CC BY
14Бессмертный В. С., проф., д-р техн. наук, Пучка О. В., проф., канд. техн. наук, Кеменов С. А., доц., Бондаренко Н. И., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Табит Салим Аль - Азаб, канд. техн. наук Университет «Аден»
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ СТЕНОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ОТХОДАМИ СТЕКЛОБОЯ И ОТХОДАМИ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ КМА
В статье рассмотрены особенности технологических процессов плазменной обработки стеновых строительных материалов. Исследовано влияние воздействия плазменного факела на процессы, формирующие защитно-декоративное покрытие на лицевой поверхности изделий из бетона.
Ключевые слова: плазменная обработка, химические свойства, защитно-декоративные покры-
В связи с ухудшением экологической обстановки в нашей стране остро стоит задача утилизации и промышленного использования различных отходов промышленности, в том числе и горнодобывающей.
Вступление в силу в 2012 году технического регламента таможенного союза запрещает вторичное использование стеклотары, как на территории России, так и Казахстана и Беларуси. Только на территории России ежегодно выпускается более 15 млрд. шт. бутылок и еще столько же заводится из стран ближнего зарубежья.
Поэтому интенсивное использование отходов промышленности и запрещенной к вторичному использованию стеклотары в промышленности строительных материалов является перспективным направлением повышения качества и конкурентоспособности отечественной продукции.
Промышленность строительных материалов является энергоемкой отраслью промышленности, где энергозатраты в общей стоимости продукции могут достигать 40%. В связи с этим дальнейшее расширение использования энергосберегающих источников энергии, в частности низкотемпературной плазмы, для повышения качества и конкурентоспособности продукции является актуальной задачей [1].
В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом проводятся исследования по разработке инновационных технологий с использованием факела низкотемпературной плазмы. В этих работах убедительно подтверждена эффективность использования плазменных технологий, позволяющих существенно снизить энергозатраты и повысить эксплуатационные характе-
ристики и эстетико-потребительские свойства изделий [2-7].
Аналогичные работы в области получения защитно-декоративных покрытий проводились на базе БГТУ им. В.Г. Шухова [8-10].
В работе изучалась макро- и микроструктура стекол покрытия и подложки, а также их химический состав до и после плазменной обработки. Макро- и микроструктуру покрытия и подложки изучали с помощью оптической микроскопии а фазовый состав элементов расстек-ловывания - рентгенофазовым анализом.
Химический состав стекол определяли рентгенофлуоресцентным спектрометром серии ARL 9900 Workstation со встроенной системой дифракции Швейцарской фирмы «Thermo Scientific».
Зерновой состав напыляемых частиц стекла определяли при их распылении в резервуар с водой. Затем гранулы извлекали из воды, высушивали и подвергали ситовому анализу.
Толщину декоративных покрытий определяли микрометром, а глубину выколок в поверхностном слое стеклоизделий - оптическим микроскопом МБС-8. Перед исследованиями поперечные срезы образцов пришлифовывались. Микроскопические съемки производили микро-фотонасадкой МФН-5.
Водостойкость определяли в соответствии с ГОСТ 10134.1 по методу А.
Термическую стойкость стеклоизделий с декоративными покрытиями оценивали по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 30407, а термостойкость декоративного покрытия - методом нагрева образцов в муфельной печи с последующим остыванием в воде до начала момента разрушения (появления микро-
трещин).
Микротвердость декоративного покрытия определяли на микротвердомере ПМТ-3.
Прочность сцепления покрытия с подложкой определяли методом отрыва. Для этого эпоксидной смолой приклеивали стержень с известной площадью контакта, а затем стержень от покрытия отрывали. Для повышения адгезии эпоксидной смолой к стеклянному покрытию его поверхность протравливали в ИБ в течение 5 - 10 с, а затем промывали в воде и сушили.
Нанесение покрытия и оплавление поверхности силикатных материалов производили на электродуговом плазмотроне УПУ-8М (рис.1).
Универсальная установка УПУ-8М снабжена плазменными горелками ГН-5Р для нанесения покрытия из порошковых материалов и керамических стержней, порошковым дозатором, пультом управления, источником питания ИПН 160/600, системой газоснабжения и водо-охлаждения, пусковой педалью.
Для оплавления поверхностей керамических материалов использовали горелку ГН-5Р с измененной конструкцией сопла (диаметр выходного отверстия составлял 20 мм).
Эта горелка состоит из двух корпусных узлов, изолированных друг от друга. К узлу, соединенному с плюсом источника питания, крепится сменное сопло горелки. В верхнем корпусе, соединенном с минусом источника, крепится вольфрамовый электрод.
Для получения покрытия из силикатных материалов использовали порошковый способ. В качестве плазмообразующего газа можно использовать азот, аргон, гелий и их смеси с водородом.
Гелий в чистом виде применяют редко из-за его дефицитности, высокой стоимости и большой электропроводности. Последнее свойство вместе с большим теплосодержанием приводит к быстрому нагреву и разрушению электродов. Плазма, образованная азотом, обладает высоким теплосодержанием, однако дает значительные тепловые нагрузки на электроды, что также приводит к быстрому их разрушению. Применение водорода возможно лишь при напылении оксидных материалов, не восстанавливающихся в его атмосфере при температуре плазменного факела. Кроме того, водород обладает большой теплопроводностью и взрывоопасен.
По воздействию на напыляемый материал и стекловидную подложку аргон является наиболее благоприятным агентом. Учитывая также большую стойкость электродов в аргоновой плазме, требования техники безопасности, сравнительно небольшую его стоимость и устойчи-
вость напыляемых веществ в его факеле, нами для проведения эксперимента использовался аргон марки А (ГОСТ 19157-62).
Перед плазменным напылением порошки стекол и отходов обогащения железистых кварцитов мололи в шаровых мельницах и рассеивали на ситах.
Для плазменного напыления пригодна фракция 20-60 мкм.
Схема процесса плазменного напыления стеклопорошков и отходов обогащения железистых кварцитов КМА представлена на рис. 1. В качестве подложки использовали стеновую керамику, блочное пеностекло, изделия из легкого бетона.
+
Рис. 1 Схема процесса плазменного нанесения покрытий
1- плазменная горелка, 2- поток расплавленных частиц стеклопорошка, 3- подложка, 4- защитно-декоративное покрытие Химический состав стекол и отходов обогащения железистых кварцитов КМА представлен в табл.1
Технологическая схема глазурования стеновой керамики, блочного пеностекла и легкого бетона представлена на рис. 2.
Технологические параметры и свойства защитно-декоративных покрытий представлены в табл. 2.
Разработанная технология является энергосберегающей, высокопроизводительной и рекомендуется к внедрению на предприятиях промышленности строительных материалов.
Таблица 1
Химический состав стекол, используемых для глазурования керамических изделий
и отходов КМА
Массовое содержание **, мас.%
бЮ2 Л120з СаО Ыа20 к2о Б03 Ге203
Сортовое зеленое, окрашенное хромом 72,7 - 6,8 15,0 2,0 0,5 0,05
Сортовое синее, окрашенное кобальтом 68,6 6,3 9,3 14,8 1,0 - 0,05
Оконное 71,8-72,4 1,8-2,2 6,4-6,8 14,5-14,9 14,5-4,9 0,3-0,4 0,2
Витринное неполированное 71,6 0,5 7,9 15,2 15,2 0,4 0,5
Сортовое бесцветное 71,7 1,0 6,0 13,0 4,0 0,5 0,10
Отходы обогащения железистых кварцитов 65,02 2,21 2,7 0,9 0,6 0,48 11,34
* СодержаниеСг203 в сортовом зеленом стекле составило 1,0%, СоО в сортовом синем стекле - 0,002%. ** Кроме того, в сортовом зеленом стекле содержалось 2,0% М^О, в отходах 4,97°%М£0
Рис. 2. Технологическая схема глазурования изделий из керамики, блочного пеностекла и легкого бетона
Таблица 2
Наименование показателей Напыление стеклопорошка Напыление отходов КМА Напыление с одновременным оплавлением
Параметры напыления
Скорость оплавления, см/сек 2 2 10
Мощность, кВт 9 9 12
Расход плазмообразующего газа аргона, л/мин 25 25 30
Толщина покрытия, мкм 200 200 100
Прочность сцепления покрытия с основой, МПа: Легкий бетон Стеновая керамика Блочное пеностекло 0,15 1,2 0,6 0,18 1,4 0,7 1,2 2,4 0,9
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Высокотемпературная отделка бетона стекловидными покрытиями / Баженов Ю. М. [и др.]. - М.: Изд. АСВ, 2005. 28с.
2. Нарцев В.М., Прохоренков Д.С., Осипенко Н.В., Зайцев С.В., Евтушенко Е.И. Исследование свойств TIOX-покрытий формируемых с использованием вакуум-плазменных технологий // Фундаментальные исследования. 2012. №11. С.1195-1200.
3. Saucedo E.M., Perera Y.M., Robles D., 2012. Plasma assisted novel production process of glass-ceramic spheres in the quaternary system CAO-SIO2-AL2O3-MGO Ceramics International. 4: 3161-3165.
4. Bolelli G., Lusvarghi L., Manfredini T., Siligardi C., 2007. Devitrification behaviour of plasma-sprayed glass coatings. Journal of the European Ceramic Society, 2(3): 623- 628
5. Yao Y., Mofazzal Hossain M., Watanabe T., Tsujimura T., Funabiki F., Yano T., 2008. Effects of feed rate and particle size on the in-flight melting behavior of granulated powders in induction thermal plasmas. Thin Solid Films. 19: 6622-6627.
6. Бессмертный В.С. Бондаренко Н.И., Ляшко А.А., Панасенко В.А., Антропова И.А.
Энергосберегающая технология плазменного глазурования изделий из бетона // Успехи современного естествознания. 2011. №6. С.45.
7. Пучка О.В., Минько Н.И., Степанова М.Н., Наумова Я.Г. Разработка композиционного теплоизоляционного стеклокомпозита с защитно-декоративным покрытием по лицевой поверхности // Керамика и огнеупоры. 2010. № С.181-185.
8. Бессмертный В.С., Бондаренко Н.И., Стадничук В.И., Вдовина С.Ю. Получение защитно-декоративных покрытий на изделиях из бетона методом плазменного напыления // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. №2. С. 121-123.
9. Bolelli G., Cannillo V., Lusvarghi L., Manfredini T., Siligardi C., Bartuli C., Loreto A., Valente T., 2005. Plasma-sprayed glass-ceramic coatings on ceramic tiles: microstructure, chemical resistance and mechanical properties. Journal of the European Ceramic Society. 11: 1835-1853.
10. Пучка О.В., Минько Н. И., Степанова М.Н. Разработка неорганических декоративно-защитных покрытий для теплоизоляционного пеностекла // Техника и технология силикатов. 2009. №2. С.9-10.
