книги из ГПНТБ / Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики учебник

кремневыми. Крупные каменистые включения задержи­ ваются выпускной решеткой глиноболтушки, остаются в ней и периодически удаляются. Мелкие включения раз­ мером 0,5—10 мм необходимо отделять на дуговом си­ те, на которое шликер подается под давлением 0,2—• 0,3 МПа. Приготовленный шликер должен иметь теку­ честь 10 сек и растекаемость 65—75 мм; ее определяют на приборе МХТИ-2 [40].

Для понижения влажности шликера в него вводят электролиты. Запас шликера хранят в специальных ем­ костях— шлам-бассейнах. Они бывают вертикальные диаметром 8 м, вместимостью 1000 м3 с пневматическим перемешиванием, а также горизонтальные круглые диа­ метром 35 м, вместимостью 6000 м3 с крановыми мешал­ ками и пневматическим перемешиванием.

Шликерный способ обладает серьезными достоинст­ вами: он является наиболее универсальным и позволяет использовать глины с более широким диапазоном свой­ ств. Значительно упрощается при этом способе решение задачи очистки глины от каменистых и карбонатных включений. Глину можно размораживать в глиноболтушках. Поэтому отпадает необходимость утеплять за­ пас глины для работы в зимнее время. Керамзит полу­ чается более легким и более мелким, чем при пластиче­ ском способе.

К недостаткам этого способа следует отнести повы­ шенный расход топлива и снижение производительности печи примерно на 25—30% в связи с необходимостью испарять большое количество влаги.

Промежуточным между пластическим и шликерным способом производства является бесформовочный способ, при котором в печь

на бегунах или гладких вальцах. Такая масса гранулируется в зоне подсушки печи под воздействием цепных завес. Этот способ получил распространение в странах Западной Европы.

Обжиг керамзитового гравия осуществляют во вра­ щающихся однобарабанных и двухбарабанных печах.

Наибольшее распространение для обжига керамзито­ вого гравия получили однобарабанные печи двух типо­ размеров 40X2,5 и 22X2,3 м. В единичных экземплярах работают печи других типоразмеров, максимальная дли­ на которых достигает 60 м. С увеличением длины печи расход топлива снижается. Однако объемная масса ке­ рамзита при этом возрастает.

101

Процессы, происходящие в 40-м вращающейся печи при обжиге неподсушенных глиняных гранул, представ­ лены на совмещенной диаграмме (рис. 37). На этой ди­ аграмме можно выделить четыре технологические зоны: сушки, подогрева, вспучивания и отвердевания. Кривая 1 указывает, что основное количество свободной влаги

Отборник

ПппУХ tXXM/H’

Рис. 37. Совмещенная диаграмма процессов, происходящих во вра­ щающейся печи при обжиге керамзита

/ — свободная влага w\ 2 — температура материала; 3 —потери при прокалива­ нии (п. п. п.); 4 — объемная масса гранулы-. 5 — температура газовой среды печи

удаляется на длине 11 м при температуре материала до 100° С (кривая 2). Потерь при прокаливании (кривая 3) в этой зоне не происходит, а объемная масса материала (кривая 4) уменьшается медленно, исключительно за счет подсушки гранул. Температура газов этой зоны до­ вольно высока — 700—850° С, однако из-за того, что гра­ нулы поступают в печь сырыми, их температура повыша­ ется довольно медленно. Коэффициент теплообмена в этой зоне составляет 145—232 Вт/(м2-град).

Зона подогрева занимает в данном случае 15 м. В ней удаляются остатки гигроскопической (связанной) вла­ ги, полностью удаляются летучие вещества (заканчива­ ются потери при прокаливании), материал подогревает­ ся со 100 до 875° С при температуре в печи 850—1100° С. Объемная масса гранул продолжает монотонно умень-

102

Шаться за счет удаления остатков гигроскопической и гидратной влаги и некоторого количества летучих ве­ ществ. Коэффициент теплообмена в этой зоне равен

105—128 Вт/(м2-град).

В зоне вспучивания па коротком участке длиной 8м почти скачкообразно понижается объемная масса гранул с повышением температуры материала до 1125° С. Затем в этой же зоне на последнем ее участке длиной 4 м тем­ пература газов и материала продолжает оставаться ста­ бильной, а объемная масса гранул продолжает несколь­ ко уменьшаться, поскольку материал их в этой зоне на­ ходится в пиропластическом состоянии.

Зона отвердевания очень короткая — всего 2 м. В ней температура материала понижается от конечной 1125 до 1025° С и соответственно уменьшается темпера­ тура газов. Иногда в этой зоне температура газов сни­ жается более интенсивно, чем температура материала.

Режим термоподготовки оказывает существенное влияние на качество керамзита. Он должен исключить взрывание гранул и потерю ими вспучиваемости вслед­ ствие преждевременного удаления органических ве­ ществ.

в зоне термоподготовки является ускоренное испарение остатка свободной и физически связанной влаги, а в зо­ не вспучивания — химически связанной влаги.

Для таких глин нагрев в интервале температур 400— 700° С должен вестись плавно в течение примерно 15 мин. Гранулы из глин типа легких суглинков не взрываются при резком повышении температуры. Термоподготовка их может заканчиваться при температуре 200—300° С. Легкий керамзит из такого сырья можно получить лишь при больших скоростях обжига. Вообще кривые зависи­ мости объемной массы керамзита и его прочности от темпа нагрева гранул имеют экстремальный характер, что указывает на наличие оптимальной скорости нагре­ ва для каждой глины.

Результаты вспучивания обжигаемых гранул в про­ изводственной печи сильно зависят еще от химического характера газовой печной среды. Восстановительная среда обеспечивает наиболее высокий коэффициент вспу­ чивания, но чревата опасностью сваривания гранул

103

в конгломерат. Сильно окислительная среда снижает вспучиваемость и повышает расход топлива. Наиболее целесообразна слабовосстановительная среда с содер­ жанием кислорода в печных газах не выше 9%.

Для многих глин представляется необходимым за­ медлить повышение температуры в зоне подогрева и поднимать ее в этой зоне лишь до 400—600° С с тем, что­ бы сохранить в материале полностью его газотворную способность для зоны вспучивания.

В этом случае кривая температуры материала при­ мет четко выраженный ступенчатый характер. Поэтому обжиг по кривой — с медленным повышением темпера­ туры в зоне подогрева и быстрым в зоне вспучивания — называют иногда ступенчатым (или двухстадийным) об­ жигом.

Для осуществления такого режима нужно распола­ гать возможностью регулирования параметров процесса по длине печи. В известных пределах в однобарабанных печах режим можно регулировать изменением длины фа­ кела за счет конструкций горелок, изменением интенсив­ ности загрузки материала в печь, устройством в футе­ ровке подпорных колец, оборудованием «холодного» конца печи теплообменными устройствами, применени­ ем ребристой футеровки в «холодном» конце печи и ус­ тановкой V-образного теплообменника на загрузочном конце печи. При установке теплообменника совместно с перевальным порогом производительность печи возра­ стает почти на 70%, а расход топлива снижается на 20%.

Рассмотренные мероприятия дают возможность регу­ лировать режим обжига в весьма ограниченных преде­

привод, благодаря чему создается возможность регулировать ско­ рость продвижения материала в каждом барабане. Увеличенный диаметр барабана вспучивания дает также возможность повысить в нем тепловую мощность1 и тем самым придать кривой нагрева более четкий ступенчатый характер.

С увеличением длины однобарабанных печей возрастает объем­ ная масса керамзита, в то время как длинные двухбарабанные

1 Вспомним, что тепловая мощность вращающейся печи пропор циональна кубу ее диаметра.

104

Охлаждение керамзита. Во время охлаждения обож­ женного керамзита происходят отвердевание стекловид­ ной фазы и кристаллизация новообразований из сили­ катного расплава. Отвердевшие керамзитовые гранулы содержат стекловидную и кристаллические фазы, состо­ ящие из остаточных нерасплавившихся зерен кварца и полевого шпата, а также кристобалита, появление ко­ торого зависит от режима охлаждения, и иногда мулли­ та [42]. Внедрение в стеклофазу крупных кристалличе­ ских зерен повышает концентрацию напряжений вокруг них и осабляет структуру гранулы. Поэтому кварцевые

включения в глинистом сырье для производства керам­ зита должны быть величиной 10—100 мк и не крупнее

250 мк. Во вспученных керамзитовых гранулах из-за малой их теплопроводности возникает значительный температурный перепад, наличие которого влечет за со­ бой появление термических напряжений. Превышение их критического предела ведет к появлению микротрещин в перегородках между порами и как следствие к пони­ жению прочности керамзита. Отсюда становится очевид­ ным, что режим охлаждения керамзита должен влиять на степень его закристаллизованное™ и па величину возникающих в гранулах термических напряжений и в конечном счете на его прочность.

Многочисленными исследованиями установлено, что быстрое охлаждение керамзита в воде снижает его проч­ ность почти в 2 раза. В отношении оптимального режима воздушного охлаждения результаты многочисленных ис­ следований пока противоречивы.

Некоторыми авторами отмечен экстремальный ха­ рактер зависимости прочности керамзита от длительно­ сти его охлаждения (рис. 38). Снижение прочности ке­ рамзита, отмеченное на правой ветви кривых, объясня­

процесса вспучивания, приводит к образованию крупных сообщающихся пор, понижающих прочность гранул. Другое объяснение указанного падения прочности ке­ рамзита состоит в том, что при медленном его охлажде­ нии в интервале температур 1180—800°С закисное же­ лезо оболочки переходит в окисное. Этот переход сопро­ вождается разрыхлением оболочки и падением ее прочности. Окисление двухвалентного железа с перехо­ дом его в окисное приводит к расстекловыванию желе­

106

зисто-силикатного стекла, что ослабляет связи и пони­ жает прочность керамзита. Исходя из этого рекоменду­ ется ступенчатый режим охлаждения, при котором от конечной температуры обжига до 800—850° С керамзит нужно охлаждать быстро, в интервале 850—400° С — охлаждать медленно для локализации напряжений от модификациониых превращений кварца, а затем опять охлаждать быстро.

Рис. 38. Влияние длительно­ сти охлаждения на проч­ ность керамзитового гравия из лосиноостровского су­ глинка с добавками

I — карандашных опилок 15% и пиритных огарков 3%; 2 — с. с. б.

1,5% (40%-ный раствор)

Длительность охлажденияв мин

Наоборот, учитывая, что длительное пребывание ке­ рамзита в области высоких температур при его охлаж­ дении увеличивает степень ее закристаллизованное™, рекомендуется предусматривать изотермическую вы­ держку при температурах кристаллизации расплава 700—800°С. При этом с введением добавок, катализующих процесс кристаллизации (пирит и рутил), проч­ ность керамзита возрастает в 1,5—2 раза.

В некоторых работах отмечается, что охлаждать ке­ рамзит до температуры 700° С можно с любой скоро­ стью, а дальнейшее охлаждение до температуры 50—■ 70° С — со скоростью не выше 20° С в 1 мин [42].

Расчетно-экспериментальный метод определения оптимального режима охлаждения керамзита, построенный с использованием за­ кономерностей теории термоупругости и теории теплопроводности, состоит в следующем. Экспериментально определяют коэффициент температуропроводности а * керамзитового гравия по методике,

предложенной Будриным и др., и коэффициент термостойкости R [20]. За коэффициент термостойкости в данном случае принимают ту начальную температуру охлаждаемого в воде керамзита, при ко­ торой он не меняет свою прочность по отношению к прочности ке­ рамзита, прошедшего длительное охлаждение в закрытой изолиро­ ванной емкости. Его определяют следующим образом. Из вращаю­ щейся печи гранулы отбирают в две изолированные емкости и ох­ лаждают 2—3 ч. Охлажденный керамзит первой емкости испытыва-

* По Д. В. Будрину а = 0,0018ч-0,0021 м2/ч.

107

ют на сопротивление сжатию, определяя его контрольную величину Я„. Охлажденные гранулы из второй емкости сортируют по разме­ рам, нагревают в муфельной печи до 100, 150, 200 и 300° С, выдер­ живая их в печи при соответствующей температуре 20—30 мин. За­ тем мгновенно перемещают гранулы в сосуд с холодной водой.

*0

I

После этого определяют прочность гранул, охлажденных водой (Яи),

Яв

и вычисляют отношение —- для каждой партии гранул, охлаж-

Як

денных от заданной начальной температуры (100, 150, 200° С и т. д.).

Яв

Температура, при которой —— = 1 принимают за коэффициент тер-

_ Як

мостойкости Я, характеризующий предельно допустимый перепад

температур. Зная Я, °С, вычисляют температурный критерий 0 по формуле

108

По величине температурного критерия 0 и графику рис. 39 на­ ходят величину критерия интенсивности теплообмена Bi, а по гра­ фику Гребера (рис. 40) [43] — величину критерия Fo:

откуда вычисляют минимальную безопасную длительность охлаж­ дения т.

Повышение прочности керамзита, охлажденного по ступенчатому режиму, указывает на целесообразность применения холодильников с регулируемым режимом охлаждения. В действительности же керамзит пока ох­ лаждают в холодильниках с нерегулируемым режимом.

Наибольшее распространение для охлаждения ке­ рамзита получили барабанные холодильники, основным достоинством которых является надежность в работе. Они представляют собой полые цилиндры диаметром 1,5—2,5 м и длиной 8—22 м, устанавливают их с укло­ ном 3—4% и частотой вращения 1,5—2,5 мин. Со сто­ роны горячего конца, примерно на 7з длины, их футеруют шамотным кирпичом. Для замедления темпа охлажде­ ния керамзита в области температур его кристаллиза­ ции рекомендуют этот участок футеровать огнеупорным легковесом, а остальную часть барабана оборудуют пе­ ресыпными устройствами. Общую длительность охлаж­ дения в барабанном холодильнике можно регулировать изменением числа оборотов, угла наклона и расхода воздуха, а также установкой подпорных колец. Воз­ можность осуществления ступенчатой кривой охлажде­ ния в нем крайне ограничена.

Присущие барабанным холодильникам низкие интен­ сивности теплообмена и как следствие высокая темпе­ ратура выгружаемого керамзита (150—250° С) н гро­ моздкость установки вызывают необходимость заменить их более компактными холодильниками, к числу которых относится самотечный слоевой колосниковый холодиль­ ник НИИКерамзита (рис. 41). Он состоит из двух ступе­ ней наклонных решеток, заключенных в футерованный изнутри металлический корпус. Холодный воздух посту­ пает под нижние решетки, затем пронизывает слой ке­ рамзита, находящегося на верхних решетках, и удаляет­

109