Обґрунтування параметрів ефективного ультразвукового руйнування граніту з використанням хімічно активних речовин

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обгрунтування параметрів ефективного ультразвукового руйнування граніту з використанням хімічно активних речовин

Спеціальність: 05. 15. 11 - Фізичні процеси гірничого виробництва

УДК 622. 236. 722 : 622. 236. 25

Скиба Галина Віталіївна

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі геотехнологій та промислової екології в Житомирському інженерно-технологічному інституті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Бакка Микола Терентійович, завідуючий кафедрою геотехнологій та промислової екології Житомирського інженерно-технологічного інституту Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Жуков Сергій Олександрович, завідуючий кафедрою промислового і цивільного будівництва Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

кандидат геолого-мінералогічних наук, старший науковий співробітник Баранов Петро Миколайович, професор кафедри мінералогії Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Провідна установа: Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра розробки родовищ корисних копалин.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (49027, Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор С.Ф. Власов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Природні декоративні, облицьовувальні та самоцвітні камені України широко застосовуються в різних галузях народного господарства: Україна має близько 7 відсотків світових запасів каменю (500 мільйонів кубометрів, 300 родовищ), а обсяг виготовлення продукції становить всього 0,4 відсотка від світового рівня. Тому розвиток та освоєння нових методів обробки природних каменів дозволяє значно розширити галузі використання та застосування каменю, знизити вартість кам'яної продукції. Особливо широко використовується в народному господарстві продукція із граніту. Діючі механічні способи видобутку та обробки каменю, зокрема граніту, не забезпечують необхідну якість продукції. Їх застосування вимагає великих енергетичних витрат, викликає певні труднощі в обробці, не забезпечує необхідної точності. Використання ультразвукового способу обробки каменю дозволяє досягнути кращих результатів, що привело до широкого його застосування в гірничому виробництві. Проте, він також не відповідає тим високим вимогам, які поставлені часом, щодо якості поверхні матеріалів та її стійкості в навколишньому середовищі, точності обробки. Серйозним недоліком існуючого способу обробки є невисока продуктивність та швидкість руйнування каменю. Відсутні комплексні дослідження в розробці нових підходів при ультразвуковій обробці граніту з обґрунтуванням ефективних параметрів ультразвукового руйнування. Ультразвуковий спосіб обробки граніту, при якому як домішки до суспензії абразиву застосовують поверхнево-активні речовини (ПАР) забезпечує підвищення інтенсивності видобутку та обробки граніту, кращу чистоту оброблюваної поверхні, точність різання, дає змогу виконувати технологічно складні види робіт. В зв'язку з цим обґрунтування технологічних параметрів ефективного ультразвукового руйнування граніту з використанням хімічно активних речовин як домішок до суспензії абразиву є актуальною науковою задачею, якій присвячена дана дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з тематичним планом науково-дослідної роботи викладачів Житомирського інженерно-технологічного інституту за наказом ректора від 06.02.2001 року, тема №2 а також відповідно до плану держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України (тема “Дослідження явищ, що протікають в структурі вугілля та породах при техногенній та фізико-хімічній дії”, 2001р., реєстраційний номер 0101U001792; тема “Вплив гірничопромислового комплексу на навколишнє середовище, теоретичне обґрунтування заходів по поліпшенню екологічної й техногенної безпеки та розробка і впровадження екологічно чистих технологій і переробки сировини”, 2002р., реєстраційний номер 0102U001343); пріоритетного напрямку розвитку науки та техніки України № 4 “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, відповідно до Постанови Верховної Ради України №2705 від 16.10.1992 року з подальшими її доповненнями, у відповідності з координаційним планом Міністерства освіти і науки України № 39 за фундаментальним нап- рямком “Гірничі науки” в 1998 - 2000 рр.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення та обґрунтування параметрів ефективного ультразвукового руйнування граніту з використанням хімічно активних речовин як домішок до суспензії абразиву при постійних інших параметрах, які дозволять покращити якість поверхні, підвищити продуктивність руйнування граніту та його стійкість в навколишньому середовищі.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішувались наступні задачі:

1) встановити хімічно активні речовини, використання яких як домішок до суспензії абразиву забезпечує максимальну ефективність ультразвукового руйнування граніту та зменшує зношуваність ультразвукового інструменту;

2) на основі експериментальних досліджень визначити ефективну концентрацію хімічної речовини в суспензії абразиву, діапазон ефективних температур суспензії абразиву при постійних інших параметрах ультразвукового руйнування;

3) встановити залежності, які пов'язують швидкість ультразвукового руйнування граніту з концентрацією хімічної речовини в суспензії абразиву та швидкість ультразвукового руйнування граніту з температурою суспензії абразиву, для визначення ефективних параметрів руйнування граніту;

4) встановити клас хімічно активних речовин, використання яких на кінцевому етапі ультразвукового руйнування граніту забезпечує підвищення стійкості поверхні матеріалу в агресивному середовищі та екологічність процесу.

Ідея роботи - полягає в підвищенні ефективності ультразвукового руйнування граніту за рахунок використання хімічно активних речовин як домішок до суспензії абразиву.

Об'єктом дослідження є технологія ультразвукової обробки природного каменю.

Предметом дослідження є ультразвукове руйнування граніту інтенсифіковане за допомогою хімічно активних речовин.

Методи досліджень. В роботі використаний комплексний метод досліджень, а саме: аналіз та узагальнення науково-технічних досягнень в галузі ультразвукового руйнування граніту; математичний апарат теорії планування дослідів; методи та засоби теорії імовірності та прикладної статистики; графоаналітичний та числовий аналіз; статистичне опрацювання результатів із використанням засобів обчислювальної техніки; лабораторні дослідження; економічний аналіз. В галузі теоретичних досліджень розглядались теорії, що відображають: вплив ультразвукових коливань та кавітаційних явищ на процеси руйнування граніту; вплив на швидкість різання граніту розмірів зерен абразиву та їх кон-центрації у суспензії, природи зерен абразиву; фізичний вплив навколишнього середовища на величину вільної поверхневої енергії твердого тіла; поверхневі явища, які відбуваються в мікротріщинах на поверхні розділу фаз (граніт - рідина). В межах експериментальних досліджень застосовувались: лабораторні методи визначення таких фізико-механічних властивостей граніту, як час початку та кінця ультразвукового руйнування граніту, зміна маси зразків граніту, зміна глибини руйнування, динамічна в'язкість, якість тонкого поверхневого шару оброблених гранітів.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. Використання СМЗ (синтетичного миючого засобу) як домішки до суспензії абразиву забезпечує підвищення швидкості ультразвукового руйнування токівського граніту в 2,3 рази в порівнянні з суспензією у чистій воді, а його стійкість в агресивному середовищі забезпечує використання силіційорганічних речовин на кінцевому етапі обробки.

2. Ефективна швидкість ультразвукового руйнування граніту досягається при концентрації СМЗ в суспензії абразиву 14,5% та діапазоні температур суспензії 35,6С - 37,4С. За визначених умов забезпечується мінімальна зношуваність ультразвукового інструменту.

3. Зміна швидкості ультразвукового руйнування граніту в залежності від температури суспензії та концентрації СМЗ відбувається за параболічними регресіями, які використовуються для підвищення надійності технологічних рішень при моделюванні процесів руйнування граніту.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше встановлено експериментально і підтверджено аналітично, що використання хімічно активних речовин, а саме СМЗ та силіційорганічних речовин, при ультразвуковій обробці граніту забезпечує підвищення ефективності руйнування, стійкість поверхні гранітних виробів в агресивному середовищі, екологічність процесу, зменшує зношуваність ультразвукового інструменту.

2. Вперше встановлені та експериментально підтверджені ефективні концентрація СМЗ (14,5%) та діапазон температур суспензії абразиву (35,6С - 37,4С) при яких досягається висока якість та продуктивність ультразвукового руйнування граніту.

3. Вперше встановлені математичні залежності швидкості руйнування граніту від концентрації синтетичного миючого засобу в суспензії абразиву та температури суспензії, які відображають динаміку протікання процесу ультразвукового руйнування з використанням хімічно активних речовин.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертації підтверджуються наступними чинниками: 1) розходження експериментальних та аналітичних досліджень становить 3 - 14% при вивченні впливу концентрації СМЗ як домішки до суспензії абразиву при ультразвуковому руйнуванні граніту та 2 - 8% при вивченні впливу температури суспензії абразиву на швидкість ультразвукового руйнування;2) встановлені в дисертації положення та закономірності підтверджені практикою; 3) кількість проведених експериментальних досліджень відповідає необхідній кількості (по 10 вимірювань параметру в кожній досліджуваній точці) і забезпечує достовірність результатів.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей впливу природи хімічно активних речовин як домішок до суспензії абразиву на інтенсивність ультразвукового руйнування граніту; у визначенні залежностей зміни швидкості ультразвукового руйнування граніту від концентрації домішки в суспензії та від температури суспензії абразиву в воді; у встановленні ефективних параметрів ультразвукового руйнування граніту з використанням поверхнево-активних речовин.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Використання в технологічних процесах каменеобробних підприємств України різного профілю при ультразвуковому руйнуванні граніту синтетичних миючих засобів як домішок до суспензії абразиву та встановлених ефективних параметрів їх концентрації і температури суспензії забезпечують інтенсифікацію процесів руйнування граніту, покращання якості поверхні виробів, екологічність процесів обробки.

2. Встановлені аналітичні залежності швидкості ультразвукового руйнування граніту від концентрації СМЗ в суспензії абразиву та температури суспензії дають змогу підвищувати продуктивність руйнування, дозволяючи робити науково обґрунтований вибір технологічних параметрів при ультразвуковому руйнуванні граніту.

Практична цінність роботи полягає в тому, що запропоновані теоретичні розробки, які базуються на виконаних дослідженнях, дають змогу регулювати технологічними параметрами руйнування граніту при ультразвуковій обробці з суспензією абразиву і удосконалювати механізм процесу.

Реалізація роботи в промисловості. Результати дисертаційних досліджень пройшли виробниче випробовування і впровадження на НВП “Бологівщина” (м. Хмельницький), ВАТ “Кварцсамоцвіти” (смт. Володарськ-Волинський Житомирської області). Розрахунковий річний економічний ефект від впровадження технології складає 23,63 тисячі гривень. Результати дисертаційних досліджень використовуються також в навчальному процесі Житомирським інженерно-технологічним інститутом і Кам'янець-Подільським індустріальним технікумом.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані ціль і задачі досліджень, ідея роботи, основні наукові положення, висновки та рекомендації, виконана постановка розрахункових та лабораторних експериментів; проведена дослідно-промислова перевірка результатів дисертаційної роботи. Зміст дисертації виконаний автором самостійно.

Апробація результатів дисертаційних досліджень. Основні положення дисертаційної роботи та окремі її результати обговорювались на науково-технічних конференціях, семінарах та нарадах, а саме: на міжнародній науково-практичній конференції “ХХІ столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых” (м. Дніпропетровськ, 1998 рік); на ІІІ Всеукраїнській конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство” (м. Київ, 2000 рік); на ІV міській міжвузівській науково-практичній конференції студентів та молодих вчених (м. Житомир, 2001 рік); на засіданні науково-технічної ради науково-виробничого підприємства “Бологівщина” (м. Хмельницький, 2000 рік); на засіданні науково-технічної ради ВАТ “Житомирнерудпром” (м. Житомир, 2001 рік); а також на науково-практичних семінарах кафедри геотехнологій та промислової екології і міжкафедральному семінарі Житомирського інженерно-технологічного інституту.

Публікації: за результатами виконаних дисертаційних досліджень здобувачем опубліковано 8 друкованих робіт; в тому числі - 6 в наукових спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 2 - матеріали конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 130 сторінках, складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 94 найменувань, 3 додатків на 36 сторінках, містить 25 рисунків, 17 таблиць. Загальний обсяг роботи становить 167 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації і необхідність проведення досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, визначена наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, наведені наукові положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації і публікації досліджень.

У першому розділі проведено аналіз стану мінерально-сировинної бази і виробництва та нових підходів в обробці природних каменів України. Аналіз літературних джерел дозволив зробити висновок, що мінерально-сировинна база облицьовувального та виробного каменів України дозволяє збільшувати обсяг видобування сировини в десятки разів та широко розвивати каменеобробну галузь промисловості.

Встановлено зростання обсягів застосування виробів виготовлених із при-родного каменю в різних галузях промисловості, завдяки його особливим властивостям, таким, як висока твердість, мала зношуваність, жароміцність, кислотостійкість, особливі електричні характеристики. Разом з тим, відмічено, що на сучасних підприємствах природні камені обробляють майже виключно механічним способом, що пов'язано з досить великими труднощами. Тому розвиток нових ефективних способів обробки каменю є актуальною задачею.

Внаслідок проведеного аналізу наукової літератури та практичного досвіду каменеобробних підприємств, запропонована схема удосконалення технологічного процесу обробки каменю. На відміну від уже відомих схем, до неї було введено ультразвуковий спосіб обробки каменю на етапі точного оброблення. Разом з цим у своєму нинішньому стані цей спосіб має ряд недоліків: недостатньо відпрацьована технологія; результати обробки залежать від великої кількості параметрів. Незважаючи на це, особливо цінні властивості ультразвукового способу оброблення твердих матеріалів забезпечують його життєвість і подальший розвиток. Саме це обумовило звернутись до даного способу обробки граніту з метою його удосконалення.

Розроблена і приведена схема напрямків використання ультразвукових коливань в каменевидобуванні та каменеобробці. Питанням використання ультразвукових коливань в гірничій справі займались вчені: Ржевський В.В., Ямщиков В.С., Шкуратник В.Л., Розенберг Л.Д., Жуков С.О., Яхимович Д.Ф., Азиєв Д.А., Золотих Б.М., Марков А.І., Волосатов В.А., Баранов П.М., Новик Г.Я., Москальов А.М., Гангевич В.Ф., Бабец В.В., Федоренко С.А., Бондарець А.А., Перегудов В.В.

На основі досліджень Москальова А.М., Гангевича В.Ф., Бабца В.В., які при бурінні гірських порід з промивкою у промивну рідину додавали як домішки поверхнево-активні речовини (ПАР) для підвищення швидкості буріння, та на основі особистих аналітичних досліджень було зроблено висновок про доцільність використання хімічно активних речовин як домішок до суспензії абразиву при ультразвуковому обробленні граніту. При цьому технологічне переоснащення ультразвукових верстатів та інструмента не є обов'язковим.

На основі проведеного аналізу наукової літератури були сформульовані та поставлені мета, задачі досліджень і розроблена загальна методика дослідження.

У другому розділі проведено аналіз теоретичних передумов підвищення ефективності ультразвукового руйнування граніту, дана оцінка основним типам декоративних гранітів, доведено доцільність використання ультразвуку для обробки токівського граніту.

На основі порівняльної оцінки основних типів декоративних гранітів України, їх хімічного та мінерального складу було встановлено, що токівський граніт, завдяки своїм декоративним, фізико-хімічним, технічним властивостям, умовам утворення досить часто використовується для виготовлення технічних і побутових виробів різного призначення. Тому для досліджень були взяті саме граніти Токівського родовища, допускаючи, що вони мають приблизно однакову будову і хімічний склад. Так як, токівські граніти мають високу твердість, то їх розмірна механічна обробка ускладнена, тому існує необхідність розвивати нові способи обробки або удосконалювати вже існуючі. Одним із таких способів, який необхідно удосконалювати є ультразвуковий спосіб обробки каменю.

Внаслідок проведених теоретичних досліджень було встановлено, що підвищити продуктивність ультразвукової обробки граніту можна за рахунок введення ефективних режимів з використанням раціональних технологічних схем. Однак, неабияке значення має інтенсифікація ударної взаємодії абразивних зерен суспензії з поверхнею граніту, склад суспензії, застосування високоякісного абразиву та винайдення нових ефективних домішок до складу суспензії.

Для того, щоб спланувати експеримент, були проаналізовані математичні залежності (1), (2):

(1)

де - лінійна швидкість обробки, м/с; - продуктивність руйнування, м/с; - амплітуда коливання торця інструмента, м; - тиск прижиму інструмента до оброблюваної деталі, Па; - параметр, який змінюється в межах від 0,5 до 1,0 залежно від розмірів абразиву та властивостей каменю, що оброблюється.

(2)

де - коефіцієнт, який залежить від механічних властивостей оброблюваної деталі та абразиву, а також концентрації абразиву; - коефіцієнт, який залежить від зернистості абразиву; - частота коливань інструменту, Гц; - коефіцієнт, який змінюється в інтервалі 0,5-1,0 залежно від домішок до суспензії.

Внаслідок проведених теоретичних досліджень, аналізу математичних залежностей, була висунута гіпотеза про те, що швидкість ультразвукового руйнування граніту залежить в значній мірі від домішок до суспензії абразиву поряд з іншими параметрами. Концентрація абразиву та хімічно активних речовин в суспензії, їх природа впливають на продуктивність ультразвукової обробки. Для досліджень ультразвукового різання граніту були застосовані суспензії абразиву з домішками різних хімічно активних речовин у воді, так як вода має невелику в'язкість, добре змочує і охолоджує поверхню, забезпечує краще перемішування абразиву та видалення його з робочої зони.

Для проведення експериментальних досліджень був вибраний і обґрунтований тип концентратора і тип ультразвукового верстату, які доцільно використовувати при ультразвуковому руйнуванні граніту, проведено аналіз їх техніко-економічних показників.

Подальші експериментальні дослідження були спрямовані на вдосконалення технології ультразвукової обробки граніту, яка б привела до збільшення продуктивності і ефективності процесу руйнування.

У третьому розділі здійснено аналітично-експериментальне обґрунтування використання поверхнево-активних речовин для ультразвукового руйнування декоративних гранітів й обґрунтування суспензій та вільних абразивів. Для оцінки ефективності ПАР були використані критерії, які являють собою параметри фундаментальних рівнянь. Таким критерієм є робота адсорбції. В результаті аналізу фізико-хімічних властивостей різних поверхнево-активних речовин і рівняння адсорбції було встановлено, що ефективною домішкою до суспензії абразиву є синтетичний миючий засіб, а найбільш ефективними абразивними матеріалами для ультразвукової обробки граніту є карбід силіцію та карбід бору.

При вивченні явищ, які відбуваються при ультразвуковому руйнуванні граніту з домішками ПАР до суспензії абразиву у воді, були взяті до уваги ті поверхневі явища, які відбуваються в мікротріщинах у процесі обробки на границі розділу фаз (граніт - рідина). При розгляді впливу цих явищ на процес різання, було проведено аналіз дії поля далекодійних поверхневих сил. Було відмічено, що поле змінює склад і властивості рідин поблизу поверхні розділу фаз. Спостерігаються капілярно-осмотичні явища в мікротріщинах, а саме - течія рідини під дією градієнта концентрації розчиненої речовини та перенесення молекул дифузійного шару потоком рідини, що приводить до виникнення різниці концентрацій. При цьому в жодній частині пори концентрація розчину не дорівнює загальній об'ємній концентрації. Вона, як правило, менша об'ємної. У випадку позитивної адсорбції, що спостерігається при використанні СМЗ як домішок до суспензії абразиву, потік рідини направлений в сторону меншої концентрації, тобто сприяє руху рідини в глибину мікротріщини і цим самим прискорює процес руйнування. Таким чином, застосування до розчинів аніоноактивних СМЗ у воді макроскопічної теорії дисперсійних сил, дає можливість прогнозувати зміну концентрації розчинів у тонких порах, і як наслідок, напрямок процесу руйнування у макросистемах.

На основі уже відомих наукових фактів та особистих досліджень здійснено обгрунтування на молекулярному рівні фізико-хімічної взаємодії поверхнево-активних речовин з поверхнею граніту та вплив даних процесів на швидкість руйнування каменю. Відомо, що вода і речовини, які в ній містяться, як і хімічний склад оброблюваного каменю, впливають на тривалість процесу руйнування. В результаті теоретичних досліджень було встановлено, що ефективними домішками до суспензії абразиву в воді є СМЗ, до складу яких входять аніоноактивні ПАР, які в своїй будові мають метильні (- СН3) та метиленові (- СН2 -) групи. Тому розглядався вплив саме цих груп на поверхню граніту при руйнуванні. При взаємодії метильної групи з поверхнею важливою є лише її незв'язуюча орбіталь n, яка представляє собою гібридну орбіталь направлену в сторону протилежну атомам гідрогену. Саме вона найбільше перекривається з будь-якою орбіталлю атомів кристалічної гратки мінералу на поверхні граніту, що призводить до послаблення хімічного зв'язку між атомами кристалічної гратки. Що й пояснює на молекулярному рівні підвищення інтенсивності обробки граніту при застосуванні СМЗ як домішок до суспензії абразиву у воді.

У четвертому розділі представлені методика та результати експериментальних досліджень фізико-хімічних та технологічних основ ультразвукового руйнування декоративних гранітів з використанням поверхнево-активних речовин, виконано обґрунтування раціональних параметрів ультразвукової обробки та розрахункового економічного ефекту від запропонованої технології.

Розроблені і поставлені методики наукового експерименту ультразвукового руйнування токівського граніту, в яких досліджувались вплив на процеси руйнування природи хімічної речовини, її концентрації в суспензії абразиву, температури суспензії та підвищення стійкості ультразвукового інструменту і самих виробів в навколишньому середовищі.

Дослідження виконувались на гранітах Токівського родовища, зразки граніту були нарізані у вигляді кубиків однакових розмірів мм. За масою вони дещо відрізнялись. Оскільки граніти із одного родовища, було зроблено припущення про приблизно однаковий їх склад. Зважували зразки на аналітичних терезах АДВ - 200 з точністю 0,0002 г. Глибина руйнування вимірювалась за допомогою спеціальної лінійки вмонтованої у верстат з точністю 0,01 мм. Час обробки визначався за допомогою секундоміра в секундах. Руйнування граніту проводилось на стаціонарному ультразвуковому верстаті марки 4772А потужністю 1,6 кВт та робочою частотою - 22 кГц. Режим роботи використовувався такий: струм підмагнічування - 7 А, анодний струм 0,6 А, сила подачі - 9,0 кг, подача суспензії 2-3 л/хв. Для досліджень і вивчення процесу різання граніту була складена технологічна схема.

При проведенні експериментальних досліджень впливу природи речовини на швидкість та якість ультразвукового руйнування, як домішки до суспензії абразиву випробовувались наступні хімічні речовини: електроліти - калій гідрооксид (КОН), тринатрій фосфат (), динатрій силікат (); поверхнево-активні речовини - олеїнова кислота (), синтетичний миючий засіб “Біон” та етилсиліконат натрію. Як абразив використовувався карбід бору з номером зернистості - 10.

Аналіз отриманих результатів експериментальних досліджень показав, що найбільш ефективними домішками є синтетичні миючі засоби (рис. 1). Для підтвердження висунутої гіпотези нами був проведений однофакторний дисперсійний аналіз. Допустивши, що природа хімічної домішки до суспензії абразиву не впливає на швидкість ультразвукового руйнування, за допомогою статистичних формул було обчислено: Fвиб= 26,725 та Fкр= 2,386, при рівні значущості = 0,05. Як видно Fвиб Fкр. Це означає, що висунута гіпотеза про те, що природа хімічних речовин-домішок до суспензії абразиву не впливає на швидкість руйнування граніту є невірною. Таким чином, статистично було підтверджено, що різні речовини по-різному впливають на швидкість ультразвукового руйнування граніту. Найбільш ефективними домішками є синтетичні миючі засоби (найбільша висота стовпчика на діаграмі рис. 1).

Рис. 1. Діаграма продуктивності руйнування токівського граніту (цифрами позначені хімічні речовини-домішки до суспензії абразиву: 1 - вода без домішок; 2 - ПАР (олеїнова кислота); 3 - калій гідроксид; 4 - натрій силікат; 5 - натрій ортофосфат; 6 - СМЗ ”Біон”)

Невисокі результати ефективності руйнування каменю за допомогою (натрій силікату), (натрій ортофосфату), (калій гідроксиду), як домішок, пояснюється тим, що ці речовини підвищують коефіцієнт поверхневого натягу на поверхні розділу фаз. Для підтвердження цього були проведені розрахунки коефіцієнта поверхневого натягу водних розчинів цих мінеральних солей та лугу при однаковій концентрації (5 %-й розчин, для порівняння) за формулами (3), (4):

(3)

(4)

де - коефіцієнт поверхневого натягу води (мН/м); - концентрація аніону у воді (моль/кг); g - коефіцієнт, залежить від природи аніону (формула 4); мНкг/(ммоль); мНнм2кг/(ммоль); z - валентність іону; r - радіус іону, нм.

Розрахунки показали, що поверхневий натяг водних розчинів електролітів визначається природою та вмістом аніону, а також, що аніонні ПАР приводять до значного зменшення коефіцієнта поверхневого натягу води при їх використанні. Окремо взяті розчини

не дали значних позитивних результатів, проте їх сумісне використання досить корисне. Таке поєднання даних речовин спостерігається в синтетичних миючих засобах.

В роботі встановлено, що СМЗ як домішка до суспензії абразиву впливає на стійкість інструменту та його зношуваність (підвищує стійкість та зменшує зношуваність). При цьому в залежності від складу суспензії, одним інструментом на однакову глибину можна зробити різну кількість отворів.

При вирішенні поставлених задач було проведено експериментальні дослідження впливу концентрації СМЗ на продуктивність ультразвукового руйнування граніту. Після математичної обробки отриманих експериментальних результатів, виконаної за допомогою програми Mathcard 7.0, встановлено, що залежність швидкості ультразвукового різання граніту від концентрації СМЗ в суспензії абразиву описується параболічною регресією виду:

(5)

За графіком регресії (рис. 2) та експериментальним шляхом було визначено ефективну концентрацію домішки СМЗ “Біон” в суспензії абразиву, яка складає 14,5 %, так як саме при такій концентрації продуктивність ультразвукового руйнування граніту найвища (18,5мкм/с).

..

Вибіркове значення статистики задовольняє умові:

,

гіпотеза достовірна.

Швидкість різання зростає з підвищенням концентрації домішки у суспензії проте до певної межі, після якої збільшення концентрації СМЗ знижує продуктивність процесу, тобто, є вже негативним чинником у процесі ультразвукового руйнування. Це спостерігалось й експериментально.

Подібним чином було проведено експериментальні дослідження впливу температури суспензії абразиву з домішкою СМЗ на швидкість ультразвукового руйнування граніту.

Аналіз результатів експериментальних досліджень та теоретичних розра-хунків показав, що залежність (рис. 3) швидкості ультразвукового різання граніту від температури суспензії абразиву з домішкою СМЗ описується параболічною регресією виду:

(6)

Вона підтверджується результатами досліджень. Дослідивши отриману регресію на екстремум одержали, що xmax = 36,4С, уmax = 1,56 (млг/с).

Використовуючи методи математичної статистики було визначено довірчі інтервали для параметрів параболічних регресій, довірчі інтервали для дисперсії помилок спостережень та перевірка гіпотез на адекватність.

. Fкр = 3,699.

Із отриманих даних видно, що

, тобто .

Це означає, що модель (6) адекватна результатам спостережень. Для встановлення діапазону температур суспензії абразиву при якому відбувається ефективне ультразвукове руйнування граніту оцінювалась зміна координат вершини параболи, що виражається рівнянням (7) хmax та xmin:

(хmax) хmin = ,(7)

де xmin - мінімальне значення, якщо b1 - max, b2 - min, звідси xmin = 35,60С;

xmax -максимальне значення, якщо b1 - min, b2 - max, звідси xmax = 37,43С.

Отже, ефективна температура, змінюється в межах [35,60; 37,43], якщо b1, b2 лежать в межах довірчих інтервалів. Таким чином був встановлений діапазон температур суспензії абразиву з домішкою синтетичного миючого засобу в якому ультразвукова обробка граніту є найбільш ефективною і при цьому забезпечуються менші енергетичні витрати. Проведені розрахунки та результати впровадження показали, що застосування СМЗ як домішок до суспензії абразиву при ультразвуковому руйнуванні граніту забезпечує високу продуктивність процесу різання, економію робочого інструменту та сировини.

Метою подальших досліджень було збереження досягнутої якості поверхні на тривалий час, надання їй стійкості в агресивному середовищі. Для гідрофобізації виробів із каменю застосовували етилсиліконат натрію (силіційорганічна речовина). Для порівняння стійкості поверхні каменю дії агресивного середовища (2М-ого розчину , хромової суміші, для інтенсифікації експерименту) брали по два зразки граніту після ультразвукової обробки, з використанням етилсиліконату і без нього. Аналіз отриманих теоретичних та експериментальних досліджень показав, що силіційорганічні сполуки ізолюють поверхню виробу від негативного впливу атмосфери, підвищують її стійкість в агресивному середовищі. Зовнішній вигляд і колір каменю при цьому не змінюються.

ВИСНОВOК

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій дано нове рішення актуальної наукової задачі обґрунтування параметрів ефективного ультразвукового руйнування граніту і запропоноване удосконалення існуючої технології шляхом використання хімічно активних речовин. Вирішення поставлених у дисертаційній роботі задач полягає у визначенні раціональних параметрів ультразвукової обробки граніту з метою підвищення продуктивності руйнування граніту; якості оброблюваної поверхні; зменшення зношуваності ультразвукового інструменту; економії сировини; підвищення стійкості поверхні граніту в агресивному середовищі, що має важливе значення для каменеобробної галузі.

Найбільш важливі наукові і практичні результати дослідження, висновки і рекомендації полягають в наступному:

1. Встановлена недостатня ефективність існуючої технології ультразвукової обробки природного каменю, з застосуванням якої не забезпечуються необхідна якість оброблюваної поверхні, продуктивність руйнування, відбувається інтенсивне зношування ультразвукового інструменту.

2. На основі теоретичних досліджень встановлено, що токівський граніт завдяки своїм фізико-механічним властивостям є цінною сировиною для виготовлення різнома-нітних виробів. Використання ультразвукового способу руйнування токівського граніту є одним із перспективних технологічних напрямків. Встановлено, що найбільш ефективними абразивними матеріалами для ультразвукової обробки граніту є карбід силіцію та карбід бору.

3. Вперше встановлено, що синтетичний миючий засіб (СМЗ) є найбільш ефективною домішкою до суспензії абразиву, яка забезпечує підвищення швидкості ультразвукового руйнування граніту в 2,3 рази, в порівнянні з використанням цієї ж технології, але без домішок, при цьому також підвищується роботоспроможність інструмента та покращується якість оброблюваної поверхні. На підставі експериментальних досліджень встановлено і статистично підтверджено, що природа хімічно активних речовин впливає на ефективність ультразвукового руйнування граніту.

4. Вперше теоретично обґрунтовано ефективність використання синтетичних миючих засобів при ультразвуковому руйнуванні граніту на основі теорії хімічних зв'язків, будови молекул та особливостей проходження процесів на поверхні розділу фаз. Це обґрунтування здійснено в результаті проведеного аналізу впливу кавітаційних явищ, природи домішок до суспензії абразиву, особливостей взаємодії поверхнево-активних речовин з поверхнею граніту на молекулярному рівні.

5. Вперше отримані залежності зміни швидкості ультразвукового руйнування граніту від концентрації СМЗ в суспензії абразиву та температури суспензії, які дозволяють робити науково обґрунтований вибір технологічних параметрів при ультразвуковому руйнуванні граніту. Доведено, що швидкість ультразвукового руйнування граніту від концентрації СМЗ в суспензії абразиву описується параболічною функцією виду

,

а від температури суспензії

,

які дають змогу прогнозувати ефективність проходження процесу ультразвукового різання токівського граніту в різних умовах дисперсійного середовища, тобто між визначеними чинниками існує тісний корелятивний зв'язок. Дані параболічні залежності статистично достовірні



для концентрації і

для температури суспензії.

6. Вперше встановлені раціональні параметри складу суспензії абразиву і температури, при яких відбувається ефективне ультразвукове руйнування при незмінних інших параметрах обробки. Вони складають: концентрація СМЗ в суспензії абразиву - 14,5 % , діапазон температур суспензії абразиву від 35,6С до 37,4 С. Це дає змогу підвищувати якість та швидкість різання без застосування значних конструкційних перетворень з невеликими продуктивними витратами.

7. Експериментально встановлено і підтверджено аналітично, що використання силіційорганічних речовин як домішок до суспензії абразиву на кінцевому етапі ультразвукової обробки забезпечує підвищення водостійкості виробам із граніту.

8. Виконано обґрунтування очікуваного економічного ефекту при застосуванні ультразвукової технології з використанням хімічно активних речовин як домішок до суспензії абразиву на каменеобробних підприємствах: ВАТ “Кварцсамоцвіти”, НВП “Бологівщина”. Ефект складає 23,63 тисячі гривень. Це досягається за рахунок економії сировини, підвищення швидкості обробки, зменшення зношуваності ультразвукового інструменту та устаткування.

9. Удосконалена технологія ультразвукового руйнування граніту за рахунок використання СМЗ як домішок до суспензії абразиву певної концентрації та певної її температури. Впровадження встановлених параметрів ефективного руйнування на каменеобробних підприємствах забезпечує: високий рівень виробництва, високу якість виробів, стійкість обробленої поверхні в навколишньому середовищі, економію сировини та устаткування.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Бакка М.Т., Скиба Г.В. Механічні та фізико-хімічні процеси полірування каменю. //Вісник ЖІТІ. - 1997. - № 6. - С. 193 - 194.

2. Скиба Г.В. Вплив хімічно-активних речовин на швидкість ультразвукової обробки природного каменю. / / Вісник ЖІТІ. - 1998. - № 7. - С. 287-289.

3. Скиба Г.В. Механізм взаємодії молекул поверхнево-активних речовин з поверхнею граніту. //Вісник ЖІТІ. - 1998. - № 8. - С. 219-221.

4. Скиба Г.В. Вплив складу суспензії абразиву на зношуваність ультразвукового інструменту. //Вісник ЖІТІ. - 1999. - № 9. - С. 325-327.

5. Скиба Г.В. Застосування силіційорганічних речовин для надання водостійкості виробам із природного каменю. Вісник ЖІТІ. - № 13. - 2000. - С. 223 - 224.

6. Бакка М.Т., Скиба Г.В. Дослідження хімічного вивітрювання високоміцних гірських порід в облицюванні споруд. //Вісник ЖІТІ. - 1997. - № 5. - С. 69 - 70.

7. Скиба Г.В. Застосування ультразвукових коливань для різання граніту з домішками поверхнево-активних речовин до суспензії абразиву. Сборник научных трудов национальной горной академии Украины. - Дн-к, 1998. - № 3. - Том 4. - С. 212-216.

8. Скиба Г.В. Використання поверхнево-активних речовин при ультразвуковому руйнуванні каменів. //Збірка тез доповідей учасників ІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство.” - К.: НТТУ КПІ, 2000. - С. 148.

Особистий вклад автора у роботи, написані у співавторстві: у роботі [1] - встановлені і представлені фізико-хімічні закономірності полірування каменю; в роботі [6] - представлені результати досліджень хімічного вивітрювання високоміцного каменю при облицюванні споруд, виконані автором самостійно, на їх основі запропоновані напрямки використання каменю в агресивних середовищах.

АНОТАЦІЯ

Скиба Г.В. “Обґрунтування параметрів ефективного ультразвукового руйнування граніту з використанням хімічно активних речовин”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”. - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2002 р.

Дисертація присвячена питанням обґрунтування параметрів ефективного ультразвукового руйнування граніту з використанням хімічно активних речовин як домішок до суспензії абразиву (при постійних інших параметрах). На основі теоретичних та експериментальних досліджень обґрунтована ефективність використання синтетичного миючого засобу як домішки до суспензії абразиву. У результаті виконаних експериментів визначені раціональні параметри ультразвукового руйнування граніту (ефективна концентрація синтетичного миючого засобу в суспензії абразиву та ефективний діапазон температур суспензії), які дозволять покращити якість поверхні, підвищити продуктивність руйнування граніту та його стійкість в навколишньому середовищі.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень обґрунтована доцільність застосування сіліційорганічних речовин на кінцевому етапі ультразвукової обробки з метою підвищення водостійкості виробів із граніту в навколишньому середовищі. Результати дисертаційної роботи дозволили вдосконалити технологію ультразвукового руйнування граніту шляхом використання хімічно активних речовин як домішок до суспензії абразиву.

Ключові слова: ультразвукова обробка, граніт, ефективні параметри, домішка, хімічно активні речовини, суспензія абразиву.

ультразвукова обробка граніт суспензія абразив

АННОТАЦИЯ

Скиба Г.В. “Обоснование параметров эффективного ультразвукового разрушения гранита с использованием химически активных веществ”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - “Физические процессы горного производства”. Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2002 г.

Диссертационная работа посвящена вопросам обоснования параметров эффективного ультразвукового разрушения гранита с использованием химически активных веществ в качестве добавок к суспензии абразива. В работе доказаны преимущества использования определенных классов поверхностно-активных веществ, присутствие которых в суспензии позволяет увеличить скорость обработки, увеличить глубину резания, уменьшить изнашиваемость инструмента и обеспечивает экологичность процесса.

Проведен анализ состояния минерально-сырьевой базы и производства, а также новых подходов в обработке природного камня Украины. Сделан вывод, что минерально-сырьевая база облицовочного и декоративного камней Украины позволяет увеличить объем добычи сырья и развивать камнеобрабатывающую отрасль промышленности. В диссертационной работе проведен критический анализ существующего ультразвукового способа обработки камня, установлены его преимущества и недостатки. Сделан вывод о необходимости усовершенствования его путем применения химически активных веществ в качестве добавок к суспензии абразива. На основании теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что синтетическое моющее средство (СМС) является наиболее эффективной добавкой, которая обеспечивает повышение скорости ультразвукового разрушения гранита, а также влияет на стойкость ультразвукового инструмента и его изнашиваемость.

Для решения поставленных в диссертации задач были проведены экспериментальные исследования влияния концентрации СМС на скорость ультразвукового разрушения гранита. Путем математической обработки полученных результатов было определено, что зависимость ультразвукового резанья гранита от концентрации СМС в суспензии абразива описывается параболической регрессией и, что эффективной является концентрация СМС- 14,5%.

Были проведены исследования влияния температуры суспензии абразива с добавкой СМС на скорость ультразвукового разрушения гранита. Произведен анализ экспериментальных исследований и математическая обработка результатов. Впервые получена зависимость скорости ультразвукового резания гранита от температуры суспензии, которая с высокой степенью точности описывается параболической регрессией. Экспериментально и теоретически был обоснован и определен эффективный диапазон температур - от 35,6 до 37,4 С при ультразвуковой обработке гранита. Для придания изделиям из гранита повышенной устойчивости в агрессивных средах предложено на конечном этапе ультразвуковой обработки применять силицийорганические вещества в небольших концентрациях в качестве добавок к суспензии абразива. Данная рекомендация сделана на основании анализа полученных теоретических и экспериментальных исследований.

Выполнено обоснование предполагаемого экономического эффекта при ультразвуковой обработке камня с использованием СМС в качестве добавки к суспензии абразива и полученных эффективных параметров разрушения. Он составляет 23,6 тыс. грн. в год. в зависимости от условий конкретного предприятия.

Ключевые слова: ультразвуковая обработка, гранит, эффективные параметры, химически активные вещества, суспензия абразива.

ANNOTATION

Skyba G.V. “The basis of parameters of the effective granite ultrasonic destruction with the use of chemical active substances”. - Manuscript.

Dissertation to obtaining the degree of Candidate of Technical Science on speciality 05. 15. 11. -“Physical processes of mining”. - National mining University of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2001.

The thesis is dedicated to problem of definition and basis of parameters of the effective granite ultrasonic destruction with the use of chemical active substances as the addition to the suspension of abrasive (by other constant parameters). On the basis of theoretical and experimental studies efficacy of the usage of synthetical detergent as the addition to the suspension of abrasive are substantiated. The effective concentration of synthetic detergent in the suspension of abrasive is determined as well as the diapason temperatures of suspension which can improve the quality of surface and increase the productivity of granite destruction as well as its resistance in the environment.

On the basis of theoretical and experimental studies to increase water resistance of granite goods it is recommended to use siliconorganic substances at the final stage of ultrasonic processing. The thesis results allowed to improved the technology of granite ultrasonic destruction by the usage of chemical active substances as the addition to the suspension of abrasive.

Key words: ultrasonic processing, granite, effective parameters, addition, chemically active substances, abrasive suspension.

Размещено на Allbest.ru

...