Твердение изделий, изготовленных на песчанистом портландцементе

Подлежащие запарке изделия (листы или трубы) загружают в автоклав на вагонетках по рельсовому пути, проложенному внутри автоклава.

Асбестоцементная промышленность применяет те же автоклавы, которые используют силикатные заводы при производстве силикатного кирпича. Диаметр их равен 2 м, длина от 17 до 20 м, рассчитаны они на давление пара (рабочее давление) до 10 ат (изб.).

Запаривать асбестоцементные изделия нужно по определенному режиму, регламентирующему подъем давления пара в автоклаве, продолжительность выдержки при максимальном давлении и постепенное, медленное снижение давления по окончании запарки. Поэтому автоклавы должны быть снабжены манометрами, предохранительными клапанами, штуцером для подвода и выпуска пара и образовавшегося конденсата, а также программными регуляторами, автоматически поддерживающими заданный режим изменения давления пара.

С повышением давления пара в автоклаве возрастает производительность и сокращается продолжительность запаривания. Это объясняется тем, что с повышением давления насыщенного пара увеличивается его температура и, следовательно, ускоряются процессы гидратации портландцемента и образования гидросиликатов и гидроалюминатов из извести и песка. В табл. 23 приведена зависимость температуры насыщенного пара от величины его давления.

Таблица 23. Зависимость температуры насыщенного пара от давления
Давление пара в кг/см2 (изб.) Температура насыщенного пара в °С Давление пара в кг/см2 (изб.) Температура насыщенного пара в °С
0
1
2
3
4
5
6
7
99,09
119,62
132,88
142,92
151,11
158,08
164,17
169,61
8
9
10
12
15
20
25
174,53
179,04
183,2
190,71
200,43
213,85
224,99

Практически температура пара в автоклаве бывает ниже величины, приведенной в табл. 23, примерно на 3—4°. Объясняется это присутствием в нем воздуха, в результате чего парциальное давление пара ниже показываемого манометром, так как часть этого давления создает воздух. Температура же пересыщенного пара определяется его парциальным давлением.

Если сформованные изделия немедленно погрузить в автоклав и поднять в нем температуру, то заключенный в порах воздух расширится, что может вызвать расслоение изделий по первичным слоям, связь между которыми в сформованных изделиях, как мы отмечали, невелика. Поэтому асбестоцементные изделия необходимо перед загрузкой их в автоклав выдерживать некоторое время для того, чтобы они приобрели прочность, достаточную для противодействия давлению расширяющегося в их порах воздуха. Асбестоцементные трубы, как мы уже теперь знаем, независимо от того, изготовлены ли они на портландцементе или на песчанистом цементе, с трубоформовочной машины поступают на конвейер твердения и при загрузке в автоклав уже имеют достаточную прочность. Асбестоцементные листовые изделия перед загрузкой в автоклав необходимо также подвергнуть кратковременному пропариванию (4—5-часовому), а затем освободить от металлических прокладок и после этого погрузить в автоклав. Освобождение от металлических прокладок позволяет снизить расход пара, который потребовался бы на их нагрев и, что более важно, сохранить металлические прокладки, так как они в условиях запарки в автоклавах быстро корродируют.

Процесс запаривания асбестоцементных изделий в автоклавах при рабочем давлении 8 ат (изб.) протекает следующим образом:
1)     равномерный подъем температуры до 172—174° С не менее 1 ч;
2)     выдержка под давлением 8 ат (изб.) не менее б ч;
3)     равномерное понижение давления до атмосферного 2 ч.

При запарке изделий под более высоким давлением и соответственно при более высокой температуре пара продолжительность их выдержки при максимальном давлении сокращается, но подъем и снижение давления длятся дольше.

Выгружаемые из автоклава асбестоцементные изделия не требуют дальнейшего выдерживания в складе дозревания, которое необходимо для изготовленных на портландцементе изделий, и могут быть немедленно направлены в отделение механической обработки изделий, а затем представлены отделу технического контроля завода для испытания и отправки потребителям.

Теоретический расход пара на гидротермальную обработку асбестоцементных листовых изделий в автоклаве.

Тепло расходуется на:
1)     нагрев запариваемых асбестоцементных изделий, вагонеток и стенок автоклава —
2)     компенсацию теплопотерь автоклава в окружающую среду — Q2;
3)     образование пара, заполняющего свободный объем автоклава — Q3.

Определим теоретический расход пара на запаривание под давлением 8 ат (изб.) асбестоцементных волнистых листов ВО в автоклаве диаметром 2 м и длиной 17,8 м, которые в настоящее время установлены на асбестоцементных заводах.

Режим гидротермальной обработки листов в автоклаве следующий: подъем температуры до 172,1° С— 1,5 ч; выдержка при давлении пара 8 ат (изб.) — 6,5 ч; понижение давления до атмосферного — 2 ч.

В автоклав помещают 13 вагонеток, содержащих по 210 листов, а всего N =2700 листов.

1.     Один лист ВО после пропаривания содержит около 7,65 кг сухой массы qл и около 1,55 кг воды qв. Удельная теплоемкость асбестоцемента сац = 0,2 ккал/ кг·град. Удельную теплоемкость воды св примем равной 1 ккал/кг·град. Начальная температура листов = 25° С.

Температура насыщенного пара, находящегося под давлением 8 ат, 174,5° С.

Фактическая температура пара в автоклаве снижается из-за наличия в нем воздуха, снижающего парциальное давление пара по сравнению с показаниями манометра.

По данным А. В. Волженского *, при давлении 8 ат (изб.) температура в автоклаве равна: t2 = 172,1° С.

Такую же температуру приобретают листы ВО — вагонетки и стенки автоклава.

Расход тепла на нагрев листов ВО — Qл составит:
Qл = [qл са.ц + qв cв)N(t2—t1) = (7,65 кг·0,2 ккал/кг + 1,55 кг·1 ккал/кг)·(172,1 — 25) 2700 шт. =  1 223 884 к кал.

Каждая вагонетка весит qвг около 300 кг; температуру вагонеток t1 примем равной 20° С, а удельную теплоемкость стали cст — 0,115 ккал/кг·град, число вагонеток n — 13 шт.

Расход тепла на нагрев вагонеток Qвг составит:
Qвг = qвг сст n (t2— t1) = 300·0,115·13·(172,5° С—20° С) = 68 217 ккал.

Вес автоклава qав = 19 360 кг. Температура его стенок t1 при быстрой его выгрузке и загрузке около 100° С. Удельная теплоемкость сст =  0,115 ккал/кг · град.

Расход тепла на нагрев автоклава:
Qав = qав ccт (t2 — t1) = 19360 кг·0,115 ккал·кг (172,1 — 100) = 160523 ккал; Q1 = Qл + Qвг + Qав = 1 223 884 + 68 217+ 160523 = 1 452 624 ккал.

2.     Расход тепла на компенсацию теплопотерь автоклавом складывается из потерь в период подъема температуры от 100 до 172,1° С q4 и потерь тепла в окружающую среду во время запаривания при 172,1° С q5.

Автоклав покрыт слоем асбозурита (асбестотрепельная масса) толщиной  0,15 м. Температура окружающего автоклав воздуха = 20° С. Температура на поверхности изоляционного слоя t2 = 40° С.

а) Потеря тепла в период подъема температуры.

Средняя температура автоклава в период подъема давления

Незначительные по сравнению с термическим сопротивлением изоляции величины термических сопротивлений металлических боковых стенок автоклава и сопротивления теплообмену между стенками автоклава и насыщенным паром мы не учитываем.

Коэффициент теплопередачи изоляционного слоя

где s — толщина слоя асбозурита 0,15 м;
λ — коэффициент теплопроводности слоя асбозурита; при средней температуре равен 0,131 ккал/м ·ч · град;
α — коэффициент теплопередачи от поверхности изоляционного слоя в окружающую среду; равен 8,4 + 0/06 (40°—20°) = 9,6 ккал/м2·ч · град;

Величина боковой поверхности автоклава пDL = п·2м·17,8 м = 108 м2. В период подъема температуры автоклава от 100 до 172,1° С потеря тепла через боковую поверхность составит: 108 м2 = 10 022 ккал/ч.

Потери через крышки автоклава подсчитываются следующим образом. Крышки автоклава не изолированы и общий коэффициент теплопередачи

где sк — толщина крышек 0,014 м;
λм — коэффициент теплопроводности стали, равен 50 ккал/м2 · ч · град; α — коэффициент теплопередачи от стенки в окружающую среду равен (при средней температуре крышки, равной средней температуре среды в автоклаве) 8,4+0,06 (136°—20°)= 15,36 ккал/м2 · ч · град.


Поверхность крышек автоклава

Потери тепла через крышки автоклава —15,3 ккал/м2·ч·град (136°—20°) ·б,28 м = 11 150 ккал/ч..

Общая потеря тепла в окружающую среду в период подъема температуры
q4 = (10 022+11 150 кал/ч) 1,5 ч = 31 760 ккал.

б) Потеря тепла в окружающую среду в период выдержки листов под давлением 8 ат (изб.) при температуре 172,1° С в продолжение 6,5 ч.

Потерю тепла боковыми стенками в окружающую среду подсчитывают
так:
коэффициент теплопроводности асбозурита при средней его температуре 172,1+40 /2 = 106° С
λа = 0,13 + 0,00014-106° = 0,1448 ккал/м·ч·град;
общий коэффициент теплопередачи при этих температурах

Отсюда потери тепла через боковую поверхность автоклава 0,88 ккал/м2· ч·град (172,1° — 20°) 108 м2·6,5 г = 94 000 ккал. Потери тепла через крышки автоклава:

17,45 ккал/м2· ч·град (172,1° — 20°) 6,28 м2 · 6,5 ч = 107 600 ккал.

Общая потеря тепла в окружающую среду в период запаривания листов под давлением 8 ат (изб.)
q5 = 94 000 + 107 600 = 201 600 ккал.

Общие потери тепла в окружающую среду за один цикл работы автоклава Q2 = q4 + q5 = 31 760 + 201 600 = 233 360 ккал.

3. Расход тепла на образование пара, заполняющего свободный объем автоклава.

Общий объем автоклава · 17,8 м — 56 м3.

Объем, заполняемый листами и вагонетками, 14 м3.

Объем пара в автоклаве 56 м3 — 14 м3 = 42 м3.

Вес 1 м3 насыщенного пара при температуре 172,1° С и давлении 8 ant (изб.) равен 4,316 кг/м3.

Теплосодержание 1 кг насыщенного пара при температуре 172,1° С равно 664,2 ккал/кг.

Q3 = 664,2 ккал/кг· 42 м3·4,316 кг/м3 = 120 420 ккал.

Общее теоретическое количество тепла, расходуемое автоклавом за один цикл его работы, составит:
Q' = Q1 + Q2 +Q3 = 1 452 624 + 233 360 + 120 420 = 1 806 404 ккал .

Портландцемент при гидратации выделяет тепло, что частично снижает количество расходуемого тепла. Примем количество тепла, выделяемого в процессе запаривания 1 кг портландцемента, равным 60 ккал, а содержание песка в песчанистом цементе — 40%.

Мы определили, что вес загружаемого асбестоцементного листа (в сухой массе) равен 7,65 кг. В его массу входят около 14% асбеста и 86% песчанистого цемента, последний же содержит 60% портландцемента.

При гидратации в автоклаве портландцемент выделяет следующее количество тепла:
Q4 = 60 ккал· 7,65· 2700 л·0,86·0,6 = 639 840 ккал.

Теоретическое количество тепла, которое необходимо подать в автоклав за один цикл его работы, составит:
Q = Q' — Q4 = 1 806 404 — 639 840 = 1 166 564 ккал.

Это количество тепла выделяет насыщенный пар, конденсирующийся в автоклаве при 172,19 °С (парциальное давление пара при этом равно 7,5 ат (изб.) и воздуха 0,5 ат (изб.).

Количество тепла, выделяемого 1 кг пара, представляет собой разницу между теплосодержанием насыщенного пара, имеющего температуру 172,1° С, «и теплосодержанием образующегося 1 кг конденсата также при температуре 172,1° С.

При этих условиях теплосодержание 1 кг пара равно 664,2 ккал и 1 кг конденсата — 174, 3 ккал.

Следовательно, 1 кг пара выделяет в автоклаве 664,2— 174,3 = 489,9 ккал/кг.

Теоретический расход пара на 1 цикл работы автоклава

В результате его конденсации в автоклаве образуется к концу процесса запаривания 2381 кг воды с температурой 172,1 С.

Считают, что фактический расход пара в производстве превышает теоретический на 30—40%, т. е. в среднем на 35%. Следовательно, фактический расход пара на 1 цикл работы автоклава при принятых условиях его работы, составит: Рпр = 2381 · 1,35 = 3214,4 кг, общее теплосодержание которого равно 664,2 ккал/кг · 3214,4 кг = 2 135 000 ккал.

Из этого количества тепла на нагрев асбестоцементных листов израсходовано согласно нашим подсчетам 1 223 884 ккал. Следовательно, полезно израсходованное тепло на гидротермальную обработку листов ВО в автоклаве при принятом режиме составит около 57,4%.

В конце запаривания асбестоцементные листы, заполняющие свободный объем автоклава пар и конденсат, имеют температуру 172,1°С. При спуске давления от 8 ат (изб.) до нуля находящаяся в порах асбестоцементных листов вода частично испаряется, и образующийся пар создает значительное давление. При быстром понижении давления в автоклаве оно может достигнуть в порах листов такой величины, которая вызовет расслоение листов по контактам первичных слоев. Поэтому давление в автоклаве необходимо понижать равномерно (выпуская из него пар) со скоростью, не превышающей 0,15 ат (изб.) в минуту. При спуске давления удаляется пар, выделяемый из асбестоцементных листов и конденсата, который вследствие падения давления закипает. Этот пар можно использовать, направив его в свежезагруженный листами автоклав, и тем самым снизить расход пара примерно на 10%.

* А. В. Волженский. Водотермическая обработка строительных материалов в автоклаве. Стройиздат, 1944.