Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов и сред с жидкими радиоактивными отходами 9
1.1. Методы отверждения жидких радиоактивных отходов 11
1.1.1 Битумирование 12
1.1.2 Иммобилизация в полимерную матрицу 15
1.1.3 Остекловывание 16
1.1.4 Цементирование 19
1.2 Цементирование жидких радиоактивных отходов 22
1.3. Требования к качеству цементных компаундов
1.3.1 Водоустойчивость (скорость выщелачивания радионуклидов) 28
1.3.2 Механическая прочность 31
1.3.3 Водостойкость 34
1.3.4 Морозостойкость (устойчивость к термическим циклам) 36
1.3.5 Радиационная стойкость 39
1.3.6 Биологическая стойкость 41
1.3.7 Требования к показателям качества цементных компаундов, не регламентируемым нормативными документами 42
1.4 Расчет температурного поля в контейнере с цементным компаундом в процессе его твердения 43
1.5 Элементы кавитационной технологии 45
1.6 Цель и задачи исследования 45
2. Численное исследование температурного поля в стандартной 200-литровой бочке
2.1 Решение для цилиндра конечных размеров 48
2.2 Решение для цилиндра конечных размеров с внутренним тепловым источником 52
2.3 Модель для контейнера долговременного хранения отвержденных РАО (бочки) 53
Экспериментальных исследовании 60
3.1 Установка для непосредственного измерения температурного поля в бочке и на поверхности теплообмена 60
3.2 Суперкавитациоиный миксер 62
3.3 Контрольно-измерительные приборы и вспомогательное оборудование 65
3.4 Методика проведения измерений 68
3.5 Регрессионный анализ экспериментальных данных 71
3.6. Методика эксперимента по кавитационному воздействию на цементный компаунд 76
3.7. Краткие сведения об ультразвуке к его воздействие на жидкие среды
3.8. Оценка достоверности полученных результатов 92
4.1 Физико-химические параметры дистиллированной и водопроводной воды 95
4.2. Влияние кавитационной обработки на прочность цементного камня 101
4.3 Оценка теплофизических характеристик контейнера долговременного хранения отвержденных РАО (бочки) 103
4.4 Оценка теплофизических характеристик процесса
твердения цементного компаунда в бочке 106
4.5 Определение влияния физико-химических свойств
кавитациоино обработанной воды на качество получаемого
цементного компаунда 112
4.6 Ультразвуковая обработка пульпы 113
4.6.1 Определение размеров частиц седиментационным анализом 114
4.6.2 Расчет исходной пульпы 117
4.6.3 Расчет пульпы после двух циклов обработки ультразвуком 120
4.6.4 Расчет пульпы после четырех циклов обработки ультразвуком 124
4.6.5 Расчет пульпы после шести циклов обработки ультразвуком
- Иммобилизация в полимерную матрицу
- Требования к показателям качества цементных компаундов, не регламентируемым нормативными документами
- Решение для цилиндра конечных размеров с внутренним тепловым источником
- Методика эксперимента по кавитационному воздействию на цементный компаунд
Введение к работе
Актуальность работы определяется необходимостью разработки новых эффективных и наукоемких технологий обращения с радиоактивными отходами (РАО) от переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), исключающих вредное воздействие на окружающую среду и гарантирующих перевод в формы, соответствующие критериям приемлемости для передачи на долговременное хранение и захоронение.
Существующие методы обращения с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО) такие как битумирование, иммобилизация в полимерную матрицу, остекловы-вание, цементирование и т.п. имеют свои достоинства и недостатки: высокая стоимость полимерных материалов, высокая энергоемкость процесса при остекловывании, пожаро-взрывоопасный процесс при битумировании и т.д.
Наиболее широко используемым в настоящее время процессом отверждения жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности является включение ЖРО в неорганические вяжущие (метод цементирования). Образующийся при отверждении цементный компаунд обладает целым рядом преимуществ: высокие механическая прочность, радиационная и химическая устойчивость, пожаробезопас-ность, пониженное внешнее излучение из-за высокой плотности цементных материалов.
Повышение требований безопасности хранения отходов, полученных от переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), приводят к необходимости использования принципиально иных наукоемких технологий, в частности, эффектов кавита-ционной технологии, достаточно легко реализуемой, энергоэффективной и, в ряде, случаев не имеющей альтернативы.
Работа выполнена в рамках открытого плана НИР ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» «Разработка энергоэффективных и экобезопасных технологий» в 2013-2015 гг. Тема диссертации соответствует перечню «Критические технологии РФ» - «Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом» по приоритетному направлению «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», утвержденные Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. № 899.
Объект исследования – отходы, образующиеся в результате переработки ОЯТ.
Предмет исследования – характеристики технологического процесса цементирования и полученного компаунда для захоронения отвержденных ЖРО.
Цель диссертационной работы: развитие методов обращения с отходами, образующимися в результате переработки ОЯТ, на базе эффектов гидродинамической кавитации и ультразвуковой обработки пульпы ЖРО.
Основные задачи исследований:
- анализ существующих методов обращения с радиоактивными отходами с целью их перевода в формы, соответствующие критериям приемлемости для передачи на долговременное хранение и захоронение;
оценка влияния температуры на кинетику физико-химических процессов при твердении цементного компаунда и в конечном итоге на показатели его качества;
разработка численной модели для теплового расчета контейнера для долговременного хранения РАО при цементировании нерастворимых остатков пульп, извлеченных из емкостей-хранилищ;
определение влияния физико-химических свойств кавитационно обработанной воды на качество получаемого цементного компаунда;
проверка влияния ультразвукового воздействия на пульпу ЖРО перед ее иммобилизацией в цементную матрицу.
Методы исследований. Поставленные задачи решены современными теоретическими и экспериментальными методами при комплексном использовании новых наукоемких технологий обращения с отходами от переработки ОЯТ. Разработаны и изготовлены экспериментальные стенды, проведены натурные и модельные физические исследования.
Научная новизна:
-
Экспериментально определен усредненный коэффициент теплоотдачи для всей охлаждаемой поверхности бочки – контейнера для хранения цементного компаунда, оказавшийся равным 9,86 ватт/(м2K), что почти в два раза больше значения, вычисленного с помощью общеизвестного критериального уравнения.
-
Установлено, что существенный градиент температуры по сечению бочки в процессе теплообмена с окружающей средой в ходе длительного хранения, обусловленный выделением тепла при радиоактивном распаде содержащихся в цементном компаунде радионуклидов, может наблюдаться при значениях qv = 1000 вт/м3 и более.
-
Предложена численная модель теплового расчета контейнера для долговременного хранения РАО при цементировании нерастворимых остатков пульп, извлеченных из емкостей-хранилищ, позволяющая с достаточной для технических расчетов точностью определять параметры твердения цементного компаунда в бочке при В/В 0,5.
-
Определено существенное положительное влияние использования кавитаци-онно активированной воды в процессе приготовления цементного компаунда на показатели его качества (механическая прочность, устойчивость к термическим циклам и скорость выщелачивания радионуклидов из цементной матрицы).
-
Установлено , что с увеличением количества циклов ультразвуковой обработки пульпы ЖРО перед включением ее в цементный компаунд, радиус частиц пульпы уменьшается от 50 мкм в исходном образце до 10 мкм после шести циклов.
На защиту выносятся следующие основные положения работы:
- результаты экспериментального исследования по определению влияния физи
ко-химических свойств кавитационно обработанной воды на качество получаемого
цементного компаунда и ультразвукового воздействия на пульпу ЖРО перед ее им
мобилизацией в цементную матрицу;
метод теплового расчета контейнера для долговременного хранения РАО при цементировании нерастворимых остатков пульп, извлеченных из емкостей-хранилищ, основанный на разработанной математической модели;
данные о положительном влиянии кавитационно обработанной воды на повышение долговременной стабильности отвержденных радиоактивных отходов;
данные о влиянии ультразвуковой обработки пульпы ЖРО на однородность, перед включением ее в цементный компаунд.
Практическая значимость и использование результатов работы состоит в том, что за счёт применения разработанных математических моделей повышается эффективность (скорость, достоверность и точность) расчётов при проектировании технологических процессов компаундирования ЖРО и производства контейнеров для хранения ОЯТ. Разработанный метод может быть использован при проектировании новых конструкций контейнеров. Разработанные методики использованы при обращении с ОЯТ на Радиохимическом заводе ФГУП «Горно-химический комбинат» (г. Железногорск). Основные результаты диссертации включены в курс лекций «Охрана окружающей среды в теплотехнологиях» для студентов ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», обучающихся по направлениям подготовки «Теплоэнергетика» и «Техносферная безопасность». Использование результатов исследований подтверждено соответствующими актами.
Достоверность полученных результатов базируется на основных положениях ядерной физики, гидрогазодинамики, теплофизики и подтверждается метрологическими характеристиками использованного оборудования и измерительных приборов, соответствием ГОСТам испытательных методик, а также удовлетворительным совпадением расчетных данных с экспериментальными результатами, полученными на физической модели и действующем промышленном оборудовании.
Личный вклад автора. Научные и практические результаты, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично автором. Общая научная идея, направления и задачи исследований были сформулированы при участии научного руководителя. Модельные и натурные исследования проводились в лабораториях ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» и ФГУП «Горно-химический комбинат» под руководством автора, сотрудникам которых автор выражает свою глубокую признательность за помощь в проведении этой работы.
Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались и обсуждались на Первом Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010), Второй Всеросс. НТК «Сибирь атомная. XXI век» (Железногорск, 2010), Всерос. НТК «Инженерно-экологические проблемы энергосбережения в строительстве и ЖКХ» (Томск, 2013), IX International symposium Euro-Eco «En-viromental and engineering aspects for sustainable living» (Germany, Hannover, 2014), XVII Всеросс. Симпоз. c международным участием «Сложные системы в экстремальных условиях» (Шира, Хакассия, 2014), V Всероссийской конференции «Безопасность и живу-
честь технических систем» (Красноярск, 2015), X International symposium Euro-Eco «En-viromental and engineering aspects for sustainable living» (Germany, Hannover, 2015), VIII Всеросс. конференции по радиохимии «Радиохимия-2015» (Железногорск, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них: шесть статей в периодических изданиях из перечня ВАК, два патента РФ на изобретения, восемь работ в других изданиях и трудах Международных и Всероссийских научно-технических конференций.
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 149 страницах основного текста, включающих 51 рисунок и 32 таблиц. Работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 133 наименований и приложения.
Иммобилизация в полимерную матрицу
Развитие ядерной энергетики, широкое применение ядерно-физических методов и технологий во многих областях науки и техники привели к образованию нового типа техногенных отходов - радиоактивных с различным уровнем содержания радионуклидов, определяющих степень их опасности. Одним из приоритетов развития техники и технологии РФ [112] является «энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», которой соответствует критическая технология - «Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом». Хотя количество радиоактивных отходов по сравнению с другими техногенными отходами ничтожно мало (приблизительно 0,5 % от всех промышленных отходов), их специфика требует совершенствования и разработки новых технологий обращения с ними и применения специальных методов обеспечения безопасности для человека и биосферы [46, 74, 78, 87, 104, 116, 138].
К особому виду радиоактивных отходов относятся отходы переработки ОЯТ. Они содержат большое количество радионуклидов, обладающих различными ядерно-физическими, радиационными и физико-химическими свойствами. Проблема заключается в необходимости разработки таких способов обращения с отходами, которые гарантировали бы их безопасность для внешней среды на протяжении всего времени существования радионуклидов [46]. Из-за высокой радиоактивности отходов обращение с ними должно быть дистанционным, в хорошо защищенных конструкциях. Требования безопасности при утилизации отходов предусматривают применение технологий, исключающих наличие опасности для человека в течение 10 000 лет [46, 74, 78, 87, 115].
В Российской Федерации создана собственная правовая и организационная система обеспечения и регулирования ядерной и радиационной безопасности [45, 100, 107, 109, 116], соответствующая международным конвенциям [76, 101]. Существующая в нашей стране система обращения с РАО сформировалась в процессе развития в СССР ядерных технологий и в силу этого имеет ряд характерных особенностей, которые отличают ее от других стран [54]. Технологии обращения с жидкими радиоактивными отходами описаны в [111, 113]. Технологии обращения с ОЯТ и трудно растворимыми осадками приводятся в [82, 83, 84]. Наибольшее распространение получили следующие способы переработки ОЯТ [83, 84]: - жидкостная экстракция; - ионообменная сорбционная технология; - пирометаллургические технологии - для регенерации металлического топлива; - пирохимические, основанные на летучести фторидов актиноидов и процессе солевого переноса и др. Несмотря на большое разнообразие процессов переработки ОЯТ, на всех заводах (и на ФГУП «ГХК» в том числе) принят экстракционный PUREX-процесс, предполагающий использование во всех технологических циклах в качестве экстрагента трибутилфосфат (ТБФ) в углеводородном разбавителе [83, 84]. Разные варианты PUREX-npouecca отличаются концентрацией ТБФ в экст-рагенте, применяемыми разбавителями, выбором восстановителя для плутония, числом циклов очистки и составом оборудования [72, 111]. В результате переработки ОЯТ образуются РАО.
С точки зрения долговременной безопасности наиболее важным этапом обращения с радиоактивными отходами является их длительное хранение и захоронение. Одним из факторов, обеспечивающих безопасность длительного хранения и захоронения радиоактивных отходов, является их физико-химическая характеристика. При выборе формы захораниваемых отходов следует учитывать не только соответствие ее качества действующим нормативным требованиям, но и экономические факторы. 1.1 Методы отверждения жидких радиоактивных отходов
Процесс переработки ЖРО включает следующие основные технологические операции: концентрирование радионуклидов методом упаривания, ионного обмена, сорбции и др.; отверждение концентратов; частичный возврат очищенных до санитарных норм веществ и материа лов, образующихся при переработке ЖРО, для повторного использования в про изводстве.
Кондиционирование РАО предусматривает выполнение операций, обеспечивающих их перевод в форму, отвечающую критериям приемлемости для длительного хранения и захоронения. Как правило, отверждение концентратов радиоактивных отходов осуществляется их включением (иммобилизацией) в матрицу.
Выбор матричного материала (вяжущего) определяется характеристиками отверждаемых отходов и наличием оборудования для реализации данного метода кондиционирования.
Матричный материал, предназначенный для иммобилизации радиоактивных отходов, должен удовлетворять следующим основным требованиям: низкая вымываемость, характеризующая высокие изоляционные свойства; физическая и химическая совместимость с компонентами отходов, обеспечивающая высокую степень наполнения матрицы, следовательно, минимальный объем конечного продукта; механическая прочность, исключающая разрушение (утвержденного компаунда в условиях нормальной эксплуатации и в аварийных ситуациях, при транспортировании к месту хранения и захоронения;
Требования к показателям качества цементных компаундов, не регламентируемым нормативными документами
Готовые математические решения уравнения теплопроводности, учитывающие условия твердения цементного компаунда в бочке, в литературе отсутствуют. Поэтому была предпринята попытка построения математической модели, позволяющей рассчитывать распределение температуры в емкости цилиндрической формы при застывании в ней цементного компаунда. В модели учитывается кинетика процессов тепловыделения, перераспределение тепла вследствие теплопроводности и теплоотдачи во внешнее пространство.
В процессе застывания цементного компаунда происходит большое число взаимосвязанных реакций и в математической модели, описывающей кинетику теплообразования, неизбежны значительные упрощающие предположения, которые позволяют использовать минимальное число переменных и коэффициентов. Поскольку эти параметры могут зависеть от химического и гранулометрического состава цементной смеси, то определить их универсальным образом невозможно. Тем не менее, по данным двух независимых калориметрических исследований при сильно отличающихся массах и составах цементного компаунда эти параметры были определены подбором, и их значения оказались в одном и том же диапазоне. Это свидетельствует о том, что сделанные упрощающие предположения относительно кинетики теплообразования в основном правильно описывают основные закономерности сложного многокомпонентного процесса затвердевания цементного компаунда и приемлемы для математического моделирования.
Для предварительного определения кинетических коэффициентов были взяты за основу калориметрические исследования затвердевания цементного компаунда, приведенные в [52]. В этом эксперименте использовалась относительно небольшая масса цементного компаунда (650 г), поэтому неоднородностью распределения температуры в этой системе можно пренебречь. В этом случае процесс затвердевания можно описывать системой обыкновенных дифференциальных уравнений.
Готовые математические решения уравнения теплопроводности, учитывающие условия твердения цементного компаунда в бочке, в литературе отсутствуют. Предлагаемая математической модель, позволяющая рассчитывать распределение температуры в емкости цилиндрической формы при застывании в ней цементного компаунда учитывает кинетику процессов тепловыделения, перераспределение тепла вследствие теплопроводности и теплоотдачи во внешнее пространство.
Уравнение для температуры в рассматриваемом вычислительном эксперименте имеет вид: S = а{Тп-Т) + J, (11) где S обозначает теплоемкость калориметра, а - коэффициент теплоотдачи, Го - внешнюю температуру. Величина J описывает интенсивность теплообразо : 5 вания. Для однотипных экзотермических реакций уравнение теплоотдачи замыкается кинетическим соотношением вида Q = -J(CJ) (12) где С - количество вещества, способного вступить в реакцию, аО- количество тепла, выделяемого при вступлении в реакцию одной единицы С. Интенсивность J/Q, с которой происходит реакция, зависит как от количества потенциального реагента, так и от температуры. Для завершения математической формулировки задачи интенсивность теплообразования J{C, Т) в уравнениях (11) и (12), как функция от С и Г, задана в виде кинетического соотношения, описывающего совокупную реакцию застывания цементного компаунда: где С0 - начальное содержание цемента в системе, а п, 3 и у - свободные параметры, которые следует подобрать так, чтобы теоретическое (численное) решение T(t) системы уравнений (11) и (12) с соответствующими начальными условиями максимально совпало с измеренной в опыте зависимостью температуры от времени.
По измеренным в [52] данным относительно T(t) в диапазоне от 3 до 7 суток, по зависимости в логарифмических координатах, был определен показатель в этой формуле, оказавшийся равны п 1,6. Оставшиеся параметры, р и у, выбирались так, чтобы экспериментальный максимум разогрева и по времени, и по величине температуры, совпал с определенным численно. Получились значения р - 0,14 Вт/кг и у 7600 К. Результаты сравнения численной кривой T{t) с экспериментом представлены на рисунке 2.5.
Решение для цилиндра конечных размеров с внутренним тепловым источником
Время между кавитационным воздействием на воду и измерением значения исследуемого параметра активированной воды составляло не более двух минут. Временной интервал для изучения релаксации активированной воды в исходное состояние составлял от 200 до 300 минут с шагом в 5 минут для образцов со временем обработки 30, 60, 90 и 300 с. Средние значения рН, электропроводности, ОВП (окислительно-восстановительный потенциал), и Т вычислялись по 5 измерениям каждой экспериментальной точки.
Кавитационные эксперименты с водопроводной водой отстоявшейся (1 и 5 суток) и неотстоявшейся (10-15 минут) проводились аналогично экспериментам с дистиллированной водой. Кроме того исследования физико-химических характеристик водопроводной воды были проведены на объеме 3 литра. Скорость вращения четырехлопастного клиновидного кавитатора составляет 2880 об/мин, число кавитации х 0,01
В виду специфичности материала рабочей камеры кавитатора объемом 3 10MJ (сталь) перед началом эксперимента необходимо очищать рабочую камеру от продуктов окисления (ржавчины). В данной работе для очищения дистиллятора использовалась дистиллированная вода, так как она не содержит примесей (значение ее электропроводности S - 0 мкСм). Дистиллированная вода объемом 1 литр была помещена в рабочую камеру кавитатора и в течение двух минут была подвержена кавитации. Результатом такой очистки было получение воды прозрачного цвета. Для чистоты проведения эксперимента очистка кавитатора с помощью дистиллированной воды была проведена дважды перед каждой серией измерений.
В опытах применялся кавитационный реактор с крыльчаткой с различными углами раскрытия клина а: 10, 20, 30, 40, 60, 70, 80, 90. Для опытов с дистиллированной водой использовался дистиллят водопроводной воды, который хранился в закрытом сосуде, в затемнённом месте в течение трёх суток после перегонки.
Для опытов с отстоявшейся водопроводной водой бралась вода из водопроводной сети, промытой в течение 30 мин., затем отстаивавшейся в неплотно закрытом сосуде, в затемнённом месте в течение тридцати суток после отбора. Разовая проба водопроводной воды подлежала обработке только один раз.
Обработка воды проводилась в ГДК-реакторе при постоянной частоте вращения ротора п равной 8 тыс. об/мин при разной длительности: 10, 30, 60, 120, 240 с. Полученные результаты свидетельствуют о наибольшем изменении кислородосодержания при максимальном времени обработки.
Исходя из результатов опытов обработка проводилась с постоянной длительностью 330 с при разной т 1600 об/мин, 5000 об/мин, 10000 об/мин. Показания температуры Т, кислородосодержания КРК, рН, электропроводности 5, окислительно-восстановительного потенциала Е снимались измерительными приборами, описанными в разделе 3.3, непосредственно до и после обработки. Каждый опыт выполнялся по три повторения. Из трех полученных результатов выбирались два наиболее близких по значению и вычислялась их средняя величина.
Далее экспериментальные результаты обрабатывались в программе mic-crosoft excel. В связи с тем, что эксперименты проводились в разное время значения физико-химических показателей воды до обработки имеют некоторый разброс. Таким образом, обработанные результаты представлены в виде графи АЗначенис . « ческих зависимостей от числа кавитации % и Значение от а для Значение tttt4iiiMiiv различных п. Число кавитации - безразмерная величина определяемая отношением: Р _ р 1- jr- (16) РТ где Ра - атмосферное давление; Р(1 - давление насыщения пара для данной температуры воды; р - плотность; V- скорость потока.
Так как температура воды в процессе обработки повышалась, то давление насыщения пара для данной температуры воды бралось для средней температуры Гср: =7,,+ , (17) где Тп - температура до обработки; Тк - температура после обработки.
Определение времени релаксация модифицированных физико-химических свойств воды. Обработка воды проводилась в гидродинамическом навигационном реакторе. Исходя из экспериментальных данных исследования проводились с крыльчатками с углами раскрытия клина (а):
- дистиллированная вода: 20, 40, 70 , 90; - отстоявшаяся водопроводная вода: 20, 30, 80 , 90; - водопроводная вода: 80 , 90. Частота вращения ротора (/7) составляла 10 тыс. об/мин. Продолжительность обработки составляла 330 с. Далее исследуемые пробы воды помещались в стерилизованную химическую посуду с клапанным поршнем, служащим для предотвращения доступа атмосферного воздуха. Первые показания снимались через 1 ч., затем через 24 ч. и т. д.
Методика эксперимента по кавитационному воздействию на цементный компаунд
Проведенные исследования режимов возникновения кавитации, кавитаци-онных течений в натурных условиях и конструктивных решений в области техники, обеспечивающей данные режимы, соответствующие максимальному кави-тационному воздействию, позволили определиться в технических решениях непосредственно технологического оборудования для обработки цементного камня с целью увеличения его прочностных характеристик.
Проблемы исследования и применения суперкавитирующих аппаратов для активации вяжущих компонентов и диспергирования минералов в водной среде связаны с увеличением тонкости помола цемента, с получением минеральных взвесей коллоидной или близкой к ней дисперсности.
В [80] представлены некоторые характерные типы технологических СК-аппаратов на основе СК-насосов, схемы и характеристики низконапорного и средненапорного СК-насоса осевого типа. По данным характеристикам (по заданным расходу О и напору Н) можно подбирать конструкцию и режим работы рабочего органа суперкавитирующего аппарата. Разработаны программы расчетов гидродинамических характеристик таких насосов, в том числе и для емкостных проточных реакторов, которые позволяют спроектировать суперкавити-рующий рабочий орган с заданными гидродинамическими характеристиками (напором, расходом, длиной суперкаверн и т.д.). Однако для использования суперкавитирующего аппарата в конкретном технологическом процессе необходимо знать связь между гидродинамическими и технологическими параметрами процессов активации цемента, диспергирования других минералов.
С этой целью, были проведены соответствующие технологические исследования по кавитационной обработке водных суспензий и показано, что степень активации цемента зависит от режима и времени кавитационной обработки (о, Lr, і), марки цементов или прочностных характеристик минералов и их концентрации в воде (В/Ц, В/М), рисунок 4.5. Рисунок 4.5 - Структура бруска цементного камня (В/Ц = 0,5, цемент М300) а - без кавитационной обработки (прочность на изгиб Яи = 3,6 МПа, на сжатие Дэк= 17,3 МПа); б- р = 60с (относительное число кавитации %/а = 0,34, R„ = 9,6 МПа, Rm = 38,1 МП
На рисунках 4.6, 4.7 показаны технологические параметры соответствующих процессов в зависимости от времени и режима обработки для цемента. Наибольшие технологические эффекты наблюдаются в режимах частичной кавитации 4 = 0,3-0,6 и суперкавитации 1К = 2-5. При этом предпочтительнее режимы суперкавитации, поскольку на таких режимах отсутствует кавитацион-ный износ рабочих органов - суперкавитирующих крыльчаток. Оптимальное время активации колеблется в диапазоне (30-180) с в зависимости от режимов кавитации. Так при низких числах т= (0,04-0,08), время обработки t0= (30-90) с, при более высоких а = (0,9-2,5) время обработки 0 = (90-180) с.
Прочность цементного камня на сжатие Ясж. при этом увеличивается в 2-2,5 раза, а на изгиб - в 1,5-2 раза. С увеличением водоцементного отношения до В/Ц = 0,9 эффективность обработки повышается, хотя абсолютная прочность снижается. Для исходных цементов высоких марок (М 500) оптимальное время обработки меньше (fo = 30-60 с), чем для цементов более низких марок (М 300, М 400) (/0= 90-45 с). С увеличением угла наклона лопастей (относительного шага лопастей H/D) оптимальное время обработки снижается с 120 с для H/D = 0,5 до 60 с для H/D = 2. Это связано не только с изменением характера замыкания каверн, размерами образующихся пузырьков и скоростями кумулятивных струек, но и с увеличением производительности суперкавитирующей крыльчатки, а, следовательно, скорости циркуляции смеси. Такое же явление наблюдается при увеличении густоты Ых = 0,8-1,0 лопастной СК-решетки.
Анализ результатов показывает, что для получения максимальных технологических эффектов с минимальными удельными затратами энергии существуют наиболее выгодные режимы кавитационной обработки в зависимости от конструкции СК-крыльчаток. Так при H/D = 0,5 оптимальные числа кавитации будут в диапазоне о = 0,20-0,25; при H/D = 1,0 а = 0,25-0,50; при H/D = 2,0 а = 0,10-0,12.
Увеличение удельной поверхности цемента непосредственно в водной среде позволяет полнее использовать его потенциальные свойства и повышать степень гидратации и поверхностную энергию частиц. Разрушая непрочную первичную алюминатную крупнозернистую структуру, удается получить мелкокристаллическую структуру цементного камня, прочность которого в этом случае возрастает в 2-3 раза. Прочность цементного камня мелкокристаллической структуры, приготовленного в кавитационном аппарате, в 2,5 раза выше, чем в , чем в обычных смесителях.