CC BY
137
Таким образом, мы показали, что, несмотря на дискретность используемого нами универсального метода описания и вычисления поверхностей, существует возможность достижения требуемой точности вычисления поверхностей как при создании новой, так и при импорте уже существующей геометрии из других САПР.
Библиографический список
1. Филлипов В.А. Основы геометрии поверхностей оболочек пространственных конструкций. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 192 с.
2. Гаер М.А., Калашников А.С., Шабалин А.В., Квадратичные формы при моделировании сборок с допусками // Материалы региональной научно-практической конференции «Винеровские чтения». Иркутск, 2004. С. 64-68.
3. Ли К. Основы САПР(CAD/CAM/CAE). СПб.: Питер, 2004. 560 с.
УДК 621.43
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ ПОРШНЕЙ ДВС МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ
© Н.Ю. Дударева1, С.А. Загайко2, Р.В. Кальщиков3
Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000, Россия, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12.
Приведены результаты теоретического исследования возможности снижения теплонапряженного состояния поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) посредством формирования на днище керамического защитного слоя методом микродугового оксидирования (МДО). Результаты основаны на имитационном моделировании ДВС и конечно-элементном расчете в ANSYS. Показано, что модифицирование поверхности указанным методом позволяет снизить температуру под днищем поршня, что ведет к снижению его теплонапряженности и повышению надежности. Ил. 3. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; микродуговое оксидирование; поршень; теплонапряжен-ность.
THEORETICAL STUDY OF POSSIBILITY TO DECREASE THERMAL STRESS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE PISTONS BY MICROARC OXYGENATING METHOD N.Yu. Dudareva, S.A. Zagaiko, R.V. Kalschikov
Ufa State Aviation Technical University, 12 Karl Marx St., Ufa, 450000, Russia.
The article presents the results of theoretical studies of the possibility to decrease the heat-stressed condition of internal combustion engine pistons by means of ceramic protective layer formation in the bottom by the method of microarc oxygenating (MAO). The results are based on ICE simulation modeling and final-element calculation in ANSYS. It is shown that surface modification by the specified method allows to reduce the temperature under the piston bottom that decreases its thermal stress and improves reliability. 3 figures. 10 sources.
Key words: internal combustion engine; microarc oxygenating; piston; thermal stress.
Введение. При сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) выделяется большое количество тепла. Часть его уходит с отработавшими газами, другая часть передается в стенки головки, гильзу цилиндра и поршень. Если бы конструкция поршня не позволяла отводить тепло от днища в юбку поршня, то поршень довольно быстро перегревался бы, терял работоспособность и
прогорал. Прогаром обычно называют разрушение поверхностного слоя днища поршня, которое происходит в результате жесткой работы двигателя с высоким градиентом нарастания давления в рабочей камере и высокой температурой. Возникновение этого дефекта начинается с того, что на поверхности днища поршня появляются следы температурного воздействия в виде термических трещин, которые при дальнейшем
1Дударева Наталья Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей внутреннего сгорания, тел.: 89177512549, e-mail: natalia_jd@mail.ru
Dudareva Natalya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Internal Combustion Engines, tel.: 89177512549, e-mail: natalia_jd@mail.ru
2Загайко Сергей Андреевич, кандидат технических наук, докторант, доцент кафедры двигателей внутреннего сгорания, тел.: 89174077021, e-mail: zenith_sz@mail.ru
Zagaiko Sergey, Candidate of technical sciences, Competitor for a Doctor's degree, Associate Professor of the Department of Internal Combustion Engines, tel.: 89174077021, e-mail: zenith_sz@mail.ru
3Кальщиков Роман Владимирович, аспирант кафедры двигателей внутреннего сгорания, тел.: 89173889941, e-mail: roman_for_work@mail.ru
Kalschikov Roman, Postgraduate of the Department of Internal Combustion Engines, tel.: 89173889941, e-mail: ro-man_for_work@mail.ru
развитии переходят в обширную и глубокую эрозию, охватывающую иногда всю поверхность днища (рис.1). Прогар поршня может также стать причиной повреждения стенки цилиндра, так как способствует образованию задиров и наволакиванию материала поршня на гильзу.
Рис. 1. Прогар днища поршня [3]
Проблема борьбы с прогаром поршней наиболее актуальна для дизельных двигателей. Это связано с тем, что давление и температура газов при сгорании в дизеле выше, чем у бензинового двигателя, в результате чего увеличивается количество теплоты, передаваемой стенкам камеры сгорания через поршень. Например, поршень бензинового двигателя воспринимает около 3% выделяющегося в цилиндре тепла, а поршень дизеля - 5-8% тепла [8]. Однако и на бензиновых двигателях явление прогара не является редкостью.
Основные современные тенденции двигателе-строения связаны с увеличением мощности двигателей с одновременным стремлением к снижению их массы, что приводит к ещё большему увеличению тепловой напряжённости поршней и, как следствие, возникновению прогаров и образованию термических трещин. Очевидно, что снижение вероятности возникновения прогаров на поршнях является актуальной проблемой современного двигателестроения.
Вопросом уменьшения теплонапряжённости поршней по мере развития технологий двигателестроения занимались различные НИИ и отдельные группы учёных [2, 9]. Основные методы, которые предлагаются для снижения тепловой напряжённости поршней, следующие:
• создание плазменных керамических покрытий на днище поршней напылением оксидов металлов типа А1203 или Zr2Oз;
• напыление металлокерамических смесей и композиционных материалов;
• изготовление керамических накладок.
У вышеперечисленных методов есть как свои достоинства, так и недостатки. Так, при плазменном напылении оксидов металлов получаемые покрытия обладают рядом положительных свойств, таких как низкая теплопроводность и высокая жаростойкость.
Но в то же время, в качестве недостатков можно назвать малую адгезионную прочность на поршневых сплавах и низкую термостойкость, что приводит к отслоению покрытия от поверхности поршня в процессе работы.
При напылении металлокерамических смесей и композиционных материалов формируются покрытия керметного состава, обладающие значительной термопрочностью, надёжностью и работоспособностью. Применение в качестве металлической связи в керме-тах алюминия, меди, никеля, молибдена и других компонентов позволяет повысить коэффициент термического расширения, адгезионную и термическую прочность, улучшить структуру и качество покрытий. Существенным недостатком применения металлической связи является повышение коэффициента теплопроводности покрытия [6].
Общим недостатком, объединяющим все вышеописанные покрытия, можно назвать сложность нанесения покрытия методом плазменного напыления на поверхности, не имеющие прямого доступа. Недостатком керамических накладок является также ненадежность их соединения с материалом поршня, а также ввиду разности коэффициентов теплового расширения, имеется большая вероятность отслоения таких накладок.
Авторы статьи считают, что наиболее эффективными методами, которые могли бы создать конкуренцию вышеперечисленным, являются методы модификации поверхностей, при которых может создаваться оксидный керамический слой с высокой термостойкостью, прочно сцепленный с основой материала поршня. Наиболее подходящим из таких методов является технология микродугового оксидирования (МДО).
Цель данной работы заключается в исследовании возможностей снижения теплонапряжённости поршней ДВС путём формирования на днище модифицированного слоя методом МДО.
Основная часть. Для оценки возможности использования МДО с целью снижения теплонапряжён-ности поршня рассмотрим условия работы его днища. В зависимости от типа и быстроходности двигателя на эту часть поршня действуют знакопеременные температурные нагрузки при постоянном их контакте с агрессивными жидкими и газовыми средами. Амплитуда температуры находится в пределах от 0°С (средняя температура топливовоздушной смеси), до 2000-2500°С (средняя температура отработавших газов). Кроме этого, на днище поршня циклически действует повышенное давление газов порядка 8-10 МПа. Вследствие воздействия повышенной температуры у материала поршня может наблюдаться изменение механических свойств. Так, если температура поршня достигает 300 °С, то у алюминиевых сплавов наблюдается снижение длительной и кратковременной твёрдости в 3 и 1,5 раза соответственно, предела прочности при растяжении - в 4,5 раза, условного предела текучести - в 2 раза и предела длительной прочности - в 2 раза [4].
На основании этого были сформированы требования к поверхности днища поршня.
Основные требования, которым должен удовлетворять материал поршней, следующие:
• достаточные жаропрочность и жаростойкость, допускающие нагрев свыше 300-350°С без резкого падения механических свойств;
• высокий предел выносливости - хорошая сопротивляемость циклическим нагрузкам;
• высокая механическая прочность, обеспечивающая способность поршня работать в условиях ударных нагрузок;
• малый коэффициент температурного расширения;
• хорошая теплопроводность, обеспечивающая интенсивный отвод тепла от соприкасающейся с раскаленными газами головки поршня.
При этом материал, из которого выполняется днище поршня, должен обладать хорошей теплопроводностью для направления теплового потока от поршня в гильзу через кольца. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют алюминиевые сплавы. Однако существует еще ряд требований к поверхности днища поршня, которая должна иметь низкую теплопроводность для удержания теплоты в камере сгорания, что в свою очередь приведёт к повышению рабочего давления в камере сгорания, а следовательно, и к увеличению мощности двигателя.
В общем случае к поверхностям днища поршня, работающим в условиях повышенных температур и формируемым посредством различных способов упрочнения, также предъявляется ряд требований:
• низкая теплопроводность, обеспечивающая сохранение теплоты в камере сгорания;
• достаточная толщина покрытия или модифицированного слоя, гарантирующая его долговечность;
• высокая адгезия покрытия или модифицированного слоя к подложке;
• высокая микротвердость;
• достаточно высокая стойкость против коррозионного воздействия агрессивных газов и образующихся в цилиндре кислот;
• простота химического состава;
• целостность конструкции поршня.
Микродуговое оксидирование на сегодняшний
день является одним из перспективных, но малоизученных методов поверхностного модифицирования, при котором формируется создание покрытий посредством концентрированных потоков энергии. МДО берёт свое начало от традиционного анодирования и соответственно относится к электрохимическому процессу окисления поверхностного слоя в сочетании с электроразрядными явлениями на границе «анод-электролит». Микродуговое оксидирование позволяет получать многофункциональные керамикоподобные покрытия с уникальным комплексом свойств, в том числе износостойкие, коррозионностойкие и теплостойкие поверхностные слои, характеризующиеся высокими эксплуатационными показателями. Суть метода заключается в формировании на поверхности детали под воздействием микродуговых разрядов высокопрочного покрытия (МДО-слоя), состоящего пре-
имущественно из а-А1203 (корунда) и других окислов алюминия [10]. Теплостойкость МДО-покрытий, как и всех покрытий в целом, зависит в первую очередь от теплопроводности материала упрочнённого слоя, толщины и общей пористости [6]. Поскольку МДО-покрытия по своей структуре и составу являются керамическими материалами и обладают достаточно низкой теплопроводностью, их можно использовать как теплостойкие и теплозащитные. Как известно [6], нанесение керамических покрытий на детали цилндро-поршневой группы двигателей позволяет защитить их от высокотемпературной коррозии и снизить температуру металла основы.
Кроме очевидных достоинств формируемых МДО-слоев немаловажными преимуществами обладает сам технологический процесс. К важнейшим преимуществам метода относятся:
• возможность нанесения покрытия на сложно-профильные изделия, внутренние поверхности и скрытые полости;
• получение покрытий толщиной порядка 200250 мкм с адгезией, сопоставимой с прочностью материала подложки; наиболее оптимальный комплекс защитных свойств наблюдается при толщине порядка 100-150 мкм;
• получение покрытий без какой-либо предварительной подготовки поверхности;
• возможность полной автоматизации процесса;
• дешевизна и доступность реактивов и материалов;
• широкие возможности регулирования скорости процесса;
• экологическая безопасность, не требующая использования специальных очистных сооружений и т.д. [10].
Свойства поверхностей, созданных микродуговым оксидированием, в основном определяются их составом и структурой, которые, в свою очередь, зависят от материала обрабатываемой детали, её размеров и времени обработки, состава электролита и режима обработки, а также от установленных параметров рабочего напряжения и плотности тока. Например, покрытия, получаемые на деталях из алюминия и его сплавов в силикатно-щелочных электролитах, имеют, как правило, трехслойную структуру и неравномерное распределение компонентов, отличающихся по химическому и фазовому составу, свойствам и толщине. Обычно они состоят из тонкого переходного слоя, основного рабочего слоя с максимальной твердостью и минимальной пористостью, основной фазой которого является корунд, и наружного технологического слоя, обогащенного алюмосиликатами. С точки зрения повышения теплозащитных свойств наибольший интерес представляет присутствие в МДО-слое а-А1203-корунда. Эта керамика обладает целым комплексом достоинств: температура плавления корунда 2050°С; температура кипения около 3500°С; коэффициент теплопроводности А составляет 30,3+7,58 Вт/(м-К) при температурах 373+2073 К соответственно. Кроме этого, известно, что корунд химически стоек по отношению ко многим химическим реагентам и расплавам и
очень медленно реагирует с растворами щелочей и кислот даже при высоких температурах, в результате чего можно ожидать высокую коррозионную стойкость. Корунд обладает высокой твердостью (9) по минералогической шкале Мооса и микротвёрдостью 19600+22700 МПа, а также практически негигроскопичен.
Для производства поршней ДВС используют сплавы АЛ1, АЛ11, АЛ21, АЛ24, АЛ25, АЛ30, АК21М2, 5Н2,5 (ВКЖЛС-2), кроме этого, согласно ГОСТ 3062098, применяют сплавы КС740, КС741, АК18, ЖЛС, АК10М2Н. Наибольшую популярность для производства поршней в масштабах серийного производства приобрели литейные сплавы АЛ25, АЛ30, АК12. Основные производители цилиндро-поршневой группы ДВС («Камский моторный завод» и «Костромской завод автокомпонентов») изготавливают поршни методом кокильного литья, поскольку при этом методе изготовления достигается удовлетворительный уровень механических свойств, необходимый для эксплуатации поршней по требованиям ГОСТ, при одновременно небольших затратах.
МДО-слои, формируемые на алюминиевых поршневых сплавах с высоким содержанием кремния, таких как АК12Д, АК18 и АК25, имеют мелкокристаллическую структуру. При исследовании рентгеновским методом МДО-слоев на этих сплавах обнаружены: а-А1203, Y-Al2Oз и муллитная фаза А1^6013 (до 70% по объему) [10]. Муллит содержит в своем составе кри-
о
с
360
340
зго
300
280
Рис. 2. Схема для расчета теплового состояния поршня с плоским днищем: а - одномерная модель поршня; б - распределение температур по радиусу и вдоль боковой стенки
поршня [7]
сталлы SiO2 - кристобалита, которые обладают превосходными высокотемпературными теплоизоляционными и теплозащитными свойствами, имеют низкую теплопроводность, высокую стойкость к тепловому удару, стойкость к органическим и минеральным кислотам любых концентраций даже при повышенной температуре. Температура плавления кристобалита составляет 1723°С, теплопроводность - 1,2041+1,4271 Вт/(м-К) при плотности в среднем 2,33 г/см3. Температура длительной эксплуатации фазы SiO2 - 1000°С, при этом выдерживает температуру кратковременного воздействия порядка 1400°С. Коэффициент теплопроводности при 500°С составляет 0,14 Вт/(м-К), при 1000°С - 0,22 Вт/(м-К) [5].
Основываясь на вышеприведенных данных по составу МДО-слоев и свойствах корунда и муллита, можно предположить, что использование МДО-слоев с целью тепловой защиты поршней должно быть эффективным. Для оценки возможности снижения теп-лонапряженности поршней ДВС посредством МДО-слоя был проведен температурный анализ при помощи программы ANSYS. За основу взята схема распределения температур в поршне ДВС с плоским днищем (рис. 2) [7]. Эта схема как нельзя лучше подходит для двигателей, в которых поршень имеет плоское днище с явлениями прогара в центре (см.рис. 1). Коэффициент теплопроводности МДО-слоя принят А=1,1-1,6 Вт/(м2-К) - данные из ранее проведенных исследований. Толщина МДО-слоя является переменным пара-
метром и изменяется дискретно: 20, 40, 60 и 80 мкм -исходя из возможностей процесса МДО и предполагаемой оптимальной толщины покрытия.
Для предварительного расчета были использованы следующие исходные данные: плотность сплава поршня (алюминиевый сплав) 0=2700 кг/м3, для покрытия (корунд) - ,0=3720 кг/м , коэффициент теплопроводности сплава поршня к=230 Вт/(м-К), для покрытия - к=1,4 Вт/(м-К). Температура на днище поршня (в центре) была принята 350оС, на кромке днища -220оС, а по образующей линейно снижалась до 150оС. Результаты расчета приведены на рис. 3.
По результатам проведенных предварительных расчетов можно сделать вывод, что при толщине МДО-слоя в Л=80 мкм наблюдается снижение температуры в днище поршня (вид снизу) по сравнению с поршнем без МДО-слоя. Максимальная температура на днище без МДО-слоя составляет 349,991 оС (рис. 3,а), с МДО-слоем - 327,118оС (рис. 3,б), то есть температура понижается примерно на 22оС. Толщина МДО-слоя влияет на величину снижения температуры и в среднем составляет 2,8оС на 10 мкм.
Незначительное, казалось бы, понижение температуры может значительно повысить надежность поршня.
Обсуждение результатов. Подводя итоги, можно утверждать, что создаваемый теплозащитный МДО-слой на поршневых сплавах способен выдержать тепловой удар до 2500°С, а также значительное число
циклов нагрева-охлаждения без разрушения как материала-основы, так и самого модифицированного слоя. Как показывают расчеты, нанесение на рабочую поверхность днища поршня МДО-слоя расчётной толщиной Л позволит снизить теплонапряжённость самого поршня. Однако это неизбежно приведет к изменению распределения всего количества теплоты, отводимого через другие элементы, образующие камеру сгорания. Предположительно можно спрогнозировать увеличение теплового потока через головку двигателя и составляющие её детали. Возрастет теплонапря-жённость выпускных клапанов, верхнего жарового пояса гильзы цилиндра, а также первого компрессионного поршневого кольца. Поэтому вопросы повышения надежности двигателя в целом нужно решать комплексно.
Согласно математическому моделированию в системе имитационного моделирования "Альбея-ДВС", разработанной на кафедре двигателей внутреннего сгорания Уфимского государственного авиационного технического университета [1], термоизолирование днища способно повысить максимальную температуру газов в камере сгорания примерно на 100°С, что повлечёт за собой увеличение скорости и полноты сгорания топлива, позволит повысить температуру горения и снизить концентрацию СО, С02, СпНт и других углеродсодержащих выбросов в продуктах сгорания. Однако при этом может увеличиться содержание оксидов азота в отработавших газах.
а) б)
Рис. 3. Распределение температурных полей в поршне: а - поршень без МДО-слоя; б - поршень с МДО-слоем толщиной 80 мкм
Выводы. В результате проведённого теоретического исследования можно сделать следующие выводы:
1. Большинство методов, применяемых для теплозащиты поршней, как показывает практика, не способны в полной мере защитить их от возможного возникновения прогаров и термических трещин по причине низкой адгезионной прочности.
2. Основываясь на свойствах МДО-слоев и на анализе математического моделирования, можно предположить, что МДО-слои способны снизить температуру на обратной стороне днища поршня на 20-22оС.
3. В связи с тем что создаваемый теплозащитный МДО-слой на алюминиевых сплавах способен выдержать тепловой удар до 2500°С, а также значительное число циклов нагрева-охлаждения без разру-
шения как материала-основы, так и самого модифицированного слоя, можно предположить, что использование метода микродугового оксидирования в качестве способа термической защиты днища поршня должно привести к значительному повышению его теплозащитных свойств на поршневых алюминиевых сплавах.
Результаты работы были получены в ходе выполнения совместного проекта ФГБОУ ВПО УГАТУ и ОАО «УМПО» «Разработка и промышленное освоение координируемых технологий высокоточного формообразования и поверхностного упрочнения ответственных деталей из Al-сплавов с повышенной конструкционной энергоэффективностью», реализуемого в рамках Постановления Правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 года.
Библиографический список
1. Система имитационного моделирования «Альбея» (ядро). Руководство пользователя. Руководство программиста / В.Г. Горбачев [и др.]. Уфа: Изд. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та, 1995. 112 с.
2. Ждановский Н.С., Никитин М.Д., Зуев А.А. Влияние теплоизолирующего покрытия днища поршня на износостойкость и рабочий процесс двигателя // Энергомашиностроение. 1967. № 5. С.40-43.
3. Компоненты двигателей и фильтры: дефекты, их причина и профилактика [Электронный ресурс] // MAHLE: [сайт]. URL: http://www.mahle-aftermarket.com
4. Лобанов В.К., Чуйкова Е.В. Материаловедческие аспекты выбора технологии изготовления поршней ДВС // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2009. №46.
5. Материалы на основе кремнеземных волокон [Электронный ресурс] // НПО Стеклопластик: [сайт]. URL: http://www.npo-stekloplastic.ru/production/fiber-materials/silica-materials
6. Никитин М.Д., Кулик А.Я, Захаров Н.И. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизеля. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1977. 168 с.
7. Орлин А.С., Круглов М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1984. 384 с.
8. Поршни [Электронный ресурс] // Maestria.ru автомобили марки «ВАЗ»: [сайт]. URL: http://www.maestria.ru/porshnevaya-gruppa/porshni.html
9. Свирский Л.Д. Исследование влияния теплоизоляционных покрытий на тепловое состояние деталей двигателя внутреннего сгорания // Жаростойкие и теплостойкие покрытия. Л., 1969. 496-500 c.
10. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов / И.В. Суминов [и др.]. М.: Техносфера, 2011. 464 с.
УДК 666.9.015.2
ОСОБЕННОСТИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ МАТРИЧНОЙ МОДЕЛИ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА ПРИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ
© Н.К. Скрипникова1, Н.А. Сазонова2
1Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, Россия, г. Томск, пл. Соляная, 2. 2Ангарская государственная техническая академия, 665835, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60.
Установлено, что в условиях низкотемпературной плазмы на основе некондиционного сырья с повышенным содержанием MgO (12,43%) происходит образование цементного клинкера, в структуре которого присутствуют наноразмерные модифицированные минералы алита шириной 90-900 нм, длиной 500 нм-20 мкм и белита с размерами до 2 мкм и отсутствует свободный оксид магния. Структура является равномерно-зернистой. Рост минералов алита и белита приходится на ранние этапы термообработки, в последующем осуществляется их уменьшение. Полученный цемент обладает высокой активностью.
1Скрипникова Нелли Карповна, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной механики и материаловедения, тел.: (3822) 659942, 89131083957, e-mail: nks2003@mail.ru
Skripnikova Nelli, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Applied Мechanics and Мaterial Science, tel.: 8(3822) 659942, 89131083957, e-mail: nks2003@mail.ru
2Сазонова Наталья Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства, тел.: (3955) 678543, 89642267400, e-mail: n.a.sazonova@mail.ru
Sazonova Natalya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Industrial and Civil Engineering, tel.: 8(3955) 678543, 89642267400, e-mail: n.a.sazonova@mail.ru
Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: низкотемпературная плазма; цемент; цементный клинкер; техногенные отходы.
FEATURES OF NANOSTRUCTURED MATRIX MODEL OF CEMENT CLINKER UNDER PLASMOCHEMICAL SYNTHESIS
N.K. Skripnikova, N.A.Sazonova
Tomsk State University of Architecture and Building, 2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia. Angarsk State Technical Academy, 60 Chaikovsky St., Angarsk, 665835, Russia.
It is found that cement clinker is formed on the basis of sub-standard raw material with the increased content of MgO (12.43%) under conditions of low-temperature plasma. The structure of this cement clinker is characterized by the presence of nanodimensional modified minerals of alit with 90-900nm width, 500nm-20|jm length and belit with the sizes up to 2jm length and the absence of free magnesium oxide. The structure is equigranular. The minerals of alit and belit grow at the early stages of heat treatment, later they reduce. The received cement features high activity. 4 figures. 1 table. 6 sources.
Key words: low temperature plasma; cement; cement clinker; technogenic wastes.
К числу основных научно-исследовательских факторов, обуславливающих высокую конкурентоспособность производства строительных материалов и их главного компонента - цемента, относятся инновационные технологические решения, нанотехнологии, рациональное использование сырьевых ресурсов и полнота вовлечения в производство техногенных отходов. Эти факторы открывают спектр возможностей по расширению специальных свойств, увеличению качества производимой продукции и являются критерием уровня развития, совершенствования производства, повышения его экономичности на современном этапе развития. Плазмохимическая технология производства цемента интегрирует представленные факторы, ее особенностью являются интенсивные жидко-фазовые процессы [1]. Морфология минералов цементного клинкера претерпевает значительные изменения при воздействии высококонцентрированных тепловых потоков (3000°С): одни из них перекристал-лизовываются при участии расплава, другие вступают в новые реакции и образуют новые соединения. Направление и механизм этих превращений мало зависит от состава жидкой фазы, но интенсивность их определяется в основном именно количеством и свойствами расплава [2, 3]. В настоящей работе при достижении общей цели - изучение плазмохимического синтеза цементного клинкера - одной из частных задач является исследование особенностей структуры образца, полученного в условиях высококонцентрированных тепловых потоков на основе некондиционного сырья.
В настоящей работе осуществлен синтез цементного клинкера при воздействии низкотемпературной плазмы (НТП) на сырьевую смесь [4], состоящую из
техногенных отходов: отходы дробления доломитизи-рованного известняка (карбонатный компонент) -83,57%; флотационные отходы (алюмосиликатный компонент) - 11,90%; известняк (корректирующая добавка) - 4,53% (таблица). Смесь рассчитывалась по формулам В.А. Кинда.
Химический состав сырьевой смеси характеризуется традиционными силикатным (п=2,65) и глиноземным (р=1,98) модулями, коэффициентом насыщения (КН=0,9). Особенностью сырьевых компонентов является использование отходов дробления доломитизи-рованного известняка с высоким содержанием МдО (12,43%), что затрудняет их использование по традиционным технологиям. Фигуративная точка смеси на диаграмме состояния Са0^Ю2-А1203 расположена в области первичной кристаллизации СаО, в элементарном треугольнике С^-С^-С3А. Это свидетельствует о том, что при охлаждении первыми будут выпадать кристаллы оксида кальция, которые впоследствии израсходуются на синтез кристаллов С^. Наряду с этим из расплава будет осуществляться образование минералов С^ и С3А. Анализ кривых плавкости показал, что смесь является тугоплавкой (п -2030°С), образование 30-40% жидкой фазы, необходимой для синтеза цементного клинкера по традиционным технологиям, происходит в пределах 1680-1800°С. Это превышает на 230-350°С температуру в зоне спекания печи.
Изотермическая выдержка смеси, гранулированной до фракции 5 мм, осуществлялась в специально разработанном плазмохимическом реакторе [5] при температуре 3000°С в течение 110-125 с. Полученные в результате плавления образцы охлаждались со скоростью 2,5°С/с и подвергались физико-химическим
Химический состав компонентов смеси
Компоненты Содержание оксидов, % Сумма
SiO2 AbO3 Fe2O3 CaO MgO Amra
Отходы дробления доломитизированного известняка 4,32 2,19 0,85 38,63 12,43 41,58 100,00
Флотационные отходы 36,28 10,41 6,08 5,03 2,39 39,81 100,00
Известняк 1,02 0,65 0,25 53,60 1,00 43,30 100,00
методам анализа, включающим микроскопические исследования структуры с использованием микроскопа ПОЛАМ-Р312, дифференциально-термический анализ - DERIVATOGRAPH Q-1500D, рентгенофазо-вый анализ - дифрактометр ДРОН-3М, химический по ГОСТ 5382-91, рентгеноспектральный - ARL9900 Oasis IntelliPower X-ray.
Микроскопические исследования показали, что в условиях низкотемпературной плазмы осуществляется равномерный проплав сырьевой смеси, характеризующийся высокой химической однородностью. Об этом свидетельствует отсутствие в структуре (рис. 1) микрообъемов с резко выраженным разграничением алитовых и белитовых участков на поверхности шлифа, что являлось характерным для образцов других нетрадиционных высокотемпературных способов производства цемента [6]. Таким образом, использование высококонцентрированных тепловых потоков, интенсивного ввода энергии позволяет осуществить диффузионное усреднение состава образца в максимально короткий промежуток времени - 110-125 с.
той иглообразной, сферокристаллической формой с размерами: ширина 90-900 нм, длина 500 нм-20 мкм. Белит выкристаллизовался плотной овальной формой с размерами до 2 мкм. В статье представлены результаты физико-химических исследований цементного клинкера, который получен в течение 120 с - оптимального времени для образования максимального количества метастабильных клинкерных минералов, установленного в результате математического планирования эксперимента. С целью систематизации и наглядности изменения размеров метастабильных минералов, представленных фазами CзS и C2S, была произведена статистическая обработка их средних величин при корреляции от времени изотермической выдержки (рис. 2). В качестве среднего размера зерен ортосиликата кальция, имеющего преимущественно округлую форму, принималась их длина, трехкальцие-вого силиката - их толщина как основной показатель варьирования морфологии минералов и их перехода из пластинчатой в иглообразную форму. Из графика видно, что интенсивный рост минералов алита и бели-
Рис.1. Структура (*1140) цементного клинкера, полученного в условиях низкотемпературной плазмы на основе
некондиционного сырья в течение 120 с
Структура цементного клинкера, полученного в условиях НТП, является равномерно-зернистой и представлена наноразмерными минералами алита и белита. Морфология алита характеризуется вытяну-
1600
та приходится на ранние этапы термообработки, в последующем осуществляется их уменьшение - кристаллизируются наноразмерные новообразования минералов.
d, нм 800 600 400
110
115
120
125
t, c
Рис. 2. Варьирование в цементном клинкере размеров зерен алита и белита в зависимости от времени изотермической выдержки в условиях низкотемпературной плазмы
Интерес представляет образование нанострукту-рированной матричной модели цементного клинкера, которое связано с неравновесными условиями НТП, интенсивным минералообразованием, резким нагревом смеси до 3000°С, высоким градиентом температуры при кристаллизации расплава, большей способностью отдавать тепло поверхностью при меньших размерах и малой толщине. Особенностью структуры является отсутствие в матрице промежуточного вещества периклазы, что может быть связано или с дополнительным внедрением оксида магния в химические соединения, или содержанием его в аморфной фазе.
Эти факторы не только оказывают существенное влияние на морфологию минералов, но и способствуют их модификации. Проведенный дифференциально-термический анализ (рис. 3) показал, что синтезируемый цементный клинкер представлен модифицированными фазами алита. В условиях низкотемпературной плазмы при замещении атомов 2Si4+ на 2А13+, Мд2+ образуется 54СаО^Ю2А1203 Мд0. Об этом свидетельствует эндоэффект на термограмме при температуре 825°С. Эндоэффект при 715°С связан с наличием в клинкере 155Са0■Mg0■52SЮ2, синтез которого происходит при замене части Са2+ на Мд2+. При этом на термограмме присутствует экзоэффект при температуре 860°С, свидетельствующий о происходящих процессах расстекловывания аморфной фазы, образование которой осуществляется в результате резкого охлаждения цементного клинкера.
При традиционных технологиях модифицирование
минералов и образование стеклофазы (до 15%) в цементном клинкере минимальны и с использованием ДТА практически не идентифицируются.
В условиях низкотемпературной плазмы за счет мгновенного нагрева и плавления сырьевой смеси осуществляется диспергация зерен, увеличивается активная поверхность взаимодействия частиц с расплавом, совпадают активные формы оксидов SiО2 (600°С) и СаО (800-900°С), что в результате приводит к максимальной реакционной способности смеси и синтезу повышенного количества алита. Подтверждением является рентгенофазовый анализ (рис. 4), в результате которого установлено, что происходит синтез преимущественно С^, в меньшей степени С^.
Рефлексы идентифицируемых фаз характеризуются четкостью и высокой интенсивностью. Наряду с этим на рентгенограммах содержатся дифракционные максимумы, переходящие в фон. Это связано с наличием в цементном клинкере рентгеноаморфной фазы. По результатам химического анализа установлено, что содержание стеклофазы составляет 29-34%. Особенностью рентгенограмм является отсутствие алюмината, алюмоферрита кальция и периклазы. Это может быть связано с неравновесными условиями высококонцентрированных тепловых потоков, приводящих к частичной аморфизации данных соединений, термическому распаду фаз и вступлению выделяющегося при этом СаО в реакцию с С^ с образованием дополнительного количества С^.
о
чС
ОС
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 t, С
Рис.3. Дифференциально-термический анализ цементного клинкера, полученного в условиях НТП на основе
некондиционного сырья в течение 120 с
I | | | | [ I I I I I I I I I I м I I I 1 I I I I I I I I I 1 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 26,°
Рис. 4. Дифрактограмма цементного клинкера, полученного в условиях низкотемпературной плазмы в течение 120 с
В результате физико-механических исследований цемента, полученного на основе плавленого клинкера, установлено, что он обладает прочностью при сжатии 68-84 МПа в возрасте 28 суток. Цемент на основе плавленого клинкера удовлетворяет требованиям ГОСТ 310.3-76 на равномерность изменения объема при твердении образцов при пропаривании и обработке в автоклаве при давлении 2,1 МПа. Высокие прочностные характеристики образцов обусловлены присутствием в структуре наноразмерных клинкерных минералов, содержание которых по данным химического, рентгеноспектрального анализа составляет С^ (60,9-67,1 %), C2S (10,7-11,5%), и повышенным содержанием стеклофазы, процессы гидратации которых в полной мере еще не исследованы.
В результате проведенных исследований установлено, что цементные клинкеры, синтезируемые в
условиях низкотемпературной плазмы в течение 110125 с, имеют монадобластическую структуру, которая представлена преимущественно модифицированными минералами алита (ширина 90-900 нм, длина 500 нм-20 мкм) и белита (менее 2 мкм). В неравновесных условиях высококонцентрированных тепловых потоков образуется химически однородный, равномерный проплав сырьевой смеси, в результате охлаждения которого происходит синтез как кристаллической структуры, так и кристаллитной (29-34 %), включающей алюминатную, алюмоферритную фазы и пери-клазу. Это позволяет использовать некондиционное сырье с высоким содержанием МдО (12,43 %) при синтезе цементного клинкера, полученного по плазмохи-мической технологии, что по традиционной технологии невозможно.
Библиографический список
1. Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К, Позднякова Н.А. Физико-химические процессы при синтезе цементного клинкера с использованием низкотемпературной плазмы // Цемент и его применение. 2008. №5. С.154-156.
2. Бутт Ю.М., Сычев М.М. Химическая технология вяжущих материалов / под ред. В.В.Тимашева. М.: Высшая школа, 1980. 472 с.
3. Тимашев В.В., Альбац Б.С., Осокин А.П. Влияние состава и свойств расплава на процессы жидкофазового спекания портландцементных сырьевых смесей // Журнал прикладной химии. 1976. Т. 49, вып.9. С.1919-1924.
4. Патент РФ №2008107259/03, 26.02.2008. Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К,, Никифоров А.А., Дизендорф Т.Е., Поздня-
кова Н.А., Волокитин О.Г. Сырьевая смесь для получения портландцементного клинкера // Патент России №235829.2009. Бюл. №17.
5. Высокотемпературные способы производства цементного клинкера с использованием низкотемпературной плазмы и электродугового прогрева (Джоулев нагрев) / Г.Г. Волокитин [и др.] // Вестник ТГАСУ. 2008. №4(21). С.106—112.
6. Кравченко И.В., Толочкова М.Г., Дмитриева В.А. Электроплавленые цементы // Технология и свойства специальных цементов / НИИЦемент. М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1967. С.445-450.
УДК 622.232.8.004(075.8)
ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ЭКСКАВАТОРОВ УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА «БАГАНУРСКИЙ»
А.И. Шадрин1, Л. Орхон2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты исследования эксплуатационной надежности карьерных экскаваторов и драглайнов в условиях угольного разреза «Баганурский» (Монголия). Выполнен анализ изменения показателей надежности механизмов и в целом экскаваторов от климатических периодов работы. Установлены закономерности распределения наработки между отказами редукторов подъема и тяги экскаваторов-драглайнов. Сделан вывод о необходимости повышения уровня надежности и эффективности эксплуатации экскаваторов. Ил. 12. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: надежность механизмов; коэффициент готовности; коэффициент технического использования; параметр потока отказов; наработка.
OPERATION RELIABILITY OF MINING SHOVELS FROM BAGANURSKY COAL OPEN-CAST A.I. Shadrin, L. Orkhon
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article provides the results of studying operational reliability of mining shovels and draglines under conditions of "Baganursky" coal open pit mine (Mongolia). The changes in reliability indices of mechanisms and excavators in general
1Шадрин Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 89149150196, е-mail: sai@istu.edu
Shadrin Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mining Machinery and Electro-mechanical Systems, tel.: 89149150196, e-mail: sai@istu.edu
2Лхамжав Орхон, аспирант, тел.: 89500513235, е-mail: Orkhon_Lkha@yahoo.com Lhamzhav Orkhon, Postgraduate, tel.: 89500513235, e-mail: Orkhon_Lkha@yahoo.com
