Оптимизация режимов сушки наполненных пеногипсовых материалов —
Развитие производства поризованных пеногипсовых материалов неразрывно связано с разработкой составов, технологических приемов и параметров, с малой дефектностью структуры.
Одним из путей снижения дефектообразования в пеногипсовых материалах является введение в состав массы различных заполнителей, позволяющих целенаправленно изменять их структуру, улучшать свойства, снижать расход связующего, что в целом обеспечивает получение качественно новых композиционных материалов. Так как наиболее ответственной технологической операцией в производстве пеногипса является сушка, в МИСИ им. В. В. Куйбышева , были выполнены исследования и разработаны меры, предупреждающие появление брака на этой стадии у ненаполненных пеногипсовых материалов.
Тепловая обработка наполненных пеногипсовых материалов имеет свои особенности из-за присутствия в составе композиций различных заполнителей и требует самостоятельной проработки. При изучении процесса сушки таких материалов определялось влияние вида заполнителя на скорость изменения влагосодержания, равномерность распределения связующего по толщине заготовки, напряженно-деформированное состояние и конечные ее свойства.
Исследования проводили на конвективной сушильной установке (рис. 1). В качестве заполнителей использовали зернистые материалы, имеющие характерные признаки формы, поверхности, структуры, происхождения (силнкомарганцевый шлак, пенополистирол, стеклопор, гранулированную минеральную вату).
Отличительной особенностью силико-марганцевого шлака является жесткость зерен, развитая поверхность и разнообразная форма; для пенополистирола характерны упругость формы, гладкая сферическая поверхность гранул; для , стеклопора — шероховатая поверхность, развитая внутризерновая пористость. Мннераловатные гранулы представляют собой тонковолокнистый минеральный заполнитель с развитой системой открытых пор. Средняя плотность заполнителя изменялась от 25—40 кг/м3 для пенополистирола, до 250—300 кг/м3 для силикомарганцепого шлака. Средняя, которое получалось методом сухой минерализации иены. Температура теплоносителя составляла 60, 70 и 80°С при скорости движения 1, 2,5 и 4 м/с. Влияние вида заполнителя на процесс сушки определяли по длительности сушки, значению удельного влагосъема, наличию деформаций и изменению предела прочности материала при изгибе.
На основании результатов исследований (см. таблицу и рис. 2) установлено, что наибольшее влияние на длительность сушки, значение деформаций, прочность на изгиб и удельный влагосъем оказывают вид заполнителя, температура сушки, скорость движения и способ подачи теплоносителя.
Так введение в состав пеногипса (р = = 450 кг/м3) стеклопора и пенополистирола приводит к уменьшению начального влагосодержання на 20—30% и снижению средней плотности материала до 250—350 кг/м3. Удельный влагосъем в период постоянной скорости сушки пеногипсовых материалов с добавкой пенополистирола в 1,5—2 раза выше, чем у ненаполненного пеногипса. Это обеспечивает уменьшение общей продолжительности сушки на 0,9—2,5 ч. Пеногипс же имеет относительно высокую прочность на изгиб — 0,3—0,45 .МПа — при небольшой средней плотности, что достигается благодаря совместной работе заполнителя и вспененного гипсового вяжущего.
Введение высокопористого жесткого заполнителя в пеногипсовую матрицу положительно влияет на процессы тепло- и массообмена, сокращая общую продолжительность сушки до 2,5—5 ч. Прочность высушенных образцов в этом случае составляет 0,52—0,78 МПа, что больше, чем у ненаполненного пеногипса.
Присутствие в составе пеногипса силикомарганцевого шлака уменьшает начальное влагосодержание на 307о, не изменяя при этом средней плотности материала. Средняя продолжительность сушки при температуре теплоносителя 70°С составляет 2.7—3,5 ч, предел прочности материала на изгиб 0,62—0,88 МПа.
Наличие в пеногипсе гранулированной минеральной ваты увеличивает начальное влагосодержание на 10—20%. улучшает структуру материала. Удельный влагосъем у образцов этого состава увеличивается до 1,6—2,9 кг/(м2-ч). Общее время сушки составляет 2,7—8 ч, предел прочности на изгиб — 0,57—0,85. МПа. При повышении температуры теплоносители до 80СС сокращается общее время сушки. но происходит некоторый сброс прочности из-за обезвоживания верхних слоев материала и частичной дегидратации гипса на поверхности.
Отмечено сокращение продолжительности сушки на 15—25% при изменении способа подачи теплоносителя с обдува — движение теплоносителя вдоль поверхности испарения, на продув — движение теплоносителя через материал. В этом случае скорость сушки связана не только с изменением относительной влажности среды на поверхности материала и в теплоносителе, но и с увеличением поверхности влагосъема, что полностью соответствует закономерностям, описывающим внешний массообмен при сушке строительных материалов.
при изучении влияния вида заполнителя на напряженное состояние материала при сушке отмечен знакопеременный характер кривых относительных деформации в зависимости от времени сушки (см. рис. 2). Так, у ненаполненных пеногипсовых материалов (кривая 1) на стадии прогрена наблюдается увеличение линейного размера образца, вызванное температурным расширением его поверхности. При этом деформации растут с увеличением температуры теплоносителя. Введение в состав пеногипса жестких заполнителей: силикомарганцевого шлака, стеклопора — уменьшает температурное расширение материала на стадии прогрева (кривые 2 п -/). Минимальные деформации растяжения отмечены у пеногипса с добавкой пенонолнетирола и составляли I—3 мм/м (кривая 5).
В периоде падающей скорости сушки происходит усадка материала, снизанная с уменьшением интенсивности испарения на поверхности и перемещением зоны испарения в центральные его слон. Максимальные деформации усадки отмечены у пеногипса в сочетании с гранулированной минеральной ватой при температуре теплоносителя 80°С и составляли 6—8 мм/м (кривая 3).
На стадии охлаждения (сброс температуры) происходит стабилизация структуры, выравнивание температур на поверхности и в центре материала.
Выполненные исследования показали положительное влияние заполнителя на сокращение длительности сушки Оптимальными условиями сушки наполненных пеногнпсовых материалов являются: температура теплоносителя 70—75СС, его скорости движения 2,5—3 м/с. Подтверждена целесообразность применения для практических целей силико-марганцевых шлаков — отходов металлургического производства и гранулированной минеральной ваты, обеспечивающей дисперсное армирование формовочной массы.
При статистической обработке полученных результатов методами математического планирования эксперимента для построения многофакторных зависимостей свойств наполненных пеногипсовых материалов использовался композиционный трехуровневый план Хартли. Значимость коэффициентов регрессии и адекватность полученных уравнений проверялась по критериям Стыодента и Фишера.
Получены математические модели для определения предела прочности при изгибе R, МПа, и относительной усадки при сушке к, мм/м, для пеногипсовых материалов различной структуры.
Анализ полученных регрессионных зависимостей позволил установить, что наибольшее влияние на прочность пеногипсовых материалов и на их относительную усадку при сушке оказывают влажность формовочной массы и температура сушки. Для количественной оценки степени влияния каждого из. факторов на выходной параметр были составлены уравнения «чистой регрессии», которые получаются из уравнений множественной регрессии путем закрепления всех факторов на среднем (нулевом) уровне. Исключение составляет один фактор, влияние которого на выходной параметр рассматривается.
Так, с увеличением начальной влажности с tpO до 80% У ненаполненных, с 75 до 90% у волокнистых и с 40 до 70% У зернистых материалов снижается предел прочности на изгиб v ненаполненных и волокнистых материалов на 0,09 и на 0,08 .МПа соответственно и на 0,13 МПа — у зернистых материалов. Увеличение начальной влажности в тех же пределах способствует росту относительной деформации усадки и выполненных п волокнистых материалов на 1,45 и 1,42 мм/м и на 0,62 мм-м у зернистых материалов. Предел прочности па изгиб материалов увеличивается при уменьшении температуры теплоносителя с 70 до 60°С на 0,08 МПа у волокнистых и зернистых материалов и на 0,06 МПа ненаполненного пеногипса.
Относительная деформации усадки при увеличении температуры теплоносителя с 70 до 80°С увеличивается на 1,25 и 1,52 мм/м соответственно у ненаполненных и волокнистых материалов и на 0,3 мм/м у зернистых материалов. Анализ полученных регрессионных зависимостей, а также опыт работы с пеногипсовыми материалами показывает, что для получения качественных материалов следует их формовать пси пониженном плагосодержанни (50—60% по массе), а для тепловой обработки использовать теплоноситель с температурой 60—70°С.
Использование в технологии проиводства формовочных масс с пониженным начальным влагосодержанием значительно снижает налряженно-деформированное состояние и обеспечивает оптимальные условия сушки ненаполненных пеногнпсовых материалов. Это- имеет естественное значение и с позиции необходимой экономии ток, энергетнческих ресурсов, а также сокращения производственного цикла.
Экономическая эффективность для использовании пористых заполнителей в пеногипсовых системах за счет снижения расхода тепловой энергии на производственный цикл составляет :А кг уел. топлива на 1 м2.
Расчетные модели и рекомендации по оптимальным режимам сушки были использованы при разработке технологии производства отделочных звукопоглощающих материалов, предназначенных для устройства подвесных потолков в общественных, гражданских и зданиях в качестве лицевых элементов.