книги / Производство керамзита

правило, 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

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

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

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

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.