ТЕХНОЛОГІЧНІ СХЕМИ ОДЕРЖАННЯ ПОВІТРЯНОГО ВАПНА

Для одержання будівельних матеріалів на основі вапна використовують:

- порошкоподібне вапно, яке отримують механічним диспергуванням (мелене негашене вапно);

- тістоподібне вапно, яке отримують хемічним диспергуванням (гашене вапно).

ОТРИМАННЯ МЕЛЕНОГО НЕГАШЕНОГО ВАПНА

Застосування меленого негашеного вапна має низку переваг:

- тонке розмелювання дозволяє повніше використовувати його зв’язні властивості (при розмелюванні активізуються силікати і ферити кальцію, які покращують водостійкість вапна);

- можливість використання в зимовий період за рахунок виділення тепла при гідратації;

- можливість використання як сировини для випалу вапна вапняків із значним вмістом глинистих і магнезіальних домішок (при гідратації тонкорозмеленого вапна не утворюються непогашені зерна).

Недоліками меленого негашеного вапна є:

- під час розмелювання негашеного вапна утворюється їдкий пил СаО, що є шкідливим при попаданні на слизові оболонки;

- вимагає зберігання в сухих умовах і швидкого використання після розмелювання (вже через 15 діб спостерігається гасіння).

Грубі куски вапна (більше 80 мм) попередньо дроблять на щокових чи молоткових дробарках. Тонке подрібнення здійснюють в кульових і трубних млинах (одно-, дво- і трикамерних), швидкохідних молоткових млинах молоткових дробарках тонкого подрібнення і т.д. Під час тонкого подрібнення негашеного вапна в кульових і трубних млинах відбувається забруднення (налипання) футерування і мелючих тіл тонкодисперсними частинками подрібнюваного матеріалу, що різко зменшує продуктивність млинів. Для запобігання цьому при розмелюванні до вапна додають твердіший матеріал (кварцовий пісок тощо). Покращує розмелювання вапна додаток незначної кількості поверхнево-активних речовин, таких, як сульфітно-дріжджова бражка (СДБ), триетаноламін, милонафт та інших.

Тонина розмелювання негашеного вапна виявляє великий вплив на його властивості, особливо при наявності перепалу. Проте навіть дуже тонке розмелювання не може повністю компенсувати негативного ефекту “жорсткого” випалу вапна. В залежності від умов випалу розрізняють вапно:

- м’яко-випалене (при температурі 800-900 ^оС) – може містити частинки нерозкладеного вапняку;

- середньо-випалене (при температурі 900-110 ^оС);

- сильно-випалене (при температурі 1100-1200 ^оС) – може містити частинки перепаленого вапна.

Мелене негашене вапно широко використовують для одержання вапняно-пуцоланових зв’язних (ВПЗ). Їх отримують розмелюванням дробленого негашеного вапна із пуцолановими або активними мінеральними додатками (АМД). АМД є природними (опока, діатоміт, трепел) або штучними (доменні гранульовані шлаки, шлаки і золи ТЕС) речовинами, які мають здатність вступати у взаємодію з Са(ОН)₂. Технологічна схема виробництва складається з двох паралельних гілок: підготовки вапна і підготовки додатків. Грудкове негашене вапно дроблять, фракціонують, дозують і подають в млин для сумісного розмелювання з АМД. Додатки також дроблять, сушать, дозують і подають в млин. Після розмелювання суміш пакують і відвантажують споживачу. Орієнтовний склад таких зв’язних 30 % вапна і 70 % АМД.

Якщо в склад ВПЗ входять компоненти, що сильно відрізняються за розмелювальною здатністю і твердістю, використовують окреме розмелювання матеріалів з подальшим їх дозуванням і змішуванням. Для покращення властивостей зв’язного можуть вводити до 5 % гіпсового каменю. Використовують такі зв’язні для тинькувальних розчинів, виготовлення будівельних блоків, безвипальної цегли.

ГАСІННЯ ВАПНА

При контакті негашеного вапна (кускового чи меленого) з водою відбувається його хемічне диспергування. З хемічної точки зору цей процес описується рівнянням:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + 65,1 кДж/г-моль (≤1164 кДж/кг СаО)

Під час гасіння вапна виділяється значна кількість тепла, яка може навіть викликати запалювання горючих предметів. Тому при зберіганні і транспортуванні вапно треба захищати від вологи. Також при гасінні вапна його об’єм значно збільшується. В залежності від ступені випалу і сорту вапна 10 кг негашеного вапна дають від 20 до 32 л вапняного тіста. Насичений розчин гідрооксиду кальцію має сильно лужну реакцію (рН~12,5).

В залежності від кількості води, яку додають при гасінні розрізняють такі види гашеного вапна:

- вапно-порохнянка;

- вапняне тісто;

- вапняне молоко;

- вапняна вода.

Гідратація вапна з утворенням гідрооксиду кальцію починається з поверхні змоченої водою грудки. При достатній кількості води Са(ОН)₂ частково переходить в розчин. Якщо грудка вапна випалена при високій температурі і є достатньо щільною процес гідратації розповсюджується в її середину повільно і може тривати від декількох годин до декількох днів. Гідратація м’яковипаленого високопористого вапна внаслідок великої питомої (реакційної) поверхні завершується через декілька хвилин.

При гасінні СаО до вапна порохнянки спочатку вода всмоктується в негашене вапно і маса ущільнюється. При цьому утворюється проміжна сполука оксигідрат кальцію згідно реакції:

СаО + 2Н₂О = СаО*2Н₂О

Після цього щільна гомогенна маса швидко розігрівається і перетворюється у “киплячий” порошкоподібний продукт. Це супроводжується бурхливим пароутворенням із самовільним розкладом оксигідрату кальцію згідно реакції:

СаО*2Н₂О = Са(ОН)₂ + Н₂О

Утворений гідрооксид кальцію має вигляд розпушеної маси – порохнянки. В даному випадку хемічне диспергування (саморозсипання) відбувається внаслідок збільшення питомого об’єму твердої фази при перетворенні СаО в Са(ОН)₂, а також розпушення за рахунок пароутворення. Об’єм порохнянки при гасінні вапна в 2-3 рази перевищує об’єм вихідного негашеного вапна за рахунок збільшення об’єму пустот (пор) між окремими зернами матеріалу, що утворився.

При утворенні Са(ОН)₂ з СаО питома поверхня матеріалу збільшується в залежності від ступені випалу, сорту вапна і умов гасіння з 1 м²/г СаО до 15-30 м²/г Са(ОН)₂. Це збільшення питомої поверхні супроводжується значним зменшенням насипної густини: з ~1 т/м³ для негашеного вапна до 0,4-0,8 т/м³ для гашеного. Внаслідок цього гашене вапно є порошкоподібною (тонкозернистою) об’ємною зв’язною речовиною з високою абсорбуючою здатністю.

Згідно стехіометрії реакції для гасіння вапна теоретично необхідно 32,13 % води від маси вапна. На практиці води беруть у 2-3 рази більше, так як під дією тепла, що виділяється при гасінні частина води випаровується. Недостача води призводить до так званого перегорання гашеного вапна і утворення частинок, які важко гасяться. Це обумовлено тим, що спочатку гідратуються зовнішні шари вапняних зерен і на їх поверхні виникає тістоподібний шар з гідрооксиду кальцію. Цей шар гідрату, внаслідок відсмоктування з нього води внутрішніми шарами зерен негашеного вапна, підсихає, ущільнюється і перешкоджає доступу води всередину зерен.

Надлишок води зменшує інтенсивність її випаровування (внаслідок великої теплоємності води) і частина вологи залишається у вільному стані, погіршуючи якість порошкоподібного продукту. Вміст вологи в порохнянці не повинен перевищувати 5 %.

Виробництво гідратного вапна-порохнянки складається з наступних операцій:

- подрібнення кускового вапна;

- гасіння;

- силосування продукту гасіння;

- відсіву непогашених зерен, їх розмелювання і змішування з основною масою гашеного вапна;

- пакування готового продукту.

Для всіх операцій, крім гасіння, використовується типове обладнання. Гасіння вапна в порохнянку здійснюють у спеціальних апаратах – гідраторах неперервної чи періодичної дії. В гідраторах при енергійному перемішуванні вапна з водою відбувається швидка гідратація, що починається з поверхні кусків. Спочатку отримується пластичне тісто, яке потім перетворюється в гарячий порошок, з якого випаровується надлишок води.

Порохнянка у порівнянні з кусковим негашеним вапном має наступні переваги:

- є готовим продуктом, а не напівфабрикатом;

- не містить грубих непогашених частинок;

- зручно транспортувати, зберігати і дозувати.

Проте вартість її виробництва і транспортування є вищою.

Для одержання вапняного тіста додають 100-150 % води від маси вапна. При введенні більшої кількості води отримують вапняне молоко. Кількість води залежить від складу вапна, якості його випалу, способу гасіння та інших чинників. Чим маснішим є вапно, тим більше води містить приготоване з нього тісто. Під час гасіння вапна до тіста відбуваються ті ж процеси, що і під час гасіння до порохнянки, проте частинки Са(ОН)₂ мають дещо більші розміри, оскільки через надлишок води маса розігрівається менше. Крім того грубі зерна з меншою питомою поверхнею утворюються при гасінні пісного вапна.

Велике значення для вапняного тіста має якомога повніша гідратація СаО при його гасінні. Повноту гідратації можна оцінити за вмістом у свіжозагашеному вапняному тісті непогашених зерен. Ці зерна при подальшому контакті з водою, інколи навіть через рік, додатково гідратують, що може призвести до спучування тиньку.

Після заливання вапна водою початкові стадії гасіння протікають порівняно повільно. Це пов’язано з утворенням щільного тістоподібного шару на поверхні зерен вапна, яке перешкоджає проникнення води до внутрішніх шарів цих зерен. Тому під час гасіння необхідно інтенсивно перемішувати вапняну суміш. Ефективним є гасіння вапна в закритих барабанах водяною парою при підвищеному тиску.

Найпростішим варіантом гідратора неперервної дії є загашувальний шнек, який складається з закритого жолобу, в якому обертається лопатевий гвинт. Вапно подають з одного кінця шнеку через завантажувальну воронку, а воду – через бокові отвори шнеку чи через порожнистий вал. Зволожене вапно перемішується лопатями, просувається вздовж шнеку і вивантажується в іншому його кінці.

Багатобарабанний лопатевий гідратор конструкції Росстромпроекту (рис. II.6) складається з семи циліндричних барабанних лопатевих гідраторів, встановлених один над одним. Вапно поступає в завантажувальну воронку 1, зволожується водою і, постійно премішуючись, проходить зверху вниз через усі барабани. Загашене вапно вивантажується через патрубок нижнього барабану 3 і подається на сепарацію, де відокремлюються грубі непогашені частинки. Продуктивність такого гідратора 5 т/год.

На заводах з виробництва силікатної цегли для гасіння вапна використовують гасильні барабани періодичної дії (рис. II.7), в яких мелене негашене вапно гаситься разом з піском при тиску 0,3-0,5 МПа. Гасіння вапна в цих барабанах разом із завантаженням і вивантаженням триває 30-40 хв.

Барабанний загашувач (рис. II.8) є стальним барабаном, що обертається, встановленим під

невеликим кутом до горизонту. На внутрішніх стінках барабану гвинтоподібно розміщені лопаті, які забезпечують перемішування і переміщення матеріалу від завантажувального кінця до вивантажувального. Вапно подається через завантажувальну воронку 1, а вода – через трубу 2. У вивантажувальній частині загашувача розташований сортувальний барабан 5 з отворами з яких через зливний отвір 4 витікає вапняне молоко. Непогашені частинки вапна вивантажуються через воронку 6. Водяна пара, що утворюється під час гасіння виводиться через витяжну трубу 3. Продуктивність барабанного загашувача по негашеному вапну складає до 25 т/год.

Вапногасильна машина “ЮЗ” (конструкції Ю.Заячковського) (рис. II.9) передбачає одночасне гасіння вапна і його подрібнення котками. Це прискорює гасіння та усуває відпадки, вміст яких може досягати 30 %. В циліндричну чашу машини “ЮЗ”, заповнену водою до рівня зливного отвору 4, через завантажувальний лоток 1 періодично чи неперервно подають грудкове вапно. В чаші обертаються котки 2, що притискаються до днища пружиною. При цьому вапно перемішується з водою, гідратується і подрібнюється. Отримане таким чином вапняне молоко з дрібними непогашеними частинками через закритий захисною сіткою 3 (з отворами 0,6 мм) зливний лоток 4 поступає в сепаратор-відстійник 5. Грубі непогашені частинки вапна залишаються в чаші машини доти, поки не погасяться чи не подрібняться. Ємність сепаратора-відстійника розділена на дві частини вертикальною перегородкою, яка не доходить до дна. Сепаратор має два отвори – нижній 8, що перекривається шибером 9, і верхній 7 – відкритий. Якщо відкритий нижній отвір, то виходить усе вапняне молоко. Коли ж нижній отвір закрито, то через верхній отвір виходить вапняне молоко, що містить лише тонкодисперсні фракції твердої фази.

Сепаратор-відстійник використовують у тих випадках, коли необхідно отримати вапняне молоко високої якості. Вапнозагашувач “ЮЗ” можуть встановлювати на спеціальний візок, що переміщується по цеху. Його продуктивність по негашеному вапну складає 2-3 т/год.