книги / Процессы и аппараты в технологии строительных материалов

Параметры режима обжига, т.е. температура и время, зависят не только от физико-химических свойств материала, но и от размеров и формы изделий, от их взаимного положения в аппарате. Эти характеристики обжигаемой массы определяют геометрию пространства, в котором протекает обжиг, и потому оказывают решающее влияние на гидродинамические параметры потока топочных газов. А это, в свою очередь, определяет равномерность прогрева каждого изделия, степень однородности условий обжига в различных частях объема печи.

Не менее важным этапом теплового процесса при обжиге является охлаждение уже обожженного материала. При охлаждении происходит термическое сжатие, вызывающее появление напряжений в изделиях. Кроме того, при охлаждении возникший ранее расплав переходит в твердое состояние, что связано с фазовыми превращениями. В ряде случаев фазовые превращения осуществляются и в неплавящихся частицах. По этим причинам охлаждение изделий до комнатной температуры требует поддержания определенного режима,обеспечивающегосохранностьизделийиминимизациюбрака.

Твердофазовое спекание происходит либо без образования жидкой фазы вообще, либо при крайне незначительном количестве расплава,недостаточномдляпоявленияогневойусадкиизделий.Вэтом случае важную роль играют поверхностные явления на контактах между частицами, связанные с диффузией ионов и атомов в твердой фазе, сублимацией вещества твердых частиц, их пластической деформацией при температуре обжига. В этих процессах проявляются особенности реальной структуры кристаллической решетки твердыхчастиц,аименноналичиеврешеткедислокацийидефектов. Перемещение дислокаций и заполнение «дырок» (вакансий) приводит к перемещению ионов (атомов), их взаимодействию с другими элементами структуры, образованию новых кристаллических структур на поверхности раздела фаз. Это приводит к образованию кристаллических перемычек между контактирующими частицами; возникают сростки частиц. Постепенно вещество, перемещаясь между частицами, образует структуру, подобную структуре спека. Внешнее давление способствует усилению пластических деформаций и ускоряет описанные процессы. При определенных сочетаниях температуры и давления твердофазовое спекание приводит к ускорению

81

кристаллизационныхпроцессовиобразованиюбольшогочисламелких кристаллитов, что увеличивает конечную прочность спека. Это обстоятельсто используется при осуществлении горячего прессованияизделий,т.е.спеканииподдавлением.

Обжиг изделий производят в печах. Печи различаются по назначению, принципу действия, используемому теплоносителю, способу помещения нагреваемого материала в печь, способу транспортировки обжигаемых изделий в печи и т.д.

В производстве строительных материалов используют печи следующих типов:

а) ванные, горшковые или ваграночные печи для получения расплавов в производстве стекла, изделий из каменных и шлаковых расплавов;

б) шахтные, трубные вращающиеся печи и печи кипящего слоя для обжига извести, керамзита, аглопорита, термозита магнезиальных, гипсовых вяжущих;

в) кольцевые или тунельные печи для обжига кирпича и других керамических изделий.

Для улучшения теплообмена, поддержания заданного темпе- ратурно-временного режима и окислительно-восстановительных условий среды тунельные печи оборудуют системой принудительной вентиляции.

7.3. Основные задачи автоматизации технологических процессов

Автоматизация технологических процессов способствует повышению производительности труда, улучшает качество продукции,позволяетболееточнособлюстиоптимальныетехнологические режимы, сократить расход сырья, топлива, электроэнергии, снизить износ оборудования. Во многих случаях автоматизация предотвращает аварии.

Автоматизация–оснащениетехнологическихустановок(аппа- ратов) системами автоматического контроля, сигнализации, защиты механизмов,системамиуправленияирегулированияпроцессов.

В ходе переработки материалов изменяется целый ряд параметров, характеризующих материалы и воздействующие на них

82

агенты – теплоносители, (топочные газы), растворители и другие компоненты, участвующие в технологических процессах.

Перед технологом встает сложная задача выбора оптимального соотношения этих параметров на всех этапах технологического процесса. При этом часто ситуация меняется так быстро, что технолог (или оператор какого-либо аппарата) не успевает не только вмешаться в процесс, но даже заметить сам факт изменения каких-либо параметров.

В целом ряде технологических операций достаточно быстрое восстановление оптимального режима может быть осуществлено только автоматически. Однако для автоматизации процесса (или аппарата) необходимо знать, какие именно параметры могут изменяться,вкакихпределахонидолжныподдерживатьсядлясохранения оптимального режима, каково соотношение различных параметров при оптимальном режиме. Кроме того, необходимо решить вопрос о конкретных точках измерения тех или иных параметров и методах воздействия на процесс с целью их регулирования.

Решение таких задач требует полного и четкого анализа совокупности зависимостей всех изменяющихся параметров технологической операции и их зависимости от свойств самого аппарата.

Поэтому на современном уровне развития промышленности необходимо рассматривать любой аппарат и все его оснащение (контрольно-измерительные и регулирующие приборы) как единую систему, обеспечивающую установление и поддержание оптимального технологического режима. Такая система – система автоматического регулирования – состоит из объекта автоматизации (аппарат) и автоматического регулятора (КИП и регулирующие приборы). Температура, давление, скорости жидкостей, газов и твердых тел, масса веществ, участвующих в процессе, и другие свойства этих веществ называются параметрами автоматизации. Параметрами автоматизации могут быть и свойства аппаратов – скорости вращения, углы наклона, диаметры отверстий и т.п.

Всякий объект автоматизации характеризуется нагрузкой – количеством веществ или энергии, проходящих через него в единицу времени. Резкое увеличение нагрузки может привести к аварии, поэтому еще одной задачей автоматизации является блокировка – автоматическое отключение подачи вещества или энергии при превышении нагрузки.

83

Рассматривая материальные потоки, проходящие через аппарат, необходимо оценить их при помощи присущих им физических величин – параметров этих потоков на входе в аппарат и на выходе из него, т.е. входных и выходных параметров.

Например, при работе любой тепловой установки теплоноситель входит в нее с температурой t1, а выходит – с t2. Значит, для этой установки t1 – входная величина, а t2 – выходная. Влагосодержащие теплоносители – на входе W1, а на выходе W2 – это тоже входной и выходной параметры.

При работе смесителей входной величиной являются массы подаваемых в них компонентов (в единицу времени – или за один цикл смешивания), а выходной величиной может служить и масса входящей смеси (за то же время), и средняя концентрация ключевого компонента в смеси.

В каждом конкретном случае для оценки процесса выбирают такие входные и выходные параметры, которые для данного процесса являются определяющими.

Однако для поддержания оптимального режима недостаточно указать, в каком месте и в каких пределах нужно контролировать те или иные параметры. Процесс регулирования зависит и от свойств самих объектов автоматизации (т.е. процессов или аппаратов). Так, процесс помола необходимо регулировать, изменяя и нагрузку мельницы (т.е. количество входящего и выходящего из нее измельчаемого вещества), и число оборотов ее в единицу времени (т.е. скорость вращения самой мельницы). Процесс смешивания регулируется изменением количества поступающих в смеситель материалов, изменением числа оборотов мешалки, изменением времени перемешивания.

Крометого,процессрегулированиязависитотсвойствавтомати- ческогорегулятора–датчиков,измеряющихтеилииныепараметры, приборов,управляющихизменениемэтихпараметровит.д.

Свойства регуляторов изучаются в курсе «Основы автоматизации».

Для выяснения свойств объекта автоматизации с целью установления экономически обоснованной и технологически правильной разработки системы контроля и управления процессом необходимо решить следующие вопросы:

84

1.  Установить главную задачу автоматизации.

2.  Определить параметры автоматизации и их возможные допустимые изменения.

3.  Выбрать входные и выходные параметры автоматизации. 4.  Установить необходимые места контроля и регулирования

параметров.

5.  Установить взаимосвязь между выбранными параметрами и степень их автоматизации.

Задачаавтоматизацииустанавливаетсявзависимостиотцели той или иной технологической операции (процесса). Если нам необходимо в единицу времени получить определенное количество продукта с определенными свойствами, то ясно, что это условие может быть выполнено только при оптимальном режиме протекания элементарных процессов.

Так, при помоле необходимо поддерживать определенную нагрузку мельницы, чтобы получить заданное количество материала с заданной тонкостью помола, т.е. поддерживать постоянную скорость подачи сырьевого материала в мельницу, если в нее поступаетматериалсопределеннымисвойствами.Еслижесвойства сырья изменяются во времени, то для обеспечения заданной тонкости помола приходится изменять скорость подачи материала. Таким образом, при помоле задачей автоматизации является регулирование скорости подачи сырья.

Очевидно,чтовэтомслучаепараметрамиавтоматизациибудут:

–входными – расход сырья и крупность его кусков;

–выходными – выход готового продукта и его удельная поверхность.

Присмешиваниизадачейавтоматизацииявляетсяполучениеоднородной бетонной смеси (т.е. смеси с коэффициентом вариации ее составанеболее20%).Здесьпараметрамиавтоматизациислужат:

–входными – количество подаваемых компонентов смеси, скорость вращения мешалки, время смешивания;

–выходными – концентрация ключевого компонента и осадка конуса (или жесткость, с) смеси.

При тепловой обработке задачей автоматизации является получение продукта с необходимой влажностью, или степенью спекания, или степенью обжига и т.д., в зависимости от назначения тепловой обработки. Параметры автоматизации здесь: темпера-

85

тура, влажность, скорость теплоносителя (или его расход), температура и другие параметры обогреваемого материала – на входе

ина выходе аппарата и т.д.

Взависимостиотустановленныхпараметровавтоматизациивыбираютместаихконтроля(навходе,навыходе,внутриаппарата).

Взаимосвязьмеждуразличнымипараметрамиавтоматизации устанавливается при изучении процессов с помощью моделирования, т.е. в лабораторных условиях.

Так, при сушке материалов влажность выходящего из аппарата продукта зависит от влажности сырья, температуры теплоносителя, относительной скорости сырья и теплоносителя, влажности теплоносителя. Чтобы получить постоянную выходную влажность при переменной входной, нужно изменять температуру и (или) скорость теплоносителя.

Степень автоматизации зависит от целого ряда причин. Полная автоматизациявозможналишьприналичиидатчиков,способныхизмерятьзначениявсехпараметровавтоматизациииприпомощиопределенных сигналов (передачи информации об измеренных параметрах) воздействовать на управляющие механизмы. Если какие-либо из звеньев этой цепи отсутствуют, то автоматическое управление невозможно. В этом случае не ограничиваются, например, автоматическим контролем параметра, а регулируют его вручную, например с помощью дистанционного управления. Иногда возможна только автоматическая блокировка. В ряде же случаев невозможен даже автоматический контроль, т.е. измерение нужного параметра производится,например,толькоспомощьюлабораторногоанализа.

Впромышленности строительных материалов многие параметрыпокаещенемогутконтролироватьсяавтоматически.Важнойзадачейявляетсяразработкаприборовдлятакогоконтроля,аэтовозможно лишь при тщательном изучении взаимосвязи между различными свойствами материалов. Так, нет никаких датчиков для автоматического измерения однородности бетонной смеси, ее подвижности, т.е. этипараметрынемогутбытьизмеренынепосредственно.

Однако не исключено, что какие-то свойства бетонной смеси являются функцией ее подвижности (например, диэлектрическая постоянная, электрическая емкость, проницаемость для радиоактивных частиц и т.д.). Все это требует подробного изучения.

86

Подобное положение существует и с другими строительными материалами и полуфабрикатами.

Полученнаяотдатчиковинформациядолжнапоступатьнапункты управления процессом. Технолог должен решить, где будет осуществляться контроль за работой приборов: например, из центральной диспетчерской или с местного пульта и т.п. Получив все необхо- димыесведения,составляютсхему-заданиенаавтоматизацию.

Рассмотрим пример составления такой схемы (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Схема-задание на автоматизацию сушки зернистого материала: 1 – автоматическое регулирование; 2 – дистанционное управление с автоблокировкой; 3 – дистанционное управление; 4 – дистанционный контроль;

5 – местный пульт; 6 – центральный пульт

87

Предположим, что нам необходимо автоматизировать сушку щебня. Сушка происходит в камере, где щебень движется на транспортернойлентенавстречупотокутеплоговоздуха.Намнеобходимо получить материал с постоянной влажностью W2, тогда как влажность поступающего в камеру щебня меняется. Воздух для сушки поступаетизкомпрессора1,проходитчерезкамеру2иотсасывается компрессором 3, возвращаясь к началу процесса для повторного использования. Поступает в камеру он с температурой t1, влажностью d1.Выходитизнеестемпературойивлажностьюt2 иd2.Скоростьвоздуха на входе V1,– на выходе – V2. При повышении влажности материаланужноповыситьтемпературувоздухаt2.Нотогдавлажностьd2 тоже увеличится. Чтобы компенсировать увеличение влажности воздуха, нужно повысить скорость его подачи V1. Температура воздуха может регулироваться автоматически при изменении влажности воздуха. Влажность материала W1 регулироваться не может. Влажность W2 может регулироваться при изменении влажности воздуха и его температуры.Скоростьвоздухатакжерегулируетсяавтоматически.

Исходя из всего сказанного, на схеме технологического процесса сушки устанавливают точки контроля каждого из перечисленных параметров. Над схемой проводят четыре горизонтальные линии, соответствующие степеням автоматизации. Ниже схемы – линии, соответствующие параметрам автоматизации. Внизу изображают центральный и местный пульты управления.

Через точки контроля проводят вертикальные линии. Линия А – контроль входной температуры воздуха. Этот параметр регулируется автоматически и контролируется на местном и центральном пультах. На соответствующих линиях, пересекающих линию А, ставят точки. Линия Б – контроль входной влажности щебня. Регулируется автоматически, подлежит контролю с обоих пультов, чему соответствуют точки на нужных горизонтальных линиях. Линия В – контроль влажности воздуха внутри камеры и влажности поступающего щебня. Подлежит контролю на обоих пультах, но регулироваться не могут. Линия Г – контроль скорости выходящего из камеры воздуха (регулируется автоматически, контролируется с обоих пультов).

По схеме заданию специалисты по автоматизации устанавливают контролирующие и регулирующие приборы.

88

Краткое содержание главы 7

Процесс производства строительных материалов представляет собой производственный комплекс, результатом деятельности которого является продукция в виде материалов или изделий строительного назначения. Этот комплекс есть вероятностная система определенной сложности.

Для изучения и анализа связей элементов и явлений системы «предприятие стройматериалов» используется теория систем. Метод исследования, основанный на этой теории, называется системным подходом.

Технологический процесс является совокупностью элементарных процессов, которые протекают в ходе отдельных операций. Технологическая операция – часть технологического процесса, направленная на изменение свойств сырьевых материалов (или их состояния) при помощи ряда воздействий на эти материалы. Каждое воздействие на сырье осуществляется с помощью элементарных процессов. Каждая технологическая операция (передел) имеет вполне определенное назначение – подготовку материала для передачи его на следующую операцию.

Управлениетехнологическойоперациейвозможнотолькопутем воздействия на ход элементарных процессов. В каждой операции, однако, могут одновременно происходить элементарные процессы разных типов.

Высокое качество продукции и низкая ее стоимость обеспечиваются выбором аппаратуры для проведения каждой технологической операции, оптимальным режимом протекания каждой операции. Наибольшую производительность получают при непрерывных технологических процессах.

Основные технологические операции при получении строительных материалов: измельчение сырья – дробление или помол (или то и другое); перемешивание – приготовление бетонной смеси, керамической массы, шлама, пульпы и т.д.; формование – прессование, экструзия, виброуплотнение, литье, центрифугирование, иногда сочетание нескольких видов формования; тепловая обработка – сушка, обжиг, пропаривание, автоклавная обработка.

89

Кроме того, ряд операций предназначен для поддержания в оптимальном состоянии оборудования.

Вся совокупность основных, вспомогательных и обслуживающих технологических операций и составляет систему «предприятие строительных материалов».

Однако все эти операции еще не полностью определяют такую систему. Для устойчивого функционирования системы необходима работа еще целого ряда служб, подразделений и отдельных работников, которые обеспечивают снабжение и сбыт, поддерживают экономическое и финансовое обеспечение работы предприятия, оптимальное соотношение и благополучное состояние различных контингентов работающего персонала – рабочих, ИТР, административных работников и т.п.

Все эти службы и подразделения также составляют неотъемлемую часть системы, и от их состояния в немалой степени зависит функционирование технологического процесса.

Вся система работает таким образом, что изменения, происходящие в любом из ее элементов (возмущения), проявляются на выходе системы в виде изменений количества, качества или себестоимости готовой продукции – отклик.

При проектировании технологических процессов также необходим системный подход к планируемому производству. При этом, чтобы представить систему «технологический процесс», проектировщик может построить модель этой системы, отражающую те или иныееестороны.Весьмацелесообразноначинатьпостроениетехнологической схемы проектируемого производства с его функциональноймодели,затемперейтикпостроениюструктурноймодели.

Функциональная схема производства является совокупностью операций, необходимых для преобразования сырьевых материалов в конечную продукцию. Она является функциональной моделью технологии, в то же время это графическая модель, следовательно, эта схема есть знаковая модель технологии.

Для разработки структурной модели производства необходимо определить, каким именно способом, с помощью какого оборудования и инструмента следует осуществлять разработанный технологический процесс.

Проектировщик должен определить наиболее оптимальный вариант осуществления разработанного технологического про-

90