новое сырье и технологии производства керамзита

НОВЫЕ ВИДЫ СЫРЬЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ

ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТА

В традиционном виде сырьем для производства керамзита служат осадочные глинистые породы. Глинистые породы отличаются сложностью своего минералогического состава и кроме глинистых

минералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.) содержат кварц, полевые шпаты, карбонаты, железистые, органические примеси.

Глинистые минералы слагают глинистое вещество — наиболее дисперсную часть глинистых пород (частицы мельче 0,005 мм). В

геологии и минералогии глинами принято называть глинистые породы, содержащие более 30 % глинистого вещества.

Для производства керамзита наиболее пригодны монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины, содержащие не более 30% кварца. Общее

содержание Si02 должно быть не более 70%, Аl2О3 - не менее 12% (желательно около 20%), Fe203 + FeO - до 10%, органических

примесей—1—2%.

Пригодность того или иного глинистого сырья для производства керамзита устанавливают специальным исследованием его свойств.

Важнейшее из требований к сырью - вспучивание при обжиге. Второе требование к сырью (в значительной степени связанное с первым) -

легкоплавкость. Температура обжига устанавливается нe выше 1250*С, и при этом переход значительной части наиболее легких 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. Вспучивающими агентами являются газы, образующиеся в глине в

период ее пиропластического состояния, т. е. в период появления в ней

жидкой фазы. Выделяют их органические вещества, карбонаты (кальцит, доломит), пирит, водосодержащие минералы - гипс, гидрослюды и др.

Органические вещества, содержащиеся в глинах, мало способствуют их вспучиванию, так как выделяются из глины при низкой температуре.

Большую роль во вспучивании глин играет закись железа, образующаяся из окиси железа при обжиге в восстановительной среде.

Наилучшими для получения керамзитового гравия являются глины с

наиболее низкой температурой плавления при достаточном интервале

между температурами спекания и плавления.

Характер получаемых изделий определяется преобладанием в глине тех или иных окислов. Наличие Si02 в большом количестве понижает

пластичные свойства глины; А1203 придает изделиям огнеупорность и белизну; Fe203 является в глине плавнем, т. е. понижает её температуру

спекания и плавления, а также придает окраску изделиям; в зависимости от количества Fe203 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; Na20 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 (именуемого "дутик"), активно гасится водой, увеличивается в

объеме и разрушает изделие.

Глинистое сырье для керамзитных материалов классифицируется: по огнеупорности; по содержанию глинозема и окиси титана; по

спекаемости; по содержанию красящих окислов; по пластичности; по содержанию тонкодисперсных фракций; по содержанию

крупнозернистых включений. В зависимости от степени спекания, определяемой водопоглощением,

глинистое сырье бывает: сильноспекающееся - 2%, среднеспекающееся - 5% и неспекающееся - более 5%. В зависимости от температуры

спекания спекающееся глинистое сырье разделяют на группы: низко-, средне- и высокотемпературного спекания.

По степени пластичности глинистое сырье бывает высоко-, средне-, умеренно- и малопластичное, а также непластичное.

По дисперсности различают глины высокодисперсные, дисперсные и грубодисперсные, по виду включений - с кварцевыми включениями, с

железистыми, с карбонатными, с гипсовыми, с органическими.

Помимо глин, в производстве керамзита и материалов на его основе 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 ячеистых заполнителей применяют

вспучивающиеся глины, перлит, вермикулит, а для легких изделий - продукты вспучивающихся пород, шлаки, золы и др.

Для некоторых видов обжиговых материалов (облицовочные плитки, кислотоупорные изделия) применяют песчаные смеси, затворенные

растворимым стеклом или щелочами. На многих керамических заводах отсутствует сырье, пригодное в

естественном виде для производства материалов. Такое сырье требует отощения либо пластификации. Особое значение приобретает вопрос

составления сырьевой смеси при производстве тонкостенных изделий,

облицовочных материалов, вспученных и др. Пластичные глины требуют много воды для затворения и при сушке дают

большую усадку - до 12%, тощие глины требуют меньше воды и дают

усадку 2-6%. Добавляя к пластичным глинам отощающие добавки

(песок, шлак, золу от сжигания твердых топлив, дробленую обожженную глину или керамический бой и др.), можно уменьшить усадку глины при

сушке и обжиге и таким путем предохранить изделие от деформации. Для понижения температуры обжига при изготовлении некоторых

изделий в глину вводят флюсы (плавни) - молотый полевой шпат, песчаники, железосодержащие руды и др.

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 мер гель, 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 (сульфитно-дрожжевой бражки и др.).

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.

Сущность технологического процесса производства керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по оптимальному режиму. Для вспучивания

глиняной гранулы нужно, чтобы активное газовыделение совпало по

времени с переходом глины в пиропластическое состояние. Между тем в обычных условиях газообразование при обжиге глин происходит в

основном при более низких температурах, чем их пиропластическое размягчение. Например, температура диссоциации карбоната магния —

до 600°С, карбоната кальция - до 950 °С, дегидратация глинистых минералов происходит в основном при температуре до 800 °С, а

выгорание органических примесей еще ранее, реакции восстановления окислов железа развиваются при температуре порядка 900 °С, тогда как

в пиропластическое состояние глины переходят при температурах, как правило, выше 1100 °С.

В связи с этим при обжиге сырцовых гранул в производстве керамзита

необходим быстрый подъем температуры, так как при медленном обжиге

значительная часть газов выходит из глины до ее размягчения и в результате получаются сравнительно плотные маловспученные гранулы.

Но чтобы быстро нагреть гранулу до температуры вспучивания, ее сначала нужно подготовить, т. е. высушить и подогреть. В данном случае

интенсифицировать процесс нельзя, так как при слишком быстром нагреве в результате усадочных и температурных деформаций, а также

быстрого парообразования гранулы могут потрескаться или разрушиться (взорваться).

Оптимальным считается ступенчатый режим термообработки по С. П.

Онацкому: с постепенным нагревом сырцовых гранул до 200—600 °С (в

зависимости от особенностей сырья) и последующим быстрым нагревом до температуры вспучивания (примерно 1200 °С). Обжиг осуществляется

во вращающихся печах, представляющих собой цилиндрические металлические барабаны диаметром до 2,5-5 м и длиной до 40-75 м,

футерованные изнутри огнеупорным кирпичом. Печи устанавливаются с уклоном примерно 3% и медленно вращаются вокруг своей оси.

Благодаря этому сырцовые гранулы, подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении, постепенно передвигаются к другому концу барабана,

где установлена форсунка для 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. Чтобы обеспечить оптимальный режим термообработки, зону

вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке, иногда отделяют от остальной части (зоны подготовки) кольцевым порогом.

Применяют также двухбарабанные печи, в которых зоны подготовки и вспучивания представлены двумя сопряженными барабанами,

вращающимися с разными скоростями. В двухбарабанной печи удается создать оптимальный для каждого вида сырья режим термообработки.

Промышленный опыт показал, что при этом улучшается качество керамзита, значительно увеличивается его выход, а также сокращается

удельный расход топлива. В связи с тем, что хорошо вспучивающегося глинистого сырья для производства керамзита сравнительно мало, при

использовании средне- и слабовспучивающегося сырья необходимо стремиться к оптимизации режима термообработки.

Из зарубежного опыта известно, что для получения заполнителей типа керамзита из сырья (промышленных отходов), отличающегося особой

чувствительностью к режиму обжига, используют трехбарабанные вращающиеся печи или три-четыре последовательно располагаемые

печи, в которых обеспечиваются не только оптимальные скорость и длительность нагрева на каждом этапе термообработки, но и различная

газовая среда.

Значение характера газовой среды в производстве керамзита

обусловлено происходящими при обжиге химическими реакциями. В

восстановительной среде окись железа Fe2O3 переходит в закись FeO, что является не только одним из источников газообразования, но и

важнейшим фактором перехода глины в пиропластическое состояние. Внутри гранул восстановительная среда обеспечивается за счет

присутствия органических примесей или добавок, но при окислительной среде в печи (при большом избытке воздуха) органические примеси и

добавки могут преждевременно выгореть. Поэтому окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, как правило, нежелательна,

хотя имеется и другая точка зрения, согласно которой целесообразно получать высокопрочный керамзитовый гравий с невспученной плотной

корочкой. Такая корочка толщиной до 3 мм образуется (по предложению Северного филиала ВНИИСТ) при выгорании органических примесей в

поверхностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.

При производстве керамзита следует стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или

маловспучивающегося глинистого сырья для получения высокопрочного

заполнителя имеется много, а хорошо вспучивающегося не хватает. С этой точки зрения наличие плотной корочки значительной толщины на

керамзитовом гравии свидетельствует о недоиспользовании способности сырья к вспучиванию и уменьшении выхода продукции. В

восстановительной среде зоны вспучивания печи может произойти оплавление поверхности гранул, поэтому газовая среда здесь должна

быть слабоокислительной. При этом во вспучивающихся гранулах поддерживается восстановительная среда, обеспечивающая

пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхность гранул не оплавляется. Характер газовой среды косвенно, через окисное

или закисное состояние железистых примесей, отражается на цвете керамзита. Красновато-бурая поверхность гранул говорит об

окислительной среде (Fe2O3), темно-серая, почти черная окраска в изломе — о восстановительной (FeO).

Различают четыре основные технологические схемы подготовки

сырцовых гранул, или четыре способа производства керамзита: сухой, пластический, порошково-пластический и мокрый. 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.

Получаемый керамзит после обжига охлажают. 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 на-пряжений, 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.

Технологическая схема производства керамзита представляет собой

последовательность выполнения вышеописанных операций и является

практически не меняемой на протяжении уже нескольких десятков лет.

Особое значение при производстве керамзита играет роль его

себестоимость. Она зависит от многих факторов и включает в себе:

cтоимость добычи сыръя на месторождении, его транспортировки (плечо

доставки от места добычи к заводскому складу), подготовки и

собственно производства.

Что делать, если разведанные близлежащие к месту производства месторождения сырья уже отработаны или его добыча сопровождается

увеличением глубины залегания, обводненностью, усложнением горно-геологических условий, увеличением доставочного плеча из-за

отдаления разведанных но еще не вовлеченных в технологический процесс запасов? Производство керамзита при этом дорожает в

значительной мере.

Исключить повышение себестоимости производства продукции на

керамзитном заводе можно вовлечением в процесс новых видов сырья, которые могли бы заменить глины и располагаться на расстоянии с

меньшим плечом доставки, чем существующее.

Такая необходимость замены сырьевых источников для производства керамзита возникла на Кирикилинском керамзитном заводе в Астрахани.

Старое месторождение глин отработано, а ввод новых запасов на

месторождении из-за близости к городу по соображениям экологической безопасности запрещено. Существующие разведанные запасы глин

расположены на удалении в 3-4 раза большем, чем предшествующие уже отработанные заводом. Это приводит к удорожанию готовой

продукции более чем на 35%.

Было принято решение для поиска новых сыръевых источников для заводских нужд. Потребность производства в сырье – 200 тыс. м3/год.

Вокруг Астрахани и в самом городе бесчисленное количество заиленных проток, рек и речушек, а также пойменных заболоченных территорий

непригодных для пастбищ и сельскохозяйственных нужд. Часть из них расположены даже в городской черте на расстоянии 2-6 км от

Кирикилинского завода. Было принято решение обследовать эти природные образования, провести количественную и качественную

оценку их донных илов. Сравнительный анализ аналоговых донных иловых отложений на территории России, Украины и Казахстана,

проведенный Центром по сапропелю, дал возможность сделать заключение о пригодности таких осадочных илов для использования в

качестве сырья в производстве керамзита.

В кратчайшее сроки были произведены поисково-оценочные работы

илового сырья в непосредственной близости от заводских мощностей по производству керамзита. Максимальная удаленность разведочных работ

от завода составила 2-4 км. Были обследованы городские заросшие и переставшие существовать как водные артерии русла проток и ереков, а

также ежегодно затапливаемая паводком прирусловая территория реки Болда. Особенно подверглось полевым исследованиям русло ерика

Безымянный в 2 км от завода. По нему пробурены створы разведочных скважин и отобраны пробы илов на анализы.

Донные илы всех исследуемых образований по своему составу дали

положительные результаты и пригодны в качестве сырье для производства керамзита.

Геологические запасы продуктивных илов только одного ерика

Безымянный перекрывают годовую потребность завода в сырье.

Важным фактором при разработке таких «месторождений» является то,

что с извлечением сырья для производственных нужд производится очистка русел рек и ериков, оздоравливается экология,

восстанавливается природа. Извлечение илов на переработку в городских заросших руслах проток дало возможность их очистки как

таковой, так как была решена задача утилизации извлекаемого донного

ила в городской черте. Собственно добыча такого сырья сводится к одноуступной экскваторной разработке с погрузкой в самосвалы и

доставки илов на заводской сырьевой склад.

Технология добычи сырья при одновременной погрузке его в

автосамосвалы осуществляется в прирусловых местах водных артерий

разведанной площади.

Разработка русловых иловых образований идет с предварительным обезвоживанием илов в буртах. После чего сырье погружается на

транспорт и доставляется на завод.

Предложенное сырье для производства керамзита на Кирикилинском заводе в Астрахани обладает всеми необходимыми свойствами согласно

требуемых норм и ГОСТов, его себестоимость ниже на 28-39%. Для его вспучивания в технологическом процессе уменьшаются затраты на

энергоресурсы. Таким образом себестоимость конечного продукта – керамзита снизилась на 25-31%. Особенно отмечается тот факт, что

помимо обеспечения заводских нужд сырьем восстанавливаются и очищаются от заиления реки и протоки как в городе так и рядом с

Астраханью.

Работы по переводу существующего производства керамзита из глины в производство керамзита из донных илов включают в себя комплекс

мероприятий по поисковой и оценочной разведке сыръя, его лабораторные анализы, подготовку заключения о пригодности, ТЭО и

проектное решение. Перед ТЭО проводятся опытно-промышленные испытания сырья с отработкой технологии его добычи, подготовки и

переработки в продукцию.

По аналогии с уже веденными ранее Центром по сапропелю мощностями и подготовленными проектами перепрофилирования производств на

новое сырье, можно сказать, что применяемые вместо глин осадочные донные илы отличаются пониженной себестоимостью добычи,

транспортировки, снижением производственных расходов,

качественными показателями готовой продукции. Сроки подготовки

документации: 4-5 мес., стоимость работ - 926 тыс. руб.

ЦЕНТР ПО САПРОПЕЛЮ Астрахань. ул. Ульянова, 67 тел. +7 (8512)732220 и +7 (908)6132220 www.sapropex.ru