Виды производства. Керамзит

Сущность процесса изготовления керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по заданному режиму. Для вспучивания глиняного комочка требуется, чтобы активное газовыделение совпало по времени с переходом глины в пиропластическое состояние. Между тем в обычных условиях газообразование при обжиге глин получается в основном при более низких температурах, чем их пиропластическое размягчение. Например, температура диссоциации карбоната магния — до 600°С, карбоната кальция — до 950 °С, дегидратация глинистых минералов происходит при температуре до 800 °С, а выгорание органических примесей еще ранее, реакции восстановления окислов железа происходят при температуре по­рядка 900 °С, тогда как в пиропластическое состояние глины переходят при температурах, как правило, более 1100 °С.

Поэтому при обжиге сырцовых гранул в процессе производства керамзита нужен активный подъем температуры, так как при медленном обжиге значительная часть газов выделяется из глины до ее размягчения и в результате получаются сравнительно плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро нагреть материал до нужной температуры, ее для начала требуется подготовить, т. е. высушить и подогреть. В данном случае интенсифицировать процесс нельзя, так как при быстром нагреве в резуль­тате усадочных и температурных деформаций, а также скорого парообразования исходный материал может потрескаться или распасться (взорваться).

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

Обжиг происходит 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, закладываемые в верхний конец печи, при ее вращении, медленно передвигаются к противоположному концу барабана, где установлена форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. В этом случае, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы двигаются навстречу потоку разогретых газов, подогреваются и, в итоге, попав в зону прямого воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Обычное время нахождения гранул в печи — примерно 45 мин.

Чтобы получить оптимальный режим термообработки, место вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке, иногда отделяют от основной части (зоны подготовки) кольцевым порогом. Применяют также двухбарабанные печи, в которых зоны подготовки и вспучивания представлены двумя сопряженными барабанами, вращающимися с разными скоростями.

В двухбарабанной печи получается создать требуемый для каждого вида исходного материала режим термообработки. Промыш­ленный опыт показал, что при этом улучшается качество керамзита, значительно увеличивается его выход, а так­же сокращается удельный расход топлива. В связи с тем, что хорошо вспучивающегося глинистого материала для произ­водства керамзита относительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья нужно стре­миться к оптимизации режима термообработки.

Из зарубежного опыта известно, что для производства заполнителей типа керамзита из сырья (промышленных отходов), отличающегося особой чувствительностью к типу обжига, применяют трехбарабанные вращающиеся печи или три-четыре последовательно располагаемые печи, в которых поддерживаются не только наилучшие скорость и длительность нагрева на каждом этапе термообработки, но и переменная газовая среда.

Значение характера газовой среды в выпуске 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 преобразования глины в пиропластическое состояние. Внутри гранул восстановительная среда обеспечивается за счет наличия органических примесей или добавок, но при окислительной среде в печи (при большом избытке воздуха) органические примеси и добавки могут раньше времени выгореть. Поэтому окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, как правило, нежелательна, хотя имеется и другая точка зрения, согласно которой разумно производить высокопрочный керамзитовый гравий с невспученной плотной корочкой. Такая корочка толщиной до 3 мм (по предложению Северного филиала ВНИИСТ) при выгорании органических примесей в поверхностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.

По мнению автора, при производстве керамзита следует стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося глинистого сырья для получения высокопрочного заполнителя имеется много, а хорошо вспучивающегося не хватает. С этой точки зрения наличие плотной корочки значительной толщины на керамзитовом гравии свидетельствует о недо­использовании способности сырья к вспучиванию и снижении выхода продукции.

В восстановительной среде зоны вспучивания печи мо­жет получиться оплавление поверхности гранул, поэтому газовая среда в этом месте должна быть слабоокислительной. Во время этого во вспучивающихся гранулах находится вос­становительная среда, дающая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхность гранул остается не оплавленной.

Характер газовой среды косвенно, через окисное или закисное состояние железистых примесей, отражается на цвете керамзита. Красновато-бурая поверхность гранул свидетельствует об окислительной среде (Fe2O3), темно-серая, почти черная окраска в изломе — о восстановительной (FeO).

Отмечают четыреосновные технологические схемы подготовки сырцовых гранул, или четыре способа производства керамзита: сухой, пластический, порошково-пластический и мокрый.

Сухой способ используют при наличии камнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые сланцы). Он наиболее прост: сырье дробится и выкладывается во вращающуюся печь. Сначала нужно отделить мелочь и слишком крупные куски, напра­вив их на повторное дробление. Этот способ оправдывает себя, если исходный материал однороден, не содержит посторонних включений и характеризуется достаточ­но большим коэффициентом вспучивания.

Большее распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому метод обрабатывается во влажном состоянии в вальцах, глиномешалках и других агрегатах (как в производстве кирпича). Затем из пластичной глиномассы на дырчатых вальцах или ленточных шнековых прессах формуются сырцовые гранулы в виде цилиндриков, которые при последующей транспортировке или при специальной обработке окатываются, округляются.

Качество сырцовых гранул во многом определяет ка­чество получаемого керамзита. Поэтому нужна тщательная обработка глинистого сырья и формование плотных гранул одного и того же размера. Размер гранул устанавливается исходя из нужной крупности керамзитового гравия и установленного для данного сырья коэффициента вспучи­вания.

Гранулы с влажностью примерно 20% могут сразу посылаться во вращающуюся печь или, что выгоднее, предварительно подсушиваться в сушильных барабанах, в других теплообменных устройствах с использованием жара 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, обработка глинистого сырья с нарушением его природной структуры, усреднение, гомогенизация, а так­же возможность улучшения его добавками позволяют увеличить коэффициент вспучивания.

Порошково-пластический способ отличается от пластического тем, что вначале помолом сухого глинистого сырья получают порошок, а потом из этого по­рошка при добавлении воды получают пластичную глиномассу, из которой формуют гранулы, как описано до этого. Необходимость помола связана с дополнительными затрата­ми. Но, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. Иногда этот способ подготовки сырья подходит: если сырье имеет неоднородность по составу, то в порошкообразном состоянии его легче транспортировать и гомогенизировать; если требуется вводить добавки, то при помоле их намного проще равномерно распределить; если в сырье есть вредные включения зерен известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная обработка сырья приводит к увеличению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его более высокое качество окупают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) способ заключается в растворении глины в воде в специальных больших емкостях — глиноболтушках. Влажность выходной пульпы (шлике­ра, шлама) примерно 50%. Пульпа насосами подается в шламбассейны и оттуда — во вращающиеся печи. При этом способе в части вращающейся печи стоит завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими из печи газами и частично высушивают пульпу, после этого разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа — повышенный расход топлива, обусловленный большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются достижение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота дополнения и тщательного распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка. Этот способ рекомендуется при высокой карьерной влажности глины, когда она выше формовочной (при пластическом формовании гранул). Он может быть использован также вместе с гидромеханизированной добычей глины и подачей ее на завод в виде пульпы по трубам вместо применяемой сейчас разработки экскаваторами с перевозкой автотранспортом.

Продукт, производимый по любому из описанных выше способов, после обжига необходимо остудить. Установлено, что от скорости охлаждения зависят прочностные свойства керамзита. При слишком скором охлаждении керамзита его зерна могут потрескаться 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 уменьшение 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.

Сразу после вспучивания нужно быстрое охлаж­дение керамзита до температуры 800—900 °С для закрепления структуры и предотвращения окисления закисного железа. после требуется медленное охлаждение до температуры 600—700 °С в течение 20 мин для обеспечения затвердевания стеклофазы без больших термических на­пряжений, а также формирования в ней кристаллических минералов, повышающих прочность керамзита. После этого желательно относительное быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

Первый этап охлаждения керамзита осуществляется еще в пределах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. Затем керамзит охлаждается воздухом в барабанных, слоевых холодильниках, аэрожелобах.

Для фракционирования керамзитового гравия используют грохоты, в основном барабанные — цилиндрические или многогранные (бураты).

Внутризаводской транспорт керамзита — конвейерный (ленточные транспортеры), иногда пневматический (потоком воздуха по трубам). При пневмотранспорте возможно повреждение поверхности гранул и их раскалывание. Поэтому этот удобный и во многих отношениях эффективный вид транспорта керамзита не получил широкого распространения.

Фракционированный керамзит перемещают на склад готовой продукции бункерного или силосного типа.

Доставка керамзита до объекта заказчика в основном производится самосвалами с кузовом разного объема, оптимально подходящего для доставки нужного заказчику количества керамзита. Цена керамзита для конечного заказчика складывается из цены за доставку керамзита и цены на заводе.