Расчет и проектирование вращающейся печи для производства керамзитового гравия

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА на тему: 

«РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТОВОГО ГРАВИЯ» 
 
 
 
 
 

Выполнил:

Проверил:  
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ:

Содержание……………………………………………………………………..2

1. Введение……………………………………………………………………...3

1.1.Сырьё………………………………………………………………………..4

1.2.Номенклатура……………………………………………………………….6

1.3.Требования  к прочности керамзитового гравия………………………….7

1.4.Однородность……………………………………………………………...11

1.5.Обогащение………………………………………………………………..12

1.6.Описание  технологического процесса…………………………………..13

2.Теоретическая  часть………………………………………………………...21

2.1.Процессы,происходящие  при обжиге…………………………………...21

2.2.Зоны, существующие в печи……………………………………………..23

3.Конструктивная  часть………………………………………………………26

3.1.Устройство  и принцип действия вращающейся  печи………………….26

3.2.Устройство  и принцип действия привода  печи…………………………30

4.Расчётная  часть……………………………………………………………...32

4.1.Методика  составления теплового балланса  вращающейся печи………32

4.2.Расчёт  теплового балланса вращающейся  печи………………………...33

Список  использованной литературы………………………………………...47 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.ВВЕДЕНИЕ

Керамзит представляет собой легкий пористый материал ячеистого строения в виде гравия, получаемый при обжиге легкоплавких глинистых пород, способных всучиваться при быстром нагревании их до температуры 1050 – 1300 С в течение 25–45 мин. Качество керамзитового гравия характеризуется размером его зерен, объемным весом и прочностью. В зависимости от размера зерен керамзитовый гравий делят на следующие фракции: 5 – 10, 10 – 20 и 20 – 40. В зависимости от объемного насыпного веса (в кг/м³) гравий делят на марки от 150 до 800. Водопоглощение керамзитового гравия 8–20 %, морозостойкость должна быть не менее 25 циклов.

Керамзит применяют в качестве пористого заполнителя для легких бетонов, а также в качестве теплоизоляционного материала в виде засыпок.

  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.

Некоторые глины при обжиге вспучиваются. Например, при производстве глиняного кирпича  один из видов брака— пережог — иногда сопровождается вспучиванием. Это явление использовано для получения из глин пористого материала — керамзита.

Вспучивание глины при обжиге связано с  двумя процессами: газовыделением и переходом глины в пиропластическое состояние.

Источниками газовыделения являются реакции  восстановления окислов железа при их взаимодействии с органическими примесями, окисления этих примесей, дегидратации гидрослюд и других водосодержащих глинистых минералов, диссоциации карбонатов и т. д. В пиропластическое состояние глины переходят, когда при высокой температуре в них образуется жидкая фаза (расплав), в результате чего глина размягчается, приобретает способность к пластической деформации, в то же время становится газонепроницаемой и вспучивается выделяющимися газами.

1.1.Сырье

Сырьем  для производства керамзита служат глинистые породы, относящиеся в  основном к осадочным горным. Некоторые   камнеподобные   глинистые породы — глинистые сланцы, аргиллиты  — относятся к метаморфическим.

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 монт-мориллонитовые 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%.

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

Вспучиваемость  характеризуется коэффициентом вспучивания

где V_К — объем вспученной гранулы керамзита;

      Vc — объем сухой сырцовой гранулы  до обжига.

Второе  требование к сырью (в значительной степени связанное с первым) — легкоплавкость. Температура обжига должна быть не выше 1250°С, 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.

1.2.Номенклатура

В ГОСТ 9759—76 предусматриваются следующие  фракции керамзитового гравия по крупности зерен: 5—10, 10— 20 и 20—40 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 (табл.). 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. 
 
 
 
 
 
 

1.3.Требования  к прочности керамзитового  гравия 

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. Методика определения прочности керамзитового гравия основана на испытании одноосным сжатием на прессе отдельных гранул керамзита. Предварительно гранулу стачивают с двух сторон для получения параллельных опорных плоскостей. При этом она приобретает вид бочонка высотой 0,6—0,7 диаметра. Чем больше количество испытанных гранул, тем точнее характеристика средней прочности. Чтобы получить более или менее надежную характеристику средней прочности керамзита, достаточно десятка гранул.

Испытание керамзитового гравия в цилиндре дает лишь условную относительную характеристику его прочности, причем сильно заниженную. Установлено, что действительная прочность керамзита, определенная при испытании в бетоне, в 4-5 раз превышает стандартную характеристику. К такому же выводу на основе опытных данных пришли В. Г. Довжик, В. А. Дорф, М. 3. Вайнштейн и другие исследователи.

Стандартная методика предусматривает свободную  засыпку керамзитового гравия в  цилиндр и затем сдавливание его с уменьшением первоначального объема на 20%. Под действием нагрузки прежде всего происходит уплотнение гравия за счет некоторого смещения зерен и их более компактной укладки. Основываясь на опытных данных, можно полагать, что за счет более плотной укладки керамзитового гравия достигается уменьшение объема свободной засыпки в среднем на 7%. Следовательно, остальные 13% уменьшения объема приходятся на смятие зерен (рис.1).Если первоначальная высота зерна D, то после смятия она уменьшается на 13%.

 Рис. 1. Схема сдавливания зерен керамзита при испытании              

 Рис.2. Схема укладки зерен керамзита

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. Поверхность распила так как материал мал

Водопоглощение  заполнителя выражается в процентах от веса сухого материала. Этот показатель для некоторых видов пористых заполнителей нормируется (например, в ГОСТ 9759—71). Однако более наглядное представление о структурных особенностях заполнителей дает показатель объемного водопоглощения.

Поверхностные оплавленные корочки на зернах керамзита  в начальный период (даже при меньшей  объемной массе в зерне и большей  пористости) имеют почти в два  раза ниже объемное водопоглощение, чем  зерна щебня. Поэтому необходима технология гравиеподобных заполнителей с поверхностной оплавленной  корочкой из перлитового сырья, шлаковых расплавов и других попутных продуктов промышленности (золы ТЭС, отходы углеобогащения). Поверхностная корочка керамзита в первое время способна задержать проникновение воды вглубь зерна (это время соизмеримо со временем от изготовления легкобетонной смеси до ее укладки). Заполнители, лишенные корочки, поглощают воду сразу, и в дальнейшем количество ее мало изменяется..

Между водопоглощением и прочностью зерен в ряде случаев существует тесная корреляционная связь. Чем больше водопоглощение, тем ниже прочность пористых заполнителей. В этом проявляется дефектность структуры материала. Например, для керамзитового гравия коэффициент корреляции составляет 0,46. Эта связь выявляется более отчетливо, чем связь прочности и объемной массы керамзита (коэффициент корреляции 0,29).

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.

Особенности      деформативных свойств предопределяются пористой структурой заполнителей. Это, прежде всего, относится к модулю упругости, который существенно ниже, чем у плотных заполнителей Собственные деформации (усадка, набухание) искусственных пористых заполнителей, как правило, невелики. Они на один порядок ниже деформаций цементного камня. При исследованиях деформаций керамзита все образцы при насыщении водой дают набухание, а при высушивании — усадку, но величина деформаций разная. После первого цикла половина образцов показывает остаточное расширение, после второго — три четверти, что свидетельствует об изменении структуры керамзита. Средняя величина усадки после первого цикла 0,14 мм/м, после второго — 0,15 мм/м. Учитывая, что гравий в бетоне насыщается и высушивается в меньшей степени, реальные деформации керамзита в бетоне составляют лишь часть этих величин. Пористые заполнители оказывают сдерживающее влияние на деформации усадки (и ползучести) цементного камня в бетоне, в результате чего легкий бетон имеет меньшую деформативность, чем цементный камень.

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.

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%)

1.4.Однородность

По данным С. Ф. Бугрима, В. Л. Пржецлавского, В. П. Петрова и других исследователей, изучавших качество керамзита на многих предприятиях, керамзит везде неоднороден. Очевидно, это предопределено самой технологией получения керамзитового гравия, когда каждая гранула вспучивается по-разному при неоднородности сырья и непостоянстве температурных условий в печи. В результате керамзитовый гравий — это совокупность неодинаково вспученных гранул различной плотности и прочности.

Применяя  такой неоднородный заполнитель, невозможно получить однородный по качеству бетон. Чтобы конструкции были достаточно надежны по прочности, надо учесть минимальную статистически вероятную прочность заполнителя, а при расчете массы и теплопроводности — принять возможную максимальную его плотность. Если заполнитель неоднороден, то расчетные характеристики бетона и эффективность его применения в конструкциях тем самым занижаются.

Для повышения  однородности керамзита есть два  пути. Первый состоит в совершенствовании  технологии производства, усреднении сырья, более тщательной его переработке и грануляции, стабилизации режимов термоподготовки, обжига и охлаждения, улучшении фракционирования. В институте НИИКерамзит проведены исследования основных факторов, влияющих на однородность керамзитового гравия на всех этапах его производства, и разработаны соответствующие рекомендации.

Второй  путь — разделение готовой продукции  на фракции не только по крупности, но и по плотности зерен.

1.5.Обогащение

Применительно к керамзитовому гравию термин «обогащение» означает разделение его на классы по плотности зерен. Более легкий будет богаче хорошо вспученными зернами, более тяжелый — богаче менее вспученными, зато более прочными зернами.

А. А. Эльконюк и другие (НИИКерамзит) установили возможность  сепарации керамзитового гравия в кипящем слое без промежуточного утяжелителя. В этом случае утяжелителем служит сам керамзитовый гравий. Он непрерывно поступает в классификационную камеру сепаратора, через решетчатое дно которой вентилятором подается поток воздуха. При определенной скорости подачи воздуха создается режим псевдоожижения, и керамзитовый гравий расслаивается: сравнительно тяжелые зерна опускаются вниз, а легкие сосредоточиваются в верхней части слоя, откуда и отбираются отдельно.

Если  сравнить два описанных   выше способа   сепарации — с промежуточным  утяжелителем   и без него,  то в первом случае эффективность   сепарации   абсолютная (в среде определенной  плотности  легкое зерно  всплывет, а тяжелое потонет), а во втором она зависит  от крупности, зернового состава, формы зерен и других факторов, не связанных непосредственно   с плотностью. Поэтому при разделении без промежуточного утяжелителя в легком классе с некоторой вероятностью могут оказаться и тяжелые зерна, в тяжелом классе — легкие.  Все же, по данным А. А. Эльконюка, коэффициенты вариации насыпной плотности сепарированного легкого и тяжелого керамзита в два раза меньше коэффициента вариации исходного. При этом без промежуточного   утяжелителя    упрощаются   технология сепарации и аппаратурное оформление процесса.

Считается, что керамзитовый гравий и другие пористые заполнители подлежат обогащению только в условиях сухой сепарации, что их нельзя увлажнять, поскольку, например, по ГОСТ 9759—76 влажность поставляемого керамзитового гравия должна быть не более 2%. Однако это ограничение касается поставляемого гравия, а при использовании его можно увлажнять, как того требует технология. В технологии легких бетонов нередко рекомендуется предварительно увлажнять пористые заполнители, чтобы уменьшить поглощение ими воды из бетонной смеси.

В связи  с этим, по мнению автора, в ряде случаев  целесообразно проводить сепарацию керамзитового гравия в воде. Предложенный сепаратор представляет собой ванну с водой, снабженную двумя скребковыми транспортерами, один из которых убирает со дна ванны тонущий керамзит, другой — всплывающий. Керамзит, подаваемый на сепарацию, находится в воде не более 5 с. Вода — подходящая среда для разделения керамзита по плотности зерен на два класса

Таким образом, для повышения однородности керамзита есть два пути: первый состоит в совершенствовании  технологии производства, усреднении сырья и т. д.; второй — в разделении готовой продукции по плотности зерен.

Первый  путь малоперспективен, т.к. улучшение  переработки сырья, оптимизация  режимов термообработки и другие подобные мероприятия повысят качество керамзита, но однородность его тем не менее останется невысокой: каждая гранула вспучивается по-своему, добиться идентичности гранул невозможно, и условия их вспучивания в печи не могут быть одинаковыми. При этом осуществление мероприятий по более тщательной переработке сырья, оптимизации режимов требует дополнительных затрат и, возможно, уменьшит выход продукции.

Поэтому предлагается другой путь: в производстве керамзита на первом этапе исходить из одного критерия — давать больше продукции при минимальных затратах, а затем уже путем сепарации готового керамзитового гравия по плотности зерен получать кондиционную продукцию разных классов по свойствам и назначению. Это реальный путь повышения качества керамзита, сочетающийся с увеличением объема его производства и снижением себестоимости.

1.6.Описание  технологического процесса

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.

Схема вращающейся печи для производства керамзита:

1—загрузка   сырцовых гранул;   2— вращающаяся   печь; 3— форсунка; 4— вспученный  керамзитовый гравий; 5—поток горячих газов 

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 (рис.), 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.