ГИБКАЯ СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЕНОКЕРАМИКИ

Полезная модель относится к области производства изделий на основе пористых силикатных материалов, более конкретно, к гибким системам производства строительных материалов и изделий из стеклокристаллической пенокерамики. Предложенная полезная модель может найти применение на предприятиях по изготовлению из местного сырья конструкционных и теплоизоляционных изделий для строительства сооружений гражданского и промышленного назначения.
Известна система производства строительных облицовочных плит из местного сырья, включающая участок подготовки шихты, линию формовки полуфабриката, обжиговую печь (см. авт. свид. СССР №1211241, МКИ С 04 В 33/00, 1983 г).
Исходная шихта в известной системе традиционно включает глинистый компонент из легкоплавких глин, кварцевый песок и некоторые виды промышленных отходов. Недостатками известной системы являются сравнительно высокие эксплуатационные затраты и недостаточная производительность производства.
Наиболее близким техническим решением является система производства изделий из керамики, включающая участок подготовки шихты на основе глинистого сырья, линии формовки полуфабриката и сушки, обжиговую печь и средства для регулировки режимов ее работы (см. авт. св. СССР №709595, МКИ С 04 В 33/32, 1977 г. - прототип).
В известной системе используется способ производства строительной керамики, обладающей сравнительно высокими плотностью, теплопроводностью и прочностными характеристиками. Особенностью известной системы является обжиг изделий при пониженном давлении в обжиговой печи, что позволяет снизить температуру обжига па 100-150 С.
Недостатком известной системы и способа изготовления керамических изделий на основе силикатных материалов также является сравнительно низкая производительность производства, связанная с обжигом изделий при пониженном давлении
Материал таких изделий имеет достаточно высокую теплопроводность, а также сравнительно малую морозоустойчивость, ограничивающую использование изделий в качестве конструкционных и теплоизоляционных элементов в регионах со значительными перепадами температур.
Решаемой задачей предложенной полезной модели является создание эффективной гибкой системы производства изделий различной номенклатуры, из стеклокристаллической пенокерамики (сокращенно керпен) с низким удельным весом и сравнительно высокой прочностью, путем вспенивания керамической матрицы при обжиге полуфабриката в высокопроизводительной туннельной конвейерной печи щелевого типа с получением гарантированной геометрии пор и ячеистой структуры материала.
Другой задачей является разработка и создание легко налаживаемого технологического оборудования для изготовления конструкционных и теплоизоляционных изделий различного назначения при использовании сменных формообразующих компонентов для изделий различной номенклатуры. Для получения такого рода изделий из керпена в системе производства должны использоваться дешевые виды природного сырья и отходы промышленности.
Указанные задачи решаются тем, что в гибкой системе производства изделий из стеклокристаллической пенокерамики, включающей отделение подготовки шихты на основе глинистого сырья, линию формовки полуфабриката, обжиговую печь и средства для регулировки режимов ее работы, согласно полезной модели, отделение подготовки шихты содержит оборудование для подготовки шихты на основе легкоплавких глин с дополнительными ингредиентами, преимущественно, в виде стеклокристаллических наполнителей и газообразующих добавок, линия формовки полуфабриката содержит прессовое оборудование, снабженное дополнительной сменной оснасткой, включающей, по крайней мере, два формообразующих компонента для изделий различной номенклатуры, обжиговая печь выполнена в виде туннельной конвейерной печи щелевого типа, на выходе которой размещен участок механической обработки, содержащий оборудование для калибровки изделий по размерам целевого продукта.
Кроме того, линия формовки полуфабриката может содержать оборудование для полусухого и/или пластического формования.
Кроме того, средства для регулировки режимов работы обжиговой печи могут быть снабжены вспомогательной электронной системой для автоматического согласования режимов ее работы с режимами работы помольного и смесительного оборудования отделения подготовки шихты, а также прессового оборудования линии формовки полуфабриката при переходе на выпуск изделия новой номенклатуры с учетом его состава и геометрических параметров формообразующего компонента сменной оснастки.
Такое выполнение способа позволяет решить поставленные задачи создания высокопроизводительной и гибкой системы производства изделий различной номенклатуры (конструкционные, стеновые и теплоизоляционные блоки, кровельные, профильные, облицовочные плитки и иные элементы) на предприятии, оснащенном стандартным оборудованием керамического производства и минимальным количеством сменных формообразующих элементов, что в значительной степени снижает затраты на производство теплоизоляционных и конструкционных изделий различного назначения в предложенной системе по сравнению с производством на аналогичных предприятиях, ориентированных на выпуск однотипной продукции.
Вспененный керамический материал, получаемый при производстве указанных изделий, представляет собой стеклокристаллическую матрицу с ячеистой структурой, низким удельным весом и гарантированной геометрией замкнутых, не сообщающихся между собой пор, Стеклокристаллическая фаза в промежутках пор при этом формируется как за счет выделения составляющих компонентов глины, так и из входящего в состав исходной массы стеклопорошка. Карбид кремния при обжиге обеспечивает вспенивание матрицы до заданной пористости.
На фиг.1 показана принципиальная блок-схема гибкой системы производства изделий из стеклокристаллической пенокерамики. На фиг.2 и 3 представлены технологические схемы производства, соответственно, при использовании процессов полусухого и пластического прессования.
Гибкая система производства изделий из стеклокристаллической пенокерамики (керпена) содержит складское отделение 1 для компонентов шихты (легкоплавкая глина и дополнительные ингредиенты, в частности, в виде стеклокристаллических наполнителей и газообразующих добавок). Отделение 2 подготовки шихты включает помольное и смесительное оборудование (не показано).
Линия 3 формовки полуфабриката содержит прессовое оборудование (не показано), снабженное дополнительной сменной оснасткой, включающей, по крайней мере, два формообразующих компонента 4 для изделий различной номенклатуры, которые снабжены датчиками 5 контроля геометрических параметров полуфабриката. В случае использования метода пластического формования перед входом в обжиговую печь 6 установлена линия сушки полуфабриката (не показана). Обжиговая печь 6 выполнена в виде туннельной конвейерной печи щелевого типа, на выходе которой размещен участок 7 механической обработки, содержащий оборудование (не показано) для калибровки полученных после обжига изделий по размерам целевого продукта. Готовые изделия поступают на склад 8 готовой продукции.
Средства для регулировки режимов работы обжиговой печи 6 снабжены вспомогательной электронной системой 9 для автоматического согласования режимов работы обжиговой печи 6 с режимами работы помольного и смесительного оборудования отделения 2 подготовки шихты, а также прессового оборудования линии 3 формовки полуфабриката при переходе на выпуск изделия новой номенклатуры.
Для этого помольное и смесительное оборудование отделения 2 снабжено блоком 10 для учета физического и фракционного состава шихты на выходе из подготовительного отделения 2, а прессовое оборудование линии 3 формовки полуфабриката снабжено датчиками 5 для контроля геометрических параметров формообразующих компонентов 4 сменной оснастки пресса. При этом выходы блока 10 и датчиков 5 электрически соединены с входами электронной системы 9, выходы которой, в свою очередь, соединены с управляющими входами секций блока регулирования 11, предназначенного для регулировки режимов работы различных участков обжиговой печи 6 в соответствии с измененным составом и геометрическими параметрами формообразующего компонента 4 сменной оснастки пресса при переходе гибкой системы производства на выпуск нового изделия. Для примера на схеме указаны три участка регулирования рабочей температуры обжиговой печи 6 и, соответственно, три секции блока регулирования 11.
Гибкая система производства изделий из керпена функционирует следующим образом.
На складское отделение 1 автотранспортом поступает сырье:
легкоплавкая глина, стеклобой, глинозем, каолин, нефелиновый концентрат и дополнительные ингредиенты в виде вспенивающих добавок.
С помощью помольного и смесительного оборудования в отделении 2 производится грубая и финишная подготовка шихты необходимого физико-химического и фракционного состава. После этого на линии 3 с помощью прессового оборудования производится формовка посредством одного из формообразующих компонентов 4 полуфабриката определенной конфигурации, например, плитки определенных размеров. Для технологии пластического формования при этом используется вакуум-пресс. Дополнительная сменная оснастка линии формовки 3 может использоваться для выпуска на том же производстве, практически без сложной перенападки, по крайней мере, двух или более видов изделий различной номенклатуры (плитки, черепица, блоки и др.)
После формовки и сушки полуфабрикат поступает в обжиговую печь 6, которая выполнена в виде туннельной конвейерной печи щелевого типа. После выхода из печи 6 обожженные изделия из стеклокристаллической пенокерамики имеют различные геометрические размеры, что вызвано сложным процессом порообразования при высоких температурах обжига. По этой причине изделия из обжиговой печи 6 поступают на участок 7 механической обработки для калибровки изделий по размерам целевого продукта, а готовые изделия - на склад 8 готовой продукции. Регулировка режимов работы обжиговой печи 6 обеспечивается вспомогательной электронной системой 9 путем автоматического согласования режимов работы обжиговой печи 6 с режимами работы помольного и смесительного оборудования отделения 2 подготовки шихты, а также вида сменной оснастки формообразующих компонентов 4 на прессовом оборудовании линии 3 при переходе на выпуск изделия новой номенклатуры.
Для этого посредством блока 10, снабженного датчиками или иными средствами ввода информации, регистрируется физический и фракционный состав шихты на выходе из подготовительного отделения 2. Информация данного вида поступает на вход электронной системы 9 вместе с информацией от датчиков 5 контроля геометрических параметров формообразующих компонентов 4 сменной оснастки прессового оборудования линии 3. По результатам переданной информации решающий блок (не показан) электронной системы 9 формирует и передает управляющие сигналы на управляющие входы секций блока регулирования 11 для поддержания необходимых режимов работы различных участков обжиговой печи 6 в соответствии с измененным составом шихты и геометрическими параметрами формообразующего компонента 4 сменной оснастки пресса при переходе гибкой системы производства на выпуск нового изделия.
Как показали опытные данные, при производстве изделий из керпена возможно использование дешевых видов легкоплавких глин из карьеров Подмосковья и других регионов, а также недефицитных видов промышленных отходов с незначительным количеством газообразующих вспенивающих добавок.
В качестве исходного материала для приготовления шихты в предложенном производстве использовались легкоплавкие глины Ваховского карьера Нижне-Вартовского месторождения. Основой стеклокристаллической фазы для изделий из керпена является стеклопорошок, а в качестве неорганического вспенивателя - карбид кремния, при соотношении компонентов, определяемом опытным путем.
Примерное содержание указанных компонентов было следующим, % масс.:
легкоплавкая глина
50-98,
стеклопорошок
1,0-49,
карбид кремния
0,05-0,7.
Такой состав исходной шихты позволяет получить, при обжиге указанных дешевых видов природного сырья, отходов промышленности и минимального количества недорогого минерального вспенивателя пористый керамический материал (керпен) с гарантированной геометрией пор и составом матрицы для использования при производстве теплоизолирующих строительных блоков и конструкционных изделий при решении широкого круга задач.
2
2
3
2
3
Применение шихты указанного состава, с преимущественным включением SiO, АlО, EеO, позволяет решить задачу создания дешевого пористого керамического материала на оборудовании гибкой системы производства при обжиге керамической матрицы с получением гарантированной геометрии пор и ячеистой структуры материала для изделий различной номенклатуры. Структура неорганической пены в материале керпен характеризуется тем, что в ней практически все поры закрыты и размещены в стеклокристаллическом каркасе.
Важным достоинством предложенной системы является возможность регулирования в конечном продукте поровой структуры, то есть количество пор и их размер при общей пористости свыше 80-90%.
Данное регулирование обеспечивается наличием в гибкой системе производства сменной прессовой оснастки и положительной обратной связи в виде электронной системы автоматического согласования режимов работы обжиговой печи с учетом состава шихты и вида сменной оснастки формообразующего компонента линии формовки полуфабриката.
Система производства пористых строительных материалов на основе керпена включает упомянутое оборудование для подготовки шихты на основе глинистого сырья влажностью около 65%, которое смешивают с вспенивающими добавками на основе карбида кремния дисперсностью 10-300 мкм в указанном массовом соотношении. На прессовом оборудовании линии 3 методом пластического или полусухого формования изготавливают полуфабрикаты одного из видов упомянутых строительных материалов. Обжиг изделий производят в туннельной роликовой печи щелевого типа при средней температуре обжига 1100-1350°С в течение 150-350 мин.
На фиг.2 представлена технологическая схема описанного выше производства, использующая процесс пластического прессования.
На склад сырья поступает глина, нефелиновый концентрат, вспениватель, стеклобой, каолин и глинозем. На подготовительном отделении установлено соответствующее оборудование: глинорыхлитель, камневыделительные вальцы, шахтная мельница, вибромельница, щековая, дробилка, бегуны, две шаровые мельницы, четыре дозатора и два смесителя. На линии формовки полуфабриката установлен вакуум-пресс со сменной оснасткой. Перед конвеерной обжиговой печью с леером установлена линия сушки со средствами для нанесения разделительного слоя. Необходимые технологические связи между элементами указанного оборудования приведены на данной схеме производства целевого продукта из керпена.
Аналогичным образом возможно использование для предложенного производства процесса полусухого формования в соответствии с технологической схемой, изображенной на фиг.3.
На склад сырья в данном процессе поступает глина, цеолит, вспениватель и промышленные отходы, например, стеклобой. Подготовительное отделение содержит следующее оборудование: глинорыхлитель, камневыделительные вальцы, две шахтные мельницы, вибромельницу, щековую дробилку, бегуны, четыре дозатора и бегуны-смесители. Линия формовки содержит пресс полусухого формования со сменной оснасткой. Необходимые связи между элементами указанного оборудования также приведены на данной технологической схеме.
Сочетание легкости, малой теплопроводности с достаточно высокой конструкционной прочностью стеклокристаллической пенокерамики (керпена) позволяет получать с использованием предложенной гибкой системы производства теплозоляционные и конструкционные изделия самого различного назначения. При плотности стандартного кирпича марки 150 и 75, соответственно 1900 и 1700 кг/куб.м, материал керпен может иметь плотность от 300 до 550 кг/куб.м. При этом предел прочности кирпича данных марок на сжатие равен, соответственно, 15 и 7,5 МПа, тогда как у керпена он составляет от 3 до 12 МПа. Теплопроводность кирпича составляет около 0,8 Вт/мК, тогда как у керпена 0,2-0,3 Вт/мК, при этом морозостойкость кирпича 25 и 15 циклов соответственно, а у керпена достигает 50 циклов. Вследствие низкой плотности, блоки для малоэтажного строительства из керпена могут иметь при массе 3-6 кг размеры, в 6 и более раз превышающие размеры стандартного кирпича, что немаловажно для снижения затрат на производство и строительство.
Вес здания при малоэтажном строительстве коттеджей можно снизить в 2-3 раза при одновременном увеличении термосопротивления стеновых ограждений, что является решающим фактором для экономии топлива при эксплуатации зданий и снижения капитальных затрат на их постройку. Гибкая система производства строительных материалов и изделий на основе стеклокристаллической пенокерамики может найти применение на местных предприятиях по изготовлению конструкционных и теплоизоляционных изделий, в том числе, для строительства сооружений гражданского и промышленного назначения.
На оборудовании предложенной гибкой системы производства можно вырабатывать современные строительные изделия и материалы, отличающиеся широкой номенклатурой и высокими потребительскими характеристиками, в том числе, стеновой кирпич и блоки, фасадный стеновой и стеновой облицовочный или глазурованный кирпич, различные виды облицовочной плитки, облегченная и утепленная черепица, теплоизоляционные панели, блоки и многое другое.
Одним из важнейших преимуществ предложенной системы является то обстоятельство, что смена выпуска изделий той или иной номенклатуры осуществляется не путем изменения технологической цепочки, а лишь переналадкой режимов работы некоторых агрегатов и использования сменной оснастки при реализации возможности полной автоматизации и механизации производства.
Основные технологические принципы создания системы производства изделий из стеклокристаллической пенокерамики основаны на результатах экспериментальных и проектно-конструкторских разработок, выполненных в разное время в ИВТ РАН с участием НИИ Стройкерамика, ВЗИСИ и других организаций. Основные технологические схемы производства указанной продукции из керпена были опробованы на Кучинском опытно-керамическом заводе.
Стеклокристаллическая пенокерамика (керпен) и строительные изделия из керпена являются новейшим достижением строительной и производственной индустрии. Производство изделий из керпена перспективно по многим технологическим и экономическим показателям. Изделия из керпена по комплексу характеристик и номенклатуре возможной продукции могут оказаться вне конкуренции на современном рынке строительных материалов.