Технология производства вяжущих материалов из золошлаковых отходов ТЭС с применением наномодификаторов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 502.174.1

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС С ПРИМЕНЕНИЕМ НАНОМОДИФИКАТОРОВ

© 2010 г. А.С. Косарев, Н.Н. Ефимов

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Рассмотрена технология производства вяжущих материалов из золошлаковых отходов ТЭС с применением наномодификаторов. Проведен анализ возможности применения углеродных кластеров фул-лероидного типа для изменения физико-химических свойств минеральных вяжущих на основе золошлако-вых отходов.

Ключевые слова: золошлаковые отходы; тепловые электростанции; наноматериалы; наномодификаторы; углеродные нанотрубки.

The technology of building materials from ash-slag waste of thermal power plants with application of nano-materials is considered. The analysis of possibility of application carbon nanotubes for change of physical and chemical properties mineral knitting on the basis of ash-slag waste is carried out.

Keywords: ash-slag waste; thermal power stations; thermal power stations; nanomaterials; nanomodifiers; carbon nanotubes.

Отвалы тепловых электрических станций (ТЭС) в России занимают значительные территории (около 200 тыс. га), являются источником загрязнения воздушного и водного бассейнов и увеличивают минерализацию грунтовых вод. В ряде регионов эти отвалы значительно осложнили экологическую обстановку. Если учесть, что около 70 % всей электроэнергии в стране вырабатывается при сжигании твердого топлива, то рост золошлаковых отходов (ЗШО) будет продолжаться и, следовательно, возрастет их отрицательное воздействие на экологию. Таким образом, утилизация золошлаковых отходов становится уже не столько вопросом экономии материальных ресурсов, сколько проблемой безопасности населения страны

[1]. Научные исследования и практика дорожного строительства показали, что золы и шлаки от сжигания твердых видов топлива представляют собой материалы, пригодные для применения во многих отраслях народного хозяйства:

- в сельском хозяйстве - как удобрение;

- в металлургии - как шихта для получения алюминия и концентрат для получения железа;

- в строительной индустрии золошлаковые смеси и золы сухого улавливания как сырье для цементов и бесклинкерных вяжущих, бетонов (тяжелых, легких, ячеистых), пористых заполнителей, силикатных, керамических, теплоизоляционных и других материалов

[2].

Накопление значительных масс твердых отходов во многих отраслях промышленности обусловлено существующим уровнем технологии переработки соответствующего сырья и недостаточностью его комплексного использования. Удаление (транспорти-

рование) отходов и их хранение (устройство и содержание отвалов и шламонакопителей) являются дорогими мероприятиями. На металлургических производствах, ТЭС и углеобогатительных фабриках затраты на них составляют примерно 8 - 30 % стоимости производства основной продукции. Между тем в отвалы и шламохранилища ежегодно поступают огромные массы вскрышных пород и отходов обогащения и переработки минерального сырья. В них накоплены различные горные породы (известняки, кварциты, доломиты, огнеупорные глины и др.), золошлаковые отходы ТЭС, металлургические шлаки и другие материалы. Наряду с этим, уровень оперативной утилизации отходов является низким: в хозяйственный оборот вовлекается только пятая часть шлаков цветной металлургии, 10 - 12 % золошлаковых отходов, менее 4 % отходов углеобогащения, что ведет к нарастанию массы складируемых отходов.

Утилизацией отходов ТЭС на зарубежном рынке занимаются специализированные организации, где работают подготовленные к этому специалисты. Однако глубокой переработкой золошлаковых отходов эти организации не занимаются. Они разделяют эти отходы на сухую золу, шлак и гипс и продают их заинтересованным организациям.

В России имеет место несистематизированный и неорганизованный сбыт сухой золы и шлака отдельным организациям для отсыпки дорог, приготовления цементов.

По своему физико-химическому и агрегатному составу ЗШО являются уникальным материалом для полезного использования в различных отраслях с получением значительных экологических эффектов.

Требования санитарии, включая радиологический аспект, золошлаковые отходы полностью обеспечивают, что подтверждено заключениями центра гигиены и санитарии и сертифицированными лабораториями контроля качества. В частности, золошлаки могут использоваться:

- как добавки и наполнители при производстве широкого спектра строительных материалов: цемента, бетонов, растворов, кирпича, искусственного камня и т.п.;

- при строительстве автомобильных дорог в качестве земляного полотна и обустройства площадок с твердым покрытием;

- при рекультивации земель, в том числе отработанных карьеров; тушении горящих свалок, торфяников, хранилищ лигнина, опилок, пластмассы;

- при производстве удобрений;

- для комплексной переработки ЗШО с получением глинозема, кремнезема, концентрата железа и целого ряда редкоземельных металлов.

Использование ЗШО имеет целый ряд преимуществ. Так, с точки зрения экономики предприятий, использование материалов из золошлаков обеспечивает снижение затрат и, как следствие, достижение конкурентного преимущества.

Химический и минерально-фазовый составы, строение и свойства золошлаковых отходов зависят от состава минеральной части топлива, его теплотворной способности, режима сжигания, способа их улавливания и удаления, места отбора из отвалов.

Использование золошлаковых отходов промышленности в производстве бетонов позволяет значительно повысить эффективность бетона и снизить его себестоимость за счет уменьшения стоимости заполнителей и расхода цемента. Кроме того, замена таких дорогостоящих заполнителей как гравий, керамзит, песок позволяет уменьшить топливно-энергетические и материальные затраты, связанные с производством бетона. Например, золы и золошлаковые смеси ТЭС могут применяться в качестве заменителя мелкого заполнителя. С использованием зол ТЭС в качестве мелкого заполнителя возможно получать легкие бетоны классов В 3,5...15 при экономии цемента 10...25 %. Однако наилучших результатов возможно достичь при совместном использовании ЗШО и наномодифи-каторов в производстве нанобетонов [3].

Электронное строение углеродных кластеров (рис. 1) фуллероидного типа позволяет рассматривать их, в первую очередь, как эффективные диссипаторы энергии возбуждения, а следовательно, как фото- , радио- и термостабилизирующие добавки. Учитывая значительную термомеханическую прочность вкупе с уникальными электрофизическими свойствами естественно рассчитывать также на высокую эффективность таких наносистем в качестве модификаторов межфазных границ в композитах, в том числе как центров управления надмолекулярной структурой полимерных связующих и центров кристаллизации в неорганических композиционных материалах. Многообразная природа углеродной связи позволяет углеро-

ду образовывать одни из наиболее интересных наноструктур, а именно углеродные нанотрубки, потенциал использования которых превосходит потенциал любых других структур [4].

Углеродная нанотрубка очень прочна и упруга при изгибе. Она гнется как соломинка, но не ломается и может распрямиться без повреждений. Большинство материалов ломаются при изгибе из-за присутствия дефектов, таких как дислокации и границы зерен. Так как стенки углеродных нанотрубок имеют мало структурных дефектов, этого не происходит. Другая причина того, что они не ломаются, состоит в том, что углеродные кольца стенок в виде почти правильных шестиугольников при изгибе меняют свою структуру, но не рвутся. Это является уникальным следствием того факта, что углеродуглеродные связи sp2 гибридизиро-ваны и могут перегибридизироваться при изгибе. Степень изменения и коэффициенты s-p смешивания зависят от того, насколько изогнуты связи [5].

а)

б)

в)

Рис. 1. Схема гибридизации электронных состояний: а - образование двух sp-гибридных облаков; б - образование трех sp2-гибридных облаков; в - образование четырех sp3-гибридных облаков

В результате контактирования частиц наномоди-фикаторов с частицами ЗШО имеет место коагуляция, т.к. формоизменение самих наночастиц подавлено. В результате цементный камень «растет» вокруг астра-лена звездообразно, проникая в толщу наполнителей своеобразным дополнительным наноармирующим многополярным связующим.

Предлагаемая работа направлена на освоение и совершенствование ресурсосберегающих технологий производства современных экологически безопасных строительных материалов. Разрабатываемая технология может быть использована для производства строительных материалов, в промышленном и гражданском строительстве.

Литература

1. Буров В.Д. , Дорохов Е.В. , Елизаров Д.П. и др. Тепловые электрические станции / под ред. В.М. Лавыгина, А.С. Седлова, С.В. Цанева: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: «Издательский дом МЭИ», 2007. 466 с.

2. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д.: Изд-во Феникс. 2007.

3. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. Изд-во Логос. 2006.

4. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехноло-гии. Из-во ФИЗМАТЛИТ, 2007. 416 с.

5. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии: пер. с английского / под ред. Ю.И. Головина. М.: Техносфера, 2005. 336 с.

Поступила в редакцию 18 февраля 2010 г.

Косарев Андрей Сергеевич - ассистент, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8 (8635) 255-671. E-mail: Zmeelov-86@mail.ru

Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Kosarev Andrey Sergeevich - assistant, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 (8635) 255-671. E-mail: Zmeelov-86@mail.ru

Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch. ru

УДК 528.48

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ДВИЖЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ МОСТОВОГО ТИПА

© 2010 г. Ю.И. Пимшин , В.А. Наугольное , И.Ю. Пимшин

Ростовский государственный строительный университет

Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Rostov State Building University

**Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Рассмотрены актуальные для атомных станций вопросы, связанные с обеспечением штатной работы ходовой части кранов прямолинейного действия. Анализ экспериментальных данных позволил осуществить подход к исследованию движения крана и траектории его движения с геометрических позиций. Предложена геометрическая модель качения пары и четырёх цилиндрических колес, когда одно или все из них имеют дополнительный разворот относительно другого на некоторый угол.

Ключевые слова: кран мостового типа; геометрическая теория движения; перекос колёс.

The paper presents an theoretical research of running wheels of the bridge cranes Nuclear Power Plant. The geometric model of the rolling of pair and four spur gears, when one or everyone of them has additional turn relative to another to a certain angle, is examined.

Keywords: bridge cranes; geometrical theory of motion; lateral deviation of wheels.

При проектировании кранов, согласно действующим нормативным документам, выполняют расчёты на эксплуатационные и сейсмические воздействия [1]. Причём, эти расчёты сведены к статическим, включая и линейно-спектральный метод расчёта на сейсмостойкость. При оценке сейсмостойкости особо ответственных грузоподъёмных кранов и сооружений диф-

ференциальные уравнения движения крана должны быть проинтегрированы на реальную или синтезированную акселерограммы. В дифференциальных уравнениях математической модели крана явно не учитывалось взаимовлияние колёс. То есть в настоящее время в краностроении вопросы прочности и сейсмостойкости разработаны достаточно основательно, а

научных работ, основанных на геометрическом анализе движения крана нет.

Авторами на протяжении многих лет выполнялись работы по обследованию подкрановых путей и кранов мостового типа на АЭС. В результате были накоплены многочисленные экспериментальные данные о различных параметрах металлических конструкций кранов и их механизмах передвижения, в частности ходовой части, положения колёс и балансиров. Приобретённый опыт и анализ экспериментальных данных позволили впервые в мировой науке осуществить подход к исследованию движения крана и траектории его движения с геометрических позиций. Впервые была разработана геометрическая теория движения кранов.

В теории грузоподъёмных кранов и теоретической механике достаточно подробно проанализировано движение отдельного колеса, действующие на него силы и происходящие при этом явления.

Для понимания геометрической теории движения кранов необходимо рассмотреть геометрическую модель взаимного влияния ходовых колёс в общем виде. Пара колес в ходовой части может быть установлена либо последовательно, либо параллельно.

При последовательной установке ходовых колес

их вектора движущих сил (F1, F2 j и ось рельса, на

котором они установлены, в одном из частных случаев (в идеале) лежат на одной пространственной прямой (т.е. в одной вертикальной плоскости) (рис. 1 а). В этом случае при их движении (имея в виду их жёсткую связь lO1O2 = const) не возникает сил, кроме трения качения, влияющих на их взаимное положение и на их поперечное смещение относительно оси рельса.

a)

-Gr

IF

б)

в)

Рис. 1. Схема взаимного влияния последовательно установленных колес

Если одно из ходовых колес (например, второе) имеет разворот на угол а, то его движущая сила F2

(рис. 1 б) раскладывается на компоненты по осям X и Y, соответственно fx2 и fy2 . При этом вектор fx2

совпадает с направлением вектора движения F1 первого колеса, а fy2 перпендикулярен этому направлению. В виду жесткой связи (lO1O2 = const) последовательно установленных колес отметим, что при их движении второе колесо формирует момент M1 для

первого: M = lO1O2 fy 2 .

При движении это приводит к его развороту относительно центра O1 (по направлению вектора fy2). Вследствие этого пара колес, имеющая взаимный разворот векторов сил F1 и F2 на угол а, осуществляют движение не по прямой, а по окружности с радиусом RO :

Rg = ' к

п + Г

2

(1)

где Пк =

l

G1G2 .

К '

Г = l

G1G2V к 2

(К2 +1 v t fy 2

• К = tga = ==.

fx2

Если оба колеса имеют разворот на угол а = а1 = = а2 , то вектора сил F1 и F2 (рис. 1 в) раскладываются на компоненты по осям X и У. Соответственно

^ на Л: , fy\, а F2 на /Х2 , Л2 при этом вектора

/х1 , fx2 лежат на одной пространственной прямой параллельной оси рельса (т. е. в одной вертикальной плоскости), а вектора /у1 , /у2 взаимно параллельны

и перпендикулярны к оси рельса. При таком расположении колёс их совместное движение будет осуществляться по направлению вектора F , совпадающего с направлениями F1 и F2, а отрезок 0102 будет перемещаться параллельно самому себе и параллельно оси рельса.

Если в условиях вышерассмотренной пары колес будет нарушено равенство а1 Ф а2, то в начальный момент направление движения пары колёс будет

совпадать с направлением вектора F . Однако из-за неравенства углов будет справедливым неравенство /у\ ^ /у2 и, как следствие, возникнет момент

М = 10102(/2 - Л!).

Пара колёс будет осуществлять движение по окружности с радиусом R0, вычисленным по формуле (1), уклоняясь от направления вектора F , где

К = tg(a2 - а1) = Ш/ .

(Лх 2 /х1)

При параллельной установке ходовых колёс их вектора движущих сил ^ , F2 и ось рельсового пути (пары рельсов), на котором они установлены, в идеале расположены параллельно (рис. 2 а).

Y

l

-i—EU

F

F

F

EiEEEH--■

X

а) 7

X

Ф =

(Fi -/Х2)Р".

Lmm

Кроме того, при таком расположении ходовых колёс вектор /у 2 будет действовать на элемент жёсткости (базу LO1O2), создавая усилие сжатия (растяжения) в зависимости от его направления.

Если оба колеса имеют разворот на угол а = а1 = а2 (рис. 3, а), то вектора сил F1 и Р2 раскладываются на компоненты по осям X и У, соответственно F1 на /х1 ,

/у1 , а Р2 на 1x2 , /у2 . При этом вектора /х1 и 1x2

параллельны между собой и параллельны оси подкранового пути, а вектора /у1 и /у2 перпендикулярны

оси подкранового пути и лежат на одной пространственной прямой, включающей отрезок LO1O2 элемента жесткости пары колёс. При таком расположении колес их совместное движение осуществляется по направлению вектора Р , совпадающего с направлением Р и Р2, при этом отрезок LO1O2 будет перемещается параллельно самому себе и перпендикулярно оси подкранового пути.

б)

Рис. 2. Схема взаимного влияния параллельно установленных колес

В этом случае при их движении (ввиду жесткой связи LO\ca = const) не возникает сил, влияющих или способных изменить их взаимное положение относительно подкранового пути, т.е. сохраняется условие

F1 II F2 и \Щ = |F2 | .

Если одно из ходовых колёс, например, второе, имеет разворот на угол а, то вектор движущей силы F2 (рис. 2 б) раскладывается на компоненты по осям X и Y, соответственно fx2 и fy2 При этом если

условие выполняется F = F2, то fy2 = F2 • cos а , и F2 || fy2 , но F2 > fy2 . В этом случае первое колесо

пройдет больший путь, чем второе, а такое движение может быть обеспечено только при условии движения пары колес по окружности с Rc с разворотом базы крана LO1O2 относительно оси подкранового пути на угол ф:

Y

fyi 1 ^ Fi

F

Fr,

X

а) 1

X

б)

Рис. 3. Перекос параллельных колёс

Y

1

L

2

Y

L

Y

Если оба колеса имеют разворот на угол а! = -а2 (рис. 3 б), в этом случае при = вектора fxl ||

Л2 , \fxl\ = |/х21 , а вектора и и fy2 лежат на одной пространственной прямой, включающей отрезок О1О2 и f1 = - fy2 . То есть оба вектора определяют

усилие сжатия элемента жёсткости пары колёс. Вышеописанная ситуация расположения пары колёс определяет условие компенсации: такое расположение колёс, когда составляющие векторов F1 и ^ по оси X fx1 и fx2 параллельны и равны, а вектор f1 противоположен по направлению к fy2, и они лежат на

одной пространственной прямой. Кроме этого, рассматривая данные взаимного расположения колес, отметим, что данному расположению свойственно проскальзывание колес при их движении вдоль пути.

Эффект проскальзывания возникает в том случае, когда длина пути, вычисленная по длине образующей (цилиндрического колеса), и длина пути, пройденная по головке рельса колесом, не равны. В рассматриваемом случае оба колеса будут катиться по направлению векторов F1 и ^ , а физически проходить путь по головке рельса в соответствии с векторами fx1 и fx2 , которые определяются из равенств

= Р! С°5а1 , Л2 = ¥2 С°5а2 .

Параметры скольжения A/x1 , Afx2 будут соответственно равны

A/x1 = F1 fx1 , A/x2 = F2 fx2

или после элементарных преобразований

4fx1 = - С°5 аl), АЛ2 = - С°5 а2 ) .

Отметим, что в последовательно расположенных колесах эффекта компенсации, ни при каком их расположении, не возникает. Данные физические явления свойственны только параллельному расположению пары колес.

Геометрическая схема крана, ходовая часть которого имеет четыре колеса, в графическом виде представлена на рис. 4.

Для ходовой части крана, имеющего в ходовой части четыре колеса, может быть лишь два условия их взаимного расположения: параллельные и не параллельные. Параллельное расположение такое, при котором а! = а2 = а3 = а4 = а, частным случаем такого равенства является а! = а2 = а3 = а4 = 0. В этом случае вектора, определяющие направление движения каждой последовательно установленной пары колес, ^ , ^ и ^ , ^ параллельны осям рельсов и взаимно

параллельны. Вектор F, определяющий направление движения центра масс крана, совпадает с осью его пути.

/ / —1

-O+л •O^l

Оз

F

о

F

X

а)

Y —

fy1

F lO3O4

т" 3 F

F \ а

_ 4 F

f . 4

б)

Рис. 4. Схема четырёхколёсного крана

Если выполняется условие а! = а2 = а3 = а4 = а, то при движении крана его конструктивные элементы 10!02 и 10304 перемещаются параллельно самим себе и под углом а к оси подкранового пути. В случае невыполнения условия равенства углов а!, а2, а3, а4 хотя бы в одном случае, возникает ситуация, в схематичном виде представленая на рис. 5.

При движении крана будет наблюдаться следующий эффект. Обе стороны крана 10!02 и 10304 пройдут одно и тоже расстояние SO. Но сторона 10!02 будет двигаться по окружности радиуса ROlO2 переместится на центральный угол QO\O2

Qo

Sn

180

R

O1O2

А сторона lO3O4 переместится на центральный угол

Q

S

O3O4

где Яозо4 = <», т.е. Qo

= 0 .

180 л

l

Y

1

2

L

3

4

L

п

а)

Рис. 5. Схема четырёхколёсного крана с перекосом колёс с одной стороны

Следовательно, сторона 10102 развернется относительно стороны /0304 на угол Q0102. Вследствие этого возникает изгиб рамы крана, что приводит при движении крана к развороту стороны 10304 на некоторую угловую величину. Таким образом, когда не выполняется равенство углов а1, а2, а3, а4 движение крана осуществляется по окружности большого радиуса. Причём последовательно установленные колёса, формирующие окружность меньшего радиуса, будут «забегать», т.е. оказывать воздействие на два других в смысле движения по окружности. Осюда можно определить возможные сочетания (в общем случае), формируемые последовательно расположенными колёсами (рис. 6).

Рассмотренная теория получила практическое подтверждение при измерениях геометрических параметров на кранах Волгодонской и Балаковской АЭС. Методики реализованы в пяти заявках на патенты [2, 3].

Поступила в редакцию

а)

Рис. 6. Схема четырёхколёсного крана с перекосом колёс

Сформирована математическая модель на основе теорем об изменении момента количества движения и об изменении главного момента количеств движения системы (они характеризуют поступательное и вращательное движение тела соответственно).

Литература

1. Краны грузоподъёмные. Основные положения расчёта. ГОСТ 28609-90. М.: Изд-во стандартов. 1990. 8 с.

2. Пимшин Ю.И., Пимшин И.Ю., Наугольнов В.А. Способ диагностики геометрических параметров ходовой части мостовых кранов: пат. 2382347 С1. Опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5.

3. Способ диагностики геометрических параметров ходовой части мостовых кранов радиального действия / Ю.И. Пимшин, И.Ю. Пимшин, В.А. Наугольнов: полож. реш. 05.10. 2009г. по заявке № 2008145825/11(059883) от 19.11.2008.

18 февраля 2010 г.

Пимшин Юрий Иванович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Прикладная геодезия», Ростовский государственный строительный университет. Тел. 8-(8632) 27-73-95. E-mail: geodez@aaanet.ru

Наугольнов Владимир Андреевич - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Прикладная механика», Волго-донский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-(86392)-5-04-87. E-mail: nvavdn@vttc.donpac.ru

Пимшин Иван Юрьевич - ассистент, кафедра «Прикладная геодезия», Ростовский государственный строительный университет. Тел. 8-(8632) 27-73-95. E-mail: geodez@aaanet.ru

Pimshin Yuri Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Engineering Geodesy», Rostov State Building University. Ph. 8-(8632) 27-73-95. E-mail: geodez@aaanet.ru

Naugolnov Vladimir Andreevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Applied Mechanics», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-(86392)-5-04-87. E-mail: nvavdn@vttc.donpac.ru

Pimshin Ivan Yurievich - assistant, department «Engineering Geodesy», Rostov State Building University Ph. 8-(8632) 27-73-95 E-mail: geodez@aaanet.ru_

УДК 528.48

ОЦЕНКА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ХОДОВОЙ ЧАСТИ МОСТОВЫХ КРАНОВ

© 2010 г. Ю.И. Пимшин , В.А. Наугольнов , И.Ю. Пимшин

Ростовский государственный строительный университет

Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Rostov State Building University

**Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Предложен способ контроля геометрических параметров ходовой части кранов кругового действия, устанавливаемых в реакторных отделениях атомных станций.

Ключевые слова: кран мостового типа; диагностика геометрических параметров ходовой части.

A method of controlling the geometrical parameters of the running gear of cranes circular installed in the reactor compartments of nuclear power stations.

Keywords: crane bridge type; diagnosis of geometrical parameters of running gear.

В последние несколько лет в технической литературе уделяется значительное внимание теме диагностики полярных мостовых кранов, устанавливаемых в реакторных отделениях АЭС с реактором ВВР-1000. Интерес ученых и производственников обусловлен тем, что полярный кран является одной из наиболее сложных технологических механизмов, специфика которого определяется его массой, габаритами, особенным движением, местом установки и выполняемыми работами.

Нами рассматривается проблема диагностики ходовой части полярного крана. Отметим, что известные технологии диагностики не обеспечивают получение объективной информации о геометрических параметрах ходовой части мостовых кранов радиального действия. Это является следствием того, что при изготовлении конструкций кранов радиального действия неизбежно допускаются отклонения от формальных

теоретических значений, например в хордах или сверхнормативные развороты (перекосы) колес или наличие негативного сочетания допустимых разворотов (перекосов).

Предлагается способ диагностики геометрических параметров ходовой части мостового крана, состоящий в следующем: первоначально формируют систему базовых точек, например Г-П-ГГГ-ГУ, располагая их примерно равномерно по окружности и маркируя их на внутренней поверхности стальной диафрагмы защитной оболочки реакторного отделения (рис. 1). Выполняют их координирование, например электронным тахеометром ЕЫа 5-10.

Затем определяют предельные состояния крана. Зафиксировав названные положения, выполняют исследование геометрии в пределах данного интервала L с остановкой крана через некоторые интервалы ^ = = 1/п. Например, п = 3. При каждой остановке крана

последовательно на каждое колесо 1 устанавливают центроискатель 2, имеющий отражающие элементы 3, 4, 5, ось симметрии которых совпадает соответственно с крайними точками данного колеса 1 , находящихся на горизонтальном диаметре и с его осью симмет-

Рис. 1. Схема ходовой части крана кругового действия

3 4 5

-=tn-'-n=il-

I I I

б)

Рис. 2. Схема центроискателя

Выполняют последовательное координирование каждого отражающего элемента 3, 4, 5, например, электронным тахеометром ЕЫа S-10, установленным в помещении ГА-701 реакторного отделения. Причем, координаты прибора определяются по системе ранее сформированных базовых точек Г-П-ГГГ-ГУ путем решения, например, обратной линейно-угловой геодезической засечки. В случае если с одной станции выполнить координирование исследуемых точек всех ходовых колес невозможно, прибор устанавливают несколько раз в наиболее удобных местах для координирования. Полученные результаты измерения выполнены в единой системе координат, которая задается системой сформированных базовых точек Г-ГГ-ГГГ-IV. При обработке результатов измерений вначале определяют координаты оптимального центра крана, по координатам отражающих элементов 4, установленных на центроитескателе 2, ось симметрии которых совпадает с осью симметрии контролируемого колеса 1. Затем вычисляют внутренние радиусы Rв, на которых установлены ходовые колеса, по данным параметрам вычисляют радиальные смещения колес:

ДЯ = Rв - (ЕЯ/п),

где ЕЯ - сумма внутренних радиусов; п - общее количество внутренних радиусов.

Затем определяют расстояния от оптимального центра до крайних точек колес Яр, по данным величинам вычисляют развороты колес: 5Я = Яр(1) - ((Яр(1) + + Яр(2))/2) и 5Я= Яр(2) - ((Яро + Яр(2))/2), где Я^, Яр<2) -расстояния от оптимального центра до крайних точек колес.

Далее на основе вычисленных средних параметров разрабатывают рекомендации на восстановление нормативных характеристик ходовой части крана.

Предлагаемый способ диагностики геометрических параметров ходовой части мостовых кранов кругового действия реализуется путем выполнения измерений лишь координат точек, характеризующих положение каждого ходового колеса, в частности, крайних точек, находящихся на горизонтальном диаметре, и точки, совпадающей с осью симметрии данного колеса, это существенно снижает объем выполняемых измерительных работ, что обеспечивает повышение оперативности получения информации о геометрических параметрах ходовой части крана. Выполнение равноточных измерений однородных величин обеспечивает повышение точности получения искомой информации.

Поступила в редакцию 18 февраля 2010 г.

Пимшии Юрий Иванович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Прикладная геодезия», Ростовский государственный строительный университет. Тел. 8-(8632) 27-73-95. E-mail: geodez@aaanet.ru

Наугольиов Владимир Андреевич - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Прикладная механика», Волго-донский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-(86392)-5-04-87. E-mail: nvavdn@vttc.donpac.ru

Пимшии Иван Юрьевич - ассистент, кафедра «Прикладная геодезия», Ростовский государственный строительный университет. Тел. 8-(8632) 27-73-95. E-mail: geodez@aaanet.ru

Pimshin Yuri Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Engineering Geodesy», Rostov State Building University. Ph. 8-(8632) 27-73-95. E-mail: geodez@aaanet.ru

Naugolnov Vladimir Andreevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Applied Mechanics», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-(86392)-5-04-87. E-mail: nvavdn@vttc.donpac.ru

Pimshin Ivan Yurievich - assistant, department «Engineering Geodesy», Rostov State Building University Ph. 8-(8632) 27-73-95 E-mail: geodez@aaanet.ru

УДК 666.117.9.038.8

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ШЛАКОСИТАЛЛОВ ПУТЕМ ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС

© 2010 г. Е.А. Яценко, Е.Б. Земляная, Н.Н. Ефимов, И.С. Грушко, А.С. Косарев

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Рассмотрена актуальная на сегодняшний день проблема утилизации золошлаковых отходов тепловых электрический станций. Предложена ресурсосберегающая технология шлакоситаллов, что особенно своевременно в условиях нехватки недорогих качественных строительных материалов. Разработка технологии находится на начальном уровне, исследовательские работы продолжаются.

Ключевые слова: шлакоситаллы; ресурсосбережение; отходы ТЭС; стеклокристаллические материалы; ситаллы.

The paper deals with an urgent challenge to date recycling ash of thermal power stations. In this regard, the authors of articles offered shlakositallov resource-saving technology that is particularly timely in the context of the shortage of affordable high-quality building materials. Development of technology is at the primary level, research work continues.

Keywords: shlakositalli; resourssavings; waste TPS; glasskristals materials; sitalli.

Одной из ключевых задач современной промышленности строительных материалов и особенно тепловой энергетики являются исследования в области создания ресурсосберегающих технологий переработки золошлаковых отходов ТЭС. Подобные исследования уже несколько лет являются тенденцией развития новых научных методов как в Российской, так и в мировой науке. Накопление значительных масс твердых отходов во многих отраслях промышленности обусловлено существующим уровнем технологии переработки соответствующего сырья и недостаточностью его комплексного использования. Удаление (транспортирование) отходов и их хранение (устройство и содержание отвалов и шламонакопителей) являются дорогими мероприятиями. На металлургических производствах, ТЭС и углеобогатительных фабриках затраты на них составляют примерно 8 - 30 % стоимости производства основной продукции. Между тем в отвалы и шламохранилища ежегодно поступают огромные массы вскрышных пород и отходов обогащения и переработки минерального сырья. В них накоплены различные горные породы (известняки, кварциты, доломиты, огнеупорные глины и др.), золошлаковые отходы ТЭС, металлургические шлаки и другие материалы. Наряду с этим уровень оперативной утилизации отходов является низким: в хозяйст-

венный оборот вовлекается только пятая часть шлаков цветной металлургии, 10 - 12 % золошлаковых отходов, менее 4 % отходов углеобогащения, что ведет к нарастанию массы складируемых отходов. В то же время, значительная часть твердых отходов промышленных предприятий может быть эффективно использована в народном хозяйстве. Так, строительная индустрия и промышленность строительных материалов ежегодно добывают и потребляют около 3,5 млрд т нерудного сырья, большая часть которого может быть заменена промышленными отходами. Задача утилизации промышленных отходов тем более актуальна, что организация производства продукции на их основе требует затрат в 2 - 3 раза меньших, чем для соответствующих производств на основе специально добываемого природного сырья. Кроме того, увеличение комплексности использования минерального сырья при одновременном решении задач защиты биосферы способствует сокращению потребления ряда его видов [1].

В настоящее время можно констатировать, что с использованием золы уноса и золошлаковых смесей из отвалов в России работают заводы и предприятия, построенные в середине прошлого века, в условиях, когда промышленное домостроение только создавалось. Это, прежде всего, заводы по производству изделий из золобетона плотной и ячеистой структуры в

г. Курахов, Свердловск, Пермь, Нижний Тагил, Ангарск, Тульская область и др. В настоящее время во многих странах, в том числе в России, накоплен достаточно большой опыт применения золошлаковых материалов во многих отраслях [2].

По своему физико-химическому и агрегатному составу золошлаковые отходы являются уникальным материалом для полезного использования в различных отраслях с получением значительных экологических эффектов. Всего известно более 300 технологий использования золошлаковых отходов. При этом требования санитарии, включая радиологический аспект, золошлаковые материалы полностью обеспечивают, что подтверждено заключениями центра гигиены и санитарии и сертифицированными лабораториями контроля качества [2, 3].

Минеральная часть твердого топлива составляет 30 - 50 % от массы сжигаемого угля на российских ТЭС. Для сравнения, в странах Европы считается допустимым топливо зольностью около 2 %. Золош-лаковые отходы ТЭС участвуют в процессе сжигания, тем самым, проходят термическую обработку, затем охлаждаются и сбрасываются на золоотвалы, занимая все большую и большую площадь, отведенных для этого земель. Утилизацией отходов практически никто не занимается.

Анализ работы только одной станции (Новочеркасской ГРЭС) показывает, что она производит 0,70 -1,00 млн т золошлаковых отходов в год, а в отвалах сконцентрировано около 46,0 млн т отходов. Перерабатывается или продается сторонним потребителям только 20 - 25 тыс. т золы-уноса в год. В то время как ЗШО продолжают накапливаться на полигонах, увеличивая проблемы с оплатой ущерба окружающей среде, а также требуя все новых площадей под их складирование. Эта проблема не является проблемой местного значения. Она является общемировой.

Ежегодно потребление угля увеличивается на 1,7 % и к 2020 г. составит 117 млрд т, из которых 85 % будут сожжены на ТЭС. В настоящее время на ТЭС минеральная составляющая угля используется слабо. Она лишь проходит балластом все стадии технологического процесса станции, влияет на снижение КПД. Уходя в золошлакоотвалы, отходы наносят огромный урон экологии Земли. Так, например, в год в мире выбрасывается 150 млн т летучей золы и других вредных веществ.

В России около 70% всей электроэнергии вырабатывается при сжигании твердого топлива - углей, сланцев, торфа, в результате чего образуется около 50 млн т в год отвалов золошлаковых смесей.

В результате деятельности тепловых электростанций, использующих в качестве основного топлива уголь, на территории Российской Федерации ежегодно образуется более двадцати миллионов тонн золош-лаковых отходов, являющихся серьезным источником загрязнения окружающей среды регионов.

К концу 2008 г. в отвалах ТЭС находилось свыше 1,2 млрд т таких отходов, а уровень их утилизации составляет только около 10 %. Поэтому использование отходов от сжигания твердого топлива - это не

столько вопрос экономии материальных ресурсов, сколько проблема возрастающего загрязнения окружающей среды и, следовательно, здоровья нации.

Разработанная ресурсосберегающая технология шлакоситаллов может использоваться при производстве строительных материалов. Разработка новых и улучшение имеющихся технико-экономических характеристик производства шлакоситаллов скажется на повышении потребительского спроса и расширении их использования.

В связи с вышеизложенным синтез таких стекло-кристаллических материалов, как шлакоситаллы, которые массово могут использоваться в качестве отделки цоколей зданий и сооружений, лестничных пролетов и лестничных маршей является чрезвычайно актуальным и эффективным способом утилизации отходов сжигания твердого топлива, что особенно актуально для Южного федерального окуруга, являющегося базовым в России по добыче угля и выработке электроэнергии путем его переработки. Шлакоситаллы - стеклокристаллические материалы, получаемые из расплавов шлаковых стекломасс путем направленной гетерогенной кристаллизации. Эти материалы обладают высокими показателями прочности на сжатие, образивной стойкости, морозо- и химической стойкости, превосходящими керамику и обуславливающими исключительную конкурентоспособность шлакоситаллов в современном мире искусственных материалов [4, 5]. Целью дальнейших исследований является управление моделированием структуры технических шлакоситаллов на основе природного и техногенного сырья, установление особенностей их формирования в зависимости от качественного и количественного состава используемых шлаков, выявление механизма кристаллохимических превращений в различных фазах шлакоситалла.

Другим актуальным направлением синтеза стек-локристаллических композиционных материалов является синтез композиционных стеклокристалличе-ских покрытий с заданными физико-химическими свойствами для различного спектра сталей и сплавов.

В связи с этим как с научной, так и с практической точки зрения большой интерес представляет собой разработка ресурсосберегающей технологии стеклокристаллических материалов (шлакоситаллов).

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка составов шлакоситаллов с использованием золошлаковых отходов Несветай ГРЭС.

2. Исследование свойств синтезированных материалов, а именно химическая стойкость, плотность, прочность на удар, на сжатие, износостойкость.

3. Разработка теоретических основ технологии шлакоситаллов.

Для реализации поставленных задач был проведен аналитический обзор и патентный поиск, в ходе которых было установлено, что в основном при производстве шлакоситаллов используются металлургические шлаки. Шлак, полученный при сжигании твердого топлива ТЭС, существенно отличается от состава металлургических шлаков высоким содержанием

SiO2, А1203, Fe2Oз.

В работе используется золошлаковый отход ОАО Несветай ГРЭС. Химический состав золошлакового отхода приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав золошлакового отхода Несветай ГРЭС

Содержание компонентов отхода, % (по массе)

SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 Na2O K2O MnO SO3 P2O5

57,07 16,80 10,38 3,53 1,90 0,93 2,56 4,54 0,10 0,14 0,14

Поскольку золошлаковый отход Несветай ГРЭС содержит достаточно большое количество А1203, что повышает тугоплавкость расплава, возникает необходимость введения в состав шихты легкоплавких соединений для снижения температуры плавления. Рекомендуется также в качестве катализаторов использование сульфидов тяжелых металлов, ТЮ2, Сг203, MgO, Р205, СаР2 и др. Присутствие в расплаве Са способствует улучшению текучести шлака, для достижения этого в состав шлакоситаллов вводился СаСО3.

При выборе модификаторов руководствовались не только их положительным влиянием на свойства синтезируемых шлакоситаллов, но и их стоимостью и доступностью.

На основании этих выводов были рассчитаны составы шлакоситаллов, представленные в табл. 2.

Плавку составов осуществляли в шамотных тиглях в электрической печи с силитовыми нагревателями.

С целью определения температуры плавления данных стекол плавку составов проводили при разных температурах. Результаты эксперимента представлены в табл. 3. Анализируя табл. 3, было установлено, что температура плавления синтезированных стекол составляет 1500°С, выдержка при максимальной температуре 40 мин. Также установлено положительное влияние СаСО3 на качество стекла, т.к. стекла, составы которых содержат минимальное количество СаСО3 или не содержащие его вообще имеют неудовлетворительное качество (составы №10, 13, 15, 20), а стекла, в которых СаСО3 присутствует в количестве не менее 15% имеют удовлетворительные показатели качества.

Таблица 2

Шихтовые составы синтезированных стекол для шлакоситаллов

№ состава Содержание сырьевых материалов, % (по массе)

шлак CaCO3 Cr2O3 Li2CO3 MgCO3 магнезит CaCO3-MgCO3 доломит Перитные огарки MnO2 Fe2O3

1 70 20 10 - - - - - -

2 75 15 10 - - - - - -

3 80 10 10 - - - - - -

4 70 15 10 5 - - - - -

5 70 20 5 5 - - - - -

6 80 - - - 20 - - - -

7 80 20 - - - - - - -

8 80 15 - 5 - - - - -

9 80 - - - - 20 - - -

10 80 - - 5 - 15 - - -

11 80 15 - - - - 5 - -

12 80 15 - - - - - 5 -

13 80 10 - 5 - - - - 5

14 80 10 - 5 - - - 5 -

15 80 - - - - 15 5 - -

16 80 - - - - 10 10 - -

17 80 - - - - 15 - - 5

18 80 15 - - - - 5 - -

19 80 10 - - - - 5 5 -

20 80 5 - 5 - - 5 5 -

21 80 5 - 5 - - 10 - -

Таблица 3

Общая характеристика синтезированных стекол

№ Температура Качество провара № Температура Качество провара

состава плавки t, °С* стекла**, балл состава плавки t, °С* стекла**, балл

1300 1 1300 3

1 1400 2 12 1400 4

1500 2 1500 5

1300 1 1300 1

2 1400 2 13 1400 2

1500 2 1500 2

1300 1 1300 2

3 1400 2 14 1400 3

1500 2 1500 3

1300 1 1300 1

4 1400 1 15 1400 1

1500 2 1500 2

1300 1 1300 2

5 1400 2 16 1400 2

1500 2 1500 3

1300 2 1300 2

6 1400 2 17 1400 3

1500 3 1500 3

1300 3 1300 2

7 1400 5 18 1400 2

1500 5 1500 2

1300 2 1300 3

8 1400 3 19 1400 4

1500 4 1500 5

1300 1 1300 2

9 1400 2 20 1400 2

1500 2 1500 2

1300 1 1300 1

10 1400 1 21 1400 2

1500 2 1500 2

1300 4

11 1400 4

1500 5

Примечание. * - время выдержки при максимальной температуре 40 мин; ** - 1 балл - отсутствие блеска, непровар; 2 балла - удовлетворительный блеск, отсутствие гомогенности стекломассы; 3 балла - удовлетворительный блеск, наличие пузырей и застывшей пены; 4 балла - хороший блеск, наличие пузырей; 5 баллов - хороший блеск, однородная стекломасса без видимых включений.

Кроме того, отрицательное влияние на качество синтезированных стекол оказывает присутствие пе-ритных огарков (составы №16, 18, 20, 21). Данные составы характеризуются обилием застывшей пены на их поверхности.

Наибольшие удовлетворительные результаты были получены для стекол составов № 7, 11, 12, 19.

Эти составы в дальнейшем лягут в основе синтезируемых шлакоситаллов, свойства которых также будут изучены.

Реализация разрабатываемой технологии позволит создать новые строительные материалы с улучшенными технико-экономическими свойствами, а также уменьшить нецелевое использование пахотных земель

под отвалы отходов, как следствие из этого, сократить выделение в окружающую среду пыли, газов, выделяющихся из отходов.

Применение подобных материалов в строительном комплексе России будет способствовать совершенствованию механизмов рационального природопользования. Разработка и внедрение ресурсосберегающей технологии шлакоситаллов не имеют разумной альтернативы для обеспечения долгосрочного устойчивого развития экономики России и сохранения окружающей среды для будущих поколений.

Литература

1. Трофимов Б.Я., Шумилин Ф.Г. Побочные продукты промышленности - ценное сырье для производства строитель-

Поступила в редакцию

ных материалов // Экологическая технология: межвуз. сб. научн. трудов. Свердловск: УПИ им. С.М. Кирова, 1984. С. 95 - 102.

2. Ржаницин Ю.П., Баталин Б.С. Использование производ-

ственных отходов в строительстве и на предприятиях строительной индустрии - важное направление в повышении эффективности капитального строительства на западном Урале // Экологическая технология: межвуз. сб. научн. трудов. Свердловск: УПИ им. С.М. Кирова, 1984. С. 102 - 107.

3. Нехорошее А.В., Цетелаури Г.И., Хлебионек Е. Ресурсосберегающие технологии керамики, силикатов и бетонов. М.: Стройиздат, 1991. 488 с.

4. Технология строительного и технического стекла и шла-коситаллов/ В.В. Полляк, П.Д. Саркисов, В.Ф. Солинов и др. М.: Стройиздат, 1983. - 432с.

5. Химическая технология стекла и ситаллов / под ред. Н.М. Павлушкина. М.: Стройиздат, 1983. 432 с.

18 февраля 2010 г.

Яценко Елена Альфредовна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркассий политехнический институт). Тел. (8635) 255220. E-mail: e_yatsenko@mail.ru

Земляная Елена Борисовна - канд. техн. наук, ст. преподаватель, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркассий политехнический институт). Тел. (8635) 255220. E-mail: fl.elena@rambler.ru

Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Грушко Ирина Сергеевна - магистрант, Южно-Российский государственный технический университет (Ново-черкассий политехнический институт). Тел. (8635) 255220.

Косарев Андрей Сергеевич - ассистент, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8 (8635) 255-671. E-mail: Zmeelov-86@mail.ru

Jatsenko Elena Alfredovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255220. E-mail: e_yatsenko@mail.ru

Zemljanaja Elena Borisovna - Candidate of Technical Sciences, senior lector, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255220. E-mail: fl.elena@rambler.ru

Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Grushko Irina Seregeevna - magistrant, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255220.

Kosarev Andrey Sergeevich - assistant, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 (8635) 255-671. E-mail: Zmeelov-86@mail.ru