книги / Производство керамзита
..pdfправило, к получению керамического черепка. Следова тельно, одна из главных особенностей технологии керам зита заключается в обеспечении быстрого обжига. Вме сте с тем понятие быстрый обжиг требует уточнения. Практически быстрый обжиг на керамзит может про должаться различное время и реализоваться непосредст венным вводом в область температуры вспучивания влажного, подсушенного, высушенного до нулевой влаж ности и предварительно обработанного при определен ных температурах и газовых условиях сырца.
Очевидно, не все перечисленные выше технологиче ские приемы равноценны и пригодны для проектирова ния рациональной технологии, несмотря на принципи альную возможность получить керамзит с их помощью. Так, первый из них обеспечивает наиболее быстрый об жиг, поскольку он предусматривает непосредственный ввод влажного сырья прямо в область температуры вспу чивания, минуя сушку и предварительный нагрев. Более того, с помощью такого способа ряд глин можно макси мально вспучить. Однако более глубокий анализ пока зывает, что по технико-экономическим соображениям та кой прием неприемлем и не может быть рекомендован ввиду огромных и неизбежных перерасходов топлива.
По тем же технико-экономическим соображениям нельзя признать целесообразным и обжиг подсушенного материала, введенного непосредственно в область тем пературы вспучивания. В этом случае (если миновать стадию предварительного подогрева материала) на его подсушку затрачивается лишь ничтожная доля теплоты, высвобождающейся в зоне вспучивания материала, что связано, как и в ранее рассмотренном примере, с неиз бежным перерасходом теплоты.
Наконец, по причине разрушения гранул неприемлем и метод, предусматривающий ввод высушенного до ну левой влажности сырца в область температур вспучи вания.
Таким образом, для обеспечения оптимального вспу чивания материала может быть рекомендован один об щий метод, предусматривающий вспучивание глинисто го сырца, предварительно обработанного в определенных температурных и газовых условиях по кривой обжига, приближающейся к ступенчатой.
Так как органические примеси интенсивно выгорают при температуре их воспламенения и выше, кривую об
жига керамзита следует строить таким образом, чтобы обеспечить замедленное нагревание при более низких температурах (до начала интенсивного сгорания органи ческих примесей) — в пределах 200—400 °С и ' относи тельно быстрое, практически мгновенное — в зоне вспу чивания материала.
Скорость нагревания гранулированного сырья в пер вый период тепловой обработки до температуры при мерно 120— 180 °С, когда из него удаляется преимущест венно свободная вода, заметно не отражается на опти мальном уровне. Второй период охватывает широкую об ласть температур, в пределах которых завершается уда ление физически связанной воды, а также интенсивно развиваются, но полностью не заканчиваются реакции дегидратации, декарбонизации и окислительно-восстано вительные процессы, среди которых решающее значение имеют реакции окисления органических примесей и вос становления оксидов железа. Скорость и температурный уровень нагревания в этот период определяются основ ным требованием процесса — поддерживать восстанови тельную среду внутри пор глинистого материала.
Так как восстановительная среда обусловливается органическими примесями глин, выгорание которых за держивается из-за обильного выделения паров воды и газов, препятствующих доступу кислорода к частицам, то очевидно, что как только будет высвобождена из ма териала основная масса парообразных и газообразных продуктов, начнется окисление органических примесей. В этом случае исчезнут и условия для поддержания вос становительной среды внутри пор. Таким образом, конец второго периода должен быть приурочен к началу воз можного интенсивного окисления органических приме сей, совпадающего с удалением из материалов основно го количества паро- и газообразных продуктов.
В зависимости от минералогического и гранулометри ческого составов и продолжительности термической обра ботки глинистых пород температура, при которой начи нается опасное для последующего керамзитообразования окисление органических примесей, колеблется в широких пределах. Для грубодисперсных глинистых пород с не большим количеством органических примесей она начи
нается примерно с 200—300 °С, а для |
тонкодисперсных |
и насыщенных большим количеством |
органических ве |
щ еств— с 400—500 °С (см. рис. 31). |
|
После второго периода обжига скорость нагревания должна быть резко повышена до температуры вспучива ния глинистой породы, ибо замедление на этой стадии обжига не только не вызывается никакими технологиче скими причинами, но и весьма опасно вследствие воз можного полного выгорания органических примесей и окисления оксидов железа. Таким образом, третий пери од обжига должен быть по возможности очень корот ким, а еще лучше — мгновенным со значительным пере падом температур между вторым и четвертым, послед
ним периодом обжига, т. е. в |
пределах 300— 1050 °С, |
когда внутри пор материала |
должна поддерживаться |
восстановительная атмосфера.
В четвертый период высвобождаются остатки химиче ски связанной воды и углекислоты, завершаются окис лительно-восстановительные реакции и глинистый мате риал вспучивается (обычно при 1050— 1200 °С) в зависи мости от свойств исходного глинистого сырья, размера частиц, загрузки и температуры факела горения в про должении 5— 15 мин.
Изложенные соображения позволяют построить прин ципиальную кривую обжига керамзита, которая харак теризуется относительно постепенным нагревом полу фабриката до 200—400 °С с последующим быстрым подъемом температуры до температуры вспучивания данного глинистого сырья. Оптимальная кривая обжига керамзита имеет ступенчатый вид. Первая ступень — сушка и подогрев глинистого сырья до 200—300—400 °С, вторая — кратковременный обжиг материала при темпе ратуре вспучивания (рис. 33).
Важное условие проведения процессов предваритель ной подготовки материала перед вспучиванием и самого вспучивания — соблюдение оптимального времени, необ ходимого для завершения указанных процессов при соот ветствующих температурах. Длительная выдержка ма териала, в особенности при температурах выше 400 °С, может привести к частичной или даже полной потере глинистой породой свойства вспучиваться. При кратко временной тепловой обработке или проведении ее в ус ловиях пониженной температуры образцы могут впо следствии разрушиться из-за чрезмерно интенсивного газовыделения при переходе гранул в зону более высоких температур.
Важно также отметить, что скоростная термическая
Рис. 33. Графическое обоснование ступенчатого принципа термооб работки глинистого сырья на керамзит
а —зависимость плотности керамзита |
и коэффициента |
вспучивания глин от |
||||||||
температуры |
тепловой |
подготовки |
полуфабриката |
из |
сырья: |
хорошо-(/), |
||||
средне-^) и |
маловспучивающегося (3); б —кривая |
обжига |
керамзита в |
од- |
||||||
нобарабанной |
печати |
при термообработке более |
60 |
мин |
(/, |
2), |
30—40 |
мин |
||
(3, •/), менее 30 мин (5, 6)\ в—ступенчатая кривая |
обжига |
керамзита |
|
обработка глинистого полуфабриката создает условия для образования восстановительной среды в порах мате риала даже при обжиге в сильноокисленной внешней ат мосфере печи. Поэтому по технико-экономическим сооб ражениям следует стремиться вести обжиг при нормаль ном избытке воздуха, необходимом для эффективного сжигания применяемою вида топлива, а внешнюю ат мосферу в печи поддерживать нейтральной или слабо окислительной.
Это и есть предложенный нами ступенчатый способ получения керамзита. Так как «перегрев материала», связанный с выгоранием органических примесей, а воз можно и удаление других полезных для вспучивания компонентов глинистого сырья происходит примерно в интервале 600— 1000 °С, то этот участок на кривой об жига по чисто технологическим соображениям является опасным и его необходимо сократить до минимума. От сюда логически вытекают наши предложения по рацио нальному проектированию технологии керамзита по сту пенчатому способу, а также оборудования для его про ведения: предварительная тепловая обработка полуфаб риката до 200—400 '"'С в запечных теплообменных аппа ратах типа конвейера шахты с колосниками, барабана и т. д. и обжиг со вспучиванием в коротких вращающих ся печах [124].
Размеры глинистого полуфабриката для обжига на керамзитовый гравий могут колебаться в широких пре делах, что на практике предопределяется оборудовани ем, выбранным для обжига, склонностью к вспучиванию исходной глинистой породы, способами грануляции сырья, требованиями к зерновому составу керамзитового гравия.
Чем больше вспучиваемость исходной глинистой по роды, тем меньших размеров могут быть зерна обжигае мого материала. При обжиге во вращающихся печах хорошовспучивающихся глинистых пород можно получить керамзитовый заполнитель всех фракций, включая песок.
Зерна размером до 2 мм в поперечнике полуфабрика та, подготовленного из средневспучивающихся глини стых пород, практически не вспучиваются. Из слабовспучивающихся глинистых пород без добавок почти невоз можно получить керамзитовый песок.
Совместный обжиг мелочи и крупных зерен материа-
Ла, как правило, не допускается во избежание их слипа ния в печи. Перед обжигом такой полуфабрикат следует отсортировать на мелкие и крупные фракции и раздель но направлять в печь, т. е. должен осуществляться пофракционный обжиг. Вообще желательно, чтобы разме ры полуфабриката с учетом его разрушения и грануля ции в процессе передвижения в печи и коэффициента вспучивания данного сырья соответствовали требовани ям, предъявляемым зерновому составу керамзита. При соблюдении всех этих условий получают заполнитель округлой формы — керамзитовый гравий.
Многие глинистые породы лучше вспучиваются, а производительность печей является оптимальной в том
случае, |
если размер |
полуфабриката |
превышает |
10— |
||
15 мм |
в |
поперечнике. |
Поэтому, |
если |
глинистая порода |
|
лучше |
вспучивается |
в брикетах, |
превышающих |
опти |
мальные размеры керамзитового заполнителя, обуслов ленные техническими условиями, и при этом обеспечи ваются высокие показатели производительности печей, то обжигу подвергают материал в кусках размером до 50 мм в поперечнике, а затем путем домола корректи руют зерновой состав заполнителя, получая его в виде керамзитового щебня. Такой способ приготовления ке рамзита издавна принят на заводах США.
При обжиге во вращающейся печи глинистой мелочи размером 0,1—3 мм значительное количество ее уносит ся в пылеосадительную камеру, что на 20—30 % сокра щает производительность оборудования. При совместном же обжиге керамзитовых гравия и песка (если к тому же сырье обладает малым интервалом вспучивания) изза более раннего оплавления песчаные фракции налипа ют на крупные и образуют свары. Поэтому керамзитовый песок получают путем дробления крупных фракций. В настоящее время осваивается производство керамзито вого песка в печах кипящего слоя.
Форма исходного полуфабриката предопределяет по лучение керамзита с оптимальной формой зерен и тре буемого зернового состава. В соответствии с требования ми технологии бетонов наиболее желательной является округлая гравелистая форма зерен заполнителей с шеро ховатой поверхностью. Если зерна заполнителей имеют произвольную форму, то количество плоских и остроко нечных частиц должно быть минимальным. Плоские, тонкие, пластинчатые частицы даже хорошовспучиваю-
щихся глии вспучиваются слабее частиц с примерно рав ным соотношением длины и толщины и значительно сла бее округлых частиц.
Лучший полуфабрикат для обжига — глинистый мате риал с зернами примерно одинакового размера в попе речнике во всех направлениях. Чем большей склон ностью к вспучиванию обладает глинистое сырье, тем более произвольной может быть форма полуфабриката, направляемого в печь.
Следует иметь в виду, что в производстве керамзита решающее значение для получения доброкачественного заполнителя имеет не столько размер и форма полуфаб риката, загружаемого в печь, сколько размер и форма поступающих в зону вспучивания зерен, оконча тельное формирование которых происходит под дейст вием пепла, теплообменных устройств, грануляции и окатки при вращении в самой печи.
После обжига и сортировки весь керамзит или часть его получают в виде керамзитового гравия. При избыт ке крупных фракций и недостатке мелких часть материа ла подвергают дроблению; при этом получают керамзи товый щебень, уступающий по свойствам керамзитовому гравию.
Влажность полуфабриката. Гранулированный мате риал из хорошовспучивающихся глинистых пород мож но обжигать на керамзит во вращающихся печах почти при любой его влажности, примерно 35—55 % при мок ром, 0— 12 % при сухом и 0—30 % при пластическом спо собе. Материал же, приготовленный из глинистого сырья, обладающего слабой, а во многих случаях и средней вспучиваемостью, перед поступлением на обжиг в зону вспучивания обязательно требует предварительной суш ки или подвяливания. Сушка может быть осуществлена в сушилках различного рода или непосредственно во вращающейся печи, только более удлиненной. В двух барабанных печах сушка и предварительный подогрев происходят в барабане тепловой подготовки.
Необходимость предварительной сушки объясняется тем, что при неизбежном растрескивании и разрушении влажного полуфабриката в печи зерна хорошовспучи вающихся глинистых пород, обладая большими ресурса ми порообразующих веществ, при нагревании сохраняют значительную их часть до момента вспучивания, тогда как слабовспучивающиеся породы с высвобождением не
значительного запаса этих веществ теряют способность вспучиваться.
Плотность полуфабриката. Хорошовспучивающиеся глинистые породы интенсивно вспучиваются при любой плотности полуфабриката, приготовленного современны ми методами, в то время как слабовспучивающиеся луч ше вспучиваются при повышенной плотности полуфаб риката. Положительное влияние повышенной плотности полуфабриката на вспучиваемость ряда глин объясняет ся уменьшением при этом их пористости и газопроницае мости.
Хорошовспучивающиеся глинистые породы, как пра вило, слагаются из мелкодисперсных минералов. Ввиду тонкозернистости эти породы еще в сырце имеют неболь шую пористость. При нагревании их пористость сокра щается до минимума, что способствует процессам керамзитообразования. В частности, пиропластический мате риал с плотной структурой оказывает повышенное со противление выходу вспучивающихся газов наружу И предотвращает их преждевременное удаление. Слабовспучивающиеся глинистые породы более грубодисперс ны. Высокая первоначальная пористость полуфабриката из таких пород относительно незначительно сокращает ся при обжиге, материал не достигает плотности, тре буемой для развития реакций и задержки газов.
3.2. Добавки
По мере развития производства керамзита и совер шенствования его технологии все большее значение при обретают добавки1, применяемые для интенсификаций физико-химических процессов образования-этого мате риала, повышения качества, роста производительности й снижения себестоимости.
Все добавки, применяемые в производстве керамзи та, а их около 40, можно условно разделить на Две боль шие группы: для повышения качества керамзита и улуч шения производственных факторов изготовлениякерам зита (рис. 34).
1 Под термином «добавки» подразумеваются разнообразные ве щества и материалы минерального и органического происхождения, находящиеся в различном агрегатном состоянии, которые вводятся в исходное сырье или применяются для обработки гранул, напри мер, для опудривания в процессе производства керамзита,
Следует подчеркнуть, что в ряде случаев распреде ление добавок по группам и подгруппам носит условный характер, так как некоторые из них, например желези стые, действуют комплексно — их с успехом применяют для повышения вспучиваемости сырья, снижения плот ности керамзита, расширения интервала вспучивания и снижения температуры обжига.
Нами установлено, что степень вспучиваемости ис ходного глинистого сырья предопределяет не только ка чество получаемого керамзита, но и технико-экономиче скую эффективность как самого производства, так и при менения керамзита в строительстве. Чем больше вспучиваемость единицы массы сырья, тем больше объем по лучаемой из него после обжига готовой продукции, мень ше плотность керамзита и керамзитобетона, ниже теп лопроводность, а следовательно, тоньше и экономичнее стеновая конструкция, изготовленная на его основе. По этому керамзитовые предприятия используют в первую очередь хорошовспучивающееся сырье с высокими ко эффициентами вспучивания и выхода. Отсутствие во многих районах страны хорошовспучивающихся глини стых пород вызвало потребность в обогащении местного, широко распространенного глинистого сырья (глин, суг линков), в первую очередь для повышения вспучивае мости и снижения плотности заполнителя.
Поиски эффективных добавок для этой цели побуди ли нас провести серию специальных исследований по выявлению отдельных компонентов глин, решающим об разом влияющих на процесс вспучивания при обжиге, особенно железистых и органических веществ. В частно сти, была исследована вспучиваемость легкоплавких ис кусственных смесей огнеупорностью 1180— 1250 °С, при готовленных на основе чистых компонентов, применяе мых при изготовлении пироскопов, с добавкой оксидов железа и органических примесей и без них; хорошовспу чивающихся глин с высоким содержанием оксидов желе за, искусственно освобожденных от органических при месей; облагороженных отмучиванием типичных, высо ко-, средне- и слабовспучивающихся глин и суглинков; в процессе отмучивания видоизменялось содержание ос новных компонентов глины, в том числе БЮг, А120з, FeoCb+FeO и органических примесей; природных слабовспучивающнхея суглинков с добавкой и без добавки оксидов железа и различных органических примесей.
Для повышения качества керамзита
Повышение |
Снижение плотности |
прочности |
Сульфидныезавтраки |
£ |
|
|
|
о |
Чернозем