автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Эксергетический анализ в задачах формирования состава и стабилизации качества цементных сухих строительных смесей

На правах рукописи

ЛУКМАНОВ РАФКАТ ТУХВАТОВИЧ

Эксергетический анализ в задачах формирования состава и стабилизации качества цементных сухих строительных смесей

Специальность 05.17.08.- Процессы и аппараты химической

технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004 г.

Работа выполнена в Международной Академиии системных исследований (МАСИ), Москва, и ООО «Строительное предприятие «КРАФТ», г.Екатеринбург

Научные руководители : д.т.н., профессор, академик МАСИ к.т.н., доцент

Вердиян М.А. Несмеянов Н.П.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор, академик МАСИ к.т.н., профессор МГСУ

Комиссаров Ю.А. Ильин А.С.

Ведущая организация : ОАО «Оргпроектцемент »

Защита состоится «_» июня 2004 г. в 1400 часов на заседании

диссертационного совета Д00.01.МАСИ 0157 при МАСИ в Федеральном Государственном Предприятии «Инженерный центр комплексной автоматизации» (ФГУП «ИЦКА») по адресу: 127644, г.Москва, ул. Лобненская, д.21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ИЦКА» по указанному адресу.

Автореферат разослан «_»мая2004г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью) направлять по адресу: 127644, г.Москва, ул.Лобненская, д.21

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Ю.А. Комиссаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы:

В общей классификации сухих строительных смесей (ССС) цементные смеси являются наиболее распространенными и имеют свою широкую область применения. Понятно, что качество таких смесей в определяющей степени зависит от вида и свойств используемых цементов. Но здесь следует отметить, что даже если вид цемента для конкретной смеси определен, задача достижения максимального качества этой смеси и его стабилизации все равно продолжает оставаться до конца не решенной.

Практика показывает, что в рамках любого выпускаемого изготовителем типа и класса прочности цемента всегда имеется множество вариантов такого вида цемента и качество каждого поступающего к потребителю цемента, отличается от предыдущего. Поэтому потребителю каждый раз приходится иметь дело как бы с новым цементом с его измененным химико-минералогическим (Х.М.) и зерновым составами (З.С.). Это приводит к тому, что использование разных цементов одного вида резко затрудняют условия формирования состава и задачу стабилизации качества смеси.

Традиционный текущий контроль качества цемента по его дисперсности, оцениваемой по остатку на контрольном сите и удельной поверхности - параметрами, не отражающими его полный зерновой состав, неучет химико-минералогического состава цемента и отсутствие в итоге канала регулирования «расход цемента - его качество» не позволяют обеспечить оперативное управление процессом стабилизация качества смеси. Поэтому проблема стабилизации вынужденно сводится, в основном, к ужесточению требований к весовому дозированию компонентов, подаваемых в смеситель. Для решения этого вопроса следует использовать другие, новые подходы.

Использование в технологии цемента эксергетического метода анализа и мельниц дискретно-непрерывного действия (МДНД) открыло новые возможности по решению целого ряда актуальных не только для цемзаводов, но и производителей смесей научно-технических задач, традиционным путем не решаемых. Одной их них и является разработка нового способа стабилизации качества сухих строительных смесей на основе нового критерия качества цемента - эксергии цемента учитывающего одновременно все параметры химико-минералогического и зернового составов и их изменения. Главный вопрос, который возникает при этом, можно ли обеспечить оперативное управление процессом стабилизации качества смеси по этому критерию, т.к. с этой точки зрения обычный процесс формирования состава смеси относится к классу трудноуправляемых

РОС ИА|шпнал».мао I I

«

объектов, причем использующих при этом косвенные, а не прямые регулируемые параметры.

Анализ процессов получения цемента и смесей на их основе показывает, что с точки зрения системного и эксергетического анализа технологии их получения объективно образуют единую систему механо-термо-химического превращения «сырье-композиция-шихта-шлам, мука-клинкер-цемент-изделие», определяющую значения эксергий этих потоков: Ес-^Ец—>ЕШ->ЕШЛ, Ем—»Ею,—»Ецем-^Ессс- Отсюда видно влияние каждого элемента системы на достижение Ессс гш«» возможности достижения в схеме рецикла и что наиболее гибкой и оперативно управляемой подсистемой является технология измельчения клинкера и добавок.

Таким образом, впервые представляется возможным реализовать технологическую обрапгую связь между готовым изделием потребителя и входящим в его состав цементом изготовителя. Достижение Ецсмтах должно проводиться на цемзаводе. И такая задача теоретически и практически уже решена. Определена последовательность реализации такой задачи.

Цель диссертационной работы: Разработка основных положений эксергетического анализа к задачам формирования состава и стабилизации качества цементных сухих строительных смесей (ССС) . Поставленная цель определила следующие направления исследований:

1) дать подробное описание процессов получения сухих строительных смесей, охватывающих комплекс связанных с этим вопросов - от места и роли ССС в стройиндустрии до эффективности применения смесей в рыночных условиях РФ;

2) разработать методическое обеспечение решения задачи, включающее определение новых критериев оценки качества цемента и смесей - эксергий цемента Ецем, концентрации эксергий цемента Ецем/с^р; эксергий смеси Ессс» концентрации эксергий смеси

и методики их расчета;

3) разработать технологические решения по стабилизации качества ССС и показать эффективность предлагаемой новой схемы получения ССС по сравнению с существующей.

Объектом исследования являются типовые технологии . получения цемента и ССС.

Методологическая основа исследования — общая стратегия системного анализа процессов химической технологии, предложенная академиками В.В. Кафаровым, И.Н.Дороховым, и реализованная в стройиндустрии, в т.ч. цементной промышленности, в работах академика М.А.Вердияна.

Научная новизна. В работе впервые с позиций системного анализа предложен и разработан эксергетический подход к задачам формирования состава и стабилизации качества цементных сухих строительных смесей.

* 1 ' Ь'.■•.,.(»

1 • I

*»« >•: ■•<•

з

Разработаны:

- новые критерии оценки качества цемента и смесей: эксергия цемента Еце„; концентрация, эксергии цемента ЕцемА1Ср; эксергия смеси Ессс и концентрация эксергии смеси Ессс/^ср-

- методики определения критериев по п.2, показана эффективность их использования в научных и практических целях. Установлено, что на энергетическую эффективность качества смесей влияет не столько вид цемента, сколько его эксергетические характеристики. Выбор цемента должен осуществляться при максимальных значениях его эксергетических характеристик, которые обеспечат и Ессс тах- Поэтому нужно специально выпускать адресный цемент для ССС.

- комплексная математическая модель, описывающая в процессах получения цемента и смесей эксергетическое превращение потоков и условия достижения

Обоснованность и достоверность результатов.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, определяется корректным применением методов системного и эксергетического анализа, математического моделирования и типовыми экспериментальными исследованиями физико-химических и механических свойств клинкеров, полученных на МДНД 3,2x15 м АО «Осколцемент».

Практическая ценность результатов работы состоит в конкретных технологических предложениях по стабилизации качества цементных ССС:

- Разработана принципиально новая технологическая схема измельчения цемента и получения ССС. Адресный цемент получают в МДНД на цемзаводе. Далее этот цемент разделяют на основной и управляющий потоки на заводе изготовления смесей.

- Выполнена сравнительная оценка эффективности предлагаемой и существующей схем получения ССС. Расчеты показывают, что дисперсия активности цемента после смешения по предлагаемой схеме уменьшается в 2,5 раза. Среднеквадратичное отклонение составляет ±0,51 МПа, что в 4-5 раз меньше, чем отклонения в активности у загружаемого в смеситель исходного цемента.

- На строительном предприятии «Крафт» ведутся работы по созданию многоассортиментного производства по получению на основе цемента, песка и сопутствующих добавок цементных ССС, пенобетонных блоков и цементно-песчаных плит. При этом стоимость изготовленных собственными силами изделий в 2-3 раза меньше, чем покупные.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Уральской научно-практической конференции «Строительство и образование», посвященной 50-летию факультета строительного материаловедения УПИ,

18 апреля 2003г.; Международной научно-практической конференции «Наука и технология силикатных материалов - настоящее и будущее», посвященной 70-летию силикатного факультета РХТУ» 14-17 октября 2003 г.; совместных производственно-технических совещаниях ЗАО «Уралнефтегазстрой», ОАО «Свердловскоблгаз», ООО «Строительное предприятие «Крафт», кафедрах «Технология цемента» и «Оборудование и автоматизация силикатных производств» УПИ, г.Екатеринбург, 2002-2004 г.г.

По теме диссертации опубликовано и принято к печати 7 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов и списка использованной литературы (58 наименований).

Во введении отмечается актуальность постановки проблемы использования эксергетического анализа в задачах формирования состава и стабилизации качества цементных сухих строительных смесей. При этом следует исходить из объективного и очевидного условия обязательного соответствия цемента своему изделию (раствор, бетон, сухие строительные смеси и т.п.), где он используется в качестве определяющего компонента, и тогда качество выпускаемого потребителем изделия предопределяется прежде всего свойствами используемого цемента. Поэтому основным источником «дестабилизации» ССС является колебания в активности используемого цемента. Колебания эти носят объективный характер и связаны с тем, что в рамках любого выпускаемого изготовителем типа и класса прочности цемента всегда имеется множество вариантов такого вида цемента и качество каждого поступающего к потребителю цемента, отличается от предыдущего. Поэтому потребителю каждый раз приходится иметь дело как бы с новым цементом с его измененным химико-минералогическим (Х.М.) и зерновым составами (З.С.).

Для того, чтобы выпускать «цементы на заказ», необходимо четко определить, какие параметры цемента должны быть указаны потребителем в техническом задании на его выпуск. Использование стандартных показателей качества без комплексной энергетической оценки качества используемого цемента недостаточны для формулировки требований к этому конкретному цементу для выпуска его производителем.

На цемзаводе отсутствует гибкая технологическая схема получения цемента и оперативный комплексный контроль его качества.

Использование разных цементов одного вида резко затрудняют условия формирования состава и задачу стабилизации качества изделия у потребителя.

Традиционные способы измельчения цемента и оперативного контроля его качества в принципе не позволяют обеспечить оперативное управление процессом стабилизации качества ССС.

Использование эксергетического анализа (ЭА) и МДНД позволяет решить эту задачу. При этом ЭА позволяет сформулировать требования на выпуск адресного (индивидуального) цемента для конкретной ССС, а МДНД, в которой реализована новая технология измельчения, обеспечит получение такого цемента.

В первой главе дается подробное описание процессов получения сухих строительных смесей, охватывающих комплекс связанных с этим вопросов - от места и роли ССС в стройиндустрии до эффективности применения смесей в рыночных условиях РФ. При этом рассмотрены следующие вопросы:

- Сухие строительные смеси — прогрессивное направление в строительном материаловедении.

- Роль цемента при производстве и использовании сухих строительных смесей в строительстве

- Классификация и нормативная база сухих строительных смесей

- Материалы для производства сухих строительных смесей, в том числе: вяжущие, заполнители и наполнители, функциональные добавки.

- Основное оборудование и технологические схемы производства сухих строительных смесей,. в том числе процесс сушки песка и основное технологическое оборудование, смесители для производства сухих строительных смесей, дозирование основных компонентов, упаковка сухих строительных смесей.

- Заводы по производству сухих строительных смесей, в том числе установки и заводы по производству сухих строительных смесей небольшой мощности, небольшие установки и заводы с наращиванием числом силосов, свойства готовых сухих строительных смесей.

- Диагностика, организация системы качества сухих строительных смесей в промышленных условиях

- Рынок сухих строительных смесей в России

- Эффективность применения сухих строительных смесей.

Вторая глава посвящена разработке методического обеспечения решения поставленной в диссертации задачи.

Методическую основу нового способа стабилизации качества составляет комплексная математическая модель (1-16), описывающая эксергетическое превращение потоков и условия достижения Термин «комплексная математическая модель» означает, что отдельные ее составляющие могут использоваться как самостоятельно, так и в совокупности, в зависимости от цели и конкретных задач при анализе процессов технологии получения цемента или смесей.

Ецем [Екл+Е(РЧЭ)] ^ Ецем.тах

тах

Д(Е цем

Д(А)=ВД(Ецем)]->Д(А)т!„;А28Т=А;Е,км/4р)Т Е(ССС)=аЕ

Д(Ессс)=аД(Ецем)+ЬД(Емп)+сД(Еноп)+аД(Едоб) Ессс+Епот-Ещм+Езал+Енац+Едоб+Еподв

1. Свойства порошка сухой смеси - уравнение (5).

2. Свойства растворной смеси Ерс.=0,84ЕССс+0,16ЕВ0ЛЬ1

3. Свойства затвердевшей растворной смеси Ез.р.с.—Ер.с."^Еусл прим

Еводы "^воад) Тводы), Еусл. пр. Д. к р. ср > ^икр.ср. > Р» И Т.П.)

шах

^(Ецемгоах) ЕссоЧ:р-> (Ессс/^ср)шах=ДЕЦ1;М/<1Ср)1ШЯ

Д(ЕсСс)-^Д(ЕсСс)тт=ад(Еием)т,п] к _

До

__1_

До

Е±.

До

--1

1 +

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10) (И) (12)

(13)

(14)

(15)

(16)

1 +

где Ецд - эксергия размалываемого материала, клинкера;

Е„ =ХВИД сырьевыхкомпонентов;/^; п;р; С^Б; ССзА;С4Ар)

(РЧЭ) - эксергия зернового состава или распределение частиц по их эксергии;

<![ - размеры частиц цемента, определяющие свойства цемента в изделиях;

Д(Ецем). Д(А) - дисперсии эксергии и активности цемента.

- соответственно доли, эксергии и дисперсии цемента, заполнителя, наполнителя и добавок, входящих в состав смеси.

W и Твои — влажность и температура атмосферного воздуха; Твода — температура воды; Тоцр.ср.; Р - соответственно влажность,

температура, давление у объекта применения смеси.

Анализ этих зависимостей (1-16) позволяет сделать следующие выводы:

1. Предложена новая энергетическая характеристика (уравнения 1-4) качества порошка цемента, а именно - эксергия цемента Еисм, его концентрация Е^/сИср и дисперсия «Д», которые количественно характеризуют качество каждой конкретной партии цемента [1-3]. Критерии

(1-4) являются здесь определяющими при разработке технического задания на выпуск заказного цемента, входящего в состав сухих строительных смесей (ССС).

2. Цемент и ССС, как объект эксергетического анализа, можно отнести к дисперсным системам (ДС) практически соизмеримого порядка и функционального назначения. Поэтому определение понятия эксергии сухой строительной смеси — Ессс дается по аналогии с понятием эксергии цемента -EUcm как меры его работоспособности [1]. Эксергия смеси - это комплексная энергетическая характеристика качества формируемой из «п»-го числа компонентов смеси, учитывающая химико-минералогический и дисперсный составы, физико-химические и физико-механические свойства входящих в ее состав компонентов.

3. Для дисперсных систем (ДС) очень важным параметром, оказывающим определяющее влияние на оценку эффективности использования эксергии частиц различного размера, является отношение величины эксергии к, например, среднему диаметру этих частиц сЦр. Такой критерий Еср можно назвать концентрацией эксергии этой дисперсной системы. Поэтому величины следует всегда рассматривать

совместно. Вообще говоря, чем больше Еср., тем больше концентрация эксергии этой дисперсной системы, и тем меньше будут материальные и энергетические затраты при использовании такой ДС.

Чем больше для цемента и смесей Е и E/dcp, тем лучше при прочих равных условиях будут проявляться их строительно-технические свойства (СТС) и потребительские качества в ходе их дальнейшего использования. Эксергии цемента и смеси характеризуют их энергетические свойства, заложенные при их получении в конкретных условиях, которые всегда постоянно меняются. Поэтому надо понимать, что двух одинаковых эксергии цемента и смеси не бывает, что объясняет и описывает, почему имеет место практически бесконечный мир цементных дисперсных порошков и смесей на их основе.

4. Качество ССС=Г(Ессс)и чем > Ессс меньше ее дисперсия Д(Ессс)> тем лучше потребительские качества смеси в ходе ее дальнейшего использования. Из уравнения (5) следует, что при Езап, Енап и ЕДОб » const, эксергия смеси будет определяться прежде всего эксергией цемента, его параметрами (1-4), и чем > Ецем, тем будет > Ессс, и тогда Д(Ессс)тт=^Д(Ецем)т.п]. Как эксергия цемента определяет меру его работоспособности в изделии, где он используется, так и эксергия ССС определяет меру ее работоспособности в строительном изделии, материалах и конструкциях, где используются ССС. Отсюда ясно, что изменения в неизбежно повлекут и изменения в а значит и в

изменении ее свойств. Чем больше стабильность качества цемента, тем особенно стабильнее качество цементных смесей, которое зависит от вида и свойств используемого цемента, схемы его получения, использования и

контроля на цемзаводе и предприятии-изготовителе

смесей.

5. Из определения понятия эксергии цемента Ецсм и смеси Е<хс на его основе следует, что технологический процесс получения смеси должен быть организован таким образом, чтобы достигнуть Ессс.шах» что

возможно при обязательном соблюдении условий (1-4), и прежде всего при Таким образом, выбор цемента для достижения максимального качества смеси СССтах должен осуществляться при экстремальных значения его эксергетических характеристик (1-4), соблюдение которых обеспечит и экстремальные значения параметров (8-12) смеси. Это значит, что чем больше Ецем. и стабильнее его качество Д(А28)шт (где Д -дисперсия активности цемента), тем больше лучше и стабильнее

качество смеси на основе этого цемента, и тем больше песка может быть в составе этой смеси.

6. Для формирования максимального качества смеси с Ессс шах совершенно недостаточно использование выбранного стандартного цемента, у которого имеют место произвольные и нерегулируемые значения эксергетических параметров (1-4), обусловленные применяемой технологией и оборудованием. На энергетическую эффективность качества смеси влияет не столько вид цемента, сколько его эксергетические характеристики. Поэтому нужно специально выпускать цемент для ССС. Такой цемент, удовлетворяющий при заданной активности цемента требованиям параметров (1-4), и обеспечит экстремальные эксергетические значения параметров (8-12) качества смеси, что и требовалось доказать.

7. Для каждой смеси нужно использовать только свой цемент со своими конкретными эксергетическими характеристиками, которые обязательно должны быть приведены в технических требованиях на выпуск «цемента на заказ». Эти эксергетические характеристики приведены в таблице., столбец 2. Два главных объединяющих параметра из них - которые служат критериями выбора адресного цемента при получении цементов одного типа и класса прочности.

Для большого числа выпускаемых партий на АО «Осколцемент» экспериментально были получены количественные значения эксергетических характеристик для различного типа и класса прочности цементов, а также для различных партий одного вида цемента [1-3]. Анализ численных значений эксергетических характеристик для этих цементов однозначно свидетельствует о наличии существенных различий между ними, о том, что все эти параметры оперативно регулируются при циклическом способе организации процессов измельчения в мельнице дискретно-непрерывного действия МДНД и экспериментально доказывают тем самым, что адресный, цемент может быть получен в МДНД при оперативном регулировании процесса по критериям Е„см/(1ср, Д(А28).Управляющими воздействиями здесь являются соотношение двух подаваемых в мельницу

размалываемых потоков и параметры циклической их подачи [3]. Теперь представляется возможным функции управления процессом стабилизации свойств смеси возложить на сам цемент, как на главную составляющую изделия. Соблюдение объединяющих критериальных условий (1-16) позволяет обеспечить минимальные энергозатраты и максимальное качество как при получении цементов, так и смесей на их основе

Таблица

Эксергетические характеристики цементов [2]

8. Увеличение степени однородности смеси в объеме смесителя обеспечивает стабилизацию качества смеси на выходе из смесителя, что проявляется в уменьшении дисперсии активности цемента - ключевого компонента в смеси. Наиболее универсальной характеристикой процесса смешения является отношение «Р» дисперсий активности цемента Д(А2в) на входе в смеситель и на выходе из него (13). По известному «Р» могут быть рассчитаны все характеристики процесса смешения, основными из которых являются время перемешивания и доли цементов в смеси. При расчете изменений дисперсии активности цемента при получении ССС

используются идеальные математические модели, адекватные процессам измельчения в обычной цементной мельнице (14), перемешивания в смесителе (15), и комбинированная модель (16), адекватная процессу совместного измельчения и перемешивания в МДНД при подаче в нее двух клинкерных потоков.

В третьей главе рассматриваются технологические решения по стабилизации качества смеси на основе эксергии цемента. Соблюдение объединяющих критериальных условий (1-12) позволяет обеспечить минимальные энергозатраты и максимальное качество как при получении цементов, так и смесей на их основе, т.к. в действительности технологии их получения объективно образуют единую систему механо-термо-химического превращения «сырье-композиция-шихта-шлам, мука-клинкер-цемент-

изделие», определяющую значения эксергий этих потоков: Ес—>ЕК—>ЕШ—»Ешл, Ем-^Екл-^Ецсм-^Ессс

Прикладное значение настоящей работы определяется, прежде всего, возможностью ее непосредственного применения для достижения оптимальных условий формирования максимального качества смеси Разработан принципиально новый способ формирования этого качества, заключающийся в стабилизации эксергии используемого цемента, приводящей к Д(А28) ГП1П*) Д(Е цсм)шш> Д(ЕсСс)ш1П" Задача решаетСЯ здесь ПуТем применения в составе смеси адресного цемента, выпущенного на МДНД, и текущего контроля эксергетических характеристик используемого цемента на выходе мельницы и перед подачей его в смеситель.

Рассмотрим достаточно сложную, но типовую смесь, состоящую из цемента двух видов (Ц1, например,СЕМ-42,511 « 16% и Ц2, например, СЕМ1-52,5К « 24%); песка «П» - 0388 » 50% и условных добавок «Д^о» «10%. В таблице представлены экспериментальные эксергетические характеристики различных цементов, полученные при их выпуске на МДНД на ОАО «Осколцемент». Колебания активности этих цементов получены расчетным путем и принимались достаточно высокими и равными 5% от минимальной нормативной прочности через 28 суток. Эксергия такой смеси из цементов Ц1 и Ц2 определяется из выражений (17,18,19).

Е(ССС)=0,16-Е(Ц1)+ 0,24-Е(Ц2)+0,5-Е(П)+0,1-Е(Д) (17)

Е(ССС)=0,4[0,4-Е(Ц1)+0,6Е(Ц2)]+ 0,5Е(П)+0,1 -Е(Д) (18) Е(ЦЗ)оср=0,4[0,4-Е(Ц1)-Н).6(Ц2)] (19)

Все характеристики осредненного цемента полученого от

смешения Ц1 и Ц2 определяются следующими неравенствами (20-24), их осредненные значения даны в таблице (ст. 6):

Ц1<ЦЗ<Ц2 (20)

Э(Ц2)>Э(Ц1); Э(Ц2)>Э(ЦЗ)=Э(Ц1) (21)

Ст(Ц2)>Ст(Ц1); Ст(Ц2)>Ст(ЦЗ)=Ст(Ц1) (22)

' Д[А28(Ц2)]>Д[А28(Ц1)]; А28(Ц2)> А28(ЦЗ)> А28(Ц1) (23)

(24)

а,*

где Э - удельный расход электроэнергии на выпуск 1 т цемента; Ст—стоимость цементов.

СУЩЕСТВУЮЩАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА И СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

(традиционный контроль свойств продуктов)

ПРЕДЛАГАЕМАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА И ССС

(контроль по эксергии продуктов)

Из рассмотренных семи параметров цемента (табл.) в ходе перемешивания в смесителе меняется параметр Д(А2в) от исходной осредненной дисперсии Д(А28,ЦЗ)=5,942до величиДыЩЗределяемой при конкретном смесителе только временем перемешивания цементов Ц1 и Ц2.. Таким образом предложены зависимости (13-24), которые позволяют на основе эксергетического анализа оценивать эффективность перемешивания и качества смесей.

Существующая технологическая схема получения смесей из 2-х различных цементов включает основные процессы: на цемзаводе -измельчение в 2-х отдельных мельницах цементов Ц1 и Ц2; их хранение в отдельных силосах; на заводе-изготовителе смеси - хранение в отдельных силосах цементов, их дозирование и смешение в смесителе. Такая схема сама по себе предполагает повышенные эксплуатационные иэнергетические затраты..

Предлагаемый оптимальный вариант схемы - это использование одного цемента, по свойствам равного осредненному цементу ЦЗ, который следует получать на МДНД цемзавода, с последующим разделением его на основной и управляющие потоки на заводе изготовителе смеси и стабилизацией качества каждого потока по критерию Е„емЛ1Ср. При этом достигаются минимальные энергозатраты и максимальное качество смеси на основе такой схемы получения цемента и его использования.

Существующая схема на предприятии-изготовителе ССС включает следующие основные операции и процессы, касающиеся только цементного компонента смеси:

Приемка от цемзавода двух различных цементов Ц1 и Ц2 соответственно с дисперсиями Д(Аг8), полученных на 2-х мельницах.

ДгДг е~кг~"; Д2=До- ; Д.*Дг (25)

^ Хранение цементов в двух отдельных силосах, их дозирование и

подготовка перед смешением осредненного цемента ЦЗ. ЦЗ=0,4Ц1+0,6Ц2; ДН>,4Д,+0,6Д| (26)

^ Смешение и получение готовой смеси

ОА-До-е-*'-+0,6-До-е-1г~ Д0-<Г1г-Д™=-тггт-=~;—;--(27)

В предлагаемую схему вносятся следующие изменения, связанные с маршрутизацией потоков:

Осуществляется приемка от цемзавода одного адресного цемента, полученного по индивидуальному заказу при одновременном измельчении и смешении 2-х клинкерных потоков с различными параметрами циклической подачи в МДНД [1-3], при этом

Дз=До- е""- /1 + ; твыт=тс1

(28)

Адресный цемент делят на две части и размещают в двух отдельных силосах, в которых раньше были Ц1 и Ц2.

Эти части цемента дозируют и готовят к смешению, получая как бы осредненный цемент ЦЗ по соотношению (29) ЦЗ=0,4(ЦЗ)1+0,6(ЦЗ)2=^Ецем/(1ср) (29)

Смешение и получение готовой смеси

Дгот=";

До

(30)

(1 + ^X1 + ^)

Оценим эффективность предлагаемой схемы по сравнению с существующей, для этого по полученным формулам рассчитаем значение

Мсцщ Да

-0+*.

(31)

Примем близкие к практическим данным [1-3] значения Ксм=0,2 мин"1; квыт=0,1 мин'1; тВ1,п.=15 мин; тсм=5 мин. При этих данных по сравнению с существующей в предлагаемой схеме дисперсия активности цемента уменьшается в 2,5 раза. Расчеты показывают, что для достижения равенства Дсущ=Дпрем необходимо в существующей схеме увеличить время смешения в 4 раза, что совершенно нецелесообразно. Общее снижение Д(Аг8) после смесителя в предлагаемой схеме составляет а

среднеквадратичное отклонение ±0,51 Мпа, что практически в 4-5 раз меньше, чем отклонения в активности у исходного цемента Ц1(±2,125 Мпа) и Ц2(±2,625 Мпа). Поэтому эффективность предлагаемой схемы очевидна.

Стабилизация качества смеси осуществляется следующим образом. Постоянно в течение времени подготовки исходной смеси отбирают пробы поступающих в смеситель двух цементов и других компонентов смеси, определяют их эксергетические характеристики (1-4) и сравнивают с заданными значениями (таблица). При их отклонениях меняют количество поступающих Ц1 и Ц2 и при крайней необходимости - соотношение цемента с песком. Принципиально новым в этой части исследований является использование эксергетического анализа (ЭА) при текущем контроле цемента, других компонентов и полученной смеси. Время анализа и расчета параметров (1-4, 17-18) примерно равно общему времени подготовки всего состава смеси, что делает возможным их использование для управления процессом.

Таким образом, независимо от числа, типа и класса прочности цементов (одного Ц1 или двух Ц1+Ц2), используемых в составе ССС, в существующие схемы контроля качества материалов и получения смесей вносятся изменения, где предусмотрено:

1. Получение по техническим требованиям потребителя одного адресного цемента, по своим свойствам сравнимого с осредненным ЦЗ. Для

этого на МДНД цемзавода в циклическом режиме измельчают два клинкерных потока с различными параметрами цикла. Циклический способ измельчения, как доказано, обеспечивает Д(А2$)тш-

2. Деление полученного по п.1 адресного цемента на два самостоятельных отдельных потока (основной и управляющий). По измеренным значениям эксергий этих потоков определяют соотношение частей этих потоков, время смешения, обеспечивающие заданное значение ЕцсМЛ1ср, причем большая часть расходуемого цемента приходится на поток с большим значением

Затраты на реализацию такой новой технологической схемы получения качественной ССС связаны с приобретением лазерного гранулометра, программно-методической части расчета и с обучением специалистов заводов, изготавливающих цемент и сухие строительные смеси на его основе. Выгоды от выпуска и использования адресного цемента для цемзавода и завода-изготовителя смесей столь очевидны, что в особых комментариях не нуждаются. Отметим только, что здесь в принципе исключается вероятность получения «некачественных» смесей по вине цемента.

Таким образом, впервые представляется возможным реализовать технологическую обратную связь между готовым изделием потребителя и входящим в его состав цементом изготовителя. Достижение должно

проводиться на цемзаводе. Определена последовательность реализации такой задачи, в соответствии с которой:

1. Совместно с потребителем определяется эталонный, заданный диапазон изменения Х.М. и зернового состава требуемого цемента, его активность, дисперсию колебаний этих параметров.

2. По данным п. 1 рассчитываются заданные значения Ещ, , Ецсм, ЕциДЦ» Д(Е).

3. Определяются заводские фактические значения п. 2.

4. Расчетными и лабораторными исследованиями выявляется принципиальная возможность получения цемента с данными по п.2. Определяется технологическая схема получения такого цемента на основе эксергетического анализа (ЭА) и МДНД.

Главный вывод, который вытекает из полученных результатов. На основе расчетно-теоретических и промышленных экспериментальных исследований разработаны методические основы и технологические решения, которые позволяют с минимальными энергозатратами перевести работу заводов на выпуск цементов с эксергией, оптимально отвечающей требованиям потребителя по каждому виду продукции, где используется цемент. Реализация такой новой технологии выпуска цемента по индивидуальному заказу резко усиливает брэнды обоих предприятий, т.к. с точки зрения характера организации процесса получения такого цемента, он аналогичен продукту «ручной работы и интеллектуального труда», отвечающему повышенным ожиданиям покупателей. В настоящее время на АО «Осколцемент» завершены организационно-технические и

технологические мероприятия по переводу завода на выпуск адресных цементов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые предложен и разработан эксергетический подход к задачам формирования состава и стабилизации качества цементных сухих строительных смесей (ССС).

2. Разработаны новые критерии оценки качества цемента и смесей: эксергия цемента Ецем; концентрация эксергии цемента EUeM/dcp; эксергия смеси Ессс и концентрация эксергии смеси Eccc/dqv

3. Разработаны методики определения критериев по п.2, показана эффективность их использования в научных и практических целях. Установлено, что на энергетическую эффективность качества смесей влияет не столько вид цемента, сколько его эксергетические характеристики. Выбор цемента должен осуществляться при максимальных значениях его эксергетических характеристик, которые обеспечат и Ессс max- Поэтому нужно специально выпускать адресный цемент для ССС.

4. Задача управления стабилизацией качества ССС может быть эффективно осуществлена на основе представления цемзавода и завода — производителя ССС в виде единой системы механо-термо-химического превращения «исходное сырье-композиция-шихта-щлам, мука-клинкер-цемент-изделие», определяющей оптимальные значения эксергии этих потоков: Ес-»Е,(-> ЕШ->ЕШП, EM-»E0-»EUeM->Eccc-

5. Разработана комплексная математическая модель, описывающая в процессах получения цемента и смесей эксергетическое превращение потоков и условия достижения

6. Разработана принципиально новая технологическая схема измельчения цемента и получения ССС. Адресный цемент получают в МДНД на цемзаводе. Далее этот цемент разделяют на основной и управляющий потоки на заводе - изготовителе смесей.

7. Выполнена сравнительная оценка эффективности предлагаемой и существующей схем получения ССС. Расчеты показывают, что дисперсия активности цемента после смешения по предлагаемой схеме уменьшается в 2,5 раза. Среднеквадратичное отклонение составляет ±0,51 МПа, что в 4-5 раз меньше, чем отклонения в активности у загружаемого в смеситель исходного цемента.

8. На строительном предприятии «Крафт» ведутся работы по созданию многоассортиментного производства по получению на основе цемента, песка и сопутствующих добавок цементных ССС, пенобетонных блоков и цементно-песчаных плит. При этом стоимость изготовленных собственными силами изделий в 2-3 раза меньше, чем покупные.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Вердиян М.А., Бобров Д.А., Лукманов Р.Т. и др. Эксергетический анализ процессов химической технологии (на примере технологаи цемента), Москва, 2004, Учебное пособие РХТУ - 91 стр.

Часть 1. Эксергетический анализ при снижении энергозатрат в

технологии цемента, с 7-31.

2. Расчет и формирование эксергии цемента в мельницах дискретно-непрерывного действия. Там же, ч.б, с 58-81

3. Перевод работы заводов на выпуск цементов с максимальной эксергией. Там же, ч.7, с 82-91.

4. Смирнов В.Н., Лукманов Р.Т., Перунов СИ. Экологический мониторинг цементного производства. Вестник МАСИ, № 6,2004.

5. Вердиян М.А., Несмеянов Н.П., Лукманов Р.Т. Новый критерий оценки энергетической эффективности работы различных мельниц. Строительные материалы, оборудование, технологии 21 века, № 4,2004.

6. Вердиян М.А., Несмеянов Н.П., Лукманов Р.Т. Стабилизация качества смесей по эксергии цемента. Строительный материалы, № 5,2004.

7. Вердиян М.А., Несмеянов, Н.П., Лукманов Р.Т. Способ регулирования процесса получения цемента заданного класса прочности в мельницах дискретно-непрерывного действия.. Заявка на изобретение № 2004113623 от 06 мая 2004.

Заказ ЭР._Объем 1.0 п л_Тираж 100 яка.

Издательский центр РХТУ им. Д. И. Менделеева

Р106 2*