Получение керамзита

После испарения  свободной воды, в том числе  из капилляров, начинает испаряться вода из адсорбированных пленок, причем силы поверхностного натяжения стягивают  частицы, обеспечивая максимальную площадь контактов. В результате испарения физически связанной воды пленок прекращают действовать электростатические силы отталкивания, остаются лишь ван-дер-валь-совские силы сцепления, которые обеспечивают достаточно высокую прочность высушенных гранул.

Физически связанная  адсорбированная вода удаляется из гранул при температурах 100... 110 °С, если глинистое сырье сложено в основном из каолинита и гидрослюд. У монтмориллонита адсорбированная вода на внешних поверхностях кристаллов испаряется также при температурах 100...110 °С, а межслоевая вода - в интервале температур 120...300 °С в зависимости от природы обменных катионов. Вода гидроксильных групп из глинистых минералов    удаляется   при    температурах    450...650    °С,    у разновидностей гидрослюд - при 800...950 °С.

При сушке опасным  для сохранности гранул из монт-мориллонитового сырья является период испарения межслоевой воды, поскольку она удаляется в виде пара, резко увеличивается в объеме. Если образовавшиеся в гранулах капилляры не обеспечивают свободное удаление паров воды, гранулы взрываются, что нарушает фракционный состав керамзита. Поэтому очень важно обеспечить оптимальные скорости сушки до температуры 200...300 °С.

После  потери  воды гидроксильной группы  глинистые  минералы разлагаются.  До настоящего времени нет единой точки зрения на состав конечного продукта разложения глинистых минералов. Однако большинство  исследователей считают,  что начальными  продуктами дегидратации чистого монтмориллонита являются аморфные глинозем: и   кремнезем.   При  дальнейшем   нагревании   появляются   шпинель; конечные   продукты   -   муллит  и   кристобаллит   -   образуются   при температуре 1400 °С. В этом случае схема реакции изменяется при наличии флюсующих ионов На,  К,  Са,  М§, Ре.  Система плавится при  температурах   1000...1200  °С,   а первые  эвтектики появляются при   температурах   700...900   °С.   В   интервале   температур   1100... 1250 °С в расплаве растворяются мелкие частицы кварца, обогащая его кремнеземом.  Крупные частицы размером более 5... 10 мкм не успевают расплавляться и остаются в виде балласта.

Дегидратация  минералов групп гидрослюд наблюдается  в интервале температур 450...850 °С. Процессы, протекающие после дегидратации, аналогичны процессам, происходящим в  монтмориллоните.

Гранулы начинают вспучиваться, если вязкость пиропластического состава достигает 10⁶...10⁸ Па«с. Количество жидкой фазы при этом должно составлять не менее 60%. Хорошей вспучиваемостью характеризуются расплавы, в которых объем жидкой фазы равен 85...95%. Из них получается гравий с насыпной плотностью 200... 400 кг/м³.

Механизм перехода исходного для вспучивания материала  из твердого в размягченное (пиропластическое) состояние представляется в следующем виде.

В процессе нагревания однородной глинистой массы в  области контакта между частицами  глин еще в твердых фазах происходит химическое взаимодействие. С повышением температуры в результате дальнейшего взаимодействия компонентов появляется

жидкая фаза за счет наиболее легкоплавких эвтектик, количество которых при более  высоких температурах непрерывно увеличивается как за счет наиболее легкоплавких эвтектик, количество которых при более высоких температурах непрерывно увеличивается, так и за счет появления все новых эвтектик и взаимодействия уже образовавшейся жидкой фазы с кристаллическими составляющими. Отмечается, что наиболее сложные смеси с участием щелочных оксидов дают и более легкоплавкие эвтектики. Например, трехкомпонентная система Ка₂0 - СаО - 8Ю₂ образует эвтектику уже при температуре 725 °С. Двойная система Ка₂О - 8Ю₂ дает эвтектику при температуре 793 °С. Оксид калия образует ряд эвтектик, начиная с температуры 742 °С. В интервале температур интенсивного размягчения и вспучивания легкоплавких глин 1050... 1200 °С большое значение имеют эвтектики с участием оксидов железа и кальция. К ним относятся эвтектики и растворы переменного состава, образуемые системами: РеО - СаО - 8Ю₂ с температурами плавления 1030, 1093 и 1117 °С; РеО - А1₂О₃ - 8Ю₂ с температурами плавления 1072...1148 °С, а также плавление фаялита 2РеО-8Ю₂ при температуре 1205° и др. В этой же области температур 1170 °С имеет место эвтектика трехкомпся<^: лтюй системы 8Ю₂ - А1₂0₃ - СаО.

В процессе обогащения жидкой фазой кажущаяся вязкость образующейся пиропластической массы  понижается и в какой-то момент достигает  величины, когда под влиянием той или другой нагрузки обжигаемый материал приобретает способность пластически деформироваться, в том числе вспучиваться за счет давления пузырьков газа изнутри.

Газообразные  продукты при вспучивании глинистого сырья образуются по ряду причин. При обжиге происходит удаление остатков конституционной воды из ряда минералов (монтмориллонита, гидрослюды, каолинита, вермикулита, гидрохлорита и др.). Достаточно высокая скорость обжига (от температуры 600 до 1150 °С за 5... 10 мин) смещает разложение карбонатов в область высоких температур с высвобождением С0₂. Диссоциация сульфата кальция в восстановительной среде и в присутствии других составляющих высвобождает газ 8О₂, а разложение сульфидов (в виде пирита, марказита и др.) высвобождает среду, которая, взаимодействуя с кислородом, образует газы 80₂ и 80₃. Значительную роль в процессе вспучивания играет углерод, который полностью выгорает при температуре 900... 1000 °С, когда

5. Технологические особенности обжига керамзитового гравия

Обжиг является наиболее ответственной операцией в производстве керамзита. Различают в обжиге два этапа: 1-й этап - сравнительно медленный нагрев высушенных гранул до температуры 200...500 °С и 2-й этап - быстрый нагрев до температуры вспучивания и выдержка при этой температуре в течение 3...10 мин в зависимости от размеров гранул.

При нагреве высушенных гранул в них происходят процессы дегидратации глинистых минералов, разложения карбонатов и сульфатов, окислительно-восстановительные  реакции, размягчение материала, сопровождающееся переходом некоторой его части в пиропластическое состояние. Наличие газов и пиропластической фазы определенного качества является основным условием вспучивания гранул.

На первом этапе нагрева  гранул заканчиваются процессы сушки  с удалением значительных количеств физически связанной и частично химически связанной воды отдельных глинистых минералов, гипса и др. Для предотвращения разрушения гранул в этот период нагрев их необходимо вести сравнительно медленно со скоростью до 30 град/мин.

Задача обжига гранул на втором этапе - максимально сохранить газовую фазу, образующуюся от разложения, дегидратации и окислительно-восстановительных реакций в период от 500 до 1300 °С, до появления пиропластической фазы в момент вспучивания. Эта задача решается быстрым нагревом гранул со скоростью 60...100 град/мин. При быстром нагреве все химические реакции с образованием газов смещаются в зону высоких температур.

Для улучшения  теплообмена во вращающейся печи в холодные концы иногда устанавливают  различного рода теплообменники.

Вращающиеся печи работают на жидком или газообразном топливе. В качестве жидкого топлива используют мазут, а в качестве газообразного - природный или попутный газ. Система  тошш-воподачи для жидкого топлива  состоит из склада, расходного бака с устройством для подогрева, фильтров для очистки, насосов, подогревателя перед форсунками, расходомера, соединительных, рециркуляционных линий и форсунок. Мазут перед транспортировкой и сжиганием подогревают, соответственно, до 30...60 и 100...120 °С.

Система топливоподачи для  газообразного топлива состоит  из газораспределительного пункта, соединительного  газопровода, продувочных свечей, горелок, запальников и расходомеров газа.

Система воздухоснабжения для  сжигания жидкого и газообразного  топлива включает дутьевой вентилятор и воздухопровод от вентилятора к горелке.

В промышленности применяют  следующие виды горелочных устройств. Для жидкого топлива - форсунки механического  распыления топлива под давлением. А для газообразного - газовые  горелки (многосопловые и с регулируемой геометрией факела).

С целью уменьшения тегоюпотерь  через обечайку и сохранности  обечайки вращающиеся печи по всей длине футеруют огнеупорными материалами: огнеупорным кирпичом или жаропрочным  бетоном.

Специальными расчетами  вращающихся печей определяют их производительность, расходы сырьевых материалов и топлива.

К основным технологическим  параметрам работы вращающихся печей  относят: производительность, насыпную плотность готового керамзитового  гравия, расход топлива (часовой и  на 1 м³ продукции), температуру материала (или газов) в зоне вспучивания, температуру отходящих газов на выходе из печи и перед дымососом, разрежение на головке печи, в пылеосадительной камере и перед дымососом, объем загружаемых в печь сырцовых гранул и их влажность.

Для контроля технологических  параметров применяют контрольно-измерительные приборы: термопары, пирометры, тягонапоро-метры, манометры, диафрагмы с дифманометрами, поршневые мазу-тометры и др.

Особенностью  производства керамзитового гравия во вращающихся печах является ведение процесса вспучивания на грани слипания гранул друг с другом. Этому состоянию при всех прочих равных условиях соответствует наибольшая вспучиваемость материала, а поэтому при обжиге необходимо осуществлять поддержание процесса на грани слипания гранул. Отклонения от заданных параметров производства (изменение расходов материала и топлива, изменение зернового состава материала, разрежение на головке печи и др.) могут привести к образованию сваров ("козлов") или привариванию гранул к футеровке печи.

Для предотвращения слипания гранул друг с другом и  увеличения вспучиваемости гранул применяют  опудривание их огнеупорными порошками.

Суть этого  процесса состоит в том, что вспучивание  гранул можно повысить увеличением объема жидкой фазы, а также снижением вязкости и поверхностного натяжения расплава за счет повышения температуры вспучивания. При этом снижается вязкость расплава (на один-два порядка даже при подъеме температуры на 10...15 °С), возрастает растворимость в расплаве мелких частиц кварца, оксидов кальция, магния, железа, образовавшихся при разложении кальцита, доломита, пирита, что увеличивает объем расплава и усиливает переход в расплав кристобалита, появившегося при разложении глинистых минералов. С уменьшением вязкости расплава расширяется объем пор, что в конечном итоге обусловливает снижение насыпной плотности керамзита. Однако с понижением вязкости и увеличением количества расплава повышается вероятность гранул друг с другом под влиянием сил адгезии, т. е. усиливается возможность появления сваров.

Опудривание же гранул позволяет при условии  применения порошка с большей  на 100 °С огнеупорностью повысить температуру  обжига гранул и таким образом  повысить их вспучиваемость. Даже небольшое  увеличение температуры обжига - на 20...50 °С - ведет к снижению насыпной плотности керамзитового гравия на 50... 200 кг/м³. Поэтому опудривание можно считать важнейшим технологическим приемом, позволяющим не только повысить стабильность процесса производства (предотвратить сварообразование), но и существенно увеличить производительность печей, улучшить качество выпускаемой продукции, снизить насыпную плотность керамзита и удельный расход топлива.

Для опудривания  могут применяться практически  любые дисперсные материалы с огнеупорностью не ниже 1450 °С и удельной поверхностью не менее 2000...2500 см²/г (каолин, хромоалю-мофосфатные отходы химической промышленности, пиритные огарки, известняки, гипс и др.). Чем больше огнеупорность, тем меньше возможность растворения порошка в расплаве, а следовательно, выше удельная поверхность, плотность упаковки частиц порошка на поверхности гранул и слабее вероятность слипания гранул. С повышением дисперсности порошка потребность в нем уменьшается, но увеличивается возможность уноса его с дымовыми газами. Опыт показывает, что наименьший расход порошка достигается при удельной поверхности его порядка 2500...3000 см²/г.

Огнеупорный порошок  может вводиться на различных  участках технологического процесса: в течке после формующего агрегата, на свежеотформованные гранулы в специальном опудривающем барабане, в сушильном барабане, в печи через горелку или через отдельное сопло, в зоне вспучивания.

Для осуществления  последнего способа технологическая  линия дополнительно оснащается расходным бункером, тарельчатым или кольцевым питателем и специальным лотком, забирающим порошок из кольцевого питателя и подающим его в печь под слой обжигаемого материала. На рис. 2.3 показано устройство для ввода опудривающего порошка. Этот способ наиболее экономичен, поскольку порошок налипает на гранулы в момент появления жидкой фазы в объеме, необходимом для обволакивания вновь созданной поверхности гранулы. Его расход не превышает 1,0...1,5% от массы керамзита. При других способах затраты порошка увеличиваются до 5%. Применение опудривания гранул позволяет снизить насыпную плотность керамзита на 100...200 кг/м³ при росте производительности печей на 10...30%.

Вращающиеся печи обладают существенным недостатком -повышенными  температурами отходящих газов, что является главным следствием повышенных расходов топлива. Для этого, чтобы снизить температуру отходящих газов, на установке монтируют различного рода внутрипечные и запечные теплообменники.. Практика эксплуатации внутрипечных и запечных теплообменников показывает, что их применение позволяет снизить удельные расходы топлива на 10...30%.

Как уже отмечалось выше, керамзитовое сырье вспучивается до оптимальной величины лишь в том  случае, когда его подвергают предварительной  тепловой обработке в интервале  температур 200...400 °С в зависимости от свойств исходного сырья, а затем быстро, почти мгновенно, направляют в область высоких температур вспучивания в пределах 1100...1300 °С. Кривая обжига при этом принимает ступенчатый вид. Когда указанные условия не соблюдаются, т. е. когда тепловая обработка происходит относительно постепенно - от низких до высоких температур и на кривой обжига отсутствует упомянутый выше технологически необходимый температурный перепад, вспучиваемость сырья резко снижается или вовсе утрачивается, что приводит к росту насыпной плотности керамзита.