Химическая технология керамзита

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

 

 

 

 

 

 

Реферат 

на тему: Химическая технология керамзита

 

по дисциплине:

 

 

 

 

 

Исполнитель:
студент группы
Руководитель:
преподаватель

 

 

 

Содержание

 

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

1. Керамзит: понятие, свойства, назначение и физико-химические основы вспучивания глин…………………………………………...…………………….…….4
1. Понятие «керамзит», его свойства, назначение и требования к качеству……...4
2. Физико-химические основы процесса вспучивания глин………………………..7
2. Сырье для производства керамзита……………………………………………………
1. Классификация сырья и его состав...…………….……………………………….18
2. Лабораторные и производственные испытания сырья…………………………20
3. Производство керамзита…………………………………..…………………………...24
1. Обработка сырья и формование сырца…………………………………………...24
2. Сушка и обжиг сырца…………………………………………………………..….26
3. Охлаждение, хранение и контроль производства керамзита …………………

Заключение…………………………………………………………………………………30

Литература………………………………………………………………………………….31

 

Введение

 

 

 

 

1. Керамзит: понятие, свойства, назначение и физико-химические  основы вспучивания глин.

1.1. Понятие «керамзит», его свойства, назначение и требования к качеству

Керамзит - в переводе с греческого языка означает "обожжённая глина".

 

Рис. 1 Керамзит

Керамзит - искусственный материал мелкоячеистого строения, получаемый путем вспучивания при обжиге мелкокускового сырца из легкоплавких глинистых пород. Применяют керамзит главным образом в качестве заполнителя легких бетонов. За счёт своей пористости керамзит хорошо удерживает тепло. Поэтому при строительстве применяется как засыпка в качестве утеплителя. За счёт того что керамзит изготавливается из природной глины, он является экологически чистым и огнезащитным материалом.

Рис. 2 Применение керамзита

 

От других известных искусственных пористых заполнителей керамзит отличается главным образом своим ячеистым строением и наличием внешней спекшейся оболочки. Особенностью этого строения является наличие замкнутых пустот, которые являются ячейками с целыми и топкими стенками. Ввиду этого керамзит отличается малым объемным весом при значительно более высокой прочности, чем другие пористые заполнители.

Благодаря замкнутости пустот и спекшейся наружной оболочке керамзит обладает небольшим водопоглощением, высокой морозостойкостью и низкой паропроницаемостью.

Малый объемный вес при наличии мелкоячеистого строения и тонких стенок обусловливает высокие теплозащитные свойства керамзита, а следовательно, и высокую эффективность его применения в ограждающих конструкциях промышленных, жилых и общественных зданий.

Свойства керамзита как легкого заполнителя регламентированы ГОСТ 9757-90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия».

Керамзит может быть получен в виде гравия или щебня с размерами зерен 5 мм и более и в виде песка с размерами зерен менее 5 мм.

По п. 1.2.1 ГОСТ 9757—90 гравий и щебень изготовляют следующих основных фракций:

- от 5 до 10;

- от 10 до 20;

- от 20 до 40 мм.

По согласованию изготовителя с потребителем допускается изготовление гравия и щебня 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 и щебня каждой фракции должен соответствовать указанному в таблице:

D, d - соответственно наибольший и наименьший номинальные диаметры контрольных сит.

В гравии и щебне фракции от 2,5 до 10 мм и смеси фракций от 5 до 20 мм содержание зерен размером от 5 до 10 мм должно быть от 25 до 50 % по массе.

По п. 1.2.2. ГОСТ 9757-90 песок, в зависимости от зернового состава, подразделяют на три группы:

1 - для конструкционно-теплоизоляционного  бетона;

2 - для конструкционного бетона;

3 - для теплоизоляционного бетона.

По согласованию изготовителя с потребителем допускается изготовление песчано-щебеночной смеси с наибольшей крупностью зерен до 10 мм.

Зерновой состав песка должен соответствовать указанному в таблице:

В песчано-щебеночной смеси крупностью зерен до 10 мм содержание щебня фракции от 5 до 10 мы должно быть не более 50 % по объему.

В зависимости от насыпной плотности керамзитовый гравий, щебень и песок подразделяют на марки:

- гравий и щебень  марок 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600. Допускается по согласованию изготовителя с потребителем для приготовления конструкционных легких бетонов классов В20 и выше изготовление керамзитового гравия и щебня марок 700 и 800.

- песок марок 500, 600, 700, 800, 900, 1000.

В зависимости от прочности, определяемой испытанием в цилиндре, керамзитовый гравий и щебень подразделяют на марки по прочности.

- гравий – П15, П25, П35, П50, П75, П100, П125, П150, П200, П250, П300, П350, П400.

- щебень - П35, П50, П75, П100, П125, П150, П200, П250, П300, П350, П400.

Марки по прочности гравия и щебня в зависимости от марок по насыпной плотности должны соответствовать требованиям:

По п. 1.3.5 ГОСТ 9757-90 гравий и щебень должны быть морозостойкими и обеспечивать требуемую марку легкого бетона по морозостойкости. Потеря массы после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания не должна превышать 8 %.

В гравии, щебне и песке, применяемых в качестве заполнителей для армированных бетонов, содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO3 не должно превышать 1 % по массе.

Для керамзитового гравия и щебня потеря массы при кипячении должна быть не более 5%.

Для керамзитового песка, полученного в печах кипящего слоя содержание слабообожженных зерен должно быть не более 3% по массе.

На гравий и щебень, применяемые для теплоизоляционных засыпок, требования по морозостойкости, водорастворимости сернистых и сернокислых соединений, потери массы при кипячении, содержанию слабообожженных зерен не распространяются.

Гравий, щебень и песок, предназначенные для приготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов, должны подвергаться периодическим испытаниям на теплопроводность.

Щебень, гравий и песок в зависимости от значения суммарной удельной эффективной активности естественных радионуклидов Аэфф применяют:

- во вновь строящихся и реконструируемых жилых и общественных зданиях при Аэфф до 370 Бк/кг;

-при возведении производственных зданий и сооружений при Аэфф свыше 370 Бк/кг до 740 Бк/кг.

Гравий, щебень и песок должны быть приняты техническим контролем предприятия-изготовителя.

Зерновой состав гравия, щебня и песка, прочность, насыпную плотность, влажность, морозостойкость, потери массы гравия и щебня при кипячении, прокаливании, силикатном распаде, содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений, количество слабообожженных зерен в песке, гравии и щебне, теплопроводность гравия и щебня определяют по ГОСТ 9758, удельную активность естественных радионуклидов - гамма-спектрометрическим методом по ГОСТ 30108.

Таким образом, керамзит – это легкий пористый материал ячеистого строения, получаемый быстрым обжигом легкоплавких глинистых пород до температуры их вспучивания. Керамзит может быть получен в виде гравия или щебня с размерами зерен 5 мм и более и в виде песка с размерами зерен менее 5 мм. Керамзит используют в основном в качестве заполнителя легких теплоизоляционных бетонов. Он обладает небольшим водопоглощением, высокой морозостойкостью, низкой паропроницаемостью и высокими теплозащитными свойствами. Требования к керамзиту по качеству, методам контроля, транспортированию и хранению закреплены в ГОСТ 9757-90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия».

 

 

1.2. Физико-химические  основы процесса вспучивания  глин

 

Для объяснения физико-химических основ процесса вспучивания глинистых пород при нагревании предложены следующие гипотезы:

1) выделение газообразных продуктов, вызываемое восстановлением высших окислов железа в низшие (Е.В. Костырко; П. И. Галкин и Ю. С. Адамова, др);

2) выделение сернистых газов при разложении сульфидов и сульфатов, содержащихся в глине (Миллер, И.Ф. Пономарев);

3) выделение газов из органических веществ, обычно содержащихся в глинах (И.Ф. Пономарев);

4) образование новых газов из органических веществ при высоких температурах в присутствии углерода;

5) выделение углекислого газа вследствие разложения карбонатов (И. Ф. Пономарев; Парсонс);

6) выделение газов в результате возгонки щелочей (С.В. Потапенко);

7) выделение любых газов, способных при нагревании производить вспучивание (Б. Н. Кауфман; Л. М. Блюмен, 1960).

8) выделение газов из акцессорных минералов, т. е. привнесенных в глины (Уилсон):

9) выделение конституционной (химически связанной) воды благодаря разрушению кристаллической решетки некоторых присутствующих в глинах минералов магматических пород (например, слюд) при воздействии на них некоторых основных окислов (закиси железа, окиси магния) при нагревании выше 1000° (И. А. Гервидс).

При нагревании легкоплавкой глинистой породы в ней происходят сложные физические и химические превращения. Характер и порядок превращений, однако, резко изменяется в зависимости от состава газовой среды, в которой она в это время находится.

Основными компонентами глины, от которых зависит ее поведение при нагревании, являются окислы железа. Если нагревание происходит в газовой среде, в условиях свободного доступа к ее частичкам кислорода воздуха, то окислы железа теряют только воду и никаким изменениям больше не подвергаются.

В случае нагревания глины в газовых условиях, препятствующих доступу кислорода воздуха, в ней в известной последовательности происходят следующие главнейшие изменения:

- потеря механически связанной воды;

- возгонка летучих органических веществ;

- потеря кристаллизационной воды сульфатом кальция;

-потеря кристаллизационной воды водными окислами железа;

-потеря кристаллизационной воды глинистыми минералами;

- образование окиси углерода за счет сгорания обуглившихся остатков органических веществ;

- восстановление окислов железа в закись-окись и в -закись;

- разложение сульфидов и карбоната кальция;

- размягчение глины;

- взаимодействие водных кристаллов с закисью железа и высвобождение химически связанной воды;

- вспучивание глины.

Для прохождения описанных процессов необходимо, чтобы в определенный период нагревания, а именно между 300 и 900°, частички глины были окружены газовой средой, содержащей окись углерода и не более 1—2% кислорода.

Выделение вспучивающих газов протекает следующим образам. Частички окиси железа, взаимодействуя с окисью углерода, восстанавливаются в закись железа. Последняя действует двояко: понижает на 150—200° температуру размягчения глины и в местах соприкосновения с кристаллами слюды разрушает ее кристаллическую решетку, освобождая воду в виде гидроксильных ионов. Возникающие таким образом перегретые водяные пары вспучивают размягченную, тестоподобную глину.

Следующие условия всегда благоприятствуют вспучиванию глины: наиболее полное восстановление окислов железа в закись, уплотнение и перемешивание сырой глины, поскольку оно увеличивает контакты между пылинками закиси железа и слюдяными чешуйками, высокая дисперсность, способствующая более раннему образованию стекловидной фазы, малая вязкость, препятствующая выходу газов в окружающую среду, и незначительное поверхностное натяжение, не препятствующее, растягиванию стекловидных пленок, образующих ячейки.

 

2. Сырье для  производства керамзита

2.1. Классификация  сырья и его состав

 

Для производства керамзита требуется глинистое сырье, способное вспучиваться при нагревании в пределах температур 1150 - 1250°С. 

Вспучиваемость глинистой породы характеризуется коэффициентом вспучивания К или объемным весом вспученного материала в куске. Выделяют вспучиваемость максимальную, минимальную и практическую.

Вспучиваемость максимальная или предельная, получаемая при испытании глинистого сырья в наиболее благоприятных условиях в лаборатории, в так называемой защитной среде. Она характеризует способность вспучиваться в предельной степени, свойственной данному сырью.

Вспучиваемость минимальная, получаемая при нагревании глинистого сырья до тех же температур, при которых достигается максимальная вспучиваемость при условии свободного доступа воздуха к обжигаемому образцу. Она характеризует способность данного сырья вспучиваться при наименее благоприятных условиях.

Вспучиваемость практическая, свойственная данному глинистому сырью при обжиге его при тех же температурах в заводских печах.

Задачей производственников является достижение возможно более высокой практической вспучиваемости, приближенной к максимальной.

Глинистые породы в зависимости от вспучиваемости могут быть пригодны для производства керамзита с различным объемным весом, используемого для приготовления

бетона разных марок.

При оценке глинистого сырья, применяемого для производства керамзита, удобно пользоваться классификацией в зависимости от технологических приемов его переработки. Соответственно этому сырье разделяется на 3 вида.

Рыхлое глинистое сырье характеризуется очень слабой связью между минеральными частицами, допускающей немедленное намокание его при увлажнении. Для получения мелкокускового уплотненного сырца, подлежащего вспучиванию в печи, такое сырье обрабатывают пластическим способом.

Камневидное глинистое сырье характеризуется очень прочной связью между минеральными частицами, не допускающей его намокания и размягчения при длительном увлажнении. Превратить его в мелкокусковой сырец можно только способом механического дробления.

Высокопластичное (вязкое) глинистое сырье характеризуется наличием значительно более прочных связей между частицами, чем у рыхлого сырья, и менее прочных связей, чем у камневидного. Оно имеет воскоподобное строение и большую плотность, может намокать в результате только очень длительного увлажнения; с трудом поддается пластической обработке и не измельчается, а сминается дробильными машинами. Для получения мелкокускового сырца такое сырье разрывают на зубчатых вальцах. Этот способ обработки называют разрывным

Каждая разновидность сырья обрабатывается определенной группой машин применительно к особенностям его свойств.

Из числа минералов, образующих глинистую породу, тонкозернистый кварц и глинистые минералы при размягчении и частичном расплавлении образуют стекловидную фазу керамзита. Органические вещества и окислы железа взаимодействуют с восстановлением последних в закись железа. Последняя, в свою очередь, реагируя со слюдами и гидрослюдами, вызывает образование вспучивающих газов. Остальные компоненты либо вовсе не принимают участия во вспучивании (крупный кварц, рутил и др.), либо действуют как плавни (окиси кальция, магния, натрия и калия). 

Важнейшими компонентами вещественного состава глин, определяющими их способность к вспучиваемости, являются окислы железа, органические вещества и слюды.

Минеральные частички, составляющие глинистые породы имеют размеры от 0,01 мк до 1,5 —2,5 мм.

Наиболее важное значение имеет суммарное содержание частичек с размерами зерен менее 10 мк, которых для хорошего вспучивания должно быть не менее 35%,

Химический состав глинистого сырья не может служить основанием для определения его вспучиваемости. Но в известной степени им можно пользоваться для ориентировочного суждения о его пригодности. Статистическая обработка химических составов глин показывает, что среди хорошо вспучивающихся разновидностей чаще всего встречаются глины со следующим химическим составом: А1203 от 10 до 24%; Fe203 от 3 до 10%; CaO+MgO не более 6-8%.

Большое влияние на вспучиваемость оказывает свободный кварц, содержащийся в глине в виде кварцевого песка.

Так, по данным И. А Гервидса, Я. Н. Черняка, П. И. Потемкина и В. Ф. Павлова, вспучиваемость глин резко падает при содержании кварцевых частиц с размером зерен более 0,1 мм в количестве, превышающем 10%. При содержании их более 20—30% вспучиваемость может оказаться очень малой или вовсе не обнаружиться.

Излишнее содержание окиси кальция имеет вредное технологическое значение, так как, способствуя быстрому оплавлению зерен сырца в печи, содействует слипанию их друг с другом и прилипанию к футеровке еще до развития процесса вспучивания.

 

2.2. Лабораторные  и производственные испытания  сырья

 

Для обоснования проектирования производства керамзита на предполагаемом для разработки участке производят подробные геологоразведочные работы, а получаемые пробы сырья подвергают лабораторным и производственным керамическим и технологическим испытаниям,

Лабораторные испытания: на оконтуренном участке наносят сетку для бурения скважин с расстояниями от 50 до 150 м. Колонковые пробы отбирают весом по 2—3 кг от каждого слоя глинистого сырья. Отобранные пробы подвергают лабораторным испытаниям для определения вспучиваемости. Испытывают все пробы, причем определяют максимальную и минимальную вспучиваемость.

Для определения вспучиваемости из испытуемого сырья готовят образцы весом 3-4г. Рыхлое или высокопластичное (вязкое) глинистое сырье формуют в виде цилиндриков диаметром и высотой 15—16 мм, а камневидное разбивают на кусочки весом также 3-4г. Из каждой геологической пробы готовят по 12 образцов. Приготовленные образцы высушивают в комнатных условиях, после чего каждый из них взвешивают с точностью до 0,01 г и определяют его объем с точностью до 0,1 см3.

Обжиг ведут следующим образом. Электрическую печь, обогреваемую силитовыми или карборундовыми стержнями, нагревают до нужной рабочей температуры и выдерживают при ней не менее 1 часа. Испытуемый образец глины устанавливают на тонкую шамотную пластинку - поддон Для достижения максимальной вспучиваемости шамотный поддон посыпают тонким слоем порошка антрацита или каменного угля. На него устанавливают образец, который накрывают опрокинутым тугоплавким тиглем, лучше всего корундизовым. Для определения минимальной вспучиваемости образец также помещают на шамотный поддон, но углем его не посыпают и тиглем не накрывают.

Подготовленный к обжигу образец продвигают на поддоне во входную часть печи, где температура не превышает 500—700°, и выдерживают там 3—4 мин. При этом из образца удаляются остатки влаги и предупреждается его взрывание. Затем поддон продвигают в рабочую часть печи, где выдерживают не менее 15—20 мин. По окончании нагревания поддон извлекают из печи и дают ему остыть в течение 3—5 мин. Образец снимают с поддона и после окончательного остывания взвешивают и обмеривают, как указано выше.

Образцы обжигают при следующих температурах: 1070, 1100, 1130, 1160, 1190 и 1220°. Таким образом, получают две серии результатов, на основании которых определяют максимальную и минимальную вспучиваемость, после чего определяют практическую вспучиваемость.

Практический коэффициент вспучивания устанавливают по формуле, приведенной на стр. 613.

Некоторые пробы сырья подвергают химическому анализу, дающему более полное представление о свойствах сырья.

Если пробы вспучиваются плохо, то химический анализ в некоторой степени позволяет судить о причинах низкого качества сырья. Так, содержание Аl2Оз более 22% характеризует сырье как тугоплавкое, если оно при этом содержит мало плавней. Содержание Аl2Оз в количестве менее 3% недостаточно для выделения вспучивающих газов. Содержание СаО свыше 6—8% придает вспучиваемой массе короткоплавкость, облегчает выход вспучивающих газов наружу и увеличивает объемный вес.

Недостаточное содержание органических веществ в сырье не обеспечивает полного восстановления окислов железа в закись, ввиду чего сырье отличается малой вспучиваемостью.

Чрезмерное содержание органических веществ в сырье создает высокую концентрацию окиси углерода в окружающих газах вследствие чего окись железа восстанавливается в металлическое железо, которое как плавень действует недостаточно и не вызывает выделения вспучивающих газов.

Химический анализ позволяет наметить и опробовать некоторые способы повышения вспучиваемости плохо вспучивающегося сырья путем введения добавок, которые способствуют повышению вспучиваемости до определенного для данного состава предела. Отсутствие эффекта при введении добавок показывает, что испытуемая глина вспучивается в своем естественном состоянии до ее природного предела.

Предпочтительны жидкие добавки как наиболее технологичные в производстве.

При испытаниях сырья с добавками, формуют образцы и обжигают указанными выше способами при температурах, в пределах которых было замечено наибольшее вспучивание чистого сырья. Для надежности результатов их обжигают также при температурах, которые на 30° ниже или выше выбранных. Сырье и обожженные образцы взвешивают, определяют их объем и вычисляют практические коэффициенты вспучивания.

Прежде чем сделать выводы по результатам испытаний, необходимо осмотреть лучшие образцы. Режимы, при которых были получены оплавленные, со стекловидной поверхностью образцы, не могут быть приняты ввиду опасности налипания зерен керамзита при этих температурах на футеровку вращающейся печи. Обжиг должен производиться при температурах, которые на 20—40° ниже установленных лабораторными испытаниями.

Анализ лабораторных испытаний сырья дает следующие результаты:

1) практическую вспучиваемость сырья чистого и с добавками;

2) дозировку добавок;

3) температуру обжига для вспучивания;

4)    объемный вес керамзита в куске, а при умножении его на 0,62 — насыпной объемный вес;

5) выход керамзита в кубометрах из тонны воздушно-сухого сырья;

6) степень постоянства качества сырья в месторождении;

7) отличительные особенности сырья из отдельных участков месторождения, если они имеются;

8) примерный заводской режим производства.

Производственные испытания сырья производят на партии в 3—5 т сырца, отформованного по выбранной рецептуре и обожженного в небольшой (7—10 м) полупроизводственной печи.

В процессе заводского испытания уточняется режим производств а, главным образом процесса обжига, а возможно, и состав шихты.

Анализ производственных испытаний сырья и готового продукта дает:

1) окончательный состав шихты;

2) рабочий режим обжига;

3) выход продукции;

4) насыпной объемный вес керамзита;

5) прочность керамзита по ГОСТу;

6)   морозостойкость.

Производственные испытания сырья ведут путем обжига во вращающейся печи по режимам, принятым на заводах.

 

3. Производство  керамзита

3.1. Обработка сырья  и формование сырца

 

Общую технологическую схему производства керамзита можно представить следующим образом.

 

Выбор способов приготовления сырца определяется природными свойствами и строением сырья. При этом следует иметь в виду следующее.

Для переработки рыхлого сырья требуется наибольшее количество машин и сушилок. Производство сырца из рыхлого сырья связано с довольно значительными капиталовложениями и эксплуатационными расходами. Но оно выгодно тем, что базируется на широко распространенных видах сырья, применяемых на всех кирпичных заводах. Кроме того, рыхлое сырье легко поддается облагораживанию путем введения добавок.

Для переработки камневидного  сырья требуется минимальное количество простейших машин и следовательно меньшие капиталовложения и эксплуатационные расходы. Но встречается оно, значительно реже, чаще всего плохо высушивается, а его применение связано с потерями мелочи.

Для переработки вязкого сырья, как и камневидного, требуется меньшее количество машин, но оно не поддается облагораживанию, дает неравномерные угловатые зерна керамзита и много мелочи в отходы производства.

Следовательно, выбор сырья должен производиться на основе детального анализа технических и экономических достоинств и недостатков организации производства на том или ином виде сырья.

Рыхлое сырье подвергают последовательно измельчению, увлажнению и формованию по следующей схеме.

Целью измельчения является разрушение теологической структуры для того, чтобы различные компоненты, входящие, в состав глины, более равномерно перемешались между собой. Этим также достигается образование большого количества контактов между взаимодействующими минеральными компонентами. Хорошее измельчение и перемешивание сырья повышает его вспучиваемость.

Для измельчения применяют гладкие вальцы грубого помола типа.

Увлажнение сырья производят в двухвальных глиномешалках. Степень увлажнения зависит от природных свойств сырья и типа машин, применяемых для формования сырца.