| 6. Гашение извести
Реакция между известью и водой протекает по следующей термохимической формуле.
В зависимости от количества воды, подаваемой для гашения, известь получается в виде: пушонки (тончайший порошок, объем которого в 2—3,5 раза больше объема исходной негашеной извести); известкового теста (густой нетекучей массы); известкового молока (водная суспензия гидрата окиси кальция), или в виде известковой воды (слабый раствор гашеной извести в воде).
Пушонка теоретически должна состоять из 75,7% СаО и 24,3% Н2O. Практически она всегда содержит некоторое количество непрореагировавшей СаО и свободной Н2О.
Для гашения извести в тесто расходуется в 10 раз больше воды, чем для гашения извести в пушонку. Гашение извести в пушонку называется сухим, а гашение в тесто и молоко — мокрым.
Увеличение объема пушонки вызывается увеличением объема пустот между отдельными зернами по сравнению с объемом пустот между зернами в негашеной извести. Увеличение молярного объема при гашении извести не происходит, имеет место даже некоторое его уменьшение. Молярный объем СаО при удельном весе 3,2 г/см3 составляет 56:3,2=17,5 см3/моль, молекулярный объем воды — 18 см3/моль и суммарный объем исходных веществ 35,5см3. Молярный объем Са(ОН)2 при удельном весе 2,2 г/см3 составляет 74:2,2=33,6 см3/моль. Гидратация окиси кальция является обратимой реакцией, направление которой зависит от температуры и давления водяных паров в окружающей среде.
Из данных (табл. 4) упругости паров при диссоциации Са(ОН)2 при различных температурах видно, что при температуре 547о упругость паров воды достигает атмосферного давления и наступает полная диссоциация гидрата окиси кальция.
Выделяющееся при гашении извести тепло вызывает интенсивное парообразование, при этом пар разрыхляет известь, превращая ее в порошок-пушонку. Парообразование защищает известь от чрезмерного повышения в ней температуры.
В таблице 5 приведена растворимость извести в воде в зависимости от температуры.
Если гашение извести производить холодной водой, то по мере повышения ее температуры происходит выпадение растворившейся в ней извести. Выпадая из раствора гидрат обволакивает куски еще не погасившейся кипелки, затрудняя дальнейшее прохождение гидратации. Поэтому имеются рекомендации и в летнее время производить гашение извести горячей водой.
Скорость реакции гашения чистой окиси кальция, чистой окиси магния и образующихся при их обжиге соединений с глинистыми компонентами различна. При смешивании извести с водой в первую очередь гидратируются свободные окиси. Силикаты, алюминаты и ферриты в процессе гашения совершенно не реагируют с водой или реагируют медленно и в очень небольшом объеме.
Влияние различных свойств известняка на гасимость извести показывает следующий опыт (табл. 6). На Волосовском известковом заводе из ковша, заполненного кусками раздробленного известняка, направляемого в печь, были отобраны куски различной окраски. В лабораторной печи в течение двух часов при температуре 1000° эти куски прошли обжиг при одном и том же режиме. Данные гашения извести, полученной из различных кусков известняка, определенные по ГОСТу 9179-59, приведены в таблице 6.
Среднее содержание MgO в извести, обожженной из доломитового известняка, составило 31,2%.
Скорость гашения, т. е. скорость протекания реакции гашения и связанное с ней время гашения, зависят от температуры обжига известняка, продолжительности обжига и определяемой обжигом структуры извести химического состава извести, чистоты и температуры воды, использованной для гашения, количества этой воды, а также от того, производится ли перемешивание извести при гашении.
На гашение извести влияют также крупность кусков и структура обжигаемого известняка, режимы обжига кусков известняка и достижения максимальной температуры, режим охлаждения. В свою очередь, вопросы режима обжига зависят от влажности известняка и способа его укладки в печи. На процесс гашения извести в известной мере влияет также состав печных газов.
Извести из природного известняка, обожженные при высокой температуре, гасятся медленнее, чем извести, обожженные при низкой температуре. Может случиться, что известь, обожженная до плотного состояния, полностью потеряет способность впитывать в себя воду. При этом процесс гашения проходит настолько медленно, что вызвать интенсификацию процесса не представляется возможным.
Мягкообожженная чистая окись кальция имеет тонкопористую структуру при гашении выделяет количество тепла, вполне достаточное для повышения температуры воды до кипения. Процесс гашения проходит бурно. Если гашение производится избытком воды, повышение температуры воды происходит в меньшей степени. Применение слишком большого количества воды может прекратить процесс гашения. Известь начнет «захлебываться». Это происходит вследствие вышеуказанного снижения растворимости извести при повышении температуры. При гашении извести на поверхности куска образуется оболочка, препятствующая дальнейшей диффузии воды внутрь обожженного куска. Слишком малое количство воды вредно отражается на процессе гашения — известь начинает «перегорать». Это происходит по следующей причине. Как указывалось выше при гашении извести образуется гидрат окиси кальция в виде тонкого порошка, часть которого в присутствии воды находится в коллоидно-дисперсном состоянии и образует вязкий коллоидный раствор. Именно эта часть массы и придает известковому тесту ясно выраженную пластичность и блеск. Если количество воды для гашения является недостаточным и температура превышает 100э, то часть воды начнет испаряться из гидратируемой извести. При этом на поверхности еще не погашенных, частиц извести образуется плотная оболочка, которая препятствует дальнейшему процессу гашения. Поэтому рекомендуется гасить известь при оптимальной температуре, которая для каждого вида извести определяется опытным путем.
Для того, чтобы известь не «захлебывалась» и не «перегорала», ее следует при гашении интенсивно перемешивать. Это препятствует возникновению оболочек на поверхности гасящихся кусков извести и способствует свободному соприкосновению их с водой.
При гашении извести в механизированных гидраторах количество расходуемой воды не превышает трехкратной теоретической потребности (на 1 кг извести не больше 1 л воды).
Извести, называемые чистыми, тоже содержат некоторое количество примесей, которые при обычных способах гашения остаются непогашенными. Но при весьма длительном выдерживании известкового теста они с течением времени разлагаются. Поэтому известь, применяемая в строительстве для штукатурных работ, кладки и т.д. и гашенная примитивным способом (в яме), должна до употребления продолжительное время выдерживаться.
При изготовлении известково-песчаных изделий, оставшиеся незагасившимися частицы извести продолжают гаситься при запаривании, вызывая вспучивание изделий, трещины и брак. Особенно резко это наблюдается при применении магнезиальной извести, гасящейся значительно хуже кальциевой. Исследования зависимости между структурой окиси магния и скоростью гашения, проведенные Ф. Мауне, Л. Уэлсом и К. Тейлором показали, что увеличение размера зерен структуры, вызываемое высокой температурой обжига, существенно замедляет гашение. Они нашли, что окись магния, обожженная при температурах 1000—1100°, гасится в обычных условиях только через 2—4 месяца. Магнезиальную известь, обожженную при высоких температурах, можно гасить до постоянства объема лишь при длительной автоклавной обработке, при температуре не ниже 170°. К тому же выводу пришел в своих исследованиях Э. Д. Певзнер.
Возможность гашения трудногасящихся известей в автоклаве базируется на способности проникновения водяного пара через покрывающую куски извести оболочку, плохо или совершенно не пропускающую воду в обычных условиях гашения при атмосферном давлении. Водяной пар может также диффундировать в плотные спекшиеся куски извести, куда вода не проникает. Пар, проникнув внутрь кусков трудиогасящейся извести, вызывает реакцию процесса гидратации извести. То, что водяной пар действует на известь так же, как вода, доказывает следующий опыт, схематически изображенный на рис. 14.
В масляную ванну, температура в которой все время поддерживалась на уровне 200°, был установлен лабораторный стакан. В стакане, покрытом асбестовым картоном, на металлической сетке находился кусок извести-кипелки. При выдерживании куска трудиогасящейся извести в течение 24-х часов при температуре 200° ие было замечено никаких признаков гашения. После этого под кусок извести по трубке подавался пар. Спирали паропровода, расположенные в масляной ванне, позволяли повысить температуру пара и уравнять ее с температурой куска извести.
Непрерывное действие пара в течение первых двух часов никаких изменений в куске извести не вызвало. Затем началось разрушение куска и через десять часов он превратился в мелкий белый порошок гашеной извести. Исследование подтвердило полное гашение частиц извести.
Опыт показал, что реакция гашения извести паром проходит так же. как и реакция гашения извести водой. Но. так как плотность насыщенного водяного пара, при 15°, например, ниже плотности воды в 1000:0,128=78000 раз, то из-за недостатка воды для быстрого гашения, реакция между водяным паром и известью проходит значительно медленнее. Плотность водяного пара при гашении извести в автоклаве и под давлением в гасильном барабане значительно выше.
Данные о насыщенном водяном паре приводятся в таблице 7.
Насыщенный водяной пар, находящийся под давлением 4 ати имеет плотность, превышающую плотность водяного пара при температуре 20.8о в 2,62:0,181=145 раз, а находящийся под давлением 10 ати — в 305 раз (табл. 7). С ростом давления водяного пара возрастает и число молекул, проникающих в глубь трудногасящихся частиц извести. Вода в сосудах, работающих под давлением, находится при высокой температуре. что способствует реакции между частицами извести и воды. При гашении в закрытых барабанах можно не допускать испарения воды из извести, находящейся в коллоидном состоянии, образования водонепроницаемых оболочек на поверхности ее частиц и «перегорания» извести.
Такие извести можно считать полностью погашенными, и в известково-песчаных изделиях, изготовляемых из таких известей, при автоклавном твердении дефектов не образуется. Трещины, появившиеся на образцах, изготовленных из известей, погашенных не полностью и испытанных в опытном автоклаве, показаны на рис. 17.
Результаты опытов позволяют рекомендовать следующий метод испытаний и оценки постоянства объема гашеной извести.
Из негашеной извести 5—10%-ной влажности формуют на ручном прессе любой конструкции цилиндрические образцы диаметром 30—50 мм. Рекомендуется брать такое количество извести, чтобы высота образца после прессования составила 20—40 мм. При диаметре образца 30 мм рабочее давление пресса должно быть не менее 50 кг. На рис. 18 показана принципиальная схема такого упрощенного пресса.
Изготовленные на таком прессе образцы запариваются в автоклаве упрощенной конструкции, снабженном манометром. Таким автоклавом (рис. 9) может служить отрезок стальной трубы диаметром 100 мм и более и длиной около 400 мм. Одни конец трубы заваривается стальной пластинкой, а на другом закрепляется крышка. Из автоклава выходят три трубки, к которым через вентиль подсоединяются паропроводы для впуска и выпуска пара и манометры.
При помощи таких простых приспособлений на заводе менее чем за полчаса можно проверить постоянство объема любой извести.
Исследования, проведенные на Опытном заводе, показали, что если известковые образцы имели очень небольшую сеть трещин, то у прессованных изделий, например, канализационных труб, черепицы и т. п., изготовленных из такой извести, дефекты не возникают. Это подтверждает, что данный способ определения полноты гашения извести обладает высокой точностью.
Для изучения процессов гашения трудногасящихся известен под давлением пара целесообразно пользоваться следующим методом изучения термического эффекта автоклавных процессов.
В небольшие жестяные сосуды, высотой 38 мм, диаметром 40 мм, весом 21,37 г. помещают 10 г размельченной в ступке извести и 20 г воды. В один сосуд помещают чистую, легкогасящуюся кальциевую известь мягкого обжига (эталонную), в другой — исследуемую трудногасящуюся известь. Сосуды накрывают бумагой и выдерживают в течение 24 часов в помещении лаборатории За это время чистая кальциевая известь будет погашена полностью, трудногасящейся же извести погасится лишь часть, способная гаситься без запаривания.
Затем сосуды взвешивают и добавляют столько воды, сколько ее испарилось, с тем, чтобы вес каждого сосуда опять равнялся в точности 51.37 г. Далее сосуды помещают на весы (рис. 20) и устанавливают вместе с весами в автоклав, снабженный окошком.
Рычаг равновесия подвешен к штативу весов при помощи бронзовых пружин. На равных расстояниях от места закреплений рычага при помощи таких же пружин к рычагу прикреплены сосуды с известью.
От центра рычага спускается стержень, имеющий на конце стрелу и груз, при помощи которого изменяется чувствительность весов. Показания весов отсчитываются на шкале, установленной внизу у штатива. Весы отрегулированы так, чтобы при максимальном изменении веса показания стрелки оставались в пределах делений шкалы.
При разбивке шкалы на деления в сосуды помещался груз. Добавлением одного грамма груза на одну и затем на другую сторону весов определялась цена одного деления шкалы весов в граммах. Результаты разбивки шкалы на деления заносились на график, применявшийся при вычислениях.
Проверка показаний весов производилась в начале и конце каждого опыта.
В течение 15 минут давление пара в автоклаве повышали до заданного значения; через каждые 2—3 минуты записывались изменения веса. На рис. 21 изображены результаты взвешиваний доломитовой извести с содержанием активных CaO+MgO в количестве 56,2% и кальциевой (эталонной) при запаривании под давлением пара 6 ати.
При запаривании доломитовая известь потеряла в весе 51,37—49,80=1,57 г (рис. 21). Большую часть — в течение первых 60 минут. Такое количество воды испарилось из извести вследствие того, что при догашивании извести в автоклаве выделялось тепло. Его количество составляло 1,57X540= 848 кал.
Так как при гашении 1 г извести выделяется 270 кал тепла, то в автоклаве догасилось 848:270=3,13 г извести. Если учесть, что в 10 г извести содержится CaO+MgO лишь 56,2% или 5,62 г, то получится, .что доломитовая известь содержала (3,13:5,62) X 100=56% извести, ие поддающейся гашению при обычной температуре.
Гашение известей, содержащих большой процент магния (медленногасящиеся), следует производить в гидраторах высокого давления по режиму, обеспечивающему достаточную полноту гашения. При гашении таких известей в обычном гасильном барабане следует увеличить время гашения и повысить давление пара в барабане.
Извести, полностью гасящиеся без обработки их давлением пара, имеют также различный режим гашения.
В производстве ячеистых силикальцитных изделий, когда часть извести вводится в смесь в негашеном состоянии, требуется, чтобы она гасилась в формах до запаривания. В противном случае в изделиях, в результате вспучивания извести при догашивании в автоклаве, появятся трещины. В связи с этим применение трудногасящихся, богатых различными примесями известей затруднено. Эти затруднения могут быть преодолены введением разных добавок-ускорителей, способствующих гашению, и наоборот, если известь гасится слишком быстро, то при изготовлении ячеистых изделий она может гаситься в мешалке, при этом раствор, густея, затруднит формовку и выпуск качественных ячеистых изделий. В таких случаях применяются замедлители гашения.
Производство извести и ее применение при изготовлении известково-песчаных изделий
И. А. Хинт |
