CC BY
26
УДК 666.1002.34
СЕМУХИН БОРИС СЕМЕНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, semoukhin@yahoo. com
АЛТАРЕВА ЛЮДМИЛА МИХАЙЛОВНА, магистрант, milaia@sibmail. com
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2,
КАЗЬМИНА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА, докт. техн. наук, профессор, kazmina@tpu. ru
ВЕРЕЩАГИН ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, vver@tpu. ru
ДУШКИНА МАРИЯ АЛЕКСЕЕВНА, магистрант, dushkina89@mail. ru Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
630050, г. Томск, пр. Ленина, 30,
ПРОЦЕССЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ПО НОВОЙ ДВУХСТАДИЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ*
Рассмотрены вопросы безопасности технологии получения пеностеклокристаллического материала с наносоставляющими на основе стеклогранулята двумя способами. Рассчитаны «деревья отказов» и потенциальные риски. Показана высокая технологичность и экологическая безопасность технологии производства пеностекла.
Ключевые слова: пеностеклокристаллический материал; риски; экологическая безопасность.
SEMUKHIN, BORIS SEMENOVICH, Dr. of tech. sc., prof., semoukhin@yahoo. com
ALTAREVA, LYUDMILA MIKHAILOVNA, graduate student, milaia@sibmail. com
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia,
KAZMINA, OLGA VIKTOROVNA, Dr. of tech. sc., prof., kazmina@tpu. ru,
VERESCHAGIN, VLADIMIR IVANOVICH, Dr. of tech. sc., prof., vver@tpu. ru,
DUSHKINA, MARIA ALEKSEYEVNA, graduate student, dushkina89@mail. ru
Tomsk National Research Polytechnic University,
30 Lenin Avenue, Tomsk, 634028, Russia
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ 11-03-98015-р_сибирь_а) и Европейского гранта 7 Рамочной программы FP7-NMP-2008-SMALL-2 (Proposal No: CP-FP 228536-2 NEPHH).
© Б.С. Семухин, Л.М. Алтарева, О.В. Казьмина, В.И. Верещагин, М. А. Душкина, 2012
PROCESS OF SAFETY AT OBTAINING THE FOAMGLASS CRYSTALLINE MATERIAL WITH THE USE OF NEW TWO-STAGE TECHNOLOGY
Problems of technology safety at obtaining the foam-glass crystalline material with nano compound particles on the basis of glass granulator by two ways are considered in the article. The «fault tree» and the potential risks have been calculated. The high technological and ecological safety of production technology of foam glass has been shown.
Keywords: foam-glass crystalline material; risks; environmental safety.
Известно, что наноматериалы, обладая иными физико-химическими свойствами и биологическим действием по сравнению с традиционными аналогами, относятся к новым видам материалов и продукции, характеристика потенциального риска производства и применения которых для здоровья и жизни человека является обязательной. Уже разработаны методические указания, которые устанавливают требования к выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека, путём прогнозирования их потенциально неблагоприятных биологических эффектов на основе анализа имеющихся данных о физических, физико-химических, молекулярно-биологических, цитологических, токсикологических и экологических характеристиках наночастиц и наноматериалов [1]. В этих методических рекомендациях предложена процедура по выявлению информации о наноматериалах и нанотехнологической продукции, позволяющая с высокой степенью достоверности предсказать возможность появления у этих объектов свойств, потенциально опасных для здоровья и жизни человека и среды его обитания. Однако описание факторов риска, возникающих при производстве, представлено явно недостаточно.
В работе [2] был начат анализ возможных причин возникновения опасных или чрезвычайных ситуаций при производстве строительного материала нового поколения - теплоизоляционного пеностеклокристаллического материала (ПСКМ). В настоящей статье продолжено рассмотрение этих факторов на примере оценки вероятности возникновения экологически опасных событий при технологии производства данного материала.
В технологии ПСКМ могут возникать следующие факторы экологически опасных событий: образование пылевидного облака при подготовке сырьевых материалов и исходных смесей, выделение газов (углекислого газа, сероводорода), образование технологических отходов. Технологический процесс ПСКМ, близкого по свойствам к пеностеклу и отличающегося повышенными прочностными характеристиками, предусматривает не только улучшение физикотехнических свойств материала, но и создание технологических схем производства с максимальной механизацией и автоматизацией технологического оборудования, использование отходов производства и местного сырья.
В зависимости от вида готового изделия (гранулы, щебень, плиты) используются различные технологические схемы, оборудование и соответствующие технологические параметры процесса. Рассмотренные в данном разделе технологические решения ориентированы на создание производства пеностеклокристаллических материалов на основе низкотемпературного стекло-гранулята [3, 4].
Технологические условия получения пеностекольного материала, включающие стадию низкотемпературного синтеза гранулята на основе природного или техногенного сырья и стадию вспенивания, позволяют получить материал с аморфной матрицей, содержащей наноразмерные образования, отличающиеся максимальной прочностью. При увеличении размера частиц кристаллической фазы до 1000 нм прочность уменьшается, но превышает значение прочности пеностекла, полученного на стеклобое (1-1,5 МПа). Для формирования наноразмерных структур в готовом пеноматериале предусмотрен постадийный контроль технологических параметров и проведение специальных операций, включающих механоактивацию кремнеземистого компонента и подготовку исходной кристаллической фазы, размер которой не должен превышать 50 мкм. Вторичная термообработка стеклогранулята на стадии вспенивания обеспечивает уменьшение размера частиц остаточного кварца за счет дополнительного растворения в силикатном расплаве.
К настоящему времени, как показывают результаты анализа научной литературы, имеются положительные примеры получения и использования гранулированного пеностекла [5-9]. Гранулы пеностекла применяются в качестве заполнителя при изготовлении легких бетонов, а также в качестве насыпного материала для утепления стен, полов, кровель промышленных и гражданских зданий.
Основными способами изготовления гранулированного пеностекла являются методы окатывания на тарельчатом грануляторе и во вращающейся печи. Достоинствами метода окатывания на тарельчатом грануляторе являются простота конструкции и возможность осуществления визуального контроля за процессом окатывания, незначительные капитальные и энергозатраты.
На рис. 1 представлена блок-схема получения гранулированного ПСКМ. Для изготовления гранулированного ПСКМ тонкомолотый стеклогранулят с удельной поверхностью 3000-5000 см2/г периодически выгружают из бункера запаса в смеситель - для перемешивания с газообразователем и последующей подачей смеси на тарельчатый гранулятор. Для проведения лабораторных испытаний использован гранулятор тарельчатого типа с диаметром тарели 1 м и высотой борта 220 мм. Скорость вращения и угол наклона тарели, уточненные в ходе испытаний, составили 30 об/мин и 47° соответственно. Увлажнение пенообразующей смеси осуществляли водным раствором жидкого стекла в два этапа: на стадии перемешивания до 2-3 % от массы шихты с целью снижения пыления и увеличения связности дисперсной системы (предгранулирование). Остальное количество влаги вносили при помощи форсунок в процессе гранулирования. Значение оптимальной рабочей влаги гранулирования составляло 8-10 %. Процесс гранулообразования пенообразующих смесей протекает стабильно с выходом гранулированного продукта 90-95 %. Механическая прочность гранул размером 5-12 мм составляет 0,5-0,6 кг/гранулу.
С целью улучшения технических свойств гранул, а именно увеличения механической прочности и снижения влажности, образовавшиеся сырые гранулы непрерывно подаются слоем до 100 мм на ленточно-сетчатую сушилку, в которой их сушат при температуре 120-130 °С до достижения влажности около 2 %. Для сушки гранул можно использовать отходящие печные газы с темпе-
ратурой 350-400 °С. Гранулы из сушилки непрерывно подают в бункер запаса сухих сырцовых гранул, из которого после отсева мелочи на вибросите гранулы непрерывно засыпают вместе с разделяющей средой, например, речным кварцевым песком в пропорции 1:1 во вращающуюся печь вспенивания, в которой горячими газами при температуре 800-850 °С осуществляется вспенивание гранул. Вспененные гранулы вместе с разделяющей средой непрерывно пересыпают во вращающуюся печь отжига, где проводят удлиненный цикл постепенного остывания без растрескивания гранул до температуры 30 °С. На выходе из печи отжига при помощи отделяющего устройства удаляют разделяющую среду от массы вспененных гранул и направляют ее снова в печь вспенивания, а гранулы направляют на склад готовой продукции.
Рис. 1. Блок-схема получения гранулированного пеностеклокристаллического материала
Полученные образцы гранул пеностеклокристаллических материалов имеют следующие характеристики: насыпная плотность гранул не превышает 250 кг/м3, прочность при сжатии в цилиндре до 4 МПа, значение коэффициента теплопроводности не превышает 0,09 Вт/м °С, водопоглощение не более 1 масс. %.
Эффективным способом получения пеностекла, освоенным зарубежными производителями, является технологический процесс «непрерывной ленты», позволяющий получать плиты и блоки пеностекла большого формата без применения форм, а также в виде пеностекольного гравия. Применение последнего в строительстве дорог значительно экономит время, что связано с простотой доставки и перемещения гравия на стройплощадке, способностью выдерживать высокие нагрузки на сжатие, отказом от бетононасосов и возможностью заезда автомиксеров непосредственно на бетонируемую поверхность.
Суть метода заключается в непрерывной подаче пенообразующей смеси на конвейер, продвигающийся вдоль туннельной печи. По выходу из печи вспененная лента разрезается дисковой пилой на плиты требуемых размеров, поступающих на отжиг в лер. Блоки (плиты) ПСКМ после отжига поступают на обработку для придания им прямоугольной формы путем спиливания неровностей и шлифования поверхности. Спиливание производят маятниковыми или другими дисковыми пилами, подшлифовка осуществляется карборундовыми дисками. Установки, на которых обрабатывают пеностекольные блоки, должны быть снабжены мощными вентиляторами, отсасывающими пыль и крошку пеностекла в специальные емкости. При получении пеностекольного гравия лента на выходе из печи резко охлаждается, что способствует разрушению материала на куски неправильной формы.
На рис. 2 приведена блок-схема получения ПСКМ способом непрерывной ленты, который включает в себя три основных производственных этапа.
Первый этап - приготовление шихты и синтез стеклогранулята при температуре, не превышающей 950 °С, с последующим измельчением полученного стеклогранулята в щековой дробилке до крупности размером 10-15 мм. Второй этап - приготовление пенообразующей смеси, включающей подачу полученного стеклогранулята через дозатор в шаровую мельницу с добавлением газообра-зователя, в качестве которого используется либо глицерин для получения пеностекла с замкнутыми порами, либо известняк для получения пеностекла с сообщающимися порами. Для тепловой изоляции используют пеностекло с замкнутыми порами, для звукоизоляции - с сообщающимися порами. В результате помола и перемешивания образуется смесь с размерами частиц до 20 мкм, которая подается в расходный бункер дозатора-загрузчика печи вспенивания. Третий этап - вспенивание и отжиг материала. Пенообразующая смесь в виде непрерывной ленты проходит несколько зон туннельной печи с разной температурой (до 850 °С), и происходит процесс вспенивания с образованием пеностекольного коржа толщиной до 180 мм. При выходе ленты пеностекла она режется на большеформатные листы, которые перегружаются в печь отжига для стабилизации структуры пеноматериала. Температура на входе печи составляет 650 °С, на выходе - 50 °С.
Рис. 2. Блок-схема получения пеностекольного материала способом непрерывной ленты
Рассмотрим логико-графический анализ вероятности возникновения отказов для процесса получения гранулированного ПСКМ. Тщательному анализу причин событий и выработке мероприятий, наиболее эффективных для их устранения, способствует построение дерева отказов и неработоспособных состояний. Такой анализ проводят для каждого периода функционирования, каждой части или системы в целом.
На основе рассмотренных причинно-следственных связей предложено «дерево отказов» для процесса получения ПСКМ, представленное на рис. 3. Параметрический и функциональный отказы будут иметь место, если будут реализованы приводимые в табл. 1 прогнозируемые события.
Нарушение технологического процесса получения гранулированного ПСКМ -------------------1-------------------
Несоответствие механической прочности и размера гранул
Превышение допустимой влажность гранул
СНЧЭ
Параметрический отказ Функциональный отказ
Отказ форсунки
<£>
Отказ вращающейся печи отжига
Выход из строя редукторного двигателя
Отказ шестерни
0
Рис. 3. «Дерево отказов» для процесса получения гранулированного ПСКМ
Процессы безопасности 129
Таблица 1
Прогнозируемые события отказов
Параметрический отказ Функциональный отказ
Ошибочно установлен угол наклона и скорость вращения тарели (нарушение процесса гранулирования) Износ прокладок - нарушение процесса получения гранулированного ПСКМ
Ошибочно принято значение оптимальной рабочей влаги гранулирования (нарушение процесса гранулирования) Износ шестерни - нарушение процесса получения гранулированного ПСКМ
Неверно установлена/подобрана температура в ленточно-сетчатой сушилке Выход из строя редукторного двигателя -нарушение процесса получения гранулированного ПСКМ
Из анализа «дерева отказов» при нарушении технологии получения гранулированного ПСКМ видно, что основной причиной нарушения данного технологического процесса могут являться параметрические отказы. «Дерево отказов» для процесса получения ПСКМ способом непрерывной ленты представлено на рис. 4. Во избежание чрезмерного повышения/понижения температурно-временных условий следует: исключить возможные неблагоприятные внешние факторы; исключить возникновение необратимых изменений в датчике температуры и времени; произвести расчет условий оптимального режима термообработки шихт.
Нарушение технологического процесса получения ПСКМ способом непрерывной ленты
Параметрический отказ
Функциональный отказ
Чрезмерное повышение/понижение гемпературно-временных условий при термообработке
т
Износ резчика
Выход из строя смесителя
©
Выход из строя ротора ----------------1--------
Ті
Отказ привода
С
Выход из строя двигателя
і
Рис. 4. «Дерево отказов» для процесса получения пеностекольного материала способом непрерывной ленты
В целях снижения вероятности нарушения технологического процесса получения пеностеклокристаллического материала необходимо осуществлять приведенные в табл. 2 мероприятия.
Таблица 2
Мероприятия по минимализации нарушений технологического процесса
Процессы Мероприятия
Во избежание несоответствия механической прочности и размера гранул Исключить возможные неблагоприятные внешние факторы Исключить возникновение необратимых изменений в датчике температуры и времени Своевременное отслеживание правильности установки угла наклона и необходимой скорости вращения тарели
Во избежание превышения допустимой влажности гранул Произвести расчет необходимой температуры в линейно-сетчатой сушилке
Во избежание отказа вращающейся печи отжига Своевременно обеспечить замену прокладок
Во избежание выхода из строя печи вспенивания Соблюдать рекомендации по эксплуатации печи
Во избежание выхода из строя ротора Производить ежемесячное техническое обслуживание Свести к минимуму возможность неправильной установки ротора
Во избежание отказа привода Своевременно производить проверку приводного ремня Свести к минимуму выход из строя подшипников
Во избежание ошибок работы персонала Осуществлять контроль за работой сотрудника, проводящего мониторинг Донести до сотрудника важность проводимой им работы Установить поочередное наблюдение за приборами в целях снижения монотонности труда
Во избежание ошибок из-за недостаточной квалификации работника При принятии на работу потребовать документ о соответствующем данному виду деятельности образовании Обучить всем необходимым требованиям к работе При возможности предложить посетить курсы повышения квалификации
Для улучшения самочувствия работника Обеспечить безопасные и комфортные условия труда Организовать отдых и перерывы в работе Давать отгулы в случае необходимости
Во избежание ошибок работы контрольно-измерительных приборов Вся контрольно-измерительная аппаратура должна быть защищена от повреждений При проведении измерений четко следовать инструкции по эксплуатации прибора Проверить на совместимость с другими имеющимися приборами
Таким образом, анализ двух вариантов технологии получения пеностекла показал высокую технологичность и безопасность производства пеностеклокристаллического материала. Данная технология может быть рекомендована как безопасная для широкомасштабного копирования и внедрения в промышленность. Наличие научных разработок по данной технологии обеспечивает как безопасность производства, так и высокое качество продукции.
Библиографический список
1. Методические рекомендации по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека / Разработаны Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. - МР 1.2.2522-09 ; введ. с 02.06.2009.
2. Безопасность пеностеклокристаллического строительного материала с наносоставляющими / О.В. Казьмина, Б.С. Семухин, Л.М. Алтарева [и др.] // Вестник ТГАСУ. -№ 4. - С. 152-160.
3. Пат. 2326841. Российская Федерация. Способ получения гранулята для производства пеностекла и пеностеклокристаллических материалов /А.Н. Абияка, В.И. Верещагин, О.В. Казьмина // Заявлено 20.03.06 ; опубл. 20.06.08.
4. Пат. 2415817. Российская Федерация. Шихта для изготовления стеклогранулята для пеностеклокристаллических материалов / О.В. Казьмина, А.Н. Абияка, В.И. Верещагин, С.Н. Соколова // Заявлено 22.07.09 ; опубл. 10.04.118.
5. Пат. 2294902. Способ получения гранулированного пеностекла / А.А. Бурый, С.П. Ка-лейчик, Г.Е. Нагибин, М.М. Колосова ; опубл. 10.03.2007.
6. Пат. 2278846. Российская Федерация. Способ получения пористого наполнителя - калиброванного микрогранулированного пеностекла / В. З. Леонидов, М. П. Дудко, А.А. Зиновьев ; опубл. 27.06.2006.
7. Пат. 2109700. Российская Федерация. Сырьевая смесь для изготовления гранулированного пеностекла и способ его изготовления / А.К. Яворский, О.С. Куншина, А.И. Кравец ; опубл. 27.04.1998.
8. Пат. 2272005. Российская Федерация. Способ получения гранулированного пеностекла / В.З. Леонидов, М.П. Дудко, А.А. Зиновьев ; опубл. 20.03.2006.
9. Пат. 2162825. Российская Федерация. Способ изготовления гранулированного пеностекла из стеклобоя / Г.И. Искоренко, В.П. Канев, Г.М. Погребинский ; опубл. 10.02.2001.
