Абразивоструйный материал

Отчет о научно-исследовательской работе      

    

Предварительное сообщение от Pera Knowledge

Авторы: Дж. Р. Гоулд, Б. Уилсон


Опубликовано:

Программа действий в отношении расхода и источников

The Old Academy, 21 Horsefair, Banbury, Oxon OX16 0AH

Тел.: 01295 819900 Факс: 01295 819911  www.wrap.org.uk

Обзор литературы: абразивный материал для обработки


Содержание

Сделайте копию, чтобы обратиться к нему после окончательного одобрения отчета


Краткое изложение объектов исследования

Для использования обзора литературы и исследований, относящихся к публикациям и рекомендациям по окружающей среде и здоровью и безопасности, совместно с любой другой соответствующей информацией по переработке стеклянного абразива, медного шлака и  другого конкурирующего абразивного материала для обработки. Обзор литературы будет сосредоточен на стеклянном абразиве и медном шлаке, но при этом в рамки работы будут включены другие ключевые абразивные материалы.

Итогом проекта будет отчет, обобщающий и оценивающий полученные данные, которые будут использованы WRAP, чтобы определить сильные и слабые стороны его продукции в сравнении с другими абразивными материалами для обработки, а также определить наилучший путь повысить качество стеклянного абразива.


Задача

Принципиальная задача данной работы – сделать обзор опубликованной информации о промышленном абразивном материале, в т. ч. о стеклянном абразиве и медном шлаке и других конкурирующих материалах. Главный аспект, который необходимо определить – это здоровье и безопасность при работе с абразивом, взаимодействие с окружающей средой, восстановление и характеристики абразива. Эта работа в дальнейшем будет подтверждена дополнительной информацией по заданной теме и будет представлена  качестве отчета, обобщающего и оценивающего полученные данные.


Методология

Фирма Pera Knowledge взяла на себя ответственность за анализ данных по абразиву для обработки,  используя всю информацию из справочников и журналов, научных газет и докладов с конференций. Газеты и доклады с конференций были изначально определены как результат изучения нескольких внешних источников данных:

  • Мировые конспекты по покрытиям поверхностей (МКПП) – это база данных Ассоциации по изучению красок (Теддингтон, Мидлсекс), которая охватывает все аспекты технологии нанесения покрытий, включая подготовку поверхностей, для которой используется абразив.

  • Матадекс – охватывает технологию работы с материалами, имеющими металлические свойствами, которые включают несколько типов абразива.

  • Конспекты по работе с керамикой / Мировые конспекты по работе с керамикой – охватывают технологию работы с керамикой, которая также включает несколько типов абразива (алюминиевый, карбид кремния и т. п.).

  • Конспекты по коррозии – охватывают технологию антикоррозионной обработки, что связно с различными типами абразива.

  • Конспекты по машиностроительным материалам – охватывает технологии работы с полимерами, пластиком и композитами. Различные типы термопластических и термореактивных материалов используются в качестве абразива.

  • Центр данных по меди – охватывает технологию работы с медью.

  • Конспекты по машиностроению – включают ссылки на технологию работы с абразивом.

  • Научные конспекты по технике безопасности – включают публикации по технике безопасности, в т. ч. ссылки на материалы, используемые при обработке абразивом.

  • Энвиролайн – охватывает публикации по загрязнению, мерам по охране окружающей среды.


Использовались также другие опорные источники, их перечень приведен в приложении 2. Дополнительная детализация в рамках этих баз данных приведена в приложении 3.

Информация, явившаяся результатом вышеописанных исследований, приведена в отношении основных публикаций по технике безопасности, защите окружающей среды, переработке и по работе для каждого типа абразивного материала и вследствие короткой дискуссии по ключевым моментам была обобщена в таблице. Такое обобщение позволяет сравнить содержание наиболее важных публикаций.


Обзор абразивных материалов, имеющихся в настоящее время в наличии

Термин «абразив» в обработке относится к широкому диапазону материалов (средства для обработки), используемых для оформления профиля очищенной стали и для удаления ненужных покрытий или загрязняющих веществ с поверхностей стальных или других изделий.

Помимо применения для травления и очистки, абразив может быть использован для снятия заусенцев, а также для дробеструйного упрочнения, которое применяется, чтобы передать остаточное сжимающее напряжение обработанным материалам, таким образом улучшая установленную прочность.

Во время обработки существует ряд физических решений по выбору подходящего абразива. По мере того, как зерно абразива сталкиваются с поверхностью, они склонны разбиваться, образуя при этом потенциально опасную пыль. Дополнительно к этому действие очистки является результатом передачи энергии, которая переходит от абразива к основе. Так как кинетическая энергия пропорциональна массе зерна и квадрату ее скорости, то маленькое тяжелое зерно, двигаясь на высокой скорости, окажет на основу большее действие, чем более легкое зерно. Из этого следует, что более тяжелые (более плотные) материалы, такие как сталь и гранат, - более эффективный абразивный материал, чем более легкий (менее плотный) абразив, такой как песок и шлак.

Форма абразива также очень важна, так как шарообразные и заостренные крупицы абразива ведут себя по-разному при столкновении с основой, например со стальной. Заостренные крупицы имеют тенденцию к образованию большего количества разбитых частиц, тогда как закругленные частицы более соразмерены по своей поверхности с основой и сокращают проблемы, связанные с углублением абразива в поверхность.

Другое очень важное свойство абразива – твердость. Твердость – относительная мера сопротивления абразива истиранию другими материалами. Твердость минерального абразива оценивается по шкале твердости Моса, названной в честь немецкого минералога Фридрика Моса. Эта шкала классифицирует минералы по относительной твердости неизвестных минералов к стандартному набору 10 минералов, начиная от очень мягкого (тальк) до очень твердого (алмаз).  Твердость металлического абразива обычно измеряется по системе Роквелла, и обычно стальная остроугольная дробь имеет оценку по шкале твердости Роквелла С, т. е. 45 – 55 (приблизительно это равно 6.0 – 6.5 по шкале Моса).

Общие неотъемлемые признаки удачно выбранного абразивного материала следующие:

  • Незначительный риск для здоровья, в т. ч. низкое содержание опасных загрязняющих веществ, таких как асбесты (оливин) и мышьяк (в медном шлаке).

  • Низкий уровень образования пыли при нормальных условиях использования.

  • Высокие уровни производительности и очистки без искривления или другого повреждения обрабатываемой детали.

  • Износостойкость абразива, что позволяет собирать его, восстанавливать и повторно использовать.

  • Подходящая форма частиц и их размер для соответствующего применения.

  • Слабое воздействие на окружающую среду при хранении, использовании и утилизации.

Одно из важнейших свойств, определенных выше, - рециркуляция и восстановление абразива, что при данном взаимодействии с окружающей средой не удивительно. Термин «рециркуляция» в технологии обработки абразивом обычно применяется к материалам, содержащимся в абразивоструйной камере и в установленном порядке проходящим цикл по несколько раз. Восстановление абразивного материала ведет к необходимости обработки через довольно сложную систему для удаления загрязняющих веществ и сортировки материала по крупности.

Размещение использованного абразивного материала может повлечь за собой использование городских свалок. Следует принять в расчет тип загрязняющих веществ в отходах, а также возможность выщелачивания опасных веществ (например, тяжелых металлов) на местах расположения свалок, и при определенных обстоятельствах должны быть учтены альтернативные методы утилизации.

Большинство абразивных материалов для обработки может быть классифицировано на 4 широкие группы:

  • Природные минералы (например, кварцевый песок, гранат, оливин (хризолит)).

  • Промышленный абразив (например, стальная дробь, стеклянная дробь, глинозем, пластиковые гранулы или бусины, сухой лед (твердая углекислота), бикарбонат натрия).

  • Минеральные шлаки (например, медный шлак, никелевый шлак, железный шлак и (каменно-)угольный шлак).

  • Органические средства (например, кукурузные початки, ореховая скорлупа, частицы крахмала).

Рассмотрим основные примеры вышеприведенных 4-х типов более подробно.


Природные минералы


Кварцевый песок

Обычный кварцевый песок является одним из минералов, находящихся на земной поверхности в избытке. В течение многих лет кварцевых песок во всем мире был наиболее предпочтительным материалам для абразивоструйной очистки. Вся промышленность базировалась на его использовании, и термин «пескоструйная обработка» был наиболее общепринятым для этого типа операций.

Этот материал легко купить по низкой цене. Однако, кварцевый песок обычно имеет высокую концентрацию кристаллического кремния (кварца). Вдыхаемый кварц при повторяющемся воздействии вызывает заболевание, силикоз (см. 3, 21, 32, 34, 37, 42, 43, 44). Кристаллический кремний также считается причиной рака (см.34).

Несмотря на строгие меры по охране здоровья и по технике безопасности в развитых станах, кварцевый песок все еще широко используется при абразивоструйной обработке. В Великобритании песок или другие вещества, содержащие свободный кварц, специально запрещены для «применения в качестве абразива в любых абразивоструйных машинах» Правилами регулирования использования веществ, опасных для здоровья 2002 (COSHH) (48). Он (песок) не считается пригодным для повторного использования (37).


Гранат

Гранат – твердый силикатный минерал, добываемый в нескольких местах мира, в т. ч. в Австралии, Индии, США и Южной Африке.

Существует около восьми различных форм граната, но наиболее используемая для абразивоструйной обработки – альмандитный гранат,  который является материалом на железной основе (9). Он очень тяжелый, твердый и износостойкий. Плотность и износостойкость  - критические факторы, влияющие как на выполнение обработки, так и на возможность повторного использования. Благодаря этим свойствам гранат имеет высокую производительность при использовании в одном цикле (одноразовый) или в нескольких циклах (9).

Многие виды граната, используемые для абразивоструйной обработки, являются не измельченными, намывными, т. е. образованными от водного источника. В результате частицы абразива варьируются по форме от закругленных до заостренных. Так как намывные частицы не измельчают, они содержат немного трещин от надавливания на них (при измельчении) и во время обработки противостоят разрушению (9).

Гранат используется как для железных, так и для не содержащих железа материалов и имеет несколько преимуществ, в том числе следующие (7, 9):

  • Быстрое нарезание.

  • Низкое образование пыли (в сравнении с (каменно-)угольным шлаком или кварцевым песком).

  • Годен для повторного использования.

  • Низкий риск для здоровья, т. к. явно не обнаруживаются тяжелые металлы и низкое содержание свободного кварца.


Оливин (хризолит)

Оливин – силикат магния естественного происхождения, имеющий бледно-зеленый цвет и не одержащий свободного кварца или токсичных материалов (11). Однако есть сведения, что оливин является минералом, при применении которого выделяются асбестовые загрязняющие вещества (45, 48, 49). Серии тестов, проведенных органом исполнительной власти по технике безопасности и охране труда (HSE) в июне 2000 г. в отношении специального перемещения оливина, показали, что он содержит асбестовое волокно. Лабораторные исследования, выполненные HSE, показали, что ряд потенциальных способов применения данного материала, в т. ч. дробеструйная обработка с воздухом, могли бы оказать воздействие, превышающее контрольные пределы (49).

Основное использование оливина – в качестве более безопасной замены для кварцевого песка при очистке сооружений, а также он находит применение в абразивоструйной очистке стали, особенно нержавеющей стали, для которой использование шлакового абразива часто бывает запрещено из-за железных загрязняющих веществ, применение которых приводит к образованию ржавых пятен – так называемых «чайных пятен» (11). Оливин очень твердый, но имеет склонность к раскалыванию при ударе, создавая много светлой пыли (8).

Главные месторождения оливина, используемого для промышленных целей, таких как дробеструйная обработка, находятся в США и Норвегии (34), что делает его относительно дорогим для использования в Великобритании в качестве абразива из-за ограниченного доступа к нему (8). Обычно оливин не восстанавливается после использования (37).


Ставролит

Ставролит – это минерал темного цвета, который является силикатом алюминия или железа. В нем содержится некоторое количество свободного кварца, гораздо меньше кварцевого песка (8). Этот материал, имеющий определенную сферу применения, относительно дорого стоит, но предлагает преимущества, такие как незначительное образование пыли  (благодаря высокой прочности), малое вдавливание в поверхности и безвредность для окружающей среды (34). Ставролит практически не представляет опасности для окружающей среды. Одна из основных причин этого заключается в том, что данный абразив не рекомендуется для определенных форм применения, и таким образом гарантируется, что расходы на размещение будут минимальными. Например, данный минерал не рекомендуется для использования при удалении красок на свинцовой основе, т. к. загрязненный именно при этом использовании абразив может привести к реальным экологическим проблемам (34).

Вопреки высокой твердости этого материала, округлая форма его частиц гарантирует, что практически не будет вдавливания частиц. Хотя данный материал обычно не полежит повторному использованию, возможность этого еще мало известна (34).

Вышеописанные минералы являются основными типами, употребляемыми для промышленной обработки, хотя предполагается существование ряда других применявшихся материалов (например, зеркальный гематит).