Технология производства керамзита

Суть технологического процесса изготовления керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по оптимальному режиму. Для вспучивания глиняного комочка нужно, чтобы активное газовыделение совпало по времени с переходом глины в пиропластическое состояние. Но в обычных условиях газообразование при обжиге глин происходит в основном при более низких температурах, чем их пиропластическое размягчение. К примеру, 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 развиваются при температуре по­рядка 900 °С, тогда как в пиропластическое состояние глины переходят при температурах, как правило, выше 1100 °С.

Поэтому при обжиге сырцовых гранул в производстве керамзита необходим стремительный подъем температуры, так как при медленном обжиге значительная часть газов выделяется из глины до ее размягчения и в результате получаются плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро нагреть материал до температуры вспучивания, ее для начала требуется 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 исходный материал может потрескаться или разрушиться (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 не быстро вращаются вокруг своей оси. Благодаря этому сырцовые гранулы, подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении, медленно скатываются к противоположному концу барабана, где установлена форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы пере­мещаются навстречу потоку разогретых газов, подогреваются и, в итоге, попав в зону прямого воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Обычное время пребывания гранул в печи — примерно 45 мин.

Чтобы получить оптимальный режим термообработки, зону вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке, в некоторых случаях отделяют от основной части (зоны подготовки) кольцевым порогом. Применяют также двухбарабанные печи, в которых зоны подготовки и вспучивания представлены двумя сопряженными барабанами, вращающимися на различных скоростях.

В двухбарабанной печи удается создать нужный для каждого вида исходного материала режим термообработки. Промыш­ленный опыт показал, что при этом повышается качество керамзита, на много увеличивается его выход, а так­же сокращается удельный расход топлива. В связи с тем, что хорошо вспучивающегося глинистого материала для произ­водства керамзита сравнительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья необходимо стре­миться к оптимизации режима термообработки.

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

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

По мнению экспертов, при изготовления керамзита следует стремиться к увеличению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося исходного материала для получения высокопрочного заполнителя имеется достаточно, а хорошо вспучивающегося не хватает. С этой точки зрения наличие плотной корочки большой толщины на керамзитовом гравии свидетельствует о недо­использовании способности сырья к вспучиванию и умень­шении 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 поддерживается вос­становительная среда, дающая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхность гранул не оплавляется.

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

Отмечают четыреосновные технологические схемы подготовки сырцовых гранул, или четыре вида 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. Предварительно не­обходимо отсеять мелочь и крупные куски, отправив последние на дополнительное дробление. Этот способ оправдывает себя, если исходная порода однородна, не содержит посторонних включений и характеризуется достаточ­но высоким коэффициентом вспучивания.

Большее применение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому способу перерабатывается в увлажненном состоянии в вальцах, глиномешалках и других агрегатах (как в производстве кирпича). После этого 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 показывает ка­чество готового керамзита. Поэтому целесообразна тщательная обработка 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 целесообразнее, предварительно подсушиваться в сушильных барабанах, в других теплообменных устройствах с использованием тепла отходящих дымовых газов вращающейся печи. При направлении в печь подсушенных гранул ее производительность может быть увеличена.

Поэтому, изготовление керамзита по пластическому способу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует больших капиталовложений, но, в этом случае, обработка глинистого сырья с нарушением его естественной 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 делают гранулы, как описано выше. Необходимость помола обусловлена с затрата­ми. Но, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. �ногда этот способ подготовки сырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном виде его легче транспортировать и гомогенизировать; если требуется подмешивать добавки, то при помоле их легче равномерно распределить; если в сырье есть инородные включения зерен известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всему объему виде они уже не опасны; если такая тщательная обработка сырья приводит к увеличению вспучивания, то повышенный выход продукции и его более высокое качество оправдывают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) метод заключается в разведении 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 устраивается завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются выходящими из печи газами и подсушивают 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 очищения из сырья каменистых включений и зерен известняка. Такой 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.

Керамзит, получаемый по любому из описанных выше способов, после обжига необходимо охладить. Установлено, что от скорости охлаждения зависят прочностные свойства керамзита. При слишком быстром 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 требуется 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 термических на­пряжений, а также появления в ней кристаллических минералов, повышающих прочность керамзита. После этого возможно сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

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

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

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

Фракционированный керамзит доставляют 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.