СМЕШАННЫЕ ГИПСЫ

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО ГИПСА В АППАРАТАХ САМОЗАПАРИВАНИЯ

Существовавшая до последнего времени технология произ­водства полуводного гипса в напольных, камерных, шахтных и вращающихся печах, а также в варочных котлах не имела бла­гоприятных перспектив для значительного повышения прочно­сти полуводного гипса; поэтому исследовательская мысль была направлена на изыскание нового технологического процесса, обеспечивающего получение гипса высоких марок.

В результате проведенных научно-исследовательских экспе­риментов появились два принципиально новых предложения: 1) обрабатывать гипс. насыщенным водяным паром при избы­точном давлении и 2) получать полуводный гипс путем варкн в жидких средах [81. Получение высокопрочного гипса путем пропаривания гипсовой щебенку при избыточном давлении за­интересовало технологов больше, нежели варка его в жидких средах; поэтому последовал целый ряд различных вариантов способа получения гипса при избыточном давлении.

Некоторые из этих вариантов прошли проверку в производ­ственных условиях и были оценены с точки зрения рекоменда­ции их к внедрению в промышленность. Впервые в СССР опыт­ная установка по предложению канд. техн. наук И. А. Переде - рия [2] была сооружена в 1938 г. в Москве на Краснопресненском силикатном заводе. В феврале 1938 г. на этой установке, рабо­тавшей под руководством автора предложения, был получен полуводный гипс высокой активности, названный И. А. Пере­дернем «высокопрочный гипс ГП». Данные об этом гипсе были опубликованы 10 февраля 1938 г. в московской газете «Строи­тельный рабочий». Изучением опыта производства и строитель­ных свойств гипса ГП занимались: экспериментальная станция Московского городского управления промышленности строй­материалов и научно-исследовательская и экспериментальная станция Моссовета.

Исследования подтвердили предложения И. А. Передерия о возможности получить гипс более высокой активности; одно­временно было установлено, что гипс ГП обладает способ­ностью сохранять литейные свойства при 35—40% воды затво - рения вместо обычных 55—70% для полуводного гипса. При 30% воды затворения гипсовые кубики в высушенном состоя­нии приобретали прочность на сжатие, доходящую до 250 кг/см2. Это было новостью, так как такой прочностью, получаемой обычными способами, полуводный гипс не обладал, если образ­цы изготовлялись из теста нормальной густоты.

Технологическая схема производства высокопрочного гипса ГП состоит из следующих операций: 1) дробления гипсового камня до крупности 10—50 мм; 2) пропаривания гипсового щеб­ня насыщенным паром при давлении 1,3 ат (124°) в течение 6 часов; 3) выгрузки из автоклава пропаренного гипсового щебня в бункер; 4) сушки пропаренного продукта при t = 120° в тече­ние 2—2,5 час.; 5) помола высушенного продукта в порошок. Тонкость помола характеризовалась 10%-ным остатком на сите 144 отв/см2.

При опытной проверке П. В. Лапшиным способа производ­ства гипса ГП в технологическом процессе его изготовления был установлен один существенный дефект, отражающийся на качестве получаемого вяжущего. Дефект этот заключается в том, что т. Передерий предлагал после пропарки охлаждать гипсо­вый щебень, выгружая его из автоклава в бункер, с целью уда­ления из гипса влаги в процессе остывания щебня. Охлажден­ный гипсовый щебень затем вновь нагревался до t = 120°, при которой гипс высушивался до состояния полуводного гипса.

В 1941 г. тт. Ф. Т. Садовский и А. С. Шкляр предложили свой способ получения высокопрочного гипса. Способ этот впервые был проверен на опытной установке Наркомстроя в г. Стерлитамаке. Первая партия промышленного высокопрочно­го гипса 'была получена 3 апреля 1942 г. Эта установка дейст­вует и по настоящее время. Продукция, получаемая этим спо­собом, отличается непостоянным качеством. На действующих заводах по производству этого гипса не более 50% выпускаемой продукции соответствует требованиям Временных технических условий на гипс строительный — высокопрочный (ТУ 33-44) (Наркомстрой и НКПСМ). Гипс, удовлетворяющий этим техни­ческим условиям, имеет следующие показатели:

Сроки схватывания начало 3—6 в мин.: конец 5—8

Нормальная густота......................................................... 38—45%

Прочность при растяжении............................................. 24—40 кг/см3

Прочность при сжатии.................................................... 150—250 ,

Остальные 50% выпускаемого гипса характеризуются более короткими сроками схватывания и меньшей прочностью. Гипро - индустроем Наркомжилгражданстроя УССР разработана Вре­менная инструкция по производству высокопрочного гипса (У-И-01-45), где установлена следующая технологическая схе­ма: 1) дробление гипсового камня до крупности 15—50 мм; 2) пропаривание гипсового щебня при избыточном давлении 1,2—1,3 ат в течение 4,5—5,5 час. и при давлении в 1,6 ат— 1 час.; 3) сброс давления до атмосферного и сушка пропуском горячих газов непосредственно через гипсовый щебень. Первые 30 мин. газ из топливника подается с температурой + 200° и за­тем в последующие 3—3,5 час. с температурой 140—150°. Од­нако практика эксплоатации заводов показала в большинстве случаев более удлиненные сроки сушки. Основным дефектом способа производства высокопрочного гипса Садовского и Шкляра является снижение температуры гипсового щебня пос­ле пропарки в момент перехода к сушке, т. е. примерно то же самое, что и у способа, предложенного И. А. Передернем. Не­смотря на то, что процессы пропаривания и сушки совершаются в одном и том же агрегате в непосредственной последователь­ности без перерыва, все же температура гипсового щебня в аг­регате снижается до 35—40°. В этом случае образовавшаяся в процессе пропаривания полуводная модификация гипса вновь, гидратируется и переходит в двуводную, т. е. образуется дву - гидрат вторичного происхождения. Дальнейший, хотя бы и не­медленно начавшийся процесс сушки, представляет собой по - существу процесс регенерации гипса.

Прежде чем перейти к описанию технологического процесса производства высокопрочного гипса по методу «самозапарива­ния», необходимо разъяснить, в чем состоит дефект в техноло­гии производства гипса ГП и гипса, получаемого по способу Садовского, и почему метод самозапаривания более совершен­ный.

Кандидаты техн. наук П. И. Боженов 191 и И. А. Передерий [2], рассматривая первый теорию высокопрочного гипса, второй—

.- - теорию технологии высокопрочного гипса, оба пришли к безу - ; словно правильному выводу, что «основными обусловливаю­щими качество гипса операциями являются запарка насыщен­ным паром и сушка»; остальные операции имеют либо подчи­ненное, либо чисто организационное значение. Однако у обоих авторов толкование влияний процессов пропаривания и сушки на изменение кристаллической решетки гипса совершенно про­тивоположные. И. А. Передерий утверждает, что «Процесс уда­ления воды из гипсового камня после пропаривания необходимо вести тщательно и по режиму, безусловно обеспечивающему перекристаллизацию в гипсовом камне[3], и не прибегая к удале­нию влаги из гипсового камня любыми средствами». И. А. Пе­редерий считает, что перекристаллизация гипсового камня про­исходит в процессе сушки, а не в процессе запарки. П. И. Бо - женов пишет: «Опыт показывает, что перекристаллизация гип­сового камня в агрегате протекает в процессе запарки, т. е. при повышенной температуре в среде насыщенного пара».

Исследования автора, проведенные в ЦНИПС в 1943 г. и опубликованные в книге «Высокопрочный гипс по методу само­запаривания» [41, а также и более поздние работы, позволили прийти к заключению, что перекристаллизация гипсового камня происходит в процессе его запаривания, т. е. в процессе дегид­ратации двуводного гипса.

Ф. Т. Садовский и А. С. Шкляр, склоняясь к той же точке зрения, что перекристаллизация гипсового камня происходит в процессе запарки, предложили в целях сохранения температуры гипсового камня, не позволяющей гипсу гидратироваться, исполь­зовать пропарник в качестве аппарата, в котором процесс за­парки и сушки можно вести без перерыва. Авторы не учли ог­ромных потерь тепла в процессе сброса пара и выравнивания давления в пропарнике с давлением атмосферным. Потери теп­ла, как и следовало обкидать, оказались столь большими, что основное условие нарушалось, и гипсовый камень вновь гидра- тировался. Таким образом, невольно они повторили ошибку И. А. Передерия, так как допустили охлаждение, а следова­тельно, и гидратацию пропаренного гипсового щебня.

Вторая основная операция — сушка гипсового щебня в про­парнике — имеет также ряд дефектов, влияние которых на качество гипса бесспорно. Процесс сушки гипсового щебня в пропарнике протекает по следующей схеме. Пропарник пред­ставляет автоклав цилиндрической формы, установленный верти­кально (рис. 1); через верхний его люк производится загрузка нропарника гипсовым щебнем, через нижний люк обработан­ный щебень высыпается в бункер. Горячие газы из топливника подаются через верхний торец пропарника, а внизу пропарника эти газы отсасываются через боковое отверстие. Таким обра­
зом, mo предложению Ф. Т. Садовско­го и А. С. Шкляра, горячие газы дол­жны, поступая сверху вниз, омыть весь щебень и, увлажнившись, выбрасы­ваться в атмосферу; при этом должно было получиться равномерное высу­шивание гипсового - щебня в пропарни - ке. В действительности же этого не происходит по следующим обстоятель­ствам:

1) Гипсовый щебень, попадая са­мотеком в пропарник, укладывается неравномерно, так как в одних местах он распределяется более плотным слоем, а в других, наоборот, с обра­зованием пустот; поэтому горячий газ, попадая в пропарник, при проходе че­рез щебень, естественно устремляется туда, где он встречает наименьшее со­противление, т. е. в более рыхлые слои, минуя слои уплотненные. Это обстоя­тельство приводит к тому, что в неко­торых (уплотненных) местах гипс, по­лучая недостаточно тепла, остается не- просушенным, а следовательно, в этих местах остается неразложенным дву - водный сернокислый кальций.

2) При выпуске пара из пропар-

Ника по окончании пропаривания сразу же снижается темпера­тура в пропарнике; в первый момент до 90—95°, а через час до

40—45° (рис. 2). Поэтому впускаемые в пропарник го­рячие газы в верхних слоях насыщаются влагой, а опу­скаясь ниже, они охлажда­ются и вследствие этого на­чинается их перенасыщение влагой. Последняя конден­сируется на нижележащих •слоях щебня и его насы­щает. Насыщение влагой нижележащих слоев щебня столь велико, что наблю­дается стекание воды в ни - 1 а б е 7 ю и іг /з « в жнюю часть пропариика на ере*,» в что* крышку люка. Таким обра-

Рис. 2. Режим запарки и сушки гипса зом, первый. период сушки в демпфере представляет собой процесс,

Где верхние слои высушиваются, а нижележащие — увлаж­няются до полного насыщения гипсового щебня водой. Послед­ний же период сушки представляет собой процесс, при котором полуводный гипс в верхних слоях щебня пересушивается, пере­ходя в ангидрит. Средние слои гипсового щебня высушиваются до полугидрата, а нижние слои остаются не просушенными, так как невозможно при температуре 90—95° влажный двугид - рат дегидратировать до состояния лолугидрата в столь корот­кий срок как 1—2 часа. Следовательно, большая часть гипсо­вого щебня проходит стадию регенерации. На этом основании явления, происходящие с гипсом в процессе его обработки по способу Садовского—Шкляра, можно охарактеризовать сле­дующими уравнениями:

1 стадия — пропарка 2(CaS042H20)->2(CaS04. V2H20) + (ЗН20— вода, отщепившаяся, но не удаленная из гипса);

II стадия — сброс пара и переход к сушке

2 (CaS04. V2 Н20)+ЗН20 -> 2 (CaS04. 72 Н20)+(«Н20 - оставшие­ся и стремящиеся гидратировать полуводный гипс), где л<3;

III стадия — первый период сушки

Т [2 (CaS04. V2H20) + п Н20] т' (CaS04 • 72Н20) +

+ т" [2 (CaS04. V2 Н20) +яН20] + т" CaS04. 2Н20 + п' Н20;

IV стадия — конечный период сушки

Т 2 (CaS04. 72 Н20) +■ (tt Н20)] т' CaS04 + + tn" (CaS04. 7їН20) + m"(CaS04-2H20) - f я"Н20.

Таким образом, гипс Садовского—Шкляра представляет со­бой смесь гипса следующих модификаций: 1) растворимый ангидрит, получившийся из двугидрата вторичного происхожде­ния; 2) растворимый ангидрит из полугидрата первичного происхождения; 3) полугидрат вторичного присхождения (реге­нерированный) в преобладающем количестве; 4) полугидрат первичного происхождения в незначительном количестве; 5) дву - гидрат вторичного происхождения.

Получаемая смесь различных модификаций гипса не может обеспечить высокие качества продукции, так как в этой смеси в преобладающем количестве находится регенерированный полу­водный гипс, имеющий всегда пониженную прочность; затем присутствует двуводный гипс вторичного происхождения, яв­ляющийся сильным ускорителем схватывания гипса. Растворимый ангидрит вторичного происхождения также имеет быстрые сроки схватывания. В гипсе, получаемом по способу Садовско­го—Шкляра, наличие отмеченных выше модификаций гипса яв­ляется обязательным; количественно' они могут меняться в за­висимости от температуры и длительности сушки. В целях умень­шения в смеси двуводного гипса вторичного происхождения практически на заводах срок сушки стараются удлинять. Гипс ГП благодаря тому, что процесс запарки отделен от процесса сушки, іможет и не иметь двуводного гипса вторичного проис­хождения, но все же основной продукт—полуводный гипс, как правило, также вторичного происхождения. И. А. Передерий на опытной установке сушил после пропарки гипс в виде щебня. В своей книге [2] он также предлагает после пропаривания гип­совый щебень охладить, а затем сушить его при темпера­туре 120°.

Это предложение является нецелесообразным; продукт по­лучится гораздо равномернее, и быстрее пойдет процесс высу­шивания, если охлажденный пропаренный гипсовый щебень размолоть до требуемой тонкости помола, а затем уже варить его в варочном котле или совместить помол с высушиванием в молотковых мельницах. Такой процесс производства целесооб­разнее, но от регенерации гипса он не спасает.

Предложенный автором совместно с проф. Б. Г. Скрамтае - вым способ производства высокопрочного гипса путем самоза­паривания рассчитан на то, чтобы нагретый гипсовый щебень не охлаждался до тех пор, пока не будет закончен весь процесс тепловой его обработки. Тепловая обработка гипса, т. е. про - паривание и сушка производятся также в одном аппарате; но благодаря тому, что в аппарат подается тепло непрерывно (в процессе перехода от пропаривания к сушке при атмосферном давлении), никаких условий для гидратации гипса не создается. В этом случае возможно получить полуводный гипс и раство­римый ангидрит только первичного происхождения; поэтому ак­тивность самозапарочного гипса должна быть выше, что и под­твердилось на практике производства этого гипса.

Второй отличительной чертой способа самозапаривания яв­ляется то, что для образования избыточного (до 1,3 ат) давле­ния в аппарате используется вода, содержащаяся в самом гип­совом щебне в свободном состоянии (гигроскопическая), и вода связанная (кристаллизационная). При нагревании гипсового щебня вначале (при 100°) образуется пар из свободной воды, а затем при нагревании выше 107—110° начинается дегидратация гипса и перевод отщепленной воды также в состояние пара. Та­ким образом, при методе самозапаривания не требуется устрой­ства специальной котельной для процесса пропаривания гипсо­вого щебня; наоборот, образующийся при запаривании избы­точный пар может быть использован для подогрева сырья и для отопления помещений.

Рис. З б. Разрез по А—В