Экономические основы технологии производства строительной воздушной извести

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Примерно 3 тысячи лет назад для связывания отдельных камней стали применять вяжущие вещества, первой из которых была известь.

Первоначально полученную при обжиге в виде комьев известь измельчали путем ее гашения водой. В Древнем Риме потребности строительной техники вызвали широкое производство извести для применения ее в кладочных и штукатурных растворах. В России первый завод, изготовляющий известковое вяжущее с гидравлическими добавками в виде толченого кирпича, был построен в Москве в конце XVII в.

В начале XVIII в. было получено новое ценное вяжущее - гидравлическая известь. Гидравлическую известь стали применять для кладки фундаментов зданий, подземных и гидротехнических сооружений.

С начала XX столетия объем известковых строительных растворов в индустриальном строительстве стал постепенно уменьшаться. Известковые растворы с успехом вытесняются из строительной практики такими эффективными вяжущими, как высокопрочный и водостойкий портландцемент, быстро твердеющий и более дешевый строительный гипс. Однако потребность в извести продолжает увеличиваться. Это объясняется тем, что известь получила широкое применение как основной компонент многочисленных технологических процессов.

В промышленности строительных материалов известь в большом количестве применяют в производстве силикатного кирпича и силикатобетонных изделий, для приготовления растворов и бетонов, вяжущих материалов и др.

Строительной воздушной известью называется продукт, получаемый из известковых и известково-магнезиальных карбонатных пород обжигом их до возможно полного удаления углекислоты и состоящий преимущественно из оксида кальция.

Различают следующие виды воздушной извести: известь негашеную комовую; известь негашеную молотую; известь гидратную (пушонку); известковое тесто.

Известь негашеная комовая представляет собой смесь кусков различной величины. По химическому составу она почти полностью состоит из свободных оксидов кальция и магния с преимущественным содержанием СаО. В небольшом количестве в ней могут присутствовать неразложившийся карбонат кальция, а также силикаты, алюминаты и ферриты кальция и магния, образовавшиеся во время обжига при взаимодействии глины и кварцевого песка с оксидами кальция и магния.

Известь негашеная молотая - порошковидный продукт тонкого измельчения комовой извести. По химическому составу она подобна комовой извести. Гидратная известь - высокодисперсный сухой порошок, получаемый гашением комовой или молотой негашеной извести соответствующим количеством жидкой или парообразной воды, обеспечивающим переход оксидов кальция и магния в их гидраты. Гидратная известь состоит преимущественно из гидроксида кальция Са (ОН) 2, а также гидроксида магния Mg (OH) 2 и небольшого количества примесей (как правило карбоната кальция).

Качество воздушной извести оценивается по разным показателям, основным из которых является содержание в ней свободных оксидов кальция и магния (активность извести). Чем выше их содержание, тем выше качества извести.



1. Основные сырьевые материалы для производства строительной извести

1.1 Перечень, состав и свойства сырьевых материалов

Исходными материалами для производства воздушной извести являются многие разновидности известково-магнезиальных карбонатных пород. Все они относятся к осадочным породам. В состав известняков входят углекислый кальций СаСО3 и небольшое количество различных примесей.

Карбонат кальция состоит из 56% СаО и 44% СО2. Он встречается в виде двух минералов - кальцита и аргонита.

Кальцит, или известковый шпат, кристаллизуется в гексагональной системе. Его кристаллы имеют форму ромбоэдров. Истинная плотность кальцита 2,6-2,8г/см3; твёрдость по десятибалльной шкале - 3. Кальцит хорошо растворяется при обычной температуре в слабой соляной кислоте с выделением углекислого газа.

Арагонит - менее распространённый минерал, кристаллизуется в ромбической системе. Его истинная плотность 2,9-3г/см3, твёрдость - 3,5-4. При нагревании до 300-400оС арагонит превращается в кальцинит, рассыпаясь в порошок.

Чистые известково-магнезиальные породы - белого цвета, однако они часто бывают окрашены примесями оксидов железа и углистыми примесями. Количество и вид примесей к карбонатным породам, размеры частей примесей, а также равномерность распределения их в основной массе в большей степени отражаются на технологии производства извести, выборе печей для обжига, оптимальной температуре и продолжительности обжига, а также на свойствах получаемого продукта. Обычно чистые и плотные известняки обжигают при 1100-1250оС. Чем больше карбонатная порода содержит примесей доломита, глины, песка, тем ниже должна быть оптимальная температура обжига для получения мягкообожжённой извести. Такая известь хорошо гасится водой и даёт тесто с высокими пластичными свойствами.

Примеси гипса нежелательны. При содержании в извести даже около 0,5-1% гипс сильно снижает пластичность известкового теста. Значительно влияют на свойства и железистые примеси, которые уже при 1200оС и более вызывают образование в процессе обжига легкоплавких эвтектик, способствующих интенсивному росту крупных кристаллов оксида кальция, медленно реагирующих с водой при гашении извести и вызывающих явления, связанные с понятием «пережог».

Физико-механические свойства пород также отражаются на технологии извести. Для обжига в высоких шахтных печах пригодны лишь те породы, которые характеризуются значительной механической прочностью (прочность на сжатие не менее 20-30МПа). Куски породы должны быть однородными, неслоистыми; они не должны рассыпаться и распадаться на более мелкие части во время нагревания, обжига и охлаждения.

Рассыпаться во время обжига склонны крупнокристаллические известняки, состоящие из кристаллов кальцита размером 1-3мм. Мягкие разновидности известково-магнезиальных пород надо обжигать в печах, в которых материал не подвергается сильному измельчению. Известково-магнезиальные породы в зависимости от их химического состава являются сырьём для производства не только воздушной, но и гидравлической извести, а также портландцемента.

Таблица 1.

В зависимости от химического состава карбонатные породы делят на семь классов: А, Б, В, Г, Д, Е, Ж (таблица 1).

Наименование Требования	Классы
	А	Б	В	Г	Д
СаСОз, %, не менее	93	90	85	47	72
MgCO3, %, не менее	4	7	7	45	8
Глинистые примеси, содержащие SiO2, A1203, Fе20з, %, не более	3	3	8	8	20

Из сырья классов А и Б получают соответственно жирную (пластичную) и тощую маломагнезиальную известь, из сырья классов В и Г - магнезиальную, из сырья классов Д и Е - доломитовую, а из сырья класса Ж - гидравлическую известь.

По структуре известняки делят на: кристаллические зернистые мраморовидные, плотные тонкозернистые, оолитовые, известковые туфы, известняки-ракушечники, мел, доломитизированные известняки и доломиты.

Мрамор по химическому составу - наиболее чистое сырьё. Однако в связи с высокими декоративными свойствами он используется в качестве отделочного материала, и поэтому в производстве извести, за редким исключением, не применяется.

Плотные известняки имеют мелкозернистую кристаллическую структуру, содержат обычно небольшое количество примесей и отличаются высокой прочностью. Их наиболее широко используют для получения извести.

Мел - мягкая рыхлая горная порода, легко рассыпающаяся на мелкие куски. Его обычно обжигают лишь во вращающихся печах, так как при обжиге в шахтных печах он легко крошится, что нарушает процесс обжига.

Известняковый туф отличается ноздреватым строением и большой пористостью. Иногда его используют для производства извести во вращающихся и шахтных печах (в зависимости от прочности).

Известняк-ракушечник состоит из раковин, сцементированных углекислым кальцием. Он представляет собой малопрочную горную породу, поэтому редко применяется для изготовления извести.

Оолитовый известняк - горная порода, состоящая из отдельных шариков карбоната кальция, сцементированных тем же веществом.

Доломитизированные известняки и доломиты по своим физико-механическим свойствам сходны с плотными известняками. Иногда доломиты залегают в природе в виде рыхлых скоплений. В доломитезированных известняках в качестве примеси присутствует доломит СаСО3 * MgCO3. Теоретически доломит состоит из 54,27% СаСО3 и 45,73% MgCO3 или 30,41% СаО, 21,87% MgO и 47,72% СО2. Истинная плотность доломита 2,85-2,95 г/см3. доломитовые породы почти нацело слагаются минералом доломитом с тем или иным содержанием глинистых, песчаных, железистых и тому подобных примесей.

Средняя плотность известняков составляет 2400-2800 кг/м3, мела - 1400-2400 кг/м3. Влажность известняков колеблется в пределах 3-10%, а мела - 15-25%.

Сырьём для производства воздушной извести могут служить не только специально добываемые для этой цели карбонатные породы, но и отходы при добыче известняков для нужд металлургической, химической, строительной и других отраслей промышленности. Для этой цели в ряде случаев используют побочные продукты в виде дисперсного карбоната кальция или гидроксида кальция (карбонатные отходы сахарного и содового производства, гидратная известь от производства ацетилена и др.).

Известь негашёная комовая представляет собой смесь кусков различной величины. По химическому составу она почти полностью состоит из свободных оксидов кальция и магния с преимущественным содержанием СаО. В небольшом количестве в ней могут присутствовать неразложившийся карбонат кальция, а также силикаты, алюминаты и ферриты кальция и магния, образовавшиеся во время обжига при взаимодействии глины и кварцевого песка с оксидами кальция и магния.

Производство комовой негашёной извести состоит из следующих основных операций: добычи и подготовки известняка, подготовки топлива и обжига известняка.

1.2 Способы добычи сырьевых материалов

Известняки добывают обычно открытым способом в карьерах. Плотные известково-магнезиальные породы взрывают. Для этого вначале с помощью станков ударно-вращательного (при твёрдых породах) или вращательного бурения (при породах средней прочности) бурят скважины диаметром 105-150мм глубиной 5-8м и более на расстоянии 3,5-4,5м одна от другой. В них закладывают надлежащее количество взрывчатого вещества в зависимости от прочности породы, мощности пласта и требуемых габаритов камня.

Наблюдающаяся иногда неоднородность залегания известняков в месторождениях обуславливает необходимость выборочной разработки полезной породы. Выборочная добыча известняка повышает стоимость продукта, поэтому при определении технической и экономической целесообразности разработки тех или иных месторождений необходимы тщательные геологоразведочные изыскания.

Полученную массу известняка в виде крупных и мелких кусков погружают в транспортные средства обычно одноковшовым экскаватором. В зависимости от расстояния между карьером и заводом известняк доставляют на завод ленточными конвейерами, автосамосвалами, железнодорожным и водным транспортом.

Высококачественную известь можно получить только при обжиге карбонатной породы в виде кусков, мало различающихся по размерам. Поэтому перед обжигом известняк соответствующим образом подготавливают: сортируют по размеру кусков и, если необходимо, более крупные негабаритные куски дробят.

В шахтных печах наиболее целесообразно обжигать известняк раздельно по фракциям 40-80, 80-120мм в поперечнике, а во вращающихся печах - 5-20 и 20-40мм.

Так как размеры глыб добытой горной породы нередко достигают 500-800мм и более, то возникает необходимость дробления их и сортировки всей полученной после дробления массы на нужные фракции. Это осуществляется на дробильно-сортировочных установках, работающих по открытому или замкнутому циклу с использованием щековых, конусных и другого типа дробилок. Дробить и сортировать известняк целесообразно непосредственно на карьере и доставлять на завод лишь рабочие фракции.

1.3 

2. Технология производства строительной извести

2.1 Основные способы производства строительной извести

Обжиг - основная технологическая операция в производстве воздушной извести. При этом протекает ряд сложных физико-химических процессов, определяющих качество продукта. Цель обжига - возможно более полное разложение СаСО3 и MgCO3 * CaCO3 на СаО, MgO и СО2 и получение высококачественного продукта с оптимальной микроструктурой частичек и их пор.

Реакция разложения (декарбонизация) основного компонента известняка - углекислого кальция идёт по схеме: СаСО3 >< СаО + СО2. Теоретически на разложение 1 моля СаСО3 (100 г) расходуется 179 кДж или 1790 кДж на 1 кг СаСО3. В пересчёте на 1 кг получаемого при этом СаО затраты равны 3190 кДж.

Процесс диссоциации углекислого кальция - обратимая реакция. Её направление зависит от температуры и парциального давления углекислого газа СО2 в среде с диссоциирующимся карбонатом кальция.

Диссоциация углекислого кальция возможна лишь при условии, если давление диссоциации будет больше парциального давления СО2 в окружающей среде. При обычной температуре разложение СаСО3 невозможно, поскольку давление диссоциации ничтожно. Установлено, что лишь при 600оС в среде, лишённой углекислого газа, начинается диссоциация углекислого кальция, причём она протекает очень медленно. При дальнейшем повышении температуры диссоциация СаСО3 ускоряется.

Разложение СаСО3 происходит не сразу во всей массе куска, а начинается с его поверхности и постепенно проникает к внутренним его частям. Скорость передвижения зоны диссоциации внутрь куска увеличивается с повышением температуры обжига.

Качество строительной воздушной извести зависит не только от содержания в ней свободных оксидов кальция и магния, но и от микроструктуры продукта, определяемой величиной и формой кристаллов СаО и MgO, а также величиной пор и распределением их в массе вещества.

При истинной плотности кальцита, основного компонента известняка, 2,72 г/см3 1 г вещества занимает абсолютный объём 1:2,27 = 0,36 см3. Из 1 г кальцита при обжиге образуется 0,56 г оксида кальция, который при плотности 3,4 г/см3 занимает объём 0,56:3,4 = 0,16 см3, т. е. в 2,25 раза меньше, чем исходный кальцит. Естественно, что уменьшение объёма сопровождается уменьшением общей пористости кусков и увеличением их средней плотности.

Декарбонизация известняков при низких температурах (800-850оС) приводит к образованию оксида кальция в виде массы губчатой структуры, сложенной из кристаллитов размером около 0,2-0,3 мкм и пронизанной тончайшими капиллярами диаметром около 8 * 10-3 мкм.

Повышение температуры обжига до 900о и особенно до 1000оС обуславливает рост кристаллов оксида кальция до 0,5-2 мкм и значительное уменьшение удельной поверхности до 4-5 м2/г, что должно бы отрицательно отражаться на реакционной способности продукта. Но одновременное возникновение крупных пор в массе материала создаёт предпосылки к быстрому прониканию в него воды и энергичному их взаимодействию. Наиболее энергичным взаимодействием характеризуется известь, полученная обжигом известняка при температурах около 900оС. Обжиг при более высоких температурах приводит к дальнейшему росту кристаллов оксида кальция (до 3,5-10 мкм), уменьшению удельной поверхности, усадке материала и понижению скорости взаимодействия его с водой.

Обжиг при 1400оС и выше вызывает увеличение средней плотности, резкое уменьшение пористости и образование кристаллов оксида кальция и их конгломератов значительных размеров - 10-20 мкм и больше, что предопределяет замедленное их взаимодействие с водой, характерное для пережжённой извести.

Некоторые примеси в известняках, особенно железистые, способствуют быстрому росту кристаллов оксида кальция и образованию «пережога» и при температурах около 1300оС. Это вызывает необходимость обжигать сырьё с такими примесями при более низких температурах.

Пережог в извести вредно сказывается на качестве изготовляемых на ней растворов и изделий. Запоздалое гашение такой извести, протекающее обычно в уже схватившемся растворе или бетоне, вызывает механические напряжения и в ряде случаев разрушение материала. Поэтому наилучшей будет известь, обожжённая при минимальной температуре, обеспечивающей полное разложение углекислого кальция и экономию топлива.

Выбор температуры обжига известняка зависит и от наличия в нём примесей углекислого магния. В отличие от углекислого кальция MgCO3 при нагревании разлагается при более низкой температуре: начало около 400оС и полная диссоциация при 600-650оС. Реакционная же способность образующегося при этом MgO, как и СаО, с повышением температуры обжига значительно уменьшается. Уже при 1200-1300оС получается намертво обожжённый оксид магния - периклаз, который практически не обладает вяжущими свойствами и только при очень тонком измельчении начинает медленно взаимодействовать с водой. Достаточно активный оксид магния получается при обжиге доломитов и доломитизированных известняков при 850-950оС.

Известково-обжигательные печи.

Для обжига извести применяют печи различных типов: шахтные, вращающиеся и др. Используют также установки для обжига извести во взвешенном состоянии, в кипящем слое, на специальных решётках и т. д.

Наибольшее распространение получили шахтные печи. Эти печи характеризуются непрерывностью действия, пониженным расходом топлива и электроэнергии, а также простотой в эксплуатации. Строительство их требует относительно небольших капиталовложений.

В зависимости от вида применяемого топлива и способа его сжигания различают шахтные печи, работающие на короткопламенном твёрдом топливе, вводимом обычно в печь вместе с обжигаемым материалом; так как известняк и кусковое топливо при этом загружают в шахту перемежающимися слоями, то иногда такой способ обжига называют пересыпным, а сами печи пересыпными; на любом твёрдом топливе, газифицируемом или сжигаемом в выносных топках, размещаемых непосредственно у печи; на жидком топливе; на газовом топливе, натуральном или искусственном.

Кроме того, применяют печи, в которых известняк обжигается за счёт сжигания короткопламенного топлива, вводимого в шахту вместе с сырьём, и одновременно длиннопламенного топлива, сжигаемого в выносных топках.

По степени обжига различают извести мягкообожжённые, среднеобожжённые и сильнообожжённые. Первые характеризуются отсутствием пережога и быстрой гасимостью. В сильнообожженных известях может присутствовать пережог, для них характерно замедленное гашение.

По характеру процессов, протекающих в шахтной печи, в ней различают три зоны по высоте: подогрева, обжига и охлаждения.

В зоне подогрева, к которой относят верхнюю часть печи с температурой печного пространства не выше 850оС, материал подсушивается и подогревается поднимающимися раскалёнными дымовыми газами. Здесь выгорают также органические примеси. Поднимающиеся газы, в свою очередь, благодаря теплообмену между ними и загруженным материалом охлаждаются и далее отводятся в верх печи.

Зона обжига размещается в средней части печи, где температура обжигаемого материала изменяется от 850 до 1200оС и затем до 900оС; здесь известняк разлагается, из него удаляется углекислый газ.

Зона охлаждения - нижняя часть печи. В этой зоне известь охлаждается от 900 до 50-100оС поступающим снизу воздухом, который далее поднимается в зону обжига.

Движение воздуха и газов в шахтных печах обеспечивается работой вентиляторов, нагнетающих в печь воздух и отсасывающих из неё дымовые газы. Противоточное движение обжигаемого материала и горячих газов в шахтной печи позволяет хорошо использовать теплоту отходящих газов на подогрев сырья, а теплоту обожжённого материала - на подогрев воздуха, идущего в зону обжига. Расход условного топлива в этих печах составляет примерно 13-16% массы обожжённой извести, или 3800-4700 кДж на 1 кг.

В шахтных пересыпных печах известь загрязняется золой и остатками несгоревшего топлива. Возможно также образование значительного количества пережога вследствие соприкосновения раскалённых кусков антрацита или кокса с обжигаемым известняком. Это особенно заметно при нарушении теплового режима и черезмерном форсировании печей за счёт высоких температур обжига.

Шахтные печи с выносными топками отличаются от пересыпных тем, что топливо в них не загружают непосредственно в шахту вместе с известняком, а сжигают в выносных топках, из которых раскалённые продукты горения поступают в печь и обжигают известняк. Выносные топки позволяют использовать для обжига извести любые виды твёрдого топлива, в том числе и длиннопламенные с большим содержанием летучих, а также получать известь, не засорённую зольными остатками, что является большим достоинством этих печей. Кроме того, для них характерен повышенный расход топлива на обжиг извести, достигающий в печах с топками полного сгорания 25%, а в печах с полугазовыми топками 18-20% массы продукта.

Печи, работающие на нефти, характеризуются тепловым коэффициентом полезного действия около 0,65 и уступают пересыпным печам, КПД которых достигает 0,85-0,88.

Применяются и газовые шахтные печи, в которых теплоноситель движется поперёк хода обжигаемого материала в вертикальной шахте. При этом шахта в плане имеет сильно вытянутое прямоугольное сечение с расстоянием между удлинёнными стенками 25-40 см. Через эти стенки на трёх-четырёх уровнях зоны обжига подаётся газообразное в смеси с воздухом. При обжиге мелкокускового известняка (3-5 см) суточный съём с 1 м3 полезного объёма печи может достигать 15-20 т.

Вращающиеся печи для обжига извести позволяют получать мягкообожжённую известь высокого качества из известняка и мягких карбонатных пород в виде мелких кусков. Вращающиеся печи допускают возможность полной механизации и автоматизации процесса обжига. В них можно применять все виды топлива - пылевидное, твёрдое, жидкое и газообразное.

Расход условного топлива во вращающихся печах значителен и достигает 25-30% массы извести, или 6700-8400 кДж на 1 кг. Недостатки вращающихся печей - большой расход металла на 1 т мощности, повышенные капиталовложения и значительный расход электроэнергии.

Для обжига извести применяют вращающиеся печи длиной 30-100 м, диаметром 2-4 м, с углом наклона 3-4о и частотой вращения 0,5-1,2 об/мин. Удельная суточная производительность их достигает 500-700 кг/м3 в расчёте на полный объём обжигательного барабана. С увеличением длины печей производительность их возрастает, а расход топлива снижается.

Для уменьшения расхода топлива на обжиг извести во вращающихся печах и для утилизации теплоты газов, выходящих из печей с температурой 750-800оС, применяют разные способы. В частности, за печами ставят нагреватели, в которые направляют предназначенный для обжига кусковой материал. Отсюда с температурой 500-800оС он поступает во вращающуюся печь, а из неё в холодильник. При таком способе работы печи расход теплоты на обжиг снижается до 4600-5030 кДж/кг извести.

Обжиг известняка в кипящем слое по технико-экономическим показателям характеризуется высоким съёмом и повышенным расходом топлива - 4600-5480 кДж на 1 кг извести. Расход топлива достигает 175 кг/т извести (5733 кДж/кг). Обжиг материала в условиях кипящего слоя высотой до 1-1,2 м длится 10-15 минут. Работа этих печей легко поддаётся полной автоматизации.

Применение в известковой промышленности установок для обжига карбонатных пород в кипящем слое позволяет рационально использовать большие количества мелких фракций сырья, образующихся обычно на карьерах, а также на заводах, оборудованных шахтными и даже вращающимися печами. Недостатком этих установок является повышенный расход топлива и электроэнергии.

Обжиг измельчённого известняка во взвешенном состоянии в опытном порядке осуществляют в циклонных топках. В них тонкоизмельчённые частички карбонатного сырья увлекаются потоком раскалённых газов и обжигаются. Осаждается обожжённая известь из газового потока в пылеосадительных устройствах.

Выбор типа печи для обжига извести определяется производительностью завода, физико-механическими свойствами и химическим составом известняка, видом топлива и требуемым качеством извести.

Складирование и транспортирование комовой извести.

Выгружаемую из печей комовую известь транспортируют на склад в вагонетках либо пластинчатыми или ленточными конвейерами со стальной лентой, для которой не опасна повышенная температура извести.

Комовую известь следует хранить только в механизированных складах бункерного типа или в силосах. При этом необходимо обеспечивать надлежащую герметизацию и аспирацию мест возможного пылеобразования с последующей очисткой запылённого воздуха. Перевозить известь следует в специально оборудованных автомашинах, вагонах и т. п. При хранении и транспортировании комовой негашёной извести необходимо оберегать её от увлажнения, так как при этом не только ухудшается её качество, но может возникнуть пожар.

2.2 Подробное изложение одного из эффективных способов производства

Гидратная известь (пушонка) и известковое тесто

Комовая негашёная известь является полупродуктом. Если её применяют в гашёном виде, то предварительно в гидратную известь (пушонку) или в известковое тесто.

Гидратная известь - высокодисперсный сухой порошок, получаемый гашением комовой или молотой негашёной извести соответствующим количеством жидкой или парообразной воды, обеспечивающим переход оксидов кальция и магния в их гидраты. Гидратная известь состоит преимущественно из гидроксида кальция Са(ОН)2, а также гидроксида магния Mg(OH)2 и небольшого количества примесей (как правило, карбоната кальция).

Известковое тесто - продукт, получаемый гашением комовой или молотой негашёной извести водой в количестве, обеспечивающем переход оксидов кальция и магния в их гидраты и образование пластичной тестообразной массы. Выдержанное тесто содержит обычно 50-55% гидроксидов кальция и магния и 50-45% механически и адсорбционно связанной воды.

Основная операция при получении этих видов извести - гашение. Оно заключается в обработке извести водой. Обычно при гашении идёт самопроизвольный распад кусков извести на тонкодисперсные частички размером не более 5-20 мкм. Чем дисперснее частички гашёной извести, тем пластичнее получаемое из неё тесто и тем более ценными строительными свойствами оно обладает.

Высокая пластичность теста определяется содержанием в нём тончайших фракций гидроксида кальция и магния (0,02-0,5 мкм).

В гашёной извести должны отсутствовать непогасившиеся частицы оксидов кальция и магния, которые при последующей гидратации в затвердевших растворах и бетонах могли бы отрицательно влиять на их качество. Поэтому при гашении извести необходимо стремиться к полному переводу оксидов кальция и магния в их гидраты Са(ОН)2 и Mg(OH)2 и к получению продукта с максимальной дисперсностью частичек. Для этого необходим выбор рациональных технологических приёмов.

Гашёная известь (пушонка).

Процесс гашения представляет собой взаимодействие извести с водой:

СаО + Н2О ><Са(ОН)2.

При гашении извести выделяется значительное количество теплоты, составляющее 65 кДж на 1 моль, или 1160 кДж на 1 кг оксида кальция. При этом температура гасящейся извести может достигать таких значений, при которых возможно не только кипение воды, но и возгорание дерева. Само название негашёной извести - известь-кипелка обусловлено способностью её выделять большое количество теплоты, вызывающей кипение воды.

Реакция гидратации оксида кальция обратимая. Её направление зависит от температуры и парциального давления водяных паров в окружающей среде. Упругость диссоциации гидроксида кальция достигает атмосферного давления при 547оС. Однако частичная дегидратация возможна и при более низких температурах (300-350оС) с образованием вторичного оксида кальция, обычно уплотнённого и плохо гасящегося в дальнейшем, поэтому для быстрого и полного гашения извести необходимо присутствие воды или насыщенных водяных паров.

Чем выше температура гашения извести (особенно паром) в гидратную известь-пушонку, тем крупнее и прочнее образующиеся агрегаты гидроксида кальция, почти не способные в дальнейшем в смеси с водой распадаться на тончайшие частички и давать высокопластичное тесто. При гашении извести в тесто целесообразно устанавливать температуру гасящейся массы в пределах 60-80оС с тем, чтобы, с одной стороны, не было перегрева материала, а с другой - процесс взаимодействия извести с водой протекал бы достаточно интенсивно и скоро. Перемешивание материала предотвращает возможное образование плёнок Са(ОН)2 на частицах оксида кальция и прекращение её гидратации. Воду нужно вводить в материал в полном объёме или отдельными дозами с тем, чтобы удерживать температуру массы в указанных пределах.

При гашении извести в порошок необходимо также избегать перегрева продукта выше 100оС, особенно при гашении высокоактивных быстрогасящихся видов извести.

Механизм взаимодействия оксида кальция с водой зависит от условий, в которых протекает реакция образования гидроксида кальция (свойства извести, агрегатное состояние воды - жидкость или пар, значение водоизвесткового отношения и др.).

Объём образующейся гидратной извести в 2-2,5 раза превышает объём исходной негашёной извести за счёт значительного увеличения размера пустот между отдельными частицами.

Теоретически для гашения извести необходимо 32,13% воды по массе СаО. Практически при гашении в порошок вводят в среднем 60-80% воды по массе извести-кипелки. Это обусловлено тем, что при гашении часть воды испаряется, а некоторое количество её (3-5%) расходуется на смачивание образующегося порошка гидроксида кальция.

При гашении извести в тесто расход воды увеличивают до 2-3 частей по массе на 1 часть извести-кипелки. При большем количестве воды получают известковое молоко, а при значительном избытке - известковую воду. Чем выше содержание в извести СаО, чем умереннее температура обжига, тем больше воды необходимо брать для гашения.

Оксид магния, полученный обжигом при 900-1000оС, относительно быстро взаимодействует с водой, переходя в Mg(OH)2. Пережжённый оксид магния при обычных условиях гашения не гидратируется и гасится лишь в измельчённом виде насыщенным паром в автоклавах под давлением 0,8-1,5 МПа.

В гашёную известь (пушонку или тесто) попадает часть силикатов, алюминатов и ферритов кальция. В строительных растворах и бетонах эти соединения со временем переходят в соответствующие гидраты, способствуя повышению прочности и водостойкости получаемых материалов.

Заметно ускоряют или замедляют скорость гашения извести некоторые вещества. В частности, гидратацию ускоряют, вводя в воду для гашения хлористые соли в количестве 0,2-1% (CaCl2, NaCl и др.). Сернокислые соли (гипс, Na2SO4 и др.), а также некоторые поверхностно-активные вещества замедляют скорость гашения.

Гидроксид кальция образуется обычно в виде гексагональных пластинок со слоистой кристаллической решёткой. При быстром процессе взаимодействия активной быстрогасящейся извести с водой Гидроксид кальция возникает в виде дисперсных частичек, склонных к образованию агрегатов. Известь высокого температурного обжига, относительно медленно реагирующая с водой, даёт более крупные кристаллы Са(ОН)2. Поверхность частичек гидрата заряжена положительно, что, несомненно, благоприятно для взаимодействия его с кварцем или другими кремнеземистыми веществами, поверхность частичек которых заряжена отрицательно.

Растворимость Са(ОН)2 в воде в некоторой мере зависит от величины кристаллов. Растворимость гидроксида кальция в присутствии солей NaCl, CaCl2, MgCl2 и т. д. несколько увеличивается; в присутствии же гипса, а также Na2SO4 она уменьшается.

Гидроксид кальция, по данным ряда исследований, может присоединять воду с образованием кристаллогидратов различного состава: Са(ОН)2 * 6Н2О, Са(ОН)2 * 4Н2О, Са(ОН)2 * 0,5Н2О, устойчивых лишь при пониженных температурах.

В заводских условиях гидратную известь получают по следующей технологической схеме. Комовую негашёную известь со склада направляют в дробилку и измельчают до частиц размером не более 5-10 мм, а при большом содержании оксида магния - размером не более 3-5 мм. Для дробления извести применяют молотковые, а в последнее время ударно-центробежные дробилки, работающие в замкнутом цикле с ситами. При сильно пережжённой извести, полученной из прочного известняка, целесообразно использование конусных дробилок.

Известь в порошок гасят в специальных гасильных аппаратах (гидраторах) периодического и непрерывного действия. Гидраторы непрерывного действия более рациональны. В условиях интенсивного перемешивания с водой вначале образуется пластичная масса, которая постепенно в результате присоединения воды к оксиду кальция и её испарения рассыпается в подвижный горячий порошок.

Для непрерывного механизированного гашения извести предназначен гидратор барабанного типа. Производительность этого аппарата 5т гашёной извести в 1 час.

Высококальциевые виды извести в гидраторе непрерывного действия обычно гасятся достаточно полно и сразу направляются на склад. Магнезиальные же и доломитовые извести подают в силосы для догашивания в течение 1-2 суток. После этого продукт направляют в воздушный сепаратор для отделения непогасившихся зёрен, которые подвергают тонкому измельчению и снова подают в силосы на вторичное гашение.

Насыпная плотность порошка гашёной извести 400-500 кг/м3. Гашёную известь (пушонку) поставляют потребителю в бумажных мешках или в контейнерах, а также в специальных вагонах, цементовозах.

На заводах силикатного кирпича молотую известь в смеси с песком иногда гасят во вращающихся барабанах паром под давлением 0,3-0,5 МПа. Обычно применяют барабаны вместимостью до 15 м3, вращающиеся с частотой 3-5 об/мин. Пар подают в барабан из котла. Процесс гашения занимает 30-40 минут (с загрузкой и выгрузкой материала). Такой способ обеспечивает полную гидратацию извести, даже с пережогом, в короткий срок.

Известковое тесто.

В современных условиях гашение извести в тесто осуществляют механизированным способом на специальных известегасильных установках по схеме (рисунок 1).

Складирование комовой извести

(Сырьевой склад; V, м3; Т, с\т.)

v

Мелкое дробление

(Ударно-центробежные дробилки; T, мин; d, мм)

v

Гашение в машине с получением известкового молока

(Гидраторы; Р,t)

v

Отстаивание для получения известкового теста

(t,C0 )

v

Отгрузка известкового теста

Рисунок 1- Схема гашения извести в тесто

Применяют известегасильные машины периодического и непрерывного действия. По конструктивным особенностям они делятся на барабанные, бегунковые, лопастные, фрезерные и др.

В машинах некоторых типов при гашении известь обрабатывают горячей водой для ускорения процесса гидратации. Особенно это необходимо при медленногасящихся видах извести. Известегасилка - вращающийся на катках барабан, приводимый в действие электродвигателем. С одного торца барабан снабжён бункером для загрузки извести, с другого - лотком для слива известкового молока. Все узлы известегасилки смонтированы на сварной раме. Барабан состоит из двух цилиндров, вставленных друг в друга с зазором 12 мм. Они образуют рубашку (теплообменник), в которую поступает вода из водопроводной сети. При гашении извести во внутреннем цилиндре (рабочей части) вода в теплообменнике подогревается до 45-50оС выделяющейся при этом теплотой и затем поступает внутрь барабана через загрузочный торец. Внутренняя ёмкость барабана решётчатой диафрагмой разделена на две камеры - гашения и измельчения, загруженную шарами. Камера гашения для интенсивного перемешивания кусков снабжена гребёнками (продольными уголками).

Непрерывно загружаемая в известегасилку известь при вращении барабана перемешивается и взаимодействует с подогретой водой, поступающей из теплообменника. Куски извести измельчают в результате ударов друг с другом и с гребёнками. Проходящая через диафрагму вместе с молоком известковая крошка окончательно измельчается в следующей камере. Отсюда молоко через патрубок и лоток сливается в отстойник. Отходы выгружаются через люк. Для полного гашения извести рекомендуется на 1 часть извести по массе подавать 2-3 части воды. Гасят известь при 60-70оС. В результате интенсивной механической и термической обработки материала получают гашёную известь, часто пригодную к употреблению без дополнительной выдержки.

Термомеханические известегасилки производительностью 2 т/ч выпускают для использования в стационарных условиях.

Для получения известкового молока применяют аппараты и других конструкций, в частности барабанный гаситель.

На растворных заводах гашёная известь может быть использована в виде молока и теста. Молоко из известегасильных установок подают непосредственно в растворомешалку, а тесто - в ёмкости для отстоя и обезвоживания. Ёмкости представляют собой железобетонные резервуары высотой 5-6 м и диаметром 4,5-5,5 м. Внутри они оборудованы фильтрами - вертикально установленными металлическими трубами диаметром 50-60мм, заполненными песком. Излишняя вода из известкового молока через отверстия в трубах (d = 5 мм) просачивается через песок и собирается в сборник, откуда её направляют на гашение следующих порций извести.

Через 16-24 часа пребывания в подобных отстойниках известковое молоко превращается в тесто сметанообразной консистенции, содержащее до 75% воды. Из отстойников тесто перекачивают в железобетонные ёмкости без фильтров для дальнейшего вызревания или же направляют потребителю. Выгружают тесто из отстойников и других ёмкостей обычно с помощью специальных вибронасосов и цепных подъёмников. Под влиянием вибрации известковое тесто легко разжижается и перекачивается. Перевозят известковое тесто в автоцистернах.

Хорошо выдержанное известковое тесто содержит обычно 50% воды и имеет среднюю плотность около 1400 кг/м3.

Содержание твёрдого вещества в тестообразных массах (в том числе и в известковом тесте) с достаточной точностью можно определять по формуле:

Т = р (рm - 1000) / (р - 1),

где Т - содержание твёрдого вещества в тесте, кг/м3; р - истинная плотность твёрдого вещества, образующего с водой тестообразную массу, г/см3; рm - плотность теста, кг/м3.

Молотая негашёная известь

Известь негашёная молотая - порошковидный продукт тонкого измельчения комовой извести. По химическому составу она подобна комовой извести.

Тонкоизмельчённая негашёная известь имеет ряд преимуществ при изготовлении растворов и бетонов перед гидратной известью в виде порошка или теста. В этом случае нет отходов и все компоненты тонкоизмельчённой извести рационально используются во время твердения. Молотая негашёная известь характеризуется меньшей водопотребностью, чем гашёная известь. Удельная поверхность молотой негашёной извести обычно значительно меньше удельной поверхности гидратной извести, поэтому требуемую удобоукладываемость растворной или бетонной смеси на молотой негашёной извести получают при пониженном количестве воды. Снижение же водопотребности растворных и бетонных смесей способствует увеличению их прочности при твердении. Кроме того, негашёная известь, гидратируясь в уже уложенных в дело растворах и бетонах, связывает большое количество воды, переходящей в твёрдую фазу. Как известно, оксид кальция при переходе в гидрат связывает 32,13% воды. Всё это способствует получению растворов, бетонов и изделий на молотой негашёной извести повышенной плотности и прочности по сравнению с получаемым на гашёной извести.

При гидратном твердении молотой негашёной извести выделяется значительное количество теплоты, поэтому изделия на такой извести при температурах ниже нуля твердеют более спокойно и имеют лучшие показатели прочности, так как окружающие условия способствуют быстрому отводу теплоты и уменьшению термических напряжений.

Преимущества молотой негашёной извести способствуют её применению в производстве различных строительных материалов и изделий.

Благоприятные результаты при гидратном твердении молотой негашёной извести можно получить лишь при следующих условиях: применение извести тонкого помола; соблюдение определённого водоизвесткового отношения; отвод теплоты или использование других приёмов, не допускающих разогревания твердеющего раствора или бетона до температур, вызывающих интенсивное испарение воды (особенно при кипении); прекращение перемешивания растворной или бетонной смеси на определённом этапе гидратации извести.

Негашёную известь следует измельчать до удельной поверхности 3500-5000 см2/г, причём остаток на сите № 02 должен быть близким к нулю, а на сите № 008 не превышать 4-6%.

Количество пережога в молотой негашёной извести не должно превышать 3-5%. Твердение негашёной извести протекает нормально при содержании воды в растворной или бетонной смеси в пределах 100-150% по массе извести. При гидратации нормально обожжённой извести практически в течение первого часа после затворения её водой выделяется 1160 кДж теплоты на 1 кг оксида кальция. Для предупреждения интенсивного разогревания смеси несколько увеличивают расход воды, охлаждают её, частично гасят известь перед применением и т. п. Одним из простых способов является замедление скорости гидратации, а следовательно, и интенсивности тепловыделения с помощью добавок гипса, сульфата кальция, вводимых в воду для гашения в количестве 0,2-1,5%.

Замедление скорости гидратации при добавках 2-5% гипса по массе извести объясняют образованием плёнок гидроксида и сульфата кальция на поверхности ещё не прореагировавших частичек оксида кальция.

Комовую известь, подаваемую со склада, подвергают дроблению, как правило, на ударно- центробежных дробилках до частиц размером не более 5-10 мм и затем тонко измельчают без добавок или, что рациональнее, совместно с какой-либо активной минеральной добавкой. Такими добавками служат доменные или топливные гранулированные шлаки, золы от пылевидного сжигания топлива, горелые породы, пуццоланы вулканического или осадочного происхождения и т. п. При их отсутствии и использовании молотой извести в производстве автоклавных материалов возможен помол извести с кварцевым песком. Одновременно для некоторого замедления скорости гашения рекомендуется вводить двуводный гипс (~ 3-5% по массе извести).



Складирование комовой Складирование минеральной добавки

негашёной извести (Сырьевой склад; V, м3; T, сут)

(Сырьевой склад; V, м3; T, сут)

v v

Дробление Дробление

(ударно-центробежные дробилки; T, мин; d, мм)

v v

Дозирование по массе Сушка

Помол

(Мельница; тонкость помола, см2/г; Т, мин)

v

Складирование готовой продукции

(склад; V, м3; T, сут.; W, %)

Упаковка в мешки Отправка извести

(в контейнерах,специальных автомашинах и т. д.)

v

Отправка извести

Рисунок 2 - Технологическая схема изготовления молотой негашёной извести

Активные минеральные добавки увеличивают водостойкость растворов и бетонов на смешанном вяжущем и способствуют значительному повышению прочности при твердении вследствие образования гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция. Добавки в виде кусков подвергают мелкому дроблению. Если они содержат более 4-5% влаги, то их сушат до влажности 1-3% во время дробления в молотковой или ударно-центробежной дробилке. Прочные абразивные добавки сушат во вращающихся барабанах.

При выборе мельниц и схем для помола негашёной извести следует в первую очередь учитывать степень её обжига, а также наличие недожога, пережога и твёрдых включений. Средне - и сильнообожжённую известь предпочтительно измельчать, воздействуя на её частицы ударом и истиранием, что и происходит в шаровых мельницах.

В производстве молотой извести применяют обычно шаровые мельницы с соотношением диаметра барабана к его длине от 1:1 до 1:2 (последнее для сильнообожжённых известей). Такие мельницы работают в замкнутом цикле с сепаратором, выделяющим частицы требуемых размеров. Иногда в помольных установках размещают последовательно два сепаратора, что увеличивает их производительность. Мельницы работают обычно с коэффициентом заполнения шарами 25-30%. Степень же заполнения межшарового объёма материалом достигает 45-65%. Мельницы диаметром 1,8 м и более при измельчении среднеобожжённых известей работают обычно при числе оборотов около 0,7 критического, когда проявляется преимущественно истирающее действие шаров на материал. Однако подбор шаров по размерам, степень заполнения мельницы мелющими телами, число оборотов барабана и другие факторы уточняются опытным путём с учётом свойств измельчаемого материала и вида мельницы.

Большое влияние на работу помольной установки оказывает также вентиляция барабанов, назначение которой отводить образующуюся в процессе помола теплоту, предотвращать выход пыли из системы и замазывание выходных отверстий. Температура материала при помоле не должна превышать 50-75оС.

Склонность тонких частичек извести к агрегации сильно влияет на производительность мельницы. Частички налипают на мелющие тела, что связано с дополнительными затратами энергии на разрушение агрегатов, ухудшается и текучесть материала.

Совместный помол извести с добавками в шаровых мельницах, работающих по замкнутому циклу, эффективен при условии близости показателей плотности и размалываемости извести и добавки. Если эти показатели значительно различаются, то более мягкий материал переизмельчается и даже нарушается требуемое соотношение между ними. В этом случае целесообразна организация раздельного помола компонентов с последующим их тщательным смещением. Возможен также совместный помол в шаровых мельницах, работающих по открытому циклу «на проход».

При необходимости получить известь очень тонкого помола (удельная поверхность 5000-7000 см2/г и более) применяют вибрационные мельницы. Известь предварительно измельчают до крупки размером не более 2 мм.

Тонкость помола характеризуют обычно по остаткам на ситах № 02 и 008 и по значению удельной поверхности. По ГОСТ 9179-77 допускаются остатки на указанных ситах соответственно до 1 и 15%.

Насыпная плотность молотой извести колеблется обычно в пределах 800-1200 кг/м3. Чем мягче обожжена известь и чем тоньше измельчена, тем она меньше.

Современные помольные установки характеризуются самой различной производительностью: от 3-5 до 20-30 т/ч и более. Общий расход электроэнергии на помол до удельной поверхности 3500-5000 см2/г в зависимости от степени обжига извести равен 15-25 кВт*ч, на приведение в движение элеваторов, сепаратов и других механизмов - 3-5кВт*ч.

Молотую негашёную известь хранят на складах с механизированной загрузкой и выгрузкой продукта. Длительность хранения не должна превышать 5-10 суток во избежание значительной гидратации и карбонизации оксида кальция. Известь отправляют потребителю в битуминизированных мешках, контейнерах либо в специально оборудованных вагонах, а также в автоцементовозах. Хранить негашёную известь в мешках нужно не более 15 суток, так как продолжающаяся гидратация извести с увеличением объёма материала может привести к разрыву тары.

Твердение воздушной извести

В зависимости от вида извести и условий, в которых происходит её твердение, различают три типа твердения: карбонатное, гидратное и гидросиликатное.

Карбонатное твердение.

Твердение растворов на гашёной извести называется карбонатным твердением. Это твердение обусловлено протеканием двух процессов: кристаллизации Са(ОН)2 при высыхании растворов и карбонизации гидроксида кальция по реакции:

Са(ОН)2 + СО2 + nН2О = СаСО3 + (n + 1) Н2О.

Этот процесс протекает в первую очередь в поверхностных слоях. Карбонизация глубинных слоёв длительна, поскольку, во-первых, количество СО2 в атмосфере составляет лишь 0,04%, а, во-вторых, образующаяся плёнка СаСО3 обладает низкой проницаемостью. Поэтому в центральной части хорошо уплотнённых растворов долгое время сохраняется значительное количество Са(ОН)2. Испарение воды из раствора также способствует увеличению прочности. Образование СаСО3 обуславливает повышение прочности и водостойкости изделий. Реакция между кварцевым заполнителем и Са(ОН)2 при нормальных температурных условиях практически не протекает. Однако, если вместо песка в качестве заполнителя использовать активные добавки, наряду с образованием карбонатов возможно появление и гидросиликатов кальция, повышающих прочность растворов. Образованием значительного количества гидросиликатов, улучшающих сцепление вяжущего с заполнителем, и объясняется высокая прочность известково-цемяночных растворов. Заметное взаимодействие извести с кварцевым песком возможно также и при введении песка в тонкомолотом состоянии.

Искусственная карбонизация для повышения прочности известковых растворов использовалась на некоторых предприятиях в послевоенные годы. Карбонизация наиболее интенсивно протекает при влажности изделий 5-8%. При полном высыхании изделий, как и при черезмерном их увлажнении, процесс прекращается. На практике для карбонизации бетонных известково-песчаных блоков в специальные камеры подают газ из известково-обжиговых печей с концентрацией СО2 около 30%.

Гидратное твердение.

Постепенное превращение в твёрдое тело растворов на негашёной извести в результате взаимодействия СаО с водой, возникновения и кристаллизации гидратных образований называется гидратным твердением. Процесс гидратного твердения отличается от карбонатного тем, что на его первом этапе гидратируется безводный оксид кальция. Этот процесс может проходить как топохимически, так и через раствор. Но независимо от механизма процесса Гидроксид кальция выделяется в коллоидном состоянии. Коллоидные частички агрегируются, создавая коагуляционную структуру, которая постепенно переходит в кристаллизационную. Вначале возникает немного кристаллических зародышей, затем их количество увеличивается, начинается процесс роста отдельных кристаллов и на определённом этапе наблюдается взаимное сцепление и срастание некоторых из них. В основе твердения вяжущих материалов лежат два противоположных процесса - создание кристаллического сростка устойчивого гидратного образования и возникновение и частичная релаксация внутренних напряжений, появляющихся в результате дальнейшего роста более крупных кристаллов и растворения термодинамически неустойчивых более мелких кристаллов. Первый процесс ведёт к созданию определённой структуры твердения, благодаря чему возрастает прочность твердеющего конгломерата. Второй процесс может привести к разрушению уже возникшей структуры и снижению прочности. Особую опасность при этом представляют места, где кристаллическая решётка искажена и поэтому термодинамически неустойчива. Такие участки имеют более высокую растворимость по сравнению с хорошо выкристаллизовавшимися крупными кристаллами Са(ОН)2. Поэтому уже сформировавшийся камень перекристаллизовывается, в результате чего растут правильные и растворяются мельчайшие кристаллы Са(ОН)2 в местах контактов. Это приводит к возникновению внутренних напряжений и необратимому снижению прочности.