Тепловая обработка силикатного кирпича в автоклавах

Введение

Силикатный  кирпич - это экологически чистый строительный материал. Его составляющие компоненты: известь, песок, вода. Он очень широко используется в развитых странах из-за своих характеристик: прочность, точность по геометрическим размерам, эстетический внешний вид, небольшая стоимость и простота в использовании, что делает его наиболее доступным на рынке строительных материалов. Применяется для кладки несущих и ненесущих стен, их облицовки, и облицовки стен из других материалов, а также для реконструкции жилых и общественных зданий. Здания построенные из силикатного кирпича служат десятилетиями, примеры его применения можно видеть в повседневной жизни.

Производство  силикатного кирпича не имеет  ничего общего с производством керамического  кирпича. Единственное, что их объединяет, так это форма и, отчасти, назначение.

Свою историю  этот строительный материал начинает с XIX века. В 1880 году было установлено, что  при автоклавной обработке (автоклав — аппарат в виде герметически закрывающегося сосуда или камеры, используемый для обработки чего-либо при помощи нагревания под давлением выше атмосферного) известково-песчаных смесей могут быть получены очень прочные, водостойкие и долговечные изделия. Под действием высокого давления известково-песчаная смесь из легкоразмокающего и малопрочного материала превращается в прочный и водостойкий камень. Из смеси прессуется кирпич-сырец. Окончательную прочность силикатный кирпич приобретает в упомянутом выше автоклаве, в котором известь вступает в реакцию с кварцсодержащим песком и образует силикатное соединение. Силикатный кирпич состоит примерно из 85-90% песка, 10% извести и небольшой доли добавок. Молотую негашеную известь целесообразно применять для изделий, изготовленных на бетонной смеси. В таких изделиях гашение молотой извести не вызывает образования трещин. Для силикатных кирпичей с прочностью до 10-15 МПа применяется песок в немолотом виде с дозированием извести (6—10%). В настоящее время широко используются различные добавки-красители, придающие силикатному кирпичу широкую гамму цветов и оттенков, а также добавки-модификаторы, придающие силикатному кирпичу повышенную прочность, морозоустойчивость и др.

Производство  силикатного кирпича осуществляется двумя способами: барабанным и силосным, которые отличаются друг от друга приготовлением известково-песчаной смеси. В данной курсовой работе рассматривается силосный способ производства кирпича. Силосный способ заключается в предварительном перемешивании и увлажнении массы, после чего эта масса направляется для гашения в силосы. Надо сказать, что термин «силос» в данном случае не имеет никакого отношения к сельскому хозяйству. Силос - это герметичный резервуар объемом от 1 м³ до 20 м³, заполненный сухой строительной смесью.

Силикатный  кирпич не рекомендуется применять для кладки фундаментов и цоколей в силу его малой водостойкости. Из него нельзя выкладывать печи и дымовые трубы, так как при воздействии высокой температуры происходит разрушение этого материала. [6]

Но силикатный кирпич имеет и преимущества в  сравнении с керамическим кирпичом. На производство силикатного кирпича требуется в 2 раза меньше топлива, в 3 раза меньше электроэнергии и в 2,5 раза меньше трудоемкости производства. Себестоимость силикатного кирпича на 25-35% ниже себестоимости строительного и облицовочного кирпича.

Одним из реальных источником брака силикатного кирпича (трещин, половняка, отбитостей) является некорректная транспортировка и  выгрузка. Наилучшим способом является перевозка кирпича на поддонах, упакованный  в полиэтиленовую пленку.

Хранение силикатного  кирпича желательно осуществлять под  навесом (чтобы исключить прямое попадание атмосферных осадков), или упаковывать в полиэтиленовую плёнку.

1. Основные свойства готовой продукции, сырья и вспомогательных материалов

Силикатный  или известково-песчаный кирпич, по форме и размерам аналогичный  обычному красному кирпичу, изготовляется  путем прессования увлажненной  смеси кварцевого песка и извести  с последующим запариванием в автоклавах. Механическая прочность кирпича обусловливается химическим взаимодействием гидроокиси кальция Са(ОН)₂ с кремнеземом и образованием гидросиликатов кальция, скрепляющих зерна песка.

Сырьем для  производства силикатного кирпича  служат кварцевый песок (92—95% от массы сухой смеси) и воздушная известь (5—7%, считая на активную окись кальция). В известково-песчаную смесь вводят примерно 7% воды. Кварцевые пески, применяемые в производстве кирпича, должны состоять из зерен различной крупности (вследствие чего они имеют меньший объем пустот), не иметь много примесей слюды (до 0,5) и крупных включений глины, снижающих качество изделий. Предпочтительно использовать горные пески, которые вследствие остроугольной формы и шероховатой поверхности зерен лучше сцепляются с известью, чем речные пески с гладкой поверхностью и округлой формой. В отдельных случаях желательно введение части предварительно измельченного кварцевого песка для повышения прочности силикатного кирпича. [4]

Известь может  быть негашеной или гидратной  с содержанием не более 5% окиси  магния. Наличие в извести пережога затрудняет гашение ее в гасильных аппаратах и может способствовать растрескиванию кирпича. Предпочтительно использовать быстрогасящуюся известь с содержанием около 70 % активной СаО. Часто используют свежеобожженную известь, получаемую непосредственно на заводах силикатного кирпича. [6]

Производство  кирпича в зависимости от условий  приготовления известково-песчаной смеси ведут силосным или барабанным способами и включает следующие операции: измельчение извести-кипелки, смешение извести с песком, гашение извести в смеси с песком, дополнительное перемешивание и увлажнение смеси, формование, (прессование) кирпича, запаривание кирпича в автоклавах.

При силосном способе  производства тонкомолотую негашеную  известь перемешивают (при незначительном, увлажнении) с кварцевым песком и загружают в силосы на 7—12 ч для гашения. После гашения известково-песчаная масса поступает в лопастную мешалку или бегуны для дополнительного перемешивания и увлажнения, после чего направляется в пресс для формования кирпича.

Свойства киpпича силикатного регламентируются ГОСТ 379-79 «Кирпич и камни силикатные. Технические условия». Во-первых, учитывается предел прочности при сжатии. Для силикатного кирпича он составляет 15 - 20 МПа. В характеристике кирпича прочность обозначается буквой "М" с указанием степени прочности (М100, М125, М150 и т. д.). При строительстве надо учитывать этот параметр, т. е. для строительства 2 - 3 этажного коттеджа подойдет киpпич и марки М100, а вот при возведении несущих стен многоэтажных домов лучше использовать марку М150 и выше. Во-вторых, средняя плотность кирпича должна быть 1300 кг/м³. В-третьих, морозостойкость силикатного кирпича составляет 15 и выше циклов. В-четвёртых, максимальная температура применения не должна превышать 550°C.

Так же надо помнить, что водостойкость силикатного  кирпича ниже, чем у керамического. Поэтому и в универсальности  применения он красному (керамическому) уступает. Силикатный кирпич хорошо использовать при кладке несущих стен и различных  перегородок, но категорически запрещено применять его при закладке фундамента, класть печи, камины, трубы, цоколи и т. д. [2]

Несомненный плюс силикатного кирпича перед керамическим состоит в его повышенных звукоизоляционных  характеристиках, что является немаловажным при возведении межквартирных или межкомнатных стен.

Силикатный  кирпич может быть полнотелым и пустотелым.

Полнотелый  силикатный киpпич является основным строительным материалом среди различных типов кирпича. Он используется при возведении стен и перегородок, возведения столбов, колонн и конструкций, которые кроме собственного веса несут и дополнительную нагрузку. Поскольку полнотелый силикатный киpпич используют в основном для строительства зданий, его ещё называют строительным или обычным. Следует обратить внимание: у полнотелого киpпича сопротивление теплопередаче невелико. Следовательно, наружные стены, выложенные только из этого полнотелого киpпича, предполагают дополнительное утепление.

Пустотелый  кирпич более легкий и за счёт этого  снижается давление на фундамент. К тому же он обладает меньшей теплопроводностью, поэтому стены из него можно делать тоньше без ущерба для теплоизоляционных характеристик. Это дает возможность вести строительство обычным способом при улучшении теплотехнических свойств, уменьшить трудозатраты, снизить материалоемкость, ускорить и удешевить строительство.

Таблица 1 - Характеристика готовой продукции и сырья для ее получения

2. Технологическая схема процесса

1 – вагонетка  подачи песка, 2 – бункер для  песка с ленточным питателем, 3 – ленточные транспортеры, 4 – бункер для молотой извести с дозатором, 5 – шнек подачи извести, 6 – шаровая мельница, 7 – бункер для дробленой извести с питателем, 8 – смеситель, 9 – силосы, 10 – элеватор, 11, 12 – мешалки, 13 – пресс, 14 – автомат-укладчик, 15 – вагонетка с сырцом, 16 – поворотный круг, 17 – автоклавы, 18 – парокотельная.

Отличительной особенностью приготовления сырьевой смеси силосным способом является то, что увлажненная перемешанная смесь  извести или вяжущего с песком из смесителя ленточным конвейером подается в силосы или реакторы, где выдерживается в течение времени, установленного лабораторией завода. [9]

Подготовка  силикатной массы. Дозировка компонентов.

Для получения  сырьевой смеси (силикатной массы) требуемого качества необходимо правильно дозировать их. Дозу извести в силикатной массе определяют не по количеству извести в ней, а по содержанию той ее активной части, которая будет участвовать в реакции твердения, т. е. окиси кальция. Поэтому норму извести устанавливают в первую очередь в зависимости от ее активности.

На каждом заводе обычно ее устанавливают опытным  путем. Среднее содержание активной извести в силикатной массе равно 6–8%. При употреблении свежеобожженной  извести без посторонних примесей и недожога количество ее может быть уменьшено; если же в извести содержится большое количество недожженного камня и посторонних примесей, а также, если известь долго хранилась на воздухе, норма ее в смеси должна быть увеличена. Как недостаточное, так и излишнее количество извести в силикатной массе влечет за собой нежелательные последствия: недостаточное содержание извести снижает прочность кирпича, повышенное содержание удорожает себестоимость, но в то же время не оказывает положительного влияния на качество.

Активность извести, поступающей в производство, часто изменяется; поэтому для получения массы с заданной активностью требуется часто изменять в ней количество извести. На БКСМ используется известь активностью 70 – 85%. [4]

Необходимое количество песка отмеривается по объему, а известь по весу при помощи бункерных весов.

Кроме извести  и песка, составной частью силикатной массы является вода, необходимая  для полного гашения извести. Вода также придает массе пластичность, необходимую для прессования  кирпича-сырца, и создает благоприятную среду для протекания химической реакции твердения кирпича при его запаривании.

Количество  воды должно точно соответствовать  норме. Недостаток воды приводит к неполному  гашению извести; избыток воды, хотя и обеспечивает полное гашение, но создает не всегда допустимую влажность силикатной массы.

Влага частично поступает с песком, карьерная  влажность которого колеблется в  зависимости от климатических условий. Количество воды, необходимое для  доведения влажности силикатной массы до нужной величины, практически также можно заранее рассчитать в зависимости от карьерной влажности поступающего в производство песка и составить таблицу для определения расхода воды на единицу продукции (1000 шт. кирпича или 1 м3 силикатной массы).

Чтобы достигнуть правильного соотношения всех составляющих компонентов, применяют специальные дозировочные приспособления. Ввиду того, что приготовление силикатной массы требуемого качества является одной из наиболее важных операций в технологическом процессе производства силикатного кирпича, обязательно регулярно проверять в лабораториями ее свойства.

Определение скорости гашения извести следует производить  не менее двух раз в смену; в  случае удлинения времени гашения  извести необходимо немедленно изменить режим гашения путем удлинения цикла приготовления силикатной массы.

Определение активности извести (содержание СаО+МgО) необходимо проводить также два раза в  смену и соответственно с активностью  извести изменять дозировку ее для  получения нормальной силикатной массы.

Активность и влажность силикатной массы следует проверять через каждые 1-1,5 часа и в случае отклонения получаемых показателей от заданных немедленно изменять дозировку извести и воды. [3]

Приготовление силикатной массы.

Силосный способ приготовления массы имеет значительные экономические преимущества перед барабанным, так как при силосовании массы на гашение извести не расходуется пар. Кроме того, технология силосного способа производства значительно проще технологии барабанного способа.

Подготовленные  известь и песок непрерывно подаются питателями в заданном соотношении в одновальную мешалку непрерывного действия и увлажняются. 

Перемешанная  и увлажненная масса поступает  в силосы, где выдерживается от 4 до 10 час, в течение которых известь  гасится.

Силос представляет собой цилиндрический сосуд из листовой стали или железобетона; высота силоса 8-10 м, диаметр 3,5-4 м. В нижней части силос имеет конусообразную форму. Силос разгружается при помощи тарельчатого питателя на ленточный транспортер, при этом происходит большоt выделение пыли. При вылеживании в силосах масса часто образует своды; причина этого – относительно высокая степень влажности массы, а также уплотнение и частичное твердение ее при вылеживании. Наиболее часто своды образуются в нижних слоях массы, у основания силоса. Для лучшей разгрузки силоса необходимо сохранять возможно меньшую влажность массы. Из опыта работы рассматриваемого завода установлено, что силосы разгружаются удовлетворительно лишь при влажности массы в 2 – 3%. Силосная масса при выгрузке более пылит, чем масса, полученная по барабанному способу; отсюда более тяжелые условия для работы обслуживающего персонала.

Перечисленные выше отрицательные моменты не полностью, но в какой-то мере устраняются механизацией разгрузки.

Работа силоса протекает следующим образом. Внутри силос разделен перегородками на три секции. Масса засыпается в одну из секций в течение 2,5 ч, столько же требуется и для разгрузки секции. К моменту заполнения силоса нижний слой успевает вылежаться в течение того же времени, т.е. около 2,5 ч. Затем секция выстаивается 2,5 ч, и после этого ее разгружают. Таким образом, нижний слой гасится около 5 ч. Так как разгрузка силосов происходит только снизу, а промежуток между разгрузками составляет 2,5 ч, то и все последующие слои также выдерживаются в течение 5 ч в непрерывно действующих силосах. В случае образования свода при разгрузке силоса и прекращении поступления массы на ленточный транспортер категорически запрещается рабочим находиться в силосе.

Для облегчения разгрузки периодически включают вибратор, укрепленный на стенке силоса; и этим уменьшают прилипание массы к стенкам. При более серьезных зависаниях массы в силосах ее шуруют ломами через разгрузочные окна.

На БКСМ разгрузка  массы из бункеров механизирована. Распределительные щетки на транспортерной ленте поднимают механическим пневмоподъемником. Над транспортерной лентой, подающей силикатную массу, установлены распределительные щетки, перемещающиеся вертикально по раме. Опускание и подъем щеток над лентой осуществляется с пульта управления, который оснащен световой сигнализацией и устройством, регулирующим подачу воздуха в пневмоцилиндры.

Прессование сырца.

На качество кирпича и в основном на его  прочность наиболее существенно  влияет давление, которому подвергается силикатная масса во время прессования. В результате прессования происходит уплотнение силикатной массы. Тщательно уплотнить сырец – значит довести до минимума свободное пространство между частицами песка, сблизив их настолько, чтобы они разделялись друг от друга только тончайшим слоем вяжущего вещества. Такое сближение зерен песка при дальнейшей водо-тепловой обработке кирпича-сырца в автоклаве обеспечивает получение плотного и прочного конгломерата.

В момент прессования  силикатной массы возникают силы сопротивления сжатию со стороны зерен песка, препятствующие максимальному сближению зерен. Сила трения массы о стенки формы и зерен друг о друга преодолевается путем применения давления. Поэтому давление должно распределяться равномерно по всей площади прессуемого изделия. Прессование необходимо вести только до известного предела, так как при увеличении давления выше предельного в массе появляются упругие деформации, которые исчезают после снятия давления и ведут к разрушению сырца. Поэтому нельзя повышать давление до появления деформаций.

Существенное  значение имеет скорость, с которой  производится давление.

Так, например, ударное быстрое приложение усилия вызывает не уплотнение, а разрушение структуры изделия. Поэтому для  преодоления внутренних сил трения давление должно прикладываться плавно с постепенным увеличением. Рабочее давление в прессах применяется равным 150 – 200 кг/см .

На нормальную работу пресса, а, следовательно, на получение  кирпича хорошего качества большое  влияние оказывает содержание влаги в силикатной массе. В оптимальных условиях прессования кирпича влажность массы должна составлять б – 7% от веса сухого вещества и постоянно контролироваться.

Увеличение  влажности выше оптимальной не дает возможности спрессовать сырец, снять его со стола пресса и уложить на вагонетку; уменьшение влажности приводит к тому, что спрессованный сырец трудно снять со стола пресса: он разламывается под действием собственного веса. Кроме того, недостаточное содержание влаги в сырце лишает известь необходимой пластичности, обеспечивающей связь между отдельными зернами песка.

Процесс прессования  кирпича складывается из следующих  основных операций: наполнения прессовых  коробок массой, прессования сырца, выталкивания сырца на поверхность  стола, снятия сырца со стола, укладки сырца на запарочные вагонетки.

Силикатная  масса, приготовленная в силосах, передается при помощи транспортерной ленты  в бункер над пресс-мешалкой пресса. Подача массы в пресс-мешалку  должна так регулироваться, чтобы  она занимала примерно 3/4 объема пресс-мешалки. Если поступающая масса имеет более низкую влажность, чем требуется, доувлажнение ее производится в пресс-мешалке, вокруг стенок которой укладывается водопроводная труба с мелкими отверстиями по ее длине, направленными вниз.

Сила струи поступающей по трубке воды регулируется прессовщиком при помощи вентиля. Увлажненная масса ножами пресс-мешалки при вращении их подается в прессовые коробки через отверстия в дне пресс-мешалки. При повороте стола пресса коробки, наполненные массой, перемещаются на определенный угол и занимают положение между прессующим поршнем и верхней стороной плитки контрштампа. Под давлением поршень постепенно поднимается и производится прессование сырца. [2]

В момент прессования  стол пресса останавливается, а ножи пресс-мешалки вращаются и заполняют массой следующую пару прессовых коробок. После прессования стол пресса поворачивается так, чтобы штампы пресса вместе с сырцом подошли к выталкивающему поршню. Сырец выталкивается поршнем в вертикальном направлении; верхняя пластина штампа при выталкивании выходит из прессовых коробок на 3 – 5 мм выше уровня стола. Затем выталкивающий поршень опускается вниз в первоначальное положение. После снятия пары кирпичей двумя съемщиками-прессовщиками стол поворачивается и штампы подводятся под механическую щетку для очистки.

Верхние пластины очищаются от налипшей массы, штампы опускаются на величину наполнения прессовых  коробок и цикл начинается снова.

Силикатный  кирпич по размерам должен отвечать требованиям  ГОСТ 379 –53; в случае отклонения от установленных размеров сырец считается браком.

Плотность прессования  сырца достигается исключительно  изменением величины наполнения прессовых  коробок: чем больше высота наполнения, тем выше плотность сырца и, наоборот, чем меньше высота наполнения коробок, тем ниже плотность сырца. Во время прессования необходимо следить за тем, чтобы сырец получался одинаковой плотности; для этого нужно поддерживать высоту наполнения прессовых коробок одинаковой. Ножи пресс-мешалки должны быть закреплены от дна и стенок на одинаковом расстоянии.

После прессования  полученные кирпичи автоматом-укладчиком укладываются на вагонетки, которые  транспортируются в автоклавы, где  производится тепло- влажная обработка  кирпича. [2]

Процесс автоклавной обработки.

Для придания необходимой прочности силикатному кирпичу его обрабатывают насыщенным паром; при этом температурное воздействие сочетается с обязательным наличием в кирпиче-сырце водной среды, которая благоприятствует протеканию реакции образования цементирующих веществ с максимальной интенсивностью. Насыщенный пар используется с температурой 1750 при соответствующем такой температуре давлении в 8 атм.

В процессе автоклавной обработки, т. е. запаривания кирпича-сырца, различают  три стадии.

Первая стадия начинается с момента впуска пара в автоклав и заканчивается при наступлении равенства температур теплоносителя (пара) и обрабатываемых изделий.

Вторая стадия характеризуется постоянством температуры и давления в автоклаве. В это время получают максимальное развитие все те физико- химические процессы, которые способствуют образованию гидросиликата кальция, а следовательно, и твердению обрабатываемых изделий.

Третья стадия начинается с момента прекращения доступа пара в автоклав и включает время остывания изделий в автоклаве до момента выгрузки из него готового кирпича. [1]

В первой стадии запаривания  насыщенный пар с температурой 1750 под давлением 8 атм. впускают в автоклав с сырцом. При этом пар начинает охлаждаться и конденсироваться на кирпиче-сырце и стенках автоклава. После подъема давления пар начинает проникать в мельчайшие поры кирпича и превращается в воду. Следовательно, к воде, введенной при изготовлении силикатной массы, присоединяется вода от конденсации пара. Образовавшийся в порах конденсат растворяет присутствующий в сырце гидрат окиси кальция и другие растворимые вещества, входящие в сырец. Известно, что упругость пара растворов ниже упругости пара чистых растворителей. Поэтому притекающий в автоклав водяной пар будет конденсироваться над растворами извести, стремясь понизить их концентрацию; это дополнительно увлажняет сырец в процессе запаривания. И третьей причиной конденсации пара в порах сырца являются капиллярные свойства материала.

Роль пара при запаривании  сводится только к сохранению воды в сырце в условиях высоких температур. При отсутствии пара происходило бы немедленное испарение. воды, а следовательно, высыхание материала и полное прекращение реакции образования цементирующего вещества – гидросиликата.

С того момента, как в автоклаве  будет достигнута наивысшая температура, наступает вторая стадия запаривания. В это время максимальное развитие получают химические и физические реакции, которые ведут к образованию монолита. К этому моменту поры сырца заполнены водным раствором гидрата окиси кальция Са(ОН) , непосредственно сопри- касающимся с кремнеземом SiO песка.

Сначала гидросиликаты находятся  в коллоидальном (желеобразном) состоянии, но постепенно выкристаллизовываются  и, превращаясь в твердые кристаллы, сращивают песчинки между собой. Кроме того, из насыщенного водного раствора гидрат окиси кальция также выпадает в виде кристаллов и своим процессом кристаллизации участвует в сращивании песчинок.

Таким образом, во второй стадии запаривания образование гидросиликатов кальция и перекристаллизация их и гидрата окиси кальция вызывают постепенное твердение кирпича-сырца.

Третья стадия запаривания  протекает с момента прекращения  доступа пара в автоклав, т. е. начинается падение температуры в автоклаве, быстрое или медленное в зависимости от изоляции стенок автоклава и наличия перепуска пара. Происходит снижение температуры изделия и обеднение его водой, т. е. вода испаряется и повышается концентрация раствора, находящегося в порах. С повышением концентрации гидрата окиси кальция и снижением температуры цементирующего вещества силикаты кальция становятся более основными, и это продолжается до тех пор, пока кирпич не будет выгружен из автоклава. В результате усиливается твердение гидросиликатов кальция и, следовательно, повышается прочность силикатного кирпича. Одновременно пленки цементирующего вещества сильней обогащаются выпадающим из раствора гидратом окиси кальция.

Механическая  прочность силикатного кирпича, выгруженного из автоклава, ниже той, которую  он приобретает при последующем  выдерживании его на воздухе.

Таким образом, полный технологический цикл запаривания  кирпича в автоклаве состоит  из операций очистки и загрузки автоклава, закрывания и закрепления крышек, перепуска пара; впуска острого пара, выдержки под давлением, второго перепуска, выпуска пара в атмосферу, открывания крышек и выгрузки автоклава.

Запаривание кирпича  в автоклавах требует строгого соблюдения температурного режима: равномерного нагревания, выдержки под давлением и такого же равномерного охлаждения. Нарушение температурного режима приводит к браку.