Проект цеха «Обжиг» по производству керамического кирпича М 150

Министерство образования и науки республики казахстан Южно-казахстанский государственный университет им. М. ауезова Специальность 50 720 — Химическая технология неорганических веществ, Специализация — Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов ДИПЛОМНАЯ РАБОТА Проект цеха «Обжиг» по производству керамического кирпича М 150

Куланина М.К.

Шымкент, 2011

Аннотация

В данной дипломной работе поставлено решение актуальной на сегодняшний день проблемы — получение кирпича низкой себестоимости при меньших затратах на сырье. Проведены исследования по получению кирпича из лесса с добавлением в сырьевую смесь синтетического волластонита и природного цеолита с целью повышения качества керамического кирпича, а также был спроектирован цех по производству керамического кирпича М 150 производительностью 15 млн. штук условного кирпича в год в городе Туркестан.

Нормативные ссылки

В настоящем дипломном проекте использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 2.104−68 ЕСКД. Основные надписи.

ГОСТ 2.105−95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.

ГОСТ 2.106−96 ЕСКД. Текстовые документы.

ГОСТ 2.109−73 ЕСКД. Основные требования к чертежам.

ГОСТ 2.111−68 ЕСКД. Нормоконтроль.

ГОСТ 2.301−68 ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 2.303−68 ЕСКД. Линии.

ГОСТ 2.304−81 ЕСКД. Шрифты чертежные.

ГОСТ 2.106−96 ЕСКД. Текстовые документы.

ГОСТ 2.306−68 ЕСКД. Обозначения графические материалов и правила их нанесения на чертежах.

ГОСТ 2.316−68 ЕСКД. Правила нанесения надписей на чертежах, технических требований и таблиц.

ГОСТ 2.321−84 ЕСКД. Обозначения буквенные.

ГОСТ 8.417−81 ГСИ. Единицы физических величин.

ГОСТ 15.011−82 Порядок проведения патентных исследований.

ГОСТ 6.38−90 Система организационно-распорядительной документации.

Требование к оформлению документов.

МИ ЮКГУ 4.7−007−2004 Дипломное проектирование (Дипломная работа).

ФС ЮКГУ 4.6−001−2004 Правила оформления учебной документации. Общие требования к текстовым документам.

ФС ЮКГУ 4.7−001−2004 Нормоконтроль документации системы менеджмента качества и дипломного проекта (работы).

ФС ЮКГУ 4.6−003−2004 Правила оформления учебной документации. Общие требования к графическим документам.

ФС ЮКГУ 4.6−003−2004 Правила оформления учебной документации. Основные надписи.

ГОСТ 7025–91 Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости.

ГОСТ 530–80 Кирпич и камни керамические. Технические условия.

ГОСТ 530–2007 Кирпич и камень керамические. Общие технические условия.

ГОСТ 9169–75 Сырье глинистое для керамической промышленности. Классификация.

ГОСТ 7484–78 — Кирпич и камни керамические лицевые. Технические условия.

ГОСТ 12.003−74 ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.

ГОСТ 12.1.003−83 Шум. Общие требования безопасности.

ГОСТ 12.2.003−91 ССБТ Оборудование производственное. Общие требования безопасности.

ГОСТ 12.4.011−75 Средства защиты работающих. Классификация.

ГОСТ 12.4.103 Одежда специальная защитная, средства индивидуальной защиты ног и рук. Классификация.

ГОСТ 12.1.013−78 Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.

ГОСТ 12.1.004−85 Пожарная безопасность. Общие требования.

ГОСТ 12.1.010−76 Взрывобезопасность. Общие требования.

СНиП III-24−75 Промышленные печи и кирпичные трубы.

СНиП II-33−75. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.

СНиП 23−05−95. Естественное и искусственное освещение.

СНиП II-2−80. Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений.

Перечень сокращений, условных обозначений и терминов

Сокращения

г. — город тыс. — тысяча (в тексте тысяч) др. — другие т.д. — так далее М — марка (кирпича) мк — микрон лк — люкс ТБ — техника безопасности т. е. — то есть

Условные обозначения и термины

Шлюф — более тонкая часть глины, «песочная пыль», получаемая при отмучивании глины в керамическом производстве.

Плавни — вещества, которые при обжиге глины заполняют в ней поры и которое способствует лучшему скреплению частиц обжигаемой массы.

Предел прочности — механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала.

1. Введение

2. Патентные исследования

3. Характеристика сырьевых материалов и выпускаемой продукции

4. Выбор и обоснование способа производства

5. Технологическая схема производства. Описание технологических и физико-химических процессов

6. Расчет сырьевой смеси

7. Расчет материального баланса завода. Определение мощности производственных отделений

8. Расчет и подбор основного технологического оборудования

9. Организация технологического контроля

10. Научно-исследовательская часть

10.1 Обзор литературы

10.2 Характеристика сырьевых материалов и методы исследования

10.3 Результаты экспериментов

10.4 Выводы по научной части

11. Охрана окружающей среды

12. Охрана труда и безопасность жизнедеятельности

13. Экономика и бизнес-планирование

14. Заключение

15. Summary

16. Т? йіндеме

17. Список использованных источников

1. Введение

производство кирпич добавка нетрадиционный

Строительная керамика — большая группа керамических изделий, применяющихся при строительстве жилых и промышленных зданий и сооружений. Керамические стеновые изделия — один из наиболее древних искусственных материалов, их возраст около 5 тыс. лет. Они отличаются своей долговечностью, высокими художественными характеристиками, кислотостойкостью и полным отсутствием токсичности. Применение глины для изготовления керамических изделий было известно уже в глубокой древности, за несколько тысяч лет до нашей эры. Ассирийцы и египтяне уже были знакомы с обжигом керамических изделий. В древней Греции и Риме керамическое производство также было весьма развито.

Лучшими образцами древнерусского керамического производства могут служить украшения старинных русских соборов (Владимирского, Новгородского и др.) X—XIII вв.еков. На территории нынешнего Казахстана также было развито производство строительной керамики. Примером может послужить городище Отрар. Уже в VII—VIII вв.еках все сооружения в городище были построены из глиняного кирпича [1,4].

Главными направлениями технического прогресса производства строительной керамики являются: создание новых и совершенствование существующих технологических процессов, обеспечивающих получение продукции с минимальными затратами энергетических, материальных и трудовых ресурсов; получение новых видов строительных материалов и изделий с заданными свойствами, отвечающими самым высоким требованием строительства; широкое внедрение малоотходных и безотходных технологий, использование вторичных продуктов производства.

Различные эксплуатационные условия зданий и сооружений, параметры технологических процессов обуславливают разнообразные требования к строительной керамике, а отсюда вытекает весьма обширная номенклатура ее свойств: прочность при нормальной или высокой температуре (последняя характеризует жароили огнестойкость материала), водостойкость, стойкость против действия различных солей, кислот и щелочей, и т. д. Не менее важна в строительстве и технике проницаемость (или непроницаемость) материалов для жидкостей, газов тепла, холода, электрического и радиоактивного излучения. Наконец материалы для отделки помещений жилых и общественных зданий, садов и парков должны быть красивыми, долговечными и прочными.

Важнейшие свойства строительной керамики определяет области ее применения. Только глубокое и всестороннее знание свойств материалов позволяет рационально и в техническом, и в экономическом отношениях выбрать материал для конкретных условий использования.

Другой важной задачей является опережающее развитие производства строительной керамики, неуклонное снижение себестоимости и удельных капитальных вложений [3,5].

Применение строительных материалов далеко не ограничивается использованием их только для целей строительства. Без них не может существовать ни одна область техники.

Производство строительной керамики является важной отраслью народного хозяйства. В последние десятилетия созданы механизированные заводы, оснащенные мощными глинообрабатывающими и формующими машинами, механизированными экономичными сушилками и печами. В настоящее время предусматривается преимущественное развитие производства изделий, обеспечивающих снижение металлоёмкости, стоимости и трудоёмкости строительства, веса зданий, сооружений и повышение их теплозащиты, развитие мощности по производству строительных материалов с использованием золы и шлаков тепловых электростанций, металлургических и фосфорных шлаков, отходов горнодобывающих отраслей промышленности и углеобогатительных фабрик, техническое перевооружение производства кирпича на базе новейшей техники.

Строительный керамический кирпич является самым распространённым местным стеновым материалом, позволяющим экономить дефицитные металлы, цемент, а также транспортные средства. В общем балансе производства и применения стеновых материалов керамический кирпич занимает более 30%. Кирпич, накапливая солнечную энергию, медленно и равномерно отдает тепло, что защищает от чрезмерного нагревания летом и сохраняет тепло зимой. Кирпичная стена «дышит», пропуская испарения сквозь свою толщу. В результате в помещениях поддерживается уровень равновесной влажности.

В данный момент в производстве строительного керамического кирпича сосредоточено внимание на совершенствовании технологии, улучшении качества выпускаемой продукции и расширении ассортимента. При строительстве новых предприятий предусматривается установление автоматизированных и высокомеханизированных технологических линий на базе современного отечественного и импортного оборудования. Осваивается выпуск эффективной пустотелой продукции, которая должна постепенно заменять традиционный полнотелый кирпич. Это позволит не только экономить сырьё, но и уменьшать толщину и массу наружных стен без снижения их теплозащитных свойств, а также создавать облегчённые конструкции панелей для индустриализации строительства. Также для производства кирпича внедряются новые виды сырья и добавок, повышающие прочностные характеристики кирпича.

Актуальность. Возможности использования природного сырья в керамике и критерии оценки его качества изучены достаточно хорошо. Как правило, в керамическом производстве применяют легкоплавкие, тугоплавкие и огнеупорные глины, а в качестве отощителей и плавней используют полевые шпаты, пегматиты и их заменители. Качество сырья зависит от химического и минералогического состава. Все используемое сырье должно соответствовать требованиям ГОСТа или техническим условиям. Однако природное сырье дорогостоящее, так как требуются большие затраты на его разработку, транспортировку и доработку для приведения в соответствие с требованиями ГОСТа. Поэтому в настоящее время все актуальнее использование в керамическом производстве нетрадиционных добавок, которые при меньшей затрате на сырье, позволит получить кирпич высокой марки.

Введение

нетрадиционных добавок в состав масс для получения керамики делает производство ресурсосберегающим, менее дорогостоящим и в определенной степени способствует решению экологических проблем окружающей среды.

Цель работы — Разработка энергои ресурсосберегающей технологии производства строительной керамики на основе местного сырья с включением в сырьевую смесь нетрадиционных видов добавок.

Научная новизна. Получены зависимости физико-механических свойств прочности, средней плотности керамических материалов на основе лессового сырья с введением в шихту нетрадиционных видов добавок.

Практическая значимость работы. Показаны возможности технологии, открывающие перспективы существенного (на 80−100%) повышения прочности, сокращения длительности производственного цикла, использования нетрадиционного сырья, механизации и автоматизации процессов, экономии тепла, расширения ассортимента продукции.

3 Характеристика сырьевых материалов и выпускаемой продукции

Керамический (красный) кирпич — кирпич, производимый из глины с применением различных добавок (для регулирования тех или иных свойств) с последующим обжигом (рис 1). В Казахстане производятся следующие разновидности керамического кирпича: одинарный кирпич стандартного размера (250×120×65 мм); полуторный кирпич стандартного размера: 250×120×88 мм. Для экономии средств в строительстве зачастую используется двойной кирпич. Его размеры отличаются от стандартного одинарного по высоте: 250−120−138 мм.

Существуют подразделения керамического кирпича не только по параметрам, но и по назначению. В зависимости от своих функций кирпич бывает рядовым, лицевым и печным. По фактуре поверхностей различают рельефные и гладкие кирпичи. Существует ещё масса классификаций керамического кирпича. Он бывает пустотелым, или экономичным (часто употребляют варианты «самонесущий» и «дырчатый»); полнотелым, или строительным или облицовочным. Основные технические показатели керамического кирпича зафиксированы в ГОСТ 7484–78 «Кирпич и камни керамические лицевые. Технические условия» и ГОСТ 530–95 «Кирпич и камни керамические. Технические условия». По которым вес готового кирпича не должен превышать 4,3 кг. В обозначениях кирпича должны быть обозначены характеристики и морозостойкости, они указываются буквой F с цифровым указанием количества циклов замерзания и оттаивания в испытательной термокамере. Буквой М обозначается норма прочности на сжатие. Цифровой показатель обозначает прочность кирпича при испытаниях на сжатие на прессах.

Рис 1 — Керамический кирпич Если кирпич содержит в себе различные примеси (к примеру, крупные куски известняка или камней) лучше отказаться от его использования. В противном случае, это может плохо сказаться не только на внешнем виде дома, но, самое важное, на его безопасности. Если при ударе кирпич издаёт глухой звук и, к тому же имеет горчичный цвет, обратите внимание, это тоже брак. В своё время он был плохо обожжён в печи[5,6].

Керамический кирпич очень функционален. Его можно применять практически везде: при закладке фундамента, возведении стен, в печах и каминах (исключение составляют такие места, где происходит непосредственное соприкосновение с огнем), для облицовки зданий и их внутренней отделки.

Сырьевые материалы, используемые в производстве керамического кирпича, подразделяются на пластичные (глинистые), непластичные (отощающие, выгорающие и плавни)[3].

К глинистым материалам относятся глины и каолины. Согласно ГОСТ 9169–75 глинистое сырье представляет собой горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда).

В техническом понимании глинами называют горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью (связностью), а после обжига приобретает камнеподобные свойства[7].

Согласно ГОСТ 9169–75 глинистое сырье классифицируют:

— по огнеупорности;

— по содержанию А1₂О₃;

— по содержанию красящих оксидов (Fe₂О₃, ТiO₂,);

— по содержанию водорастворимых солей;

— по минеральному составу;

— по содержанию тонкодисперсных фракций;

— по содержанию крупнозернистых включений;

— по пластичности;

— по механической прочности на изгиб в сухом состоянии;

— по спекаемости;

— по содержанию свободного кремнезема.

Минералогический состав глин представлен каолинитом, монтмориллонитом, гидрослюдой и другими минералами и примесями.

Каолинит имеет химическую формулу Al₂O₃*2Si₂O₂*2H₂O. Его кристаллическая решетка характеризуется относительно плотным строением с наименьшим расстоянием между закономерно повторяющимися группами ионов и неподвижна. Поэтому каолинит не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды. При сушке он сравнительно свободно отдает присоединенную воду. Размеры частиц каолинита от 1 до 3 мк.

Монтмориллонит имеет химическую формулу Al₂O₃*4Si₂O₂*H₂O*nH₂O. Эта формула не совсем точно отражает состав монтмориллонита, так как в состав кристаллической решетки некоторых разновидностей этой группы минералов входят также Mg, Fe, Na. Кристаллическая решетка монтмориллонита имеет слоистое строение, отдельные слои в ней могут раздвигаться под воздействием вклинивающихся молекул воды. В связи с этим монтмориллонит способен интенсивно поглощать довольно большое количество воды, прочно ее удерживать и трудно отдавать при сушке, а также сильно набухать при увлажнении — объем увеличивается в 16 раз. Размеры частиц монтмориллонита много меньше 1 мк.

Гидрослюда является продуктом многолетней гидратации слюд и имеет химическую формулу K₂O*MgO*4Al₂O₃*7SiO₂*2H₂O. Кристаллическая решетка у этого минерала не разбухающая. По интенсивности связи с водой он занимает среднее положение между каолинитом и монтмориллонитом. Характерной особенностью минерала является то, что в его составе принимают участие окcиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также способность отдельных катионов к изоморфным замещениям. Так, Si⁴⁺ может замещаться Аl³⁺, а последний — Mg²⁺. Размеры частиц гидрослюды около 1 мк[10].

В зависимости от количественного преобладания того или иного глинистого минерала различают глины каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые и т. п.

Примесями являются все компоненты глинистой породы, не входящие в состав глинообразующих минералов. В составе примесей различают их тонкодисперсную часть и включения. Согласно ГОСТ 9169 включениями считаются зерна величиной более 0,5 мм. Для глин, используемых в технологии грубой строительной керамики, к включениям относятся зерна величиной более 2 мм.

Кварцевые примеси встречаются в глине в виде кварцевого песка и тонкодисперсной кварцевой пыли — шлюфа. Они отощают глину, ухудшая ее формовочные свойства. Кварцевый песок улучшает сушильные свойства глин, а шлюф — ухудшает. Обжиговые свойства глин кварцевые примеси ухудшают, понижая трещиностойкость обожженных изделий при их охлаждении. Кроме того, они понижают прочность, а иногда и морозостойкость обожженных изделий.

Карбонатные примеси встречаются в глинах в трех структурных формах: в виде тонкодисперсных равномерно распределенных пылеватых частиц, составляющих с остальной частью породы однородную массу, в виде рыхлых примазок и мучнистых стяжаний и в виде плотных каменистых конкреций, которые являются включениями.

Тонкодисперсные карбонатные примеси, разлагаясь при обжиге по схеме СаСО₃>СаО + СО₂, обусловливают повышенную пористость керамического черепка и некоторое понижение его прочности. При производстве стеновых материалов они не являются вредными, однако ухудшают свойства глин, используемых для производства изделий со спекшимся черепком. Каменистые карбонатные включения являются вредными, вызывая в изделиях характерные пороки, получившие название «дутика» [3,4].

Железистые примеси встречаются в виде тонкодисперсных равномерно распределенных минералов лимонита, гидроокида железа и включений пирита. Тонкодисперсные железистые примеси придают глине окраску от светло-коричневого до темно-красного тона, а обожженному керамическому черепку — от кремового и бледно-розового до красного.

При обжиге изделий в восстановительной среде железистые оксиды переходят из окисных соединений в закисные (восстанавливаются), окрашивающие изделие в сине-зеленоватый цвет. При увеличении содержания железа цвет глины после обжига делается все более темным и может стать черным. Красящее действие оксидов железа значительно ослабляется при наличии в глине карбонатных примесей.

Щелочные оксиды в примесях глин присутствуют обычно в виде полевошпатового песка и растворимых солей. Последние при сушке изделия мигрируют по капиллярам на его поверхность, а после обжига спекаются с черепком, образуя на внешней поверхности изделия белые налеты, портящие цвет черепка (так называемые «высолы»).

Органические примеси окрашивают глину в черный цвет. В обжиге они выгорают, выделяя газы и обусловливая восстановительную среду внутри черепка. Эти явления могут являться источником определенных пороков («пузыря») при обжиге изделий с плотным черепком.

В химическом составе глин принимают участие следующие основные оксиды: SiО₂, А1₂О₃, СаО, MgO, Fe₂О₃, ТiO₂, К₂O, Na₂O [5, 7].

Кремнезем Si0₂ находится в глинах в связанном и свободном состояниях: связанный кремнезем входит в состав глинообразующих минералов, свободный представлен примесями кварцевого песка и шлюфа. Определение химическим анализом содержания свободного кремнезема является особо важным при оценке пригодности глин для производства кирпича. Общее содержание кремнезема в глинах составляет 60—65°/₀ и в запесоченных глинах достигает 80—85%.

Глинозем А1₂О₃ находится в глинах в связанном состоянии, участвуя в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Он является наиболее тугоплавким оксидом: с повышением его содержания огнеупорность глин возрастает. Так как содержание слюдистых примесей в глинах обычно невелико, то содержание в них глинозема косвенно отражает относительную величину глинистой фракции, содержащейся в глинистой породе. Содержание глинозема колеблется от 10—15% в кирпичных и до 32—35% в наиболее ценных сортах огнеупорных глин.

Известь СаО и магнезия MgO в небольших количествах участвуют в составе глинистых минералов. При относительно высоких температурах обжига известь вступает в реакцию с глиноземом и кремнеземом и, образуя эквтектические расплавы в виде алюмокальциевых силикатных стекол, резко понижает температуру плавления глины.

Оксид железа Fe₂О₃ содержится в глинах в виде примесей и оказывает на них и на обожженный черепок прежде всего красящее действие. Температуру плавления глины оксиды железа заметно понижают лишь при обжиге в восстановительной среде. Содержание оксидов железа (в пересчете на Fe₂О₃) находится в пределах от долей процента в наиболее чистых беложгущихся глинах до 8−10% в кирпичных.

Диоксид титана ТiO₂ участвует в примесях и его содержание не превышает 1,5%. Диоксид титана придает обожженному черепку окраску зеленоватых тонов.

Щелочные оксиды К₂O, Na₂O входят в состав некоторых глинообразующих минералов, но в большинстве случаев присутствуют в примесях в виде растворимых солей и полевошпатных песках. Их содержание составляет до 5−6%. Они ослабляют красящее действие Fe₂О₃ и ТiO₂ и понижают температуру плавления глин.

Добавки к глинам вводятся для регулирования свойств керамики и снижения расхода дефицитных глин. По влиянию на свойства они делятся на: отощающие, выгорающие, флюсующие, химические и специального назначения.

Отощающие добавки — это материалы, снижающие пластичность и усадку глин в сушке и обжиге. К ним относятся: кварц, шамот, золы, шлаки. [3−7].

1. Кварцевые материалы — наиболее распространенные природные отощающие добавки. К ним относятся жильный кварц, кварцевые пески и кремень. Они состоят из кремнезема и являются отощителями из-за способности не давать усадку при сушке и обжиге. Кварц и его кристаллические разновидности устойчивы к действию кислот (за исключением плавиковой) и менее стойки к щелочам. Степень воздействия щелочей на кварц тем выше, чем мельче его зерна. При нагревании кварц претерпевает модификационные превращения в твердой фазе: при 575 °C он перекристаллизуется из в-кварца в б-кварц с увеличением объема, что может привести к растрескиванию изделий. При 870 °C он превращается в тридимит, а при 1410 °C — в кристобалит. При 1710 °C кварц плавится и при резком охлаждении дает кварцевое стекло. Эти особенности кварца в технологии керамики известны и учитываются при разработке режимов обжига: при температурах указанных превращений скорость подъема и охлаждения замедляют. Заменителями жильного кварца могут быть чистые кварцевые пески, а также пески, получаемые при отмучивании каолинов.

2. Шамот изготовляют обжигом огнеупорных или тугоплавких глин при температурах 1000…1400°С. Его применяют как отощитель керамических масс, при производстве облицовочных плиток, фарфора и фаянса, шамотных огнеупоров. Шамот в отличие от других отощителей не понижает огнеупорности масс. Зерновой состав и количество шамота определяются рецептурой массы для разных видов изделий. Лучше применять его тонкозернистым и при совместном помоле с глинистыми минералами для равномерного распределения в массе.

На многих керамических заводах вместо шамота применяют измельченный бой готовых изделий или утильного обжига, а также бой огнеупоров, который предварительно сортируют и очищают от загрязнений. На кирпичных заводах вместо шамота используют молотый обожженный кирпич. Но количество этих отходов невелико, поэтому они не оказывают заметного влияния на свойства масс. Применение боя и отходов кирпича важнее с точки зрения их утилизации, создания безотходных технологий и охраны окружающей среды.

3. Дегидратированная глина применяется при недостатке отощителей. Она получается нагреванием обычной глины до 600…700°С, когда та теряет пластичность при удалении химически связанной воды. Ее применяют чаще в производстве грубой строительной керамики. Это позволяет снизить сроки сушки без появления трещин на изделиях, расширить базу отощителей.

Флюсующиеся добавки (плавни)

Флюсующие материалы (плавни) — это материалы, взаимодействующие в обжиге с глинистыми минералами с образованием более легкоплавких соединений. Поэтому введение в состав массы плавней улучшает степень спекания и снижает температуру обжига. Плавни делят на две группы: флюсующие, имеющие низкую температуру плавления, — полевые шпаты, пегматиты, сиениты — и материалы с высокой температурой плавления, но дающие при обжиге легкоплавкие соединения с компонентами массы — мел, доломит, тальк.

1. Полевые шпаты представляют собой плавни, широко применяемые в производстве тонкой керамики. Различают следующие виды полевых шпатов.

Калиевый полевой шпат (ортоклаз) — K₂O· Al₂O₃·6SiO₂. Цвет его от белого, серого, желтоватого до коричневои темно-красного в зависимости от примесей. Плотность — 2,55 г/см³. Температура начала плавления — 1200 °C.

Натриевый полевой шпат (альбит) — Na₂O· Al₂O₃·6SiO₂. Цвет белый, чаще светлых оттенков, но встречается также красного, желтого, серого и других тонов. Плотность — 2,6 г/см³, температура плавления — 1160…1190°С.

Известковый полевой шпат (анортит) — СаО· Al₂O₃·2SiO₂. Обычно желтоватого цвета. Температура плавления около 1550 °C.

Плагиоклазы — это полевые шпаты, содержащие смесь альбита и анортита в разных соотношениях. Обычно белого цвета. Плотность 2,62…2,76 г/см³.

Полевые шпаты редко встречаются в чистом виде, чаще — в смеси этих минералов. Основное требование, предъявляемое к ним — легкоплавкость. При введении в состав массы в обжиге они образуют вязкое стекло, которое в фаянсовых массах частично заполняет поры и способствует спеканию. В фарфоровых массах полевой шпат с другими компонентами образует сплавы, заполняющие поры до монолитного стекловидного состояния. Реакционная способность расплава возрастает с повышением температуры и тонкости помола компонентов. У альбитов она выше, чем у ортоклазов и плагиоклазов. Вредные примеси в полевых шпатах — оксиды железа, которых должно быть не более 0,1…1%.

Пегматиты — это полевые шпаты, проросшие кристаллами кварца, содержание которого может колебаться в широких пределах. Ввиду того, что кварц и полевой шпат являются компонентами фарфоровых и фаянсовых масс, пегматиты являются заменителями полевых шпатов и частично кварца. Поведение пегматита в обжиге зависит от свойств полевого шпата, входящего в его состав: температуры плавления и растворяющей способности[3−5].

2. Нефелиновые сиениты представляют собой сростки минерала нефелина (алюмосиликат натрия) с полевым шпатом. Температура плавления нефелина около 1200 °C, содержание щелочей — до 20%. Нефелиновые сиениты используются керамической промышленностью в качестве заменителей полевых шпатов при производстве изделий, не требующих белизны черепка (плитки для полов, кислотоупорные изделия). Нефелиновые сиениты, особенно бокситы, применяемые в керамической промышленности, являются попутными отходами горно-обогатительных комбинатов и получаются в виде тонкомолотых порошков. Поэтому их использование экономически выгодно. Но они загрязнены железистыми и магнезиальными примесями и имеют темно-серую окраску. Поэтому в производстве фаянса и фарфора не применяются. Наряду с нефелиновым сиенитом ведутся успешные опыты по использованию других щелочесодержащих пород в качестве заменителей полевых шпатов, например гранитов. Помимо указанных добавок в производстве разных видов керамических изделий используются и другие добавки. Их характеристика и влияние будут рассмотрены при описании технологии соответствующих видов изделий.

Выгорающие добавки

Выгорающие добавки выгорают в обжиге почти целиком (за исключением зольной части). В технологии керамики они чаще применяются при производстве стеновых материалов. К ним относятся опилки, уголь, золы ТЭЦ.

1. Древесные опилки при производстве строительного кирпича вводятся в массу для улучшения сушильных свойств полуфабриката (сырца). Являясь длинноволокнистыми, опилки армируют глинистые частицы и повышают сопротивление разрыву керамической массы и трещиностойкость в сушке. В обжиге они выгорают, оставляя в керамике относительно крупные поры, увеличивающие водопоглощение кирпича, теплоизоляционные свойства, но снижающие морозостойкость. В кирпичные массы добавляют обычно 5…10% опилок (от объема глины). В таком количестве они ускоряют сушку и существенно не снижают прочность кирпича, несмотря на увеличение пористости. Наиболее эффективно повышают трещиностойкость кирпича опилки продольной резки.

2. Антрацит и тощие каменные угли добавляют в глину до 60% от требуемого на обжиг объема топлива, или 2…2,5% от объема глины. В таких количествах каменный уголь оказывает небольшое влияние на пористость кирпича. Основное его назначение — создать восстановительную среду в толще обжигаемого материала. Это интенсифицирует процесс спекания и упрочнения керамики. В изломе кирпича, полученного из глины и угля, видна темно-малиновая уплотненная зона, повышающая его прочность.

3. Бурые угли добавляют в глину с той же целью. При их использовании увеличивается недожог кирпича вследствие улетучивания горючих веществ при температурах ниже температуры их воспламенения. Выделение тепла и газов происходит более равномерно и в более широком температурном интервале, чем при вводе антрацита, поэтому почти не возникает пережог кирпича, и его обжиг можно вести более уверенно.

4. Золы ТЭЦ также используются в качестве добавок в глину при производстве кирпича. Они действуют как отощители, а при наличии в золе недожога — невыгоревшего остатка кокса — как выгорающие добавки[4−6].

4. Выбор и обоснование способа производства

При производстве керамического кирпича используется метод полусухого прессования и метод пластического формования.

Пластический способ производства керамического кирпича осуществляется по следующей схеме. Поступившую на завод глину подвергают обработке до получения пластичной однородной массы. Для этого глиняное сырье сначала подвергают измельчению на вальцах: глиняная масса поступает на поверхность двух валков, которые вращаются навстречу друг другу, в результате чего глина втягивается в зазор между ними и измельчается. Валки могут иметь разные диаметры и вращаться с неодинаковой частотой, в результате чего измельчение протекает интенсивнее. Для более эффективного измельчения к вальцам добавляют бегуны. Затем смесь поступает в глиносмеситель, где она увлажняется до 18…25% и перемешивается до получения однородной пластичной массы. Тщательно приготовленная однородная масса поступает затем в ленточный пресс.

Для получения кирпича более высокой плотности и улучшения формовочных свойств глин применяют вакуумные ленточные прессы. Поступающую в ленточный пресс глиняную массу с помощью шнека уплотняют, после чего она подается к выходному отверстию в мундштук. Из последнего выходит непрерывный глиняный брус, который попадает на автомат для резки и укладки кирпича-сырца на вагонетки камерных или туннельных сушил.

Процесс обжига условно можно разделить на три периода: прогрев, собственно обжиг и охлаждение. В период прогрева из сырца удаляется гигроскопическая и гидратная влага, сгорают органические примеси, равномерно прогревается масса и разлагаются карбонаты. При обжиге происходит расплавление наиболее плавкой составной части глины, которая обволакивает нерасплавившиеся частицы глины, спекая массу. Период охлаждения сопровождается образованием камня.

Обжиг кирпича производят в печах непрерывного действия — кольцевых и туннельных. Кольцевая печь представляет собой замкнутый обжигательный канал, условно разделенный на камеры. Эти печи отличаются высокой трудоемкостью и тяжелыми условиями труда, поэтому на новых заводах их не строят. Туннельная печь является наиболее совершенной. Она представляет собой канал сечением 3,5…5,5 м², длиной до 100 м. В канале уложены рельсы, по которым движутся вагонетки с кирпичом-сырцом. Туннельная печь имеет три зоны: подогрева, обжига и охлаждения, — через которые последовательно в течение 18…36 ч проходят вагонетки с кирпичом-сырцом. Туннельные печи наиболее экономичны из-за более механизированного производства, а также лучшего использования тепла. Брак кирпича в туннельных печах сравнительно небольшой.

Полусухой способ производства керамического кирпича имеет преимущество перед пластическим. Он не требует сушки изделий и позволяет использовать малопластичные глины. Вместе с тем уменьшается потребность в производственных площадях и рабочей силе. Однако качество кирпича, получаемого полусухим способом, в частности морозостойкость, ниже, чем кирпича, полученного пластическим прессованием. При полусухом способе формования сырьевые материалы после предварительного измельчения на вальцах высушивают в сушильном барабане до влажности 6…8%, затем измельчают в дезинтеграторе, просеивают, увлажняют до 8…12% и тщательно перемешивают. Подготовленную массу формуют (прессуют) на гидравлических или механических прессах производительностью до 10 000 шт/ч. Отформованный кирпич направляют в печь на обжиг и далее на склад.

Каждый из способов производства имеет свои преимущества и недостатки. При наличии рыхлых глин и глин средней плотности с влажностью не выше 23−25% применяют пластический способ переработки глин; для слишком плотных глин, плохо поддающихся увлажнению и обработке с низкой карьерной влажностью (менее 14−16%),-полусухой способ переработки.

Технологическая схема производства изделий с пластическим способом подготовки массы, несмотря на свою сложность и длительность, наиболее распространена в промышленности стеновой керамики. Метод формования из пластических масс исторически сложился на основе пластических свойств глин и широко используется в керамической технологии. Способ пластического формования позволяет выпускать изделия в широком ассортименте, более крупных размеров, сложной формы и большей пустотности. В отдельных случаях предел прочности при изгибе и морозостойкость таких изделий выше, чем у изделий, полученных способом полусухого прессования из того же сырья [8,9].

При переработке глин в сыром виде схема подготовки сырья несколько проще и экономичней, поскольку нужно меньше перерабатывающего оборудования, следовательно, меньше энергоемкость. Все оборудование более надежно и просто в обслуживании. Температура обжига изделий примерно на 50⁰С ниже, чем у изделий полусухого прессования, что позволяет также снизить энергозатраты на обжиг и в какой-то мере компенсируют высокие затраты на сушку.

Недостатком способа пластического формования является большая длительность технологического цикла за счет процесса сушки сырца, продолжающегося от 1 до 3 суток. Низкая прочность формованного сырца, особенно пустотелого, большая усадка материала при сушке и наличие отдельного процесса сушки затрудняет возможность механизации трудоемких операций при садке сырца на сушку, перекладке высушенного сырца для обжига и совмещения в одном агрегате процессов сушки и обжига.

Чтобы получить изделия требуемого качества необходимо из глины удалить каменистые включения, разрушить ее природную структуру, получить пластичную массу, однородную по вещественному составу, влажности и структуре, а также придать массе надлежащие формовочные свойства.

Еще одним недостатком метода пластического формования является то, что для получения качественного кирпича глину необходимо качественно переработать, что требует больших затрат на электроэнергию. Поэтому большинство отечественных предприятий использует минимальный комплект перерабатывающего оборудования, что отнюдь не способствует качеству выпускаемого кирпича.

Особенно хочется сказать об использовании парка сушильных и обжиговых вагонеток. Так, для кирпичного завода мощностью 10 млн. штук кирпича в год, требуется около 100 обжиговых вагонеток и 500−800 сушильных вагонеток. Учитывая, что и те и другие вагонетки работают в агрессивных средах, срок их эксплуатации небольшой, и как следствие стоимость ремонта и возобновления парка вагонеток занимает значительное место в себестоимости кирпича.

Также пластический метод формования имеет еще несколько преимуществ — широкий ассортимент продукции — от поризованной керамики с пустотностью 50% и с плотностью до 700−800 кг/м3 до полнотелого клинкерного кирпича с плотностью до 2200−2300 кг/м3, получение кирпича с высокой маркой и морозостойкостью, отработанность технологии, как самой распространенной в мире, большой выбор оборудования.

Основные преимущества кирпича полусухого прессования — относительно низкая цена, ровные плоскости, высокая скорость производства. Также формование происходит при влажности порошка 8−10%, то есть отформованный кирпич не требует сушки и подается сразу после формовки в печь. При производстве кирпича полусухим прессованием не требуются ввод в глину добавок для улучшения сушильных свойств кирпича, даже при наличии в глине солей, они не выступают на поверхности кирпича, а также технологическое оборудование более простое и потребляет значительно меньше электроэнергии. Оборудование для производства строительного кирпича стоит в несколько раз дешевле, отсутствует отделение для сушки кирпича, которое обычно занимает большое пространство.

Недостатками полусухого прессования являются более сложное прессовое оборудование, несколько больший объемный вес получаемого кирпича и меньший предел прочности его при изгибе, а также меньшие значения морозостойкости строительного кирпича. Еще одним важным недостатком считается трудность получения прочного кирпича-сырца без трещин расслаивания из-за упругой деформации. И для получения сырца без трещин подбирают оптимальный режим длительности прессования.

С учетом всех достоинств и недостатков предложенных способов производства керамического кирпича в дипломной работе для изготовления керамического кирпича будет использоваться пластичный метод формования из-за повышенной для полусухого прессования влажности глины, из-за простоты производства и необходимости получения строительного кирпича высоких марок прочности.

5. Технология производства керамического кирпича

Схема 1

Добыча и усреднение глины

Перед началом работ по добыче глины на карьерах проводят подготовительные и вскрышные работы, обеспечивающие в дальнейшем нормальную бесперебойную работу по добыче.

При подготовительных работах удаляют растительность, устраивают водоотводные канавы и подъездные пути. В качестве машины для удаления растительности служат кусторезы, корчеватели.

При вскрышных работах удаляют растительный слой, почву, подзол, песок, т. е. все непригодные для производства слои, покрывающие толщу глины. Землеройное оборудование и способ вскрышных работ выбирают в соответствии с особенностями месторождения и рельефа местности на основе проекта разработки карьера. Для вскрышных работ применяют колесные скреперы, бульдозеры, иногда многоковшовые экскаваторы, а в отдельных случаях гидромониторы [22,23].

В качестве глинодобывающих машин применяют, как правило, многоковшовые и одноковшовые экскаваторы. В отдельных случаях используют скреперы, бульдозеры и струги. Однако эти машины целесообразно применять лишь при благоприятных горногеологических условиях, равномерном и однородном залегании сырья и достаточной мощности.

Свойства глины, добываемой в карьере, неоднородны. По толщине залегания обычно меняется пластичность, засоренность, влажность и химический состав сырья. Поэтому глины, залегаемые в карьерах в их естественном состоянии, без предварительной подготовки непригодны для изготовления кирпича. Для того чтобы получить из имеющегося сырья высококачественный кирпич, необходимо сделать глиняную массу однородной, т. е. усреднить ее.

Усреднение глины производят в процессе ее добычи в карьере, а также путем перевалки ее в открытые глинозапасники, так называемые «конусы» или же в стационарные глинохранилища закрытого типа.

Усреднение глины с дополнительным ее вылеживанием даже в больших массивах улучшает перемешивание разнородных по свойствам слоев глины, содействует некоторому разрушению ее природной структуры, повышает эффективность последующей ее механической обработки [23,27].

В зависимости от объема потребляемой глины, расстояния от места добычи глины к месту ее потребления и рельефа местности выбирают тот или иной вид транспорта: безрельсовый — автомашины, скреперы, бульдозеры; рельсовый — мотовозы, электровозы, канатная тяга. Для внутрицехового транспортирования глины и добавок применяют ленточные конвейеры и ковшовые элеваторы [18,19].

Подготовка добавок

Добавки, применяемые в кирпичном производстве, требуют подготовки, которая заключается в измельчении их до заданного зернового состава или в просеивании. Для подготовки добавок применяют щековые, валковые и молотковые дробилки, шаровые мельницы, барабанные грохоты и др. Выбор дробилки зависит от твердости и размеров кусков измельчаемых добавок. Перед измельчением кварцевый песок подвергают просеву через сито с отверстиями 3 мм для отделения крупных включений. Древесные опилки просеивают через сито с отверстиями 8 — 10 мм.

Угли различных марок (каменные, бурые, антрациты), а также отходы обожженных изделий для приготовления шамота, шлак измельчают на щековых, затем на молотковых или валковых дробилках и просеивают через сито с отверстиями 2 — 3 мм. Прошедший через сито уголь используют как выгорающую добавку в производстве кирпича. Золу ТЭЦ, находящуюся в гидроотвалах и имеющую высокую влажность, сначала при помощи экскаватора и бульдозера окучивают в бурты, в которых зола хранится до потери избыточной воды. Затем до начала зимы золу ТЭЦ завозят на территорию завода и предохраняют от промерзания в крытых запасниках. Из запасников золу ТЭЦ без дополнительной подготовки можно подавать в бункер ленточного дозатора. Подготовка пластифицирующих добавок (бентонитовой глины, сульфитно-спиртовой барды и др.) заключается в смешивании их с водой и доведении до жидкого состояния [27,28].

Дробление глины

Глину, поступающую в производство, подвергают первичному дроблению в стругачах, камневыделительных и дезинтеграторных вальцах, предназначенных также для одновременного удаления из массы твердых включений. Если глину не отделять от включений, то в дальнейшем каменистые твердые включения могут понизить прочностные характеристики кирпича и могут повредить оборудование для его производства[29].

Дезинтеграторные камневыделительные вальцы служат для предварительного дробления пластичных глин и частичного удаления каменистых включений (рис. 5.1.2.1). Вальцы состоят из двух валков различного диаметра и с различной скоростью вращения, из которых валок большего диаметра гладкий, а меньшего диаметра ребристый.

Рис. 5.1.2.1 — Дезинтеграторные камневыделительные вальцы СМ-150:

а — общий вид, б — схема; 1 — гладкий валок, 2 — ребристый валок, 3 — съемные стальные ребра, 4 — шкив малого валка, 5 — шкив большого валка, 6 — подшипник, 7 — пружина, 8 — передвижные салазки, 9 — рама, 10 — кожух, 11 — воронка, 12 — направляющий лоток, 13 — отводной лоток.

Дезинтеграторные вальцы работают следующим образом: глина, поступающая через загрузочную воронку 11 по направляющему лотку 12, попадает на быстроходный ребристый валок 2. Под ударами ребер этого валка она отбрасывается на гладкий тихоходный валок, который затягивает ее в зазор между валками. Каменистые включения при ударе ребер отбрасываются в сторону гладкого валка, ударяются о верхнюю крышку кожуха 10 и выбрасываются через отводной лоток 13. Эти вальцы применяют для преимущественно в качестве машины для грубого дробления плотных и пластичных глин [19,20].

Винтовые камневыделительные вальцы служат для первичного дробления рыхлых глин и одновременно выделения из них каменистых включений (рис. 5.1.2.2). Винтовые вальцы этого типа имеют винтовую спираль на одном валке, другой валок гладкий. Спираль в виде выступающих ребер отводит поступающие с глиной камни в лоток, находящийся у конца валка.

Рис. 5.1.2.3 — Схема камневыделительных винтовых вальцов СМ-416А:

1 — электродвигатель, 2 — упругая муфта, 3 — редуктор, 4 — уравнительная муфта, 5 — зубчатые шестерни, 6,8,10,12,14 и 15 — подшипники, 7 — гладкий валок, 9 — винтовой валок, 11 — цепная передача, 13 — очистной винтовой скребок.

К валкам прикреплены очистные скребки. Неподвижный скребок очищает гладкий валок, а подвижный скребок 13 — винтовой валок. Камни выходят с противоположной от привода стороны [35,36].

Формование кирпича

При производстве керамического кирпича используется метод полусухого прессования и метод пластического формования, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. При наличии рыхлых глин и глин средней плотности с влажностью не выше 23−25% применяют пластический способ переработки глин; для слишком плотных глин, плохо поддающихся увлажнению и обработке с низкой карьерной влажностью (менее 14−16%),-полусухой способ переработки.

Технологическая схема производства изделий с пластическим способом подготовки массы, несмотря на свою сложность и длительность, наиболее распространена в промышленности стеновой керамики. Метод формования из пластических масс исторически сложился на основе пластических свойств глин и широко используется в керамической технологии. Способ пластического формования позволяет выпускать изделия в широком ассортименте, более крупных размеров, сложной формы и большей пустотности. В отдельных случаях предел прочности при изгибе и морозостойкость таких изделий выше, чем у изделий, полученных способом полусухого прессования из того же сырья.

При переработке глин в сыром виде схема подготовки сырья несколько проще и экономичней, поскольку нужно меньше перерабатывающего оборудования, следовательно, меньше энергоемкость. Все оборудование более надежно и просто в обслуживании. Температура обжига изделий примерно на 50⁰С ниже, чем у изделий полусухого прессования, что позволяет также снизить энергозатраты на обжиг и в какой-то мере компенсируют высокие затраты на сушку.

Недостатком способа пластического формования является большая длительность технологического цикла за счет процесса сушки сырца, продолжающегося от 1 до 3 суток. Низкая прочность формованного сырца, особенно пустотелого, большая усадка материала при сушке и наличие отдельного процесса сушки затрудняет возможность механизации трудоемких операций при садке сырца на сушку, перекладке высушенного сырца для обжига и совмещения в одном агрегате процессов сушки и обжига.

Чтобы получить изделия требуемого качества необходимо из глины удалить каменистые включения, разрушить ее природную структуру, получить пластичную массу, однородную по вещественному составу, влажности и структуре, а также придать массе надлежащие формовочные свойства.

Еще одним недостатком метода пластического формования является то, что для получения качественного кирпича глину необходимо качественно переработать, что требует больших затрат на электроэнергию. Поэтому большинство отечественных предприятий использует минимальный комплект перерабатывающего оборудования, что отнюдь не способствует качеству выпускаемого кирпича.

Также пластический метод формования имеет еще несколько преимуществ — широкий ассортимент продукции — от поризованной керамики с пустотностью 50% и с плотностью до 700−800 кг/м3 до полнотелого клинкерного кирпича с плотностью до 2200−2300 кг/м3, получение кирпича с высокой маркой и морозостойкостью, отработанность технологии, как самой распространенной в мире, большой выбор оборудования.

После ознакомления со всеми недостатками и достоинствами методов формования в дипломной работе для изготовления керамического кирпича будет использоваться пластичный метод формования [22,23,29].

Смешивание сырьевых компонентов

После первичного дробления и частичного удаления крупных включений необходимо смешать глину с добавками. Смешивание сырьевых компонентов имеет важную роль в технологии производства кирпича, так как лучшая гомогенизация сырьевой смеси дает возможность получать качественную продукцию. Для смешивания глины с добавками применяют одновальные и двухвальные смесители. В настоящее время чаще используют двухвальные смесители как более производительные.

Кирпичные заводы оснащены двухвальными смесителями СМК-18 (СМ-246) с пароувлажнением и СМ-447А без пароувлажнения. Лопастный двухвальный смеситель с пароувлажнением СМК-18 (СМ-246) (рис. 5.2.1.1) представляет собой корпус в виде корыта, в котором помещены два вала с лопастями 6. Со стороны выгрузочного отверстия 3 конец вала вращается, в опорном подшипнике 4. Смеситель снабжен трубой 7 для подачи пара и трубой 8 для подачи воды. Труба 8 укреплена в верхней части корпуса и снабжена вентилем, которым регулируют подачу воды.