Производство полукислых огнеупоров

По химическому составу (по предложению Августинника) глины классифицируют на группы, в которых в качестве показателей принято отношение молей Al₂О₃/ SiО₂ и суммы молей плавней:

∑(R₂0 + R0 + Fe₂O₃).

Химический состав глин определяет их пригодность для изготовления тех или иных изделий (рис. 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Группировка глин в зависимости от их состава (по Августиннику) для производства:

шамотных огнеупоров (1); кислотоупорных изделий и плиток (2); гончарных и терракотовых изделий (3); черепицы (4); каменных изделий и кирпича (5,6)

 

Потери массы при прокаливании (∆т_прк). При прокаливании глин до 900 °С из них удаляются химически связанная вода, углекислота карбонатов, выгорают органические примеси и сера. В глинах с незначительным содержанием органических веществ и обычным количеством примесей ∆т_прк зависят в основном от присутствия в них глинистого вещества. В связи с этим по потере при прокаливании, которая определяется быстро и легко, можно косвенно судить о количестве каолинита, а следовательно, и глинозема.

Минеральный состав. Огнеупорные глины основных месторождений России подразделяют на три минеральных типа: 1) каолинитовые; 2) гидрослюдистые-монотермитовые; 3) гидраргиллитовые. Встречаются глины промежуточных типов, состоящие из смеси этих минералов; наиболее распространены каолинитовые глины. Каолинитовые и гидрослюдистые глины могут иметь близкий химический состав, но, как правило, глины с высоким содержанием глинозема являются каолинитовыми и высокоспекающимися, а глины гидрослюдистые с высоким содержанием щелочей -монотермитовыми и низкоспекающимися.

Каолинит Al₂О₃∙2SiО₂∙2H₂О имеет плотность 2,58-2,59 г/см³, твердость около 1; цвет белый или окрашенный органическими либо железистыми примесями в светло-желтые тона. Под микроскопом каолинит наблюдается только при больших увеличениях в виде отдельных пластинок. В глинах некоторых месторождений (Трошковского) пластинки каолинита цементируются коллоидной кремнекислотой в призматические скопления. При обжиге такие скопления расширяются подобно гармошке; отдельные пластинки каолинита спекаются, уменьшаясь в объеме. Кислоты НСl и HNО₃ на каолинит почти не действуют; H₂SО₄, особенно при нагревании, разлагает каолинит сравнительно легко. Каолинит относят к триклинной сингонии. Кристаллы его имеют форму псевдогексагональных чешуек, пластинок, часто собранных в столбики («колода карт») и другие образования. Скопления кристаллов имеют совершенную спайность по плоскости (001) и легко расщепляются на гибкие и неупругие пластинки. При прессовании глин скопления каолинита ориентируются по отношению к плоскости прессования как плоскостями (001), так и плоскостями (100), (010), (11О). Ориентировка частиц зависит от давления прессования, реологических свойств массы, влажности и природных свойств глин.

Монотермит 0,2Me₂О∙Al₂О₃∙3SiО₂∙1,5H₂О+aq имеет кристаллы пластинчатой формы, но не образует скоплений; он отличается от каолинита оптическими и физическими свойствами. Открыт академиками Белянкиным и Куманиным. Содержание монотермита в глинах обусловливает их пониженную температуру спекания и высокую пластичность.

Гидраргиллит Аl(ОН)₃ (65,4% Аl₂O₃, 34,6% Н₂O) имеет плотность 2,35 г/см³, твердость 2,0-2,5; цвет белый, кристаллы тонкочешуйчатого сложения. Гидраргиллит часто встречается вместе с другими гидратами глинозема - бёмитом и диаспором.

β-кварц SiO₂ содержится в глинах как в крупных фракциях, так и в тонких. В зависимости от этого кварц по-разному влияет на технические свойства глин. Кварц, содержащийся в огнеупорных глинах некоторых месторождений, растрескивается при обжиге, увеличивая пористость массы. С кислотами, за исключением HF, не реагирует; при взаимодействии с последней образует летучее соединение SiF₄.

Пирит FeS₂, имеющий твердость 6,0-6,5, легко определяется по светлому латунно-желтому цвету и штриховатости граней. В глинах встречается обычно в виде мелких зерен, а иногда в виде крупных агрегатов размером более 5 см.

Марказит FeS₂ отличается от пирита копьевидными или таблитчатыми формами. В глинах Богдановичского месторождения встречается в виде крупных сростков шаровидной формы.

Кальцит СаСO₃ встречается чаще в виде единичных зерен. С разбавленной НСl легко реагирует с шипением, выделяя СO₂.

Рутил TiO₂ встречается в тонкораспыленном состоянии.

В качестве других примесей в огнеупорных глинах встречаются сидерит FeCO₃, гипс CaSO₄∙2H₂O, турмалин (Na,Ca) (Mg,A1)₆∙[B₃Al₃S₁₆(O,ОН)₃₀], циркон ZrSiO₄, дистен Al₂O₃∙SiO₂ и др. В производстве глиноземо-кремнеземистых изделий монтмориллонитовые глины могут применяться в виде добавки в связку в качестве пластификатора и пирофиллит взамен шамота.

1.3 Свойства огнеупорных глин и каолинов

Физические свойства и огнеупорность. Плотность каолинов, определенная после высушивания при 150°С, составляет 2,58-2,62 г/см³, твердость 2-2,5. Плотность глин изменяется в более широких пределах (2,5-2,8 г/см³). Огнеупорность глин и каолинов равна 1580-1770 °С и зависит в основном от их химического состава.

Пластичность. Пластичностью называют способность увлажненных глин под действием незначительных внешних усилий изменять свою форму без появления трещин и сохранять ее в статическом состоянии. Пластичность глин обусловливается их коллоидно-дисперсными свойствами. Она повышается с уменьшением размера слагающих их частиц. Пластичность у различных глин неодинакова; некоторые глины вообще ее не имеют. Глины подразделяют на высокопластичные, пластичные, среднепластичные, малопластичные и непластичные. Каждому сорту огнеупорных глин присваивается буквенное обозначение месторождения (одна или две буквы), затем следует цифра, указывающая сорт глины; полукислые и углистые глины дополнительно обозначают буквами ПК и У соответственно. Для некоторых глин имеются дополнительные обозначения: полу сухарная - ПС, пластичная - П, сухарная - С.

Связность и связующая способность. Из-за большой усадки глин при сушке и обжиге из одних глин трудно изготовлять изделия правильной формы и точных размеров, поэтому в технологии шамотных огнеупоров к глинам добавляют шамот. Количество добавляемого шамота зависит от связующей способности глин, под которой понимают свойство глин в присутствии воды связывать непластичные материалы (шамот) с получением после формования или прессования достаточно прочных изделий. Чем выше пластичность глин, тем выше их связующая способность. Однако связующая способность и пластичность - это различные свойства. По связующей способности, т. е. по количеству песка, связываемого глиной, глины делят на четыре группы: связующие с содержанием песка 50 %; пластичные (20-50 %), тощие (20 %) и камнеподобные (сухари и сланцы), которые не образуют теста и не обладают связывающей способностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Технология  производства

2.1 Технологическая  схема производства

Схема производства полукислых огнеупоров в общем виде представлена на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Схема производства полукислых огнеупоров

 

2.2 Описание  технологической схемы производства

Производство шамота. Шамот готовят путем обжига глины. Критерием качества шамота служит его водопоглощение: у качественного шамота оно должно быть менее 5 %, у особокачественного менее 2 % (в зернах размерами 2-3 мм). Водопоглощение шамота зависит от свойств глины, температуры обжига и способа подготовки глины.

Наиболее распространен обжиг глины на шамот во вращающихся печах. На рис. 3 показана схема обжига глины на шамот сухим способом.

 

 

Рисунок 3 – Схема обжига глины на шамот сухим способом

Глины и каолины, рассыпающиеся при обжиге, нельзя подавать непосредственно во вращающиеся печи, их следует предварительно брикетировать или гранулировать. С этой целью глины сушат, измельчают в дезинтеграторе, увлажняют в двухвальном смесителе и брикетируют на пресс-вальцах или гладких вальцах.

Некоторые затруднения при обжиге глины на шамот во вращающихся печах связаны с улавливанием и использованием пыли. От одной вращающейся печи длиной 60 м системой пылеочистки улавливается 60-70 т/сут (10-12 % обожженного шамота). Улавливаемая пыль представляет собой смесь мелких частиц глины разной степени обжига, и в таком виде ее использование ограничено, поэтому пыль направляют обратно в печь на обжиг. Но предварительно пыль в смеси со свежей пластичной глиной обрабатывают в двухвальных смесителях, а затем подают в ленточный пресс, в пресс-вальцы или бегуны с дырчатой чашей. Уловленную и брикетированную пыль обжигают с сырой глиной.

По мере продвижения во вращающейся печи в глине протекают последовательно процессы удаления влаги (сушка), дегидратации и спекания. Вместе с этим происходят измельчение глины и унос пыли. В соответствии с физико-химическими процессами, протекающими при обжиге глин, по длине печи различают зоны подготовки и спекания. Протяженность зон и соответствующее время пребывания материала в печи влияют на полноту протекания физико-химических процессов и образование пыли. Увеличение длины зоны спекания при соответствующем уменьшении длины зоны подготовки благоприятно влияет как на спекание глины, так и на уменьшение пылеуноса, хотя прямой зависимости нет.

Общая длительность пребывания материала в печи зависит от размеров печи, частоты ее вращения, коэффициента заполнения по объему, угла наклона и свойств материала (угла трения).

При обычных условиях, т. е. при частоте вращения печи от 0,8 до 1,5 мин^-1, угле наклона около 5°, диаметре в свету около 2,0 м и длине печи 60 м, длительность пребывания материала в печи составляет 3,0-3,5 ч. За такое сравнительно небольшое время глины многих месторождений полностью и равномерно спекаются. Равномерности спекания способствует непрерывное пересыпание глиняной кусковой массы при движении. Шамот, полученный во вращающейся печи, не подвергают грубому дроблению, что является преимуществом этого способа обжига глины. Унос части глины в виде пыли совместно с дымовыми газами снижает экономичность обжига во вращающейся печи. Унос пыли зависит от свойств глины, режима обжига, размеров печи и скорости движения в ней дымовых газов.

Повышение скорости движения газов (>1,0 м/с по объему продуктов сгорания) вызывает резкое увеличение уноса пыли. Около половины ее уносится из зоны подсушки (до гидратации глины). Посредством пылеулавливающей аппаратуры (пылевых камер, электрофильтров) возможны осаждение до 90 % всей пыли и соответственно снижение безвозвратных потерь глины до 1,0-0,5 %. Удельный расход массы условного топлива 0,14 т/т.

Снизить расход топлива и уменьшить унос пыли можно применением двухзонной испарительной решетки, подачей на решетку брикетированной глины, использованием шахтных теплообменников, изменением профиля вращающихся печей и т. д.

Внедрение вращающихся печей для обжига глины на шамот на некоторых заводах встретило затруднения; так, изделия, изготовленные из шамота, обожженного во вращающихся печах, в обжиге дают не усадку, а рост. Это наблюдается при использовании некоторых видов глин. Причина роста - незавершенность процесса муллитизации в процессе обжига во вращающейся печи. При быстром затвердевании жидкой фазы муллит не успевает кристаллизоваться. Удлинение времени обжига и повышение температуры, а также введение 0,5-1,0 % добавок минерализаторов типов MgO и N₂O ускоряют процесс муллитизации.

Внедрение этих мероприятий, а также более тонкий помол шамота устраняют рост изделий в обжиге.

Зерновой состав шамота. В пластичных массах, содержащих 35-40 % глины и соответственно 65-60 % шамота, зерновой состав последнего существенно влияет на механическую прочность, термостойкость, шлакоустойчивость, газопроницаемость и несколько меньше - на пористость изделий. Кажущаяся плотность изделий из таких масс в большей степени зависит от верхнего предела крупности шамота, а не от соотношения его отдельных фракций. Размер шамотных зерен в этом случае влияет также на размер пор. С увеличением крупности зерен шамота в изделиях растет число трещинок разрыва по границе между шамотом и глиной, так как глина при обжиге дает усадку, а зерна шамота почти не изменяют своего объема. В крупнозернистых массах такие трещинки нередко окаймляют зерна шамота и разбивают изделие на отдельные участки. В массах, содержащих 75 % шамота, его зерновой состав оказывает решающее влияние на пористость изделий, поскольку последняя зависит от структурной укладки частиц.

При производстве многошамотных изделий обычно используют шамот двух или трех фракций; при производстве нормальных (рядовых) шамотных изделий шамот не фракционируют. В двухфракционном шамоте размер крупной фракции должен быть, по крайней мере, больше мелкой в 10-20 раз. Размер крупных частиц подбирают в пределах 2-3 мм, так как фракции крупнее 3 мм не обеспечивают получения четких ребер и углов изделий. Размер мелкой фракции шамота влияет не только на плотность укладки, но и на физико-химические процессы при обжиге изделий, прежде всего на спекание. Зависимость между пористостью изделий при обжиге и тониной помола компонентов, заполняющих промежутки между частицами крупной фракции шамота, аналогична зависимости между отношением поверхности частиц к их объему.

Количество крупной и мелкой фракций шамота находят опытным путем для каждой разновидности глин и условий производства. Оптимальное содержание крупной фракции шамота в массе близко к теоретическому содержанию шаров, соответствующему укладке с шестью точками касания. Непрерывный зерновой состав масс, содержащих менее 70 % шамота, приведен ниже:

Фракция, мм ………... 2-3      2-0,5     <0,5

Содержание фракции, %  10-25    10-30    30-50

Такой состав получают помолом в какой-либо одной машине, обычно в шаровых мельницах. Выбор типа мельницы зависит от требуемого верхнего предела крупности частиц шамота. При помоле шамота на бегунах и особенно в шаровых мельницах в порошках наблюдается заметное увеличение содержания железа из-за истирания шаров и футеровки; количество его достигает 0,3-0,6 % массы измельчаемого шамота материала. Удаляют железо магнитными сепараторами, улавливающими его в количестве не более 50 %.