Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТА

Сущность технологического процесса производства керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по оптимальному режиму. Для вспучивания глиняной гранулы нужно, 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. Например, 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 развиваются при температуре порядка 900 °С, тогда как в пиропластическое состояние глины переходят при температурах, как правило, выше 1100 °С.

В связи с этим при обжиге сырцовых гранул в производстве керамзита необходим быстрый подъем температуры, так как при медленном обжиге значительная часть газов выходит из глины до ее размягчения и в результате получаются сравнительно плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро нагреть гранулу до температуры вспучивания, ее сначала 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).

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 (рис.), 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, подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении, постепенно передвигаются к другому концу барабана, где установлена форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы перемещаются навстречу потоку горячих газов,подогреваются и, наконец, попав в зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки,вспучиваются. Среднее время пребывания гранул в печи -- примерно 45 мин.

Чтобы обеспечить оптимальный режим термообработки, зону вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке, иногда отделяют от остальной 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 оптимальный для каждого вида сырья режим термообработки. Промышленный опыт показал, что при этом улучшается качество керамзита, значительно увеличивается его выход, а также сокращается удельный расход топлива. В связи с тем, что хорошо вспучивающегося глинистого сырья для производства керамзита сравнительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья необходимо 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 обеспечиваются не только оптимальные 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 источников 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 преждевременно выгореть. Поэтому окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, как правило, нежелательна, хотя имеется и другая точка зрения, согласно которой целесообразно получать высокопрочный керамзитовый гравий с невспученной плотной корочкой. Такая корочка толщиной до 3 мм образуется (по предложению Северного филиала ВНИИСТ) при выгорании органических примесей в поверхностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.

По мнению автора, при производстве керамзита следует стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося глинистого сырья для получения высокопрочного заполнителя имеется много, а хорошо вспучивающегося не хватает. С этой точки зрения наличие плотной корочки значительной 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 здесь должна быть слабоокислительной. При этом во вспучивающихся гранулах поддерживается восстановительная среда, обеспечивающая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхность гранул не оплавляется.

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).

Различают четыре основные технологические схемы подготовки сырцовых гранул, или четыре способа 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 дробится и направляется во вращающуюся печь. Предварительно необходимо отсеять мелочь и слишком крупные куски, направив последние на дополнительное дробление. Этот способ оправдывает себя, если исходная порода однородна, не содержит вредных включений и характеризуется достаточно высоким коэффициентом вспучивания.

Наибольшее распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому способу перерабатывается в увлажненном состоянии в вальцах, глиномешалках и других агрегатах (как в производстве кирпича). Затем 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 определяет качество готового керамзита. Поэтому целесообразна 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 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 значительных капиталовложений, но, с другой стороны, переработка глинистого сырья с разрушением 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 получают пластичную глиномассу, из которой формуют гранулы, как описано выше. Необходимость помола связана с дополнительными затратами. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. Но в ряде случаев 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 переработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его более высокое качество оправдывают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) способ заключается в разведении глины в воде в специальных больших емкостях -- глиноболтушках. Влажность получаемой пульпы (шликера, шлама) примерно 50%. Пульпа насосами подается 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 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 достижение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота введения и тщательного распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка. Этот способ рекомендуется при высокой 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.

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 слишком 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 снижением прочности.

Сразу после вспучивания желательно быстрое охлаждение керамзита до температуры 800--900 °С для закрепления структуры и предотвращения окисления закисного железа. Затем рекомендуется медленное охлаждение до температуры 600--700 °С в течение 20 мин для обеспечений затвердевания стеклофазы без больших термических напряжений, а также формирования в ней кристаллических минералов, повышающих прочность керамзита. Далее возможно сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

Первый этап охлаждения керамзита осуществляется еще в пределах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. Затем керамзит 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 дробление. 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.

Технология производства керамзита включает следующие основные переделы:

* добычу сырья в карьере и его транспортирование в глинозапасник;

* переработку исходного сырья и получение сырцовых гранул из однородной керамической массы или зерен (крошки) установленных размеров;

* термическую обработку сырцовых гранул или зерен, включающую сушку, обжиг и последующее охлаждение готового продукта;

* сортировку, а при необходимости частичное дробление или разделение готового продукта по плотности:

* складирование и отгрузку заполнителя.

Разработку месторождений глинистых пород производят открытым способом. Для добычи глинистого сырья используют одноковшовые и многоковшовые экскаваторы, ведущие разработку в карьере по всей высоте уступа, без выделения отдельных пластов материала. При разработке камнеподобных глинистых горных пород (глинистых сланцев, аргиллитов) перед экскавацией сырья производят буровзрывные работы.

Мягкие глинистые породы добывают в карьерах, работающих сезонно, камнеподобные -- в течение всего года. Для обеспечения непрерывной работы заводов устраивают глинохранилища вместимостью до полугодового запаса сырья с предохранением его от промерзания. Запасы глины также хранят в промежуточных конусах, где она вылеживается в течение нескольких месяцев на открытом воздухе. В результате температурных воздействий, особенно мороза, переменного увлажнения и высушивания происходит предварительное разрушение естественной структуры сырья, значительно облегчающее ее последующую переработку в однородную формовочную массу.

Выбор способа переработки сырья определяется свойствами исходного сырья, а качество заполнителя зависит от режима термической обработки, при котором создаются оптимальные условия вспучивания подготовленных сырцовых гранул (зерен).

Сушка сырцовых гранул (ее выделение в отдельную технологическую операцию не обязательно) может производиться во вращающейся печи для обжига или в отдельном сушильном агрегате. Это связано с тем, что режимы сушки гранул небольших размеров (6... 14 мм) не оказывают решающего влияния на качество получаемого керамзита.

При совмещении сушки и обжига в одной вращающейся печи ее работа непосредственно зависит от поступления сырцовых гранул с формующего оборудования, которое, так же как и печь, должно работать непрерывно. С технологической точки зрения для бесперебойного питания печей целесообразно иметь необходимый запас сырцовых гранул, которые не слипались бы при хранении. С этой целью производят предварительную подсушку гранул в сушильном барабане, за счет чего увс.щ-чнвается их прочность и предотвращается возможность слипания между собой. Кроме этого при вращении барабана гранулы окатываются и трещины в них, которые могут возникнуть при формовании, закрываются. На заводах большое распространение получили сушильные барабаны диаметром 2,2 и 2,8 м, длиной 14 м, которые для улучшения тепло- и массообмена дополнительно оборудуют теплообменниками (трубчатыми, ячейковыми и др.).

Применяют также эффективные сушильные агрегаты типа слоевых подготовителей, подготовителей псевдоожиженного слоя, в которых сырцовые гранулы высушивают до нулевой влажности и подогревают перед обжигом.

Слоевой подготовитель выполнен в виде вертикальной конструкции высотой около 10 м, состоящей из приемного бункера, двух наклонных решеток, по которым самотеком перемещаются сырцовые гранулы, разгрузочного барабана и течки. Сушка осуществляется отходящими из печи горячими газами, движение которых в подготовителе показано стрелками. Газы сначала проходят через материал на нижней решетке, затем рециркуляционным дымососом направляются под верхнюю решетку, а часть их -- возвращается вниз.

Обжиг глиняных гранул по оптимальному режиму является основной технологической операцией в производстве керамзита. Для вспучивания глиняной гранулы нужно, чтобы активное газовыделение совпало по времени с переходом глины в пиронлас-тическое состояние. Между тем в обычных условиях газообразование при обжиге глин происходит в основном при более низких температурах, чем их пиропластическое размягчение. Например, 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 оксидов железа развиваются при температуре порядка 900°С, тогда как в пиропластическое состояние глины переходят при температурах, как правило, выше 1100°С.

В связи с этим при обжиге сырцовых гранул в производстве керамзита необходим быстрый подъем температуры, так как при медленном обжиге значительная часть газов выходит из глины до ее размягчения и в результате получаются сравнительно плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро нагреть гранулу до температуры вспучивания, ее сначала 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).

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, которые в зависимости от конструкции подразделяются на однобарабанные, в том числе с запечными теплообменниками, и двухбарабанные.

Наибольшее распространение получили однобарабанные вращающиеся печи диаметром 2,5 м и длиной 40 м, представляющие собой цилиндрический металлический барабан, футерованный внутри огнеупорным кирпичом ( 8.2). Печи устанавливаются с уклоном примерно 3% и медленно вращаются вокруг своей оси. Благодаря этому сырцовые гранулы, подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении постепенно передвигаются к другому концу барабана, где установлена газовая горелка или форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы перемещаются навстречу потоку горячих газов, подогреваются и, наконец, попав в зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Среднее время пребывания гранул в печи -- около 1 ч.

Чтобы обеспечить оптимальный режим термообработки, зону вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке, иногда отделяют от остальной части (зоны подготовки) кольцевым порогом. Аналогичный эффект достигается, когда барабан вращающейся печи имеет уширение в зоне вспучивания или уширения с обоих концов и суженную среднюю часть -- «талию».

Так как вспучивание гранул происходит при достижении глиной пиропластического состояния, то даже незначительные отклонения от заданных параметров производства могут привести к слипанию гранул между собой или их прилипанию к футеровке печи (образование «спеков» или «приваров»). Как указано выше, эффективным приемом в производстве керамзита является опудривание гранул огнеупорными порошками. Оно осуществляется либо по свежефор-мованным сырцовым гранулам в специальном барабане для опудривания, либо непосредственно во вращающейся печи перед зоной вспучивания, куда огнеупорный порошок подается специальным устройством. Опудривание гранул позволяет повысить стабильность процесса производства, а в ряде случаев и температуру обжига, что ведет к снижению насыпной плотности керамзита и к увеличению производительности печей.

Использование теплоты газов, отходящих из вращающихся печей, является источником снижения удельного расхода топлива. Применение с этой целью внутрипечных и запечных теплообменников позволяет получить экономию топлива от 10 до 30%- В качестве запечного теплообменника используют рассмотренный выше слоевой подготовитель, входящий в состав обжигового агрегата СМС-197. Поскольку в слоевом подготовителе гранулы не только полностью высушиваются, но и нагреваются до 200... 300СС, вращающаяся печь имеет значительно меньшую длину -- 20 м, а диаметр -- 2,8 м.

При обжиге керамзита в двухбарабанных печах зоны подготовки и вспучивания представлены двумя сопряженными барабанами, вращающимися с разными скоростями. Барабан тепловой подготовки (меньшего диаметра) и барабан вспучивания (большего диаметра) располагаются или по одной оси -- так, что первый несколько входит во второй, или на разных уровнях -- соединенные между собой промежуточной пересыпной камерой ( 8.5). Положение каждого барабана на роликоопорах в процессе эксплуатации должно быть строго фиксированным, особенно в первом случае, с тем чтобы не допускать разуплотнения стыков и повышения нагрузок на ролики. Барабаны тепловой подготовки имеют диаметр 2,5... 3 м и длину 20... 35 м, а барабаны вспучивания соответственно 3,5... 4,5 м и 19...24 м. Каждый барабан имеет самостоятельный привод, обеспечивающий вращение его с регулируемой скоростью. Скорости вращения барабанов подбирают так, чтобы в барабане вспучивания пересыпающиеся гранулы подвигались в 1,5... 2 раза быстрее, чем в барабане предварительной тепловой подготовки. В двухба-рабанной печи удается создать оптимальный для каждого вида сырья режим термообработки. Промышленный опыт показал, что при этом улучшается качество керамзита, увеличивается его выход, а также сокращается удельный расход топлива.

В связи с тем, что хорошо вспучивающегося глинистого сырья для производства керамзита сравнительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья необходимо стремиться к оптимизации режима термообработки.

В значительной мере этого можно достигнуть в кольцевых печах (ЦНИИЭПсельстрой), где обжиг керамзита происходит в неподвижном монослое. Обжиговый агрегат с кольцевой печью включает также слоевой подготовитель и холодильник.

Кольцевая печь ( 8.6) состоит из вращающегося пода (футерованной металлической платформы), расположенного в неподвижном кольцевом канале, выполненном из огнеупорного и теплоизоляционного кирпича. Под опирается двумя концентрическими рельсовыми путями, прикрепленными к несущему основанию, на опорные катки, по которым он с помощью специального привода медленно вращается.

Средний диаметр кольцевой печи 11,25... 20 м, ширина пода 2,4 или 2,7 м, а длина его средней окружности 36... 70 м. В соответствии с этим площадь пода печи может составлять 86... 161 м2. Горелки расположены по внешней и внутренней сторонам канала (62 шт.) в зоне обжига, имеющей длину около 85% окружности пода и четыре участка регулирования температуры.

Гранулы, высушенные и подогретые до 200... 300°С в слоевом подготовителе, поступают на разогретый под печи, где они вспучиваются за 5 или 8 мин в зависимости от скорости вращения пода -- 12 или 7,5 об/ч.

Быстрый нагрев гранул (350... 400°С в минуту) в неподвижном монослое от температуры термоподготовки до температуры вспучивания обеспечивает оптимальный технологический режим обжига -- термический удар, приемлемый для всех видов глинистого сырья. В результате насыпная плотность керамзита на 25... 40% ниже, чем при обжиге в однобарабанных вращающихся печах.

-- скорость вращения пода, об/ч. Еще один способ производства керамзита, предложенный и опобуемый в последнее время на опытной установке Оргэнергостроя, предусматривает обжиг глиняных гранул в вертикальной печи аэроонтанного типа. Высушенные и подогретые до температуры 400°С ранулы подаются в цилиндрическую часть печи и падают в сужащуюея книзу коническую часть, где подхватываются восходящим потоком горячих газов, направляемых в горловину конуса из топки. Восходящая струя увлекает гранулы вверх по центру печи до тех пор, пока при расширении потока и соответствующем снижении его скорости подъемная сила не станет меньше силы тяжести гранул. Далее гранулы отбрасываются от центра к стенкам печи, падают вниз, где снова подхватываются восходящим потоком. Вспученные гранулы потоком газов выносятся из печи.

Температура топочных газов, направляемых в печь, составляет 1200...1250°С. При попадании в горячую газовую струю гранулы испытывают эффект термоудара, способствующий вспучиванию. Достигаемый в этой установке коэффициент вспучивания превышает получаемый во вращающейся печи, при этом объем продукции увеличивается, а насыпная плотность керамзита снижается. Аэрофонтанный способ дает возможность получать хорошо вспученный мелкофракциониый керамзит. Особенностью данной технологии является необходимость подачи в обжиговую печь строго одномерных гранул.

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 обеспечиваются не только оптимальные 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 оксид железа Fe₂0₃ переходит в закись FeO, что является не только одним из источников 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 преждевременно выгореть. Поэтому окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, как правило, нежелательна, хотя имеется и другая точка зрения, согласно которой целесообразно получать высокопрочный керамзитовый гравий с невспученной плотной корочкой. Такая корочка толщиной до 3 мм образуется при выгорании органических примесей в поверхностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.

Однако, как правило, при производстве керамзита следует стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося глинистого сырья для получения высокопрочного заполнителя имеется много, а хорошо вспучивающегося не хватает. С этой точки зрения наличие плотной корочки значительной 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 здесь должна быть слабоокислительной. При этом во вспучивающихся гранулах поддерживается восстановительная среда, обеспечивающая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхность гранул не оплавляется.

Характер газовой среды косвенно, через оксидное или закисное состояние железистых примесей, отражается на цвете керамзита. Красновато-бурая поверхность гранул говорит об окислительной среде (Fe203), темно-серая, почти черная окраска в изломе -- о восстановительной (FeO).

От скорости охлаждения керамзита зависят его прочностные свойства. При слишком быстром охлаждении керамзита его зерна могут растрескиваться или же в них сохраняются остаточные напряжения, которые могут проявиться в бетоне. С другой стороны, и при слишком 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 Fe203, 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. Затем рекомендуется медленное охлаждение до температуры 600... 700°С в течение 20 мин для обеспечения затвердевания стеклофазы без больших термических напряжений, а также формирования в ней кристаллических минералов, повышающих прочность керамзита. Далее возможно сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

Первый этап охлаждения керамзита осуществляется еще в пределах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. Затем керамзит охлаждается воздухом в барабанных, слоевых холодильниках, холодильниках-аэрожелобах.

Для сортировки (фракционирования) керамзитового гравия используют грохоты, преимущественно барабанные -- цилиндрические ( 8.9) или многогранные (бураты).

Внутризаводской транспорт керамзита -- конвейерный (ленточные транспортеры), иногда пневматический (потоком воздуха по трубам). При пневмотранспорте возможно повреждение поверхности гранул и их дробление. Поэтому этот удобный и во многих отношениях эффективный вид транспорта керамзита не получил широкого распространения.

ГЛАВА 2. ПОЛУЧЕНИЕ КЕРАМЗИТА ИЗ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИИ И ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

В России около 70 °% всей электроэнергии вырабатывается при сжигании твердого топлива - углей, сланцев, торфа, в результате чего образуется около 50 млн тонн в год отвалов золошлаковых смесей, а уровень их утилизации составляет только около 10 °%. Эффективная утилизация золошлаковых материалов энергетических предприятий, работающих на угле, может значительно снизить негативное влияние на окружающую среду и улучшить экономические показатели предприятия. В общем, золошлаковые отходы широко используются в различных производствах и обладают хорошими рыночными перспективами [1-3]. Например, одним из вариантов использования золошлаковых отходов металлургических предприятий и ТЭЦ является производство керамзита.

Керамзит представляет собой лёгкий пористый материал ячеистого строения в виде гравия, реже - в виде щебня. Получают керамзит путём обжига легкоплавких глинистых пород, способных вспучиваться при быстром нагревании их до температуры 10501300 ^oC в течение 25--45 мин [4]. В природе запас таких глин ограничен.

Использование силикатов натрия в качестве клеевых связок ограничено тем, что прочность на разрыв этих связок не превышает 50 кг/см ², а также тем, что эти связки остаются водорастворимыми вплоть до температуры обжига +250 ^oC. Кроме того нагрев этих клеевых связок до температуры +160 ^oC приводит к их вспучиванию. Клеевые связки на основе золей или гелей SiO₂ обладают прочностью на разрыв более 500 кг/см², являются водонерастворимыми при температуре обжига +150 ^oC и не вспучиваются при нагреве [5].

Целью данной работы является получение керамзита из золы и шлака металлургического предприятия и ТЭС, используя силикатное связующее, способное вспучиваться при 160 ^oC. Определить влияние дисперсности материала, режима сушки и температуры вспучивания на коэффициент вспучивания, плотность и прочность полученного керамзита.

В качестве материалов для изготовления керамзита использовали:

Зола гидроудаления металлургического предприятия «Ферросилицовый завод», г. Новокузнецка. Фракционный состав исходной золы, которая подвергалась механохимической обработке, представлена на рисунке 1. Средняя удельная поверхность золы фракции менее 0,8 мм составляет S_5W=27 м ²/г.

Шлак из котельной, работающей на угле кузнецкого бассейна фракцией менее 0,25 мм (S_m = 79,5 м ²/г);

Cиликат натрия (натриевое жидкое стекло) с различными модулями (2,5; 1; 0,7).

Свойства золошлаковых отходов, из которых делали керамзит, представлен в таблице 1.

Механохимическую обработку золы проводили на планетарной мельнице-активаторе АГО-2 [6, 7]. Шлак механохимической обработке не подвергался.

Фракционный состав исходной золы, а также нужные фракции отсеивали с помощью сит.

Кислотность (рН) определяли универсальной лакмусовой бумажкой (прикладывали к влажному материалу) [8].

Удельную поверхность исходных и измельченных материалов определяли методом тепловой десорбции аргона [9].

Из выбранных образцов золы и шлака делали керамзит путем смешивания компонентов до состояния теста, а затем скатывали шарики керамзита, которые подвергали температурной обработке. Во время изготовления керамзита изменяли время сушки образцов (без сушки, 2 ч, 48 ч); температура вспучивания (300-700 ^oC).

У полученных образцов керамзита определяли коэффициент вспучивания, плотность, прочность.

Коэффициент вспучивания рассчитывался по формуле:

К = V_K V_c, (1)

где V_K - объем вспученной гранулы керамзита; V_c - объем сухой сырцовой гранулы до обжига [4].

Чем выше коэффициент вспучивания сырья, тем меньше плотность керамзита, и тем более ценно это сырье для производства керамзита [10].

Плотность керамзита определялась весовым способом по определению объема 5-10 образцов керамзита одного вида и их массы.

Прочность образцов на раздавливание измерялась прибором МП-9С (ручной вариант) конструкции ИФХ АН РФ (г. Москва) [11].

Из данных таблицы 3 видно, что наибольшие значения коэффициента вспучивания золы получались у образцов без сушки. Наибольшие показатели коэффициента вспучивания наблюдались при минимальном размере частиц (образец 6). Удельная поверхность используемых зол примерно одинаковы даже после механохимической обработки, и при высоких температурах (500-

600 ^oC) более мелкие частицы плавятся и вступают в реакцию со связующим. Даже образцы керамзита из механохимически обработанной золы уступают по показателям коэффициент вспучивания керамзиту из золы с маленьким размером частиц (56 мкм), не смотря на практически одинаковую удельную поверхность. При сушке образцов керамзита их вспучиваемость уменьшается.

Таблица 2. Коэффициент вспучивания керамзита из золошлаковых отходов

Таблица 3

Плотность керамзита из золошлаковых отходов

Имеется оптимальная температура при котором показатель вспучивания гранул наибольший. При понижении модуля жидкого стекла коэффициент вспучивания керамзита из золы понижается и образцы получаются более тяжелыми (табл. 3). Шлак как материал пористый но с достаточно крупными частицами вспучивался хорошо только в свежеприготовленном состоянии. При понижении модуля жидкого стекла (т. е. увеличение его щелочности) образцы керамзита из шлака вообще давали усадку (образец 8 и 9). Можно предположить, что жидкое стекло просто впитывалось в шлак, т. к. при пониженном модуле жидкое стекло имело менее густую консистенцию, чем при модуле 2,5.

Плотность является важным показателем керамзита, который говорит о его теплоизоляционных свойствах [9]. В таблице 4 показано изменение плотности образцов керамзита.

Предполагается, что чем выше коэффициент вспучивания керамзита, тем меньше его плотность. Наименьшее значение плотности керамзита из золы имеет образец 6 и 2. Разница во вспучивании, а следовательно, и плотности керамзита из МО золы по сравнению с другими образцами, связана с изменениями, которые происходят при МО [21]. А мелкие частицы могут более равномерно распределяться в массе и легче плавятся и вступают в реакции. Значения плотности у остальных образцов гораздо выше и не отвечают требованиям использования керамзита в строительстве, его действительная плотность должна быть менее единицы [1]. У керамзита из шлака (образец 7-9), несмотря на то, что некоторые образцы дали усадку при нагреве, плотность меньше единицы. Но при этом они потрескавшиеся и прочность такого керамзита не велика (табл. 4).

керамзит футеровочный отходы

Таблица 4. Прочность керамзита из золошлаковых отходов

В образцах 1, 2 и 3 прочность образцов без сушки практически не изменяется (табл. 3). Однако при увеличении времени сушки значения прочности увеличиваются. Это происходит потому, что за счёт увеличения времени сушки образцов происходит удаление влаги и реакция компонентов ещё до вспучивания. Также у образцов керамзита из золы замечено, что чем меньше плотность, тем прочнее керамзит. При понижении модуля жидкого стекла наблюдалось упрочнение керамзита, за счет неизрасходованной во время реакции щелочи.

Прочность керамзита из шлака несколько ниже, чем у керамзита из золы. Но это можно объяснить разным химическим и гранулометрическим составом, а также эти вещества обладают определенной кислотностью (табл. 1), которая влияет на реакционную способность с щелочным реагентом.

Таким образом, из золошлаковых отходов можно получить керамзит различного качества.

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ОГНЕУПОРНЫХ ФУТЕРОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

В настоящее время одной из важных проблем является индустриализация наиболее сложной области строительства - футеровки тепловых агрегатов. В основном здесь используется мелкоштучная кирпичная огнеупорная кладка, трудоемкая в изготовлении и эксплуатации. Одним из путей решения данной проблемы является разработка технологии приготовления и применения жаростойких бетонов и совершенствование составов керамических огнеупорных материалов. В отличие от штучных огнеупоров жаростойкие бетоны являются безобжиговыми материалами, их огневая обработка осуществляется в тепловом агрегате в процессе его пуска. Жаростойкие бетоны как эффективный футеровочный материал можно использовать в виде крупных блоков, что сокращает количество швов, а также в монолитном варианте.

Жаростойкие бетоны, как многокомпонентные композиты, требуют применения не только огнеупорных технических продуктов, но и различных пригодных по качеству промышленных отходов. Иногда традиционными методами (обжиг образцов бетонов при различных температурах и их испытание на прочность) не удается правильно оценить характер влияния того или иного техногенного продукта на структуру и свойства жаростойких композитов.

Установлено, что такая характеристика огнеупорных футеровочных материалов, как электропроводимость, определяемая через удельное электросопротивление, является весьма чувствительной величиной к изменениям состава, структуры и температуры. Так при увеличении температуры от 100 °С до 1300 °С удельное сопротивление уменьшается с величины 10¹¹ - 10¹² до 10³ - 10⁴.

Разработанная методика измерения электросопротивления жаростойких бетонов и штучных огнеупоров позволяет в результате испытаний построить кривые изменения «с» от температуры (так называемые терморезистограммы). Их расшифровка, на наш взгляд, позволяет спрогнозировать работу футеровки не только при простом длительном температурном нагревании, но и в контакте с агрессивными средами. Поэтому считаем, что данный метод позволяет с большой достоверностью оценивать эффективность работы футеровок тепловых агрегатов, а именно материалов, применяемых для них.

Так как термостойкость и химическая сопротивляемость связаны с их электропроводностью, то, оптимизируя составы огнеупорных композитов по такому показателю, как первоначальное максимальное электросопротивление, можно получать различные футеровочные материалы с повышенной долговечностью. Такая методика пригодна и для подбора составов растворов (обмазок) и набивных масс, где необходимо учитывать влияние вида, гранулометрического и химического составов наполнителей и заполнителей на электросопротивление футеровочных материалов.

Данная методика позволяет повысить эффективность футеровки тепловых агрегатов, как за счет применения дешевых заполнителей и наполнителей, выбранных из отходов промышленности, так и за счет рациональной оптимизации составов. Как показали производственные испытания, проведенные в действующих тепловых агрегатах, футеровочные огнеупорные материалы оптимальных составов имеют повышенную химическую стойкость и, соответственно, долговечность. Срок службы таких футеровок увеличился в 2 - 4 раза в зависимости от степени агрессивности среды.

Жаростойкие бетоны фосфатного твердения

Для получения воздушно-твердеющих жаростойких бетонов на фосфатных связках были разработаны составы комбинированных алюможелезофосфатных и цирконожелезофосфатных связующих.

Оптимизация состава жаростойких бетонов фосфатного твердения по электропроводности осуществляется путем введения шламовых отходов предприятий цветной металлургии. Приготовление таких бетонов на различных предприятиях не требует специального оборудования.

Жаростойкие бетоны фосфатного твердения возможно получить с широким спектром свойств:

- тяжелые бетоны на высокоглиноземистом и шамотном заполнителях имеют среднюю плотность в пределах 2200-2500 кг/м³, предел прочности при сжатии 25-35 МПа, термостойкость 35-45 водных теплосмен. Максимальная температура применения 1600-1700 °С. Рабочие футеровки, выполненные с применением таких бетонов, весьма устойчивы в контакте с расплавами алюминиевых сплавов, шлаков и других металлов;

- легкие жаростойкие бетоны на пористых заполнителях и бетоны ячеистой структуры имеют среднюю плотность в пределах 400-1200 кг/м³, предел прочности при сжатии от 2,5 до 15 МПа, термостойкость 25-35 воздушных теплосмен, температура применения 1000-1600 °С. Такие бетоны можно применять в виде эффективной теплоизоляции тепловых агрегатов взамен штучных дорогостоящих ультралегковесов. Тяжелые, легкие и ячеистые жаростойкие бетоны фосфатного твердения возможно использовать как в монолитном варианте, так и в виде отдельных сборных элементов (блоков);

- фосфатные огнеупорные обмазки в виде жаростойких растворов возможно применять как для кладки штучных огнеупоров, так и в виде защитных обмазок для повышения химической стойкости штучных огнеупоров (шамота, динаса, муллита и др.). Фосфатные огнеупорные обмазки позволяют значительно повысить стойкость и долговечность футеровок, выполненных на основе штучных керамических огнеупоров для любых агрессивных сред. Температура применения фосфатных обмазок составляет 1600-1700 °С. Такие обмазки возможно применять в виде торкрет-масс и сухих смесей.

Для приготовления жаростойких бетонов и растворов (обмазок) фосфатного твердения не требуется специальных материалов. Тонкомолотые добавки для формирования цементного камня и заполнители жаростойких растворов и бетонов возможно подобрать из отходов промышленности (отработанные катализаторы, огнеупорный лом и др.). Так, например, воздушно-твердеющую алюможелезофосфатную связку получили в результате комбинации высокоглиноземистого и железосодержащего отходов (отработанного катализатора ИМ-2201 и пиритных огарков).

Разработана также технология изготовления жаростойкого газобетона на алюможелезофосфатном связующем. Особенностью данного материала является то, что в нем в качестве вяжущего используются композиции, состоящие из дисперсного металлического алюминия и ортофосфорной кислоты. Взаимодействие кислоты с алюминием протекает в течение короткого отрезка времени, с большим газо- и тепловыделением по реакции:

2 Al + 2 H₃PO₄ > 2 Al PO₄ ^ + 3 H₂ + O₂.

Если рационально подобранную смесь, состоящую из тонкомолотого огнеупорного наполнителя (высокоглиноземистые тонкомолотые неорганические отходы), ортофосфорной кислоты и дисперсного алюминия перемешать, то при достижении 25-30 °С она самопроизвольно разогревается до 120-180 °С, вспучивается и затвердевает. Время изготовления изделий от укладки смеси в форму составляет 10-30 мин.

На основании анализа результатов научно-исследовательских разработок, выполненных в СамГАСА, показана высокая эффективность применения фосфатного связывания неорганических отходов с целью применения их в жаростойких бетонах с температурой службы 700-1600 °С.

Жаростойкие, бетоны на жидкостекольных связующих и силикат-натриевых огнеупорных композициях

Тяжелые жаростойкие бетоны на жидком стекле с шамотными и высокоглиноземистыми заполнителями показали повышенную стойкость и долговечность в футеровках соляных ванн, где готовятся расплавы солей-хлоридов натрия, калия, бария для химико-термической обработки металлических деталей и изделий.

В составах бетонов на жидком стекле традиционный отвердитель - кремнефтористый натрий, возможно заменить на материалы, содержащие силикаты или алюминаты кальция. Это позволило повысить температуру применения тяжелых жаростойких бетонов от 1100 до 1350 °С и расширить область их применения. Такие бетоны отличаются также повышенной окалиностойкостью, что позволило их применять для футеровки подин нагревательных газовых печей кузнечного производства и для изготовления индукторов технологических линий подшипникового производства.

Преимущество жаростойких бетонов на основе силикат-натриевой композиции перед жидкостекольными состоит в том, что применение отвердителей не требуется, а затворение смесей осуществляется водой. Тяжелые жаростойкие бетоны на жидком стекле и растворимом силикате натрия (силикат-глыбе) возможно применять в монолитном варианте, в виде отдельных блоков и выпускать в виде сухих смесей.

Легкие жаростойкие бетоны на пористых заполнителях, где связующим является жидкое стекло, отличаются также высокой химической стойкостью и термостойкостью. Такое сочетание свойств позволяет эксплуатировать их в виде эффективной теплоизоляции электрических печей цементации, где имеется восстановительная углеродсодержащая атмосфера. В таких условиях шамотные легковесы в течение первых двух месяцев науглероживаются из-за накопления сажистого углерода в порах и выходят из строя. Среднюю плотность теплоизоляционных бетонов можно регулировать в пределах от 400 до 700 кг/м³, соответственно имеется возможность влиять на теплоизоляционные качества материала.

Максимальная прочность таких бетонов может достигать 7,5 МПа, термостойкость - до 25 воздушных теплосмен. Эти свойства позволяют применять такие бетоны в монолитном варианте, в виде отдельных элементов, а также заранее готовить в виде сухих смесей.

Жидкостекольные огнеупорные обмазки в виде жаростойких растворов возможно применять для кладки штучных огнеупоров, защиты футеровок термических печей кузнечного производства, где возможно образование окалины. Температура применения защитных обмазок на основе жидкого стекла находится в пределах 1100-1400 °С в зависимости от типа отвердителя и вида заполнителей. Такие обмазки возможно наносить на кирпичные футеровки с помощью торкрет-пушек, а выпускать в виде сухих смесей. Сырьевые компоненты для жаростойких растворов можно выбрать из широкого набора промышленных отходов химии, нефтехимии, машиностроения и металлургии. Спецоборудования не требуется. Из отходов промышленности был опробован фосфорный шлак в качестве отвердителя жидкостекольных масс, а также алюмокальциевый шлам.

Жаростойкие бетоны на гидравлических вяжущих

Жаростойкие бетоны на гидравлических вяжущих считаются самыми доступными. В качестве вяжущих возможно применять портландцемент в сочетании с огнеупорной тонкомолотой добавкой, шлакопортландцемент, глиноземистый и высокоглиноземистый цементы. Заполнители и тонкомолотые добавки возможно изготовить путем дробления и помола огнеупорного лома и других промышленных отходов. В качестве тонкомолотых добавок возможно использовать многие тонкодисперсные промышленные отходы (например, керамзитовая пыль), а также глиноземсодержащие шламы. Применение алюминатных шламов в составах жаростойких бетонов позволяет повысить термическую стойкость футеровочных материалов за счет повышения их электросопротивления. Температура применения таких жаростойких бетонов на портландцементе и шлакопортландцементе составляет 1100-1500 °С в зависимости от вида заполнителя и тонкомолотой добавки, на глиноземистом цементе - 1200-1400 °С, на высокоглиноземистом - 1500-1700 °С.

Тяжелый жаростойкие бетоны на портландцементе и глиноземистом цементе весьма эффективны в футеровках вагонеток туннельных печей керамического производства, в футеровках котельного оборудования и т.д. Бетоны на высокоглиноземистом цементе с корундовым заполнителем показали высокую химическую стойкость в восстановительных средах (в агрегатах получения аммиака). Для повышения химической стойкости и термостойкости бетонов на портландском и глиноноземистом цементах в их состав можно вводить шламовые отходы алюминатного состава. Тем самым повышается долговечность футеровок и эффективность тепловых агрегатов.

Легкие жаростойкие бетоны гидравлического твердения на пористых заполнителях и бетоны ячеистой структуры имеют среднюю плотность в пределах 400-1200 кг/м³, термостойкость 12-18 воздушных теплосмен, температуру применения 1100-1400 °С. Такие бетоны весьма эффективно применять для теплоизоляции футеровок тепловых агрегатов с воздушно-окислительной средой: вагонетки туннельных печей, сушильные камеры, туннельные печи и т.д. Легкие жаростойкие бетоны на высокоглиноземистом цементе пригодны для эксплуатации в восстановительной среде. Применение керамзитовой пыли в составах легких бетонов значительно повысило их термическую стойкость.