Процессы, происходящие при обжиге керамзитового песка

Создание пористой структуры керамзита достигается вспучиванием размягченного при термической обработке глинистого сырья газами (СО, СО₂, Н₂О, SO₂, O₂, N₂, CH), выделяющимися в процессе нагревания. Наилучший керамзит получают при оптимальном соотношении вязкости и связности сырья в нагретом состоянии при условии достаточного газовыделения. Это соотношение должно выдерживаться в течение всего периода газовыделения.

Получение керамзита с наилучшими показателями связано с характером газовой среды внутри гранул и в печном агрегате, также с режимом сушки и обжига сырца и охлаждении обожженных гранул.

Характер газовой среды при термической обработке сырцовых гранул обуславливается:

A) составом продуктов сгорания топлива;

Б) коэффициентом избытка воздуха;

B) составом газов, выделяемых органическими примесями глинистой породы (летучих и при окислении коксового остатка), карбонатами и продуктами реакций, зависящих от химического состава породы;

Г) составом парообразных продуктов, образующихся при удалении химически связанной воды различных глинистых минералов, также получаемых при испарении влаги сырцовых гранул, загружаемых в печь.

Продукты сгорания топлива и избыточный воздух, подаваемые в печь под давлением, устремляются в основном по оси печи. Парообразные и газообразные продукты, выделяемые исходным сырьем при его нагревании и обжиге, отмывают гранулы и затем перемешиваются и удаляются с продуктом сгорания топлива.

Вспучиванием называют процесс увеличения материала в объеме, сопровождающегося образованием внутренней, преимущественно замкнутой пористости.

Для уяснения основных закономерностей процесса вспучивания глиняной гранулы рассмотрим его в самом схематическом приближении.

Рис. 1. Схема вспучивания элементарной ячейки глиняной гранулы а) сухая гранула; б) вспученная гранула; 1 – пора; 2 – спекшаяся оболочка; 3 – сухая гранула; 4 – вспученная гранула

Представим себе, что нагревается полый глиняный шарик радиусом Го (рис. 1),

который можно уподобить элементарной поре глиняной гранулы. Во время нагрева при достижении определенной температуры глиняная оболочка рассматриваемого шарика начнет размягчаться, спекаться и в конечном счете уплотнится и станет газонепроницаемой, находясь в пиропластическом состоянии. Если в этот момент внутри шарика по каким-либо причинам начнут выделяться газы, то, не имея выхода через оболочку, они будут создавать во внутренней полости шарика избыточное давление, под воздействием которого оболочка будучи размягченной, начнет расширяться и радиус ее станет rвсп. Это и будет представлять собой вспучивание элементарной ячейки глины.

Таким образом, процесс вспучивания состоит из двух стадий: первая – спекание с образованием закрытой поры и вторая – собственно вспучивание под давлением газов, выделяющихся внутри закрытой поры. Сумма таких элементарных актов в каждой ячейке глиняной гранулы и обусловит общий процесс вспучивания всей гранулы. При этом, рассматривая процесс вспучивания всей гранулы, необходимо иметь в виду, что по своей толще она нагревается неравномерно: с поверхности нагревается быстрее, чем в центре. Поэтому поверхность гранулы еще до того, как вся ее масса приобретает пиропластическое состояние, покрывается плотной спекшейся газонепроницаемой оболочкой 2, предотвращающей утечку газов из гранулы даже в том случае если поп давлением газов отдельные перегородки пор окажутся прорванными.

Основным условием, обеспечивающим вспучивание глинистых пород при их нагревании, является совмещение во времени пиропластического состояния глины с интенсивным газовыделением внутри обжигаемого материала. В глинах при их нагревании выделяется довольно значительное количество газообразных продуктов, причем экспериментально установлено, что вспучиваемость глин зависит от удельного газовыделения, которое у хорошо вспучивающихся глин превышает 100 мг/г. В настоящее время можно считать установленным, что источниками газовыделения в глинах являются реакции разложения и восстановления оксидов железа при их взаимодействии с органическими примесями или добавками в глине, а также химически связанная вода глинистых минералов. Схема восстановительных реакций может быть представлена следующими уравнениями:

6Fe₂O₃ → 4Fe₃O₄ + О₂; 2Fe₃O₄ → 6FeO + О₂;

Fe₂O₃ + С = 2FeO + СО; Fe₂O₃ + СО = 2FeO + СО₂.

Возникновение пиропластического состояния в глине наступает в результате накопления в ней достаточного количества жидкой фазы – силикатного расплава. Интенсивность накопления жидкой фазы зависит прежде всего от химического состава глины. Она возрастает с увеличением содержания щелочей в глине и резко убывает по мере возрастания в ней свободного кварца. Восстановительная среда резко интенсифицирует процесс накопления жидкой фазы.

На вспучиваемость глины оказывает влияние и режим нагрева, создающий определенную интенсивность теплообмена. Температурный перепад, возникающий в грануле и зависящий от интенсивности теплообмена, может оказывать решающее влияние на процесс вспучивания глины.

Процесс формирования керамзитовой структуры при обжиге глиняной гранулы развивается в три температурных этапа. В интервале температур 100–800 °С в грануле образуются поры различных размеров за счет удаления различных видов физической и частично химически связанной воды, а также за счет частичного выгорания органических примесей. В этом же интервале температур начинается спекание глины. В интервале 800–1050 °С происходит образование наружной спекшейся оболочки и дальнейшее развитие пористости, но уже за счет начала процессов вспучивания. В материале развиваются твердофазовые реакции и происходит накопление жидкой фазы. На третьем этапе (1050–1200 °С) интенсивно развиваются и завершаются процессы вспучивания, нарастают количества средних и крупных пор радиусом до 50 мкм. Общая пористость вспученной гранулы достигает 70 – 90%.

Теоретическая часть