Файл: Элинзон, М. П. Производство искусственных заполнителей.pdf

0,8 МПа, для марок 600—800 — не менее 1,5 МПа и для марки 1000 — не менее 2,5 МПа.

2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОРИЗАЦИИ СЫРЬЯ

Сущность метода получения аглопорита заключается в том, что через слой зажженной шихты просасывают газы сверху вниз. В слое шихты при этом последователь­ но происходит быстрое испарение влаги (сушка) и по­ догрев шихты, сгорание топлива с повышением темпера­

продукта. Горячие газы из поверхностного слоя проса­ сываются через нижележащие слои, подсушивая и подо­ гревая их. Двигаясь дальше и встречая на своем пути холодные слои шихты, газы охлаждаются, что в началь­ ной стадии процесса приводит к конденсации влаги в нижних слоях. В дальнейшем эти слои прогреваются отходящими газами до 100° С и более. Процесс горения топлива в шихте заканчивается у колосников агломера­ ционной машины.

При нормальном ходе процесса в спекаемом слое различают условно четыре перемещающиеся технологи­ ческие зоны (рис.-17): охлаждения, горения топлива (сжигания горючих веществ), подогрева шихты и испа­ рения влаги. В конечной стадии процесса, когда зона горения приближается к колосникам, постепенно исчеза­ ет зона испарения влаги и сокращается зона подогрева. У нижнего слоя остаются лишь две зоны — охлаждения и горения топлива.

Получение пористого продукта при спекании различ­ ного сырья на агломерационных машинах связано с особенностями, присущими этому процессу. Данные наших исследований показали, что пористая структура материала при спекании сырья на агломерационных ре­ шетках образуется в результате выгорания топлива и органических веществ, испарения влаги, контактного спекания отдельных зерен и частичного вспучивания вследствие давления газов в гранулах, находящихся в зонах, удаленных от очагов горения.

Применение интенсивно вспучивающегося сырья при­ водит к заплыванию пустот между гранулами шихты, уменьшению ее газопроницаемости и к практическому

прекращению процесса агломерации. Основные особен­ ности теплофизических процессов, протекающих при получении аглопорита, — наличие восстановительной среды в спекаемом слое; быстрый подъем температуры— в течение 3—4 мин шихта нагревается до 1400—1500°С (около 500°С в 1 мин); кратковременность пребывания

Рис. 17. Схема процесса спекания шихты на решетке агломерацион­ ной машины

а — непрерывного действия; б — периодического действия; / — бункер-во­ ронка; 2 — зажигательный горн; 3 — агломерационная решетка. Технологиче­

спекаемого материала в зоне максимальных температур — 1—3 мин; возможность достижения больших ско­ ростей охлаждения обожженного продукта—за 2—3 мин аглопорит охлаждается до 600—800° С; высокий тепло­ технический эффект, вызванный особыми свойствами шихты (тщательно перемешанное сырье с измельчен­ ным топливом), интенсивной и непосредственной пере­ дачей тепла сгораемого угля обжигаемому сырью, эф­ фективным использованием тепла отходящих газов для подогрева шихты и воздуха, небольшим коэффициентом избытка воздуха в зоне спекания (1,2—1,4). Все эти теплофизические особенности позволяют интенсифици­

ровать поризацию исходного сырья, применять относи­ тельно тугоплавкое сырье; регулировать фазовый состав и структуру изготовляемого продукта; использовать ко­ роткоплавкое сырье (с небольшим интервалом размяг­ чения).

Восстановительная среда оказывает положительное влияние на плавкость глинистого вещества исходного сырья вследствие перехода соединений железа в закисную форму: из-за раннего появления низкотемператур­ ных эвтектик с участием FeO плавление железистых

(на 100— 150° С).

Скоростная термическая обработка сырья приводит к смещению ряда термических эффектов (удаление ад­ сорбционной воды, диссоциация карбонатных включе­ ний, аморфизация глинистого вещества) в области бо­ лее высоких температур — на 50—225° С в зависимости от характера исследуемого процесса.

Большое количество мелких зерен (гранул) в шихте, их пористость и дополнительное испарение воды, при­ водящее к образованию новых пор, увеличивают поверх­ ность соприкосновения горячих газов со спекаемым ма­ териалом, что обусловливает весьма высокую скорость физико-химических процессов в шихте в период ее спе­ кания. При этом существенно интенсифицируются про­ цессы поризации отдельных гранул.

Поризация гранул повышается также вследствие того, что в спекаемом слое имеются зоны с резко выра­

гранулы в пористый конгломерат, обеспечивая получе­ ние легкого материала даже из относительно тугоплав­ кого и невспучивающегося силикатного сырья.

Кроме того, как показали результаты исследования, возникновение расплава, а точнее переход части сырья эвтектического или околоэвтектического состава в пиропластическое состояние, совпадает во времени с воз­

можным накоплением в массе газовой фазы, что также способствует поризации.

Результаты теоретических и экспериментальных ис­ следований, а также данные практики показывают, что при получении аглопорита переход части сырья в рас­ плав должен происходить по возможности при более низкой температуре. Расплав должен при этом харак­ теризоваться требуемым значением вязкости. Свойства расплава (вязкость, поверхностное натяжение, способ­ ность его к кристаллизации при охлаждении) связаны главным образом с минералогическим составом и дис­ персностью глинистого вещества спекаемого сырья, а также характером среды. От количества, состава и свойств расплава во многом зависит пористая структу­ ра аглопорита. Первоначально при удалении свободной п конституционной воды глинистых минералов, образуют­ ся мелкие сообщающиеся поры неправильной формы. Появление расплава сопровождается их разъединени­ ем. По мере снижения вязкости расплава поры последо­ вательно укрупняются, что обусловлено явлениями час­ тичного вспучивания и объединением мелких пор в ре­ зультате прорыва недостаточно плотных и вязких пере­ городок газовой фазой. При достаточно низкой вязкости расплава возможны также явления, связанные с зако­ ном Стокса. Одновременно вследствие разрыва и сплав­ ления указанных перегородок формируются более толстые стенки крупных пор и каверн. Последние замет­ но повышают объемную массу (в куске) аглопорита и коэффициент его теплопроводности. Оптимальной следу­ ет считать структуру аглопорита, характеризующуюся максимальным количеством изолированных пор с по­ перечником до 0,2 мм, окаймленных тонкими сплошны­ ми или поризованпыми перегородками.

Из изложенного вытекает вывод о значении вяз­ кости в процессе получения аглопорита, в том числе для установления температурного интервала начала процес­ са. Температурный интервал формирования мелкопорис­ той структуры аглопорита не превышает 150—300° *С и зависит от химического состава расплава: окиси каль­ ция и частично магния способствуют уменьшению интер­ вала густоплавкого состояния расплава, тогда как окись алюминия и щелочи увеличивают его.

Перечисленные общие закономерности и особенности получения аглопорита способствовали созданию техно­ логии его производства.

Исследования процессов, протекающих при спекании различного сырья на агломерационных решетках, вы­ полненные за последние годы под руководством автора, показали, что в зависимости от газовой среды при ско­ рости нагрева материала 100—500° С в 1 мин в период спекания происходят следующие физико-химические превращения. При температуре от 90 до 500—600° С удаляется адсорбционная вода из глинистых пород, де­ гидратируются гидроокислы железа и кристаллизуется геметит. Эти реакции идут независимо от характера га­ зовой среды.

При температуре от 500—600 до 900— 1000° С де­ гидратируются глинообразующие минералы; при нагре­ ве в окислительной среде выгорают летучие составляю­ щие угля, сернистые соединения железа (пирит, марка­ зит) переходят в гематит, а двухвалентное железо в шлаковом стекле окисляется; в восстановительной же среде ококсовывается уголь вследствие удаления лету­ чих составляющих,-а окислы железа начинают восста­ навливаться.

При дальнейшем повышении температуры до 1200— 1250°С заканчивается (независимо от среды) дегидра­ тация глинообразующих минералов с их аморфизацией; при реакциях в твердой фазе образуются шпинель и сил­ лиманит, диссоциируются карбонаты; в окислительной среде происходит дальнейшее выгорание органических веществ, а в восстановительной — восстановление ге­ матита в магнетит, а затем в вюстит, завершается про­ цесс ококсования угля, а муллит кристаллизуется в твердой фазе.

При температуре от 1200—1250 до 1350° С оплавля­ ются и частично муллитизируются полевые шпаты, в процессе твердофазовых реакций СаО связывается в си­ ликаты и алюмосиликаты кальция; в окислительной сре­ де интенсивно выгорают органические вещества, а в восстановительной происходит выделение СО и начи­ нает появляться жидкая фаза вследствие взаимодейст­ вия аморфизованного глинистого вещества и остеклован­

ных частиц с плавнями — закисью железа, СаО и ще­ лочами.

При дальнейшем повышении температуры до 1500— 1600° С независимо от среды интенсифицируется муллитизация полевых шпатов, плавится основная масса аморфизованного глинистого вещества и остеклованных частиц исходного сырья (при применении топливных шлаков или золы), растворяется шпинель в расплаве и оплавляется кварц. Последние процессы протекают полнее и быстрее на участках с восстановительной сре­ дой; в окислительной среде завершается выгорание ор­ ганических веществ, при окислении расплава выделяет­ ся магнетит или гематит, а муллит слабо кристалли­ зуется из расплава из-за снижения его вязкости при окислении.

В период охлаждения (от 1500— 1600 до 20° С) в окислительной среде завершается кристаллизация желе­ зосодержащих фаз (гематита, магнетита), а в преобла­ дающей массе бурого стекла кристаллизуются плагио­ клаз и а-кристобалит; в восстановительной среде об­ разуется прозрачное бесцветное или слабоокрашенное стекло, включающее выделявшиеся ранее игольчатые кристаллы муллита.

Минералого-петрографические исследования шлифов и рентгеноструктурный анализ аглопорита, выполнен­ ные В. В. Лапиным и Б. Н. Виноградовым, подтвердили, что основным структурным элементом аглопорита явля­ ется стекло различного состава, а второстепенными элементами — кристаллические образования, содержа­ щиеся в примесях исходного сырья или получаемые при охлаждении расплава. В редких случаях отмечаются участки неизмененного исходного сырья и не полностью сгоревшего топлива. Например, аглопорит на основе зо­ лы представляет собой пористую стекловидную массу буроватого или зеленоватого цвета с участками из оп­ лавленных зерен кварца, реже магнетита; аглопоритовый щебень, полученный из шахтных пород, состоит в основном из аморфизованного глинистого вещества, об­ рамленного тонким слоем стекла; аглопорит, изготов­ ленный из суглинка, состоит в основном из высококрем­ неземистого стекла и сильно оплавленных зерен кварца, реже полевого шпата.

Преобладание в аглопорите той или иной фазы в за ­ висимости от вида исходного сырья может быть объяс­ нено следующим. Преобладание в зольном аглопорите стекловидной фазы связано с высоким (до 20%) содер­ жанием плавней (FeO). Интенсивная же муллитизация, весьма положительно сказывающаяся на стойкости аглопорита, вызвана большим содержанием в золах гли­ нозема (30—40%). Значительное преобладание в агло­ порите из шахтных пород аморфизованного глинистого вещества при малом содержании в нем стекловидной фазы связано с содержанием в породе небольшого коли­ чества плавней при значительном количестве глинозема, а также тугоплавкостью глинистого вещества, представ­ ленного каолинитом или гидрослюдами. Содержание большого количества стекла, насыщенного зернами кварца, в аглопорите из суглинков и супесей может быть объяснено высоким содержанием в них кремнезема и плавней (10— 12%).

Исследования показали, что наилучшим является аглопорит, содержащий от 35 до 50% стекловидной фа­ зы и 50—65% аморфизованного глинистого вещества, кварца и кристаллических новообразований. При мень­ шем количестве стекла снижается прочность аглопорита, при большем — увеличивается его объемная масса.

В результате высокотемпературного обжига возника­ ют новообразования, достаточно стойкие в нормальных атмосферных условиях. Эти образования ни сами по себе, ни при взаимодействии с цементами не могут ока­ зывать вредного влияния на прочность и долговечность бетона, что позволяет считать аглопорит высококачест­ венным заполнителем для армированных и неармированных легких бетонов.

Топливо, необходимое для термической обработки шихты, или вводится в нее, или оно является ее состав­ ной частью (при производстве аглопорита из золы ТЭС или отходов углеобогащения).

Расплав, образующийся в агломерируемой шихте в условиях высоких температур, растворяет частицы квар­ ца на глубину до 10—20 мкм, а карбонатных включе­ ний — на глубину до 5 мм.

Присутствие пылеватых и песчаных фракций в гли­ нистых породах полезно: эти фракции в основном не