Технология получения поризованных керамических блоков

Глины придают керамическим массам пластичность, что необходимо для  формования изделий, и способствуют спеканию массы, то есть уплотнению и  упрочнению без потери формы изделий.

Глины, применяемые для выпуска  кирпича, подразделяются исходя из минералогического  состава на три группы:

1) каолинито-гидрослюдистые с незначительными примесями монтмориллонита;

2) каолинитовые с незначительной  примесью гидрослюды, монтмориллонита  и смешанных образований (карбонатов, полевых шпатов и карбидов);

3) монтмориллонито-каолинитовые [1].

Легкоплавкие глины являются полиминеральными и состоят из нескольких минералов, преимущественно, монтмориллонитовой и гидрослюдистой групп.

Кроме глинообразующих минералов, в глине могут быть различные примеси – тонкодисперсные или в виде включений; кварцевые (песок, пыль), карбонаты, гипс, железистые соединения и щелочесодержащие соединения, полевые шпаты. Также в глинах всегда присутствует некоторое количество органических веществ.

Вредными примесями являются сульфаты, способствующие образованию солевых  выцветов на поверхности керамических изделий.

Содержание различных фракций  легкоплавких глин колеблется в следующих  пределах, %¹: фракция > 0,25 мм – 0,2–2,0; 0,25–0,05 – 2–26; 0,05–0,01 – 12–46; 0,01–0,005 – 10–55; 0,005–0,002 – 6–25; 0,002–0,0002 – 9–38 [2].

Наиболее ценными для производства кирпича являются тонкие глинистые  фракции с размерами зерен  менее 0,005 мм.

Гранулометрический состав глин дает возможность судить об их свойствах.

Наиболее характерными свойствами глин являются пластичность, связующая  способность, воздушная усадка (при  сушке), огневая усадка (в процессе обжига), спекаемость, огнеупорность.

Пластичность заключается в  способности глины при затворении водой образовывать тесто, которое под воздействием внешних нагрузок может принимать форму, сохраняющуюся после устранения нагрузок. По степени пластичности глины делятся на пять классов: высокопластичные, среднепластичные, умереннопластичные, малопластичные, непластичные (не дающие пластичного теста) [1].

Связующая способность глин определяет возможность сохранять пластичность при смешивании с непластичными  материалами.

Спекаемостью называется способность глин превращаться под действием высоких температур в камнеподобный черепок, обладающий водопоглощением не выше 5 %. По степени спекаемости глины делятся на три класса: сильноспекающиеся, среднеспекающиеся, неспекающиеся [1].

Для улучшения природных свойств глиняного сырья широко применяют добавки.

По влиянию на сырье добавки  делятся на следующие виды: отощающие –        уменьшающие усадку изделий и улучшающие сушильные свойства массы; пластификаторы – улучшающие формовочные свойства сырья, его пластичность; плавни – снижающие температуру обжига, повышающие прочность и морозостойкость изделий; выгорающие добавки – интенсифицируют процесс обжига, улучшают спекаемость массы, повышают прочность изделий, уменьшают чувствительность к сушке.

В качестве отощающих добавок применяют кварцевый песок – наиболее распространенная природная добавка. Следует применять только крупнозернистые пески с фракцией 0,15–1,5 мм (вводят в массу 5–30 %), которые не содержат карбонатных включений [3].

Шамот, получаемый из отходов обожженных керамических изделий, является более  эффективных отощителем, чем кварцевый песок. Обычно в шихту вводят шамот в количестве 3–10 %. Зерна шамота должны быть не крупнее 3 мм.

В роли отощителя может быть использована дегидратированная глина, а также аглопоритовый песок и др.

В качестве пластифицирующих добавок  используются высокопластичные глины, ПАВ, ССБ и др.

Выгорающими добавками при производстве пустотелого кирпича могут быть опилки, лигнин, уголь и др.

Авторы [4] предложили для изготовления кирпича, керамических камней следующий  состав шихты, об.%: древесные опилки с размером частиц до 10 мм 4–8, гранулированный шлак металлургического производства 7–13, отходы производства минераловатных плит 4–8, суглинок и/или глина – остальное. Отходы производства минераловатных плит содержат в своем составе от 50 до 98% «стеклокоролька» или его количество может превышать 98 %, а гранулированный шлак металлургического производства может быть доменным, ваграночным и т.д. и содержать до 40 % CaO. Кирпич, керамический камень могут быть выполнены как сплошным телом, так и с выемками и/или отверстиями. Форма кирпича и камня может быть в виде неравностороннего многогранника, прямоугольного параллелепипеда, сложного цилиндра, призмы и т.д. Отверстия в кирпиче могут быть как сквозными, так и закрытыми по крайней мере с одного торца, а часть отверстий может быть выполнена цилиндрической формы, по крайней мере на большей части их длины, или с поперечным сечением в виде эллипса, или многогранника, или овала, или комбинированной формы с участками переменной кривизны, и/или с плоскими вставками, или из их сочетания. Причем отверстия могут быть расположены в теле кирпича, камня различным образом. Выемки также могут быть выполнены в различном виде: фрагмент сферы, и/или сфероида, и/или эллипсоида, и/или параболоида, и/или составными с участками поверхности 4–2 порядка кривизны. Полученный кирпич, керамический камень имеет прочность при сжатии до 27 МПа, при изгибе до 4,3 МПа, морозостойкость более 100 циклов.

Для производства строительных керамических поризованных изделий, например дырчато-поризованного кирпича, камней, черепицы, крупноразмерных блоков можно использовать следующую сырьевую смесь, об.%: волокнистая гигроскопическая добавка растительного происхождения 28,6–50, глина 50–71,4. При этом сырьевая смесь может содержать древесные опилки с влажностью 23–38 % или торф с влажностью 23–55 %.  Присутствие компонентов в смеси в указанных количествах позволяет увеличить трещинностойкость и поризованность изделия, приводящих к улучшению технико-эксплуатационных свойств по сравнению с прототипом. Нижняя граница содержания добавки определяется максимально предельной прочностью готового изделия с минимальным пределом поризации материала, определяемым его теплопроводностью, а верхняя граница – минимально возможной прочностью изделий, используемых в отечественных строительных конструкциях [5].

Содержание в указанной смеси  древесных опилок или торфа с  заданной влажностью обеспечивает за счет абсорбционных и гигроскопических свойств указанные ранее эффекты. Выход значения влажности соответствующей  добавки за низкий предел не позволит получить требуемой формовочной  влажности, а при превышении верхнего предела появится капиллярная влага, которая повысит пластинчатость глины и сырьевой смеси в целом, что облегчит формование экструзии, но полученные изделия не смогут держать  заданную форму [5].

Известна сырьевая смесь для  изготовления кирпича на основе глины, содержащая 13–15 % выгорающей добавки, в качестве которой используется смесь из древесных опилок и нефтешлама при их соотношении 1–1: 3,5 и влажности нефтешлама 3–10 %.

Полученные изделия соответствуют  требованиям высшей марки кирпича  и обладают высокими показателями по механической прочности, морозостойкости  и открытой пористости. Однако при  уменьшении количества добавок, снижения и увеличения массового соотношения  опилок и нефтешлама и при уменьшении содержания воды в нефтешламе эти показатели резко снижаются. В случае увеличения количества добавок более и в случая большого количества воды в нефтешламе на кирпичах появляются сквозные трещины на ложковых гранях на всю толщину кирпича протяженностью 40–60 мм в количестве 4–8 шт на одного кирпиче, что влечет за собой резкое снижение механической прочности [6].

Авторы [7] предложили для производста керамических кирпичей и камней шихту, содержащую суглинки или глину, выгорающие порообразующие компоненты и отощители. В качестве выгорающих порообразующих компонентов использованы угольная мелочь и/или опилки фракции от 0,2 до 3,5 мм и гранулы пенополистирола фракций от 1,0 до 4,5 мм, а в качестве отощителя - песок с модулем крупности от 0,3 до 2,2, при этом соотношение компонентов в шихте составляет, об. %: угольная мелочь и/или опилки – 2–10, гранулы пенополистирола – 10–35, песок – 3–20, суглинок и/или глина – остальное, причем при плотности черепка до 800 кг/м³ керамический кирпич, камень выполнен безпустотным, при плотности черепка от 800 до 1200 кг/м³ – с пустотами, объем которых не превышает 20 %, при плотности черепка от 1200 до 1500 кг/м³ – с пустотами, объем которых не превышает 40 %. В результате улучшаются теплоизоляционные свойства изделия при сохранении конструкционных характеристик, снижается материалоемкость строительства и повышается энергосбережение при производстве изделий.

Для получения кирпича с высокой  прочностью при изгибе, а также  утилизация промышленных отходов рекомендуется  использовать шихту, содержащую, %: золу ТЭЦ, измельченный бой кирпича или  измельченный отвальный шлак 0,5–10,0, опилки и/или уголь с крупностью частиц не более 5 мм 0,5–15,0, гранулированный доменный шлак 0,1–6,9, глину и/или суглинок – остальное. В качестве измельченного отвального шлака может быть использован доменный шлак и/или шлак сталеплавильного производства. Получаемый кирпич характеризуется пределом прочности при сжатии до 32 МПа, при изгибе – до 50 МПа, морозостойкостью – не менее 25 циклов [8].

Таким образом, использование перечисленных  выше сырьевых материалов и различного типа добавок, учитывая назначение каждого  из компонентов, позволило разработать  множество составов для получения  кирпича керамического, обладающего  определенными свойствами и соответствующего требованиям СТБ 1160–99  на данный вид продукции.

1.3 Характеристика  существующих способов производства

Производство  керамического кирпича может  быть осуществлено различными способами  формования. На выбор способа производства оказывают влияние различные  факторы, в частности карьерная  влажность и плотность сырья, его чувствительность к сушке. Немаловажным является предполагаемый ассортимент  продукции и возможность приобретения того или иного комплекта оборудования.

Полусухой способ применяют при наличии  засоренного камневидными включениями  сырья с плотной структурой и  низкой карьерной влажностью. Существенными  недостатками этого способа является то, что необходима сушка сырья  перед помолом, повышенный износ  оборудования при помоле, и повышенный пылеунос,  применение прессов большой мощности, обеспечивающих прессование изделий под давлением 15–40 МПа.

Для получения  изделий с более правильными  геометрическими формами и более  высокими физико-механическими свойствами используют метод полусухого прессования  с различными вариантами подготовки массы.

На рисунке 1.1 представлена блок-схема линий полусухого прессования кирпича со шликерной массоподготовкой.

Первичная подготовка и дозировка компонентов  шихты

¯

Приготовление шликера (роспуск глины в воде до влажности 40–50 %)

¯

Процеживание  шликера

¯

Распылительная  сушка шликера     ®        Пылеулавливание

¯

Корректировка влажности и

усреднение  параметров пресс-порошка   ¬  Утилизация

¯

Компрессионное  прессование штучных изделий  в формах

¯

Укладка и транспортировка изделий на досушку и обжиг

¯

Досушка и обжиг изделий

 

Рисунок 1.1 - Принципиальная блок-схема линий полусухого прессования кирпича со шликерной массоподготовкой

 

Шликерная массоподготовка предусматривает подготовку и переработку сырьевых материалов, приготовление шликера, сушку шликера для получения пресс-порошка необходимой влажности и затем формование изделий на коленорычажных или гидравлических прессах [9].

Промышленная  эксплуатация таких линий показала, что на ней производится лицевой  высокомарочный кирпич при вовлечении в производство любого сырья, включая  высокочувствительное к сушке и  засоренное карбонатами. Однако наблюдается  высокое пылеобразование в процессе. Также недостатком таких линий  является высокая удельная энергоемкость  процесса сушки шликера от влажности 45–50 % до 7–10 %.

Кроме шликерной метод полусухого прессования предусматривает полусухую подготовку массы. На рисунке 1.2 представлена схема линии полусухого прессования с полусухой массоподготовкой. Преимущества данной технологии в том, что изделия имеют хороший внешний вид, оборудование простое по конструкции и в эксплуатации, процесс имеет хорошие условия для автоматизации  [2].

Недостатками  описанной линии являются: повышенное пылеобразование в процессе производства; сырье может быть использовано только низкой карьерной влажности и без карбонатов; отсутствуют должные переработка и гомогенизация сырья, из-за чего получаются изделия пониженной прочности и морозостойкости.

Среди существующих схем полусухого прессования наиболее прогрессивной является технология полусухого прессования с пластической переработкой сырья, которая предусматривает  проведение следующих основных технологических  операций: переработку и грануляцию шихты в пластическом состоянии, подсушку гранул до полусухого состояния, размол подсушенных гранул, формование изделий, досушку и обжиг изделий [9].

Блок-схема  линии полусухого прессования с  пластической подготовкой сырья  представлена на рисунке 1.3.

 

Первичная подготовка и дозировка компонентов  шихты

¯

Подсушка  массы до полусухого состояния (влажность 8–12 %)

¯

Дробление подсушенной массы        пылеулавливание

¯

                      Рассев размолотой массы      Утилизация