Автоклавная обработка

Под режимом автоклавной обработки подразумевается длительность отдельных периодов (стадий) и их тепловые характеристики. Разбивка на периоды может быть различной в зависимости от того, какие процессы, протекающие в твердеющем ячеистом бетоне, берутся во внимание.

Наиболее правильной представляется предложенная К.Э. Горяйновым разбивка цикла автоклавной обработки на 4 периода:

1. Нагрев изделий до 100°С с продувкой при давлении пара немногим более атмосферного;
2. Нагрев до максимальной температуры, достижимой в автоклаве;
3. Изотермический нагрев;
4. Снижение давления.

Длительность первого и второго периодов рассчитывается исходя из необходимости максимальной скорости подъема температур при допустимых внутренних напряжениях, возникающих при температурных перепадах в изделиях. Их экономических соображений длительность периодов должна быть минимальной. Этого можно добиться, ускорив движение тепловой волны от поверхности к центральным зонам изделий. Такое ускорение возможно при переходе от молекулярно теплопереноса к молярному тепломассопереносу (инфильтрации пара в центральные зоны изделий).

Исследования показали, что молярный тепломассоперенос интенсивно протекает при температурах в центре изделий выше 65–70°С. Такие температуры возможны в изделиях, поступающих на автоклавную обработку после формования по резательной или кассетной технологиям. Длительность первого и второго периодов в этом случае может составлять не более 1–1,5 часа. При температурах в центральных зонах изделий перед загрузкой в автоклав менее 65–70°С рекомендуется быстрый нагрев с повышением давления в автоклаве.

Период изотермического прогрева рассчитывается исходя из условия приобретения бетоном заданной прочности или полного связывания извести в гидросиликаты кальция. Длительность его зависит от: температуры пара в автоклаве (давления пара), вида тепломассопереноса, толщины и объемной массы изделий, температуры в центральных зонах изделий в момент достижения в автоклаве максимального давления. Продолжительность периода колеблется от 3 до 5 часов при давлении 1,3 МПа, молярном тепломассопереносе и применении кварцевого песка, 10–14 часов – при давлении 0,9 МПа, молекулярном теплопереносе, большой толщине изделий, кварцево-полевошпатных песках.

Снижение давления в автоклаве сопровождается испарением влаги и выделением пара из изделий. Длительность периода рассчитывается исходя из условий превышения прочности бетона растягивающих напряжений, возникающих при перемещении выделяющего пара из внутренних изделий к поверхности. Продолжительность периода 1–2 часа.

После снижения давления целесообразно для снижения влажности изделий и ускорении их остывания производить вакуумирование рабочего пространства автоклава в течение 0,5–1 часа до остаточного давления 0,02–0,04 МПа. В НИИ предложили способ сушки и охлаждения изделий путем создания разряжения в автоклаве в результате конденсации выделяющегося из изделий пара и отсоса воздуха. Эффективность сушки определяется достигаемым остаточным давлением в автоклаве, составляющего при данном способе около 0,005 МПа.

 

3. Работа автоклавных отделений

 

В состав автоклавных отделений включают: площади, занимаемые путями с размещающимися на них автоклавными вагонетками или составами, подготовленными к автоклавной обработке и прошедшими обработку; электропередаточные мосты для загрузки или разгрузки любого из автоклавов; стенды для распалубки изделий (кантователи), вакуум-насосы, станции сбора и перекачки конденсата; пульты управления режимами автоклавной обработки.

На заводах применяются автоклавы проходные и тупиковые, с внутренним диаметром 2,0; 2,6 и 3,6 м, длиной 17–32,1 м. Выбор типа, размеров и количества автоклавов зависит от организации движения вагонеток в автоклавном отделении, размера изделий, способа их укладки на автоклавных вагонетках, производительности предприятия. Автоклавы выпускаются на рабочие давления 0,0 и 1,3 МПа. Тупиковые автоклавы могут устанавливаться вне здания, перпендикулярно его продольной оси. Это позволяет экономить строительные объемы зданий. Проходные – эффективны на заводах большой производительности, при поточной организации технологии. При современной номенклатуре изделий автоклавы диаметром 2 м имеют низкий коэффициент заполнения. Новые заводы проектируются с автоклавами диаметром 2,6 и 3,6 м, причем в последних достижениях высоких коэффициентов заполнения затрудняется вследствие усложнения загрузки автоклавных вагонеток изделиями. Коэффициенты заполнения автоклавов изменяются от 0,15–0,2 при запаривании изделий в формах, до 0,4–0,5 – без форм.

Устанавливаются автоклавы на опорах, одна из которых неподвижная, а все остальные – подвижные (на роликах). Современные автоклавы снабжены быстросъемными крышками с байонетными затворами, позволяющими открывать или закрывать крышку за 1–2 мин. Старые – имели крышки, укрепляемые болтами, расположенными по окружности крышки.

Удельный расход пара на автоклавную обработку зависит от длительности цикла запаривания, коэффициента заполнения автоклавов, обработки в формах или без них, перепуска пара в другие автоклавы и колеблется в пределах 220–250 кг/м3.

 

3. Послеавтоклавная обработка

 

Послеавтоклавная обработка изделий из ячеистых бетонов включает в настоящее время механическую обработку, укрупнительную сборку и отделку.

Механическая обработка может включать операции по фрезерованию лицевых поверхностей и боковых граней с целью придания им заданных размеров и требуемой формы, сверлению отверстий для тяжей, закладных деталей и гнезд, распиловке изделий на детали.

Фрезерование изделий имеет целью, кроме придания изделиям заданных размеров, снятие угловых фасок, получение выемок, патов и шпонок, необходимых для организации стыка двух соседних элементов, а также удаление рыхлого поверхностного слоя, образующегося иногда при разрезке массивов. Фрезерованием можно создавать декоративный рельеф на фасадных поверхностях стеновых панелей.

2. Расчетная часть

 

1. Технологический расчет

 

Прежде чем приступить к технологическому расчету, необходимо выбрать марку автоклава и определить его размеры, позволяющие размещать внутри установки вагонетки с массивами бетона. Нам необходимо выбрать такой диаметр автоклава, в котором массив бетона разрезался на размер наших изделий без остатка. Наиболее оптимальным является автоклав с диаметром 2,6 м. Принимаем автоклав марки СМ-1126А (проходной). Далее нам необходимо выбрать автоклавную вагонетку. Колея платформы-вагонетки для транспортирования массивов бетона должна соответствовать ширине колеи в автоклаве, т.е. для размещения массива бетона принимаем вагонетку марки СМ-547, имеющую ширину колеи 900 мм, что соответствует ширине колеи автоклава марки СМ-1126А.

Далее определяем количество вагонеток, которое может одновременно размещаться в автоклаве. Для этого длину автоклава, равную 19 м, следует разделить на длину вагонетки, равную 6,25 м, откуда количество вагонеток, загружаемых в автоклав, составит 3 шт. Количество изделий, которое возможно разместить на одной вагонетки, равняется 12. Полная загрузка автоклава – 36 изделий (12×3=36).

Массу поддона Gф вычисляем, исходя из условия, что длина поддона равна 6 м, ширина – 1,8 м, толщина листа металла 0,02 м, тогда

Gф = V × p + mр.ж

где V – объем поддона, м3;

p – плотность металла, из которого сделан поддон;

mр.ж – масса ребра жесткости (250 кг)

Gф = (6 ×1,8 × 0,02) × 7800 + 250 = 1984,8 кг.

Далее необходимо сделать расчеты:

• Рабочего объема автоклава:

Vраб = πR2L

где R – радиус внутреннего пространства автоклава, м;

L – длина автоклава, м.

Vраб = 3,14 × 1,32 × 19 = 101 м3

• Коэффициента загрузки автоклава:

kзаг = Vизд / Vраб

где Vизд – объем изделий, загружаемых в автоклав, равный 2,16 × 18 = 38,88 м3,

kзаг = 38,88 / 101 = 0,38

• Массы сухих составляющих в изделиях:

Gс = pсб × Vизд

где pсб – средняя плотность бетона, т/м3 (0,656 т/м3)

Gс = 0,656 × 38,88 = 25,505 т

В том числе массу цемента:

Gц = Ц × Vиздетон автоклавный цемент

где Ц – расход цемента на 1 м3 бетона (0,088)

Gц = 0,088 × 38,88 = 3,421 т

• Массу воды:

Gв = В/Т × Gс

где В/Т – водотвердое отношение (0,39)

Gв = 0,39 × 25,51 = 9,94 т

Режим запаривания изделий назначается, исходя из вида бетона, его средней плотности, толщины изготовляемого изделия и последующей разрезки массива бетона, если эта операция предусмотрена в технологическом процессе.

В рассматриваемом примере принят следующий вид запаривания:

• Нагрев до 100°С в течение 120 мин;
• Продувка при избыточном давлении 0,03 МПа в течение 30 мин;
• Подъем избыточного давления до 0,3 МПа в течение 15 мин;
• Подъем давления от 0,3 до 1,3 МПа в течение 15 мин;
• Выдержка при максимальном давлении 1,3 МПа в течение 420 мин;
• Снижение избыточного давления от 1,3 до 0,3 МПа в течение 39 мин;
• Снижение давления от 0,3 до 0,1 МПа в течение 39 мин;
• Вакуумирование в течение 90 мин;
• Загрузка и разгрузка автоклава – 30 мин.

Итого: 798 мин (13,3 ч)

Определение количества автоклавов, необходимых для выполнения производственной программы:

 

 

где – годовой объем выпуска изделий, м3 (18 000 м3);

 – рабочий объем  автоклава, м3;

 – годовой фонд  времени работы предприятия, сут. (259 сут.);

 – коэффициент выхода  готовых изделий (0,975)

 – коэффициент загрузки  автоклава изделиями;

 – коэффициент оборачиваемости  автоклава в сутки: = 24/τц, где τц – продолжительность тепловой обработки с учетом времени на загрузку и разгрузку автоклава, ч

= 24/13,3 = 1,804

 

 

2. Теплотехнический расчет

 

Для проведения теплотехнического расчета режим запаривания следует разделить на периоды:

• Период 1: нагрев до 100°С и продувка в течение 50 мин. Характеристики пара: энтальпия lп1 = 2676,3 кДж/кг, плотность pп1 = 0,5976 кг/м3;
• Период 2: подъем давления от 0,1 о 0,3 МПа и нагрев от 100 до 133,3°С в течение 40 мин. Характеристики пара: lп2 = 2724,7 кДж/кг, pп2 = 1,652 кг/м3;
• Период 3: подъем давления от 0,3 до 1,3 МПа и нагрев от 133,3 до 191,6°С в течение 90 мин. Характеристики пара: lп3 = 2787,4 кДж/кг, pп2 = 6,615 кг/м3;
• Период 4: выдержка при максимальном давлении 1,3 МПа и температуре 191,°С в течение 420 мин. Характеристики: lп4 = 2787,4 кДж/кг, pп2 = 6,615 кг/м3;
• Период 5: снижение избыточного давления от 1,3 МПа до 0,3 МПа и охлаждение от 191,6 до 133,3°С в течение 42 мин.;
• Период 6: снижение избыточного давления от 0,3 до 0,1 МПа и охлаждение от 133,3 до100°С в течение 36 мин.;
• Период 7: вакуумирование в течение 90 мин.

 

 

 

2.2.1 Определение тепловыделения цемента по периодам тепловой обработки

Для приготовления ячеистого бетона используется портландцемент М400. В/Т = 0,39. Тепловыделение определяется для 1 кг цемента.

• Период 1:

 

где Θ – количество градусочасов тепловой обработки,°С×ч;

M – марка цемента;

a = 0,32+0,002Θ, при ≤ 290°С×ч

a = 0,84+0,0002Θ, при > 290°С×ч

 

где - начальная температура ячеистого массы,°С

 

a = 0,32+0,002×53,95=0,43

 

 – общее  количество теплоты

 – масса  цемента, кг

 

• Период 2:

 

 

a = 0,32+0,002×69,99=0,46

 

 

 

• Период 3:

 

 

a = 0,32+0,002×243,68=0,81

 

 

 

• Период 4:

 

 

a = 0,84+0,0002×1341,2=1,11

 

Перед автоклавной обработкой формы с изделиями подвергаются выдержке при t=32°С (температура ячеистой массы) в течение 1,5 часов. Тогда тепловыделение цемента за это время составит:

 

 

a = 0,32+0,002×48=0,42

 

Т.о. при гидратации цемента выделяется теплота в следующем количестве:

• За 2 часа перед автоклавной обработкой – 23,9 кДж/кг
• За 1 период в течение 2,5 часов – 27,1 кДж/кг
• За 2 период в течение 0,25 часов – 35,1 кДж/кг
• За 3 период в течение 0,25 часов – 124,5 кДж/кг

Остается на 4 период: 418 – (23,9+27,1+35,1+124,5) = 207,4 кДж/кг

где 418 – тепловыделение 1 кг цемента М400.

Следовательно, в 4 периоде теплота от экзотермической реакции гидратации цемента будет поступать не 7 часов, а в течение (207,4/263,4)×7=5,5 ч.

 

Количество теплоты, выделенное цементом, за все четыре периода составит:

 

 

 

2.2.2  Расчет теплового баланса

 

• Период 1: Расход теплоты на нагрев до 100°С в течение 2 ч и продувки в течение 0,5 ч (τ1 = 2,5Ч)

1. Потери тепла корпуса автоклава:

 

где – масса автокава, кг;

 – теплоемкость  метала, кДж/кг×°С;

 – соответственно  максимальная температура нагрева  в 1 периоде и его начальная  температура,°С

кДж

2. Потеря тепла форм:

 

где – масса формы, кг;

 – кол-вл форм в  автоклаве, шт.;

 – соответственно  максимальная температура нагрева  формы в 1 периоде и ее начальная температура, равная температуре ячеистой массы (,°С