Технология получения композиционных материалов на основе многокомпонентного техногенного сырья

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 67.02: 622.271                                  

Баткенская область Киргизской Республики является областью где советское время интенсивно функционировал Хайдарканский ртутный и Кадамжайский сурьмяный комбинаты, производящие ртуть и сурьмы высокой чистоты и при этом сбрасывая в отвалы огромное количество отходов переработки минерального сырья, в составе которых присутствует ртуть и сурьма содержащие твердые отходы.

Анализ отечественной и зарубежной научной литературы показывает, что получение из техногенного сырья композиционных материалов с заданными эксплуатационными свойствами (прочность, долговечность, декоративный внешний вид и т. д.) в большинстве случаев невозможно известными способами. Необходимы новые технологические подходы к процессам массоподготовки, формированию структуры изделий, сушки, обжига, придания необходимой цветовой гаммы и др. для формирования на основе природного и техногенного сырья композиционных материалов (КМ). Поэтому производство КМ на основе многокомпонентного природного и техногенного сырья является актуальной научно-технолгической задачей [1-3].

Доступность и низкая стоимость сырья, малые энергетические, транспортные и накладные расходы, снижающие себестоимость композитов, и, вместе с тем, высокие договорные цены и спрос на внутреннем и внешнем рынках создают предпосылки для увеличения объемов их производства. Главной причиной, сдерживающей развитие производства композитов с использованием многокомпонентного сырья (МС), является недостаточная разработанность научных и технологических основ их получения:

не установлены взаимосвязи между характеристическими функциями, параметрами процессов изготовления композитов и их эксплуатационными показателями; не определены критерии выбора связующих;

не учтены факторы сложности и изменения химического состава, фазовой неоднородности, негативного влияния отдельных компонентов сырья;

не разработаны способы получения композитов на основе минерального и техногенного МС без дополнительного применения связующих; не обеспечена экологическая безопасность производства КМ.

Указанные проблемы представляются актуальными перспективными в развитии науки и технологий. Поскольку в развитии строительной [4, 5], энергетической, приборо- и машиностроительной [6], авиационной [7] и др. отраслях значительную роль играют многокомпонентные композиционные материалы, которая заключается не только в возможности замены различных металлов и сплавов, а также в повышении надежности и долговечности деталей узлов машин, работающих в экстремальных условиях эксплуатации [8-10].

Материал и методы исследования

Введение в матрицу различных наполнителей-модификаторов: волокнистых, дисперсных, минеральных и других ресурсов и материалов (особенно низкоразмерных), существенно повышает физико-технологические характеристики КМ и позволяет управлять эксплуатационными свойствами получаемых многокомпонентных гетерогенных композиционных материалов [8, 11, 12]. В этой связи существенно возрастает роль материаловедческих разработок и исследований Важным является изучение влияния наполнителей, получаемые из природных и техногенных отходов, включающих два и более компонентов с различными физико-механическими свойствами, размерами и геометрией частиц, в том числе микро и ультрачастиц, на развитие процессов структурной модификации КМ [11-13].

Масштабность задач существенно возрастает в связи с необходимостью утилизации огромных количеств многокомпонентного техногенного сырья для решения серьезных экономических, экологических и социальных проблем регионов КР. Всего на территории Киргизской Республики в отвалах и хранилищах накоплено более 6,0 млн т. твердых отходов, в том числе токсичных и канцерогенных около 1,0 млн т.

Результаты анализа научной литературы [1-15] и патентного поиска [9], методов синтеза КМ и влияния степени высокой дисперсности частиц наполнителей на физико-механические свойства композитов позволили сформулировать научную гипотезу о возможном управлении и интенсификации процессами структурообразующих процессов кристаллизации, происходящих на стадии термообработки [14], спекания композита [11-13].

Целью настоящего исследования являлась разработка научно-технологической основы переработки различных видов многокомпонентного природного и техногенного сырья промышленности цветной металлургии КР, разработка технологии получения композиционных материалов (КМ) на их основе и установление закономерностей структурного формирования КМ.

Для достижения этой цели нам необходимо поэтапно определить целевой функции процесса получения композитов и установление ее связи с основными физикотехнологическими параметрами на основе неравновесной термодинамики и эксплуатационными показателями техногенных отходов с помощью термодинамического анализа состава многокомпонентного техногенного сырья, фазовых и химических превращений компонентов в процессе термообработки и спекания композиционной шихты и исследование термокинетических процессов переработки сырья при получении композиционных материалов, что позволяет установить физико-технологические критерии прогнозирования технических свойств КМ [14].

В дальнейшем необходимо оптимизации процессов получения композитов путем компьютерного моделирования с учетом квазиравновесности процесса образования КМ.

Установление зависимостей между составом, структурой и свойствами КМ позволяет обеспечить высокие потребительские свойства изделий путем оптимизации технологических принципов их производства.

Теоретической и методологической основой наших исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области композиционного материаловедения, неравновесная термодинамика, физика разрушения композитов, системный и термодинамический анализ.

Работа выполняется с применением теоретико-методологических основ композиционного материаловедения в системе: рецептура, технология – кинетика - структура – свойства.

При проведении исследований используется физико-химические методы оценки характеристик структуры и свойств, методы планирования эксперимента, регрессионного и корреляционного анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.

Авторами настоящей работы определены состав техногенных отходов Кадамжайского сурьмяного комбината(КСК) КР в лабораторных образцах, а также в опытно-промышленных масштабах. В дальнейшем будут разработаны технологические регламенты, в наработанных образцов и в опытно-промышленных масштабах.

Экспериментальная часть (Результаты и обсуждение)

В качестве объектов исследования рассмотрены промышленные отходы предприятий цветной металлургии Баткенской области КР. Исследовались технологические пробы отходов КСК. В работе использовались стандартные методы исследований сырьевых материалов и готовых изделий, а также прецизионные методы анализа структуры и свойств сырья и композитных материалов на их основе. Дисперсность частиц исходного сырья определялась пипеточным (ГОСТ 21216.2-93) и ситовым методами анализа.

Для проверки годности техногенных отходов КСК на предмет получения композитов необходимо провести анализ вещественного состава шлака, что проводились химическим и спектрометрическим способами. Вещественный состав твердых отходов производства, глинистых пород и добавок определялся валовым и химическими анализами (Таблица).

Таблица.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Наименование сырья	Массовая доля компонентов, % (на абсолютно сухое вещество)
	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	CaO	MgO	Na 2 O	K 2 O	Sb	ппп
КСК	62,3	3,92	3,88	6,82	2,05	1,21	0,15	1.2*10-2	10.9
	78.3	5.12	4.96	7.95	1.81	1.28	0.12	1.6*10-2	9.85
	71.9	4.38	4.15	7.83	1.78	1.15	0.18	2.1*10-2	8.81
	70.83	4.47	4.33	7.53	1.88	1.21	0.15	1.63*10-2	9.85

Из данных Таблицы видно, что основными компонентами проб являются двуокись кремния — 70,83%, кальцит — 7,53% и глинистые компоненты — 10,68%. Так как исследуемые пробы являются отходами сурьмяного производства, то необходимо определить количества токсичных элементов (Zn, Pb, Cu, Cd) в твердом веществе. Исследования показали, что Zn, Cd отсутствуют, а Pb, Cu не превышает предельно-допустимой нормы.

Для исследования на радиации отходов комбината использовали бета-радиометр РУБ-01П6, блок детектирование БДКГ — 03П, измерительный прибор УИ-38П2. Полученные результаты показывают, что:

естественный фон – 0,8мкЗв/ч;

активность песка - 0,19мкЗв/ч, т.е. активность песка намного меньше, чем значение естественного фона. Таким образом пески(отходы) обогатитетльного комбината Кадамжайского комбината может быть использованы в качестве добавки в производстве цементного клинкера.

В качестве примера для получения КМ использовались следующие материалы: портландцемент марки 1Щ500 производства ОАО «Южно-киргизский цемент» и белый портландцемент марки М-6ОО. Минеральная часть проектировалась из следующего состава: фракционированный кварцевый двуокись кремния из отходов КСК с фракцией 0,2-0,6 мм с содержанием фракций: 0,2-0,4 мм — 20-30%, фракции 0,4-0,6 мм — 70-80%; измельченный каменный порошок , имеющий средний размер частиц 20-100 мкм.

Определение эксплуатационно-технологических свойств образцов и изделий производилось в соответствии с требованиями действующих стандартов (ГОСТ 7025-91 и др.) [16-18].

Экспериментальные данные, полученные для бетонов показывают, что водопоглощение обычных бетонов на 20% больше, чем бетон полученный с использованием микрочастиц кремнезема отходов КСК. При этом бетоны с микрочастицей кремнезема обладают низким водопоглощением — не более 1,2, то есть, использованный размерно активированный модификатор позволяет улучшить качество структуры бетона, увеличив его плотность за счет увеличения однородности распределения пор и уменьшения их размеров.

На основе экспериментальных исследований разработаны методологические принципы создания размерно-модифицированных высокопрочных бетонов и определены следующие управляющие параметры:

• -рецептурные — количество компонентов (портланцемент высокой марки, наполнитель, размерный модификатор, пластификатор) и прочность на границе раздела «состав и размер частиц наполнителя - цементноминеральная матрица»;

• -технологические — время продолжительности и интенсивность перемешивания компонентов, температура и интенсивность тепловлажностной обработки и режимный фактор введения низкоразмерного модификатора.

Таким образом, при формировании композитов основными параметрами являются вышеуказанные параметры и оптимизация удельной площади частиц оксида кремния приводит к достижению эксплуатационных показателей КМ на необходимый уровень и обеспечить его многофункциональность.

В дальнейшем с целью выявления области существования оптимальных функциональных свойств композиционного материала будут исследованы интервал концентраций наполнителя (1-15%).

Заключение

Таким образом исследованы возможности использования отходов КСК для получения КМ и установлены влияния основных рецептурных и технологических факторов на процессы формирования, свойства размерномодифицированного бетона-наполнителя, позволяющие установить рациональные режимы варьирования рецептурно-технологических факторов.