книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов

Г л а в а ч е т в е р т а я

ГИДРОТЕРМАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ПРИРОДНОГО ГИПСА

1.Пропарка гипсового камня

Одним из актуальнейших вопросов в гипсовой промышленности яв­ ляется проблема высококачественных гипсовых вяжущих. Основой этих вяжущих считается а-полугидрат сульфата кальция, который

впромышленных условиях получают в процессе гидротермальной об­ работки природного гипса. Такая обработка заключается в пропарке кускового природного двугидрата насыщенным водяным паром по­ вышенного давления в герметичном аппарате с последующей сушкой пропаренного материала.

Во время пропарки происходит частичное отщепление кристалли­ зационной воды и перекристаллизация двугидрата сульфата кальция

вполуводный гипс. Сушка необходима для удаления избыточной от­ носительно полугидрата сульфата кальция свободной воды. Это поз­ воляет предотвратить обратный процесс (гидратацию) при снижении температуры пропаренного материала, который возможен, если учесть повышенную активность полугидрата по отношению к воде в жидком состоянии. Оба эти процесса (пропарка и сушка), по нашему мнению, изучены недостаточно.

Теплофизические основы гидротермальной обработки природного гипса и методы управления указанными процессами с целью получе­ ния высококачественных вяжущих составила предмет исследований, приведенных в данной главе. Для исследования процессов, про­ текающих при гидротермальной обработке природного гипса, со­ здана экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рис. 26. Установка состоит из автоклава 1 с образцо­ вым манометром 2 и паровоздушного тракта. Насыщенный водя­

ной пар нужного давления подается в автоклав из котлов 10 че­ рез регулируемый пароперегреватель 8. Воздушный тракт не отлича­ ется от приведенного на рис. 5. Автоклав имеет фланцевый разъем 3 с металлической сеткой 5, на которой располагаются куски природ­ ного гипсового камня различного фракционного состава. Температуры замеряются хромель-алюмелевыми термопарами 6. Вторичным при­ бором служит автоматический потенциометр КВТЕ-6. Его показания дублируются ручным потенциометром (тип ПП).

Для определения микроструктуры и других характеристик полу­ чаемого гипсового вяжущего в зависимости от параметров процесса тепловой обработки гипсового камня, а также структуры исходного сырья выполнен комплекс микроскопических исследований: микро­ фотографирование, дифференциальный термический анализ (ДТА) и дифференциальный гравиметрический анализ (ДТГ) образцов полу­ гидрата и двугидрата.

Гидротермальной обработке в каждом случае подвергалась опреде­ ленная фракция природного гипса кубической формы размером от

61

Рис. 26. Схема установки для гидротермальной обработки двуводного гипса под давлением с последующей сушкой в том же аппарате.

10 до 60 мм. Расход пара в процессе сушки замерялся с помощью хо­ лодильника-конденсатора 9.

Во время опытов снимались термограммы процессов запарки дву­ водного гипса и сушки полученного вяжущего. Точки заделки термо­ пар в кусках гипса показаны на рис. 27. При незначительной разни­ це температур между средой (насыщенный водяной пар) и гипсовым камнем применялись дифференциальные термопары. Принятая мето-

дика замеров температур по объему

62

Рис. 29. Термограммы процессов пропарки и сушки кускового гипсо­ вого материала при давлении 0,13 МПа, времени пропарки 3 ч {1—4 то же, что и на рис. 28).

дяного пара 0,15 МПа). Вторичный выход температуры центра кус­ ка гипса на температуру окружающей среды означает окончание про­ цесса перекристаллизации двугидрата сульфата кальция в полугидрат. Полученные термограммы позволяют точно определить необхо­ димое время пропарки для гипсов различных месторождений, любого фракционного состава при разных параметрах теплоносителя (насы­ щенный водяной пар).

63

Рис. 30. Термограммы процессов пропарки и сушки кускового гипсового ма­ териала при давлении 0,15 МПа, времени пропарки 6 ч (/—4 — то же, что

и на рис. 28).

Данная методика определения времени пропарки экспериментально проверена на кубических образцах гипсового камня 60 X 60 X 60 мм при обработке их насыщенным водяным паром различных давлений и при последующей конвективной сушке сухим газообразным теплоно­ сителем температурой 160 °С.

Если в процессе пропарки не весь двугидрат перекристаллизуется в полуводный гипс (a-модификация), то это приведет к образованию ^-модификации полуводного гипса в процессе сушки, так как в этом

64

случае процесс обезвоживания оставшегося двугидрата будет незна­ чительно отличаться от процесса обезвоживания двугидрата сульфа­ та кальция в обычных гипсоварочных котлах. Поэтому микроскопия и качество конечного продукта могут быть критерием достаточности времени обработки гипса насыщенным водяным паром.

Первая серия образцов природного двугидрата пропаривалась при различных давлениях в течение времени, которого, если исходить из термограмм, оказывается достаточно для окончания процесса де­ дегидратации, а затем подвергалась конвективной сушке газообраз­ ным теплоносителем. Последующие образцы гипса проходили более длительную или же более короткую автоклавную обработку (пропар­ ка в течение 2—8 ч) при аналогичной сушке пропаренного материала.

Термограммы процессов пропарки и сушки при описанных выше опытах приведены на рис. 29—31, а результаты исследований качест­ ва получаемого вяжущего — в табл. 10.

Нами не получено изменения качества конечного продукта при увеличении длительности процесса пропарки, но при переходе на более короткие сроки термообработки, чем это следует из термограмм, замечено значительное ухудшение качества конечного продукта. Эти данные, а также микроскопический анализ полученного продукта, подтверждают правомочность описанной методики для определения времени окончания процессов пропарки гипсового камня.

В демпферном производстве высокопрочного гипса процесс пропар­ ки материала длится не менее 5—6 ч при давлении водяного пара 0,13 МПа. При этом размеры кусков природного двугидрата не пре­ вышают 50 X 50 X 50 мм. Высказанное в литературе мнение 1621 о недостаточности существующих сроков термообработки в демпфер­ ном производстве не нашло в наших опытах экспериментального под­ тверждения.

65

Следует отметить, что необходимое время пропарки зависит не только от давления термообработки и фракционного состава обраба­ тываемого материала, но и от структурных характеристик природного двугидрата. Данные исследования проводились на гипсовом камне Каменец-Подольского месторождения, который относится к наиболее плотным и устойчивым образцам природного двугидрата.

Практическая ценность определения необходимого Бремени тер­ мообработки природного гипса заключается в том, что появляется возможность получить полугидрат сульфата кальция с любым соотно­ шением а- и ^-модификаций, что прямым образом отражается на ос­ новных технических характеристиках производимого гипсового вя­ жущего.

С теплотехнической точки зрения давление автоклавной обработ­ ки в совокупности с размером пропариваемых частиц природного гип­ са определяют темп подвода теплоты к материалу. Без подвода теп­ лоты, естественно, невозможно успешное течение процесса перекрис­ таллизации двуводного гипса в полуводный.

В этих условиях конденсация водяных паров является достаточно интенсивным тепловым процессом, однако, как это следует из термо­ грамм пропарки, основное количество теплоты подводится к материа­ лу теплопроводностью. Этот процесс не отличается интенсивностью из-за низких коэффициентов теплопроводности пропаренного про­ дукта.

Если скорость процесса обезвоживания при автоклавной обработ­ ке определяется кинетикой перекристаллизации, то время протекания процесса будет одинаково для частиц различных размеров при усло­ вии, что пропариваемый материал находится при одинаковой темпе­ ратуре.

Нами проведена экспериментальная проверка данного положения в условиях гидротермальной обработки природного гипса при ана­ логичной сушке материала. Методика замеров температур по объему гипсового камня в этих опытах осталась прежней. Предварительные опыты показали, что удобнее всего работать при давлении 0,13 МПа с камнем^ Каменец-Подольского месторождения, так как в связи с некоторой задержкой процесса обезвоживания двугидрата сульфата кальция в этих условиях гипсовый материал по всему объему выходит на температуру насыщенного водяного пара независимо от фракцион­ ного состава.

Опыты по пропарке кубических образцов гипса различных разме­ ров (10—60 мм) показали, что скорость процесса перекристаллизации двугидрата сульфата кальция в полугидрат при автоклавной обработ­ ке пропорциональна поверхности образцов, что свидетельствует о том, что подвод теплоты ограничивает данный процесс.

Из этих опытов следует также, что более интенсивная перекрис­ таллизация двугидрата в полугидрат приводит к снижению прочност­ ных характеристик конечного продукта.

Результаты этих исследований представлены на рис. 32 и в табл. 11. Описанные исследования не охватывают процессы перекристаллиза­ ции мелких фракций природного гипса (500 мкм — 10 мм) в этих ус-

66

Рис. 32. Влияние фракционного состава гипсового камня на качество вяжу­ щего при автоклавной обработке:

J — прочность при сжатии в сухом состоянии: 2 — отношение В/Г: 3 — темп подвода теплоты, М = <Т — Тв) S/v; 4 — время пропаривания.

Рис. 33. Влияние давления автоклавной обработки на качество вяжущего:

i — прочность при сжатии о сухом состоянии; 2 — отношение В/Г; 3 — темп подвода теплоты; 4 — время пропаривания.

ловиях. Вероятно, что с уменьшением размеров обрабатываемого ма­ териала и существенной интенсификацией передачи теплоты при этом кинетика обезвоживания может стать ограничивающим фактором в данном процессе.

Для определения влияния давления автоклавной обработки на качество получаемого вяжущего проводились опыты с гипсовым кам­ нем размером 60 X 60 X 60 мм Каменец-Подольского месторождения в одинаковых условиях сушки воздухом при t = 160 °С пропаренного материала. Результаты этих опытов представлены на рис. 33 и в табл. 12. Сопоставив данные табл. 11 и 12 (сушка в этих опытах была идентичной), можно сделать вывод, что на качество получаемо­ го вяжущего влияет темп перекристаллизации двугидрата сульфата кальция в полугидрат, который зависит от абсолютной величины дав­ ления насыщенного водяного пара и фракционного состава гипса,

Т а б л и ц а 11

67

довательно, основными техническими характеристиками конечного продукта.

принятого в демпферном производстве.

Повышенное давление в этих условиях (в сравнении с демпферным производством), не увеличивая темпа обезвоживания, способствует аккумуляции большого количества теплоты в пропаренном материале, что благоприятно сказывается на последующей сушке полученного полугидрата. Однако следует отметить, что наши опыты, проведенные по исследованию процесса пропарки больших фракций гипса (300— 400 мм), показали, что в этих условиях часто происходит растрески­ вание кускового гипсового материала в самом начале процесса, что приводит к увеличению темпа перекристаллизации двугидрата и ухудшению качества конечного продукта при обработке материала насыщенным водяным паром повышенного давления (0,6—1 МПа).

Медленный подъем давления в данном процессе приводит к более благоприятным результатам. Однако при этом существенно увеличи­ вается время пропарки материала.

Анализ результатов исследований позволяет сделать вывод, что для получения вяжущих с оптимальными характеристиками необхо­ димо стремиться к минимальному темпу перекристаллизации двугид­ рата сульфата кальция в полугидрат в процессе пропарки. Этого мож­ но добиться как понижением давления термообработки, так и увели­ чением фракционного состава пропариваемого материала. При этом следует учитывать технологичность рекомендуемых методов обработ­ ки. Так, понижение давления пропарки имеет термодинамический пре­ дел (103 °С). Кроме того, кусковой гипсовый природный материал при гидротермальной обработке способен препятствовать процессу термической диссоциации в течение длительного времени, даже при

68