Тепловые установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 ЗНАЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Тепловая обработка является одним из основных технологических переделов при производстве строительных материалов, изделий и конструкций. При тепловой обработке в материалах и изделиях происходят различные физико-химические процессы. В результате их совместного воздействия формируется новая структура, и существенно изменяются свойства материалов.

Тепловой обработке подвергаются практически все строительные материалы и изделия заводского изготовления:

1) в керамической промышленности изделия подвергаются сушке и обжигу, в результате чего получается искусственный каменный материал, свойства которого могут изменяться в широких пределах;

2) при производстве изделий из цементных бетонов тепловую обработку применяют для ускорения набора прочности;

3) в стекольной промышленности для получения изделий различных форм и размеров сырьевую шихту нагревают до её перехода в расплав;

4) древесные материалы и композиции на основе древесины и пластмасс также подвергаются термическим воздействиям для изменения их свойств;

5) при производстве вяжущих веществ сырьё подвергают термической обработке для придания ему способности связывать инертные компоненты растворных и бетонных смесей в искусственный конгломерат с заданными свойствами.

На тепловую обработку затрачивается до 80 % топливно энергетических ресурсов производства. Её доля в себестоимости продукции может достигать 30 %, а удельные капитальные вложения в тепловые установки - 45 % от стоимости предприятия. Поэтому проектирование и применение прогрессивных технологий - одна из важнейших задач, стоящих перед инженерами.

2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

2.1 Тепловые процессы и установки

Для осуществления тепловой обработки исходные материалы и полуфабрикаты помещают в тепловую установку.

Тепловая установка - это устройство, в котором протекает тепловой процесс, в результате которого подаваемая тепловая энергия расходуется на технологическую переработку материала или на ускорение химических реакций, протекающих в установке. В тепловой установке и обрабатываемом материале протекают следующие процессы:

1). теплообменные (передача теплоты от теплоносителя материалу);

2). массообменные (испарение воды при сушке);

3). механические (перемещение материалов);

4). гидро- и аэродинамические (течение потоков жидкостей и газов);

5). физико-химические процессы (химические реакции веществ, растворение, плавление и кристаллизация).

В тепловых установках происходит теплообмен между рабочей средой (теплоносителем) и материалом. Эффективность работы тепловой установки оценивается количеством тепловой энергии, переданной в единицу времени обрабатываемому материалу.

Тепловым процессом называют закономерную совокупность стадий теплового воздействия на материал с целью придания ему определённых заранее заданных свойств.

Для нормального протекания различных физико-химических превращений требуется различная интенсивность и скорость протекания тепло- и массообменных процессов. Они, в свою очередь, определяются тепловым режимом в конкретной установке - совокупностью условий тепло- и массообменных воздействий на материал, как то изменение температуры среды, скорость течения жидкостей или газов, концентрация газов, их давление.

Тепловые установки делятся по режиму работы на установки непрерывного и периодического действия.

Установки периодического действия работают по замкнутому циклу. Сначала рабочую камеру загружают материалом, затем проводят тепловую обработку, после чего материал выгружают. К таким установкам относят, к примеру, камерные печи и сушилки керамической промышленности, ямные пропарочные камеры и автоклавы, гипсоварочные котлы. Тепловой режим в установках периодического действия не стационарный, т.е. в каждой пространственной точке рабочей камеры температура изменяется во времени.

Установки непрерывного действия работают практически в стационарном режиме. В таких установках материал и теплоноситель непрерывно или с небольшими интервалами подаются в рабочую камеру и удаляются из неё. По такому принципу работают туннельные сушилки, печи и камеры тепловлажностной обработки бетона; вращающиеся печи и сушильные барабаны.

Тепловые установки по своему месту в технологическом процессе делятся на основные и вспомогательные [28]. Первые из них составляют основную часть технологического оборудования заводов строительных материалов и изделий. От их конструкции и особенностей работы в значительной мере зависит как качество выпускаемой продукции, так и производительность предприятия в целом. Основными тепловыми установками являются печи для обжига или плавления материалов, сушилки и установки для тепловлажностной обработки бетонов. К вспомогательным относятся установки, предназначенные для выполнения различных подготовительных операций, непосредственно не связанных с технологическим процессом. В качестве примера таких установок можно привести устройства для оттаивания заполнителей бетонов, хранящихся на открытых складах, пароувлажнительные установки для глины и пр.

В отдельную группу выделяют теплоснабжающие установки, в частности котельные, отвечающие за непрерывное снабжение предприятия необходимыми теплоносителями (чаще всего - паром).

2.2 Материальные, энергетические и тепловые балансы установок

2.2.1 Основной закон переноса

Конечной стадией изучения тепловых процессов и установок является их расчёт. В результате расчёта определяют оптимальные условия ведения процесса, характеристики потоков перерабатываемых материалов, энергетические затраты, основные геометрические параметры установок.

Для определения оптимальных условий ведения процессов их анализ начинают с рассмотрения кинетических закономерностей. Любые процессы в установке возможны только при наличии градиента потенциала переноса ДD. Другими словами, градиент потенциала переноса является движущей силой любого процесса. Для тепловых процессов эта движущая сила - градиент температуры, для гидродинамических - градиент давления и т.д.

Основной закон переноса: Скорость процесса пропорциональна движущей силе grad(D) и обратно пропорциональна сопротивлению R.

При этом под скоростью процесса V, кг/(м2•с), понимают массу материала GM прошедшую через поперечное сечение установки F в единицу времени ф [27]:

V = GM / (Fф). (В.1)

Тогда основной закон переноса может быть записан в виде:

GM / (Fф) = grad(D)/R = K•grad(D), (В.2)

где К - коэффициент скорости процесса (коэффициент теплопередачи, коэффициент теплоотдачи и т.п.), интегрально отражающий влияние всех факторов, не вошедших в уравнение (В.2).

Из соотношения (В.1) следует, что движущая сила grad(D) и коэффициент скорости процесса К являются основными величинами при определении геометрических параметров установки. Используя уравнение (В.2), можно определить необходимый объём установки, если известна или задана скорость процесса, или решить обратную задачу.

Для определения массы перерабатываемых материалов и энергетических затрат, исходя из условий теплообмена, составляют материальные и энергетические балансы установок.

2.2.2 Материальные балансы установок

В основу материального баланса установки положен закон сохранения массы. В соответствие с этим законом, начальная масса материалов УGH, поступающих в тепловую установку, равна конечной массе материалов УGК, удаляемых из установки:

УGН = УGК. (В.3)

При этом часть массы материалов безвозвратно теряется (например, в виде испарённой воды при сушке, в виде углекислого газа, выделившегося при обжиге известняка).

Обозначив безвозвратные потери массы материала через УGП, получим уравнение материального баланса в окончательном виде:

УGН = УGК + УGП. (В.4)

Материальный баланс может составляться как для всего процесса или установки в целом, так и для их отдельных частей, по всем компонентам материалов, участвующих в процессе, или по какому-то одному. Материальный баланс установок непрерывного действия составляется на временной интервал, чаще всего на один час ([УGi]=кг/ч, т/ч). Для установок периодического действия - на полный цикл работы ([УGi]=кг, т).

2.2.3 Энергетические балансы установок

Тепловые процессы в технологии строительных материалов и изделий связаны с затратами различных видов энергии. По закону сохранения энергии количество энергии, введённое в процесс, равно количеству, полученному в результате процесса.

Рассмотрим для примера непрерывное устоявшееся движение материала в тепловой установке - вращающейся печи - от точки «а» на входе до точки «б» на выходе (рисунок В.1) [27].

Примем, что накопления материала или энергии на участке «аб» не происходит. На входе в точке «а» материал возвышается над нулевой отметкой на величину Za, а на выходе из точки «б» - Zб. Единица массы материала, входящая в точку «а», имеет следующие параметры: внутреннюю энергию Еа, кинетическую энергию ЕК,а потенциальную энергию ЕР,а. На участке «аб» единице массы материала передаётся количество теплоты Q, а в результате протекания химических реакций выделяется или поглощается тепловая энергия QX.

тепловой баланс установка



Часть тепловой энергии рассеивается в окружающую среду - QС. Для перемещения материала из точки «а» в точку «б» затрачивается работа привода АП, а единица массы материала при этом совершает работу АМ.

Единица массы материала в точке «б» имеет следующие параметры: внутреннюю энергию Еб, кинетическую энергию ЕК,б потенциальную энергию ЕР,б. Уравнение энергетического баланса запишем в виде:

Еа + ЕК,а + ЕР,а + Q ± QX +АП = Еб + ЕК,б + ЕР,б + QC +АМ. (В.5)

Поскольку АП>>АМ, то уравнение энергетического баланса установки можно представить в виде:

ДЕ + ДЕК + ДЕР = УQ + ДА. (В.6)

Если пренебречь изменением потенциальной и кинетической энергии, работой, затраченной на перемещение материала и его собственной работой, а также принять, что внутренняя энергия системы изменилась только за счёт нагрева или охлаждения материала, то энергетический баланс установки запишется в виде:

УQ = 0. (В.7)

Для инженерных расчётов большинства промышленных тепловых установок формула (В.7) обладает достаточной точностью.

2.2.4 Тепловые балансы установок

Уравнение (В.7), являясь частным случаем энергетического баланса установки, называется уравнением теплового баланса. Чаще уравнение теплового баланса записывают в следующей форме:

УQН = УQК + УQП, (В.8)

где УQН - количество теплоты, введённое в установку;

УQК - количество теплоты, отводимое из установки;

УQП - величина потерь через ограждающие конструкции установки.

УQН = Q1 + Q2 + Q3, (В.9)

где Q1 - количество теплоты, вносимое в установку материалом и транспортом;

Q2 - количество теплоты, подаваемое в установку теплоносителем;

Q3 - количество теплоты химических реакций.

УQК = Qк1 + Qк2 , (В.10)

где Qк1 - количество теплоты, удаляемое из установки материалом и транспортом;

Qк2 - количество теплоты, отводимое отработанным теплоносителем.

Тепловой баланс, так же как материальный, составляется на всю установку или её часть, на единицу массы перерабатываемого материала (реже на количество изделий). Тепловой баланс установок периодического действия составляют на полный цикл работы.

На основании решения уравнения (В.8) находят количество теплоты Q2, кДж, которое необходимо подать в установку:

Q2 = УQК + УQП - Q1 ± Q3. (В.11)

Далее определяется удельный расход теплоты Qуд, кДж/кг (на единицу массы GM, кг, перерабатываемого материала):

Qуд = Q2 / GM. (В.12)

Затем могут быть определены удельные расходы условного РУС, кг/кг, и натурального РН, кг/кг, топлива:

РУС = Qуд / QУР; (В.13)

РН = Qуд / QНР; (В.14)

где QУР и QНР - теплотворная способность условного и натурального топлива, кДж/кг.

Удельные расходы теплоты и топлива служат основными экономическими показателями работы тепловых агрегатов.

2.3 Основные показатели работы тепловых установок

Тепловая обработка сырья и полуфабрикатов при производстве строительных материалов и изделий обуславливает существенные затраты на само тепловое оборудование и на топливо. Помимо таких показателей, как себестоимость продукции, трудозатраты на выработку единицы продукции и пр., для оценки эффективности работы тепловых установок используется ряд показателей, из которых наиболее важными являются следующие.

Удельный расход тепла q, кДж/ед., на обработку материала или изделия, приходящийся на единицу продукции:

q = Q / G, (В.15)

где Q - расход тепла в установленный временной интервал (час или цикл), кДж;

G - производительность установки в единицах продукции (в час или за цикл).

За единицу продукции может приниматься её вес (1 кг, 1 т), объём (1 м3), штучное количество (1 шт., 1000 шт.). Так, во вращающихся печах с большой производительностью удельный расход тепла выражают, как правило, в кДж/т продукции. Для печей керамической промышленности расход тепла обычно относят к 1000 шт. условного кирпича - [q]=кДж/(1000 шт. усл. кирпича). Расход тепла на тепловую обработку бетонных и железобетонных конструкций - к объёму бетона (железобетона) - [q]=кДж/м3. В сушильных установках расход тепла относят к одному килограмму испарённой влаги.

Удельный расход топлива b является аналогичным показателем:

b = B / G, (В.16)

где B - расход натурального топлива в установленный временной интервал (час или цикл), кг.

Для сравнения установок, работающих на разных видах топлива используется такой параметр, как удельный расход условного топлива bУ:

bУ = BУ / G, (В.17)

где BУ - расход условного топлива в установленный временной интервал (час или цикл), кг.

Удельные расходы тепла и топлива характеризуют как работу тепловой установки в целом, так и эффективность сжигания топлива, надёжность работы тепловой изоляции и уплотняющих устройств, систем утилизации тепла и пр.

Комплексно тепловую эффективность работы установки оценивают по величине коэффициента полезного действия з (тепловому КПД), которым называется отношение полезного расхода тепла Qпол, необходимого для придания новых свойств материалу, к общему количеству теплоты Q, затраченному на работу тепловой установки:

з = Qпол / Q. (В.18)

Удельный съём продукции с единицы рабочей площади установки gf, кг/(м2•ч), или с единицы объёма её рабочей камеры gV, кг/(м3•ч), также служит важным показателем при сравнении эффективности конструкционно схожих тепловых аппаратов:

gf = G / F, (В.19)

где F - площадь рабочего сечения агрегата, м2;

gV = G / V, (В.20)

где V - объём рабочей камеры установки, м3.

Для характеристики работы печей могут использоваться и другие показатели, например, уровень тепловой форсировки. Перечисленные же выше характеристики работы тепловых аппаратов являются общими для всех установок и обязательно приводятся в справочной литературе.

2.4 Классификация способов тепловой обработки

Номенклатура строительных материалов, изделий и конструкций, применяемых при возведении зданий и сооружений, чрезвычайно широка и разнообразна. Также разнообразны и основные физико-механические и химические свойства сырьевых материалов и готовой продукции. Поэтому в промышленности строительных материалов и изделий используется большое количество видов тепловой обработки.

Виды тепловой обработки классифицируют по преобладающим физическим, химическим, тепловым и массообменным процессам. В общем случае выделяют шесть видов тепловой обработки [27]:

1) тепловлажностная обработка;

2) сушка;

3) обжиг;

4) вспучивание;

5) спекание;

6) плавление.

1. Тепловлажностная обработка.

Тепловлажностной обработкой называют такой вид теплового воздействия на материал, при котором в нагреваемом материале сохраняется влага. Такую обработку применяют для ускорения твердения бетонов на портландцементе и его разновидностях, а также на известково-кремнезёмистом вяжущем. В этом случае в качестве теплоносителя используется, как правило, пар или вода. Теплоноситель, контактируя с внешней поверхностью материала, сообщает ей теплоту и некоторую массу воды, т.е. происходит внешний (по отношению к материалу) тепло- и массообмен. Затем между поверхностью материала и его внутренними слоями начинаются процессы внутреннего тепло- и масообмена. Подъём температуры материала способствует интенсификации физико-химических процессов, происходящих при затворении вяжущего вещества водой, а сохранение влаги в материале не даёт им сойти на нет.

2. Сушка.

Сушкой называется процесс удаления влаги из материала при температуре ниже точки её кипения. При этом удаляется только физически и физико-химически связанная вода. Химических реакций при сушке, как правило, не происходит. Сушка заключается в передаче тепла от теплоносителя материалу, в результате чего с его поверхности начинает удаляться влага, а из внутренних слоёв постепенно подводятся к поверхности всё новые её порции. Удаление влаги приводит к сближению частиц материала и уплотнению его структуры.

3. Обжиг.

Обжигу в промышленности строительных материалов и изделий подвергают сырьё при производстве вяжущих веществ, керамических материалов и изделий. Обжигом называется тепловая обработка материала, при которой в нём происходит каскад физико-химических превращений, невозможных при низких температурах. Проводят обжиг в специальных тепловых установках - печах - путём передачи тепла от теплоносителя материалу. При обжиге удаляется из материала химически связанная вода, происходят фазовые и химические превращения веществ, вследствие чего формируется новая структура материала и изменяется химический и (или) минералогический состав. Существенно изменяются и физико-механические свойства материала.

Разновидностями обжига являются процессы вспучивания и спекания.

4. Вспучивание.

Этот вид тепловой обработки применяется для получения высокопористой структуры различных материалов с преобладанием закрытых пор. Вспучиванием называют существенное увеличение объёма отформованного изделия или частицы материала (например, гранулы), происходящее за счёт внутреннего давления газов, выделившихся из сырьевой смеси при её высокотемпературной обработке. При этом также происходят фазовые и химические превращения веществ, характерные для обжига, вследствие чего формируется новая структура материала, и изменяются его состав и свойства. Применяют вспучивание при производстве искусственных пористых заполнителей и теплоизоляционных изделий.

5. Спекание.

Спекание - это термический процесс получения пористой структуры материала, при котором изначально сыпучая сырьевая смесь образует единый конгломерат, а её межзерновая пустотность превращается в сообщающиеся поры нового материала. Процесс спекания сыпучей сырьевой смеси в конгломерат происходит, как правило, при сжигании топлива в слое материала при просасывании воздуха через этот слой. При нагреве материала происходят фазовые и физико-химические превращения, формируется новая структура.

Таблица В.1 - Классификация видов тепловой обработки строительных материалов и изделий

Вид тепловой обработки	Назначение	В производстве каких материалов и изделий применяется	Процессы, происходящие в материале
Тепло-влажностная обработка	Ускорение набора прочности	Бетонные и железобетонные изделия и конструкции на портландцементе и его разновидностях, и на известково-кремнезёмистых вяжущих	Тепло- и массообменные, химические, структурообразующие
Сушка	Удаление влаги	Сырьё и готовая продукция заводов ЖБИ, керамических и пр. материалов	Тепло- и массообменные, структурообразующие
Обжиг	Получение спёкшегося черепка	Керамические материалы и изделия	Тепло- и массообменные, химические, фазовые, структурообразующие
Вспучивание	Получение высокопористой структуры с замкнутыми порами	Искусственные пористые заполнители	Тепло- и массообменные, химические, фазовые, структурообразующие
Спекание	Получение высокопористой структуры с сообщающимися порами	Искусственные пористые заполнители	Тепло- и массообменные, химические, фазовые, структурообразующие
Плавление	Получение расплава материала	При производстве минерального волокна и стёкол	Тепло- и массообменные, химические, фазовые, структурообразующие

6. Плавление.

При производстве волокнистых теплоизоляционных материалов и стекла сырьевую смесь в результате термического воздействия переводят из твёрдого в жидкое состояние. Такой процесс называется плавлением. Плавление в процессе разогрева сопровождается тепло- и массообменными процессами, а также фазовыми превращениями.

Для наглядности данная классификация, взятая автором из [27], приведена в таблице В.1.

3 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ УСТАНОВОК

Тепловая обработка строительных материалов осуществляется на всём протяжении существования человеческой цивилизации.

Изделия из обожжённой глины находили в раскопках, имевших возраст до 15 тысячи лет до н.э. Самые древние эмали и изделия из стекла получали 14 тысяч лет назад, а за две тысячи лет до н.э. в Египте имелась довольно совершенная стекольная промышленность [22].

Памятники древнерусского зодчества в Москве, Киеве, Новгороде, Владимире и других городах говорят о высоком искусстве наших старинных мастеров. Они умели качественно обжигать глиняный кирпич и известь, которые в течение многих веков сохраняли свои высокие строительные качества. Археологические раскопки свидетельствуют о вполне рациональном устройстве обжигательных печей, применявшихся для этих целей.

Научный подход к тепловой обработке начал зарождаться в XVIII веке, когда были заложены основы современных физико-химических наук.

Великий русский учёный М.В. Ломоносов впервые установил правильный взгляд на природу теплоты, указав на её кинетический характер. В «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1750 г.) М.В. Ломоносов писал, что теплота распространяется коловратным (вращательным) движением частиц - молекул. Ломоносов также научно объяснил сущность процессов окисления и горения.

В диссертации «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном» (1742 г.) В.М. Ломоносов объяснил причины движения тёплого воздуха в рудниках и горячих дымовых газов в печах, заложив тем самым основу для научной разработки теории движения газов в тепловых установках.

Занимался В.М. Ломоносов не только теоретическими основами, но и практической деятельностью в области теплотехники - варил стекло на построенном им стекольном заводе [12]. Им же были разработаны первые теория процессов спекания, стеклообразования и отжига стекла в «Курсе истинной физической химии» [36].

Русский профессор В.Е. Грум-Гржимайло, исходя из работы М.В. Ломоносова о причине движения нагретых газов, разработал в начале XX века первую научную теорию, объясняющую работу заводских печей и сушилок, которая в своё время сыграла прогрессивную роль в совершенствовании тепловых установок.

Гениальный русский химик Д.И. Менделеев высказал ряд ценнейших идей в области изучения топлива. В частности он в 1877 году создал гипотезу о происхождении нефти. В 1882 г. Дмитрий Иванович первым в мире высказал мысль о возможности подземной газификации ископаемых углей. В 1897 году он предложил формулу для определения теплотворности топлива. Занимался Д.И. Менделеев и проблемами стекловарения. В 1864 году он опубликовал труд «Стеклянное производство», в котором последовательно изложил научную теорию стеклообразования. Д.И. Менделеев первым разгадал химическую природу силикатов и алюмосиликатов, их «полимерность» [36].

Помимо теоретических работ существенный вклад в развитие тепловых установок вносила и практика. В 1829 году в Великобритании впервые было применено горячее дутьё - подогрев воздуха, подаваемого в печь на горение. Это открытие привело к перевороту в печном деле, показав пути к резкому повышению температур в рабочих камерах и дальнейшей интенсификации тепловой обработки. Это достижении начало внедряться в России уже в 30-х годах XIX в.

В 1816 году русский механик И. Штегер предложил оригинальную конструкцию напольной печи для обжига кирпича. В этой печи отсутствовали топки для сжигания топлива. Дрова (основной вид топлива в то время) сжигались непосредственно в рабочей камере печи в разрывах между садками сырца, что стало характерно для промышленных кольцевых печей в XX веке. В результате большой научно-исследовательской работы русский профессор А. Больман в 1850-1864 годах сконструировал непрерывно действующую печь для обжига керамических изделий (в т.ч. кирпича) и извести. Печь состояла из шести камер, в каждой из которых происходил свой цикл обжига. В её конструкции была предложена идея вторичного использования тепла дымовых газов, отходящих из камеры, в которой происходил обжиг изделий, - дымовые газы направлялись из неё на сушку свежего сырца [28].

Несколько лет спустя идеи профессора А. Больмана были реализованы в Германии Ф. Гофманом, который предложил конструкцию кольцевой печи для обжига керамических изделий. В 1871 году на газообразном топливе были пущены в эксплуатацию многокамерные печи Мендгейма.

Автоклавный способ производства силикатного кирпича под давлением пара 7-8 атм также был предложен в Германии в 1880 г. Михаэлисом. В России долгое время эксплуатировались именно немецкие автоклавы длиной 9 м и диаметром 2 м [28].

В России были разработаны конструкции туннельных сушилок для керамических заводов. Однако зачастую прогрессивные идеи и инженерные решения в дореволюционной России не находили практического воплощения из-за крайней отсталости материально-производственной базы и ориентации на западные достижения. Доходило до совершенно нелепых ситуаций. Так, в начале XX века на большинстве заводов по производству огнеупоров продолжало работать оборудование конструкции середины предыдущего века. В результате только в 1913 году импорт огнеупоров составил без малого 160 тысяч тонн - четверть от потребностей российской промышленности [12].

Шлаковая (минеральная) вата впервые в России была получена в 1901 году на Белорецком металлургическом заводе путём воздействия пара на струю жидкого расплава, вытекающего из лётки доменной печи. Позднее минеральную вату эпизодически получали и на других уральских заводах, но её выработка не имела существенных промышленных масштабов.

Последовавшие в начале XX века Первая мировая война, Октябрьская революция и Гражданская война существенно сказались на промышленном потенциале России. Общий уровень промышленного производства на 1920 год составлял 10 % от довоенного. Начался трудный период восстановления.

Довоенные объёмы производства были достигнуты к концу двадцатых годов. В начале 30-х годов поставленная перед страной задача индустриализации привела к созданию мощной базы по производству строительных материалов и изделий. Характерной особенность вновь строящихся заводов были сравнительно передовые технические и технологические решения. Так, широко стали внедряться туннельные печи для обжига керамики, станции для получения генераторного газа, интенсивное внедрение в производство новейших достижений не только в области теории, но и практики заводского производства. Огромные средства были вложены в создание научной базы промышленности строительных материалов.

Теория теплообмена получила развитие в трудах М.В. Кирпичёва, М.А. Михеева, В.Н. Тимофеева, Г.П. Иванцова, Б.И. Китаева и других советских учёных. Вопросы горения топлива разрабатывали Н.Н. Семёнов, Д.А. Франк-Каменецкий, Г.Ф. Кнорре. В решении вопросов газификации различных видов топлива сыграли большую роль труды Н.Н. Доброхотова, Д.Б. Гинзбурга, З.Ф. Чуханова. Работы А.В. Лыкова, М.Ю. Лурье, Л.К. Рамзина и специальные исследования большого числа вновь созданных институтов (ВТИ, РОСНИИМС и др.) были посвящены теории сушки. Теория печей создана трудами В.Е. Грум-Гржимайло, М.А. Павлова, Н.Н. Доброхотова и других учёных. Новые конструкции тепловых установок создавались такими организациями, как Росстромпроект, Гипростройматериалы, Гипроцемент, Стеклострой, Теплопроект и др. [2, 28].

Процессы варки стекла и стеклообразования теоретически обосновывались и практически прорабатывались академиками А.А. Лебедевым, И.Г. Гребенщиковым, а также Н.Н. Качаловым, Б.С. Швецовым, И.И. Китайгородским и многими другими.

Существенную роль в формировании советской науки сыграли исследования П.П. Будникова по изучению огнеупорных материалов, керамики и вяжущих веществ. Глубокие исследования свойств вяжущих веществ являлись предметом работ В.Н. Юнга, В.Ф. Журавлёва, Н.А. Торопова, Ю.М. Бутта [36].

В 1925 г. профессором Е.В. Костырко впервые в России был получен обжигом глин искусственный пористый заполнитель, получивший название керамзит. Примерно в то же время впервые было налажено производства аглопорита. Эти достижения отечественной промышленности позволили со второй половины 20-х годов перейти к индустриальному применению лёгкого бетона, работы по изучению которого велись Р.М. Михайловым, Н.А. Поповым и др. [35].

Рост научной и промышленной базы не мог не сказаться на динамике производства строительных материалов и изделий. Так, если на 1913 год выпуск цемента в России составлял 1,8 млн. т, то в 1940 году СССР производил уже 10,2 млн. т. ежегодно. Объёмы производства оконного стекла за тот же период выросли с 24,7 млн. м2 до 77 млн. м2. Глиняного и силикатного кирпича стали производить в два раза больше - 7,55 млрд. шт. усл. кирпича в год [37].

Первую половину XX века в Советском Союзе преобладали монолитные железобетонные конструкции. Начиная с 1925 г. в строительстве стал применяться и сборный железобетон, изготавливаемый на специализированных заводах. Широкое распространение производство сборного железобетона получило с 1954 г. За короткое время в СССР была создана новая отрасль промышленности, построено большое количество мощных заводов, созданы высоко производительные машины для предприятий. Массовое применение сборного железобетона дало возможность резко увеличить темпы жилищного и промышленного строительства, что было очень важно для экономики СССР, только оправившейся от последствий Великой Отечественной войны [4]. Объёмы производства сборного железобетона выросли с 1,2 млн. м3 в 1950 году до 123,2 млн. м3 в 1978 году [37]. Производство цемента к началу 80-х годов составило 130 млн. т в год.

Новая теория теловлажностной обработки цементного бетона и силикатных изделий была разработана трудами А.В. Волженского, Н.А. Попова [28]. Ценным вкладом в науку явились труды академика А.А. Байкова, посвящённые теории и термохимии твердения цементов, теории физико-химических превращений в огнеупорных материалах при высоких температурах [36].

С 1943 года началось масштабное промышленное производство минеральной ваты, которая получила самое широкое распространение как основной материал для промышленной тепловой изоляции. В результате систематических исследований были изучены физико-химические процессы, протекающие при изготовлении минеральной ваты, исследованы режимы плавления сырья. Вопросами производства минеральной ваты занимались такие организации как ВНИИСМ, ВНИИХП, Термопроект, Строймехмонтаж, многие вузы страны. К 1953 году производство минеральной ваты выросло в 20 раз по сравнению с довоенным уровнем.

Физические исследования спекания начались во второй половине 40-х годов XX века, когда почти одновременно появились теоретические работы Я.И. Френкеля «О вязком течении твёрдых тел» и Б.Я. Пинеса «О спекании в твёрдой фазе». Идеи, заложенные в этих работах, определили направление многих работ в области физики спекания, сыгравшей большую роль в области производства керамических материалов и изделий.

Бурное развитие производства строительных материалов привело к появлению самостоятельной отрасли, включавшей в себя к началу 80-х годов 23 подотрасли, удельный вес производства которых в общем объёме промышленного производства СССР составлял 5-6 %.

Продолжались интенсивные работы по улучшению качества выпускаемых материалов. Были разработаны технологии производства высокопрочных цементов (НИИцемент), быстротвердеющих цементов.

На заводах внедрялось новое теплотехническое оборудование. Ряд цементных заводов запустил в эксплуатацию сушилки для сырья, работающие по принципу псевдоожиженного слоя. Совершенствование технологии обжига цементного клинкера шло по пути наращивания мощности печных агрегатов, оснащения их эффективными теплообменниками и экономичными горелочными устройствами. Если в 50-х годах на цементные заводы устанавливались преимущественно 150-метровые печи производительность 200 тыс. т клинкера в год, то в 80-х годах на вооружение цементной промышленности поступили печи производительностью 1 млн. т. клинкера в год [37]. Старые вращающиеся печи были подвергнуты существенной реконструкции путём изменения профиля их корпусов, замены тягодутьевых машин, холодильников и теплообменников на более эффективные.

Размещено на Allbest.ru