ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

К подготовительным работам относится комплекс операций, сопутствующих практически всем технологиям. Их основное назначение — придать сырью технологическое состояние, удобное и эффективное при прохождении сырья по последовательному циклу переделов с образованием готовой продукции. На этой стадии технологии важно полнее раскрыть и, по возможности, преувеличить потенциальную энергию сырья с тем, чтобы на последующих этапах (перемешивание, формование и т.п.) свободная внутренняя и поверхностная энергии перешли в другие ее формы, способствуя процессам новообразований и фаз, отличных от исходных сырьевых, а также структуры — внутреннего строения готового материала (изделия).

В целях уменьшения расхода внешних энергоресурсов, упрощения и удешевления подготовительных работ весьма целесообразен поиск сырья, которое заранее претерпело геологическую обработку, благоприятно отразившуюся на спонтанной или искусственной активизации его перед употреблением в технологии строительных материалов. В работе В.С. Лесовика [17] показано, что величина энергетической способности горных пород и породообразующих минералов существенно зависит от генезиса (рис. 2.1). Так, например, по составу, внутреннему строению и внешнему сложению попутно добываемые породы как отходы горнорудного производства КМА и кора выветривания кимберлитов алмазоносной провинции Севера РФ значительно отличаются повышенной активностью от традиционного, сходного по составу, сырья, используемого в строительной индустрии. Известно, что традиционные горные породы добывают в качестве сырья путем, как правило, открытой разработки сравнительно мелких карьеров, глубиной до 40—50 м. Между тем попутно добываемые породы, получаемые после обогащения руд, извлекаются из более глубоких месторождений (450—500 м).

Рис. 2.1. Генетическая классификация горных порол как сырья для производства строительных материалов

На этой глубине геологические процессы способствовали естественной технологической активизации пород как потенциального сырья. Эта активизация выражается обычно в нарастании дефектности кристаллической решетки породообразующих минералов, частичной аморфизации породы и ее структурных зерен, которые претерпевают к тому же частичную или полную деструкцию с увеличением удельной и суммарной поверхности твердых частиц. Обнаружено, что реакционная способность глинистых частиц при деструкции им соответствующих минералов значительно повышается вследствие возрастания неупорядоченности (энтропии) кристаллических решеток. Аналогичное явление характерно для тонкодисперсного кварца с корродированной поверхностью. Между тем и то. и другое явления обусловлены соответствующим генезисом пород, а производственный эффект выражается сокращением в 2—3 раза продолжительности изотермической выдержки в автоклаве при получении силикатного материала. Возрастает и прочность такого материала по сравнению с применением обычного сырья.

В зависимости от разновидности сырья подготовительные операции заключаются в измельчении, помоле, распушке и других способах перевода сырья в тонкодисперсное состояние; фракционировании, просеве, промывке и других методах очищения поверхности частиц и разделения их на отдельные группы (фракции) по гранулометрическому (зерновому) составу; увлажнении или обезвоживании

(сушке) сырья; нагревании, обжиге и охлаждении сырья перед употреблением в смесях; обогащении, т.е. повышении однородности сырья по массе, прочности и другим качественным показателям, что нередко совмещается с физико-химической обработкой с целью дополнительного повышения активности поверхности частиц или изменения ее полярности, поверхностного натяжения и т.п.

Измельчение и помол — наиболее распространенные подготовительные операции. Уменьшение размеров частиц грубозернистых сырьевых материалов вызывается необходимостью: обеспечить определенное соответствие между размерами частиц смеси и конструктивными элементами изделий; облегчить технологические операции на стадиях приготовления смеси; повысить плотность и однородность дробленого материала; увеличить удельную поверхность порошкообразного вещества после помола исходного материала. Известно, что между размером зерен у и удельной поверхностью х существует обратная пропорциональная зависимость: x=aly^п, где а — величина поверхности частицы, размер которой равен 1. Эту зависимость можно изобразить в виде гиперболической кривой в системе коопдинат Y—X (тс. 2.2).

Рис. 2.2. Зависимость удельной поверхности X от размера частиц У измельченного сырья

С уменьшением размера каждой частицы общая поверхность измельченного вещества увеличивается, тогда как объем частицы при сложении обломков остается постоянным. Быстро увеличивающаяся с измельчением поверхность обладает особым запасом поверхностной энергии, которая в дальнейшем расходуется при смешении нескольких компонентов в общую смесь, при формировании изделий из смеси с протеканием реакций по поверхностям раздела.

После некоторого предела тонкости помола потенциальная энергия поверхности может возрасти в такой мере, что нередко происходит самопроизвольное (спонтанное) агрегирование (слипание) частиц с уменьшением удельной поверхности и увеличением комковатости и неоднородности исходного продукта. Рациональный предел тонкости помола устанавливают опытным путем. Он может быть повышен применением при помоле добавочных так называемых поверхностно-активных веществ, способных создавать на поверхности пленки, экранировать частицы и предотвращать их агрегирование. Кроме того, при высокой дисперсности помола имеется опасность потери активности порошкообразного материала в период его хранения в связи с поглощением посторонних веществ (пыли,

влаги, газов и др.) из окружающей среды. Приходится учитывать и то, что с увеличением степени измельчения значительно возрастают механическая работа и расход энергии на измельчение. По этой причине весьма полезно ориентироваться на породы разного генезиса (см. рис. 2.1).

Операцию измельчения нередко совмещают с разделением продукта помола по крупности частиц просеиванием или сепарацией. Эта операция называется разделением сырья по фракциям.

Другой операцией является промывка зернистых фракционных материалов — песка, дробленого камня (щебня), гравия — с целью уменьшения количества пыли и глины в смеси. Материалы промывают чистой водой или с добавлением химических веществ. Но имеются и сухие способы очищения зернистых сырьевых материалов, что предохраняет их от смерзания в зимний период работ, например, колориметрические, рентгеносепарационные и др.

Нередко исходные сырьевые материалы подвергают так называемому обогащению, т.е. повышению однородности по прочности, плотности и т.п. В основе обогащения лежат физические законы. В зависимости от принятого способа они могут быть законами гравитации, сепарации, флотации, упругости и др. Эффективность способа оценивают по степени обогащения, количеству (выходу) обогащенного продукта и его качеству.

Весьма важная роль в подготовительный период отводится тепловому воздействию на сырьевой материал, чтобы его просушить, нагреть до необходимой температуры и даже подвергнуть кратковременному обжигу с целью, например, частичной или полной его дегидратации, аморфизации, укрупнения частиц для понижения пластичности (например, глины).

Процесс сушки назначают с учетом особенностей исходного сырья как многокомпонентной системы, состоящей из вещества, слагающего сырьевой материал, влаги, воздуха и паров воды. Если сырьевой материал подвергнуть воздействию теплового агента (нагретого воздуха, дымового газа и др.) или специальных источников нагрева (ламповые излучатели, ТЭН, паровые регистры и др.), то с поверхности влага испаряется, а внутри перемещается к поверхности испарения за счет капиллярных сил, градиентов влажности и температуры. Общее влагоОГЛАВЛЕНИЕ сырьевого материала уменьшается пропорционально продолжительности сушки, т.е. по линейному закону (рис. 2.3, отрезок б—в). Температура поверхности материала в этом интервале остается постоянной и равна температуре адиабатического насыщения воздуха. Температура в центральных слоях материала продолжает повышаться и достигает температуры адиабатического насыщения позже, в точке д. До точек б и г уменьшение влагосодержания идет не по прямому закону. Динамика сушильного процесса показана на рис. 2.4. После высушивания материал нагревают до необходимой температуры.

Рис. 2.3. Изменение влагосодсржания

Рис. 2.4. График скорости сушки:

материала в процессе сушки / — период нарастающего прогрева

материала (d_p—б); 2 — период постоянной скорости сушки (б—в); 3 — период падающей скорости сушки (в—г)

Нередко обе операции совмещают в одном тепловом агрегате, например, в сушильном барабане или на колосниковой решетке.

Нагревание материала, выпаривание из него влаги или растворителя, оказавшегося в нем, а также последующее охлаждение и другие тепловые процессы протекают в соответствии с законами теплоотдачи. Основное уравнение теплопередачи устанавливает зависимость между тепловым потоком Q и поверхностью F теплообмена: Q=kFAlcрт, где к — коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи теплоты по поверхности теплообмена; Д/_ср — средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи, или температурный напор, °С; т — продолжительность процесса теплопередачи. Из уравнения видно, что количество теплоты, передаваемое от более нагретого теплоносителя к более холодному, пропорционально поверхности теплообмена F, среднему температурному напору Д/ср и времени передачи.

Передача теплоты на расстояние осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. В основе этих способов теплопередачи находятся соответственно законы Фурье, Ньютона и Стефана—Больцмана. В реальных условиях теплота чаще всего передается комбинированным способом, однако преобладающим в нем остается все же один из указанных выше способов.

При необходимости нагревание материала (сырья) может быть доведено до обжига в печных агрегатах по заранее рассчитанному режиму соответственно температурной кривой. Однако обжиг в подготовительный период требуется иногда лишь для снижения излишней пластичности сырья, например, глин, при отсутствии поблизости песчаных карьеров.

На стадии подготовительных работ производят нередко также физико-химическую или химическую обработку сырьевых материалов. Она повышает активность подготавливаемых компонентов смеси, облегчает и ускоряет основную технологическую операцию, благоприятствует получению ИСК более плотного и прочного, лучшего по другим качественным характеристикам. Такая обработка заключается, обычно, в добавлении в смесь специальных веществ, имеющих различные или комплексные функции, — уплотняющие, минерализующие, порообразующие, гидрофобизирующис, коагулирующие (электролиты) и т.п. Она может быть совмещена с механической обработкой, например, путем помола сырья в смеси с добавкой. Тогда свежеобразующаяся поверхность измельчаемых частиц поглощает добавочное вещество (добавку) с образованием на поверхности молекулярных (пленок) или новых химических соединений, повышая активность порошкообразного материала.

Некоторые сырьевые компоненты находятся в жидком состоянии и вступают во взаимодействие с твердыми компонентами смеси. Поэтому, чтобы усилить их индивидуальные особенности, подобно твердым их подвергают нагреванию, рафинированию, электромагнитному воздействию, обогащению с введением добавочных веществ, например, поверхностно-активных ингибиторов, электролитов и др.

Подготовленные сырьевые материалы транспортируют к местам временного накопления для последующих операций (дозирование, перемешивание). При прогрессивной технологии транспортирование является не только перемещением (вертикальным, горизонтальным или наклонным), но используется так же как дополнительный фактор, положительно влияющий на структурообразовательный процесс. В этих целях предусматриваются не только конструктивно-технологические мероприятия по защите в пути от охлаждения — нагретого, от увлажнения — просушенного, от загрязнения — промытого, от перемешивания — фракционированного материалов, но и дальнейшая активизация их с помощью соответствующих агентов (тепловых, адсорбирующихся из воздушной среды, вибрационно-пульсирующих и др.).

В емкостях (бункерах, силосах и др.) временного накопления и хранения подготовленных сыпучих материалов возможны заторы при их перемещении с образованием устойчивых сводов. Самопроизвольное прекращение истечения этих материалов приводит к нарушению общего ритма работы завода, дефектносги дозирования, снижению однородности и качества смеси. Для борьбы с образованием сводов в толще сыпучего материала используют специальные устройства (сводообрушители). Они, однако, не всегда бывают эффективными, особенно при хранении мелкофракционных смесей. В настоящее время установлены аналитические зависимости, которые связывают характеристики мелкофракционного сыпучего материала и емкости с основными параметрами процесса истечения, что

позволяет расчитывать геометрию бункера с заданными формой выпускного отверстия и скоростью истечения. Возможность образования свода сыпучего материала учитывают на стадии проектирования системы "бункер—дозатор" [25].

На качество смеси изготавливаемого строительного материала может сильно влиять точность дозирования. Если под влиянием внешних или внутренних причин нарушается точность дозирования (автоматического отвешивания или объемного отмеривания) или ритмичность перемещения отдозированных компонентов к смесительному аппарату, то в процессе перемешивания возможно снижение качества получаемой смеси (массы) и готового материала (изделия).