авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Технология скоростной высокотемпературной обработки глинистых грунтов

-- [ Страница 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

Материал Расчетные характеристики: Прочность частицы (гранулы)
Еу, МПа , град. С, МПа сж МПа р МПа пр МПа
природный песок: крупный гравелистый; средней крупности 130 129 42 40 0.005 0.005 — — — — — —
гранулы керамического материала, полученного по плазменной технологии D 0.14-10.0 мм (песок крупный гравелистый) 105 32 0.008 9.7 1.3 6.4
керамзит гравиеподобный и его разновидности 90-120 30-40 - 0,3-6,0 - -
аглопоритовый щебень 85-100 30-40 - 0.4-4.5 - -

При определении морозостойкости керамита установлено, что по допускаемым потерям в весе, он выдерживает не менее 25 циклов замораживания – оттаивания. Изучение пучинистых свойств материала по-

казало, что величина Кпуч не превышает 1%. Это позволило классифицировать его в соответствии с ОДН 218.046-01, как грунт непучинистый.

Таблица 3

Характеристика водопроницаемости глинистого грунта

до и после высокотемпературного укрепления

Пробы суглинка среднего пылеватого Время фильтрации, секср Объем профильтровавшейся воды, м3 Коэффициент фильтрации
до высокотемпературной обработки 12107,5 50 Кфср=0,014
после высокотемпературной обработки, фракция более 0,14 мм 90,4 50 Кфср=3,83

Результаты исследований комплекса свойств керамита, получаемого предлагаемой технологии и сопоставление их с действующими нормативными документами, регламентирующими применение материалов в строительстве, позволили сделать вывод о пригодности его, например, при возведении малоэтажных зданий и притрассовых сооружений.

Четвертая глава посвящена технологическим аспектам производства искусственного каменного материала с применением в качестве источника тепловой энергии электродуговых подогревателей. Здесь приведены результаты оценки эксплуатационной и экономической безопасности разрабатываемой технологии, рассмотрена эффективность производства и применения в строительстве зернистого керамического материала - керамита.

Анализ имеющегося к настоящему моменту опыта производства зернистых керамических материалов, позволяет считать, что термообработка сырцовых гранул с применением электроплазменных устройств может осуществляться на основе технологической схемы, включающей ключевые этапы и операции, проверенные многолетней практикой получения керамзита. За основу технологической линии по производству керамита можно принять схему, представленную на рис. 4. В составе операций технологического процесса следует выделить: добычу, пластическую переработку глинистого сырья и изготовление гранулированного сырца; сушку и скоростной высокотемпературный обжиг полуфабриката; охлаждение готового продукта и, при необходимости, его рассев и складирование. Предложенная технологическая схема производства нового керамического материала базируется на использовании серийно-выпускаемого отечественной промышленностью комплекта машин и оборудования.

Главная и наиболее ответственная операция в производстве керамита – обжиг переработанного глинистого сырья. На основании технического задания подготовленного по результатам теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации специалистами НИКИ СХК, была создана установка М 2152 для отработки технологического процесса термоукрепления гранул сырца в потоках плазменного теплоносителя. При проектировании установки были учтены следующие технические характеристики ее работы:

- производительность установки (проектная) по керамиту 3-5 т в час;
- тип подогревателя газа плазмотрон электродуговой;
- количество подогревателей 3 шт.;
- суммарная мощность подогревателей 300 кВт;
- суммарная потребляемая мощность оборудования установки 310 кВт;
- расчетное время контакта гранул с горячими газами 2 – 5 с.;
- содержание оксидов азота до 2%;
- расчетные температуры газов среднемассовая в реакторе на выходе из термокамеры 3000 оС; 800 оС.


Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.