Цех по производству высокопрочного гипса

Ангидрит -- порода осадочного происхождения, состоящая в основном из безводного СаSО4. Состав химически чистого ангидрита (по массе): 41,19% СаО и 55,81% SО3. В природе ангидрит встречается реже гипса, но, как правило, вместе с ним, являясь как бы подстилающим слоем этой породы. Под действием подземных вод ангидрит медленно гидратируется и переходит в двуводный гипс, поэтому в природном ангидрите содержится до 10% и более двуводного гипса. Чистый ангидрит белого цвета, но примеси придают ему различные оттенки. В СССР месторождения ангидрита встречаются в Башкирии, Средней Азии, на Украине.

Отходы химической промышленности. Дополнительным сырьем для производства гипсовых вяжущих материалов могут служить такие гипсосодержащие отходы химической промышленности, как фосфогипс, борогипс, фторогипс, титаногипс и др.

Фосфогипс в значительных количествах получают при сернокислотной переработке фосфатов в фосфорную кислоту и фосфорные удобрения. В качестве отхода производства экстракционной фосфорной кислоты на 1 т P2 O5 получается около 4 т фосфогипса. Схематически процесс образования фосфогипса можно представить реакцией

Са5 (РО4)3F + 5Н2SО4>5СаSО4v + НF + ЗН3РО4

В зависимости от условий производства различают три режима экстракции фосфорной кислоты: дигидратный, полугидратный и ангидритовый и, как следствие этого, в осадке образуется двуводный, полуводный гипс или ангидрит.

Получают фосфогипс в виде шлама, содержащего значительное количество воды (до 55%). Твердая фаза шлама тонкодисперсна и имеет более 50% частиц размером менее 0,1 мкм. Фосфогипс (таблица 15) состоит в основном (до 96%) из двуводного гипса с примесью фосфатов Н3РО4, Са5(РО4) 3F, фторидов кремнезема Nа2SiF6 и некоторых других соединений (Na2SO4,СаF2). Водорастворимая Р2О5 замедляет схватывание и снижает прочность готового продукта, поэтому фосфогипс целесообразно предварительно отмывать от водорастворимой фосфорной кислоты или в процессе производства гипсового вяжущего связывать ее в труднорастворимые соединения.

Фторогипс является отходом производства фтористоводородной кислоты из плавикового шпата; состоит он в основном из сульфата кальция (80--85%) и содержит некоторое количество фтористого кальция (2,0--2,5%). Схематически процесс получения фторогипса можно представить следующим образом:

СаF2+Н2SО4>СаSО4v+2НF

Фторогипс представляет собой плотную, способную слеживаться массу влажностью 15--20%.

Борогипс -- отход при производстве бора сернокислотным методом; состоит он в основном из двуводного гипса (до 76%) и кремнезема (до 21%). Это пастообразная масса влажностью, 43--45%.

Титаногипс -- отход, получаемый из нерастворимого ангидрита и двуводного гипса с примесью ТiO2 и редких элементов.

В настоящее время отходы химической промышленности еще не нашли достаточно широкого применения в производстве строительных материалов. Однако, в связи с тем что их количество возрастает из года в год как в России, так и за рубежом, ведутся научные работы по дальнейшему совершенствованию технологии переработки этих отходов в гипсовые вяжущие вещества.

Таблица 15

Средний химический состав сульфатосодержащих отходов химических производств (% по массе)

Наименование отхода	СаO	SO3	H2O	SiO3	Al2O3+Fe2O3	Na2O+K2O	P2O5	Редкоземельные элементы	СаSO4 расчетное
							общий	растворимый
Фосфогипс	31,7	45,1	20,0	0,9	0,8+0,08	0,1+0,08	1,27	0,6	0,73	95,6
Фторогипс	38,6	52,5	3,7	2,0	0,3+0,2	0,2	0,02	-	-	97,4
Борогипс	25,4	35,2	16,0	20,8	0,4+1,3	1,1	-	-	-	76,7

3.2.2 Описание технологической схемы производства с обоснованием технологических процессов

Схватывание и твердение вяжущего вещества заключается в том, что при смешивании с водой оно образует пластичную массу, превращающуюся впоследствии в твердое камневидное тело с определенной прочностью. Это превращение происходит не сразу, а постепенно и обусловливается рядом химических и физических процессов.

Способность вяжущего вещества давать в смеси с водой пластичную массу является весьма ценным свойством. Это свойство сообщает строительным растворам удобообрабатываемость, позволяющую заполнить все детали формы или опалубки и придать еще не схватившейся массе ровную поверхность.

Процесс схватывания выражается в том, что пластичная масса, обладающая большой подвижностью, начинает густеть и уплотняться, что отвечает началу схватывания. В дальнейшем эта масса все больше уплотняется, окончательно теряет пластичность и постепенно превращается в твердое тело, не обладающее сначала существенной прочностью. Этот момент соответствует концу схватывания. После этого происходят дальнейшие химические и физические преобразования, сопровождающиеся нарастанием прочности. Последнее характеризует собой твердение вяжущих веществ. Схватывание рассматривают как начальную стадию процесса твердения, при которой происходит превращение пластичной массы в твердое тело.

При схватывании и твердении гипса полугидрат переходит в кристаллический двуводный гипс.

Большинство исследователей объясняет твердение вяжущего возникновением кристаллического сростка гидратных новообразований, выпадающих из раствора. При затворении вяжущего водой оно начинает растворяться с образованием насыщенного по отношению к вяжущему раствора. В результате реакции в растворе между компонентами вяжущего и водой возникают новообразования, менее растворимые, чем исходное вещество. По отношению к этим соединениям раствор оказывается пересыщенным, вследствие чего и происходит кристаллизация этих новообразований.

Растворимость полуводного гипса примерно в 3,5 раза выше растворимости двуводного. Поэтому раствор, насыщенный по отношению к полуводному гипсу, является пересыщенным по отношению к образующемуся двуводному, вследствие чего последний будет выделяться из раствора в виде кристаллов. В результате этого в растворе становится меньше сернокислого кальция. Это дает возможность раствориться в нем новой порции полуводного гипса до образования насыщенного раствора, из которого снова будут выделяться кристаллы двуводного гипса. Этот процесс продолжается до полной гидратации и кристаллизации всего, полуводного гипса.

Процесс твердения строительного гипса делится, по А. А. Байкову, на три периода.

Первый период -- растворение и образование раствора -- сопровождается небольшим повышением температуры, так как положительный эффект химической реакции компенсируется отрицательным эффектом растворения.

Второй период -- образование коллоидальной массы, или схватывание,-- характеризуется тем, что образующиеся в результате реакции гипса с водой продукты не могут растворяться в окружающей жидкой среде, а получаются в коллоидальном состоянии в виде геля, минуя растворение. В течение этого периода наблюдается быстрое повышение температуры (из-за отсутствия процесса растворения), в результате чего скорость реакции увеличивается. Затворенная водой масса теряет свою пластичность, но не приобретает механической прочности, так как между частицами материала еще нет сцепления.

Третий период -- кристаллизация и твердение -- характеризуется превращением геля в кристаллический сросток. В течение этого продолжительного периода, сопровождающегося ничтожным выделением тепла, нарастает механическая прочность массы.

Эти периоды твердения наступают не в строгой последовательности один за другим. Так, еще до образования насыщенного раствора на поверхности зерен гипса начинают появляться коллоидальные массы, а превращение этих масс в кристаллы начинается ранее окончания процесса коллоидации по всей массе затворенного водой материала.

Общим в рассмотренных теориях является то, что после соприкосновения вяжущих веществ с водой образуются гидраты в виде мельчайших частиц, обладающих свойствами коллоидов и находящихся в равновесии с окружающей средой. Если размер образовавшихся гидратных частиц а подсчитать по формуле Томсона (Кельвина), то получим

б=2цд0/KT*ln*C/С?

где д0 -- межмолекулярное расстояние двуводного гипса, м; К -- постоянная Больцмана, Дж/К; T --температура среды, К; ц -- энергия отрыва молекулы гипса, Дж; C/С? -- степень пересыщения полуводного гипса.

Подставляя в выражение

б=2цд0/KT*ln*C/С?,

степень пересыщения полуводного гипса С/С? = 3,3, межмолекулярное расстояние двуводного гипса д0?5•10-4 мкм, постоянную Больцмана K= 1,38•10-23 Дж/К, температуру среды T=300К и энергию отрыва молекулы гипса от поверхности ц= 7350 Дж, получим, что б=2,5•10-3 мкм. Если частица зарождается на поверхности твердой фазы, то равновесный диаметр еще меньше и равен а б1=0,5а = 1,25•10-3 мкм. Очевидно, что независимо от того, образуются ли частицы в результате выпадения из раствора (по Ле Шателье) или при реакции гидратации в твердой фазе (по А.. А. Байкову), частицы такого размера обладают всеми свойствами коллоидных частиц.

Особенность роста зародышей гидрата, возникающих путем спонтанного выпадения из раствора в начале гидратации мономинеральных вяжущих веществ, заключается в том, что он происходит при условии, когда степень пересыщения непостоянна. В начале процесса степень пересыщения достигает весьма больших значений (а=3--4 для гипса) и постепенно приближается к значению, а=1, оставаясь, однако, больше единицы до конца гидратации.

Таким образом, на разных этапах роста кристаллогидратов скорость его определяется различными, физическими факторами и, следовательно, выражается разными математическими формулами. При низких пересыщениях раствора (для гипса при б<1,4) скорость роста кристаллов х1 [кг/(с•м2)] определяется дислокационным механизмом, т.е. формулой:

х1=1/Sy•dy/dx =Qy1еxp[-еy/KT](б-1)

где Sy -- поверхность растущих кристаллов, м2; dy/dx -- прирост массы кристаллов, кг/с; Qy1-- множитель, имеющий размерность кг•с/м2; еy -- энергия активации диффузии, Дж/моль; б--степень пересыщения раствора.

Весьма примечательно, что с увеличением концентрации раствора, но при одинаковом механизме роста кристаллов увеличивается множитель Qy1 до перехода в следующую стадию. При дальнейшем росте степени пересыщения процесс протекает в соответствии с механизмом зародышеобразования по Фольмеру в соответствии с формулой

х1=1/Sy•dy/dф= Qy1•exp{-ш/KT}/ln4б•exp{( ц/KT) 2/nlnб}

где exp {-ц/KT}-- величина, учитывающая число активных молекул, которые в состоянии перейти из жидкости на поверхность кристаллов; ц -- энергия одной молекулярной связи, Дж/моль; б=С/С? -- степень пересыщения раствора; ш -- энергия активации формирования кристаллической решетки, Дж/моль.

Таким образом, в начале процесса гидратации рост кристаллов гидрата вяжущего вещества протекает при высокой степени пересыщения раствора в кинетической области, так как возникают двумерные зародыши (по Фольмеру). Экспериментально установлено, что энергия связи между молекулами гипса в своем растворе равна ц=7350 Дж/моль и что энергия активации формирования кристаллической решетки СаSО4•2Н2О равна ш = 51408 Дж/моль.

По мере уменьшения степени пересыщения раствора рост кристаллов в результате возникновения двумерных зародышей становится энергетически невыгодным и вступает в силу дислокационный механизм. В этом случае скорость роста кристаллов зависит от скорости объемной и двумерной диффузии растворенного вещества. Экспериментально установлено, что энергия активации сложной диффузии (объемной и двумерной) равна еy = 34 440 Дж/моль, т. е. в 1,65 раза больше, чем энергия активации объемной диффузии.

Области действия различных механизмов роста кристаллов гипса в зависимости от степени пересыщения и температуры (Поллак А. Ф.) показаны в таблице 16.

Развитие структуры твердения при выкристаллизовывании новообразований протекает в два этапа. В течение первого формируется каркас кристаллизационной структуры с возникновением контактов срастания между кристалликами новообразований. В течение второго этапа происходит обрастание ранее возникшего каркаса, т. е. рост составляющих его кристаллов. Такое обрастание приводит к повышению прочности, но при известных условиях может явиться и причиной появления внутренних напряжений, вызывающих понижение прочности. Наибольшая конечная прочность обусловливается возникновением кристаллов новообразований достаточной величины при минимальных напряжениях, сопровождающих формирование и развитие кристаллизационной структуры.

Таблица 16

Изменение механизма роста в зависимости от степени пересыщения и температуры

Температура, К	Механизм роста б=С/С?
	по Фольмеру - (отложение двумерных зародышей)	переходный	дислокационный	переходный	дислокационный
313 303 293	>1,8 >1,95 >2,05	1,8-1,7 1,95-1,85 2,05-1,95	1,7-1,5 1,85-1,7 1,95-1,85	1,5--1,35 1,7-1,55 1,85-1,65	<1,35 <1,55 <1,65

Гидратация полуводного гипса в противоположность обезвоживанию двуводного гипса является экзотермическим процессом, т. е, сопровождается выделением тепла. Количество его составляет 133 кДж на 1 кг полуводного гипса. Подъем температуры твердеющего строительного гипса зависит от чистоты продукта, условий обжига и тонкости помола, а также от теплоемкости раствора и условий теплоотдачи в окружающее пространство. Увеличивающаяся при этом температура сравнительно невысока и достигает 313-- 323 К только при крупных отливках гипса без песка.

При затворении строительного гипса всегда имеется излишек воды против количества, необходимого для образования двугидрата. Эта излишняя вода образует насыщенный раствор гипса, который после полного превращения полуводного гипса в двуводный смачивает и обволакивает кристаллы последнего, так что они отделяются друг от друга тончайшими прослойками жидкости. Для нарастания прочности необходимо, чтобы вслед за гидратацией получилось сращивание кристаллов двугидрата, на что требуется известный промежуток времени. Росту кристаллов и сращиванию их между собой способствуют испарение воды и высыхание твердеющей массы. При высыхании гипс, растворенный в испарившейся части воды, выпадает в виде кристаллов, которые сращивают ранее образовавшиеся игольчатые кристаллы двуводного гипса.

В обычных условиях твердеющий гипс высыхает медленно. При повышенной относительной влажности воздуха высушенное гипсовое изделие может поглощать влагу из него. После полного высушивания образцов твердение гипса заканчивается, и прочность его более не нарастает. Поэтому твердение гипсовых изделий ускоряют путем сушки.

В этом процесс твердения строительного гипса коренным образом отличается от процесса твердения портландцемента и аналогичных ему вяжущих веществ, которые в первый сравнительно продолжительный период после затворения водой должны находиться во влажных условиях, чтобы избежать снижения прочности затвердевших растворов. При сушке гипса во избежание обратной дегидратации двугидрата температура материала не должна превышать 338 К.

Продолжительность процессов растворения, гидратации, коллоидации и кристаллизации строительного гипса при затворении водой зависит от степени обжига, тонкости помола, продолжительности вылеживания и других условий.

Строительный гипс является быстросхватывающимся вяжущим веществом. Обычно полуводный гипс схватывается через 5--15 мин. Для формовочного гипса имеет значение период текучести, т. е. тот период, в течение которого затворенная водой жидкая масса способна сохранять текучесть и заполнять все детали формы. Обычно он длится 4--6 мин.

Начавшие схватываться, а тем более схватившиеся растворы следует оставлять в покое, так как нельзя нарушать протекающие в твердеющем материале процессы, чтобы не понизить прочность изделий из гипса. При нарушении процесса схватывания образовавшиеся в строительном гипсе кристаллические сростки разрушаются, следствием этого и является значительное снижение прочности изделий. Эти обстоятельства вызывают необходимость замедления схватывания строительного гипса.

В некоторых случаях, например когда используют гипс зимой, а также при заводском изготовлении гипсовых строительных деталей, требуется, наоборот, ускорение схватывания. Введение в состав вяжущих веществ различных химических добавок является одним из эффективных технологических методов управления процессами схватывания и твердения минеральных вяжущих веществ, а также -регулирования свойств готовых материалов и изделий. В настоящее время известно большое количество продуктов, вводимых в минеральные вяжущие в качестве добавок, что вызвало" необходимость разработать их классификацию.

В.Б. Ратинов и Т. И. Розенберг использовали для построения такой классификации, изложенные ранее представления о кристаллизационном механизме гидратации и твердения вяжущих веществ. К первому классу добавок относятся электролиты, практически не реагирующие с вяжущими веществами и влияющие на скорость твердения и свойства благодаря изменению их растворимости. Если добавки этого класса снижают растворимость полуводного гипса в воде (аммиак, этиловый спирт и др.), то схватывание замедляется и, наоборот, при повышении растворимости -- ускоряется (NaCl, Na2SO4, KCl и т.д.). Некоторые добавки в зависимости от концентрации могут служить замедлителями или ускорителями; схватывания.

Ко второму классу относятся добавки, химически взаимодействующие с вяжущими и продуктами их гидратации с образованием двойных солей. Эти добавки могут и ускорять и замедлять процесс твердения вяжущих. Например, хлористый кальций, добавляемый в количестве 1--2%, образует с трехкальциевым алюминатом портландцемента гидрохлоралюминат кальция ЗСаО•Аl2О3•СаСl2 x10Н2О.

К третьему классу относятся добавки, которые имеют почта такие же кристаллографические характеристики, как и продукты гидратации вяжущих. Поэтому на них, как на готовых центрах кристаллизации, легче и быстрее выкристаллизовываются новообразования, выпадающие из пересыщенных растворов при взаимодействии вяжущих с водой, вследствие чего ускоряются процессы твердения. Примером такой добавки может служить природный гипс, добавляемый к полуводному сульфату кальция в количестве-0,5--2% от массы вяжущего.

К четвертому классу относятся поверхностно-активные органические вещества, которые за счет их функциональных групп гидроксильных, карбоксильных, амино-, нитро-, сульфогрупп и других адсорбируются на зернах вяжущих и продуктах их гидратации. Это приводит обычно к пластификации теста, к замедлению процессов схватывания и твердения, воздухововлечению и ряду других воздействий. Известны, например, добавки четвертого класса такого состава, которые делают вяжущее вещество водоотталкивающим (гидрофобным). К числу более известных пластифицирующих поверхностно-активных добавок относится сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ), вводимая обычно в количестве 0,1--0,2%, к числу гидрофобизирующих воздухововлекающих -- абиетат натрия, газообразующих -- кремнийорганические соединения, такие, как ГКЖ-94, вводимые в количестве 0,01--0,2% от массы вяжущего. К этому классу относятся кератиновый и известково-клеевой замедлители схватывания строительного гипса. В последнее время стали применять комплексные добавки, состоящие из нескольких веществ, например, смеси хлористого кальция с СДБ, что позволяет совместить достоинства, присущие каждой из них. При этом удается снизить расход вяжущих веществ и улучшить качество растворов и бетонов. При добавлении к гипсу со стандартными сроками схватывания 0,1% жидкого кератинового замедлителя в пересчете на сухое вещество или 0,3% порошкообразного кератинового замедлителя начало схватывания замедляется не менее чем на 30 мин. Снижение при этом прочности гипса обычно не превышает 10%.

Повышение до известного предела температуры ускоряет схватывание строительного гипса. При дальнейшем повышении температуры оно начинает замедляться и при температуре свыше 373 К, при которой упругость диссоциации паров воды двугидрата достигает или превышает упругость паров кипящей воды, схватывание практически прекращается, так как полуводный гипс уже не может переходить в двуводный.

3.2.3 Выбор режима работы предприятия и план производства продукции

Режим работы предприятия определяется характером протекания производственных процессов. Предприятие по производству гипса характеризуется непрерывным производственным процессом. Таким образом, при выборе режима работы предприятия необходимо руководствоваться следующими параметрами:

эффективный фонд времени (Тэф.) составляет 365 дней

число часов работы в смену (Тсм.) принимают 8

проектная годовая мощность предприятия равна 100 тыс. тонн гипса в год

Необходимое количество смен в сутки можно рассчитать по формуле:

Cсм=Q/Tсм•Tсм•q,

Q - проектная мощность предприятия.

q - часовая производительность производства.

Часовая производительность равна:

q=100000/365•24=11,416(тонн в час)

Таким образом, количество смен в сутки составляет:

Cсм =10000/8•365•11,416=3

Годовой план производства продукции определяется проектной мощностью предприятия, а выпуск ее на рынок сбыта в течении года может быть распределен поквартально, что наиболее удобно для высокопрочного гипса. Намечаемый объем выпуска продукции показан в таблице ниже.

Производство и распределение	Распределение объема выпуска продукции по кварталам, тыс. тонн
	I	II	III	IV
Объем производства	25000	25000	25000	25000
Выпуск товара на рынок	16666	16666	16666	16666
В том числе запасы	8333	8333	8333	8333

Продолжительность основных технологических операций в часах, считая на тонну гипса

Сравнение перечисленных технологических схем по этому важному показателю легко произвести по табл. 17, в которую сведена продолжительность операций по основному оборудованию по каждой из рассматриваемых технологических схем.

За основное технологическое оборудование принят соответствующий аппарат. Например по технологии варочного гипса -- обычный варочный котел на 2 т готового гипса, по технологии высокопрочного и демпферного гипса -- автоклав на 8,5 т, а для самозапарочного гипса самозапарник на 3 т, а для твердого формовочного гипса -- автоклав на 12 т готовой продукции.

Продолжительность в часах, деленная на продолжительность указанного основного оборудования, дала возможность получить удельную продолжительность данной технологической операции, а сумма последних -- продолжительность полного технологического процесса по каждой из технологических схем, отнесенную к единице готовой продукции, т. е. к 1 тонне гипса.

Удельная продолжительность полного технологического цикла по каждой из технологических схем могла быть и другая в зависимости от полезного объема основного технологического оборудования, но последнее является стационарным в течение долгого времени. Например, объем варочного котла не меняется в течение более 50 лет, объем автоклава и самозапарника -- в течение более 15 лет, объем автоклава по твердому формовочному гипсу -- более 50 лет.

Общая продолжительность данной технологической операции по каждой технологической схеме, например, нагревание щебенки в самозапарнике или пропаривание в том же самозапарнике, а также в автоклавах, была принята по технологическим данным, а общая продолжительность, например, такой операции, как дробление или помол, была принята нами для всех схем одинаковой по производительности данного оборудования.

Из табл. 15 видно, что самая короткая удельная продолжительность технологического процесса получается по технологии высокопрочного гипса ГП. Отсюда следует, что заводы высокопрочного гипса ГП более рентабельные.

Высокая общая и удельная продолжительность по технологии твердого формовочного гипса объясняется затяжным процессом сушки, длительность которого является результатом скорее устаревшего нерационального приема сушки, чем технологической необходимостью.

Указанная продолжительность на значительный срок задалживает основное оборудование, резко снижает его оборачиваемость, которая, например, по автоклаву для данной технологии составляет 0,70--1, в то время как для демпферного гипса -- 1,5, для самозапарочного гипса -- 1,40, а для высокопрочного гипса ГП -- 4.

Следовательно наиболее невыгодной технологией по рассмотренным показателям является технология твердого формовочного гипса.

Расход рабочей силы, топлива, электроэнергии на 1 тонну гипса и стоимость гипса

Данные об указанных удельных расходах и стоимости гипса приведены в табл. 18, из которой видно, что технология обыкновенного (варочного) гипса не является наиболее выгодной, как это могло казаться на первый взгляд.

Высокий расход топлива в производстве демпферного гипса объясняется нерациональным способом сушки гипсовой щебенки после пропаривания. Тем же, но еще в большей степени нерациональным способом сушки объясняется недопустимо высокий расход топлива в производстве твердого формовочного гипса.

Наиболее высокий удельный расход электроэнергии--в производстве демпферного гипса. Объясняется он тем, что для продувания дымовых газов через автоклав приводятся в действие и работают длительное время вентиляторы высокого давления. Например для продувания указанных газов через автоклав на Куйбышевском заводе работают параллельно 2 таких вентилятора, приводимых в действие двумя электромоторами по 28 kw каждый и в течение не менее 8--10 часов

Таблица 18

Расход рабочей силы, топлива« электроэнергии на 1 тонну гипса и стоимость гипса

№ п.	Технология	Расход рабочей силы (чел.-день)	Расход условного топлива (кг)	Расход электро энергии (кВт.-час)	Стоимость 1 т (руб.)	Источники
1 2 3 4 5	Варочного гипса Высокопрочного гипса ГП Демпферного гипса Самозапарочного гипса Твердого формовочного гипса	0,67 0,63 1 - 1,25 1,08	60,0 60,0 100 - 120 75 259	13,0 15,0 35,70 12,0	75 70 - 80 130 109 - 198 -	(55 - 2) (10) (39) (79) (124)

Наиболее высокая стоимость получается для самозапарочного гипса и объясняется она как нерациональным приемом сушки пропаренной щебенки, так и, главным образом, небольшим объемом самозапарника, а увеличение его размеров может привести к резкому снижению качества получаемой продукции.

Качество гипса

Качество гипса, как строительного материала, оценивается, прежде всего, его прочностью, точнее, прочностью получаемых из него изделий.

Не менее важным показателем качества гипса являются сроки его схватывания, поскольку они обуславливают возможность изготовления в производственных условиях большеразмерных изделий.

Однако и для мелких изделий, даже для штукатурных работ, совершенно непригоден быстросхватывающийся гипс.

В большинстве стран за, нормальный срок начала схватывания принимается период времени в 5 минут, считая с момента затворения гипса водой.

Следовательно, гипсы, начало схватывания, у которых наступает ранее 5 минут, надо считать «быстряками», если не браком.

Введение в гипс замедлителей уже само по себе показывает, что в таких случаях имеют дело с плохим гипсом, один из показателей которого улучшают введением замедлителя схватывания.

Следует также иметь в виду, что почти всякий замедлитель схватывания понижает прочность изделий из такого гипса, в результате вредного его действия в процессе твердения гипса.

Немаловажное значение имеет нормальная густота теста. Совершенно очевидно, что чем меньше требуется воды при затворении для получения такой консистенции, при которой гипсовый раствор способен свободно заполнять форму, тем выше качество гипса в этом отношении, ибо, чем меньше останется в твердеющем растворе воды, тем меньше будет пор в гипсовой отливке, тем большей прочностью она будет обладать.

3.2.4 Расчет потребности сырья

Обжиг двуводного гипса в тепловых установках обеспечивает выделение кристаллизационной воды, в основном виде перегретого пара и образование преимущественно в - полугидрата по схеме:

CaSO4•2HO2=в-CaSO4•1/2H2O+1/2H2O

При этом затрачивается тепло в количестве 138,6 ккал на 1 кг полугидрата.

Практический коэффициент выхода продукта с учетом содержания в сырье гигроскопической и гидратной воды рассчитывается по формуле:

Bпр=(1-0?01б)/(1+0,01а)(1-0,01в),

где а - количество гигроскопической влаги в % от массы высушенного материала;

б - количество гидратной влаги в % от массы сухого исходного материала;

в - то же, в % в получаемом продукте.

Тогда практический коэффициент расхода сырья на единицу массы продукта равен:

Pпр=1/Bпр

Исходя из формулы приведенной выше, потребность сырья составляет 1,188т на 1т двуводного гипса. Произведем некоторые расчеты и представим в виде таблицы:

№ п/п	Сырьевые компоненты, т	процент потерь	Норма расхода на единицу продукции, т	Расход с учетом потерь, т
				год	месяц	сутки	смена	час
1	Двуводный гипс	15,76	1,188	356400	29246,6	1360,31	453,44	56,68

4. Механическая часть

4.1 Расчет основного технологического оборудования

Рассчитаем необходимое число единиц гипсоварочных котлов, согласно формуле:

n=Pп/(Pч•K),

где Pп - требуемая часовая производительность предприятия;

Pч - часовая производительность гипсоварочного котла;

K - нормативный коэффициент (K=0,75-0,95).

n=4,77/(5-0,9)=10 гипсоварочных котлов необходимо при производственной мощности 300 тыс. тонн.

4.2 Механизация и автоматизация производственных процессов

Технологических схем производства гипсов, вообще говоря, множество, если считать все то, что в разное время и в разных странах было предложено, но подавляющее большинство их осталось только на бумаге, хотя и представляет известный интерес.

Особенно богата предложениями по способам получения гипса Япония, бедная запасами природного гипсового камня. Нет ничего удивительного в том, что там запатентованы технологии получения гипса не из гипсового сырья, а из обыкновенного углекислого известняка.

Известны и другие способы синтезирования гипса, например, путем кипячения сернокислого кальция в азотной, серной кислоте или в воде, представляющие скорее теоретический интерес.

Значительная доля способов относится к производству обыкновенного гипса, но рассмотрение их не входит в нашу задачу.

Речь идет о технологиях получения гипсов повышенной прочности. На эту тему известна в патентной литературе технология американцев Ранделя и Дейлея, но попытки воспроизвести ее у нас в Союзе с целью реализации запатентованных показателей не увенчались успехом и нет каких-либо технико-экономических показателей по этой технологии, почему мы ее здесь и не рассматриваем. По этим причинам вне поля зрения остались и некоторые отечественные технологии получения гипсов повышенной прочности. Ниже мы рассматриваем только технологии гипса, проверенные в заводских или полузаводских условиях, по которым имеются соответствующие технико-экономические показатели.

К таким относятся три отечественных технологии получения высокопрочного гипса: одна старая технология производства твердого формовочного гипса из ГДР, получившая в последнее время у нас широкую известность.

Для сравнения мы рассматриваем также и технологию обыкновенного гипса, получаемого «варочным» способом, обеспечивающим, как известно, получение гипса лучшего качества по сравнению с другими сортами обыкновенного гипса.

Варочный гипс производится, как известно, путем дробления в челюстной дробилке гипсового камня, помола его в порошок, а затем варки в открытом котле (рис. 59).

На первый взгляд кажущееся простым, производство это доставляет немало хлопот при помоле сырого гипсового камня, особенно влажного и в сырую погоду. Требует много электроэнергии. Подсушивание же сырья значительно усложняет и удорожает производство.

Высокопрочный гипс ГП производится по принципиально отличной технологической схеме. Когда дегидратация гипсового камня происходит под давлением, а в качестве теплоносителя используется насыщенный пар, что обеспечивает однородность продуктов диссоциации. С этой целью гипсовый камень дробится в щебенку, которая после отделения от нее мелочи загружается в автоклав.

Особенностью технологии высокопрочного гипса ГП, как это уже было отмечено, является то, что гипсовая щебенка после пропаривания выгружается из автоклава для сушки ее во вращающемся сушильном барабане, что дает, возможность: а) значительно экономнее (не менее чем в два раза во времени), и со значительно меньшим расходом рабочей силы, топлива и электроэнергии вести технологический процесс по сравнению с тем, если бы сушка щебенки производилась в автоклаве использовать в производстве мелочь, получающуюся при дроблении гипсового камня; она может добавляться в сушильный барабан в количестве до 25% от веса высушиваемой пропаренной гипсовой щебенки.

Эта схема, как увидим ниже, экономичнее по сравнению с производством варочного гипса и, по удельной продолжительности технологии во времени, и, тем более, по качеству получаемой продукции.

Технологическая схема производства демпферного гипса представляет собою точную копию технологии высокопрочного гипса ГП до начала сушки пропаренной гипсовой щебенки.

То же дробление гипсового камня в щебенку тех же размеров, тот же рассев продукта дробления на две фракции, из которых крупная (0--50 мм) загружается в автоклав.

Абсолютно тот же режим пропаривания (при давлении пара 1,3 эти и в течение 6 часов). Тот же насыщенный пар и тот же отбор конденсата в процессе пропаривания.

Но после пропаривания гипсовая щебенка не выгружается из автоклава, а высушивается продуванием через автоклав дымовых газов. В этом и заключается отличие демпферного способа от технологии высокопрочного гипса ГП. Высушенная в автоклаве щебенка размалывается в порошок и поступает на склад готовой продукции.

Указанный прием сушки пропаренной щебенки (в автоклаве) был авторами принят, как уже отмечалось, с целью недопущения снижения температуры щебенки после пропаривания ниже 100°С до того, пока не будет начата сушка щебенки.

Выше было показано, что «...недопущение снижения температуры после пропаривания» не имеет практического значения, не говоря уже о том, что оно естественно и практически неизбежно. Г. Г. Булычев, изучавший этот вопрос, пишет: «...при выпуске пара из пропарника по окончании пропаривания сразу же снижается температура в пропарнике; в первый момент до 90--95°, а через час до 40--45°. Поэтому впускаемые в пропарник горячие газы насыщаются влагой».

Однако самое главное это то, что процесс сушки удлиняется не менее чем в 3 раза, а качество получаемой продукции снижается.

Значительно удлиняется, как это видно из табл. 15, технологический процесс, а значит снижается оборачиваемость оборудования и увеличиваются затраты в производстве.

Существенным недостатком технологии демпферного гипса является то, что мелочь, образующаяся при дроблении гипсового камня, а она составляет около 30% от гипсового камня, не используется в производстве.

Для переработки ее должны строиться отдельные цехи, но уже обыкновенного гипса.

Технология производства самозапарочного гипса состоит в том, что гипсовый камень, как и по технологии высокопрочного гипса ГП или в производстве демпферного гипса, измельчается в щебенку на челюстной дробилке Блек. Щебенка затем рассеивается на две фракции 0--10 мм и от 10 до 50 мм.

Последняя загружается в вертикальный самозапарник, подобный самовару, в котором через трубу, расположенную посредине, пропускаются газы для нагревания щебенки.

Сначала прогрев щебенки производится при открытом самозапарнике, а затем он герметизируется, и пропаривание производится при давлении 1,3 ати. Затем давление пара снижается и уже при атмосферном давлении производится сушка пропаренной щебенки путем пропускания через трубу самозапарника дымовых газов.

Автор Г.Г. Булычев приводит следующие параметры производства гипса по методу «самозапаривания».

1. Загрузка и закрывание люков аппарата 30 минут

2. Подогрев гипсового щебня 4 часа

3. Пропарка 7 часов

4. Сушка 6 часов

5. Разгрузка аппарата 30 минут

ИТОГО (max) 18 часов

Г.Г. Булычев пишет: «...предложенный автором совместно с проф. Б.Г Скрамтаевым 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. пропаривание и сушка, производится 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».

Однако на практике активность самозапарочного гипса, как правило, ниже активности демпферного гипса.

«...Отличительной чертой способа самозапаривания является то, продолжает автор, что для образования избыточного (до 1,3 ати) 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 состоянии пара» (подчеркнуто нами.-- И. П.).

Другими словами, при нагревании гипсовой щебенки при свободном удалении из нее воды начинается, по существу, «варка» гипсового камня, как и в обычных варочных котлах, что, как известно, обуславливает получение пористых, губчатого строения зерен обыкновенного, полуводного гипса.

Через 4 часа после нагрева гипсовой щебенки при атмосферном давлении, самозапарник герметизируется и дальнейшая диссоциация двуводного гипса идет уже под давлением. В этих условиях, как известно, идет образование полуводного гипса, представляющего собой совершенно другую, плотную, кристаллическую структуру,-- высокопрочного гипса.

«... В первом случае, указывают Д. С. Белянкин и Л. Г. Берг, получается бета-полугидрат в результате потери двуводным гипсом воды в виде пара.., а во втором случае происходит «...инконгруентное плавление гипса под давлением-- получается альфа-полугидрат».

Г.Г. Булычев правильно отмечает, что в процессе прогрева гипсовой щебенки в самозапарнике происходит образование растворимого ангидрита. Это, несомненно, имеет место, особенно в щебенке, расположенной вдоль трубы, по которой проходят дымовые газы высокой температуры (700°), вызывающие местный перегрев.

О наличии в самозапарочном гипсе значительных количеств растворимого гипса свидетельствуют также короткие сроки самозапарочного гипса.

Следовательно, самозапарочный гипс представляет собой смесь варочного гипса и высокопрочного или, точнее, смесь двух модификаций альфа- и бета-полуводного гипсов с растворимым ангидритом.

Следует отметить, что Г. Г. Булычев производил испытание образцов не по стандартной методике, когда образцы перед испытанием хранятся в помещении при температуре воздуха около +20°, а испытывал образцы после высушивания из них влаги в сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 45--50°. Последнее, конечно, повышало прочность образцов.

Технико-экономические показатели производства, а также качества самозапарочного гипса, приведены в таблицах 15, 16, 17.

Серьезным недостатком метода «самозапаривания» является то, что по условиям теплопередачи, аппарат для запаривания и сушки гипсовой щебенки не может быть достаточно большим (обычная емкость 3 т). Это затрудняет создание заводов большой мощности.

Не менее серьезный недостаток рассмотренной технологии -- это использование гипсового сырья только в виде щебенки, а мелочь, получающаяся при дроблении гипсового камня в количестве около 25%, остается при указанном способе неиспользованной.

Чтобы использовать мелочь, получающуюся при дроблении гипсового камня, Г. Г. Булычев предложил производить все вышеперечисленные операции во вращающемся самозапарнике для одновременной обработки и крупной щебенки гипсового камня и порошкообразной мелочи.

Но как и следовало ожидать, получить продукцию равномерного качества и в этом случае нельзя, потому что при одном и том же времени тепловой обработки и скорости пенетрации тепла диссоциация гипса происходит и заканчивается по-разному у разных по размеру частиц гипсового камня, начиная от порошка до щебенки, размером 50 мм.

Технология производства твердого формовочного гипса (hartformgips -- так его называют немцы), давно известна в Германии (Роттлебероде, близ Берлина). Это старое производство (существует более 50 лет) получило известность в СССР недавно благодаря П. В. Лапшину, назвавшему этот гипс высокопрочным гипсом.

Гипс в Роттлебероде выпускается для керамической и фарфоро-фаянсовой промышленности и, главным образом, на экспорт в страны со слабо развитой гипсовой промышленностью.

Технология его производства, по описанию П. В. Лапшина, следующая. Крупногабаритный гипсовый камень вручную нагружается на вагонетки, которые затем вручную закатываются в автоклав диаметром 2 м и длиной 18 метров. В автоклаве он пропаривается паром под давлением 6 ати, в течение 7 часов, включая подъем и спуск давления. В автоклаве же камень и просушивается паровым калорифером в течение 17 часов, включая подъем и снижение давления пара в калорифере, которое уже через час после начала сушки доводится до 14 ати и более.

По окончании сушки куски дегидратированного гипсового камня (12 тонн из автоклава) измельчаются сначала в челюстной дробилке, производительностью 8 т/час, а затем в молотковой, производительностью 2,5--3 т/час.

После сепаратора крупные фракции гипса размалываются в мельнице производительностью 2,5 т/час, а затем тонкая фракция из сепаратора и из мельницы смешивается во вращающемся барабане и поступает на склад готовой продукции.

Обращает на себя внимание кустарщина в производстве: подлежащий пропариванию гипсовый камень (и обязательно в крупных кусках 30--40 см) вручную укладывается на вагонетки и разгружается с них. Вручную же вагонетки закатываются и выкатываются из автоклава.

Хозяева производства объясняют отмеченное небольшими размерами производства: это не завод, а старая установка годовой производительностью около 3 тыс. тонн в год.

Следует отметить устаревший и нерациональный способ сушки (паровым калорифером). При сушке дробленого камня, например, во вращающемся барабане, процесс сушки мог сократиться и во времени и по стоимости не менее чем в три раза.

Обращает также внимание крайне низкий съем продукции с единицы объема автоклава, а именно 0,20 т/м3 против 0,85 тонны с 1 м3 автоклава в производстве демпферного гипса. Указанный съем также значительно меньше, чем при самом невыгодном в этом отношении «самозапарочном» способе производства гипса.

На обеспечении производства находятся котлы высокого давления (рабочее > 10 ати), что также нельзя считать достоинством технологии. Как известно, в производстве демпферного гипса и высокопрочного гипса ГП, в котельной достаточно поддерживать давление около 3 ати.

Весьма высокий удельный расход топлива, а именно 259 кг условного, что в 4 раза больше обычного и более чем в два раза превосходит даже расход топлива в аналогичном и весьма топливоемком производстве демпферного гипса.

От директора завода в Роттлебероде г-на Гербера нами были получены исчерпывающие данные о производстве гипса, из которых следует, что:

1. Полный цикл работы автоклава составляет 34 часа (а не 24 часа, как показано в табл. 17).

Следовательно продолжительность технологического процесса (включая дробление, помол и др.) составляет 42,4 часа или на 1 тонну готовой продукции (поскольку по сообщению директора за один цикл выпускается 11 тонн гипса) 3,86 часа.

2. Расход электроэнергии на 1 т. гипса не 12 квт.-час, как указано в табл. 17, а 17,85 квт.-час.

3. Расход рабочей силы на тонну гипса 0,91 чел/дн.

5. Контроль производственного процесса и качества готовой продукции

Экономика производства и использования в строительстве высокопрочного гипса ГП

Составленный республиканским институтом по проектированию заводов строительных материалов «Росстромпроект», по результатам полузаводских испытаний технологии высокопрочного гипса ГП, проект цеха по производству высокопрочного гипса ГП (10), который затем был построен и пущен в действие на московском Краснопресненском заводе силикатного кирпича, показал, что удельные расходы рабочей силы, электроэнергии и топлива в производстве высокопрочного гипса ГП не превышают таковых в производстве обыкновенного гипса.

Технико-экономические показатели, приведенные в таблицах, позволяют сделать выводы о том, что размеры единовременных (капитальных) затрат на постройку завода высокопрочного гипса, отнесенные к 1 тонне его годовой мощности, как это видно из табл. 12 в 8 раз меньше соответственных затрат на постройку кирпичного завода и в 10 раз меньше затрат на постройку цементного завода.

Таблица 20

Показатели стоимости строительства, расхода рабочей силы и металла для заводов сравнимой мощности

№ п/п	Заводы	Единица измерения	Стоимость (руб.)	Расход рабочей силы (чел/дн)	Расход металла
1 2 3	Кирпичные Портландцементные Высокопрочного гипса	1 тыс. штук кирпича 1 т цемента 1 т гипса	250 300 30	3,5 2,04 0,10	16,0 26,0 1,0

Таблица 21

Расход топлива, электроэнергии и рабочей силы на единицу готовой продукции

№ п/п	Заводы	Расход условного топлива (кг)	Расход электроэнергии	Расход рабочей силы (чел/дн)
1 2 3	Кирпичные Портландцементные Высокопрочного гипса	240,0 220,0 60,0	30,0 130,0 13,0	1,6 4,0 0,63

Из табл. 21 видно, что расход топлива в производстве на тонну высокопрочного гипса меньше в 4 раза расхода топлива на 1 тыс. штук кирпича и в 3,5 раза меньше, чем требуется на, производство 1 тонны портландцемента.

Расход электроэнергии в производстве высокопрочного гипса, как и расход рабочей силы в несколько раз меньше таковых в производстве кирпича, а особенно в производству портландцемента.

Такая экономия объясняется низкими температурами, необходимыми для производства высокопрочного гипса и небольшим количеством заводского оборудования, потребляющего электроэнергию и нуждающегося в обслуживающем персонале. Как видно из табл. 35, стоимость строительства зданий при использовании высокопрочного гипса для стен и перекрытий на 45% ниже стоимости кирпичных зданий и почти вдвое ниже стоимости железобетонных зданий.

Таблица 22

Стоимость материалов и расход рабочей силы в строительстве на 1 м3 здания и потребность в тоннаже для перевозки 1 тонны стройматериалов

№ п/п	Здания	Относительная стоимость (в %)	Расход рабочей силы (чел/дн)	Потребности в тоннаже для перевозки строй материалов(т)
1	Кирпичные	100	2,0	0,60
2	Жел.-бетонные	110	2,5	0,70
3	Гипсовые (стены, перекрытия)	55	0,5	0,2

Сокращение общей потребности в стройматериалах в 3--3,5 раза в случае строительства зданий из высокопрочного гипса уменьшает соответственно и потребность в транспорте. Расход рабочей силы на 1 м3 сооружения из высокопрочного гипса в 4--5 раз меньше, чем при строительстве трудоемких кирпичных или железобетонных сооружений.

Снижение денежных затрат, рабочей силы и транспорта является следствием, прежде всего, упрощения и ускорения производства строительных работ вообще и полного исключения некоторых из них.

Так в связи с тем, что изделия из высокопрочного гипса ГП уже через 1 час по изготовлении могут воспринимать на себя нагрузку, дорогостоющие коренные леса могут быть заменены облегченными или передвижной опалубкой. Краткость сроков твердения гипсовых изделий ускоряет сроки производства работ. При изготовлении литых стен отпадает необходимость в трудоемких штукатурных работах; заменяемых простой затиркой.

Благодаря большой прочности и малой теплопроводности изделий из высокопрочного гипса ГП стены могут выполняться меньшей толщины, чем из кирпича или бетона. Стена толщиной в 30 см из высокопрочного гипса ГП по теплозащитным свойствам и морозостойкости эквивалентна стене в 2 кирпича (51 см).

Уменьшение же размеров основных частей зданий сокращает в целом вес зданий.

Инженер Левонтин на основании опыта жилищного строительства г. Куйбышева с применением высокопрочного гипса только на возведение стен подсчитал, что на 1 000 м2 жилой площади такого строительства получается экономия по сравнению со строительством из кирпича -- рабочей силы 2 тыс. чел.-дней, 80 тонн условного топлива и 1,4 тыс. тонн грузооборота.

Выводы

1. Завод по производству высокопрочного гипса ГП может быть построен с меньшими затратами и в более короткий срок по сравнению с кирпичным заводом или цементным сравнимой мощности

2. На единицу готовой продукции в производстве высокопрочного гипса ГП расходуется наименьшее количество рабочей силы, материалов и электроэнергии по сравнению с расходами таковых в производстве кирпича или цемента

3. Расширение использования высокопрочного гипса ГП приводит к значительному ускорению и удешевлению строительства

6. Проектируемые технические и технологические решения по улучшению ТЭП и стратегии маркетинга

Наш основной рынок

Нашими потенциальными клиентами являются строительные магазины, а также жители г. Белгорода и Белгородской области.

На рынках, где предлагают свою продукцию, потенциальных конкурентов нет. Поэтому при продаже гипсовой плитки, клиенты не будут колебаться в своем выборе. Таким образом, для создаваемого объединения имеется достаточная рыночная ниша.

Система ценообразования

Следует отметить, что производство гипсовой плитки в нашем районе являются новым видом работ и конкурентов как таковых еще нет. Поэтому при выходе на рынок объединение устанавливает свои цены.

Система продвижения работы

Интерес клиентов можно привлечь за счет:

- устной рекламы в рамках имеющейся клиентуры;

- рекламной компании по местному телевидению;

- рекламной компании в средствах массовой информации.

Стратегия рекламной компании следующая

За 2 недели до производства гипсовой плитки необходимо уже распространять информацию о нашем производимом товаре среди потенциальных потребителей. В этот период планируется сформировать у потенциальных потребителей мнение о нашем деле для села, в связи с этим в этот период целесообразна наиболее интенсивная реклама в средствах массовой информации, местной печати, телевидения. Далее, в течение всего года необходимо постоянно поддерживать в состоянии потребителей заинтересованных в данном виде товаре. В связи, с чем реклама будет появляться постоянно, но немного реже.

Основные направления деятельности

1. Получение прибыли от вышеуказанной деятельности.

2. Краткосрочная оценка деятельности.

3. Планируется закупка еще одного оборудования, для чего понадобится денежные средства и дополнительная аренда помещения.

4. Долгосрочный анализ методом опроса населения, изучение рекламной политики

- исследование рынка, на котором будет работать объединение

- перспективы развития

- анализ доли рынка

- выявление конкурентов

- исследование потребителей

5. Планируется принять на работу еще 2-х человек

Цели на перспективу

- возможность расширение услуг и рабочих мест.

- обеспечение наследия.

7. Научная организация труда. Мероприятия по охране труда и окружающей среды

Одним из факторов, отрицательно влияющих на морально-психологическое состояние людей, стала в последнее время радиоэкология окружающей среды, в том числе и строительных объектов промышленного и гражданского назначения. Каждый житель нашей страны в среднем получает ежегодно дозу около 5 мЗв (1Зв=100 бэр) на все тело за счет природной радиации и медицинской диагностики.