CC BY
38
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 622.257.1
А. В. Исаенко, Т. И.„Александрова
ВЛИЯНИЕ ТОНКОСТИ ПОМОЛА НЕГАШЕНОЙ ИЗВЕСТИ НА ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ШЛАКО-ИЗВЕСТКОВЫХ АВТОКЛАВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Приведен анализ способов закладки вертикальных горных выработок и экологических последствий их некачественной закладки. Обоснована необходимость разработки технологии закладки вертикальных горных выработок твердеющими бетонными смесями на основе отходов топливно-энергетической промыптенности. Представлены методика исследований и зависимость коэффициента фильтрации шлако-известковых закладочных материалов от тонкости помола негашеной извести.
Ключевые слова: автоклавная обработка, вертикальные горные выработки, закладка, коэффициент основности, коэффициент фильтрации, негашеная известь, тонкость помола, топливный шлак.
A. V. Isaenko, T. I. Alexandrova
Effect of quicklime grinding fineness on the filtration properties of slag-lime autoclave materials
There are performed analysis of methods of vertical mine workings backfill and envi-ronmental consequences due to defective backfill. It is explained need for developing of technology of backfill of vertical mine workings hardening concrete mix based on a waste of fuel and energy industry. There are offered method of researches and data on dependence of filtration coefficient of slaglime backfill materials 011 fineness of grinding of quicklime.
Kev words: autoclaving, vertical mine workings, backfill, basicity coefficient, filtration coefficient, quicklime, fineness of grinding.
fuel slag.
В связи с реструктуризацией угольной промышленности в России было закрыто 188 угольных шахт, в том числе в Кузбассе - 43 шахты и ликвидировано 157 вертикальных стволов. При этом требования нормативных документов [1], обязывающих производить закладку ликвидируемых вертикальных выработок безусадочным и водоупорным материалом, не соблюдались: все стволы были либо просто перекрыты изолирующей перемычкой в устьевой части, либо засыпаны горелой породой или глиной. Такой подход привел к значительному' нарушению экологии Кузбасса и даже к гибели людей.
Причиной несоблюдения требований нормативных доку ментов при закладке стволов послу жило отсутствие
ИСАЕНКО Алексей Владимирович - к.т.н., доцент Кузбасского государственного технического университета. E-mail: [email protected]
АЛЕКСАНДРОВА Тамара Игоревна - Кузбасский государственный технический университет.
недорогого и эффективного способа закладки вертикальных выработок безусадочным и водоупорным материалом. Выполненный в КузГТУ анализ известных способов закладки выработанного пространства показал, что все они разработаны для закладки горизонтальных и наклонных горных выработок, обладают значительной трудоемкостью и стоимостью, вследствие использования дорогостоящих закладочных материалов и технологических приемов, и для закладки вертикальных выработок не пригодны.
В связи с вышесказанным представляется акту альным разработка технологии закладки вертикальных горных выработок дешевыми местными закладочными материалами на основе отходов топливно-энергетичес-кого комплекса, для этого необходимо установить особенности процесса формирования в вертикальной горной выработке закладочного техногенного массива на основе отходов топливно-энергетической про мыт Л С нности.
Настоящее исследование выполнялось с целью изучения фильтрационных свойств автоклавного
материала на основе дешевого вяжущего из шлака топливных предприятий Кузбасса и извести и возможности его применения для закладки вертикальных горных выработок.
Известно, что на физико-механические свойства автоклавных материалов оказывает влияние степень дисперсности его компонентов.
Для обеспечения реакции на поверхности зерен большое значение имеет дисперсность компонентов вяжу щего, так как чем меньше размер зерен, тем быстрее заканчивается формирование цементирующей связки. Во всех работах, посвященных изучению влияния тонкости помола компонентов автоклавных вяжущих, показано, что уменьшение размера зерен приводит к улучшению физико-механических свойств автоклавных материалов. Согласно Боженову П И. |2|. зерна менее 0,16 мм следует рассматривать как составляющие вяжущего, но при очень тонком измельчении частицы вяжущего слипаются между собой, и наблюдается обратный эффект. В экспериментах использовали молотый шлак фракций «- 0,16» и известь двух фракций «- 0,16» и «- 0,08».
Существенное влияние на физико-механические свойства автоклавных материалов так же оказывают параметры его автоклавной обработки, которые при исследовании принимали следующими: выдержка
образцов перед автоклавной обработкой - 4 часа, продолжительность подъема давления водяного пара
- 0,75 часа; выдержка образцов при максимальном давлении - 6 часов, продолжительность спуска давления до атмосферного - 5 часов. Максимальное давление водяного пара при автоклавной обработке принимали равным 0,9 МПа, поскольку7 при меньшем давлении автоклавный синтез практически не происходит, а создание более высокого давления в вертикальной горной выработке затруднительно. Указанные параметры автоклавной обработки смеси являются рациональными и наиболее часто рекомендуемыми.
При проведении лабораторных испытаний образцы изготавливали в лабораторном автоклаве АЛ, предназначенном для проведения физикохимических обработок различных веществ и материалов нейтральными, кислыми и щелочными растворами при повышенной температуре и под давлением.
Обработку вели по заданному температурному графику. Подъем и спуск температуры регулировали с помощью реостата. Давление контролировали с помощью манометра, установленного на автоклаве.
Для испытания применяли бетонные образцы-цилиндры с диаметром О = 150 мм и высотой Н = 150 мм. Отклонения для всех образцов не превышали ± 0,5 мм.
Для испытаний использовали молотый шлак Кемеровской ТЭЦ со следующим химическим составом: 810. - 55,80 %, А1,0, - 18.10 %, Бе20, - 15,00 %, СаО
- 3,00 %, FeO - 1,40 %, MgO - 1,30 %, SO, - 1,05 %. Химический состав используемой негашеной извести первого сорта: СаО - 94,00 %, MgO - 1,99 %, Si О., - 1,00 %, А120, - 1,05 %, Fc,0, - 1,07 %, SO, - 0,5 %.
Составы шлаков электростанций и негашеной извести могут существенно отличаться в зависимости от места их получения. Соответственно, при составлении рецептуры смеси нельзя оперировать абсолютными весовыми или объемными компонентами смеси. При составлении рецепту ры смеси использовали коэффициент основности К , который характеризует способность смеси связываться в моносиликат кальция и рассчитывается по формуле (1) [2]:
тг _ (CaO + 0,93MgO + 0,6R20)-(045AbQj + 0,35FeiCb + OJS03) К°ш= 0,93siOi 0?
где СаО + 0,93 MgO + 0,6R20 - общее (валовое) содержание «условной» СаО, %; (0,55Al20,+0,35Fe20,+0 ,7SO,) - количество СаО, связываемой соответствующими окислами и не участвующей в образовании силикатов, %; 0,93 SiO. - количество СаО для связывания Si02 в моносиликат кальция, %.
Для испытаний использовали водопроводную воду. Для приготовления образцов шлак и известь перематывали до необходимой тонкости помола. Все компоненты смеси взвешивали на электронных весах с точностью измерения 0,01 г. Для приготовления образцов сухой молотый шлак и известь перемешивали до однородного состояния, после чего в смесь добавляли воду. Полученную смесь перемешивали, заполняли ею форму, помещали в автоклав и производили автоклавную обработку.
Каждая серия с учетом возможной отбраковки состояла из 10 образцов. Если на поверхности образцов имелись трещины шириной более 0,1 мм, раковины размером более 5 мм или другие дефекты, связанные с плохим уплотнением бетонной смеси, то они испытаниям не подвергались. Если число образцов, признанных негодными, составляло более двух, браковали всю серию.
Образцы испытывали сразу после их охлаждения до комнатной температуры. Зазор между приготовленными к испытаниям образцами и металлическими обоймами заливали расплавленным битумом. Перед началом испытаний проверяли образцы на надежность герметизации и дефективность путем оценки характера фильтрации инертного газа (воздуха), подаваемого при избыточном давлении 0,1 - 0,3 МПа к нижнему торцу образца, на верхний торец которого был налит слой воды.
При удовлетворительной герметизации боковой поверхности образцов в обойме и отсутствии в нем дефектов фильтрация газа наблюдалась в виде равномерно распределенных пузырьков, проходящих через слой воды.
А. В. Исаенко, Т. И. Александрова. ВЛИЯНИЕ ТОНКОСТИ ПОМОЛА НЕГАШЕНОЙ ИЗВЕСТИ НА ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ШЛАКО-ИЗВЕТКОВЫХ АВТОКЛАВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
При неудовлетворительной герметизации боковой поверхности образцов в обойме или при наличии в образцах крупных дефектов фильтрация газа наблюдалась в виде обильного местного выделения в дефектных местах.
Дефекты герметизации боковой поверхности устраняли повторной герметизацией образцов. При наличии в образце отдельных крупных фильтрующих каналов образцы заменяли другими. Образцы в обоймах крепили в поворотных гнездах установки и к их торцевой поверхности подавали воду. Установка позволяла собирать профильтровавшуюся воду, не допуская ее испарения. Вода, применяемая для испытаний согласно ГОС-Ту 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия», была предварительно дезаэрирована путем кипячения более 1 ч и не содержала агрессивных и кольматирующих частиц.
Давление увеличивали ступенями по 0,1 МПа с выдержкой на каждой ступени 1 ч. Подъем давления прекращали при появлении фильтрата и при достигнутом давлении определяли коэффициент фильтрации.
Для каждого образца измеряли количество профильтровавшейся воды 6 раз. Первое измерение проводили через 1 ч после начала фильтрации, при этом прирост количества профильтровавшейся воды при трех последовательных измерениях с интервалом 30 мин не должен был превышать 20 %. Дальнейшие замеры производили каждые 30 мин.
Измерение количества фильтрата проводили объемным методом, собирая воду, прошедшую через образец.
Значение коэффициента фильтрации вычисляли по формуле (2) [3]:
<95
Кф = 11
ЗсЛР
-К
мать равным 0,8 - 1,2. Для предотвращения фильтрации между водоносными горизонтами закладочный материал для вертикальных горных выработок не должен обладать очень низким коэффициентом фильтрации.
На первой стадии экспериментов изготавливали образцы с негашеной известью фракции «-0,16», коэффициентом основности К = 0,8 и водовяжущим отношением 0,5 (так как при таком ВВО тесто легко изготавливается, и избыточная вода не оказывает влияния на механические свойства материала). Образцы являлись водоупорами, поэтому значение коэффициента основности снижали с шагом 0,1 до получения материала не водоупорного материала.
На второй стадии экспериментов использовали негашеную молотую известь фракции « 0.08». коэффициент основности смеси принимали равным 0,5, т. к. это минимальное значение, при котором образцы являлись водоупорами с использованием извести более крупной фракции. Образцы являлись водоупорами, поэтому значение коэффициента основности снижали с шагом 0,1 до получения не водоупорного материала.
Фрагмент результатов испытаний представлен в таблице.
Графическая иллюстрация результатов исследования представлена на рис. Над пунктирной линией расположены значения коэффициента фильтрации
Таблица
Коэффициент фильтрации испытанных образцов
(2)
Кос„ Фракция Кф, м! сут Примечание
0.8 -0.16 0.00007 Водоупор
0.7 -0.16 0.00014 Водоупор
0.6 -0.16 0.00049 Водоупор
0.5 -0.16 0.00063 Водоупор
0.4 -0.16 0.04092 Не водоупор
0.5 -0.08 0.00021 Водоупор
0.4 -0.08 0.00084 Водоупор
0,3 -0.08 0.00237 Не водоупор
где Кф - коэффициент фильтрации, см/с; 5 - толщина образца, см (5 = 15 см); Л' - площадь образца, см2 (S = 177 см0); т - время, в течение которого измеряется объем фильтрата, с; АР = Р} - Р2 - разность давления на входе Р и выходе Р из образца (Р принимают равным избыточному давлению в системе установки, а Р2 = 0 при условии свободного истечения фильтрата с поверхности образца); г| - коэффициент, учитывающий вязкость воды при различной температуре (т. к. температура воды составляла 20 С принимали т| = 1,0); к - коэффициент, учитывающий влияние диаметра образца (т. к. диаметр образцов составляет О = 15 см принимали к = 1).
Вычисленные значения коэффициента фильтрации К, для серии образцов выписывали в возрастающем порядке, после чего вычисляли среднее значение коэффициента фильтрации Кф как среднеарифметическое результатов определения для третьего и четвертого образцов.
Согласно рекомендациям [2], коэффициент основности для автоклавных материалов необходимо прини-
Кф,
м/сут
Рис. Зависимость коэффициента фильтрации Кф от тонкости помола извести и коэффициента основности Косн:
1 - фракция извести - «-0Д6»; 2 - фракция извести -«-0,08»
образцов, не являющихся водоупором.
Тонкость помола негашеной извести значительно влияет на фильтрационные свойства автоклавного материала, уменьшение крупности частиц с 0,16 мм до
0,08 мм может уменьшить коэффициент фильтрации в 48 раз. При этом для получения водоупорного материала коэффициент основности можно сократить с 0,5 до 0,4, при этом сокращается расход извести на 8,12 %.
На практике целесообразно использовать негашеную известь более тонкого помола, т. к. затраты на более тонкий помол не значительны, но при этом сокращается расход самого дорогого компонента закладочной смеси
- извести.
Результаты проведенных исследований позволят определить рациональные параметры закладочной смеси для получения водоупорного массива и разработать на
их основе технологии закладки вертикальных горных выработок автоклавными вяжущими на основе отходов топливно-энергетических предприятий и извести.
Литература
1. Инструкция о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами. РД 07-291-99 / Федеральный горный и промышленный надзор России. - М.: ГУП “НТЦ “Промышленная безопасность”, 2002. - 17 с.
2. Боженов П. И. Технология автоклавных материалов : Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций». - Л. : Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. - 368 с.
3. ГОСТ 12730.5-84 Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. - М.: Издательство стандартов, 1994. -10 с.
г
>ДК 621.791:620.17-034.14 М. Н. Сивцев, И. Т. Саввинов
СКЛОННОСТЬ К ЗАКАЛКЕ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ СВАРКЕ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ
Рассмотрены вопросы склонности к Закалке низколегированных сталей при сварке при температуре -40° С. Проверены корреляция расчетных показателей с экспериментальными. Показано удовлетворительное совпадение максимальной твердости при содержании углерода 0,15-0,18%.
Ключевые слова: дуговая сварка, низколегированные стали, максимальная твердость, закалка, мартенсит, углерод, бейнит, погонная энергия, холодные трещины, зона термического влияния,
M. NSivtsew I. T. Savvinov
Susceptibility to tempering of lowalloy steel during a process of welding in winter time
It is studied the issues of susceptibility to tempering of low-alloy steel during a process of welding at -40° C. Correlation between calculated and experimental indices is examined. Satisfactory coincidence of the maximum hardness is shown for the level of carbon at 0,15-0.18%.
Key words: arc welding, low-alloyed steels, the maximum hardness, training, martensite, carbon, bainite, running energy, cold cracks, thermal influence zone.
СИВЦЕВ Михаил Николаевич - к.т.н., с.н.с. отдела сварки и металлургии ИФТПС СО РАН.
E-mail: [email protected]
САВВИНОВ Иван Трофимович - н.с. отдела сварки и металлургии ИФТПС СО РАН им. В. П. Ларионова.
Образование холодных трещин в сварных соединениях низколегированных сталей зависит от структуры зоны термического влияния (ЗТВ), уровня остаточных напряжений и распределения диффузионного водорода [1, 2|. Стали различного химического
состава при одинаковом содержании диффузионного
