Добыча и обработка природного камня

СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ

Технологический процесс, в результате которого камню при­дают требуемую форму, размер и фактуру лицевой поверхности, состоит из ряда операций, которые на предприятиях в настоящее время выполняются почти полностью механизированным спосо­бом.

Современный технический прогресс позволил камнеобраба­тывающей промышленности применять для обработки камня различные методы разрушения горных пород, которые подразде­ляются на два вида: механические и физико-технические.

Классификация способов обработки декоративного камня, основанная на существующих методах разрушения пород, при­ведена на рис. 7.1.

Механические методы обработки камня, такие, как скалыва­ние, резание и ударное - разрушение, до настоящего времени яв­ляются наиболее распространенными. Скалывание применяется для получения строительных изделий с фактурой «Скалы» и производится, как правило, вручную с помощью набора клиньев. При ^том используются анизотропные и хрупкие свойства камня. В последнее время в практику все шире внедряются ко - лочные станки относительно простой конструкции, имеющие два стальных ножа, армированных твердосплавным инструментом, приводимых в движение гидравлическими цилиндрами.

При обработке камня методом скалывания достигается не­сколько видов фактурной обработки, которые подразделяются на следующие группы:,

Фактура рельефной и плоской «Скалы»; первая получается путем скалывания по периметру лицевой поверхности камня за­кольником и молотком. В процессе обкалывания камню можно придать рельеф различной глубины. При расколе камня на ко - лочном станке может быть получена менее рельефная фактура «плоской скалы». Рельеф фактуры «Скала» имеет высоту от 50 мм и более;

Бугристая фактура, характеризующаяся наличием на лице­вой поверхности равномерно-распределенных бугров и впадин, получаемых от обработки скалывающими инструментами. Эта

Фактура подразделяется на мелкобугристую с высотой рельефа 3—7 мм и крупнобугристую с высотой рельефа 7—15 мм. Бугри-т стую фактуру получают путем раскалывания камня на колоч - ных станках или обработкой камня шпунтом и узкой скарпелыо;

Рифленая фактура характеризуется наличием параллельных борозд с высотой „рельефа от 0,5 до 3 мм и достигается путем обработки распила пород средней твердости троянкой, Рифле­ная фактура может быть достигнута путем обработки камня на строгальных станках с помощью гребенчатого резца.

Резание —это наиболее современный способ обработки камня. Самое широкое распространение в настоящее время по­лучила обработка камня штрипсовой распиловкой» которая под­разделяется на:

Штрипсовую распиловку с применением стальной и чугунной дроби;

Алмазно-штрипсовую распиловку.

Дисковая распиловка сейчас приобретает все более широкое распространение, применяется для распиловки пород любо$ прочности и подразделяется на два вида; алмазно-дисковая рас* пиловка и дисковая распиловка резцами.

В последнее время в отечественной и зарубежной практике все большее распространение для резания горных пород полу­чает канатная распиловка, причем для пород самой различной твердости, развитие которой идет в трех направлениях; канатная распиловка с помощью абразива; алмазно-канатная расийловка;

Распиловка канатами, армированными твердосплавными шай­бами.

Обработка мягких пород и пород средней твердости реза­нием может также производиться строганием камня на специ­альных строгальных станках с использованием в качестве инст­румента резцов, армированных твердым сплавом В КЗ и ВК38, а также точением камня на токарных станках при производстве изделий цилиндрической и сложной поверхности вращения (де­тали декоративных лестниц, колонн и других). Фрезерование камня может быть выполнено торцовыми, вальцовыми и диско­выми фрезами. Вальцовые фрезы, как правило, состоят из на­бора различных фасонных фрез, необходимых для получения сложных профилей, и применяются не очень часто.

Для отрезания плит используются дисковые фрезы, армиро-

В, анные алмазом или твердым сплавом ВК8, а для получения чи - стотесанной декоративной поверхности широко применяются торцевые фрезы.

Камни шлифуются на станках портального, рукавного, пла­нетарного и других типов. При этом процесс шлифовки состоит из нескольких этапов, как правило, из пяти. Это грубое шлифо­вание, черновое шлифование, первое и второе шлифование и лощение. Шлифование производится шлифовальными шарош­ками на карборундовом зерне либо шлифовальным инструмен­том на синтетических алмазах.

Камень полируется войлочными и матерчатыми кругами с применением пасты ГОИ (оксида хрома), либо азотно-кислого олова. В последнее время в практике камнеобрабатывающих предприятий все чаще внедряется полирование алмазными ин­струментами.

При резании камня вышеизложенными методами достига­ется ряд фактур обработки. В практике такой фактурной об­работки чаще всего встречаются три вида: шлифованная, имею­щая следы инструмента; лощеная, в которой следы инструмента отсутствуют, а поверхность камня имеет слабый блеску полиро­ванная, характеризующаяся зеркальным блеском.

В практике производства тесаных изделий наиболее ши­роко применяется ударное. разрушение камня, производимое в основном вручную с помощью клиньев, закольников, скар­пелей, бучард, шпунтов, троянок и пневмомолотков. Это так называемые классические методы ударной обработки.

Из указанных видов обработки наиболее распространен­ным является бучардирование камня, которое выполняется ручнййи бучардами, пневмобучардами и пневмокиянками с 25, 36, 64 й 100 зубьями. Бучардирование камня в практике кам - не^ркбЬтки широко применяется при производстве ступеней, бордюров, V устоев мостов, оснований памятников и других из­делий.

При этом виде обработки достигается точечная фактура обработки.

Сейчас в промышленности и, в частности, для декоратив­ной обработки камня все шире применяется ультразвуковая обработка. Камень обрабатывается ультразвуком в абразив­ной среде, процесс обработки протекает медленно, но харак­теризуется высокой точностью. В качестве источника ультра­звука применяются ультразвуковые генераторы У31М0У (10 кВт) или УЗГ-2,5А (2,5 кВт) и магнито-стрикционные преобразователи для механической обработки ПМС-15А-18 частотой 18 кГц и мощностью 4 кВт.

В камнеобработке ультразвуковые колебания использу­ются в трех направлениях:

В целях раскрытия естественной фактуры распиленных и шлифованных плит без полировки. При' этом ультразвуковое поле создается в жидкой среде;

Для интенсификации существующих технологических про­цессов путем наложения ультразвуковых колебаний на камне­обрабатывающий инструмент;

Для ультразвуковой размерной сложно-профильной обра­ботки в абразивной среде.

Особенно высокоэффективной, как показали результаты эк­спериментов, проведенных НИИКСом, является ультразвуко­вая обработка распиленных или грубошлифованных плит в водной среде, в которой сформировано ультразвуковое поле, обеспечивающая удаление разрушенного и затертого слоя под влиянием кавитации. При этом камню придается вид свежего излома. '

БолыЦую технологическую эффективность, особенно при алмазном шлифовании природного камня, дает наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент. При этом снижается износ инструмента, повышается производитель­ность обработки, улучшается качество обработанной поверх­ности. Специалистами предложен простой и надежный способ возбуждения ультразвуковых колебаний в алмазном инстру­менте, по которому металлическая связка выбирается из ме­талла, имеющего магнитострикционные свойства. Вокруг ин­струмента создается переменное магнитное поле. Применение такого способа позволяет отказаться от сложной колебатель­ной системы.

С помощью ультразвуковой размерной обработки можно получить рельефное изображение на камне любой сложности. Обработка камня ведется металлическим инструментом, имею­щим негативное изображение требуемого рисунка. В послед­нее время ведутся исследования по совершенствованию про­фильной обработки камня на основе вибрационнокопироваль­ной обработки камня в свободном абразиве. Ультразвуковая обработка камня имеет большую перспективу, так как этот способ позволяет также получать на камне различные изобра­жения.

В последние годы в отечественной и зарубежной практике все шире экспериментируется вибрационное или ударно-сило­вое резание (динамическое скалывание), основанное на ис­пользовании колебательных движений резцового инструмента с амплитудой 1,5—2 мм и частотой 1500—3000 колебаний в минуту.

Наиболее эффективное виброрезание камня достигается при вертикальном шахматном расположении лопаточных - рез­цов на держателях. Лабораторные и экспериментальные за­водские испытания вибрационных станков, проведенные ВНИИНСМ, показали, что их производительность в 5—6 раз выше ручной обработки камня, однако они весьма энергоем­кие и требуют существенной доработки.

Научные открытия и технический прогресс позволяют все шире практиковать для обработки камня физико-технические методы, находящиеся в отечественной и зарубежной практике в стадии расширенных исследований и опытно-промышленных испытаний, и в ближайшем будущем они будут наиболее пер­спективными.

Сегодня наиболее широкое практическое применение иг этих методов получила обработка камня термореактивными газовыми горелками бензовоз душного и керосино-кислород - ного типов. Бензовоздушные термоотбойники сейчас широко внедрены в производство для изготовления тесаных йзделий на Коростышевском, Емельяновском, Богуславском, Янцев - ском и других предприятиях Украины.

Термоотбойники применяются для изготовления архитек­турно-строительных деталей, механических изделий, и при изготовлении монументов из пород высокой крепости. Наиболь­шее распространение получили воздушные газоструйные тер­моотбойники Т-5, разработанные Харьковским авиационным институтом, основной частью которых является прямоточный воздушно-реактивный микродвигатель, работающий на сжа­том воздухе и бензине или керосине. «Режущим лезвием» тер­моотбойника, непосредственно воздействующим на горную породу при ее обработке, является сверхзвуковая высокотем­пературная газовая струя, вытекающая из сопла реактивного микродвигателя.

Широкое применение термоотбойников в камнеобработке обешечило значительное улучшение условий труда каменоте­сов, полное устранение профессиональных заболеваний (виб - роболезви и силикоза), повышение производительности труда в 5—10 раз по сравнению с пневматическим камнеобрабатьь ваюиуш инструментом, снижение себестоимости выпускаемо^ продукции и сокращение расхода твердосплавного инстру­мента. Обработка камня термореактивными горелками нашла широкое применение также и за рубежом в таких странах, как США, ГДР и др.

В последние годы достигнуты неплохие результаты по об­работке камня токами высокоЗ частоты. Наиболее приемлем, этот способ для приготовления блоков-заготовок по производ­ству ступеней, бордюра, парапета и прочих подобных изделий. Для этих целей используются высокочастотные колебания в диапазоне 3—7 и 15—20 МГц. Высокочастотный ток пода­ется к специальным линейным электродам, плотно соприкаса­ющимся с блоком и расположенным по противоположным его сторонам. При этом энергия поглощается горной породой в местах контакта с электродами, в результате чего образу­ются две клиновидные зоны нагрева породы, между которыми происходит тепловой пробой и блок разделяется на части. На­правление раскола камня зависит от пространственной ориен­тации плоских электродов. Разрушение пород токами высокой частоты совершенствуется и имеет большую перспективу.

Все больший интерес у специалистов камнеобработки вы­зывает плазменное разрушение горных пород кристалличе­ской структуры. Учеными разрабатывается множество конст­рукций плазмотронов в виде ручных горелок типа термоот­бойников. Струя, вытекающая из сопла плазмотрона, имеет скорость 500—1000 м/с и температуру 22000—24000 °С и прак­тически режет все: металл, камень, стекло, керамику. Однако получение плазменной струи пока еще дорогостоящее и тре­бует ряда совершенствований, из-за чего вопрос использова­ния плаз мор езов в камнеобработке решен еще недостаточно полно.

В последние годы отечественными и зарубежными уче­ными ведутся исследования по обработке камня лазерами как на основе полного разрушения, так и для ослабления породы в целях последующего разрушения механическими способами. Квантовыми генераторами практически можно будет эффек­тивно разрушать любую горную породу, придавая ей при об­работке любую форму, а также получать объемные и барель­ефные изображения. Следует отметить* что. определенных ус­пехов добились в этом вопросе ученые Массачусетского тех­нологического института (США).

Специалистами ГДР разработан способ обработки камня высокоскоростной водяной струей, подаваемой под давлением более Л0 МПа через сопло диаметром в несколько миллимет­ров. Такая струя под действием своей кинетической энергии оказывает режущее воздействие на камень, прорезая его за один проход на глубину до 4 см. При этом для повышения эффективности резки камня необходимо добиться полного

Устранения завихрения струи после выхода ее из сопла, что достигается путем добавки в рабочую жидкость полностью или частично растворимых в воде специальных добавок. Решению этой задачи лучше всего соответствуют вещества с длинными цепными молекулами и особенно пол и этил енгл и коль. Ско­рость резания камня значительно возрастает, если на неболь­шом расстоянии от отверстия сопла в воду подается нераство­римая добавка, усиливающая действие резания, например пе­сок, мелкая чугунная сечка и др.

В настоящее время ведутся исследования по сочетанию водяных струй с электрогидравлическим эффектом. Это по­зволяет получать водяные струи с частотой пульсации 300—, 3000 импульсов в минуту, что дает возможность эффективно разрушать породы любой прочности. Как показали резуль­таты исследований и экспериментов, выполненных в ГДР, производительность реза гранитов достигает до 5 м2/ч, т. е. это позволяет снять ленту толщиной 3—5 см до 5000 м/смену. Этот способ обработки камня на сегодня является, энергоем­ким, а оборудование отличается сложностью, но в ближайшем будущем его ожидает большая перспектива.

Следует также упомянуть о зарождающемся и перспектив­ном способе термо-механического разрушения камня, заклю­чающемся в предварительном термическом ослаблении свойств породы и последующем разрушении резцовым инструментом.

Описанные выше механические и физико-технические спо­собы обработки горных пород позволяют значительно инду­стриализовать камнеобрабатывающее производство, совер­шенствовать технологию обработки камня, организовать по­точное производство изделий из камня, повысить их качество, эффективно и комплексно использовать минеральное сырье* улучшать технико-экономические показатели камнеобрабаты­вающих предприятий.