Производство керамзитового гравия пластическим методом

Производство керамзитового гравия пластическим методом

Керамзитовый гравий достаточно широко применяется в строительной отрасли. Он применяется не только в качестве заполнителя в легких бетонах, но является экологически чистым утеплителем, и при правильном применении может сократить потери тепла до 75%. Керамзитовый гравий это, по своей структуре, легкий пористый материал. Свойства керамзитового гравия и его характеристики зависят также от многих факторов, таких как качество глины, методы хранения и транспортировки. После обработки и обжига улучшаются свойства керамзитового гравия. К ним относятся легкость и прочность, тепло и звукоизоляция, огнеупорность и морозостойкость. А также одним из важных факторов является долговечность. Профессионалы также отмечают такое не маловажное свойство керамзита, как экологичность. Ведь строительство непосредственно связано с людьми, и чистота материала играет определяющую роль в формировании цены.

Основными характеристиками керамзитового гравия является его насыпная плотность, теплопроводность и прочность. По структуре зерно керамзитового гравия представляет собой пористую, стекловидную массу (с замкнутыми порами сферической формы), покрытую тонкой спекшейся оболочкой.

Использование керамзитового гравия в роли заполнителя в ячеистых бетонах весьма эффективно, так как это улучшает его характеристики. Но применение керамзита этим не ограничивается. Также керамзитовый гравий используют в качестве фильтрующих засыпок в фильтрах очистки. Таким образом, можно очищать воду и запыленный воздух. Керамзитовый гравий повышенной плотности и прочности применяется для выполнения дорожно-строительных работ. Особенно для нижних слоев двухслойных покрытий.

1. Аналитический обзор литературы

1.1Общая характеристика керамзитового гравия

Керамзитовый гравий — частицы округлой формы с оплавленной поверхностью и порами внутри. Керамзит получают главным образом в виде керамзитового гравия. Зерна его имеют округлую форму. Структура пористая, ячеистая. На поверхности его часто имеется более плотная корочка. Цвет керамзитового гравия обычно темно-бурый, в изломе — почти черный. Его получают вспучиванием при обжиге легкоплавких глин во вращающих печах. Такой гравий с размерами зерен 5−40 мм морозоустойчив, огнестоек, не впитывает воду и не содержит вредных для цемента примесей. Керамзитовый гравий используют в качестве заполнителя при изготовлении легкобетонных конструкций.

В соответствии с ГОСТ 9757–90 предусматриваются следующие фракции керамзитового гравия по крупности зерен: 5−10, 10−20 и 20−40 мм и керамзитовый песок фракцией 0−5 мм. В каждой фракции допускается до 5% более мелких и до 5% более крупных зерен по сравнению с номинальными размерами. Из-за невысокой эффективности грохочения материала в барабанных грохотах трудно добиться разделения керамзита на фракции в пределах установленных допусков.

По насыпной плотности керамзитовый гравий подразделяется на 10 марок: от 250 до 800, причем к марке 250 относится керамзитовый гравий с насыпной плотностью до 250 кг/м³, к марке 300 — до 300 кг/м³ и т. д. Насыпную плотность определяют по фракциям в мерных сосудах. Чем крупнее фракция керамзитового гравия, тем, как правило, меньше насыпная плотность, поскольку крупные фракции содержат наиболее вспученные гранулы.

Для каждой марки по насыпной плотности стандарт устанавливает требования к прочности керамзитового гравия при сдавливании в цилиндре и соответствующие им марки по прочности (таблица 1.1). Маркировка по прочности позволяет сразу наметить область рационального применения того или иного керамзита в бетонах соответствующих марок. Более точные данные получают при испытании заполнителя в бетоне. Прочность пористого заполнителя — важный показатель его качества. Стандартизована лишь одна методика определения прочности пористых заполнителей вне бетона — сдавливанием зерен в цилиндре стальным пуансоном на заданную глубину. Фиксируемая при этом величина напряжения принимается за условную прочность заполнителя. Эта методика имеет принципиальные недостатки, главный из которых — зависимость показателя прочности от формы зерен и пустотности смеси. Это настолько искажает действительную прочность заполнителя, что лишает возможности сравнивать между собой различные пористые заполнители и даже заполнители одного вида, но разных заводов.

Таблица1.1 — Требования к прочности керамзитового гравия

керамзитовый гравий химический технологический Высококачественный керамзит, обладающий высокой прочностью, как правило, характеризуется относительно меньшими, замкнутыми и равномерно распределенными порами. В нем достаточно стекла для связывания частичек в плотный и прочный материал, образующий стенки пор. При распиливании гранул сохраняются кромки, хорошо видна корочка.

Водопоглащение также является важным свойством керамзита. Водопоглощение заполнителя выражается в процентах от веса сухого материала. Этот показатель для некоторых видов пористых заполнителей нормируется (например, в ГОСТ 9757–90). Однако более наглядное представление о структурных особенностях заполнителей дает показатель объемного водопоглощения.

Для снижения водопоглощения предпринимаются попытки предварительной гидрофобизации пористых заполнителей. Пока они не привели к существенным положительным результатам из-за невозможности получить нерасслаивающуюся бетонную смесь при одновременном сохранении эффекта гидрофобизации.

Другие важные свойства пористых заполнителей, влияющие на качество легкого бетона — морозостойкость и стойкость против распада (силикатного и железистого), а также содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений. Эти показатели регламентированы стандартами.

Морозостойкость (F, циклы) — ГОСТ нормирует, чтобы этот показатель был не менее 15 (F15), причем потеря массы керамзитового гравия в%, не должна превышать 8%, как правило заводы-изготовители выдерживают эту норму.

Искусственные пористые заполнители, как правило, морозостойки в пределах требований стандартов. Недостаточная морозостойкость некоторых видов заполнителей вне бетона не всегда свидетельствует о том, что легкий бетон на их основе также неморозостоек, особенно если речь идет о требуемом количестве циклов 25−35. Заполнители легких бетонов, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации, не всегда удовлетворяют требованиям по морозостойкости и потому должны тщательно исследоваться.

На теплопроводность пористых заполнителей, как и других пористых тел, влияют количество и качество (размеры) воздушных пор, а также влажность. Заметное влияние оказывает фазовый состав материала. Аномалия в коэффициенте теплопроводности связана с наличием стекловидной фазы. Чем больше стекла, тем коэффициент теплопроводности для заполнителя одной и той же плотности ниже. С целью стимулирования выпуска заполнителей с лучшими теплоизоляционными свойствами для бетонов ограждающих конструкций предлагают нормировать содержание шлакового стекла (например, для высококачественной шлаковой пемзы 60−80%).

В зависимости от технологии изготовления и свойств сырья, показатель теплопроводности может быть разным, у разных производителей, но в среднем он составляет 0,07 — 0,16 Вт/м°С, где соответственно меньшее значение соответствует марке по плотности М250. (Здесь следует отметить что марка М250 является редкой и изготавливается часто под заказ. Обычная плотность материала это М350 — М600 соответственно тогда К 0,1−0,14).

Искусственные пористые пески — это в основном продукты дробления пористых кусковых материалов (шлаковая пемза, аглопорит) и гранул (керамзит). Специально изготовленные вспученные пески (перлитовый, керамзитовый) пока не занимают доминирующего положения.

Большое преимущество дробленых песков — возможность их производства в комплексе с производством щебня. Однако это обстоятельство обусловливает и существенные недостатки в качестве песка. Являясь попутным продуктом при дроблении материала на щебень, песок в ряде случаев не соответствует требуемому гранулометрическому составу для производства легкого бетона. Очень часто песок излишне крупный, не содержит в достаточном количестве наиболее ценной для обеспечения связности и подвижности бетонной смеси фракции размером менее 0,6 мм.

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

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

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

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

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

1.2 Применяемое сырье

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

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

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

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

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

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

Для получения легких керамзитных изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью в сырьевую массу вводят порообразующие добавки — вещества, диссоциирующие при температуре обжига с выделением углекислоты (глинистый мергель, молотый доломит, мел), а также вещества, выгорающие при обжиге (опилки, изгарь, молотый кокс, коксовый шлам, торфяная пыль).

Для улучшения свойств керамзитных материалов в состав массы вводят химические добавки. Так, для улучшения качества кирпича добавляют к глине фосфатные соединения. Пластичность формовочной массы может быть повышена путем введения в шихту 0,1−0,3% поверхностно-активных веществ. Для получения керамзитового гравия, кроме вспучивающихся глин, применяют другие виды вспучивающегося минерального сырья: некоторые разновидности диатомитов, сланцев. К числу сланцевого сырья, пригодного для получения пористых заполнителей, относятся сланцы кровельные, шунгитовые, менилитовые.

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

Вспучиваемость характеризуется коэффициентом вспучивания:

К_В=V_K/V_C, (1.1)

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

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

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

Глинистое сырье можно разделить на 4 группы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.3 Способы производства

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

— сухой;

— пластический;

— порошково-пластический;

— шликерный (мокрый);

— метод кипящего слоя и т. д.

Технология изготовления керамзита включает следующие основные технологические этапы:

— добыча сырья и доставка на предприятие;

— переработка сырья и получение гранул необходимых размеров;

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

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

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

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

Наибольшее распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому способу перерабатывается в увлажненном состоянии в вальцах, глиномешалках и других агрегатах (как в производстве кирпича). Затем из пластичной глиномассы на дырчатых вальцах или ленточных шнековых прессах формуются сырцовые гранулы в виде цилиндриков, которые при дальнейшей транспортировке или при специальной обработке окатываются, округляются.

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

Гранулы с влажностью примерно 20% могут сразу направляться во вращающуюся печь или, что выгоднее, предварительно подсушиваться в сушильных барабанах, в других теплообменных устройствах с использованием тепла отходящих дымовых газов вращающейся печи. При подаче в печь подсушенных гранул ее производительность может быть повышена.

Таким образом, производство керамзита по пластическому способу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует значительных капиталовложений, но, с другой стороны, переработка глинистого сырья с разрушением его естественной структуры, усреднение, гомогенизация, а также возможность улучшения его добавками позволяют увеличить коэффициент вспучивания.

Порошково-пластический способ отличается от пластического тем, что вначале помолом сухого глинистого сырья получают порошок, а потом из этого порошка при добавлении воды получают пластичнуюглиномассу, из которой формуют гранулы, как описано выше. Необходимость помола связана с дополнительными затратами. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. Но в ряде случаев этот способ подготовки сырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном состоянии его легче перемешать и гомогенизировать; если требуется вводить добавки, то при помоле их легче равномерно распределить; если в сырье есть вредные включения зерен известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная переработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его более высокое качество оправдывают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) способ заключается в разведении глины в воде в специальных больших емкостях — глиноболтушках. Влажность получаемой пульпы (шликера, шлама) примерно 50%. Пульпа насосами подается в шламбассейны и оттуда — во вращающиеся печи. В этом случае в части вращающейся печи устраивается завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими из печи газами и подсушивают пульпу, затем разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа — повышенный расход топлива, связанный с большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются достижение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота введения и тщательного распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка. Этот способ рекомендуется при высокой карьерной влажности глины, когда она выше формовочной (при пластическом формовании гранул). Он может быть применен также в сочетании с гидромеханизированной добычей глины и подачей ее на завод в виде пульпы по трубам вместо применяемой сейчас разработки экскаваторами с перевозкой автотранспортом.

Керамзит, получаемый по любому из описанных выше способов, после обжига необходимо охладить. Установлено, что от скорости охлаждения зависят прочностные свойства керамзита. При слишком быстром охлаждении керамзита его зерна могут растрескаться или же в них сохранятся остаточные напряжения, которые могут проявиться в бетоне. С другой стороны, и при слишком медленном охлаждении керамзита сразу после вспучивания возможно снижение его качества из-за смятия размягченных гранул, а также в связи с окислительными процессами, в результате которых FeO переходит в Fe₂O₃, что сопровождается деструкцией и снижением прочности.

Сразу после вспучивания желательно быстрое охлаждение керамзита до температуры 800−900°С для закрепления структуры и предотвращения окисления закисного железа. Затем рекомендуется медленное охлаждение до температуры 600−700°С в течение 20 мин для обеспечений затвердевания стеклофазы без больших термических напряжений, а также формирования в ней кристаллических минералов, повышающих прочность керамзита. Далее возможно сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

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

Для фракционирования керамзитового гравия используют грохоты, преимущественно барабанные — цилиндрические или многогранные (бураты).

Внутризаводской транспорт керамзита — конвейерный (ленточные транспортеры), иногда пневматический (потоком воздуха по трубам). При пневмотранспорте возможно повреждение поверхности гранул и их дробление. Поэтому этот удобный и во многих отношениях эффективный вид транспорта керамзита не получил широкого распространения.

Фракционированный керамзит поступает на склад готовой продукции бункерного или силосного типа.

1.4 Анализ обзора литературы и выбор наиболее рациональной технологической схемы производства

Самым экономичным и простым с технологической точки зрения является сухой способ. Однако из-за ограниченности плотных сухих глин возможность применения этого метода весьма ограничена. самым распространенным и относительно простым является пластический способ. Широкое использование этого метода обусловлено широким распространением легковспучивающихся глинистых пород. Пластический способ позволяет получать керамзит с высокой внутренней пористостью, а также позволяет регулировать соотношение между фракциями конечного продукта. Порошково-пластический метод является несколько усложненным пластическим способом и требует дополнительных капиталовложенийсамым универсальным являетсяшликерный способ. Однако, по сравнению с перечисленными он самый энергоемкий и требует значительных затрат. Следуя из этого можно сделать вывод о том, что пластический способ производства является наиболее рациональным.

Предварительное измельчение глина проходит в глинорыхлительной машине, камневыделительной валковой дробилке, после чего ее смешивают с такими компонентами как уголь и мазутсмешивание проводят в двухвальном смесителе, после чего массу подвергают гранулированию в валковой дробилкеили на ленточном прессе с перфорированной решеткой. Отформованные гранулы подвергают опудриванию в специальном барабане и направляют во вращающуюся печь на обжиг. Отожженный материал просеивается и разделяется на фракции.

Для просеивания и разделения на фракции керамзитовый гравий направляют во вращающийся грохот (барабанное сито, сито-бурат). Это сито выполняют в форме цилиндра или усеченной призмы, причем в качестве стенок используют решетки с отверстиями заданных размеров.

Просеянный керамзитовый гравий и песок направляют на хранение в силоса, из которых осуществляется отгрузка готового продукта потребителю[2].

2. Технологический раздел

2.1 Ассортимент продукции и требования к ней

Ассортимент керамзита достаточно обширный. Этот материал может различаться по множеству характеристик. Во-первых, существует такое понятие как насыпная плотность керамзита. Зависит этот показатель от степени пористости керамзита. Чем больше пузырьков воздуха окажется в каждой готовой грануле, тем она будет легче, следовательно, и теплоизоляционные свойства такого материала будут выше. Также керамзит различают и по степени прочности. После проведенных испытаний материал маркируют, устанавливая для каждого типа керамзита свое значение. Кстати, метод определения прочностных качеств достаточно простой — гранулы сдавливают в специальном цилиндре и замеряют величину напряжения.

Один из ключевых классификационных признаков касается размера керамзита, а точнее сказать величины гранул. На строительном рынке представлен материал с размером зерна от 2 до 40 мм в диаметре. Исходя из этого керамзит подразделяют на щебень, гравий и песок.

Керамзитовый песок — частицы 0,1 — 5 мм. Его получают благодаря обжигу остатков глины, либо за счет дробления кусков большего размера. Такой материал может применяться при теплоизоляции пола, обустройстве межкомнатных перегородок. Керамзитовый песок считается хорошим заполнителем для цементного раствора, с его помощью изготавливают так называемые «легкие» бетоны.

Керамзитовый гравий — это гранулы от 5 до 40 мм. Они появляются в высокотемпературных печах в процессе вспучивания ряда сортов глины. Такой керамзит хорошо выдерживает морозы и при этом ничуть не теряет своих эксплуатационных качеств, он не разрушается под воздействием пламени и не впитывает воду. Такой материал идеально подходит для изготовления легких и вместе с тем достаточно прочных бетонных конструкций.

Керамзитовый щебень — это материал, получаемый за счет дробления больших кусков керамзита на зерна величиной от 5 до 40 мм. Последние обычно используются в качестве заполнителя при изготовлении бетона. Керамзитовый щебень поставляется в мешках и россыпью.

Марка керамзита, в отличие от многих других строительных материалов, говорит не о прочности данного типа керамзита, а о его объемной массе. Сейчас существуют марки керамзита начиная от М400 и заканчивая М700. Эти цифры характеризуют насыпную плотность:

— Марка по насыпной плотности 400−450 — фракция 20−40 мм;

— Марка по насыпной плотности 400−500 — фракция 10−20 мм;

— Марка по насыпной плотности 500−600 — фракция 5−10 мм;

— Марка по насыпной плотности 600−700 — фракция 0−5 мм.

Марки по прочности:

— Марка по прочности П50-П75;

— Марка по прочности П50-П75;

— Марка по прочности П75-П100;

— Марка по прочности П100-П125.

Применяют керамзит следующих разновидностей:

а) керамзитовый песок округлый или угловатой (дробленый) формы, размером менее 5 мм;

б) керамзитовый гравий округлый или щебень (дробленый) из зерен угловатой формы размером от 5 до 40 мм.

Согласно ГОСТ 9759–71 керамзит по крупности зерен делят па следующие фракции: до 5, 5−10, 10−20 и 20−40 мм. В каждой фракции, сравнительно с ее номинальными размерами, допускается содержание до 10% более мелких и до 8% более крупных зерен. В особых случаях керамзитовый песок делят на две группы: крупный — фракции 1,25−5,0 и мелкий до 1,25 мм.

Максимальная крупность керамзитового гравия (щебня) не должна превышать 73 мм наименьшего сечения конструкции или 2/3 расстояния между стержнями арматуры. Его предельная крупность допускается не более 20 мм для высокопрочных и более 20 мм для других легких бетонов.

Керамзитовый гравий может иметь разную форму: шарообразную или вытянутую. Коэффициент формы не должен превышать 1,5. Количество зерен игловатой или лещадной формы с 2,5 не выше 20%. В дробленом керамзитовом песке не должно быть зерен размером более 10 мм, а 5−10 мм допускается не более 5% по весу.

В таблице 2.1 приведена производственная программа, принятая в курсовом проекте.

Таблица 2.1 — Производственная программа

2.2 Обоснование и подробное описание применяемого сырья

В курсовомпроекте для производства керамзита применяем следующие сырьевые материалы:

— суглинки «Фанипольские»;

— лигнин;

— уголь.

Суглинок — рыхлая осадочная горная порода, содержащая 10−30% глинистых частиц с числом пластичности 7−17 (пластичность глины больше 17).Используются в качестве сырья для производства керамических материалов (керамзит, кирпич, черепица, реже — керамическая плитка). По процентному соотношению глины (размер частиц меньше 0,005 мм), пылеватых частиц (0,005−0,05 мм) и песка (крупнее 0,05 мм) суглинки делятся на следующие виды:

— глинистые;

— суглинистые;

— песчаные;

— супесчаные.

В свою очередь суглинистые грунты можно разделить на тяжелые (20−30% глинистых частиц), средние (15−20%) и легкие (10−15%) — от этого зависит коэффициент фильтрации.

В состав суглинков входит 10−30% глинистых, 70−90% песчаных и пылеватых (размер зерен менее 0,01−0,05 мм) частиц. В зависимости от происхождения и места залегания выделяют три разновидности:

— валунный;

— лёссовидный;

— покровный.

В таблице 2.2 приведен химический состав применяемого сырья.

Таблица 2.2 — Химический состав применяемого сырья

2.3 Расчет химического состава массы и расхода сырья на производственную программу

В курсовом проекте принимается следующий состава массы, мас.%: суглинки «Фанипольские» — 80; уголь — 5; лигнин — 15. Химические составы сырьевых материалов представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 — Химические составы сырьевых материалов

Рассчитаем химический состав массы:

Х (SiO₂) = 78,91Ч 80/100 + 43,28Ч 5/100 +14,29 Ч 15/100 =63,128+2,164+ +2,1435=67,4355

Х (Al₂O₃) =9,38Ч 80/100 + 17,36Ч 5/100 +5,16Ч 15/100=7,504+0,868+0,774 = =9,146

Х (Fe₂O₃)=2,61Ч 80/100 + 14,17Ч 5/100 +9,23Ч 15/100=2,088 + 0,7085 + 1,3845 =4,181

Х (CaO) = 2,07Ч 80/100 + 4,58Ч 5/100 +28,45Ч 15/100=1,656+0,229+4,2675 = =6,1525

Х (MgO) = 1,17Ч 80/100 + 5,02Ч 5/100 +19,3Ч 15/100=0,936+0,251+2,895 =4,082

Х (Na₂O+K₂O) =3,72Ч 80/100 + 0,08Ч 5/100=2,976+0,004=2,98

Х (P₂O₅) =2,98Ч 15/100=0,447

Х (SO₃) =2,96Ч 5/100 +4,39Ч 15/100=0,148+0,6585=0,8065

X (ППП) = 2,14Ч 80/100 + 12,55Ч 5/100 +16,2Ч 15/100 = 1,712 + 0,6275 + 2,43 =4,7695

Рассчитываем химический состав обожженного изделия.

Х (SiO₂) = (67,4355Ч 100)/(100 — 4,7695) =70,813

Х (Al₂O₃) = (9,146Ч 100)/(100 — 4,7695) =9,604

Х (Fe₂O₃) = (4,181Ч 100)/(100 — 4,7695)=4,39

Х (CaO) = (6,1525Ч 100)/(100 — 4,7695)=6,461

Х (MgO) = (4,082Ч 100)/(100 — 4,7695)=4,286

Х (Na₂O+K₂O) = (2,98Ч 100)/(100 — 4,7695)=3,129

Х (P₂O₅) =(0,447Ч100)/(100 — 4,7695)=0,469

Х (SO₃) = (0,8065Ч 100)/(100 — 4,7695)=0,847

Результаты вычислений сводимв таблицу 2.4.

Таблица 2.4 — Шихтовой состав масс

Рассчитываем потребность в сырье:

для этого используем следующие формулы:

H_i=H_(i-1)+R_i-S_i (2.1)

где H_i — количество перерабатываемого на текущие операции материала по сухой массе, т.

H_(i-1) — количество перерабатываемого материала на предыдущие операции, т.

R_i — абсолютная величина потерь на текущие операции, т.

S_i — возврат материала в производство (только при расчете возвратных потерь), т.

R_i=H_(i-1)P_i/(100-P_i) 2.2)

где P_i — пооперационные потери, %.

S_i=R_iB_i/100 (2.3)

где B_i — возвратные потери, %.

G_i=H_i100/(100-W_i), 2.4)

где W_i — влажность материала, %.

Составим таблицу 2.5 пооперационных потерь.

Таблица 2.5 — Операции производства и нормативы потерь массы аглопорита

1) Склад готовойпродукции:

R₁=117 600,5/(100−0,5)=59,09 (т)

S₁=59,0995/100=56,14 (т)

H₁=11 760+59,09=11 819,09 (т)

2) Просев:

R₂=11 819,090,2/(100−0,2)=23,69 (т)

S₂=23,6997/100=22,98 (т)

H₂=11 819,09+23,69=11 842,78 (т)

3) Обжиг:

R₃=11 842,785/(100−5)=623,30 (т)

S₃=623,3090/100=560,97 (т)

H₃=11 842,78+623,30=12 466,08 (т)

4) ППП:

R₄=12 466,084,769/(100−4,769)=624,27 (т)

S₄=624,270/100=0 (т)

H₄=12 466,08+624,27=13 090,35 (т)

5) Сушка:

R₅=13 090,352,0/(100−2,0)=267,15 (т)

S₅=267,1597/100=259,14 (т)

H₅=13 090,35+267,15=13 357,5 (т)

G₅=13 357,5100/(100−0,5)=13 424,62 (т)

6) Гранулирование:

R₆=13 424,622/(100−2)=273,97 (т)

S₆=273,9797/100=265,75 (т)

H₆=13 424,62+273,97=13 698,59 (т)

G₆=13 698,59100/(100−5,5)=14 495,86 (т)

7) Смешиваниесырья:

R₇=13 698,591,5/(100−1,5)=208,61 (т)

S₇=208,610/100=0 (т)

H₇=13 698,59+208,61=13 907,2 (т)

G₇= 13 907,2100/(100−38)=22 430,97 (т)

8) Транспортировка суглинок:

R₈=13 907,20,5/(100−0,5)=69,88 (т)

S₈=69,880/100=0 (т)

H₈=13 907,2+69,88=13 977,08 (т)

G₈=13 977,08100/(100−22)=17 919,33 (т)

9) Измельчение суглинок:

R₉=13 977,080,5/(100−0,5)=70,24 (т)

S₉=70,240/100=0 (т)

H₉=13 977,08+70,24=14 047,32 (т)

G₉=14 047,32100/(100−22)=18 009,38 (т)

10) Склад суглинок:

R₁₀=14 047,320,5/(100−0,5)=70,59 (т)

S₁₀=70,590/100=0 (т)

H₁₀=14 047,32+70,59=14 117,91 (т)

G₁₀=14 117,91100/(100−22)=18 099,88 (т)

11) Транспортировкалигнина:

R₁₁=14 117,910,5/(100−0,5)=70,94 (т)

S₉=70,940/100=0 (т)

H₁₁=14 117,91+70,94=14 188,85 (т)

G₁₁=14 188,85100/(100−15)=16 692,76 (т)

12) Измельчениелигнина:

R₁₂=14 188,850,5/(100−0,5)=71,30 (т)

S₁₂=71,300/100=0 (т)

H₁₂=14 188,85+71,30=14 260,15 (т)

G₁₂=14 260,15100/(100−15)=16 776,65 (т)

13) Склад лигнина:

R₁₃=14 260,150,5/(100−0,5)=71,66 (т)

S₁₃=71,660/100=0 (т)

H₁₃=14 260,15+71,66=14 331,81 (т)

G₁₃=14 331,81100/(100−15)=16 860,95 (т)

14) Транспортировкаугля:

R₁₄=14 331,810,5/(100−0,5)=72,02 (т)

S₁₄=72,020/100=0 (т)

H₁₄=14 331,81+72,02=14 403,83 (т)

G₁₄=14 403,83100/(100−4)=15 003,99 (т)

15) Измельчениеугля:

R₁₅=14 403,830,5/(100−0,5)=72,38 (т)

S₁₅=72,380/100=0 (т)

H₁₅=14 403,83+72,38=14 476,21 (т)

G₁₅=14 476,21100/(100−1)=14 622,43 (т)

16) Склад угля:

R₁₆=14 622,430,5/(100−0,5)=73,48 (т)

S₁₆=73,480/100=0 (т)

H₁₆=14 622,43+73,48=14 695,91 (т)

G₁₆=14 695,91100/(100−1)=14 844,35 (т) Таблица 2.6 — Сводная таблица материального баланса

Таблица 2.7 — Расход сырья

2.4 Подбор технологического и теплотехнического оборудования

Подбор ленточного питателя с рыхлительными ножками

Необходимо подать 4,42 т/ч суглинок. Длина наклонного участка конвейера составляет L₁ = 23 м, длина горизонтального участка L₂ = 30 м. Угол подъема наклонного участка конвейера б = 13 є. Принимаем скорость движения ленты v=1 м/с.

Площадь поперечного сечения материала при желобчатой ленте:

F = 0,11· B², (2.5)

где B — ширина ленты, 0,8 м.

Производительность конвейера, т/ч;

Q = 3600· F· v·г = 0,11· B²·v·г, (2.6)

где v — скорость движения ленты, м/с.

г — плотность транспортируемого материала.

Отсюда ширина ленты:

(2.7)

= 0,09 м.

Определяем необходимую мощность двигателя, кВт:

N_б= (0,15· Q·L_т + 0,0003· Q·H + 0,03L _т · B·v)/(K₁·K₂ + K₃· Q), (2.8)

где H — высота подъемного материала, м;

v — скорость движения ленты, м/с;

K₁ — коэффициент, учитывающий влияние относительной длины конвейера;

K₂ — коэффициент, равный 1 — если разгрузочная тележка отсутствует;

K₃ — коэффициент, учитывающий расход энергии на разгрузку конвейера;

L _т — длина горизонтальной проекции конвейера.

L _т = L _{т1 +}L _т2 = H/ tgв + L _т2, (2.9)

где L _т1 — длина проекции наклонной части конвейера, м;

L _т2 — длина проекции горизонтальной части конвейера;

в — угол наклона конвейера.

L _т = 23 +30 = 53 м.

N_б= (0,15· 4,42·53 + 0,0003· 4,42·3 + 0,03· 53·0,09·1)/(1·1 +4,42) =0,03 кВт.

Побор глинорезки

В соответствии с материальным балансом производства плитки для полов переработке подлежит 18 099,88 т/г или 4,42 м³/ч суглинок.

Принимаем к установке глинорезку с горизонтальным диском со следующими характеристиками:

Производительность, м³/ч 7

Диаметр режущего диска, мм 1500

Частота вращения диска, с —¹ 0,5

Число ножей, мм 36

Ширина ножей, мм 70

Потребляемая мощность, кВт 10,2

Габаритные размеры, м:

Длина 3,335

Ширина 1,83

Высота 1,36

Масса 7160

Количество необходимого к установке оборудования определяем по формуле:

n=4,42/70,8=0,79

Принимаем одну глинорезку.

Подбор элеватора

Определяем часовой расход продукции:

При этом:

G=420 000

Qч = 420 000 /4096 = 102,54 т/ч

Ёмкость ковша i₀:

i₀₌ (2.10)

где a — расстояние между ковшами, a = 0,2 м; v-скорость движения ленты, v=1 м/с;-коэффициент заполнения ковша, =0,6.

i₀=(102,54· 0,2)/(3600·1·0,6·1,7)=0,0056 л.

Принимаем ёмкость ковша равной 2 литра.

Принимаем элеватор ЛГ-250.

Высота подъема 11 м Скорость движения 1,4 м/с Подача 14 кг/с Вместимость ковша 2 л Шаг ковшей 400 мм Ширина ковша 250 мм.

Расчет и подборщековойдробилки.

Для измельчения боя плитки используется щековая дробилка. Выбираем ЩД СМ-190 со сложным движением щеки производительностью 2,8 м³/ч со следующими характеристиками:

Наибольшая крупность исходного материала, мм 140

Угол захвата максимальный, град 15

Номинальная ширина выходящей щели, мм30

Мощность эл. двигателя, кВт 10

Масса дробилки, т 1,5

Габаритные размеры, м:

длина 1

ширина 1

высота 1,1

С учетом коэффициента размола принимаем i=0,8. Фактическая производительность щековой дробилки (Q_факт) составит

Q_факт= Q_тех· i = 2,8· 0,8 = 2,24 м³.

Q_час=25,8/1,1=23,5 м³

Число щековых дробилок равно n =Q_час/ Q_тех· k,

где k — коэффициент использования ЩД (k=0,75).

n = 23,5/2,24· 0,75 = 13,914 шт.

Принимаем ЩД СМ-190.

2.5 Описание технологического процесса производства изделий

Сырье транспортируется железнодорожным или автомобильным транспортом. Суглинки доставляется на предприятие из карьера железнодорожным или автомобильным транспортом и складируется в глинохранилище. При необходимости с помощью мостового грейферного крана глина подается в приемный бункер глинорыхлительной машины ТО-153 и затем с помощью ящичного питателя и ленточного конвейера поступает на камневыделительные вальцы СМ-1198и затем в приемный бункер весовой линии.

Одновременно с суглинками подготовляется уголь и лигнин. Подготовка угля и лигнина состоит в том, чтобы обеспечить их однородность по гранулометрическому составу, для этого они просеиваются, мелкая фракция направляется в расходный бункер, под которым установлен питатель. Из расходного бункера по питателю уголь и лигнин направляются на смешивание с суглинкой в двухвальный смеситель СП-750. При перемешивании масса дополнительно увлажняется водой.

Из полученной пластичной массы на ленточном шнековом прессеформуется сырцовые гранулы в виде цилиндриков, которые при дальнейшейтранспортировке или при специальной обработке окатываются, округляются. Качество сырцовых гранул во многом определяет качество готового керамзита.

Гранулы с влажностью примерно 20% предварительно подсушиваться в сушильном барабане СМЦ-428 и затем ленточным конвейером подаются на обжиг.

Обжиг осуществляется во вращающихся печах представляющих собойцилиндрические металлические барабаны диаметром до 2,5−5 м и длиной до 40−75 м, футерованные изнутри огнеупорным кирпичом. Печи устанавливаются суклоном примерно 3% и медленно вращаются вокруг своей оси. Благодаря этомусырцовые гранулы, подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении, постепенно передвигаются к другому концу барабана, где установлена форсункадля сжигания газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы перемещаются навстречу потоку горячих газов, подогреваются и, наконец, попав в зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Среднее время пребывания гранул в печи — примерно 45 мин.

Ленточным конвейером и элеватором керамзит подается на просев в грохот и затем по фракциям распределяется по силосам.

2.6 Контроль производства

Керамзитовый гравий изготовляют следующих основных фракций:

— 5 — 10;

— 10 — 20;

— 20 — 40 мм.

По согласованию изготовителя с потребителем допускается изготовление гравия от 2,5 до 10 мм и смеси фракций от 5 до 20 мм и для теплоизоляционных засыпок от 5 до 40 мм.

Зерновой состав гравия каждой фракции должен соответствовать указанному в таблице 2.6.

Таблица 2.8 — Зерновой состав керамзитового гравия