CC BY
25УДК 666.913
Х. ВЕТЕГРОВЕ, дипломированный инженер, руководитель отдела гипсовых технологий компании Claudius Peters Projects GmbH (Германия)
Улучшение качества гипсового вяжущего на основе технологии SmartGyp Process компании Claudius Peters
В промышленности используются различные технологии кальцинации (обжига) для преобразования дву-водного гипса (гипсового сырья) в гипсовый полугидрат. В большинстве случаев передача энергии, необходимой для проведения эндотермической реакции дегидратации гипса, происходит при относительно сухих условиях, атмосферном или близком к атмосферному давлении и температуре 120—180оС. Получаемый гипсовый полугидрат ß-модификации является основой для наиболее массово производимых строительных материалов на основе гипса (гипсокартонные листы, гипсовые блоки или штукатурные смеси).
В другой группе технологий применяется влажный способ передачи энергии для кальцинации — при высоком давлении водяного пара и частом использовании автоклавного способа с периодическим режимом работы. Произведенный таким образом полугидрат а-модифи-кации состоит из хорошо сформировавшихся, компактных и относительно крупных первичных кристаллов, которые придают продукту увеличенные сроки схватывания, сниженное водопотребление и повышенную прочность производимого из него материала. Вследствие высоких инвестиционных и эксплуатационных затрат использование а-полугидрата ограничивается областями, где прочность продукта является ключевым требованием к качеству, например для формовочного гипса.
Дальнейшая обработка ß-полугидрата с помощью гомогенизатора — это экономически эффективный способ улучшения качества строительного гипса. Новое поколение гомогенизаторов Claudius Peters с технологией SmartGyp Process также открывает возможность крупномасштабного эффективного производства высокопрочного гипса и строительных материалов на его основе.
Кальцинация гипса
Для кальцинации CaSO4-2H2O в ß-CaSO4-0,5H2O применяются различные технологии, и выбор в пользу той или иной технологии может быть сделан в зависимо-
Таблица 1
Свойства Единицы измерения ß-CaSO4-0,5H2O a-CaS04-0,5H20
Кристаллическая структура Растрескавшиеся вторичные кристаллы Плотные первичные кристаллы
Удельная поверхность по ВЕТ м2/г ~ 9-12 ~ 4,5
Плотность материала кг/м3 ~ 2619 2757
Водогипсовое отношение 0,65-0,75 ~ 0,4
Прочность на растяжение при изгибе Н/мм2 ~ 5 ~ 12
Прочность при сжатии Н/мм2 ~ 11 ~ 45
Начало схватывания мин 4-10 ~ 10
Теплота гидратации кДж/ кг 111,9 99,7
Растворимость в воде при 20оС г/кг 8,8 6,7
сти от условии производства, таких как тип сырьевого материала, имеющейся энергии, производительности установки, степени автоматизации, требования технического обслуживания и других факторов [1]. В результате применения этих технологий происходит получение Р-Са804-0,5Н20 с набором строительно-технических свойств, которые могут отличаться в зависимости от технологии производства (табл. 1). Из-за морфологических различий водопотребление слоистых, с зазубринами, чешуйчатых вторичных кристаллов Р-Са804-0,5Н20 выше, а прочность продукта ниже по сравнению с компактными и относительно крупными первичными кристаллами а-Са8040,5Н20. Существует прямая взаимосвязь (рис. 1) между водопотреблением и удельной поверхностью гипсового вяжущего [2]. Сниженная удельная поверхность гипсового вяжущего указывает на компактную кристал-
Рис. 1. Зависимость водогипсового отношения от удельной поверхности по ВЕТ для синтетического гипса: О - гипс I, произведенный по непрерывной технологии; - гипс I, произведенный по периодической технологии I; 4 - гипс I, произведенный по периодической технологии II; - гипс II, произведенный по периодической технологии
научно-технический и производственный журнал
июль 2012
37
Рис. 2. Система кальцинации гипса на основе мельницы Claudius Peters с встроенным гомогенизатором и системой пневматического всасывающего охладителя
Рис. 3. Гомогенизатор Claudius Peters
лическую структуру, как в a-CaSO4-0,5H2O, которая обеспечивает снижение водопотребления гипса. Снижение водопотребления, в свою очередь, приводит к повышенной прочности при сжатии и изгибе.
Старение
Свежекальцинированный P-CaSO4-0,5H2O изменяет характеристики при продолжительном хранении или перевалке. Этот эффект известен как естественное старение и основан на взаимодействии гипса с влагой окружающей среды. Кальцинированный гипс после технологического процесса не является чистым гипсовым полугидратом, он также включает безводный гипс, главным образом в форме AIII (растворимый ангидрит), а также некальцинированный гипс, который остается в форме гипсового дигидрата. Присутствие влаги делает возможным обратное преобразование ангидрита в полугидрат, а при достаточной влажности и времени контакта — даже назад в дигидрат. Это обратное преобразование происходит преимущественно у трещин и пор разрушенного полугидрата, приводя к покрытию и заполнению этих пустот. Удельная поверхность по ВЕТ снижается, в результате чего также изменяются другие характеристики продукта. В природном старении этот процесс может занимать часы или даже сутки с труднопрогнозируемыми параметрами качества продукта. По этой причине во многих случаях для дальнейших технологических процессов производители предпочитают работать непосредственно со свежекальцинированным гипсовым вяжущим.
Как сделать
хороший строительный гипс еще лучше
В процессах искусственного старения описанные выше эффекты могут стимулироваться и иметь контролируемую длительность, для того чтобы стабилизиро-
вать продукт и воспользоваться преимуществами старения, например сниженной поверхностью по BET и впоследствии сниженным водопотреблением и повышенной прочностью продукта.
Параметры, влияющие на процесс искусственного старения:
— количество и тип влаги (пар, вода);
— температура обработки;
— давление обработки;
— время обработки;
— вспомогательные добавки.
Для процесса управляемого искусственного старения необходимо найти оптимальный баланс между параметрами пара, воды, температуры и давления обработки. Поскольку эффект старения базируется на реакции кальцинированного гипса с водой, ее повышенное содержание, переносимое к полостям и трещинам, будет усиливать этот эффект. Однако в то время, как с одной стороны, большее количество воды будет стимулировать старение, с другой — слишком большое количество воды может приводить к увеличению количества двуводного гипса, в свою очередь влияющему на другие характеристики продукта, такие как сроки схватывания гипсового теста.
Повышенное рабочее давление будет способствовать процессу старения, влияя на интенсивность и время обработки, так как давление водяного пара в гомогенизаторе позволяет улучшить адсорбцию и конденсацию воды в трещинах и пустотах.
Увеличение времени обработки будет способствовать процессу старения, т. е. преобразованию вовлеченных гипсовых фаз.
Добавки также могут влиять на технологический процесс, но не будут рассматриваться в этой статье.
Также форма кристаллов может значительно влиять на реологию гипсового теста и на такие его характери-
Таблица 2
Свойства Единицы измерения Перед гомогенизатором После стандартного гомогенизатора После гомогенизатора под давлением
Удельная поверхность по BET м2/г ~ 9-12 ~ 7 ~ 4
Водогипсовое отношение 0,65-0,75 ~ 0,6 ~ 0,54
Прочность при сжатии Н/мм2 ~ 11 ~ 16 ~ 32
Содержание связанной воды % 5,5-6,2 ~ 6,2 ~ 6,4
Содержание растворимого ангидрита % 5-10 ~ 1 Ниже порога обнаружения
38
научно-технический и производственный журнал
июль 2012
jVJ ®
Рис. 4. Система кальцинации гипса с встроенным гомогенизатором и системой пневматиче- рис 5 гОМОГеНи3аТОр на предприятии GIPS AD ского всасывающего охладителя на предприятии G|pS AD (Видин, Болгария) (Видин, Болгария), производительность 14 т/ч
стики, как водопотребление. Это характерно для игольчатого типа кристаллов, встречающегося в фосфогипсе. Механическое разрушение такой кристаллической формы снижает водопотребление [3].
Управление вышеприведенными параметрами оптимизирует качество, т. е. требуемые характеристики строительного гипса, позволяя производить стабилизированный строительный гипс со значительным снижением водопотребления и высокой прочностью, полностью соответствующий по качеству a-CaSO4-0,5H2O.
Технология SmartGyp Process
Развивая концепцию искусственного старения, компания Claudius Peters разработала технологию, позволяющую улучшить следующие параметры при производстве гипса:
— гомогенизацию качества продукта;
— стабилизацию продукта;
— снижение водопотребления;
— снижение стоимости производства;
— увеличение прочности продукта.
Ключевым компонентом в этом процессе является гомогенизатор Claudius Peters. Гомогенизатор поставляется в стандартной модификации (без давления) и в специальной модификации с повышенным давлением. На рис. 2 показана технология SmartGyp Process, в которую гомогенизатор включен в систему кальцинации на основе мельницы Claudius Peters. Свежекальцинированный гипс поступает в непрерывном режиме из фильтра кальцинации при температуре кальцинации и вводится в гомогенизатор. С той же производительностью обработанный гипс выгружается из гомогенизатора, в данном случае к последующему процессу охлаждения. Уровень гипса в гомогенизаторе обеспечивает обработку гипса в течение определенного времени. Вода может подаваться в гомогенизатор в виде влаги с газами технологического процесса из установки кальцинации, а также в виде пара и/или при непосредственном распылении непосредственно в гомогенизаторе.
В стандартном гомогенизаторе введенные газы обеспыливаются фильтром технологического процесса, для находящегося под давлением гомогенизатора клапан управления давлением будет контролировать требуемое давление и отводить избыточное количество газа в фильтр.
Гомогенизатор представляет собой вертикальный реактор, днище которого оснащается тканью, способствующей равномерному распределению газа псевдоожижения (рис. 3). Благодаря псевдоожиженному со-
стоянию гипс может легко перемещаться в реакторе и интенсивно контактировать с привнесенной влагой. Кроме того, центральная вертикальная труба реактора получает дополнительное количество воздуха, что позволяет транспортировать гипс от днища к верхней секции гомогенизатора, интенсифицируя смешивание и гомогенизацию продукта.
Как было описано выше, давление может значительно влиять на характеристики продукта. При использовании гомогенизатора под давлением в технологии SmartGyp Process максимально улучшается продукт на основе непрерывного процесса с управляемыми условиями старения:
— уровень материала в гомогенизаторе под давлением определяет время обработки;
— клапан управления давления регулирует давление;
— регулировка смеси пара, газа технологического процесса и воды позволяет контролировать температуру процесса, а также количество и параметры влаги.
Показанное на рис. 2 включение технологии SmartGyp Process в систему кальцинации возможно для большинства систем кальцинации, как для новых установок, так и для улучшения существующих.
Применение и преимущества
Обеспечение стабильно высокого качества строительного гипса очень важно, но при колебаниях качества сырьевого гипса и/или различиях в настройках кальци-натора такую стабильность трудно обеспечить.
Рис. 6. Гипсовый завод GIPS AD (Видин, Болгария)
rj научно-технический и производственный журнал
М ® июль 2012 39"
Технология SmartGyp Process выравнивает колебания параметров благодаря смешиванию, гомогенизации и старению строительного гипса. Нестабильные фазы сокращаются, и природное старение в продукте приостанавливается. Такая стабилизация обеспечивает надежный продукт с высокими показателями качества гипса.
В табл. 2 приведены характеристики гипсового вяжущего, полученного с применением технологии SmartGyp Process. В гомогенизаторе под давлением получается гипс с настолько высокой прочностью, что его можно применять в производстве формовочного материала, где традиционно используется более дорогой автоклавный а-полугидрат.
Описанные выше улучшения являются также полезными для производства гипсокартонных листов или блоков. Равномерное качество гипсового вяжущего является большим преимуществом для процесса формования качественных листов. Снижение водопо-требления при сохранении консистенции теста позволяет сэкономить как на объеме потребляемой воды, так и на затратах на сушку листов, при которой избыточная вода должна быть удалена из изделия. Снижение водопотребления на 6—10% у станции формования может привести к экономии тепла на 8—12% для сушки листов. Схожие преимущества наблюдаются при производстве гипсовых блоков и других конечных продуктов.
Гомогенизатор может быть установлен в большинстве систем кальцинации и практически с любой производительностью в диапазоне 0,5—100 т/ч.
На рис. 4—6 показано новое производство строительного гипса компании Gips AD около г. Видин в Болгарии. Данная концепция установки, использующая только технику Claudius Peters, является примером работающе-
го гомогенизатора в промышленности. Установка спроектирована для получения строительного гипса производительностью 14 т/ч. В этой установке гомогенизатор полностью использует влагу и теплоту, поступающую с процесса кальцинации. Охлаждение строительного гипса выполняется системой пневматического всасывающего охладителя, одновременно транспортирующего строительный гипс в силос хранения. С помощью двух-штуцерного рядного упаковщика Claudius Peters и укладчика на поддоны продукт готовится к отгрузке в традиционных клапанных мешках. Альтернативой является отгрузка в биг-беги или навалом.
Обработка гипса после кальцинации является ключевым усовершенствованием процесса. Увеличение стоимости топлива наряду с возрастанием конкуренции на рынке предъявляет новые требования к эффективности производства и получаемому качеству гипса. Технология SmartGyp Process не только позволяет сберечь энергию, но и дает возможность увеличения ассортимента продукции. Стабильная продукция с необходимыми для потребителя параметрами — это важная предпосылка для увеличения продаж.
Список литературы
1. Brosig A. Calcining System Choice // Global Gypsum Magazine. April 2003. Pp. 24-28.
2. Hilgraf P.:Quality improvement of ß-plasters // Cement Kalk Gyps (ZKG). 2011. № 6. pp 38-50.
3. Ветегрове Х. Гомогенизатор Claudius Peters — гипсовая технология для снижения затрат и повышения качества // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 2—4
Claudius Peters Projects GmbH Schanzenstrasse, 40 D-21614 Buxetehude, Germany Tel.: +49-4161-7060
Представительство в РФ и СНГ 117105 Москва, Варшавское ш., 37 А Тел./факс: (495) 781-62-16 E-mail: walter.telle@claudiuspeters.ru
научно-технический и производственный журнал Q'/PCJM'.r.^/.liillbJ^ 40 июль 2012 h\ *
