Содержание к диссертации
Введение
1. Свойства извести и качество силикатных автоклавных бетонов: состояние проблемы, разработка концепции, основные положения исследований 15
1.1. Обзор работ по проблеме влияния свойств извести на качество силикатных автоклавных бетонов 17
1.1.1. Оценка состояния производства и качества извести, применяемой в производстве силикатных автоклавных бетонов 17
1.1.2. Анализ причин колебаний свойств извести. Состояние исследований по способам локализации и управлению технологией и качеством силикатных автоклавных бетонов при колебаниях свойств применяемой извести 22
1.1.3. Влияние свойств извести на параметры технологии и качество силикатных автоклавных бетонов; требования к качеству извести для их производства 30
1.2. Разработка представлений о взаимосвязи технологического процесса производства силикатных автоклавных бетонов с качеством применяемой извести 39
1.3. Разработка концепции управления химико-технологической системой «производство силикатных автоклавных бетонов» в условиях колебаний свойств применяемой извести 45
1.4. Постановка задач и обоснование содержания исследований 49
2. Основные положения методики исследований 52
2.1. Обоснование выбора оптимального состава микробетона 52
2.2. Условия изготовления и испытания образцов. Характеристика применяемых материалов 56
2.3. Методика исследований структурных характеристик материала 58
3. Системная статистическая оценка изменчивости свойств извести и стабильности функционирования технологии на действующих заводах силикатных автоклавных бетонов 61
3.1. Методика оценки однородности свойств извести, параметров технологии и качества силикатных автоклавных бетонов на действующих заводах 62
3.2. Статистическая оценка свойств извести, применяемой в производстве силикатных автоклавных бетонов 64
3.3. Статистическая оценка параметров технологии и качества силикатных автоклавных бетонов 78
3.4. Выводы 83
4. Исследование влияния колебаний активности извести на процессы технологии и качество силикатных автоклавных бетонов 85
4.1. Исследование процесса усреднения извести на модельной установке гомогенизатора 85
4.2. Исследование условий управления процессом помола известково-песчаной смеси при колебаниях активности применяемой извести 96
4.3. Исследование условий управления структурообразованием и динамикой нарастания прочности силикатных бетонов при колебаниях активности извести 110
4.4. Выводы 139
5. Практическая реализация результатов работы и их технико-экономическая оценка 141
5.1. Разработка технологических решений по управлению процессами подготовки известково-песчаной смеси в условиях колебаний свойств применяемой извести 141
5.2. Оценка технико-экономической эффективности результатов исследований 145
5.2.1. Расчет возможной технико-экономической эффективности по показателям достигаемой однородности свойств силикатного ячеистого бетона 146
5.2.2. Расчет технико-экономической эффективности от внедрения разработок на Воронежском ДСК 152
Основные выводы 155
Список литературы 158
- Оценка состояния производства и качества извести, применяемой в производстве силикатных автоклавных бетонов
- Обоснование выбора оптимального состава микробетона
- Статистическая оценка свойств извести, применяемой в производстве силикатных автоклавных бетонов
- Исследование процесса усреднения извести на модельной установке гомогенизатора
Введение к работе
Актуальность. В производстве строительных изделий широко применяется технология синтезного твердения или так называемая автоклавная технология бесцементных и малоцементных известково-кремнеземистых материалов. По автоклавной технологии в настоящее время выпускают силикатный кирпич, изделия из плотного и ячеистого бетонов. После периода спада объемов выпуска продукции наметилась положительная тенденция подъема производства, и в первую очередь, изделий из ячеистых бетонов.
В силу объективных и субъективных причин предприятия силикатных автоклавных материалов вынуждены использовать сырье с большой изменчивостью состава и свойств. Это касается как природного, так и техногенного сырья, но в наибольшей мере основного компонента сырьевых смесей - извести. Приходится констатировать факт, что выпускаемая промышленностью известь отличается нестабильностью качества, выражающейся в статистических колебаниях ее свойств по показателям активности, скорости гидратации, экзотермическому эффекту, непосредственно влияющим на химико-технологические процессы структурообразования, на протекание гетерогенной реакции гидротермального синтеза цементирующего вещества. Это приводит к значительным издержкам по качеству получаемых силикатных автоклавных материалов и изделий.
В ближайшей перспективе с учетом технической оснащенности заводов-производителей трудно реально рассчитывать на выпуск качественной извести со стабильными показателями ее свойств; по-видимому, вынужденно придется еще достаточно долго считаться с существующим положением.
В связи с указанным актуальным представляется решение задачи локализации и снижения вредного влияния изменчивости свойств извести, для чего необходима система управления технологией, обеспечивающая выпуск качественной продукции. В настоящее время такой научно обоснованной системы управления процессами технологии и качеством силикатных автоклавных бетонов в условиях нестабильности свойств извести пока нет: управление процессами технологии при колебаниях свойств применяемой извести весьма затруднено, нередко ведется на интуитивном уровне по принципу «проб и ошибок» и в значительной степени зависит от опыта работы и квалификации инженерно-технического состава и рабочих.
Таким образом, в условиях нестабильности качества сырья и в первую очередь извести в технологии силикатных автоклавных материалов актуально необходима соответствующая система управления процессами, снижающая и устраняющая негативное влияние нестабильности свойств извести и обеспечивающая получение качественной продукции.
С изучением обозначенных вопросов связаны цель, задачи и содержание исследований.
Целью работы является исследование закономерностей и разработка системы управления параметрами технологии и качеством силикатных автоклавных бетонов в условиях нестабильности состава и свойств применяемой извести.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследований:
1) выполнить комплексную статистическую оценку качества и охарактеризовать меру нестабильности свойств извести, поступающей в пда^йодрф^дцщат^ых авто-
1. Уагаи,{
клавных бетонов;
-
выделить и систематизировать факторы влияния колебаний свойств извести на процессы технологии и качество продукции;
-
экспериментально исследовать и установить закономерности влияния колебаний свойств извести на процессы технологии и качество силикатных бетонов;
-
обосновать принципы и методы, разработать и предложить систему управления технологией в условиях нестабильности свойств применяемой извести;
-
решить прикладные вопросы управления технологией в условиях колебаний свойств применяемой извести;
-
провести оценку технико-экономической эффективности предлагаемой системы управления технологией и обеспечения качества силикатных автоклавных бетонов в условиях нестабильности свойств применяемой извести.
Объектом исследования является технология, состав, структура и свойства силикатных автоклавных бетонов, получаемых на извести с нестабильными свойствами.
Предметом исследования является научное обоснование и разработка системы управления функционированием процесса производства силикатных автоклавных бетонов в условиях нестабильности свойств применяемой извести.
Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области строительного материаловедения, теории и технологии синтезного твердения, механики зернистых сред, теории управления химико-технологическими системами, вероятностно-статистического подхода к решению задач управления составом, структурой и свойствами строительных материалов.
Информационную базу исследований составляют монографические работы, публикации в центральных научных журналах, материалы международных, республиканских, региональных и других конференций, материалы академических чтений, статьи в научных сборниках и периодических изданиях вузов и НИИ.
Исследования выполнены автором в Проблемной научно-исследовательской лаборатории силикатных материалов и конструкций Воронежского государственного архитектурно-строительного университета по темам важнейших плановых НИР: «Разработка оптимальных технологических решений комплексного использования сырьевых ресурсов ЦЧР и КМА в производстве строительных изделий» Целевой комплексной программы КМА (1981-1985 г.г.; Приказ Минвуза РСФСР № 599 от 15.10.1981 г.), госбюджетных НИР Минобразования РФ «Разработать научно-технические основы ресурсосберегающих технологических процессов производства строительных материалов и изделий на базе рационального комплексного использования природного и техногенного сырья ЦЧР и КМА» (1986 - 1990 г.г.), «Разработать научно-практические основы ресурсосберегающих технологических процессов производства традиционных и новых строительных материалов и изделий на базе оптимизации использования природного и техногенного сырья ЦЧР» (1991 - 1995 г.г.), «Исследование закономерностей структурного материаловедения и разработка экологически чистых, ресурсоэкономичных строительных материалов и технологий их производства, в том числе на основе техногенного сырья» (1996 - 2000 г.г.). Прикладные исследования и разработки выполнялись в составе ряда хоздоговорных работ с предприятиями и организациями стройиндустрии (институтом НИПИСшшкатобетона г.Таллинн, Воронежским ДОС, трестом «Придонхимстрой» и ЗАО «Коттедж-индустрия» г. Россошь, АОЗТ «Лискистройдеталь» г. Лиски и др.).
Научная новизна работы:
обоснованы положения, определяющие принципы решения задачи управления технологическими процессами структурообразования и качеством силикатных автоклавных бетонов в условиях нестабильности свойств применяемой извести;
предложена и обоснована методика рассмотрения закономерностей структурообразования автоклавных материалов в условиях нестабильности свойств применяемой извести;
получены в статистической постановке комплексные системные данные о мере нестабильности свойств извести^ разработана и дана классификация видов и причин изменчивости свойств извести;
системно рассмотрено и установлено существо влияния нестабильности свойств извести на процессы технологии силикатных автоклавных бетонов;
получены новые экспериментальные данные о закономерностях и мере влияния нестабильности свойств извести на развитие процессов синтеза цементирующих веществ силикатных автоклавных материалов;
- обоснована система организационно-технических и химико-технологических
(управление процессами подготовки извести, помола и гомогенизации известково-
песчаной смеси, автоклавной обработки) мероприятий, обеспечивающих принципиаль
ное снижение негативного влияния нестабильности свойств извести на процессы техно
логии и качество продукции.
Практическое значение работы определяется:
обоснованием системы организационных и химико-технологических мероприятий по стабилизации технологии производства силикатных автоклавных бетонов в условиях колебаний свойств применяемой извести;
введением обоснованной системы требований к качеству извести, предназначаемой для применения в технологии силикатных автоклавных бетонов;
разработкой системы управления усреднением извести, процессами помола и гомогенизации смесей и автоклавной обработки силикатных бетонов в условиях колебаний свойств применяемой извести;
решениями по технологическим условиям (регламенту) получения силикатных автоклавных бетонов^норііированньїми поісазателями качества в условиях применения извести с нестандартными показателями качества;
обеспечением экономии материальных ресурсов в заводском производстве изделий го силикатных бетонов на основе практической реализации предложенной системы управления их технологией в условиях колебаний свойств извести.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методологических подходов и методик. Экспериментальные данные получены с применением комплекса физико-химических методов оценки структуры и свойств материала и контролировались с приемлемой статистической воспроизводимостью. Достоверность экспериментов и разработок подтверждается полученными положительными результатами практической реализации разработок в условиях промышленного производства силикатных автоклавных бетонов.
Практическая реализация работы. Результаты исследований реализованы:
- в разработанных временных технических условиях «Известь кальциевая негаше
ная для производства газосиликатных изделий», включающих требования к извести для
производства силикатных ячеистых бетонов (переданы Россошанскому известковому заводу для использования при освоении его мощностей);
в разработанных «Рекомендациях по способам усреднения свойств извести на заводах силикатных автоклавных бетонов» (переданы Воронежскому ДСК и АОЗТ «Лискистройдеталь»);
в разработанных для газосиликатного цеха Воронежского ДОС и АОЗТ «Лискистройдеталь» «Руководствах по управлению процессом помола известково-песчаной смеси с учетом свойств поступающей извести»;
в разработанном для Воронежского ДСК, АОЗТ «Лискистройдеталь» и ЗАО «Коттедж-индустрия» г.Россошь Воронежской обл. «Руководстве по автоклавной обработке газосиликатных изделий));
в подготовленном «Руководстве по организации контроля технологического процесса и качества продукции в газосиликатном цехе завода КПД-1 г. Воронежа»;
в разработанных «Технологических регламентах...» на производство газосиликатных изделий на Воронежском ДСК, в АОЗТ «Лискистройдеталь» г. Лиски и ЗАО «Ксттедж-индустрия» г. Россошь Воронежской области.
Практические рекомендации прошли промышленную проверку. Их внедрение позволяет целенаправленно управлять свойствами силикатных автоклавных бетонов, сократить материальные и энергетические ресурсы на выпуск единицы продукции, снизить, среднюю плотность газосиликатных изделий (блоков, панелей) в среднем на 1Q0 кг/м3 при сохранении заданного класса по прочности и обеспечении нормативных требований по основным конструкционным свойствам.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях и семинарах международного, республиканского и других уровней; «Основные пути уменьшения массы и тешюггооводности силикатного кирпича» (Таллинн, 1983 г.), «Новые технические решения в производстве автоклавных материалов» (Киев, 1983 г.), «Интенсификация производства изделий из ячеистого бетона» (Киев, 1986 г.), «Долговечность конструкций из автоклавных бетонов» (Таллинн, 1987 г.), «Бетон и железобетон - ресурсо- и энергосберегающие конструкции и технологии» (Воронеж, 1988 г.), «Развитие производства изделий из ячеистого бетона» (Челябинск, 1990 г.), «Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» (Белгород, 1993 г.)., «Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» (Белгород, 1995 г.), на пятых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Воронеж, 1999 г.), на международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2000 г.), на научных конференциях Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (1983-2003 г.г.).
Публикации: результаты исследований и основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и основных выводов, 10 приложений и содержит 310 страниц машинописного текста, включая 42 рисунка, 30 таблиц, список литературы из 153 наименований.
Оценка состояния производства и качества извести, применяемой в производстве силикатных автоклавных бетонов
В производстве автоклавных материалов всегда остро стоял вопрос о качестве производимой в нашей стране извести. Известковой отрасли не уделялось достаточного внимания и качество извести непрерывно ухудшалось. Так, например, за восьмидесятые годы двадцатого столетия выпуск извести 1-2 сортов сократился с 50 % до 35%/ 17/.
По данным Госкомстата в бывшем СССР ежегодно выпускалось более 30 млн. тонн извести, в том числе около 10 млн. тонн строительной и более 20 млн. тонн технологической / 18 /, при этом выпускаемая известь характеризовалась низким качеством. Около 60 % изготовленной товарной комовой извести соответствовало третьему сорту по ГОСТ 9179-77 «Известь строительная. Технические условия», 25-26 % - второму и только 8-9 % первому сорту; около 5 % извести не соответствовало требованиям стандарта. Качество товарной комовой извести, выпущенной предприятиями промышленности строительных материалов к концу восьмидесятых - началу 90-х годов, было еще ниже: первому сорту соответствовало лишь 8,5 % извести, второму - 25 %, третьему - 64,3 %, причем около половины производимой на предприятих силикатного кирпича комовой извести не отвечало требованиям, предъявляемым ГОСТ 9179-77 к извести третьего сорта / 18 /.
В этих условиях многие заводы силикатных автоклавных бетонов вынуждены были работать на некачественной извести, которая к тому же не обладала стабильными свойствами.
Известь, поступавшая в газосиликатное производство Воронежского завода ЖБИ-1, характеризовалась следующими показателями: активность ее находилась в пределах от 60 до 82 % по CaO+MqO, а экзотермия - 54...98 С, то есть известь отличалась непостоянством свойств / 19 /.
Многие авторы указывают на высокую изменчивость свойств извести, применяемой в производстве силикатобетонных изделий автоклавного твердения, но конкретных данных по статистической изменчивости свойств извести в литературе встречается крайне мало.
Бывший головной в СССР институт НИПИСиликатобетон (г.Таллинн) проводил анкетный анализ с целью определения качества извести, поступающей в производство силикатных ячеистых бетонов и силикатного кирпича / 20,21 /. Полученные от заводов данные представлены в табл. 1 -табл. 2.
Воронежским инженерно-строительным институтом проводился многолетний анализ состояния функционирования технологических процессов производства ячеистобетонных изделий на ряде предприятий Центрально-Черноземного региона (Воронежский ЗЖБИ-1, Старо-Оскольский ЗССМ, Георгиу-Дежский комбинат «Стройдеталь», Воронежский завод силикатного кирпича) / 22, 23, 24, 25 /, который показал высокую изменчивость свойств извести, поступающей на данные заводы. Так, например, коэффициент вариации по активности извести за анализируемый период на Воронежском ЗЖБИ-1 находился в пределах 8... 15 %, на Старо-Оскольском ЗССМ - 5,7... 13 %, на Георгиу-Дежском КСД - 15,2 ... 16,5 %. Особенно высока изменчивость по времени гашения извести, достигающая следующих значений коэффициента вариации: на Воронежском ЗЖБИ-1 - до 37 %, на Старо-Оскольском ЗССМ - до 76 %, на Георгиу-Дежском КСД - до 52 %; по максимальной температуре гашения извести коэффициент вариации на Георгиу-Дежском комбинате «Строй-деталь» достигал 33 %.
На Гродненском КСМ (Белоруссия) при изучении эффективности работы гомогенизаторов определялось качество поступающей в производство извести, которая характеризовалась следующими показателями: активность извести составляла от 57,4 до 85,2 % по CaO+MqO, скорость гидратации - от 3 до 15 минут, температура гашения - от 60 до 80 С / 26 /.
Эвинг П.В., Эйнре А.Х., Киспер Р.Я. / 27 / указывают на низкое качество извести, применяемой в производстве автоклавных материлов как по средней активности, так и по нестабильности показателей ее свойств. Авторы приводят данные о том, что колебания активности извести иногда составляют ± 15 % абсолютных по CaOfMqO.
На Пермском заводе силикатных панелей при производстве газобетонных стеновых панелей в начале 80-х годов применялась известь низкого качества: средняя активность ее по CaO+MgO составляла 58 % при коэффициенте вариации активности равном 10,4 %, скорость гашения - менее 5 мин при коэффициенте вариации по скорости гашения более 20 %, температура гашения - 34...43 С при коэффициенте вариации по температуре гашения 13,6 % / 28 /. Испытания свойств извести, проведенные во ВНИИстроме при определении ее пригодности для производства ячеистобетонных блоков, показали, что активность извести пятнадцати поставщиков изменялась от 35 до 78 % по СаО, время гашения -от 2 до 36 мин итемпература гашения - от 39 С до 90 С /29 /.
В Республике Беларусь на заводе ячеистобетонных изделий в течение 1 месяца с периодичностью 8 час отбирались и испытывались пробы поступающей извести. Испытания показали, что активность извести изменялась от 67 до 82 %, а время гашения колебалось от 270 до 500 с / 30 /. Отмечается, что предприятия строительной индустрии Республики Беларусь не выпускают известь с содержанием оксида кальция более 80 % / 31 /, около 80 % общего объема производится извести преимущественно 3 сорта / 32 /.
Для проектирования новых заводов ячеистого бетона в различных регионах бывшего СССР институтом НИПИСиликатобетон испытывались сырьевые материалы. Результаты испытаний по 10 заводам показали, что активность извести составляла от 39 % до 77 % по СаО, при этом на 6 из них по показателю активности использовалась известь ниже 3-го сорта; время гашения извести колебалось от 4 до 14 мин / 33 /.
Обоснование выбора оптимального состава микробетона
Общим в составе формовочной смеси силикатных автоклавных бетонов плотной и ячеистой структуры является наличие известково-кремнеземистого вяжущего, которое после автоклавной обработки и синтезного твердения выполняет роль клеящей прослойки и определяющим образом влияет на прочностные, деформатив-ные и другие свойства, показатели качества. В результате твердения известково-кремнеземистого вяжущего формируется структура так называемого силикатного микробетона, который может рассматриваться как матрица всех разновидностей силикатных бетонов. По свойствам микробетона можно прогнозировать свойства силикатных автоклавных бетонов и изделий на их основе.
В связи с указанным при выполнении работы экспериментальные исследования проводились не только на ячеистом бетоне, но и на силикатном микробетоне как модельном материале.
Прочность силикатного микробетона в значительной мере определяется его составом и структурой и зависит от содержания активных CaO+MgO в вяжущем, дисперсности кремнеземистого компонента, В/Т и условий автоклавной обработки.
Оптимальное значение дисперсности кремнеземистого компонента принимается на основе проведенных Чернышевым Е.М. с сотрудниками / 102,103 / исследований по выбору рациональной дисперсности кремнеземистого компонента для ячеистого бетона заданной средней плотности исходя из положения о сопоставимости величины среднего диаметра частиц кремнеземистого копмонента, выступающего в роли каркаса в микробетоне, со средней толщиной межпоровой перегородки ячеистого бетона и с учетом ограничений, касающихся расхода вяжущего и энергозатрат на помол. Считается, что чем соизмеримее масштабы включений в материале с масштабом рабочего сечения мембраны, тем выше при прочих равных условиях вероятность ослабляющего действия включений как концентраторов напряжений на сопротивление материала мембраны разрушению. В соответствии с этим структура материала мембран ячеистого бетона должна отвечать требованиям ее квазиоднородности, которые начинают выполняться когда размер зернистых включений меньше толщины мембраны не менее чем в 4..5 раз. С учетом этого рассчитывается толщина межпоровых перегородок (мембран) и определяется допустимый размер включений зерен кремнеземистого компонента в материале мембран.
На примере газосиликата средней плотности 600 кг/м3 оптимальное значение удельной площади поверхности кремнеземистого компонента будет равным 230...250м2/кг. Другим условием при выборе оптимального состава силикатного ячеистого бетона является рациональное соотношение содержания активной СаО в сырьевой смеси и кремнеземистого компонента, которое основывается на использовании положения о том, что это соотношение должно быть таковым, чтобы достигалось получение оптимальной цементации микробетона, обепечивающей максимум его прочности. Соблюдение данного условия оказывается возможным, если образующееся в процессе твердения количество цементирующих веществ достаточно для заполнения объема межзерновых пустот в кремнеземистом компоненте, выступающем в роли каркаса в микробетоне, и создания клеящей прослойки между зернами. По данным Чернышева Е.М. / 104 / оптимальным содержанием СаО акт. в сырьевой шихте по критерию максимума прочности для удельной площади поверх-ности кремнеземистого компонента SK = 230...250 м /кг находится в пределах 25,3...26,6 % и составляет в среднем около 26 %. Таким образом, определена оптимальная дисперсность кремнеземистого и активность смеси для получения микробетона межпоровых перегородок максимальной прочности при средней плотности газосиликата 600 кг/м . Результаты проведенных ранее исследований показали, что наиболее эффективными для производства силикатных автоклавных бетонов являются многокомпонентные вяжущие с использованием различных добавок. Исследования, выполненные Фединым А.А., Чернышевым Е.М., Зуевым Б.М., Уколовой А.В. /105,106,107,108 /, указывают на целесообразность введения в состав известково-кремнеземистой смеси добавок шлакопортландцемента, портландцемента, шлака, гипса, хлористого натрия. Бетоны, изготовленные на основе многокомпонентных вяжущих обладают повышенными показателями прочности, трещиностойкости, меньшей усадкой и целым рядом других преимуществ, что, в конечном итоге, увеличивает долговечность изделий из таких бетонов. При этом более заметный эффект достигается за счет совместного введения в состав известково-кремнеземистой смеси добавок шлакопортландцемента с гипсом и шлака с гипсом. Причем, добавка цемента приводит к созданию "клинкерного фонда" в силикатных автоклавных бетонах. Оптимальной дозировкой является введение в состав смеси 6... 10 % шлакопортландцемента или шлака и 1...3 % гипса от массы сухих составляющих. При использовании многокомпонентных вяжущих для сохранения принятого оптимального содержания активной СаО в вяжущем необходимо производить перерасчет состава ячеистобетонной смеси, т.к. такие добавки как цемент, шлак и др. при их гидратации являются поставщиками дополнительной окиси кальция Для перерасчета используется предложенный П.И.Боженовым / 60 / коэффициент основности Числитель этой формулы (CaO+0,93MgO+0,6R2O) показывает общее содержание (в %) СаО, связываемой соответствующими окислами и не участвующей в образовании силикатов. В целом числитель показывает, сколько процентов "условной" СаО остается свободной для образования силикатов кальция. Знаменатель (0,93 S1O2) показывает, сколько требуется СаО (в %) для связывания SiC 2 в моносиликат кальция. Поэтому, зная химический состав применяемых цементов и шлаков, можно рассчитать сколько остается свободной СаО от введения в состав известково-кремнеземистой смеси добавок цемента и шлака и с учетом этой цифры провести перерасчет дозировки извести с целью сохранения принятого оптимального содержания СаО в смеси. Исходя из вышеперечисленных соображений для проведения экспериментальных исследований принято вводить в состав известково-кремнеземистой смеси 8 % шлакопортландцемента и 2 % строительного гипса. Химический состав шлакопорт-ландцемента марки "300" Подгоренского цементного завода представлен следующими показателями (по паспортным данным), % : Si02 - 29,4, СаО - 52,9, їїегОз -2,56, А12Оз - 6,32, MgO - 2,9, SO3- 1,69, П.П.П. - 2,74.
Статистическая оценка свойств извести, применяемой в производстве силикатных автоклавных бетонов
Анализ состояния отрасли производства извести показывает, что в ближайшей перспективе трудно рассчитывать на существенное улучшение качества извести. В этой ситуации обоснованным представляется повышение однородности свойств поступающей в производство извести путём усреднения её в гомогенизаторах.
В технологии силикатных ячеистых бетонов существует операция усреднения молотой известково-песчаной смеси в серийно выпускаемых пневмомеханических гомогенизаторах СМ-991. Однако для стабилизации качества силикатных бетонов в условиях колебаний свойств применяемой извести недостаточна гомогенизация известково-песчаной смеси, так как она не снимает всех трудностей, возникающих в связи с использованием нестабильной по характеристикам активности, сроков и температуры гидратации извести. Кроме того, на абсолютном большинстве заводов гомогенизаторы СМ-991 вышли из строя в силу сложности их эксплуатации и конструктивных особенностей. Для усреднения же свойств извести гомогенизаторы не выпускаются, хотя в других отраслях промышленности для усреднения сыпучих порошкообразных и зернистых материалов успешно используются пересыпные, циркуляционные, пневматические и другие типы гомогенизаторов / 141 /.
Целью является изучение процесса усреднения сыпучих зернистых материалов, к которым относится дробленая негашёная известь, в гомогенизаторах пересыпного типа с внешней циркуляцией материала и обоснование возможности использования таких гомогенизаторов для усреднения свойств извести. Выбор данного типа гомогенизатора определялся возможностью использования в качестве емкостей для устройства гомогенизаторов существующих на заводских складах извести сило-сов или бункеров для ее хранения.
Экспериментальные исследования проводились на лабораторной модельной установке гомогенизатора, в основу которой заложен пересыпной принцип усреднения с внешней циркуляцией материала (рис. 9 ).
При планировании и подготовке экспериментов исходили из следующих методических положений. Поскольку в микрообъёмах усредняемой смеси зернистых частиц материала возможно бесконечное разнообразие взаимного их расположения, то в таких условиях соотношение различающихся составом и свойствами частиц зернистого материала в произвольных точках есть величина случайная. Поэтому процесс усреднения рассматривался как вероятностный, а оценка качества смеси основывалась на методах статистического анализа.
Наиболее просто статистический материал анализируется по одной случайной величине и поэтому при оценке качества усреднения одной случайной величиной смесь условно считают двухкомпонентной. Для этого выделяют из смеси один компонент, называемый ключевым, а остальные компоненты объединяют во второй условный компонент. По степени распределения ключевого компонента в массе второго условного компонента и судят о качестве смеси. Таким образом, в двухкомпонентной смеси случайной величиной является содержание ключевого компонента в её микрообъёмах/ 141 /.
Из математической статистики известно, что случайная дискретная величина может быть полностью охарактеризована, если известны закон её распределения, математическое ожидание, дисперсия или среднее квадратическое отклонение.
Моделирование процесса усреднения непосредственно на извести очень затруднено в связи с трудоёмкостью и длительностью подготовки проб извести и определения её свойств по стандартным методикам, технологическими трудностями в подготовке двух партий извести со стабильными внутрипартионными свойствами, невозможностью вторичного использования первоначальных партий извести и проверки воспроизводимости опытов на том же исходном составе.
Поэтому для выявления общих закономерностей процесса усреднения материалов, к которым относится дробленая известь, в экспериментах в качестве модельного материала использовался двухфракционный песок, что позволило значительно сократить трудозатраты и время на проведение экспериментов, использовать наиболее простые и доступные методы отбора и анализа проб.
Песок, применяемый для экспериментальных исследований, предварительно высушивался при комнатной температуре до постоянной массы и рассеивался через набор стандартных сит. В качестве ключевого компонента применялся песок фракций 1,25...2,5, в качестве второго компонента - песок фракций 0315. Для повышения точности анализа проб промежуточная фракция песка (остаток на сите 063) удалялся. В процессе экспериментальных исследований менялись геометрические характеристики емкостей (высота цилиндрической и конической частей емкости с соответствующим изменением угла наклона образующей конуса к горизонтали), что позволяло влиять на возможный характер истечения материала. При этом менялся объём емкости и менялась масса песка, подвергаемого усреднению (рис.10). Однако во всех сериях экспериментов соотношение массы ключевого компонента и массы второго условного компонента оставалась неизменным, и составляло 1:4.
Исследование процесса усреднения извести на модельной установке гомогенизатора
Управление процессом приготовления силикатных смесей по «сухой совместной» схеме помола извести и песка в настоящее время ведется следующим образом: определяется массовая доля активных CaO+MgO в поступающей извести, назначаются на основе полученных данных дозировки подачи извести и песка на совместный помол для выдерживания заданной массовой доли активных CaO+MgO в смеси и назначается предварительный режим помола. Удельная площадь поверхности песка в составе смеси определяется по результатам измерения этого показателя на выходе из мельницы. В случае отклонений тонкости помола песка и массовой доли активных CaO+MgO в смеси от заданных значений, которые обнаруживаются лишь на выходе из мельницы, производится корректировка режима помола. Так как определение дисперсности молотого песка в смеси существующими методами требует значительного времени, а процесс помола является непрерывным процессом, то тонкость помола песка на выходе из мельницы замеряется с большим запаздыванием. Поэтому решения по управляющим воздействиям в этом случае всегда даются с большим отставанием, что приводит к выпуску силикатных смесей с отклонениями от заданных ее характеристик. Причем, после корректировки режима помола не исключается возможность выпуска силикатной смеси с отклонениями от заданной тонкости помола песка в ней и последующей корректировки режима помола вследствие отсутствия информации о необходимых параметрах помола. Кроме того, не учитывается тот факт, что поддержание заданной массовой доли активных CaO+MgO в смеси при использовании получаемых заводом партий извести с меняющейся массовой долей активных CaO+MgO приводит к изменению материального состава смеси (по соотношению извести и песка в смеси) в результате чего изменяется размолоспособность смеси и меняются условия помола. Следовательно, в случае контроля удельной площади поверхности песка в смеси по удельной площади поверхности смеси при колебаниях свойств применяемой извести, тонкость помола песка в составе смеси будет разная при одном и том же значении удельной площади поверхности смеси, что обнаруживается лишь при определении тонкости помола песка на выходе из мельницы. Таким образом, полученная информация не будет отражать истинного положения дел.
Анализ существующих приемов управления процессом помола свидетельствует о том, что для получения качественной известково-песчаной смеси необходимо учитывать фактор колебаний свойств извести и вести управление процессом помола на входе в мельницу для исключения эффекта запаздывания.
Эффективному управлению процессом препятствует еще и несовершенная система контроля, которая несмотря на значительное количество контролируемых параметров процесса приготовления сырьевой смеси не охватывает всех существенно важных показателей и не дают полной информации о функционировании процесса.
На функционирование процесса заметное влияние оказывают организационно-технические недоработки. Несмотря на то, что хранение извести на заводах г. Воронежа и области осуществляется в крытых складах, конструкция некоторых из них не исключает попадания в известь осадков в виде дождя и снега, вследствие чего известь подвергается загашиванию. Вместе с карбонизацией извести углекислотой воздуха это вносит возмущения в функционирование технологического процесса и осложняет управление им.
Для обеспечения условий управления процессом приготовления смеси при дроблении извести необходимо осуществлять контроль размера куска извести, так как этот показатель влияет на условия ее пневмотранспортирования, гомогенизации и помола.
При сушке песка необходимо контролировать влажность его после сушки. Содержащаяся в песке остаточная влажность приводит к частичному загашиванию извести, а так как известь гидратируется в тонкодисперсный порошок, то вносятся возмущения в процесс помола и искажается картина при определении тонкости помола известково-песчаной смеси.
При дозировании песка и извести на помол в шаровую мельницу на заводах прибегают к приему изменения высоты и ширины слоя песка на ленте питателя (изменяют подачу песка). Такой прием связан с необходимостью изучения и отработки режимов помола и требует на это значительного времени. Целесообразнее регулировать подачу песка и извести на помол временем включения и выключения питателей песка и извести. При помоле известково-песчаной смеси часто не контролируется один из важных показателей - удельная площадь поверхности песка в смеси. Об этом показателе судят опосредственно по удельной площади поверхности смеси, что дает весьма приблизительные оценки. В условиях применения извести с нестабильными свойствами в силу изменения материального состава смеси при равной удельной площади поверхности смеси показатели удельной площади поверхности песка в смеси будут разными. На заводах не контролируется степень загашенности поступающей на помол извести, что отражается на удельной площади поверхности смеси. На этапе помола не контролируется и загрузка мельницы мелющими телами и их износ, что вносит возмущения в процесс помола.
Следует особо указать, что применяемые на заводах методы и приборы контроля массовой доли активного оксида кальция в извести и известково-песчаной смеси, удельной площади поверхности смеси и песка в смеси не обеспечивают оперативного определения этих показателей и соответственно оперативного управления процессом приготовления сырьевой смеси.
С целью решения вопросов организации контроля нами разработана система контроля, обеспечивающая наиболее полную информацию о функционировании процессов технологии силикатных ячеистых бетонов ( Приложение 6).
Основой для разработки системы управления процессом помола известково-песчаной смеси явились результаты выполненных автором в главе 4 экспериментальных исследований и их отработка в заводских условиях в газосиликатном цехе Воронежского ДСК. С учетом полученных результатов разработано «Руководство по управлению процессом помола известково-песчаной смеси с учетом свойств применяемой извести» (Приложение 2), переданное актом для внедрения на Воронежский ДСК (Приложение 4).
Управление процессом помола имеет целью поддержание активности смеси и дисперсности кремнеземистого компонента на заданном технологическим регламентом уровне. Средством управления является регулирование скорости подачи извести и песка и времени пребывания смеси в мельнице в зависимости от активности поступающей извести.
Внедрение разработанной системы управления осуществлялось на Воронежском ДСК при выпуске опытных партий изделий из силикатных бетонов. Внедрению предшествовали большие организационно-технические и технологические работы.
