Печь для обжига клинкерного кирпича

Обновлено: 05.05.2024

Клинкером, или клинкерным кирпичом, называют кирпич, обожженный до полного спекания черепка без остеклования поверхности и признаков деформации.

В зависимости от области применения различают дорожный клинкер, строительный, облицовочный, клинкер для гидротехнических сооружений. Из всех его разновидностей наибольшее распространение получил клинкер дорожный, с которым прежде всего и связывались представления о данном материале как о строительном.

История клинкера началась в Дании в местечке Бокхорно в 1743 г. с появления мастерской по обжигу кирпичей (камней) для мощения дорог.

В России первый клинкерный завод был построен в 1884 г. в с. Топчиевка под Черниговом. Изделия изготавливались на шнековых прессах, обжигались в немецкой гофманской печи. Почти вся загрузка в печь подвергалась полному спеканию и превращалась в сплошную массу, сплавленные глыбы на заводе дробились и направлялись на дорожные работы.

С 1904 г. Топчиевский завод перешел на выпуск продукции в виде отдельных кирпичей. При обжиге клинкера в гофманской печи получалось свыше 50% недожога. В 1908 г. кольцевая печь перестроена на камерную с обратным пламенем, в результате чего количество недожога уменьшилось до 25%.
После Октябрьской революции в СССР были построены уже несколько предприятий по производству дорожного клинкера, в том числе и в Белорусской ССР в Гомеле — по сухому способу формования и обжигу в газогенераторной камерно-кольцевой печи. Производительность их была незначительной (около 3 млн штук). Все эти предприятия находились в ведении местных дорожных организаций. И поэтому данная отрасль совершенно выпала из поля зрения широкого круга специалистов-керамиков. Организованного производства других разновидностей клинкера практически не существовало, а в Республике Беларусь не существует до настоящего времени.

Полезные ископаемые Витебского региона Беларуси относятся к единому озерно-ледниковому периоду, в котором участвуют мореные отложения валдайского оледенения, то есть по своему химическому и минеральному составу они не имеют больших отличий. Все глины классифицируются как легкоплавкие, полукислые, неспекающиеся, с высоким содержанием красящих окислов.

Глины месторождения “Заполье”, разведанные в 80-х годах прошлого столетия, относятся к группе полукислого глинистого сырья, они умеренно пластичные, с высоким содержанием Fe2O3 и FeO с карбонатными включениями. Поэтому построенный в 1977 г. в Оболи высокомеханизированный завод керамических изделий со шликерной подготовкой глиномассы и полусухим способом прессования на территории работающего с 1929 г. кирпичного завода идеально подходил для выпуска качественного кирпича в стране.

Преимущества используемой технологии по сравнению с технологией пластического формования кирпича следующие:

– полная переработка карбонатных включений, которые отрицательно влияют на качество кирпича и морозостойкость;
– краткость технологии, сокращение единиц технологического оборудования и транспортных средств;
– получение изделий хорошей геометрической формы и точных размеров;
– садка кирпича, производимая сразу же после пресса на печные вагонетки, что значительно уменьшает транспортные расходы и снижает процент брака.

Недостатками технологии являются большой расход топлива и электроэнергии на 1 тыс. штук кирпича и ограничение пустотности изделий. Поэтому оптимальный вариант использования дорогостоящей технологии — выпуск уникальной продукции, которая была бы на строительном рынке вне конкуренции и оправдала высокую себестоимость.

Научно-исследовательские работы по подбору сырья для получения клинкерного кирпича начались в 2004 г. За основу брались местные глины месторождения “Заполье”. Было исследовано несколько месторождений глин на предмет применения их для производства клинкера — “Городное”, “Печорское”, “Латненское”, “Рудня-2”. В качестве отощителей и плавней использовались шамот, нефелин-сиенит, полевой шпат, тонкомолотый гранитный отсев, кварцевый песок. Разработка велась по двум способам производства: полусухому и пластическому.

Наилучшие результаты были получены при использовании трех глин без добавок: месторождения “Заполье”, “Латненское”, “Рудня-2” по полусухому способу прессования со шликерной подготовкой глиномассы. Подбор сырья производился после его глубокого технологического исследовании, особенно по химическому и минеральному составу.

Использовались глины огнеупорные или тугоплавкие с интервалом спекания 180–200°С. Была проверена возможность применения смеси глин: тугоплавких, легкоплавких, гидрослюдисто-монтмориллонитовых и суглинков различного химического, гранулометрического и минерального состава.

Наиболее важная составляющая сырья при производстве клинкерного кирпича — это оксид алюминия (Al2O3). Он снижает вязкость расплава, а достаточное его содержание позволяет уменьшить деформацию изделий в процессе обжига. Легкоплавкие кирпичные глины имеют в своем составе недостаточное количество Al2О3, его содержание увеличивают путем добавления в шихту каолинитовых глин. Оптимальное содержание Al2О3 в шихте — 17–25%.

Глины не должны содержать оксида железа (Fe2O3) более 6–8%, так как в процессе обжига трехвалентный оксид железа под влиянием восстановительной среды при 1000°С интенсивно переходит в двухвалентный оксид железа FeO (закись), который быстро вступает в реакцию с кремнеземом, образуя легкоплавкий фаелит (2FeO х SiO2).

Вследствие этого в изделиях вблизи поверхности образуется сплошная корка, препятствующая удалению углекислого газа. Для выгорания углерода необходимо уменьшать скорость нагрева кирпича в диапазоне 900–1100°С. Если указанных условий не соблюдать, то отложившийся углерод может вызвать образование вздутий на поверхности изделий.

Оксиды железа оказывают влияние и на окраску изделий после обжига. В зависимости от соотношения Fe2O3 и FeO изделия окрашиваются от вишнево-красного до темно-фиолетового цвета.

Глины должны содержать оксида кальция не более 7–8%. Повышенное содержание CaO в глине обусловливает уменьшение интервала спекания. Углекислый газ, образующийся при разложении CaCO3, может увеличить пористость изделия. При повышенном содержании CaO в глине в начале процесса спекания могут происходить медленная усадка или расширение, а затем вследствие образования жидкой фазы — резкое плавление и деформация изделий, в особенности под нагрузкой (нижние ряды садки кирпича) на спекшейся поверхности образуются вздутия. Необходимо, чтобы CaO в глине находился в тонко распределенном состоянии.

Оксида магния (MgO) в глинах должно быть 3–4%. У глин, содержащих MgO, интервал спекания больше при одинаковом содержании в них CaO. Существенный недостаток магнезиальных глин заключается в том, что они имеют относительно большую усадку.

Щелочные оксиды (Na2O; K2O) имеются в керамических глинах в количестве 1,5–4,5%. При недостаточном спекании или слишком высокой температуре обжига необходимо корректировать состав добавлением плавней.

Для оценки качества глиняного сырья используется кремнеземистый модуль. Хорошие глины для производства клинкера характеризуются кремнеземистым модулем 3–4,5. При его высоком значении возрастает хрупкость изделий, снижается их прочность и морозостойкость. При низком — возникают трудности при выпуске клинкера, так как уменьшается интервал спекания в процессе обжига, увеличивается вероятность появления деформаций.
По минеральному составу преимущество имеют глины с полиминеральным составом, то есть содержащие различные глинистые компоненты, которые обладают различной дисперсностью и огнеупорностью. Установлено, что наличие минералов каолинитовой группы должно быть в пределах 20–30%.
При высоком содержании монтмориллонита (более 30%) необходимо добавлять отощители. Трудности могут возникать при повышенном (более 10%) содержании гидрослюды. В этом случае уменьшается интервал спекания и наступает быстрая деформация при максимальной температуре обжига.

Остальные глинистые минералы в кирпичных глинах имеются в небольших количествах и значимого влияния на процесс клинкерообразования не оказывают. Недопустимо наличие крупных включений карбонатов, поскольку образующиеся при обжиге свободные оксиды кальция могут вызвать изменение объема, растрескивание и даже разрушение изделий при взаимодействии с атмосферной влагой. Вредными примесями в глинах являются некоторые железистые соединения, такие, как пирит и сидерит, встречающиеся в виде крупных включений. Оксиды и гидроксиды железа в тонкодисперсном состоянии не относятся к вредным примесям.

По гранулометрическому составу более пригодны тонкодисперсные глины, так как в наиболее тонких фракциях содержится наибольшее количество плавней; по пластичности — среднепластичные глины. Для получения качественного клинкера из смеси глин с малым интервалом спекания (60–90°С) в туннельной печи с высотой канала 1,85 м, где невозможно создать однородное температурное поле, необходимо прогрев, спекание и охлаждение изделий производить очень медленно (не менее 138 часов) при небольшой тяге в окислительно-восстановительной среде.

В лабораторных условиях клинкер получен из трех составов глиняного сырья. В цехе полусухого прессования отработана технология производства, разработаны и утверждены ТУ на клинкерный кирпич и получены все результаты испытаний согласно ТУ на клинкер по одному составу глин:

– глина месторождения “Рудня-2” — 25–35 %;
– глина месторождения “Латненское” Воронежской обл. — 35–45 %,
– глина месторождения “Заполье” — остальное.

1. Глинистое сырье месторождения “Заполье” имеет светло-коричневый цвет, крупнодисперсную структуру, беспорядочную (комковую) текстуру. Легко поддается дроблению, хорошо размокает в воде, бурно вскипает при взаимодействии с 10%-ным раствором соляной кислоты. Карьерная влажность сырья 20–25%. По числу пластичности глина относится к группе умеренно пластичного сырья (12–19,7), по чувствительности к сушке (по Чижскому) — к группе малочувствительного, является полиминеральным сырьем. Глинистое вещество представлено каолинитом (6–15%), монтмориллонитом (10–18%), гидрослюдой (5–12%), в качестве примеси присутствуют хлориты. В более крупных фракциях содержатся неглинистые минералы в следующих соотношениях: б-кварц — до 33%, кальцит — 6–10, доломит — до 5,5, полевые шпаты — до 8 %.
По засоренности природными крупнозернистыми включениями сырье относится к группе со средним содержанием крупных включений: > 5 мм — 0,16 %; 5–3 мм — 0,24; 3–2 мм — 0,27; 2–1 мм — 0,39; 1–0,5 мм — 0,2; сумма — 1,26 %. По степени спекания — к группе неспекающегося, по показателям огнеупорности является легкоплавким (1230°С). При температуре 1100°С водопоглощение составляет 7,1%.

2. Глинистое сырье Латненского месторождения.

Глина каолинитовая огнеупорная светло-серого цвета, тонкодисперсная, полукислая. Огнеупорность — не менее 1670°С, пластичность — 12,5–13,0. Содержание крупнозернистых включений низкое, представлены они в основном кварцевым песком и обломками кристаллических пород. Влажность глины — 22–26%, в минеральном составе преобладает каолинит — около 40% и монтмориллонит — 10 %.

Обломочный материал, входящий в состав глины, представлен кварцем и полевыми шпатами.

3. Глинистое сырье месторождения “Рудня-2” имеет светло-серый цвет, плотную комковую структуру, хорошо размокает в воде. При взаимодействии с 10%-ным раствором соляной кислоты не вскипает. Карьерная влажность составляет 23–25%. По числу пластичности относится к умеренно пластичному (9,1–14,1), по чувствительности сырья к сушке (по Чижскому) — к высокочувствительному. В составе глины отмечаются высокое содержание оксида кремния и соответственно кристаллического кварца и низкое — глинистых минералов: монтмориллонита — 12–14%, каолинита — 1–2, гидрослюды (иллита) — около 10%, имеются примеси хлорита, содержание крупнозернистых включений — 0,32%.

По степени спекания глинистое сырье относится к группе неспекающихся. При температуре 1100°С водопоглощение глиняного черепка составляет 5%. Для роспуска глины и получения шликера с относительной влажностью 33–36% приготавливается 10%-ный раствор электролита из соды кальцинированной, жидкого натриевого стекла и теплой воды.

Глиняное сырье трех видов дозируется весовым методом, распускается в глиноболтушках, домалывается в шаровых мельницах, очищается от механических примесей на сетках и хранится в пневмомеханических перемешивателях. Готовый очищенный шликер из бассейна шламовыми насосами подается через контрольные сита с ячейкой в 3 мм в расходные емкости. Из расходных емкостей шликер мембранным насосом под давлением 1,8–2,2 МПа через 3–4 форсунки подается в верхнюю часть башенно-распылительной сушилки, где с помощью поступающего снизу горячего воздуха и отходящих газов туннельной печи происходит обезвоживание шликера и получается пресспорошок влажностью 7–9%, который через систему конвейеров, шнеков и питателей поступает в силос запаса пресспорошка. На виброгрохоте производится отсев фракции более 5 мм и брак сушки. Кондиционный пресспорошок, пройдя магнитную очистку, подается в расходные бункера над прессами СМ1085А. Влажность пресспорошка, поступающего в пресс, составляет 6–8%, глубина засыпки в прессформу — 125–130 мм. Максимальное усилие прессования — 360 Кн.

При прессовании ведется постоянный контроль следующих параметров: гранулометрический состав пресспорошка, его влажность и глубина засыпки в форму. Периодически кирпич взвешивается для определения плотности сырца. Садка кирпича на обжиговую вагонетку осуществляется вручную, пакетами; садка плотная (366 штук кирпича в 1 м3).

Сушка изделий производится в туннельных сушилах непрерывного действия в течение 68–81 часов. Температура теплоносителя, поступающего в сушила, — 110–180°C; температура отработанного теплоносителя — 20–35°C.

Обжиг кирпича производится в туннельной печи длинной 208 м с плоским сводом и верхней подачей в качестве топлива природного газа. В зоне обжига расположено 92 форсунки. Туннельная печь условно разделена на 4 зоны: подсушки (39 м), подогрева (51 м), обжига (48 м), охлаждения (70 м).
Для получения полного спекания клинкера, не вызывая его деформации, необходим очень медленный подъем температуры, наибольшее выдерживание (40 часов) изделий при температуре близкой к спеканию и очень медленное охлаждение без притоков воздуха. Достигается это увеличением цикла обжига, снижением тяги по сечению печи и созданием в процессе обжига окислительно-восстановительной среды. Продолжительность обжига клинкера составляет 150–180 часов. Высота садки кирпича не более 1,3–1,4 м (обычного — 1,7 м), так как происходит деформация нижних рядов кирпича в зоне высоких температур (1130–1170°C).

Кирпич после обжига рассортировывается вручную по классам.

Согласно ТУ BY 300035579.403-2005 г., класс клинкерного кирпича устанавливают по показателям водопоглощения, морозостойкости, плотности черепка в соответствии с таблицей 3.

В настоящее время выпущено 300 тысяч клинкерного кирпича со следующими характеристиками: водопоглощение — до 4,8%, марка — не ниже М-400, морозостойкость — не менее 350 циклов, плотность — 2200 кг/м3, истираемость — 0,5 г/см2. Этот кирпич использован для восстановления Августовского канала в Республике Беларусь.

Кирпич клинкерный с водопоглощением до 6–8% и морозостойкостью 150–200 циклов может применяться как кирпич кислотоупорный класса Б, В. По основным показателям кислотостойкости (97,63%) и щелочестойкости (74,7%), водопоглощению, водопроницаемости, пределу прочности при сжатии и другим показателям он соответствует ГОСТу 474-90 “Кирпич кислотоупорный”.

Литература
Технология керамики / Под ред. проф. докт. техн. наук Р.Л. Певзнера. М., 1951.
Будников П.П., Бережной А.С., Булавин И.А., Каллига Г.П., Куколев Г.В., Полуболринов Д.Н. Технология керамики и огнеупоров. М., 1962.
Августинник А.И. Керамика. М., 1957.
Мороз И.И. Технология строительной керамики. Киев, 1961.
Клинкер и его производство. Бюро технической информации. М., 1949.

Дом, обшитый клинкерным кирпичом

Кирпич — это обожженный при высокой температуре глиняный брусок. Каким образом производится обжиг клинкерного кирпича? Это особая разновидность керамических строительных изделий. Она отличается от всех остальных кирпичей своей плотностью. Бруски из глины полностью спекаются в процессе обжига.

Обожженный клинкерный кирпич

Температура обжига клинкерного кирпича составляет около 1200 °C, что придает материалу высокую прочность.

Немного исторических фактов

Первичные данные о клинкере относятся к 1743 году. В это время в городе Бокхорно в Дании открылась мастерская, в которой обжигался кирпич. Эти изделия выпускались для мощения дорог.

Глубокий обжиг делал их сравнимыми по прочности с булыжником, которого в стране было очень мало. Искусственный камень в виде прямоугольных брусков в укладке был проще, обходился намного дешевле булыжника, его не нужно было везти издалека.

Через много лет в российской деревне Топчиевка, расположенной в Черниговской губернии, тоже началось производство клинкерного кирпича. Случилось это в далеком 1884 году. На заводе использовалась печь системы Гофмана и немецкие шнековые прессы.

Изображение № 1. Окись железа придает глине красноватый оттенок.

Подготовленная глина спекалась в печи в некую массу в виде пласта. Его раскалывали на части. В таком виде использовали для дорожных работ.

Через 20 лет завод начал выпускать клинкерный кирпич. Печь Гофмана заменили на камерную. Раньше процент брака был равен 50 и более, теперь он остановился на показателе 25.

В СССР на нескольких заводах стали выпускать кирпич не только для дорог, но и для возведения отопительных печей. Мощность заводов была очень небольшой. В настоящее время обжигом занимаются многие предприятия. Выпускают они несколько видов керамических изделий, в том числе и клинкерный кирпич.

Производство кирпича

Для изготовления клинкера используется специальная тугоплавкая глина. Она в своем составе содержит много оксидов алюминия, которые значительно уменьшают деформацию прессованных брикетов при обжиге. Содержание оксидов — 17-23% от общей массы смеси. В любой глине всегда есть окись железа (изображение № 1), придающая готовому изделию цвет, который может меняться от привычного вишнево-красного до необычного темно-фиолетового. Содержание оксида железа не должно превышать 8%, иначе при обжиге изделий в печи на их поверхностях образуется корка. Она не дает выхода углекислому газу, отчего кирпич вздувается.

В составе глины должно сохраняться определенное количество кальция, магния, кремния. При их недостатке изделия требуют строго определенных температур при обжиге, а от этого усложняется технология производства. При превышении содержания меняются характеристики и свойства кирпича. Он становится хрупким.

Изображение № 2. Облицовочный кирпич применяют для отделки внешних фасадов домов.

Более высокого качества изделий можно добиться использованием экструзионного метода изготовления. Применение этого способа заключается в следующем:

  • глина с другими компонентами тщательно перемешивается;
  • смесь помещается в экструдер;
  • экструдер выдавливает рабочую формовочную смесь через отверстия определенного сечения;
  • лента из глины разрезается на кирпичи;
  • кирпичи попадают в камеру для обжига.

Такой способ производства и обжига изделий довольно дорог. Российский клинкерный кирпич подобным образом выпускается лишь на нескольких заводах. Остальные предприятия работают методом полусухого прессования, он требует более низких энергозатрат. Способ производства включает в себя следующие операции:

  • глина сушится и измельчается;
  • измельченная смесь размещается в формах;
  • происходит прессование кирпича;
  • заготовки сушатся при температуре 80°С в течение суток;
  • высушенные заготовки отравляются на обжиг.

Чаще всего для обжига находят применение туннельные печи. Эти сооружения достигают длины 200 м. Работают они по непрерывному циклу. На конвейерной ленте заготовки проходят весь путь. На пути они пересекают зоны с разными температурными режимами. Максимальная температура достигает +1100°…+1450°С. В таких условиях глина спекается и превращается в керамику. А клинкерный кирпич, как нам известно, является разновидностью керамических изделий. Его свойства и характеристики:

  • плотность полнотелого — 1950-2100 кг/м³;
  • плотность пустотелого — 1600-1800 кг/м³;
  • прочность изделия — 25 МПа;
  • морозостойкость — не менее F50;
  • водопоглощение — от 3 до 6%;
  • теплопроводность — 0,7-1,17 Вт/м°С.

Кирпич по своему назначению может быть разным. Различают следующие виды клинкерного кирпича:

Облицовочный предназначен для отделки стен зданий (изображение № 2). Дорожный — для мощения дорог и тротуаров (изображение № 3). Из печного строят дымоходы, камины и печи. Фасонные изделия имеют самую разную форму. Они используются для строительства беседок, ограждений, для отделки некоторых деталей зданий. Свойства и достоинства изделий:

  • высокая прочность;
  • морозостойкость;
  • презентабельный внешний вид;
  • долговечность (порядка 100 лет).

К недостаткам можно отнести высокую плотность. Это качество требует более прочного фундамента и усложняет доставку кирпича на место использования. К этому можно добавить потерю тепла из-за теплопроводности материала и высокую стоимость.

Заключение по теме

Клинкерный кирпич часто используется в отделке зданий, в мощении дорожек, в строительстве отопительных печей и каминов. В его состав входит глина, добавки для придания некоторых особых свойств.

Сформованные заготовки проходят обжиг в специальных камерах в течение длительного времени.

Происходит это при температурах до 1450°С. Характеристики материала на выходе из печи очень хорошие. Он обладает низкой степенью водопоглощения, высокой механической прочностью. Производится кирпич методом экструзии и полусухого прессования. Экструзия — это более дорогой и энергозатратный способ.


В целом процесс изготовления похож на то, как делается обычный красный кладочный материал. Разница заключается только в специальных режимах обжига при более высоких температурах, придающих керамическому кирпичу особые свойства.

Для получения клинкера сырьевую смесь (в виде шлама муки или гранул) обжигают во вращающихся печах.
Вращающаяся печь — пустотелый, открытый с торцов, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом барабан, установленный с наклоном 3—4° к горизонту и вращающийся со скоростью 1—1,5 об/мин в зависимости от диаметра и производительности печи. Печь работает по принципу противотока. Сырьевую смесь подают со стороны верхнего «холодного» конца печи, а со стороны нижнего «горячего» конца непрерывно загружают топливо— воздушную смесь Благодаря вращению и наклону барабана сырьевая смесь движется к разгрузочной части печи. Обожженный клинкер через соединительную камеру поступает в холодильник. Отработанные газы выбрасываются в атмосферу через пылеуловители.
Вращающуюся печь по характеру процессов, происходящих во время обжига, разделяют на шесть температурных зон — испарения (или подсушки), подогрева, декарбонизации, экзотермии, спекания и охлаждения (см. гл. 4, § 17). Зоны испарения и подогрева занимают обычно 50—60 % длины печи, декарбонизации и экзотермии— 25—30 %, спекания — 10—15% и охлаждения — 2—4%. В печах сухого способа производства портландцемента зоны испарения, подогрева и частично декарбонизации выносят из корпуса в отдельно установленные агрегаты. Сырьевая смесь, проходя последовательно все зоны в печи, превращается в клинкер.
Корпус вращающейся печи имеет по всей длине постоянный или переменный диаметр. В печах с переменным диаметром зоны спекания и подсушки расширены.
Для снижения расхода топлива вращающиеся печи оборудуют встроенными или отдельно установленными теплообменными устройствами; для охлаждения клинкера предусматривают отдельно стоящие или укрепленные на корпусе печи холодильники.
Вращающиеся печи классифицируют: по конструкции корпуса — печи с корпусом, имеющим одинаковый диаметр по всей длине; печи с корпусом, расширенным в зоне спекания; печи с корпусом, расширенным в зоне подсушки; печи с корпусом, расширенным в зонах спекания и подсушки:

конструкции устройства для снижения расхода топлива — печи со встроенными теплообменниками, печи с кальпинаторами, печи с концентраторами шлама, печи с* циклонными теплообменниками;

конструкции привода — печи с приводом от одного или двух электродвигателей, печи с гидравлическим приводом,
конструкции холодильника — печи с холодильниками барабанного типа, печи с рекуператорными холодильник ками, печи с колосниковыми холодильниками.
Главные параметры вращающейся печи — диаметр и длина. На цементных заводах эксплуатируются вращаюЛ щиеся печи длиной от 36 до 230 м, диаметром от 2,1 до 7 м. Отношение длины к среднему диаметру для печей мокрого способа 27—41, сухого— 15—17.
Если вращающаяся печь имеет одинаковый диаметр по всей длине, то размеры ее, например диаметр 7 м и длину 230 м, обозначают так: «печь вращающаяся 7х Х230» Если вращающаяся печь имеет расширенную по сравнению с зонах спекания зону подсушки, то диамет-1 ры их указывают в виде дроби. Например, печь длиной 150 м и диаметром барабана в зоне спекания 4 м, в зоне подсушки 3,6 м обозначают: «печь вращающаяся 4/3,6x150»; при наличии в печи двух расширенных зон (спекания и подсушки) — «печь вращающаяся 4/3, 6/4 X X150» и т. д.
В цементной промышленности постоянно ведутся работы по созданию новых конструкций печных агрегатов большой производитель-! ности и с высокими удельными съемами клинкера сім8 печи, пониженным расходом топлива и высоким качеством получаемой продукции. При этом имеется тенденция к созданию малогабаритных агрегатов — реакторов с интенсивным обменом между материалом и теплоносителем, отличающихся значительно большей скоростью процесса обжига клинкера
Разрабатываются и совершенствую іся способы получения клиі- кера во взвешенном состоянии, в кипящем слое, во взвешешю-фсн- танирующем состоянии, путем плавления, в вакуумной камере и др.
Принцип обжига во взвешенном состоянии заключается в том, что материалы движутся прямотоком или противотоком с горячими газами и равномерно распределяются в них.
В качестве печного агрегата для производства клинкера используется циклонная топка, применяющаяся в металлургии. Это цилиид-J рический барабан диаметром 0,5 м и длиной 1,5 м, отфутерованный хромомагнезитом. Тонкоизмельченная сырьевая смесь подхватывается в печи тангентально вводимым потоком воздуха и жидкого топлива и рассредотачивается в печном пространстве. Время обжига материала во взвешенном состоянии от долей секунды до нескольких секунд. Температура обжига достигает 2000 СС. Обожженный материал выносится из печи потоком дымовых газов и осаждается в пи- леосадительных устройствах.
В Японии созданы установки для высокоскоростного обжига цементного клинкера во взвешенном состоянии. Кроме того, предложена однореактивная печь, представляющая собой цилиндрическую или коническую камеру, в которую из бункера по загрузочному верхнему патрубку поступает тонкомолотая сырьевая смесь. В верхней части камеры тангентально вводится поток воздуха и жидкого топлива. Воспламенение топлива происходит в самой камере. Скорость теплоносителя регулируется путем изменения давления и скорости подачи воздушно-топливной смеси. У стенок камеры поток теплоносителя, закручиваясь по спирали, спускается вниз, а в центре камеры движется по спирали снизу вверх. Попадающие в центр камеры через загрузочный патрубок часгицы сырьевой смеси подхватываются поднимающимся потоком и движутся по спирали вверх, постепенно перемещаясь от центра камеры к ее стенкам. Для предотвращения уиоса материала скорость его не должна быть слишком большой. Подходя к стенкам камеры, частицы сырьевой смеси вместе с подогретыми частицами, подаваемыми через нижний патрубок, опускаются вниз, а газы через нейтральное отверстие в торцовой стенке удаляются из камеры. Затем обожженный материал поступает в холодильник, а из него в выгрузочное отверстие.
Подъем и опускание взвешенных частиц обеспечивают интенсивный теплообмен и высокую скорость реакции клинкерообразования.
Способ обжига материала в кипящем слое заключается в том, что через слой гранулированного материала пропускают снизу вверх поток горячих газов с такой скоростью, чтобы гранулы находились в непрерывном движении. Материал в таком состоянии имеет сходство с кипящей жидкостью
Обжиг клинкера в кипящем слое осуществлен в опытно-промыш- леиной печи НИИЦемента — цилиндрической шахте переменного диаметра. Гранулированная сырьевая смесь поступает сверху, а топливо и воздух снизу. Материал последовательно проходит через все зоны шахты. В сечении зоны наименьшего диаметра при движении газового потока образуется кипящий слой с интенсивным перемешиванием материала. Интенсивный теплообмен между материалом и газами позволяет ускорить процесс клинкерообразования и улучшить теплотехнические показатели работы печного агрегата.
Фирмой «Пайзел» (США) предложена установка для обжига цементного клинкера в кипящем слое, представляющая собой печь- реактор диаметром 2,5 и высотой 5 м. Сырьевая мука пневмовин- товым насосом подается в реактор через донную колосниковую решетку. Обожженный клинкер по трубе поступает в холодильник. Затем клинкер рассеивается на грохоте, в результате чего гранулы размером менее 2,5 мм возвращаются в реактор в качестве затравки. Съем готовой продукции в несколько раз превышает съем с вращающейся печи.
НИИЦементом совместно с Институтом тепломассообмена АН БССР разработана конструкция многореакториой шахтной безрешеточной печи для обжига клинкера во взвешенно-фонтанирующем состоянии. Печь состоит из конических реторт-реакторов. По высоте она делится на зоны подогрева, обжига и охлаждения. Сырьевая смесь поступает сверху в виде гранул, а в самый нижний реактор подается воздушное дутье и обожженный материал, который здесь и охлаждается. Клинкер образуется в вышерасположенном реакторе, где происходит сжигание топлива. В каждом реакторе материал находится в пульсирующем взвешенно-фонтанирующем состоянии.
Частота пульсации определяет производительность установки, коте,, рая в свою очередь должна быть строго согласована с необходимы» временем термообработки материала.
Способ плавления клинкера, предложенный В. В. Серовым, зц. ключается в получении портландцемента путем обогащения извесТняком огненно-жидких шлаков. В конвертор диаметром 3, высотой 8 м и вместимостью 10 т расплава загружают жидкий шллк, и* вестняк и железную руду. СНизу конвертера через две фурмы жидкий шлак под давлением вдувают топливо вместе С воздухе; обогащенным кислородом. Температура расплава в конрерюре по?, тигает 1900—2000 °С. Расплавленный клинкер, выпущенный из ков- вертера, охлаждается на грануляционном барабане. Клинкер можно плавить и в энергетических котельных топках, получаемый при этоц в виде отхода шлак близок по составу к портландцементу.
Принцип обжига цементной сырьевой муки в вакуумной камер» батарейного типа при помощи электронного пучка разработан в ГДР. Дне обжиговой камеры имеет конфигурацию переменного сечения, профиль которого определяется углом естественного откоса сыры, вой муки и цементного клинкера. Для создания глубокого вакуума вся система помещена под колокол, в верхней и нижней частях которого имеются шлюзовые затворы для загрузки сырьевой муки к иыгрузки цементного клинкера. Вакуум в системе создается при помощи вакуумных насосов, которые отсасывают воздух из системы. Готовый клинкер выгружают из камеры, дробят в клинкерной дробилке и охлаждают в холодильнике. Нагретый в холодильнике воздух используется для подогрева сырьевой муки в бункере загрузочного устройства. Подогрев производится без смешивания материала с теплоносителем. Установка оборудована системой автоматического регулирования

Технологии. Основным и самым энергоемким переделом в про­изводстве цемента является обжиг клинкера, потребляющий до 80% общей энергии. На получение цемента в нашей стране расходуется до 25 млн. т условного топлива в год.

Независимо от способа производства, завершающая стадия процесса обжига клинкера осуществляется преиму­щественно во вращающихся печах. Попытки осуществления спекания клинкера в других агрегатах-реакторах пока не полу­чили широкого промышленного внедрения. Особенностью работы вращающейся печи является то, что в одном агрегате одновременно протекают взаимообусловленные химические и физические превращения вещества, термохимические, тепло - массообменные, газодинамические процессы, осуществляется факельное сжигание топлива, происходит перенос возогнанных и конденсированных фаз из материального потока в газовый и обратно. Каждый из приведенных отдельных процессов сам по себе достаточно сложен. При управлении же всей системой в целом возникают дополнительные трудности, обусловленные взаимным влиянием указанных процессов, накладывающихся друг на друга.

Так, интенсивность сушки шлама определяет грансостав материала в подготовительных зонах, который, в свою очередь, существенно влияет на теплообмен между газовым потоком и обжигаемым материалом. Величина теплообмена в значи­тельной мере определяет температуру и энтальпию газового потока в зоне сушки и тем самым влияет на интенсивность этого процесса и грансостав высушенного материала. В резуль­тате возникает подобие замкнутого круга, когда нарушение в од­ном звене многократно усиливается в циклическом процессе. Подобные явления наблюдаются и в других участках печи. Например, при повышении слоя материала в печи необходимо увеличить расход топлива. С увеличением расхода топлива интенсифицируется декарбонизация материала в зоне кальци­нирования и, следовательно, скорость его движения, т. е. еще в большей степени увеличивается слой материала в зоне горения

Топлива, что требует более теплонапряженного факела. Однако выделяющееся в этих условиях большое количество углекислого газа из материала замедляет процесс горения топлива и, следо­вательно, снижает теплонапряжение и температуру факела,

Что, естественно, приводит к нарушению процесса спекания клинкера.

Подобные замкнутые взаимозависимые процессы наблю­даются и при рециркуляции пыли, выносимой и возвращаемой в печь в системах колосниковый холодильник — печь, уголь­ная мельница — печь и в других случаях. На основании при­веденных данных можно подчеркнуть принципиальную осо­бенность вращающейся печи по сравнению с другими тепло­выми агрегатами, которая заключается в том, что при эксплуа­тации невозможно обособленно влиять на какой-либо один про­цесс или параметр, щ затрагивая всю систему в целом. Напри­мер, если в туннельных печах можно изменять количество обжигаемого материала и, следовательно, скорость движения вагонеток, принудительно и совершенно независимо от состоя­ния газового потока в печи, то подобной свободы действия для вращающейся йечи не имеется. Причем с интенсификацией производства и увеличением мощности агрегатов усиливается и усложняется взаимное влияние физико-химических и теплотех - нологических процессов.

С увеличением единичной мощности вращающейся печи не только увеличивается производительность агрегата, но меня­ется и ряд важнейших теплотехнических характеристик (табл. 1).

При неизменном объемном теплонапряжении, которое для печей мокрого способа производства составляет около 43 кВт/м2, с увеличением мощности агрегата повышаются теплонапряжение на свободное сечение печи и поверхность футеровки и материала. Последнее обстоятельство связано с важными параметрами процесса. Вследствие уменьшения удельной поверхности теплообмена интенсификация теплопере­дачи может быть!» основном осуществлена путем увеличения температуры газшшго' потока. При этом возникают затруд­нения по сохранению футеровки в зоне спекания и созданию защитной обмазки. Порышенное теплонапряжение на свободное сечение при одновременном увеличении температуры газа в мощных печах приводит к значительному увеличению скорости газового потока, вследствие чего наблюдается тенденция к увеличению пылеуноса из отдельных зон агрегата. Это усили­вает внутреннюю и внешнюю циркуляцию пылевых потоков,

Изменение теплотехнических параметров в зависимости от мощности вращающейся печи

Процессы, протекающие при обжиге портландцементного клинкера, изучены многими отечественными и зарубежными исследователями [1—35]. Подавляющее число экспериментов при этом проводилось в лабораторных условиях, когда, как справедливо отмечалось на 7-м Международном конгрессе по химии цемента [36], не могут быть полностью учтены движе­ние материала в печи, его взаимодействие с газовой средой и величина теплопередачи. Поэтому подобные исследования могут рассматриваться лишь как относительные и должны срав­ниваться с данными практического опыта.

Литературные данные по анализу материала из вращаю­щихся печей весьма ограничены [1 —18, 33, 34], причем значи­тельная часть исследований проведена с 1921 по 1950 гг. на печах небольших размеров [1 —10], работавших на относи­тельно чистых сырьевых компонентах с малым содержанием примесей. Анализ этих работ достаточно подробно проведен В. Н. Юнгом [8, 37, 38], который предложил разделить печь на шесть технологических зон: испарения (сушки), подогрева, кальцинирования (декарбонизации), экзотермических реакций, спекания и охлаждения. В соответствии с представлениями В. Н. Юнга, основные реакции минералообразования протекают после диссоциации карбоната кальция и, следовательно, содер­жание свободной СаО в конце зоны декарбонизации должно составлять 14—20%; алит может образоваться лишь при наличии жидкой фазы, выпадая из нее как менее растворимое соединение.

Последующие исследования, проведенные на печах длиной до 150 м [11, 12], показали интересные результаты, а именно: в то время как на 65-метровой печи максимальное содержание свободной извести в конце зоны кальцинирования составляет 14,5%, в 150-метровой — лишь 6%. Эти данные, а также тща­тельный петрографический анализ материала по длине печи, позволили О. М. Астреевой сделать вывод о возможности обра­зования некоторой части алита путем реакции в твердом состоя­нии, причем подчеркивается, что содержание СаОсв в материале

Зависит от размера печи. Дополнительно установлено, что свя­зывание извести в клинкерные минералы во вращающихся печах начинается при низких температурах. Уже на 112 м (на 150-метровой печи) обнаружены кристаллы С3А, C2S и бурые железистые фазы. Медленное охлаждение клинкера способству­ет уменьшению содержания С3А за счет растворения в алюмо - ферритах А1203 с образованием C6A2F.

С. И. Данюшевский [13] на основании анализа материала из 150-метровых печей Белгородского завода подвергает сомне­нию возможность твердофазового образования алита, т. к. мак­симальное содержание СаОсв в конце зоны кальцинирования достигало 12,4—16,6%, т. е. теоретически необходимого значе­ния для насыщения двухкальциевого силиката до алита.

Детальные исследования проведены Ю. М. Буттом, В. В. Ти - машевым, Б. С. Альбацем на печи 4,5/5Х 135 м производитель­ностью 50 т/ч Жигулевского комбината [14], при этом уста­новлены следующие взаимодействия:

А) 600—800°С (60—90 м длины печи) — образование СА; C2AS; C2F (за счет примеси анкерита в глине); K2S04 (за счет примеси алунита в глине); C2S; С3А; C4AF; последние три сое­динения фиксировались в отдельных пробах;

Б) 850—1050°С (90—101 м длины печи) —насыщение из­вестью СА до С12А7 и C2AS до C3AS (вероятно); образование C2F; C2S; этому этапу соответствует первая существенная структурная перестройка в обжигаемом материале;

В) 1050—1300°С (101 — 107 м длины печи) — разложение C3AS на C2S и СА; насыщение СА известью до С]2А7 и далее до С3А; образование C4AF; этому этапу соответствует вторая силь­ная структурная перестройка в обжигаемом материале;

Г) 1300—1450°С (107—115 м длины печи) —растворение в жидкой фазе свободного оксида кальция и образование C3S.

В работах [15—17,39,40] в значительной степени подтверж­даются приведенные выше химические взаимодействия, однако отмечается возможность образования при низких температурах в зоне подогрева (дегидратации) термодинамически устойчиво­го соединения CS [40].

Сравнивая результаты анализов [12—16], проведенных на 150-метровых печах, можно заметить, ч+о максимальное содер­жание СаО в материале печи может 'изменяться на разных заводах от 6 [12] до 31,6% [15]. Следовательно, указанные различия объясняются не конструкцией печи, как это отме­чалось в работе [12], а составом сырья и условиями обжига.

Интересны в этом плане исследования М. М. Сычева [41 —

53] по влиянию состава и количества жидкой фазы на усвоение СаО. Установлено, что увеличение плавней в смеси не всегда дает положительный результат и должно быть согласовано с составом клинкера. Так, увеличение количества расплава от 10 до 15% для смесей с любыми значениями глиноземного модуля приводит к ускорению связывания извести, а при изме­нении содержания в клинкере плавней от 20 до 25% для сырья с глиноземным модулем 1—2 усвоение СаО замедляется. Основным фактором, определяющим физико-химические свойства расплава, по данным [54—59], является координация ионов А1 и Fe, которые в зависимости от основности расплава могут изменять свою структурную функцию. Введение в жидкую фазу s-элементов (Na, К, Ва) повышает вязкость, а р-элементов (01, At, Р, S) и d-элементов (Ті, Cr, Mn, Fe), увеличивает теку­честь расплава. При этом изменяется скорость растворения зе­рен C2S и СаО и образования C3S.

Большое влияние на процессы клинкерообразования оказы­вают примеси, содержащиеся в сырьевых компонентах и топли­ве [20, 46, 60—80]. Наиболее распространенными добавками являются щелоче - и серосодержащие соединения. Примени­тельно к промышленным условиям достаточно подробно изу­чены баланс летучих составляющих, их внешняя и внутренняя циркуляция в печах [10, 36, 39, 81, 82—91]. По данным [92, 82], возгонка щелочей в печи увеличивается с ростом темпе­ратуры обжига, времени выдержки, снижением S03, Fe203 и количества жидкой фазы. Водяные пары, образующиеся в ре­зультате горения газообразного или жидкого топлива, преобра­зуют щелочи в легколетучие гидрооксиды.

Эти выводы подтверждены результатами последующих работ. Изучив степень возгонки щелочей в интервале 1200— 1600°С с использованием математических методов, авторы [87] установили следующий порядок воздействия: температу­ра = время > S03 > размер гранул глиноземный мо­дуль. В работе [19] показано влияние различных факторов на степень конденсации оксида калия: дисперсность материа­ла > S03 > К20 > температура. Дополнительно к приведен­ным данным исследователи [85] определили восстановительную среду как интенсификатор летучести щелочей, а [84] показали, что подобный эффект оказывает повышенное содержание кремнезема в шихте. По влиянию первичных щелочных фаз в глинистых минералах установлено [92, 83], что из иллита и слюд щелочи улетучиваются при температуре выше 900°С быст­рее, чем из сырьевой смеси, содержащей полевые шпаты.

Соединения калия возгоняются легче, чем натрия, что объяс­няется близостью ионных радиусов натрия и кальция. В рабо­тах [86, 88—90] показана возможность интенсификации воз­гонки щелочей при переводе их в более летучие соединения — хлориды путем ввода в шихту хлористого кальция.

Исследования, проведенные с применением радиоактивных изотопов (РАИ), показали, что из 135-метровой печи мокрого способа производства [91] возгонка большей части калия про­исходит со 125—130 м. В течение 2-часового периода прохож­дения материала через печь улетучивалось 80% калия. Кон­денсация щелочи в основном наблюдалась на 30—55 м. Данные опыты свидетельствуют о пятикратной циркуляции калиевых соединений в печи. Опыты, проведенные на печи 5X185 м с ме­ченым изотопом Na24 в виде наименее летучего соединения сульфата натрия, показали, что наиболее интенсивная воз­гонка наблюдается со 140—145 м, когда происходит замед­ление скорости движения материала и, следовательно, начи­нается жидкофазное спекание [93]. Конденсация и присадка Na происходит на 49—57 м при температуре газового потока 950—980°С и заканчивается до 23 м. В результате циркуляции количество щелочей в обжигаемом слое увеличивается на 35— 40%. После прекращения подачи изотопа он еще в течение 9—10 ч фиксируется в клинкере на колосниковом холодильнике. Дополнительно установлено, что при подаче пыли электро­фильтров с горячего конца возгонка натрия в атмосферу на 32% больше, чем при возврате с холодного конца.

Поведение серного ангидрида в промышленных печах пока­зано в работах [36, 10, 39, 81, 94, 95]. Во вращающейся печи S03 совершает многократную циркуляцию, постепенно накапли­ваясь в обжигаемом материале средней части печи. В окисли­тельной среде часть серосодержащих соединений разлагается и возгоняется в виде S02 и вместе с сернистым газом из продук­тов сгорания уносится в холодную часть печи, ниже 700°С S02 окисляется до S03, т. к. при этой температуре равновесие 2S02 + 02 ^ 2S03 сдвигается вправо, особенно в присутствии катализаторовТкоторыми при обжиге клинкера являются окись железа и водяные пары. Количество водяных паров не должно быть чрезмерно высоким, т. к. тогда степень окисления сер­нистого ангидрида снижается.

Серный ангидрид адсорбируется на поверхности твердых частиц и вступает во взаимодействие со щелочами. Реакция между S03 и R20 может протекать и в газовой среде с последую­щей конденсацией полученных продуктов. Осаждаясь на no­

Верхности материала в холодной части печи, сернистые соеди­нения вновь поступают в высокотемпературные зоны, но теперь уже в виде щелочных сульфатов. Часть S03 адсорбируется на поверхности пыли, которая выносится из печи отходящими газами. На большинстве заводов пыль улавливается электро­фильтрами и возвращается в печь, тем самым возвращаются и сернистые соединения. Многокомпонентность цементных сырьевых смесей, использование сырьевых материалов и отхо­дов промышленности, содержащих различные примеси, приме­нение добавок существенно усложняют взаимодействие между составляющими. Это требует разработки более общих теоре­тических положений, позволяющих предвидеть возможные взаимодействия в сырьевой смеси.

Наблюдения за работой печных агрегатов показывают [32— 35], что щелочные соединения влияют на процессы клинке - рообразования, начиная от сравнительно низкотемпературных участков печи (зоны подогрева и декарбонизации) до получения готового клинкера. Образование силикатов, алюминатов и фер­ритов кальция при нагревании можно рассматривать как реакцию нейтрализации. Согласно теории Льюиса [96], продук­том нейтрализации всегда является молекулярное соединение кислоты с основанием. М. И. Усанович считает, что химическое взаимодействие, продуктом которого является соль, представ­ляет взаимодействие между кислотой и основанием, а химиче­ская противоположность между кислотами и основаниями приводит к взаимному ослаблению этих противоположных свойств при нейтрализации [97].

Таким образом, в соответствии с современными представ­лениями все взаимодействия между компонентами сырьевой смеси и щелочными солями из пыли электрофильтров следует рассматривать как реакции между кислотой и основанием. Яркое проявление кислотно-основного взаимодействия компо­нентов наблюдается также во всех природных геохими­ческих процессах и в расплавах [239, 240]. Увеличиваю­щаяся длина вращающихся печей и установка электрофильтров способствуют извлечению из отходящих газов значительного количества щелочных соединений, которые примешиваются к сырьевой смеси, поступающей на обжиг, и вызывают непредви­денные осложнения в работе печей. Автор проводил исследо­вания на агрегатах различной мощности, проектная производи­тельность которых на обычном природном сырье составляла от 21 до 72 т/ч, в случае применения нефелинового шлама она достигала 100 т/ч. Печи отличаются не только мощностью,

12 но и конструктивными элементами и видом топлива. При исследовании использовались как стандартные методы анали­за [496—521], так и специальные разработки [31, 474]. Уста­новлены: содержание свободной извести (СаОсв), концентра­ция СаО в карбонатных соединениях (СаОкар) и в новых минералах некарбонатного состава (СаОмин), а также минералогический состав и содержание примесей по длине печи; в отдельных случаях приведены водорастворимые соли — ВРС. Данные химического анализа пересчитаны на прокален­ное вещество, т. е. в % к массе клинкера.

При анализе приведенных данных обращает на себя внима­ние высокое содержание примесей R20 и S03 в обжигаемом материале. Сумма щелочей и серы в отдельных случаях дости­гает 9—11% и сравнима или даже превосходит суммарное содержание таких основных оксидов, как А1203 и Fe203. Этот факт позволяет переоценить роль так называемых примесей и считать их компонентами обжигаемой шихты.

Чимкентский завод (ЧЦЗ) представлен печами 4X150 м с колосниковыми холодильниками проектной производитель­ностью 35,3 т/ч. Топливо — газ. Пыль электрофильтров в печь № 2 не возвращалась, а на 3-й и 4-й печах смешивалась с водой и в виде шлама подавалась с холодного конца. Несмотря на относительно низкое содержание примесей в сырье К20 = = 0,4—0,6%; Na20 = 0,1—0,4%; S03 = 0,2—0,5%, вследствие внешней и внутренней циркуляции суммарная концентрация примесей в материале печей № 3 и 4 достигала 5—7%.

При возврате пыли в печь сумма R20 и S03 в пыли может достигать 17,4%, а при прекращении пылевозврата — 4,7% (табл. 2).

Характерной особенностью процессов в печах ЧЦЗ являлось отсутствие выраженных границ отдельных технологических зон. Диссоциация карбоната кальция наблюдалась в начале зоны подогрева, образование некарбонатных соединений с 40—50 м печи, а на печи № 3— даже с 20 м. Вероятно, это происходило вследствие внешней и внутренней циркуляции частично прока­ленной пыли. ППП пыли электрофильтров, подаваемой за цеп­ную завесу, составляли 18—24%.

Следует отметить, что в результате применения на ЧЦЗ малопластичных сырьевых компонентов — мраморовидных из­вестняков и лесса, материал в печи практически не гранулиро­вался, содержание фракции менее 1 мм за цепной завесой обыч­но составляло более 60%, а пылеунос — 15—25%. Дополни-

Тельная декарбонизация на указанном участке может протекать также вследствие перегрева поверхностного слоя материала высокотемпературным газовым потоком. Алитообразование, рассчитанное по химическому составу материала и эксперимен­тально определенное рентгенофазовым и петрографическим анализом, начиналось в точках, указанных стрелками «А» (рис. 1).

Читайте также: