Цех по производству керамзитового гравия пластичным методом однобарабанная печь

Стандартизована  лишь   одна   методика   определения   прочности   пористых заполнителей вне бетона — сдавливанием зерен в цилиндре  стальным  пуансоном на заданную глубину. Фиксируемая при этом  величина  напряжения  принимается за  условную  прочность  заполнителя.  Эта  методика  имеет   принципиальные недостатки, главный из которых — зависимость показателя прочности  от  формы зерен и пустотности смеси. Это настолько искажает  действительную  прочность заполнителя,  что  лишает  возможности  сравнивать  между  собой   различные пористые заполнители и даже заполнители  одного  вида,  но  разных  заводов.

Методика определения  прочности керамзитового гравия  основана  на  испытании одноосным сжатием  на  прессе  отдельных  гранул  керамзита.  Предварительно гранулу  стачивают  с  двух  сторон  для  получения   параллельных   опорных плоскостей. При этом она приобретает вид бочонка высотой  0,6—0,7  диаметра. Чем больше количество испытанных гранул, тем точнее  характеристика  средней прочности. Чтобы получить более или менее  надежную  характеристику  средней прочности керамзита, достаточно десятка гранул.

    Испытание  керамзитового  гравия  в   цилиндре   дает   лишь   условную относительную  характеристику  его  прочности,  причем сильно   заниженную. Установлено,  что  действительная  прочность керамзита,  определенная   при испытании в бетоне,  в  4-5  раз  превышает  стандартную  характеристику.  К такому же выводу на основе опытных данных пришли В. Г. Довжик, В.  А.  Дорф, М. 3. Вайнштейн и другие исследователи.

    Стандартная методика предусматривает  свободную  засыпку  керамзитовогогравия в цилиндр и  затем  сдавливание  его  с  уменьшением  первоначального объема на 20%. Под действием нагрузки  прежде  всего  происходит  уплотнение гравия за счет некоторого смещения зерен  и  их  более  компактной  укладки. Основываясь на опытных данных, можно полагать, что за  счет  более плотной укладки  керамзитового  гравия  достигается  уменьшение   объема   свободной засыпки в среднем на 7%.  Следовательно,  остальные  13%  уменьшения  объема приходятся на смятие зерен. Если первоначальная высота  зерна  D,  то после смятия она уменьшается на 13%.

Высококачественный  керамзит,  обладающий   высокой   прочностью,   как правило, характеризуется  относительно  меньшими,  замкнутыми  и  равномерно распределенными порами. В нем достаточно стекла для  связывания  частичек  в плотный и прочный материал, образующий стенки пор. При распиливании  гранул и сохраняются кромки,  хорошо  видна  корочка. Поверхность распила так как материал мал.

    Водопоглощение  заполнителя  выражается  в   процентах  от  веса  сухого

материала.  Этот  показатель  для  некоторых  видов пористых   заполнителей нормируется   (например,   в   ГОСТ   9759—71).   Однако   более   наглядно представление  о  структурных  особенностях  заполнителей  дает   показатель объемного водопоглощения.

    Поверхностные  оплавленные  корочки  на  зернах  керамзита  в  начальный

период (даже при меньшей объемной массе в зерне и большей пористости)  имеют почти в два раза ниже объемное  водопоглощение,  чем  зерна  щебня.  Поэтому необходима   технология   гравиеподобных   заполнителей   с    поверхностной оплавленной корочкой из  перлитового  сырья, шлаковых  расплавов и других попутных  продуктов  промышленности  (золы  ТЭС,   отходы   углеобогащения). Поверхностная  корочка  керамзита  в   первое   время   способна   задержать проникновение воды  вглубь  зерна  (это  время  соизмеримо  со  временем  от изготовления легкобетонной  смеси  до  ее  укладки).  Заполнители,  лишенные корочки,  поглощают  воду  сразу,  и  в  дальнейшем   количество   ее   мало изменяется.

Между водопоглощением  и прочностью  зерен  в  ряде  случаев  существует тесная корреляционная связь. Чем больше водопоглощение, тем  ниже  прочность пористых заполнителей. В этом проявляется дефектность  структуры  материала. Например, для керамзитового гравия коэффициент корреляции  составляет  0,46. Эта связь выявляется более отчетливо, чем связь прочности и  объемной  массы керамзита (коэффициент корреляции 0,29).

  Для снижения  водопоглощения  предпринимаются  попытки  предварительной гидрофобизации пористых заполнителей. Пока они не  привели  к  существенным положительным результатам  из-за  невозможности  получить  нерасслаивающуюся бетонную смесь при одновременном сохранении эффекта гидрофобизации.

Особенности       деформативных   свойств   предопределяются   пористой структурой заполнителей. Это, прежде всего, относится  к  модулю  упругости, который существенно ниже, чем у плотных заполнителей Собственные  деформации (усадка,  набухание)  искусственных пористых  заполнителей,  как   правило, невелики.  Они  на  один  порядок  ниже  деформаций  цементного  камня.  При исследованиях деформаций керамзита все  образцы  при  насыщении  водой  дают набухание, а при высушивании — усадку, но величина деформаций разная.  После первого цикла половина  образцов  показывает остаточное  расширение,  после второго  —  три  четверти,  что  свидетельствует  об   изменении   структуры керамзита. Средняя величина усадки после  первого  цикла  0,14  мм/м,  после второго  —  0,15  мм/м.  Учитывая,  что  гравий  в   бетоне   насыщается   и высушивается в меньшей  степени,  реальные  деформации  керамзита  в  бетоне составляют  лишь  часть  этих  величин.   Пористые   заполнители   оказывают сдерживающее влияние на деформации усадки (и ползучести) цементного камня  в бетоне, в результате чего легкий бетон имеет меньшую деформативность, чем цементный камень.

Другие важные свойства  пористых  заполнителей,  влияющие  на  качество легкого бетона— морозостойкость и стойкость против  распада  (силикатного  и железистого), а также содержание  водорастворимых  сернистых  и  сернокислых соединений. Эти показатели регламентированы стандартами.

Искусственные  пористые  заполнители,  как  правило,   морозостойки   в пределах  требований  стандартов.  Недостаточная  морозостойкость  некоторых видов заполнителей вне бетона не всегда свидетельствует о  том,  что  легкий бетон на их основе также неморозостоек, особенно если речь идет о  требуемом количестве циклов 25—35. Заполнители  легких  бетонов,  предназначенных для тяжелых  условий  эксплуатации,  не  всегда  удовлетворяют  требованиям   по морозостойкости и потому должны тщательно исследоваться.

На теплопроводность пористых заполнителей, как и других  пористых  тел, влияют количество и качество (размеры) воздушных  пор,  а  также  влажность. Заметное  влияние   оказывает   фазовый   состав   материала.   Аномалия   в коэффициенте теплопроводности связана  с  наличием  стекловидной  фазы.  Чем больше стекла, тем коэффициент теплопроводности для заполнителя одной и  той же плотности ниже. С целью стимулирования  выпуска  заполнителей  с  лучшими теплоизоляционными   свойствами   для   бетонов   ограждающих    конструкций предлагают  нормировать   содержание   шлакового   стекла   (например,   для высококачественной шлаковой пемзы 60—80%) .

2.2 Выбор,  обоснование и описание схемы технологического процесса

Процесс изготовления керамзита в промышленном масштабе состоит из следующих основных операций: добычи глинистого сырья, его складирования и доставки к месту производства; переработки сырья и приготовления исходного полуфабриката – сырца, пригодного для обжига со вспучиванием; обжига и охлаждения керамзита; сортировки и при необходимости домола заполнителя; складирования и выдачи готового продукта. 

      Основное  оборудование керамзитовых предприятий  – оборудование для обжига. В  настоящее время наиболее распространен  метод обжига керамзитового гравия в одно и двухбарабанных вращающихся печах; кроме того, осваивается промышленное производство керамзитового гравия и песка в печах кипящего слоя. 

    Сущность  технологического процесса  производства  керамзита  состоит  в обжиге глиняных гранул по  оптимальному  режиму.  Для  вспучивания  глиняной гранулы нужно, чтобы активное газовыделение совпало по времени  с  переходом глины  в  пиропластическое  состояние.  Между   тем   в   обычных   условиях газообразование при обжиге глин  происходит  в  основном  при более низких температурах, чем их  пиропластическое  размягчение.

    При  обжиге  сырцовых  гранул  в   производстве  керамзита необходим   быстрый  подъем  температуры,  так  как  при   медленном   обжиге значительная часть газов  выходит из глины до ее размягчения и в результате получаются сравнительно плотные маловспученные  гранулы.  Но  чтобы быстро нагреть гранулу до температуры вспучивания, ее  сначала нужно подготовить, т. е. высушить  и подогреть.  В данном  случае  интенсифицировать процесс нельзя, так как  при  слишком  быстром  нагреве  в  результате  усадочных  и температурных деформаций, а также  быстрого  парообразования  гранулы  могут потрескаться или разрушиться (взорваться).

    Оптимальным   считается  ступенчатый  режим  термообработки  по  С.П. Онацкому:  с  постепенным  нагревом  сырцовых  гранул  до  200—600   °С   (в зависимости  от  особенностей  сырья)  и  последующим  быстрым  нагревом  до температуры вспучивания (примерно 1200 °С).

    Обжиг  осуществляется во вращающихся печах, представляющих  собой цилиндрические металлические барабаны диаметром до 2,5—5  м    и  длиной  до 40— 75 м, футерованные изнутри огнеупорным кирпичом. Печи устанавливаются  с уклоном примерно 3% и медленно вращаются вокруг своей оси.  Благодаря  этому сырцовые  гранулы,  подаваемые  в верхний конец печи,  при ее  вращении, постепенно передвигаются к другому концу барабана, где установлена форсунка    для    сжигания  газообразного или жидкого топлива.   Таким   образом, вращающаяся печь  работает  по  принципу  противотока:   сырцовые   гранулы перемещаются навстречу потоку  горячих газов,  подогреваются и,  наконец, попав   в   зону непосредственного воздействия огненного факела  форсунки, вспучиваются. Среднее время пребывания гранул в печи — примерно 45 мин.

    Значение  характера газовой среды в  производстве  керамзита  обусловлено  происходящими при обжиге химическими  реакциями.  В  восстановительной   среде окись железа Fe2O3 переходит  в закись FeO, что является не  только  одним  из источников  газообразования,  но  и важнейшим фактором  перехода  глины в пиропластическое   состояние.   Внутри   гранул   восстановительная    среда обеспечивается за счет присутствия органических  примесей  или добавок,  но при окислительной среде в печи (при большом  избытке  воздуха)  органические примеси и  добавки  могут  преждевременно  выгореть.  Поэтому  окислительная газовая среда на стадии термоподготовки,  как  правило,  нежелательна,  хотя имеется и другая  точка  зрения,  согласно  которой  целесообразно  получать высокопрочный керамзитовый гравий с  невспученной  плотной  корочкой.  Такая корочка толщиной до  3  мм  при выгорании органических примесей  в  поверхностном  слое  гранул, обжигаемых в окислительной среде.

    В   восстановительной  среде   зоны  вспучивания  печи  может   произойти оплавление поверхности гранул,  поэтому  газовая  среда  здесь  должна  быть слабоокислительной.  При  этом  во  вспучивающихся  гранулах  поддерживается восстановительная среда, обеспечивающая пиропластическое состояние  массы  и газовыделение, а поверхность гранул не оплавляется.     Характер газовой среды косвенно, через окисное или  закисное  состояние железистых  примесей,  отражается  на  цвете   керамзита.   Красновато-бурая поверхность гранул говорит  об  окислительной  среде  (Fe2O3),  темно-серая, почти черная окраска в изломе,— о восстановительной (FeO),     Различают четыре основные  технологические  схемы  подготовки  сырцовых гранул, или четыре  способа  производства  керамзита:  сухой,  пластический, порошково-пластический и мокрый.

    Наибольшее  распространение   получил   пластический   способ.   Рыхлое глинистое сырье по этому способу подаются со склада сырья ящичным подавателем с разрыхрытельем и перерабатывается в увлажненном состоянии  в дезинтеграторных вальцах и двухвальных глиномялках. Затем из пластичной глиномассы на дырчатых вальцах  формуются  сырцовые  гранулы  в  виде  цилиндриков,   которые   при дальнейшей  транспортировке  или  при  специальной  обработке   окатываются, округляются.

    Качество  сырцовых  гранул  во  многом  определяет  качество   готового керамзита. Поэтому целесообразна тщательная переработка глинистого  сырья  и формование  плотных  гранул  одинакового  размера.  Размер  гранул  задается исходя из требуемой крупности  керамзитового  гравия  и  установленного  для данного сырья коэффициента вспучивания.

    Гранулы   с  влажностью  примерно  20%  могут  сразу   направляться   во вращающуюся  печь  или,  что  выгоднее,   предварительно   подсушиваться   в сушильных  барабанах, в других  теплообменных   устройствах  с  использованием тепла  отходящих  дымовых  газов  вращающейся  печи.  При  подаче   в   печь подсушенных гранул ее производительность может быть повышена.

    Таким  образом, производство керамзита  по пластическому способу сложнее,  чем по сухому, более энергоемко, требует значительных капиталовложений,  но, с  другой  стороны,  переработка  глинистого   сырья   с   разрушением   его естественной  структуры,  усреднение,  гомогенизация,  а  также  возможность улучшения его добавками позволяют увеличить коэффициент вспучивания.

    Керамзит, получаемый по любому из способов, после обжига необходимо  охладить.  Установлено,  что  от  скорости  охлаждения   зависят прочностные  свойства керамзита. При  слишком   быстром  охлаждении  керамзита  его  зерна  могут  растрескаться  или  же  в   них   сохранятся   остаточные напряжения, которые могут проявиться в  бетоне.  С  другой  стороны,  и  при слишком медленном охлаждении  керамзита  сразу  после  вспучивания  возможно снижение его качества из-за смятия размягченных гранул, а также  в  связи  с окислительными процессами, в результате которых FeO переходит в  Fe2O3,  что сопровождается деструкцией и снижением прочности.