Особенности наноструктурированной матричной модели цементного клинкера при плазмохимическом синтезе

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 Mechanics and Material 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 жидкофазовые 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 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO ^mnDK

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, рентгенофазовый анализ - дифрактометр ДРОН-3М, химический по ГОСТ 5382-91, рентгеноспектральный - ARL9900 Oasis I ntelliPower 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 С^ 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, трехкальциевого 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-

(¿ i  $ 'uli 1000 нм , Ы

ISPP'l

1000

Рис.1. Структура (*1140) цементного клинкера, полученного в условиях низкотемпературной плазмы на основе

некондиционного сырья в течение 120 с

Структура цементного клинкера, полученного в та приходится на ранние этапы термообработки, в

условиях НТП, является равномерно-зернистой и последующем осуществляется их уменьшение - кри-

представлена наноразмерными минералами алита и сталлизируются наноразмерные новообразования

белита. Морфология алита характеризуется вытяну- минералов.

^ с

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 дифференциальнотермический 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 155Са0Mg052SЮ2, 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

о

I____,____I____,____I____,____I____,____I____,___1_

О 100 200 300 400 500

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

___I____,___I____,___I____,___I .______I

600 700 800 900 1000 и 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 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 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 CзS (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 ПО-125 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 плазмохимической технологии, что по традиционной технологии невозможно.

1. Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К, Позднякова Н.А. Физикохимические 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. Электро-плавленые цементы // Технология и свойства специальных цементов / НИИЦемент. М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1967. С.445-450.

УДК 622.232.8.004

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