Заполнители из природных плотных 4 страница

2. Оксиды железа содержаться в количестве от 2,5 до 12%. Они определяют окислительно-восстановительные реакции при обжиге. Создают благоприятные условия для вспучивания сырья. Вспучивание происходит интенсивно и в полном объеме. Если содержание железистых <2%, то вспучиваемость резко снижается. Если их содержание более 3% и среда обжига восстановительная, то температура обжига снижается.

3. Оксиды щелочеземельных металлов ограничиваются следующим содержанием: CaO до 6% и MgO до 4%. Крупные включения CaO (Ø 10 мкм) в расплав не переходят, т.е являются вредными примесями. Под влиянием влаги воздуха гасятся, увеличиваясь в объеме и возможно разрушение структуры гранулы.

4. Оксиды щелочных металлов K₂O и Na₂O. Являются плавнями. Способствуют более раннему спеканию глинистых частиц за счет образования легкоплавких эвтектик. При содержании 1% K₂O в расплав переходит 11% глинистой массы, и с увеличением % K₂O увеличивается % перехода глинистой массы и температура спекания снижается.

5. Органические примеси. Допускается до 3%. Чаще содержаться в коллоидном состоянии, связывают большое количество воды, повышают пластичность глин, а при сушке полуфабриката являются причиной воздушной усадки и образования трещин. Они создают при обжиге восстановительную среду, что позволяет более полно протекать окислительно-восстановительным реакциям. Являются источником газовой фазы, образуют крупные поры.

Грансостав глинистого сырья

Грансоставом глин называют распределение зерен в глинистой породе по их величине, выраженное в процентах по весу.

Квсп

В расплав за время обжига переходят частицы размером менее 10 мкм.

	Тобж, 0

В этом интервале почти

все керамзитовое сырье

размягчается.

	0 20 40 60 80 100 содержание зерен менее 10 мкм

Оптимальное содержание зерен менее 10 мкм для начала вспучивания глинистого сырья должно быть более 15%. Поэтому камнеподобные глины необходимо предварительно размолоть, тем самым коэффициент вспучивания возрастет с 1,7 до 6.

Классификация глин по содержанию тонкодисперсных фракций

1. Высокодисперсные глины >85% частиц < 10 мкм.

2. Дисперсные глины 40…85% частиц < 10 мкм.

3. Грубодисперсные < 40% частиц < 10 мкм.

Чем более дисперсно глинистое сырье, тем оно пластичнее. Исходя из этой классификации, глина будет хорошо вспучиваться, если содержит 85…95% глинистого вещества, считается средневспучивающейся, если глинистого вещества 60…62% и слабовспучивающейся, если его 42…60%.

Корректирующие добавки

Если сырье слабовспучивающиеся с К_всп <2, то рекомендуется вводить корректирующие добавки.

Назначение добавок:

– повышение К_всп;

– снижение температурного интервала вспучивания;

– повышение прочности гранул.

Классификация корректирующих добавок

По виду и действию:

– отощители (кварцевый песок (SiO₂), шлаки, золы);

– выгорающие (древесные опилки, твердое топливо);

– плавни (щелочесодержащие, оксиды железа Fe₂O₃);

– пластифицирующие (ЛСТ, керосин).

По физическому состоянию:

– жидкие (соляровое масло, керосин, мазут, ЛСТ);

– твердые (пиритовые огарки, кварцевый песок)

а) органические суммарное количество до 3% с учетом органических соединений в сырье.

б) неорганические суммарное количество 1…6%.

Кварцевый песок при обычных температурах обжига не взаимодействует с расплавом и тем самым способствует устойчивости изделий при сушке и обжиге. Древесные опилки армируют глиняную массу, улучшают формовочные свойства, повышают трешиностойкость при сушке, а также увеличивают пористость. Пластифицирующие добавки придают малопластичному (тощему) глинистому сырью необходимую формуемость, улучшают сушильные, способствуют повышению прочности гранул.

Лабораторные и заводские испытания глин

Лабораторные испытания включают в себя:

– определение пластичности глинистого сырья (ЧП);

– определение карьерной влажности;

– определение хим. состава;

– определение минерального состава по кривым потери массы;

– определение гран.состава;

– определение температурный интервал вспучивания сырья;

– определение К_всп;

– определение насыпной плотности керамзита.

Если температурный интервал размягчения глин составляет >30⁰С, насыпная плотность керамзита < 950 кг/м³ и температура обжига менее 1250⁰С, то глина используется без корректирующих добавок. В противном случае необходима корректировка шихты и испытания повторяются уже с откорректированной шихтой.

Заводские испытания включают в себя:

– определение способа переработки сырья;

– определение способа формования;

– уточнение параметров обжига с учетом свойств сырья и печей;

– определение режима обжига;

– определение характеристик средней пробы полученного керамзита (опытная партия 1 м³) по ГОСТ 9759-90.

«ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВСПУЧИВАНИЯ»

Механизм процессов вспучивания

В схематическом приближении представим, что нагревается глиняный шарик, который можно уподобить элементарной поре глиняной гранулы. При нагреве до достижения определенной температуры, индивидуальной для каждой глины, глиняная оболочка начнет размягчаться, спекаться, и в итоге уплотняется, становиться непроницаемой для газов и переходит в пиропластическое состояние, т.е. способна к пластическим деформациям без разрыва сплошности. Если в этот период внутри шарика начнут выделяться газы, то не имея выхода через оболочку будут создавать во внутренней полости шарика избыточное давление, под действием которого оболочка, будучи размягченной, начнет рсширяться. Это и будет представлять собой вспучивание элементарной ячейки. Процесс вспучивание состоит из 2 стадий:

1. спекание с образованием закрытой поры;

2. собственно процесс вспучивания под давлением газообразных продуктов, образующихся в закрытой поре.

Первая стадия состоит из 4 этапов

а) б) в) г)

а) открытая пора;

б) по мере повышения температуры материала и появления расплава, заполняющего более мелкие поры, крупные поры изолируются друг от друга, превращаясь в поры произвольной формы;

в) бесформенная закрытая пора под влиянием капиллярных сил, действующих на границе раздела жидкой и газовой фазы, приобретает сферическую форму с R₁.

г) объем пузырька снижается (R₂) до тех пор пока давление газа внутри его не станет равным капиллярному.

Вторая стадия начинается, когда внутри пузырька созданы соответствующие условия для роста элементарных пузырьков. При этом R₃ > R₁ > R₂.

Точной границы между стадиями нет,

поскольку смежные стадии могут существовать

R₃ > R₁ > R₂. одновременно, однако, важно знать основные

факторы, определяющие ход процесса каждой

из них.

Условия необходимые для процесса вспучивания

Основным условием, обеспечивающим вспучивание глинистых пород при их нагревании, является совмещение во времени пиропластического состояния глины с интенсивным газовыделением внутри обжигаемого материала. Важным является то, что каждый из этих факторов отдельности не обеспечивает возникновение процесса вспучивания, необходимо чтобы они действовали одновременно.

Диаграмма газовыделения в сырье

	dU dτ

А – хрупкое состояние

гранулы

Б – пиропластическое

состояние гранулы

t2

t1

В – вязкотекучее

t3

t0

состояние гранулы

t, 0С

А

1,2,3 – глины с различ-

Б

ным температурным

интервалом газовы-

1 η

В деления

Ось – интенсивность газовыделения, ось t – температура нагрева глины, ось – подвижность сырья – величина, обратная вязкости.

В верхней части графика изображены кривые интенсивности газовыделения трех глин. Все они характеризуются одинаковыми изменениями подвижности.

В интервале температур t₀–t₁ подвижность глины 1 ничтожно мала, она является хрупкой пористой системой. Газы, образующиеся в этом интервале, свободно удаляются через поры глиняной гранулы, не создавая избыточного давления. Если в этом же интервале интенсивность газовыделения будет опережать фильтрацию газов через поры гранулы, то возникающее избыточное давление будет просто разрывать гранулу. Таким образом, данная глина вспучиваться не может.

Не произойдет вспучивание и глины 3, т.к. ее максимальное газовыделение смещено в область температур t₂–t₃. В этом интервале температур подвижность глины чрезмерно велика, она становится вязко-текучей системой с ничтожной прочностью стенок пор. Поэтому, газы легко разрывают стенки пор, удаляются не производя работы вспучивания.

Оптимальными условиями газовыделения обладает глина 2. Ее максимум газовыделения приходится на интервал температур t₁–t₂, при котором данная глина находиться в пиропластическом состоянии.

Таким образом, для осуществления процесса вспучивания необходимо, чтобы глина, находясь в пиропластическом состоянии, имела необходимую интенсивность газовыделения.

Источники газовыделения в глинистом сырье

В настоящее время можно считать установленным, что источником газовыделения в глине являются реакции разложения и восстановления оксидов железа при их взаимодействии с органическими примесями или добавками в глине. Источником газовыделения является также химически связанная или конституционная вода, газообразные продукты диссоциации карбонатов.

Свободная и физически связанная вода удаляется при температуре 100…180⁰С, не влияет на вспучивание, однако при быстром нагревании она задерживает развитие ряда окислительно-восстановительных реакций, смещая их в область более высоких температур.

Химически связанная вода частично удаляется при температуре 200…800⁰С, а часть (вода монтмориллонита, гидрослюды, вермикулита) в условиях длительного обжига сохраняется до температуры 900…1150⁰С. При быстром обжиге от 600 до 1150⁰С со скоростью 55…90 град/мин остатки химически связанной воды удаляются из минералов при температуре их вспучивания, тем самым участвуют в порообразовании и процессе вспучивания.

Газообразные продукты диссоциации карбонатов кальция и магния, реже железа и марганца являются источниками начала процесса вспучивания. Карбонат кальция разлагается при температуре 850…950⁰С, карбонат магния – при 500…600⁰С, карбонат железа – при 400…900⁰С. Диссоциация карбонатов зависит от скорости нагрева, от количества и физического состояния минералов. Поэтому, реакции их разложения могут смещаться в область высоких температур. В этом случае продукт диссоциации карбонатов и являются источниками газовыделения. Они также участвуют в процессе порообразования и вспучивания.

Выделение сернистых газов при разложении сульфатов (SO₄) и сульфидов (SO₃) железа и кальция является также источником порообразования и процессов вспучивания. Диссоциация сульфатов (SO₄) происходит при температуре 1204⁰С. в востановительной среде разложение начинается раньше.

Газообразные продукты диссоциации железа отвечают за окислительно-восстановительные реакции, происходящие при обжиге глинистого сырья.

Необходимо отметить, что при обжиге в окислительной среде до температуры 1300⁰С диссоциация оксидов железа не оказывает существенного влияния на процессы вспучивания. При высоких температурах при наличии оксида углерода и водорода создаются благоприятные условия для восстановительных реакций. При определенных условиях и кислород оксидов железа может принимать участие в порообразовании. Это возможно при температуре 1300⁰С и выше без восстановителей (С, СО₂ и Н₂) или при образовании соединений, в которых железо находиться в закисной форме с высвобождением О₂.

При ускоренном обжиге в восстановительной среде при значительноменьших температурах создаются условия восстановления оксидов железа и высвыобождения газообразных продуктов. Восстановление оксидов железа происходит с образованием высокоактивной с малой энергией активизации закиси железа (FeO), которая тут же взаимодействует с другими составляющими глины. При этом образуется оптимальный расплав с необходимой вязкостью в данном интервале температур. Полуфабрикат вспучивается равномерно с образованием ячеистой структуры. При этом газы СО, СО₂ и Н₂О равномерно распределяется в виде пузырьков.

По Онацкому газообразные продукты окислительно-восстановительных реакций являются основными источниками газовой фазы. Немаловажное влияние имеют факторы обуславливающие возникновение пиропластического состояния. В глине оно наступает в результате накопления достаточного количества жидкой фазы силикатного расплава. Интенсивность накопления жидкой фазы возрастает с увеличением содержания в глине щелочей (Na, K). И убывает по мере возрастания в глине свободного кварца (SiO₂).

По мере повышения температуры обжига первые легкоплавкие соединения образуются при температуре 500…600⁰С. Легкоплавкие эвтектики образуют большое количество расплава при температуре 725⁰С. в интервале температур до 800⁰С образуется достаточное количество жидкой фазы для образования пор. В этом интервале температур минералы разлагаются на отдельные оксиды. При температуре выше 1000⁰С количество жидкой фазы увеличивается как за счет растворения кристаллической фазы, так и за счет образования новых сложных эфтектик, температура плавления которых находится в пределах 1000…1200⁰С. В этом интервале температур большое влияние имеет эфтектики с участием закиси железа и оксида кальция. Необходимо, чтобы глиняная масса при этой температуре находилась в пиропластическом состоянии.

«ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТА»

Основные технологические этапы получения керамзита

1. Добыча и доставка сырья.

Добыча осуществляется в открытых карьерах. Предварительно идет вскрыша породы, которая вырабатывается экскаваторами. Доставка на заводы осуществляется автомобильным и ж/д транспортом. Карьеры глин обычно располагаются вблизи заводов.

2. Переработка породы:

– приготовление шихты;

– выбор и приготовление добавок;

– формование гранул.

3. Термическая обработка п/фабрикатов:

сушка → обжиг → охлаждение.

4. Фракционирование, а при необходимости – помол.

В зависимости от структурно-механических свойств сырья, его перерабатывают тремя основными способами: сухим, пластическим и шликерным.

Сухой способ производства керамзита (12% керамзита)

Сырье: камнеподобного вида – сланцы, аргиллиты, шунгизиты. Оно характеризуется своей однородностью и высоким К_всп.

Требование к сырью:

– высокий коэффициент вспучивания (К_всп>4,5);

– однородность;

– мелочи в сырье должно быть не более 15%;

– не должно быть лещадных зерен и инородных включений (CaO, MgO).

Гранулы подсушивают при карьерной влажности глины более 8%, в связи с чем сушильный барабан размещают с возможностью его обхода.

Технологическая схема

Карьер

↓

автосамосвал

↓

Открытый (закрытый) склад сырья

↓

пластинчатый конвейер

↓

приемный бункер

↓

ящичный питатель

↓

валково-зубчатая дробилка

↓

сушильный барабан (ω>8%)

фр.> 20 мм ↓

грохот

↓

валково-зубчатая дробилка

↓

грохот

↓ ↓ ↓

фр. 10-15 мм фр.5-10 мм фр.< 5 мм

↓ ↓ ↓

бункер бункер для обжига на песок

↓ ↓

тарельчатый питатель тарельчатый питатель

↓ ↓

вращающаяся печь вращающаяся печь

↓ ↓

холодильник холодильник

↓ ↓

элеватор элеватор

↓ ↓

(дробление) (дробление)

↓ ↓

грохот грохот

↓ ↓

ленточный транспортер ленточный транспортер

↓

склад готовой продукции

Особенности сухого способа производства керамзита

1. Гранулы не формуются, п/фабрикат получают дроблением исходной породы.

2. Включения известняка невозможно удалить из сырья.

3. Не возможно введение добавок повышающих вспучиваемость сырья.

4. Совместный помол мелкой и крупной фракции может привести к свариванию обжигаемых гранул в конгломерат.

5. Наиболее экономичен по капиталовложениям и эксплуатационным затратам по сравнению с другими способами производства керамзита.

Однако, возможность применения данного способа затруднено из-за редко встречающихся месторождений в России камнеподобных глин.

Пластический способ производства керамзита (90%)

Сырье: глины и суглинки с рыхлой и плотной структурой, намокающих в воде, когда их карьерная влажность равна или ниже нормальной формовочной влажности.

Требования к сырью:

1. содержание камнеподобных включений не должно превышать 10%;

2. включения известняка должны быть не более 1 мм.

Технологическая схема

Открытый (закрытый) склад глины

↓

пластинчатый транспортер

↓

глинорыхлительная машина

↓

Твердые добавки

ящичный питатель

↓

дезинтеграторные вальцы (валковозубчатая дробилка)

↓

Пар

Жидкие и органические добавки

глиномешалка (перемешивание и увлажнение)

↓

дырчатые вальцы (переработка шихты)

↓

Опудривающий порошок (каолин, глинозем Al2O3, тугоплавкие глины)

ленточный пресс или формующие вальцы (формование)

↓

вращающийся барабан (окатка и опудривание гранул)

↓

сушильный барабан до ω=14%