CC BY
22Несмеянов Н.П., канд. техн. наук, доцент, ГоршковП.С., аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
СТАБИЛИЗАЦИЯ КАЧЕСТВА СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКОГО СПОСОБА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
В статье дан краткий анализ рынка сухих строительных смесей (ССС) и перспективы развития оборудования для их получения.
На основе пневмомеханического способа перемешивания разработан смеситель, дано описание конструкции и принципа его действия.
Предложено технологическое решение по стабилизации качества ССС.
Ключевые слова: сухая строительная смесь, смеситель, пневмомеханический способ, эксергия.
Рынок сухих строительных смесей развивается стремительными темпами. Широкое внедрение модифицированных строительных смесей началось во второй половине 90-х годов. Темпы прироста объемов выпуска строительных смесей в России составляли 40-45% в год. В настоящее время производство сухих строительных смесей в нашей стране является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений строительной индустрии. Наметившееся в конце девяностых годов увеличение объемов выпуска продукции на существующих предприятиях, а также создание новых заводов, не только не утратило своей позитивной динамики, но и продолжает с каждым годом увеличиваться. Если в 1999г. в России было около 30 предприятий, производящих общестроительные сухие смеси, то сейчас их насчитывается примерно около двухсот. Только в прошлом году появилось 11 компаний по производству этих строительных материалов.
Именно в наши дни, модифицированные сухие смеси сложного состава: шпаклевки, выравнивающие смеси, клеи высокой степени фиксации, и т.д., получают все более широкое распространение в строительстве. Сегодня производство сухих смесей является не только одним из крупнейших сегментов строительного рынка, но и своеобразной испытательной базой, где перспективные разработки, как в области строительной химии, так и специального технологического оборудования подвергаются самой серьезной проверке и апробации.
По словам Евгения Беляева, управляющего Союзом производителей сухих строительных смесей в РФ, на конец 2009 года производство сухих строительных смесей составит около 5,8 мл. тонн, или около 40% от всего объема используемых в строительстве растворов. Ориентируясь на опыт западных производителей ана-
логичной продукции, когда объемы использования сухих смесей в развитых странах составляют до 50% от выпуска растворов, можно прогнозировать дальнейший рост производства сухих смесей. При этом, наметившаяся тенденция повсеместного замещения импорта национальной продукцией, несомненно, будет развиваться. Вместе с тем, первостепенной задачей для отечественных производителей сухих строительных смесей является не только увеличение объемов производства, но и улучшение качества выпускаемой продукции с расширением ассортимента и повышением эффективности использования модифицирующих добавок в составах строительных смесей.
Основными процессами технологической цепочки производства сухих строительных смесей, оказывающих существенное влияние на их эксплуатационные характеристики, является: подготовка сырьевых компонентов, их дозирование и смешивание, распределение малых химических добавок и премиксов в основной массе продукта. Однородность материала, является основой требуемого качества современных строительных смесей. От того, насколько равномерно отдельные компоненты будут распределены в основном объеме смеси, напрямую зависят эксплуатационные характеристики получаемого продукта. Даже небольшое отклонение содержания малых добавок, вызванное плохим их распределением, может негативно сказаться как на физико-механических, так и на технико-эксплуатационных свойствах смеси.
Именно по этим причинам смесительный узел по праву считается наиболее ответственным участком завода по производству сухих строительных смесей. Соответственно, работа смесительного оборудования, является важнейшим шагом на пути получения высококачественного продукта.
Для получения сухих строительных смесей, отвечающих современным требованиям строительной индустрии, на кафедре механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова под руководством к.т.н., доцента Несмеянова Николая Петровича, разработан вертикальный лопастной смеситель периодического действия. Работа смесителя основана на смешивании компонентов сухой строительной смеси за счет встречного движения лопастей вертикального вала и смесительной камеры, а так же подачи воздуха в смесительную камеру. Сочетание встречного движения рабочих органов смесителя и воздуха позволяет создать встречные потоки смешиваемого материала и обеспечить получение качественной сухой строительной смеси. Установленный внутри смесительного корпуса донный сте-ночный скребок позволит быстро произвести разгрузку и отчистит стенки резервуара от налипшей смеси.
На рисунке 1 представлена схема вертикального лопастного смесителя. На раме, распо-
ложенной под углом 18-25°, в подшипниках закреплен смесительный резервуар. От электродвигателя, через клиноременную передачу, резервуару задается вращение, для непрерывной подачи материала в зону смешивания. Перемешивание компонентов смеси осуществляется за счет вращения вертикального вала и лопастей, насаженных на вал. Вал закреплен на неподвижной крышке и так же расположен по углом, как и смесительная камера. При этом ось вала смещена относительно оси смесительного резервуара. Вращение вала осуществляется от собственного привода, состоящего из электродвигателя и клиноременной передачи. Для предотвращения "налипания" сухого материала на внутреннюю часть смесительной камеры в конструкции смесителя предусмотрен стеночный скребок, который отделяет материал от стенки камеры и подает его в зону смешивания. Специально изогнутая форма скребка позволяет быстро произвести разгрузку смеси при вращении смесительного резервуара.
4
Рис. 1. Схема вертикального лопастного смесителя: 1 - основание, 2 - смесительная камера, 3 -лопастной вал, 4 - загрузочный бункер, 5 - привод вала, 6 - отражательная лопасть, 7 - компрессор, 8 - привод смесительной камеры, 9 - механизм выгрузки смесителя. Материал загружается в верхней части сме- оба электродвигателя, заставляя вращаться вер-сительной камеры, после чего начинается про- тикальный вал и смесительный резервуар. При-цесс смешивания. Одновременно включаются чем вращение вала осуществляется в противо-52
Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова положную сторону вращения смесительного резервуара (рис. 2). В результате образуются встречные потоки смешиваемого материала с высокой разностью скоростей. В процессе смешивания в смесительную камеру подается воздух (рис. 3), который изменяет направление движения частиц смешиваемого материала и их
скорости. За счет этого увеличивается равномерное распределение частиц одного материала в объеме другого, что существенно увеличивает качество получаемой смеси. После цикла перемешивания материал выгружается через нижний патрубок.
Движение потока материала от вращения смесительной камеры
Движение потока материала от вращения лопасного вала
Рис. 2. Схема движения потоков материала в вертикальном лопастном смесителе.
Рис. 3. Схема движения воздушного потока в вертикальном лопастном смесителе.
Подача воздуха в смесительную камеру сократит цикл смешивания компонентов строительной смеси.
Использование в технологии цемента эксер-гетического метода анализа и мельниц дискретно-непрерывного действия (МДНД) открывает новые возможности по решению целого ряда задач, поставленных производителями сухих строительных смесей.
Одной из них является возможность применения этого анализа для получения однородной смеси в смесителях, использующих способ пневмомеханического перемешивания.
Методическую основу нового способа стабилизации качества смеси составляет комплексная математическая модель [1], описывающая
эксергетическое превращение потоков и условие достижения Eccc max.
Соблюдение объединяющих критериальных условий из этой модели позволяет обеспечить минимальные энергозатраты и максимальное качество, как при получении цементов, так и смесей на их основе, т.к. в действительности технологии их получения объективно образуют единую систему механо-термо-химического превращения «сырье-композиция-шихта-шлам, мука-клинкер-цемент-изделие», определяющую значения эксергий этих потоков:
Ес^Ек^Еш^Ешл, Ем ^Екл ^Ецем ^ЕССС [2] •
Прикладное значение настоящей работы определяется, прежде всего, возможностью ее непосредственного применения для достижения
оптимальных условий формирования максимального качества смеси. Разработан принципиально новый способ формирования этого качества, заключающийся в стабилизации эксергии используемого цемента, приводящей к дисперсии активности цемента (Д(А28)тт), дисперсии эксергии цемента (Д(Ецем)тт), дисперсии эксергии сухих строительных смесей (Д(ЕССС)тт). Задача решается здесь путем применения в составе смеси адресного цемента, выпущенного на МДНД, и текущего контроля эксергетических характеристик используемого цемента на выходе мельницы и перед подачей его в смеситель.
Рассмотрим достаточно сложную, но типовую смесь, состоящую из цемента двух видов (Ц1, например, СЕМ-42,5Я « 16% и Ц2, например, СЕМ1-52,5К « 24%); песка «П» - 0388 « 50% и условных добавок «Дц0б» «10%. В таблице 1 представлены экспериментальные эксерге-тические характеристики различных цементов, полученные при их выпуске на МДНД на ОАО «Осколцемент». Колебания активности этих цементов получены расчетным путем и принимались достаточно высокими и равными 5% от минимальной нормативной прочности через 28 суток. Эксергия такой смеси из цементов Ц1 и
Ц2 определяется из выражений (1, 2, 3). Е(ССС)=0,16-Е(Ц1)+ 0,24-Е(Ц2)+0,5-Е(П)+0,1-Е(Д) (1)
Е(ССС)=0,4[0,4-Е(Ц1)+0,6-Е(Ц2)]+ 0,5-Е(П)+0,1-Е(Д) (2)
Е(ЦЗ)оСр=0,4[0,4-Е(Ц1)+0.6(Ц2)] (3)
Все характеристики осредненного цемента Ц3оср, полученного от смешения Ц1 и Ц2 определяются следующими неравенствами (4-8), их осредненные значения даны в таблице 1:
где
Ц1<Ц3<Ц2 Э(Ц2)>Э(Ц1); Ст(Ц2)>Ст(Ц1); Д[А28(Ц2)]>Д[А28(Ц1)];
Э(Ц2)>Э(Ц3)=Э(Ц1) Ст(Ц2)>Ст(Ц3)=Ст(Ц1) А28(Ц2)> А28(Ц3)> А28(Ц1)
Е Е
цем (ЦЦ 2) > цем
(Ц3) >
(Ц1)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
¿ср ¿ср
Э - удельный расход электроэнергии на выпуск 1 т цемента; Ст - стоимость цементов.
Таблица 1
№№ п/п Параметры, обозначения Размерность Цемент
Ц1 Ц2 Ц3
1 2 3 4 5 6
1 Тип цемента, класс прочности Портландцемент СЕМ1-42,5Я СЕМ1-52,5М 42,5<Ц3<52,5
Осредн Экспер.
2 Е кДж/кг 1136 1136 1136 1184,3 1108,8
3 Е -^цем кДж/кг 7422 8077 7815 7696 7984
4 ¿ср мкм 25,5 20,7 22,6 22,5 20,02
5 Е /Н цем ср кДж/кг-мкм 290 390 350 349 399
6 А28 МПа 58,1 61,4 60,0 64,6 56,9
7 Д(А28) МПа2 4,52 6,89 5,942 - -
Из рассмотренных семи параметров цемента (табл. 1) в ходе перемешивания в пневмомеханическом смесителе меняется параметр Д(А28) от исходной осредненной дисперсии Д(А28, Ц3)=5,942 до величины Дгот(Ц3), определяемой при конкретном смесителе только временем перемешивания цементов Ц1 и Ц2. Предложенные зависимости (1-8) позволяют на основе эксерге-тического анализа оценивать эффективность перемешивания и качества смесей.
Стабилизация качества смеси осуществляется следующим образом. Постоянно в течение времени подготовки исходной смеси отбирают пробы поступающих в смеситель двух цементов
и других компонентов смеси, определяют их эксергетические характеристики 1-4 [1] и сравнивают с заданными значениями. При их отклонениях меняют количество поступающих Ц1 и Ц2 и при крайней необходимости - соотношение цемента с песком. Принципиально новым в этой части исследований является использование эк-сергетического анализа (ЭА) при текущем контроле цемента, других компонентов и полученной смеси. Время анализа и расчета параметров (1-4 [1], 1-8) примерно равно общему времени подготовки всего состава смеси, что делает возможным их использование для управления процессом.
Таким образом, впервые представлена возможность реализовать технологическую обратную связь между готовым изделием потребителя (ССС) и входящим в его состав основным компонентом - цементом изготовителя. При этом достигаются минимальные энергозатраты и максимальное качество смеси.
Сочетание эксергетического анализа и пневмомеханического способа перемешивания позволит получать строительную смесь с высокими потребительскими качествами при одновременном снижении затрат электроэнергии на получение готовой продукции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Несмеянов, Н.П. Выпуск цемента с эксергией по требованию потребителя для сухих строительных смесей/ Несмеянов Н.П.// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2009. - №3. - С. 40.
2. Вердиян, М. А. Эксергетический анализ процессов химической технологии (на примере технологии цемента)/ М. А. Вердиян, Д. А. Бобров, Е. В. Те-кучева, И. М. Тынников, Н. П. Несмеянов, Р. Т. Лук-манов, С. И. Перунов// - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. - 68 с.
