Тема лекции 1. Введение. Назначение тепловой обработки в технологии строительных материалов. Понятие о тепловых установках

Конспект лекционных занятий Процессы и аппараты2

При производстве строительных изделий, деталей и материалов почти во всех случаях для перевода сырья в новое качество готовую продукцию — применяют тепловую обработку. В большинстве случаев тепловая обработка дает возможность придать сырью новые, ка­чественно отличные свойства, необходимые в строитель­стве. Такой процесс происходит за счет физических и фи­зико-химических превращений в обрабатываемом материале, течение которых зависит от воздействия тепла.

Для теплового воздействия материал помещают в ус­тановку, которую в общем случае называют тепловой установкой. Различные физические и физико-химические превращения в материале требуют различного теплового воздействия. Поэтому в каждой тепловой установке соз­дают свой необходимый для обработки продукции теп­ловой режим. Под тепловым режимом понимают сово­купность условий теплового и массообменного воздействия на материал, как-то: изменение температуры среды, скорость течения газов или жидкости, омывающих мате­риал, концентрацию газов, их давление. Следовательно, тепловые режимы представляют собой совокупность теп­ловых, массообменных и гидродинамических процессов, происходящих в тепловой установке.

Тепловой режим установки будет воздействовать на сырье и за счет физических и физико-химических превра­щений в нем оно превратится в готовую продукцию. Оче­видно, изучая данную дисциплину, необходимо выяснить, как различные тепловые режимы воздействуют на раз­ные материалы, какие процессы происходят в материа­лах при тепловой обработке, а также научиться опреде­лять наиболее эффективные режимы.

Классификация способов тепловой обработки. Круг строительных изделий, применяемых при возве­дении зданий и сооружений, чрезвычайно широк и разно­образен. Промышленность строительных материалов выпускает большое количество бетонных и железобетон­ных, керамических, теплоизоляционных и других изде­лий. В технологии строительных изделий и деталей встре­чается целый ряд различных методов — приемов тепло­вой обработки. Применение различных методов тепловой обработки обусловлено различием как свойств перера­батываемых материалов, так и химических превращений, происходящих при переработке сырья в готовые изде­лия. Поэтому, прежде чем изучать отдельные виды теп­ловой обработки, необходимо их представить, классифи­цировать. Для классификации проанализируем тепловую обработку влажного материала. При его соприкоснове­нии с нагретым воздухом с поверхности материала начи­нает испаряться жидкость, которая путем диффузии пе­реходит в окружающую среду.

Скорость диффузии пара с поверхности материала определяется разностью химических потенциалов влаж­ного воздуха у поверхности материала µ_П и в окружаю­щей среде µ_С. Величину потока пара — влаги с поверхно­сти в этом случае определяют из уравнения

, (1.1)

где α_µ— коэффициент влагоотдачи, отнесенный к разности химиче­ских потенциалов.

В начальный период сушки влажность материала больше гигроскопической. К поверхности материала, с которой происходит испарение, интенсивно поступает влага из внутренних слоев. Пар у поверхности материа­ла в таких условиях будет насыщенным, и поэтому ско­рость испарения влаги в начале взаимодействия мате­риала с нагретым воздухом может быть принята равной скорости ее испарения со свободной поверхности жидко­сти.

С поверхно­сти материала удаляется влага и материал за счет умень­шения влагосодержания сушится. Три этих случая нагре­ва и положены в основу классификации методов низко­температурной тепловой обработки материала. Естест­венно, что любая тепловая обработка материала прово­дится в специальных установках, которые будут рассмот­рены ниже.

Цель тепловой обработки сообщить будущему изде­лию качественно новые свойства в результате физичес­ких и физико-химических превращений, которые проис­ходят при различных температурах и в различных усло­виях. Например, в бетонах на портландских и других цементах ускоренное твердение новообразований происхо­дит при температурах, близких к 100 °С, и обязательно с сохранением влаги, необходимой для гидратации це мента. В силикатных бетонах химическое взаимодейст вие кремнезема с известью начинает идти с заметной скоростью только при 170—200 °С и тоже только при до­статочном количестве влаги. Следовательно, бетонь нуждаются в низкотемпературной до 100—200°С тепло­вой обработке при обязательном сохранении влаги.

Все же другие силикатные материалы и изделия, по­лучаемые из глин, диатомитов, трепелов, мергелей, из­вестняка и другого сырья, требуют на первоначальной стадии обязательного удаления влаги — сушки с после­дующей обработкой при более высоких температурах. Существует и третья группа материалов, для которой удаление влаги — сушка — последняя, заключительная стадия. К таким материалам можно-отнести шлак, гип­совую сухую штукатурку, минераловатные плиты, гипсо­вые блоки и ряд других.

Сушка может быть как конечным процессом в производстве строительных материалов и изделий, так и промежуточным, сопровож­дающимся последующей высокотемпературной обработ­кой: обжигом, вспучиванием, спеканием и плавлением.

Тепловлажностная обработка. Тепловлажност­ной называют такую тепловую обработку, когда нагре­вают материал, в котором сохраняется влага. Такую об­работку применяют для ускорения твердения бетона и железобетона. В этом случае теплоноситель контактиру­ет с поверхностью материала, обменивается с ним теп­лотой и массой. Этот процесс называют внешним тепло-и массообменом. Затем между поверхностью материала, получающей тепловую энергию и массу от теплоносите­ля, и внутренними слоями материала начинается внут­ренний (по отношению к материалу) тепло- и массообмен. Процесс тепловлажностной обработки является ко­нечным для производства сборного бетона и железобе­тона.

Сушка. Сушкой называют процесс удаления влаги из материала при температуре ниже ее кипения. При этом удаляется только физически и физико-хими­чески связанная влага при низких температурах нагрева, поэтому химических превращений при сушке не проис­ходит. Сушка заключается в обмене теплотой и массой между теплоносителем и материалом. Удаление влаги ве­дет к сближению частиц материала и формированию его структуры.

Обжиг. Обжигу в производстве строительных изделий подвергают керамические и ряд теплоизоляци­онных материалов. Обжигом называют тепловую обра­ботку материалов с целью создания заданных необходимых в строительстве свойств за счет фазовых и физико-
химических превращений, проходящих в материале только
при высоких температурах. Проводят обжиг в тепло­вых установках (печах) путем нагрева изделий тепло­носителем. Следовательно, между изделиями и теплоно­сителем происходят процессы тепло- и массообмена. При обжиге за счет удаления влаги и сближения в результате
этого частиц материала, вследствие фазовых и химичес­ких превращений, частичного получения жидкой фазы возникают структурообразующие процессы.

Вспучивание. Этот вид обработки применяют для получения высокопористой структуры различных материалов с преобладанием закрытых пор. Вспучива­нием называют увеличение объема сформованного изде­лия или частицы материала, происходящее за счет внут­реннего газовыделения при высокотемпературной теп­ловой обработке. Для вспучивания керамзита и подоб­ных ему материалов необходим быстрый нагрев высоко­температурным теплоносителем. Следовательно, вспучи­вание должно сопровождаться процессами тепло- и массообмена. Например, при высокой температуре в глине, из которой получают керамзит, происходят фазо­вые и физико-химические превращения. Изменяется пористость, следовательно, проходят структурообразующие процессы.

Спекание. Применяется для получения пористой структуры материалов с преобладающими открытыми порами. Спеканием называют соединение в конгломерат сыпучего материала посредством сжигания содержаще­гося внутри него топлива при интенсивном просасывании воздуха. В процессе спекания между просасываемым воздухом и материалом происходит тепло- и массообмен.В материале при высокой температуре разогрева идут фазовые и физико-химические превращения, наблюда­ется структурообразование.

Плавление. При производстве теплоизоляцион­ных материалов широко используют такое сырье, как шлаковую и минеральную вату. Тонкие волокна шлако­вой и минеральной ваты получают различными метода­ми из расплавленного шлакового или минерального сырья. Плавлением называют перевод минерального сырья из твердого в жидко-текучее состояние в результате тепло­вого воздействия. Плавление в процессе разогрева со­провождается тепло- и массообменными процессами и фазовыми превращениями.

Таким образом, в технологии строительных материа­лов и изделий применяют: тепловлажностную обработку, сушку, обжиг, вспучивание, спекание и плавление. При­веденная классификация для наглядности дана в таблице.