Виды производства керамзита

Суть процесса производства керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по заданному 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 маленьких 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 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 процессе производства керамзита нужен быстрый 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 разгореть гранулу до температуры вспучивания, 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 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 стремительным 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 примерно 3% и не быстро вращаются вокруг своей оси. Благодаря этому сырцовые гранулы, закладываемые в верхний конец печи, при ее вращении, медленно скатываются к противоположному 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, в итоге, попав в зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Обычное время пребывания гранул в печи — примерно 45 мин.

Чтобы обеспечить требуемый режим термообработки, зону вспучивания печи, напрямую 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 с разными скоростями.

В двухбарабанной печи получается создать требуемый для каждого вида сырья 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 оптимальные скорость и длительность нагрева на каждом этапе термообработки, но и переменная газовая среда.

Значение характера газовой среды в выпуске керамзита обусловлено происходящими 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 обеспечивается за счет 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, как правило, нежелательна, хотя имеется и другая точка зрения, согласно которой разумно производить 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 увеличению коэффициента вспучивания исходного материала, так как невспучивающегося или маловспучивающегося исходного материала для получения высокопрочного заполнителя имеется достаточно, а хорошо вспучивающегося не достаточно. С этой точки зрения 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 здесь должна быть слабоокислительной. При этом во вспучивающихся гранулах находится вос­становительная среда, дающая 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 свидетельствует 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 способ применяют при наличии камнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые сланцы). Он наиболее прост: сырье дробится и выкладывается во вращающуюся печь. Предварительно не­обходимо отсеять мелочь и крупные куски, отправив их на повторное дробление. Этот способ оправдывает себя, если исходная порода однородна, не содержит вредных включений и характеризуется достаточ­но большим коэффициентом вспучивания.

Наибольшее 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 определяет ка­чество готового керамзита. Поэтому целесообразна тщательная переработка глинистого сырья и формование плотных гранул одинакового размера. Размер гранул устанавливается исходя из требуемой крупности керамзитового гравия и установленного для данного сырья коэффициента вспучи­вания.

Гранулы с влажностью примерно 20% могут сразу посылаться 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 нарушением его естественной структуры, усреднение, гомогенизация, а так­же возможность улучшения его добавками позволяют повысить 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 формуют гранулы, как описано до этого. 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 подходит: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном состоянии его легче перемешать и гомогенизировать; если требуется подмешивать добавки, то при помоле их легче равномерно распределить; если в сырье есть инородные включения зерен известняка, гипса, то в помолотом и распределенном по всему объему виде они уже не опасны; если такая тщательная обработка сырья приводит к увеличению вспучивания, то повышенный выход продукции и его более высокое качество окупают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) способ заключается в растворении 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 стоит завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими из печи газами и частично высушивают пульпу, затем разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа — повышенный расход топлива, обусловленный большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются достижение 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 использован 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, производимый по любому из описанных выше способов, после обжига необходимо остудить. 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 снижением прочности.

Сразу после вспучивания нужно быстрое охлаж­дение керамзита до температуры 800—900 °С для закрепления структуры и предотвращения окисления закисного железа. после требуется 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, повышающих прочность керамзита. После этого желательно относительное быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

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

Для фракционирования керамзитового гравия используют грохоты, в основном 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.

О производстве керамзита

Сущность процесса производства 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 происходит в основном при более маленьких 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 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 процессе производства керамзита нужен активный подъем температуры, так как при медленном обжиге большая часть газов выходит из глины до ее размягчения и в итоге получаются плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро нагреть материал до температуры вспучивания, ее для начала нужно подготовить, т. е. высушить 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 распасться (взорваться).

Оптимальным считается ступенчатый режим термообработки по С. П. Онацкому: с медленным нагревом сырцо­вых гранул до 200—600 °С (в зависимости от особенностей сырья) и последующим стремительным 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 примерно 3% и не быстро вращаются вокруг своей оси. Благодаря этому сырцовые гранулы, закладываемые в верхний конец печи, при ее вращении, медленно передвигаются к другому концу барабана, где стоит форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы пере­мещаются навстречу потоку разогретых газов, подогреваются и, наконец, попав в зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Среднее время нахождения гранул в печи — примерно 45 мин.

Чтобы получить оптимальный режим термообработки, место вспучивания печи, напрямую примыкающую к форсунке, в некоторых случаях 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 нужный для каждого вида материала 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 материала для произ­водства керамзита сравнительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья нужно стре­миться к оптимизации режима термообработки.

Из иностранного опыта известно, что для получения 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 оптимальные скорость и длительность нагрева на каждом этапе термообработки, но и переменная газовая среда.

Значение характера газовой среды в выпуске керамзита обусловлено происходящими 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 перехода глины в пиропластическое состояние. Внутри гранул восстановительная среда поддерживается за счет 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 производить 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 увеличению 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 значительной толщины на керамзитовом гравии показывает о недо­использовании способности сырья к вспучиванию и умень­шении выхода продукции.

В восстановительной среде зоны вспучивания печи мо­жет получиться оплавление поверхности гранул, поэтому газовая среда здесь должна быть слабоокислительной. Во время этого во вспучивающихся гранулах находится вос­становительная среда, дающая 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 свидетельствует 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 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 большим коэффициентом вспучивания.

Большее распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому метод перерабатывается во влажном 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 последующей транспортировке или при специальной обработке окатываются, округляются.

Качество сырцовых гранул во многом показывает ка­чество получаемого керамзита. Поэтому целесообразна тщательная обработка глинистого сырья и получение плотных гранул одного и того же размера. Размер гранул задается исходя из требуемой крупности керамзитового гравия и установленного для данного сырья коэффициента вспучи­вания.

Гранулы с влажностью примерно 20% могут сразу посылаться во вращающуюся печь или, что целесообразнее, сначала подсушиваться в сушильных барабанах, в других теплообменных устройствах с использованием жара 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 больших капиталовложений, но, в этом случае, обработка глинистого сырья с разрушением его естественной структуры, усреднение, гомогенизация, а так­же возможность улучшения его добавками позволяют повысить 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 выше. Необходимость помола обусловлена с затрата­ми. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, нужна его сушка перед помолом. Иногда этот способ подготовки сырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном виде 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 размолотом и распределенном по всему объему виде они уже не опасны; если такая тщательная обработка 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 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 выходящими из печи газами и частично высушивают пульпу, после этого разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа — увеличенный расход топлива, обусловленный большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются достижение 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 использован 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, производимый по любому из описанных выше способов, после обжига необходимо остудить. Установлено, 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 снижением прочности.

Сразу после вспучивания нужно 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 сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

Первый этап охлаждения керамзита осуществляется 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, 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.

Доставка керамзита до объекта заказчика в основном производится самосвалами с кузовом разного объема, оптимально подходящего для доставки нужного заказчику количества керамзита.