Виды производства керамзита

Сущность процесса изготовления керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по заданному режиму. Для вспучивания глиняного комочка нужно, 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 маленьких 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 раньше, реакции восстановления окислов железа развиваются 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 производстве керамзита нужен быстрый подъем температуры, так как при медленном обжиге большая часть газов выходит из глины до ее размягчения и в итоге получаются плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро разгореть материал до температуры вспучивания, ее для начала 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).

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. поэтому сырцовые гранулы, подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении, медленно передвигаются к другому концу барабана, где установлена форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы двигаются навстречу потоку разогретых газов, подогреваются и, в итоге, попав в зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Обычное время пребывания гранул в печи — примерно 45 мин.

Чтобы получить нужный режим термообработки, место вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке, изредка отделяют от другой 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 удается создать нужный для каждого вида материала режим термообработки. Промыш­ленный опыт показал, что при этом повышается качество керамзита, значительно увеличивается его выход, а так­же уменьшается 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 иностранного опыта известно, что для получения заполнителей типа керамзита из сырья (промышленных отходов), отличающегося особой чувствительностью к режиму обжига, применяют 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 изготовлении керамзита обусловлено вызванными при обжиге химическими реакциями. В восстановительной среде окись железа Fe2O3 преобразуется в закись FeO, что является не только одним из фактором газообразования, но и важнейшим фактором перехода глины в пиропластическое состояние. Внутри гранул восстановительная среда обеспечивается за счет 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, не предпочтительна, хотя есть и другая точка зрения, согласно которой целесо­образно получать 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 изготовления керамзита нужно стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося глинистого сырья для получения высокопрочного заполнителя имеется достаточно, а хорошо вспучивающегося не достаточно. В этом случае 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 произойти оплавление поверхности гранул, поэтому газовая среда в этом месте должна быть слабоокислительной. При этом во вспучивающихся гранулах поддерживается вос­становительная среда, дающая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхность гранул не оплавляется.

Тип 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).

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

Сухой способ применяют при наличии камнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые сланцы). Он наиболее прост: сырье раздрабливается и направляется во вращающуюся печь. Предварительно не­обходимо отсеять мелочь и крупные куски, отправив последние на дополнительное дробление. Этот метод оправдывает себя, если исходная порода однородна, не содержит посторонних включений и характеризуется достаточ­но большим коэффициентом вспучивания.

Наибольшее распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому способу обрабатывается во влажном 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 даль­нейшей транспортировке или при специальной обработке окатываются, округляются.

Качество сырцовых гранул во многом показывает ка­чество готового керамзита. Поэтому нужна тщательная переработка глинистого сырья и получение плотных гранул одного и того же размера. Размер гранул устанавливается 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, сначала подсушиваться в сушильных барабанах, в других теплообменных устройствах с использованием жара отходящих дымовых газов вращающейся печи. При направлении в печь подсушенных гранул ее производительность может быть повышена.

Поэтому, производство керамзита по пластическому способу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует больших капиталовложений, но, в этом случае, 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 изготавливают пластичную глиномассу, из которой формуют гранулы, как описано выше. Необходимость помола связана с затрата­ми. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. Иногда этот способ подготовки сырья подходит: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном виде его легче транспортировать и гомогенизировать; если требуется подмешивать добавки, то при помоле их намного проще равномерно распределить; если в сырье есть инородные включения зерен известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная обработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход продукции и его более высокое качество окупают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) метод заключается в растворении глины в воде в специальных больших емкостях — глиноболтушках. Влажность получаемой пульпы (шлике­ра, шлама) примерно 50%. Пульпа насосами перекачивается в шламбассейны и оттуда — во вращающиеся печи. В этом случае в части вращающейся печи устраивается завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими из печи газами и частично высушивают пульпу, затем разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа — увеличенный расход топлива, связанный с 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 повышенной 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 остудить. Выяснено, 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 очень 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 уменьшением прочности.

Сразу после вспучивания желательно быстрое охлаж­дение керамзита до температуры 800—900 °С для закрепления структуры и предотвращения окисления закисного железа. Затем 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. Далее возможно относительное быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

Первый этап охлаждения керамзита осуществляется еще в пределах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. После этого полученный продукт 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), редко 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 поступает 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.

Керамзит - производство

Суть технологического процесса производства керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по заданному режиму. Для вспучивания глиняной гранулы требуется, чтобы активное газовыделение совпало по времени с переходом глины в пиропластическое состояние. Но в обычных условиях газообразование при обжиге глин получается в основном при более маленьких температурах, чем их пиропластическое размягчение. К примеру, температура диссоциации карбоната магния — до 600°С, карбоната кальция — до 950 °С, дегидратация глинистых минералов происходит в основном 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, выше 1100 °С.

Поэтому при обжиге сырцовых гранул в производстве керамзита требуется активный подъем температуры, так как при медленном обжиге большая часть газов выделяется из глины до ее размягчения и в итоге получаются плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро разгореть материал до нужной температуры, ее сначала требуется подготовить, т. е. высушить и разгореть. 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).

Оптимальным считается ступенчатый режим термообработки по С. П. Онацкому: с медленным нагревом сырцо­вых гранул до 200—600 °С (в зависимости от особенностей сырья) и последующим стремительным 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, закладываемые в верхний конец печи, при ее вращении, постепенно передвигаются к противоположному концу барабана, где стоит форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. В этом случае, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы двигаются навстречу потоку горячих газов, подогреваются и, в итоге, попав в зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Обычное время пребывания гранул в печи — примерно 45 мин.

Чтобы обеспечить нужный режим термообработки, место вспучивания печи, напрямую примыкающую к форсунке, изредка отделяют от остальной 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 оптимальный для каждого вида исходного материала режим термообработки. Промыш­ленный опыт показал, что при этом улучшается 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.

Из иностранного 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 наилучшие скорость и длительность нагрева на каждом этапе термообработки, но и различная газовая среда.

Значение характера газовой среды в производстве керамзита обусловлено происходящими при термической обработке химическими реакциями. В восстановительной среде окись железа Fe2O3 переходит в закись FeO, что является не только одним из фактором 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 раньше времени выгореть. Для этого окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, в основном, нежелательна, хотя имеется и другая точка зрения, согласно которой целесо­образно получать 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 экспертов, при изготовления керамзита следует стремиться к повышению коэффициента вспучивания исходного материала, так как невспучивающегося или маловспучивающегося исходного материала для получения высокопрочного заполнителя имеется достаточно, а хорошо вспучивающегося не хватает. В этом случае наличие плотной корочки значительной толщины на керамзитовом гравии показывает 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 поддерживается вос­становительная среда, обеспечивающая 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).

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

Сухой способ применяют при наличии камнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые сланцы). Он наиболее прост: сырье раздрабливается и направляется во вращающуюся печь. Сначала не­обходимо отделить мелочь и слишком крупные куски, отправив их на дополнительное дробление. Этот метод оправдывает себя, если исходный материал однороден, не содержит посторонних включений и характеризуется достаточ­но высоким коэффициентом вспучивания.

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

Качество сырцовых гранул во многом показывает ка­чество получаемого керамзита. Поэтому целесообразна тщательная переработка глинистого сырья и получение 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 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 больших капиталовложений, но, в этом случае, переработка глинистого сырья с разрушением его природной структуры, усреднение, гомогенизация, а так­же возможность улучшения его добавками позволяют повысить 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. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. Иногда этот способ подготовки сырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном состоянии его легче перемешать и гомогенизировать; если требуется вводить добавки, то при помоле их легче 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 продукции и его более высокое качество оправдывают 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 перекачивается в шламбассейны и оттуда — во вращающиеся печи. В этом случае в части вращающейся печи устраивается завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются выходящими из печи газами и частично высушивают пульпу, после этого разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого метода — увеличенный расход топлива, связанный с большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются получение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота введения и тщательного распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка. Такой способ рекомендуется при повышенной карьерной влажности глины, когда она выше формовочной (при пластическом формовании гранул). Он может быть использован также в сочетании с гидромеханизированной добычей глины и подачей ее на завод в виде пульпы по трубам вместо применяемой сейчас разработки экскаваторами с перевозкой автотранспортом.

Продукт, получаемый по любому из описанных выше способов, после обжига необходимо остудить. Выяснено, что от скорости охлаждения зависят прочностные свойства керамзита. При слишком скором 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 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 желательно 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 формирования в ней кристаллических минералов, увеличивающих прочность керамзита. После этого желательно сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

Первый этап охлаждения керамзита осуществляется еще в пределах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. После этого полученный продукт охлаждается воздухом в барабанных, слоевых холодильниках, аэрожелобах.

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

Внутризаводской транспорт керамзита — конвейерный (ленточные транспортеры), редко 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 поступает 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.