автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Технология керамического кирпича компрессионного формования с сокращенным циклом термической обработки

На правах рукописи

005538319

Ласточкин Валерьян Геннадьевич

ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА КОМПРЕССИОИОГО ФОРМОВАНИЯ С СОКРАЩЕННЫМ ЦИКЛОМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

05.23.05. — Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

і'- и

Ростов-на-Дону - 2013 г.

005538319

Работа выполнена в ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт строительных материалов и конструкций им. П.П.Будникова»

Научный руководитель - Ашмарин Геннадий Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: - Котляр Владимир Дмитриевич,

доктор технических наук, доцент ФГБОУ «Ростовский государственный строительный университет», кафедра «Строительные материалы».

- Бурьянов Александр Федорович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», кафедра технологии вяжущих веществ и бетонов.

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное

предприятие «Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых» (ФГУП «ЦНИИгеолнеруд») г. Казань.

Защита состоится 5 декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022 г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд.111.

Тел/факс. (863)201-90-57. e-mail: dis_sovet_rgsu@mail/ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «3» ноября 2013г. Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., доцент «^SS^i^gp^ А.В. Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: В стране принят пакет законов, направленных на реализацию задач по обеспечению населения качественным и доступным жильем.

В последние годы создание новых производств строительных материалов было ориентировано на поставку высокопроизводительных, дорогих комплексных линий. Там, где имелись большие запасы минерального сырья и соответствующий потребительский рынок, это было оправдано.

В настоящее время весьма актуальной становится проблема запасов качественного глинистого сырья. Ресурсы традиционного керамического сырья истощаются. Запасы глин и суглинков, которые можно использовать без корректировки состава в производстве керамических стеновых изделий, становятся все меньше и меньше. Завозить сырьевые материалы и поставлять готовую продукцию на большие расстояния не целесообразно. По данным Минрегионразвития транспортные расходы при строительстве составляют 21%.

С целью использования повсеместно распространенных местных глинистых и кремнистых пород, отходов добычи и обогащения углей, зол и шлаков целесообразным представляется усовершенствование технологии и теплотехнического оборудования заводов различной мощности по технологии компрессионного формования.

В качестве рабочей гипотезы выдвинут тезис о том, что использование технологии компрессионного формования керамических изделий с сокращенным циклом термической обработки позволит вовлечь в производство доступное местное сырье. Формование изделий при влажности пресс-порошка ниже критической (влажность сырца в момент прекращения усадки) создают условия для значительного сокращения процесса термической обработки изделий, позволяет отказаться от сушильного агрегата, сократить затраты на строительство заводов, снизить себестоимость продукции и значительно приблизить производство к потребителю.

Цель работы: разработка технологии керамического кирпича компрессионного формования с сокращенным сроком термической обработки на основе глинистого сырья и кремнистых пород.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Обосновать возможность и целесообразность производства керамического кирпича на основе глинистого сырья и кремнистых пород с сокращенным циклом термической обработки.

2. Исследовать физико-химические и технологические свойства полиминерального глинистого сырья и кремнистых пород.

3. Исследовать физико-технические свойства и структуру керамики на основе глинистого сырья и кремнистых пород.

4. Разработать технологические основы и технологические регламенты производства керамического кирпича на основе глин, суглинков и кремнистых пород.

5. Апробировать разработанные составы и технологию в промышленных условиях.

Научная новизна: Разработаны научные основы регулирования процесса сокращенного цикла термической обработки керамических стеновых изделий компрессионного формования на основе глинистого сырья и кремнистых пород, базирующиеся на изменении кинетики теплообмена и массопереноса при достижении изделием критической влажности.

Впервые проведены исследования кинетики бездефектной сушки изделий, определены оптимальные влажностные параметры пресс-порошков из глин, суглинков, кремнистых пород, режимы прессования и обжига в одном тепловом агрегате (печь-сушилка), позволившие сократить время общего цикла производства за счет отсутствия громоздких сушилок с парком сушильных вагонеток.

Установлено, что получение высококачественных изделий компрессионного формования при сокращенных сроках термической обработки обусловлено формованием пресс-порошков с влажностью ниже критической в

зависимости от свойств сырья, а также применением разработанной конструкции печи-сушилки, отличающейся дополнительной системой рециркуляции с воздухонагревателем в зоне предварительного нагрева и рекуперативными скоростными горелками, выходы которых соединены с вентилятором отбора дымовых газов, позволяющей обжигать изделия непосредственно после прессования без сушки в отдельном агрегате.

Приоритет научных и технологических решений подтверждены патентами Российской Федерации: № 2397068 «Технологическая линия для производства керамических строительных изделий методом компрессионного формования»; № 2406049 «Туннельная печь-сушилка».

Практическая значимость работы связана с получением новых научно-прикладных данных, ставших основой для решения практических задач по совершенствованию ресурсосберегающей технологии керамического кирпича компрессионного формования из повсеместно распространенного глинистого сырья и кремнистых пород.

Проведенные исследования показали возможность производства керамических стеновых изделий высокого качества методом компрессионного формования с сокращенным циклом термической обработки до 30 часов вместо более 100 часов при традиционной технологии.

Разработаны технологические регламенты производства керамических изделий в Веневском районе Тульской области на основе суглинка Барсуковского месторождения, в Жиздринском районе Калужской области на основе трепела Скурынского месторождения и Алатырском районе Республика Чувашия на основе трепела Первомайского и Ново-Айбесиновского месторождений и глины Атратьевского месторождения.

Реализация результатов работы. Результаты исследований легли в основу разработки проекта завода по производству керамического кирпича методом компрессионного формования в Алатырском районе Республика Чувашия мощностью 60 млн.шт. кирпича в год и Веневском районе Тульской области мощностью 30 млн.шт. кирпича в год.

На защиту выносятся:

- теоретические положения получения керамического кирпича методом компрессионного формования с сокращенным циклом термической обработки;

- результаты исследования физико-химических и технологических свойств глинистого сырья и кремнистых пород;

- рациональные составы масс, технологические регламенты и технико-экономические показатели производства керамического кирпича компрессионного формования.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Керамтэкс» ( г. Казань, 2009 г., г. Омск, 2010 г., г. Ярославль, 2011 г., г. Новосибирск, 2012 г., г. Москва, 2013 г.); XV Академических чтениях РААСН-международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (г. Казань, 2010 г.).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 11 научных публикациях, в том числе в 8 изданиях с внешним рецензированием по списку ВАК РФ, и двух патентов Российской Федерации.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 127 источника, и 4 приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, цель научной работы, сформулированы задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлен аналитический обзор по теме исследований.

В последнее время опубликовано много работ по совершенствованию технологии производства керамических стеновых изделий, вовлечению в технологический процесс новых сырьевых материалов, в том числе и техногенного сырья в частности таких авторов Бурмистров В.Н., Гуров Н.Г., Котляр В.Д., Лундина М.Г., Столбоушкин А.Ю., Стороженко Г.И., Шлегель И.Ф. и др. В тоже время о такой важной сырьевой базе - кремнистых породах, их распространении на территории Российской Федерации и их использованию совместно с глинами и суглинками в технологии компрессионного формования не уделялось должного внимания.

Кремнистые породы благодаря наличию в их составе аморфной активной кремнекислоты обладают рядом очень ценных свойств: тонкопористой структурой, сравнительно малой объемной массой и теплопроводностью. Совокупность указанных свойств предопределяет их эффективное использование при производстве керамических изделий. Можно предположить, что совместное использование глинистых и кремнистых пород позволяет значительно улучшить физико-механические свойства керамики.

Задача состоит в том, чтобы совершенствуя технологические процессы подготовки пресс-порошков, режимы прессования и тепловой обработки получить наиболее совершенную структуру изделий.

Во второй главе приведены характеристики сырьевых материалов и методы их исследования. Использование в качестве объектов исследований глинистого сырья и кремнистых пород с широким диапазоном структурно-механических свойств, химического и минерального составов позволило получить обобщенные данные о влиянии свойств сырьевых материалов на технологические параметры производства и физико-технические свойства керамических изделий.

С целью определения влияния свойств исходных сырьевых материалов на кинетику протекающих процессов и свойства готовых изделий в качестве объектов исследования были использованы наиболее характерные разновидности минерального сырья:

— глинистое сырье: глина месторождения Атратьевское (Республика Чувашия) и суглинок месторождения Барсуки (Тульской области). По химическому составу сырье классифицируется как кислое, содержание АЬОз менее 14%, по минеральному составу как полиминеральное с высоким содержанием основного минерала монтмориллонита 43±3% у глины и 23% у суглинка, по гранулометрическому составу сырье классифицируется как низкодисперсное, по пластичности как средне и умереннопластичное (число пластичности 18,9 и 9,7), без активных карбонатов, среднетемпературного спекания 1000-1150 °С, средне и высокочувствительное к сушке;

- кремнистые породы: карбонатистый трепел месторождения Ново-Айбесиновское (Республика Чувашия) содержание СаО-25,5% и монтмориллонитовый трепел двух месторождений Первомайское (Республика Чувашия) содержание 8Ю2 - 70,05 %, и Скурынское (Калужская область) содержание БЮт- 80,16%.

Исследования состава и свойств сырья, испытания на лабораторных образцах проведены в соответствии ГОСТ 21216.0-81 - ГОСТ 21216.6-81, ГОСТ 21216.8-81 - ГОСТ 21216.11-81, а также методикам, разработанным ВНИИстромом, классификация приведена по ГОСТ 91697-75.

Физико-химические свойства исследуемого сырья приведены в (табл. №

1-5).

Химический состав сырья

Таблица № 1

Наименование месторождения Химический состав слхого вещества.

вЮ; ТІО; АЬО) Ре^О, МпО СаО МвО №;0 К;0 Р;0, ^Оіобщ. ППП Сумма

Атратьевское 67.01 0,71 13,59 5.52 0.07 1.48 1,17 0,85 2,15 0,09 035 7,01 99.90

Ново-Айбесиновскоо 43,71 0.23 3,72 23 0,01 25,5 0,37 0,19 0.93 0,12 СЛСДЫ 23,05 100,02

Первомайское 70,05 0,55 9,73 3.91 0.01 431 1,28 0.16 2,01 0,59 следы 7.44 99,94

Ск\рынское 80,16 035 7.54 2.75 0.0І 1,67 1,06 0,03 132 034 <0,05 4,82 99,85

Барс\кн 73,13 1,06 10,18 4.21 0.10 2.15 1,54 1,01 2.62 0,11 <0,05 3,62 99,82

Минеральный состав сырья

Таблица № 2

Наименование месторождения Минеральный состав, содержание, % масс.

Монтмориллонит Гидрослюда Каолижгг ' Кварц Кальцит Цеолит окт

Атрэтъевское 43±3 6±1 7 43 1 - -

Ново-Айбесиновское 14 9 <1 6 43 15 13

Первомайское 12 19 <1 7 2 зи 29

Скурынское 2Ш 2 2±1 5±1 - 16±3 47±6

Барсуки 23 5 56 <1 -

Гранулометрический состав сырья

Таблица № 3

Наименование месторождения Содержание фракции в "п. раімер фракции в мм Классификации по количеству и размеру включений

1,11-0,063 0.06341,111 0,(11-0,1105 0,005-0.001 <0,001

Атратьсвское 2,16 34.99 12.38 29,39 21,08 Низкодиспсрсное

Первомайское 29.89 16.45 14,50 29.58 9,58 Грубоднсперсное

Ново-Аіібссіїновское 12,44 33,14 8.90 34.87 10.65 Грубодисцерсное

Ск\рынск 22.SH 26,65 7,04 30,91 12.60 Грубодиспсреное

Барсуки 1.39 63,42 8,74 8,69 17,76 Ніпкодисперсное

Чувствительность к сушке

Таблица № 4

Наименование сырья Формовочная влажность, %абс. Коэффициент чувствительности к сушке по Чижскому, сек Классификация по чувствительности к су лике

Атратьсвекое 24,95 111 Среднечузствитепьное

Первомайское 52.65 >180 Малочувствительное

Ново-Айбееиновское 52,89 >180 Малочувствительное

Скурынск 60,3 >180 Малочуиствительнос

Барсуки 22,02 85 Высокочувствительная

Пластичность сырья

Таблица № 5

Наименование Пределы пластичности, % абс.вл. Число Классификация сырья

сырья Нижняя граница текучести Граница раскатывания пластичности по пластичности

Атратыгвсхое 53.70 34.80 18.90 Среднепластичное

Псрвомайскос 63,75 52,37 1138 Умсрсннопластичнос

Ново-Аибсс! 1Н О ВС к ое 62.10 5135 10.75 Умсрсннопластичнос

Скурынск 74.6 5Х.5 16.1 Средне пластич мое

Барсуки 32.85 23.15 9.7 Умеренной ластичное

Результаты определения критической влажности по кривым усадки на (рис. № 1-5).

Рисунок. № 1. Кривая зависимости усадки от потери влаги глины Атратьевского месторождения

Рисунок. № 2.Кривая зависимости усадки от потери влаги трепела Ново-Айбесиновского месторождения

потеря влаги, %

лотеря 8ПВГИ, %

Рисунок. № 3. Кривая зависимости усадки от потери влаги трепела Первомайского месторождения

Рисунок. № 4. Кривая зависимости усадки от потери влаги трепела Скурынсого месторождения

Рисунок.№5 кривая зависимости усадки от потери влаги суглинка месторождения Барсуки

В третьей главе представлены технологические характеристики композиций на основе исследованных сырьевых материалов.

Исследование физико-технических свойств композиции полиминеральной легкоплавкой глины Атратьевского месторождения с трепелом Ново-Айбесиновского месторождения позволяет выявить зависимость плотности, прочности и водопоглащения от процентного содержания трепела при различных температурах обжига.

На основании результатов лабораторных испытаний образцы прессовались из пресс-порошока с влажностью ниже критической в зависимости от свойств сырья (рис. № 6,7). Критическую влажность находят как точку пересечения наклонной прямой (процесс усадки) с горизонтальной прямой (процесс сушки без усадки) Во время сушки усадка происходит до взаимного соприкосновения частиц, дальнейшее удаление влаги происходит без усадки изделий при повышении температуры.

9 8 7 6

* 5

<2 1 £ 3

Я 2

1

о

/ _—і 11 ■ ' '

10

20 зо ад

потеря влага, %

Рисунок. № 6 Кривая зависимости усадки от потери влаги Атратьевское-30% Ново-Айбесиновское-70%

50

12 10

8

# 6 ш

(О

С

/

10

20 X 40 потеря влаги, К>

50

Рисунок. №7. Кривая зависимости усадки от потери влаги Атратьевское-70% Ново-Айбесиновское-30%

Анализ критической влажности образцов сырца из исходных сырьевых материалов по кривым зависимости усадки от потери влаги и физико-химических и технологических свойства позволил определить параметры влажности, грансоставы и оптимальные удельные давления прессования изделий.

Лабораторные испытания выявили определенную зависимость состава шихты от содержания трепела. Из графика (рис. № 8) видно, что трепел повышает критическую влажность сырца, а так же делает ее не чувствительной к сушке (рис. № 9). При содержания трепела 30% шихта становится не чувствительна к сушке, что видно из графика.

Рисунок № 9. График зависимости чувствительности к сушке от содержания трепела.

Рисунок № 8. График зависимости критической влажности от содержания трепела.

Отформованные образцы обжигали без предварительной сушки. Все образцы имели бездефектный вид с высокими физико-механическими свойствами (рис. № 10-12).

Анализ графиков изменения прочности (рис. № 10), плотности (рис. № 11) и водопоглащения (рис. № 12) образцов свидетельствует о том, что все исследуемые образцы имеют высокие прочностные свойства 15-60 МПа, что открывает широкие возможности производства керамических изделий различного назначения.

1060 1080 1100 1120 температура °С

Рисунок №10. График изменения прочности изделий от содержания трепела в шихте (глина/трепел) и температуры обжига.

Рисунок №11. График изменения плотности от состава шихты (глина/трепел) и температуры обжига.

Рисунок№12. График изменения водопоглащения от состава шихты (глина/трепел) и температуры обжига.

Совершенная структура изделия компрессионного формования достигается при соблюдении основных технологических процессов производства, таких как получение пресс-порошка заданного грансостава с равной или близко к равной пофракционной влажностью, обеспечении рационального режима прессования и создании эффективной регламентированной тепловой обработки изделий.

Исследования показали, что разница влажности фракций пресс-порошка нижнего (0,016-0,0315мм) и верхнего (2-Змм) пределов крупности не должна превышать 0,5%. Снижение разницы пофракционной влажности до 0,5% достигается путем сепарации в процессе измельчения и грануляции пресс-порошка в стержневых смесителях.

Получение пресс-порошка заданного грансостава и влажности обеспечивается путем возврата крупной и пылеватой фракции пресс-порошка на вторичную переработку.

Формование пресс-порошков влажностью ниже критической при которой кирпич-сырец не имеет усадки при сушке, позволяет ускорить процесс производства. Появляется возможность значительно форсировать режим тепловой обработки и существенно сократить тепловые потери.

Исходя из полученных результатов, была выпущена опытная партия кирпича из глины Атратьевского месторождения 60% и трепела Ново-Айбесиновского месторождения 40%.

На гидравлическом прессе при удельном давлении 150 кг/см2 формовали кирпичи нормального формата с пустотностью 12 % и обжигали при температуре 1050 °С на Шеланговском кирпичном заводе без предварительной сушки при однорядной садке на тычок.

Был получен кирпич марки 150, плотностью 960 кг/м3, кирпич выдержал 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания без потери массы и признаков разрушения.

Принципиальная схема технологической линии для производства керамических строительных изделий методом компрессионного формования (патент № 2397068) представлена на рисунке 14.

Рис. 14. Принципиальная технологическая схема производства кирпича методом компрессионного формования.

Так же были исследованы физико-технические свойства композиции глины Атратьевского месторождения с трепелом Первомайского месторождения, трепела месторождения Скурынск и суглинка месторождения Барсуки. Все исследуемые образцы имеют бездефектный вид с высокими физико-механическими свойствами, что открывает широкие возможности производства конструкционных стеновых керамических изделий.

В четвертой главе представлены результаты исследования по тепловой обработке изделий компрессионного формования. Для создания технологических линий, конкурентоспособных с линиями пластического формования, необходимо использовать преимущества компрессионного формования. Таким преимуществом является высокая прочность кирпича-сырца, позволяющая осуществлять садку после формования непосредственно на печные вагонетки, возможность формования изделий с влажностью ниже критической создающие условия бездефектной досушки кирпича на печной вагонетке с последующим обжигом. Полученные результаты позволяют спроектировать и осуществить строительство комбинированного теплового агрегата печи-сушилки мощностью до 60 млн.шт. кирпича в год.

Надо отметить, что при пластическом способе производства печь и сушилка разобщены, что приводит к значительному осложнению спецтранспорта, связанного с загрузкой и разгрузкой сушильных вагонеток и перекладкой сырца на обжиговые вагонетки, а также сложной системой подачи и равномерного распределения теплоносителя в сушилке.

Разработанная нами туннельная печь-сушилка (патент №2406049), обеспечивающая сушку и обжиг изделий без укладки их на сушильную вагонетку и перекладки с сушильной на печную, позволяет упростить систему спецтранспорта современного завода, сократить почти в 2 раза производственные площади и сократить время технологического цикла

производства в 3 раза.

Печь-сушилка (рис. 15) представляет собой противоточный туннель, состоящий из зон разогрева, обжига и охлаждения. Туннельная печь-сушилка содержит рабочий канал 1, вентилятор подачи атмосферного воздуха в конец зоны охлаждения 2, вентилятор подачи атмосферного воздуха в начало зоны охлаждения 3, вентилятор 4 отбора горячего воздуха из зоны охлаждения и подачи его между зоной разогрева и зоной подготовки, отопительную систему 5 зоны обжига со скоростными горелками 6, рекуперативные скоростные горелки 7, вентилятор отбора дымовых газов из рекуперативных скоростных горелок 8, система рециркуляции 9, воздухонагреватель 10.

предварительного

нагрева Зоиа разогрева Зона подготовки_Зона обжига_Зона охлаждении

Рис. 15. План-схема разработанной печи-сушилки

Зона сушки разделена на две половины: зону предварительного нагрева, оборудованную системой циркуляции теплоносителя с встроенным подогревателем, и зону непосредственной сушки изделий, в которую горячий воздух поступает из зоны охлаждения.

Зона обжига включает зону подогрева и зону непосредственного обжига. Зона непосредственного обжига (высокотемпературная зона) оборудована скоростными горелками. Зона подогрева (низкотемпературная зона) оборудована скоростными рекуперативными горелками. Дымовые газы удаляются через индивидуальные рекуператоры горелок, передавая тепло воздуху, идущему на горение. Такой подход позволяет сократить зону подготовки за счет активного выравнивания температурного поля скоростными рекуперативными горелками, а также снизить потери с отходящими дымовыми газами, т. е. увеличить коэффициент использования топлива. Действительно на традиционных печах коэффициент избытка воздуха составляет, как правило, больше 5 при температуре отходящих газов >150°С, что связано с неизбежными подсосами холодного воздуха из окружающего пространства в связи с протяженным участком зоны подготовки. В нашем случае при коэффициенте избытка воздуха менее 2 экономия топлива составит не менее 30%.

Зона охлаждения состоит из подзон скоростного и умеренного охлаждения. При этом горячий воздух с температурой до 300°С подается через систему трубопроводов в зону подготовки печи, откуда по печному каналу направляется в зону разогрева.

Система отопления печи и ее автоматическое управление обеспечивают перепад температуры в зоне обжига не более 10°, что позволяет обжигать изделия из сырья с малым интервалом спекания, создавая тем самым возможность расширить область применяемых сырьевых материалов.

Применение рекуперативных горелок приводит к распределенному отбору дымовых газов по длине обжигового канала в отличии от сосредоточенного при традиционном способе отопления. Этот способ

отопления печи позволяет снизить неконтролируемые подсосы из внепечного пространства, повысив качество нагрева изделий и энергоэффективность работы печи.

При традиционной схеме отопления обжиговой печи для увеличения срока службы дымососа и дымовой трубы температуру отходящих дымовых газов поддерживают на уровне 150-180 °С. Коэффициент избытка воздуха при этом составляет 5-10. Таким образом, потери теплоты с уходящими дымовыми газами составляют 35-60 %. При использовании системы отопления с рекуперативными горелками удается снизить эти потери до 20-25 %. При высокой степени рекуперации температура отходящих дымовых газов составляет 250—300 °С при коэффициенте избытка воздуха в пределах 1,5-2, что соответствует приведенному проценту потерь тепловой энергии.

В тоже время продукты сгорания, двигаясь в противоток садке, удаляются последовательно по ходу движения через индивидуальные рекуператоры горелок, нагревая воздух, поступающий на горение, и замещаясь на свежие продукты сгорания, не содержащие оксидов серы. Это позволяет заблокировать появление высолов на лицевой поверхности изделий при контакте с отработанными дымовыми газами, а также производить разогрев кирпича в печи. Разработанная система отопления создает постоянное давление в обжиговом канале и способствует более качественному нагреву изделий.

Основные выводы

Установлено, что получение высококачественных изделий компрессионного формования при сокращенных сроках термической обработки обусловлено:

1. формованием пресс-порошков с влажностью ниже критической (влажности сырца в момент прекращения усадки);

2. Применением разработанной конструкции печи-сушилки, отличающейся дополнительной системой рециркуляции с воздухонагревателем в зоне предварительного нагрева и рекуперативными скоростными горелками,

выходы которых соединены с вентилятором отбора дымовых газов, позволяющей обжигать изделия непосредственно после формования без сушки в отдельном агрегате;

3. Значительным расширением сырьевой базы для производства строительной керамики за счет использования некондиционных глинистых, кремнисто-опаловых пород и топливосодержащих отходов промышленного производства;

4. Возможностью строительства заводов по технологии компрессионного формования различной мощности, приближенных к сырьевой базе и потребителю готовой продукции;

5. Сокращением площади застройки производственных зданий по сравнению с технологией пластического формования около 2 раз и снизить стоимость используемого оборудования на 180 млн. руб.;

Результаты исследований легли в основу разработки проекта завода по производству керамического кирпича методом компрессионного формования в Алатырском районе Республика Чувашия мощностью 60 млн.шт. кирпича в год, и Веневском районе Тульской области мощностью 30 млн.шт. кирпича в год.

Основное содержание работы опубликовано:

1. Ашмарин Г.Д., Ласточкин В.Г., Курносов В.В. Теоретические основы и пути совершенствования технологии компрессионного формования керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2009. № 4. С. 26-29.

2. Lastotschkin W., Aschmarin G. UntersuchungenzumTrockenpess-verfahren von Ziegeln // KeramischeZeitschrift. 2009. № 6. S. 376-378.

3. Ашмарин Г.Д., Курносов B.B., Ласточкин В.Г. Энерго- и ресурсосберегающая технология керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2010. № 4. С. 24-27.

4. Ашмарин Г.Д., Наумкина Н.И., Губайдулина A.M., Ласточкин В.Г., Салахова P.A. Керамические стеновые материалы на основе цеолитсодержащего сырья // Строительные материалы. 2010. № 4. С. 44-46.

5. Салахова P.A., Ласточкин В.Г., Лыгина Т.З., Салахов A.M. Некоторые вопросы сушки изделий современной стеновой керамики // Материалы XV Академических чтений РААСН - международной научно-практической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии». 2010. С. 440-445.

6. Ласточкин В.Г., Ашмарин Г.Д., Салахова P.A., Курносов В.В. Оптимизация процесса тепловой обработки керамических стеновых материалов с целью энергосбережения // Известия КГАСУ. 2010. № 1(13). С. 315-318.

7. Салахова P.A., Ласточкин В.Г., Салахов A.M., Лыгина Т.З., Нефедьев Е.С. Производство керамических материалов: опыт предшествующих поколений и современные разработки // Известия КГАСУ. 2010. № 1(13). С. 336-341.

8. Ашмарин Г.Д., Курносов В.В., Беляев С.Е., Ласточкин В.Г. Обоснование эффективности компрессионного формования керамических строительных материалов // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 8-9.

9. Ашмарин Г.Д., Ласточкин В.Г., Илюхин В.В., Минаков А.Г., Татьянчиков

A.B. Инновационные технологии высокоэффективных керамических строительных изделий на основе кремнистых пород // Строительные материалы. 2011. № 7. С. 28-30.

10. Ашмарин Г.Д., Кондратенко В.А., Ласточкин В.Г., Павленко А.П. Керамические экологически чистые теплоэффективные стены - реальность современного строительства // Строительные материалы. 2011. № 12. С. 10-11.

11. Ашмарин Г.Д., Ласточкин В.Г., Синянский В.И., Илюхин В.В., Курносов

B.В. Технология керамического кирпича компрессионого формования с сокращенным циклом термической обработки // Строительные материалы. 2013. №4. С. 42-43.

12. Патент № 2397068, приоритет от 06 марта 2009г., опубликован 20.08.2010г. Бюл.№23. «Технологическая линия для производства керамических строительных изделий методом компрессионного формования».

13. Патент № 2406049, приоритет от 26 ноября 2009г., опубликован 10.12.2010г. Бюл.№34. «Туннельная печь-сушилка».

Подписано в печать 01.11.2013 Формат 145x205 . Бумага „МопсК" Печать цифровая. Тираж 100 экз. Заказ №47.

Отпечатано в типографии .ЗНИИСТРОМ" 140050, Моск. обл., Люберецкий р-н, п. Красково, ул. К. Маркса 117 Тел.: 8(495) 557-30-81

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ им. П.П.БУДНИКОВА»

На правах рукописи

04201364815

Ласточкин Валерьян Геннадьевич

Технология керамического кирпича компрессионного формования с сокращенным циклом

термической обработки

05.23.05. - Строительные материалы и изделия Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент Г.Д.Ашмарин

Красково - 2013 г.

Содержание

стр.

Введение 4

Глава 1. Анализ состояния вопроса. 8

1.1 Метод производства. 8

1.2 Прессование. 15

1.3 Сушка. 19

1.4 Обжиг. 22

Глава 2. Физико-химические и технологические свойства исходных

сырьевых материалов. Методы исследований. 28

2.1 Исходные материалы. 28

2.2 Методики проведения экспериментальных работ. 41

2.2.1 Метод отбора и подготовки проб. 41

2.2.2 Метод определения пластичности. 41

2.2.3 Метод определения тонкодисперсных фракций. 41

2.2.4 Метод определения крупнозернистых включений. 42

2.2.5 Метод определения спекаемости глин. 42

2.2.6 Методы определения водопоглощения, плотности и контроля

морозостойкости. 42

2.2.7 Метод определения химического состава. 43

2.2.8 Метод определения минерального состава. 43

2.2.9 Метод проведения дилатометрического анализа. 45

2.2.10 Метод исследования влагоотдачи и усадки. 46

2.2.11 Метод определения чувствительности к сушке. 46

2.2.12 Метод определения воздушной усадки. 47

2.2.13 Метод определения плотности, пористости и водопоглощения. 47

2.2.14 Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе. 47

Глава 3. Экспериментальная часть. Исследование

физико-технических свойств исходных сырьевых материалов. 48

3.1. Исследование глины Атратьевского месторождения с

трепелом Ново-Айбесиновского и Первомайского месторождений. 50

3.2. Исследование суглинка Барсуковского месторождения. 69

3.3. Исследование трепела Скурынского месторождения. 74

Глава 4. Особенности и преимущество производства

керамического кирпича компрессионного формования с

сокращенным циклом термической обработки 79

4.1 Отсутствие процесса конвективной сушки кирпича сырца 79

4.2 Особенности процесса обжига керамического

кирпича компрессионного формования 81

4.3 Разработка предложений по совершенствованию теплового

агрегата с сокращенным циклом термической обработки 84

Выводы. 92

Список литературы. 94

Приложение. 106

Введение

Актуальность работы. В России принята программа развития базы стройиндустрии до 2020 года с целью обеспечения населения качественным и доступным жильем.

В последние годы создание новых производств строительных материалов было ориентировано на поставку высокопроизводительных, дорогих комплексных линий, поставляемых иностранными фирмами, так как в России они не выпускаются. Там, где имелись большие запасы минерального сырья и соответствующий потребительский рынок, это было оправдано.

В настоящее время актуальной становится проблема запасов качественного глинистого сырья. Запасы глинистого сырь, которое можно использовать в производстве керамических стеновых материалов без корректировки состава, становятся все меньше и меньше. Завозить сырьевые материалы и поставлять готовую продукцию на большие расстояния не целесообразно. По данным Министерства регионального развития транспортные расходы при строительстве жилья и промышленных объектов составляют порядка 21%.

Остро назрела необходимость использования повсеместно распространенных местных глинистых и кремнистых пород, отходов добычи и обогащения углей, зол и шлаков запасы которых оцениваются миллиардами тонн. В этой обстановке целесообразным представляется разработка новых технологий и теплотехнического оборудования заводов различной мощностью, в том числе и по технологии компрессионного формования, позволяющих наиболее рационально использовать сырьевые ресурсы, приближая производителя строительных материалов к объектам строительства.

В качестве рабочей гипотезы выдвинут тезис о том, что использование технологии компрессионного формования керамических изделий с сокращенным циклом термической обработки позволит вовлечь в производство доступное местное сырье. Формование изделий при влажности пресс-порошка

ниже критической (влажность сырца в момент прекращения усадки) создают условия для значительного сокращения процесса термической обработки изделий, позволяет отказаться от сушильного агрегата, сократить затраты на строительство заводов, снизить себестоимость продукции.

Цель работы. Разработка технологии керамического кирпича компрессионного формования с сокращенным сроком термической обработки на основе глинистого сырья и кремнистых пород.

Для решения этих задач было необходимо:

1. Обосновать возможность и целесообразность производства керамического кирпича на основе глинистого сырья и кремнистых пород с сокращенным циклом термической обработки.

2. Исследовать физико-химические и технологические свойства полиминерального глинистого сырья и кремнистых пород.

3. Исследовать структуру, фазовый состав и физико-технические свойства керамики на основе глинистого сырья и кремнистых пород.

4. Разработать технологические основы и технологические регламенты производства керамического кирпича на основе глин, суглинков и кремнистых пород.

5. Апробировать разработанные составы и технологию в промышленных условиях.

Научная новизна. Разработаны научные основы регулирования процессом производства керамических стеновых изделий с сокращенным циклом термической обработки методом компрессионного формования на основе глинистого сырья и кремнистых пород, базирующиеся на изменении кинетики теплообмена и массопереноса при достижении изделием критической влажности.

Проведены исследования кинетики бездефектной сушки изделий, определены оптимальные влажностные параметры пресс-порошков из глин, суглинков, кремнистых пород, режимы прессования и обжига в одном

тепловом агрегате (печь-сушилка), позволившие сократить время общего цикла производства за счет отсутствия громоздких сушилок с парком сушильных вагонеток.

Установлено, что получение высококачественных изделий компрессионного формования при сокращенных сроках термической обработки обусловлено формованием пресс-порошков с влажностью ниже критической в зависимости от свойств сырья, а также применением разработанной конструкции печи-сушилки, отличающейся дополнительной системой рециркуляции с воздухонагревателем в зоне предварительного нагрева и рекуперативными скоростными горелками, выходы которых соединены с вентилятором отбора дымовых газов, позволяющей обжигать изделия непосредственно после прессования без сушки в отдельном агрегате.

Приоритет научных и технологических решений подтвержден патентами Российской Федерации: № 2397068 «Технологическая линия для производства керамических строительных изделий методом компрессионного формования»; № 2406049 «Туннельная печь-сушилка».

Практическая значимость работы связана с получением новых научно-прикладных данных, ставших основой для решения практических задач по совершенствованию ресурсосберегающей технологии керамического кирпича компрессионного формования из повсеместно распространенного глинистого сырья и кремнистых пород.

Проведенные исследования показали возможность производства керамических стеновых изделий высокого качества методом компрессионного формования с сокращенным циклом термической обработки до 30-35 часов вместо более 100 часов при существующих традиционных технологиях.

Разработаны технологические регламенты производства керамических изделий в Алатырском районе Республики Чувашия на основе трепелов Первомайского и Ново-Айбесиновского месторождений и глины Атратьевского месторождения, в Веневском районе Тульской области на основе суглинка

Барсуковского месторождения и в Жиздринском районе Калужской области на основе трепела Скурынского месторождения.

Результаты исследований легли в основу разработки проекта завода по производству керамического кирпича методом компрессионного формования в Алатырском районе Республика Чувашия мощностью 60 млн.шт. кирпича нормального формата в год и Веневском районе Тульской области мощностью 30 млн.шт. кирпича нормального формата в год.

На защиту выносятся:

- теоретические положения получения керамического кирпича методом компрессионного формования с сокращенным циклом термической обработки;

- результаты исследования физико-химических и технологических свойств глинистого сырья и кремнистых пород;

- рациональные составы масс, технологические регламенты и технико-экономические показатели производства методом компрессионного формования стеновых керамических материалов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Керамтэкс» ( г. Казань, 2009г., г. Омск, 2010г., г. Ярославль, 2011г., г. Новосибирск, 2012г., г. Москва, 2013г.); XV Академических чтениях РААСН -международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (г.Казань, 2010г.).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 11 научных публикациях, в том числе в 9 изданиях с внешним рецензированием по списку ВАК РФ, и двух патентах Российской Федерации.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 127 источников, и 4 приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 20 таблиц.

Глава 1. Анализ состояния вопроса

1.1. Способы производства

В настоящее время существуют три основных способа производства керамического кирпича:

- экструзионное формование бруса из пластичных масс;

- экструзионное формование бруса из масс пониженной влажности;

- компрессионное формование изделий из полусухих масс.

1ЛЛ. Производство методом экструзионного формования

При формовании изделий методом экструзии влажность глиняной массы колеблется в пределах 17-25 % (отн.) в зависимости от структурно-механических свойств сырья, а давление 1,5-2 Мпа. Формование осуществляют на шнековых прессах, после чего керамические изделия высушивают и обжигают [1].

При этом можно выделить такие процессы как:

- дозировка сырьевых материалов;

- смешение и переработка массы;

- формование бруса;

- резка бруса;

- укладка на сушильную оснастку;

- сушка сырца;

- садка кирпича на печную вагонетку;

- обжиг кирпича.

Свойства глинистого сырья и степенью его переработки определяют качество готовой продукции. Степень переработки сырьевых материалов в основном зависит от эффективности работы глиноперерабатывающего оборудования [2,3].

При экструзионном способе производства используются как правило глины высокой пластичности, при хорошей механической переработке этот способ позволяет получать изделия высокой пустотностью [4-6].

Однако есть и недостатки, это высокое требование к качеству сырья, высокая стоимость технологического оборудования, большая площадь застройки.

1.1.2. Производство методом экструзиоиного формования из масс пониженной влажности

Этот метод отличается тем, что изделия формуются из масс пониженной влажности 14-16 % (отн.), при давлении до 12 Мпа. Такая технология возможна при использовании каолинитовых глин, аргиллитов малочувствительных к сушке, такая технология используется в странах с наличием запасов указанного сырья это - Австралии, Англии, Америка, Италии и др. [7].

Формование бруса из жестких масс достаточно полно соответствует структурообразованиям описанных в разделе физико-химической механики дисперсных структур коллоидной химии [8].

Надо отметить и недостатки этой технологии. Это необходимость существенного повышения давления в головке пресса. Так пресс жесткого формования производства фирмы «Хандле» (Германия) с давлением в головке пресса 10 МПа. Потребляемая мощность двигателя для пресса этой модели составляет 380 кВт, для особо жестких масс используется пресс и двухвальный смеситель общая мощность которых составляет 750 кВт [9]. Естественно повышение мощности привода влечет за собой усиление редуктора, использование легированных сталей, специальной термообработки зубчатых колес и существенно усиливается вся конструкция пресса. Требует дополнительных условий и последующая резка бруса [10].

Подготовка сырьевых материалов для экструзиоиного формования масс пониженной влажности осуществляется тремя способами:

- подготовка массы с повышенной влажностью с последующим добавлением сухой глины до требуемой влажности;

- подготовка массы с требуемой влажностью;

- подготовка сухой массы с последующим увлажнением до требуемой влажности [11-13].

1.1.3. Производство методом компрессионного формования

Основным отличием этого метода является получение изделий в индивидуальных пресс-формах из полусухих масс на прессах, развивающих удельное давление прессования 15-30 Мпа [14-16]. Этот метод создает благоприятные условия для автоматизации производственного процесса, поскольку позволяет получать прочный сырец, который можно сразу укладывать на печную вагонетку [17].

Применяемая схема производства изделий методом компрессионного формования включающая в себя:

- первичную подготовку;

- дозировку сырья;

- гранулирование;

- сушку и помол;

- фракционирование пресс-порошка;

- прессование;

- сушку и обжиг изделий.

Надо отметить следующие недостатки существующей технологии компрессионного формования:

- влажность пресс-порошка неоднородна по фракциям;

- гранулометрический состав пресс-порошка не оптимален;

- неоднородная структура кирпича;

- низкая механическая прочность;

- недостаточная морозостойкость.

С целью устранения отмеченных недостатков намечаются следующие меры повышения качества керамических изделий методом компрессионного формования. Это:

- подбор сырьевых материалов обеспечивающих хорошее спекание черепка;

- регулирование пофракционной влажности и гранулометрического состава пресс-порошка путем возврата пылеватой и переувлажненной крупной фракции на повторную переработку;

прессование изделий из пресс-порошков влажностью ниже критической, обеспечивающей целостность прессовок при скоростных режимах термической обработки.

В последнее время институтом ВНИИстром были проведены работы по совершенствованию технологии производства кирпича методом компрессионного формования [18-20], в том числе исследования по технологии скоростного обжига.

Выбор оптимальной схемы производства керамических строительных материалов методом компрессионного формования базируется на результатах исследований академической науки.

Большой вклад в развитие науки по проблемам использования различного глинистого сырья и процессов производства керамических изделий внесли выдающиеся ученые Августиник А.И., Будников П.П., Власов A.C., Грим Р.Э., Земятченский П.А., Кингери У.Д., Коршак В.В., Малкин А.Я., Масленникова Г.Н., Ничипоренко С.П., Ребиндер П.А., Соколов Я.А., Фадеева B.C. и другие. [21-45].

Минералы глинистого сырья являются слоистыми либо слоисто-ленточными полимерами. В этих минералах слои полимерного гидроксида алюминия, построенного из октаэдров АЮб, чередуются со слоями полимерного гидроксида кремния, построенного из тетраэдров SiC>4. Как в тетраэдрическом, так и в октаэдричееком слоях при этом имеют место изоморфные замещения на другие элементы. Сочетания слоев могут быть следующими [24-27]:

- один тетраэдрический и один октаэдрический (диморфный или каолинитовый 1:1) (рис. 1.1а);

- два тетраэдрических и между ними октаэдрический (триморфный или слюдистый 2:1) (рис. 1.16);

- два тетраэдрических и между ними два октаэдрических (тетраморфный или хлоритовый 2:2 или 2:1:1)

О

ОН

Al • Si

О

ОН • Бй А1 0 А1, Ре. М§

а б

Рисунок 1.1- Кристаллическая структура (а) каолинита, (б) монтмориллонита

Как видно на рисунке 1.1 элементарный пакет, состоящий из слоев образует видимую под микроскопом частичку глинистого минерала. Частицы имеют размеры от единиц до сотен нано метрового диапазона, из которых образуются в воде гидрофильные золи и гели, которые относятся к коллоидным дисперсным системам.

Следовательно в глинистых дисперсных системах структурообразование может быть описано с позиций коллоидной химии - физико-химической механики дисперсных структур (ФХМДС), которая в настоящее время используется для изменения реологических характеристик самых разных материалов [27,28,31-33].

Керамические структуры в соответствии с (ФХМДС) подразделяются на конденсационно-кристаллизационные и коагуляционные. Структуры коагуляционные об