книги из ГПНТБ / Волженский А.В. Гипсовые вяжущие и изделия (технология, свойства, применение)

бильных, молотковых и т. п.) мельницах материал за­ держивается короткое время и процесс дегидратации происходит в основном в трубах и пылеосадительных устройствах, в результате чего происходит неполная де­ гидратация двуводного гипса. Кроме того, кратковремен­ ное воздействие газов с высокой температурой создает предпосылки к получению полуводного гипса в виде

Рис. 11.9. Схема совмещенного помола и обжига гипса

1—приемный ' бункер; 2 и 4—ленточный транспортер; 3—дробилка щековая; 5г—магнитный сепаратор; 6—дробилка молотковая; 7—элеватор ленточный 8—весовой дозатор; 9—барабанный затвор; 10—мельница шаровая; 11^-шнек возврата материала; /2—сепаратор воздушный; 13—топка; 14—система пылеосаждения I ступени; 15—система пылеосаждения II ступени; 16—вентилятор высокого давления; 17—распределительный шнек; 18—бункер; 19—шнек; 2 0 -

элеватор цепной; 21—бункер готовой продукции

частичек с очень пористой структурой, а также с примесью растворимого ангидрита. Это обусловливает его большую водопотребность и быстрые сроки схватыва­ ния (2—4 мин).

Вяжущее надлежащего качества получают на уста­ новках с тихоходными шаровыми мельницами.

В зарубежной практике для обжига двуводного гип­ са применяют иногда подвижные решетки [161]-

11.2. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ г и п с

Высокопрочным гипсом-называется вяжущее вещест­ во, состоящее в основном из а-модифпкащш полувод­

53

ного сульфата кальция и получаемое термической обра­ боткой двуводного гипса в герметических аппаратах под давлением пара или нагреванием его в водных раст­ ворах некоторых солей с последующей сушкой и из­ мельчением продукта в тонкий порошок.

По ТУ 31-57 высокопрочный гипс должен характери­ зоваться прочностью на сжатие не менее 250— 300 кгс/см2.

Прочностные свойства высокопрочного гипса опре­ деляются водопотребностью, зерновым и модификацнонным составом его, а также условиями твердения. Водопотребность вяжущего зависит от формы и размеров его зерен. Так, известно, что при изменении формы зе­ рен от иглообразной до изометричной водопотребность вяжущего может уменьшаться от 60 до 30%. Получае­ мое вяжущее должно быть мономинеральным и состо­ ять из а-полугидрата. Особенно нежелательно появле­ ние в продукте вторичного двугидрата и растворимого ангидрита.

Возможность образования из двуводного гипса полуводного в водной среде при температурах 100° С и вы­ ше была известна еще в XIX в.

Так, в 1866 г. Хоппе Сейлером была описана [158] возможность дегидратации двуводного гипса и перехода его в полугидрат в водной среде при повышенных тем­ пературах. В 1899 г. Левинским [156] был получен а-полугидрат термообработкой паром двугидрата в ав­ токлаве при 100—150°С с последующей сушкой мате­ риала при температуре выше 80°С и его измельчением.

В СССР обширные опыты по получению полуводного гипса обработкой гипсового камня в крупных кусках паром под давлением 6—8 ат впервые были поставле­ ны С. Ф. Якшаровым в 1931 г. Он получил продукт с прочностью через 7 суток твердения при сжатии до 250 и при растяжении до 40 кгс/см2. Эти опыты, про­ водившиеся в заводских условиях, не получили даль­ нейшего развития, по-видимому, из-за колеблющегося качества продукции вследствие того, что полуводный гипс после автоклавной обработки подвергался измель­ чению в порошок без предварительной сушки. Остаточ­ ная же влага в материале приводила к образованию вторичного двугидрата, отрицательно влиявшего на свойства полуводното гипса (быстрое схватывание, по­ вышенная водопотребность и др.).

54

Опыты П. П. Будникова [14] с термообработкой двугидрата паром под давлением 8 аг в течение 2,5 ч также подтвердили возможность получения полуводного гипса с прочностью на сжатие через / суток твердения

280 кгс/см2 и выше.

Рендел и Дейлей (США) в 1933 г. показали, что вы­ сокопрочный гипс целесообразнее получать обработкой

1 ат позволяет почти вдвое увеличить прочность продук­ та на сжатие (до 400 кгс/см2). Однако применение чрез­ мерно низкого давления сопряжено с повышенной дли­ тельностью термообработки. Авторы ввели также в свой способ сушку щебенки немедленно после выгрузки ее из автоклава, не допуская значительного охлаждения и регидратации мате1риала, и получили продукт с проч­ ностью на сжатие 280—530 кгс/см2, назвав его высоко­ прочным а-полугидратом.

В СССР опыты по получению высокопрочного гипса термообработкой паром низкого давления (1,8 ат изб.) были поставлены И. А. Передернем в 1938 г. [98]. В отличие от Рендела и Дейлея он рекомендует гипсо­ вую щебенку после пропаривания выгружать из авто­ клава и подвергать охлаждению примерно до 40°С, по­ лагая, что интенсивное испарение при этом влаги из продукта способствует значительной экономии топлива при последующей сушке в отдельной сушилке. По мне­ нию И. А. Передерия, при термообработке двуводного гипса паром в автоклаве вначале происходит полное его разложение на безводный сульфат кальция и свобод­ ную воду. Лишь в последующем идет присоединение воды и образование полугидрата в виде крупных плотных кри­ сталлов. Как известно, такой взгляд не нашел экспери­ ментального подтверждения.

В конце 30-х и начале 40-х годов началась интен­ сивная разработка технологии а-полуводного гипса ря­

прочного гипса, работавший по демпферному способу, предложенному Ф. Т. Садовским и А. С. Шкляром [140]. В дальнейшем во время Великой Отечественной войны было построено 10 заводов по этому способу.

55

«самозапаривания», разработанному Б. Г. Скрамтаевым и Г. Г. Булычевым.

Практика работы этих заводов и установок доказа­ ла возможность производства высокопрочного полуводного гипса термообработкой паром низкого давления (1,3—1,5 ат). Прочность на сжатие получаемого про­ дукта до 250—350 кгс/см2.

Автоклавные способы производства высокопрочного гипса с термообработкой в аппарате под давлением па­ ра можно разделить на две группы:

первая с дегидратацией гипсового камня в автокла­ ве и последующей сушкой продукта в отдельном сушиль­ ном аппарате;

вторая с дегидратацией и сушкой материала в од­ ном аппарате.

При одних способах в аппараты для разложения двугидрата пар может подаваться извне, а при других

пропариванием и сушкой гипса в различных аппаратах является способ Рендела и Дейлея. При этом тепловая обработка дробленого гипсового камня в кусках раз­ мером от 20 до 50 мм включает прогрев щебня до 50—55°С за счет вводимого в автоклав конденсата из другого последовательно работающего автоклава. Пос­ ле достижения материалом указанной температуры и выпуска использованного - конденсата дальнейшая тер­ мообработка осуществляется за счет подаваемого пара давлением 1,3—1,5 ат в течение 5—б ч. После термо­ обработки щебень выгружается из автоклава. С целью предотвращения охлаждения он разгружается на горя­ чий, омываемый топочными газами транспортер, по­ дающий его в сушильный барабан. По другому вариан­ ту гипсовый щебень запаривается в автоклаве в метал­ лических корзинах и в них же подается в сушилку. Это предотвращает резкое охлаждение щебня и возможный переход полугидрата в двугидрат.

Термообработка паром и сушка гипсового щебня в одном аппарате использована в способе Ф. Т. Садов­ ского и А. С. Шкляра (демпферный способ). По этому

56

способу гипсовый камень в виде щебня с размером кус­ ков 15—30 мм пропаривается под давлением 1,3 ат (температура 124°С) в герметическом аппарате — демп­ фере (рис. И. 10), а затем там же сушится горячим воз­ духом или дымовыми газами. Весь цикл обработки за­ нимает 10—12 ч. Высушенный материал „подвергается помолу в шаровых мельницах.

Рис. 11.10. Схема запарочиого автоклава

/—стальной резервуар; 2— люки для загрузки щебня; 3—люк с затвором для вы­ грузки щебня; 4—перфори­ рованная труба; 5—люк; 6— дырчатый кожух; 7—труба для подачи пара; 8 и 9—ме­ ханизм для открывания и

закрывания люков 3 и 5

Недостатками демпферных установок являются сни­ жение в них температуры материала при сбросе давле­ ния после пропаривания до 60—65°С, что приводит к образованию «вторичного» двугидрата, повышенный рас­ ход топлива, а также необходимость утилизации фрак­ ций меньше 15 мм.

При изготовлении гипса по методу «самозапаривания» (способ Б. Г. Скрамтаева и Г. Г. Булычева) не­ обходимый для перекристаллизации гипса насыщенный naip получается в начальный период тепловой обработ­ ки за счет испарения гигроскопической и части гидратной воды из гипса. Б: Г. Скрамтаевым и Г. Г. Булыче­ вым предложены два типа «самозапарника»: стационар­ ный вертикальный и вращающийся горизонтальный. Гип­ совый щебень с размерами кусков до 25 мм загружают в самозапарник. Затем подают топочные газы и в тече-

57

ние 0,5—0,75 ч прогревают материал в открытом бара­ бане. Далее запарник герметизируют, поднимают в нем давление до 1,3 ат и подвергают щебень термообработ­ ке в течение 5—5,5 ч, сбрасывая при этом излишки па­ ра. После запаривания в этом же аппарате сушат ще­ бень, снижая давление до 0,3 ат в течение 1,5 ч, а за­ тем до атмосферного. Постепенно повышая температуру до 150—160°С, осуществляют сушку материала в тече­ ние 6—7 ч. Общий цикл процесса около 12—14 ч. Ко­ нечным процессом изготовления вяжущего является тон­ кое измельчение полученного щебня в мельницах (обыч­ но шаровых).

/—вагонетка; 2—автоклав; 3 и 7—элеваторы; 4—бункер пропаренного и вы­ сушенного гипса; 5—питатель; 6—мельница; 8—бункер вяжущего; 9—фасо­ вочная машина; 10—транспортер; // —воздушный патрубок с клапаном; 12— отвод конденсата; 13—паропровод насыщенного пара; 14—паропровод пере­ гретого пара

Предложенный П. П. Будниковым, М. О. Юшкеви­ чем и Ф. Т. Садовским способ изготовления высокопроч­ ного гипса термообработкой порошка двуводного гипса в герметизированном варочном котле под давлением пара 1,3 ат не нашел практического осуществления.

В ГДР производство высокопрочного гипса осущест­ вляется в автоклавах, внутрь которых вводится пар. По другому способу автоклав обогревается снаружи (метод «самозапаривания»). В первом случае гипсовый камень в кусках размером до 300—400 мм загружается на по­ лочные вагонетки и подвергается пропариванию и суш­ ке (рис. II. 11); длительность цикла производства

58

30—34 ч. Автоклав с внешним обогревом вмурован в печь (рис. II. 12). Общий цикл производства гипса по этой схеме составляет 39—41 ч.

С. С. Печуро рекомендует устанавливать внутри ав­ токлавов трубчатые холодильники, через которые после термообработки паром гипсового камня пропускают во­ ду для предотвращения «температурного провала» и об­ разования в нем «вторичного» двугидрата. Этот способ обеспечивает получение гипса высокого качества с устой­ чивыми показателями его свойств.

А. С. Разоренов и М. Т. Власова в 1940 г. предложи­ ли способ получения гипсовых изделий, формуемых из

порошка двуводного гипса и подвергаемых термообра­ ботке в автоклаве. При этом двугидрат переходит в полугидрат. После термообработки изделия извлекают из автоклава. ГТри остывании бетона в формах полугидрат присоединяет воду, образуя двуводный гипс, что и обес­ печивает твердение изделий.

В Польше подобный способ предложен К. Эйманом. Анализируя описанные выше способы производства высокопрочного гипса, можно отметить следующее: к недостаткам автоклавного метода производства высоко­ прочного гипса относится образование в ряде случаев растворимого ангидрита при сушке продукта, длитель­ ный цикл автоклавизации, образование двугидрата при некоторых способах изготовления (например, в демпфе­

рах).

59

Впоследнее время большое внимание было уделено способам получения высокопрочного гипса термообра­ боткой двуГидрата в водных растворах некоторых солей или других веществ при атмосферном или повышенном давлении.

Вкачестве жидких сред могут применяться растворы многих солей, выбор которых определяется необходимо­ стью .кратковременной дегидратации двугидрата при ми­ нимальных затратах и возможностью получения высо­ коактивного .вяжущего.

Хорошие результаты получаются при термообработ­

ке двуводного гипса в растворах хлористого кальция (с небольшой добавкой ССБ, FeCl3 или КС1 в количе­ стве 0,1—5% массы раствора).

По данным Ю. Я. Эйдука и О. Ф. Баумана, скорость разложения двугидрата зависит от катиона и аниона соли и их концентрации и возрастает в следующем по­ рядке: SC>4~, NO3, Г, Вг', СГ и Са2+, Mg2+, Cd2+,

Zn2+, к+, NH4+, Na+.

На огранение кристаллов и придание им оптималь­ ной изометрической формы наиболее благоприятно вли­

яют Mg2+ и анионы МОзИ SO4- .

Можно использовать также любые анионоактивные ПАВ, например, относящиеся к группе двухосновных карбоновых кислот и их производных, или алкиларил- ■сульфонаты. По данным П. Ф. Гордашевско-го, наиболее эффективными являются сульфонолы, а также бытовые и промышленные моющие средства, получаемые на их основе [53].

При термообработке порошка двугидрата в жидких средах происходит интенсивная теплопередача от горя­ чего солевого раствора к частицам двуводного гипса; он равномерно нагревается и быстро перекристаллизовывается в полугидрат с выделением воды в жидком состоянии. Происходит интенсивный рост плотных и крупных кристаллов а-полугидрата в жидкой среде. Все это создает предпосылки для получения высококачест­ венных продуктов в короткие сроки.

В настоящее время наметились следующие два спо­ соба производства: без сушки полученного анполугидрата и с его сушкой.

По первому способу (Г. Н. Богданович) смесь по­ рошка двуводного гипса с водой подвергают тепловой

60

обработке в автоклаве при непрерывном перемешивании в течение 2—3 ч при 128—132°С. В водогипсовую смесь при этом вводят поверхностно-активные вещества (ССБ или СДБ, мылонафт, асидол-мылонафт и др.) в количе­ стве 1,5—3% массы гипса.

Количество воды составляет 4050%. Начало схва­ тывания полученной смеси а-полугидрата с водой при добавке 2—3% ССБ наступает через 2—3 ч, а конец — через 3—4 ч. Прочность образцов на сжатие достигает 300—400 кгс/см2. Недостатком этого способа является необходимость формовать изделия па месте изготовле­ ния вяжущего. Кроме того, при этом способе возможно образование выцветов на изделиях, некоторое снижение прочности изделий вследствие значительного содержания добавки в воде затворения и затруднено достижение оп­ тимального зернового состава вяжущего с целью повы­ шения его прочности.

Наиболее перспективным является второй способ по­ лучения а-полуводного гипса. При этом способе опас­ ность регидратации а-полугидрата уменьшается по сравнению с автоклавным способом с раздельными про­ париванием и сушкой, так как температура отфильтро­ ванного или промытого продукта находится в пределах

85—100°С.

А. В. Волженокий, А. В. Ферронекая и А. Е. Венец [26] рекомендуют получать высокопрочный гипс по двум схемам: при атмосферном или повышенном дав­ лении.

Дегидратация молотого двугидрата при атмосферном давлении осуществляется при 106—108°С в водном раст­ воре хлористого кальция (20—25%-ной концентрации)

облегчить фильтрацию, промывку (в случае необходимо­ сти) и сушку, а также уменьшить вероятность образо­ вания при этом двугидрата или растворимого ангидри­ та, необходимо а-полугидрат получать в виде возможно более крупных кристаллов с обязательным помолом их после сушки до оптимального зернового состава.

■При повышенном давленйи дегидратация молотого двугидрата происходит в 0,2%-ном водном растворе ма­ леинового ангидрида или в 5%-ном растворе Al2 (S 04h при 2 ат (120°С) также с последующей фильтрацией,

61

сушкой и помолом а-полугидрата. Как в первом, так и во втором случае в исходную суспензию с целью уско­ рения дегидратации двугидрата и получения оолее круп­ ных кристаллов а-полугидрата авторы рекомендую! вводить затравки — кристаллы а-полугидрата. Экспери­ менты показали, что при температуре водного раствора хлористого кальция ниже 1о6—10б“С ооразуется метастабильный водный раствор CaSO-t, в котором скорость образования новых центров кристаллизации ниже ско­ рости роста кристаллов а-полугидрата, что обеспечива­ ет получение крупных кристаллов последнего. Возмож­ ный в метастабильном растворе индукционный период (при дегидратации) ликвидируется введением доста­ точного количества готовых затравок— кристаллов а-полугидрата. Оптимальная концентрация готовых за­ травок а-полугидрата размером 0,05 мм оказалась рав­ ной 5% (при исходном гипсовом порошке фракции 0—0,1 мм, нагреваемом в растворе хлористого кальция при 106—108°С). Дегидратация при этом протекает в течение 40—50 мин. Еще более снижается продолжи­ тельность дегидратации при применении в качестве ис­ ходного сырья вторичного двугидрата различного про­ исхождения.

Способ получения высокопрочного полуводного гип­ са с введением затравок в кипящую суспензию исход­ ного двугидрата может открыть возможности рацио­ нального использования гипсосодержащих отходов хи­ мической промышленности, а также вторичного (схва­ тившегося) гипса и гипсового камня со значительным содержанием загрязнений, так как достаточно большая разница в размерах зерен а-полугидрата и примесей позволяет эффективно осуществлять обогащение про­ дукта.

Авторы этого способа предлагают также схему изго­ товления а-полугидрата с использованием непрерывно действующего корытообразного кристаллизатора с ме­ шалкой, применяемого в химической промышленности.

По этой схеме (рис. II. 13) дробленый гипсовый ка­ мень из бункера тарельчатым питателем подается в шаровую мельницу мокрого помола. Сюда же одновре­ менно подается отфильтрованный рабочий раствор до­ бавок. Помол сырья производится до размера частиц не более 0,1 мм при соотношении жидкой и твердой фаз 0,55. Емкость 4 служит для хранения и пополнения цир-

62