Расчет и проектирование вращающейся печи для производства керамзитового гравия

Из зарубежного  опыта известно, что для получения  заполнителей типа керамзита из сырья (промышленных отходов), отличающегося особой чувствительностью к режиму обжига, используют трехбарабанные вращающиеся печи или три-четыре последовательно располагаемые печи, в которых обеспечиваются не только оптимальные скорость и длительность нагрева на каждом этапе термообработки, но и различная газовая среда.

Значение  характера газовой среды в  производстве керамзита обусловлено происходящими при обжиге химическими реакциями. В восстановительной среде окись железа Fe2O3 переходит в закись FeO, что является не только одним из источников газообразования, но и важнейшим фактором перехода глины в пиропластическое состояние. Внутри гранул восстановительная среда обеспечивается за счет присутствия органических примесей или добавок, но при окислительной среде в печи (при большом избытке воздуха) органические примеси и добавки могут преждевременно выгореть. Поэтому окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, как правило, нежелательна, хотя имеется и другая точка зрения, согласно которой целесообразно получать высокопрочный керамзитовый гравий с невспученной плотной корочкой. Такая корочка толщиной до 3 мм образуется (по предложению Северного филиала ВНИИСТ) при выгорании органических примесей в поверхностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.

По мнению автора, 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.

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.

Характер  газовой среды косвенно, через  окисное или закисное состояние  железистых примесей, отражается на цвете  керамзита. Красновато-бурая поверхность гранул говорит об окислительной среде (Fe₂O₃), темно-серая, почти черная окраска в изломе,— о восстановительной (FeO).

Различают четыре основные технологические схемы подготовки сырцовых гранул, или четыре способа производства керамзита: сухой, пластический, порошково-пластический и мокрый.

Сухой способ используют при наличии камнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые сланцы). Он наиболее прост: сырье дробится и направляется во вращающуюся печь. Предварительно необходимо отсеять мелочь и слишком крупные куски, направив последние на дополнительное дробление. Этот способ оправдывает себя, если исходная порода однородна, не содержит вредных включений и характеризуется достаточно высоким коэффициентом вспучивания.

Наибольшее  распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому способу перерабатывается в увлажненном состоянии в вальцах, глиномешалках и других агрегатах (как в производстве кирпича). Затем из пластичной глиномассы на дырчатых вальцах или ленточных шнековых прессах формуются сырцовые гранулы в виде цилиндриков, которые при дальнейшей транспортировке или при специальной обработке окатываются, округляются.

Качество  сырцовых гранул во многом определяет качество готового керамзита. Поэтому целесообразна тщательная переработка глинистого сырья и формование плотных гранул одинакового размера. Размер гранул задается исходя из требуемой крупности керамзитового гравия и установленного для данного сырья коэффициента вспучивания.

Гранулы с влажностью примерно 20% могут сразу  направляться во вращающуюся печь или, что выгоднее, предварительно подсушиваться в сушильных барабанах, в других теплообменных устройствах с использованием тепла отходящих дымовых газов вращающейся печи. При подаче в печь подсушенных гранул ее производительность может быть повышена.

Таким образом, производство керамзита по пластическому способу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует значительных капиталовложений, но, с другой стороны, переработка глинистого сырья с разрушением его естественной структуры, усреднение, гомогенизация, а также возможность улучшения его добавками позволяют увеличить коэффициент вспучивания.

Порошково-пластический способ отличается от пластического   тем, что   вначале   помолом   сухого глинистого сырья получают порошок, а потом из этого порошка при добавлении воды получают пластичную глино-массу, из которой формуют гранулы, как описано выше. Необходимость помола связана с дополнительными  затратами. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. Но в ряде случаев  этот способ подготовки сырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном состоянии его легче перемешать и гомогенизировать; если требуется вводить добавки, то при помоле их легче равномерно   распределить; если в сырье есть вредные   включения зерен   известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная переработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его более высокое качество оправдывают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) способ заключается в разведении глины в воде в специальных больших емкостях — глиноболтушках. Влажность получаемой пульпы (шликера, шлама) примерно 50%. Пульпа насосами подается в шламбассейны и оттуда — во вращающиеся печи. В этом случае в части вращающейся печи устраивается завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими из печи газами и подсушивают пульпу, затем разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа — повышенный расход топлива, связанный с большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются достижение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота введения и тщательного распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка. Этот способ рекомендуется при высокой карьерной влажности глины, когда она выше формовочной (при пластическом формовании гранул). Он может быть применен также в сочетании с гидромеханизированной добычей глины и подачей ее на завод в виде пульпы по трубам вместо применяемой сейчас разработки экскаваторами с перевозкой автотранспортом.

Керамзит, получаемый по любому из описанных  выше способов, после обжига необходимо охладить. Установлено, что от скорости охлаждения зависят прочностные свойства керамзита. При слишком быстром охлаждении керамзита его зерна могут растрескаться или же в них сохранятся 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, а также в связи с окислительными процессами, в результате которых FeO переходит в Fe₂O₃, что сопровождается деструкцией и снижением прочности.

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 обеспечений 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.

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

Для фракционирования керамзитового гравия используют грохоты, преимущественно барабанные — цилиндрические или многогранные (бураты).

Достоинство вращающихся печей – возможность  получать заполнитель, зерновой состав которого в основном соответствует  нормативным требованиям. Поэтому  после обжига керамзит лишь сортируют  и в отдельных случаях корректируют зерновой состав заполнителя. Тем самым  в большинстве случаев сохраняется  форма зерен и остается нетронутой дроблением их спекшаяся шероховатая поверхностная корка, отличающаяся более высокой прочностью, чем вспученная масса внутри. Это в значительной степени повышает строительные качества заполнителя и отличает его от аглопоритов, и керамзитового щебня, получаемого при обжиге глинистого сырья на спекательных решетках с последующим дроблением спекшегося «пирога» на щебень.

Другое  важное достоинство вращающихся  печей состоит в том, что зерна  материала в них вспучиваются в свободном объеме, не ограниченном стенками или неподвижной массой таких же зерен.

Керамзит  применяется в качестве заполнителя  для изготовления несущих строительных конструкций из бетона и железобетона, на теплоизоляционные засыпки и  на прочие цели. 

2.1.Процессы, происходящие при  обжиге

Создание  пористой структуры керамзита достигается  вспучиванием размягченного при  термической обработке глинистого сырья газами (СО, СО₂, Н₂О, SO₂, О₂, N₂, CH₄, Н₂), выделяющимися в процессе нагревания. Наилучший керамзит получают при оптимальном соотношении вязкости и связности сырья в нагретом состоянии при условии достаточного газовыделения. Это соотношение должно выдерживаться в течение всего периода газовыделения.

Поризация глинистых гранул (зерен) при получении  керамзита обычно осуществляется обжигом  их во вращающихся печах.

Средняя продолжительность пребывания глинистых  гранул в печи равна 35-40 минут, при  этом в течение первых 18-20 минут  гранулы нагреваются до температуры 600°С, а в течение последующих 2-4 минуты температура их доводится  до 1200-1250°С, при этой температуре  они в течение 10-12 минут обжигаются, а затем 2-3 минуты охлаждаются до температуры 900-1000°С. Под воздействием высоких температур происходит дегидратация, аморфизация и образование некоторого количества жидкой фазы в глинистом  веществе.

За время  термической обработки сырцовых гранул (10-12 минут) в пиропластический расплав практически полностью  переходят только самые мелкие частицы  глинистых минералов (размером менее 10 минут). Пылеватые же и песчаные частицы глин (зерна кварца, полевые  шпаты, пироксены, амфиболы и другие породы) остаются инертными и практически  не взаимодействуют с расплавом  и уменьшают степень вспучивания.

Включения доломита и кальцита при нагреве  до температуры 850-1150°С декарбанизуются, переходят в тонкодисперсные  окислы кальция и магния и частично (на толщину 0,01-0,04 мм) усваиваются расплавом.

Частицы карбанатных пород размером более 0,06-0,1 мм не полностью ассимилируются расплавом, в их центрах остаются свободные СаО и MgО, способные гидратироваться со значительным увеличением объема при попадении во влажную среду. Во избежание слипания гранул между собой и их налипания на поверхность футеровки печи температурный интервал вспучивания должен составлять не менее 50-70°С, максимальная температура вспучивания не должна превышать 1250-1275°С.

Получение керамзита с наилучшими показателями связано с характером газовой  среды внутри гранул и в печном агрегате, также с режимом сушки  и обжига сырца и охлаждении обожженных гранул.

Характер  газовой среды при термической  обработке сырцовых гранул во вращающейся  печи обуславливается:

• составом продуктов сгорания топлива;
• коэффициентом избытка воздуха;
• составом газов, выделяемых органическими примесями глинистой породы (летучих и при окислении коксового остатка), карбонатами и продуктами реакций, зависящих от химического состава породы;
• составом парообразных продуктов, образующихся при удалении химически связанной воды различных глинистых минералов, также получаемых при испарении влаги сырцовых гранул, загружаемых в печь.

Продукты  сгорания топлива и избыточный воздух, подаваемые в печь под давлением, устремляются в основном по оси печи. Парообразные и газообразные продукты, выделяемые исходным сырьем при его  нагревании и обжиге, отмывают гранулы  и затем перемешиваются и удаляются  с продуктом сгорания топлива.

Процесс вспучивания состоит из двух стадий: первая – спекание с образованием закрытой поры и вторая – собственно вспучивание под давлением газов, выделяющихся внутри закрытой поры. Сумма  таких элементарных актов в каждой ячейке глиняной гранулы и обуславливает  общий процесс вспучивания всей гранулы.