Производство строительного гипса

При удалении воды из частиц двуводного сульфата кальция  в виде пара (в открытых аппаратах) происходит их диспергирование, порошкообразный двугидрат под воздействием выделяющихся паров воды приобретает подвижность и начинает как бы кипеть. В результате такой термической обработки двуводного гипса в ненасыщенной водяными парами атмосфере происходит разрыхление его кристаллической решетки и образуется полуводный гипс CaSO₄ · 0,5H₂O в виде β-модификации. β-Полугидрат имеет вид тонких волокон, ориентированных под углом 60° к оси С кристалла гипса. Образование новой фазы начинается с поверхности кристалла гипса и постепенно распространяется вглубь с сохранением объема исходного кристалла. В результате удаления воды образуются поры как между отдельными волокнами, так и внутри волокнистых кристаллов β-полугидрата. Поэтому β-полугидрат отличается высокой дисперсностью, удельная поверхность его частичек в 2,5 - 5 раз больше, чем у α-полугидрата, что обусловливает его относительно высокую водопотребность. Кристаллы β-полугидрата мелкие и плохо выражены. Примеси в гипсе ускоряют процесс его дегидратации.

Из β-полугидрата состоят гипсовые вяжущие (строительный и формовочный гипс), получаемые обжигом гипсового камня во вращающихся печах или варкой гипсового порошка в варочных котлах при температуре 150 - 170 °C [1, стр. 19].

 

Таблица 5 – Свойства различных модификаций сульфата кальция

 

Наименование	Дигидрат  CaSO4 · 2H2O	β-Полугидрат CaSO4 · 0,5H2O
Плотность, 103 кг/м3	2,2 – 2,4	2,62 – 2,68
Растворимость в воде, г/л: при 20 °C при 50 °C	2,05 2,03	7,0 – 7,4 4,26
Температура дегидратации, °C	100 – 150	170 – 180
Расширение при твердении, 10-3 мм/м	-	1,7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ПРОИЗВОДСТВО  СТРОИТЕЛЬНОГО ГИПСА

 

В промышленности строительных материалов применяют несколько  технологических схем производства гипса, которые предусматривают дробление, помол и сушку. Очерёдность выполнения указанных процессов может изменяться в зависимости принятой технологии производства гипса. В одних технологических схемах помол предшествует обжигу, в других производится после обжига, а в третьих помол и обжиг совмещаются в одном аппарате.

 Производство гипса с применением варочных котлов. При производстве гипса по технологической схеме с шахтной мельницей и варочным котлом гипсовый камень со склада или карьера поступает в приемный бункер и пластинчатым питателем подается в щековую, а затем и молотковую дробилки. Дробленый гипсовый щебень транспортируется элеватором в бункер, откуда пластинчатым питателем подаётся в шахтную мельницу, где материал одновременно подвергается помолу и сушке. Полученный в мельнице молотый гипс увлекается газовым потоком в систему газоочистки, состоящую из спаренного циклона, батарейного циклона, электрофильтра. Очищенные газы удаляются в атмосферу, а молотый гипс из всех пылеосадительных аппаратов подается в бункер, откуда периодически загружается в варочный котёл. Обожженный гипс отправляют на склад.

 Такая технология обладает  следующими достоинствами. В процессе обезвоживания предварительно измельченного гипса в варочных котлах он не соприкасается с топочными газами и непрерывно перемешивается, что предохраняет его от загрязнения и обеспечивает получение сравнительно однородного продукта. Кроме того, варочные котлы отличаются простотой обслуживания, удобством регулирования и контроля режима обжига.

 Однако варочным котлам присущ  и ряд недостатков: они являются  периодически работающими аппаратами, днище и обечайки котлов быстро изнашиваются, сложно улавливать гипсовую пыль, увлекаемую паром, выделяющимся при дегидратации двугидрата. Кроме того, при получении строительного гипса в варочных котлах необходим предварительный помол необожженного гипсового камня, который протекает с достаточной скоростью лишь в том случае, когда влажность гипса не превышает 1 %. В противном случае требуется предварительная сушка, что усложняет производственный процесс.

  Производство гипса обжигом во вращающихся печах. В этом случае дробление гипсового камня осуществляют по одно- или двухступенчатой схеме в щековых и других дробилках в зависимости от размера кусков исходного материала и требуемого размера кусков, направляемых в печь. В настоящее время гипс в кусках обжигают почти исключительно во вращающихся печах. Вращающимися печами для обжига строительного гипса служат барабаны, применяемые в других отраслях промышленности для сушки сыпучих материалов.

 Сушильный барабан представляет  собой сварной стальной цилиндр,  вращающийся на опорных роликах со скоростью 2 - 3 ^об/_мин. Барабан устанавливают с наклоном к горизонту 3 -  5^о и приводят во вращение электродвигателем. Гипс для обжига в виде щебня размером до 35 мм подают через загрузочную воронку; благодаря наклону барабана он перемещается в нем в осевом направлении к разгрузочной воронке.

   На обжиг обычно поступает гипсовый щебень 10 - 20 и 25 - 35 мм. Фракция 0 - 10 мм после дополнительного помола идет на обжиг в варочном котле.

  Обожженная гипсовая крупка  поступает в расходные бункера  шаровой мельницы или же направляется в бункер выдерживания. Обожженную крупку размалывают до остатка на сите № 02 не более 10 - 12 %.

 Технологические процессы производства  гипса с обжигом его во вращающихся печах непрерывные, и поэтому легко осуществить их автоматическое управление. Получать гипс по этому способу экономично.

 Недостатком данной технологии  является то, что для получения  строительного гипса во вращающихся барабанах  следует обжигать дробленый гипсовый камень с однородным размером частиц. В противном  случае происходит неравномерный обжиг материала: мелкие зерна пережигаются, а часть крупных зерен остается в виде неразложившегося двугидрата.

 Производство гипса в мельницах совмещенного помола и обжига. Применяют также способ поучения гипса, при котором совмещают в одном аппарате (мельнице) одновременно две операции - помол и обжиг. При этом способе в мельницу ( шаровую, шахтную или роликовую ) загружают гипсовый щебень (размер кусков гипса 50 - 60 мм) и подают горячие газы. Образовавшиеся в процессе помола мелкие частицы гипса уносятся потоком раскаленных газов, обжигаются, а затем проходят через циклоны и осаждаются в специальных емкостях.

 Производственный цикл при  получении гипсовых вяжущих в  мельницах совмещенного помола  и обжига самый короткий,  а число агрегатов - минимальное. Достоинство таких установок - их компактность и высокая производительность.

 Однако, несмотря на высокую  температуру газа, наиболее крупные  частицы вследствие кратковременности  воздействия газов не успевают  полностью дегидратироваться, а часть мелких частиц пережигается до растворимого ангидрита, что обусловливает быстроту схватывания и пониженную прочность гипса.

 Производство строительного гипса обработкой паром под давлением. Во всех аппаратах, работающих при нормальном давлении и свободно сообщающихся с наружной атмосферой, в которых выделяющиеся при дегидратации двуводного гипса водяные пары свободно удаляются в атмосферу, получающийся продукт состоит преимущественно из β - модификации полугидрата.  Для получения же высокопрочного строительного гипса, состоящего в основном из α - модификации полугидрата, служат установки, в которых гипс обрабатывают паром под давлением, а затем подвергают сушке.

 Получить гипс путем  обработки паром под давлением  можно в различных аппаратах.  В запарочном аппарате последовательно протекают процессы обработки материала паром под давлением и удаления выделившейся воды путем сушки. В аппарат подают дробленый гипсовый камень с размером кусков 0,015 - 0,04 м , обрабатывают его насыщенным паром под давлением 0,23 МПа и при температуре 124 °C в течение 5 - 8 ч. После этой обработки материал в аппарате немедленно продувают (сушат) горячими топочными газами с температурой 120 - 160 °C в течение 3 - 5 ч до тех пор, пока из выхлопной трубы не будет выходить относительно сухой воздух. Полученный материал подвергают помолу.

 Недостатками описанного  метода производства являются  неравномерность сушки и резкий  температурный перепад при сбросе давления. Это частично вызывает обратный процесс гидратации с образованием вторичного двугидрата, что делает гипс быстросхватывающимся. Кроме того, при этом способе производства образуется большое количество отходов мелочи гипсового камня, увеличиваются затраты топлива и электроэнергии, возникает необходимость устройства котельной для получения пара.

 Производство строительного гипса варкой в жидких средах. Вследствие низкого коэффициента теплопередачи от газа к твердому телу при обжиге гипса требуется сравнительно повышенная температура и длительное нагревание, что приводит к неоднородности продукта обжига, который наряду с полугидратом содержит некоторое количество двугидрата (из - за недожога) и ангидрита (из - за пережога). В жидких средах температура распределяется равномерно, теплоотдача осуществляется более интенсивно, химические реакции и связанные с ними структурно - кристаллические изменения веществ протекают быстрее и более полно. Многие растворы кипят под атмосферным давлением при температурах выше температуры дегидратации гипса. Это устраняет необходимость применения повышенного давления и дает возможность получать строительный гипс варкой в открытых сосудах, где происходит перекристаллизация двуводного гипс в полуводный с выделением воды в жидком состоянии. Готовый продукт отличается большей однородностью (мономинеральностью), не содержит двугидрата и ангидрита и состоит преимущественно из α - полугидрата.

В качестве жидких сред могут  применяться водные растворы ряда солей. Положительные результаты дает варка при температуре 105 - 130 °C в растворах хлористого кальция, хлористого магния, сернокислого магния и т.д. После варки в этих растворах осевший материал отфильтровывается и промывается до удаления следов солей. Затем материал сушится и размалывается [3, стр. 35].

 

Рассмотрев различные  технологии производства строительного  гипса, их достоинства и недостатки, температурные режимы в них и  др., можно сделать вывод, что для производства строительного гипса Г3 при заданных исходных данных целесообразнее использовать технологию с применением варочных котлов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ  СХЕМА

 

 

 

Рисунок 5 – Технологическая  схема производства строительного  гипса Г3 с применением варочных котлов периодического действия

 

6 ОПИСАНИЕ  ВЫБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

 

В приемный бункер гипсовый камень доставляют обычно из рудников и карьеров в кусках и глыбах размером до 300 – 500 мм. Затем из приемного бункера гипсовый камень с помощью ленточного конвейера транспортируется в щековую дробилку для дробления гипсового камня до кусков размером 30 – 50 мм.

С помощью вертикального  элеватора материал из щековой дробилки поступает в расходный бункер гипсовой щебенки. Помол влажного двуводного гипса затруднителен, поэтому на современных заводах эту операцию совмещают обычно с сушкой гипса. Для этого гипсовый камень в виде щебня размером до 3 - 4 см подается тарельчатым питателем в шахтную мельницу. Шахтная мельница состоит из быстроходной молотковой мельницы и расположенной над ней прямоугольной металлической шахты высотой 12 - 15 м. Для подсушки гипса из топок варочных котлов в мельницу подают горячие газы. Температура газов, поступающих в мельницу, 300 - 500 ⁰С, а выходящих из мельницы – 85 - 105 ⁰С.

Поскольку в мельницу непрерывно поступают горячие газы, процесс помола идет одновременно с сушкой материала, а также с некоторой его дегидратацией. Идущий вверх по шахте поток газа одновременно сушит, сепарирует и транспортирует измельчаемый порошок. В зависимости от желаемой тонкости помола гипса скорость движения газов в шахте поддерживается в пределах 3,5 - 6 м/с. Чем больше скорость потока, тем грубее помол, и наоборот. Этот поток газов уносит в пылеосадительную систему те фракции материала, которые способны удерживаться во взвешенном состоянии при данных скоростях потока. Более крупные частицы выпадают из потока на определенной высоте и возвращаются на дополнительный помол.

После выхода из мельницы газопылевую смесь направляют в систему пылеочистительных устройств, в которых из газового потока осаждается гипсовый порошок. От эффективности работы пылеосадительных устройств в значительной мере зависят санитарные условия на заводе и на прилегающей к нему территории, а также производственные потери. Поэтому на современных гипсовых заводах устанавливают многоступенчатые системы очистки.

На первой ступени  улавливаются крупные частицы, на второй осаждаются тонкие фракции и на последней  ступени газы очищаются от мельчайших частиц. На первой ступени применяют циклоны, на второй – циклоны и батарейные циклоны и для окончательной очистки – электрофильтры.

После сушки и помола гипс из пылеосадительных устройств  поступает в бункер для высушенного  гипса. Из бункера гипс с помощью винтового конвейера транспортируется в бункер над гипсоварочным котлом.