Выбор и обоснование способа производства керамического кирпича

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова»

Кафедра ТСК

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине: «Технология строительной керамики»

на тему: «Выбор и обоснование способа производства керамического кирпича«

Белгород 2012

Реферат

Пояснительная записка стр. 33, рис. 6.

Керамический кирпич. Сырьевые материалы. Технологическая схема. Пластическое формование. Полусухое формование. Обжиг в кольцевой печи. Технологические расчеты. Оборудование.

Описаны требования, предъявляемые к керамическому кирпичу в соответствии с ГОСТом 530−2007, и области его применения. Описана характеристика сырьевых материалов и сделано обоснование их выбора. Обоснована и выбрана технологическая схема производства. Приведено обоснование выбора основного технологического оборудования и сделан его подбор, описана аппаратурная схема производства, проведено сравнение пластического и полусухого методов формования керамического кирпича.

1. Сырьевые материалы

2. Переработка сырья и подготовка масс (пресс-порошков)

3. Пластическое формование

4. Полусухое формование Заключение Список литературы

Производство керамических изделий имеет тысячелетнюю историю. Археологами обнаружены керамические изделия, изготовленные 12−13 тыс. лет назад.

Керамика происходит от греческого слова keramos, что означает рог, применяемый для питья. Название это перешло сначала к глиняным сосудам, а затем и ко всему глиняному производству, то есть под технологией керамики длительное время понимали науку о методах производства изделий, из глинистого сырья. За последние годы это понятие получило более широкое толкование. Керамическая технология, предусматривающая изготовление глиняных изделий путем формования и обжига, в последнее время получила распространение в производстве керамики из другого минерального не глинистого сырья — из чистых оксидов (техническая керамика) и отходов промышленности (золы, углеотходы и др.). В этой связи понятие технологии керамики получило толкование как науки о методах производства изделий из минерального сырья, путем придания им камнеподобных свойств посредством обжига.

Применение глины для изготовления керамических изделий было известно уже в глубокой древности, так как глина являлась наиболее подходящим и доступным для этих целей материалом.

1. Сырьевые материалы

Глинистые материалы. В производстве кирпича и керамических камней используют в основном легкоплавкое глинистое сырье — глины, суглинки, глинистые сланцы (аргиллиты) и сланцевые глины, лессы и т. д.

Химический состав сырья для производства кирпича и керамических камней по сравнению с другими в диаграмме А. И. Августиника (рис. 1) занимает большую область, так как колеблется в широких пределах (в %): SiO₂ — 45−80; А1₂О₃ + ТО₂ — 8−28; Fe₂O₃ -2−15; СаО — 0,5−25; MgO — 0,0−4; R₂O — 0,3−5; п. п. п. 3−16.

Рис. 1. Области расположения глин в зависимости от химического состава Кремнезем (SiO₂) находится в глинах в связанном (в составе глинообразующих минералов) и свободном (песок, шлюф) состояниях. Повышенное содержание свободного кремнезема указывает на наличие относительно большого количества песка в глинистом сырье, повышенную пористость черепка и меньшую механическую прочность. Такое сырье мало или совсем непригодно для изготовления изделий сложного профиля.

Для глин с повышенным содержанием глинозема (А1₂О₃) требуется более высокая температура обжига, при значительном интервале между температурой начала спекания и плавления, что облегчает процесс обжига изделий, так как уменьшается возможность деформации (подвара) изделий. При пониженном содержании глинозема прочность изделий снижается. Для производства тонкостенных многопустотных камней содержание глинозема в глинах должно быть от 13 до 20%, кремнезема — от 50 до 75%. При меньшем содержании глинозема сырье необходимо перерабатывать тщательнее.

Оксиды железа встречаются в глинах в виде окисных соединений (гематит, гидрооксиды и др.), закисных (сидерит, анкерит, перит и т. д.), закись-оксидных (магнетит, глауконит и т. д.)

Они способствуют уменьшению температурного интервала спекания глины и делают ее короткоплавкой (кроме ферросиликатов). Изменяя печную среду от окислительной до восстановительной (на конечной стадии обжига), можно в большей степени выявить действие железистых соединений как плавней. Эти соединения придают окраску изделиям после обжига от светло-кремовой до вишнево-красной в зависимости от содержания их в глине.

Сульфиды в легкоплавких глинах представлены главным образом пиритом FeS и марказитом FeS₂.

Оксиды кальция входят в состав глинистых материалов в виде известняков СаСО₃, доломитов CaMg (CO₃)₂, сульфатов CaSO₄ и других минералов. Будучи равномерно распределенными, в глине и находясь в тонкодисперсном состоянии, оксиды кальция уменьшают связывающую способность и понижают температуру плавления глины, делая ее короткоплавкой и затрудняя обжиг изделий из-за возможности подваров. При содержании в глине около 10% СаСО₃ она имеет интервал спекания 30−40°С. Интервал плавления глины может быть в таких случаях увеличен добавлением кварцевого песка.

При температуре обжига изделий до 1000 °C действие известняка проявляется главным образом в изменении пористости и прочности изделий и меньше как плавня. В результате диссоциации оксида углерода пористость черепка изделий повышается при одновременном снижении прочности. Значительное содержание оксида кальция способствует осветлению изделий (кремовая, желтая окраска) даже в присутствии оксидов железа. Так, при соотношении Fe₂O₃ к СаО не менее 0,4 цвет черепка после обжига светло-розовый, при 0,3 — желтый, при 0,2 — светло-желтый. Глины, содержащие известковые включения в виде конкреций, должны быть очень тонко помолоты (величина частиц < 0,6 мм), а еще лучше подготовлены шликерным способом, гарантирующим полное удаление включений.

Оксид магния MgO как плавень действует аналогично СаО, только меньше влияет на интервал спекания глин.

Оксиды щелочных металлов Na₂O, K₂O являются сильными плавнями, способствуют повышению усадки, понижению температуры образования расплава, уплотнению черепка изделий и повышению его прочности.

Наличие в глинистом сырье растворимых солей до 1,5% сульфатов и хлоридов натрия, магния, кальция, железа вызывает выцветы (белые налеты) на поверхности изделий, что не только портит внешний вид, но и способствует разрушению поверхностного слоя изделий.

Органические вещества всегда встречаются в легкоплавких глинах (до 15%). Крупные включения (корни и др.) удаляются при переработке глины, остальные выгорают при обжиге.

Гранулометрический состав глинистого сырья характеризуется большим разнообразием: Размер частиц Менее 5 мкм 8−60%

5−50 мкм 6−55%

50−250 мкм 1−22%

более 1000 мкм 10%

К глинистой части относят фракции с размером частиц менее 5 мкм, к пылеватой — от 5 до 50 мкм, к песчаной — от 50 мкм до 2 мм.

Для тонкостенных и крупноразмерных керамических камней содержание фракций меньше 2 мкм должно быть не ниже 24%, а для улучшения сушильных свойств — не выше 50%. Содержание фракций размером 2−20 мкм должно быть 30−47%. Увеличение размеров фракций до 10−20 мкм способствует лучшему уплотнению массы и повышению прочности изделий. Содержание фракций размером более 20 мкм допускается в предела 6−34%. Крупных фракций, в том числе и добавочных материалов, не должно быть более 2 мм в поперечнике.

Гранулометрический состав легкоплавких глин тесно связан с минералогическим составом. Частицы крупнее 10 мкм представлены главным образом остатками первичных минералов (кварц, полевой шпат, слюда и др.). Фракции 5−10 мкм представлены как в виде остатков первичных минералов, так и в малых количествах вторичных; частицы менее 5 мкм в большинстве состоят из глинистых (каолинит, монтмориллонит) и других минералов вторичных образований.

С повышением дисперсности глин содержание SiO₂ увеличивается (пылевидные фракции). Далее количество его уменьшается за счет увеличения содержания А1₂О₃ и Fe₂O₃. Частицы глины менее 1 мкм при дальнейшем их разделении содержат А1₂О₃ и Fe₂O₃ почти одно и то же количество. В более тонких фракциях повышается содержание Fe₂O₃, К₂О и гумусовых веществ за счет уменьшения содержания СаО и Na₂O. Глины, у которых глинистое вещество представлено минералами монтмориллонитовой группы, более тонкодисперсны, чем каолинитовые.

Таблица 1. Характеристика глинистого сырья Частицы размером менее 5 мкм составляют глинистое вещество и определяют основные свойства глинистого сырья. Повышенное содержание частиц размером менее 5 мкм придает глинам повышенную сопротивляемость размоканию в воде, высокую пластичность и чувствительность к сушке. Характеристика глин увеличивает воздушную и общую усадку. При таких глинах обычно вводят отощающие материалы — песок, шамот и др. Содержание глинистого вещества в сырье для керамических камней должно быть не менее 30%. Повышенное содержание пылевидной фракции в глинах повышает их чувствительность к сушке и обжигу, снижает прочность изделий. Характеристика глинистого сырья в зависимости от содержания пылевидных фракций, песка и глинистых частиц приведена в таблице 1.

Лессы, лессовидные глины и суглинки представляют собой разновидность глинистого сырья, в котором пылевидная фракция представлена главным образом кремнеземом, карбонатом кальция, оксидами железа. Микроструктура лессовидных пород (зернистая, агрегативная и агрегативно-зернистая) зависит от гранулометрического и химико-минералогического составов. Лессы всегда содержат глину, располагающуюся тонкой пленкой 2−30 мкм на поверхности зерен. Лессы, глинистая часть которых представлена каолинитом, имеют зернистую структуру. Они обладают высокой пористостью, малой объемной массой, легко распадаются в воде. Лессы, глинистая часть которых представлена монтмориллонитом, имеют агрегативную структуру и реже агрегативно-зернистую. Толщина глинистой пленки 2 — 10 мкм. Микроагрегаты размером 5−500 мкм более водостойки. Лессы, у которых в глинистой части преобладает слюда, а также содержится каолинит и монтмориллонит, имеют как зернистую, так и агрегативно-зернистую структуру. Глинистые минералы и оксиды железа входят в состав лесса в тонких фракциях 5−1 мкм.

Естественная влажность лессов и лессовидных глин — от 6 до 12%, обычных глин, суглинков и супесей — до 18, ленточных зыбких глин — до 35%.

Глинистые материалы имеют значительные колебания объемной массы 1100−2000 кг/м³, теплопроводности 0,2326−0,8141 Вт/(м· °С), теплоемкости 0,7536−0,9211 кДж/(кг °С) и других показателей. Глинистые материалы для кирпича и керамических камней должны иметь хорошую формуемость (число пластичности — не менее 7), обеспечивать сушку и обжиг полуфабрикатов без деформаций и трещин, иметь воздушную усадку не более 6% для тощих глин, 6−10% для глин средней пластичности и более 10% для высокопластичных глин (число пластичности 15−25), обеспечивать после обжига достаточную пористость и другие свойства изделий (согласно требованиям ГОСТа).

Добавочные материалы. В производстве изделий стеновой керамики глинистое сырье сравнительно редко используется в чистом виде, чаще его используют совместно с различными добавочными материалами, которые разделяют на:

ь улучшающие формовочные свойства массы (высокопластичная глина, поверхностно-активные вещества);

ь улучшающие условия обжига (золы ТЭС, шлаки, уголь);

ь улучшающие сушильные свойства (шамот, песок, дегидратированная глина, опилки);

ь повышающие прочность и морозостойкость (бой стекла, пиритные огарки, железная руда);

ь специального назначения, которые улучшают цвет изделий, предотвращают выцветы, нейтрализуют вредное влияние природных включений, имеющихся в глинах (красители, жидкое стекло и др.).

Отощающие добавки не должны содержать крупных частиц (более 2 мм), а содержание частиц размером менее 0,25 мм не должно превышать 20%. Фракций размером 0,3−1 мм должно быть около 60%. Лучше, если поверхность зерен отощителя шероховатая, а форма — неправильная. Использование мелкозернистого песка с повышенным содержанием пылевидных фракций может увеличить способность массы к расслоению. При вводе более 25% песка снижается марка изделий, повышается их хрупкость, а иногда и трещиноватость. При вводе в глины пониженной пластичности более 18−20% опилок прочность изделий снижается. Разувлажняющие материалы (молотый бой сырца, предварительно высушенная глина, дегидратированная глина и др.) добавляют для понижения естественной влажности изделий. Количество вводимых выгорающих добавок зависит от их калорийности и составляет 60−80% количества топлива, необходимого для обжига.

В настоящее время большое внимание уделяется более широкому использованию в производстве строительной керамики отходов других производств — шлаков и зол ТЭЦ и ТЭС, годовой выход которых в стране составляет более 70 млн. т (использование их не превышает 10%). Кроме того, ежегодно образуется до 150 млн. т отходов добычи и обогащения твердых горючих ископаемых. Использование зол, шлаков, отходов углеобогащения позволяет сократить расход топлива на производство кирпича. Так, при вводе в шихту 15% золы почти полностью исключается ввод топлива примерно 2−33% необходимого для обжига.

Такие добавки ВаСО₃, NaCl и др. вводят в массы для борьбы с вредным влиянием известковых включений (дутика), борьбы с выцветами на поверхности изделий и улучшения других физико-технических свойств масс и изделий.

2. Переработка сырья и подготовка масс (пресс-порошков)

Технологические схемы производства. Свойства сырья, тип изделий, объем производства, способы подготовки сырьевых материалов определяют общие принципы технологических схем производства изделий. Способы переработки сырья и подготовки массы — пластический, полусухой или шликерный — наиболее полно определяют различия технологических схем производства изделий, так как последующие процессы — формование (прессование), сушка и обжиг изделий — не имеют существенного различия.

Рис. 2. Технологическая схема производства пластическим способом Технологическая схема производства изделий с пластическим способом подготовки массы, несмотря на сложность и длительность, наиболее распространена в промышленности стеновой керамики. Примерная технологическая схема подготовки массы пластическим способом при вводе опилок и отходов углеобогащения приведена на рис. 2. Включение в схему сушильного барабана объясняется необходимостью подсушки отходов углеобогащения, влажность которых в зимний период достигает 12−15%.

Технологическая схема производства изделий полусухим способом переработки сырья и подготовки массы применяется в производстве обыкновенного и эффективного кирпича, пустотелых камней при полусухом прессовании изделий, при использовании глинистого сырья пониженной пластичности и влажности примерно следующая (рис. 3):

Рис. 3. Технологическая схема производства изделий полусухим способом Технологическую схему производства изделий со шликерным способом подготовки массы (жидкотекучее состояние) целесообразно применять при использовании глинистого сырья повышенной влажности, которое легко размокает в воде и содержит каменистые включения, подлежащие удалению. Шликерный способ подготовки массы обеспечивает наилучшее разрушение природной текстуры сырья. Основными технологическими переделами при шликерном способе подготовки массы являются (рис. 4):

Рис. 4. Шликерный способ подготовки массы

Дозирование глинистых и добавочных компонентов массы и равномерная подача их на последующую переработку осуществляются ящичным питателем. Ящичные питатели не только дозируют, но и частично разрыхляют сырьевые материалы.

При использовании в производстве тяжелых комовых глин, а также при поступлении частично смерзшихся кусков над ящичным питателем устанавливают ножевой или роторный рыхлитель или виброрешетки.

Измельчение и тонкий помол. Сухие плотные глины с влажностью 8−12% (или предварительно высушенные) измельчают на стругачах, дезинтеграторах, роторных и молотковых дробилках и бегунах. Лессы не требуют предварительного измельчения, так как легко разрыхляются и быстро набухают в воде.

Наиболее эффективны для переработки глин и подготовки пластичных масс бегуны, дробильные зубчатые и гладкие вальцы, вальцы тонкого помола, глинорастирочные и другие машины, измельчающие материал раздавливанием и истиранием.

Прочность обожженных изделий из массы, обработанной на бегунах, повышается на 25−30%. К недостаткам бегунов следует отнести их малую производительность (на 1 т массы около 0,65 м³), повышенный расход электроэнергии, высокую металлоемкость.

Зубчатые (дробильные) вальцы широко применяют для первичного измельчения глин, не содержащих каменистых включений.

Камневыделительные вальцы имеют на поверхности валков винтовую нарезку, по которой плотные включения размером от 35 до 180 мм как бы «вывинчиваются» с вальцов на сторону и удаляются посредством отводящего лотка. Вальцы хорошо работают при размоле тощих глин и хуже при размоле пластичных, так как в канавки налипает глина.

Сушка, помол и рассев глинистых материалов. При подготовке масс (пресс-порошков) полусухим способом сушке глинистого сырья предшествует предварительное измельчение его на дробильно-помольном оборудовании.

В зависимости от объемов производства для сушки глины обычно применяют прямоточные сушильные барабаны длиной 8−14 м и диаметром 0,8−2,8 м (СМ-45А, СМ-147А и др.). Барабаны устанавливают на опорных роликах под углом 3−5° к горизонту.

Рис. 5. Кривые зависимости от длины барабана:

1 — температуры теплоносителя; 2 — температуры глины; 3 — теплопотери в сушильном барабане (в % на каждом участке его длины) Топочные газы перед подачей в сушильный барабан разбавляются в камере смешения холодным воздухом до 650−800°С. Температура отходящих газов — 140 °C, а скорость 1,5−2,0 м/с. Резкое снижение температуры теплоносителя в начале барабана связано с обогревом холодной глины и потерями в окружающую среду (рис. 5). Удельный расход тепла-4145 кДж/кг испаренной влаги. Частичное использование отходящих газов, возврат в камеру смешения (рециркуляция) снижает расход тепла на 16−18%. Температура глины после сушки не более 60−80C.

Основной недостаток в работе сушильного барабана — большой перепад по влажности из-за неравномерной сушки, достигающий 15%, так как за время прохождения глины в барабане (20−30 мин) мелкие частицы пересушиваются, а крупные — не досушиваются. Равномерность сушки регулируют степенью заполнения барабана материалом (около 5%) и скоростью вращения (3−6 об/мин).

Сушка глинистых материалов возможна также в скоростных барабанах, башенных и фонтанных сушилках, путем совмещения процессов сушки и помола в аэробильных (шахтных) мельницах, в сушилках кипящего слоя и др. Обезвоживание суспензий проводят в распылительных сушилках. Если продолжительность сушки глины в сушильном барабане составляет 20−30 мин, то в аэробильных мельницах 1−2 с, в кипящем слое 10−20 с.

Наиболее простая схема совмещения сушки и помола глины в одном агрегате достигается тогда, когда молотковая (роторная) мельница работает по замкнутому циклу с воздушным сепаратором. Материал поступает через тарельчатый питатель на мельницу, измельчается, выносится воздушным потоком в сепаратор или пылеосадительную камеру, откуда поступает в бункер. Крупные частицы из сепаратора возвращаются на домол в мельницу. Горячий воздух или газы при 500−600°С подаются в мельницу и высушивают материал, находящийся во взвешенном состоянии в момент измельчения.

Наибольшие трудности встречаются при необходимости тонкого помола влажных вязких материалов (глины с влажностью до 30%). Помол таких материалов на обычном оборудовании невозможен из-за налипания, а организация предварительной сушки не всегда возможна и дорого стоит. В этом случае применяются помольно-сушильные агрегаты, специально созданные для тонкого помола влажного вязкого глинистого сырья.

Для помола глины также применяются бегуны сухого помола, смесительные или помольно-смесительные (СМ-568). Производительность бегунов 20−14 т/ч.

На фракции измельчаемый материал разделяют просеиванием на специальном оборудовании (сита струнные, плоские и барабанные, качающиеся, вибрационные). Производительность сит повышается, если применяется электрообогрев, вибрация.

Подготовка и ввод добавочных материалов. Песок просеивают на сите с отверстиями 3 мм для удаления крупных включений.

Опилки поступают в сито-бурат с отверстиями 10 мм. Из бункеров просеянные опилки через ящичный подаватель поступают на ленточный конвейер и далее в производство.

Подготовка дегидратированной глины заключается в предварительном дроблении (глинорыхлитель СМ-1031А, вальцы СМ-1198 и т. д.) и нагреве ее во вращающихся печах 2,0 X 22 м с последующим помолом на щековой С-1826 и вальцевой ДВГ-2М 40 X 25 дробилках и др.

Обжигать глину можно также на спекательных (агломерационных) решетках и в печах кипящего слоя.

Пресс оборудован перфорированной решеткой (350 отверстий диаметром 8−10 мм). Угол наклона вращающейся печи — 3°, скорость вращения — 2 об/мин. Продолжительность термической обработки гранул — 20 мин, а давление во вращающейся печи 30−40 Па, температура теплоносителя 500−600°С, производительность установки — 45 т/ч, расход условного топлива на 1 т дегидратированной глины — 40−50 кг, себестоимость 1 т дегидратированной глины — 0,9−1 руб.

Увлажнение и гомогенизация масс. Каждой массе соответствует оптимальная влажность, при которой она обладает наибольшим сцеплением, характеризуемым предельным напряжением сдвига. При этой влажности наиболее полно развиваются гидратные оболочки и адсорбированные пленки воды на глинистых частичках, максимально проявляют свое влияние вандерваальсовские силы молекулярного взаимодействия, завершается процесс диспергирования. Масса приобретает улучшенные деформационные свойства. Полуфабрикат из таких масс имеет максимальную прочность в высушенном состоянии, переносит сушку и обжиг с наименьшими деформациями, а изделия характеризуются максимальной прочностью.

Сланцевые и лессовые глины с влажностью 8−12% требуют значительного количества воды для получения пригодной к формованию массы. Обычные глины, суглинки и супеси имеют влажность до 18% и требуют добавочного увлажнения на 2−8%, в то время как зыбкие глины влажностью до 35% требуют разувлажнения.

Компоненты глинистых материалов по-разному реагируют на увлажнение и процесс гидратации. Каолинит глины малопроницаем для воды и мало набухает, монтмориллонит хорошо гидратируется и набухает в значительной степени, иллиты занимают промежуточное положение, а в зерна песка вода не проникает. Неодинаковая проницаемость воды в минералы является причиной гетерогенного распределения ее в глине или массе, что ухудшает формовочные свойства массы и вызывает брак при сушке и обжиге.

Процесс формования (прессования) протекает нормально, если достигнута влажность массы, позволяющая образовать на твердых частичках гидратные прослойки, которые по толщине равны двум молекулам воды. Возможность образования коагуляционного контакта в предельно концентрированной дисперсии возникает при сближении частичек на расстоянии от поверхности 2000 мкм, т. е. в условиях, когда свободная энергия системы приближается к минимуму, а расклинивающее давление становится отрицательным (преобладают силы сцепления). Образование коагуляционной структуры начинается при влажности массы 4−6%.

При увеличении влажности число контактов возрастает, повышаются модули сдвига быстрой и медленной эластических деформаций, условный статический предел текучести, наибольшая пластическая вязкость; прочность структуры возрастает. При влажности 6,5−9% число контактов с минимальной толщиной гидратной пленки достигает максимально возможного значения, вследствие чего структурно-механические контакты и условный модуль деформации становятся наибольшими. Дальнейшее повышение влажности приводит к росту толщины гидратных слоев между частичками глины, что ослабляет силы молекулярного взаимодействия (силы отталкивания), вызываемые зарядами ионов, действуют на расстоянии до 20 000 мкм.

Увлажнение пластичной массы в два приема (в начале переработки и перед формованием) более эффективно, чем однократное.

Тонкомолотая глина впитывает воду в 5−6 раз быстрее кусковой. Учитывая, что процесс набухания длится 0,5−4 ч и более, массу лучше увлажнять горячей водой (60−70°С) или паром. Проникая в поры, а также в места с дефектами структуры глинистых частичек, горячая вода и пар легче образуют гидратные оболочки, а расклинивающее действие воды проявляется сильнее. Масса, прогретая паром, лучше формуется, при пониженной влажности, расход мощности при формовании снижается на 20−25%, производительность прессов повышается на 8−10%, срок сушки сокращается на 40−50%. Перепад влаги по слоям в полуфабрикате из прогретой массы уменьшается в 2−3 раза, что снижает напряжение и усадку в сырце при сушке. В результате снижается брак и повышается прочность высушенного сырца и готовых изделий.

Для нагрева глины, содержащей 15% влаги, на 14 °C, с учетом всех потерь тепла, вводят 1% пара (от массы глины). Опыт показывает, что расход пара составляет 40−50 г на 1 кг глины.

На заводах для смешения компонентов массы и увлажнения ее используют смесители.

В одновальных (СМ-220, СМ-239) и двувальных (СМ-27, СМ-147А, СM-246, СМК-124, СМК-125, СМК-126) смесителях материал перемешивается (гомогенизируется) лопастями, насаженными на вал, со скоростью до 35 об/мин.

Вылеживание массы. После вылеживания предварительно переработанной и увлажненной глины, почти на 20% повышается производительность глиноперерабатывающего оборудования, улучшаются сушильные свойства глины, повышается прочность изделий не менее чем на 20−30%. Продолжительность вылеживания определяется с учетом химико-минералогического состава исходного сырья и видом изделий.

На заводах, потребляющих глинистое сырье в большом количестве и выпускающих эффективные керамические изделия, вылеживание целесообразно на двух стадиях подготовки массы: длительное — в карьере, на месте добычи, и кратковременное — в цехе подготовки массы, в специальных глинозапасниках ямного (66 X 18 м) или башенного типа, бункерах и других механизированных емкостях. Промежуточные емкости (силосы) от 25 до 350 м³ обеспечивают вылеживание переработанной и увлажненной массы от 5−6 ч до 24 ч. На отечественных заводах используют башни-силосы типа СМК-178 емкостью 150 м³. Производительность башни — 25 м³/ч, установленная мощность электродвигателей — 42 кВт.

Вакуумирование массы. Цель вакуумирования — удаление воздуха из массы. Воздух, адсорбированный поверхностью глинистых частичек, замедляет смачивание их водой, препятствует равномерному уплотнению массы, способствует расширению бруса при выходе из мундштука, образуя тем самым микротрещины, выявляющиеся при сушке и обжиге изделий. Кроме того, воздух препятствует проникновению влаги в поры глины, разъединяет частички глины друг от друга, т. е. действует в массе как отощитель, что особенно снижает формовочную способность глиняных масс. Количество воздуха в глинах средней пластичности 2−3% по объему, у тощих — 3−4%. Сланцевые глины содержат незначительное количество воздуха, поэтому вакуумирование их нецелесообразно. После вакуумирования в глиняной массе остается до 0,5% воздуха.

Разрежение создается вакуумными насосами СМ-293, СМ-494, РМК или ВН-6 в вакуум-камере. Для большинства глин оно составляет 84−96 кПа.

Плотность сырца из вакуумированной массы повышается на 6−8%, коэффициент влагопроводности уменьшается в 1,5−3 раза, что удлиняет срок сушки, особенно сырца из пластичных глин. Но это частично компенсируется возможностью увеличения (до 50%) количества отощающих материалов, снижением формовочной влажности на 2−3%, что, в свою очередь, позволяет осуществить более форсированную сушку так как воздушная усадка сырца из вакуумированной массы снижается на 2,5−3,5%. Прочность сырца возрастает с увеличением вакуума, причем одновременно уменьшаются пределы нагрузок, вызывающих деформации. Коэффициент однородности кирпича, определенный ультраакустическим методом, из вакуумированной массы на 7−15% выше, чем у кирпича из невакуумированной массы. Прочность высушенного сырца из вакуумированной массы в 1,6 раза выше, чем из невакуумированной. Объемная масса обожженных изделий увеличивается на 3−4%. Водопоглощение понижается на 10−15%, а прочность увеличивается почти в два раза.

3. Пластическое формование

Назначение формования — придать форму, размер, плотность и необходимую прочность полуфабрикату. Пластическое формование кирпича и керамических камней выполняется машинным способом.

Условия формования. Непременным условием пластического формования изделий является использование достаточно вязких масс, У которых сумма сил внутреннего сцепления (когезия) больше сцепления с рабочей поверхностью формующего оборудования (адгезия), а коэффициент внутреннего трения больше коэффициента внешнего трения.

Способ жесткого формования применим при использовании высоковязких «жестких» масс требующих больших затрат энергии на формование и усиление конструктивных узлов формовочных машин, но зато частично или полностью устраняется сушка и улучшается качество изделий. При формовании изделий из «жестких» масс (влажность 12−16%) используются только каолинитовые глины. Лессовые глины и глины, обладающие высокими тиксотропными свойствами, непригодны для «жесткого» формования. Кроме того, «жесткое» формование не применяется для изготовления пустотелых камней с содержанием пустот более 20% при формовании изделий из «жестких» масс прочность свежесформованного сырца 0,3−5 МПа, тогда как при обычном пластическом формовании прочность сырца при сжатии менее 0,2 МПа. Усадка сырца не превышает 5%. Жесткое формование осуществляют на мощных шнековых прессах при влагосодержании керамической смеси 12… 16% и давлении 3,5…6,5 МПа. Кирпич-сырец прочностью более 0,3 МПа укладывается автоматом-садчиком в пакеты высотой в 12 рядов кирпича для дальнейшей сушки и обжига.

Наряду с жестким формованием применяется полужесткое, которое характеризуется влагосодержанием керамической смеси 15…20%, давлением прессования около 2.3.5 МПа. Кирпич-сырец при таких условиях формования приобретает прочность около 0,3 МПа, В сочетании с краткосрочной однорядной подсушкой на конвейерной сушилке (например, по типу комплекса СМК-182) можно укладывать пакеты на печные вагонетки по высоте в 12…14 рядов.

Способ жесткого формования имеет преимущества: снижается количество технологических операций, следовательно, уменьшается количество механизмов и транспортных операций, упрощается система автоматизации производства; для многих месторождений плотных и камнеподобных глин отпадает необходимость в добавлении воды затворения или же вода добавляется в малых количествах; отпадает потребность в рамках, сушильных вагонетках; уменьшается воздушная и огневая усадка вследствие снижения количества воды затворения и более плотной упаковки частиц сырья при формовании изделий. В результате на 50…80°С снижается максимальная температура обжига; отформованный кирпич-сырец имеет достаточно высокую прочность, что позволяет садить его сразу же на печные вагонетки в штабель высотой в 8…12 рядов. Это, в свою очередь, позволяет применять менее капиталоемкие, простые по конструкции туннельные сушилки, в которых процесс сушки может происходить только за счет тепла, отбираемого от печей, в т. ч. и за счет использования дымовых газов. В результате себестоимость кирпича ниже, чем на заводах пластического и полусухого формования, меньше удельные капиталовложения и на 25−30% ниже удельные теплозатраты.

Формовочная способность обычной пластичной массы регулируется корректировкой состава вводом пластифицирующих добавок (жирной глины, бентонита) при одновременном уменьшении содержания отощающих компонентов и изменением влажности. Каждой группе формуемых изделий различной конфигурации соответствуют оптимальные формовочные свойства массы.

Процесс пластического формования на ленточных шнековых прессах характеризуется сложным характером движения керамической массы в прессе, неравномерным уплотнением ее, наличием дефектов структуры, обусловленных анизоморфизмом компонентов массы, подвижностью водной среды и односторонним приложением давления. Структура массы, на которую не было приложено давление, характеризуется беспорядочным расположением компонентов (агрегаты твердых частиц, пузырьки воздуха). Удлиненные частички глины образуют друг с другом каркас. Такая же структура наблюдается вокруг зерен кварца. Структура массы изменяется под действием усилий формования. Пластинчатая форма глинистых частичек и удлиненная форма примесей (в результате измельчения), входящих в состав глины, способствуют ориентированию структуры в водной среде при одностороннем приложении давления в прессе и истечении массы в одном направлении. При этом плоские удлиненные частички поворачиваются более длинной осью по направлению движения массы. В этом же направлении располагаются воздушные пузырьки массы. Под действием лопастей шнека пресса, частички глины ориентируются и образуют плоскости скольжения в глиняном брусе с ослабленным сцеплением массы в этих местах, придавая ей неодинаковые химико-физические и механические свойства в местах нарушения структуры (плоскости скольжения) наблюдается концентрация глинистых частичек и солей, содержащихся в глине. Зерен кварца и других минералов здесь почти нет. Это объясняет различие в химическом составе и физико-механических свойствах нарушенного слоя и основной массы. Последствия такого расслоения, выходящего из пресса глиняного бруса, проявляются при сушке и обжиге в виде круговых и S-образных трещин.

Машинное формование кирпича и керамических камней осуществляется прессами различных конструкций.

Шнековые (ленточные) прессы остаются до настоящего времени основными формующими машинами, поскольку материал в них не только транспортируется и уплотняется, но также интенсивно проминается и гомогенизируется.

Ленточные прессы бывают безвакуумные (СМ-58, СМ-294) и вакуумные (СМ-1098, СМК-133, СМК-168, СМ-28А). Производительность ленточных прессов от 4 до 20 тыс. штук в час, потребляемая мощность соответственно 55 и 150 кВт. Безвакуумные прессы еще широко используются при формовании полнотелого кирпича, хотя повсеместно заменяются вакуумными прессами. Основными узлами пресса являются: корпус, шнековый механизм, привод, головка и мундштук.

Паровое увлажнение глины увеличивает способность массы восстанавливать прежнюю структуру и уменьшает образование свилеватости.

4. Полусухое формование

глинистый пластический керамический кирпич Полусухое формование (прессование) изделий имеет ряд преимуществ перед пластическим формованием: устраняется длительный и сложный процесс сушки сырца, длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза, изделия имеют правильную форму и более точные размеры; они дают значительно меньшую усадку при обжиге. В производстве используются тощие глины, а также в больших количествах добавки зола, шлак и др. Структурно-механические свойства изделий формируются в период уплотнения пресс-порошка и закрепляются при обжиге. Уплотнение порошкообразной массы при прессовании сопряжено с преодолением сил внутреннего трения между частицами и необходимостью удаления воздуха, который препятствует уплотнению и связыванию частиц при относительно малой влажности массы.

Уплотнение пресс-порошков сопровождается физико-химическими процессами, в которых участвует вся система: твердая фаза (минеральные частицы), жидкая (вода) и газообразная (воздух). В начальной стадии прессования твердые частицы перемещаются в разных направлениях, разрушаются крупные поры и арки (мостики), образовавшиеся в момент заполнения формы, частично удаляется воздух. Увеличивается контактная поверхность между зернами порошка С повышением давления происходит дальнейшее уплотнение частиц и деформация их (пластическая, хрупкая, упругая). Влага с глинистыми коллоидами с глубинных слоев выжимается на контактную поверхность частиц, цементируя их. В местах контакта зерен происходят необратимые деформации. При этом воздух, не успевший удалиться, защемляется между зернами порошка и сжимается. При дальнейшем уплотнении порошка перемещение зерен происходит по их увеличенным контактным поверхностям, имеющим водные пленки; возможно частичное разрушение поверхности зерен в местах выступов (неровностей на углах). Упругое сжатие воздуха нарастает, и наступает упругая деформация тонких удлиненных частиц, пропорциональная действующим напряжениям. На последней стадии прессования изделие наиболее уплотняется вследствие дальнейшего развития контактных поверхностей. При уплотнении порошков эти процессы протекают быстро, они как бы накладываются друг на друга, что существенно затрудняет их регулирование. Качество прессования изделий зависит от свойства порошка, режима прессования, условий приложения давления и его величины.

Зерна порошков представляют собой агрегаты из первичных частиц глинистых минералов. От их формы, размера и соотношения зерен различных фракций зависит плотность упаковки, определяющая важнейшие свойства готовых изделий — пористость, прочность, морозостойкость. Правильный подбор зернового состава обеспечивает минимальное содержание воздуха в порошке (обычно до 30%), наименьшую объемную массу изделий при наивысшей их прочности и достаточной морозостойкости. Поверхностно-активные добавки повышают плотность изделий в момент максимального сжатия и уменьшают упругое расширение после снятия давления.

Сыпучесть (подвижность) порошков определяет способность их быстро заполнять формы различной конфигурации. Она зависит от зернового состава, формы зерен, объемной массы, наличия в порошке пластифицирующих добавок, влажности, содержания пыли, шероховатости поверхности зерен и сил сцепления.

При повышенном содержании крупных зерен, наличии зерен шамота или песка порошок становится более сыпучим, из него легче удаляется воздух при прессовании, порошок уплотняется более равномерно, но при этом требуется повышенное давление. Не все фракции порошка ведут себя одинаково. Зерна размером 0,75 мм текут медленнее зерен размером 0,5 или 0,2 мм. Зерна размером меньше 0,2 мм текут быстрее зерен меньше 0,1 мм. Примесь пыли (меньше 0,06 мм) в количестве 10% к зернам 0,5−0,75 мм увеличивает подвижность, а к зернам меньше 0,5 мм — уменьшает. Тонкая пыль увеличивает вязкость и уменьшает подвижность порошков, затрудняет прессование ввиду медленного удаления воздуха, увеличивает неравномерность уплотнения и объемную массу, а также возможность расслоения изделий (появляются трещины). Окатанные зерна подвижнее острогранных. Влага снижает подвижность порошка. С повышением плотности зерен подвижность порошка увеличивается. Угол естественного откоса для керамических порошков — 25−45° (чаще 30−40°).

Влажность порошка обычно составляет 8−12%. Влага уменьшает силы внутреннего трения при прессовании, способствует большему сцеплению частиц и уплотнению порошка, снижает прессовое давление, повышает качество сырца и готовых изделий. Прессование порошков пониженной влажности (5−8%) сопровождается неоднородностью уплотнения по высоте изделий, тем большей, чем выше пластичность глины, и наоборот. С повышением влажности до 13−16% большая неоднородность при прессовании наблюдается у тощих глин, а чрезмерное увлажнение порошка вызывает необходимость сушки сырца. Повышенная влажность порошков вызывает также интенсивную осадку порошков при относительно небольшом прессовом давлении.

В процессе сжатия порошка (по Г. В. Куколеву) происходит перемещение воды в материале в более крупные поры, что может быть причиной последующих упругих расширений отпрессованных изделий. Создавая водные пленки на поверхности частиц зерен, влага в наибольшей мере проявляет роль связки при условии, если она равномерно распределена в массе порошка.

При прессовании изделий из неравномерно увлажненного порошка создается рыхлая, неоднородная структура и возникают мелкие трещины на поверхности изделий. Объясняется это прежде всего тем, что процессы набухания различных по величине зерен не совпадают во времени. В крупных зернах эти процессы, как правило, заканчиваются с опозданием в уже сформованном сырце, что приводит к возникновению внутренних напряжений, образованию трещин и рыхлой структуры.

Завершению процессов набухания в порошке способствует его прогрев паром до 70−90° С. Процесс набухания глинистых частиц, увлажненных пропариванием, протекает в 3 раза быстрее, чем при увлажнении водой. Прогрев порошка перед прессованием повышает его пластические свойства, способствует снижению прессового давления и получению полуфабриката более высокого качества, сокращает продолжительность сушки изделий, уменьшает их растрескивание, снижает износ пресс-форм и расход мощности. Считается, что нагрев массы при прессовании на каждые 10 °C равноценен повышению ее влажности на 1%. Для каждой оптимальной влажности пресс-порошка должно быть соответствующее прессовое давление.

Режим прессования имеет огромное влияние на качество прессовок. Под режимом прессования понимают продолжительность прессования, условия приложения давления (одноили двухстороннее) и его характер (мгновенное, переменное, нарастающее), а также величину давления. Режим прессования устанавливается в каждом отдельном случае и зависит от свойств сырья, качества пресс-порошков (зернового состава и влажности) и вида прессуемых изделий.

В процессе прессования объем порошка в форме уменьшается вследствие уплотнения минеральной части и частичного удаления воздуха. Степень уплотнения характеризуется коэффициентом сжатия, то есть отношением толщины слоя засыпанного в форму порошка к толщине спрессованного изделия (полуфабриката) или отношением объемных масс порошка и полуфабриката.

В зависимости от свойств сырья коэффициент сжатия глиняного порошка изменяется от 1,5 (для пластичных глин) до 2,5 (для тощих).

Глубина засыпки формы определяется как произведение коэффициента сжатия на высоту отпрессованного изделия.

Продолжительность прессования должна быть минимальной, но достаточной для удаления воздуха из пресс-порошка (0,5−3,5 с). При влажности пресс-порошков около 8% давление запрессованного воздуха в порах примерно 0,6−0,8 МПа. С повышением влажности более 8% давление воздуха в порах достигает 1−2 МПа. Давление запрессованного воздуха и воды является одной из основных причин упругого расширения, вызывающего расслоение изделий и повышенный расход мощности при прессовании. Вредное действие воздуха больше проявляется при быстром цикле прессования, использовании пластичных глин, повышенном содержании тонких фракций в порошке, односторонним приложением прессового давления, а также при прессовании порошков повышенной влажности.

Мерами борьбы с вредным действием воздуха являются: увеличение времени прессования (для глин средней и повышенной пластичности не менее 1,5 с), двухстороннее приложение давления прессования, приложение давления с остановками (паузами), многоступенчатое прессование для удаления воздуха, повышение влажности порошка, устройство отверстий в стенках формы и штампах для удаления воздуха, ввод отощающих добавок — шамота из боя изделий, песка, шлака (до 15−20%).

После вакуумирования порошка уменьшается упругое расширение полуфабриката на 20−50% (снижается до 1,7−2,8%), а также предоставляется возможность снизить прессовое давление с 26,5−29,4 МПа до 14,7−17,6 МПа.

Прессовое давление должно быть достаточным для получения высокой механической прочности (1,96−4,90 МПа) сырца и однородной структуры. Чрезмерное давление приводит к расслоению сырца (перепрессовка), в особенности из пластичных глин. При недостаточном давлении создается рыхлая структура, снижается прочность не только сырца, но и готовых изделий. Изделия, отпрессованные при недостаточном давлении, имеют глухой, дребезжащий звук, неморозостойки.

Среднее удельное давление прессования для пластичных глин 7,35−9,80 МПа, тяжелых суглинков 11,76−14,70 МПа, суглинков лессов и лессовидных суглинков 12,74−14,70 МПа. С повышением влажности пресс-порошка (но не выше 11−12%) прессовое давление уменьшается примерно на 1,40−1,96 МПа на каждый процент влаги. Соотношение рекомендуемых предварительного и окончательного давлений от 1: 3 до 1: 9−15. Величина первой ступени давления 1,96- 2,45 МПа. Снижению неравноплотности отпрессованных изделий способствуют: повышение влажности пресс-порошка, введение поверхностно-активных добавок, подогрев пресс-формы. Двухстороннее прессование значительно снижает неравноплотность изделий. Условия прессования. Прессы для полусухого прессования разделяют по способу передачи прессующих усилий (прессы ударного действия, рычажные и гидравлические), по направленности прессовых усилий (прессы однои двухстороннего прессования) и по кратности воздействия прессовых усилий (прессы однои многоступенчатого, или многократного, прессования).

Наиболее распространены прессы СМ-301 и СМ-301А — рычажные с двухсторонним двухступенчатым прессованием. Они имеют гидравлически регулируемое плавно нарастающее давление. Первая ступень прессования 3,92−6,86 МПа, вторая — 26,95−29,4 МПа. Оптимальное соотношение первичного и окончательного давлений составляет 1:3 -1:4. Заполняется форма пресс-порошком автоматически. Полный цикл прессования 6 с, собственно прессование — 2,08 с. Штампы пресса имеют электрообогрев.

Брак и его причины при прессовании. Трещины расслоения на боковых поверхностях сырца обычно образуются в результате упругого расширения сырца, происходящего после снятия давления и извлечения его из формы. Устранению этого дефекта способствуют порошки с возможно большей однородностью зерен по: крупности, повышение влажности и однородности увлажнения порошков, их вакуумирование, отощение грубозернистым отощителем, снижение прессового давления и применение двухстороннего ступенчатого замедления прессования.

При образовании заусениц сырца в результате износа боковых пластин формы и штампа необходимо сменить облицовку форм.

Вырывы на поверхности сырца указывают на прилипание массы к штампу и нижней матрице, что является результатом повышенной влажности порошка и недостаточного обогрева штампа. Устраняют этот недостаток улучшением обогрева, уменьшением влажности порошка и систематической очисткой поверхностей штампа и матрицы.

Для производства кирпича методом полусухого прессования на данный момент используется комбинирование импортного и отечественного оборудования.

Заключение

Сравнивая данные технологические схемы можно сделать вывод, что полусухой способ производства наиболее выгоден с точки зрения металлоемкости заводов, трудоемкости изготовления изделий, требует на 30% меньше производственной площади и на 20−25% обслуживающего персонала. В пластическом способе исключается необходимость приготовления пресс-порошка. Заводы с пластическим способом формования используют местные глины, уменьшая при этом расходы на транспортировку.

1. Кашкаев И. С., Шейнман Е. Ш. Производство глиняного кирпича. Учебник для подготовки рабочих на производстве. — Изд. 3-е, перераб. и доп. — Москва, «Высшая школа», 1978 г. — 205 с.

2. Мороз И. И. Технология строительной керамики. — Киев: «Выща школа», 1972. — 416 с.

3. Стрелов К. К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. — М.: Металлургия, 1985. — 480 с.

4. Химическая технология керамики и огнеупоров / Под ред. П. П. Будникова и Д. Н. Полубояринова. — М.: Стройиздат, 1972. — 552 с.

5. Строительная керамика: Справочник / Под ред. Е. Л. Рохвагера. — М.: Стройиздат, 1975. — 493 с.