Промышленность строительных материалов

       Оптимальным считается ступенчатый режим термообработки с постепенным нагревом сырцовых гранул до 200 ... 600°С (в зависимости от особенностей сырья) и последующим быстрым нагревом до температуры вспучивания (примерно 1200°С).

        Обжиг осуществляется во вращающихся печах, которые в зависимости от конструкции подразделяются на однобарабанные, в том числе с запечными теплообменниками, и двухбарабанные. [1]

        Наибольшее распространение получили однобарабанные вращающиеся печи диаметром 2,5 м и длиной 40 м, представляющие собой цилиндрический металлический барабан, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. Печи устанавливаются с уклоном примерно 3% и медленно вращаются вокруг своей оси. Благодаря этому сырцовые гранулы, подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении постепенно передвигаются к другому концу барабана, где установлена газовая горелка или форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы перемещаются навстречу потоку горячих газов, подогреваются и, наконец, попав в зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Среднее время пребывания гранул в печи — около 1 ч. [2]

         Чтобы обеспечить оптимальный режим термообработки, зону вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке, иногда отделяют от остальной части (зоны подготовки) кольцевым порогом. Аналогичный эффект достигается, когда барабан вращающейся печи имеет уширение в зоне вспучивания или уширения с обоих концов и суженную среднюю часть — «талию». [1]

         Так как вспучивание гранул происходит при достижении глиной пиропластического состояния, то даже незначительные отклонения от заданных параметров производства могут привести к слипанию гранул между собой или их прилипанию к футеровке печи (образование «спеков» или «приваров»). Как указано выше, эффективным приемом в производстве керамзита является опудривание гранул огнеупорными порошками. Оно осуществляется либо по свежеформованным сырцовым гранулам в специальном барабане для опудривания, либо непосредственно во вращающейся печи перед зоной вспучивания, куда огнеупорный порошок подается специальным устройством. Опудривание гранул позволяет повысить стабильность процесса производства, а в ряде случаев и температуру обжига, что ведет к снижению насыпной плотности керамзита и к увеличению производительности печей. [1]

       При обжиге керамзита в двухбарабанных печах зоны подготовки и вспучивания представлены двумя сопряженными барабанами, вращающимися с разными скоростями. Барабан тепловой подготовки (меньшего диаметра) и барабан вспучивания (большего диаметра) располагаются или по одной оси — так, что первый несколько входит во второй, или на разных уровнях — соединенные между собой промежуточной пересыпной камерой. Положение каждого барабана на роликоопорах в процессе эксплуатации должно быть строго фиксированным, особенно в первом случае, с тем чтобы не допускать разуплотнения стыков и повышения нагрузок на ролики. Барабаны тепловой подготовки имеют диаметр 2,5... 3 м и длину 20... 35 м, а барабаны вспучивания соответственно 3,5... 4,5 м и 19...24 м. Каждый барабан имеет самостоятельный привод, обеспечивающий вращение его с регулируемой скоростью. Скорости вращения барабанов подбирают так, чтобы в барабане вспучивания пересыпающиеся гранулы подвигались в 1,5... 2 раза быстрее, чем в барабане предварительной тепловой подготовки. В двухбарабанной печи удается создать оптимальный для каждого вида сырья режим термообработки. Промышленный опыт показал, что при этом улучшается качество керамзита, увеличивается его выход, а также сокращается удельный расход топлива. [1,2]

        В связи с тем что хорошо вспучивающегося глинистого сырья для производства керамзита сравнительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья необходимо стремиться к оптимизации режима термообработки. [1]

       Однако, как правило, при производстве керамзита следует стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося глинистого сырья для получения высокопрочного заполнителя имеется много, а хорошо вспучивающегося не хватает. С этой точки зрения наличие плотной корочки значительной толщины на керамзитовом гравии свидетельствует о недоиспользовании способности сырья к вспучиванию и   уменьшении выхода продукции. [1]

      В восстановительной среде зоны вспучивания печи может произойти оплавление поверхности гранул, поэтому газовая среда здесь должна быть слабоокислительной. При этом во вспучивающихся гранулах поддерживается восстановительная среда, обеспечивающая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхность гранул не оплавляется. [3]

        От скорости охлаждения керамзита зависят его прочностные свойства. При слишком быстром охлаждении керамзита его зерна могут растрескиваться или же в них сохраняются остаточные напряжения, которые могут проявиться в бетоне. С другой стороны, и при слишком медленном охлаждении керамзита сразу после вспучивания возможно снижение его качества из-за смятия размягченных гранул.

        Сразу после вспучивания желательно быстрое охлаждение керамзита до температуры 800... 900°С для закрепления структуры и предотвращения окисления закисного железа. Затем рекомендуется .медленное охлаждение до температуры 600... 700°С в течение 20 мин для обеспечения затвердевания стеклофазы без больших термических напряжений, а также формирования в ней кристаллических минералов, повышающих прочность керамзита. Далее возможно сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут. [1]

        Первый этап охлаждения керамзита осуществляется еще в пределах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. Затем керамзит охлаждается воздухом в барабанных, слоевых холодильниках, холодильниках-аэрожелобах.

       Для сортировки (фракционирования) керамзитового гравия используют грохоты, преимущественно барабанные — цилиндрические или многогранные (бураты). [1,2]

       Внутризаводской транспорт керамзита — конвейерный (ленточные транспортеры), иногда пневматический (потоком воздуха по трубам). При пневмотранспорте возможно повреждение поверхности гранул и их дробление. Поэтому этот удобный и во многих отношениях эффективный вид транспорта керамзита не получил широкого распространения.

      Фракционированный керамзит поступает на склад готовой продукции бункерного или силосного типа. [1]

3.5. Физико-химические  основы производства

    Современная технология производства пористых материалов и изделий использует следующие основные принципы их поризации: вспенивание, выжигание органических примесей, выпаривание воды, воздействие на массу надлежащей вязкости газообразной фазой извне, спекание, вспучивание размягченных масс. Очевидно, что при рассмотрении физико-химической природы вспучивания материалов типа керамзита необходимо учитывать действие тех или других факторов с точки зрения их влияния на оптимальную кажущуюся вязкость пиропластической массы и одновременное равномерно распределение газовыделения из внутри.

    Свободная и физически связанная вода, как известно, испаряется при            100—180 °С. Очевидно, что влиять на рассматриваемый вид вспучивания непосредственно как порообразующий агент эта вода не может. Однако свободная и физически связанная вода, так же как и значительная часть химически связанной воды минералов, содержащихся в глинистых породах, оказывает косвенно благоприятное влияние на процессы, обусловливающие вспучивание.При быстром нагревании она задерживает преждевременное развитие ряда окислительно-восстановительных реакций, которые смещаются в область более высоких температур. [3]  

    Химически связанная (конституционная) вода вторичных глинистых и первичных материалов. При постепенном нагревании основная часть конституционной воды удаляется при 200—800°С. Однако, некоторая часть конституционной воды монтмориллонита, гидрослюды, вермикулита, каолинита и других минералов даже в условиях длительного обжига может сохраниться до 900—1150 °С. При быстром обжиге, когда термическая обработка от 600 до 1150°С продолжается около 8—70 мин и происходит со скоростью 55—90 град/мин, остатки конституционной воды минералов удаляются при температуре их вспучивания и несомненно принимают участие в порообразовании и вспучивании пиропластической глинистой массы. [3]  

    Газообразные    продукты    диссоциации    карбонатов. Легкоплавкие глины,

как правило, содержат карбонаты кальция и  магния, реже — железа и марганца. Диссоциация карбонатов начинается тогда, когда упругость диссоциации превышает парциальное давление углекислоты, находящейся в газовой среде. Практически карбонат кальция интенсивно разлагается при 850— 950°С, карбонат магния — при 500—600°С и карбонат железа — при 400—500°С Так как диссоциация карбонатов зависит от скорости нагревания, а также от количества и физического состояния минералов, то реакции их разложения при быстром обжиге, по-видимому, могут перемещаться в область более высоких температур. В этом случае продукты диссоциации карбонатов могут явиться одним из источников газообразования фазы, участвующей в процессе порообразования массы. [3]  

      Сульфаты и сульфиды. Диссоциация сульфата кальция Са₅О₄ происходит при   1204 °С. В восстановительной среде, а также в присутствии других составляющих разложение сульфата начинается при более низких температурах. Высвобождающийся при этом 5О₂ следует рассматривать как один из возможных агентов, вспучивающих глину. Примеси в виде пирита, марказита и других сульфидов железа при нагревании высвобождают серу, которая взаимодействуя с кислородом образует 80₂ и 50₃. Последние также могут явиться вспучивающими глину газами. [3]  

       Углерод. Окисление углерода начинается при температурах воспламенения органических веществ, но полностью он выгорает практически при 900—1000 °С, когда прекращается противоток газообразных продуктов изнутри материала, препятствующий допуску воздуха. При быстром обжиге и недостатке кислорода углерод выгорает в области температур размягчения глинистой массы. Это позволяет отвести углероду значительную роль в процессе вспучивания. Особо следует подчеркнуть, что в практических условиях обжига керамзита углерод полностью не выгорает. Как показывают исследования, готовый керамзитовый гравий содержит 0,1—0,3% углерода. [3]  

    Газообразные продукты диссоциации Fe₂O₃. Из оксидов, входящих в состав глин и склонных к термической диссоциации, известен только оксид железа. Хотя диссоциация оксида железа начинается до 1000°С, упругость диссоциации достигает парциального давления кислорода воздуха лишь при температуре около 1000°С. Это означает, что при обжиге в окислительной атмосфере до температуры около 1300°С диссоциация оксида железа, по-видимому, не может оказать существенного влияния на процесс вспучивания. Понижение парциального давления кислорода в присутствии восстановителей заметно сказывается на снижении температуры, при которой возможна диссоциация оксида железа. Но тогда процесс подчиняется уже другим закономерностям и не может быть отнесен к явлениям диссоциации в чистом виде. При высоких температурах и наличии С, СО₂, Н или др. восстановителей создаются благоприятные термодинамические условия для восстановительных реакций, накладывающихся на менее интенсивный процесс диссоциации, сильно ослабляя его собственное значение. [3]  

       Процесс восстановления оксидов железа характерней совокупностью двух одновременно протекающих превращений: диссоциации восстанавливаемого оксида и соединения восстановителя с кислородом. Образующиеся при этом газообразные продукты в виде СО₂, СО, Н₂O обладают меньшей упругостью диссоциации и обычно удаляются из сферы реакции.