книги / Производство керамзита

4.3. Особенности производства особо легкого и высокопрочного керамзита

Расширение номенклатуры изделий и конструкций из керамзитобетона и успешное применение керамзитового гравия в различных других областях техники вызвало потребность в производстве заполнителя с заданными строительно-техническими свойствами: плотностью, проч­ ностью, размером зерен и коэффициентом их формы.

Традиционный легкий керамзит применяют для при­ готовления конструкционно-теплоизоляционного керам­ зитобетона классов В 3,5—В 5, используемого в произ­ водстве стеновых ограждающих конструкций, и конст­ рукционного керамзитобетона классов В 7,5—В 20, ис­ пользуемого в несущих конструкциях. Кроме того, все более растет потребность в керамзите для производства теплоизоляционных конструкций и засыпок, где решаю­ щее значение имеет малая плотность заполнителя, а так­ же высокоэффективных, высокопрочных, тонкостенных,

напряженно-армированных конструкций, с применением керамзитобетона классов В 25—В 40 и выше, где ре­ шающее значение имеет высокая прочность, размер и ко­ эффициент формы зерен керамзита.

Опыт показал, что для теплоизоляционных конструк­ ций и засыпок наиболее эффективен особо легкий ке­ рамзит с насыпной плотностью в пределах 150— 250 кг/м3, а для напряженно-армированных конструкций сравнительно тяжелый, но прочный керамзитовый гра­ вий с насыпной плотностью 600—900 кг/м3, прочностью 5— 10 МПа и выше.

Получение керамзита с насыпной плотностью 200—250 кг/м3 из природного сырья без при­ менения специальных технологических приемов воз­ можно лишь из редко распространенных высоковспучивающихся глин типа парсуковской и смышляевской. С другой стороны, безуспешными оказались попытки по­ лучить особо легкий керамзит из слабовспучивающегося сырья.

Особо легкий керамзит с насыпной плотностью 200— 250 кг/м3 может быть получен только на базе хорошовспучивающегося и в ряде случаев средневспучивающегося сырья, как правило, с применением специальных добавок и технологических приемов.

НИИкерамзитом, разработавшим технологию произ­ водства особого легкого керамзита из хорошо вспучи­ вающегося сырья с насыпной плотностью 150—200 кг/м3, рекомендована следующая технологическая схема. До­ бытую на карьере глину перерабатывают с помощью обычного оборудования (камневыделительные вальцы, глиномешалка, перерабатывающие дырчатые вальцы) и на кирпичеделательном прессе формуют цилиндрики, на­ правляемые затем в специальный барабан для окатки и опудривания порошком (огнеупорная глина, каолин, тон­ комолотый кварцевый песок и т. д.). Этот же барабан может быть использован для одновременной подсушки материала. Дозируемый из расходного бункера во вра­ щающуюся печь окатанный и опудренный материал об­ жигают при несколько повышенных температурах. Тон­ кий слой огнеупорного порошка предотвращает слипание зерен в конгломераты. После охлаждения керамзит сор­ тируют и складируют. При необходимости для повыше­ ния вспучиваемости исходного сырья применяют желези­ стые и органические добавки.

Действующие керамзитовые предприятия, за редким исключением, еще не выпускают керамзит, отвечающий требованиям, предъявляемым к пористым заполнителям для изготовления высокопрочных напряженно-армиро­ ванных конструкций.

Для получения эффективного легкого керамзита в сырье вводят добавки, повышающие вспучиваемость глин и уменьшающие насыпную плотность, что сопровождает­ ся одновременно значительным снижением прочности продукта и делает его непригодным для приготовления высокопрочного керамзитобетона.

Наши исследования, выполненные во ВНИИстроме, свидетельствуют о многообразии причин, влияющих на прочность керамзитового гравия, и необходимости учета при переводе заводов на производство высокопрочного керамзита всей совокупности физико-химических, техно­ логических и экономических факторов.

Мы установили, что основные строительно-техниче­ ские показатели керамзита (прочность, плотность и др.) определяются и решающим образом зависят от характе­ ра, структуры и строения керамзита. При этом проч­ ность керамзита тем выше, чем меньше общая порис­ тость и размер зерен заполнителя, толще и прочнее их наружная оболочка и материал стенок между пора­ ми, мельче и равномернее распределены поры в стекло­ массе, больше закрытых округлой формы пор, меньше пористость стенок пор и наружной оболочки. Практиче­ ское значение указанных общих закономерностей состо­ ит в том, что они позволяют наметить технологические основы получения высокопрочного керамзита.

Очевидно, что структура керамзита и фазовый сос­ тав стекломассы обусловлены свойствами исходного гли­ нистого сырья, методами его переработки и изготовле­ ния гранулированного полуфабриката, а также условия­ ми обжига и охлаждения, обеспечивающими надлежа­ щий ход и завершение физико-химических процессов об­ разования высокопрочного заполнителя.

Установлено, что строительно-технические свойства керамзита, в том числе прочность, в значительной степе­ ни обусловливаются свойствами исходного сырья, преж­ де всего химическим, минералогическим и грануломет­ рическим составами.

В настоящее время начаты исследования, результаты которых позволят с достоверностью оценить и выбирать

глинистое сырье для производства высокопрочного ке­ рамзита. Можно сделать предварительный вывод, что лучшим глинистым сырьем для этих целей служат тонко­ дисперсные средне- и слабовспучивающиеся железистые глины, содержащие 50—70 % тонкодисперсного, особен­ но аморфного, кремнезема, 5— 10 % оксидов железа, 15— 25 % глинозема, 2—4 % оксида кальция, 2—6 % оксида магния, 2—5 % щелочей и ограниченное количество (0,4—0,8% ) органических примесей.

Особые ограничения предъявляются и к грануломет­ рическому составу. Сырье, содержащее свыше 30—40 % свободного кварца и других балластных минералов с размером зерен более 10 мк, снижает прочность керам­ зита и непригодно для производства высокопрочного керамзитобетона.

Из-за отсутствия достоверных критериев пригодность того или иного вида сырья для производства высоко­ прочного керамзита следует устанавливать только по данным специальных испытаний в лабораторных и полузаводских условиях.

Направление, особенно глубина протекающих физи­ ко-химических процессов образования керамзита, и ха­ рактер образующейся структуры материала в значитель­ ной мере предопределяются степенью переработки и го­ могенизации глинистого сырья. Известно, что за редким исключением природное глинистое сырье неоднородно как по составу, так и по структуре. Его химические и ми­ нералогические составляющие распределены неравно­ мерно. При этом многие из них, например железистые, карбонатные и органические, часто находятся не в об­ щей массе, а располагаются на поверхности и по трещи­ нам структурных элементов или образуют гнезда скоп­ лений. Структура глинистых пород также разнообразна как по характеру, так и по плотности.

В производстве высокопрочного керамзита требуется особенно тщательная переработка и гомогенизация гли­ нистого сырья с разрушением природной структуры и достижением равномерного и тонкого распределения по всей массе всех химических, минералогических и грану­ лометрических составляющих.

Чем тШ,атеЛьнее переработано и гомогенизировано ис­ ходное сырье, тоньше и равномернее распределены его составляющие, тем более благоприятными будут условия для образован*1*1 однородного расплава, равномерного

распределения пор в стекломассе, больше будет мелких, округлой формы, закрытых пор, интенсивнее кристалли­ зация массы при изотермической выдержке в процессе охлаждения, тем однороднее структура зерен керамзита и выше их прочность.

Если в производстве легкого керамзита, где по стан­ дарту требуется сравнительно небольшая прочность, до­ пускалось упрощение технологической операции по пе­ реработке и гомогенизации сырья, то при получении вы­ сокопрочного керамзита тщательная переработка и тон­

СМ-150А, вальцы тонкого помола с расстоянием между валками не больше 1 мм, что достигается заменой обыч­ ной обечайки износостойкой, бегуны мокрого помола или дырчатые перерабатывающие вальцы и глиномешалки с пароувлажнением. В ряде случаев весьма полезно перед переработкой подвергнуть глинистое сырье вылежива­ нию или попеременному замораживанию и оттаиванию.

В соответствии с требованиями для производства вы­ сокопрочных керамзитобетонных конструкций предель­ ный диаметр зерен керамзитового гравия не должен пре­ вышать 12— 15 мм. Это означает, что с учетом относи­ тельно слабого вспучивания исходной массы для высо­

12 мм. Не менее важное требование предъявляется и к форме зерен керамзита. Желательно, чтобы коэффици­ ент формы керамзитового гравия приближался к едини­ це и составлял не более 1,2— 1,3. Д ля обеспечения не­ обходимых размеров и округлой формы сырца исполь­ зуют грануляцию глинистой массы на кирпичеделательных прессах с перфорированными цилиндрами и голов­ кой с последующей окаткой цилиндриков в процессе сушки сырца или без таковой в специальных барабанахгрануляторах, а также грануляцию сырца на тарельча­ тых грануляторах. С помощью последнего механизма удается получать заданные размеры 5— 12 мм и форму гранулы. Следует, однако, отметить, что использование этого способа требует хотя и частичной, но сухой пере­ работки сырья для получения исходного порошка для грануляции.

Поступающий на тепловую обработку и обжиг грану­ лированный материал, приготовленный из хорошо пере­

работанного гомогенизированного сырья, во избежание образования трещин и разрушения следует подвергать относительно более мягкой и замедленной тепловой об­ работке (сушке, нагреву). Поэтому обжиг керамзита це­ лесообразно проводить в двухбарабанных печах, позво­ ляющих регулировать как предварительную тепловую подготовку материала перед обжигом, так и сам обжиг со вспучиванием. Менее эффективно эти процессы осу­ ществляются в сушильных барабанах и однобарабанных печах или только в длинных однобарабанных вращаю­ щихся печах.

Существенное различие процессов предварительной тепловой подготовки материала перед вспучиванием при получении легкого и высокопрочного керамзита состоит в том, что в первом случае для максимального его вспу­ чивания на кривой обжига создают по возможности рез­ кий технологический перепад между температурой в зоне нагрева и вспучивания тогда, как во втором темпера­ турный переход более плавный. Объясняется это тем, что при получении высокопрочного керамзита материал вспучивается незначительно, поэтому этот процесс име­ ет подчиненное значение. Главное же усилие направля­ ется на создание условий для образования однородного расплава заданного состава и формирования равномер­ но-пористой структуры материала с мелкими и мель­ чайшими закрытыми порами.

Быстрое нагревание перед вспучиванием и кратко­ временный обжиг материала при повышенной темпера­ туре, как это практикуется в производстве керамзита легких марок, вызывают растрескивание гранул в зонах сушки и подогрева, а в зоне вспучивания — быстротеч­ ный процесс порообразования еще не однородного по со­ ставу и реологическим характеристикам расплава. Это обусловливает образование неравномерно пористой структуры с различной величиной взаимно сообщающих­ ся пор, окаймленных поризованными стенками различ­ ной толщины. В этих условиях поризованной оказывает­ ся и наружная оболочка зерен керамзита. Развитие про­ цесса в таком направлении, хотя и сопровождается ин­ тенсивным вспучиванием, но приводит к большой потере относительной прочности.

Для увеличения прочности керамзита необходимы как меньшая общая пористость материала, так и усло­ вия для спокойной поризации, когда образование равно­

мерно пористой структуры не нарушается местными «вспышками», вызванными неравномерным газообразо­ ванием в неоднородной по составу и реологическим свой­ ствам среде (пиропластической массе).

В настоящее время при получении легких марок ке­ рамзита во вращающихся печах время пребывания ма­ териала в зонах сушки и нагрева составляет около 20— 30 мин, а в зоне вспучивания около 10— 15 мин. При получении же высокопрочного керамзита время предва­ рительной тепловой подготовки (сушка и нагрев) увели­ чивается до 30—50 мин, а обжиг со вспучиванием до 15—30 мин, или примерно в 1,5—2 раза. Не исключена при этом возможность рационального перераспределения основных технологических зон в печи.

Что касается оптимального состава расплава, то с учетом экспериментального и производственного опыта следует полагать, что наиболее прочные стекла дают расплавы на основе аморфного кремнезема и оксидов железа, а также щелочных земель. Как показали иссле­ дования, только при рациональном режиме охлаждения керамзита, предусматривающем изотермическую выдер­ жку его в течение 15—20 мин в пределах примерно 700— 900 °С, прочность керамзита можно увеличить в 1,25—2 раза без каких-либо добавок. Установлено при этом, что в процессе изотермической выдержки, во-первых, сни­ маются внутренние напряжения, действие которых обус­ ловливает раннее или позднее образование трещин зерен и потерю прочности и, во-вторых, образуется и накапли­ вается мелкокристаллическая фаза с участием катализа­ торов кристаллизации, в значительном количестве со­ держащихся в природном сырье — ТЮ2, Сг20 3 и др. (рис. 69).

При изучении структуры и фазового состава запол­ нителя, охлажденного с выдержкой в течение 15—20 мин при 700—800 °С, на рентгенограммах была отмечена по­ вышенная его кристаллизация, поэтому была специаль­ но исследована возможность повышения прочности ке­ рамзита методом катализированной кристаллизации расплава с использованием экономически приемлемых катализаторов: сульфида железа FeS, пирита FeS2, ру­ тила ТЮ2, оксида хрома Сг20 3 и сфалерита ZnS в ко­ личествах от 1 до 12 %. Данные рис. 70 свидетельствуют о значительном повышении прочности керамзита при добавке катализаторов. Так, при добавке 6 % пирита

евской (II) и кучинской (III) глины и бескудниковского суг­ линка (IV)

прочность керамзита из парсуковской, смышляевской и кучинской глин повышается соответственно в 2,5, 2 и 2,3 раза. Незначительное изменение прочности керамзита из бескудниковского суглинка можно объяснить повы­ шенной его запесоченностью (42% кварца), меньшим количеством и большей вязкостью расплава. Следует также отметить, что полученный с применением катали­ заторов кристаллизации керамзит отличается не только повышенным количеством мелкокристаллических фаз, но и равномерно пористой структурой. Для практического использования метода повышения прочности керамзита путем изотермической выдержки ВНИИстром предло­ жил модернизированный барабанный холодильник с по­ рогом и пересыпающими устройствами. Накапливаясь в ограниченной порогом зоне, керамзит остывает постепен­ но, а затем, поступая в зону с пересыпающими устрой­ ствами, быстро охлаждается.

Так как при производстве высокопрочного керамзита предъявляются повышенные требования к переработке сырья, размеру, форме и прочности керамзита, вызываю­ щим значительное увеличение насыпной плотности за­ полнителя, снижение вспучиваемости сырья и уменьше­ ние коэффициента выхода материала из печи, производ­ ство высокопрочного керамзита несколько дороже, чем легких марок. Однако на себестоимость высокопрочного

керамзита может оказать решающее влияние производи­ тельность вращающихся печей. Казалось бы, что резкое снижение вспучиваемости исходного сырья и увеличе­ ние насыпной плотности керамзита должны сопровож­ даться соответствующим снижением коэффициента вы­ хода из печи в единицу времени готового продукта и сокращением ее производительности. Однако анализ специфических условий обжига высокопрочного керам­ зита дает основание утверждать, что резкого снижения

Дело в том, что в производстве легких марок керам­ зита, стремясь получить максимальное вспучивание ма­ териала, его обжигают при температурах, близких к тем­ пературе его слипания в конгломераты. При этом из-за опасности агломерации зерен коэффициент заполнения печей, как правило, не превышает 4—5 %.

При производстве же высокопрочного керамзита с относительно большой насыпной плотностью нет необ­ ходимости в интенсивной поризации материала, поэтому температура обжига может быть несколько понижена и опасность слипания зерен в конгломераты исчезнет. В этих условиях появится возможность в 2—3 раза увели­ чить коэффициент загрузки печи, что может полностью компенсировать снижение производительности из-за уменьшения коэффициента выхода материала и увели­ чения продолжительности как тепловой обработки, так и обжига.

ГЛАВА 5. ПЕРСПЕКТИВНЫ Е МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТОВЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ

5.1. Вспучивание глинистого сырья на керамзит

впечах кипящего слоя

Впоследнее время в некоторых отраслях промыш­ ленности, особенно цветной металлургии, п°лучил разви­ тие метод обжига материалов в кипящем слое. Этот ме­ тод успешно опробован также в производстве цемент­ ного клинкера, извести и нового заполнителя легких бе­ тонов — перлита.