курс лекций часть 3 - Белорусский государственный
advertisement
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ В. В. НЕКРИШ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА (Технико-экономические основы заготовки, механической, химической переработки древесины и производства строительных материалов) Учетное пособие для студентов специальности Н.05.01.00 — «География» МИНСК 2000 Автор В. В. Некриш Рецензенты: кандидат географических наук, доцент Г.С.Смоляков, кандидат географических наук, доцент В. М. Зайцев Рекомендовано на заседании совета географического факультета 14 декабря 1999 г., протокол № 4 В пособии рассмотрены особенности лесных ресурсов, способы заготовки древесины, производства пиломатериалов, фанеры, древесных плит, целлюлозы, бумаги, продукции лесохимии, строительных материалов. Раскрыты их технико-экономическая специфика, ее влияние на размещение предприятий, техногенное воздействие способов производства на окружающую среду. БГУ, 2000 2 1. ЗАГОТОВКА, МЕХАНИЧЕСКАЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ Заготовка древесины, ее механическая и химическая переработка ведется на предприятиях лесопромышленного комплекса (ЛПК). Он представляет сложное межотраслевое формирование, состоящее из взаимообусловленного сочетания предприятий по использованию и доведению до потребителя конечной продукции. ЛПК состоит из совокупности предприятий лесного хозяйства, промышленности по механической, химической и микробиологической переработке лесных ресурсов, имеющих тесные производственно-экономические взаимосвязи, основанные на комплексном использовании древесины. Комплексообразующими отраслями являются лесное хозяйство, лесная, деревообрабатывающая, целлюлозно-бумажная промышленность и лесохимия.1 Естественную основу развития комплекса составляют лесные ресурсы, которые представлены древесными и недревесными компонентами, а также защитными и социальными функциями леса (рис.1). Следовательно, значение лесов в хозяйстве определяет совокупность сырьевых и несырьевых ресурсов. По хозяйственному значению и выполняемым функциям леса подразделяют на три группы. Первую группу составляют леса заповедников, территорий вокруг населенных пунктов, курортных, поле-, водо-, почвозащитных зон, особенно ценных массивов (промысловых, орехоплодных) и других типов, которые выполняют защитные, санитарно-гигиенические и оздоровительные функции. Основное значение в ресурсном потенциале таких лесов имеют несырьевые компоненты. Во вторую группу включены леса с большим значением несырьевых ресурсов и ограниченным использованием древесины в объемах среднегодового прироста. В таких лесах древесные ресурсы используют с целью их эффективной эксплуатации и полного восстановления. В данной группе выделяют эксплуатируемые и недоступные для эксплуатации леса и спецзоны. К третьей группе отнесены леса многолесных районов с основными объемами промышленных лесозаготовок. Здесь доминируют в хозяйственном значении древесные ресурсы с применением всех видов рубок без ущерба защитных, восстановительных свойств лесов. В этой группе, кроме типов лесов второй группы, выделяют резервные леса, эксплуатация которых не намечена в ближайшие 20 лет. Лесное хозяйство - самостоятельная отрасль экономики страны, как и промышленность в целом. Поэтому технико-экономическая специфика лесного хозяйства в главе не рассмотрена. 1 3 ЛЕСНЫЕ РЕСУРСЫ ДРЕВЕСНЫЕ РЕСУРСЫ НЕДРЕВЕСНЫЕ РЕСУРСЫ Ягоды, грибы и плоды дикорастущих растений древесина Недревесные компоненты дерева Лекарственное и техническое сырье Сенокошение и пастьба скота в лесу Продукция подсочки сосны, березы и др.пород Другие продукты использования Рис.1. Понятийная схема состава лесных ресурсов 4 РЕСУРСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕЗНОСТЕЙ ЛЕСА Пушномеховая и мясодичная продукция лесных животных Физикогеографические формы лесов Социальнокультурные формы лесов Данная группировка лесов отражаем специфику природных условий регионов и возможность использования лесных ресурсов. 1 Один из наиболее ценных компонентов лесных ресурсов - древесина. Области ее применения обусловлены свойствами и вещественным составом. Древесина состоит из органической массы, большую часть которой составляют высокомолекулярные соединения с небольшими примесями минеральных веществ(0,3-1,1 % от общей массы). Сухая древесина содержит 49-50 % углерода, 6-7% водорода, около 44-45 % кислорода и около 1 % азота. Углерод и водород обуславливают топливную ценность, а малая доля минеральных соединений - низкую зольность древесины. Древесина имеет сложный вещественный состав. Основу ее составляют целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, которые образуют клеточную оболочку. Целлюлоза* имеет волокнистое строение и представляет природный полимер стойкий к обычным растворителям (спирты, эфиры и т.д.). В сухой древесине ее содержание превышает половину массы. В хвойных породах содержание целлюлозы больше, чем в лиственных. При этом волокна лиственных пород тоньше, в 2-3 раза короче хвойных. Лиственная древесина структурно сложнее, быстрее поражается гнилью. Все это усложняет получение целлюлозы, ухудшает качественные показатели конечной продукции. В промышленности отдают предпочтение использованию хвойных пород. Второе важное вещество древесины – гемицеллюлоза.* Она по химическому составу близка к целлюлозе и представляет смесь сложных сахаров (гексозаны, пентозаны и других веществ). Гемицеллюлоза легко гидролизуется с образованием простых сахаров (пентозы, гексозы) и полисахаридов (крахмал, гликоген и др.), которые образуют спирт под воздействием дрожжей. Ее содержание в хвойных породах составляет 17-20, лиственных - 30-35% от общей массы. Третьим основным компонентом является лигнин* - сложное соединение органических веществ, составляющее 17-30% древесины. Лигнин ухудшает качество целлюлозы, бумаги, не гидролизуется и при глубокой переработке древесины образует побочный продукт. Он легко растворяется в горячих щелочах, окислителях и других реагентах. До пяти процентов древесины составляют жиры, смолы, воск, белок, красящие, дубильные и другие вещества. Древесина имеет сравнительно небольшой удельный вес и остаточную прочность, хорошие изоляционные свойства, легко обрабатывается, устойчива к внешнем) воздействию и др. В Беларуси по данным причинам все леса отнесены к первой и второй группам. Доля первой группы в общей площади лесного фонда составляет более половины. В России преобладают в общей площади лесного фонда леса третьей группы и только 1/5 составляют леса первой и второй группы. *Данным символом отмечены в пособии слова, объяснение которых дано в словаре терминов на страницах 81-82. 1 5 Все это делает ее универсальным материалом и благоприятствует широкому применению в различных отраслях хозяйства (рис. 2). Таким образом, древесина содержит различные вещества, что обусловливает важность комплексного использования. На современном папе до 9/10 заготавливаемой древесины направляют на механическую и химическую переработку. Для сравнения отмстим, что в начале XX столетия более половины ее использовалось в качестве дров. Из древесины получают более 25 тыс. изделий и только около 1% из них - механическим способом. Древесина - это топливо, строительный, конструкционный материал, сырье для промышленности. При этом наиболее эффективна продукция глубокой переработки древесины. 1.1. Заготовка древесины Заготовка древесины - первичный этап использования лесных ресурсов. В промышленности она включает лесосечные работы, транспорт древесины и ее разделку, работы на лесных складах, отгрузку продукции сухопутным и водным транспортом и проводится в республике преимущественно леспромхозами (лесопромышленными хозяйствами).1 Они состоят из отдельных цехов: лесозаготовительных пунктов, мастерских, участков, нижних складов. В составе леспромхозов могут быть и производства по первичной обработке древесины, утилизации отходов. Такие сочетания лесозаготовок и переработки древесины позволяют эффективнее использовать лесные ресурсы. Производственный процесс леспромхозов имеет особенности по сравнению с предприятиями других отраслей промышленности, в которых он осуществляется в достаточно стабильных условиях. Заготовку древесины проводят под открытым небом в разнообразных естественных и производственных условиях. Предметы труда имеют различные количественные и качественные характеристики, сырье – малую территориальную концентрацию (малый запас древесины на лесных площадях). Цеха и производственные участки леспромхозов территориально разобщены. Все это требует индивидуального подхода к разработке лесных ресурсов, отрицательно сказывается на управлении производством, показателях эффективности, механизации производственных процессов. Для заготовки древесины органы лесного хозяйства отводят леспромхозам лесные эксплуатационные массивы на длительное освоение. В их составе выделяют годовые секторы рубок - лесосеки, которые 1 Древесину заготавливают также самозаготовители и лесхозы - предприятия лесного хозяйства Основная функция лесхозов - рациональное воспроизводство лесных ресурсов и подготовка их к промышленному использованию. Заготовка древесины для них побочная деятельность. Транспорт леса в заготовительной промышленности проводят также специализированные предприятия: сплавные конторы, рейды, лесоперевалочные биржи и комбинаты. 6 7 Рис. 3. Схема территории лесного эксплуатационного массива. 1 - 69 - лесосеки 8 подразделяют на секции-участки, тяготеющие к одной погрузочной площадке. С целью организации лесосечных работ лесосеки делятся на пасеки. На каждой из них валку древесины проводят определенным способом. Заготовкам древесины предшествует подготовительный этап, в который проводят мероприятия безопасной и эффективной организации основных заготовительных работ. На всей площади эксплуатационных массивов создают разветвленную транспортную сеть. Она включает магистрали, ветки, усы.1 Собирательный характер лесовозных путей обусловливает создание дорог с различными сроками действия, пропускной способностью. Магистрали предназначены для доставки древесины на нижний склад и эксплуатируются, в течение всего периода освоения лесных ресурсов. Они, как правило, разделяют эксплуатационные массивы на две равные части. В обе стороны от нее прокладывают ветки, которые используют для вывозки древесины с определенного участка и эксплуатируют до 10 лет. Наименее напряженный элемент транспортной сети лесовозный ус. Он в зависимости от почвенно-климатических условий имеет грунтовое, гравийное или сборно-разборное покрытие из плит кратковременного действия и обычно эксплуатируется не более одного года. Эксплуатация уса зависит от периода рубки древесины на площади, тяготеющей к нему. Усы проложены от лесосеки (погрузочной площадки) до постоянных транспортных путей и примыкают обычно к лесовозным веткам, а ветки - к магистралям (рис.3). В подготовительный период убирают опасные и сухостойкие деревья, создают погрузочные площадки, пункты (верхние склады), трелевочные волоки, на которых убирают пни, камни, выстилают заболоченные участки. Первичные работы по заготовке древесины - лесосечные. Они состоят из валки (рубки) и трелевки древесины. Валку проводят с корневой системой и без нее. Деревья в лесу расположены на большой территории, что создает трудности для механизации работ. До первой половины XX столетия эта операция выполнялась преимущественно примитивными средствами: топорами, ручными пилами. Первые попытки механизировать этот процесс осуществлялись на основе паровых пил, а позже мотопил.2 На современном этапе валку леса проводят в основном бензопилами с отделением дерева от корневой и нижней части отвала. Все больше применяют специальные машины на базе тракторов. Такие лесные машины срезают деревья, формируют из них пакеты, перевозят к погрузочным пунктам. Применяют машины, которые выполняют только одну функцию, либо сочетают несколько операций. От выполняемых функций, их совокупности существуют названия лесных машин: валочные, пакетирующие, трелевочные, валочноВ России при освоении лесных массивов для вывозки каждого миллиона куб. м древесины строят около 30 км постоянных магистральных дорог и веток и до 160 км временных. 2 Первые мотопилы в Беларуси появились в довоенные годы. 1 9 трелевочные, сучкорезно-пакетирующие. Созданы машины, осуществляющие валку леса выдергиванием деревьев с корневой системой. Это позволяет извлекать почти всю массу дерева. При традиционном способе валки в виде пня, корней на лесосеке остается до 5% биологической массы дерева. Однако такая заготовка древесины требует больших энергетических затрат. Поэтому ее проводят редко, в основном при подготовке территории под водохранилище, для других земельных угодий. Применение лесных машин исключает ручной труд на лесосеках, снижает трудоемкость производства, обеспечивает наиболее высокие техникоэкономические показатели лесосечных работ и является предпочтительным направлением научно-технического прогресса на лесозаготовках. Рубку леса в регионах, как правило, проводят в объемах не больше расчетной лесосеки. Она представляет оптимальную годовую научнообоснованную норму заготовки древесины, обеспечивающую полное воспроизводство лесных ресурсов и получение с каждого гектара лесопокрытой площади наибольшего количества товарной древесины. Оптимальные размеры рубок определяют исходя из наличия технологически спелой древесины и непрерывности лесопользования. Заготовка древесины в объемах больше расчетной лесосеки ведет к истощению лесных ресурсов, увеличению в возрастной структуре доли молодых лесов. Вид рубок зависит от специфики лесного массива. В лесах 1 группы проводят только выборочную рубку промежуточного пользования в лесохозяйственных целях (ухода, восстановления породного состава и т. д.).1 При этом вырубают лишь отдельные деревья и создают благоприятные условия для воспроизводства лесных ресурсов, улучшения их количественного и качественного состава. Рубки главного пользования запрещены, а если и проводят, то ограниченно, в целях улучшения лесной среды. В лесах второй и третьей групп осуществляют рубки промежуточного и главного пользования. При последних рубках снимают всю древесную массу, в спелых насаждениях. Рубки проводят сплошным концентрированным методом леспромхозы. Такие рубки весьма удобны для высокомеханизированных заготовок, но не лучше для естественного лесовоспроизводства, и требуют искусственного облесения. В районах с преобладанием молодых и средневозрастных лесов при интенсивном ведении лесного хозяйства рубками промежуточного пользование ежегодно заготавливают более половины общего количества древесины.2 К каждому срубленному дереву невозможно подвести дорогу. Поэтому сваленные деревья собирают в пакеты и по трелевочным волокам доставляют к местам погрузки (погрузочным площадкам, верхним складам) на транспортное средство. Погрузочные площадки расположены у лесовозных Рубки промежуточного пользования проводят лесхозы. По предъявляемым требованиям и хозяйственному назначению заготавливают деловую и дровяную древесину. 1 2 10 дорог и на них концентрируют древесину. Этот процесс доставки древесины от мест валки к пунктам погрузки называют трелевкой. Трелюют древесину в хлыстах* и деревьями по пасечным трелевочным волокам. Этот процесс проводят в сложных условиях бездорожья специальной техникой на тракторной основе. В горных районах, на заболоченных участках трелевку осуществляют канатными установками, а на крутых склонах по специальным лесоспускам в лотках. С участков концентрации древесины у лесовозных дорог ее доставляют в места первичной обработки - нижние склады. Этот процесс называют вывозкой древесины. Для вывозки древесины, отгрузки ее потребителю используют водный и сухопутный транспорт. Способ вывозки зависит от рельефа, лесного массива, его расположения. Основную часть древесины в хлыстах, сортаментах и деревьями по лесовозным дорогам перевозят на нижние склады специальными автомобилями-лесовозами, а также тракторами на колесном ходу, железнодорожным транспортом, в том числе и узкой колеи. Водная транспортировка - наиболее дешевый способ доставки древесины. Особенно распространена при доставке древесины потребителю и меньше - на нижние склады. Поэтому большинство лесоперерабатывающих предприятий расположено по берегам рек. Недостаток водной доставки древесины состоит в сезонном характере ее транспортировки, что требует больших запасов сырья на складах. Сухопутная доставка - дороже, но позволяет сырье поставлять потребителю в течение года, что снижает затраты на содержание складского хозяйства. Поэтому наиболее целесообразно размещение лесоперерабатывающих предприятий на пересечении водных и сухопутных магистралей. Водную транспортировку древесины осуществляют на специализированных судах-лесовозах, баржах, а также сплавом в плотах, кошельным и молевым. Самый простой способ сплава – молевой. При этом древесина перемещается вниз по реке в свободном состоянии силой течения. Таким способом, возможно, сплавлять древесину по малым несудоходным рекам, в короткий период половодья, когда уровень воды достаточный для сплава леса. Это позволяет вовлечь в эксплуатацию отдаленные лесные участки в районах с неразвитой транспортной системой. Однако при молевом сплаве образуется топняк, древесина выбрасывается на берега, это обусловливает ее потери, препятствует движению рыб, заваливает реки до дна бревнами и превращает их в "деревянные". По этой причине молевой сплав ограничен на малых реках, имеющих нерестовое значение. При кошельном сплаве бревна находятся на плаву свободно и не связаны друг с другом. Древесина па плаву имеет специальное ограждение оплотником и образует круглой, сигарообразной формы кошели, которые перемещают буксировкой. Такой сплав используют по водоемам с небольшим течением воды (озера, водохранилища, низовья рек). Сплав в плотах проводят силой течения реки, буксировкой по рекам, озерам и морям. На речных рейдах, льду реки и берегах отдельные бревна связывают 11 проволокой, цепями, тросом и образуют пакеты, из которых формируют плот. Этот процесс осуществляют как ручным, так и машинным способом. Таким образом, на различных этапах заготовки древесины осуществляют ее перемещение определенными способами, перегрузку с одного вида транспортного средства на другой. Это требует различных типов складов, на которых формируют определенные запасы древесины, и тем самым создают необходимые условия для регулярной отгрузки и доставки сырья потребителю. По значению в лесозаготовительном процессе, виду перерабатываемой древесины, особенностям стыкующихся транспортных путей и другим признакам проводят типологию лесных складов. По месту в лесопромышленном производстве выделяют верхние, нижние, потребительские склады, лесоперевалочные базы, лесные биржи, порты.1 Верхние склады (погрузочные пункты) представляют места концентрации древесины и ее перегрузки на стыке лесосечного транспорта и путей (усы, ветки) лесовозного транспорта. Нижние склады - пункты концентрации древесины, первичной ее обработки и отгрузки лесоматериалов потребителю в стыках транспорта лесовозного и общего пользования: железнодорожного, водного. В зависимости от вида транспорта общего пользования выделяют два типа нижних складов - прирельсовые и приречные. Склады первого типа расположены в местах пересечения лесовозного транспорта и железных дорог, второго - сплавных рек. На нижних складах проводят разгрузку, штабелевку, погрузку древесины, раскряжевку хлыстов на сортаменты. При вывозке древесины деревьями очищают их от сучьев, кроны. Это трудоемкий процесс. Первоначально его проводили на лесосеке только мотопилами, в последующем - передвижными сучкорезными машинами на верхних складах, погрузочных площадках, что улучшило условия труда, особенно зимой, снизило трудовые затраты. Очистка деревьев от сучьев на нижних складах позволила концентрировать этот процесс, использоватъ полуавтоматические линии, сосредоточить получение отходов в одном месте и создать благоприятные условия для их утилизации на производительном оборудовании, комплексного использования древесины. Эффективнее по этой причине перенос и раскряжевки хлыстов с верхних складов на нижние, где этот процесс проводят не бензопилами, а на полуавтоматических линиях. При этом получают сортаменты: пиловочник, шпальник, строительный лес, балансы, фанерные, тарные, спичечные, В составе леспромхозов основными видами являются верхние и нижние склады. Другие типы складов характерны для стадии транспортировки древесины потребителю. Лесоперевалочные базы - места концентрации переработки и отгрузки лесоматериалов в стыке разных видов транспорта общего пользования (железнодорожного и водного). Потребительские склады - пункты сосредоточения сырья лесопильных, целлюлозно-бумажных, горнорудных и других предприятий. Лесные порты - места концентрации, переработки и отгрузки лесоматериалов на стыке транспортных путей внутри государственного пользования и международных водных линий 1 12 лыжные, карандашные, резонансные и другие кряжи,* всего более 40 видов продукции. На нижних складах могут быть также производства первичной переработки древесины - лесопиление, выпуск тары, хвойновитаминной муки, производство колотых дров, технологической щепы, древесных плит (рис. 4). Заготовка древесины ведет к уничтожению лесов, нарушению естественных ландшафтов. Для их восстановления и сохранения важно проводить рациональные рубки леса, не допускать заготовки древесины больше расчетной лесосеки. Механизация лесосечных работ приводит к использованию мощных, тяжелых машин, которые нарушают почвеннорастительный покров и тем самым замедляют, усложняют воспроизводство лесных ресурсов. Для сохранения ценного подроста важно совершенствовать трелевочные работы на основе создания рациональной системы волоков, преимущественной трелевки древесины деревьями. Экологические проблемы на лесозаготовках тесно связаны с рациональным использованием лесных ресурсов. При лесосечных работах до половины запасов древесных ресурсов образуют отходы в виде кроны, сучьев, пней, валежника, нетоварной древесины. Отходы, оставленные на лесосеке, захламляют ее, являются источником лесных пожаров, распространения вредителей леса, препятствуют лесовосстановлению. Поэтому лесосеки необходимо очищать от отходов и утилизировать их. Меньшей захламленности лесосек способствует трелевка древесины деревьями. При этом на лесосеках практически не остаются сучья. Рациональное использование лесных ресурсов предполагает вовлечение в производство всего лесосечного фонда, снижение потерь древесины при заготовках. При рубках допускают частичное использование лесосеки, оставляют низкосортную древесину, особенно лиственных пород, лес теряют при сплаве. Первостепенное значение имеет утилизация отходов. В самых лучших леспромхозах лесосечную некондиционную древесину утилизируют менее половины. Особого внимания заслуживает производство щепы, витаминной муки, лечебных препаратов из крон, которые составляют 14-15 % массы дерева. Все это уже на первоначальной стадии использования лесных ресурсов позволит больше получать продукции из каждого дерева и сохранить леса в естественном виде. 1.2. Производство пиломатериалов Первичная и наиболее распространенная обработка древесины лесопиление. Его сущностью является получение пиломатериалов из балансов, кряжа, лесных сортаментов способом продольного и поперечного деления бревна на части. Сырье в виде бревен, хлыстов поступает водным, железнодорожным транспортом на склад лесопильных заводов, где его сортируют, укладывают в штабеля и хранят. На складах осуществляют раскряжевку хлыстов на сортаменты, очищают их от коры, что повышает 13 ДРЕВЕСИНА СОРТАМЕНТЫ ДЕРЕВЬЯ ХЛЫСТЫ РЕЗЕРВНЫЙ ЗАПАС ПРОИЗВОДСТВО ХВОЙНОВИТАМИННОЙ МУКИ ОЧИСТКА ДЕРЕВЬЕВ ОТ СУЧЬЕВ РАСКРЯЖЕВКА ПРОИЗВОДСТВО ЩЕПЫ сортаменты СОРТИРОВКА ЛЕСОПИЛЕНИЕ пиломатериалы ШТАБЕЛЕВКА СОРТИРОВКА ТЕХНОЛОГИ ЧЕСКАЯ ЩЕПА ПРОИЗВОДСТВО ТАРЫ ТОПЛИВНАЯ ЩЕПА ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ СКЛАДИРОВАНИЕ ОТГРУЗКА ПОТРЕБИТЕЛЮ Рис. 4. Схема основных работ и производств на нижнем складе. 14 производительность оборудования и качество продукции. Раскрой пиловочника проводят в лесопильных цехах. Они характеризуются составом и объемами выпускаемой продукции, особенностями сырья, способами раскроя и использования отходов. Способы раскроя бревен зависят от наибольшего выхода товарной продукции, технических требований к ней. Основное из них - ориентация пластей - широкой стороны пиломатериалов относительно годичных слоев древесины. По данному признаку пиломатериалы бывают радиальными, тангенциальными и смешанными. У радиальной продукции пласти расположены перпендикулярно годичным слоям, т.е. широкая сторона пиломатериала направлена по радиусам поперечного сечения бревна. Пласти тангенцальной продукции расположены по касательной относительно годичных слоев. Расположение пластей к годичным слоям важно в специальных видах пиломатериалов, так как от этого зависят их свойства. У радиальной продукции меньше изменение линейных размеров по ширине, водопроницаемость, истираемость, лучше резонансные свойства. Из таких пиломатериалов изготавливают бочки, паркет, музыкальные инструменты. Для выпуска лыж применяют тангенцальные бруски. Выработка продукции с пластями по радиусам затруднена. Поэтому к радиальной продукции относят пиломатериалы, у которых пласти расположены к годичным слоям под углом не менее 450. Некоторые пиломатериалы при ориентации на годичные слои получают из определенных частей дерева. Так, заготовки для винных бочек вырабатывают из ядровой зоны бревна, ближе расположенной к его продольной оси. Большую часть пиломатериалов получают без учета расположения пластей к годичным слоям. Пиломатериалы - продукция раскроя пиловочника, рассортированная по видам, размерам, качеству и предназначенная для выработки деталей и заготовок из древесины. По степени обработки они бывают обрезные и необрезные. Обрезные пиломатериалы имеют пропиленную поверхность с четырех сторон, необрезные - только с двух. В зависимости от размеров пиленую продукцию подразделяют на доски, брусья, бруски (рис. 5). Доски имеют ширину, превышающую толщину в 2 раза, брусья - ширину и толщину более 100 мм, бруски - ширину, не превышающую двойной толщины.1 Отпиленные боковые части бревен называют горбылем. По положению пластей относительно продольной оси пиловочника доски бывают сердцовые, центральные и боковые. Сердцовые доски включают ядровую зону бревна, а пласти расположены симметрично продольной оси. У центральных досок одна пластъ проходит вдоль продольной оси бревна, а другая параллельно ей, на расстоянии толщины доски. Остальные доски называют боковыми (рис.6). Узкие боковые стороны, перпендикулярные пластям, называют торцами. Пересечение поверхностей сторон пиломатериалов – ребро. Непропиленная узкая боковая сторона – обзол. 1 15 16 Рис.6. Схема развального способа распиловки бревен: 1- горбыль, 2 - боковые доски первый проход второй проход Рис.7. Схема брусового (брусово-развального) способа распиловки бревен (а) (б) Рис. 8. Схема секторного способа раскроя бревен на пиломатериалы: (а) - тангенциалъные, (б) - радиальные 17 Раскрой пиловочника проводят брусовым, развальным, секторным, развально-сегментным, брусово-сегментным способами. Развальным способом пиловочник распиливают параллельно продольной оси и пропускают через лесопильное оборудование один раз. Получают необрезные доски (рис. 6). При брусовом или брусово-развальном способе пиловочник дважды пропускают через лесопильные рамы параллельно продольной оси. При первом проходе бревна вырабатывают необрезные доски, двухкантный брус и горбыль. При втором пропуске через лесопильную раму из двухкантного бруса производят необрезные доски, четырехкантный брус и горбыль (рис. 7). Развальным и брусовым способами получают пиломатериалы с различной ориентацией пластей относительно годичных слоев. Секторным способом бревно пропиливают по радиусам на сектора, а последние на радиальную и тангенцальную продукцию (рис. 8). Таким раскроем получают специальные пиломатериалы. Однако этот способ характеризуется большими отходами и трудоемкостью. Поэтому радиальную продукцию получают преимущественно развальносегментных, а тангенцальную - брусово-сегментным методами (рис. 9, 10). Они менее трудоемки, имеют больший выход товарной продукции. При развально-сегментном раскрое в центральной зоне пиловочника получают необрезные пиломатериалы, а в боковой - сегменты. Последние распиливают на радиальные доски с одной обрезной кромкой. Брусовосегментным способом бревно раскраивают на брус и сегменты, которые распиливают по касательной к годичным слоям на тангенцалъные пиломатериалы. Основную часть пиломатериалов получают брусовым и развальным способами, которые характеризуются меньшим расходом сырья, энергии, трудовых ресурсов, а готовая продукция соответствует требованиям основных потребителей. Другие способы производства имеют более высокие удельные производственные затраты*, определенное качество продукции и применяются реже в основном для получения пиломатериалов определенного назначения. Раскрой сырья проводят на лесопильных рамах, ленточных и круглопильных станках. При массовом раскрое преимущественно используют вертикальные лесопильные рамы, которые бывают стационарными и передвижными на колесном ходу, одно- и двухэтажными. Основной частью такого лесопильного оборудования является вертикальная пильная рама, в которой установлены пилы с расстоянием друг от друга на толщину пиломатериалов. Количество пил зависит от толщины сырья и необходимых размеров товарной продукции. При раскрое древесины рама совершает поступательное движение в вертикальной плоскости. В раму двумя парами вальцов подают бревно, расположенное на специальных тележках. Продольный раскрой сырья проводят также на горизонтальных лесопильных рамах, в которых пилы перемещаются в горизонтальной плоскости. Такие рамы менее производительны и используются для индивидуальной распиловки крупномерных бревен ценных пород. 18 угол наклона пластей к годичным слоям Рис.9. Схема развальносегментного способа распиловки бревен на радиальные материалы Рис. 10. Схема брусовосегментного раскроя бревен на тангенциальные пиломатериалы остаток направление /карандаш/ вращения чурака Рис.13. Схема лущения 19 Все большее значение приобретает распиловка бревен на ленточнопильных станках. В них на два шкива натянута пильная лента. Она совершает движение и осуществляет распиловку последовательными резами (рис 11). Бревно расположено на специальной тележке и при каждом пропиле лентой устанавливают его в новое положение. Управление станком осуществляют с пульта. Ленточной распиловкой возможно получать продукцию из однородной зоны и лучше использовать качественные особенности древесины по сравнению с раскроем на лесопильных рамах. Поэтому такое производство пиломатериалов особенно целесообразно из пиловочника большого диаметра с пороками, ценных пород, в которых резче выделены качественные зоны древесины. Распиловка крупномерного сырья на ленточных станках более производительна, чем на лесопильных рамах. В результате раскроя сырья образуется стружка, которая имеет более широкие области утилизации, чем опилки лесопильных рам. Созданы высокопроизводительные автоматизированные станки с двумя, четырьмя летами, которые возможно использовать как при индивидуальной, так и групповой распиловке бревен. Круглопильные станки применяют для распиловки тонких бревен, брусьев. При этом пиловочник на пилу подают с помощью вальцов, тележки. По количеству пил станки бывают одно- и многопильными. Они дают больший пропил, меньше точность пиломатериалов по сравнению с двумя предыдущими лесопильными установками. Основное преимущество таких станков - простота конструкции, небольшая стоимость и высокая производительность при распиловке тонкомерного сырья. В лесопильных цехах с основным оборудованием совмещают фрезернопильные агрегаты, перерабатывающие тонкомер, отходы (горбыль, рейку) в технологическую щепу. Пиломатериалы сортируют по породам, размерам, назначению, просушивают в естественных условиях, специальных камерах и получают товарную продукцию. В лесопилении 1/3 древесины образует отходы: горбыль, рейки, вырезка дефектных мест, кора, стружка, опилки. Они могут быть использованы как вторичные ресурсы для получения целлюлозы, бумаги, древесных плит, товаров народного потребления. Из кусковых древесных отходов вырабатывают щепу, мелкие клееные заготовки и др. Менее ценные отходы-опилки, которые перерабатывают в древесную муку, продукты гидролиза 1. Из коры получают дубильные вещества, строительные материалы. Поэтому важно утилизировать все отходы лесопиления, что позволит рационально использовать лесные ресурсы. Древесную муку используют как наполнитель пластмасс, парфюмерной пудры, линолеума. 1 20 21 Технико-экономическая специфика производства пиломатериалов характеризуется средней материалоемкостью. На 1 куб м пиломатериалов расходуют 1,5 куб. м древесины, что в определенной степени ориентирует размещение предприятий на сырьевые районы. Значение древесных ресурсов в территориальной организации лесопиления усиливает лучшая транспортабельность товарной продукции по сравнению с пиловочником. Упакованные пиломатериалы не имеют пустот, компактны и рациональнее используют грузоподъемность транспортного средства, чем круглый лес. Конкретное размещение крупных центров лесопиления во многом зависит и от транспортно- географического положения. Сырьевая база имеет собирательный характер. Создание крупного производства вблизи лесосеки невозможно. Это требует транспортировки древесины в определенные пункты. С этой позиции наиболее благоприятные условия для организации производства имеют пункты по берегам сплавных рек, в их устье, на пересечении сплавных рек и железных дорог. В такие места легче доставлять сырье и отправлять товарную продукцию потребителю. 1.3.Производство фанеры, древесных плит Фанера - тонкая листовая древесина, используемая для облицовки изделий и как конструкционный материал 1. Она бывает клееной и строганой. Клееная фанера представляет лист древесины, толщиной несколько миллиметров и состоящий обычно из трех и более склееных слоев шпона, а иногда и других композиционных материалов (металлический лист, резина, асбест и др.). Такая фанера характеризуется большей прочностью, чем слой древесины аналогичной толщины. Монолитная тонкая древесина имеет большую силу сопротивления к продольному растяжению и меньшую - к поперечному, так как прочность древесных волокон поперек в 15-20 раз меньше, чем вдоль. Клееная фанера из-за перпендикулярного расположения волокон отдельных слоев обладает почти одинаковыми характеристиками сопротивления и растяжения во всех направлениях. Она устойчива к изменениям температуры, влажности, гниению, может обладать специальными свойствами. Фанера с композиционными материалами имеет повышенную эластичность, герметичность, прочность. Армированную Тонкие склеенные дощечки древесины были известны 3,5-3,0 тыс. лет до н. э. в Египте, Греции, Риме. В древности применение такой древесины было одним из способов улучшения ее свойств. Но массовое производство фанеры сдерживалось отсутствием экономичных способов получения тонких листов древесины. В начале ХIХ столетия (1819 г.) впервые были получены такие листы древесины безопилочным резание методом лущения в Ревеле (г. Таллинн). 1 22 фанеру металлическими листами, сеткой применяют как нагревательный элемент - электрофанера. Фанера, опыленная металлическими порошками (меди, свинца, алюминия и др.) получает название металлизированной. Покрытый свинцом шпон задерживает радиоактивное излучение, асбестом - не тлеет и не горит при температурах до 1000°. Клееная фанера, покрытая с двух сторон асбестом и цементом получает водо-, кислото-, огнестойкие свойства и применяется в вагоно-, судостроении. Фанера из четных слоев самопроизвольно сворачивается в трубу. Такие трубы выдерживают повышенное давление, устойчивы к химическому воздействию и применяют для транспортировки воды, нефти, химических растворов и др. Все это позволяет использовать фанеру как полноценный заменитель пиломатериалов в производстве изделий из древесины в деревообработке, строительстве и других отраслях. При этом 1 куб.м фанеры заменяет 3,5-5 куб.м пиломатериалов. Следовательно, применение фанеры взамен пиломатериалов позволяет рациональнее использовать лесные ресурсы, в том числе на основе более полного вовлечения в производство лиственных пород. Основное сырье для производства фанеры - древесина лиственных пород. В умеренных широтах - это преимущественно береза, реже ольха, липа, осина, тополь.1 Береза имеет достаточную прочность, однородную структуру. Ограниченное применение других лиственных пород обусловлено худшими технологическими свойствами и небольшими запасами. Вырабатывать фанеру возможно из кедра, сосны, лиственницы, ели, пихты. Однако шпон из хвойных пород, кроме кедра, - менее прочный, имеет более шероховатую поверхность. Существуют технологические трудности склеивания такой древесины. Сырье на фанерные заводы доставляют сухопутным и водным транспортом в кряжах (рис. 12). Фанерные кряжи на окорочных или лущильных станках очищают от коры. Это повышает производительность основного оборудования, снижает износ ножей, улучшает качество шпона. Очищенный кряж распиливают на части длиной 1-2 м - чураки, которые подвергают гидротермической обработке пропариванием в бассейнах, в камерах, автоклавах. В результате древесина становится более плотной, мягкой и при снятии тонкого слоя не образуются разрывы, трещины. Одна из основных операций производства фанеры - лущение древесины. Она производится на лущильных станках. На них чураки закрепляют двумя шпинделями и сортаменту сообщают вращательное движение. К заготовке подводят нож (режущий инструмент) по ширине чурака. Режущему инструменту придают поступательное движение в направлении оси вращения чурака. Срезают шпон - тонкий слой древесины, длина которого составляет несколько метров и зависит от толщины чурака. В мире для изготовления фанеры используют древесину более 100 пород, из которых лиственные составляют 85%. В Северной Америке основное сырье фанерного производства - хвойные породы: дугласова пихта, сосна южная, хемлок. 23 Рис. 12. Схема производства фанеры 24 Происходит процесс снятия тонкой ленты древесины, как при раскручивании рулона бумаги (рис.13). Оставшаяся часть древесины (до 17% объема заготовки) после лущения чурака на шпинделях образует отход карандаш. Шпон разрезают на отдельные листы, просушивают от избыточной влаги, сортируют по порокам древесины и дефектам обработки, проводят починку листов, которые склеивают синтетическими смолами (карбамидными, фенолформальдегидными и др.), белковым клеевым веществом. В клей для улучшения эксплуатационного качества, придания определенных свойств, уменьшения его удельного расхода вводят наполнители: древесная, зерновая мука, лигнин, каолин, мел, гипс, размолотое стекло и др., пластификаторы: глицерин, сахара, сложные эфиры. Количество слоев в фанере обычно нечетное, так как в этом случае она сохраняет лучше плоскую форму, в том числе при воздействии влаги, имеет повышенные механические показатели. При четном количестве слоев фанера хорошо сворачивается в трубу. Склеивание шпона проводят холодным и горячим способами в прессах. При холодном склеивании соединение шпона осуществляют без нагрева при постоянных температурах 18-20°. Снижаются энергетические затраты. Прочность соединения листов зависит от свойств клея, и она несколько меньше, чем у фанеры, склеенной горячим способом. Широкое применение такого способа сдерживает отсутствие высокопроизводительного оборудования. Основную часть фанеры производят горячим прессованием. При этом склеиваемую фанера нагревают теплоносителями (пар, нагретое масло, высокотемпературные органические жидкости и др.), что снижает почти в 2,5 раза норму расхода клея. Товарная продукция имеет лучшие качественные характеристики. Склеенный шпон обрезают, сортируют, шлифуют, маркируют и получают товарную фанеру. На 1куб.м фанеры расходуют 2,3-3 куб.м кряжа, 1,5-3,5 г пара, до 100 кВт•ч энергии, 35 кг клея. Расход сырья зависит от качественных и породных характеристик, сортового состава товарной продукции, технологических особенностей производственного процесса. Следовательно, более половины объема основного сырья образуют отходы в виде кусков шпона, обрезков, карандаша, безвозвратных потерь при сушке. Поэтому актуальна проблема рационального использования сырья, утилизации отходов. Из них на заводах вырабатывают в специальных цехах древесностружечные плиты, тару, игрушки, корзины и др. Из березовой коры, возможно, получать уксусную кислоту, деготь и другие продукты. Технико-экономическая специфика производства фанеры характеризуется большим удельным расходом древесины. Высокая материалоемкость производства обусловливает территориальную ориентацию предприятий на сырьевые районы, а применение мягких лиственных пород – к подзоне смешанных лесов. 25 При этом, также как и в лесопилении, конкретный пункт размещения предприятия зависит от выгодности транспортно-географического положения1. Строганую фанеру производят из твердых лиственных пород с хорошей декоративной структурой древесины (дуба, ореха, бука, красного дерева и др.). Из фанерного кряжа - бревен длиной до 6 м на ленточных станках выпиливают брус или по двум перпендикулярным диаметрам - четверти, которые, как и сырье для выработки клееной фанеры, предварительно проваривают, пропаривают. Из сырьевых заготовок на строгальных станках снимают тонкие листы древесины. Строганый шпон применяют как отделочный материал. Такую фанеру получают в районах, достаточно обеспеченных древесиной ценных лиственных пород. Древесные плиты бывают древесноволокнистыми и древесностружечными. Они представляют спрессованную массу измельченной древесины в виде листов или плит, имеют достаточную механическую прочность, устойчивость к внешнему воздействию, хорошие теплоизоляционные и другие свойства. Древесные плиты могут быть облицованы декоративным шпоном, пластиком. Все это позволяет использовать их как заменитель пиломатериалов в деревообработке, машиностроении, строительстве и других отраслях хозяйства. Каждый кубический метр древесно-стружечных плит заменяет до 3 куб.м, а тысяча квадратных метров древесноволокнистых - 13 куб.м пиломатериалов. Экономический эффект от применения древесных плит усиливается использованием отходов лесозаготовок, деревообработки, целлюлознобумажной промышленности для их производства. Древесноволокнистые плиты (ДВП) – получают из волокон древесины и других растений. Основное сырье - дровяная древесина, отходы лесозаготовок, лесопиления, деревообработки, которые поступают на предприятия в виде технологической щепы.2 Используют также отходы щепы дубильно-экстрактных заводов, лесохимии, непроваренные волокна, сучки целлюлозного производства. Следовательно, производство ДВП технологически связано с другими предприятиями по заготовке и переработке древесины, что обусловливает территориальное комбинирование выпуска плит в центрах образования отходов, как производств по их утилизации. Волокнистые плиты производят сухим и мокрым способами. При мокром способе измельчают древесину, щепу размалывают до волокнистой массы необходимых размеров и смешивают с водой. Вода необходима для транспортировки волокон и отливки плит. На 1 т волокнистой массы расход воды достигает 100 куб.м. Береза имеет большой удельный вес. Поэтому ее доставляют в основном сухопутным транспортом, а не сплавом. 2 Волокнистые плиты вырабатывают также из тростника, камыша, рогоза, соломы, отходов сахарного тростника, костры, стеблей кукурузы, хлопчатника, подсолнечника. 1 26 Волокнистую массу проклеивают, пропитывают эмульсионными растворами канифоли, парафина, сульфатного мыла, сульфатной барды, глиноземом, синтетическими смолами и другими веществами для придания плитам определенной влагоустойчивости, прочности и других свойств. Проклеенную массу подают в отливочную машину, где формируют волокнистый ковер плит и обезвоживают сырьевую массу. Влажные плиты прессуют горячим способом, пропитывают льняными, тунговым маслами, олифой, проводят термическую обработку для улучшения их качества. Полученную плиту обрезают по бокам, раскраивают по длине и складируют. В зависимости от назначения, степени уплотнения, склеивающих материалов изготавливают мягкие, твердые и специальные волокнистые плиты.1 Твердые ДВП применяют как листовой материал для обшивки стен, потолков зданий, изготовления мебели, строительных деталей, различных видов тары. При производстве мягких плит отлитое волокнистое полотно высушивается без прессования. Такие плиты называют еще непрессованными. Мягкие ДВП имеют вид войлокообразного ковра, высокую пористость, как у пробки, хорошие теплоизоляционные свойства. Их применяют для термо-, звукоизоляции стен, потолков, полов.2 При сухом способе производства транспортировку волокнистой массы до формирующей полотно машины осуществляют в воздушном потоке. Воду используют для пропаривания щепы, приготовления химикатов, промывки оборудования, и ее расход снижается до 4-5 куб.м на 1 т плит. Волокнистое полотно формируют настилом сырьевой массы. Время прессования сокращается в 4 раза, повышается производительность труда. Экологическое воздействие производства волокнистых плит обусловлено загрязнением воды составными веществами древесины (лигнин, сахара, органические кислоты и др.), а также химикатами пропитки сырьевой массы (парафины, фенолы, формалин и др.). Сброс таких вод в окружающую среду имеет отрицательные последствия. Поэтому важна их очистка от механических и химических примесей. Древесно-стружечные плиты (ДСП). Производство стружечных плит по сущности аналогично выпуску ДВП. Основное сырье - щепа, стружка, которые пропаривают, пропитывают синтетическими смолами, клеющими и другими веществами. Смесь прессуют, получают плиту. Производство ДСП технологически связано с утилизацией отходов лесозаготовок, деревообработки. Поэтому оно и территориально комбинируется с крупными центрами лесопиления, производства фанеры и другими предприятиями деревообработки. Специальные плиты имеют определенную пропитку, которая придает им высокую прочность, устойчивость к биоорганизмам и др. Такие плиты используют для покрытия полов. 2 Плита толщиной 1 см по изоляционным свойствам эквивалентна 9 см кирпичной кладки. 1 27 1.4. Производство целлюлозы Целлюлозу используют в основном для получения бумаги, химических волокон, искусственного меха, а также заменителя кожи, пластмасс, кинопленки, лаков, бездымного пороха и других продуктов. Ее вырабатывают на целлюлозных заводах и целлюлозно-бумажных комбинатах из древесины, камыша, тростника, соломы и других растений. Основное сырье - древесина, из которой получают 9/10 общего ее количества.1 Как отмечалось, древесина, кроме целлюлозы, содержит и другие вещества. Поэтому сущностью производства является максимальное удаление из древесины примесей и выделение целлюлозы в чистом неповрежденном виде. От степени очистки клетчатки от примесей зависит ее качество, так как их присутствие, особенно лигнина, ухудшает потребительские свойства конечного продукта: бумага быстро желтеет, снижается прочность волокон и т.д. Целлюлоза наиболее стойкое вещество древесины к химическим соединениям. На этом основан процесс удаления нецеллюлозных компонентов варкой древесины. При этом древесину подготавливают. Сырье на целлюлозных предприятиях поступает на лесную биржу, где древесину сортируют по породам и складируют. Бревна краном подают на разделочные эстакады, разрезают их на балансы - стандартные отрезки длиной 0,75-3,2 м (рис. 14). Их очищают от коры, гнили и на рубильных машинах измельчают в технологическую щепу длиной и шириной до 3 см и толщиной до 3 мм, что облегчает процесс варки. Щепу сортируют, очищают и подают по пневмотрубопроводам на бетонированную площадку для хранения. Из отходов производства - коры, возможно, вырабатывать дубильные вещества, сырье для медицинской промышленности. Техническую щепу получают также из крупнокусковых отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки. В этом случае ее выработка комбинируется с соответствующим основным производством, и готовая щепа поставляется на целлюлозные предприятия. Такая щепа дешевле, чем из балансов. При этом достигается более рациональное использование лесных ресурсов, экономится деловая древесина, сохраняются леса от рубки. Однако использование отходов заготовок древесины, лесопиления в целлюлозной промышленности сдерживается низким уровнем концентрации названных производств. Щепу варят в котлах периодического и котлах-аппаратах непрерывного действия (рис 15). При этом на сырье воздействуют паром, химикатами, которые называют варочной кислотой. Под их влиянием нецеллюлозные компоненты переходят в раствор, а целлюлоза остается. В зависимости от химического состава варочной кислоты существуют способы производства целлюлозы: кислотный, щелочной и Первая целлюлоза получена из соломы. В 50-х годах XIX столетия произведена из древесины. В России первый завод по производству целлюлозы из соломы был построен в 1870 г., а из древесины в 80-е годы. В 80-е годы XX столетия производство целлюлозы создано в Белоруссии (Светлогорск). 1 28 29 комбинированный. При кислотном или сульфитном способе на щепу в присутствии серной кислоты воздействуют бисульфитом кальция.1 Его получают в башнях, заполненных известняком, через который снизу пропускают сернистый газ, а сверху орошают водой. Сернистый газ образуется при сжигании серы или колчедана. Бисульфит кальция стекает вниз башни и подают в котел. Он расположен вертикально (высота с десятиэтажный дом) и имеет цилиндрическую форму емкостью несколько сот кубических метров. Варка длится 6-12 часов и осуществляется циклично. В конце процесса продукты варки паром струёй воды выталкивают в специальный резервуар. Котел вновь наполняют сырьем и химикатом. Более совершенная варка непрерывного действия. При этом щепа и варочная кислота непрерывно поступают в котел, а из него непрерывно получают сваренную целлюлозу. Процесс варки сокращается до 1-4 часов. Из продуктов варки выделяют жидкую волокнистую массу, содержащую до 95% целлюлозы (стежа) и растворенные в воде нецеллюлозные вещества древесины - щелоки. В отходы переходит более половины массы древесины. Таким способом варят целлюлозу из малосмолистых пород: пихты, ели. Щелочным или сульфатным способом получают целлюлозу из любых пород, в том числе отходов древесины. При этом в качестве варочной кислоты используют щелочной раствор каустической соды и сульфата натрия. Продукты варки разделяют на сульфатную целлюлозу и сульфатные щелоки. Этот способ характеризуется меньшим удельным расходом сырья, воды по сравнению с сульфитным. Получают целлюлозу лучшего качества и применяют ее для выработки химических волокон. Щелоки после регенерации повторно используют в технологическом процессе. Сваренную целлюлозу промывают водой, очищают от непроваренной щепы, мелких сучков, минеральных загрязнений, доводят до высокой степени чистоты и отбеливают кислородом, хлором, его окислами и солями, перекисью водорода, каустической содой. Отбеленную целлюлозу измельчают в мельницах и получают товарный продукт. Готовый продукт в жидком состоянии поступает в бумажное производство. При этом бумажные фабрики комбинируют с целлюлозными заводами и формируют целлюлозно-бумажные комбинаты (ЦБК).1 Создание таких сочетаний экономит материальные, трудовые, финансовые ресурсы, так как упрощается производственный процесс (рис. 16). Если целлюлозу отправляют на экспорт, предприятия, расположенные в других районах страны, ее превращают в полотно, прессуют, сушат и нарезают листы Бисульфит кальция имеет формулу Са(НSОз)2, а при его производстве из известняка происходит реакция: СаСОз + Н2О + 2SО2 =Са(НSОз)2 + СО2. 2 ЦБК, кроме целлюлозного завода и бумажной фабрики, состоят также из лесной биржи, древесномассового завода, ТЭЦ и вспомогательных производств. 1 30 ДРЕВЕСНАЯ БУМАЖНАЯ МАССА ИСТИРАНИЕ МАССА Ц Е Л Л Ю Л О З А РАСПИЛОВКА БАЛАНСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЩЕПА РУБКА БУМАГА канифоль ВАРКА ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ БРЕВНА СКИПИДАР ВАРОЧНАЯ КИСЛОТА ПАР ЩЕЛОКИ ДУБИЛЬНЫЕ ЭКСТРАКТЫ ПРОЧИЕ ПРОДУКТЫ 31 наподобие толстого картона. У потребителя ее опять превращают в жидкую массу сильной струей воды. Вырабатывают целлюлозу различных видов и марок, что зависит от способа варки и степени очистки. Выделяют жесткую, нормальную, мягкую, небеленую, полубеленую и беленую целлюлозу.1 В результате растворения нецеллюлозных компонентов в зависимости от способа варки на 1 т целлюлозы образуется до 12 т сульфитных и сульфатных щелоков. Присутствие кислоты при сульфитной варке целлюлозы гидролизует сложные сахара, увеличивает в щелоках количество простых сахаристых веществ. Поэтому после нейтрализации из 1 т сульфитных щелоков сбражживанием получают до 100 л этилового спирта. Барда - сырье производства кормовых дрожжей. Обезвоженную барду применяют как крепитель литейной формовочной массы, безобжигового кирпича, при флотации, в выработке моющих средств, электродов, изоляционного картона и других товаров. Из каждой тонны сульфитных щелоков вырабатывают 5-6 кг пищевого ванилина.2 Из них возможно получать муравьиную, уксусную кислоты, фурфурол, скипидар, дубильные экстракты, метиловый спирт и другие продукты. Сульфатные щелоки не пригодны для получения спирта, так как при варке целлюлозы отсутствует кислота, которая осахаривает гемицеллюлозу. Сульфатные щелоки направляют на регенерацию (восстановление). Из них выпаривают воду, остаток сжигают. Получают пар и химические соединения, которые используют повторно в варочных котлах. Кроме щелоков, образуются газообразные отходы, содержащие окислы углерода, азота, серы, сероводород, углеводороды и другие соединения. Они частично абсорбцией улавливаются и утилизируются для получения сульфатного мыла, таллового масла, жирных кислот3. Сернистые соединения применяют как вещество, придающее запах природному газу. Лигнин щелоков возможно использовать для частичной замены фенолов в производстве пластмасс, оболочковых форм, как наполнитель искусственной кожи, частичный заменитель сажи в шинной промышленности. Неполная утилизация отходов, отсутствие и плохая работа очистных сооружений обусловливают попадание вредных веществ в воздух, водоемы. Вопросы охраны окружающей среды целлюлозного производства усиливаются высокой водоемкостью и использованием химически активных веществ. Особого внимания заслуживает загрязнение воды непроваренными Жесткая целлюлоза содержит долю лигнина более 3%, мягкая - менее 2%. Обычно ванилин получают из вьющегося тропическою растения – ванили. 3 Сульфатное мыло представлено солями натрия, из которых вырабатывают талловое масло. На 1т целлюлозы из сосны образуется до 120 кг сульфатного мыла. Талловое масло применяют для пропитки древесных плит, в мыловарении как заменитель жиров, при изготовлении лаков, олифы. Из него получают канифоль. 1 2 32 остатками древесины, волокнами целлюлозы, которые в виде мощного слоя органики накапливаются на дне водоемов, подвергаются разложению. Как следствие, нарушение водно-химического состава воды, что приводит к гибели растительности, животных. Особенно это проявляется в водоемах с качественной водой, где минимальное нарушение ее состава имеет отрицательное последствие для уникального биологического мира, как на озере Байкал. Выбросы вредных веществ в воздушное пространство вызывают высыхание растительности. Улучшение экологической обстановки в центрах целлюлозного производства связано с совершенствованием технологических процессов, при которых вредные выбросы в атмосферу, водоемы сведены до минимума или вовсе исключены. Разработаны способы варки целлюлозы без серосодержащих соединений, которые требуют больших затрат на создание безвредных процессов для окружающей среды из-за высокой стоимости очистных сооружений. Снизить потребление природной воды, образование и выбросы грязных стоков в водоемы в 10 раз позволяют внедрение водооборотных систем. Технико-экономическая специфика целлюлозного производства состоит в высокой материало- и водоемкости. На 1 т целлюлозы расходуют около 5 куб.м древесины, 100 кг серы и 200 кг известняка, 50 кг сульфата натрия, 20 кг каустической соды и 500-650 куб.м воды. Большой расход сырья обусловливает территориальное макроположение предприятий в районах лесных ресурсов.1 Конкретное расположение здесь заводов зависит от водных ресурсов. При этом значение имеет не только общая водообеспеченность территории, но качество воды, так как производство целлюлозы высокой химической чистоты для конденсаторной, кабельной бумаги требует воды с малым содержанием солей. Значение водных ресурсов в размещении целлюлозных предприятий усиливается сплавом леса по рекам, озерам. Производство целлюлозы из камыша, тростника осуществляют хлорнощелочным способом. Сырье заготавливают зимой. Такую целлюлозу получают в районах, хорошо обеспеченных данными растениями (Астрахань-Россия, Кзыл-Орда - Казахстан, Измаил - Украина). 1.5. Производство бумаги, картона Бумага - это материал в виде тонкого листа из растительных волокон, обработанных определенным способом2. Современное общество трудно Потребление деловой древесины крупными целлюлозными заводами составляет около 2 млн. куб. м в год, воды - более 50 млн. куб. м. 2 Первую бумагу изготовили китайцы в начале П века. В УШ веке с помощью пленных китайцев была создана бумажная мастерская в Самарканде. В Европе первую бумагу изготовили в Испании в 1150 г., Италии - 1154г., а позже в других странах. В России производство бумаги основано в 1565 г., Беларуси (Добруш, Шклов) - конец XIX - начало XX столетия. Первоначально бумагу использовали для письма и печатной продукции. 1 33 представить без производства и потребления бумаги. Основную часть ее применяют для издания печатной продукции. Из нее заготавливают товары бытового (посуда, полотенца, скатерти, обои, санитарно-гигиеническая бумага и др.) и производственного назначения (упаковочная тара, бумажные трубы, облицовочная, полупроводниковая, изоляционная бумага и др.). Бумага находит применение в производстве кабеля, конденсаторов, пластмасс. Пластинки с применением бумаги и в качестве наполнителя выдерживают давление до 90 атмосфер и по прочности не уступают стали. Бумага, пропитанная синтетическими смолами, - хороший изоляционный, конструкционный материал. Первоначально бумагу получали из тряпъя, хлопка. Первыми его заменителями стали солома, камыш, трава (крапива, степной ковыль). При этом сырье измельчали на водяных, ветряных мельницах и смешивали с водой. Эту смесь зачерпывали сеткой, вода стекала через отверстия, а оставшийся лист бумаги высушивали. В XVIII столетии для производства бумаги было открыто новое сырье - древесина.1 С момента получения первой бумаги из древесины технология непрерывно совершенствовалась, но сущность осталась неизменной. Из древесины получают полупродукты (целлюлозу, древесную массу), на основе которых приготавливают бумажную массу. Ее отливают и просушивают. Наилучшие сорта бумаги (рисовальная, кабельная, конденсаторная, высшие сорта печатной) получают из чистой целлюлозы и тряпья. Из тряпья изготавливают бумагу для печатания денег. Однако бумага из одной целлюлозы имеет высокою стоимость. К качеству бумаги массовых видов (оберточная, простая печатная, газетная) не предъявляют высоких требований.2 Поэтому основную часть бумаги производят смешиванием в определенных пропорциях целлюлозы и древесной массы. Отдельные виды бумаги получают полностью из древесной массы (табл. 1). Древесина как сырье для изготовления бумаги предложена немецким ткачом Келлером. Он заметил, что осы строят гнездо из волокон древесины похожих на бумагу. Прижав доску к вращающемуся точильному камню, он получил волокнистую массу, выварил ее в воде и пролил на скатерть. После испарения воды осталась тонкая лепешка, похожая на бумагу. В 1845 г. была отпечатана первая газета на древесной бумаге. 2 Качество бумаги определяется прочностью, впитываемостью влаги и чернил, белизной, жиро-, воздухопроницаемостъю, величиной деформации, наличием посторонних включений и другими признаками. 1 34 Таблица 1 Состав отдельных видов бумаги Вид бумаги Писчая №2 Газетная Типографская №1 Мешочная Масса, 1 кв.м/г Состав, % Древесная масса целлюлоза 50 (беленая) 50 75 25 100 (беленая) 100 (небеленая) 63 51 60 70 Большое значение для производства бумаги имеют вторичные ресурсы макулатура. Каждые 60 кг ее в производстве бумаги заменяют древесину целого дерева, которое вырастает в течение 80 лет. Следовательно, утилизация макулатуры позволяет лучше обеспечить целлюлозно-бумажную промышленность сырьем, экономить материальные, трудовые ресурсы, сохранить от вырубки леса. На бумажных фабриках сухую целлюлозу в гидроразбавителях (специальных мельницах) переводят в жидкое состояние с разделением волокон. Если фабрика комбинируется с целлюлозным заводом, то эта технологическая стадия отсутствует, а целлюлоза в виде суспензии по трубопроводам поступает в бумажное производство. Древесную массу, как и целлюлозу, получают из бревен, которые разрезают на балансы. Их очищают от коры и истирают в волокнистую массу на дефибрерах (рис 17). Это мощные машины с прижимным устройством и кварцево-цементным или керамическим жерновом, диаметр которого достигает 2 м. Жернов приводят во вращательное движение, а балансы, уложенные, словно сигареты в пачке, прижимают к нему и истирают в волокнистую массу. Поверхность жернова охлаждают водой, которая вымывает истертую древесину (древесную массу). Древесную массу, возможно, получать также в мельницах из технологической щепы, которую доставляют на бумажные фабрики как продукт утилизации отходов древесины. Волокна древесины очищают от примесей, доводят до определенных размеров, промывают и сгущают до состояния кашицы, которую при необходимости отбеливают окисью натрия, перекисью водорода и другими веществами. Подготовленная таким образом жидкая древесная масса поступает в композиционное отделение (рис.16). Здесь древесную массу смешивают с целлюлозой, вводят добавки, которые придают бумаге определенные свойства. Чтобы бумага была гладкой, хорошо впитывала краску: чернила, то есть имела высокие полиграфические свойства, добавляют каолин, гипс, тальк, двуокись титана, проклеивающие вещества, красители. Канифоль обеспечивает минимальную впитываемость красок, чернил, которые не расплываются по бумаге. Таким способом получают бумажную массу. 35 36 Из нее на бумагоделательной машине формируют бумажное полотно.1 Бумажная масса из напорного ящика равномерно вытекает на движущуюся сетку из латуни, синтетических волокон. Последний тип сеток эксплуатируют в течение двух месяцев, затем заменяют новыми. Бронзовые меняют через каждые семь дней, что увеличивает простой, снижает производительность машин. На сетке формируют бумажное полотно, удаляют большую часть воды, которую используют вновь для приготовления бумажной массы. В последующем сушкой, отсасыванием, прессованием удаляют влагу, проводят дополнительную проклейку синтетическим клеем, крахмалом и другими веществами, придают бумаге определенные свойства (водонепроницаемость и др.). Такую обработку полотна осуществляют при использовании бумаги для изготовления документов, чертежей и др. В заключительной стадии полотно выравнивают по толщине, наносят определенные знаки, наматывают лентой в рулон, который разрезают на более узкие части или нарезают листами. Следовательно, основными частями бумагоделательной машины являются сечка, прессовая, синильная и отделочная части. Готовая продукция содержит 5-9 % влаги, и такую бумагу называют воздушно-сухой. В бумажной промышленности вырабатывают более 600 видов бумаги - влагоемкую, водонепроницаемую, светочувствительную и с другими свойствами, для письма, печати, упаковки, технических, декоративных целей, производства сигарет, папирос и других товаров. На 1 т древесной массы расходуют около 3 куб.м древесины, до 500 куб.м коды, при оборотом водообеспечении водоемкосгь снижается до 50 куб.м, или в 10 раз. Следовательно, производство бумаги, как и целлюлозы, имеет высокую материале- и водоемкость. что обусловливает общность экологических проблем. Однако в производстве бумаги меньше применяют химически активных, и вредных веществ, что снижает экологическую нагрузку. Технико-экономическая специфика обусловливает территориальную ориентацию бумажных фабрик на лесные и водные ресурсы. Использование для выпуска бумаги - макулатуры несколько разнообразит географию отрасли по сравнению с целлюлозной промышленностью. Основные ресурсы макулатуры образуются в районах с высоким уровнем развития производительных сил, в которых, как правило, запасы древесины истощены, а потребление бумаги велико. Переработка макулатуры позволяет создавать бумажные фабрики не только в лесообесепеченных, но и лесодефицитных районах, приблизить производство к потребителю и сделать размещение его более рациональным. Проблема увеличения вьпуска бумаги в перспективе может решаться не только на основе растительных ресурсов, которые не беспредельны. Бумагоделательная машина для производства газетной бумаги имеет длину 120 м, ширит 15 ч и выпускает до 1000 м продукции в минуту, 600 1 бумаги в сутки. 1 37 Получена бумага из базальта, песка, туфа. Она в пять раз тоньше традиционной и значительно прочнее. На такую бумагу хорошо ложится краска. Разработана синтетическая бумага, которую можно использовать до 20 раз, смывая письмо специальными растворами. Замена традиционных сырьевых ресурсов бумажной промышленности позволит сохранять леса на больших площадях. Картон - толстая, очень твердая бумага, незаменимый упаковочный материал. Упаковочная тара из него легче, дешевле деревянной, легко поддается обработке средствами автоматизации погрузочноразгузочных работ. Каждая тонна картона в качестве упаковки экономит до 15 куб.м деловой древесины. При этом снижаются объемы рубки леса, лесопиления. Картон по назначению бывает коробчатый, конструкционный, переплетный, строительный, обувной, изоляционный. Пропиткой битумом картона получают рубероид - кровельный строительный материал. Процесс получения картона принципиально ничем не отличается от производства бумаги. Особенность состоит лишь в том, что в производстве не используют целлюлозу. Сырьем является более грубые растительные волокна, которые в основном не отбеливают. На 1т картона расходуют 4 куб.м древесины. 1.6. Гидролиз древесины. Лесохимия Гидролизом из древесины получают этиловый спирт, глюкозу, кормовые дрожжи, фурфурол и др. Сырьем гидролизного производства являются опилки, мелкоизмельчекная древесина1. В процессе гидролиза древесины происходит осахаривание клетчатки серной кислотой. На предприятиях этот процесс проводят в автоклавах, в которые подают сырье, серную кислоту и пар (рис.18). Под воздействием кислоты, повышенных температур и давления происходит разложение целлюлозы, гемицеллюлозы с образованием раствора простых сахаров, содержащего в твердом состоянии лигнин, и летучие вещества. Из гидролизного раствора отделяют твердую часть древесины лигнин - побочный продукт, в испарителе выделяют пары метилового спирта, уксусной и муравьиной кислот, фурфурол*. В оставшемся растворе гашеной известью нейтрализуют серную кислоту. Образуется гипсовый шлам - побочный продукт и очищенные сахаристые вещества, которые сбражживают к бродильных чанах с выделением углекислого газа. Получают раствор бражки, содержащий 1,2-1,6 % этилового спирта. В ректификационных аппаратах из бражки выделяют этиловый спирт. В качестве сырья гидролизного производства могут быть кочерыжки кукурузы, отходы маслобойного производства, очистки хлопка, первичной переработки льна и др., которые служат основой территориального его комбинирования. 1 38 пар лигнин древесина гидролиз кислота фурфурол скипидар алебастр охлаждение обезвоживание шлама отгонка фурфурола фурфурольный конденсат гидролизат метанол нейтрализация дрожжи сбраживание дрожжи сжатие СО2 жидкая СО2 сепарация метанол этиловый спирт Производство дрожжей отгонка спирта барда бражка дрожжи Сивушное масло Рис. 18. Схема комплексной переработки древесины методом гидролиза 39 Оставшаяся часть бражки образует барду, которую используют для производства кормовых дрожжей, как связывающее вещество в изготовлении литейных форм и др. Из 1т опилок можно получить до 180 л этилового спирта - основного продукта и 40 кг кормовых дрожжей, 9 кг фурфурола. 3 кг метилового спирта, до 70 кг углекислого газа, 0,8 кг скипидара. Кормовые дрожжи - один из наиболее ценных побочных продуктов. Это высококачественный белковый корм, содержащий аминокислоты, витамины и по питательности не уступает кормам животного происхождения, мясокостной муке. Одна тонна кормовых дрожжей заменяет 3 т овса, а белок дрожжей лучше усваивается организмом животных, чем растительный белок зерна, жмыха. Фурфурол представляет маслянистую жидкость и применяют его для антисептической пропитки дерева, очистки нефти, растительных масел, в производстве пластмасс, синтетических красителей. На его основе вырабатывают лекарственные вещества от грибковых заболеваний в том числе фурацилин, гербициды. Значительная часть сырья образует гидролизный лигнин. После специальной обработки его возможно применять как аналогичный отход щелоков целлюлозного производства. Химической переработкой возможно получать активированный уголь, антисептические вещества. Практически лигнин складируют в отвалах вблизи заводов. Гидролизное производство в основном утилизирует отходы лесопиления и поэтому территориально комбинируется с крупными его центрами. Лесохимия включает производства термического разложения древесины, канифоли и скипидара. Термическое разложение древесины проводят без доступа воздуха - сухая перегонка, в воздушной среде - газификация. Сухая перегонка древесины по сущности аналогична пиролизу угля. Древесину нагревают без доступа воздуха в специальных печах (ретортах) до 400-500°. Происходит обугливание и разложение древесины с выделением первоначально воды, метана, окиси углерода, а с повышением температуры образуются пары метилового спирта, смолы Летучие вещества конденсируют и получают водный раствор различных продуктов - подсмольную воду, нерастворимую смолу и газовый остаток. Твердая часть разложения древесины - уголь с низким содержанием зольных веществ, серы, фосфора Его применяют для получения высококачественных металлов, электродов, сероуглерода, черного пороха. Пористый древесный уголь называют активированным Один грамм такого угля имеет поверхность пор до 400 кв.м Его используют для поглощения вредных веществ, при отравлениях в медицине. Из подсмольной воды выделяют уксусную кислоту, метиловый (древесный) спирт. Древесная смола - вязкая жидкость, содержащая фенолы, органические кислоты и их производные. Она используется в производстве гербицидов, дубильных и поверхностно-активных веществ, лаков, красок, флотационных масел, синтетических смол, как консервант, антисептик древесины, канатов, кож: литейный крепитель и в других целях. 40 Для этого смолу разгоняют на фракции с выделением легких масел (креозотовое масло*), антиокислителя,* тяжелых масел, а остаток разгонки называют пеком. Пек применяют как крепитель литейных форм, водоотталкивающая добавка дорожного грунта. Качество угля, соотношение выхода основных продуктов зависит от породы древесины и условий технологического процесса. Так, термическим разложением сосновой древесины, насыщенной смолой, при температурах до 200° выделяют скипидар, а при повышении температур другие продукты. Из 1 куб.м древесины получают 140-180 кг угля, 280-400 кг жидкой фракции, 80-100 кг газов, в том числе до 30 кг уксусной кислоты, 30 кг метилового спирта, 15 кг скипидара и другие продукты. Газификацию древесины осуществляют в газогенераторах для получения газообразного топлива и продуктов лесохимии. Сущность процесса аналогична газификации других видов топлива. Из древесины получают парогазовую смесь, содержащую органические кислоты, спирты, смолу. При определенных условиях до 60% сырья можно перевести в парогазовую фракцию, наполовину состоящую из смолы, которую, как и при сухой перегонке древесины возможно получать различные продукты. Термическим разложением можно перерабатывать отходы древесины и таким образом использовать все части дерева в хозяйственных целях по аналогии с переработкой угля, сланцев, торфа. Калифов и скипидар - вещества, получаемые из живицы*- смолистой жидкости подсочки хвойных пород или экстракции осмола*. При нарезке дерева смола под влиянием давления вытекает из ствола. Живицу собирают обычно летом методом подсочки (рис. 19). Для этого на стволе дерева удаляют кору и в древесине делают специальные надрезы. С одной сосны за сезон получают до 2 кг живицы, состоящей на 13-17% из скипидара и 62-65% из смоляных кислот. При переработке освобождают от воды, сора и нагревают паром. Отгоняют газовую часть - скипидар, а канифоль образует остаток. Канифоль ползают из соснового осмола. Для этого осмол измельчают в щепу и проводят ее экстракцию бензином, спиртами, бензолом. Смолистые вещества растворяются. Выпариванием из раствора отгоняют скипидар, флотационное масло, а остаток представлен канифолью. Из 1 куб.м получают до 40 кг канифоли, 8 кг скипидара и 1,5 кг флотационного масла. Канифоль применяют в производстве бумаги, мыла, лаков, красок, линолеума, кож, при пайке, лужении, пропитке обмоток электрических машин, кабеля, как электроизоляционное вещество Живичный скипидар имеет высокое качество и используется в медицине, при приготовлении лекарств, как растворитель лаков, красок, смол, жиров, сырье для производства камфоры. Таким образом, процесс переработки древесины представлен рядом последовательных стадий; заготовка-лесопиление - производство конечной 41 42 продукции (мебель, строительные материалы, дома и др.). Важная особенность производственного процесса - использование различных методов воздействия на древесину (механических, химических, микробиологических). При этом, особенно на стадии механической обработки, до 3/4 древесных ресурсов образуют отходы. Поэтому в лесной промышленности актуальна проблема рационального применения в хозяйстве всей массы дерева, всех пород лесосечного фонда. Этому способствует комплексное использование древесины на основе сочетания различных методов ее переработки, увеличение выработки продукции из каждого кубического метра сырья, особенно древесных плит, картона, товаров лесохимии. Расчеты свидетельствуют, что 1 млн. куб.м ДВП заменяет 16 тыс. куб.м пиломатериалов, для производства которых необходимо заготовить 54 тыс.куб.м древесины, или срубить 25-30 тыс. хвойных деревьев, которые произрастают на площади 300 га. Следовательно, экономится древесина, и сохраняются леса как естественный компонент природы. Применение различных методов, существование отдельных стадий переработки древесины обусловливают функционирование отдельных леспромхозов, лесопильных, целлюлозных заводов, бумажных и картонных фабрик и др. Целесообразность использования всей древесной массы благоприятствуют сочетанию различных производств на определенной территории - комбинированию в лесной промышленности. При этом комбинированные производства имеют тесные производственные связи на основе последовательной переработки сырья и утилизации отходов. Таким образом, формируются предприятия комплексного типа с механической и химической переработкой древесины комбинаты - деревообрабатывающие, фанерноспичечные, целлюлозно-бумажные и др. Наиболее широкое развитие комбинирование получило в лесопромышленных комплексах (ЛПК). Они имеют определенный лесной фонд, обеспечивающий комплекс сырьем на длительный период.1 ЛПК как сочетание сырьевых производств размещаются в лесных районах. В их состав входят леспромхозы, лесопильные заводы, производства фанеры, изделий из древесины, древесных плит, целлюлозы, бумаги, картона, продукции лесохимии. Они объединены технологически, организационно и территориально. На крупных ЛПК ежегодно перерабатывают до 10 млн. куб. м древесины и выпускают разнообразную продукцию при высокой утилизации отходов. Это позволяет использовать древесину на 94% (Братский ЛПК). Экономическая эффективность повышается за счет снижения производственных, транспортных расходов, Братскому ЛПК (Россия) отведены леса из расчета работы на 100 лет. При ежегодной рубке на 1/100 части лесного массива, через столетие на первом участке можно возобновить рубку древесины и сделать ее безграничной в разумных пределах пользования. 1 43 применения высокопроизводительного оборудования, лучшего использования достижений научно-технического прогресса. Как следствие, снижение трудоемкости производства, повышение производительности труда. 2. ПРОИЗВОДСТВО СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Строительные материалы представляют естественные и искусственные изделия, которые применяют в строительстве с целью ускорения проведения работ, улучшения их качества и повышения эффективности. Качество строительных материалов, область их применения определяют их свойства, соответствующие требованиям сооружаемых объектов и обеспечивающие надежность и длительность эксплуатации сооружений независимо от внешнего воздействия. Свойства строительных материалов подразделяют на несколько групп. Все материалы имеют определенные физические и механические свойства, от которых во многом зависят и другие их характеристики. Важнейшие показатели данной группы - удельный объемный вес, плотность, пористость, прочность, пластичность, истираемость и другие. Удельный объемный вес (вес единицы объема материала в естественном состоянии вместе с пустотами) обычно меньше удельного веса (веса материала в плотном состоянии). В плотных строительных материалах (стекло, сталь и др.) эти два показателя обычно совпадают. Значение показателя объемного веса велико при определении нагрузок конструкций на плотность. От плотности материалов зависит расход сырья на единицу готовой продукции. Пористость - отношение объема пор к общему объему. Она изменяется от нуля (сталь; стекло) до 90% (плиты из минеральной ваты). От пористости зависят прочность, водопоглощение, теплопроводность, морозоустойчивость и другие свойства. Так, водонепроницаемые конструкции имеют низкую пористость с замкнутой формой пор, малопроводимые - мелкопорисгую структуру и т.д. Один из важных физических показателей - прочность - способность материала выдерживать максимальные нагрузки и противостоять разрушению1. Нагрузки могут быть вызваны давлением ветра, воды, изменением температур, другими причинами и от направления действия в материале вызывают деформации сжатия, растяжения, изгиба (сдвига). Это определяет и виды прочности стройматериалов на сжатие растяжение и т.д. Материалы, выдерживающие большую деформацию перед разрушением, называют пластичными, а разрушающиеся без заметных изменений формы хрупкими (стекло, кирпич и др.). В зависимости от прочности создается способность материала сопротивляться проникновению в него постороннего тела - твердость, противостоять износу на трение – истираемость. 1 Прочность материалов определяют величиной разрушающей нагрузки на величину площади. 44 Показатели твердости и истираемости имеют большое значение для стройматериалов, подвергающихся трению (материалы для пола, лестниц и т.д.). Важное свойство строительных материалов определяет их отношение к воде. Способность заполнять объем материала водой называют водопоглащением, а отдавать воду в окружающую среду при изменении условий – водоотдачей. Водопоглощение определяют по разности масс материала, насыщенного водой и в абсолютно сухом состоянии и выражают в процентах от массы абсолютно сухого материала или объема образца1. Водопоглащение красного кирпича составляет 8-20%, тяжелого бетона около 3%. гранита - менее 1% веса материала. Водоотдачу определяют количеством теряемой за сутки воды в процентах от массы или объема при относительной влажности воздуха 60% и температуры 20°С. От насыщения водой зависит прочность материала. Отношение прочности материала, насыщенного водой, и в сухом состоянии называют коэффициентом размягчения. Каменные материалы не применяют в сырых местах при данном коэффициенте менее 0,8. Материалы с коэффициентом размягчения более 0,8 называют водостойкими. Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением и характеризуется количеством воды, прошедшей за 1 час через 1 кв. см. при постоянном давлении. Она зависит от строения и плотности изделия. Абсолютно плотные материалы и с замкнутыми мелкими порами - водонепроницаемы. Это свойство особенно важно в сооружениях для хранения воды, в канализационных трубах и др. Способность материала насыщаться водой и выдерживать многократное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного понижения прочности называют морозостойкостью. Основными свойствами строительных материалов в зависимости от их повеления при изменении температур являются теплопроводимость, термо-, огнеупорность, теплоемкость. Теплопроводимость - способность передавать через определенную толщину тепловую энергию. Важное свойство материалов, создающих стены, перекрытия - огнестойкость - способность выдерживать без разрушения высокие температуры. По этому свойству они бывают несгораемыми, трудносгораемыми и сгораемыми. Несгораемые - под дейсгвием огня не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Трудносгораемые горят, тлеют, обугливаются только при наличии источника огня. Сгораемые - под воздействием высоких температур, огня воспламеняются и горят, тлеют после удаления источника огня. Термостойкость - способность противостоять длительному воздействию высоких температур. Стройматериалы от этого признака бывают огнеупорные, выдерживающие температуры более 1580°С (шамот, динас), Абсолютно сухой материал получают в лабораторных условиях в сушильном шкафу при температуре 1100 С и в полном удалении влаги. 1 45 тугоплавкие – 1350 - 1580° (гжелевый кирпич) легкоплавкие - до 1350° (обыкновенный красный кирпич). Важное свойство строительных материалов – способность противостоять воздействию химических веществ, атмосферы. По этим признакам материалы различаются кислото-, щелоче-, атмосфероустойчивостью. Последнее свойство характеризует стойкость материала к совместному воздействию изменения влаги, температур, воздуха, солнца и других компонентов. Качество стройматерилалов зависит также от воздухо-, газо-, звукопроницаемости, звукопоглощения, способности каменных материалов шлифоваться, цемента быстро затвердевать и др. 2.1.Классификация строительных материалов. Природные строительные материалы Промышленность строительных материалов выпускает многие виды продукции. В зависимости от назначения существуют различные подходы их классификации. По генезису (происхождению) стройматериалы бывают природными и искусственными. Первая группа представлена естественными каменными и неметалл орудными (тальк, слюды и др.) материалами различной формы и размеров. При их производстве природные ресурсы изменяют только форму, а свойства, строение, состав остаются неизменными. В основном материалы имеют искусственное происхождение, при котором ресурсы изменяют как форму гак и строение, химический состав, свойства. По природе, сущности происхождения выделяют органические и неорганические (минеральные) материалы. Органические материалы имеют растительное и животное происхождение. Они характеризуются малым объемным весом, невысокой прочностью, химической и огневой стойкостью, что обусловливает их применение в сухих условиях, при небольших температурах для кровли, облицовки, отделки, теплоизоляции, а древесные материалы и как конструкционные элементы Минеральные материалы состоят из неорганического вещества и имеют более разнообразные свойства - высокую прочность, огне-, водо-, биостойкость и используют как основной конструкционный компонент различных объектов, а также как органические изделия. На основе сочетания органических и минеральных компонентов вырабатываю комбинированные стройматериалы. По сырьевому фактору стройматериалы подразделяют на природные каменные, неметалл орудные, керамические, из стекла, асбеста, древесины, полимеров, металла, битума и др. В промышленности широко применяют классификацию стройматериалов по производственному- функциональному назначению. По этому признаку выделяют стеновые, кровельные, теплоизоляционные, 46 облицовочные, отделочные, салитарно-технические и другие виды. По технологическим особенностям бывают безобжиговые и высокотемпературной обработки стройматериалы. Безобжиговые стройматериалы представлены природными каменными, нерудными изделиями и искусственными Последние получают затвердением вяжущих веществ с заполнителями (щебень, гравий, древесная стружка и др.) По виду они бывают известковые, гипсовые, цементные. Изделия второй группы получают воздействием на сырье высокой температурой, придающей материалу новые свойства. Природные строительные материалы производят из магматических (гранит, габбро, туф, лабрадорит, диорит и др.), осадочных (известняк, мел, каолин, песок и др.), метаморфических пород (мрамор, кварцит, сланцы и др.) и органических ресурсов (древесина). Они имеют разнообразные свойства (достаточная прочность, морозоустойчивость, декоративная структура и др.), повсеместно распространены и широко используются в качестве сырья для производства других видов строительных материалов. Природные строительные материалы получают разработкой первичных ресурсов. Этот процесс проводят открытым способом в карьерах. Кроме традиционных методов, рассмотренных в первой главе, каменные породы извлекают вырезкой, выколкой глыб. Получают карьерный камень, который отправляют на камнеобрабатывающие заводы. Песчано-гравийную смесь разрабатывают экскаваторами, а также гидравлическим (мониторным) способом. Добытую смесь разделяют грохочением на песчаную и гравийную фракции, которые могут промывать водой от глинистых и илистых частиц. Добытые каменные породы называют нерудными строительными материалами. Их составляют, кроме песка, гравия, также щебень, который образуется разрушением каменных горных пород в естественных условиях и дроблением каменных материалов (гравия, валунов и др.) на заводах. Он имеет неправильную, угловатую форму и этим отличается от гравия естественного продукта окатанной формы. Естественный и искусственный песок, гравий, щебень получают на песчано-гравийных заводах. Естественный камень обрабатывают на камнеобрабатывающих заводах, комбинатах Здесь сырье раскалывают, распиливают на блоки, плиты необходимых размеров, проводят отделку лицевой поверхности камня шлифовкой, полировкой. Порнстые каменные материалы для повышения атмосфероустойчивости покрывают водоотталкивающими растворами солей кремнефтористоводородной кислоты. В зависимости от назначения из природного камня вырабатывают материалы для кладки фундамента, стен, облицовки (колотые, пиленые камни, плиты, карнизы), дорожного строительства (бортовой камень, брусчатка), подземных и гидротехнических сооружений (колотый камень, плиты для облицовки), специального назначения - устойчивые к агрессивным средам, жаростойкие и др. Применение природных каменных строительных материалов имеет высокую эффективность. Стеновые каменные материалы дешевле кирпича, 47 прочнее его. Облицовочные плиты из естественного камня - долговечны, а эксплуатационные затраты меньше, так как не требуется красок, растворов. Естественные каменные заполнители экономят в бетоне цемент, повышают его прочность, снижают себестоимость строительных объектов. 2.2. Материалы высокотемпературной обработки Строительные материалы высокотемпературной обработки объединены в одну группу на основе близости сущности производственного процесса. Их получают подготовкой сырья, формовкой, с последующим воздействием на него высоких температур и созданием материала с качественно новыми свойствами. Все материалы высокотемпературной обработки подразделяют на неорганически вяжущие, керамические и из минеральных расплавов. Неорганические вяжущие вещества преимущественно самостоятельного значения не имеют и являются исходным компонентом для производства других строительных изделий. Материалы из минеральных расплавов и керамические применяют в строительстве в основном без дальнейшей переработки как самостоятельный конструктивный элемент (кроме заполнителей). 2.2.1 Керамические материалы Керамические изделия - искусственные каменные материалы получают из глины с органическими минеральными добавками методом формования и обжига. При этом происходит спекание частиц глины в камневидное вещество - керамический черепок. По его структуре различают изделия с плотным и пористым черепком, грубой и тонкой керамики. Плотные материалы имеют на изломе блестящий раковидный вид и водопоглошение менее 5% - водонепроницаемы (плитка для пола, канализационные трубы, клинкерный кирпич и др.). Пористые изделия на изломе имеют тусклый, землистый вид с водопоглащением более 5% и пропускают воду (красный кирпич, черепица, облицовочная плитка и др.). К грубой керамике относят изделия с неоднородным зернистым строением (кирпич, черепица, дренажные чрубы и др.), тонкой - с макрооднородным строением (фарфорофаянсовые, художественные керамические, плитка для пола и др.). По назначению в строительных элементах здания выделяют стеновые (кирпич, панели, камни), фасадные (лицевой кирпич, плитка, художественные детали), внутренней облицовки (карнизы, уголки, плитка), кровельные (черепица), санитарно-технические (ванны, умывальники, унитазы) материалы, заполнитель бетона (аглопорит, керамзит). Керамические изделия бывают глазированными и неглазированными. Глазурь придает изделиям декоративные свойства, водонепроницаемость, атмосфероустойчивость. Сырье для производства керамических материалов – глина, суглинки, глинистые сланцы, вспучивающие горные породы, отходы промышленности 48 (шлак, зола и др.), отощающие (песок) и выгорающие добавки (опилки, торф, угольный порошок и др.). Промышленностью выпускаются различные керамические изделия. Производство каждого из них имеет свою специфику. Однако каждому технологическому процессу присуши общие стадии: добыча сырья, его подготовка, формование изделия, сушка и обжиг. Первичный этап производства керамики - добыча глины в карьерах вблизи заводов. Ее доставку осуществляют автомобилями, ленточными транспортерами и другими видами транспорта. Для получения качественных изделий из глины удаляют твердые примеси, измельчают и подготавливают массу полусухим, пластичным и мокрым способами. При полусухом способе измельчают, перемешивают, а при необходимости вводят добавки и увлажняют до 8-12%. Из подготовленной массы давлением в прессах формуют изделие с точными размерами. Небольшая влажность сокращает время сушки, расход топлива, себестоимость продукции. При этом способе изделие-сырец имеет матую пористость, повышенный удельный вес. Таким способом подготавливают глинистую массу для плиток, кирпича. Пластическим способом сырье увлажняют до 18-22% и выдавливанием пластической массы через мундштук получают полуфабрикат определенной формы и размеров (кирпич, черепица, грубы), мокрым способом приготавливают сырьевую массу для изделий с южной конфигурации (санитарно-технические, декоративные и др.). При этом измельченное сырье смешивают с большим количеством воды (до 50%) и получают текучую массу, которую заливают в гипсовые формы. Сушку керамики проводят для повышения прочности, предотвращения растрескивания и деформации при обжиге. Обжит осуществляют при 1000-1200°С с целью придания изделиям определенного качества (плотность, прочность, водостойкость и т.д.). При этом происходит спекание частиц, формирование центров кристаллизации с присоединением к ним минералов, образование черепка. Среди керамических изделий выделяется производство стеновых материалов (кирпич, керамический камень, стеновые панели). Один из наиболее древних искусственных каменных материалов - кирпич. Объем производства его учитывают в условном кирпиче, который равен размерам обыкновенного стандартного кирпича объемом 2 куб дм1. Стеновые материалы больших размеров называют керамическими панелями, камнем. Стандартный обыкновенный кирпич имеет размеры 25О±4х12О±Зх65±Змм. Промышленность производит также полуторный кирпич*; пустотами толщиной 88 мм. 1 49 Рис.20. Ленточный вакуум-пресс 50 Кирпич получают из любых глин и суглинки, глинистых сланцев.1 Лучшее сырье для его производства - глины средней пластичности. Поэтому при подготовке сырья к жирным глинам добавляют песок. Кирпич производят пластичным и полусухим способами. При первом способе подготовленная глиняная масса поступает в воронку ленточного пресса (рис. 20). Он представляет цилиндр, внутри которого вращается шнековый вал. Происходит перемешивание, уплотнение сырья и перемещение его к выходному сужению – мундштуку. Форма мундштука зависит от конфигурации кирпича.2 Из мундштука выдавливают непрерывный глиняный брус, который автоматически разрезают на кирпич-сырец. Его укладывают на вагонетки для сушки в естественных условиях (под навесом), камерах и туннельных сушилках, работающих непрерывно по противоточному принципу. Сушка в туннельных установках длится 112-35 часов и не зависит от погодных условий, обеспечивает лучшее качество сырца, непрерывную работу предприятия в течение года. Сырец сушат до влажности 6-8%. Следовательно, при полусухом способе кирпич перед обжигом можно не сушить, что упрощает технологический процесс, производственные затраты. Готовый кирпич из-за применения повышенного давления при уплотнении сырца содержит мало пор и имеет высокий предел прочности. Однако необходимы мощные и производительные прессы. Завершает процесс производства - обжиг. Его проводят в кольцевых, а на современных заводах в туннельных печах непрерывною действия. Они имеют печной канат для обжига длиной до 140 м, шириной - 3-5- м, высотой -2 м. Кирпич на вагонетках подают в начало печного канала, в котором они образуют непрерывную сцепку по длине печи (рис.21). При подаче новой вагонетки с сырцом с противоположной стороны выталкивают вагонетку с готовой продукцией. По длине печь разделена на зоны подогрева, обжига и охлаждения. Печь работает по принципу противотока, что снижает удельный расход топлива. В печном канале вагонетки с сырцом двигаются вперед навстречу газовому потоку и последовательно проходят все зоны. В начале печи (зона подогрева) сырец отходящими продуктами горения нагревается до 850-9500. Качество глин зависит от размера частиц, составляющих ее. Глинистые частицы имеют размер менее 0,005 мм и придают пластические свойства. Частицы размером 0,005-0,15 мм - пылеватые, 0,15-5 мм - песчаные. В зависимости от доли содержания данных частиц различают тяжелые глины (более 60% глинистых частиц), глины (30-60%), суглинки (1030%), супесь (5-10%). Если глина содержит много глинистого материала, ее называют жирной. Такая глина обладает повышенной способностью теста под внешним воздействием принимать определенную форму без образования трещин, а при сушке кирпича дает большую усадку. Глины с большим содержанием пылевидных, песчаных частиц имеют среднюю и малую пластичность – тощие. 2 При производстве труб мундштук имеет кольцевую форму. Пустотелый, фасованный кирпич получают мундштуком сложной формы. 1 51 Рис.21. Схема туннельной печи: (а) – продольный, (б) – вертикальный разрезы 52 При этом дымовые газы охлаждаются до 180-300° на выходе в дымоход. В центральной части (зона обжига) непрерывно сжигают топливо. При использовании твердых видов до 80% общего его расхода вводят в состав сырьевой массы, а остальную часть сжигают через горелки. Наиболее эффективное топливо - газ. Его применение улучшает условия труда, снижает удельный расход топлива, повышает производительность труда, улучшает качество продукции. Продукты горения отводят через зону подогрева в дымовую трубу. В зоне обжига поддерживают постоянную температуру (до 1100°), происходит спекание частиц глины. Вагонетку с обожженным кирпичом выталкивают в зону охлаждения. Со стороны выхода готовой продукции подают воздух. Он охлаждает обожженный кирпич, нагревается и поступает в зону обжига. Производственный процесс механизирован. Длительность обжига составляет 18-24 часа. Снижаются издержки производства, получают кирпич лучшего качества с более равномерной структурой обжига, чем в кольцевых печах. Старые заводы оборудованы кольцевыми печами. Они имеют овальный замкнутый рабочий канал, разбитый на камеры (рис. 22, 23). В них последовательно загружают сырец, а после обжига выгружают керамический кирпич. Рабочий канал печи условно разделен на зоны загрузки, сушки, подогреве, обжига, остывания, выгрузки и свободных камер. Через выгрузочные отверстия в зоне охлаждения подают воздух. Двигаясь по рабочему каналу к зоне обжига, он охлаждает обожженный кирпич и нагревается до 800-900°. Одна часть подогретого воздуха поступает в камеры, где сжигают топливо. Вторая часть его по специальному воздушному (жаровому) каналу поступает в зону сушки, где охлаждается кирпичом-сырцом и выбрасывается через дымовую трубу в окружающую среду. В зоне обжига через отверстия в своде камеры подают часть топлива, а оставшуюся часть твердого топлива, размещают в камере при закладке сырца. Продукты горения из зоны обжига, проходя камеры зоны подогрева, охлаждаются до 150-200° и выбрасываются через дымовую трубу. Когда загрузка сырца (камера 9) и выгрузка готовой продукции (камера 11) в соответствующих камерах завершены, обжит кирпича и вес остальные зоны смещаются на одну камеру (рис. 22). Загрузка перемещается в камеру 10, выгрузка - 12, от готовой продукции освобождают камеру 11. Зоны охлаждения кирпича включают камеры 13-17, обжига - 18-21, подогрева - 223, сушки - 9-4. 53 Рис.22. Схема кольцевой печи: 1-22 - камеры обжига кирпича, 1-загрузка, 2- подсушка, 3- подогрев, 4обжиг,5 - остывание, 6 - загрузка, 7- пустая камера. Рис.23. Схема кольцевой печи по поперечному разрезу. 54 Следовательно, обжиг кирпича проводят последовательно в каждой камере печи. Пламя и все условные зоны печи перемещаются по рабочему каналу. Обжиг длится 40-50 часов, или в 2-3 раза больше, производительность в 2-3 раза меньше, чем в туннельных печах. Загрузку сырца и выгрузку кирпича проводят вручную при повышенных температурах, что ухудшает условия труда. Неравномерное распределение температуры по сечению канала приводит к неоднородному обжигу кирпича. Наряду с нормально обожженным продуктом получают пережженный и недожженный кирпич. В зависимости от предела прочности при сжатии выпускают кирпич марок 75, 100, 125, 150, 200, 250. 300. Керамический кирпич применяют для кладки стен, печей, дымовых 1руб и др. Промышленностью выпускается эффективный керамический кирпич пустотелый и легкий. Изготавливают их по традиционной схеме. Для формования пустотелого кирпича внутрь мундштука помещают вставки, а облегченность создают за счет использования легких глин и введения выгорающих добавок. Производство таких изделий снижает на 20-25% расход сырья, на 10% топлива, а также трудовые затраты, себестоимость, повышает производительность оборудования по сравнению с изготовлением полноценного кирпича. В строительстве снижаются трудоемкость кладки, масса стены на 50%, материальные расходы на сооружение фундамента. На 1 тыс. кирпича расходуют 230-250 кг условного топлива, 2,5 куб.м глины (на 1 куб.м кирпича - 1,2 куб.м глины). Особенно эффективно при обжиге применение беззольного топлива, что снижает его расход, продолжительность обжига, улучшает качество продукции. Производство кирпича при невысокой материалоемкости имеет сырьевую ориентацию, поскольку основное сырье распространено повсеместно и многотоннажное. Пористые заполнители. На основе глин получают два пористых заполнителя - аглопорит и керамзит Они применяются как заполнители легких бетонов, теплоизоляционный материал при засыпке. Их производство основано на термической обработке сырья с образованием газообразной фазы за счет выгорания органических веществ, разложения карбонатов и других компонентов, восстановления окислов железа. Газообразные продукты из-за высокой вязкости жидкости не могут выйти из нее, вспучивают массу и образуют поры. Керамзит - искусственный легкий пористый материал, полученный при обжиге легкоплавких глин. Производственный процесс сводится к добыче сырья, его подготовке, получению гранул, их сушке, обжигу, охлаждению и сортировке продукции. Вспучиваемость глинистого сырья повышается в 2-3 раза при добавлении в шихту угля тонкого помола, опилок, пиритовых огарков, железной руды, масла, мазута и др. Обжиг проводят во вращающихся печах длиной до 60 м, в печах с кипящим слоем. Процесс вспучивания происходит при 1050-1250°. Получают керамзитовый гравий с размером фракции 5-40 мм. Его дроблением вырабатывают керамзитовый щебень и песок. Размер фракции песка менее 5 мм. В зависимости от прочности керамзит бывает марок 250; 300, 350, 400, 500, 600. 55 Аглопорит - искусственный пористый материал, полученный из глины методом агломерации. Его вырабатывают из глинистых сланцев, глины, суглинка, супеси, лессов, и добавок антрацита, каменного и бурого угля, опилок, костры, топливосодержащих отходов, золы, извести. Сырье смешивают с добавками. Полученную шихту уплотняют и гранулируют до фракции не более 10 мм. Гранулы спекают на непрерывных ленточных агломерационных машинах по принципу аналогичных оборудованию производства агломерата в черной металлургии. Агломерационная машина представляет вертикальный замкнутый конвейер из отдельных тележекрешеток, называемых полетами. На тележки укладывают слой гранул шихты, которые подают в зажигательную камеру. Здесь сгорает уголь шихты и происходит спекание частиц сырья с образованием пористого бруса. После охлаждения пористую массу дробят на куски щебня размером 5-40 мм и фракцию песка (с размером зерен менее 5 мм ). При производстве аглопорита окатанной формы в агломерационной машине гранулы между собой не соприкасаются и не образуют сплошного бруса. Полученный продукт не требует дробления. 2.2.2. Строительные материалы из минеральных расплавов Стройматериалы из минеральных расплавов классифицируют по различным признакам. В зависимости от сырья они бывают стеклянные, каменные, шлаковые. По назначению выделяют стекло и изделия их него, теплоизоляционные материалы, изделия высокой прочности, стойкости к агрессивным средам. От способа производства различают материалы, получаемые прессованием, прокаткой, центробежным формованием, вытягиванием, литьем, выдуванием и другими способами. Это наиболее энергоемкие производства промышленности строительных материалов. Изделия из минеральных расплавов применяют в качестве светопрозрачных конструкций, для облицовки, технологического оборудования, эксплуатации в агрессивных средах. Стекло - твердый, прозрачный, хрупкий материал с аморфной структурой, получаемый при охлаждении расплава неметаллических окислов. Промышленность выпускает листовое, строительное, архитектурнодекоративное, пеностекло, тарное, оптическое, электротехническое, кварцевое и другие виды стекла. В стеклообразное состояние способны переходить окислы кремния (SiO2), фосфора (Р2О5), бора (В2О5). От основного стеклообразующего окисла происходит и название стекла силикатное, фосфатное, боратное. 56 Рис. 24. Схема производства строительного стекла 57 Преимущественно производят силикатное стекло. Для его изготовления используют кварцевый песок, горный хрусталь каолин, полевые шпаты, глинозем, кальцинированную соду, сульфат натрия, известь, мел, доломит и различные добавки. Основными сырьевыми веществами являются кислотные (кремнезем, глинозем, окись бора), щелочные (окись калия, натрий, лития) и щелочноземельные окислы (свинца, стронция и др.) (табл. 2). Для окраски стекла применяют добавки марганца, кобальта, хрома, железа, меди, урана, золота, серебра и др., обесцвечивания (осветления) - селитру, окислы мышьяка, сурьмы. Непрозрачное стекло получают с добавками фтора, фосфора, олова. Первичный этап производства стекла - подготовка сырья (рис. 24). Известняк, мел и другие виды сырья измельчают. Песок при необходимости обогащают промывкой, флотацией, магнитной сепарацией и высушивают. Подготовленные материалы дозируют взвешиванием, перемешивают в смесителях и получают шихту, которую загружают в печь пламенного или электрического тина. В последних удельный расход энергии в 2-3 раза меньше, чем в пламенных печах. Печи эксплуатируют при 1550-1600° и футерованы огнеупорным кирпичом. Из-за износа огнеупоров через 2-4 года печь останавливают на ремонт. В печах надевают шихту с выделением летучих компонентов, расплавляют соль, образуются силикаты натрия, калия, в которых растворяются зерна кварца. Это составляли сущность стеклообразования. Стекломассу освобождают от пузырьков газов вводом осветителей и охлаждают до необходимой рабочей вязкости, позволяющей формовать изделия методом вытягивания, проката, выдувания, отливки, прессования. В результате стекломассе придают определенную форму, которую закрепляет отжигам, закалкой, упрочнением (15-20 мин) в печах с температурой на 20° меньше, чем температура стекла. Происходит медленный переход стекла из пластического состояния в хрупкое. Это не ведет к растрескиванию стекла. Перед закалкой могут проводить механическую обработку стекла (шлифовка, полировка, обточка краев) на специальных станках с помощью абразивных материалов (кварцевого песка, корунда и др.). Более совершенная полировка стекла на поверхности расплава олова. Стекло из прокатной машины пропускают по поверхности расплавленного металла. Благодаря высокой температуре олова (около 1000°) исчезают вес неровности, а лента стекла получает абсолютно одинаковую толщину. После полировки стекло отжигают и закаляют. Закалку осуществляют нагревом стекла до пластического состояния в электропечах и резким равномерным охлаждением всей поверхности воздухом. При этом прочность, термостойкость повышается в 2,5-4 раза. Такое стекло применяют для остекления транспортных средств, изготовления дверей, перегородок зданий. 58 Таблица 2 Основной состав некоторых видов стекол Вид стекла Листовое Трубы повышенной термостойкости Стеклянные блоки Стекловолокно Пеностекло теплоизоляционное Хрусталь Оптическое Сортовое посудное Химически стойкое Состав, % Na2O MgO SiO2 Al2O3 CaO K2O B2O5 PbO 71-73 63,5-68,0 1-2 3-15 7-10 До 13,0 14,0-15,2 2-4 3-4 4,0 5,0 20,0 - 74,3 48-73 72-73 0,98 2-18 0,5-1,0 5,61 5-22 6,0-6,5 14,53 0,5-16,0 15,5-16,5 3,6 3,0-5,5 3,5-4,0 0,93 до 0,5 - до 6,0 - - 55-77 47-65 73-75 68-70 3-5 6-10 6-8 8-10 8-10 до 10-13 6-8 до 3,0 5-6 до 1,0 2-3 30-35 45,0 - 59 - Упрочнение проводят также химическими и термохимическими методами. При этом стекло обрабатывают парами плавиковой кислоты или в разогретом состоянии опускают в нагретую кремний-органическую жидкость. Листовое стекло получают методом вытягивания и проката. Оно бывает оконным, многослойным, зеркальным, полированным, узорчатым, армированным, волнистым, цветным и других видов. Таким образом, процесс производства стекла состоит из подготовки сырьевых материалов, варки, формования изделий, отжита, механической обработки и закалки. Из минеральных расплавов получают стеклокристаллические материалы - технические ситаллы и шлакоситаллы. Они представляют материал с частичной кристаллизацией стекломассы, с равномерно распределенными кристаллами (до 1 мк), соединенными тонкими прослойками остаточного стекла. Для этого в стекломассу вводят добавки-кристаллизаторы - окислы и соли различных металлов. Они создают очаги кристаллизации, ускоряют этот процесс и способствуют образованию мелкокристаллической структуры. Ситаллы изготавливают из чистых окислов, а шлакоситаллы с добавлением к ним в шихту доменных шлаков (50-65% от массы шихты). Шлаки могут быть гранулированными и огненно-жидкими. Применение расплавленных шлаков непосредственно из домны без дополнительного нагрева упрощает производственный процесс, экономит топливо и снижает производственные затраты. Это обусловливает целесообразность комбинирования производства чугуна и стекла. Производство ситаллов состоит из тех же стадий, что и изготовление стекла. Ситаллы бывают прозрачными и различной окраски. Формование изделий проводят прокатом (листовые ситаллы) и прессованием (плитка и др.) Ситаллы имеют большой предел прочности (до 1500 МПа), высокую термостойкость (до 1100°), сопротивляемость истиранию, повышенную химическую стойкость, хорошие диэлектрические свойства. Ситаллы применяют в приборостроении, электронике, ракетной технике и т.д. Шлакоситаллы дешевле чистых ситаллов и находят более широкое применение. Их используют для антикоррозийного покрытия аппаратов, эксплуатируемых в агрессивных средах, изготовления труб, транспортирующих горячие, химические агрессивные жидкости, изоляторов, в строительстве как материал покрытий для пола, облицовки помещений, сооружения панелей, кровли, лестничных маршей, санитарно-технических изделий. 2.2.3 Неорганические вяжущие минералы Минеральные вяжущие строительные материалы имеют вид тонкоизмельченного порошка, который с водой образует пластическую массу, способную затвердевать и переходить в камнеподобное состояние. Они являются необходимым компонентом производства искусственных 60 каменных материалов - силикатных блоков, кирпича, бетонных конструкций и др. В зависимости от условий твердения они подразделяются на воздушные, гидравлические и автоклавные Воздушные вяжущие вещества при смешивании с водой твердеют и сохраняют прочность только в воздушной среде (строительный гипс, известь). Они используются в создании строительных элементов, которые не испытывают воздействие воды. В водной среде такие вяжущие материалы не твердеют, а конструкции из них теряют прочность и разрушаются. Гидравлические вяжущие вещества способны твердеть и сохранять прочность на воздухе и в воде.¹ Эту группу составляют гидравлическая известь, различные виды цемента. Благодаря универсальности свойств, способности формировать прочный искусственный каменный строительный материал, сохраняющий потребительские качества в различных средах, цемент имеет широкое применение и является основным вяжущим материалом. К вяжущим материалам автоклавного твердения относят известково-кремнеземистые, шлаковые и зольные материалы. Для их твердения оптимальные условия образования монолита - среда насыщения паром и повышенного давления в автоклавах. Они используются в изготовлении силикатного кирпича. Возможность утилизировать отходы промышленности, обеспечить прочную связку стройматериалов при низких температурах, без применения высокотемпературных вяжущих материалов благоприятствуют в перспективе широкому применению этой группы веществ. Силикатный цемент - порошкообразный продукт, изготовленный спеканием сырьевой смеси определенного состав с образованием клинкера и тонким его помолом. Сырьем для производства цемента являются карбонатные (известняк, мел, мрамор) и глинистые породы (глина, лесс, суглинок, глинистые сланцы и др.). Вместо глин применяют диатомит, трепел, близкую по химическому составу золу горючих сланцев, углей, доменные шлаки. Комплексным сырьем для изготовления цемента являются отходы глиноземного производства. Для получения высококачественного цемента соотношение карбонатных и глинистых пород должно быть соответственно 3 к 1 от общей массы сырья. Известняки, содержащие более 10% глинистых материалов, называют мергелями. Если мергель состоит на 75-78% из кальцита (СаСО³) и 18-20% глинистых веществ, то он представляет готовую смесь для выработки цемента. Такой мергель называют цементным. Его в природе мало. Поэтому в основном цемент получают из искусственной смеси. Производство силикатного цемента состоит из добычи и транспортировки, подготовки и приготовления сырьевой смеси, получения клинкера, его измельчения и смешивания с добавками. Воздушные вяжущие вещества применяли за 3-4 тыс. лет до нашей эры. Гидравлическую известь начали применять в XVIII столетии, в 1824 г получен патент на изготовление цемента в Англии. Из-за сходства искусственного камня с природным вблизи г. Портленда вяжущее вещество назвали портландцементом. 1 61 Добычу сырья ведут открытым способом. Доставку на цементный завод производят преимущественно автомобилями. Железнодорожный транспорт применяют при транспортировке сырья на расстояние более 10 км. Из карьеров на завод сырье транспортируют конвейерами, по трубопроводам. Сырьевую смесь получают мокрым и сухим методом. От особенностей этой стадии зависит и название способа производства цемента. При мокром способе измельчение и смешивание сырьевых компонентов проводят во влажной среде с добавлением до 45% воды от массы сухих материалов. Получают смесь в виде шлама. При этом облегчается перемешивание сырья, транспортировка его по трубопроводам, улучшаются санитарногигиенические условия груда (рис. 25). Сухим способом подготовку сырья осуществляют без воды, что снижает затраты на подготовку смеси, обжиг сырья. Поэтому сухой способ более эффективный и определяет перспективные набавления развития цементной промышленности. Сырьевую смесь подают на обжиг в приподнятую часть цилиндрической вращающейся печи, а с противоположной стороны поступает топливо. Печь футерована внутри огнеупорным кирпичом и имеет диаметр 4-7 м и длину до 230 м. Для продвижения обжигаемого материала печь имеет небольшой уклон в сторону подачи топлива (газообразное, жидкое, твердое). Наиболее эффективный его вид - газ. Его применение снижает удельный расход топлива, ускоряет процесс обжига, повышает производительность печей и производительность труда по сравнению с углем. Сжигание твердого топлива образует золу. Она попадает в клинкер, изменяет его состав и ухудшает качество продукта (рис 25). Сырьевая смесь от загрузочной части перемещается в сторону уклона. С постепенным повышением температуры до 1450° испаряется влага, выгорают органические вещества, глина разлагается на окислы, распадаются карбонаты с образованием извести и углекислого газа. При 1200-1300° в твердом состоянии свободная известь соединяется с окислами кремния, алюминия, железа и образует клинкерные минералы, которые в зоне максимального нагрева (зона спека) частично плавятся и спекаются с образованием клинкера. Его быстро охлаждают до 1100° (в зоне охлаждения). Жидкая фаза застывает с частичным переходом в стекловидное состояние, выделением кристаллов. Чем быстрее охлаждают клинкер, тем больше стекловидной части, тем лучше его качество. Следовательно, цементная печь имеет зоны высушивания и разложения сырья, спекания и охлаждения. В дальнейшем клинкер охлаждают воздухом в холодильниках. Охлаждаемый клинкер представляет массу спекшихся кальциевых силикатов, алюминатов в форме гранул размером 10-15 мм. Для гашения извести клинкер выдерживают 15-20 суток на складе. При этом снижается его прочность. Клинкер измельчают в шаровых мельницах до тонкого помола. От этого процесса зависит качество цемента. Зерна тонких фракции обеспечивали рост прочности в первые сутки твердения, а крупные (10-30 мк) в более отдаленные сроки. К клинкеру для регулирования схватываемости добавляют гипс (до 3%), до 15% активных 62 минеральных добавок, увеличивающих коррозионную стойкость, и не более 10% инертных.¹ Минеральные добавки бывают естественные (вулканические - туф, пепел, пемза, осадочные - диатомит, трепел, опока) и искусственные (доменный шлак, зола, нефелиновый шлам). По назначению добавки делят на активные, инертные, регулирующие схватываемость цемента и др. Активные (гидравлические) добавки: трепел, пемза, туф, зола, доменные шлаки и др. повышают стойкость конструкций против воздействия воды, в том числе содержащей минеральные соли. Инертные добавки (песок, известняк, доломил, мергель, зола, шлак) применяют для уменьшения расхода вяжущих веществ. Хлористый кальций, натрий, растворимое стекло, соляная кислота, сода и др. ускоряют схватываемость, твердение цемента. Замедляют эти процессы гипс, серная кислота, сернокислое железо. Органические вещества: сульфитно-спиртовая барда, омыленный древесный пек повышают морозостойкость бетонов, снижают расход вяжущих материалов. Пластичность растворов, уменьшение их водоотталкивающих свойств придают глины, трепел, бетонит, диатомит. Добавки в виде растворов эмульсий вводят непосредственно в раствор, все другие в основном при помоле цемента. Для уменьшения энергетических затрат при измельчении при измельчении клинкера вводят не более 1% от общей массы интенфикатора: уголь, сажу и др. Портландцемент может выпускаться и без добавок. Если доля добавок превышает 1%, то цемент в зависимости от них получает дополнительное название - пуццоланоный, шлакопортландцемент. Получение клинкера сухим способом снижает расход топлива на испарение воды из сырья. Зона высушивания сырья в туннельной печи короче, что уменьшает ее длину, снижает капитальные вложения при строительстве и эксплуатации предприятии. Промышленность выпускает различные виды цемента с определенными свойствами. Пластификационный и гидрофобный портландцемент содержит небольшую часть добавок (0,1-0,3% от массы цемента). В качестве пластификационных добавок применяют сульфитно-дрожжевую бражку, гидрофобных - олеиновую кислоту и другие органические соединения. Они образуют на зернах цемента пленку. В результате повышается его пластичность, морозостойкость, снижается гигроскопичность. 1 Коррозия цемента в бетоне происходит под действием агрессивной среды. Пресные воды вымывают известь Са(ОН) и повышают пористость бетона, разрушают конструкции Особенно интенсивно этот процесс протекает в минеральных водах, морской воде. Происходит нарушение целостности камня. Относительно низкое содержание минералов алита и кальциевого алюмоферрита увеличивают стойкость против коррозии в морской воле. Повышают коррозионную стойкость активные добавки, содержащие аморфный кремнезем и глинозем, которые с гидратом окиси кальция образуют труднорастворимые гидросиликаты, гидроалюминаты и заполняют поры. Это уменьшает водопроницаемость бетона и его выщелачивание. 63 Рис. 25. Схема производства цемента мокрым способом 64 Быстротвердеющий - содержит повышенную долю минерала алита (более 53%), ограниченное количество извести (до 0,5%) и до 10% минеральных добавок, а доменных шлаков не более 15% массы. Он характеризуется более тонким помолом. Такой цемент применяют для изготовления железобетонных конструкций в заводских условиях, возведения сооружений из монолитного бетона, т.е. в тех условиях, когда необходимо сократить процесс схватывания цемента, производственный цикл. Сульфатостойкий портландцемент используют в конструкциях, эксплуатируемых в условиях с повышенным содержанием сульфатов, при систематическом увлажнении и высыхании, замораживании и оттаивании. Он не имеет минеральных добавок и содержит нормированное количество кальциевых алюминатов (22%) и силикатов (более 50%). Дорожный цемент характеризуется повышенной морозостойкостью, прочностью, устойчивостью к истиранию и ударам. Такой цемент содержит повышенную долю минерала алита, ограниченное количество алюминатов и до 15% доменного шлака. Белый и цветной цемент получают из чисто белого известняка, мела, мрамора, каолина и беззольного топлива. Такой клинкер практически не содержит железистых соединений. Вводят добавки белого доломита, гипса, синтетические и природные пигменты, придающие желтый, розовый, коричневый и другие цвета. Себестоимость такого цемента больше стоимости обычного цемента. Белый и цветной цемент применяют для отделочных, штукатурных растворов. Для заполнения пространства между трубой скважины и породой вырабатывают тампонажный портландцемент. Он содержит малую долю алюминатов (до 5%) и повышенную долю минерала белита и добавки, казеина, сульфитнодрожжевой бражки, борной кислоты. Цементное тесто имеет хорошую растворимость, быструю схватываемость. Пуццолановый* портландцемент содержит до 3,5% гипса, 25-40% вулканических добавок или 20-30% осадочных пород и клинкер нормированного состава. Применяют его для канализационных и морских сооружений, эксплуатируемых в постоянном контакте с водой. Шлакопортландцемент содержит до 60% доменных шлаков. Так же как пуццолановый цемент он имеет высокую коррозийную стойкость в морской и сульфатных водах. Однако прочность снижается при частом замораживании и оттаивании, увлажнении и высыхании. К пуццолановому и шлаковому цементу добавляют до 35% комовой извести и получают известково-пуццолановый и известково-шлаковый цемент. Эти виды цемента имеют низкую себестоимость, достаточную водостойкость и применяют для приготовления штукатурных и кладочных растворов. Таким образом, виды и свойство цемента зависят от состава (химического, минерального), сырьевых компонентов, качества обжига и тонкости помола клинкера, особенностей минеральных добавок. 65 При смешивании цемента с водой образуется пластическая масса - тесто, которое постепенно густеет и переходит в камневидное состояние.¹ Процесс набора прочности длится месяцы и годы. Скорость твердения зависит от минерального состава. Быстрее твердеют минералы алита и трехкальциевый алюминат, медленнее - балит. Скорость твердения повышается с увеличением частиц тонкого помола, введением добавок (хлористого кальция), гидротермальной обработкой - повышением температур в период твердения. Качество цемента характеризуется его маркой. Она определяется пределом прочности при сжатии опытного образца из пластического раствора цемента и нормального песка в соотношении по весу 1:3 через 28 дней после затворения и выражается в килограммах на 1 кв.см. Следовательно, чем больше марка, тем прочнее цемент. Выпускают цемент марок 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700 с изменением предела прочности при сжатии соответственно от 50 до 700 кг/см². Предполагается выпуск портландцемента марок 800-1000. Глиноземистый цемент производят из известняка и бокситов спеканием, как и портландцемент, но преимущественно плавлением в электропечах, вагранке, домне одновременно с металлом как побочный продукт - шлак (клинкер). Это достигается подбором флюсов при плавке. Глиноземистый клинкер состоит из кальциевых алюминатов, обладающих высокой термостойкостью. Поэтому из такого цемента изготавливают жаростойкие материалы. Бетон из глиноземистого цемента более плотный и водонепроницаемый, стойкий против сульфатных соединений, минерализованных вод, чем простой портландцемент. Сущность твердения аналогична данному процессу силикатных цементов. При взаимодействии кальциевых алюминатов с водой образуются кальциевый гидроалюминат и гидрат окиси алюминия. Образованные вещества кристаллизуются и превращаются в искусственный камень. Процессы кристаллизации протекают быстро, что обусловливает скорое схватывание цементного теста, нарастание прочности. Поэтому глиноземистый цемент - быстротвердеющее вяжущее вещество. Его применяют для конструкций, подвергающихся воздействию повышенных температур, минерализованных вод, сернистых газов, переменному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию при скоростном строительстве, аварийных, тампонажных работах. ¹Переход пластической массы в камневидное состояние обусловлен гидратацией минералов цемента с образованием гидросиликатов (2СаО•SiO2nН2О). гидроокиси Са(ОН)²: гидроалюминатов кальция (ЗСаО·Аl²O³·6H²О), которые кристаллизуются и уплотняются. 66 Однако твердение цемента при температурах более 30 снижает показатели прочности бетона, что требует соблюдения температурного режима для получения качественных строительных материалов. Добавкой к глиноземистому клинкеру до 30% природного гипса получают глиноземистый расширяющийся цемент. При твердении в воде он расширяется, в воздухе с достаточным увлажнением не дает усадки. Эти свойства, а также высокая водонепроницаемость позволяют приготавливать из него безусадочные, водонепроницаемые растворы для замазки швов, стыков, трещин бетона, гидроизоляции и других целей. Однако присутствие гипса снижает термостойкость конструкций, которые возможно эксплуатировать при температурах не более 80 . На 1 т силикатного клинкера расходуют 1,6 т сырья, около 250 кг условного топлива (в отдельных случаях до 360 кг). Оснащение предприятий производительными цементными печами снижает расход топлива до 200 кг, а применение сухого способа производства - до 120 кг на одну тонну, или почти в 2 раза по сравнению со средним показателем. Коэффициент полезного действия печных агрегатов невысок. Почти половина энергии сжигаемого топлива в цементных печах выбрасывается в воздух с продуктами горения, горячим клинкером, через поверхность печей. Повышенная материалоемкость производства цемента обусловливает размещение предприятий вблизи сырьевых ресурсов. Использование разнообразных первичных и вторичных ресурсов формирует производство цемента возле месторождений карбонатного сырья, а также в сочетании с предприятиями черной металлургии, тепловыми электрическими станциями, сжигающими твердое топливо, глиноземными заводами, перерабатывающими нефелиновое сырье. Такое комбинирование позволяет получить наиболее дешевый цемент и решать экологические проблемы в центрах металлургии, в районах тепловых станций. Широкое территориальное распространение первичных и вторичных ресурсов для производства цемент обуславливают незначительные межрайонные его перевозки. При завозе цемента из дальних районов у источников сырья целесообразно вырабатывать полупродукт клинкер, а у потребителя - из него различные виды цемента на основе местных добавок, так как из 1 т клинкера можно получить до 1,5 г цемента и снизить тем самым транспортные расходы примерно на 1/3. Гипсовые вяжущие материалы получают обжигом сырья при низких (110-180°) и высоких температурах (600-900°). Высокообжиговые гипсовые материалы (ангидритовый цемент, высокообжиговый гипс) вырабатывали в ограниченных объемах. Основу гипсовых вяжущих веществ составляют низкообжиговые (высокопрочный гипс, строительный гипс). Сырьем для гипсовых вяжущих веществ являются природный гипсовый камень, состоящий не менее 90% из двухводного гипса(CaSO4·2H2O), отходы химической промышленности, которые на 80-90% состоят из двухводного гипса (фосфогипс). Добычу сырья проводят открытым способом. Кусковой 67 гипсовый камень дробят, измельчают в мельницах и в порошкообразном состоянии обжигают в печах вращающихся, с кипящим слоем, а преимущественно в варочных котлах. При повышенных температурах происходит дегидратация сырья с образованием полуводного сернокислого кальция и воды. Пары воды проходят через слой порошка и создают эффект кипения (варки), что обусловило и название основного оборудования. Получают строительный гипс. Смешивая строительный гипс с водой, происходит его гидротация, и он вновь превращается в кристаллы двухводного гипса в виде твердою остатка. Скорость схватывания и твердения значительно больше, чем у цемента. Начало схватывания гипсового теста наступает через 4 мин и завершается не позднее 30 мин после затворения. Прочность изделий из гипса в 5-14 раз меньше, чем у цемента марок 300-700, а себестоимость такая, как и цемента.¹ Строительный гипс имеет невысокую термостойкость, его дегидротация начинается при 65° . Он применяется для строительных конструкций (панели, сухая штукатурка, декоративные и отделочные материалы и др.), эксплуатируемых внутри зданий. Высокоточный (технический) гипс производят обработкой сырья в герметических аппаратах под давлением. Получают плотные кристаллы полугидрата. Изделия из такого гипса выдерживают давление, как и продукция из цемента марки 300. Обжигом гипсового камня при 600° получают ангидритовый цемент нерастворимый ангидрит. Его смесь с сульфатом натрия, известью, доменными шлаками, золой приобретает вяжущие свойства Ангидритовое вяжущее вещество можно получить без обжига размолом гипсового камня с применением названных добавок. Высокообжиговый гипс производят нагревом гипсового камня до 7001000°. При таких температурах частично разлагается сернокислый кальций с образованием извести, сернистых газов и кислорода. Получают продукт из нерастворимого ангидрита (СаSО4) и извести, который, как и ангидритовый цемент обладает вяжущими свойствами. Воздушная строительная известь бывает негашеной (СаО) комовой, молотой и гашеной Са(ОН)2 в виде порошка. Ее получают из карбонатных и карбонатно-магниевых пород - известняка, мела, мрамора, доломита, магнезита. Сырье добывают открытым способом, дробят и измельчают, обжигают в шахтных, вращающихся печах, в кипящем слое, на спекательных решетках. Обжиг проводят при 1000-1200°, не доводя сырье до спекания. Происходит разложение карбонатов с образованием окиси кальция, магния и углекислого газа. Углекислый газ отводят с продуктами горения. Остаток термического разложения образует комовую известь. При этом с газом удаляется до 44% веса известняка, и объем уменьшается только на 10%. ¹ Предел прочность строительного гипса через 1,5 часа после затвердения - 3.5-5.5 Мпа (35-55 кг на см²). 68 Это свидетельствует о высокой пористости комовой извести. В результате обжига, как и при получении гипса, изменяется состав сырья, и получают новое вещество с вяжущими свойствами. Комовую известь для потребления в качестве вяжущего вещества измельчают в мельницах и получают молотую известь. Ее выпускают в чистом виде или с минеральными добавками доменного шлака, золы, вулканических пород, кварцевого песка, гипсового камня, карбонатных пород. В последнем случае известь называют карбонатной. Добавлением к комовой извести воды получают гашеную (гидратную) известь в виде порошка [Са(ОН)2]. Название извести зависит также от химического состава. По содержанию окиси магния выделяют магнезиальную (до 20% МgО) и доломитовую известь (20-40% МgО). Связывающие свойства извести основаны на способности гидратов окиси кальция терять влагу и кристаллизоваться на воздухе. Кристаллы постепенно соединяются и обрадуют твердый сросток. Поэтому воздушная известь в негерметической таре с момента изготовления хранится не более 18 суток, так как от воздушной влаги она гасится и теряет потребительские свойства. При воздействии воды возможно растворение кристаллического сростка, что ведет к потере прочности. Поэтому известковые вяжущие применяют для конструкций внутри сухих помещений. Воздушную известь применяют для приготовления строительных растворов, бетонов, силикатного камня, пеносиликатов, комбинированных цементов. Целесообразность применения извести в производстве бетона при некотором снижении его прочности обусловлена сокращением расхода цементного клинкера, расширением возможности замены щебня более распространенным наполнителем - песком, что снижает стоимость строительных работ. Гидравлическую известь вырабатывают из известняка, содержащего глину. При обжиге часть окислов кальция и магния в твердом состоянии без спекания взаимодействует с окислами примесей кремния, алюминия, железа и образуют силикаты, алюминаты кальция, магния, как и при производстве клинкера. Возникшие соединения при смешивании с водой ведут себя, как и аналогичные вещества цемента, образуют твердую массу с сохранением ее прочности. Поэтому гидравлическую известь применяют как заменитель цемента, например, при укладке фундамента. Однако потребительские качества гидравлической извести хуже цемента и ее вырабатывают в ограниченных объемах, как строительное вяжущее вещество местного значения. Размещение предприятий по выработке гипсовых, известковых вяжущих материалов имеет сырьевую ориентацию, как материалоемких производств. 2.3. Безобжиговые искусственные каменные материалы Искусственные безобжигоные каменные материалы изготавливают из минеральных вяжущих веществ, заполнителей и воды. Механическую 69 прочность они приобретают в результате затвердения вяжущих веществ (гипса, извести, цемента). В качестве заполнителей используют природные (песок, гравии, пемза и др.) и искусственные материалы (аглопорит, керамзит, опилки и др.). Искусственные каменные материалы могут быть армированы металлом, асбестом, древесиной и др. В зависимости от вяжущего вещества безобжиговые каменные материалы подразделяют на силикатные, на основе гипса и цемента. Силикатные изделия получают на основе извести. Наиболее распространенные стройматериалы этой группы - силикатный, или белый кирпич. Его вырабатывают из кварцевого песка (92-95% массы) и негашеной извести (5-8%)¹. Для этого очищенный от примесей песок смешивают с измельченной известью и водой (рис.26). Происходит гашение извести. Сырьевую смесь прессуют и получают стандартной формы кирпич. На вагонетках его направляют в цилиндрической формы автоклавы длиною 20 м, закрывающиеся с торцов. В них кирпич пропаривают в течение 6-8 часов. Происходит взаимодействие извести и кремнезема с образованием гидросиликата кальция, связывающего зерна песка и формирующего прочность кирпича. Прочность силикатного кирпича повышается и после выгрузки его из автоклавов на воздухе взаимодействием непрореагированной извести с углекислым газом воздуха. Силикатный кирпич по прочности не уступает керамическому, а удельный расход топлива в 2 раза, электрической энергии в 3 раза, трудовых ресурсов в 2,5 раза меньше. Отсутствие печи обжига, сушильного оборудования снижает удельные капитальные вложения на строительство заводов. Поэтому себестоимость силикатного кирпича меньше по сравнению с керамическим. Однако в условиях повышенных температур, влажности он теряет прочность и разрушается. Поэтому силикатный кирпич применяют для кладки стен зданий выше гидроизоляционного слоя фундамента. На 1 тыс. кирпича расходуется 2,3 куб. м песка, около 400 кг извести. Предприятия размещают вблизи месторождений сырья и реализуют продукцию для внутрирайонного потребления. На основе извести изготавливают силикатные изделия плотной структуры. Для этого приготавливают смесь кварцевого песка (70-80% массы сырья), молотого песка (8-15%) и негашенной извести (6-10%) с водой. Изделия формуют на вибрационных площадках, выдерживают в автоклавах. Силикатные изделия с плотной структурой не уступают по ряду физических свойств железобетонным, а себестоимость первых меньше из-за использования более дешевого сырья. Стоимость песка меньше, чем гравия, щебня, а расход извести в 2 раза меньше, чем цемента. Поэтому из таких силикатных изделий производят элементы всех конструкций зданий (фундаментные и цокольные блоки, армированные материалы и др.). ¹ Изготавливают цветной силикатный кирпич. Цвет кирпичу придают вводом в сырьевую смесь красителей. 70 На основе извести вырабатывают изделия с ячеистой структурой пеносиликаты и газосиликаты. Они изготавливаются из смеси извести (до 25%) и молотого песка, который возможно заменить золой и шлаками. Для придания пористости изделиям в смесь добавляют устойчивую пену (жидкие смеси канифольного масла и животного клея и др.). В газовых силикатах ячеистость образует алюминиевая пудра, которая с известью и водой образует гидросиликат кальция и водород. Газообразный водород вспучивает смесь и образует пористую структуру. Смесь сырья с пеной или газообразователем формуют и запаривают в автоклавах. По назначению ячеистые силикаты производят теплоизоляционными (для утепления перекрытий, холодильных камер и др.) и конструктивными (для армированных конструкций, чердачных перекрытий и др.). Из гипса, воды, заполнителей изготавливают гипсовую сухую штукатурку - гипсовый лист между двумя листами картона, перегородочные плиты, панели, гипсобетонные камни и др. Перегородочные панели представляют деревянный каркас из брусков, реек, заполненный смесью гипса, песка, опилок. Они бывают сплошными и с дверными проемами. Такие перегородки дешевле кирпичных, железобетонных, деревянных, а в строительстве при их применении снижается трудоемкость работ. На основе цемента производят асбестоцементные изделия, бетой и железобетонные конструкции. Асбестоцементные изделия характеризуются легкостью, огнестойкостью, достаточной прочностью. Соотношение сырьевых компонентов зависит от требований предъявляемых к изделию. Для листовых материалов вес асбеста - 10-18%, цемента - 82-90%, для труб соответственно 15-21% и 79-85%. На 1 кг сырья добавляют 4-5 л воды. При автоклавном твердении 50% цемента заменяют молотым кварцевым песком. Производственный процесс состоит из распушки (расчленения) асбеста, приготовления сырьевой массы, формовки изделия, твердения и механической обработки. Асбест в природе представлен в основном минералом хризотил асбестом, имеющим плотное волокнистое строение. Поэтому асбест расщепляют на тонкие волокна и смешивают с цементом, водой. Изделия формуют на специальных машинах, имеющих ванну с асбестоцементной суспензией и полый барабан, обтянутый сеткой (рис.27). При вращении барабана на сетке остается тонкий слой суспензии, которая снимается суконной лентой, переносится на второй барабан (форматный) и навивается на нем слоями. С образованием на форматном барабане необходимой толщины асбестоцементной массы, ее разрезают и снимают в виде листа. При производстве труб устанавливают барабан необходимых размеров, а сырьевую массу с него снимают без разрезания и направляют на твердение в естественных условиях или автоклавах. 71 Рис. 26. Схема производства силикатного кирпича 72 Механическая обработка сводится к обрезке кромок, пробивке отверстий и др. Готовую продукцию выпускают в виде волнистых и плоских листов, панелей, плит, труб и других изделий. Они используются как строительный материал для кровли, стен, ограждений, отделки зданий, канализационных, водо- и газопроводных систем. Бетон - искусственный каменный материал, изготовленный на основе гидравлических вяжущих веществ, крупного заполнителя и воды. Сочетание бетона со стальной арматурой называют железобетоном. Это наиболее распространенные строительные материалы. Из них строят фундаменты, стены, перекрытия, кровлю зданий, мосты, автомобильные дороги и др. Это обусловлено доступностью сырья, простотой производства изделий различных размеров, конфигурации, многоплановостью потребительских свойств (прочность, плотность, морозоустойчивость, водонепроницаемость и др.). Производство материалов из бетона в заводских условиях имеет высокую степень готовности, что позволяет проводить строительство индустриальным методом, повысить производительность строительных работ, уменьшить трудоемкость и время создания объектов. Виды бетона классифицируются по различным признакам. В зависимости от объемной массы, используемых наполнителей, выделяют тяжелые и легкие бетоны. Тяжелые бетоны (объемная масса более 1800 кг/куб. м) в качестве наполнителя имеют кварцевый песок, гравий, щебень. Такой бетон обладает большой прочностью и используется для несущих конструкций. В легких бетонах (объемная масса 500-1800 кг/куб. м) заполнителями являются пористый известняк, туф, пемза, аглопорит, керамзит. Легкие бетоны содержат много пор, воздушных пустот (пенобетон, газобетон). По виду вяжущих веществ выделяют цементные, силикатные автоклавного твердения, цементно-известковые, полимерные (на основе органических вяжущих веществ) и другие виды бетонов. В зависимости от строения стройматериалы могут быть сплошными, пустотелыми, одно- и многослойными, из различных видов бетона и конструкционных материалов (тепло-, звукоизоляционных и др.). По назначению бетоны бывают обычные, гидротехнические, дорожные и специального назначения (кислото-, жароустойчивые и др.). От способа армирования железобетонные изделия бывают обычные и предварительного напряжения Производство бетона состоит из подготовки сырья, формования изделий твердения и отделки поверхности. Сырье очищают от металлических примесей, дробят, промывают и дозируют. Бетонную смесь приготавливают в бетономешалках передвижного и стационарного типа. Перемешивание проводят при свободном падении сырьевых компонентов и принудительным методом - материалы в неподвижном состоянии перемешивают вращающимися лопастями. Приготовленную смесь по трубопроводам, в вагонетках, самосвалами доставляют на формовку (укладку). 73 Р и с . 2 7 . С х е м а а с б е с т о ц е м с н т н о Рис. 27. Схема асбестоцементной листоформовочной машины 74 Для этого на заводах применяют многоразовые металлические формы. Стенки форм смазывают солидолом, автолом, другими маслами и заполняют бетоном. Проводят уплотнение массы вибрированием, вибропрессованием, вибротромбованием и другими способами. Твердение бетона в естественных условиях - длительный процесс, что в заводских условиях требует больших производственных площадей и много форм. Поэтому на заводах этот процесс ускоряют пропариванием в течение 8-14 часов. Еще больше сокращают период твердения запариванием бетона в автоклавах с предварительным нагревом его до 80-90. Отделку бетона проводят нанесением цветной фактуры, присыпкой измельченным камнем и другими материалами. Бетон имеет большую прочность на сжатие и меньшую на растяжение, изгиб. Для повышения прочности на растяжение в бетон вводят стальную арматуру, которая воспринимает нагрузки растяжения. Из-за малой растягиваемости бетона по сравнению с арматурой при усилиях на изгиб на растягиваемой стороне бетона возникают трещины. Для устранения этих недостатков арматуру предварительно натягивают (напрягают) механическим, электротермическим методом. Механическое напряжение арматуры проводят до бетонирования и после его силовым воздействием домкратами, специальными устройствами. Электротермическое натяжение проводит нагревом арматуры электрическим током до 350°. В результате арматура удлиняется, ее концы закрепляют. Охлаждают металл и форму заполняют бетоном. При таком напряжении не требуется сложного оборудования для натяжения арматуры. Предварительно напряженные конструкции повышают долговечность строений, прочность на изгиб в 3-4 раза по сравнению с обычными железобетонными изделиями. Из-за лучших пролетных характеристик они позволяют снизить удельный вес конструкции и экономить 40-50% металла и 15% бетона. На 1 куб. м железобетона средний расход щебня составляет 1,6 т, песка 0,75 т, цемента - 0,35 т, арматуры - 0,04 г, электрической энергии - 30 кВтч, 0,05 кг условного топлива. Низкая транспортабельность влажного бетона изза потери потребительских качеств обусловливает приготовление бетонной смеси на заводах вблизи крупных строительных объектов (электрические станции и др.), а также в бетоносмесительных цехах предприятий сборного железобетона. Следовательно, производство бетона имеет потребительскую ориентацию. Железобетонные изделия более транспортабельные и они, особенно уникальные конструкции, перевозятся на значительные расстояния автомобильным и железнодорожным транспортом. Влияние промышленности строительных материалов на окружающую среду связано с открытой разработкой природных ресурсов, что вызывает нарушение природных ландшафтов. Подробнее данные аспекты рассмотрены в главе "Добыча и обогащение полезных ископаемых". Экономическая специфика производства стройматериалов обусловлена использованием в технологическом процессе мелкоизмельченного сырья, готовой продукции (вяжущие вещества). В окружающую среду попадают минеральные вещества 75 в виде пыли, продукты горения, что вызывает повышенную запыленность воздуха. В нерудной промышленности основное количество пыли образуется при дроблении, помоле, грохочении, камнеобработке, перегрузке. Особенно много пыли попадает в воздух из-за высоких температур, низкой влажности рабочей среды, печей, мельниц и другого оборудования цементных заводов. Она рассеивается от предприятий в радиусе 20 км. Покрывает тонким слоем окрестность и даже в летний период территория имеет серый цвет цементной пыли. Запыленность воздуха отрицательно сказывается на санитарногигиенических условиях предприятий, здоровье населения, надежности функционирования оборудования, контрольно-измерительных приборов. Особенно вредны для здоровья пылевидные частицы кварца, которые вызывают профессиональное заболевание – силикоз. Для улучшения условий труда проводят вентиляцию помещений, отсасывание пылевоздушной смеси, улавливание пыли. На предприятиях создается экологическая инфраструктура, представляющая многоступенчатые системы очистки воздуха Первоначально улавливают в пылеосадочных камерах, циклонах крупные частицы, на следующем этапе воздух очищают от тонких фракций в циклонах, скрубберах и на заключительном - от дисперсных частиц в электрофильтрах. Пылеосадочные камеры представляют металлические или железобетонные емкости, в нижней части которых расположен бункер для пыли. Ее осаждение происходит в результате снижения скорости перемещения потока с пылью за счет большого диаметра камеры по сравнению с сечением трубопровода. Частицы пыли оседают под действием силы тяжести. Циклоны и центробежные скрубберы состоят из верхнего цилиндра и нижней конической части. Осаждение пыли основано на использовании центробежных сил, под воздействием которых пылевидные частицы скапливаются в бункере. Скрубберы - прямоточные циклоны цилиндрической формы. Под влиянием центробежных сил пыль оседает на стенки скруббера и смывается тонким слоем воды. Степень очистки воздуха составляет 80-98%. Наиболее совершенное оборудование - электрофильтры, которые имеют отрицательные и положительные электрические проводники. Газы с пылью ионизируют, подают в электрическое поле, и происходит осаждение ионизированных веществ. Коэффициент очистки воздуха в электрофильтрах составляет 0,98-0.99. Однако они потребляют мною энергии и требуют больших затрат. 76 СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ Антиокислитель - замедляет процессы полимеризации, окисления и используется для стабилизации крекинг-бензина. Бумага - слово итальянского происхождения и в переводе означает хлопок. Геми - в переводе с греческого означает полу-. Гемицеллюлоза имеет меньшую длину полимера, степень полимеризации, стойкость к обычным растворителям по сравнению с целлюлозой. Гидролиз - процесс расщепления вещества с присоединением к образующимся остаткам водорода и гидроокисла (ОН). Гидролизуются в древесине целлюлоза и гемицеллюлоза Дефибрер - слово французского происхождения и означает вновь образованное, качественно новое по состоянию волокно. Живица - название, основанное на способности и заживлять раны дерева. Клинкер состоит из вновь образованных минералов: кальциево-силикатного алита (ЗСаО•SiO2 - 45-65% от общей массы), белита (2СаО-SiO2 - 2045%), кальциевого алюмината (ЗСаО•Аl2О3 - 7-15%), кальциевого алюмоферрита(4СаО •Аl2О3-FеО3 - 10-18%). Креозотовое масло представляет смесь фенолов и ароматических углеводородов. Хороший антисептик. Противопаразитное действие способствует применению в медицинских целях. Кряж - короткая часть толстого ствола дерева. Лигнин в переводе с латинского означает дерево, содержит больше углерода, чем целлюлоза, придает стенкам клеток твердость. Осмол - так называют выкорчеванные пни старых деревьев. Пуццолан - слово итальянского происхождения, означающее продукт вулканического извержения (пепел, пемза). Данные продукты применяют как гидравлическую добавку к строительным растворам вяжущих веществ для придания водостойкости. От основной добавки и название цемента пуццолановый. Удельные производственные затраты - показатель, отражающий расход ресурсов на единицу продукции. Рассчитывается в стоимостном (руб., долл. и т.д.) и натуральном измерении (куб. м, чел·час, кВт-час и т.д.) на единицу готовой продукции (т, куб. м и т.д.). Фурфурол - слово латинского происхождения и означает масло отрубей, имеет химическую формулу С5Н4О2. Хлыст - ствол дерева без сучьев. Целлюлоза - слово латинского происхождения и в переводе означает клетка, клетчатка. Она представляет природный полимер (С6Н1003)n, составляет стенки клеток и придает растениям прочность, гибкость, эластичность, упругость. При повышении температуры и давлении гидролизуется. 77 ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА Виноградов Г. Н. Технология лесозаготовок. М., 1984. Зощук Н. И. Технология производства строительных материалов и изделий. М., 1976. Иванов С. М. Технология бумаги. М., 1970. Куликов В. А. Производство фанеры. М., 1976. Куприянов В. П. Технология производства силикатных изделий. М., 1969. Полишук А. П. Балка леса. М., 1972. Технология и оборудование лесохимических производств. М., 1979. Технология пиломатериалов. Аксенов П. П. и др. М., 1976. Целлюлоза, бумага картон. Антонова В.Г., Горелик Н.М. М., 1980. 78 СОДЕРЖАНИЕ 1. 3аготовка, механическая и химическая переработка древесины …..3 1.1. Заготовка древесины……………………………………………......6 1.2. Производство пиломатериалов…………………………………….13 1.3. Производство фанеры, древесных плит……………………...……22 1.4. Производство целлюлозы…………………………………………..28 1.5. Производство бумаги, картона…………………………………….33 1.6. Гидролиз древесины Лесохимия…………………………………..38 2. Производство строительных материалов……………………………….44 2.1. Классификация строительных материалов. Природные строительные материалы……………………………………………………….46 2.2.Материалы высокотемпературной обработки……………………....48 2.2.1. Керамические материалы…………………………………….48 2.2.2. Строительные материалы из минеральных расплавов……..56 2.2.3. Неорганические вяжущие материалы……………………….60 2.3 Безобжиговые искусственные каменные материалы…………………69 Словарь терминов……………………………………………………………...77 Дополнительная литература...............................................................................78 79 Учебное издание Некриш Владимир Владиславович ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА (Технико-экономические основы заготовки, механической, химической переработки древесины и производства строительных материалов) Учебное пособие для студентов специальности Н.05.01.00 — «География» В авторской редакции Подписано в печать 13.05.2000. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 4,88. Уч.-изд. л. 4,64. Тираж 200 экз. Зак. 386. Белорусский государственный университет. Лицензия ЛВ № 315 от 14.079Х. 220050, Минск, пр. Ф. Скорины. 4. Отпечатано в Издательском центре БГУ. 220030, Минск, Красноармейская, 6. 80 81
