WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Разработки последних десятилетий в области индустриального производства изделий строительной керамики позволяют существенно расширить представления о связи физико-химических процессов, сопровождающих термообработку глинистого сырья при различных режимах обжига, с формированием свойств готового продукта. Промышленность строительных материалов располагает сегодня значительной базой индустриального производства керамических изделий, выпускаемых в виде гранул или щебня на основе глинистых или песчано-глинистых пород.

Однако действующие производства пористых керамических материалов предусматривают применение крупногабаритного, металлоёмкого оборудования. Это предопределяет размещение заводов и цехов в районах сосредоточенного строительства, отличающихся наличием значительного количества потребителей. Кроме того, основное технологическое звено производства искусственных каменных материалов - промышленные печи, отличается исключительно большими потенциальными возможностями для экономии топлива и охраны окружающей среды.

Среди концепций, предусматривающих обеспечение эффективности и устранение приведённых недостатков в технологии производства зернистых керамических материалов, по мнению профессоров В.Н. Ефименко, Г.А. Задворнева, В.П. Никитина, В.В. Сиротюка, к.т.н. А.П. Юрданова, и др. специалистов может превалировать создание теплотехнических систем, формируемых на новой энергетической основе и предполагающих использование эффективных источников энергии или их сочетание. В настоящее время во многих отраслях промышленности внимание исследователей привлекает перспектива применения в качестве источников тепловой энергии электроплазменных устройств.

К преимуществам плазменного нагрева материалов можно отнести возможности достижения высоких температур газовой среды и использования любой газовой атмосферы; высокий термический коэффициент полезного действия источников плазмы; небольшой объём отходящих газов; малые габариты электроплазменного реактора. Применение генераторов низкотемпературной плазмы в технологии приготовления зернистых керамических материалов может способствовать миниатюризации производства, обеспечения его мобильности, расширения диапазона используемых в качестве сырья глинистых грунтов, включая местные, по минералогическому и химическому составам не удовлетворяющие требованиям существующих производств, что в целом соответствует специфике организации дорожно-строительных работ.

Вопросам интенсификации процессов получения керамических материалов за счет высоких температур и скорости обжига глинистого сырья были посвящены работы Г. И. Книгиной, Г. В. Куколева, О.И. Мчедлов-Петросяна, С.П. Онацкого, В.Ф. Павлова. Н.П. Торопова, А.П. Юрданова и др. Результаты их исследований показывают, что потребительские свойства продукта обжига в значительной мере зависят от технологических факторов, например, температуры и длительности тепловой обработки сырья.

В этих условиях определенный интерес представляют исследования, направленные на выявление режимных параметров плазменной обработки сырья определённого состава, обеспечивающих получение искусственного материала, пригодного по своим свойствам для применения в строительстве.

Представленный в главе анализ позволяет предположить, что проблему материалообеспечения строительства, например, в районах Западной Сибири, можно в определённой мере решить за счёт получения искусственного материала тепловой обработкой гранулированного глинистого сырья в электродуговых устройствах, что нашло отражение в сформулированных автором цели и задачах исследований.

Во второй главе изучены закономерности распределения температурных полей по радиусу гранулы глинистого сырья, находящегося в высокотемпературной среде рабочего газа, и определены технологические параметры обработки.

На первом этапе исследований установлена математическая формулировка рассматриваемой задачи класса "частица в горячем газе", которая включает в себя одномерное уравнение теплопроводности, записанное в сферической системе координат. Сферическая частица, имеющая в начальный момент времени = 0, радиус R, температуру Т, и нулевую скорость, помещается в точку х=0 высокотемпературного, неоднородного по скорости и температуре (в направлении оси х) потока газа, где начинает двигаться и нагреваться. Нагрев частицы осуществляется сферически симметрично.

(1)

0;0 r R

начальные условия

(2)

и граничные условия

(3)

(4)

дополнительные зависимости:

;

Теплопроводность глинистого грунта при различных температурах (20…1200 0С) получена экспериментально и имеет вид:

Численное интегрирование краевой задачи (1)-(4) реализовано с помощью стандартной процедуры "прогонки" по схеме, полученной на основе итерационно-интерполяционного метода.

Опыт практического применения рассмотренного численного метода при моделировании поведения дисперсной компоненты в высокотемпературных потоках газа свидетельствует о достаточной его эффективности. Это даёт основание принять его за основу при оптимизации исходных режимных параметров термоукрепления гранулированных глинистых грунтов в потоках низкотемпературной плазмы.

На втором этапе исследований проведен расчет процесса термоупрочнения частиц связного грунта, при котором исходили из условия противоточной конструкции реактора. Высокотемпературную струю газа генерирует электродуговой подогреватель мощностью 100 кВт, конструкции Института теплофизики СО РАН. К расчёту приняты следующие характеристики ЭДП: рабочий газ–воздух; расход воздуха 5...7 м3, ток дуги 300...500 А; среднемассовая температура воздуха на выходе из плазмотрона – 2000...5000 0С; диаметр сопла 22 мм. В расчётах рассмотрена возможность высокотемпературной обработки частиц грунта размерами 5; 10; I5; 20 мм. Параметры потока рабочего газа-воздуха, на которых базировались вычисления, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры потока газа на выходе из плазматрона

Параметры

Температура воздуха на срезе сопла ЭДП, Тк, 0С

2000

3000

4000

5000

Энтальпия, дж/кг

2,279

4,069

7,667

10,246

Плотность, кг/м3

0,177

0.115

0,077

0,058

Среднемассовая скорость газа на срезе сопла ЭДП, м/с

100,0

152.6

228,7

501,6

Электрическая мощность ЭДП, кВт

15

27

51

69

В качестве критерия окончания теплового воздействия на укрепляемый грунт в расчётах принят нагрев центральной точки сферы до температуры 900 0С. Указанный температурный режим тепловой обработки обеспечивает необратимые изменения состава и свойств глинистых грунтов и способствует приобретению ими требуемых потребительских качеств.

Результаты численного моделирования показывают, что оптимальный размер частиц связного грунта, предназначенных для плазменного укрепления, составляет 5…15 мм (рис. 1). Перспективной конструкцией установки для укрепления грунта можно считать противоточный колонный реактор замкнутого типа, обеспечивающий равномерное распределение температуры рабочего газа (Т> 3000 0С) в основной технологической зоне реактора. Для обеспечения требуемых потребительских свойств укрепляемого грунта, время его пребывания в электроплазменной установке, с учётом размера частиц, может составлять от 2 до 10 с.

Теоретическое моделирование процесса теплообмена в системе "газовая среда – частица грунта" позволило получить данные, необходимые для

Рис. 1. Продолжительность тепловой обработки частиц связного грунта в зависимости от их размера и температуры рабочего газа

составления технического задания на проектирование установки, конструкторских проработок и прогнозирования экономических показателей разрабатываемой высокотемпературной технологии термоукрепления глинистых грунтов.

В третьей главе обсуждаются результаты экспериментального исследования формирования структуры и свойств керамического материала в процессе термообработки, характеристики прочности и деформируемости материала, определяющие возможность его применения строительстве, а также проверки соответствия теоретических основ процесса теплопереноса в глинистом сырье с полученным эффектом тепловой обработки.

Изучение характеристик глинистого сырья включало определение химико-минералогического состава, выявление его макро и микроструктурных особенностей, водно-физических и физико-механических свойств материала на разных стадиях тепловой обработки. Физическое моделирование процесса высокотемпературной обработки грунтов осуществлялось с применением лабораторных стендов, изготовленных на базе серийно выпускаемого плазматрона ПРВ 402-58, а также электропечи "СУОЛ", обеспечивающей нагрев материалов до 1250 0С, с шагом в 25 0С.

На основе данных химического, рентгеноструктурного, дифференциально-термического анализов и электронной просвечивающей микроскопии установлено, что воздействие потоков низкотемпературной плазмы на гранулы глинистого грунта обеспечивает протекание глубоких фазовых превращений в их полном объеме. Гранулы глинистого грунта, обработанные низкотемпературной плазмой (керамит), отличаются зональным строением: бесструктурная аморфная оболочка плавно переходит в зону с хорошо выраженной неоднородной кристаллической структурой, которая по мере удаления от поверхности гранулы становится более однородной с выделением анизотропных кристаллов. Фазовый анализ микроэлектронограмм (рис. 2), полученных с кристаллов минералов, показал, что для переходной области характерно образование высокотемпературных разновидностей кремнезема, а также конечного члена изоморфного ряда плагиоклаза – высокотемпературного анортита и волластонита. Анортитовая составляющая этого ряда существует только в упорядоченном состоянии,

а) в)

Рис. 2. Микроэлектрограммы с кристаллов минералов, составляющих плазменноукрепленный связный грунт:

а – высокотемпературная модификация SiO2 c ГПУ решеткой; б – высокотемпературный анортит с ОЦК решеткой.

ее выделения вытянуты в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях и при обычной тепловой обработке характеризуется крайне медленным ростом кристаллов. Эффект стремительного превращения кварца и плагиоклаза при высокотемпературном термоукреплении глинистого сырья можно объяснить только радиационно-стимулированной диффузией атомов Al и Si. Это, в свою очередь, приводит к образованию различного вида дефектов кристаллических решеток – внедренных атомов, дислокаций, пор. Высокая плотность дефектов в кристаллических решетках минералов способствует повышению физико-механических свойств грунта после высокотемпературной обработки, что подтверждено результатами экспериментов.

На уровне оптической микроскопии микроструктура основной массы керамического материала объединена в замкнутые области размером 2...3 мкм, которые входят в зерна, средний размер которых составляет 20...25 мкм. Зерна, в свою очередь, объединены в более крупные составляющие – агрегаты, размером до 100 мкм (рис. 3). Насыщенное содержание границ структурных составляющих внутри гранул создает благоприятные условия для сегрегации на них дефектов кристаллического строения и формирования новых фаз, оказывающих эффект их закрепления, что в конечном итоге служит дополнительным источником повышения прочностных свойств материала.

Рис. 3. Структурные составляющие плазменноукрепленного грунта: 1 - тонкая структура; 2 - зерно; 3 – агрегат

Исследование микроструктуры изотермически отожженных гранул грунта в интервале температур 400…900 0С показало, что иерархия структур "агрегат-зерно-микрозерно", которая закладывается на первых этапах обжига и стабилизируется при более высоких температурах, идентична наблюдаемой в продукте высокотемпературной обработки гранул сырья в области кристаллизации.

Результаты петрографического исследования зон гранулы керамического материала, выделенных по степени тепловой обработки, показывают, что область, подстилающая аморфную оболочку, содержит минералы, формирование которых происходит при температуре выше 1300 °С. Внутренний объем гранулы включает минералы, температура формирования которых более 900°С. В составе минералов керамического материала выявлены модификации SiO2 и плагиоклаза. Смежные зоны гранулы не имеют четких границ, между ними наблюдаются плавные переходы, что благоприятно сказывается на формировании прочностных свойств конечного продукта.

При определении прочностных характеристик керамического материала предварительно осуществляли его стандартное уплотнение в приборе Союздорнии, с последующим разделением по фракциям. Основная доля уплотненной навески грунта после высокотемпературной обработки включает фракции 10,0…7,5 мм (41,5%) и 7,5… 3,0 мм (43%). Материал характеризуется как однородный по составу (Кп=1,25) гравелистый грунт (содержание частиц диаметром >2мм >50%).

Исследуемый материал керамит, по содержанию в его уплотненном объеме частиц различных размеров и веса, можно классифицировать как песок крупный или гравелистый. Экспериментально установленные значения величины угла внутреннего трения для частиц керамического материала размером менее 0,14 мм, сопоставимы с аналогичным показателем для природного песка, значения которых нормированы в СНиП. Приведенные в таблице 2 параметры, характеризующие свойства прочности и деформируемости керамита, свидетельствуют о достаточно высоких их значениях и возможности его применения в строительстве.

Результаты исследования водопроницаемости, выделенных при стандартном уплотнении фракций керамического материала, приведены в таблице 3 и указывают на его высокую дренирующую способность.

Таблица 2

Свойства прочности и деформируемости искусственных

и природных каменных материалов

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»