автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса тепловой обработки заполнителя при производстве бетонной смеси на основе модифицированного серного вяжущего

На правах рукописи

САРЫЧЕВ Игорь Юрьевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗАПОЛНИТЕЛЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО СЕРНОГО ВЯЖУЩЕГО

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

5 ДЕК 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

005542412

005542412

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель - КОЧЕТКОВ Андрей Викторович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Транспортное строительство» «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», г. Саратов

Официальные оппоненты: ОСТРОУХ Андрей Владимирович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ, г. Москва

ГОРЮНОВ Игорь Иванович,

кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве» МГСУ, г. Москва Ведущая организация: ООО «Научно-производственное объединение

ВПК Автодорбарьер»

Защита состоится «27» декабря 2013 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский просп.д.64, тел.: (499)155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Текст автореферата размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии: http://vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «¿¿'»ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uchsovet@madi.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета, [ЦсМ ■___-

кандидат технических наук, доцент «/'Т»- Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для многих промышленных производств все еще остается традиционным подход к переработке сырья, ориентированный на извлечение из него только целевого продукта. При этом образуется большое количество различных отходов, что свидетельствует о незавершенности технологических схем. Эффективным методом решения проблемы утилизации отходов и побочных продуктов является их вторичная переработка и использование. Это также важный экономический фактор, в том числе за счет рекультивации земель.

Большое количество отходов - проблема крупных промышленных регионов. Исследования различных производств и предприятий показали, что существует значительный потенциал в использовании вторичных отходов для создания новых строительных материалов с использованием техногенного сырья.

Несмотря на разнообразие строительных материалов, выпускаемых из промышленных отходов, процент их эффективной утилизации остается низким. Большая часть имеющихся отходов практически не используется, а складируется на полигонах, занимая огромные земельные площади. Промышленное предприятие вынужденно не эффективно расходовать огромные деньги за вывоз и хранение отходов

Для промышленных и химических производств остается актуальной проблема применения дешевых и доступных химически стойких материалов. Серные бетоны удовлетворяют таким требованиям.

Серобетон - искусственный композиционный материал, изготавливаемый путем перемешивания расплавленной серы и заполнителя аналогично производству асфальтобетона. Главное отличие серного бетона от обычного на портландцементе в том, что при твердении в нем происходят в основном физические процессы, которые зависят от скорости охлаждения материала, а также аллотропных изменений серы во времени.

Серные бетоны, обладая высокой прочностью (50-90 МПа), стойкостью к воздействию агрессивных сред, низким водопоглощением, высокой морозостойкостью могут использоваться в различных регионах и областях строительства. Особенно перспективно применение серного бетона в Северных районах страны, т.к. его формование не зависит от температуры окружающего воздуха. Однако применение этого перспективного материала требует новых подходов к особенностям технологии его производства. Одним из ответственных переделов технологии приготовления серобетона является тепловая обработка его минеральной части, требующая точного выдерживания температурного режима прогрева и получения материала с определенной температурой. Отклонение от заданного температурного режима может не только повести к неоправданному перерасходу топлива, браку готовых изделий, но и вызвать аварийный режим возгорания серы.

В связи с этим, поставленная в диссертационной работе Сарычева И.Ю. задача разработка системы оперативного автоматизированного управления тепловой подготовкой крупного заполнителя серобетонной смеси, является актуальной.

Цель работы.

Повышение качества промышленного производства серобетона, снижение энергетических затрат, брака готовых изделий, исключение аварийного режима возгорания серы за счет автоматизации процесса оптимального управления тепловой подготовкой минеральных компонентов серобетонной смеси. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: выполнен анализ зарубежного и отечественного опыта автоматического управления процессами тепловой обработки минеральной части серобетонной смеси, методов и средств их автоматизации;

сформулированы основные требования к математическим моделям объектов (топки и сушильного барабана) тепловой подготовкой минеральных компонентов серобетонной смеси;

разработаны математические модели объектов тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси.

разработаны структура и функциональное наполнение систем оптимального и экстремального регулирования процессов тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси;

определено влияние изменения параметров настройки автоматических систем оптимального управления на качественные характеристики процессов тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси; выполнена экспериментальная проверка полученных результатов.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств.

, Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения ряда теоретических положений диссертации при промышленном производстве серобетонной смеси.

Методы исследования

Результаты диссертационной работы получены на основе комплексного использования методов теории автоматического управления, теории вероятности и математической статистики, оптимальных систем и математического моделирования.

Научная новизна

Решена научно-техническая задача теоретического обоснования, синтеза и практической реализации автоматизированной системы управления технологическим процессом тепловой подготовки минеральных компонентов

серобетонной смеси, которая обеспечивает получение серобетона с заданными свойствами.

Основным научным результатом является развитие теории и практики промышленного производства серобетонной смеси за счет автоматизации управления процессом тепловой подготовки ее минеральных компонентов.

Впервые разработаны методические основы автоматизации технологического процесса тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси, позволяющие на основе требований к свойствам готовой смеси и исходных компонентов, получать серобетон с заданными технологическими показателями.

Научная новизна работы заключается в разработке:

требований к математическим моделям объектов (топки и сушильного барабана) тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси.

математических моделей объектов тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси.

структуры и функционального наполнение систем оптимального и экстремального регулирования процессов тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси.

Основные положения, выносимые на защиту: результаты анализа технологии и технических средств обеспечения процесса подготовки крупного заполнителя серобетонной смеси, позволяющие выработать научный подход и методические основы разработки моделей и систем автоматизации, ориентированных на оптимизацию процесса управления тепловыми режимами подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси;

математические модели и системы автоматизации, топочного устройства и сушильного барабана, как объектов управления, учитывающих физико-механические характеристики минеральных компонентов, поступающих на переработку, и ориентированных на оптимизацию процессов тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси.

Практическая ценность. Результаты исследований в области автоматизации управления процессом подготовки крупного заполнителя серобетонной смеси с оптимизацией режимов теплопрогрева минеральных компонентов серобетонной смеси, являются практической базой для научно обоснованного выбора структуры, качественной оценки и параметров настройки систем управления температурой топочного устройства и сушильного агрегата, методов и средств их автоматизации.

Практическую ценность работы составляют спроектированная на сформулированных принципах автоматизированная система управления технологическим процессом тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси, методы настройки вновь проектируемых и находящихся в

эксплуатации систем.

Автоматизированная технология тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси, включающая в себя технические средства измерений и управления, имеет практическую направленность и предназначена для использования в установках по производству серобетона, обеспечивая повышение их качественных характеристик и ряда других технико-экономических и эксплуатационных показателей производства.

На основе разработанной концепции автоматизации, решена технологическая задача оптимизации температурного режима нагрева минеральных компонентов серобетонной смеси.

Внедрение результатов исследований в виде методик и средств автоматизации процессов тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси, испытание системы и её опытно-промышленная эксплуатация проводилась на бетонном заводе ЗАО «Союз-Лес» (г. Москва).

Результаты экспериментальных исследований, полученные в ходе опытно-промышленной эксплуатации, показали, что внедрение разработанной системы управления стабилизации температурного режима тепловой обработкой минеральной части серобетонной смеси с высокой точностью, позволило получить материал с заданной температурой, сократить в среднем на 7-10% тепловые потери и исключить аварийный режим возгорания серы при перемешивании.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: международной научной конференции «Строительство, дизайн, архитектура»: разработка научных основ создания здоровой среды обитания, - Киров, 2013; международной конференции по проблемам горной промышленности строительства и энергетики - ТулГУ, Тула, 2011; научно-методических конференциях МАДИ (ГТУ) (г. Москва, 2012-2013г.), кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ (ГТУ).

Публикации. Основные научные результаты работы изложены в 12 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, насчитывающего 62 наименования, и содержит 135 страниц текста, 51 иллюстраций, 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность и сформулированы основные цели и задачи исследования.

Первая глава диссертации посвящена анализу работ, связанных с вопросами совершенствования технологии и автоматизации процессов тепловой подготовки минеральных компонентов серобетонной смеси.

Так как основным материалом в строительстве в обозримом времени останется бетон, то одним из перспективных направлений повышения долговечности и эксплуатационных показателей бетонов связано с применением бетонных смесей с добавлением серы в вяжущее, получивших название «Серобетон».

С точки зрения описания качеств, преимущества применение серобетона в некоторых областях (для утилизации отходов, сточных вод и т.д.) перед цементным бетоном очевидны.

Серный бетон выгодно отличается от обычного бетона на портландцементе тем, что обладает более высокой прочностью, водонепроницаемостью, морозоустойчивостью, устойчивостью к агрессивным средам, быстрым набором прочности, термопластичностью, возможностью формовки при отрицательных температурах и меньшей себестоимостью.

В табл.1 представлена сравнительная характеристика основных параметров серного и портландцементного бетонов.

Свойств серного и портландцементного бетонов_Таблица 1

Наименование свойства (испытания) Серобетон Бетон

Влагостойкость 1,0 0,8

Химическая стойкость (к кислотам) 84% 23%

Морозостойкость, циклы 300 50

Истираемость, гр/см2 0,2 0,6

Прочность на сжатие, МПа 55-65 15-25

Прочность на изгиб, МПа 10-15 6-9

Прочность на растяжение, МПа 5-7 3-4

Время набора прочности, ч. 0,3 24

В табл. 2 приведен перечень областей применения, сфера использования и преимущества серобетона по отношению к цементному аналогу.

Если условно разделить все строительные конструкции, при изготовлении которых используется (или возможно использование) серобетон на сборные элементы и монолит, то перечень областей использования рассматриваемого строительного материала будет выглядеть следующим образом (табл.3).

Области применения серобетона_Таблица 2

Сфера использования Преимущества серобетона по отношению к цементному аналогу

Сборные бетонные конструкции (фундаментные плиты, бордюры, плиты для покрытия полов и дорог, сборные элементы для канализаций и портовых сооружений, ж/д и трамвайные шпалы, столбы ЛЭП и т.д.). Высокая прочность, которую обеспечивает готовым изделиям серобетон, короткий срок набора марочной прочности и возможность повторной переработки.

Утилизация отходов (ряда кислот, солей, тяжелых металлов и ядерных отходов с низким уровнем радиоактивности). Низкая пористость серобетона не позволяет загрязняющим отходам проникнуть в окружающую среду.

Дорожные покрытия (аэропорты, дороги в районах с низкими температурами), бетонный пол (химические заводы, пищевые производства). Высокая устойчивость к воздействию кислот, солей и прочих химических элементов и соединений, а также устойчивость к истиранию и коррозии.

Серобетон в монолитном и сборном строительстве_Таблица 3

Сборные элементы Монолит

Фундаментные блоки, дорожные (в первую очередь аэродромные плиты), ж/д и трамвайные шпалы, трубы канализации, бордюры, опоры ЛЭП, тротуарная и облицовочная плитка, водосточные трубы и т.д. Пол на химических (в том числе при производстве минеральных удобрений) и пищевых производствах, утилизация опасных отходов (солей, кислот, ядерных отходов), канализационные коллекторы, портовые конструкции, мосты, тоннели, буровые платформы и т.д.

Такие механические характеристики серобетона, как высокая прочность на растяжение, сжатие и изгиб, высокая морозостойкость и водонепроницаемость обеспечили этому строительному материалы широкое распространение при производстве железобетонных изделий, подвергающихся большим нагрузкам. Единственным ограничителем является неустойчивость

серобетона к воздействию высоких температур (свыше 120°С).

Производство серобетонной смеси проще всего осуществлять на типовом оборудовании асфальтобетонных установок с некоторыми модификациями, позволяющих обеспечить классификацию минеральной части, а также дозирование и подачу серы в смеситель. Кроме этого, необходимо осуществлять жесткий контроль температурных режимов в сушильном барабане, поддерживая температуру минеральной части смеси в пределах 150-180".

Экономические условия, ориентированные на минимизацию затрат на реализацию технологических процессов, требует изменения традиционные подходы к методам их автоматизации.

При современной технологии производства бетонных смесей тепловые процессы: сушки песка и щебня и их нагрева, в зависимости от вида смеси до 150-180°С, не только энергоемки, но и требуют повышенной точности соблюдения самого теплового режима. Отклонения режимных параметров от оптимальных ведут не только к значительным тепловым потерям, но и к существенному снижению качества смеси, а в ряде случаев к возникновению аварийных ситуаций - возгоранию серы. Рассмотренные в работе используемые структуры автоматизации тепловых процессов используют принцип обратной связи по управляемым переменным (температура и влажность теплоносителя, разность температур и изменение влажности теплоносителя и т.д) и сводятся к созданию многопараметрических, но одноуровневых систем, с помощью которых добиться оптимального результата не удается. Наблюдается ограниченность подхода к самим принципам автоматизации объектов с большими постоянными времени. Необходима разработка более совершенных способов автоматизированного управления тепловыми объектами при производстве серобетонной смеси, обеспечивающих более высокую степень стабилизации температурных режимов, снижение энергетических затрат и улучшение качества смеси. Поэтому задача управления непрерывным производством серобетонных смесей, связана с разработкой новых принципов и методов автоматизации и, в первую очередь, систем оптимального управления. Только таким образом можно улучшить технико-экономические показатели производства, снизить себестоимость готовой продукции, исключить влияние колебаний количественных и качественных характеристик материала, отклонений режимных параметров отдельных агрегатов, влияющих на качественные характеристики серобетонной смеси.

Во второй главе рассматриваются модели тепловых процессов в сушильном и топочном агрегатах.

Сушильные агрегаты предназначены для полного удаления поверхностной, гигроскопической влаги из песка, щебня и нагрева их в зависимости от вида серобетонной смеси до температуры 180°С.

Тепловой режим устанавливается обычно по температурам на входе и

выходе сушильного барабана. При его поддержании особое внимание уделяется топке, разряжение в которой (10-20 Па) регулируется дымовым вентилятором и дымососом.

Для создания необходимого температурного режима на входе сушильного барабана используют передачу тепловой энергии, образующейся в результате смешения в топке потоков дымовых газов и воздуха, т.е. двух материальных потоков с разными теплосодержаниями.

Рассмотренные в работе структуры автоматизации тепловых процессов достаточно традиционны. В них прослеживается тенденция к постепенному усложнению автоматического регулятора за счет наращивания его структуры и функциональных связей и желание учесть как можно большее количество переменных. Взаимосвязь переменных заставляет вводить несколько контуров управления со своими регуляторами. Желание добиться большей эффективности управления приводит к появлению многокаскадного регулирования. Однако добиться таким путем оптимального результата не удается. Здесь проявляется ограниченность подхода к самой идее автоматизации технологических процессов с большой инерционностью. Критериями управления в этих случаях служат такие стандартные показатели качества как время и перерегулирование переходного процесса, с помощью которых оценивается вид переходного процесса и динамические параметры. То есть качество выполнения основной технологической функции объекта оценивается косвенным образом, исходя из задачи точного воспроизведения мгновенных значений желаемого сигнала на выходе. Однако для технологических объектов такой подход не всегда оправдан и, в первую очередь, это касается тепловых объектов. Нельзя принятые в теории управления понятия качества процесса регулирования, автоматически переносить на технологические объекты, так как эти показатели, как правило, не совпадают с технологическими показателями качества. Необходим тщательный анализ технологии, учет особенностей ее организации, требований нормативных документов, чтобы сформировать функционал оптимальности и трансформировать технологические требования к процессу в стандартные показатели качества систем регулирования.

Математическая модель объекта строится, исходя из определяющих уравнений физики процесса. Процесс тепловой обработки компонентов серобетонной смеси определяется температурой теплоносителя. Поступающее из топочного устройства в сушильный барабан тепло расходуется на нагрев смеси сыпучих материалов, барабана и на покрытие теплопотерь во внешнюю среду.

Модель такого объекта в общем виде представляет собой регулируемый участок с аккумулируемой внутри него тепловой энергией при определенных значениях притока и стока тепла и «динамическом равновесии», если приток (2пр° равен стоку £>ст°.

Для создания требуемого температурного режима в сушильном барабане температура теплоносителя tr - продукта сгорания топлива (мазута, газа), смешанного с воздухом G° в топочном устройстве, должна поддерживаться в соответствии с технологическим регламентом. Увеличения производительности форсунки и необходимой полноты сгорания топлива добиваются управлением количеством воздуха Q1, с температурой i2 поступающего в корпус форсунки или количеством топлива с теплоемкостью с.

Основная задача регулирования состоит в поддержании заданного значения температуры /т теплоносителя на выходе топочного устройства, т.е. на входе в сушильный барабан. Статическая характеристика топочного устройства, то есть зависимость температуры tT от расхода воздуха tT = J{Qi) определяется соотношениями

Qc

Q" +c,t2Q, для О, > О" : /т = ^-

а

и имеет ярко выраженный экстремум.

Поэтому оптимальным вариантом регулирования fT, является поиск экстремума.

Моделирование процессов теплопередачи требует выбора соответствующих методов и средств автоматизации. Выбор типа модели и степени ее детализации должен отвечать практическим возможностям нахождения решения с заданной точностью за оптимальное время. Поэтому, необходимо было найти решение задачи теплопроводности для сушильного барабана.

В качестве модели сушильного барабана взято цилиндрическое тело радиуса R, причем г (0 < г < R) - расстояние любой его точки от оси цилиндра, t - время, T(r,t) - температура тела в произвольной его точке:

дТ(рл)_дгТ(р,х) ^ 1 дТ(р,х)

Зт др2 р др

с начальными, граничными и конечными условиями:

Т(р,0) = const = Г0 -Гс, (0 < р < 1);

T(l,i)s const = 0, (0 < т < оо);

ГСр1,со; = //от7Гр11т^0,(0<р<1);

Т(O.Tj^oo, аГ^°,Т/>а0,(0<т<оо). др

где: х = 4 - безразмерное время, р = — - безразмерная величина вместо г. I Я

Отдельные решения уравнения ищутся в форме:

Т(р,х) = и(р)Г(т) Для функции Щр) получим уравнение:

и"(р) + -и'(р) + Х2и(р) = 0, Х = 0, 0<рй1, Р

решение которого имеет вид:

Щр) = ^(Хр), где J(¡(x) - функция Бесселя первого рода нулевого порядка. При каждом А. > 0 нетривиальное решение уравнения будет: T(p,-c) = J0(\p)e~>?\ к>0, 05р<1, 0<т<оо.

Решение задачи теплопроводности сушильного агрегата при заданных начальных и граничных условиях в окончательном виде запишется как

Т(р.х)= =(Т0=

1

0<р<1, 0<t<oo.

где Г0,ГС - начальное и конечное значения температуры; /„ОД/,^) -функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков; цк - нули функции Бесселя.

Расчет функции Т(р, т) показан на рис.1, а на рис. 2 дана функция изменения температуры по оси цилиндрического тела, которая имеет свойственный всем тепловым объектам экспоненциальный характер.

Рис.1. Функция Др, т)

О 6 12 18 24 t

Рис.2. Изменение температуры на оси цилиндрического тела

Моделирование решения задачи теплопроводности, позволяет определить параметры теплоносителя, обеспечивающего с помощью автоматизированной системы управления оптимальную температуру в рабочем пространстве сушильного агрегата, в условиях изменяющейся температуры внешней среды.

В третьей главе приведены результаты разработки экстремальной системы управления тепловым процессом топочного агрегата..

Основная задача исследований состоит в разработке мероприятий по повышению эффективности управления тепловым процессом топочного агрегата с использованием самонастраивающейся системы, которая не требует полной информации о состоянии объекта и при изменении внешних условий автоматически настраивается, обеспечивая заданный показатель качества. Наиболее рационально в качестве такой системы использовать систему экстремального регулирования, которая позволяет обеспечить температурный режим в топочном агрегате с максимальной эффективностью использования энергии. На практике экстремальная характеристик топочного агрегата будет дрейфовать как при изменении количественного и качественного состава топлива, так и с изменением температуры окружающей среды (рис.3).

/лх

\\

£>:-0,5 ы с £>2-0,5 кг с <2*-0.4 иг с

7

I

\\\

^ в I: :5 з: С;, кг

Рис.3.Статическая характеристика топочного агрегата.

Топочный агрегат, как динамический элемент системы автоматического регулирования, представляет собой элементарное апериодическое звено первого порядка, инерционность которого определяется теплоемкостью рабочего пространства топки.

Проектирование СЭР топочного агрегата опирается на ряд принципов

построения экстремальных систем автоматической оптимизации на основе исследования динамики этих систем и способов обеспечения устойчивости поиска в условиях действия интенсивных возмущений.

Информация об изменении температуры поступает на электронное устройство, позволяющее преобразовать и представить электрический выходной сигнал датчика температуры в удобной форме. Функциональная схема такого устройства, приведена на рис. 4.

Рис.4. Функциональная схема электронного устройства Электронное устройство состоит из датчика температуры, формирователя его сигнала (Ф), преобразователя «напряжение-частота» (ПНЧ), устройства согласования (УС), согласующего устройства (СУ), входного устройства (ВУ), селектора импульсов (СИ), двоично-десятичного счетчика электрических импульсов (СЧ), формирователя образцовых интервалов времени (ФОИВ), формирователя импульсов сброса (ФИС) и выходного устройства.

Наиболее важной частью функциональной схемы СЭР является блок экстремального регулятора, который представлен на рис.5.

Рис.5. Функциональная схема блока экстремального регулирования.

Схема блока экстремального регулирования состоит из преобразователя напряжение - частота (ПНЧ), частотомера, регистров памяти A (RGA) и В (RGB), устройства сравнения, схемы совпадения, управляющего триггера, реверсивного счётчика, тактового генератора (ТГ) и устройства управления (УУ).

Если объект имеет статическую характеристику вида у = кх2, то уравнения движения объекта с постоянной времени Т, и коэффициентом усиления кх, при действии управления и, записываются в виде:

тч±Иа

X = (Х0- U0±kjje +U = kj.;

Условие переключения системы будет иметь вид:

Уч—УР>Ь.

То есть, изменение знака управления в системе будет происходить всякий раз, когда разность между запомненным наибольшим значением выходного сигнала уи объекта в данном цикле и уменьшающимся после этого значением^ станет больше зоны нечувствительности 5.

Для обеспечения работоспособности СЭР, находящейся под воздействием интенсивных монотонных возмущений, поиск экстремума должен быть немонотонным. Для создания немонотонного поискового движения в схему экстремального регулятора ЭР включается специальное устройство - коммутатор, который через определенные промежутки времени Тк производит реверс системы.

Коммутатор поверочных реверсов в условиях действия на СЭР интенсивных монотонных возмущений, изменяет характер протекания процесса поиска экстремума. Движение системы с коммутатором при поиске экстремума на инерционном объекте существенно отличается от движения такой же системы без коммутатора, так как у системы с коммутатором движение происходит вдоль одной ветви статической характеристики объекта.

В четвертой главе на основе принципа максимума решена оптимальная задача управления тепловым режимом сушильного агрегата.

Объект управления - сушильный агрегат вместе с исполнительным

механизмом описываются дифференциальным уравнением второго порядка:

<■>

где X - температура теплоносителя сушильного агрегата; и - управляющее воздействие по изменению расхода топлива, поступающего в сушильный агрегат.

Синтезируем систему оптимальную по быстродействию методом фазовой плоскости. Запишем уравнение (1) относительно ошибки системы;

¿V ¿е ¿V ¿1

где е = хо -х- ошибка системы.

Найдем уравнения фазовых траекторий, для чего перепишем уравнение (2) в виде двух уравнений первого порядка:

Лг Л

(3)

Т— = -кЬ'-у. (4) Л

Разделим уравнение (3) на (4):

— = Г-

(5)

йу -ки-у Проинтегрируем выражение (5)

£ = -Ту + Тк1Пп\ки + у\ + С. (6)

Полученное уравнение используется для построения семейства фазовых траекторий.

Определим постоянную интегрирования С из начальных условий £ = е о при у = у о и подставим в решение для ошибки:

е = £0 -г(у-у0)+Тки Цки + у\~Тки 1п|Ш + у01. (7)

Знак управляющего сигнала может измениться не более одного раза. Запишем уравнение (7) с учетом знака II:

£ = £0 -Т{у-у0)±ТкиЩу±кЦ\ + ТкиЩу0 ±Ш\. (8)

Обозначим ст= ± 1, тогда

е = е0 - Т(у - у0)+ аТки 1п|>- + - аТШ 1п|>'0 + ак111. Это уравнение соответствует траекториям на рис.6

У

(9)

Рис.6. Фазовые траектории при оптимальном управлении Уравнение фазовой траектории при нулевых начальных условиях, т. е.

траектории, проходящей через начало координат е = 0, у = 0, является уравнением линии переключения ( MON). Эта траектория является единственной, по которой можно попасть в начало координат.

Синтезируем замкнутую систему оптимального управления, переводящую объект из положения х = 0, х = 0 при t = 0 в положение х - х„, х = 0 за

минимальное время. Необходимо рассчитать коэффициенты обратных связей, линии переключения и функцию переключения замкнутой оптимальной системы.

Обозначив — = у, уравнение (1) представим в виде двух уравнений: dt

dt (10)

ах

л"*

Записываем решения для х и у:

x(t)=C0t + Cl+C2e"»-\

y(t)=C0-aC2e-°'.] { >

Если исключить из этих двух уравнений t, то получим зависимость х = /(у), т. е. фазовую траекторию.

Из второго уравнения системы (11), определяем t :

/ = ItoiL9_. (12)

а С0-у

После подстановки уравнений (11) и (12) в уравнение x(t) имеем

(13)

а С0-у а

Полученная функция х = f (у) является фазовой траекторией.

Построим фазовую траекторию для первого интервала управления (при разгоне). Эта траектория будет являться одновременно и линией переключения, так как имеется всего два интервала управления.

Подставив значения постоянных интегрирования и меняя у от нуля до значения Щ получим фазовую траекторию: kU,

a a(kU - у) а а { kU - у )

Второй участок траектории (при торможении) будет также описываться уравнением (13), но только теперь постоянные интегрирования следует определить, исходя из новых начальных условий. Получим:

С о =-Ш\ С 1 =х, +—-; С 2 -.

а а

Фазовая траектория будет описываться уравнением:

х = _киг[пШЛУх + Х[+^-у).Т. (14)

ки + у

Уравнение фазовой траектории, если ее строить не из точки х/, а из точки х,„ запишется как:

Иг

х = -Ш\а-^— + хя-у-Т. (15)

Ш + у

Фазовые траектории при торможении даны на рис.7, а переходный процесс на рис.8.

Линия переключения

0,2 0,4 0,6 0,6 1.0 1.2 1,4 1,6 1,8 2.0 2,2 2,4

Рис.7. Фазовые траектории при оптимальном управлении

0 0,1 йЗ Ш V и

Рис.8. Оптимальный переходный процесс По фазовым траекториям определяем координаты х и у в момент переключения (х/. у при заданном значении координаты х„

По значениям и у,, подбираются коэффициенты обратных связей. Функциональная схема системы с обратными связями дана на рис.9.

РЭ

Рис.9. Блок-схема оптимальной системы: РЭ -релейный элемент; ¡-объект; 2-исполнительный механизм Составим функцию переключения для момента переключения и конца

управления:

М = гвх~ Г Л = О,

откуда

У\ ~ ; У2=-

*„ У\

По фазовым траекториям находятся у/ и у2 для различных х„.

Обратные связи по координатам х и у осуществляются с помощью датчиков.

Беря значения х и у с фазовой траектории, получаем значения функции переключения ц.

Решение задачи повышения динамической точности поддержания температуры в сушильном агрегате на основе применения алгоритмов адаптивного управления, позволяет обеспечить высокое быстродействие динамических процессов и высокий уровень стабилизации температуры при существенном изменении параметров системы.

В пятой главе приведены результаты промышленного внедрения технологии производства серобетонной смеси.

Предлагаемая концепция автоматизации применительно к технологическому процессу производства серобетонной смеси реализуется в соответствии с конкретным пооперационно-технологическим и информационно-техническим наполнением системы автоматизированного управления. Наиболее перспективной является система производства серобетонной смеси, реализованная на АБЗ ЗАО «Союз-Лес» (Рис.10), поскольку на данном предприятии используется асфальтобетонный завод «1пор 160», комплектуемый дополнительными дозаторами для подачи жидких и сухих добавок снабженных тензометрическими системами взвешивания серы.

Рис.10. АБЗ ЗАО «Союз-Лес» фирмы «Ашшапп»

Автоматизированная система управления технологическим процессом производства (АСУТП) серобетона (АСУ САБ) реализована с применением программной системы управления SCADA Trace mode с интерфейсом управления всем технологическим процессом производства (рис.11).

Рис. 12. Элементы строительных конструкций из серобетона

Рис. 11. Мнемосхема технологического процесса производства серобетонной

смеси

Внедрение разработанной системы управления позволяет стабилизировать технологический процесс тепловой обработки заполнителя серобетонной смеси, что приводит к исключению аварийных ситуаций, повышению качества как самой смеси, так и изделий из нее. Из полученных составов серного бетона были получены элементы строительных конструкций (рис.12).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Одним из перспективных направлений повышения долговечности и эксплуатационных показателей бетонов связано с применением бетонных смесей с добавлением серы в вяжущее, получивших название «Серобетон». Серобетон обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным бетоном: быстрым набором и сохранением высокой прочности; стойкостью в кислых и солевых средах; коррозионной стойкостью; водонепроницаемостью, морозостойкостью; низкой теплопроводностью; отвердением при низких температурах; хорошей адгезией; безотходностью технологического процесса.

2. Предложена концепция автоматизации тепловых процессов применительно к технологии производства серобетонной смеси, которая реализуется в соответствии с конкретным пооперационно-технологическим и информационно-техническим наполнением комплексной системы автоматизированного управления.

3. Статическая характеристика топочного устройства имеет ярко выраженный экстремум, положение которого существенно зависит от качественного состава топлива. В качестве самонастраивающейся системы регулирования температуры топочного устройства разработана, модель топочного агрегата и система экстремального регулирования, которая позволяет обеспечить эффективный режим сгорания топлива в топочном устройстве при оптимальном расходе воздуха в топку. Определены условия выбора благоприятного сочетания настроечных параметров СЭР, которые позволяют исключить ложные реверсы.

4. Для создания немонотонного поискового движения системы экстремального регулирования эффективным режимом сгорания топлива в топочном устройстве, в схему экстремального регулятора включено специальное устройство - коммутатор, который через определенные промежутки времени производит реверс системы, независимо от действия основного регулятора.

5. Разработанная модель сушильного агрегата представляет собой решение модифицированного уравнения теплопроводности с переходной характеристикой, соответствующей характеристике апериодического звена первого порядка. Предложенный способ решения методом разделения переменных определился индивидуальными особенностями задачи, конкретным видом начальных и граничных условий.

6. На основании принципа максимума решена оптимальная задача управления температурой в сушильном агрегате по максимуму быстродействия перехода системы из одного состояния в другое.

7. Наиболее перспективным производством серобетонной смеси является система, реализованная на АБЗ ЗАО «Союз-Лес», где используется асфальтобетонный завод «1пор 160», комплектуемый дополнительными

дозаторами для подачи серы, жидких и сухих добавок.

8. Опытно-промышленная эксплуатация АБЗ ЗАО «Союз-JIec», показала эффективность производства элементов строительных конструкций из серобетона. Физико-механические свойства серобетонов выше, чем эти же параметры у обычных цементобетонов, к тому же производство серобетона с применением разработанной системы управления не только менее энергоемко, позволяя на 7-10% сократить расход топлива, но и исключает аварийные систуации, связанные с возгоранием серы при ее перемешивании с заполнителем.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК:

1.Сарычев И. Ю. Совершенствование методов автоматизации дискретных технологических процессов / Васильев Ю.Э.,Сарычева И. Ю., Борисов Ю.В. //. Журнал. Контроль. Диагностика. -М.: вып.8 2012. С 12-16

2. Сарычев И. Ю. Сероасфальтобетонные смеси/ Васильев Ю.Э.,СарычевИ.Ю.,Мотин Н.В. // Журнал «Строительные материалы»,-М.: №10, 2011. - С.12-13

Публикации в других изданиях:

3. Сарычев И. Ю. Физико-химические основы применения серы как материала в качестве вяжущего для сероасфальтобетона и сероцементобетона / Васильев Ю.Э.,Сарычева И. Ю.,Мотин Н.В. //. Сборник материалов межд. научной конференции. Строительство, дизайн, архитектура: разработка научных основ создания здоровой среды обитания, -.Киров,, 2013. С 64-70

4.Сарычева И. Ю. Автоматизированные технологии приготовления компонентов конструкций мостового полотна на основе бетона с полимерно-битумным вяжущим / Васильев Ю.Э.,Сарычева И. Ю.,Мотин Н.В. // Сб. материалов Междунар. конф. по проблемам горной промышленности строительства и энергетики.-.: ТулГУ, Тула, 2011,. С.70-74.

5. Сарычев И. Ю. Патент на полезную модель № 98940. Функциональный комплекс для приготовления сероасфальтобетона. / Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Беляков А.Б. Сарычев И. Ю.; заявитель и патентообладатель МАДИ; -Опубликовано: 10.11.2010

6. Сарычев И. Ю. Патент на полезную модель № 98941.Комплекс для приготовления сероасфальта / Васильев Ю.Э., Мотин Н.В., Сарычев И. Ю // Опубликовано: 27.09.2010

7. Сарычев И. Ю. Патент на полезную модель 97998. Комплекс для приготовления композиционного серобитума / Васильев Ю.Э., Мотин Н.В., Сарычев И. Ю // Опубликовано 27.09.2010

8. Сарычев И. Ю. Патент на полезную модель № 96787. Функциональный комплекс для приготовления асфальтобетонной смеси / Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Лилейкин В.В., Сарычев И. Ю. // заявитель и патентообладатель

МАДИ; - Опубликовано: 20.08.2010

9. Сарычев И. Ю. Патент на полезную модель № 96506.Функциональный комплекс для приготовления сероасфальтобетона / Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Лилейкин В.В., Сарьгчев И. Ю. // заявитель и патентообладатель МАДИ; -Опубликовано: 10.08.2010

10. Сарычев И. Ю. Патент на полезную модель № 96505. Функциональный комплекс для приготовления композиционной асфальтобетонной смеси. / Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Лилейкин В.В., Сарычев И. Ю. // заявитель и патентообладатель МАДИ; - Опубликовано: 10.08.2010

12. Сарычев И. Ю. Патент на полезную модель № 92419. Функциональный комплекс для приготовления литой асфальтобетонной или иной битумно-минеральной смеси. / Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Лилейкин В.В., Сарычев И. Ю. // заявитель и патентообладатель МАДИ; - Опубликовано: 20.03.2010

Подписано в печать 25 ноября 2013 г. Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 28

ТЕХПОЛИГРАФЦЕНТР Россия, 125319 , г. Москва, ул. Усиевича, д. 8 а. Тел. : 8-916-191-08-51 Тел./факс (499) 152-17-71 E-mail: 7tpc7@mail.ru

московский

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

На правах рукописи

04201 450481

САРЫЧЕВ Игорь Юрьевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗАПОЛНИТЕЛЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО

СЕРНОГО ВЯЖУЩЕГО

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор А.В. Кочетков

Введение

ОГЛАВЛЕНИЕ

4

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИГОТОВ -ЛЕНИЯ СЕРОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И МЕТОДЫ ИХ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1 Свойства серобетона...................................................................6

1.2. Мировая практика технологии производства серобетона....................10

1.3. Технологии производства серобетона в России................................14

1.4. Практика применения серобетона за рубежом....................................17

1.5. Особенности технологического процесса приготовления серобетонных смесей........................................................................................19

1.6. Процессы сушки и подготовки теплоносителя.................................25

1.7. Формирование качества серобетонных смесей автоматизированной системой управления.....................................................................31

1.8. Системы автоматизации процессов сушки......................................34

1.9. Автоматизация процессов подготовки теплоносителя........................38

1.10. Выбор направлений исследований систем автоматизации тепловых

процессов производства серобетонных смесей.... .7 Г...............................42

Выводы к главе 1...........................................................................44

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

2.1. Сушильный барабан..................................................................45

2.2. Топочное устройство как объект регулирования..............................49

2.3. Уравнение теплопроводности сушильного барабана.........................54

2.4.Свойства функций Бесселя..........................................................56

2.5.Ортогональность системы функций Бесселя....................................58

2.6. Модель теплопроводности сушильного барабана...............................65

Выводы к главе 2...........................................................................68

ГЛАВА 3. СИСТЕМА ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА

\

3.1. Задачи систем экстремального регулирования.................................69

3.2. Выбор способа поиска экстремума...............................................71

3.3. СЭР с запоминанием экстремума.................................................72

3.4. Выбор структуры топочного агрегата как объекта управления............75

3.5. Исследование переходных процессов СЭР.....................................76

3.6. Учет влияния случайных возмущений на работу СЭР........................81

3.7. Работоспособность СЭР при дрейфе характеристики объекта..............84

3.8. Улучшение качества СЭР..........................................................87

Выводы к главе 3...........................................................................88

ГЛАВА 4. ОПТИМАЛЬНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ПОДГОТОВКОЙ ЗАПОЛНИТЕЛЯ В СУШИЛЬНОМ БАРАБАНЕ

4.1. Определение оптимального управления по принципу максимума.........94

4.2. Алгоритм оптимального управления разомкнутой системой сушильного агрегата.......................................................................................96

4.3. Синтез системы оптимальной по быстродействию методом фазовой плоскости...................................................................................100

4.4. Синтез замкнутой системы оптимального управления......................104

-------4 .^.Синтез замкнутой системы оптимального "управления при одном"

интервале управления...................................................................105

Выводы к главе 4.........................................................................106

ГЛАВА 5. ЭКСПЕТИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СЕРОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

5.1. Комплексная система автоматизированного управления производством серобетона.................................................................................107

5.2. Функциональная схема СЭР топочного устройства.........................116

5.3. Экспериментальная проверка системы управления температурой сушильного агрегата заполнителя серобетона.....................................119

5.4. Промышленное производство опытных партий серного бетона..........122

Выводы к главе 5.........................................................................125

Основные выводы и результаты работы.............................................126

Литература.................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

В отечественной строительной индустрии в последнее время наблюдается постоянный рост цен на строительные материалы, и в первую очередь рост рыночной стоимости цемента. В связи с этим появился интерес к материалам-заменителям цемента, являющегося основным вяжущим большинства строительных материалов. Поэтому появились исследования бетона на основе серного вяжущего.

Перспектива применения серобетона в нежилом строительстве (относительно низкая температура возгорания серы не позволяет применять его в жилом строительстве) оценивается достаточно высоко. Бетон на основе серного вяжущего может применяться для сборных элементов: аэродромных плит, фундаментных блоков, труб, железобетонных шпал и опор ЛЭП, тротуарной плитки, бордюрного камня и др. и монолитных конструкций мостов, гидросооружений, полов химических заводов и т.д.

Анализ перспективного спроса на серобетон через возможные объемы потребления цементобетона показывает, что исходя из возможного спроса на

—бетон,—самыми_востребованными__являются_фундаментные^ ^работы,

тротуарная плитка и мостостроение. Следующие данные это подтверждают. По итогам 2012г. объем использования бетона в изготовлении сборных элементов составил: фундаментные работы - 3723,2 тыс. м , аэродромные

3 3

плиты - 230 тыс. м ., железнодорожные шпалы - 594,7 тыс. м ,

3 3

железобетонные трубы - 57,4 тыс. м ., опоры ЛЭП - 165 тыс. м , тротуарная

3 3

плитка - 1022 тыс. м , дорожные бордюры - 78,3 тыс. м . Наиболее интенсивный рост потребления бетона ожидается при производстве фундаментных работ (прирост 50,2%), тротуарной плитки (31,9%), аэродромных плит (30,4%), железнодорожных шпал (25,3%), опор ЛЭП (12,1%), железобетонных труб (2%). Меньше всего вырастет потребление дорожных бордюров (0,2%).

Для автомобильных дорог замена 40% битумного вяжущего в асфальтобетонных смесях серой уменьшает стоимость дорожного

строительства и повышает качество асфальта. Объем использования битумного вяжущего при строительстве новых автомобильных дорог в центральных регионах РФ по итогам 2012 года составил 320 тыс. т. Поэтому возможное потребление модифицированной серы может составить 135 тыс.т.

Перспективы использования серобтона при строительстве специальных объектов будет зависеть от успешной реализации проектов. Рассмотрение основных проектов, осуществление которых планируется на территории ЦФО, ПФО, ЮФО и УФО, показывает что совокупное потребление бетона и железобетона будет для строительства: мостов - 1200 тыс. м3, хранилищ по утилизации токсичных отходов - порядка 1,5 тыс. м3, химических

О

предприятий - около 2 тыс. м , гидросооружений - порядка 500 тыс. м .

Возможности потребления серобетона строительной индустрией РФ связаны не только с ростом увеличения объемов строительства, но технологическим укладом, сложившимся на строительном рынке и тенденциями его развития. Так, сложно продвигать производство серобетона на маленьких заводах, производящих тротуарную плитку и бордюрный камень.

Однако, такие свойства серобетона, как высокая прочность, «кислотонейтральность», коррозионная стойкость, быстрый набор прочности, могут стать важнейшим фактором в конкуренции с традиционным бетоном в некоторых технологических приложениях.

Оценивая практику потребления серобетона в западных странах и особенности российского рынка, необходимо выделить наиболее привлекательные сегменты для продвижения бетона на серном вяжущем. К ним относится сегмент железобетонных труб, фундаментных работ, аэродромных плит. Весьма перспективно использование серобетона в строительстве мостов, тоннелей (в том числе метрополитена) гидросооружений и заливке пола на химических предприятиях.

При современной технологии производства бетонных смесей тепловые процессы: сушки песка и щебня и их нагрева, в зависимости от вида смеси

до 160-180°С, не только энергоемки, но и требуют повышенной точности соблюдения самого теплового режима. Отклонения режимных параметров от оптимальных ведут к потерям качества серобетонной смеси, а в ряде случаев к возникновению аварийных ситуаций - возгоранию серы. Поэтому необходим тщательный анализ организационных особенностей технологии, нормативных требований к процессам, чтобы дать аналитическое описание, выбрать функционал оптимальности и преобразовать технологические требования к процессу в стандартные качественные показатели систем регулирования. Необходим иной подход к формированию моделей тепловых объектов, позволяющий решать задачу автоматизации в контексте интеграции технологии, технических средств реализации процесса и управления.

Необходима разработка более совершенных способов автоматизированного управления тепловыми объектами при производстве серобетонной смеси, обеспечивающих стабилизацию температурных режимов, снижение энергетических затрат и улучшение качества серобетона.

-ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ-

ПРИГОТОВЛЕНИЯ СЕРОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И МЕТОДЫ ИХ

АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1 Свойства серобетона

Серобетон - это композиционный материал, в состав которого входит серное вяжущее, инертные заполнители и наполнители. В качестве инертных наполнителей и заполнителей могут применяться щебень, песок, гравий, и прочие породы, применяемые для традиционного бетона.

Основные отличия серобетона от аналогичных строительных материалов на основе портландцемента сводятся к наличию серного вяжущего, свойства которого определяются свойствами серы.

Сера, являясь одним из самых распространенных неметаллов, способна соединяться практически со всеми химическими элементами. Сера и ее

соединения встречаются во всех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. По своим физическим характеристикам сера является твердым кристаллическим веществом, в виде двух модификаций: ромбической

3 3

(плотностью 2,07 г/ см ) и моноклинной (плотностью 1,97 г./ см ).

Сера плохо проводит тепло и электричество, а также плохо растворяется в воде.

Свыше 50% мировой добычи серы используется для производства серной кислоты, а более четверти мирового потребления приходится на изготовление серных солей. Оставшуюся серу для собственных нужд, используют резинотехническая промышленность, сельское хозяйство для производства удобрений, производства красителей, спичек, взрывчатых веществ т.д.

Сера чаще всего используется в комовой, гранулированной и жидкой формах, которая первична по отношению к другим формам. Однако, потребители серы сталкиваются со значительными издержками, которые связаны с хранением, транспортировкой, разгрузкой, а также с накоплением статического электричества в ходе перевозок серы. В то же время, чистота серы в жидком состоянии значительно выше других её товарных форм.

Комовая сера производится путем разлива с последующим затвердеванием жидкой серы и размалыванием полученных блоков. В результате при рыхлении и хранении комовой серы возможны потери массы, загрязнение и её увлажнение, что является основным недостатков комовой серы.

Безопаснее всего хранить гранулированную серу. Однако, сам процесс гранулирования, будь то воздушное, водяное или гранулирование в кипящем слое, является очень затратным.

Впервые серобетон начал исследоваться в США в 70-х г.г. 20-го века. Был выявлен его ряд преимуществ в сравнении с традиционным бетоном на основе портландцемента, таких, как низкое водопоглощение, водонепроницаемость, быстрый набор и сохранение высокой прочности,

коррозийная стойкость. Но у серобетонов, изготавливаемых в то время были и недостатки - низкая устойчивость к воздействию высоких температур и обусловленная тем, что температура плавления серы низкая

пожаростойкость и наличие трещин при застывании больших объемов материала.

В настоящее время с развитием и усовершенствованием технологий большую часть недостатков удалось ликвидировать за счет добавления к серному вяжущему пластификаторов (например, полисульфидов), что способствует повышению пластичных характеристик раствора и уменьшению трещин. Добавка в серное вяжущее дициклопентадина повышает пожаростойкость строительного материала.

Экспериментально установлено, что предпочтительно использование модифицированной серы.

Свойства серобетона являются следствием его внутренней структуры, которая была изучена рядом ученых.

Сера в чистом виде является веществом с гомогенной структурой с плотным расположением молекул относительно друг друга. Введение наполнителя приводит к тому, что молекулы серы «скрепляют» молекулы наполнителя, заполняя внутреннее пространство вещества, что пористость становится даже под микроскопом практически незаметной. Низкая пористость серобетона предопределила во многом сферы его применения, и, в первую очередь, использования серобетона как основного материала для хранилищ отходов, коллекторов сточных вод и т.д.

Таким образом, из вышеописанного следует, что можно выделить ряд положительных и отрицательных качеств серобетона (табл. 1.1).

Оценка качеств серобетона Таблица 1.1

Положительные свойства Отрицательные свойства

Высокая прочность Низкая термостойкость

Коррозийная стойкость

Низкое водопоглощение

Водонепроницаемость •

Морозостойкость

Быстрый набор прочности

Отвердение на морозе

Возможность вторичной переработки

Незначительная усадка

Преимущества применение серобетона, например, для утилизации отходов, сточных вод перед цементным бетоном очевидны. В таблице 1.2. представлена сравнительная характеристика основных параметров этих серобетона и цементобетона.

Надо отметить, что свойства серобетона в большей степени, чем цементобетона, зависят от соблюдения режимных параметров технологического процесса, контроля качества входного сырья и всех этапов производства.

Сравнительная характеристика свойств серного и портландцементного бетонов Таблица 1.2

Наименование свойства (испытания) Серобетон Бетон

Влагостойкость 1,0 0,8

Химическая стойкость (к кислотам) 84% 23%

Морозостойкость (при 100% влажности) 300 50

Истираемость,% 3% 17%

Прочность на сжатие, МПа 55-65 15-25

Прочность на изгиб, МПа 10-15 6-9

Прочность на растяжение, МПа 5-7 3-4

Время набора прочности, ч. 0,3 24

Так, на качество серобетона влияет не только процентное содержание в нем модификатора, но и его качественный и количественный состав. Наличие модификатора серы, в виде смеси дициклопентадина и олигомера, в растворе не должно быть ниже 5%, поскольку при увеличении содержания этого модификатора снижается пластичность (вязкость) получаемого бетона. На свойства серобетона влияет само процентное соотношение дициклопентадина и олигомера является пропорция 50:50 наиболее эффективной с точки зрения пластичности смеси.

Однако, прочность на сжатие снижается при чрезмерном увеличении содержания в серобетоне наполнителя. Для придания серобетону высокой коррозионной стойкости необходимо содержание в наполнителе от 6 до 20% частиц, с размером в диапазоне 150-250мм. Добавление в серобетон стекловолкна увеличивает прочность серобетона и предотвращает его истирание. Длина волокон стекловолокна должна быть 1-14см., а его процентное содержание в объеме бетона - не более 5%.

Перечень требований к сырью для производства серобетона зависит от характеристик, задаваемых каждым производителем для изготавливаемого строительного материала.

1.2. Мировая практика производства серобетона.

Серобетон, как строительный материал известен еще с 17 века. Тогда с его помощью соединяли металл и камень, что нашло свое применение в изготовлении корабельных якорей. В 1921г. Бэйкон и Дэвис опубликовали

работу, в которой описали свойства серы и ее применение в производстве строительных материалов, а активные исследования серных вяжущих в 70-х г.г. доказали, что серобетон и сероасфальт безопасны для окружающей среды.

С увеличением добычи углеводородов выросла и добыча серы как продукта, сопутствующего нефти и газу, а разработку методов утилизации и использования серы стали вести крупные нефтяные и газовые компании. Появились новые разработки по производству и применению бетона на основе серного вяжущего.

Изобретения, отражающие свойства и технологии производства серобетона, в США патентовались. Ряд крупных компаний-производителей обладали патентами на технологию производства серобетона, когда срок действия патентов прекращался, изобретение становилось доступным для массового использования. Поэтому, в США можно отметить хронологию патентов на технологию производства серобетона, по которой можно проследить эволюцию процесса его изготовления.

Основные патенты США, связанные с сер