Технология сборки и сварки автоклава

Введение

На данный момент производство материалов и изделий из гипсовых вяжущих  переживает очередной подъем.

Востребованность гипсовых материалов и  изделий закономерна  благодаря их уникальным свойствам (быстрому безусадочному твердению, биологической стойкости, низкой теплопроводности,  химической нейтральности), а также высоким качеством (архитектурным,  декоративным,  звукоизоляционным,  комфортным и экологическим).    

Строительные материалы, которые производятся из гипса, имеют  высокую  огне- и пожаростойкость. Эти свойства определяются способностью двухгидрата сульфата кальция отщеплять при нагревании полторы молекулы воды. Гипсовые материалы создают в помещении благоприятный микроклимат за счет повышенной воздухопроницаемости и свойства поглощать избыточную влагу, а в случае очень сухого воздуха  в помещении  постепенно отдавать ее. Такая поддержка равновесной влажности воздуха гипсовыми материалами положительно влияет на микроклимат всего помещения и создает комфортные условия для человека. По сравнению с цементом или известью на изготовление гипсовых вяжущих тратится в 3-5 раз меньше теплоэнергии. Кроме того, сейчас резко выросли цены на цемент, что может негативно отразиться на всей строительной отрасли и вынудит ученых и проектировщиков искать ему альтернативы.                  

Для изготовления тонкостенных строительных деталей и получения  гипсобетона марок выше 50, а также  для архитектурных целей используют высокопрочный гипс. Способ получения  высокопрочного гипса отличается от строительного тем, что при нагревании гипсового камня в обычных условиях получается полуводный гипс -модификации.

Процесс заключается  в пропаривании гипсового камня насыщенным паром с избыточным давлением до 7 атм. тем больше в зависимости от сырья и требований к готовому продукту. Важным звеном в получении высокопрочного гипса являются автоклавы, которые предназначены для пропаривания природного гипса с последующей сушкой.

В настоящем дипломном  проекте рассматривается проектирование (модификация) технологии изготовления и разработка плана участка для сборки и сварки автоклава объемом 25 м³, который предназначен для получения высокопрочного гипса из природного гипса для разных строительных работ.

Целью дипломного проекта является аналитическая разработка технологии изготовления автоклава, отвечающей современным требованиям рыночной экономики. Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• провести анализ базовой технологии изготовления изделия, выявить недостатки и предложить меры по их устранению;
• разработать принципиальную технологию изготовления изделия;
• обосновать выбор способа сварки, формы разделки кромок, сварочных материалов;
• определить оптимальные параметры режима сварки, обеспечивающие высокую технологическую прочность сварных соединений;
• произвести выбор современного высокопроизводительного оборудования для сборки и сварки изделия;
• экономическим расчетом подтвердить эффективность принятых инженерных решений;  
• разработать план участка для сборки и сварки автоклава с учетом норм  технологического проектирования, норм и правил БЖД.

В качестве исходных данных для проекта использовали:

• производственно-технологическую документацию базового предприятия-изготовителя автоклава;
 

1. Конструкция, назначение и условия работы автоклава

Автоклав - аппарат для  проведения различных процессов  при нагревании и под давлением  выше атмосферного. В этих условиях достигается ускорение реакции  и увеличение выхода продукта. Автоклавы бывают: вращательные, колебательные, горизонтальные, вертикальные и колонные. Автоклав представляет собой емкость или замкнутую, или открывающей крышкой. При необходимости его оснащают внутренними, внешними или выносными теплообменниками, механическими, электромагнитными, пневматическими перемешивающими устройствами и контроль- измерительными приборами для измерения и регулирования давления, температуры, уровня жидкости и т.п. .. Конструкция и основные параметры промышленного автоклава разнообразны, емкости от нескольких десятков см³ до сотен м³, предназначенных для работы под давлением до 150 МН/м² при температуре до 500 ˚ С. Еще в советские времена широкое использование получили вертикальные автоклавы периодического действия. Данный разработан автоклав является вертикальным, периодического действия, с двумя автоклавного контейнерами (корзинами) и открывающей крышкой с байонетным устройством, объемом 25 м³. Он предназначен для пропаривания природного гипса, из которого в дальнейшем получают высокопрочный гипс. Основными стадиями технологического процесса являются: пропаривания гипсового щебня, сушки его в сушильном барабане, размола в порошок. Поэтому в технологической схеме два спаренные автоклавы расположенные между щековые дробилки и сушильным бункером, потому измельченный природный гипсовый камень во фракцию 10-50 мм пропаривается быстрее и для этого нужно 5 часов. После этого пропаренный гипс хорошо сушится для быстрого размола в шаровой мельнице. Автоклав, если длительное время не работал перед загрузкой, должен быть продут водяным паром в течение 5 минут, чтобы предотвратить образование значительного количества конденсата в начале пропаривания. Продолжительность пропаривания зависит от размера щебня и может быть определена расчетом. Необходимое время обработки гипсового сырья насыщенным водяным паром зависит не только от давления пропарки и фракционного состава обрабатываемого материала, но и от структурных характеристик гипсового сырья. Из этого и вытекает разница в оптимальных параметрах проведения процесса пропарки для природного гипсового камня, отработанных литейных гипсовых форм, кусковой техногенной гипсового сырья. С теплотехнической точки зрения давление автоклавной обработки в совокупности с размером шлаков гипсового поступающего сырья пропаривается подвода теплоты к материалу. Как видно из термограмм процесса пропарки, сам процесс дегидратации лимитируется теплопроводностью материала. Этот процесс не отличается интенсивностью из-за низких коэффициентов теплопроводности материала. Давление, при котором протекает термическая диссоциация конкретной сырья без инкубационного периода, является оптимальным для данной термообработки, так как повышение давления приводит к повышению темпа перекристаллизации и получению дефектных кристаллов. Варьируя темпом перекристаллизации, можно управлять величиной кристаллов образующихся a-модификации полугидрат сульфата кальция, что в конечном счете позволяет корректировать основные технические характеристики конечного продукта. Изменяя фракционный состав материала, можно добиться улучшения качества продукта и сокращение времени обработки материала. Однако энергосберегающий эффект при этом незначительное. Для каждого вида гипсового сырья должны быть подобраны свои параметры оптимального режима гидротермальной обработки, Которые будут использованы в теплотехнических расчетах для выявления резерва энергосбережения.

Данный аппарат состоит из: цилиндрического  корпуса, крышки с быстродействующим  байонетным устройством, днища, центральной  трубы, опорных лап, двух автоклавных контейнеров.

Рис. 1- Автоклав: 1 - корпус, 2 - днище, 3 - крышка; 4,5 - соответственно верхней и нижней контейнеры, 6 - центральная труба, 7 - затвор гидравлический, 8 - опорные лапы, 9 - байонетное кольцо.

Автоклав 2,8 х 4,2 м представляет собой цилиндрическую вертикальную емкость, которая относится, за соответствием классификации Госгортехнадзор, к категории емкостей, работающих под давлением. Автоклав состоит из корпуса, крышки с механизмом подъема, байонетного кольца с механизмом поворота, эллиптического днища, гидропривода, системы охлаждения, блокирующих устройств, системы автоматического регулирования и электрооборудования. Корпус автоклава выполнен в виде цилиндра, который состоит из сварных обечаек; до крайних обечаек приварены фланцы, которые служат для байонетного соединения корпуса с быстро выкручивающиеся крышкой. На корпусе есть специальные площадки для установки гидропривода для подъема крышки, поворота байонетного кольца. Внешней поверхности корпуса приварены фланцы и штуцеры для соединения с трубопроводным и контрольно-измерительным оборудованием. Внутри корпуса расположена питательная труба паропровода, перфорированная по всей длине, что обеспечивает равномерную подачу пара в автоклав. Крышка представляет собой сварное эллиптические днище с фланцем, изготовленное путем штамповки или обкатки. На крышке приварены вилки для шарнирного крепления ее к рычагу. Механизм подъема крышки состоит из гидроцилиндра, хомута и кронштейна. Гидроцилиндр закреплен на кронштейне с помощью цапф, на которых он возвращается при закрывании и открывании крышки. Шток гидроцилиндра соединен с рычагом, другой конец которого присоединен к крышке автоклава. При максимальном подъеме крышки гидроцилиндр нажимает на конечный выключатель, который установлен на кронштейне. Скорость опускания крышки определяется размером проходного сечения демпферного кольца, размещенного на штуцере гидроцилиндра. В открытом положении крышка удерживается штоком и подстраховывается хомутом, который приводится в движение гидроцилиндром. Байонетное кольцо служит для плотного закрывания крышки автоклава и состоит из двух полуколец, соединенных болтами в диаметральной плоскости. Крышка и фланец кольца имеют по 20 прямоугольных зубцов. Крышка закрывается поворотом байонетного кольца относительно продольной оси автоклава, при этом зуб байонетного кольца заходит за зуб фланца, образуя замок. Кольцо поворачивается механизмом, который состоит из двух гидроцилиндров, штоки которых шарнирно соединены с приливами байонетного кольца. Автоклав уплотняется резиновой прокладкой специального профиля, установленной между корпусом и крышкой. Для сохранения прокладки от перегрева в месте уплотнения по специальным кольцевых каналах поднимается проточная вода. Система охлаждения, состоящая из специального насоса, трубопроводов и арматуры, предназначенной для охлаждения и уплотнения крышки автоклава. Количество воды на сливной стороне регулируется вентилем. Внутри корпуса автоклава в нижней части установлена колосниковая решетка для установки на нее одной из корзин, а выше приварены три лапы для размещения другой. К днищу автоклава внутри приварена сетка, которая предотвращает механическом загрязнения как самого днища так и патрубка для отвода конденсата.

Технические характеристики  приведены  в таблице 1.

Таблица 1.

Техническая характеристика автоклава

.Полный объем, м3	не более 25
Расчетное избыточное давление, МПа (кгс/см2)	0,82 (8,20)
Рабочее избыточное давление, МПа (кгс/см2)  в каналах охлаждения  байонетного устройства	не более в корпусе 0,8 (8,0) 0,3 (3,0)
Рабочая среда	природный гипс, водяной  пар, конденсат (водный раствор гипса), невзрывоопасная и коррозионное.
Расчетная температура  стенки корпуса автоклава, ° С	180
Рабочая температура  среды в автоклаве, ° С	180
Допустимая скорость нагрева и охлаждения стенок корпуса, ° С / ч,	не более 130
Внутренний диаметр  корпуса, мм	2800
Длина цилиндрической части  корпуса, мм	4200
Масса автоклава (без  загрузки и системной автоматизации), кг,	не более 11535
Габаритные размеры  с закрытыми крышками, мм  длина  ширина  высота	6800 4190 4190

1.1 Основные материалы

1.2.1 Химический состав и механические свойства материалов

Для изготовления оболочковых  конструкций, работающих под давлением, используют, стали, обладающие комплексом прочностных и служебных свойств. Для изготовления корпуса выбранной конструкции необходимо, чтобы конструкционный материал сохранял свои механические свойства  при температуре  до 180º С, имел максимально возможную прочность (так как это снижает металлоемкость изделия), хорошо сваривался, не обладал слишком высокой стоимостью. Материалы для изготовления стальных сварных аппаратов, которые поставляют металлургические заводы в виде листового, сортового и фасонного проката, труб, специальных поковок. Материалы должны быть химически и коррозионно в заданной среде при его рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими характеристиками на прочность и пластичность в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку, а также иметь низкую стоимость и быть недефицитными. При выборе материала учитывают расчетную температуру стенок аппарата, а также, если эта температура является положительной, для аппаратов, установленных на открытой площадке или в неотапливаемых помещения, необходимо учитывать абсолютную минимальную зимнюю температуру наружного воздуха, при которой аппарат может находиться под давлением. Качество, химический состав и механические свойства должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов и ТУ и быть подтверждены сертификатами заводов-поставщиков. При отсутствии этого все необходимые испытания должны быть проведены на заводе-изготовителе аппарата. Из листовой стали перлитного класса: 09Г2С по ГОСТ 5632 - 72 изготовлены корпус, крышка, днище, фланцы, контейнеры, а опоры - из углеродистой обыкновенного качества стали Ст3 ГОСТ 380 - 71. Химический состав и механические свойства сталей приведены в таблицах 2 и 3.

 

Таблица 2.

Химический состав стали 09Г2С.

C	Si	Mn	N	Cr	S	P	Cu	Ni	As
			не более
0,12	0,5-0,8	1,3-1,7	0.008	0,3	0,04	0,035	0,3	0,3	0,08

Таблица 3.

Механические свойства стали 09Г2С

Предел прочности sв, МПа	Предел текучести sт, МПа	Относительное удлинение  δ5, %
470	325	21

 

1.1.2 Оценка свариваемости стали

Свариваемость – свойство металла образовывать при установленной  технологии сварки сварное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. При анализе свариваемости дифференцированно оценивают сопротивление сварки соединений  образованию ХТ и ГТ. Формулы для определения показателей свариваемости углеродистых и низколегированных сталей имеют вид:

• Углеродный эквивалент

При С_э>0,45% сталь склонна к ХТ.

• Сопротивление ГТ

при HCS>3,6 в сварных соединениях возникают ГТ.

Трещины повторного нагрева:

Оценку склонности стали  к трещинам повторного нагрева, которые возникают в зоне температур отпуска, произведём также на основании параметрического уравнения.

Параметр Накамура:

DG = Cr + 3,3M0 + 8,1V + 10C – 2

DG =0+0+0+10×0,12-2= -0,8

Сталь 09Г2С не склонна  к образованию трещин отпуска, т.к. DG меньше нуля (табл. 4).

Таблица 4.

Характеристики свариваемости

Марка стали	DG	Сэ, %	HCS	Склонность к:
				ТПН	ХТ	ГТ
09Г2С	< 0	0,47	2,91	-	+	-