2.4. Физико-химические процессы.

Вспучивание глины при обжиге связано с двумя процессами: газовыделением и передом глины в пиропластическое состояние.

Источниками газовыделения являются реакции восстановления оксидов железа при их взаимодействии с органическими примесями, окисление этих примесей, дегидратация слюд, карбонатов и.т.д. В пиропластическое состояние глины переходят, когда при высокой температуре в них образовывается жидкая фаза (расплав), в результате чего глина размягчается, приобретает способность к пластической деформации в то же время становится газонепроницаемой и вспучивается выделяющимися газами, которые создают избыточное давление под действием которого происходит увеличение объема.

Условия газообразования и газообразующие вещества: газовая фаза пор керамзита в основном состоит в основном из СО, СО₂,Н₂О и О₂. Источников газообразования глинистых пород на температурном уровне газообразования пористой структуры, как правило, несколько. К их числу на различных стадиях обработки следует отнести следующие вещества:

1.Свободную и физически связанную воду, которая как известно испаряется при температуру 100-180 ⁰ С , поэтому очевидно, что оказать влияние на рассматриваемый вид вспучивания непосредственно как парообразующий агент вода не может. Однако, она оказывает косвенно благоприятное влияние на процессы обуславливающие вспучивание. При быстром нагревании она задерживает преждевременное развитие ряда окислительно-восстановительных реакций и последние, смещаются в область более высоких температур. Химически связанная вода, также принимает участие в процессах вспучивания. При быстром обжиге, когда термическая обработка от 600 до 1150⁰ С продолжается около 8-10 мин, остатки конституционной воды минералов удаляются и несомненно принимают участие в порообразовании и вспучивании пиропластической глиняной массы.

2. Газообразные продукты диссоциации карбонатов. Легкоплавкие глины, как правило, содержат карбонаты кальция, магния, реже – железа и марганца. Карбонат кальция разлагается при 850-950⁰С, карбонат магния при 500-600⁰ С, и карбонат железа при 400-500⁰ С. Так как диссоциация карбонатов зависит от скорости их нагревания, то реакции их разложения при быстром обжиге переместятся в область более высоких температур. В этом случае продукты диссоциации карбонатов могут явиться одним из источников газообразования фазы, участвующей с процессе порообразования массы.

2. Сульфаты и сульфиды. Диссоциация СаSO₄ происходит при 1204 ⁰С. Высвобождающийся при этом SO₂ является одним из агентов вспучивающим глину. Примеси в виде пирита (используется в качестве добавки в данном курсовом проекте ), марказита и других сульфидов железа при нагревании высвобождают серу которая при взаимодействии с кислородом образует SO₂ и SO₃ газы которые также вспучивают глину.

3. Окисление углерода происходит при температурах воспламенения органических веществ. При 900-1000⁰С он практически полностью выгорает, когда прекращается противоток газообразных продуктов изнутри материала препятствующий доступу кислорода. При быстром обжиге углерод интенсивно окисляется в области температур, при которых глинистая масса размягчается и вспучивается, что позволяет отвести углероду значительную роль в процессах вспучивания. Готовый керамзитовый гравий содержит 0,1-0,3% углерода.

4. Газообразные продукты диссоциации Fe₂О₃. В определенных условиях кислород окислов железа может оказаться компонентом, непосредственно участвующим в порообразовании керамических масс. Это возможно при образовании соединений куда железо входит в заокислой форме, с высвобождением кислорода, а также когда железистые легкоплавкие глины вспучиваются без восстановителей при температуре около 1300⁰С.

5. Газообразные продукты восстановления окислов железа. Процесс восстановления оксидов железа характеризуется совокупность двух одновременно протекающих превращений: диссоциации восстанавливаемого оксида и соединения восстановителя с кислородом. Образующиеся при этом оксид углерода, диоксид углерода и газообразная вода обладают меньшей упругостью диссоциации и могут участвовать во вспучивании как газообразная фаза. Вследствие процессов, протекающих в обжигаемой массе, окислительно-восстановительных реакций и воздействии газовой фазы пор керамзита, состоящей из СО, О₂, СО₂, Н₂О и других газов, происходит вспучивание – увеличение в объеме исходных гранул с создание непроницаемой оболочки, замкнутых пор и пустот, а как следствие и уменьшение насыпной плотности.

Размягчение и плавкость глины. Механизм перехода исходного материала из твердого в размягченное состояние можно представить в следующем виде.

При нагревании однородной смеси минералов глин в областях контакта между ними ещё в твердых фазах происходит химическое взаимодействие. С повышение температуры в результате дальнейшего взаимодействия компонентов появляется жидкостная фаза за счет наиболее легкоплавких эвтектик и соединений. Количество жидкой фазы непрерывно увеличивается за счет появления при более высоких температурах все новых и новых эвтектик, так и взаимодействия уже образовавшейся жидкой фазы с кристаллическими составляющими. Система при этом обогащается жидким раствором переменного состава. С появлением определенного количества жидкой фазы вязкость глинистой массы начинает понижаться и в какой-то момент достигает такой под влиянием той или иной нагрузки материал приобретает способность пластически деформироваться. По мере увеличения температуры увеличивается количество жидкой фазы, а её вязкость понижается, в результате масса становится подвижной, а затем и текучей и переходит в состояние оптимальной для вспучивания вязкости – пиропластичное состояние. Количество жидкой фазы к концу процесса вспучивания достигает 90% и выше.

Температурный интервал вспучивания – это разница между температурой оплавления поверхности гранулы и температурой вспучивания. Недопустимо повышать температуру обжига до температуры оплавления поверхности гранул так как оно ведет к сплавлению гранул между собой и с футеровкой печи, получается “свар”.

Наиболее важным фактором в физико-химических процессах является контроль температуры и длительность воздействия, причем как при термоподготовке и нагреве исходного сырья, так и последующим охлаждения. При производстве высокопрочного керамзита из слабовспучивающихся глин значительное влияние оказывают добавки. В рассматриваемой технологической схеме используются: пирит, который выступает в качестве катализатора кристаллизации, то есть частицы пирита служат центрами кристаллизации, благодаря этому значительно увеличивается доля новообразований 30-40%.

Процессы, происходящие при подготовке массы и формования гранул, регламентируются в основном физическими законами. Вылеживание глины на карьере в увлажненном состоянии является первым этапом, и позволят получить более однородную и пластичную массу с влажностью 10 - 15%. Второй этап это рыхление, которое необходимо для предания исходной массе оптимальных физико-механических показателей для дальнейшей переработки. На третьем этапе происходит разрушение первичной и создание вторичной однородной структуры, а также смешивание сырья с добавками и водой, обеспечивающей формовочную влажность, и удаление каменистых включений. В результате после прохождения фильтрующей решетки на четвертый этап подается оптимально однородная, увлаженная и пластичная масса с введенными в ее состав добавками, которые повышают прочность гранул. Четвертый этап заключается в формовании сырцовых гранул размером 6-14 миллиметров, а также окатки и опудривании тугоплавкой залой ТЭС. После этого сформованные гранулы подаются в бункер запаса.