ПРОМЫШЛЕННОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

СНИЖЕНИЕ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ

Экономия топливно-энергетических ресурсов приобретает все возрас­тающее значение и затрагивает практически все отрасли промышленности строительных материалов. Важным показателем любого производства явля­ется его энергоемкость - суммарные затраты тепловой и электрической энергии на получение единицы продукции. Работы последних лет показы­вают, что производство ячеистых бетонов является энергосберегающей технологией. Анализ энергоемкости производства ячеистобетонных изде­лий свидетельствует о том, что на изготовление I м^ стены требуемого термического сопротивления расходуется около 57,5 тыс. ккал тепла. Из­готовление I м2 керемзитобетонной стены аналогичного термического соп­ротивления связано с расходом 207,5 тыс. ккал тепла, что более чем в 3,5 раза превышает затраты тепла на изготовление Гм2 стены из ячеис­того бетона. При этом в сфере производства затраты тепла на получение I м3 автоклавного ячеистого бетона составляют около 228,5 тыс. ккал, что более чем в 2,5 раза ниже расхода тепла на получение І м3 керам­зитобетоне [51].

В настоящее время имеются реальные возможности снижения расхода тепла при производстве автоклавных ячеистых бетонов как за счет умень­шения их материалоемкости (снижения объемной массы), так и за счет со­вершенствования отдельных, наиболее энергоемких технологических пере­делов. Топливно-энергетические затраты на получение I м3 ячеистого бе - 24

Тона «а различных предприятиях отрасли шиїеблются и значительных пре­делах и составляют: затраты тепла от 0,192 до 0,52-1,0 Гкал, электро­энергии от 10,1-16,7 до 20-50 кВт-ч, а в отдельных случаях до 65- 75 кБт'ч [52]. В целом же топливно-энергетические затраты в зависимос­ти от вида изделий составляют 5,2-16,6? от полной себестоимости [52].

Наиболее энергоемкими переделами в технологии ячеистых бетонов являются автоклавная обработка и подготовка (помол) сырьевых материа­лов. Исследованиями МИСИ [7, 37], НИПИсшшкатобетона и Воронежского ИСИ [5, б] установлена возможность снижения удельных затрат электро­энергии при помоле на 30-40? и сум, арных энергетических затрат (на по­мол и автоклавную обработку) в 1,5 раза при использовании способа сов­местного сухого помола компонентов. Не менее важно, что при этом сни­жается износ мелющих тел и футеровки мельшлщ [9]. Имеются сведввия [б], что стоимость теряемого металла при совместном помоле на 60-70? ниже, чем при раздельном. Следует отметить, что применение способа сов­местного сухого помола позволяет на предприятии мощностью 100 тьс. м8 в год высвободить около 30 единиц технологического оборудования, пред­назначенного для транспортирования шлама и его выдерживания в шламбас - сейнах. При этом дополнительно достигается экономия электроэнергии и сжатого воздуха, сокращаются производственные площади.

При раздельном помоле компонентов затраты электроэнергии могут быть снижены за счет мокрого помола песка с добавкой ПАВ, что одновре­менно положительно влияет на физико-технические показатели готовой продукции. Применение ПАВ, например сульфонола, в количестве 0,03? от массы песка позволяет повысить плотность шлама на 4-5? без ухудшения его подвижности, что обеспечивает повышение производительности помоль­ного оборудования в 1,3-1,4 раза и снижение удельных энергозатрат на 5-6 кВт'ч/т, или 10 15? [7]. Особенно эффективным, как показывает опыт Белгород-Днестровского завода [37], является применение сырьевых ком­позиций на основе грубомолотого песка. Мокрый помол основной массы песка (68-75?) до удельной поверхности 900 см^/г в присутствии добавки ПАВ позволил повысить производительность помольного оборудования в 2 раза, снизить суммарные удельные энергозатраты на подготовку сырье­вых материалов на 8-Ю кВт-ч/т [37].

Самым продолжительным и энергоемким технологическим переделом в производстве ячеистых бетонов является автоклавная обработка. Расход пара на автоклавную обработку I м3 ячеистого бетона средней плотно­стью 700 кг/м3 равен в среднем 0,19 Гкал, что составляет более 80? суммарных затрат тепла на весь технологический процесс. В этой связи вопросы уменьшения расхода тепла и сокращения продолжительности авто­клавной обработки приобретают особую актуальность.

Из рассмотрения статей расхода пара на автоклавную обработку яче­истобетонных изделий следует, что на нагрев воды, введенной в автоклав в виде технологической влаги сырца, расходуется 21? пара, при сбросе конденсата теряется около 26? тепла. Снижение указанных потерь тепла возможно за счет оптимизации предавтоклавной влажности и температуры ячеистобетонного сырца, уменьшения объема конденсата, обеспечения его постоянного отвода и утилизации тепла конденсата, что видно из приво­димых ниже данных:

Статьи затрат Относительный расход

Пара.?__________

TOC o "1-3" h z Нагрев сухих компонентов ячеисто­го бетона.... 17

Нагрев воды затворения в бетоне......................... 21

Нагрев автоклава....................................................... 22

Нагрев металлических форм и вагонеток.... 3

Теплота пара свободного пространства

Автоклава............................................... :...................... 4

Потери тепла за весь период автоклавной обработки 7

Потери тепла при сбросе конденсата................... 26

Теплотехнические расчеты и их промышленная проверка [46] показа­ли, что температура подаваемых в автоклав изделий должна составлять 70-80°С, влажность - 28-30? по массе. Это позволяет снизить расход технологического пара на 9-13? и сократить продолжительность автоклав­ной обработки на 1,5-2 ч за счет предварительного прогрева изделий. Реализация этих мероприятий обеспечивается при использовании комплекс­ной вибрационной технологии и сырьевых композиций на основе грубомоло­того песка. Представляется возможным снизить величину В/Г до 0,31- 0,33, ей соответствует предавтоклавная влажность сырцовых изделий 28-30? [46].

Обеспечение температуры загружаемых в автоклав ячеистобетонных сырцовых изделий в пределах 70-80°С достигается за счет более полного использования тепла, выделяющегося при гидратации цемента и извести, но главным образом за счет осуществления процессов вспучивания, схва­тывания и вызревания отформованных изделий в специальных туннелях с регулируемой температурой и влажностью среды. Применение тепловых тун­нелей-конвейеров вызревания с относительной влажностью и температурой среды соответственно 80-95? и 70-80І? С широко практикуется на заводах большинства зарубежных фирм [8]. При выгрузке изделий жа автоклава те­ряется до 15? тепла. В этой связи представляется важным обеспечить

І

Ьозърит ОТОГО TOIUin r> пропзьодстш, lliuipillvlcp, Зі) счет lipn.'.L-llCllUjl puity - перационпых туннелей Бызревания. Принимая во внимание, что многие за­воды не имеют автономных котельных, представляєтся целесообразным в период отопительного сезона предусмотреть перевод их на автоклавную обработку паром пониженной температуры и давления (t = 145-155°С) за счет применения технологически простых и практически доступных меро­приятий [9]. Это позволит снизить удельные расходы тепла на автоклав­ную обработку в 1,3-1,4 раза.

Не менее важным является сокращение продолжительности автоклав­ной обработки. Для этого ВНИИстромом предложены режимы автоклавной об­работки, предусматривающие удаление воздуха из автоклава путем его продувки паром (СН 277-80). Исследования, выполненные МИСИ совместно с Белгород-Днестровским заводом, показали, что продолжительность авто­клавной обработки может быть дополнительно сокращена за счет более полного удаления воздуха из автоклава и запариваемых изделий при ис­пользовании продувки совместно с вакуумированием. Для этого после пус­ка в автоклав пара, когда давление его составит 0,005-0,01 МПа, на 30-40 мин включается вакуум-насос. После его отключения продувка про­должается до момента, когда давление (изб.) в автоклаве достигнет 0,05 №а. Затем забывается паровыпускной вентиль и осуществляется подъем давления до рабочего в течение 1-1,5 ч.

Внедрение таких режимов автоклавной обработки на Белгород-Днест­ровском заводе (табл. 5) позволило сократить продолжительность изотер­мической выдержки на 1-2 ч, а общую продолжительность автоклавной об­работки на 2,5 ч [53]. В результате внедрения сокращенных режимов ав­токлавной обработки расход пара снижен на 15-20? и увеличена однород­ность ячеистобетонных изделий по прочности [53].

Таблица 5

Таким образом, применение мокрого помола песка в присутствии до­бавки ПАВ, оптимизация предавтоклавной влажности и температуры сырца, обеспечение отвода конденсата и применение продувки совместно с ваку­умированием позволяют снизить суммарные энергетические затраты на 20-25%.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ И ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ

Расширение сырьевой базы промышленности строительных материалов за счет вовлечения в производство вторичных продуктов и отходов про­мышленности имеет важное народнохозяйственное значение. Б СССР ежегод­но накапливается около 70 млн. т доменных шлаков, 20 млн. т шлаков цвет­ной металлургии, 100 млн. т отходов от добычи угля и сланца, 80 млн. т золошлаковых отходов тепловых электростанций и др. При добыче нерудных строительных материалов в объеме I млрд. м3 в год количество отходов достигает 180 млн. м3, вскрышных пород - 33Q млн. м3 [54].

По данным Министерства финансов СССР, реальный экономический эф­фект от использования в промышленности строительных материалов в каче­стве сырья различных шлаков, топливных зол, белитовых шлаков, колче­данных огарков, фосфогипса и др. составляет более I млрд. руб. и обес­печивает ежегодную экономию около 3 млн. т топлива [54]. Не менее важ­но, что при этом достигается значительная экономия капитальных вложе­ний на развитие материально-технической базы. По данным НИИЭС Госстроя СССР, использование 25-30 млн. т зол и шлаков тепловых электростанций в качестве сырья обеспечивает достижение экономического эффекта в раз­мере около 40С млн. руб. Использование отходов позволяет сократить зат­раты на сооружение и содержание отвалов, которые составляют 1-1,5 руб/т шлаков и зол и до 5-7 руб/т для фосфогипса [54].

В структуре себестоимости ячеистобетонных изделий на долю'сырье­вых материалов приходится 30-40? затрат [52]. Это обусловливает высо­кую эффективность использования в качестве Сырья различных попутных продуктов и отходов промышленное ти. Показателен опыт Эстонии, где с I960 г. на основе пылевидной золы горючего сланца-кукерсита и кварце­вого песка организовано производство автоклавных ячеистых бетонов. В настоянеє время объем производства сланцезольного газобетона состав­ляет более 350 тыс. м3 в год. Из сланцезольного газобетона в республи­ке построены теплые дома, школы, детские сады, поликлиники, животно­водческие и птицеводческие фермы. Экономический эффект от производст­ва и применения сланцезольного газобетона составил за период с I960 г. по настоящее время около 16 млн. руб. [54].

Производство высококачественных газозолобетонных изделий органи­зовано на Свердловском заводе ВЕЙ им. Ленинского комсомола. На Курахов - ском заводе КЕК за счет применения шлаков и зол себестоимость I ы3 яче­истого бетона снижена на 1,2 руб. Производство ячеистобетонных изделий с применением ваграночных шлаков организовано на Харьковском заводе

Лак Jf 3. что позволило на ID? сократить раоход иаиости и це­мента.

Замена цемента другими вяжущими позволяет снизить стоимость сырь­евых материалов на 8-Ю? при использовании смешанного известково-це - ментного вяжущего, на 25? - известково-песчаного, на 30 - 50? - изве - стково-цементно-шлакового, известково-зольного или известково-шаково - го и до 80? при использовании сланцезольного. В странах СЭВ из общего объема утилизации золы-уноса и топливного шлака в производстве ячеис­того бетона используется около 25-30?.

Однако, несмотря на высокую технико-экономическую эффективность, объем применяемых отходов при изготовлении ячеистых бетонов в настоя­щее время значительно ниже возможного. Связано это с целым рядом орга­низационных и технологических трудностей. Основные технологические трудности широкого применения в производстве ячеистых бетонов различ­ных отходов промышленности обусловлены непостоянством их химико-мине- ралогического состава и отсутствием надежных рекомендаций по оператив­ной корректировке состава сырьевой смеси в' зависимости от характерис­тик поступающего сырья. Несомненным успехом в этом плане следует счи­тать разработанную под руководством П. И.Бокенова методику расчета сос­тава цементирующей связки автоклавных материалов по коэффициенту основ­ности [2]. Коэффициент основности позволяет оценить химическую актив­ность сырья, рассчитать основность силикатов и оценить с достаточной степенью точности содержанке в сырье или в формируемом при автоклав­ной обработке силикатном камне алюминатов, ферритов и сульфатов каль­ция. На основе значений коэффициента основности П. И.Боженов предлага­ет следующую классификацию побочных продуктов [54]:

Косн менее 0 - ультракислые;

К.„.от 0 до 0,8 - кислые (вяжущими свойствами не обладают,

Оси

Пригодны в качестве заполнителей и кислого компонента сырьевой смеси);

К0„„ от 0,8 до 1,2 - нейтральные (вяжущие свойства выражены ела-

ОСН

Бо, пригодны для автоклавной технологии, возможно использование в качестве заполни­телей) ;

От 1,2 до 3,0 - основные (обладают вяжущими свойствами, при-

ОСН

Годны в качестве основного компонента сырь­евой смеси в производстве автоклавных мате­риалов);

К „„ более 3,0 - ультраосновные (известь и ее аналоги). Применение осн

Коэффициента основности в качестве обобщенной химической характеристи­ки сырья открывает возможности расчета состава сырьевой смеси в произ­водстве автоклавных материалов при использовании одного или нескольких видов отходов различного химического состава.

Новым направлением в технологии ячеистых бетонов, развиваемым ННИЕЬом, является применение разработанного в Киевском ИСИ под руко­водством В. Д. Глуховского шлакощелочного вяжущего [55]. Компонентами шлакощелочного вяжущего являются молотые гранулированные доменные шла­ки и щелочь, вводимая с водой затворения. Удельная поверхность молото­го злака 2500-4000 см2/г по ПСХ-2, расход щелочи 5-Ю? от массы шлака (в пересчете на сухое вещество). Особенность технологии ячеистого бе­тона на основе шлакощелочного вяжущего заключается в применении пены в качестве порообразователя. Это дает возможность управлять процессом (формирования пористости и обеспечивает получение качественного мате­риала [Ь5] (табл. 6). Ячеистый бетон, получаемый по такой технологии, обладает высокими прочностными показателями. Это обусловлено высокой прочностью шлакощелочного вяжущего, составлящей, по данным В. Д.Глу­ховского, 80-120 МПа, что в 2 раза превышает прочность смешанного или известково-песчаного вяжущего.

Таблица 6

Ячеистый бетон на шлакощелочном вяжущем характеризуется высокой атмосферостоккостыо и стойкостью к агрессивным средам, что позволяет расширить области его применения.

Следует отметить, что в качестве щелочного компонента могут при­меняться различные промышленные отходы с содержанием ^^ не менее [55].

По аналогичной технологии на основе отходов производства и приме­нения тарного, технологического и оконного стекла в МИСИ получены яче­истые бетоны повышенной коррозионной стойкости, а при использовании вулканического стекла (перлита) получен жаростойкий ячеистый бетон ог­неупорностью 1750°С. Стекловидная структура митериала вийду особеннос­тей формирования сохраняет часть скрытой теплоты плавления, что увели­чивает запас внутренней энергии. При определенных технологических воз­действиях эта энергия высвобождается, снижая величину активационной энтальпии формирования стабильных кристаллических соединений из сос­тавляющих стекло химических элементов, что обеспечивает омоноличива - ние исходной системы. При этом суммарные энергетические затраты на подготовку сырьевых материалов и тепловлажностную обработку, связанные с получением единиды объема новообразований заданного химико-минерало­гического состава, меньше в 1,5-2 раза, чем в случае синтеза аналогич­ных новообразований из чистых окислов или использования исходных мате­риалов с кристаллической структурой.

Синтез кристаллических новообразований протекает в основном через раствор. В результате процессом, лимитирующим кинетику формирования структуры цементирующего вещества и динамику роста прочности силикат­ного камня, является интенсивность гидролитической деструкции исходной структуры стекла. У различных структурных элементов стекол гидролити­ческая деструкция протекает с неодинаковой скоростью. В первую очередь происходит разрыв связей с высокой полярностью (типа Ме-О) - процесс выщелачивания, затем связей Зі,- 0 - St и лишь затем - ковалентних свя­зей АІ-0-Si. Эти процессы приводят к деполимеризации кремнекислородных тетраэдров структуры исходного стекла, что создает условия для синтеза гидросиликатных и гидроалкмосиликатных новообразований.

Увеличение содержания SiOg в исходном стекле повышает степень кон­денсации кремнекислородных тетраэдров и соответственно стойкость стек­ла к гидролитической деструкции. В связи с этим природные и техноген­ные стекла по показателям модулей основности и активности аналогично доменным шлакам подразделяются на основные, кислые и нейтральные. Яче­истые бетоны на базе кислых стекол наиболее целесообразно получать ме­тодом автоклавной обработки; в случае использования основных и нейт­ральных стекол допустима тепловлажнос-гная обработка при нормальном дав­лении и температуре 90-100°С.

Исходная структура стекла разрушается тем полнее, чем выше кон­центрация в воде затворения гидроксильных и сульфат-ионов. Поэтому при производстве ячеистых бетонов на основе известково-шлаковых, шлакоще - лочных, стеклощелочных и стеклоизвестковых вяжущих целесообразно ис­пользовать для затворения растворы едких щелочей или солей щелочных металлов, а также добавку полуводного или двуводного гипса, расход ко­торого зависит от вида вяжущего, температуры тепловлажностной обработ­ки и дисперсности кремнеземистого компонента.

Применение сырьевых композиций на основе природных и техногенных стекол, гранулированных шлаков кислого и основного состава в комбина­ции с щелочным затворителем позволяет полностью исключить из производ­ства цемент, повысить качество ячеистого бетона, прежде всего по пока­зателям прочности, карбонизационной стойкости и морозостойкости, сни­зить себестоимость в среднем на 1,5 руб/м3 и получить ячеистые бетоны с требуемыми свойствами (кислотостойкие, жаростойкие). Все это предпо­лагает эффективность реализации указанных разработок в промышленности.

Исследованиями ВНИИжелезобетона и ВИСИ показана возможность ис­пользования в производстве автоклавных ячеистых бетонов в качестве кремнеземистого компонента "хвостов" - отходов обогащения железных руд КМА [56]. Высокодисперсные отходы обогащения железистых кварцитов в виде водной суспензии (пульпы) имеют дисперсность 1200-2500 см2/г и содержат 65-75? кремнезема, что предопределяет целесообразность приме­нения их в качестве кремнеземистого компонента в производстве автокла­вных бетонов плотной и ячеистой структуры. На основе "хвостов" обога­щения железных руд КМА в промышленных. условиях Старооскольского заво­да CMC выпущена опытная партия ячеистобетонных изделий средней плот­ностью 300-800 кг/м3, отвечающих по своим физико-техническим показате­лям нормативным требованиям [6]. Применение в качестве кремнеземисто­го компонента отходов обогащения железных руд позволяет сократить энергозатраты в производстве ячеистых бетонов на 50-60 кВт"ч/т.

Таким образом, широкое вовлечение в производство ячеистых бето­нов вторичных продуктов и отходов промышленности дает возможность рас­ширить сырьевую базу, снизить суммарные энергбзатраты на единицу про­дукции, исключить из производства цемент, снизить себестоимость про­дукции и получить ячеистые бетоны с заданными свойствами. При этом в определенной мере решаются и вопросы охраны окружающей среды.