Типы производства керамзита

Сущность процесса изготовления керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по оптимальному режиму. Для вспучивания глиняной гранулы требуется, чтобы активное газовыделение совпало по времени с переходом глины в пиропластическое состояние. Между тем 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, более 1100 °С.

В связи с этим при обжиге сырцовых гранул в процессе производства керамзита требуется быстрый 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 разгореть гранулу до нужной температуры, ее сначала нужно подготовить, т. е. обсушить 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 разрушиться (взорваться).

Оптимальным считается ступенчатый режим термообработки по С. П. Онацкому: с постепенным нагревом сырцо­вых гранул до 200—600 °С (в зависимости от особенностей сырья) и последующим быстрым 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 около 3% и медленно вращаются вокруг своей оси. Благодаря этому сырцовые гранулы, подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении, постепенно скатываются к противоположному концу барабана, где стоит форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы пере­мещаются навстречу потоку горячих 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 требуемый режим термообработки, место вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке, изредка 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 получается создать оптимальный для каждого вида сырья 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 сырья для произ­водства керамзита относительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья нужно стре­миться к оптимизации режима термообработки.

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

Значение характера газовой среды в производстве керамзита обусловлено вызванными при термической обработке химическими реакциями. В восстановительной среде окись железа Fe2O3 преобразуется в закись FeO, что является не только одним из фактором газообразования, но и важнейшим фактором преобразования глины в пиропластическое состояние. Внутри гранул восстановительная среда поддерживается 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. Поэтому окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, в основном, 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 экспертов, при производстве керамзита нужно стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося глинистого сырья для получения высокопрочного заполнителя имеется много, а хорошо вспучивающегося не достаточно. В этом случае наличие плотной корочки большой толщины на керамзитовом гравии свидетельствует о недо­использовании способности сырья к вспучиванию и снижении 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, 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 используют 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 исходный материал однороден, не содержит вредных включений и характеризуется достаточ­но высоким коэффициентом вспучивания.

Большее распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому способу обрабатывается 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 получаются 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 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, сначала 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 повышена.

Поэтому, изготовление керамзита по пластическому способу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует значительных 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 изготавливают пластичную глиномассу, из которой делают гранулы, как описано выше. Необходимость помола обусловлена с дополнительными затрата­ми. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, нужна его сушка перед помолом. Но в ряде случаев этот способ подготовки сырья подходит: если сырье имеет неоднородность по составу, то в порошкообразном состоянии его легче перемешать и гомогенизировать; если требуется подмешивать добавки, то при помоле их намного проще равномерно распределить; если в сырье есть вредные включения зерен известняка, гипса, то в помолотом и распределенном по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная переработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его более высокое качество оправдывают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) метод заключается в растворении 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. В этом случае в части вращающейся печи стоит завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими из печи газами и подсушивают 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 достижение 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 применен 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 охладить. 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 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 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 формирования в ней кристаллических минералов, повышающих прочность керамзита. После этого желательно относительное быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

Первый этап охлаждения керамзита производится еще в пределах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. После этого 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), 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.

Керамзит - производство

Суть процесса изготовления керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по заданному режиму. Для вспучивания глиняного комочка требуется, 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 низких 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, более 1100 °С.

Поэтому при обжиге сырцовых гранул в процессе производства керамзита необходим стремительный подъем температуры, так как при медленном обжиге большая часть газов выделяется из глины до ее размягчения и в результате получаются плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро нагреть гранулу до нужной температуры, ее сначала 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 скорого 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 медленно вращаются вокруг своей оси. поэтому сырцовые гранулы, закладываемые в верхний конец печи, при ее вращении, постепенно передвигаются к другому концу барабана, где установлена форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. В этом случае, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы двигаются 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 обеспечить оптимальный режим термообработки, место вспучивания печи, напрямую примыкающую к форсунке, в некоторых случаях отделяют от другой части (зоны подготовки) кольцевым порогом. Используют 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 уменьшается удельный расход топлива. В связи с тем, что хорошо вспучивающегося глинистого сырья для произ­водства керамзита относительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья необходимо стре­миться к оптимизации режима термообработки.

Из зарубежного опыта известно, что для производства заполнителей типа керамзита из сырья (промышленных отходов), отличающегося особой чувствительностью к типу обжига, применяют 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 обжиге 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 поддерживается 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, 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 производстве керамзита нужно стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося глинистого сырья для получения высокопрочного заполнителя имеется много, а хорошо вспучивающегося не достаточно. С этой точки зрения наличие плотной корочки большой 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 здесь должна быть слабоокислительной. При этом во вспучивающихся гранулах находится вос­становительная среда, дающая 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 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 метод используют при наличии камнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые сланцы). Он наиболее прост: сырье раздрабливается и выкладывается во вращающуюся печь. Предварительно не­обходимо отсеять мелочь и слишком крупные куски, отправив последние на повторное дробление. Этот способ оправдывает себя, если исходный материал однороден, не содержит вредных включений и характеризуется достаточ­но высоким коэффициентом вспучивания.

Большее применение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому способу перерабатывается 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 получаются 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 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, 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, изготовление керамзита по пластическому способу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует значительных капиталовложений, но, в этом случае, переработка глинистого сырья с разрушением его естественной структуры, усреднение, гомогенизация, а так­же возможность улучшения его добавками позволяют повысить коэффициент вспучивания.

Порошково-пластический метод отличается от пластического тем, что вначале помолом сухого глинистого сырья получают порошок, а потом из него при добавлении воды получают пластичную глиномассу, из которой формуют гранулы, как описано выше. Необходимость помола обусловлена с затрата­ми. Но, если сырье недостаточно сухое, нужна его сушка перед помолом. Иногда этот способ подготовки сырья целесообразен: если сырье имеет неоднородность по составу, то в порошкообразном состоянии 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 состоянии они уже не опасны; если такая тщательная обработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его более высокое качество окупают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) способ заключается в разведении 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 стоит завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими из печи газами и подсушивают пульпу, затем разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа — повышенный расход топлива, связанный с большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются получение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота дополнения 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 применен 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 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 снижение 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. после рекомендуется 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, увеличивающих прочность керамзита. Далее желательно относительное быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

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

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

Внутризаводской транспорт керамзита — конвейерный (ленточные транспортеры), иногда 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 перемещают 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.