Производство керамзита

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 при выгорании органических примесей в поверхностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.

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 глино-массу, 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. 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.

Вспучивание глинистого сырья на керамзит в печах кипящего слоя.

В последнее время в некоторых  отраслях промышленности, особенно цветной  металлургии, получил развитие метод  обжига материалов в кипящем слое. Этот метод успешно опробован  также в производстве цементного клинкера, извести и нового заполнителя  легких бетонов – перлита. Кипящий слой образуется тогда, когда через слой материала надлежащей крупности зерен проходит восходящий поток газа со скоростью, достаточно высокой, чтобы нарушить неподвижность и создать интенсивное турбулентное движение, напоминающее кипение жидкости. При этом скорость газового потока должна быть промежуточной между минимальной скоростью, при которой зерна как бы теряют массу (скорость витания), и скоростью, при которой они выносятся из рабочей камеры аппарата (взвешенное состояние).

Внутри кипящего слоя можно сжигать  твердое, жидкое и газообразное топливо  или подавать для обжига теплоноситель  извне. Поверхность контакта зерен  обжигаемого материала и теплоносителя  достигает в кипящем слое максимальной величины, вследствие чего коэффициент  теплопередачи отличается весьма высокими показателями –около 209 Вт/м 2 с).

Увеличение поверхности контакта способствует ускорению тепло- и массообмена, а непрерывное перемешивание частиц материала обеспечивает выравнивание температуры в слое, что позволяет проводить процесс быстро и в небольших рабочих объемах. Процессы в кипящем слое легко регулируются и поддаются автоматизации. В кипящем слое можно обрабатывать зерна твердых материалов размером от долей миллиметра до 10 мм при различной влажности, так как влага, попадающая в кипящий слой, почти мгновенно испаряется.

Наряду с большими достоинствами  метод кипящего слоя обладает и рядом  недостатков. Так, интенсивное движение частиц в слое и взаимное их перемещение  не позволяют предсказать положения  частицы в какой-либо промежуток времени. Это означает, что часть  поступающих в камеру свежих частиц может скорее выйти из слоя, чем  это требуется, и перегревается, что для ряда технологических  процессов неприемлемо. Другой недостаток метода вытекает из условий взаимного  соударения частиц и ударов их о  стенки камеры, что приводит к истиранию  материала и накоплению пыли, а  также преждевременному износу аппарата.

Печи для обжига в кипящем  слое имеют самую разнообразную  конструкцию. Они подразделяются на одно- и многокамерные. Каждая печь состоит из камеры, свода, пода, устройств для загрузки и выгрузки материала и газоходов.

Места загрузки и выгрузки материала  могут быть расположены сверху, снизу  или сбоку печи, но всегда друг против друга. Наиболее существенной частью печи является под, представляющий собой устройство для равномерного распределения газа (воздуха), поступающего в печь, по нижнему горизонтальному сечению слоя. Каждая рабочая камера печи в горизонтальном сечении может быть выполнена в форме квадрата, прямоугольника, круга и т. д.

Циркуляционный способ

Кипящий слой псевдоожиженного зернистого материала восходящими вверх газовыми потоками является не единственным его состоянием в этих условиях. Так, если в камеру 1 (рис.) на решетку 3 через патрубок 4 засыпать гранулированный материал, то он образует плотный слой с определенной межзерновой пустотностью. При подаче через этот слой восходящего потока газа с постепенно увеличивающейся скоростью материал сперва будет оставаться неподвижным, а сопротивление слоя будет расти с увеличением скорости газа. Когда же сила сопротивления фильтрации газа сравняется с весом слоя зернистого материала, то дальнейший рост гидравлического сопротивления прекращается и увеличение скорости газового потока приводит к расширению слоя. При этом слой взвешивается, увеличивается в объеме, частицы приобретают подвижность. Поверхность слоя в этом случае выравнивается, и если в стенке камеры сделать отверстие 2, то через него будет вытекать струя материала. Это и послужило основанием назвать слой зернистого материала со свойствами текучести – псевдоожиженным. При дальнейшем увеличении скорости газа через псевдоожиженный слой будут прорываться пузырьки, слой начнет интенсивно перемешиваться и бурлить, напоминая кипящую жидкость, что послужило основанием назвать его в этом состоянии кипящим слоем. Характерным состоянием кипящего слоя является его относительная плотность, при которой зерна не отрываются в пространство для витания.

Новое увеличение скорости газа сопровождается выносом зерен материала из кипящего слоя. Происходящая таким образом циркуляция частиц – подъем в фонтане центральной части слоя и опускание в периферийной – отражает новое состояние материала, получившего название фонтанирующего слоя. Циркуляция частиц здесь более интенсивна, чем в обычных псевдоожиженных слоях.

Рис.1 Схематическое изображение фонтанирующего слоя

1 – корпус; 2 – центральный фонтан; 3 – решетка; 4 – патрубок для подвода газа;

5 – конус материала;

Построенная в 1965 г. фирмой «Деннерт» в г. Хенге близ Нюрнберга установка производительностью 400м3 керамзитового гравия в сутки с использованием метода обжига заполнителя в фонтанирующем слое характеризуется следующими особенностями.

Сырьем для производства керамзита  служит тонкодисперсная легкоплавкая глина с карьерной влажностью 13 –15%. При указанной влажности глина сравнительно плотная и может подвергаться тонкому дроблению без замазывания механизмов. Ее химический состав характеризуется содержанием (в %): SiO2 –49,10; Fe2О3 – 7,98; А1203 – 21,89; MnO –0,11; CaO –3,58; MgO –1,57; SO2 –1,85; R20 –2,86 и ППП –11,06.

На карьере глину добывают многоковшовым  экскаватором на гусеничном ходу. Параллельно  фронту добычи глины установлен ленточный  конвейер длиной 150 м. Предварительно глину, доставляемую с карьера. измельчают на валковой дробилке. Затем она поступает в ящичный подаватель, проходит через металлический желоб с электромагнитом для очистки от металлических включений и поступает в ударно-отражательную дисковую мельницу, где тонко измельчается и гомогенизируется при естественной влажности. Далее тонкоизмельченная глина непрерывным потоком направляется в тарельчатый гранулятор, где к ней добавляют 2 –4 % воды и специальную добавку, способствующую образованию шаровидной формы гранул. По ленточному конвейеру гранулы поступают в сушильный противоточный барабан длиной 10 и диаметром 1,5 м.

После выхода из сушильного барабана от материала отделяются мелкие и  крупные фракции, которые направляются обратно для повторной переработки  в ударно-отражательную дисковую мельницу, а гранулы размером от 1 до 12 мм, нагретые в сушильном барабане до 200 °С, конвейером подаются в промежуточный бункер объемом 5 м3.

При рассмотренной системе подготовки перерабатываться может также глина  и с влажностью выше 20 °/о. В этом случае мельница, тарельчатый гранулятор и сушильный барабан имеют соответственно большие размеры и постоянно загружаются с избытком. Избыточный материал автоматически отводится обратно в мельницу. Здесь сухой материал смешивается с влажным сырьем и перерабатывается по схеме.

Печная установка состоит из бункера объемом 5 м3, загрузочного шлюза, камеры обжига, специальной горелки и затвора. Установка работает периодически с загрузкой каждые 40 с.