходов, косвенно подтверждается тем, что с уменьшением размера частиц растет значение
480
Практика
истинной плотности соответствующей фракции отходов. Так, плотность фракции более 0,25 мм составляет 3,65 г/см3, фракции 0,125-0,25 мм - 4,04 г/см3, фракции 0,125-0,25 мм - 4,075 г/см3, фракции менее 0,063 мм -4,47 г/см3.
Исследование поведения отходов при обжиге в составе керамического черепка было проведено на двух видах полиминерального легкоплавкого глинистого сырья: глины Новоподрезковского месторождения и глины с технологической линии ОАО «Голицынский Керамический Завод» [1,4]. В химическом составе обеих глинистых пород преобладают оксиды кремния, алюминия и железа; другие оксиды присутствуют в незначительных количествах. В минеральном составе более половины приходится на кварц; обе глины достаточно бедны глинообразующими минералами.
На первом (пробном) этапе исследования были изготовлены образцы состава 50% глины и 50% отходов (по массе). После обжига при 900°С не наблюдалось деформации образцов, растрескивания, аномалий цвета. Металлический компонент визуально никак себя не проявил. В минеральном составе обожженного керамического черепка помимо продуктов преобразования глинистых минералов идентифицированы альмандин (13,5%) и гематит (13,2%), поступившие из отходов.
На втором этапе были изготовлены образцы-кубики с ребром 4 см из сырьевых смесей различного состава: 20% глины и 80% отходов, 40% глины и 60% отходов, 65% глины и 35% отходов и смесь без отходов. Температура обжига была повышена до 950°С [3]. После обжига у образцов не наблюдалось деформаций и трещин. Цвет образцов менялся от светло-красного в составе без отходов до темного красно-коричневого при максимальном содержании отходов в смеси, что связано с высоким содержанием в отходах красящих оксидов железа, а также вишнево-красного минерала альмандина.
Установлено, что чем больше содержание отходов в сырьевой смеси, тем выше средняя плотность сырца и меньше воздушная усадка (табл. 1), то есть на этапе сушки добавка отходов ведет себя как отощающая добавка.
С увеличением содержания отходов в смеси растут средняя и истинная плотность обожженных образцов (табл. 2), что связано с высокой плотностью самих отходов. Наблюдалось существенное снижение огневой усадки: в 1,8 раза при содержании отходов 35%, а при содержании отходов 80% - в 3 раза, что говорит о сдерживающем действии отходов на объемные изменения при обжиге.
Физико-механические свой
Таблица 1
Воздушная усадка и средняя плотность образцов
Содержание отходов по массе, % Воздушная усадка, % Средняя плотность, г/см3
0 12 2,03
35 5 2,27
60 4,58 2,37
80 2,83 2,47
Рис. 1. Микрофотография частиц отходов гидроабразивной резки стали фракции 0.08+0.16 мм, 800х
Рис. 2. Микрофотография частиц отходов гидроабразивной резки стали фракции 0.08+0.16мм, 1500х
Таблица 2
керамических образцов
Содержание отходов по массе, % Предел прочности при сжатии, МПа Средняя плотность, г/см3 Истинная плотность, г/см3 Пористость, % Огневая усадка, %
0 10,69 1,79 2,68 33,07 -1,07
35 16,36 2,08 3,05 31,79 -1,9
60 10,29 2,17 3,35 35,28 -2,79
80 8,47 2,26 3,53 36,04 -3,23
Введение отходов в количестве 60% практически не сказывается на прочности образцов, а оптимальным явилось содержание отходов 35%, - прирост прочности составил более 50%. В этом же составе наблюдалась минимальная пористость. Работа по оптимизации составов и условий сушки и обжига продолжается.
Определение минерального состава керамического черепка выявило наличие неизмененного альмандина в образцах с отходами. Это говорит о том, что температура обжига 950°С для данных составов и условий явилась недостаточной для температурных превращений альмандина. Однако учитывая хорошее качество керамического черепка, дальнейшее повышение температуры нецелесообразно. Электронно-микроскопическое исследование [3], показало, что введение отходов гидроабразивной резки стали не оказывает отрицательного влияния на однородность структуры керамического черепка (рис. 3). Относительно крупные частицы гранатового абразива (300 мкм и менее) достаточно равномерно распределяются в объеме черепка; пространство между ними заполнено однородным керамическим камнем, в котором визуально отдельно не определяется обожженное глинистое вещество, мелкие частицы абразива и частички разрезаемого металла.
Рис. 3. Микрофотография керамического черепка с содержанием отходов 60%, 162х
Отходы гидроабразивной резки стали по составу и свойствам хорошо сочетаются с компонентами глинистого сырья и играют в составе керамической массы и керамического черепка активную роль: уменьшают воздушную и огневую усадку, повышают плотность и прочность образцов, позволяют понизить температуру обжига, дают возможность варьировать цвет изделий. Это позволяет сделать вывод о возможности использования отходов гидроабразивной резки стали для изготовления стеновых керамических изделий в качестве полифункционального компонента: добавки-плавня (возможность получения качественного керамического черепка при 900-9500С и ниже), для объемного окрашивания (ввиду большого содержания хромофоров - оксида железа и альмандина) и отощающей добавки.
Ввиду дефицита кондиционного сырья для производства строительной керамики, тенденцией становится работа на искусственных многокомпонентных смесях, в которых природное сырье составляет зачастую незначительную часть, а основной объем приходится на альтернативное техногенное сырье. Таким образом, использование отходов гидроабразивной резки металлов позволяет расширить сырьевую базу производства строительной керамики.
Список цитируемой литературы:
1. Сканави Н.А. Направления утилизации отходов гидроабразивной резки стали в производстве строительных материалов / Н.А. Сканави, Т.А. Довыденко // Перспективы науки. -2018. - № 4(103). - С. 53-56.
2. ТУ 3988-001-76245879-2011 Гранатовый абразив. Технические условия; ТУ 3988-002-76245879-2011 Гранатовый абразив. Технические условия.
3. Skanavi Natalia, Dovydenko Timofei. Effects of waterjet cutting waste addition on properties of building ceramics / Natalia Skanavi, Timofei Dovydenko // MATEC Web of Conf., Vol. 196, 2018 XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering (27RSP) (TFoCE 2018), Article Number 04057.
4. Skanavi Natalia, Dovydenko Timofei. The use of waterjet cutting wastes in the production of building materials Natalia Skanavi, Timofei Dovydenko // FORM 2018. IOP Conf. Series: Materials Sciense and Engineering 365 (2018)- 032025.
Е.Д. Филонова DOI: 10.24411/9999-034A-2020-10132
E.D. Filonova
Роль металлических конструкций в реорганизации промышленных сооружений The role of metal structures in the reorganization of industrial facility
Ключевые слова: реорганизация, промышленные сооружения, общественные пространства, функциональные приоритеты.
Keywords: reorganization, industrial facilities, public spaces, functional priorities.
Аннотация: На примере реорганизованных памятников промышленной архитектуры рассматривается возможность и способы реорганизации промышленных зон и сооружений с использованием металлических конструкций. Abstract: On the example of reorganized monuments of industrial architecture, the possibility and methods of reorganizing industrial zones and structures using metal structures are considered.
