Химическая технология керамзита

 

2. Сырье для  производства керамзита

2.1. Классификация  сырья и его состав

 

Для производства керамзита требуется глинистое сырье, способное вспучиваться при нагревании в пределах температур 1150 - 1250°С. 

Вспучиваемость глинистой породы характеризуется коэффициентом вспучивания К или объемным весом вспученного материала в куске. Выделяют вспучиваемость максимальную, минимальную и практическую.

Вспучиваемость максимальная или предельная, получаемая при испытании глинистого сырья в наиболее благоприятных условиях в лаборатории, в так называемой защитной среде. Она характеризует способность вспучиваться в предельной степени, свойственной данному сырью.

Вспучиваемость минимальная, получаемая при нагревании глинистого сырья до тех же температур, при которых достигается максимальная вспучиваемость при условии свободного доступа воздуха к обжигаемому образцу. Она характеризует способность данного сырья вспучиваться при наименее благоприятных условиях.

Вспучиваемость практическая, свойственная данному глинистому сырью при обжиге его при тех же температурах в заводских печах.

Задачей производственников является достижение возможно более высокой практической вспучиваемости, приближенной к максимальной.

Глинистые породы в зависимости от вспучиваемости могут быть пригодны для производства керамзита с различным объемным весом, используемого для приготовления

бетона разных марок.

При оценке глинистого сырья, применяемого для производства керамзита, удобно пользоваться классификацией в зависимости от технологических приемов его переработки. Соответственно этому сырье разделяется на 3 вида.

Рыхлое глинистое сырье характеризуется очень слабой связью между минеральными частицами, допускающей немедленное намокание его при увлажнении. Для получения мелкокускового уплотненного сырца, подлежащего вспучиванию в печи, такое сырье обрабатывают пластическим способом.

Камневидное глинистое сырье характеризуется очень прочной связью между минеральными частицами, не допускающей его намокания и размягчения при длительном увлажнении. Превратить его в мелкокусковой сырец можно только способом механического дробления.

Высокопластичное (вязкое) глинистое сырье характеризуется наличием значительно более прочных связей между частицами, чем у рыхлого сырья, и менее прочных связей, чем у камневидного. Оно имеет воскоподобное строение и большую плотность, может намокать в результате только очень длительного увлажнения; с трудом поддается пластической обработке и не измельчается, а сминается дробильными машинами. Для получения мелкокускового сырца такое сырье разрывают на зубчатых вальцах. Этот способ обработки называют разрывным

Каждая разновидность сырья обрабатывается определенной группой машин применительно к особенностям его свойств.

Из числа минералов, образующих глинистую породу, тонкозернистый кварц и глинистые минералы при размягчении и частичном расплавлении образуют стекловидную фазу керамзита. Органические вещества и окислы железа взаимодействуют с восстановлением последних в закись железа. Последняя, в свою очередь, реагируя со слюдами и гидрослюдами, вызывает образование вспучивающих газов. Остальные компоненты либо вовсе не принимают участия во вспучивании (крупный кварц, рутил и др.), либо действуют как плавни (окиси кальция, магния, натрия и калия). 

Важнейшими компонентами вещественного состава глин, определяющими их способность к вспучиваемости, являются окислы железа, органические вещества и слюды.

Минеральные частички, составляющие глинистые породы имеют размеры от 0,01 мк до 1,5 —2,5 мм.

Наиболее важное значение имеет суммарное содержание частичек с размерами зерен менее 10 мк, которых для хорошего вспучивания должно быть не менее 35%,

Химический состав глинистого сырья не может служить основанием для определения его вспучиваемости. Но в известной степени им можно пользоваться для ориентировочного суждения о его пригодности. Статистическая обработка химических составов глин показывает, что среди хорошо вспучивающихся разновидностей чаще всего встречаются глины со следующим химическим составом: А1203 от 10 до 24%; Fe203 от 3 до 10%; CaO+MgO не более 6-8%.

Большое влияние на вспучиваемость оказывает свободный кварц, содержащийся в глине в виде кварцевого песка.

Так, по данным И. А Гервидса, Я. Н. Черняка, П. И. Потемкина и В. Ф. Павлова, вспучиваемость глин резко падает при содержании кварцевых частиц с размером зерен более 0,1 мм в количестве, превышающем 10%. При содержании их более 20—30% вспучиваемость может оказаться очень малой или вовсе не обнаружиться.

Излишнее содержание окиси кальция имеет вредное технологическое значение, так как, способствуя быстрому оплавлению зерен сырца в печи, содействует слипанию их друг с другом и прилипанию к футеровке еще до развития процесса вспучивания.

 

2.2. Лабораторные  и производственные испытания  сырья

 

Для обоснования проектирования производства керамзита на предполагаемом для разработки участке производят подробные геологоразведочные работы, а получаемые пробы сырья подвергают лабораторным и производственным керамическим и технологическим испытаниям,

Лабораторные испытания: на оконтуренном участке наносят сетку для бурения скважин с расстояниями от 50 до 150 м. Колонковые пробы отбирают весом по 2—3 кг от каждого слоя глинистого сырья. Отобранные пробы подвергают лабораторным испытаниям для определения вспучиваемости. Испытывают все пробы, причем определяют максимальную и минимальную вспучиваемость.

Для определения вспучиваемости из испытуемого сырья готовят образцы весом 3-4г. Рыхлое или высокопластичное (вязкое) глинистое сырье формуют в виде цилиндриков диаметром и высотой 15—16 мм, а камневидное разбивают на кусочки весом также 3-4г. Из каждой геологической пробы готовят по 12 образцов. Приготовленные образцы высушивают в комнатных условиях, после чего каждый из них взвешивают с точностью до 0,01 г и определяют его объем с точностью до 0,1 см3.

Обжиг ведут следующим образом. Электрическую печь, обогреваемую силитовыми или карборундовыми стержнями, нагревают до нужной рабочей температуры и выдерживают при ней не менее 1 часа. Испытуемый образец глины устанавливают на тонкую шамотную пластинку - поддон Для достижения максимальной вспучиваемости шамотный поддон посыпают тонким слоем порошка антрацита или каменного угля. На него устанавливают образец, который накрывают опрокинутым тугоплавким тиглем, лучше всего корундизовым. Для определения минимальной вспучиваемости образец также помещают на шамотный поддон, но углем его не посыпают и тиглем не накрывают.

Подготовленный к обжигу образец продвигают на поддоне во входную часть печи, где температура не превышает 500—700°, и выдерживают там 3—4 мин. При этом из образца удаляются остатки влаги и предупреждается его взрывание. Затем поддон продвигают в рабочую часть печи, где выдерживают не менее 15—20 мин. По окончании нагревания поддон извлекают из печи и дают ему остыть в течение 3—5 мин. Образец снимают с поддона и после окончательного остывания взвешивают и обмеривают, как указано выше.

Образцы обжигают при следующих температурах: 1070, 1100, 1130, 1160, 1190 и 1220°. Таким образом, получают две серии результатов, на основании которых определяют максимальную и минимальную вспучиваемость, после чего определяют практическую вспучиваемость.

Практический коэффициент вспучивания устанавливают по формуле, приведенной на стр. 613.

Некоторые пробы сырья подвергают химическому анализу, дающему более полное представление о свойствах сырья.

Если пробы вспучиваются плохо, то химический анализ в некоторой степени позволяет судить о причинах низкого качества сырья. Так, содержание Аl2Оз более 22% характеризует сырье как тугоплавкое, если оно при этом содержит мало плавней. Содержание Аl2Оз в количестве менее 3% недостаточно для выделения вспучивающих газов. Содержание СаО свыше 6—8% придает вспучиваемой массе короткоплавкость, облегчает выход вспучивающих газов наружу и увеличивает объемный вес.

Недостаточное содержание органических веществ в сырье не обеспечивает полного восстановления окислов железа в закись, ввиду чего сырье отличается малой вспучиваемостью.

Чрезмерное содержание органических веществ в сырье создает высокую концентрацию окиси углерода в окружающих газах вследствие чего окись железа восстанавливается в металлическое железо, которое как плавень действует недостаточно и не вызывает выделения вспучивающих газов.

Химический анализ позволяет наметить и опробовать некоторые способы повышения вспучиваемости плохо вспучивающегося сырья путем введения добавок, которые способствуют повышению вспучиваемости до определенного для данного состава предела. Отсутствие эффекта при введении добавок показывает, что испытуемая глина вспучивается в своем естественном состоянии до ее природного предела.

Предпочтительны жидкие добавки как наиболее технологичные в производстве.

При испытаниях сырья с добавками, формуют образцы и обжигают указанными выше способами при температурах, в пределах которых было замечено наибольшее вспучивание чистого сырья. Для надежности результатов их обжигают также при температурах, которые на 30° ниже или выше выбранных. Сырье и обожженные образцы взвешивают, определяют их объем и вычисляют практические коэффициенты вспучивания.

Прежде чем сделать выводы по результатам испытаний, необходимо осмотреть лучшие образцы. Режимы, при которых были получены оплавленные, со стекловидной поверхностью образцы, не могут быть приняты ввиду опасности налипания зерен керамзита при этих температурах на футеровку вращающейся печи. Обжиг должен производиться при температурах, которые на 20—40° ниже установленных лабораторными испытаниями.

Анализ лабораторных испытаний сырья дает следующие результаты:

1) практическую вспучиваемость сырья чистого и с добавками;

2) дозировку добавок;

3) температуру обжига для вспучивания;

4)    объемный вес керамзита в куске, а при умножении его на 0,62 — насыпной объемный вес;

5) выход керамзита в кубометрах из тонны воздушно-сухого сырья;

6) степень постоянства качества сырья в месторождении;

7) отличительные особенности сырья из отдельных участков месторождения, если они имеются;

8) примерный заводской режим производства.

Производственные испытания сырья производят на партии в 3—5 т сырца, отформованного по выбранной рецептуре и обожженного в небольшой (7—10 м) полупроизводственной печи.

В процессе заводского испытания уточняется режим производств а, главным образом процесса обжига, а возможно, и состав шихты.

Анализ производственных испытаний сырья и готового продукта дает:

1) окончательный состав шихты;

2) рабочий режим обжига;

3) выход продукции;

4) насыпной объемный вес керамзита;

5) прочность керамзита по ГОСТу;

6)   морозостойкость.

Производственные испытания сырья ведут путем обжига во вращающейся печи по режимам, принятым на заводах.

 

3. Производство  керамзита

3.1. Обработка сырья  и формование сырца

 

Общую технологическую схему производства керамзита можно представить следующим образом.

 

Выбор способов приготовления сырца определяется природными свойствами и строением сырья. При этом следует иметь в виду следующее.

Для переработки рыхлого сырья требуется наибольшее количество машин и сушилок. Производство сырца из рыхлого сырья связано с довольно значительными капиталовложениями и эксплуатационными расходами. Но оно выгодно тем, что базируется на широко распространенных видах сырья, применяемых на всех кирпичных заводах. Кроме того, рыхлое сырье легко поддается облагораживанию путем введения добавок.

Для переработки камневидного  сырья требуется минимальное количество простейших машин и следовательно меньшие капиталовложения и эксплуатационные расходы. Но встречается оно, значительно реже, чаще всего плохо высушивается, а его применение связано с потерями мелочи.

Для переработки вязкого сырья, как и камневидного, требуется меньшее количество машин, но оно не поддается облагораживанию, дает неравномерные угловатые зерна керамзита и много мелочи в отходы производства.

Следовательно, выбор сырья должен производиться на основе детального анализа технических и экономических достоинств и недостатков организации производства на том или ином виде сырья.

Рыхлое сырье подвергают последовательно измельчению, увлажнению и формованию по следующей схеме.

Целью измельчения является разрушение теологической структуры для того, чтобы различные компоненты, входящие, в состав глины, более равномерно перемешались между собой. Этим также достигается образование большого количества контактов между взаимодействующими минеральными компонентами. Хорошее измельчение и перемешивание сырья повышает его вспучиваемость.

Для измельчения применяют гладкие вальцы грубого помола типа.

Увлажнение сырья производят в двухвальных глиномешалках. Степень увлажнения зависит от природных свойств сырья и типа машин, применяемых для формования сырца.