Steam curing of silicate brick in autoclave Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.316

Г.В. КУЗНЕЦОВА, инженер ([email protected])

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

Запаривание силикатного кирпича в автоклаве

Приведен анализ и результаты исследований режимов запаривания силикатного кирпича-сырца. Расширение номенклатуры силикатного кирпича, и в частности производство цветного кирпича, требуют нового подхода к технологии. Рассматривается этап подачи пара в автоклав или уже новой отдельно выделенной стадии пропаривания кирпича при атмосферном давлении. Приведены характеристики пара на стадии от 0 до 0,1 МПа. Проанализированы варианты нагревания изделия в автоклаве в виде графиков.

Ключевые слова: силикатный кирпич, силикатные изделия, автоклав, автоклавная обработка.

G.V. KUZNETSOVA, Engineer ([email protected])

Kazan State University of Architecture and Engineering (1 Zelenaya Street, 420043, Kazan, Russian Federation)

Steam Curing of Silicate Brick in Autoclave

The analysis and results of the study of conditions of silicate adobe brick steam curing are presented. Expansion of the range of silicate brick and manufacture of color brick In particular, requires a new approach to the technology. The stage of steam supply into the autoclave or the new separate stage of brick steam curing at atmospheric pressure is considered. Steam characteristic at the stage of 0-0,1 MPa is given. Variants of the product heating in the autoclave are analyzed in the form of graphs.

Keywords: silicate brick, silicate products, autoclave, autoclave curing.

Автоклавная обработка силикатного кирпича и изделий является завершающим этапом технологии. В этом процессе происходит синтез искусственного силикатного камня, качество структуры которого определяет эксплуатационные показатели силикатных материалов. Автоклавная (гидротермальная) обработка или, как ее часто называют, запаривание, была запатентована В. Михаэлисом в 1880 г. [1] и является одной из важнейших операций. Ее режимы напрямую влияют на такие качественные характеристики готового продукта, как морозостойкость, прочность при сжатии, внешний вид изделий (потеки, трещины, вздутия). Базовое понимание процессов, происходящих в автоклаве, важно как при полностью автоматическом регулировании работы автоклава, так и при ручном управлении (рис. 1).

А.В. Волженский разделил процесс запаривания изделий в автоклавах на три основные стадии (рис. 2). Первая стадия начинается с момента впуска пара в автоклав и заканчивается при наступлении равенства температуры пара и обрабатываемых изделий. Вторая стадия характеризуется постоянством температуры и давления в автоклаве. Третья начинается с момента прекращения доступа пара в автоклав и заканчивается при выгрузке изделий из автоклава [2].

В соответствии с существующими работами по технологии силикатного кирпича Т.Г. Мухиной, М.П. Вах-нина, А.А. Анищенко и Л.М. Хавкина [1, 3, 4] процесс автоклавной обработки также делится на три стадии. До определенного времени такое деление режима автокла-вирования всех устраивало. Даже изобрели так называемый пиковый режим, когда в автоклаве поднимают давление и затем его герметично закрывают (рис. 3). Давление в автоклаве при таком режиме снижается само по себе. Идет медленное остывание во влажной среде. Изделия при этом выходят из автоклава очень влажными, поры на 90% заполнены водой. Обычно влажность кирпича на выходе из автоклава составляет 4% при снижении давления по обычному режиму. Это обусловлено

Таблица 1

Характеристики пара

Давление пара (абсолютное), кгс/см2 0,0062 0,0238 0,0573 0,1258 0,2031 0,3177 1,033 2,025

Температура пара, оС 0 20 35 50 60 70 100 120

Рис. 1. Операторная запаривания кирпича

тем, что выходящий пар уносит с собой влагу из порово-го пространства и таким образом подсушивает кирпич. При медленном снижении давления в герметично закрытом автоклаве влажность кирпича на выходе составляет 10-12%.

Автоклавная обработка цветного силикатного кирпича по пиковому режиму приводит к снижению прочности от 15 до 37%, а интенсивность окраски кирпича, полученного при таком режиме, не отличается от кирпича при обычном режиме ТВО [5].

С целью экономии пара на производствах стали делать перепуск пара из одного автоклава (источник) в другой (приемник). Перепускной пар при этом переходит в другой автоклав, но давление, как правило, в автоклаве-приемнике поднимается незначительно -0,1-0,2 МПа (рис. 4). Отработанный пар (мягкий пар) нагревает изделия в автоклаве. Таким образом, появилась стадия перепуска, подъема давления, изотермической выдержки, перепуска в другой автоклав и снижения температуры и давления.

Основным параметром теплоносителя водяного пара является температура, а не давление.

10

октябрь 2015

J^j ®

Рис. 2. Три основных стадии автоклавной обработки по А.В. Волженскому Рис. 3. Пиковый режим автоклавной обработки

Р МПа 1,6 1,5

t, °с ' 190 180

- f —1

- - \ 7* 1/0 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 ^ 2П

1 1

1 \

L

V

J У

ч f \

1 )

г

/ \

/ 1

/ / i

\

/ }

01 2345678 9 Т, ч

1,4 1,3 1,2 1.1

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о

Рис. 4. График автоклавной обработки с перепуском пара

После загрузки автоклава и при переходе на режим запаривания крышки автоклава должны быть закрыты, а задвижки выпуска конденсата и выпуска пара в атмосферу открыты независимо от фактического начала цикла запаривания в автоклаве [2]. Разогрев происходит главным образом благодаря конденсации горячего пара на относительно холодной поверхности кирпича сырца, температура которого в начале процесса ниже температуры насыщенного пара. Образующийся конденсат переносит тепло кирпичу-сырцу. Конденсация на поверхности твердого тела насыщенного или перегретого пара происходит при температуре поверхности, которая меньше, чем температура насыщения пара при его равновесном давлении над ней. Конденсация воды из пара может происходить как в виде капель, так и в виде водяных пленок. При капельной конденсации конденсат осаждается в виде отдельных капель, а пленочный режим конденсации сопровождается образованием сплошной пленки жидкости. При оседании пара на поверхности твердого тела, хорошо смачивающейся конденсатом, образуется сплошная пленка жидкости; на поверхности, не смачивающейся конденсатом или смачивающейся частично, образуются отдельные капли. В какой форме это происходит, зависит в первую очередь от разности температуры между паром и кирпичом-сырцом [6].

Внимательное рассмотрение диаграмм самописцев на автоклавах показало наличие стадии прогрева изделия в автоклаве. Это стадия подачи пара в автоклав, вытеснения воздуха из автоклава и слив конденсата в конденсатоотводную линию. Как правило, на этой стадии давление не может подняться из-за того, что авто-

Рис. 5. График автоклавной обработки с перепуском пара при установлении сообщения автоклава-приемника с атмосферой

клав открыт для отвода конденсата. Эта стадия получила название «пропаривание при атмосферном давлении». Следовательно, получаются следующие этапы теплового режима автоклава:

1. Пуск пара, нагрев изделия и пропаривание при атмосферном давлении.

2. Подъем температуры и давления.

3. Изотермическая выдержка при постоянных значениях температуры и давления.

4. Снижение температуры и давления.

Первый этап автоклавной обработки имеет большое значение в технологии ячеистого бетона, где надо нагреть высокопористый теплоизоляционный материал. Технология ячеистого бетона использует продувку автоклава паром, о чем свидетельствует СН 277—80, или замедленный нагрев с вакуумированием. Наличие в паре воздуха или других неконденсирующихся в данных условиях газов резко снижает теплоотдачу. Например, наличие в паре 1% воздуха снижает теплоотдачу на 60%. Это происходит, потому что воздух (или другой газ) возле поверхности не конденсируется, а накапливается и остается у поверхности тонким слоем, через который молекулы пара вынуждены диффундировать.

Давление в автоклаве сохраняется на уровне атмосферного до тех пор, пока средняя температура в нем не достигнет 100оС. Этот период является, по существу, периодом пропаривания сырца без давления [1]. Если автоклавируются остывшие ячеистые изделия температурой ниже 70оС или в холодном автоклаве (после перерыва в работе), то продолжительность вакуумирования (продувки) увеличивается до 1 ч [2].

fj научно-технический и производственный журнал

® октябрь 2015 ТТ

Рис. 8. График автоклавирования цветного кирпича с низким давлением 0,7 МПа и подъемом температуры в течение 3 ч

Ю.М. Баженов [7] отмечал, что возникновение избыточного давления в изделии зависит от режима прогрева. Изделие нагревается с поверхности и избыточное давление в первую очередь возникает у его поверхности. При медленном нагреве избыточное давление бывает очень небольшим, так как миграция и диффузия пара способствуют уменьшению избыточного давления. При очень быстром нагреве изделий эти факторы не успевают проявляться в должной мере и избыточное давление резко возрастает, что в ряде случаев приводит к непоправимым дефектам и браку, в частности к вспучиванию поверхности.

В производстве силикатного кирпича скорость нагрева стенок автоклава с соблюдением требований Госгортехнадзора и технологических требований не должна превышать 2оС в минуту до температуры 133оС и 1,5оС при более высокой температуре. В противном случае в результате значительной разности температуры на поверхности изделия и внутри его могут возникнуть значительные температурные напряжения, которые вызовут разрушение структуры сырца.

В 1984—1985 гг. на Рязанском, Калининском и Калужском заводах силикатного кирпича первый этап автоклавной обработки был проведен по двум термодинамическим процессам. Запаривание производилось по изохорному процессу при постоянном объеме или перепуске пара в герметизированный автоклав-приемник и по изобарному процессу при постоянном давлении или при перепуске пара в автоклав, сообщающийся с атмосферой. При автоклавной обработке около 45% тепловой энергии аккумулируется кирпичом и свободным объемом автоклава и может быть частично рекупериро-

Рис. 9. График автоклавирования в длинных автоклавах. Время нагрева увеличивается до 2 ч

вано. Наиболее распространенным способом рекуперации тепла является перепуск пара из автоклава, в котором завершился процесс твердения, в автоклав, в котором начинается процесс запаривания. При отсутствии в автоклаве источника конденсата основное количество перепускного пара (более 90%) образуется в результате испарения влаги из кирпича в период снижения давления за счет аккумулирования им тепла.

При производстве обычного белого кирпича перепуск осуществляется при герметизированном автоклаве-приемнике. В этом случае в системе остается значительное количество воздуха, парциальное давление которого может достигнуть 0,15—0,18 МПа, что приводит к соответствующему повышению остаточного давления в автоклаве-источнике и к значительному снижению эффективности перепуска. Время перепуска, как правило, ограничено и составляет 30—40 мин.

Проведение перепуска при установлении сообщения автоклава-приемника с атмосферой позволяет получить более эффективный перепуск пара. При этом давление в автоклаве-приемнике в течение всего процесса перепуска пара практически равно атмосферному давлению, и при одинаковом конечном перепаде давления между ним и автоклавом-источником эффективность рекуперации тепла повышается (рис. 5).

Хотя автоклав-приемник соединен с атмосферой, поступающий в него пар практически полностью конденсируется и утечка пара незначительна. Ряд проведенных ранее проверок показал, что давление в автоклаве-источнике к концу перепуска может быть доведено до 0,16—0,2 вместо 0,27—0,33 МПа (табл. 2). Температура нагрева сырца составляет 41—56 вместо 30—40оС.

научно-технический и производственный журнал Е^ТЯО/ГГ~ J\ilг\i>\Z 12 октябрь 2015

р МПа' 1,6 1,5 1,4 1.3 1.2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 _ t,°C 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 L-?o

\

i

\

L

1 \

/ \

i 1

t \

i J

/ ( 1

I \

L я» J 1

Рис. 10. График автоклавирования для автоклава 17-19 м; время нагрева должно составлять 0,5-1 ч

Такой прием перепуска или запаривания острым паром называют продувкой. Наилучшие результаты теп-лообработки изделий получаются при предварительной продувке автоклава, так как повышается коэффициент теплопередачи и ликвидируются застойные зоны. Для увеличения рекуперации тепла последующий подъем температуры (давления) в автоклаве-приемнике следует вести с максимально возможной скоростью, что позволит не увеличивать общую продолжительность подъема температуры.

Производство цветного кирпича обнажило проблему появления потеков белого цвета на цветных поверхностях. Детальная разборка привела к проблеме низкой температуры сырца. Первая стадия автоклавирования и приобрела первостепенное значение. Правильное ведение этого процесса — залог получения качественной продукции (рис. 6).

На одном из силикатных заводов в современных условиях пришлось наблюдать при температуре воздуха вне помещения +350С и немного ниже в цехе кирпич белый и желтый, поверхность которого на 100% покрыта потеками белого цвета. Внимательное изучение режима запаривания участка автоклавирования, а это оказалось непростой задачей, так как отсутствовали приборы контроля за процессом ТВО, показало как раз пренебрежение первой стадией запаривания (рис. 7).

Вымывание извести из кирпича на первой стадии делает свое дело. Проведены сравнения разных режимов запаривания белого и цветного кирпича (табл. 3).

Исследования длительности нагрева, проведенные с желтым кирпичом, выявили, что передержка более 1 ч или перегрев кирпича-сырца при температуре 100оС приводит к потемнению поверхности цветного кирпича.

Сейчас на практике на ряде заводов для автоклави-рования цветного кирпича используют низкое давление

Таблица 2

Результаты термодинамических процессов

Термодинамические процессы

Изохорный Изобарный

Давление в автоклаве-источнике, МПа 0,27-0,33 0,16-0,2

Температура нагрева сырца в автоклаве, оС 30-40 41-56

Количество рекуперированного тепла, кДж/цикл 1,9-2,2 103 2,6-3,3 103

0,7 МПа и подъем в течение 3 ч (рис. 8). Здесь наблюдается снижение скорости подъема температуры в автоклаве, а не снижение температуры автоклавной обработки, так как температуростойкость современных пигментов составляет не менее 2000С.

В производстве силикатного кирпича применяются автоклавы диаметром 2 м и длиной 17, 19, 21 и 40 м. В автоклавах длиной 17,19, и 21 запаривают кирпич, а в автоклавах длиной 40м — многопустотные камни и одинарный кирпич. Сейчас новые и переоборудованные старые заводы с автоклавами длиной 40 м делают цветной утолщенный кирпич.

Процесс первой стадии в таких автоклавах обусловил определенные трудности. Длинные автоклавы имеют преимущество перед короткими, так как позволяют упростить их обслуживание, уменьшить производственные площади. Как правило, такие автоклавы используют в Китае и в Германии, а как известно, ни в той, ни в другой стране не производят цветной силикатный кирпич. В Китае заводы силикатного кирпича утилизируют золу и шлак, получаемый кирпич не используется в облицовке.

В сорокаметровых автоклавах помещается 33 вагонетки. Время заполнения автоклава при двух работающих прессах доходит до 4 ч и более. Как правило, рекомендуемые параметры среды в накопительных камерах—относительная влажность 85—100% и температура 20—250С — и не выдерживаются. Кирпич-сырец остывает. По опыту заводов время нагрева кирпича в длинных автоклавах доходит до 2 ч (рис. 9). Наиболее приемлемой длиной автоклава для цветного кирпича с учетом первой стадии запаривания остается 17—19 м и время нагрева должно составлять 0,5—1 ч (рис. 10).

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Режим запаривания кирпича-сырца необходимо считать многостадийным.

2. Первой стадией запарки считается пропаривание при атмосферном давлении.

3. Первая стадия имеет большое влияние на качество цветного кирпича.

Таблица 3

Влияние режима продувки на автоклавную прочность кирпича

Вид пигмента Максимальное давление в автоклаве, МПа Максимальная температура в автоклаве, оС Время этапов, ч Цикл, ч Предел прочности при сжатии, МПа

Неокрашенный 0,7 0,8 0,9 169 174 179 2+6+2 2+6+2 2+6+2 0 0 0 16,6 20,4 25,1

0,9 179 0,5 (изобарный процесс) +1,5+6+2 10 32,2

Желтый железоокисный 0,7 0,8 0,9 169 174 179 2+6+2 3+6+2 2+6+2 2+6+2 10 11 10 10 16,4 16,6 17 20,2

0,9 179 0,5 (изобарный процесс) +1,5+6+2 10 26,5

Ы ®

октябрь 2015

13

4. Первая стадия может быть осуществлена продувкой или медленным прогревом до температуры 60оС.

5. Наилучшие результаты тепловой обработки изделий получаются при предварительной продувке автоклава или изобарном процессе, так как повышается коэффициент теплопередачи и ликвидируются застойные зоны.

6. Температура нагрева кирпича-сырца при изобарном процессе перепуска составляет 41—56 вместо 30— 40оС при изохорном.

7. Время нагрева зависит от температуры изделий и размеров автоклава.

8. Повышение температуры нагрева более 100оС приводит к сушке поверхности и изменению цвета.

Список литературы

1. Хавкин Л.М. Технология силикатного кирпича. М.: Эколит, 2011. 384 с.

2. Сажнев. Н.П, Сажнев Н.Н., Сажнева Н.Н., Голубев Н.М. Производство ячеисто-бетонных изделий. Теория и практика. Минск: Стринко, 2010. 464 с.

3. Мухина Т.Г. Производство силикатного кирпича. М.: Высшая школа, 1967. 179 с.

4. Вахнин М.П., Анищенко А.А. Производство силикатного кирпича. М.: Высшая школа, 1989. 200 с.

5. Кузнецова Г.В., Санникова В.И. Влияние условий тепловлажностной обработки на качество цветного силикатного кирпича // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 36-39.

6. Рудченко Д.Г. Автоклавная обработка изделий из ячеистого бетона // ВесьБетон: электронный журнал. https://www.allbeton.ru/article/33/15.html (дата обращения 20.08.2015).

7. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ, 2002. 500 с.

References

1. Khavkin L.M. Tekhnologiya silikatnogo kirpicha [Technology of sand-lime brick]. Moscow: Ekolit. 2011. 384 p.

2. Sazhnev. N.P, Sazhnev N.N., Sazhneva N.N., Golu-bev N.M. Proizvodstvo yacheistobetonnykh izdelii. Teoriya i praktika [Production of cellular concrete products. Theory and practice]. Minsk: Strinko. 2010. 464 p.

3. Mukhina T.G. Proizvodstvo silikatnogo kirpicha [Production of lime-sand brick]. Moscow: Vysshaya shkola. 1967. 179 p.

4. Vakhnin M.P., Anishchenko A.A. Proizvodstvo silikatnogo kirpicha [Production of lime-sand brick] Moscow: Vysshaya shkola. 1989. 200 p.

5. Kuznetsova G.V., Sannikova V.I. Influence of Hydrothermal Treatment on Quality of Colored Silicate Brick. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 9, pp. 36-39. (In Russian).

6. Rudchenko D.G. Autoclave treatment of products from cellular concrete. Ves'Beton: elektronnyi zhurnal (date of access 20.08.2015). (In Russian).

7. Bazhenov Yu.M. Tekhnologiya betona. Moscow: ASV. 2002. 500 p.

VIII Международная конференция

НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

N70-2016

Внимание! Изменились даты проведения конференции!

18-23 марта 2016 г.

Организаторы конференции

Национальный исследовательский центр жилья и строительства (HBRC) Египетско-российский университет ^^ Ижевский государственный технический университет ^ им. М.Т. Калашникова

Египетский союз инженеров

Шарм-эль-Шейх, Египет

Тематика конференции

Нанокомпозиты в строительных материалах Нанотехнологии в строительстве Защита от пожара с помощью наночастиц Нанотехнологии в кондиционировании воздуха Наноструктурирующие материалы в архитектуре

Производство лакокрасочных материалов с нанодобавками Нанотехнологии стеклах и керамики Нанотехнологии для энергоэффективности в зданиях Моделирование нанокомпозитов Модификация минеральных вяжущих наносистемами

Информационная поддержка - журнал «Строительные материалы»®

Сайт конференции: http://inter.istu.ru/russian/nano_r.html

Строительные Материалы'

Контактная информация в России

Профессор Григорий Иванович Яковлев ИжГТУ им. М.Т. Калашникова 426069 Ижевск, ул. Студенческая, 7 E-mail: [email protected] Тел.: 8-91285666688. Факс: +7(3412)59 25 55

Контактная информация в Египте

Профессор Шериф Солиман Хелми Египетско-российский университет Cairo High Road, Bard City-Suez E-mail: [email protected] Тел.: +20(02)28643349, (02)28643341. Факс:+20(02)28643332

14

октябрь 2015

iA ®