Технологическая линия по производству высокопрочного гипса

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТИЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра строительного инжиниринга и материаловедения

Курсовой проект

 по дисциплине  “Вяжущие средства”

на тему: “Технологическая линия по производству высокопрочного гипса”

Выполнил: Субботина Е.О.

гр. ПСКбзу-12

Проверил: Сарайкина К.А.

Пермь 2014г.

Содержание:

1. Теоретический раздел

1.1. Вещественный, химический  и минералогический состав гипсового вяжущего

1.2. Физико-химические процессы, проходящие при твердении гипсового вяжущего. Температурные условия твердения

1.3. Условия разрушения (коррозии) гипсового вяжущего

1.4. Показатели качества  гипсового вяжущего и методы  их определения

1.5. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения  продукта. Гарантии производителя

1.6. Область применения  гипсового вяжущего

1.7. Сырьевые материалы  для производства гипсового вяжущего. Приемка, маркировка, транспортирование  и хранение сырьевых материалов

1.8. Технологические схемы  производства гипсового вяжущего

1.9. Технологические факторы, влияющие на качество продукта

2. Расчетно-проектный раздел

2.1 Расчетная функциональная  технологическая схема производства  продукта

2.2 Расчет производственных  шихт и составление материального  баланса основной технологической  установки

2.3 Расчет производственной  программы технологической линии

2.4 Подбор основного механического  оборудования

2.5 Оценка энергетической  эффективности процесса 

1. Теоретический раздел

1.1 Вещественный, химический и минералогический  состав высокопрочного гипса.

Высокопрочный гипс - материалы высшего качества, получаемые из гипсового камня этот тип гипса, изготавливают способом термической обработки гипсового камня высокого сорта. Для этого применяют герметичные аппараты с  паровым давлением (автоклавы). У получающегося в итоге гипса снижается водопотребность. Благодаря этому в процессе твердения получается прочный гипсовый камень с меньшим количеством пор.

Применяются в областях, где используются уникальные свойства гипса (способность образовывать растворы с высокой текучестью, быстротвердеющие и образующие мелкопористую удобную в обработке каменную массу).Высокопрочный гипс - это α-полугидрат, получаемый, в отличие от β-полугидрата, т.е. обычного гипса, нагревом гипсового камня в автоклаве под давлением. Однако объективно, если судить по физическим свойствам, в эту группу придется включить и некоторые виды β-гипса, имеющие сопоставимые марки и существенно не отличающиеся в других качествах. Тогда, в порядке возрастания прочности, эти материалы можно расположить так:

Основным источником сырья для производства высокопрочных гипсовых материалов и изделий являются природные месторождения гипса и ангидрита, а также в небольшой степени месторождения гипсосодержащих пород. Кроме того, в качестве перспективного сырья для получения высокопрочных гипсовых вяжущих материалов следует рассматривать гипсосодержащие отходы ряда производств (фосфогипс, фторангидрит, титаногипс, витаминный гипс, борогипс и др.).

Гипс относится к классу сульфатов и представляет собой двуводный сульфат кальция (СаSО4 -2Н2 О). Химический состав чистого гипса, % по массе: СаО – 32,6; ЗО3 – 46,5; Н^О – 20,9. Кроме кристаллизационной воды, гипс имеет гигроскопическую влагу, находящуюся на поверхности гипсового камня и в его порах. Кристаллизуется гипс в моноклинной сингонии, кристаллы пластинчатые, столбчатые, игольчатые и волокнистые. Кристаллы обладают весьма совершенной спайностью по плоскости симметрии, по которой они раскалываются на гладкие блестящие пластинки, в других направлениях спайность менее совершенная.

Строение кристаллической решетки высокопрочного гипса слоистое и характеризуется строго закономерным расположением атомов. Две анионные группы SO4 , тесно связанные с ионами Са, образуют двойные слои, между которыми располагаются молекулы воды. Ионы кальция окружены шестью ионами кислорода группы SО4 и двумя молекулами воды. Каждая молекула воды связывает ион кальция с одним ионом кислорода того же двойного слоя и с одним ионом кислорода соседнего двойного слоя.

Химический состав гипсовых, ангидритовых и гипсосодержащих пород некоторых месторождений

1.2. Физико-химические процессы, проходящие  при твердении высокопрочного гипсового вяжущего. Температурные условия твердения вяжущего

Схватывание и твердение α- и β-модификаций обусловлено переходом их при взаимодействии с водой в двугидрат. При гидратации полугидрата выделяется 133 кДж на 1 кг полугидрата.

По теории Ле Шателье (1887 г.), при смешении полуводного гипса с водой он растворяется с образованием насыщенного водного раствора. В растворе он взаимодействует с водой и переходит в двуводный. Так как растворимость полугидрата в воде, считая на CaS04 , составляет около 8 г, а равновесная растворимость двугидрата около 2 г на 1 л, то раствор становится пересыщенным по отношению к двугидрату. Поэтому в жидкой фазе возникают условия для образования зародышей кристаллов двуводного гипса и выделения их из раствора. Это в свою очередь вызывает уменьшение концентрации полугидрата в жидкой фазе и создает возможность для растворения новых порций этого вещества и образования пересыщенного раствора CaS04 • 2Н2 0. По мере выделения из раствора все новых и новых количеств двуводного гипса кристаллики его растут, переплетаются, срастаются и обусловливают схватывание и твердение исходной смеси гипса с водой. Нарушение структуры твердеющего гипса после начала его схватывания приводит к резкому снижению его прочности.

По теории А. А. Байкова (1923), процессы твердения полуводного гипса, а также других минеральных вяжущих веществ, образующих гидратные соединения, можно разделить на три периода.

В первый период, начинающийся с момента смешения гипса с водой, растворяется полугидрат и образуется его насыщенный раствор.

Во втором периоде вода взаимодействует с полуводным гипсом с прямым присоединением ее к твердому веществу, Это приводит к возникновению двуводного гипса в виде высокодисперсных кристаллических частичек и к образованию коллоидной массы в виде геля, что сопровождается схватыванием массы.

В третий период частички двугидрата коллоидных размеров перекристаллизовываются с образованием более крупных кристаллов, что сопровождается твердением системы и ростом ее прочности.

CaSO4 ·0,5H2 O+H2 O → Ca+2 +SO4 -2 +H+ +OH- (I) → CaSO4 ·2H2 O+Ca+2 +SO4 -2 +H+ +OH- (II) → ↓CaSO4 ·2H2 O+Ca+2 +SO4 -2 +H+ +OH- (III)

Следует подчеркнуть, что, по А. А. Байкову, эти периоды не следуют строго один за другим. Они налагаются так, что в твердеющей массе одновременно протекают процессы коллоидообразования, характерные для второго периода, и процессы перекристаллизации в более крупные частички. Дальнейшее высыхание затвердевшей системы приводит к значительному увеличению прочности.

Изучение твердения вяжущих веществ, особенно в последние десятилетия, позволило глубже проникнуть в его сущность, однако полного представления об этих процессах еще нет. Основные теории твердения вяжущих веществ (Ле Шателье, Михаэлиса, Байкова) подверглись дальнейшему развитию. Установлено, что в ряде их положений есть общие элементы.

Высокопрочный гипс — быстросхватывающееся вяжущее вещество. По СниП I-B.2-69 начало схватывания высокопрочного гипса должно быть не ранее 4 мин, а конец схватывания — в пределах 8—20 мин от начала затворения гипсового теста.

Сроки схватывания высокопрочного гипса зависят: от свойств сырья, технологии изготовления, длительности хранения, количества, вводимой воды, температуры вяжущего вещества и воды, условий перемешивания, наличия добавок и др.

Повышение температуры гипсового теста до 40—45° С способствует ускорению его схватывания, а выше этого предела, наоборот, — замедлению. При температуре гипсовой массы 90—100° С схватывание и твердение прекращаются. Это объясняется тем, что при указанных и более высоких температурах растворимость полуводного гипса становится меньше растворимости двугидрата. В результате прекращается переход полугидрата в двугидрат, а следовательно, и связанное с ним твердение. Схватывание замедляется, если гипс применяют в смеси с заполнителям песком, шлаком, опилками и т. Д. Быстрое схватывание полуводного гипса является в большинстве случаев положительным его свойством, позволяющим быстро извлекать изделия из форм. Однако в ряде случаев быстрое схватывание нежелательно. Для регулирования сроков схватывания (ускорения и замедления) в высокопрочный гипс при затворении вводят различные добавки.

По механизму действия В. Б. Ратинов разделяет модифицирующие добавки для регулирования сроков схватывания вяжущих веществ, в том числе и гипсовых, на четыре класса.

Первый класс — это добавки, изменяющие растворимость вяжущих веществ и не вступающие с ними в химические реакции. Схватывание гипса ускоряется, если эти добавки (NaCl, КС1, Na2S04 и др.) усиливают растворимость полугидрата в воде; наоборот, оно замедляется, если добавки (аммиак, этиловый спирт и др.) снижают его растворимость. Некоторые добавки (например, NaCl) при одних концентрациях в растворе увеличивают растворимость полугидрата и, следовательно, являются ускорителями, а при других, уменьшая растворимость, являются замедлителями.

Второй класс — вещества, реагирующие с вяжущим веществами с образованием труднорастворимых или мало диссоциирующих соединении. Добавки этого класса (для гипса — фосфат натрия, борная кислота и др.) образуют на поверхности полугидрата защитные пленки труднорастворимых соединений, в результате чего схватывание гипса замедляется.

Третий класс — вещества, являющиеся готовыми центрами кристаллизации. Они ускоряют схватывание. У добавок первого и третьего классов имеется «пора эффективности», под которым подразумевают концентрацию добавки, дающую максимальный замедляющий или ускоряющий эффект. Обычно этот эффект достигается при введении добавок в воду затворения в количестве до 2—3%

Четвертый класс — поверхностно-активные добавки. Он адсорбируются частичками полуводного и двуводного гипса и уменьшают скорость образования зародышей кристаллов. Эти добавки (сульфитно-дрожжевая бражка, известково-клеевой и кератиновый замедлители и др.) известны как пластификаторы и замедлители схватывания гипса. Адсорбируясь частичками полугидрата, они придают тесту повышенную подвижность и снижают количество воды затворения, необходимой для получения смеси требуемой подвижности.

К этому же классу относится и эффективный замедлитель схватывания В. В. Помазкова. Этот замедлитель получается обработкой увлажненных древесных опилок (с 2— 3% серной кислоты) паром в автоклаве под давлением 0,4— 0,6 Мпа в течение 4 ч. Полученную массу нейтрализуют известью, высушивают и измельчают. Введение 0,1% этого замедлителя замедляет схватывание до 20—30 мин.

Полуводный гипс при схватывании и твердении в первоначальный период обладает способностью увеличиваться в объеме приблизительно на 0,5—1%- Такое увеличение объема еще не окончательно схватившейся гипсовой массы не имеет вредных последствий. Наоборот, в ряде случаев оно очень ценно (например, при изготовлении архитектурных деталей), так как при этом гипсовые отливки хорошо заполняют формы и точно передают их очертания.

 Техническими условиями на высокопрочный гипс (ТУ 31—57) объемное расширение ограничивается 0,2%. Для уменьшения расширения в гипс при помоле вводят до 1 % негашеной извести, что снижает коэффициент расширения при твердении с 0,3 до 0,08—0,1%. Расширение гипса уменьшается с увеличением содержания в тесте воды, а также при введении в него замедлителей схватывания.

1.3. Условия разрушения (коррозии) гипсового  вяжущего 

Коррозия строительного материала – необратимый процесс ухудшения характеристик и свойств строительного материала в конструкции в результате химического и/или физико-химического и/или биологического воздействий или процессов в самом материале.

I вид коррозии.

Вещество растворяется в мягких неминерализованных водах (питьевая, речная). Стойкость оценивается коэффициентом размягчения , К=0…1.

Гипс является неводостойким, т.к. Кразм. = 0,35-0,45

CaSO4 ·2H2 O+H2 O → Ca+2 +SO4 -2 +H+ +OH- +H+ + OH-

Бороться с I видом коррозии можно введением в вяжущее ПАВ, понижающих пористость. В технологии строительно-монтажных работ используют гидроизоляционные материалы.

II вид коррозии.

На материал действует среда, которая полностью переводит материал в растворимое соединение. Например:

CaSO4 ·2H2 O+ 2HCL→ H2 SO4 ·2H2 O +CaCL2

Для защиты от этого вида коррозии используют гидроизоляционные материалы.

III вид коррозии.

На материал действует агрессивная среда и в нем формируются химические новообразования, увеличивающиеся в объеме. Эту коррозию называют «физическая коррозия».

Гипсовый камень подвержен III виду коррозии при большой концентрации разрушающего элемента в среде. При малой концентрации новообразования становятся новыми центрами кристаллизации и происходит самозалечивание

CaSO4 ·2H2 O+Na2 SO4 +H2 O → Na2 SO4 ·nH2 O+CaSO4 ·2H2 O

Для защиты от этого вида коррозии используют гидроизоляционные материалы.

1.4. Показатели качества гипсового  вяжущего и методы их определения

Гипсовые вяжущие вещества характеризуются целым комплексом свойств, которые дают возможность оценить их качество и области применения.

К основным показателям качества относятся тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания теста, механическая прочность, старение и др.

К вспомогательным показателям качества можно отнести плотность(насыпная и истинная), коэффициент размягчения, деформативность, огнестойкость, область применения, морозостойкость, химическая стойкость и др.

Тонкость помола

Характеризует степень измельчения гипсового вяжущего и выражается остатком в массовых процентах на стандартном сите №02, либо удельной поверхностью порошка вяжущего в м2 /кг (см2 /г). Обычно определяют внешнюю удельную поверхность гипсовых вяжущих, под которой понимают суммарную поверхность всех гипсовых кристаллов в единице объема или массы. Удельная поверхность гипсовых вяжущих, применяемых для строительных целей, определяемая методом воздухопроницания, находится в пределах 300…500 м2 /кг, а высокопрочных – 90… 120 м2 /кг. Тонкость помола влияет на водопотребность вяжущих, сроки схватывания и механическую прочность. Согласно ГОСТ 125 гипсовые вяжущие по степени помола подразделяются на вяжущие грубого (индекс 1), среднего (индекс 2) и тонкого (индекс 3) помола.

Водопотребность.

Водопотребность является важнейшим свойством гипсовых вяжущих и характеризует минимальное количество воды, необходимое для получения теста заданной консистенции. Отношение количества воды к массе гипсового вяжущего называется водогипсовым отношением (В/Г).

Водопотребность зависит от многих факторов: состава сырья, способа получения вяжущего и тонкости его помола. Для сопоставления свойств различных гипсовых вяжущих стандартом принята величина нормальной

густоты теста.

Нормальная густота (НГ) выражается значением В/Г в % или в долях единицы, которое обеспечивает гипсовому тесту, получаемому при затво-рении вяжущего водой, стандартную консистенцию, характеризующуюся растекаемостью теста из цилиндра (вискозиметр Суттарда). Диаметр лепешки из теста нормальной густоты должен быть в пределах 180 ±5 мм.

Теоретически для гидратации полугидрата сульфата кальция необходимо 18,62% воды от массы вяжущего. Практически для получения теста нормальной густоты из (3-полугидрата сульфата кальция требуется 50…70%, для а-полугидрата сульфата кальция – 30…40%, для ангидритовых вяжущих – 30…35%. Водостойкие гипсовые вяжущие в зависимости от состава и технологии получения могут иметь нормальную густоту от 30 до 65%. Вода, остающаяся в гипсовом камне после гидратации испаряется, образуя в нем поры и капилляры, отрицательно влияющие на физико-технические свойства вяжущих.

Сроки схватывания определяются временем от момента затворения гипсового вяжущего водой до начала и конца схватывания, определяемые при помощи прибора Вика. Начало схватывания – время (мин) от момента затворения вяжущего водой до момента, когда свободно опущенная игла прибора Вика после погружения в гипсовое тесто не доходит до дна на 1…1.5 мм. Конец схватывания – время (мин) от момента затворения вяжущего водой до момента, когда свободно опущенная игла погружается в тесто на глубину не более 1 мм.

Сроки схватывания зависят от модификационного состава гипсовых вяжущих. Быстротвердеющие вяжущие в основном содержат двугидрат, медленнотвердеющие – ангидрит. Содержание той или иной модификации в гипсовом вяжущем определяется режимом обжига гипса, регулируя который можно получать вяжущие с требуемыми свойствами по срокам схватывания. В большой степени на сроки схватывания влияют тонкость помола вяжущих, водовяжущее отношение, длительность и условия хранения гипсовых вяжущих и другие факторы.

В зависимости от сроков схватывания гипсовые вяжущие делятся на 3 группы: быстротвердеющие, нормальнотвердеющие и медленнотвердеющие. Наиболее эффективным способом регулирования сроков схватывания гипсовых вяжущих является применение соответствующих добавок .

Механическая прочность затвердевшего гипсового вяжущего определяется по результатам испытаний стандартных образцов на изгиб и (или) сжатие после твердения определенное время в соответствующих условиях в зависимости от вида вяжущего.

При стандартных режимах твердения прочность высушенных образцов в 2 и более раз выше прочности образцов через 2 ч после формования. Так прочность образцов из строительного гипса через 2 ч составляет 4.. .6 Мпа, а сухих 10…16 Мпа, из формовочного гипса соответственно – 6…8 и 18…20 Мпа, из высокопрочного – 15.. .20 и 35.. .40, супергипса – 22.. .30 и 60.. .70 Мпа.

Механическая прочность затвердевшего гипсового камня зависит от его плотности. По Б.Г. Скрамтаеву прочность пропорциональна четвертой степени его плотности. Я.И. Вихтером предложена зависимость между прочностью на сжатие Ксж и средней плотностью рср гипсового камня в сухом состоянии:

Rсж =К* рср 3,1

'где К – коэффициент, численно равный прочности гипса при средней плотности, равной 1; рср – средняя плотность затвердевшего гипса, г/см3 .

Чем выше коэффициент К, тем более эффективно применение гипсо-даого вяжущего при изготовлении изделий.

Увеличение плотности за счет снижения водогипсового отношения и интенсивного уплотнения является эффективным мероприятием, способствующим повышению прочности.

Старение высокопрочных гипсовых вяжущих веществ – это изменение их свойств (водопотребности, сроков схватывания, прочности) во время хранения может быть естественным и искусственным.

При естественном старении происходит изменение свойств гипсовых вяжущих при обычных температурах в естественных условиях хранения. Положительная роль естественного старения проявляется до 20…30 сут их хранения. При дальнейшем хранении прочность снижается, увеличивается водопотребность и частичная перекристаллизация мелких частичек двугидрата сульфата кальция в более крупные. По этой причине гипсовое вяжущее необходимо хранить в закрытых емкостях (силосах).

Искусственное старение – изменение свойств гипсовых вяжущих путем ускорения процесса старения до нескольких минут за счет частичной гидратации вяжущего искусственным оводнением. Оводнение осуществляется в закрытых смесителях путем обработки вяжущего насыщенным водяным паром при температуре 100°С и выше. В результате такой обработки вяжущее приобретает пониженную водопотребность и на 20…30% повышенную прочность. Хранить такое вяжущее следует не более 10 сут.

Плотность. Значения истинной, насыпной в уплотненном и в рыхлом состоянии плотности гипсовых вяжущих составляют соответственно 2,6.. .2,75 г/см3 , 1200… 1450 и 800… 1100 кг/м3 . Её определяют по ГОСТ 6427.

Удельная поверхность. Внешняя удельная поверхность гипсовых вяжущих веществ – это суммарная поверхность всех зерен в единице объема или массы. Полная удельная поверхность – это сумма внешней поверхности и поверхности пор и капилляров. На удельную поверхность влияет размер, форма и микроструктура частиц вяжущего, которые зависят от способа производства вяжущих.

Внешняя удельная поверхность гипсовых вяжущих, применяемых для строительных целей, находится в пределах 0,3…0,5 м /г, а высокопрочных -0,09…0,12м2 /г.

Водостойкость гипсовых вяжущих оценивается по коэффициенту размягчения.

Высокопрочные гипсовые вяжущие в зависимости от величины коэффициента размягчения делятся на:

неводостойкие (НВ) – Кр < 0,45;

средней водостойкости (СВ) – 0,45 < Кр < 0,6;

повышенной водостойкости (ПВ) – 0,6 < Кр < 0,8 ;

водостойкие (В) – Кр > 0,8.

Неводостойкость гипса объясняется высокой растворимостью двугидрата сульфата кальция, его высокой проницаемостью и расклинивающим действием молекул воды при проникании в межкристаллические полости (эффект Ребиндера). Структура затвердевшего гипсового камня характеризуется высокой сообщающейся пористостью, удлиненными кристаллами двугидрата сульфата кальция, которые имеют между собой точечные соединения, имеющие тенденцию к разрыву при небольших напряжениях, и полости, в которые проникает вода, ослабляя связи и растворяя двугидрат. В.П. Балдин отмечает и еще одну причину – это развитие кристаллизациного давления за счет перекристаллизации мелких кристаллов двугидрата.

Деформативность.

Высокопрочное гипсовое вяжущее при твердении обычно имеет расширение около 0,2 %.

Огнестойкость.

Материалы из гипсовых вяжущих обладают повышенной огнестойкостью. Это обусловлено тем, что при воздействии огня затрачивается значительное количество теплоты на испарение кристаллизационной воды, выделяющейся при дегидратации двугидрата сульфата кальция, и образованием в процессе дегитратации сильно развитой пористой структуры гипса, имеющей высокий коэффициент термического сопротивления. Решающее влияние на свойства гипсовых вяжущих, изготовленных из природного сырья или гипсосодержащих отходов, оказывает способ их производства и вид основного оборудования.

Свойства гипсовых вяжущих в зависимости от способа их изготовления и применяемого оборудования для тепловой обработки

1.5. Правила приемки, маркировки, транспортирования  и хранения продукта 

Правила приемки

Приемку вяжущего производят партиями. Каждая партия должна состоять из вяжущего одного вида и марки и оформлена одним документом о качестве.

Размер партии устанавливают в зависимости от годовой мощности предприятия в следующем количестве:

500 т – при годовой мощности  свыше 150 тыс. т;

200 т – при годовой мощности  от 50 до 150 тыс. т;

65 т – при годовой мощности  до 50 тыс. т.

При отгрузке вяжущего в судах размер партии устанавливают по согласованию изготовителя и потребителя.

Приемку вяжущих техническим контролем предприятия-изготовителя производят на основании данных производственного контроля и приемо-сдаточных испытаний.

Производственный контроль включает в себя периодические испытания сырья и вяжущего, проводимые в объемах и в сроки, установленные действующей на предприятии технологической документацией.

По данным приемо-сдаточных испытаний назначают вид и марку вяжущего.

Приемо-сдаточные испытания включают испытания вяжущего каждой партии по всем показателям качества, предусмотренным нормативно-технической документацией на конкретный вид вяжущего.

Партия вяжущего принимается и может быть отгружена, если результаты приемо-сдаточных испытаний по:

пределам прочности при сжатии и изгибе образцов в возрасте 2 ч;

срокам схватывания;

тонкости помола;

удовлетворяют требованиям нормативно-технической документации на вяжущие данного вида.

Перечень приемо-сдаточных испытаний, необходимых для приемки партии, может быть изменен или дополнен в соответствии с требованиями нормативно-технической документации на конкретный вид вяжущего.

Для проведения приемо-сдаточных испытаний от каждой партии из потока вяжущего при его транспортировании от мелющего агрегата отбирают точечные пробы в порядке, установленном ГОСТ 23789-79 и подготавливают из них одну объединенную пробу.

При получении неудовлетворительных результатов приемо-сдаточных испытаний по какому-либо показателю проводят повторные испытания вяжущего по этому показателю на удвоенном количестве проб.

Для проверки правильности назначения вида и марки вяжущего предприятие-изготовитель определяет прочность вяжущего каждой партии в сроки, установленные нормативно-технической документацией.

Результаты приемо-сдаточных испытаний заносят в журнал по форме обязательного приложения. Журнал приемо-сдаточных испытаний должен быть пронумерован, прошнурован и опечатан сургучной или гербовой печатью.

Журнал приемо-сдаточных испытаний является официальным документом, удостоверяющим качество продукции.

В случае получения неудовлетворительных результатов при повторных испытаниях служба технического контроля предприятия-изготовителя бракует всю партию вяжущего.