Производство керамзитового гравия

 

Введение

 

Российская Федерация является наиболее крупным производителем керамзита, выпускаемого в виде керамзитового гравия, в то время как во многих странах мира в основном производится керамзитовый щебень.

Керамзит обладает высокими теплоизоляционными свойствами и используется преимущественно как пористый заполнитель для легких бетонов, не имеющий серьезной альтернативы. Стены из керамзитобетона долговечны, имеют высокие санитарно-гигиенические характеристики. Здания и сооружения из керамзитобетона, построенные более 50 лет назад, эксплуатируются и по сей день. Жилье, возводимое из сборного керамзитобетона, дешево и доступно для большинства российских граждан.

Однако в связи с существенным сокращением в нашей стране с 1988 по 2001 г. выпуска сборного и монолитного керамзитобетона предприятия по производству керамзита испытывают серьезные трудности со сбытом продукции. Некоторые предприятия прекратили существование, многие сократили производство на 20—30% от проектной мощности в связи с невостребованностью продукции.

В последние годы увеличиваются объемы строительства из сборного и монолитного керамзитобетона. Производительность сохранившихся керамзитовых заводов возросла до 30—60% от проектной мощности, наблюдается тенденция к увеличению спроса и потребления.

На наш взгляд, керамзит — это материал, возможности которого не могут ограничиваться только традиционным применением в качестве заполнителя в легких бетонах и засыпочного теплоизоляционного материала. ЗАО «НИИКерамзит» совместно с ОАО «Легкий керамзит» (Самара) проводят комплексные исследования рационального использования керамзитового гравия, песка, отходов керамзитового производства.

 

Анализ данных таблицы показывает, что при использовании керамзитобетонных блоков можно снизить теплопроводность на 10—67%, массу стены — на 25—59%, затраты на 1 м3 расходуемых стеновых материалов — на 35—45%.

В условиях действующих заводов железобетонных изделий с использованием имеющихся мощностей и технологий можно получать штучные керамзитобетонные изделия различных размеров и форм, плотности, прочностных и теплозащитных характеристик, с разнообразной отделкой лицевых поверхностей.

ЗАО «НИИКерамзит» совместно с ОАО «Легкий керамзит» провели исследования по использованию керамзита в качестве декоративно-отделочного материала для наружных работ, в результате чего был получен способ изготовления окрашенного керамзитового гравия, а также разработаны различные виды и технологии отделки окрашенным или неокрашенным керамзитовым гравием и керамзитовым песком штучных и крупногабаритных бетонных, железобетонных изделий и конструкций.

Кроме того, окрашенный керамзитовый гравий может применяться для декоративно-теплоизоляционных засыпок (витрин, кашпо и др.), а также в качестве декоративно-отделочного материала для стен, что существенно улучшает их воздухо- и паропроницаемость по сравнению с отделкой стеклянной или керамической плиткой.

Промышленное внедрение разработанных способов отделки не требует значительных капиталовложений и может быть осуществлено в условиях действующих заводов ЖБИ, КПД, ДСК или на малых предприятиях. Эти технологии можно применять для отделки как крупноразмерных, так и мелкоштучных изделий. Использование окрашенного керамзитового гравия позволяет создавать достаточно сложные и выразительные композиции на фасадах зданий и других сооружений.

Керамзитовый гравий различных фракций можно использовать в качестве фильтрующих засыпок в зернистых фильтрах для очистки воды, запыленного воздуха и газов.

Керамзитовый гравий повышенной плотности и прочности можно применять в дорожных бетонах для нижних слоев двухслойных покрытий вместо карбонатного щебня и других строительных камней в регионах, где такие материалы отсутствуют.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что керамзит как строительный материал не утратил своего значения. Без этого материала невозможно представить себе современное жилищное и промышленное строительство. Намеченные нетрадиционные пути использования этого материала и керамзитовых отходов позволят повысить его значимость, поддержать производство искусственных пористых заполнителей.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Технологическая часть

 

 

1. Номенклатура выпускаемой продукции

 

 

 

На проектируемом предприятии предусмотрен выпуск керамзитового гравия.

Номенклатура выпускаемой продукции взята в соответствии с      ГОСТ 32496−2013 и представлена в таблице 1.

Таблица 1− Номенклатура выпускаемой продукции

Наименование материала и марка по дробимости	Фракция мм	Марка по насапной плотности	Марка по прочности	Производительность тыс. в год/м3
Керамзитовый гравий М 400, П50 Гост 32496−2013	20 – 40	М 400	П 50	80
Керамзитовый гравий М 600, П 125 Гост 32496−2013	10 − 20	М 600	П 125	40
Керамзитовый гравий М 800, П 200 Гост 32496−2013	5 − 10	М 800	П 200	30

 

Показатели свойств выпускаемой продукции представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Показатели свойств продукции

Название	М 400		М 600		М 800
	единица	величина	единица	величина	единица	величина
Влажность поставляемого гравия	% по массе	5, не более	% по массе	5, не более	% по массе	5, не более
Водопоглощение гравия в течение 1 часа	% по массе	30, не более	% по массе	25, не более	% по массе	20, не более
Марка по морозостойкости	F	15, более	F	15, более	F	15, более
Насыпная плотность	кг/м3	350-400	кг/м3	500-600	кг/м3	700-800
Потеря массы после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания	%	8, не более	%	8, не более	%	8, не более

 

Продолжение таблицы 2

Название	М 400		М 600		М 800
	единица	величина	единица	величина	единица	величина
Потеря массы при кипячении	% по массе	5, не более	% по массе	5, не более	% по массе	5, не более
Прочность	МПа	1-1,5	МПа	2,5-3,3	МПа	4,5-5,5
Содержание слабообожженных зёрен	% по массе	3, не более	% по массе	3, не более	% по массе	3, не более
Удельная эффективная активность естественных радионуклидов	Бк/кг	не более 370	Бк/кг	не более 370	Бк/кг	не более 370

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные сырьевые материалы

 

В качестве сырьевых материалов для керамзитового гравия являются глинистые породы, относящиеся в основном к осадочным горным. Глинистые породы отличаются сложностью минералогического состава и кроме глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.) содержат кварц, полевые шпаты, карбонаты, железистые, органические примеси.

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

Содержание основных химических составляющих в глинистом сырье, предназначенном для изготовления керамзитовых гравия, щебня и песка, должно находиться в пределах, указанных в таблице 3.

Таблица 3 − Химический состав глинистого сырья

Наименование химических составляющих глинистого сырья	Содержание, % по массе
Свободный диоксид кремния (SiO2cв)	30, не более
Диоксид кремния (SiO2)	70, не более
Оксид алюминия (Al2O3)	10 − 25
Диоксид титана (TiO2)	0,1 − 2,0
Сумма оксидов железа (FeO + Fe2O3)	2,5 − 12,0
Оксид кальция (CaO)	6, не более
Оксид магния (MgO)	4, не более
Сумма оксидов калия и натрия (K2O + Na2O)	1,5 − 6,0
Сумма соединений серы в пересчете на (SO3), в том числе сульфидной (S)	1,5, не более 1, не более
Сумма соединений фтора в пересчете на (F2)	0,5, не более
Сумма соединений хлора в пересчете на (Cl2)	1,5, не более
Органические вещества	3, не более

 

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

Группы глинистого сырья по способности вспучиваться и показатели, характеризующие свойства каждой группы, приведены в таблице 4.

Таблица 4 − Классификация глинистого сырья по вспучиваемости

Группа глинистого сырья по вспучиваемости	Разновидность сырья	Число пластичности	Основные минералогические характеристики		Коэффициент вспучивания	Насыпная плотность керамзита
			Глинистые минералы	Содержание кварца, %
Хорошо-вспучивающиеся	Высокопластичные глины. Сланцы	25 ,Более	Монтмориллонит. Гидрослюда. Примесь каолинита в небольших количествах.	15, менее	4,5, более	400, менее

 

Вторым важнейшим требованием к сырью является легкоплавкость. Температура обжига до 1250°C, при этом значительная часть глины должна перейти в расплав, иначе газы свободно выйдут, не вспучив материал.

Трение требование – интервал вспучивания. Предельно возможной температурой обжига считается температура определения поверхности гранул, нельзя превышать  температуру, так как оплавленные гранулы могут склеиться. Чем ниже температура, тем ниже Кв и меньше выхода продукции. Поэтому температура должна поддерживаться на предельно допустимом уровне, интервал вспучивания 50°C. Не все глины обладают этими свойствами. Поэтому используют добавки, увеличивающие Кв (1% мазуту, солярного масла, пиритные добавки). Подобные добавки используют для снижения температуры вспучивания (молотый шлак ТЭЦ).

Для повышения температуры обжига и избегания оплавления гранул применяют опудривание сырцовых гранул порошком огнеупорной глины, пиритными огарками и др.

 

 

1.3 Выбор и обоснование способа производства и схем технологического процесса

 

Выбор способа переработки сырья определяется свойствами исходного сырья, а качество заполнителя зависит от режима термической обработки, при котором создаются оптимальные условия вспучивания подготовленных сырцовых гранул (зерен).

Различают четыре основные технологические схемы подготовки сырцовых гранул, или четыре способа производства керамзита: сухой, пластический, порошково-пластический и мокрый.

Сухой способ используют при наличии камнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые сланцы). Он наиболее прост: сырье дробится и направляется во вращающуюся печь. Предварительно необходимо отсеять мелочь и слишком крупные куски, направив последние на дополнительное дробление. Этот способ оправдывает себя, если исходная порода однородна, не содержит вредных включений и характеризуется достаточно высоким коэффициентом вспучивания. Влажность сырцовой крошки не должна превышать 9%.

Наибольшее распространение получил пластический способ. Наибольшее распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье перерабатывается в увлажненном состоянии в вальцах, глиномешалках, затем на прессах формуют сырцовые гранулы в виде цилиндров, которые при дальнейшей транспортировке окатываются. Размер гранулам задается исходя из требуемой крупности гравия. Гранулы подсушиваются в сушильном барабане и подаются в печь для обжига. Таким образом, производство керамзита по пластическому способу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует значительных капиталовложений. Однако переработка глинистого сырья с разрушением его естественной структуры, усреднение, гомогенизация, а также возможность улучшения его добавками позволяют увеличить коэффициент вспучивания.

Порошково-пластический способ отличается от пластического тем, что вначале, помолом сухого глинистого сырья получают порошок, а потом из этого порошка при добавлении воды получают пластичную глиномассу, из которой формуют гранулы, как описано выше. Необходимость помола связана с дополнительными затратами. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. Но в ряде случаев этот способ подготовки сырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном состоянии его легче перемешать и гомогенизировать; если требуется вводить добавки, то при помоле их легче равномерно распределить; если в сырье есть вредные включения зерен известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная переработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его более высокое качество оправдывают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) способ заключается в разведении глины в воде в специальных больших емкостях — глиноболтушках. Влажность получаемой пульпы (шликера, шлама)—примерно 50%. Пульпа насосами подается в шламбассейны и оттуда — во вращающиеся печи. В этом случае в части вращающейся печи устраивается завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими из печи газами и подсушивают пульпу, затем разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа — повышенный расход топлива, связанный с большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются достижение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота введения и тщательного распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых включений и -зерен известняка. Этот способ рекомендуется при высокой карьерной влажности глины, когда она выше формовочной (при пластическом формовании гранул с перевозкой автотранспортом.

Из четырёх способов производства керамзита для получения выпускаемой продукции выбран пластический способ.

Технологический процесс производства выпускаемой продукции осуществляется в соответствующей блок схеме представленной на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1−блок схема технологического процесса производства керамзитового гравия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 Описание схемы технологического процесса

 

Разработку месторождений глинистых пород производят открытым способом. Для добычи глинистого сырья используют одноковшовые и многоковшовые экскаваторы, ведущие разработку в карьере по всей высоте уступа, без выделения отдельных пластов материала. При разработке камнеподобных глинистых горных пород (глинистых сланцев, аргиллитов) перед экскавацией сырья производят буровзрывные работы. Сырье перевозят с помощью автосамосвалов. Для обеспечения непрерывной работы заводов устраивают глинозапасники вместимостью до полугодового запаса сырья с предохранением его от промерзания. Запасы глины также хранят в промежуточных конусах, где она вылеживается в течение нескольких месяцев на открытом воздухе. В результате температурных воздействий, особенно мороза, переменного увлажнения и высушивания происходит предварительное разрушение естественной структуры сырья, значительно облегчающее ее последующую переработку в однородную формовочную массу. После этого грейферный кран из глинозапасника подаёт сырьё в производство.

Предварительное измельчение глина проходит в глинорыхлительной машине. Разрыхленная глина ленточным конвейером транспортируется в камневыделительные вальцы  СМ−1198, перед которыми на конвейере устанавливают железоотделитель, в ленточном шнековом прессе с камневыделительной приставкой, где масса перемешивается, из нее выделяются мелкие включения и наконец происходит тщательный помол с помощью вальцов тонкого помола, где зазор между валками 1−1,5 мм.

Затем сырьё обрабатывается в глиномешалке, чаще всего используют лопастную глиномешалку СМ−246 двухвальную. В это время вводятся такие добавки как: вода, опилки и пиритные агарки. Они служат для повышения вспучиваемости сырья. После приготовления шихты с помощью шнекового пресса, оборудованного вместо обычного мундштука мундштуком−плитой с большим количеством круглых отверстий, формующие из массы с влажностью 18-20% много глиняных жгутов, которые разрезаются на отдельные цилиндрики-гранулы с помощью специального приспособления, происходит изготовление сырцовых гранул.

Подсушку гранул производят в сушильном барабане, для обогрева которого используют отходящие из обжиговой печи газы. Сушильные агрегаты типа слоевых подготовителей, подготовителей псевдоожиженного слоя, в которых сырцовые гранулы высушивают до нулевой влажности и подогревают перед обжигом. Слоевой подготовитель выполнен в виде вертикальной конструкции высотой около 10 м, состоящей из приемного бункера, двух наклонных решеток, по которым самотеком перемещаются сырцовые гранулы, разгрузочного барабана и течки. Сушка осуществляется отходящими из печи горячими газами, движение которых в подготовителе показано стрелками. Газы сначала проходят через материал на нижней решетке, затем рециркуляционным дымососом направляются под верхнюю решетку, а часть их — возвращается вниз.

Часто сушильный барабан совмещают с обжиговым в один тепловой агрегат − СМС 197

В первом случае имеется возможность лучше регулировать процесс сушки и промежуточного бункерования гранул с односменной работой формовочного отделения, а во втором случае лучше решается компоновка цеха и упрощается эксплуатация агрегата, а также снижаются тепловые потери. Режим сушки устанавливается на основе лабораторных и полузаводских испытаний.

Применяются барабаны марок СМ-455, СОБУ-5, СМ-147А и др. Длина их 8-27 м, диаметр 1,6-3,5 м, объем от 16 до 260 м3. Скорость вращения регулируется в пределах от 2 до 4 об/мин.

Обжиг полуфабриката является общей технологической операцией для всех способов производства и осуществляется в основном в однобарабанной вращающейся печи длиной обычно 40 м при наружном диаметре до 2,5 м. Обжиговую печь желательно иметь с тремя диапазонами скорости вращения. Печь представляет собой цилиндрический металлический барабан, футерованный внутри 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 газовая горелка или 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 — около 1 ч. Весь процесс обжига можно разделить на три основные стадии, а печь − на три зоны.

Первая стадия − сушка и предварительный подогрев глинистого сырья до температур порядка от  200 до 600°С − протекает в различное время (15-30 мин) в зависимости от вида сырья и конструкции печи. Целью термической подготовки сырья на первой стадии является удаление из сырья излишних газообразных продуктов и придание гранулам способности не разрушаться при достижении области высоких температур.

Вторая стадия − обжиг длится всего от 2 до5 мин. За это время материал нагревается до температуры вспучивания. Очень быстро в двухбарабанной печи и несколько медленнее в однобарабанной печи. Высокая скорость обжига в этот период необходима во избежание полного выгорания органических примесей и протекания химических превращений окислов железа.

Третья стадия - кратковременный обжиг сырца (в течение от 5 до 10 мин) при температурах его вспучивания (обычно 1100-1200 о). Способность глинистых материалов вспучиваться, характер ячеистой структуры (размер и форма пор), механизм ее образования зависят от природы и количества газов, образующихся при обжиге сырья, от вязкости и поверхностного натяжения глинистой массы в период размягчения, от остаточной влажности, теплового режима, размера, формы и плотности гранул.

Обожженный в печи керамзит должен проходить медленное охлаждение. Охлаждение керамзита из глинистых сланцев при оптимальном режиме (температура 800°, время выдерживания 20 мин) повышает прочность готового продукта на 20-27%, а в отдельных случаях и более. Для охлаждения керамзитовый гравий из печи загружается в слоевой самоточечный холодильник. Он прошел испытания и заложен в новые типовые проекты керамзитовых предприятий, разрабатываемых Гипростромом.

Охлажденный керамзит транспортируют ленточными конвейерами на склад готовой продукции, где элеватором подают на рассев в гравиесортировку. Полученные фракции распределяют по силосным банкам ленточным конвеером. Их вместимость рассчитана на четырёхсуточный запас готовой продукции. Керамзитовый гравий должен храниться в закрытых складских помещениях или на открытой площадке под навесом раздельно по фракциям и маркам по насыпной плотности и прочности, песок – по маркам. При хранении пористых заполнителей должны быть обеспечены условия, исключающие их увлажнение, механическое разрушение, загрязнение посторонними материалами и потери продукции.

Пористые заполнители транспортируют в упакованном виде в бумажных многослойных мешках по ГОСТ 2226, в полипропиленовых и тканевых мешках по ГОСТ 30090 или навалом в крытых железнодорожных вагонах, автомобилях или судах (баржах). Транспортирование пористых заполнителей должно проводиться с соблюдением правил перевозки грузов, действующих на транспорте конкретного вида. Погрузка пористых заполнителей в транспортные средства, загрязненные остатками ранее перевозимых грузов, не допускается. При транспортировании пористых заполнителей должны быть обеспечены условия, исключающие их увлажнение, механическое разрушение, загрязнение посторонними материалами и потери продукции.

 

1.5 Режим работы проектируемого предприятия

 

Таблица 5− Режим работы проектируемого предприятия

Наименование цеха, участка, отделения	Количество Рабочих дней в году, С р	Количество смен в сутки, п	Длительность рабочей смены, г	Коэффициент использования оборудования, кн	Расчетный Годовой фонд времени работы оборудо-вания, В р
Добыча глины в карьере	260	2	8	0,94	3910,4
Доставка и складирование готовой продукции	260	2	8	0,94	3910,4
Первичное дробление	260	2	8	0,92	3827,2
Отделение подготовки добавок	260	2	8	0,92	3827,2
Отделение по переработке сырья, формовке гранул	365	3	8	0,92	8059,2
Сушильное отделение	365	3	8	0,92	8059,2
Печное отделение	365	3	8	0,92	8059,2
Охлаждение	365	3	8	0,92	8059,2
Складирование готовой продукции по загрузке по выдаче	260 260	2 2	8 8	0,90 0,90	3744 3744