О технологии производства керамзита

Суть процесса изготовления керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по заданному режиму. Для вспучивания глиняной гранулы требуется, чтобы активное газовыделение совпало по времени с переходом глины в пиропластическое состояние. 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 раньше, реакции восстановления окислов железа развиваются при температуре по­рядка 900 °С, тогда как в пиропластическое состояние глины переходят при температурах, как правило, более 1100 °С.

Поэтому при обжиге сырцовых гранул в процессе производства керамзита необходим активный подъем температуры, так как при медленном обжиге значительная часть газов выходит из глины до ее размягчения и в результате получаются плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро разгореть материал до нужной температуры, ее для начала нужно подготовить, т. е. высушить и разгореть. В данном случае интенсифицировать процесс нельзя, так как при слишком быстром нагреве в резуль­тате усадочных и температурных деформаций, а также скорого парообразования исходный материал может потрескаться или распасться (взорваться).

Оптимальным считается ступенчатый режим термообработки по С. П. Онацкому: с постепенным 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 около 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 стоит форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. В этом случае, 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 нахождения гранул в печи — примерно 45 мин.

Чтобы получить требуемый режим термообработки, место вспучивания печи, напрямую примыкающую к форсунке, иногда отделяют от остальной 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 требуемый для каждого вида сырья режим термообработки. Промыш­ленный опыт показал, что при этом повышается качество керамзита, на много увеличивается его выход, а так­же сокращается удельный расход топлива. В связи с тем, что хорошо вспучивающегося глинистого материала для произ­водства керамзита сравнительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья 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, применяют 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 выпуске керамзита обусловлено вызванными при термической обработке химическими реакциями. В восстановительной среде окись железа Fe2O3 переходит в закись FeO, что является не только одним из фактором газообразования, но и важнейшим фактором 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 преждевременно выгореть. Поэтому окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, как правило, не предпочтительна, хотя имеется и другая точка зрения, согласно которой целесо­образно получать высокопрочный керамзитовый гравий с невспученной плотной корочкой. Такая корочка толщиной до 3 мм (по предложению Северного филиала ВНИИСТ) при выгорании органических примесей в поверхностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.

По мнению экспертов, при изготовления керамзита нужно стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося исходного материала 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 умень­шении выхода продукции.

В восстановительной среде зоны вспучивания печи мо­жет произойти оплавление поверхности гранул, поэтому газовая среда в этом месте должна быть слабоокислительной. При этом во вспучивающихся гранулах поддерживается вос­становительная среда, дающая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхность гранул не оплавляется.

Тип газовой среды косвенно, через окисное или закисное состояние железистых примесей, влияет на цвет керамзита. Красновато-бурая поверхность гранул говорит об окислительной среде (Fe2O3), темно-серая, почти черная окраска в изломе — о восстановительной (FeO).

Различают четыреосновные технологические схемы подготовки сырцовых гранул, или четыре способа 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 дробится и направляется во вращающуюся печь. Сначала нужно отделить 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 большим коэффициентом вспучивания.

Наибольшее распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому метод 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 формуются сырцовые гранулы в виде цилиндриков, которые при последующей транспортировке или при специальной обработке окатываются, округляются.

Качество сырцовых гранул во многом определяет ка­чество получаемого керамзита. Поэтому нужна тщательная обработка глинистого сырья и формование плотных гранул одинакового размера. Размер гранул задается исходя из нужной крупности керамзитового гравия и установленного для данного сырья коэффициента вспучи­вания.

Гранулы с влажностью примерно 20% могут сразу направляться во вращающуюся печь или, что 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.

Поэтому, изготовление керамзита по пластическому способу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует больших капиталовложений, но, в этом случае, 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 него при добавлении воды изготавливают пластичную глиномассу, из которой формуют гранулы, как описано до этого. Необходимость помола обусловлена с затрата­ми. Но, 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 виде его легче транспортировать и гомогенизировать; если требуется вводить добавки, то при помоле их намного проще равномерно распределить; если в сырье есть инородные включения зерен известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная обработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход продукции и его более высокое качество окупают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) метод заключается в 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. При этом способе 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 получение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота введения и тщательного распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка. Такой способ рекомендуется при повышенной карьерной влажности глины, когда она выше формовочной (при пластическом формовании гранул). Он может быть 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. Выяснено, что от скорости охлаждения зависят прочностные свойства керамзита. При слишком быстром охлаждении керамзита его зерна могут потрескаться 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 уменьшением прочности.

Сразу после вспучивания требуется 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 больших термических на­пряжений, а также формирования 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 керамзит охлаждается воздухом в барабанных, слоевых холодильниках, аэрожелобах.

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

Внутризаводской транспорт керамзита — конвейерный (ленточные транспортеры), редко пневматический (потоком воздуха по трубам). При пневмотранспорте возможно повреждение поверхности гранул и их 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.

Доставка керамзита до объекта заказчика в основном производится самосвалами с кузовом разного объема, оптимально подходящего для доставки нужного заказчику количества керамзита. Цена керамзита для конечного заказчика складывается из цены за доставку керамзита и цены на заводе.