Отримання високоміцного гіпсового в’яжучого у турбулентному потоці при підвищеному тиску

Abstract

UA: В дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу виробництва високоміцного гіпсового в’яжучого α-форми. Розроблена двостадійна технологія теплової обробки дрібнодисперсного гіпсового каменя у турбулентному потоці газоподібного теплоносія на першому етапі та вирівнювання поля температури та хімічного складу у камері томління на другому етапі. Встановлені залежності між температурними полями і хімічним складом гіпсу в процесі його термообробки в конусоподібному реакторі випалу, також досліджені вплив температури і тиску на структуру обпалюваного матеріалу. Розроблені математичні моделі тепломасопереносу при нагріві частинок гіпсу і стабілізації їх хімічного складу. Запропоновані технологічні прийоми для забезпечення однорідності хімічного складу обпалюваної гіпсової сировини. Для пошуку оптимальних умов проведення процесу випалу гіпсу були використані методи статистичної обробки результатів експерименту. Обґрунтовані параметри технологічного устаткування для термічної обробки дигідрату сульфату кальцію. Вивчені фізико-механічні і фізико-хімічні властивості одержаного високоміцного гіпсу. Були проведені дослідження по зміні модифікаційного складу гіпсу після випалу в реакторі залежно від часу обробки в камері томління і фракційного складу обпаленого матеріалу. Результати зміни модифікаційного складу різних фракцій доводять адекватність наукової гіпотези отримання високоміцного гіпсового в’яжучого в турбулентному потоці газоподібного теплоносія при підвищеному тиску. RU: В диссертационной работе решена актуальная задача получения α-формы гипсового вяжущего по энергосберегающей технологии. В результате аналитического обзора существующих способов получения гипса были предложены методы снижения энергозатрат на производство гипса за счет обжига мелкодисперсного сырья под давлением, которое обеспечивает выделение воды при дегидратации двуводного гипса в жидкокапельном состоянии без образования вторичного двугидрата на поверхности обожженных частиц. Разработана двухстадийная технология тепловой обработки мелкодисперсного гипсового камня в турбулентном потоке газообразного теплоносителя на первом этапе и в камере томления для выравнивания поля температуры и химического состава частиц на втором этапе. В работе установлены зависимости между температурными полями и химическим составом гипса в процессе его термообработки на первой стадии в конусообразном реакторе обжига. Форма реактора обеспечивает необходимое давление и время термообработки, а также предотвращает пережег материала за счет исключения провала частиц вдоль стенки. После обжига в реакторе частицы имеют многофазную структуру. На поверхности частицы радиусом R образуется слой безводного гипса (растворимого сульфата кальция) толщиной от R до R2, затем слой полуводного гипса от R2 до R1, а центральная часть зерна радиусом R1 представлена исходным двуводным гипсом. Для оценки необходимого фазового состава продукта обжига были проведены исследования по изменению кристаллической структуры, плотности и диаметров частиц гипса в результате обжига при различных температурах. Режим обжига в конусообразном реакторе должен обеспечивать согласованность размеров зон частицы друг с другом для того, чтобы количество воды, выделяемой в центральной зоне, было необходимо и достаточно для образования полуводного гипса в наружном слое. Исследованы влияние температуры и давления на структуру обжигаемого материала, найден необходимый трехфазный состав частиц обожженного гипса в реакторе. Для обеспечения однородной фазы α-полуводного гипса по всему объему частиц разработана вторая стадия теплообработки обожженного гипса в камере томления.. Математические модели, полученные в результате решения дифференциальных уравнений, описывают тепломассоперенос при нагреве частиц гипса и стабилизацию их химического состава. Предложены технологические приемы для обеспечения однородности химического состава обжигаемого гипсового сырья. Обоснован фракционный состав материала, подаваемого на обжиг. Для поиска оптимальных условий проведения процесса обжига гипса были использованы методы статистической обработки результатов эксперимента. Обоснованы параметры технологического оборудования для термической обработки двуводного сульфата кальция. Изучены физико-механические и физико-химические свойства полученного гипса, а так же определен модификационный состав продукта обжига. Исследования модификационного состава гипса проводились в зависимости от времени обработки и фракционного состава обожженного материала. Наиболее значительные изменения модификационного состава наблюдаются в крупных частицах. Количество CaSO4  0,5 H2O в крупных частицах изменяется от 24,8 % до 88,5 % за счет гидратации растворимого ангидрита и дегидратации двуводного гипса в результате перехода его в полуводный гипс. Усредненный модификационный состав обожженного гипса по двухстадийной технологии: CaSO4  0,5 H2O – 90 %; CaSO4 раств. – 7 %; CaSO4  2 H2O – 2%; CaSO4 нераств. + + прим. – 1%. Результаты изменения модификационого состава различных фракций доказывают адекватность научной гипотезы получения высокопрочного гипсового вяжущего в турбулентном потоке при повышенном давлении. EN: The dissertation work solves an urgent problem of reduction of energy consumption in manufacture of α-gypsum binder. As a result of analytical review of the existing gypsum manufacturing options some methods were proposed to reduce energy consumption in gypsum manufacture at the account of small-size raw material burning under pressure that ensures water separation in gypsum dihydrate dehydration in the form of liquid drops. A two-stage process has been developed for thermal treatment of small-size gypsum rock in a turbulent flow of gas-like heat carrier at the first stage and for equalization of temperature field and chemical analysis in a holding chamber at the second stage. The author found dependences between temperature fields and gypsum chemical analysis in the course of its thermal treatment in a cone-type burning reactor as well as studied the effect of temperature and pressure on the structure of material to be burnt. Mathematical models have been developed for heat and mass transfer under heating of gypsum particles and stabilization of their chemical analysis. Some process techniques were proposed to ensure the uniformity of chemical analysis of crude gypsum being burned. Methods of experiment results statistical treatment were used to search for optimal gypsum burning process conditions. Parameters of process equipment for thermal treatment of calcium sulfate dehydrate were substantiated and a respective pilot plant built to obtain gypsum binder in α-form. Physical-mechanical and physical-chemical properties of obtained gypsum have been studied, modified composition of the burning product determined.