Получение керамзита

                                            1.ВВЕДЕНИЕ

Легкий бетон  на пористых заполнителях применяли  еще в глубокой древности. В 75—80 гг. и. э. в Риме был построен    гигантский    амфитеатр —  Колизей,   который вмещал 50 тыс. зрителей. Его   фундамент  выложен из бетона, приготовленного на щебне   из   плотной   вулканической лавы, для возведения стен использован более пористый кирпичный   щебень,   а для   сводов   и   между стенами — пористый    легкий    туф.    Здание    Пантеона, выстроенное   в первой   четверти II в. н. э.,   перекрыто куполом диаметром 42,7 м, верхняя часть которого выполнена из легкого бетона на пемзе, что значительно облегчило нагрузку на стены и позволило римским строителям осуществить исключительный по смелости архитектурный замысел. Прошло   18 столетий, прежде  чем появились здания с куполом большего диаметра из железобетона.

В XIX   в. в  связи   с  развитием   металлургической промышленности и интенсивной добычей каменного угля в России, Западной Европе  и США  появились  искусственные пористые   заполнители — доменные   и   котельные, шлаки. Позднее   из расплавленных   металлургических шлаков стали получать шлаковую пемзу. Грануляция доменного шлака позволила получить мелкий пористый заполнитель. Применение  этих  пористых  заполнителей в смеси   с  известью   и   цементом   открыло возможность возведения зданий из легких бетонов.

В 20-х годах  текущего столетия в нашей стране из легких бетонов на доменных и  котельных шлаках начали изготовлять камни для кладки стен, а также возводить стены зданий из монолитного легкого бетона.

По мере индустриализации нашей страны основной областью применения легких бетонов становилось крупноблочное строительство. В 1931—1932 гг. в Ленинграде построили первые жилые здания из крупных блоков массой 0,4—0,8 т. Вначале  их изготавливали  неофактуренными. Затем стали выпускать   крупные блоки с круглыми   пустотами для   облегчения   их массы и офактуренными.

В первые послевоенные  годы   из-за   ограниченного  количества башенных кранов пришлось   временно   отказаться от крупных изделий и организовать массовое производство легкобетонных камней из доменных и котельных шлаков. Машиностроительная промышленность для формования таких  пустотелых   камней   выпустила станки-полуавтоматы. Дальнейшее развитие строительной индустрии позволило   расширить   довоенный   опыт крупноблочного строительства. С  1956 г. оно получило широкое распространение в Москве, Ленинграде, Киеве, Жданове, Магнитогорске, Челябинске  и   других   городах.

В 50-е годы в результате   перехода   электростанций на сжигание пылевидного    каменноугольного    топлива, а   также   перевода   железнодорожного   транспорта   на электрическую тягу резко сократился выход котельных шлаков. К этому времени относится создание промышленности   искусственных   пористых   заполнителей    (керамзита и аглопорита). В отличие от котельных шлаков эти заполнители не содержат вредных сернистых примесей, поэтому легкие бетоны стали применять в сочетании со стальной арматурой. В связи с этим широкое развитие получило   строительство   крупнопанельных   зданий. В настоящее время успешно развивается в Москве, Минске, Киеве, Краснодаре и   других   городах   строительства объемных элементов. Монтаж   5-этажного дома из таких элементов может быть выполнен за 20-30 дней. Для изготовления объемных элементов особо эффективно использование легких бетонов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          2. Требования к керамзитовому сырью

 

Сырьем для  производства керамзита служат легкоплавкие глинистые породы самого различного химико-минералогического состава и генетического происхождения, встречающиеся в природе в плотном, рыхлом и пастообразном состоянии. Эти породы в условиях ускоренной термической обработки, размягчаюсь, вспучиваются за счет давления изнутри газообразных продуктов, выделяющихся в обжигаемой глинистой массе, образуя стекловидный материал с ячеистой структурой.

Технические свойства глинистых пород как сырья  для производства керамзита предопределяются их свойством вспучиваться при обжиге и структурно механическими качествами, обусловливающими способы приготовления сырцового полуфабриката и методы термической обработки.

Приемы изготовления полуфабриката, пригодного для обжига со вспучиванием, зависят в основном от физико-механических свойств сырья: влажности, плотности, пластичности, структуры, однородности, а также степени засоренности включениями. Методы же обжига со вспучиванием на керамзит и эффективность этой главной технологической операции керамзитового производство обуславливаются физико-химическими и пиропластическими свойствами глинистого сырья, в первую очередь минералогическим и химическим составом и степенью дисперсности составляющих.

При организации  производства керамзита производят специальные и выбирают наиболее пригодные разновидности местного сырья, а также методы переработки и вспучивания, которые обеспечивают получение возможно более высококачественного дешевого заполнителя легких бетонов.

Основным критерием  пригодности глинистого сырья для  производства керамзита является его способность вспучиваться при термической обработке в пределах температур 1050-1250⁰  и образовывать при этом материал, имеющий ячеистое строение.

Степень вспучиваемости определяется коэффициентом, выражающим отношение объема вспученной массы к объему  абсолютно сухого сырья:

 

 

Где К_в – коэффициент вспучивания

v₁ и γ₁ - соответственно объем и объемный вес абсолютно сухого сырца;

v₂ и γ₂ – объем и объемный вес керамзита;

п.п.п – потери при прокаливании.

 

Для получения сравнимых результатов методика определения коэффициента вспучивания должна быть унифицирована. Коэффициент вспучивания различного глинистого сырья в природном состоянии колеблется в широких пределах, достигая в ряде случая 15. в связи с этим условно различают глинистые породы, обладающие слабой, средней и хорошей вспучиваемостью. Первые имеют коэффициент вспучивания до 2,5, вторые от 2,5 до 4,5 и последние свыше 4,5. Чем выше коэффициент вспучивания сырья, тем меньше объемный вес керамзита, который может быть получен на его основе, тем более ценно это сырье для производства керамзита. В производственных условиях, однако, коэффициент вспучивания даже хорошо вспучивающихся глин редко превышает 5. Для производства во вращающихся печах керамзита, предназначенного для использования в теплоизоляционных и конструктивно-теплоизоляционных бетонах, рекомендуется использовать только хорошо вспучивающиеся природные или облагороженные глинистые породы.

Установить  ценность керамзитового сырья по какому-либо одному признаку, не зная других, весьма затруднительно. Поэтому в большинстве случаев обращаются к выявлению ряда признаков, среди которых имеют свое значение: генезис, внешний вид, минералогический, химический и гранулометрический состав, огнеупорность, интервал размягчения, содержание свободного кремнезема, засоренность камневидными и карбонатными включениями, структурно-механические свойства и др.

Большинство перечисленных  характеристик оказывает также  прямое и при том весьма существенное влияние на основной критериальный признак керамзитового сырья и др.

 

3. Интенсификация переработки глинистого сырья и формования сырцовых гранул

 

На действующих  предприятиях переработка глинистого сырья осуществляется следующими способами:

пластическим, получившим наибольшее распространение благодаря наличию в нашей стране больших запасов пластичного глинистого

сырья;

сухим, который  применяется реже, поскольку аргиллиты  и глинистые сланцы залегают в  основном на месторождениях Средней  Азии, Карелии и Дальнего Востока;

шликерным и порошковым - наиболее энергоемкими (эти методы используются только в исключительных случаях при технико-экономическом обосновании).

При пластическом способе переработки сырья набор  перерабатывающего оборудования зависит  от начальных физико-механических свойств глинистого сырья и степени переработки его в карьере и промежуточных конусах-запасниках. Исследованиями института НИИкерамзит (г. Самара) было установлено, что физическое состояние глины, особенно в начальный период, однозначно описывается коэффициентом консистенции и числом пластичности, которые определяются по следующим зависимостям:

 

 w      -   карьерная влажность глинистого сырья,  % по массе:

   w_p   -   влажность глинистого сырья на пределе раскатывания, %

по массе;

    w_т    -  влажность глинистого сырья на пределе текучести,  % по

массе;

    w_пл   -   число пластичности,  % по массе;

     В     -   коэффициент консистенции.

Это   позволило   классифицировать   пластичное   глинистое   сырье на    гранулы,     отличающиеся    физико-механическими    свойствами (табл.   2.3).   Чем   меньше   коэффициент   консистенции,   тем   ниже влагосодержание глинистого сырья,  выше его прочность и упругие деформации под нагрузкой. Чем выше число пластичности, т. е. чем более     дисперсно     глинистое     сырье,     тем     быстрее     нарастают структурные  связи  между   частицами  и  тем  больше  пластические деформации  под  нагрузкой.  Следовательно,   чем  менее  увлажнено сырье   (чем   меньше   коэффициент   консистенции),   чем   выше   его дисперсность (чем выше число пластичности), тем больше требуется затратить энергии на его переработку. Типовые схемы переработки глинистого сырья по пластическому способу приведены в табл. 2.4. Формование   сырцовых   гранул   целесообразно   осуществлять   на ленточных формующих прессах, оборудованных специальными приставками. Только при очень высокой засоренности сырья крупными включениями    и    в    случае    применения    суглинков    с    числом пластичности  менее  15  формование гранул  можно производить на дырчатых формующих вальцах.

Экструзия глины  через фильеры возможна лишь в  том случае, если она обладает достаточной  пластичностью, которая зависит  от таких факторов, как дисперсность, содержание влаги, вида обменных катионов и др.

В глинистом  сырье- физически связанная вода подразделяется на адсорбированную  воду в виде пленок и свободную  воду. Толщина пленок зависит от плотности заряда на поверхности  частиц и от вида обменных катионов. Количество связанной воды тем больше, чем выше удельная поверхность частиц и дисперсность глины. Важное значение имеет форма частиц. Тонкопластинчатые частицы обладают большей удельной поверхностью.

На глинистые  частицы действуют силы отталкивания, имеющие электростатическую природу, и силы притяжения, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса и поверхностным натяжением воды. Водные пленки действуют как смазка, облегчающая движение частиц относительно друг друга. По мере высыхания влияние ван-дер-вальсовых сил и поверхностного натяжения увеличивается, что обусловливает повышение упругих свойств глины. Под влиянием ван-дер-вальсовых сил в ней образуется внутренняя структура, которая, однако, может быть разрушена при приложении к системе сдвиговых усилий. Чем выше скорость сдвига, тем меньше вязкость системы, тем легче продавливается глина через фильтры. В спокойном же состоянии наблюдается обратимое свойство глинистого сырья (тиксотропия), то есть структурные связи в глине восстанавливаются.

Следовательно, чтобы обеспечить формование гранул методом экструзии, следует придать глине надлежащую пластичность, что обеспечивается, в частности, доведением до формовочной влажности и гомогенизацией сырьевой смеси. Чем меньше показатель консистенции и чем выше дисперсность глины, тем сложнее ее переработка. Причем затраты электроэнергии на переработку 1 м³ глины находятся в линейной зависимости от начальных значений коэффициента консистенции и числа пластичности.

-Оптимальной признается такая степень переработки глинистого сырья, которой соответствует коэффициент вариации пластической прочности отдельных проб в пределах 5...10%. Следует отметить, что повышение гомогенности керамической смеси за счет интенсификации переработки способствует улучшению вспучиваемости сырья, повышению прочности керамзита и его однородности.

Из плохо  переработанной керамической смеси  методом экструзии невозможно получить прочные сырцовые гранулы, так как  они рассыпаются в процессе движения в сушильном барабане и в печи. В этом случае обеспечить оптимальные  условия обжига невозможно, и его ведут, как правило, при пониженных температурах.

При сильной  засоренности глин (содержание крупнозернистых  включений размером более 5 мм свыше 0,5% по массе) технологическая линия  оснащается агрегатом для выделения  камней. Переувлажненное глинистЪе сырье сушится до формовочной влажности, иначе его невозможно перерабатывать и формовать.

Снижение коэффициента вариации пластической прочности, характеризующего однородность керамической смеси для  формования гранул, с 20...40% до 5...7% за счет интенсификации переработки сырья на действующих заводах позволяет повысить вспучиваемость сырья на 20...30% и увеличить коэффициент конструктивного качества керамзита на З0..50|

 

 

 

4. Физико-химические основы сушки и вспучивания сырцовых гранул

 

В последние годы сушка и нагрев сырцовых гранул стали выделяться в отдельный технологический цикл. Для этих целей используют или сушильный барабан, или более эффективные тепловые агрегаты типа слоевых самотечных теплообменников или теплообменников псевдоожиженного слоя.

В стандартных  сушильных барабанах длиной 14 м и диаметром 2,2 м сушку гранул производят газами, отходящими из вращающейся печи обжига. Для улучшения теплообмена в барабанах устанавливают ячейковые или трубчатые теплообменники. В барабанах гранулы подсушиваются на 2...10%.

В состав слоевого подготовителя  входят наклонные  продуваемые решетки, по которым  движутся сырцовые гранулы, приемный бункер и барабанный разгружатель. В подготовитель  газы подаются из печи обжига, проходят через материал и каскад решеток. Специальная система рециркуляции горячих газов позволяет снизить температуру газа под нижней решеткой и обеспечить равномерность подсушивания гранул.

В процессе сушки  сырцовых гранул глинистые частицы  сближаются за счет сил поверхностного натяжения, обуславливая усадку гранул. После того как эти частицы войдут в контакт друг с другом, усадка прекращается. Оставшаяся в пустотах между частицами вода испаряется под воздействием капиллярных сил. В первом периоде сушки (периоде постоянной скорости) потеря воды в гранулах сопровождается уменьшением их объема. Это весьма опасно, поскольку при неизбежном перепаде влагосодержания в наружных и центральных областях гранул на их поверхности возникают растягивающие напряжения, которые могут привести к образованию трещин.

Во втором периоде  сушки (периоде падающей скорости) объем  гранул остается неизменным. Обычно для  интенсификации сушки в керамической промышленности широко применяют химические добавки или различного рода отощители, уменьшающие удельную поверхность дисперсной системы. В качестве отощителей при производстве керамзита наиболее эффективны стеклосодержащие добавки - молотые шлаки, бой стекла, пыль из пылеосадительной камеры и т. п. Однако количество вводимых добавок не должно резко снижать пластичность сырьевой смеси.

Заводы, работающие по шликерному способу, для повышения  пластичности шликера вводят щелочесодержащие добавки, которые, являясь диспергаторами, повышают плотность упаковки глинистых  частиц и, как следствие, существенно  снижают потребное количество воды.