ВЕСТНИК КУЗБАССКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Возможность повышения эксплуатационных характеристик изделий и деталей, используемых в машиностроении, является значимой задачей, выполнение которой позволяет добиться снижения трудоемкости, экономии материала и экономической выгоды. Возможности современного формообразующего оборудования позволяют достигать максимально приближенной формы и размеров получаемых деталей к форме и размерам цифровых двойников. В настоящем времени технология абразивной обработки лепестковыми кругами широко и эффективно используется для последующей обработки после дробеударного формообразования крупногабаритных маложестких деталей типа панель крыла самолета и обшивок, где при помощи абразивных лепестковых кругов на специализированных установках осуществляется удаление отпечатков или уменьшение глубины пластических отпечатков после дробеобработки. Качество поверхностного слоя при зачистке лепестковым кругом, в том числе шероховатость и остаточные напряжения, определяет не только форму детали после дробеударного формообразования, но и усталостную прочность. Данные факторы зависят от множества факторов, таких как режимы обработки, свойства обрабатываемого материала и параметры инструмента. Прогноз и определение значений этих показателей является трудоемким и экономически затратным процессом. В связи с этим возникает необходимость моделирования данных процессов при помощи математических моделей. Однако до настоящего времени большинство исследователей в этой области моделирует процесс зачистки лепестковым кругом методом конечных элементов с простой моделью абразива и с многочисленными допущениями по взаимодействию абразивов с поверхностью детали, что не дает достоверных результатов. Целью данной работы является определение входных параметров для моделирования технологического процесса зачистки лепестковым кругом путем проведения лабораторного исследования абразива и его распределения в лепестковых кругах, применяемых на производстве панелей и обшивок, а также моделирование процесса единичного внедрения абразива методом конечных элементов программой инженерного анализа. По результатам лабораторных исследований была определена форма абразива и его распределение на поверхности лепестков, применяемых в условиях реального производства, что позволило перенести полученный рельеф в программу инженерного анализа. На основании результатов лабораторного исследования выполнено моделирование методом конечных элементов процесса единичного внедрения абразива в материал для определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали

В данной статье проведен анализ используемых материалов, способов получения и свойств многослойных плазменных покрытий, работающих в условиях высоких температур, и выбраны основные направления по исследованию процессов их формирования. Современные плазменные покрытия для высокотемпературного применения в большинстве вариантов - это многослойная система, состоящая из внешнего керамического слоя и жаростойкого металлического подслоя с рядом промежуточных металлокерамических слоев. Подслой необходим для понижения величин термических напряжений в созданном защитном покрытии, индуцированных различными коэффициентами термического расширения у металлических и керамических материалов. Промежуточные металлокерамические слои служат для монотонного выравнивания физико-механических свойств между основными слоями. Слой керамики создает необходимую термостойкость у покрытия. Однако при достаточно широком изучении плазменных защитных покрытий на базе диоксида циркония до сих пор полностью не решены вопросы по увеличению термостойкости керамических слоев и снижения их газопроницаемости. Для решения этой проблемы необходимо установить режимы нанесения слоев, обеспечивающие требуемые характеристики защитных покрытий, найти действенные способы управления уровнем остаточных напряжений и содержанием пор в покрытиях, разработать технологии получения многослойных защитных покрытий с плавным переходом технологических свойств по сечению покрытия от металлической подложки к слою керамики. Наиболее применяемыми способами формирования керамического слоя многослойных покрытий, работающих в условиях высоких температур, являются процессы плазменного напыления и электронно-лучевого испарения. В последнее время плазменный метод становится более предпочтительным, поскольку значительно снижает стоимость покрытий, позволяет более жестко управлять составом покрытия, характеризуется более высокой производительностью, обеспечивает гибкое регулирование процесса напыления. Качественные многослойные плазменные покрытия, работающие в условиях высоких температур, должны создаваться из материалов, обладающих равномерностью химического и фазового состава по всему сечению порошка, со строго оптимальными размерами и необходимой морфологией, для создания в сформированном покрытии максимального присутствия тетрагональной фазы с минимизацией размера зерен у фазовых включений.

Проведены исследования по оценке эффективности применения различных материалов, а также схем и режимов 3D-печати для изготовления упрочняющих элементов шлифовальных инструментов на полимерных связующих. Изготавливались и испытывались на растяжение образцы из материалов шести разновидностей: из PLA; PETG; ABS; PETG-наполненного углеродным волокном; угленаполненного полиамида 6 (нейлона) и из фотополимерной ударопрочной смолы. Изготовление производилось методами экструзионной FDM- печати и стереолитографической LCD-печати. Также применялись три схемы печати - с поперечным расположением слоев, с наклонным расположением слоев и с продольным расположением слоев относительно продольной оси образцов. Применялись стандартные режимы печати, а также с увеличенным перекрытием между слоями, уменьшенным сечением и увеличенным количеством слоев. Установлено, что при всех схемах печати наибольшим пределом прочности на растяжение обладает угленаполненный полиамид 6, армированный волокнами карбона. Предел прочности на растяжение образцов из этого материала, изготовленных по продольной схеме экструзионной 3D-печати, составляет σв=146,5÷154,4 МПа, он в несколько раз выше, чем у других испытанных материалов и сопоставим с показателями мягких металлов и сплавов, что позволяет использовать этот материал для изготовления опытных конструкций упрочняющих сеток шлифовальных кругов. Наилучшей схемой 3D-печати упрочняющих элементов является продольное формирование слоев изделия относительно направления действия растягивающих нагрузок. Увеличение перекрытия между слоями при 3D-печати на 20% и уменьшение толщины слоев и увеличение их количества в два раза позволяет дополнительно повысить прочность изделий соответственно на 17% и на 5%. Угленаполненный полиамид 6 успешно применяется в дальнейших исследованиях по нахождению оптимальной формы ячеек упрочняющих сеток для армирования шлифовальных кругов на полимерных связующих.

Рассмотрен аварийный участок сооружения установки противопожарной ляды строящейся вентиляционной установки угольной шахты. По результатам инженерно-геологических изысканий установлено, что основной причиной возникновения опасных деформаций фундаментов конструкций является наличие слабого несущего слоя основания из насыпного грунта и угля, что способствует повышению деформаций и перемещений, возникновению крена фундаментной плиты. На основе инженерно-геологических изысканий были разработаны две расчетные конечно-элементные схемы объемной модели, включающей прогноз напряженно-деформированного состояния (НДС) массива при естественном и закрепленном состояниях грунтового основания. Были проанализированы расчетные вертикальные сечения через каждые 15 градусов относительно центра опоры, на основе этого были определены наиболее опасные сечения, особенно характерны сечения (0, 45, 90, 135 градусов) с распределением напряжений и деформаций для обеих моделей грунтового основания. Для более точного прогнозирования устойчивости основания сооружения были определены интегральные показатели НДС для каждого угла поворота сечения при естественном грунтовом основании и при его закреплении. На основе результатов геомеханического прогноза было предложено использовать дополнительные инъекторы в зонах наиболее опасных сечений, что позволит повысить устойчивость фундамента, разработан план и схема расположения инъекторов, определены длины инъекторов, шаг и зоны закрепления основания. Сопоставление локальных и интегральных параметров НДС показало, что вертикальные нормальные напряжения после закрепления ослабленной зоны возросли по сравнению с естественным основанием, а значения горизонтальных деформаций массива основания уменьшились. Проведена оценка повышения точности расчета максимальных напряжений и деформаций за счет объемной постановки решаемой задачи, которое составило 6,22% и 41,69% соответственно

Приведено описание уникального по горно-геологическим условиям объекта исследований горнотехнического сооружения, характерного тем, что согласно карте А ОСР-2015 оно имеет сейсмичность 7 баллов и относится к объектам техногенного характера. Описана методика проведения инженерно-геологических изысканий, по результатам которых установлено, что основной причиной возникновения опасных деформаций фундаментов конструкций является наличие слабого несущего слоя основания и неоднородное расположение грунтов. Приведен план и разрез фундамента установки противопожарной ляды и вентилятора главного проветривания строящейся шахты. Описаны геолого-литологические колонки по двум скважинам №23 и №24 с инженерно-геологическими элементами и физико-механическими свойствами грунтов. Из результатов инженерно-геологических изысканий колонки скважины №23 следует, что фундамент установки противопожарной ляды расположен на слабом основании из насыпного грунта и угля, что способствует повышению деформаций и перемещений, возникновению крена фундаментной плиты. Из данных по колонке скважины №24 понятно, что фундаменты вентилятора главного проветривания расположены на неоднородном грунтовом основании, что способствует возникновению деформаций и его неравномерной осадке. Существующая нагрузка от веса вентиляционной установки способствует увеличению давления на краях фундаментной плиты. На основании анализа особенностей геологического строения грунтового основания объекта были разработаны две геомеханические модели по усилению грунтового основания установки противопожарной ляды и вентилятора главного проветривания. Приведены расчетные схемы в форме планов и разрезов объемной геомеханической модели с расположением инъекторов и зон закрепления основания. По результатам геомеханических расчетов представлены поля изолиний вертикальных перемещений для двух состояний грунтового основания, естественного основания и после закрепления.

Каменноугольный пек (электродный) во всем мире по многим причинам является основным, приоритетным связующим компонентом для производства различных углеродных композитов: анодных масс, электродов, конструкционных материалов, электроугольных изделий и т. д. Каменноугольный электродный пек как основной сырьевой компонент этой продукции задает уровень физико-механических свойств этих продуктов, во многом определяет их качество. Благоприятное сочетание физико-химических свойств - коксообразующей способности и низкой вязкости в расплавленном состоянии - выгодно отличает электродный каменноугольный пек от других видов связующих веществ, применяемых для создания углеродных композитов, на основе которых получается широкий спектр товарной продукции. Ежегодно существующая потребность в каменноугольном электродном пеке в мире возрастает на 3-4%, а для получения высоко маржинальной продукции, такой, как, например, высококачественные углеродные волокна, потребность возрастает более чем на 10%. Использование каменноугольного сырья - каменноугольной смолы, продукта высокотемпературного коксования каменных углей, для получения каменноугольных электродных пеков по сравнению с другими видами углеводородного сырья обеспечивает лучшее качество электродного пека, большее количество и более высокий выход продукта. При получении каменноугольных электродных пеков из каменноугольной смолы высокотемпературного коксования каменных углей наиболее значимыми и оказывающими влияние на формирование качества пеков являются следующие аспекты: 1) качество каменноугольной смолы и, соответственно, качество каменных углей, идущих на коксование, технология коксования, физический износ печей коксования каменных углей, коксовой батареи в целом и сопутствующей аппаратуры и трубопроводов); 2) температура и период термического воздействия на каменноугольную смолу при разгонке на фракции; 3) состав газовой среды в реакторе, реторте (ее инертность); 4) давление в реакторе или реторте. В работе изучена и установлена возможность получения из каменноугольной смолы ПАО «Кокс» электродных каменноугольных пеков. Определены качественные характеристики пеков, проведен анализ полученных данных, а также сделано соответствие характеристик полученных электродных пеков с требуемыми значениями показателей качества сырья для получения из него электродной продукции согласно с требованиями ГОСТ. Установлено, что при 430 °С и со скоростью нагрева 3 ⁰С/мин без изотермической выдержки получается электродный каменноугольный пек, соответствующий марке В, который пригоден для получения широкой номенклатуры электродной продукции.

В настоящее время углеродные материалы (углеродные волокна, углеродные конструкционные материалы, электроды и т. п.) производятся из смеси углеродного наполнителя со связующим. В значительной мере качество готовой смеси определяют явления, происходящие на поверхности углеродистых материалов при их взаимодействии с каменноугольным пеком. Наряду с влиянием других факторов необходимый контакт связующего и твердых углеродистых материалов возможен при условии смачивания твердой фазы достаточно размягченным пеком. Следовательно, изучение смачивающей способности связующими веществами коксов-наполнителей представляется необходимым и актуальным. В работе приведены результаты экспериментального определения угла смачивания каменноугольным пеком поверхности углеродистых материалов, кокс, полученный при 900оС из бурого угля. Количественно степень используемых в качестве коксов-наполнителей. Определяли смачиваемость поверхности среднетемпературным пеком для следующих углеродистых материалов: нефтяной кокс, искусственный графит и высокотемпературный смачиваемости характеризовали краевым углом статического смачивания методом «лежащей» капли в температурном интервале 60-160оС, замеры производили через каждые 10оС. Изучена температурная зависимость смачиваемости испытуемых углеродистых материалов каменноугольным пеком. Определено, что пек не смачивает образцы при температуре, близкой к температуре его размягчения. Смачивание поверхности начинается при достижении величины краевого угла θ = 90о в интервале температур 92 - 100оС. Совокупность полученных данных позволила установить, что наилучшую смачиваемость имеет нефтяной кокс и искусственный графит. Высокотемпературный кокс характеризуется самой низкой смачиваемостью, так как в исследованном диапазоне температур краевой угол смачивания был всегда больше 90о. Полученные результаты важны, так как позволяют составить более полное представление о технологической ценности исследованных образцов в качестве сырья для получения композиционных углеродных материалов.

В статье предложено решение двух наиболее актуальных экологических проблем России. Первая - накопление большого количества избыточного активного ила, который складируется на иловых картах и занимает значительные территории. Вторая - проблема очистки водных пространств от разливов нефти и нефтепродуктов. Целью данного исследования является разработка твердого ядра, применяемого в сорбентах для очистки загрязнений с водной поверхности на примере нефтесорбента. В рамках работы были проведены лабораторные исследования сырья и полученных продуктов, эксперименты по получению различных образцов ядра, обобщение и сравнительный анализ полученных данных. Для этого в лабораторных условиях были получены образцы магнетитового ядра и определены их технические характеристики. По результатам исследования проведен сравнительный анализ полученных данных. В результате были выявлены факторы, влияющие на прочность магнетитового ядра: условия термообработки магнетита, концентрация и время выдерживания ядра в отвердителе, режим и температура обработки ядра. С увеличением концентрации отвердителя возрастает и прочность магнетитового ядра, однако при концентрации выше 20% статическая прочность резко снижается. Оптимальным режимом термообработки является постепенное нагревание до 600°С, так как при этой температуре магнетитовое ядро устойчиво.

Диметиловый эфир малеиновой кислоты - продукт основного органического синтеза, который используется для производства ряда растворителей, пластмасс, полимерных материалов и др. Одним из методов его получения является реакция окислительного карбметоксилирования ацетилена. Пропускание смеси монооксида углерода, ацетилена и кислорода через каталитическую систему PdBr2 - LiBr - PcCo - метанол позволяет получать диметилмалеат с высокой селективностью относительно реагентов. В процессе также образуется небольшое количество диметилового эфира фумаровой кислоты. С целью оптимизации состава каталитической системы и условий получения эфира малеиновой кислоты изучено влияние концентрации бромида палладия и парциального давления ацетилена на показатели процесса. Проведен сравнительный анализ активности фталоцианинатов кобальта и железа. Изучение влияния концентрации бромида палладия на скорость реакции показало, что зависимость имеет сложный характер. Разная активность мономерных и димерных комплексов палладия, образующихся в контактном растворе, может быть причиной такого вида зависимости. Результаты опытов с варьированием парциального давления ацетилена в реакторе (в диапазоне 4 - 15 кПа) позволяют сделать вывод о нулевом порядке реакции по ацетилену. Этот факт особенно важен для безопасной работы с ацетиленом в промышленных условиях. Сравнение активности фталоцианинатов кобальта и железа показало, что скорости накопления продуктов и селективности их образования выше в случае использования РсСо в качестве компонента каталитической системы. Использование бинарных растворителей метанол - нитрил приводит к снижению скорости образования эфиров дикарбоновых кислот. Интересные результаты получены при работе с замещенным фталоцианином железа в бинарном растворителе. В работе даны рекомендации об оптимальном составе каталитической системы. Обсуждается целесообразность введения в состав полифункциональной каталитической системы дополнительного высококипящего растворителя.

Угольная промышленность на протяжении столетий остается ключевым элементом глобальной энергетической системы, обеспечивая более 35% мирового производства электроэнергии и оставаясь основным источником энергии для промышленности в странах с развивающейся экономикой. Современная промышленность сталкивается с растущими экологическими и ресурсными вызовами, связанными с увеличением объемов техногенных отходов. Одним из наиболее значимых источников таких отходов является углеобогащение - процесс, сопровождающийся образованием больших количеств хвостов, шламов и золошлаковых материалов. Потенциал отходов углеобогащения - источник альтернативного сырья, их исследование выявило присутствие титана в форме оксидов, силикатов и алюмотитанатов. Например, в золах Кузнецкого бассейна (Россия) концентрация TiO₂ достигает 8-12%, что сопоставимо с низкосортными рудами. Однако извлечение титана осложнено его дисперсным распределением и связью с матрицей алюмосиликатов. В данной работе рассматриваются отходы углеобогащения ЦОФ «Березовская». В отходах данной обогатительной фабрики концентрация титана превышает промышленно значимые значения, характерные для угля, и близка к промышленно значимой для получаемой из него золы. Эта высокая концентрация делает извлечение титана из этих отходов не только перспективной, но и экономически привлекательной задачей, особенно в контексте комплексной переработки. Фактически речь идет о переходе от проблемы утилизации отходов к созданию нового, высокорентабельного производства. Как видно из Таблицы 2, содержание соединений титана коррелируется с содержанием железа, следовательно, теоретически для извлечения титана можно использовать способы переработки ильменитовых руд. Титан предложено извлекать из отходов перколяционного выщелачивания, образованных в ходе комплексной переработки отходов углеобогащения с извлечением ценных компонентов. Титан представлен в отходе в виде оксидных форм. Проведены лабораторные исследования, доказывающие эффективность технологии извлечения титана в виде диоксида. Степень извлечения титана по технологии переработки, состоящей из стадий сульфатизирующего обжига, холодного выщелачивания с последующим кипячением раствора и фильтрованием, достигает 99,5%. Содержание диоксида титана в концентрате составляет 7,32%. Высокое содержание элементов помимо титана говорит о присутствии в осадке растворимых двойных сульфатов железа, алюминия и калия. Это свидетельствует о том, что необходимо отработать режимы фильтрования.

Адипинатные полимерные комплексы [M(A·(H2O)4)]n (M = Co2+ (I) и Ni2+ (II), А = адипинат-дианион, (C6H8O4)2-) и [Cu(A)·2H2O]n (III) синтезированы растворением карбонатов переходных металлов в водном растворе адипиновой кислоты в стехиометрических соотношениях. Соединения охарактеризованы с помощью рентгеноструктурного анализа на монокристалле и инфракрасной спектроскопией с Фурье-преобразованием. Кристаллические данные для соединений следующие: I) моноклинная сингония, пространственная группа P21/c(14), a = 4,79(2) Å, b = 9,78 (4) Å, с = 11,70 (5) Å, α = 90,00 °, β = 99,00(10) °, γ = 90,00 °; II) моноклинная сингония, пространственная группа P21/с(14), a = 4,75 (2) Å, b = 9,71 (5) Å, с = 11,67(6) Å, α = 90,00 °, β = 90,01(10) °, γ = 90,00 °; III) триклинная сингония, пространственная группа P 1 (2), a = 3,80(4) Å, b = 4,93(5) Å, с = 11,31(12) Å, α = 85,29(3) °, β = 87,55(3) °, γ = 83,32(3) °. Исследования с помощью инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием определили наличие во всех соединениях кристаллизационной воды. Комплексы I и II представляют собой удлиненные линейные полимеры; звенья Co(H2O)4 и Ni(H2O)4 связаны карбоксильной группой, с любого конца расширенной депротонированной адипиновой кислотой. Атом меди в комплексе III координирован в октаэдрической геометрии с карбоксилатом и молекулой воды. Определены количественные значения растворимости комплексов в воде и качественно установлена химическая устойчивость соединений в некоторых органических растворителях, кислотах и щелочах.

Рассмотрен вопрос получения органоминерального удобрения из бесподстилочного куриного помета. На Среднем Урале сконцентрировано значительное количество крупных птицеводческих предприятий. Объем образования помета составляет около 500 тыс. тонн в год. Продолжительность выдержки помета на специальных площадках на практике составляет 3 и более месяцев, при этом качество перегнившего помета, используемого как удобрения, не всегда соответствует нормативным требованиям. Описанные в литературе методы переработки помета не получили массового распространения в промышленном производстве в силу различных причин. Целью работы является получение удобрений из отходов птицефабрик за счет регулирования состава смеси, способствующее улучшению процесса твердофазной аэробной ферментации. Как следствие, происходит улучшение потребительских свойств продукта ферментации для использования в лесном, сельском хозяйстве. Эксперимент включал отработку режимов аэробной твердофазной ферментации за счет регулирования состава смеси, проверку качества полученных удобрений, проведение испытаний потребительских свойств удобрений в лабораторных и полевых условиях. В ходе эксперимента исследован режим аэробной твердофазной ферментации бесподстилочного куриного помета с различными добавками, определены оптимальные дозировки компонентов ферментируемой смеси. Зола-уноса Рефтинской ГРЭС, содержащая большое число макро- и микроэлементов, оказывает положительное влияние на качество удобрения. Проведены испытания органоминеральных удобрений по санитарно-ветеринарным и агрохимическим показателям. Получены результаты, подтверждающие соответствие продукта стандартам, применяемым к органическим удобрениям. В лабораторных условиях проведена серия экспериментов и получены данные об улучшении морфологических характеристик при выращивании тест-объектов (кресс-салат). Заложены полевые опыты по искусственному лесовосстановлению на рекультивируемом участке отработанного гранитного карьера в Свердловской области. Для проверки качества органоминерального удобрения при выращивании посадочного материала заложены опытные площадки в лесных питомниках. Получены предварительные данные об улучшении оцениваемых на практике показателей саженцев и сеянцев хвойных пород.