Производство гипсовых вяжущих

Томление (горячее магазинирование) основано глав­ным образом на том, что оставшееся небольшое коли­чество зерен двугидрата переходит в полугидрат за счет запаса тепла в материале. Под действием выделяющего­ся при этом пара обезвоженный гипс может гидратироваться и превратиться в полугидрат. Такое «выравнива­ние» качества материала в процессе вызревания весьма полезло. Бункер томления является и промежуточной емкостью, куда быстро выгружается из котла готовый гипс, который после дозревания транспортируется на склад.

На ряде заводов практикуется вторичный помол гип­са после варочных котлов в шаровых и стержневых мель­ницах при ограниченном доступе воздуха. Здесь под влия­нием развивающегося от трения и удара шаров тепла ускоряются процессы дозревания гипса. Вторичный по­мол придает частицам гипса чешуйчатую форму, что улучшает пластичность и формовочные свойства готово­го продукта.

В процессе обезвоживания предварительно измель­ченного гипса в варочных котлах он не соприкасается с газовым потоком и непрерывно перемешивается, что пре­дохраняет его от загрязнения и обеспечивает получение сравнительно однородного продукта. Варочные котлы просты в обслуживании, процесс варки в них легко ре­гулировать и контролировать. В первый период варки в котлах создаются условия, при которых все промежутки между частицами гипса заполнены насыщенным водяным паром. В результате образуется некоторое количество α-полугидрата. Создание такой среды объясняется дав­лением лежащих выше слоев загруженного порошкооб­разного материала и большим сопротивлением этих слоев выходу водяных паров. В последующие периоды варки все большее значение приобретает подъем темпе­ратуры материала и перегрев водяных паров. Снижается относительная влажность среды в котлах. В этих усло­виях образуется β-полугидрат. Увеличивая вместимость котлов и соответственно высоту слоя материала, тон­кость его помола, а также продолжительность цикла вар­ки, можно повысить содержание α-полугидрата в гото­вом продукте.

Основной недостаток варочных «отлов — периодич­ность их работы, что затрудняет автоматизацию процес­са термической обработки. Кроме того, днище и обечай­ки быстро изнашиваются, сложно улавливать гипсовую пыль, увлекаемую паром, выделяющимся при дегидрата­ции двугидрата.

В последнее время процесс управления варкой авто­матизируют, что позволит выпускать однородный про­дукт более высокого качества. Разработаны также кон­струкции непрерывно работающих варочных котлов: прямоточные трубчатые котлы и котлы с интенсивной циркуляцией материала.

Схема производства строительного гипса во вращаю­щихся  печах   (сушильных барабанах)   представлена  на рис. 2.4. В этих печах можно вести непрерывный обжиг на различном топливе. Топливо сжигается в отдельных топках. Гипс во вращающихся печах можно обжигать как по методу прямотока, так и противотока.

Рис. 2.4. Схема производства строительного гипса с применением вра­щающихся печей

1 - лотковый питатель; 2 - бункер гипсового камня; 3 - ленточный транспор­тер; 4 - молотковая дробилка; 5 - элеваторы; 6 - шнеки; 7 - бункер гипсо­вого щебня; 8 - тарельчатые питатели; 9 - бункер угля; 10 - топка; 11 - вращающаяся печь типа сушильного барабана; 12 - бункер обожженного щебня; 13 - пылеосадительная камера; 14 - вентилятор; 15 - бункер готово­го гипса; 16 - шаровая мельница

В первом случае гипс омывается газами высокой температуры в на­чальный период обжига, а во втором - в конце ого. Тем­пература входящих в печь газов при прямотоке 950 - 1000°С, а при противотоке 750-800°С. Температура от­ходящих из печи газов при прямотоке 170-220°С, а при противотоке 100-110°С.

Выходящий из печи обожженный материал необходи­мо направлять в бункера томления или сразу же разма­лывать. При помоле продукт быстрее становится более однородным за счет обнажения внутренних слоев зерен, более быстрой дегидратации оставшегося двугидрата и гидратации растворимого ангидрита.

Более распространены печи типа сушильных бараба­нов с перемешивающими устройствами. Здесь гипс об­жигают газы, проходящие внутри барабана и соприка­сающиеся с материалом. Обжиг можно вести и путем обогрева топочными газами наружной поверхности вра­щающегося барабана. Возможно также сочетание обоих процессов, причем сначала топочные газы омывают барабаны снаружи, а затем они проходят через его внут­реннюю полость. При наружном обогреве барабан полностью обмуровывают специальной кладкой. В некото­рых печах топочные газы смешивают в смесительных ка­мерах с дополнительно подаваемым воздухом, чтобы сни­зить их температуру.

Во вращающуюся печь целесообразно загружать гип­совый камень с частицами возможно более однородных размеров, что обусловливает равномерность обжига. Максимальный размер зёрен не выше 35мм, причем пыль и мелочь менее 10мм должны быть отсеяны. Же­лательно обжигать раздельно фракции 10-20 и 20-35мм. Отсеянную фракцию с размером зерен менее 10мм можно использовать после дополнительного помола для производства строительного гипса в варочных котлах или для получения сыромолотого гипса, применяемого для гипсования солонцовых почв.

Вращающиеся печи - непрерывно действующие ап­параты, позволяющие применять простую и компактную технологическую схему. В этих печах рекомендуется об­жигать твердый гипсовый камень. В противном случае при истирании движущегося в печи материала образует­ся мелочь и продукция получается недостаточно одно­родной по качеству.

Во вращающихся печах обжигают дробленый гипсо­вый камень более крупный размеров, чем в варочных котлах. Однако при тщательной подготовке материала, оптимальном режиме обжига и последующем помоле во вращающихся течах можно получить строительный гипс высокого качества.

Вращающимися печами в гипсовой промышленности служат обычно применяемые для сушки сыпучих мате­риалов сушильные барабаны длиной 8-14м и более, диаметром 1,6 и 2,2м. Их производительность 5-15т/ч. Расход условного топлива 45-60кг на 1т строительно­го гипса.

Строительный гипс можно получать, совмещая про­цессы помола и обжига. Двойная термическая обработ­ка (сушка и варка), даже при совмещении процессов сушки помола, усложняет производственный процесс. При этом в шахтной и ролико-маятниковой мельницах гипс не только размалывается и сушится, но и в неко­торой степени дегидратируется. Однако содержание гидратной воды остается еще весьма высоким, поэтому нуж­но доваривать гипс в варочном котле для полного прев­ращения его в полугидрат. Из-за этого применяют и схемы производства строительного гипса, при которых он
окончательно дегидратируется до полугидрата в самом
помольном аппарате (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема   производства   строи­тельного гипса с совмещенным помо­лом и обжигом

1 - молотковая дробилка; 2 - щековая дробилка; 3 - ленточный транспортер; 4 - приемный бункер; 5 - элеватор; 6 - весо­вой дозатор; 7 - топка; 8 - воздушный сепаратор; 9 - система пылеосаждения первой ступени; 10 - бункер готовой про­дукции; 11 - вентилятор; 12 - система пы­леосаждения второй ступени; 13 -— шнек возврата материала; 14 - шаровая мель­ница

Температура поступающих в него дымовых газов должна быть более высокой, чем при совместном процессе сушки и помола, и достигать
600-800°С. Температура же отходящих из установки га­зов 110-150°С. Расход условного топлива 40-50кг на 1т готового продукта. Установки для обжига гипса в процессе помола и во взвешенном состоянии очень ком­пактны.

Совмещенный помол и обжиг гипса могут осуществ­ляться в шахтной, шаровой и ролико-маятниковой мель­ницах. При обжиге во взвешенном состоянии в установ­ках для совместного помола и обжига гипса наиболее крупные зерна из-за быстрого обжига остаются в глу­бине негидратированными, вследствие чего в конечном продукте содержится некоторое количество двугидрата, что вызывает быстрое схватывание (2-5 мин). Строи­тельный гипс можно получить также в агрегатах непре­рывного действия с обжигом измельченного гипсового камня в кипящем слое.

На заводах по производству строительного гипса среднегодовая выработка на одного рабочего составляет 1000-1100т, на передовых заводах она достигает 2000 т и выше.

Во всех аппаратах, работающих при нормальном дав­лении и сообщающихся с атмосферой, получают конеч­ный продукт, состоящий преимущественно из β-полугидрата. Для выпуска высокопрочного гипса, представлен­ного в основном α-модификацией полугидрата, служат установки, в которых гипс обрабатывают насыщенным водяным паром под давлением, а затем сушат. Обраба­тывать гипс паром под давлением можно в различных аппаратах. Запарочный аппарат (вертикальный авто­клав) Ф. Т. Садовского и А. С. Шкляра (рис. 2.6) пред­ставляет собой замкнутый вертикальный металлический резервуар 3 с затворами для загрузки 4 и для выгруз­ки 7. Внутри резервуара помещается не доходящая до дна перфорированная труба 1. На расстоянии 50мм от стенок цилиндра имеется дырчатый кожух 2. При за­грузке гипсовый камень распределяется по всему сече­нию аппарата конусом. Пар поступает по трубе 5 и от­водится по трубе 6. Эти аппараты объединяются в бата­реи из четырех, шести и более штук.

Рис. 2.6. Запарочный аппарат

Дробленый гипсовый камень с размерам кусков 15-60мм загружают в запарочный аппарат, затем закры­вают загрузочный люк и подают насыщенный пар, пака давление не достигнет 0,23МПа (температура 124°С). Это давление поддерживают в течение 5-8 ч. Затем вы­пускают пар и скопившуюся воду, и гипсовую щебенку немедленно продувают горячими топочными газами с температурой 160°С в течение 3,5-6 ч. Газы подаются вентиляторам через внутреннюю трубу и удаляются че­рез .кожух и трубу 8. Полученный гипс размалывают в шаровой мельнице.

Недостаток описанного метода - неравномерность сушки и резкий перепад температур при переходе с за­паривания на сушку. Это частично вызывает обратный процесс - гидратацию с образованием вторичного дву­гидрата вследствие взаимодействия полугидрата с остав­шейся в порах гипсового щебня капельно-жидкой влагой. Присутствие вторичного двугидрата делает гипс быстросхватывающимся. Кроме того, при этом способе произ­водства не используется мелочь гипсового камня, воз­растает расход топлива и электроэнергии, повышается стоимость готового продукта, а также возникает необхо­димость устройства котельной для получения пара.

Гипсовый камень обрабатывают паром и в горизон­тальных автоклавах при давлении 0,7МПа в течение 5-6 ч с последующей сушкой в тех же автоклавах. Куски гипса размерам 150-400 мм загружают на полоч­ные вагонетки. При сушке пар пропускают по располо­женным в автоклаве калориферным трубам.

Б. Г. Окрамтаев и Г. Г. Булычев предложили способ производства высокопрочного гипса по методу самозапа­ривания. Гипсовый щебень помещают в герметически закрывающийся аппарат, где его запаривают под дав­лением насыщенным паром, получаемым не из отдель­ной установки, а путем отщепления воды из двуводного гипса при нагревании его до температуры, превышаю­щей 100°С. Гипс в этом аппарате нагревается топочны­ми газами, проходящими  по   трубам   внутри аппарата.

Самозапарочный вращающийся аппарат (рис. 2.7) сос­тоит из барабана 3 с люками 2, куда загружается и от­куда выгружается гипсовый щебень с размером кусков не более 25мм. Внутри барабана имеются огневые тру­бы, по которым проходят горячие дымовые газы. Газы подводятся через коробку и отводятся через коробку 4.

3130

Рис. 8. Самозапарочный вращающийся аппарат

Барабан вращается со скоростью 0,6об/мин. Общая длительность цикла самозапаривания 12-14 ч. Можно применять для этой цели и вертикальный самозапароч­ный аппарат.

Высокопрочный гипс, состоящий преимущественно из α-полугидрата, можно получать путем варки гипсового порошка как при атмосферном, так и гари повышенном давлениях в насыщенных солевых растворах, кипящих при температуре выше температуры дегидратации двугидрата (растворы сернокислого магния, поваренной со­ли, соды, хлористого кальция) или в воде в присутствии поверхностно-активных веществ (сульфитно-дрожжевая бражка, мылонафт, асидол-мылонафт, сульфонол). В жидких средах температура распределяется равномерно, теплопередача происходит более интенсивно, химические реакции и связанные с ними структурно-кристаллические изменения веществ протекают быстрее и более полно. Готовый продукт отличается большей однородностью и не содержит двугидрата и ангидрита. Этот способ произ­водства является особенно эффективным при использо­вании в качестве сырья фосфогипса. Недостатком спосо­ба получения гипсовых вяжущих в жидких средах яв­ляется необходимость быстро использовать получаемую водогипсовую смесь или сушить ее с удалением большого количества воды.

3. Химия гипсовых вяжущих

Строительным гипсом называют воздушное вяжущее вещество, состоящее преимущественно из полуводного гипса. Изготовляют eго путем тепловой обработки при­родного гипсового камня с последующим или предшест­вующим этой обработке размолом в тонкий порошок. Разложение двуводного гипса при обжиге происходит по следующему уравнению:

CaSO4 · 2Н2О = CaSO4 · 0,5 Н2О + 1,5 Н2О.

Теоретический состав полуводного гипса: 38,63% СаО; 55,16% SO3 и 6,21% Н2О. Обезвоживание двувод­ного гипса является эндотермической реакцией. Для пе­ревода 1кг двуводного гипса в полугидрат теоретически требуется затратить 582 кДж тепла, а для перевода в ангидрит - 727 кДж. С учетом потерь тепла в производ­стве практический расход его будет несколько выше тео­ретического, но все же для получения строительного гипса требуется меньше тепла, чем на изготовление дру­гих вяжущих.

Гипсовый камень при нагревании сравнительно легко дегидратируется (обезвоживается) и в зависимости от степени нагревания дает ряд продуктов, значительно от­личающихся по свойствам. Степень обезвоживания гип­са зависит от температуры и длительности нагревания, а также от давления водяных паров. При нагревании уже до 65°С двуводный гипс начинает медленно пере­ходить в полуводный. Поэтому при некоторых аналити­ческих определениях гипсовых материалов нельзя во из­бежание искажения результатов поднимать температу­ру выше этого предела.

При 107-115°С двуводный гипс сравнительно быстро теряет часть воды и превращается в полуводный гипс CaSO4·0,5H2O, который известен в двух модификациях: α и β (рис. 3.1). Полуводный гипс в виде α - модификации образуется в том случае, когда вода выделяется из двугидрата в жидком состоянии, а в виде β – модификации - когда она выделяется в парообразном состоянии. Эти модификации отличаются размерами кристаллов, пока­зателями преломления и некоторыми свойствами. В про­изводственных условиях полуводный гипс, получаемый в герметически закрывающихся

аппаратах при нагрева­нии гипса в атмосфере насыщенных водяных паров, бу­дет состоять главным образом из α-модификации, а по­лучаемый в аппаратах, сообщающихся с атмосфе­рой, - из β-модификации. Во время сушки возможен переход α- в β-модификацию.

Рис.  3.1. Схема процессов, протекающих при термической

Полугидрат в α-модификации состоит из крупных кристаллов в виде длинных прозрачных игл или призм, β-полугидрат представляет собой мелкие кристаллы с не­четко выраженными гранями. При затворении водой α-полугидрат вследствие меньшей водопотребности и по­ниженной пористости обладает более высокой проч­ностью. При одинаковых же водогипсовых отношениях обе модификации полугидрата по прочности приближа­ются друг к другу; α-полугидрат схватывается медлен­нее β-полугидрата.