Технологически производственный процесс получения керамзита представляет собой обжиг глиняных гранул, который выполняется с соблюдением оптимального режима. Основной задачей при этом является достижение одновременного перехода глины в пиропластическое состояние (что происходит при температуре выше 1100 ˚С) и начала активного газовыделения (для этого достаточно температуры 600-950 ˚С).
Для решения проблемы необходимо обжиг осуществить с быстрым нагревом гранул до температуры вспучивания, чтобы большая часть газов не успела покинуть их раньше. Предшествовать этому должна подготовка гранул – их сушка и постепенный подогрев. Оптимальным признан ступенчатый режим, разработанный в середине минувшего века С.П. Онацким: сырцовые гранулы постепенно нагревают до 200-600 ˚С, после чего осуществляется их быстрый нагрев до показателя 1150-1200 ˚С.
Особенности производства
Для промышленного осуществления обжига сконструированы специальные печи, основным элементом которых являются стальные барабаны. Они имеют форму цилиндра, длина которого достигает 40-75 м, а диаметр варьирует в диапазоне 2,5-5 м. Внутренняя полость цилиндра, установленного с уклоном около 3%, футерована огнеупорным кирпичом. При вращении печи происходит постепенное перемещение подаваемых в ее верхнюю часть сырцовых гранул к нижнему концу цилиндра, оснащенному форсунками для сжигания топлива (жидкого либо газообразного). Таким образом обеспечивается последовательный нагрев гранул, а в заключительной фазе, после попадания в зону воздействия создаваемого форсункой огненного факела, происходит их вспучивание. Время процесса в среднем составляет примерно 45 минут.
Для обеспечения оптимального режима термической обработки в цилиндре иногда обустраивают кольцевой порог, отделяющий зону подготовки от зоны вспучивания, либо же используют двухбарабанные печи. В них каждая из зон размещена в отдельном барабане, которые сопряжены между собой, но вращаются с различной скоростью. Подобные конструкции позволяют улучшить качество готового продукта, увеличить его выход и сократить энергозатраты.
Если же сырье особо чувствительно к режиму обжига, могут быть использованы печи, состоящие из трех барабанов, либо процесс осуществляют в трех-четырех расположенных последовательно печах. Причем, на каждом из этапов термообработки при этом обеспечена наилучшая скорость и продолжительность нагрева, а также использована иная газовая среда.
Характер газовой среды оказывает существенное влияние на качество получаемого керамзита ввиду происходящих в ходе обжига в сырье химических реакций:
- Восстановительная среда способствует повышению коэффициента вспучивания;
- В окислительной среде удается получить керамзитовый гравий, обладающий высокой прочностью за счет наличия на поверхности невспученной плотной оболочки. Толщина корочки может достигать 3 мм, что свидетельствует о недостаточном использовании способности сырьевых гранул к вспучиванию и, соответственно, уменьшении объема получаемого продукта.
По цвету керамзита можно определить и использованный при производстве характер газовой среды. В окислительной среде (Fe2O3) поверхность гранул приобретают красновато-бурый оттенок, а в восстановительной (FeO) – темно-серый, в изломе стремящийся к черному.
Способы производства керамзита
Сегодня в производство керамзита осуществляют по одной из четырех основных технологических схем, которые отличаются сложностью исполнения, объемом затрат и эффективностью конечного результата.
- Сухой способ, наиболее простой. Применяют при наличии однородной, очищенной от нежелательных примесей породы с высокой способностью к вспучиванию. Прошедшее дробление и сортировку сырье просто отправляют во вращающуюся печь.
- Пластический способ, самый распространенный. Процессу обжига предшествует особая технология подготовки сырья. Его в рыхлом состоянии увлажняют и перемешивают до состояния пластичной глиняной массы. После ее прохождения через дырчатые вальцы или шнековые пресса образуются цилиндрические сырцовые гранулы требуемого размера, которые в ходе дальнейшей обработки приобретают округлую форму.
Гранулы, влажность которых составляет примерно 20%, могут быть отправлены непосредственно в печь, однако более рациональным является их предварительное подсушивание в специальных устройствах. Посушенные гранулы из высококачественного сырья обеспечивают максимальную производительность процесса.
Пластический способ, в сравнении с сухим, более сложен и требует заметно бо́льших инвестиций и эксплуатационных затрат. Однако тщательная подготовка сырья и возможность его модификации при помощи добавок позволяют существенно увеличить качество керамзита и объем получаемой продукции.
- Порошково-пластический способ во многом схож с пластическим. Но глиномассу для производства получают посредством разведения водой порошка, в который перемалывают сухое глинистое сырье. Операция помола и предварительной сушки сырья требует дополнительных затрат, но позволяет получить более качественную глиномассу даже из неоднородного сырья, либо содержащего нежелательные включения гипса и известняка. Более равномерно распределяются в таком составе и модифицирующие добавки. Все это приводит к итоговому получению большего количества керамзита весьма высокого качества, что вполне окупает осуществленные финансовые вложения.
- Мокрый способ, называемый также «шликерным», предусматривает использование глиноболтушек – емкостей большого объема, в которых глину разводят водой. Образуемый шликер (пульпа, шлам), имеющий влажность около 50%, насосами последовательно подается в шламбассейны и вращающиеся печи. Важную роль играет устраиваемая в определенной части печи завеса из стальных цепей. Нагреваясь за счет выходящих газов, они подсушивают шликер. После того, как подсыхающая пульпа начинает застывать, цепи разбивают ее на гранулы. Скатываясь вниз, гранулы проходят окончательную сушку и после резкого нагрева вспучиваются.
Создание пульпы позволяет достичь однородности состава, без проблем очистить его от нежелательных примесей, равномерно распределить модификаторы. Однако, ввиду высокой влажности шликера, заметно увеличивается расход энергоносителей. Такой метод используют, если карьерная влажность глины превышает формовочную (необходимую для реализации пластической технологии), либо в комплексе с добычей глины гидромеханизированным способом.
Завершающий этап
Независимо от использованной технологии, получаемый в итоге керамзит нуждается в последующем охлаждении. Скорость охлаждения напрямую влияет на прочностные характеристики материала. Излишне медленное охлаждение приводит к смятию гранул и активизации в них окислительных процессов, снижающих прочность керамзита. Чрезмерно высокая скорость охлаждения может привести к растрескиванию зерен и сохранению в них остаточного напряжения, что негативно скажется на свойствах бетона.
Поэтому охлаждение гранул выполняют в несколько этапов:
- Непосредственно после вспучивания температуру керамзита быстро снижают до уровня 800-900 ˚С, что позволяет предотвратить окисление и зафиксировать структуру.
- Затем на протяжении 20 минут температуру понижают до показателя 600-700 ˚С. Таким образом, избегая термических напряжений обеспечивают затвердевание стеклофазы, в которой при этом формируются прочные кристаллические минералы.
- После завершения первых двух этапов допускается достаточно быстрое (в течение нескольких минут) охлаждение материала.
Начальный этап осуществляют при помощи поступающего воздуха еще непосредственно во вращающейся печи, после чего керамзит поступает для охлаждения в барабанные или слоевые холодильники, либо в аэрожелоба.
Для разделения керамзита по фракциям применяют, как правило, грохоты одной из разновидностей барабанного типа.
Транспортировка керамзита внутри производственного предприятия осуществляется преимущественно при помощи ленточных транспортеров. Удобные и эффективные пневматические трубопроводы нередко приводят к разрушению гранул, поэтому их используют весьма редко.
После разделения по фракциям керамзит поступает на участки складирования готовой продукции, которые могут быть силосного либо бункерного типа.
