автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Условия ..... синтеза

p j. g ^рдрнояскоя государстпзгш.эя архмзхтурно-стрсательлая, аладокгя

Л!']'

и .1 ?

Ih прэмг. рукогга; ГОПОВ Валоряй Алэксагщровпч

А в г о р о ф 'з р з г дзссэргациа га ссаскакгэ ученой стзпенл кандидата технических пун

Воропсг. - 1994

Работа вкиаи-шна б Вороненого:: государственной орсттактурно-строятельпой акадсшк

НаучкыЛ руководитель - чд.-корр. Российской акадеглш архитектура л стро^тсльнпх наук, доктор технических наук, профессор Е.Ы.Черкшоз

Социальный ошюкзнтп - доктор техл;:чоскЕХ заук, профессор

L. « »■! о i"Ü 2СХ2• >J ^ ч.» Jj 9

кандидат тсхкячоснах коук, доцент A.B. Крилова

Ведущее продпр;шг::& - АООТ вВШ',;;СТ.гС.': ш. П.П.Будсткова"

. -Ьаедта' дессгрмцш состоится " ZA » скТЯдрЯ 1994 г. з пс. кз оасодагшс дпссоргацаокг.ого совета X0-S3.79.0I др:: Воропекской государсгБогаой арвиггок^рио-строгтелшой екздемл; по адресу: 394660, Вороиэг, ул. XL-avisa Октября, 64, пуд. 20 кора. 3.

С диссертацией мохно оаяакошться в библиотеке скадомли. Автореферат разослан " -20 " сентября 1994 г.

Ученый секретарь диссертеционвого совета, ковдкдат технических паук, доцект ' В.В.Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .

Актуальность те:м. Производство автоклавах материалов и изде-яй получило значительное развитие в напей стране, что предопроденется высокой технико-экономической эффективностью "автоклавной зхнология". Действительно, автоклавная технология опирается преи-дцественно на местное сырье, позволяет утилизировать многие виды эомыиленннх отходов и открываот нарокло возможности формирования в >четашш с технологиями других отраслей комплексов малоотходных и 13отходных производств; универсальность этой технологии позволяет I однотипном оборудовании и по сходным технологическим решениям излавливать изделия широкой номенклатуры. Вместе с тем в автоклавной «нологии имеются значительные резервы повышения ое эффективности, этом отношении в первую очередь следует иметь в виду возможность .тимизации процесса гидротермальной обработки.

Гидротермальная обработка является самым продо.тяительным, тро-юздш наибольшие затрат энергии технологически!.! этапом производст-автоклав5шх материалов. Этот основной и заключительный в форктро-1ши цементирующие веществ этап в значительной степега опродоляот фективность всей технологии. Поэтому разработку научно обосноваи-х реьений по управлению автоклавной обработкой считают центральным просом интенсификации технологии я наиболее полного использования потенциала.

Необходимой предпосылкой практической реализации этого вопроса чястся получение систематизированных количественных дашпие о взаи-)вязи кинетических параметров гидротермального синтеза цементирую: веществ материала (степе1Ш вещественных превращений, их скорости, температурного коэффициента и эффективной энерпш окт;шац;н) с -.нологаческими факторами ого осуществления, что мокот стать инфор-шонной основой для оптимизации режимов автоклавной обработки по гсериям ее продолжительности, энергоемкости и задаваемого качества ■ериала,

Целью диссертационной роботы является разработка практических оний по повышению эффективности автоклавной обработки силикатных > ериалов на основе изучения условий управления кинетическими пара-рами синтеза их цементирующих веществ.

Научная новизная работы. Обобщены и систематизированы представил о факторах, определяющих кинетику синтоза цементирующих вст'оств икатных автоклавных шт ериалов на рааличннх стадиях рп?пития ато-процесса. •

Предложена и обоснована методика оценки кинетических параметров (скорости, температурного коэффициента скорости, эффективной энергии активации) процесса гидротермального синтеза демонтирующей связки в реальных силикатных смесях в различных технологических условиях осуществлений этого процесса.

Получены количественные зависимости кинетических параметров синтеза от основных технологических"факторов: температуры автоклавной обработки, способа подготовки сырьевой смеси, степени измельчения ее кремнеземистого компонента, величины В/Т-соотноиения, добавок типа кристаллической затравки.

0предело1Ш условия "кинетического соответствия" мевду принимаемыми режимами автоклавной обработки и значениями других параметров технологии.

Достоверность по.тучокнчх результатов обеспечена применением в исследованиях научно обосновашшх метода: количественного определения кинетических параметров сш!теза цементирукдих Еецеств в реальных силикатных смесях, контролируемой и приемлемой статистической воспроизводимостью экспериментальных данных, положительными результатам; практической реализации разработок в условиях промышленного производства строительных изделий.

Практическое значение.рпбртц, Установленные для вирокого диапазона технологических условии получения автоклавних материалов закономерности дают практическую основу .для решения задач управления процессом тепловлажностпой обработки изделий. Экспериментально изученные условия кинетического соответствия позволяют рационально сочетать технологические приемы и принимать решения, при которых ускорение синтоза достигается при сгакении удельных энергозатрат на обеспечение требуемого уровня качества материала.

Внодренле результатов работы. Практические рекомендации по обеспечению рациональных условий овтоклазной обработки изделий, представ-леннне в форме "Руководства...", пришли к использованию на Вороноя-ском'заводе КЦД-1, Лискинском'комбинате "Стройдоталь", Россоилнском заводе газосиликатных блоков, а также вошли в соответствующие технологические регламенты на проектирование Россоианского завода КПД и Воронежского завода силикатного кирпича (газосиликатное производство) . Разработаны предложения по алгоритму автоматизированного управления автоклавной обработкой, которце переданы ШЛТ> "Стройтохавтоыа-тгоса" для'проектирования. АСУТИ газосиликатного производства. Методические разработки, 'подготовленные по результата;,I исследований, ис-пользова!ш в учебном процессе ЪоронежсКой ГАСА по специальности 290С

"Производство строительных изделий и конструкций" в лабораторном практикуме по курсу "Основы и методы научных иссло даваний".

, Аптобания работа. Результаты исследований докладщвались и обсуждались на республиканском семинаре "Интенсификация производства изделий из'ячеистого бетона" (Киев, 1986), У1 республиканской конференции "Долговечность строительных конструкций" (Таллинн, 1987), научно-технической конференции "Использование вторичных ресурсов и местных строительных материалов на предприятиях стройиндустрии" (Челябинск, 1987), II Всесоюзном семинаре "Гидросиликаты кальция и их тримэнение" (Каунас, 1991), конференции "Утилизация отходов производства строительных материалов" (Пенза, 1992), научно-технических сокференциях Воропохской ГАСА (1982-1994)- и др.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатай работ, получено авторское свидетельство на изобретение (А.с.СССР

! 1заиоз).

Структура и об^оц работ;;. Диссертация состоит из Еведения, пяти лав, основных выводов л содержит 134 страницы масишпкеного текста, 2 таблицы, 32 рисунка, список литературы из 150 наименований, 7 рилояешШ.

Автор защищает:

- систему представлений о факторах, определяющих кинетические арактеристики развития процесса синтеза цементирующее веществ сили-атных автоклав!Шх материалов;

- методику количественной оценки кинетических параметров гидро-эрмального синтеза цементирующих веществ;

- результаты экспериментальных исследований влияния основных зхнологических факторов на кинетические иэнергетическив параметры штеза цементирующих веществ;

- данные об условиях обеспечения "кинетического соответствия" • жимов процесса автоклавной обработки и других процессов технологии лучения г.атериалов;

- практические предложения по обеспечению- рациональных условии токлавной обработки в технологии изделий из газосиликата, а так»о

зультаты внедрения разработок.

1

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ (

Состояние вопро'са. Содержание исс.ГРд;ра:п'.А. Изучение законемэр-зтей кинетики процесса гидротермального сиятоза дементиру«:;их по--зтв автокгавккх катер!Ялов получаю -развитие в работах Лрестодой

М.В., Белкина Я.М., Боненова П.И., Бутта Ю.М., Варламова В.П., Вол-женского A.B., Грюнора Г.О., др-т'.сшского С.Л., Куатйаова Х.К., Пет ровых Н.В., Ра^човича Л.Н., Реймана В., Саснаускаса К.И., Судиной Н.К., Оедкна A.A., Хаимского 3.U., Ходакова Г.С., Леркинского Ю.С., Калоусека Макмэрди X., Пепплора Р., Слинта И. и др. В этих

работуо£осдатрв1ш многие ватшые стороны проблемы. К результатам, вдепдаг энгГчёняо, относятся данные о влиянии на кинетические параметры синтеза исходного состояния компонентов сырьевой смеси, концентрационных соотношений взакмодействужцих ионов, тампературы, дан ные об условиях двух- и одностадийного образования гидросиликатов кальция, о последовательности фазовых переходов и кристаллизации по вообразований.

. Однако проведошшо кинетические исследования поставлены без достаточной системности учета процессов и факторов кинетики синтеза они касаэтся преимущественно "разбавлсншх" (нереальных) сносей, не включают прямых сценок кинетических параметров; в выполненных разро ботках нет решений по управления процессом синтеза цементирующих ве цоств через систему технологических факторов.

IIa основании анализа состоязшя проблем! очевиден вывод о необходимости развития исследований по проблеме. В первую очередь требу ется формирование системных представлений о процессах и факторах, определяющих кинетику синтеза цементирующее веществ силикатных авте клавннх материалов, количественное изучешю закономерностей влияния факторов технологии на кинетические параметры гетероге;шого процесс

В диссертации в рамках разработанных представлений синтез цементирующих веществ принимается как совокупность элементарных физико-химических процессов: гидратации СаО, растворения Са(0Н)2> гидре тацйи и растворения диоксида кремния, диффузии образующихся' кремне-кислородных анионов и катионов кальция, химического взаимодействия катионов и анионов, зародипеобразования минералов, кристаллизации i перекристаллизации новообразований с минералого-морфологическимл превращениями. В развитии процесса формирования цементирующих веществ выделяются доавтоклавный, автоклавный и п'ослеавтоклавный не-, риода (рис. I). Управляюгше технологические воздействия на развита« и энергоемкость синтеза цементирующих веществ связываются с их влш нием на кинетическую и диффузионную составляющие скорости гетероге! ного процесса. Кинетическая составляющая принимается обусловливаемс скоростями гидратации-и растворения оксида кальция и диоксида кремния, взаимодействия ионов, кристаллизации новообразований, а диффузионная составляющая - скоростью транспорта взаимодействующих ионоз

Процесс <Тор,-глто'впти и отзтзитт'л неметтгрупт'птх пенеств

доавтоклавний период автоклавный период послеавтоклавни" период

зтадий подготовки исходных веществ к физико-химическому вза-вюдействт, механо-химическоо их взаимо-зействке стадия, накопления "стадня кристаллк-цементирувщих / (у/зачин и перекюпетал-веществ в ре- / лизации с микералого-зультато морфологическими преэ-физгасо- / ращения»^! хитг.лес- / кого • / взал- / .'.•одел- „

Л н Б - соотзстстзото области преимущественно кинетического и ди.!>-фузиошгаго рэякмов развития процесса

Рис • I

и зону рекции. Полагается, что от соотноаешш этих скоростей, являющихся производными техкологичесгак условий, зависит, в какой области преимуществешю протекает проп^ео синтеза - в кинетической, переходной ога даффузкошгоЯ, отлитатаксся энергией активации, скоростью п энергоегясостью процесса прзткеллшя сглтеза. Кинетические параметра синтеза полагаются связанными я смерзй ¡¡зг.спления новообразовашй (вначале процесс осуществляется п условиях доступности поверхности зерен кремнеземистого компонента дал щелочного реагента, по мере формирования новообразований поверхность зерен покрывается слоем це-ментирущих веществ и это затрудняет доступ к ней гидрокеялышх ионов, тормозит диффузию кре!,текислородных анионов).

С использованием положений физико-химин гетерогенных процессов (Барре Н.,Генис Г.,Дельмон Б.,Кидяроэ Б.И.,Кнорре Д.Г.,Розовский А.Я., Тодес О.М.,Третьяков Ю.Д.,Франк-Каменецкий Д.А..Хамский Е.В.,Эмануэль Н.М. и др.).имеющихся результатов исследований (Бутт Ю.М..Варламов В.П.,Грянер Г.О. .По.так А.Н.,Помазков В.В. .Рахимбаев Ш.М.,Рашкович Л.Н. .Судана Н.К. и др.) обозначены факторы кинетшот элементарных стадий, выделены управляющие технологические воздействия для регулирования кинетики с учетом лимитирующих условий протекания этих процессов.

В качестве основных технологических факто'ров.влкяэщих на интенсивность процесса синтеза,к рассмотрению приняты удельная поверхность и реакционная способность поверхности частиц кремнеземистого компонента, способ подготовки кзЕестково-песчаной смеси,В/Г-отнокение.добалкм-интенсификаторы кристаллизации,реяям автоклавирования.

С учетом изложенного определено содертлние экспериментальных исследований и разработок,в состав которых воили:

- разработка методики оценки кинетических параметров гидротер-

■ мального синтеза цементирующих веществ в реальных силикатных смесях;

- изучение закономерностей влияния указашшх выие основных технологических факторов на кинетические параметры синтеза и качество цементирующей связки;

- систематизация на основе учета полученных закономерностей условий управления кинетикой синтеза цементирующих веществ силикатных автоклавных материалов;

- разработка практических рекомендаций по интенсификации производства изделий.

Методика ксследовщшя закономерностей кинетики синтеза цементирующей связки

Оценка влияния технологических факторов на кинетические параметры синтеза цементирующих веществ включала экспериментальное получение кинетической функции, то есть определение степени превращения исходных веществ в новообразования, и обработку кинетической функции для определения времени пребывания смеси до достижения предельного' содержания новообразований, скорости, температурного коэффициента скорости, эффективной энергии активации процесса.

В качестве кинетических функций, дающих информацию о динамике процесса синтеза,, использовались данные о накоплении гидросиликатов кальция и связашюго ¿¿Ог, которые получали с использованием, соответственно, химико-аналитических и рентгеновских методов (рентгеновский метод основан на принципе сопоставления интегральных интенсквностей линий кварца в анализируемой пробе материала, прошедшего автоклавную обработку, и в исходной смеси. Он дает, удовлетворительное согласование с результатами прямого химического анализа при относительной погрешности определения массовой доли $10г в пробах с вероятностью 0,95 но более 5-7 %).

Скорость вещественных превращений оценивалась в расчете на оди-шшу величины поверхности кремнеземистого компонента, поскольку процесс синтеза является гетерогенным и происходит с лимитирующим влиянием поверхности частиц реагирующих компонентов, в первую очередь, кремнеземистого. При этом в расчетах использовалась изменяющаяся, .т.е. текущая во времени величина суммарной поверхности частиц кремнеземистого компонента, связанная с мерой его участия в реакциях синтеза. Определение текущих значений осуществлялось в предпо-. ложегош ее равнодоступности действию щелочного реагента.

При выполнешш расчетов вводилось условие квазиизотермичности

протекаиия процесса, так как кинетические функции получали в условиях нестационарности температуры. Для этого определяли по специальной методике значения эквивалентной температуры.

Значения температурного коэффициента скорости накопления вычисляли по формуле:

¿-(ИМУ* •, (I)

где Л Т- разность значений температуры для интервала, в котором оценивается значение оС ; и - скорости накопления 5с 0г связ при значениях температуры, отличающихся друг от друга ¡л л Г.

Величина эффективной энергии активации Ед оценивалась по формуле: о

с применением графического метода, для чего зависимость скорости прёвращения от.температуры интерпретировалась: в аррениусовых координатах "фУ- //Т " (в (формуле (2): ^ - угол наклона -"прямой" к оси абсцисс; Я — газовая постоянная, Я = 8,314 Дж/моль-К; ^ - соотношение масштабов по оси абсцисс и оси ординат).

Методика оценки кинетических параметров алгоритмизирована применительно к проведению вычислений на ЗВ.М, для чего была разработана соответствующая программа.

Границы принятых значений-технологических параметров в экспериментальных исследованиях отражены в табл. I.

Таблица I Границы факторного пространства

Фактор кинетики синтеза Единица измере-гош Диапазон значений

удельная повещность тшетягазеккстого компонента 0.05-0.5

(кассовая доля СаО в известково-лесчаной смеси ы /а 9-42

.-"^личина В А г/г 0.2-1.0

температура автоклавной обработки °с Т51-203

длительность изотермической выдержи Ч 0-24

В опытах рассмотрены конкурирующие ("раздельный" и "совместный") способы измельчения ко:яюкентов известково-песчаной смеси и использованы смеси с оптимальной -кассовой'долей СаО ( по. критерию максимума прочности материала при слатии).

' Значения В/Т в экспериментах (кроме специальных-исследований влияния В/Т-соотно^ения) принимались с учетом требования обеспечения задашюй реологической характеристик:! силикатной смеси.

Минералогический состав новообразований характеризовался по дан-шм рентгенофазового и дифференциально-термического анализов. Нора завершешгости процесса синтоза цементирующих веществ оценивалась по показателю Кзс (по мотодико Е.МДернышва, Л.Н.Лдоньовой).

Эффективность Сопоставляемых технологических условий регулирования процесса синтеза цементирующих веществ характеризовалась временем пребывания до достияешш заданного количества п качества цементирующей связки, прочностью получаемого материала, показателем удельных энергозатрат (отношением суммарных энергозатрат к единице достигаемой прочности материала).

Результаты экспериментов обрабатывались с использовашюм методов математической статистики; доверительные интервалы оценок приникшие ь с обеспеченностью 0,95. Относительная статистическая погреш-' кость параметров состава и структуры материала, его физико-мохани-ческих свойств в экспериментах не превышала 10 %.

Исследование закономерностей влияния основных технологически Факторов на кинетические параметры синтеза пементирушкх вегсертв •

Полученные экспериментальные данные позволили уточшть и развить известное положение об ускорении синтеза цементирующих веществ с повышением тешературы изотермической вцдершш автоклавной обработки.

Так, установлено, что ускорение синтеза новообразований, достигаемое за счет повышения тешературы, сопровождается ростом удельных энергозатрат па единицу прочности получаемого материала и становится все более удорающимся технологическим мероприятием по мере повышения температуры. С позиций кинэтики.гетерогенных процессов это объясняется тем, что при повышении температуры скорость диффузии ионов реагирующих компонентов оказывается лимитирующим фактором синтеза цементирующей связки, поскольку"увеличивается медленнее,чем скорость собственно химического взаимодействия реагирующих компонентов.

.Изучение степени измельчения кремнеземистого компонента как фактора ускорения процесса синтеза позволило выявить ряд новых особенностей. Интенсивность приращения скорости синтеза по море возрастания удельной поверхности кремнеземистого компонента силикатной смеси снижается. Причиной этому является уменьшение с ростом степени измельчения кремнеземистого компонента его реакциошюй способности вследствие снижения удельной физико-химической активности поверхности частиц, измеренной не в г/г (как это делается обычно), а в г/м3. Выяснено, что с увеличением внешней удольной поверхности в 10 раз

- S'-

(с 0,C5 до 0,5 LiVr) ого удельная поверхностная физико-химическая активность не повышается, а снижается в 5-6 раз (рис. 2). В результате этого удельные энергозатраты на активацию компонента при из-мельчегаш в диапазоне указанных значений удельной поверхности возрастают в 50-G0 раз.

Влияние фактора измельчения кремнеземистого компонента на скорость синтеза взаимосвязано с влиянием температурного фактора. Увеличение удельной поверхности крсмпэзснтистого компонента и пепкгоние температуры автоклавной обработки могут при определенном со'-:ста:гпн значении давать как повю-опте скорости синтеза, тр.:; к р» .

Значешат температурного те^ларааггч cicor>ст:: синтеза (<•••'„•. 3) с ростом удельно;: поверхности крс;:нсз';-'.:стогэ ::c-*::oho:it:i тс-'нзкзт;.'-ры изотерической вкдермки проходл? через :пкси::ум, а гг.тгч алг-ггт-оя'з три-пять раз ::о сравнения с продольно достижимыми з::т!с:г.:-г: при благоприятном сочетания рассгатряпе.'.ях факторов (см. р::п. 3). Объясняется это но только изменением физико-химичсской пкткзгзе?1 кремнеземистого компонента при измельчении, по :: ргстом л:::,^т:;р;;гг,г;-го влзяизя диффузионной составляющей скорости процесса вследствис блогаровга поверхности части! ггсегпшгегтпетоге кстскснта rw, акгля новообразованиями. С лов!г„езиз.м значении полслс::.;". мальных величия </- m температурной 1л:ало смещается в область иски-конных температур автоклавной обработки. При ото:: :пкоя-

мальше значения с:пг-:аются с 2,0-2,5 (соответствует кинетическому контролю развития процесса) до 1,5 (соответствует переходкой области развития процесса). При неблагоприятном сочетании £к и температур:: оС снижается до величины 1,0-0,5, отвечающих области диффузионного контроля процесса сга;теза.

Согласно полученных дапшх связь рекомендуемых рациокалыт значений температуры организации синтеза t в °С с S к в м^/г отражается зависимостью: , ^

= 105 - 57,8 ,$к . • (3)

При рациональных величинах zL процесс синтеза развивается с тачималь-•ным тормозящим действием диффузионного фактора при достаточно высокой интенсивности действия кинетического фактора.

Кинетические исследования позволили установить, что совместное измельчите извести и песка в технологии получешш силикатных автоклавных материалов приводит к ускорения (в 2-3 раза), синтеза цементирующих веществ (рис. 4), более динамичному набору прочности млтерка-ла при одновременном повышении максимума ее показателей на 30 Сто обеспечивает возможность сокращения длительности изотермической в:;-

ихз:: самость с::з:исэ-х;".с:чсс;:о:1 активности юарцсзого пока от стеною: его измельчения

и,05 0,1 0,2 0,3 ■ 0,4 0,5 Внешняя удельная поверхность,

Зависимость температурного коэффициента скорости синтеза в смесях с различной от температуры

Обозначено: <•-а для удельной поверхности 0,1;

о-о 0,2 л-0,30-о 0,4 X—* 0,5 мЯ/г

Рис. 3

Доля ¿¿ 02

Прочность на скатие Iffla

деркки по сравнению со способом раздельного помола компонентов, сни-кога;я удельных энергозатрат (в расчете на единицу прочности материала) па 25-30 %.

Синтез цементирующих веществ, как установлено, ускоряется с повышением, величины В/Т (рис.5). Особенно существенное ускорение (в 3 раза) наблюдается в диапазоне значений ВД - 0,2-0,4. Это объясняется повышением скоростей растворения компонентов смеси при увеличении относительного содержания объема жидкой фазы, облегчением при этом диффузии ионов, более свободным развитием кристаллизации новообразований. С повышением ВД от 0,2 до 0,4-0,6 коэффициент конструктивного качества микпобетона, определяемый соотношением R ^/{Рп/1000)^

(R

мб~ прочность бетона на сжатие,ßm- его средняя плотность), повышается в 4 раза (с 5,4 до 22 Ша), что является отражением роста количества и улучшошш качественных характеристик синтезируемых цементирующих веществ. Положительное влияние В/Т-фактора обеспечивает, таким образом, предпосылки снижения энергетических затрат на получение единицы прочности материала.

На примере наиболее употребительных в заводской практике смесей с использованием кремнеземистого компонента с удельной поверхностью 0,2 м^/г и выше показано, что применение добавки типа кристаллической затравки (состоящей из низкоосновшх гидросиликатов кальция) не ускоряет синтез цементирующих веществ. Это объясняется тем, что в смесях с такими значениями степени измельчения кремнеземистого компонента стадия кристаллизации новообразований не является лимитирующей для развития процесса синтеза. В то жо время применение добавки вследствие модифицирующего ео влияния на формирование кристаллического сростка позволяет повысить прочность материала, по крайней мере на 2530 % (рис.6) и при этом снизить энергетические затраты в расчете на единицу прочности примерно на 20 %.

' ' б •регулирование кинетических параметров синтеза цементирующих веществ

Рассмотрение вопросов управления процессом синтеза основывалось на представлении автоклавной обработки как системного объекта, находящегося в закономерной взаимосвязи с другими этапами технологии.

С учетом указанного систематизированы (рис.7) входще факторы, представленные совокупностью параметров предшествующих технологических этапов и непосредственно этапа автоклавирования.

В качестве факторов предшествующих этапов приняты:

- состав силикатобетошюй смеси, характеризуемый долей Са0актв

Схема подсистемы гидротермальной обработки силикатных автоклавных материалов по совокупности

входных и выходных параметров

/-

s >>

я

Е-

н

о m о

Р.9

н н

о п §

& с

<D

а

о

реализуемые на доавток-лавных этапах технологии

<

<

реализуемые на этапе автоклави-рования

St

возмущения

I • • •

м<

Л1»

-уг

fie л\

-с-

К)

физические н физико-химические процессы структурообра-зования материала

(о.

С

dCrJçlt

- /¡t)

£ уд , £ у? г-

:01сазатели эффективности функциониро-я'подсистемы и всел технологии

ваши ' Г

кинетические и энергетические характ ерис тики синтеза

Косхг

Sil г

Ki с

А

Д<

параметры состава,структуры, состояния цементирующей связки

Re lr*(, fi

J>m. Vfim, V

c¿V,7 /cir-n

E

—----;-

параметры макроструктуры WS

■7ó

Л

F

параметры состояния материала

входные параметры управления автоклавной обрабокоЗ

выходные параметры

Рис. 7

м СО

показатели качества материала у

i

извести A,j и известково-песчаной смеси А кпс, массовой долей минералы!.]}: добавок ¡.лака или цемента Щи., гипса т,-, дозировкой кристаллической затравки Л7<з ( с характеристиками ее дисперсности Sa н равномерности распределения частиц добавки в микрообт.'еме смеси 0Л) ;

- показатели, определяющие физико-химическую активность ее компонентов^ включающие минералогический состав извести Ми и кремнеземистого компонента , степень дисперсности их частиц и , мору механохимичосхой активации смеси ß , связанную с мерок и способом подготовки смеси компонентов;

- степень однородности взаимного пространственного размещения частиц ко::понснтоБ в микрообъемо Опа , определяем;та опоспЛоу гпдго-товки смеси;

- характеристики сырца в составе которых - его плотность fc , прочность Rc , влажность V/c , температура tc , степень дефектности макроструктуры Дс ;

- геометрия подвергаемых авто кладкой обработке изделие";, характеризуемая их толщиной iT, соотношением шгокадей открытих и зшфытих его поверхностей Z .

л «акторам этапа автоклавирования отнесены:

- параметры используемого пара - его температура Сп и давление Rn ;

- параметры организации автоклавной обработки, представленные продолжительностью продувки паром Lnp, динамикой подъема температуры во время продувки cit /ciZnp, длительностью Zn и дипампко? подъема температуры ст 1С0°С до температуры изотермической ввдергяш ^Ut/citrr, темлеглтуоой изотермической вцдерлкк tm и со длительностью 2V» , про-

~ .. н Р

до.т;:птельностьа tc п '¡ипамикои снижения давления папа в автоклаве

п ■ j ' ««

В. качестве выходов объекта управления приняты: . .

- кинетические и энергетические характеристики процесса синтеза-его скорость ctC„/clZ , температурный коэффициент скорости «¿г-= /(£), оффектизпая опертая гшстацпк £jc;

- параметры состава, структуры и состояния цементирующей связки, характеризуемые массовой долей цементирующих веществ в твердой фазе материала С»г, коэффициентом основности КаснХ, удельной поверхностью

£ , удельной активностью поверхности новообразований fyg. Г, когффи-циентом завершенности процесса структурообразования Кзс.г;

- параметры лкроструктуры материала, включающие дефектность До, распределение макропор по размерам ciVn/c-lra ;

- состояние материала, определяемое его влажностью Wo , темпэ-ратурой td , уровнем остаточных напряжений в материале ^ХГ;

- -

- ппглзата-::: качества бетона - прочностные характеристики Яз.с стат::стичес:е::мп поглсатолямп средняя плотность Лп , :.лр;л по

средней плотности ¿?, усадка при • высыхай::: Сус , :соо;дТ;п;ионт теплопроводности Я . мар:еа по морозостойкости Р \\ др:;

- поглзателл эейоктгапостп фушлненпрозашш подсистемы автоклавной обработки, представление продо.г&т.талы!остьи автоклавной сбработ-ки до достнмвш:я заданного качества .'/лтор::а.:а Г0, суммарш.лти удолы:к-::и (в расчете ш едшпщу качества) энергозатратами па автоклавпрова-ние ^уу* и другие итапи получения .'латерита .

При.анализо условий управления этапом автоклавной обработал недолили из следующее еоз:.:о::-::шх ситуаций: I) если реальные значении входных параметров от предшеотвгегг-э: этапов технологии статистически совпадает с регламентами, то управление процессом автоклавной обработки закгзчаотоя в задании и поддеркаяки на требуемом уровне рациональных (с точки зрения критериев эффективности лолучентл материала) значен::;: параметров этапа автоклавной обработки; 2) если гл. значения входных параметроз этих этапов выхо.чнт за статистические предел!; изменений, то автоклавная обработка должна нестись по подстраиваемо:г/, адаптированному к изменяющемся условиям пнд^едуальпому рег.дму. лри-моножс такие рот/див до.с.но обеспечивать эког.о:."чноо ведение ¡процесса, синтез цементирующих веществ со стабильными характеристжсами, необходимое отчество материала, несмотря на возможные колебания характеристик г.сходшх компонентов, рездмов приготовления и формования смесей, использование пара с мсшподлмпся параметра:.::: по температуре, давлокгсз, теллссочсрчання.

2 тсх1:ологии конкретных видов изделий с определенны:.": размс-рал: :: массой,сродной плотностью бетона и пр. подстройке подлежат динамика позема температуры и те:.'лература (давление) срслы в автоклаве, ;ли-тельпость изотср-чичоской впдергпеи, дн;га:лп'л сличения температур:! (даи-леш'л) среды н автоклаве.

Корректировал темг:оратур;:ых условий, продолжительное?;: кзотергя-чоской выдержи при этом момет осуществляться по зависимостям, пред-лохешпл.! на основе результатов выполненных кинетических исследовал:;':. Расчетные форели для о тих зависимостей предусматривают использование предложенных коэффициентов коррекции, учитывающих влияние колебали"! технологических факторов на кинетику синтеза цемонтиру^д-дх веществ. Для определения и реализации рационалыпгх редпмов по.т.сма темле-ратуры и сброса давления пара могут быть использованы предлодеппло ¡Тормулы, выведенные с учетом обеспечслш рационального развития тепло- и массопероносних процессов в изделиях (табл. ?.).

' ' Таблица 2

Зависимости для назначения рацяоналы:нх параметров автоклавной обработки

Регулируемый параметр Расчетные г.ор.мулы

Текущее значение температуры tcp¡ ка стадии подъема температуры ербдп в автоклаве от ICO °С до , °С écpj- = {¿Hi -ICO)(3,CÜШсп —1 +2,19u/cn) + 100 ■

Рациональная температура стадии изотермической выдерски tp , С ■ tp = IC5 - 57,8,5%

Продолжительность стадии изотермической выдержи ¿Vi , ч ^.^[57,7 -0,27U, +(0,15^,-34,23)Sj+ Tf

Эквивалентная продолжительность стадии изотермической выдержки, ч Kt -Т„л , где ;; £ = 12,9 - 0,CG8 ¿из

Текущее значение избыточного давления Pt.pl на стадии охлаждения, Mía Pcpc= Р;:сд(1-°'7и'^- ^.З;^. -11,64 Urtc +7,02 )

Обозначено: 1 » ■ I

и/йо - относительная реализованная к / -ому моменту врсмсн.1 продолжительность повышения' температура среды в автоклаве сверх 100 °С;

- относительная реализованная к I -ому моменту времен;: продолжительность снижения избы-то-ного давления среды- в автоклаве;

К ¡С, К„/А, К / - коогЬТ'.цнопты коррекции, учитивапгже влиял» на'кинетические характеристики ы ' 1 . синтеза соответствию способа подготовки известгоЕО-песчакой смеси, акткв-

ности извести, В/Т-отноиения и 1въ ;

¿-о - продолжительность полного прогрева изделия по его ссченпя на стадии изотермической вы-^ дерзки в автоклаве, ч'

, Сразш!тельшй анализ эффективности интенсификации ироцосса при рэгулированки основных технологических факторов показал, что при рациональных сочстшшях и значешшх этих факторов ускорение синтеза цементирующих веществ мо;хет быть двух- трехкратнш, и при этом эизргосберелешга мояет достигать значительной величины. Но наряду с этим установлено, что технологические'приемы интенсификации могут по критериям эффективности этапа автоклавировашш оказываться в противо-рочии по отношению друг к другу: ускореш;е синтеза цементирующей связки может приводить к сущоствегаюму сшсшшю прочности получаемо-"" го материала (в ряде случаев более, чем на 40 с соответствующим увеличением энергетических затрат в расчете па единицу достигнутой прочности.

С учетом отмеченного определены условия кинетического соответствия, характеризуемые рациональными (с точки зрешш разрешения противоречий меяду принимаемыми в качество функций цели критериями) параметрами всех этапов технологии.

Практическая реализация разработок и их эффективность

С целью выявления резервов интенсификации технологии па ьсново учета и использования кинетических закономерностей синтеза цементирующих веществ осупсствлон анализ состояния действующих производств газосиликатных изделий на Воронежском заводе КЦД-1, .Яискинском КСД и Россоиапском ЗГСБ. Получены статистичосюю данные о фушсцпошдова-гаш производств по совокупности основшгх технологических параметров, показателей качества материала (табл.3).

Таблица 3

Статистические данные о ф^згнкциошухшапии производств (с вороятностью0,95)

Показатели Воронежский КГЩ-1 Лискинский КСД Россошанский ЗГС1

оценка матема- тичес- когр ош«а- ния коэффициент вариации, % оценка математического ожидания К0'0(:>{)И- ционт вариации, % оценка матома-тэтес-кого ожидания коэффициент вариации, %

массовая доля СаО в извести, 61 и 66 14 64 1 28

температура изотермической выдержки. °С 172 10 172 10 176 10

длительность изотермической виде шки, ч 10,1 90 10,0 40 0 20

йрогшяя плотность кг/м3 712 ■ 4 700 9 704 ГО

прочность на сг.а-тио, '.Ша 4,9 19 3,5 17 3,3 19

Установлено, в частности, что принимаемые на предприятиях режимы автоматной обработки характеризуются значительной статистической нестабильностью. Зто объясняется колебаниями входных факторов процесса (в первую очередь температуры используемого пара, качества извести), а таксе отсутствием эффективной системы коррекпфовки режимов. В результате наблюдается, как правило, превыаоние длительности изотермической выдержки по сравнению с необходимой. Например, для Воронежского завода КПД-1 такое превышение составляет 4-6 ч; в среднем же по отрасли ячеистых бетоноз длительность изотермической выдержки, как показывают расчеты, на 2-2,5 ч больше обоснованно требуемой. Такое положение приводит к дополш1тельным затратам тепловой энергии, снижению коэффициента оборачиваемости автоклавов.

Для указанных предприятий разработаны "Руководство-по управлению автоклавной обработкой стеновых изделий из газосиликата", содержащее положения по назначению рациональных параметров автоклавной обработки в зависимости от качества используемой извести, характеристик применяемого пара и других параметров технологии.

Экономическая оценка эффективности практического использования разработок выполнена для условий Воронежского завода КПД-1 и Лискин-ского КСД, на которых внедрялись разработанные предложения. Основными факторами, обеспечившими экономическую эффективность использования разработок, являются сокращение затрат тепловой энергии, снижение материалоемкости продукции за счет повыиения уровня качества газосиликата и перехода на этой основе к выпуску изделий с пониженной средней плотностью материала, сокращение затрат по статье "расходы по содержанию и эксплуатации оборудования" (с учетом возможности узеличешш объема выпуска изделий при повышении коэффициента оборачиваемости автоклавов) (табл.4). .

, Таблица "4

Оценка эффективности разработок

Показатели эЖективностй

'^акторы эффективности на воронежском заводе КПД-1 на jjickhh-ском КСД.

сокращение среднестатистической длительности автоклавной обшботки, ч 7.7 1.5

увеличение оботачиваемости автоклавов.пикл/год 16

повышение мощности автоклавного отделеш'-я, % 40 b

со!а)ащенпе затрат тепловой эпеогии па авТо-клашгую обработку, ГДж/м3 бетона 0,36 0.09

снижение затрат па содержаше и эксплуатацию оборудования, % 40 8

сокращение затрат электроэнергии на помол из-естково-песчаной смеси, (кВт.ч)/мЗ бетона 4.7 0.3

с^иоихе материалоемкости при переходе от Уп-г- /00 кг/м к J),,=- С00 кг/м . % 16 16

. Принимая во внимаиие актуальность задачи создания ЛСУТП производства стеновых изделий из газосилпката, разработай; предложения к алгоритму автоматизированного назначения и реализации адаптированных рациональных режимов их автоклавированпя.

ОСГОВШЕ В1Ш0]Щ

1. Кинетические параметры синтеза цементирующих веществ (его . скорость, температурный коэффициент скорости, эффективная энергия активации) зависят от действия совокупности технологических факторов,-основными из которых являются состав и способ подготовки склизсатпой смеси, степень измельчения кремнеземистого, компонента в смеси, В/Т-отноыение, температурные условия автоклавированпя, введение интснси-фикаторов процесса синтеза.

2. Установлено, что в зависимости от пршшмасмых технологических условий процесс синтеза'монет развиваться преимущественно в генетической, переходной или диффузио'гагой областях с величинами температурного коэффициента скорости синтеза соответственно болоо 2, от 1,5 до 2 и менее 1,5.

3. Измельчение кремнезегастого ког.шононта и соответствующее увеличешю его удельной поверхности позволяет ускорять синтез цементирующих веществ, однако такое ускорение по мерс роста удельной поверхности становится все более удорожающимся меропр:ттием и по показателю удельных энергозатрат невыгодно. Объясняется это тем, что из-мольчеше кремнеземистого компонента, давая увеличение суммарной реагирующей поверхности частиц, одноврпмешю сопровождается значительным снижением удельной физико-химнчсской активности поверхности.

4. Влиягао фпктора измельчения кремнеземистого компонента на скорость синтеза взаимосвязано с влиянием температурного фактора. Температурный коэффициент скорости синтеза с увеличением удольнвй поверхности кремнеземистого компонента и приниг.аег.юй температуры изотермической выдержки могут стссаться в 3-5 раз по сравнешда с предельно достшш.м.ет его значешшми, тогда температурный коэффшрюпт скорости оказывается равным 2-2,5, а не 0,5-1,0.

5. Прием совместного измельчения извести и песка в технолопш 1 приготовления силикатоботонних смесей способствует ускорешгю синтеза ■дементирующих веществ в 2-3 раза, что обеспечивает возможности сокращения длительности изотермической выдержки и сгагхешш суммарных удельных энергозатрат на 25-30 %.

С. Синтез цементирующих веществ может быть значительно (втрое) ускорен за счет фактора В/Т- с соответствующим снижонием онсрготичес-

ких затрат на едишфу прочности получаемого материала более, чем в 3 раза.

7. Выявлено, что введение добавки типа кристаллической затравки при удельной поверхности кремнезегистого компонента силикатных смесей более 0,15-0,2 i.p/r не ускоряет процесс синтеза "цементирующих веществ, однако вследствие модифицир^эдого влияния на кристаллический сросток позволяет повысить максимальную прочность материала до 30 % и снизить энергозатраты до 20 '

8. По критериям эффективности функционирования технологии прпе-

мы интенсификации синтеза могут оказываться в противоречии йо отно^о- ' нкю друг к другу. Разрешение такого противоречил достигается реализацией условий кинетического соответствия, при которох значения параметров автоклавной обработки рациональным образом (с точки зрения достигаемых кинетических и энергетических характеристик сиптеза цементирующих веществ) соответствуют значениям параметров других технологических факторов.

9. С использованием полученных экспериментальных данных предложены количественные зависимости по назначению рациональных реглмов автоклавной обработки и разработаны 'практические рекомендации.

10. Изучение состояния технологии действующих производств газосиликатных изделий позволило выявить резервы повышения их йффектив-

кости за счет применения рациональных режимов автоклавной обработки. Использование разработок позволяет сократить длительность автоклавной обработки на 1,5-6 ч, снизить затраты тепловой энергии на 0,090,35 Iis на I м3 ячеистого бетона, уменьщить материалоемкость изделий из него на 16 ' • ■

Основные положения диссертационной работы содержатся в следующих публикациях: „ ' '

1. Чернигов E.H., Беликова М.К., Попов В.А. Зависимость физико-химической активности поверхности кварцевого песка от тонкости его . помола/Вор.инк.-строит.ин-т.-Воронеж, 1984,- 8 с.-Деп. в НИИТЭЖ.1 16.03.84, Ii 135-ХП-Д84. ...

2. Черныиов Е.М., Беликова М.И., Попов В.А. Реакционная способ- . ность кремнеземистого компонента силикатных автоклавных материалов/ Вор.инх.-строит.ин-т.-Воронеж, 1984.- 7с,- Деп. в БШИЭСМ 01.06.85,

JS 1237.

3. Чернышов S.U., Попов В.А. Методика оценки кинетических параметров процесса гидротермального синтеза-цементирующего вещества в реальных силикатных смесях/Вор.инв.-строит.ин-т.-Воронеж, 1985.-30с.- Деп. в ВНИИЭС.М 01.04.86, Я 1366.

4. Чернышов Е.М., Беликова M.И., Попов В.А., Рощупкина Е.В. Ои-зпко-химическая активность побочных продуктов обогащения железистых кварцитов как кремнеземистого компонента силикатных автоклавных материалов/Вор.шпс.-строит.пн-т.-Воронеж, 1985.- 13с.- Деп.в ШГГЭХИМ 01.06.86, Ü 371-хп-86.

5. Чернышов Е.М., Беликова М.И., Попов B.Â., Потамоынева Н.Д., Коноплпн В.Л. Радиопалыше способы подготовки сырьевых смесей/ДГро-шшлешюоть строителышх материалов. Сер. 8. Промышленность автоклавг-. них материалов и местных вяжущих: Экспресс-информация. Отечественный опыт.- 1987.- Jf6.- С.2-3. ••

6. Попов В.А. Технологические факторы управления формированием цементирующих веществ силикатных автоклавных тлатериалов//Долговеч-ность конструкций из автоклавных бетонов: Тез.докл.У1 республ.конф.-Ч.1.- Таллинн, IS87.- С.54-57.

7. Беликова 'М.И., Попов В.А., Потамошнева Н.Д., Чернышов Е.М. Побочные продукты обогащения .железных руд H.IA - эффективное сырье для производства силикатных автоклазтгх штерпалов//Использование вторич-них ресурсов и местных строителышх материалов на предприятиях строй-индустрии: Тез.докл.научн.-техн.конф.- Челябинск, 1987.- С.30.

8. Чернышев ЕЛ., Попов В.А. Управле1п:е кинетикой синтеза .цементирующих веществ и энергосбережение в технологии автоклавных материа-лов//Бетон и железобетон - ресурсо- и энергосберегающие конструкции

и технологии: Тез.докл.обл.конф. по бетону и железобетону (секция "Ресурсо- и энергосбережение в технологии бетонов").- Воронеж, 1988.-С.17-26.

9. Чернышов Е.М., Воронин А.И., Попов В.А. Система стабилизации характеристик известково-песчаной смеси при помоле в условиях колебаний свойств извести//Развитпе производства изделий из ячеистого бето-л;а: Тез.докл.гаучн.-технпч.сем.-Челябинск, 1990.- С.13-14.

10. Чернышов E.H., Попов В.А. Выбор рациопальной температуры синтеза гидросшшкатов кальция в технологш автоклавных материалов// Тез.доклЛ1 всесоюзн. сем. "Гпдросиликаты кальция ж их применение".-Каунас: КПИ.- 1990.- С.76-77.

11. Попов В.А. Управление кинетическими параметрами синтезного твердения автоклавных материалов//Гез.докл.научн.-техн.конф., посвященной бСГ-летию Воронежского инженерно-строительного института,- Воронеж, I99I.- С.87.

12. Чернышов Е.М\, Попов В.А. Ускорение синтеза и модифицирование цементирующей связки силикатных автоклавных материалов введеш:ем кристаллической затралки//Утилизацил отходов в производство строитель-

пых материалов: Тез.докл.научн.-техн.конф.- Пенза, 1992.- С.27-29.

13. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу "Основы и методы исследования строительных материалов" дая студентов специальности 2906 "Производство строитедышх изделий и коист-рукций"/Вор.ш.-строит. 1Шгт/Сост.: Е.М.Чернышев, А.В.Крылова, О.Р. Сергуткина, А.В.Уколова, Т.Г.Святскал, Н.И.Старновская, С.С.Коросте-лева, В.А.Попов; Воронеж, 1991,- 55с.

14. Попов В.А. Анализ условий Армирования структуры силикатных автоклавных материалов в заивисимости от ВД-фактора/Дез.докл.м?жду-народн.конф. "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конетрукций.- Ч.2.- Белгород; 1993.- С.30-31.

Лицензия И 020450 от 4.03.92

Подписано в почать 19.09.94 . Формат 60x84 1/16

Уч.изд.л 1,5 Усл.-печ. 1,6 Бумага для множительных

аппаратов. Т. 100 экз. Заказ .'И75

Отпечатано на ротапринте ВГАСА

394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, в4 *