Производство керамзитового гравия пластическим методом

Насыпная  объемная масса пористых песков еще  в меньшей степени, чем крупных заполнителей, характеризует их истинную «легкость». Малая объемная масса песка часто достигается за счет не внутризерновой, а междузерновой пористости вследствие специфики зернового состава (преобладание зерен одинакового размера). При введении в бетонную смесь такой песок не облегчает бетон, а лишь повышает его водопотребность. Очевидно, для улучшения качества пористого песка необходим специальный технологический передел дробления материала на песок заданной гранулометрии, а не попутное получение песка при дроблении на щебень.

Наиболее  широкое применение керамзитобетон находит в качестве стенового  материала. В ряде районов страны стеновые панели из керамзитобетона  стали основой массового индустриального строительства. Особенно эффективно применение для стеновых панелей хорошо вспученного легкого керамзитового гравия марок 300, 400, до 500 (по насыпной плотности).

Плотность конструкционно–теплоизоляционного керамзитобетона для однослойных стеновых панелей, как правило, составляет 900–1100 кг/м³, предел прочности при сжатии – 5–7,5 МПа. Такой бетон в конструкции выполняет одновременно несущую и теплоизоляционную функции. В двух– или трехслойных стеновых панелях требуемую несущую способность может обеспечить слой (или два слоя) конструкционного керамзитобетона, а теплозащитную – слой крупнопористого теплоизоляционного керамзитобетона плотностью 500 – 600 кг/м³.

Теплоизоляционный крупнопористый керамзитобетон – самый  легкий бетон, который можно получить на данном заполнителе. Его плотность  при минимальном расходе цемента  лишь немного больше насыпной плотности  керамзитового гравия.

На керамзите  марок 700, 800 получают конструкционные  легкие бетоны с пределом прочности  при сжатии 20, 30, 40 МПа, используемые для производства панелей перекрытий и покрытий, в мостостроении, где  особенно важно снизить массу  конструкций.

 

1.2 Применяемое сырье

 

Сырьем для  производства керамзита служат глинистые  породы, относящиеся в основном к  осадочным горным. Некоторые   камнеподобные   глинистые породы такие как  глинистые сланцы, аргиллиты  относятся к метаморфическим. Для интенсификации процесса горения и газообразования в состав массы вводят такие топливосодержащие добавки как уголь, мазут и др.

Глинистые породы отличаются сложностью минералогического  состава и, кроме глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.) содержат кварц, полевые шпаты, карбонаты, железистые, органические принеси.

Глинистые минералы слагают глинистое вещество –  наиболее дисперсную часть глинистых  пород (частицы мельче 0,005 мм). Собственно глинами называют глинистые породы, содержащие более 30% глинистого вещества.

Для производства керамзита наиболее пригодны монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины, содержащие не более 30% кварца. Общее содержание SiO₂ должно быть не более 70%, А1₂О₃ – не менее 12% (желательно около 120%), Fe₂O₃ + FeO – до 10%, органических примесей –1–2%.

Характер  получаемых изделий определяется преобладанием  в глине тех или иных окислов. Наличие SiО₂ в большом количестве понижает пластичные свойства глины;Al₂O₃ придает изделиям огнеупорность и белизну; Fe₂O₃ является в глине плавнем, т. е. понижает её температуру спекания и плавления, а также придает окраску изделиям; в зависимости от количества Fe₂O₃ в глине цвет изделия может меняться от светло–розового до темно–красного; СаО и MgO, равномерно распределенные в глинах, придают изделиям пористость, а следовательно, легкость и высокое водопоглощение, эти окислы в глине являются плавнями; Na₂O и К₂0 понижают температуру спекания глины. Некоторые из примесей к глине могут быть вредными, например включения известняка. При недостаточном размоле глины известняк, представляющий собой после обжига отдельные включения свободного СаО , активно гасится водой, увеличивается в объеме и разрушает изделие.

Помимо глин, в производстве керамзитных материалов могут применяться диатомиты, трепелы, сланцы и др. Диатомиты и трепелы  применяют в чистом виде или с  примесью парообразующих добавок при  производстве легкого кирпича и  изделий. В некоторых случаях для повышения пластичности масс к ним добавляют глину.

Для получения  легких керамзитных изделий с  повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью в сырьевую массу вводят порообразующие добавки – вещества, диссоциирующие при температуре обжига с выделением углекислоты (глинистый мергель, молотый доломит, мел), а также вещества, выгорающие при обжиге (опилки, изгарь, молотый кокс, коксовый шлам, торфяная пыль).  
Для улучшения свойств керамзитных материалов в состав массы вводят химические добавки. Так, для улучшения качества кирпича добавляют к глине фосфатные соединения. Пластичность формовочной массы может быть повышена путем введения в шихту 0,1–0,3% поверхностно–активных веществ. Для получения керамзитового гравия, кроме вспучивающихся глин, применяют другие виды вспучивающегося минерального сырья: некоторые разновидности диатомитов, сланцев. К числу сланцевого сырья, пригодного для получения пористых заполнителей, относятся сланцы кровельные, шунгитовые, менилитовые [1].

Пригодность того или иного глинистого сырья  для производства керамзита устанавливают  специальным исследованием его  свойств. Важнейшим из требований к  сырью является вспучивание при  обжиге.

Вспучиваемость характеризуется  коэффициентом вспучивания:

К_В=V_K/V_C,                                                                  (1.1)

гдеV_K– объем вспученной гранулы керамзита; V_C– объем сухой сырцовой гранулы до обжига.

Второе требование к сырью (в  значительной степени связанное  с первым) – легкоплавкость. Температура обжига должна быть не выше 1250°С, и при этом переход значительной части наиболее мелких глинистых частиц в расплав должен обеспечить достаточное размягчение и вязкость массы. Иначе образующиеся при обжиге глины газы, не удерживаемые массой, свободно выйдут, не вспучив материал.

Третье из важнейших требований – необходимый  интервал вспучивания. Так называют разницу между предельно возможной  температурой обжига и температурой начала вспучивания данного сырья. За температуру начала вспучивания принимают ту температуру, при которой уже получается керамзит с плотностью гранулы 0,95 г/см³. Предельно возможной температурой обжига считается температура начала оплавления поверхности гранул.Для расширения температурного интервала вспучивания используют такой прием, как опудривание сырцовых глиняных гранул порошком огнеупорной глины, что позволяет повысить температуру обжига и при этом избежать оплавления гранул.

Глинистое сырье  можно разделить на 4 группы:

Первая группа представлена хорошо вспучивающимся сырьем, позволяющим в оптимальных лабораторных условиях при обжиге по ступенчатому режиму получать образцы керамзита с кажущейся плотностью в куске в пределах 0,2 – 0,5 г/см³ и с коэффициентом вспучивания свыше 4,5. В условиях производства при обжиге в однобарабанных вращающихся печах, отличающихся рядом серьезных несовершенств, влияющих на полноту протекания процесса вспучивания, из этой группы керамзитового сырья удается получить керамзит с насыпной плотностью 250–      350 кг/м³, а в куске 400 – 600 кг/м³ с коэффициентом вспучивания примерно 3 –4,5. Лишь применяя специальные методы, например введение обволакивающих добавок, керамзиту удалось получить в производственных условиях из хорошо вспучивающейся смышляевской глины керамзитовый гравий с насыпной плотностью 150 кг/м³ и коэффициентом вспучивания около 7,5, т. е. достигнуть вспучиваемости, получаемой в лаборатории.

Помимо высокой  вспучиваемости, характерной особенностью керамзитового гравия, получаемого  при нормальном обжиге из тщательно  переработанного хорошо вспучивающегося сырья, является его внутренняя равномерная, мелкоячеистая структура и тонкая, в большинстве своем шероховатая, наружная оболочка зерен.

Выделение в  самостоятельную группу хорошо вспучивающегося  сырья, из которого получается керамзит с насыпной плотностью 250 – 350 кг/м³, имеет еще и ту положительную сторону, что на основе именно такого заполнителя приготовляют, как показал опыт, теплоизоляционный и особенно эффективный конструкционно–теплоизоляционный керамзитобетон класса В3,5 плотностью 700 – 800 кг/м³ для ограждающих конструкций, что, как правило, недостижимо не только для других видов искусственных пористых заполнителей, но и керамзита с более высокой плотностью.

Ко второй группе отнесено средневспучивающееся сырье, из которого в лабораторных условиях можно получить керамзит с кажущейся плотностью в куске 0,5 – 0 ,8 г/см³ и коэффициентом вспучивания 2,5 – 4,5, а в производственных – с насыпной плотностью 350 – 4 00 кг/м³, в куске 600 – 8 50 кг/м³ и коэффициентом вспучивания 2 – 3 .

Получаемый  с соблюдением нормальных технологических  условий керамзитовый гравий из сырья второй группы также имеет равномерную внутреннюю структуру, но его поверхностная корка зерен толще, чем у хорошо вспучивающихся глинистых пород. Под влиянием железистых и органических добавок большая часть пород этой группы повышает свою способность вспучиваться и может быть переведена в группу хорошо вспучивающихся глинистых пород.

Из сырья второй группы получают керамзитовый гравий, на основе которого можно получить достаточно эффективный конструкционно–теплоизоляционный керамзитобетон класса В3,5 плотностью 750 – 900 кг/м³ и конструкционный керамзитобетон классов В5 – В15 плотностью 1000 – 1600 кг/м³.

К третьей  группе отнесено слабовспучивающееся  глинистое сырье, на основе которого в лабораторных условиях можно получить керамзит с кажущейся плотностью 0,8 – 1,2 г/см³ и коэффициентом вспучивания ниже 2,5, а в производственных – с насыпной плотностью 400 – 600 кг/м³, в куске 850 – 1350 кг/м³, с коэффициентом вспучивания около 1,2 – 2.

Из сырья  второй и третьей групп получают весьма эффективный керамзитовый гравий для конструкционного и высокопрочного керамзитобетона плотностью 1000 – 1800 кг/м³ и прочностью 100 – 500 кг/см³ и выше.

На основе ряда разновидностей слабовспучивающегося сырья с применением железистых и органических добавок может  быть получен керамзитовый гравий плотностью 350 – 400 кг/м³, пригодный для производства эффективного конструкционно–теплоизоляционного керамзитобетона класса В3,5 плотностью 800 – 900 кг/м³. Это обстоятельство тем более важно, что в большинстве районов страны имеются лишь слабовспучивающиеся суглинки.

К четвертой  группе отнесено практически не вспучивающееся при обжиге глинистое сырье. С  повышением содержания в хорошо вспучивающемся сырье оксидов А1₂О₃, Fe₂O₃ + FeO; К₂О + Na₂О и органических веществ до определенного предела, вспучиваемость пород возрастает, а при уменьшении – снижается. Влияние же кремнезема противоположно – с уменьшением его содержания вспучиваемость увеличивается.

Кроме глинообразующих  минералов присутствуют примеси: кварцевый  песок, карбонатные, железистые, органические, растворимые соли.

Для регулирования  свойств глиняной массы вводят отощающие  добавки, которые уменьшают огневую и воздушную усадку. В качестве отощающих добавок применяют кварцевый песок (для стеновых изделий размером 0,2–2 мм), молотый шлак, отходы керамзитового и аглопоритового производства, золу до 10–25 %. Более качественными отощающими добавками являются молотая дегидратированная глина (прошедшая термообработку при 700–750 °С), шамот (измельченная, специально обожженная глина при температуре, равной температуре обжига изделия), измельченный бой обожженных изделий. Их вводят в количестве до 40 %.

Порообразующие, или выгорающие, добавки применяют  для уменьшения средней плотности  стеновой керамики и сокращения расхода  полноценного топлива; на этапе сушки они выполняют рольотощающих добавок. В качестве выгорающих добавок применяют древесные опилки (8–25 %), молотый антрацит, кокс, бурые угли, тощие каменные угли (2–2,5 %), золы ТЭЦ до 15 % и др.

Плавни–добавки в смеси с глинистым, веществом дают легкоплавкие соединения и снижают температуру обжига изделий. В качестве  плавней  используют  измельченные  полевые  шпаты,   нефелиновые сиениты, пегматиты, перлиты, молотое легкоплавкое стекло, шлаки, фосфаты натрия и кальция и др.

Пластифицирующие  добавки увеличивают пластичность и связанность глин. К таким  добавкам относят высокопластичные глины, бентониты, поверхностно–активные вещества – отходы целлюлозной промышленности, синтетических жирных кислот и др.

 

1.3 Способы производства

 

В настоящее  время существует много способов изготовления керамзита, такие как:

–сухой;

–пластический;

–порошково–пластический;

–шликерный(мокрый);

–метод кипящего слоя и т.д [1].

Технология  изготовления керамзита включает следующие  основные технологические этапы:

 – добыча  сырья и доставка на предприятие;

 – переработка  сырья и получение гранул необходимых  размеров;

 – термическая  обработка гранул, включающая сушку  гранул, обжиг во вращающейся печи и последующее охлаждение готового продукта;

 – рассеивание  готового продукта на фракции,  а в случае припекания гранул  друг к другу – частичное  дробление;

 – хранение  и отгрузка потребителю

Самый простой  с точки зрения аппаратурного  оформления является сухой метод изготовления керамзита. Он наиболее экономичный по капиталовложениям. Недостатком этого метода является слабая распространенность достаточно сухих уплотненных глин.

Сущность  метода заключается в следующем: глинистые породы невысокой природной  влажности подвергают дроблению, просеиванию  и направляют на обжиг во вращающуюся  печь. Влажность направляемой на обжиг  глинистой крошки не должна быть более 9%. Если она выше, то перед обжигом во вращающейся печи осуществляют подсушку в сушильном шкафу. Как правило, обжигают каждую фракцию в отдельной вращающейся печи.

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.