книги / Производство керамзита

тов натрия, магния и алюминия. Оказалось, однако, что эти добавки в процессе сушки мигрируют на поверхность материала, снижая эффективность поризации. Лишь до­ бавка 1,5—3% ортофосфорной кислоты устранила отри­ цательное влияние миграции сульфатов. Зато комбини­ рованная добавка сульфатов с применением ортофосфор­ ной кислоты наиболее эффективна при вспучивании ог­ неупорного сырья. Дальнейшее изучение комбинирован­ ной добавки показало, что она является надежным вы­ сокотемпературным источником газовой фазы для вспу­ чивания огнеупоров.

Существенное влияние на эффективность процесса вспучивания оказывает, как известно, режим термообра­ ботки, определяемый тремя факторами: температурой, скоростью нагрева и необходимой выдержкой [80]..

Одно из наиболее действенных средств повышения вспучиваемости огнеупорных глин и каолинов — увели­ чение скорости нагревания до практически ступенчатого вида кривой-обжига. Это позволяет интенсивно вспу­ чить все огнеупорные глины и каолины независимо от их минералогического состава (табл. 11).

Огнеупорные легковесные изделия, выпущенные в за­ водских условиях (опытные партии), имели следующие показатели:

В результате нагревания глин со скоростью, изменя­ ющейся в процессе обжига керамзита от 15—30 до 50— 100 град/мин, реакции разложения, диссоциации и взаи­ модействия компонентов массы с выделением газопаро­ образных продуктов несколько смещаются в область бо­ лее высоких температур, обеспечивая ресурсы газопаро­ образной фазы для вспучивания материала, которое про­ исходит в интервале 1050— 1200°С, до значений, харак­ терных для данного глинистого сырья. Таким образом, в сложном физико-химическом процессе образования ке­ рамзита участвуют не только высокотемпературные га­ зы, выделяющиеся в интервале 1000— 1250 °С, но и низ­ котемпературные, на что справедливо обращает внима­ ние Г И. Книгина. Низкотемпературные газы в виде па­ ров воды, оксидов и двуоксидов углерода и кислорода тормозят или активизируют окислительно-востановитель- ные процессы, обусловливают их направление и еще на подготовительной стадии в пределах 200— 1000 °С в оп­ ределенной мере предопределяют будущий характер рео­ логических параметров пиропластической массы на ста­ дии вспучивания.

Исследования 1 количественных закономерностей фор­ мирования структуры и фазового состава керамзита на различных стадиях технологической обработки материа­ ла с привлечением современных методов ртутной порометрии при высоких давлениях, определения суммарной поверхности образцов, а также рентгено-структурного анализа и микроскопии, позволили установить, что низ­ котемпературные газы оказывают также большое влия­ ние и на ход структурообразования керамзита.

Выделение в различные периоды нагревания низко­ температурных газов и паров воды из глинистого сырья сопровождается, как правило, разрушением кристалли­ ческих решеток исходных минералов, что увеличивает их реакционную способность, и образованием колоссально­ го количества микропор. Последние наряду с порами, об­ разовавшимися в результате физического контакта меж­ ду мельчайшими элементарными частицами и их комп­ лексами, определяют общую пористость материала в пе­ риод, предшествующий вспучиванию.

Как показали исследования, в процессе обжига под влиянием усадочных деформаций и перегруппировки

1 Выполнены автором совместно с В. Т. Титовской.

U3

Рис. 25. Распределение пор по размерам в образцах керамзита из смышляевской глины, обожженной при различных температурах

структурных элементов, количество и размер пор, а так­ же общая пористость материала значительно видоизме­ няются. Характер изменения в основном предопределя­ ется минералогическим составом и степенью дисперсно­ сти исходного глинистого сырья, при этом чем мелкодисперснее глина, тем больше низкотемпературной парога­ зообразной фазы высвобождается из минералогических составляющих, тем больше микропористость материала, и наоборот.

По мере нагревания материала до 900— 1000 °С сум­ марная* пористость при изменяющемся характере распре­ деления пор по размеру непрерывно растет, затем при спекании резко падает. Отметим, что общая пористость уменьшается в основном за счет более крупных пор при возрастающем количестве мельчайших (рис. 25, табл. 12).

Значение предшествующей пористости и микропор в образовании керамзита весьма велико. Именно в них скапливается газообразная фаза и образуются в основ­ ном элементарные пузырьки, разрастающиеся затем под

влиянием благоприятных реологических параметров в ячейки, характерные для структуры керамзита.

Исследованиями установлено, что при обжиге керам­ зита все глинистые материалы и плавни, как правило, переходят в расплав, образуя стенки пор. Тонкодисперс­ ные же примеси других минералов (слюд, продуктов диссоциации карбонатов, кварца, полевого шпата) пол­ ностью, а более крупные частицы минералов (полевого шпата, кварца, слюды, глауконита) частично усваива­ ются расплавами. Пылеватые зерна многих минералов размером до 50 мк участвуют в расплаве за счет раство­ рения поверхностных зон. При этом остатки зерен, не перешедших в расплав, хорошо вписываются в перего­ родки между порами без ухудшения микроструктуры ке­ рамзита. Лишь крупные зерна размером более 50 мк, представленные обычно кварцем, являются нежелатель­ ным балластом, ухудшающим пористую структуру ке­ рамзита и увеличивающим его плотность. Однако при этом следует подчеркнуть, что их содержание в керамзи­ товом сырье, обычно в суглинках, не выходит за рамки допустимых пределов. Так, на основе суглинков типа бескудниковского при содержании зерен размером более 10 мк около 40% , как показал опыт, изготовляют лег­ кий керамзит с насыпной плотностью 400—500 кг/м3, на базе которого из бетона плотностью 950— 1000 кг/м3 вы­ пускают эффективные стеновые керамзитобетонные па­ нели.

Некоторые исследователи, обжигая в течение 7— 10 мин в лабораторных условиях глины, искусственно перенасыщенные органическими примесями (3 % опи­ лок), сделали неправомерный вывод, что оксид железа Fe203 полностью восстанавливается уже на второй ми­ нуте термообработки и поэтому в дальнейших физико­ химических процессах участия не принимает. Это явно противоречит как ранее изложенным теоретическим обобщениям, так и данным практики обжига керамзита в заводских условиях, в которых отмечается наличие ок­ сида железа и органических примесей до полного за­ вершения процесса вспучивания. Возражение вызывает также попытка ограничить сырьевые ресурсы керамзито­ вой промышленности сланцами и тонкодисперсными гли­ нами с содержанием фракций размером свыше 0,01 мм не более 30% . Однако известно, что керамзитовая про­ мышленность, внедряя в практику научные достижения

и используя эффективные железистые и органические до­ бавки, успешно освоила производство доброкачественно­ го легкого керамзитового гравия на базе местных суг­ линков, содержащих до 40 % фракций размером свыше 0,01 мм. Более того, в связи со все возрастающими пот­ ребностями строительной индустрии в керамзитовом гра­ вии повышенных прочности и плотности, используемом для несущих и высокопрочных напряженно-армирован­ ных конструкций, местные слабовспучивающиеся в при­ родном состоянии суглинки являются неисчерпаемой сырьевой базой.

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ КЕРАМЗИТА

3.1. Производственные факторы вспучивания глинистых пород

Успешное вспучивание глинистых пород на керамзит не только зависит от свойств исходного природного сырья, но в значительной мере предопределяется важ ­ нейшими производственными факторами: характером га­ зовой среды при обжиге, температурой и скоростью на­ гревания в различные периоды тепловой обработки; раз­ мером, формой, влажностью и плотностью глинистого полуфабриката, подвергаемого обжигу, а также харак­ тером добавок, которые нередко вводят в глинистое сырье в целях повышения его вспучиваемости.

Большинство перечисленных факторов настолько взаимосвязаны и обсуловливают друг друга, что раз­ дельно их рассматривать можно лишь условно.

Газовая среда. При обжиге керамзита, как и при тер­ мической обработке многих материалов, характер газо­ вой среды, непосредственно воздействующей на части­ цы, имеет первостепенное технологическое значение. Ч ас­ тицы обжигаемого глинистого материала и окружающая их газовая среда находятся в постоянном взаимодейст­ вии. При этом отдельные составляющие газовой среды обусловливают направление и интенсивность окисли­ тельно-восстановительных реакций. Кроме того, взаимо­ действуя с некоторыми компонентами глины, они участ­ вуют в физико-химических процессах образования керам­ зита, оказывая влияние на температурный уровень и сте­ пень размягчения глинистой массы.

В зависимости от состава газовой среды в печи и ее

влияния на процессы, протекающие в материале при на­ гревании, различают окислительную, восстановительную, нейтральную и защитную газовые атмосферы.

Окислительная атмосфера характеризуется количест­ вом свободного кислорода, достаточным для окисления органических примесей или отдельных компонентов об­ жигаемого материала, например железа и его оксидов. Газовую среду, содержащую 1—2 % свободного кислоро­ да, принято считать слабоокислительной, 2—6 % — окис­ лительной и свыше 6 % — сильпоокислительной.

Восстановительная атмосфера характеризуется содер­ жанием в ее составе восстановителей, главным образом оксида углерода СО и водорода Н2, способных восста­ навливать оксиды железа высших степеней окисления в низшие. Оксид углерода, кроме того, благодаря возмож­ ному развитию обратимой реакции 2 С 0 ^ С - Ь С 0 2, обус­ ловливает накопление в порах материала сажистого уг­ лерода, который наряду с коксовым остатком органиче­ ских примесей глин может играть роль твердого вос­ становителя.

Нейтральную атмосферу характеризует практическое отсутствие в ее составе активных окислителей и восста­ новителей, способных окислять или восстанавливать от­ дельные компоненты материала. Восстановительная и нейтральная атмосфера нередко содержат также незна­ чительное количество кислорода.

В некоторых случаях для надежного предотвращения окисления или восстановления материалов и изделий применяют защитную атмосферу из инертных газов или создают вокруг изделий защитные газовые завесы.

Состав газовой атмосферы в печи зависит от вида и элементарного состава сжигаемого топлива, коэффици­ ента избытка воздуха, подаваемого для горения, вида и количества газо- и парообразных продуктов, выделяю­ щихся из материала при нагревании, а также совершен­ ства устройств для сжигания топлива.

При полном использовании всего подводимого для горения топлива воздуха состав продуктов горения опре­ деляется стехиометрическим уравнением горения. В этом случае сжигание топлива проходит с теоретически пот­ ребным количеством воздуха, и газообразные продукты горения содержат около 75 % азота и 25 % углекислоты и водяного пара, в том числе некоторое количество сер­ нистого газа (табл. 13).