Роторно-пульсационная установка для производства пенобетона

Развитие производства строительных материалов в современных условиях для строительного комплекса РФ предполагает решение ряда задач, одну из которых можно определить как повышение эффективности работы действующего промышленного оборудования и создание новых высокоэффективных по всем современным требованиям технологических комплексов, машин и агрегатов.

В связи с определенными экономическими условиями в РФ на современном этапе, в строительном комплексе уже достаточно длительное время ведется интенсивный поиск недорогих и вместе с тем эффективных конструкционных и теплоизолирующих решений при строительстве, как промышленных зданий, так и жилых сооружений. Одним из направлений, удовлетворяющим указанным требованиям, ученые и производственники считают развитие производства безавтоклавного бетона, получившего название «пенобетон».

Имеющийся на сегодня опыт показывает, что оптимальное направление развития индустрии стеновых материалов из безавтоклавного бетонасоздание разветвленной сети малых заводов и цехов по производству стеновых блоков и мелкоштучных изделий различного назначения, а также монолитное домостроение из такого бетона с помощью передвижных установок для заливки стен, перекрытий и теплоизоляции. Реализация данного направления требует создания технологии и оборудования, применимость которых минимально зависит от параметров окружающей среды, квалификации рабочих и качества сырьевых материалов.

В отличие от автоклавного газобетона пенобетон имеет закрытую пористую структуру и поэтому впитывает меньшее количество влаги. Срок службы пенобетона при нормальных условиях эксплуатации не ограничен, т.к. процесс твердения связан с постоянно протекающей гидратацией цемента и со временем он становится только прочнее. По теплоизоляционным свойствам пенобетон близок к пенополистиролу, при этом практически инертен к воздействию огня. Себестоимость пенобетона на 30 — 40% ниже по сравнению с автоклавным газобетоном и значительно ниже стоимости строительного кирпича. Совокупный ряд приведенных преимуществ объясняет повышенный интерес к пенобетону и изделиям на его основе в современных сложных экономических условиях.

В настоящее время промышленность уже освоила серийный выпуск достаточно большой номенклатуры установок для производства пенобетона — стационарных и мобильных различного принципа действия. Однако в последние годы все большую популярность приобретают мобильные установки из-за их невысокой цены, простоты обслуживания, возможности быстрого, перемещения и сравнительно невысокой энергоемкости. Их применение наиболее эффективно в жилищном строительстве при возведении ограждающих конструкций и устройстве теплоизоляционных слоев с использованием пенобетонов, что возможно двумя способами. Первый — приготовление пенобетона на стационарной установке, расположенной у объекта, и перекачивание готовой смеси по шлангам к месту укладки. Второй — приготовление пенобетона на малогабаритном передвижном механизированном комплексе, который может перемещаться с этажа на этаж и из помещения в помещение через дверные проемы непосредственно к месту заливки.

Вместе с тем, существующие способы и оборудование для получения пенобетона в России находятся в стадии постоянного усовершенствования. Особой проблемой для изготовителей и потребителей оборудования является большой набор единиц техники, входящих в стандартный технологический комплекс, а значит повышенные металлоемкость, энергопотребление и, соответственно, стоимость. Так стандартный комплекс обычно включает емкости расходных материалов, питатели-дозаторы, смеситель, пеногенератор, накопительную емкость и перекачивающий насос. Одним из направлений решения указанной выше проблемы может быть совмещение ряда технологических операций в одном аппарате, например: смешения, аэрации и перекачивания. Реализовать данное предложение возможно с помощью роторно-пульсационного способа гомогенизации в установке специальной конструкции, которые до настоящего времени в производстве пенобетона не применялись. Для осуществления предложенного варианта необходимо создать такой аппарат применительно к получению пенобетонных смесей и разработать математический аппарат для его расчета при проведении проектно-конструкторских работ, а также изготовить лабораторный образец и провести его исследование и выбор рациональных режимов работы.

Все перечисленное выше, позволяет сделать вывод об актуальности данной проблемы и определяет цель настоящей работы.

Цель работы — разработка математического аппарата для расчета, исследование и получение рациональных конструктивно-технологических параметров роторно-пульсационной установки, обеспечивающей повышение эффективности процесса получения пенобетона.

Задачи исследований:

1. Провести анализ состояния и направлений развития конструкций мобильных установок для получения пенобетона и выявить направления развития данного класса машин.

2. Разработать принципиальную схему исполнения роторно-пульсационной установки, обеспечивающую совмещение в одном аппарате процессов смешивания, аэрации и перекачки пенобетонной смеси к месту заливки.

3. Разработать методику аналитического расчета конструктивно-технологических параметров работы установки.

4. Исследовать режимы работы роторно-пульсационной установки в составе производственного комплекса и определить условия их протекания для различных марок пенобетона.

5. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости плотности, прочности и теплопроводности пенобетонных блоков от входных конструктивно-технологических факторов, и провести экспериментальную проверку в лабораторных условиях разработанных теоретических моделей.

6. Определить критерий оптимальности и методику расчета рациональных конструктивно-технологических параметров роторно-пульсационной установки.

7. Разработать опытно-промышленный вариант мобильной роторно-пульсационной установки и апробировать ее в условиях реального производства.

Научная новизна заключается в получении:

— аналитических выражений для расчета окружной и радиальной составляющих компонент скорости движения среды в пространстве между рабочими органами;

— выражения для расчета мощности, потребляемой трубошнеком роторно-пульсационной установки с учетом режима ее работы;

— уравнений, определяющих значения коэффициентов потребляемой мощности для заданных конструктивных и технологических параметров роторно-пульсационной установки;

— зависимостей для определения давления, создаваемого рабочими органами роторно-пульсационной установки;

— уравнений регрессии, позволяющих определить рациональные режимы процесса получения пенобетонной смеси в установке предложенной конструкции.

Практическая ценность работы заключатся в создании на основании теоретических разработок и экспериментальных исследованиях принципиально новой конструкции роторно-пульсационной установки для производства пенобетона, новизна конструктивного решения которой защищена патентом РФ на полезную модель.

Предложенные теоретические модели, конструктивные решения и рекомендации по рациональным рабочим режимам могут быть использованы при расчете и проектировании промышленных роторно-пульсационных установок для производства пенобетона и изделий на его основе.

Автор защищает.

1. Принципиальную схему нового конструктивного решения роторно-пульсационной установки для производства пенобетона, обеспечивающую совмещение в одном аппарате процессов смешивания, аэрации и перекачки пенобетонной смеси, защищенную патентом РФ на полезную модель.

2. Аналитические выражения для расчета окружной и радиальной составляющей компонент скорости движения среды в пространстве между рабочими органами установки.

3. Уравнения для расчета мощности потребляемой трубошнеком роторно-пульсационной установки с учетом режима ее работы.

4. Зависимости для определения давления, создаваемого рабочими органами роторно-пульсационной установки.

5. Уравнения для определения значений коэффициентов потребляемой мощности, для заданных конструктивных и технологических параметров роторно-пульсационной установки.

6. Регрессионные модели, определяющие влияние основных факторов, обуславливающих протекание процесса получения пенобетонной смеси на прочность, плотность и теплопроводность изделий.

7. Теоретически обоснованное конструктивное решение роторно-пульсационной установки, позволяющее повысить эффективность процесса получения пенобетона.

Реализация работы.

Теоретические и экспериментальные результаты работы апробированы и внедрены в ООО «Стройпенобетон» (г. Белгород) в технологическом процессе приготовления пенобетонных блоков, в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механического оборудования предприятий промышленности строительных материалов» БГТУ им. В. Г. Шухова.

Результаты диссертационной работы рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций» в апреле 2009 года.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и практические результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных научно-технических конференциях: «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" — «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», «Образование, наука, производство» (БГТУ им. В. Г. Шухова, Белгород, 2005, 2007, 2008 г.) — «Новые материалы и технологии в машиностроении» (БГИТА, Брянск, 2006 г.) — «Вузовская наука — региону» (ВГТУ, Вологда, 2007 г.), «Задачи архитектурно-строительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий» (Орел ГАУ, Орел, 2009 г.).

Публикации.

По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 в центральных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель РФ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из: введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 120 наименованийработа изложена на 168 страницах, содержит 59 рисунков, 5 таблиц, 7 приложений на 24 страницах.

1. АНАЛИЗ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА.

ПЕНОБЕТОНА.

1.1 Способы получения иенобетонных изделий.

В связи с вводом в действие новых жестких требований по теплозащите зданий и сооружений, а также резкого роста цен на традиционно применяемые строительные материалы в последние несколько лет в России и ближнем зарубежье произошел всплеск оправданного интереса к производству новых видов стеновых и одновременно, теплоизолирующих материалов. В ряду этих материалов одним из наиболее перспективных являются ячеистые бетоны, причем приоритетным направлением для разного рода предприятий стало производство неавтоклавного ячеистого цементного бетона — пенобетона [83].

Технология получения пенобетона была разработана в Германии и пользуется успехом во всей Европе и России. Существуют разные технологические способы для изготовления пенобетонных смесей [84]. Способ приготовления формовочных пенобетонных масс зависит от принятой технологии и вида применяемого пенообразователя. Приготовление пенобетонной смеси, независимо от метода вспенивания, основано на получении гетерогенной системы газ — жидкость — твердое и может быть: классической, сухой минерализации, пенобаротехнологии. Их схемы приведены на рисунке 1.1.

Наиболее характерная классическая и часто используемая в производственных условиях технологическая схема для производства мелкоштучных изделий строительного и теплоизоляционного назначения на основе пенобетона представлена на рисунке 1.1 а).

Согласно первому способу специально приготовленную технологическую пену смешивают с цементным тестом или цементно-песчаным раствором, а затем при интенсивном перемешивании массы получают ячеистобетонную смесь, в которой последующее схватывание и твердение вяжущего фиксирует структуру материала Концентрат пенообразователя и часть воды дозируют по объему, затем их смешивают с получением рабочего раствора пенообразователя. Рабочий раствор пенообразователя поступает в пеногенератор для получения пены. Вторую часть воды дозируют по объему, цемент и песок — по массе и из них изготавливают растворную смесь. В пенобетоносмеситель подается пена из пеногенератора и растворная смесь. Пенобетонная смесь, приготовленная в пенобетоносмесителе, насосом транспортируется к месту укладки в форму или монолитные конструкции. Данный способ получил название классический. а) Концентрат генообразо- ^ ^ -Цемент Песок вател я 1 [ Вода Вода i • v 1 ^ 4 J.

Р абочий раствор пенообразователя.

Растворная смесь.

Пеногене|шор I.

Компрессор

Пенобегономеситель 3.

Насос.

1 т.

МОНОЛИТНЫЙ ФО|)МЫ пенооетон б).

Концентрат пенообразователя.

Цемент.

Вода.

3Z.

Рабочий растгар пенообразователя.

Пеногенератор

Пенобетономеснтель.

Компрессор

I1.1COC.

Монолнттым пенобетон.

Формы.

В).

Песок.

Концентрат пенообразователя.

Цемент.

Вода.

Песок.

Пенооарооетономесмтель.

Компрессор

Монолитный пенобетон.

Формы.

Рисунок 1.1 Схемы способов приготовления пенобетонных смесей а) классическаяб) сухая минерализацияв) пенобаротехнология.

При производстве неавтоклавного конструкционный (в соответствии с ГОСТ 25 485–91) пенобетона для крупных стеновых блоков с большой высотой (до 300−400 мм) в состав пенобетона, кроме цемента, молотого заполнителя, пенообразователя и воды, вводится ускоритель схватывания, и твердения пенобетонной смеси — технический сернокислый глинозем.

Объемная масса такого неавтоклавного пенобетона в высушенном состоянии.

1 л равен 900−1000 кг/м, на 1 м расходуется 350 кг цемента.

Автоклавный пенобетон обладает более ценными физико-механическими свойствами, чем неавтоклавный и может применяться в строительстве для изготовления несущих элементов зданий, вплоть до стеновых крупноразмерных изделий «на комнату». В основу технологии конструкционного пенобетона положено два процесса: введение в его состав тонкомолотого кварцевого песка и автоклавная обработка изделий при давлении пара не менее 0,8 МПа.

Благодаря этому по сравнению с неавтоклавным пенобетоном резко снижается расход цемента (в 1,5−2 раза), ускоряются физико-химические процессы при твердении цементно-песчаного камня и создаются лучшие условия для образования кристаллического гидросиликата кальция. В результате химических реакций, протекающих при автоклавной обработке, прочность пенобетона на портландцементе и тонкомолотом песке в возрасте 2 суток в 3−5 раз больше прочности неавтоклавного пенобетона того же состава, но твердевшего 28 суток в естественно-влажных условиях.

Во втором варианте по технологии «сухой минерализации» пены, представленном на рисунке 1.1 б, приготовление смеси производят путем совмещения сухих компонентов с низкократной пеной, непрерывно подаваемой пеногенераторном. При этом по мнению А. П. Меркина [84], происходит бронирование единичного воздушного пузырька частицами твердой фазы и отсасывание воды из пены. Так образуется высокоустойчивая пенобетонная масса с малым количеством свободной воды. На поверхности пенных пузырьков сорбируются (втягиваются в пленку ПАВ) мелкие и гидрофильные частицы твердой фазы. Высокая насыщенность ПАВ поверхности раздела «воздушная пора — дисперсионная среда» предопределяет формирование гладкой глянцевой поверхности стенок пор. Формируется плотный припоровый слой толщиной 12−30 мкм — слой, называемый зоной подкрепления. В условиях эксплутационных нагрузок на пенобетон объем единичной поры работает как арка и плотный припоровый слой пенобетона «сухой минерализации» может рассматриваться как армированный нижний пояс конструкции.

В следующем варианте (рисунок 1.1 в,) автор И. Б. Удачкин, предусмотрен этап перемешивания полуфабриката под избыточным давлением, так называемая баротехнология. Сущность способа заключается в поризации под избыточным давлением смеси всех сырьевых компонентов. Концентрат пенообразователя и воду дозируют по объему, цемент и песокпо массе (или дозируется по массе специально изготовленная сухая смесь из сухого пенообразователя, цемента и песка). Все компоненты подают в пенобаробетоносмеситель, куда компрессором нагнетается воздух, создавая внутри давление. Пенобетонная смесь, полученная в пенобаробетоносмесителе, под давлением транспортируется из смесителя к месту укладки в формы или монолитную конструкцию, где в результате перепада давлений происходит вспучивание. По этому способу в смесь вводят воздухововлекающие добавки ПАВ и применяют специальный герметичный смеситель.

На рисунке 1.2 представлена схема технологической линии для производства пропаренных поризованных блоков из пенобетона. Пенобетонный раствор приготовляется в специальных машинах пенобетономешалках, куда поступают отдозированные материалы. Пенобетономешалка состоит из трех основных частей: пеновзбивателя, растворного барабана и смесителя, оснащенных вращающимися лопастями. В пеновзбивателе приготовляется пена, в растворном барабане — раствор, а в смесителе смешиваются пена и раствор, образуя ячеистую смесь пенобетона. Иногда растворный барабан и смеситель совмещают в одном барабане, что менее рационально.

Для приготовления пены в пеновзбиватель загружается необходимое количество воды и пенообразователя. Процесс приготовления пены обычно продолжается 3−5 мин. Лопасти пеновзбивателя во время вращения вовлекают воздух в водный раствор пенообразователя, чем создаются благоприятные условия для быстрого образования пены. Для приготовления строительного раствора в растворный барабан загружают цемент, молотый песок и воду в строго отдозированных количествах, установленных при подборе состава ячеистого бетона, и перемешивают их в течение 2−3 мин.

Рисунок 1.2 Линия по изготовлению пенобетона для производства пропаренных поризованных блоков 1 — растворобетоносмеситель- 2,4 — дозаторы- 3 — пенобетоносмеситель;

5 — емкость для пенообразующего раствора- 6 — датчик времени;

7 — пеногенератор- 8 — компрессор- 9 — насос- 10 — пульт управления.

Приготовленные строительный раствор и пену вливают в смеситель (сначала раствор, затем пену) для перемешивания до получения однородной по цвету и составу пенобетонной смеси.

Недостаточная продолжительность перемешивания не обеспечивает получения равномерной структуры пенобетона, а слишком длительное перемешивание приводит к разрыву ячеек смеси, увеличению объемного веса пенобетона а, следовательно, уменьшению его выхода на один замес. Готовая ячеистая смесь выливается из смесительного барабана пенобетономешалки в бункер и затем разливается по формам либо непосредственно из бункера, либо при помощи конвейеров и т. п.

Пенобетон с малым водопотребным отношением в соответствии с общими законами гидратации и твердения гидравлических вяжущих характеризуется ускоренным схватыванием и твердением, а также повышенной прочностью. Последнее, в какой-то мере компенсирует недобор пенобетоном прочности при отказе от автоклавной обработки.

При серийном выпуске мелкоразмерных необъемных пенобетонных изделий (стеновых блоков), применяют специализированные линии. Преимущество технологии — возможность использования в заводских условиях — конвейерный и кассетный способы получения изделий, также непосредственно в монолитном домостроении. Наиболее перспективным способом формирования изделий в заводских условиях является конвейерный, существенно снижающий энергои трудозатраты при эксплуатации и обслуживании установок.

Кроме представленных способов следует различать оборудование стационарное и мобильное.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Рассмотрены основные направления развития и совершенствования техники и технологии для производства пенобетонных смесей. Установлено, что в свете современных технологий для производства пенобетонных смесей перспективны мобильные установки, которые наиболее целесообразно применять при относительно малых масштабах строительства, особенно в индивидуальном строительстве. Предложено создать мобильную установку совмещающую при производстве пенобетона в одном аппарате операции смешения, аэрации и перекачивания с высокой эффективностью за счет использования явления кавитации.

2. На уровне изобретения разработана и запатентована новая конструкция роторно-пульсационной установки для производства пенобетона.

3. Аналитическим путем получены: выражения для расчета окружной и радиальной составляющей компонент скорости движения среды в пространстве между рабочими органамизависимости, позволяющие произвести расчет мощности потребляемой трубошнеком роторно-пульсационной установки с учетом режима ее работысоотношения, определяющие значения коэффициентов потребляемой мощности, для заданных конструктивных и технологических параметров роторно-пульсационной установкиуравнения для определения давления, создаваемого рабочими органами роторно-пульсационной установки.

4. В опытно-промышленных условиях проведена экспериментальная проверка разработанных теоретических моделей.

5. Выявлены закономерности влияния исследуемых параметров: частоты вращения ступенчатого вала п, давления нагнетаемого воздуха р, водоцементного соотношения В/Ц, и концентрации пенообразователя с на плотность пенобетонного блока р, прочность готовых пенобетонных блоков R и теплопроводность 1. Установлена общая область расположения оптимумов по выходным параметрам, что подтверждается адекватностью квадратичных моделей.

6. На основании полученных уравнений регрессии осуществлена оптимизация конструкции и технологических режимов работы роторно-пульсационной установки при условиях, когда выполняется требование р—Mnin, R—"max, Л—"min. Установлено, что для любого набора входных параметров частоты вращения ступенчатого вала п, давления нагнетаемого воздуха р, водоцементного соотношения В/Ц, и концентрации пенообразователя с существует предпочтительное их сочетание, когда плотность и теплопроводность стремятся к минимуму при максимальной прочности. Это достигается при следующих значениях факторов: частота вращения ступенчатого вала п = 1200 мин" 1- давление нагнетаемого воздуха р = 0,32 МПаводоцементное соотношение В/Ц = 0,5- концентрация пенообразователя с = 1,87л/м .

7. Осуществлено промышленное внедрение роторно-пульсационной установки в ООО «Стройпенобетон», показавшее высокую эффективность использования данной установки в производстве пенобетонной смеси, используемой для получения пенобетонных блоков различных типоразмеров. В аккредитованном сертификационном испытательном центре «БГТУ — сертис» подтверждено соответствие качественных показателей, пенобетонных блоков получаемых роторно-пульсационной установкой согласно требованиям предъявляемым ГОСТ 24 485– — 89.

8. Проведенные технико—экономические расчеты показали техническую и экономическую целесообразность внедрения новой роторно-пульсационной установки для производства пенобетонной смеси в ООО «Стройпенобетон». Годовой экономический эффект составил 137 267,19 руб.