ЛИНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЕНОКЕРАМИКИ

Полезная модель относится к области производства пористых строительных материалов, более конкретно, к линии для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики, являющейся продуктом обжига глинистых смесей, и может найти применение при производстве из местного сырья широкой гаммы сравнительно дешевых конструкционных, стеновых и теплоизоляционных изделий для строительства сооружений гражданского и промышленного назначения.
Известна система производства строительных керамических материалов для изготовления облицовочных плит, содержащая оборудование для подготовки шихты, включающей глинистый компонент, кварцевый песок, плиточный бой и отходы тальковых карьеров, линию формовки полуфабриката и обжиговую печь (см. авторское свидетельство СССР №1211241, опублик. 1983 г.).
К недостаткам известной системы производства строительных керамических материалов можно отнести сравнительно малую производительность и низкие теплоизоляционные свойства производимых изделий, связанные, в том числе, с высокой плотностью получаемого строительного керамического материала.
Известна линия для изготовления керамических изделий, преимущественно, в виде плиток, содержащая средства для подготовки шихты на основе пирофиллитового сырья и каолина, оборудование для формовки полуфабрикатов плиток и их термической обработки (см. патент РФ №82213, опубл. в бюл. №11, 2009).
Известная линия содержит первую обжиговую печь для технологического обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья при температуре 1100-1200°C, вторую обжиговую печь туннельного типа для обжига полуфабрикатов изделий при температуре 1200-1300°C и автоматизированный участок подготовки шихты и формовки, содержащий оборудование для грубого помола ингредиентов до фракции 5-0,5 мм, их тонкого помола до фракции 50-5 мкм и оборудование для смешивания указанных ингредиентов при соотношении, % масс: кварц-пирофиллит 35-50, каолин - остальное, причем агрегаты полусухого формования, снабжены сменной оснасткой для получения огнеупорных изделий различной номенклатуры
Использование известной линии при изготовления изделий промышленного назначения сопряжено с повышенными эксплуатационными затратами, связанными с использованием двух высокотемпературных печей для технологического обжига кварц-пирофиллитового сырья и для обжига полуфабрикатов изделий.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является линия для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики, содержащая средства для подготовки шихты, формовки полуфабриката и обжига в туннельной газопламенной печи щелевого типа (см. патент РФ №60517, опублик. 27.01.2007, бюл. №3 - прототип).
Особенностью известного устройства для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики, является то, что средства для подготовки шихты и формовки содержат оборудование для помола, смешивания и формовки полуфабриката на основе легкоплавких глин, стеклокристаллических наполнителей и неорганических газообразующих добавок, туннельная обжиговая печь выполнена с возможностью регулирования скорости обжига полуфабриката по изменению его объемных параметров, для этого по длине и сечению печи, преимущественно в области газообразования неорганических добавок в массе полуфабриката, установлены датчики для измерения его температуры и расстояния от свода печи до наружной поверхности полуфабриката, выходы датчиков соединены через блок обработки сигналов с входом первого блока управления режимами работы печи, выходы которого соединены с входами группы вторых блоков управления режимами работы газопламенных горелок и с входом третьего блока управления регулируемым приводом роликового транспортера печи.
Оборудование для подготовки шихты в известном устройстве выполнено с возможностью помола суглинка легкоплавких глин, стеклопорошка и газообразующего карбида кремния до дисперсности 10 - 300 мкм и их смешивания при следующем соотношении компонентов, мас.%: суглинок 50-98, стеклопорошок 1,0-49, карбид кремния 0,05-0,7.
Решаемой задачей полезной модели является создание эффективной и сравнительно простой в эксплуатации линии для изготовления строительных и теплоизоляционных изделий различной номенклатуры из стеклокристаллической керамики имеющей пористую структуру. Дополнительной к названной является задача максимального использования существующего высокотехнологичного оборудования и создание сравнительно недорогой и удобной в использовании технологической оснастки для обеспечения функционирования указанной линии.
Достигаемый технический результат заключается в увеличении производительности линии и снижении эксплуатационных затрат при одновременном повышении качества изготовления строительных и теплоизоляционных изделий различного назначения из дешевых видов природного пирофиллитового сырья и местных глин. Вспениватель - карбид кремния заменяется карбидом титана, обладающим более высокими пенообразующими свойствами.
Указанные задача и технический результат достигаются тем, что в линии для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики, содержащей средства для подготовки шихты и формовки полуфабриката, туннельную обжиговую печь с роликовым транспортером, согласно полезной модели, указанные средства содержат автоматизированное оборудование для грубого и тонкого помола необработанного или обожженного пирофиллита, оборудование для формирования суспензии глины месторождения Алексеевское и накопительную емкость для неорганических газообразующих добавок, преимущественно, в виде карбида титана, выходы которых через дозаторы, устройство для автоматического смешивания компонентов шихты и транспортирующее средство соединены с входом участка формовки полуфабрикатов изделий, включающего автоматически управляемое оборудование для заполнения и уплотнения типовых форм, выполненных в виде керамических коробов для полусухого или пластического формования, изготовленных на основе электрокорунда и муллита на химической, преимущественно, фосфатной связке, причем туннельная обжиговая печь выполнена в виде газопламенной печи щелевого типа с верхним и нижним размещением горелок относительно транспортера, ролики которого выполнены во входной и хвостовой частях печи из жаростойкой углеродистой стали, а в средней -из муллиткорунда и карборунда с возможностью поддержания в средней части печи рабочей температуры 1100-1200°С.
Кроме того, оборудование для грубого и тонкого помола необработанного или обожженного пирофиллита может быть выполнено с возможностью его помола до дисперсности 1-300 мкм, накопительная емкость может содержать карбид титана дисперсностью 10-100 мкм, а устройство для автоматического смешивания может быть выполнено с возможностью обеспечения следующего соотношения компонентов шихты, мас.%: пирофиллит 50-88, глина 11-49, карбид титана 0,05-1,0.
Такое выполнение линии для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики позволяет решить поставленную задачу повышения ее производительности и эффективности за счет использования современного легко налаживаемого оборудования, сравнительно дешевого пирофиллитового сырья и местных глин.
В предложенной линии, благодаря наличию транспортируемых в туннельной обжиговой печи с роликовым транспортером типовых форм, выполненных в виде керамических коробов для полусухого или пластического формования, изготовленных на основе электрокорунда и муллита на химической, преимущественно, фосфатной связке, отсутствует необходимость механической доработки геометрических параметров изделий, по крайней мере, по двум координатам, тогда как известном устройстве свободно размещенные на роликовом транспортере обжиговой печи полуфабрикаты изделий претерпевают в процессе обжига значительное нерегулируемое изменение объема с неравномерностью получаемых размеров по трем координатам до 10% и более.
В части снижения стоимости изготовления строительных и теплоизоляционных изделий из местного сырья, упрощения эксплуатации линии и повышения качества получаемой продукции предложенное техническое решение имеет преимущества по причине использования более дешевых видов природного необработанного или обожженного пирофиллита, глины месторождения Алексеевское и сравнительно не дорогих эффективных неорганических газообразующих добавок в виде карбида титана, обладающего сравнительно высокими пенообразуюшими свойствами. Предложенная полезная модель позволяет получать высококачественные огнеупорные изделия строительного назначения различных форм и размеров с гарантированными структурными, геометрическими, механическими и теплофизическими свойствами.
На экспериментальной базе в БГПУ им. М. Акмуллы было выяснено, что для повышения качества целевых изделий в состав шихты следует включать необработанный или обожженный пирофиллит в смеси с глинами месторождения Алексеевское и неорганическими газообразующими добавками, преимущественно, в виде карбида титана. На основе многочисленных опытных данных определено, что помол компонентов шихты, в частности, пирофиллита и карбида титана целесообразно осуществлять вплоть до предельно высоких уровней дисперсности в единицы мкм, а со стороны нижних значений - до 300 мкм при допустимых значениях соотношений указанных компонентов. В частности, для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата доля пирофиллита может составлять от 50 до 88 мас.%, а доля глины месторождения Алексеевское от 11 до 49 мас.%.
При этом доля неорганических газообразующих добавок, например, в виде часто применяемого карбида титана может составлять весьма незначительную величину от 0,05 до 1,0 мас.%, что способствует снижению затрат на получение целевого продукта. Рабочая температура туннельной газопламенной печи для получения в изделиях структуры стеклокристаллической пенокерамики должна поддерживаться в средней части печи в диапазоне 1100-1200С, более точное значение указанной температуры находится опытным путем в зависимости от конкретного состава шихты и теплофизических характеристик полуфабриката.
Приведенные данные являются необходимыми и достаточными для повышения качества получаемых изделий со структурой етеклокристаллической пенокерамики. Для достижения упомянутого технического результата также целесообразно использование в линии средств для формовки полуфабриката в виде керамических коробов указанного состава для полусухого или пластического формования, а также выполнение туннельной газопламенной печи с верхним и нижним размещением горелок относительно транспортера полуфабрикатов изделий, ролики которого могут быть выполнены во входной и хвостовой частях печи из жаростойкой углеродистой стали, в средней из муллиткорунда и карборунда.
Использование в данном устройстве указанного оборудования обеспечивает необходимый состав компонентов, их тщательное фракционирование, перемешивание до гомогенного состояния, формование полуфабриката и последующий обжиг на характерных участках рабочего пространства печи, в которых происходят процессы вспенивания газообразующих добавок и кристаллизации пор в матрице обжигаемого материала. При этом необходимое изменение температуры обжига обеспечивается изменением расхода газа в горелках печи и скорости транспортировки обжигаемых изделий. После обжига отформованного полуфабриката глинистый компонент образует основу для образования керамической матрицы пористого материала.
Стеклокристаллическая фаза в промежутках и стенках пор при этом формируется за счет выделения стеклофазы из составляющих компонентов глины и пирофиллита. Карбид титана в соответствующих дозах при различных температурных режимах обжига обеспечивает вспенивание матрицы до заданной пористости.
Необходимым условием обжига полуфабриката для получения указанных изделий из стеклокристаллической пенокерамики является выполнение обжиговой печи в виде газопламенной туннельной роликовой печи щелевого типа, так как только такое решение позволяет обеспечить более равномерное температурное поле по сечению рабочего объема и минимальные энергетические потери при производстве пористых материалов. Туннельная обжиговая печь имеет соответствующие особенности в конструкции роликового транспортера, горелок и системы корректировки температурного режима. Регулировка степени пористости обжигаемого материала в этих условиях может обеспечиваться изменением расхода горючего газа в различных газовых горелках, изменением скорости транспортировки изделий в реальном масштабе времени, а также выбором шага и углов установки горелок.
Оборудование для помола компонентов шихты дисперсностью менее 10 мкм отличается повышенной сложностью и стоимостью, а увеличение фракционного состава смеси компонентов более 300 мкм может привести к отсутствию пористости в локальных областях объема получаемого изделия. При этом указанные диапазоны соотношения компонентов пирофиллита, глины и газообразующего карбида титана, как было отмечено, определены экспериментально и являются оптимальными для достижения технического результата и решения поставленной задачи.
Предложенное выполнение линии позволяет создать высокопроизводительную технологию изготовления серии теплоизоляционных и строительных изделий различного назначения из стеклокристаллической пенокерамики плотностью 0,3-0,6 т/куб.м. В результате использования указанных конструктивных и технологических особенностей оборудования в предложенной линии становится возможным повышение скорости обжига изделий по сравнению с известными системами. Опытная отработка условий приготовления и обжига полуфабрикатов в предложенной линии обеспечивает также высокое качество получаемых изделий с указанными характеристиками по плотности, прочности, водонепроницаемости, теплопроводности и морозостойкости.
На фиг.1 приведена блок-схема линии для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики.
Линия содержит участки 1, 2, 3 с оборудованием для подготовки шихты, формовки полуфабрикатов изделий и их термической обработки. Участок 1 подготовки шихты из пирофиллитового и глинистого сырья включает автоматизированное оборудование для грубого 4 и тонкого 5 помола пирофиллита, а также оборудование 6 для подготовки глины к смешиванию с молотым пирофиллитом. Оборудование 4 может содержать дистанционно управляемые щековые дробилки и виброситовые устройства, которые обеспечивают сухой грубый помол пирофиллитового сырья вплоть до фракции 10-1 мм. Оборудование 5 может включать автоматически управляемые шаровые мельницы для сухого и мокрого тонкого помола пирофиллита до фракции 10 мкм, а в некоторых случаях - до 1 мкм. Дозаторы 7 обеспечивают требуемое по технологии соотношение ингредиентов на входе в устройство 8 для автоматического смешивания шихты заданного состава в виде однородной смеси указанных ингредиентов. Третий вход устройства 8 соединен через дозатор с накопительной емкостью 9 для регулируемой подачи в шихту в указанном количестве добавки в виде газообразующего карбида кремния дисперсностью 10-100 мкм.
Выход участка 1 по готовой шихте через дозатор соединен с входом участка 2, содержащего автоматически управляемое оборудование 10 для формования полуфабрикатов изделий нескольких типоразмеров в рабочем объеме множества типовых форм, выполненных в виде керамических коробов 11, изготовленных на основе электрокорунда и муллита на химической, преимущественно, фосфатной связке. Оборудование 10 может включать прессовое, экструзионное или иное специализированное оборудование для полусухого или пластического формования полуфабриката, а также сменную оснастку (не показаны) для расширения номенклатуры изделий.
Выход участка 2 посредством ленточного транспортера соединен с входом участка 3, содержащего автоматизированное оборудование для термической обработки полуфабрикатов изделий, поступающих из участка 2. Оборудование участка 3 включает сушильную камеру 12, туннельную газопламенную печь 13 с верхним и нижним размещением горелок 14 относительно отформованных полуфабрикатов изделий 15 и леер для отжига выходящих из печи 13 изделий. Сушка полуфабрикатов изделий на сушильном оборудовании 12 осуществляется при температуре 180-220°C, обеспечивающем скорость нагрева порядка 5°C/мин и выдержку в течение около двух часов для полного удаления из полуфабрикатов изделий влаги.
Для обеспечения необходимого температурного и временного режима обжига полуфабрикатов изделий ролики транспортера во входной и хвостовой частях печи 13 выполнены из жаростойкой углеродистой стали, а в средней - из муллиткорунда и карборунда. Выход газопламенной туннельной роликовой печи щелевого типа посредством транспортера соединен с входом леера 16 для отжига и снятия внутренних напряжений в материале изделий. Коммуникации и оборудование участков 1, 2, 3 могут быть оснащены автоматизированными системами управления технологическим процессом (не показаны) для обеспечения функционирования линии и корректировки времени подготовки шихты, формовки полуфабрикактов и обжига целевых изделий в реальном масштабе времени.
Линия для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики функционирует следующим образом.
Из складских помещений (не показаны) концентрат пирофиллитового сырья в необходимых количествах с произвольным фракционным составом транспортируют на вход участка 1. На площадке участка 1 с помощью оборудования 4 осуществляют независимый грубый сухой помол компонентов шихты сначала в щековой дробилке до фракции 50-10 мм и затем в виброситовом устройстве (не показаны) до фракции 10-0.5 мм. После этого на шаровых мельницах 5 участка 1 выполняют тонкий сухой и затем мокрый помол упомянутой части пирофиллитового сырья до фракции 10 мкм, а в отдельных случаях, по заданию заказчика, - до фракции 5-1 мкм. Одновременно на вход участка 1 к подают глину из месторождения Алексеевское, обладающую сравнительно низкими стоимостью и температурой обжига, при которой происходит выделение в матрице обжигаемого материала образование стеклофазы. На оборудовании 6 обеспечивается формирование глинистой суспензии заданных однородности, плотности и влажности.
Подготовленные компоненты шихты через дозаторы 7 в указанном соотношении (пирофиллит - 65 мас.% и глина месторождения Алексеевское - 34,5 мас.%) поступают на вход в устройство 8 для их автоматического смешивания в виде однородной смеси указанных ингредиентов. Одновременно из накопительной емкости 9 через дозатор осуществляется подача в шихту в количестве 0,5 мас.% добавки в виде газообразующего карбида титана дисперсностью 10-20 мкм, в отдельных случаях его дисперсность обеспечивают в пределах 10-1 мкм. Гомогенная шихта указанного состава поступает посредством транспортирующего средства (не показано) на вход участка 2 для формовки полуфабрикатов изделий. При этом автоматически управляемое оборудование 10 (прессы, экструдеры, сменная оснастка и др.) обеспечивают заполнение и уплотнение типовых форм, выполненных в виде керамических коробов 11 для формования в их объеме полуфабрикатов изделий заданных типоразмеров. Подготовленные полуфабрикаты транспортируют на заданное время сначала в устройство для сушки 12, а затем в туннельную газопламенную печь 13 с рабочей температурой в средней части 1150°C, после чего готовые изделия 15 транспортируют на вход леера 16 для отжига выходящих из печи 13 изделий 15.
Готовые изделия из стеклокристаллической пенокерамики имеют следующие технические характеристики: предел прочности при сжатии - не менее 35 МПа, термостойкость (200°C) не менее 50 циклов, температура применения от - 45 до +60°C. Строительные и теплоизоляционные изделия по данной технологии могут быть изготовлены в виде прямоугольных блоков, пластин, призматической, цилиндрической или иной формы для строительства зданий и сооружений, при использовании в качестве эффективной теплоизоляции теплотрасс и др.
Следует отметить, что основные технические характеристики целевых изделий, изготовленных с использованием предложенной линии, при прочих равных условиях, соответствуют лучшим образцам аналогичных изделий, выпускаемых современными керамическими предприятиями. В каждом конкретном случае реализации линии ингредиенты шихты могут выбираться в различных количественных соотношениях, определяемых указанными условиями и техническим заданием. На оборудовании предложенной линии можно вырабатывать современные изделия, отличающиеся широкой номенклатурой и высокими потребительскими характеристиками при реализации возможности полной автоматизации и механизации производства.
При этом на начальном, среднем и конечном участках печи 13, длиной, соответственно 6, 10 и 4 м газовые горелки 14 обеспечивают различную рабочую температуру. Экспериментально было определено, что для получения материала изделий в виде стеклокристаллической пенокерамики, на начальном участке она должна возрастать до 1150 C, па среднем удерживаться на указанном уровне, а на конечном - снижаться до 500 C, после чего изделия 15 поступают на роликовый транспортер леера 11 для отжига. Режим обжига по времени в данном устройстве для получения стеклокристаллической фазы и заданного уровня пористости изделий 15 должен с высокой точностью поддерживаться в границах указанного температурного графика.
Реализация предложенного технического решения для изготовления изделий с указанными свойствами предполагает первоначальный нагрев в печи 13 полуфабриката до максимальной температуры за 40 мин, обжиг при температуре 1150 C - в течение 60 мин, а снижение температуры изделий в печи до 500 C - в течение 20 мин. Указанные режимы определяют также скорость транспортировки изделий и длину печи. Общее время, необходимое для скоростного обжига в данном устройстве при высоком качестве каждого изделия, может составлять от !,5 до 2,5 часа, тогда как в известных печах - несколько десятков часов. Стеклокристаллическая фаза в промежутках и стенках пор при этом формируется, преимущественно, за счет выделения стеклофазы из составляющих компонентов глины. Карбид титана в соответствующих дозах при различных температурных режимах обжига обеспечивает вспенивание матрицы до заданной пористости.
Пеноматериалы на основе стеклокристаллических композиций имеют плотность 350-600 кг/куб. м, характеризуются низкой теплопроводностью (0,2-0,4 Вт/м.К) и приведенной прочностью, более высокой, чем у кирпича марки 150. По этой причине применение, производимых по данной технологии, материалов позволяет снизить вес стеновых и технологических конструкций в несколько раз при одновременном увеличении их теплового сопротивления, к снижению затрат на укладку блоков, снижению расхода цемента и др. Сочетание легкости, малой теплопроводности с достаточной конструкционной прочности делает эти материалы перспективными для гражданского и промышленного строительства.
Первые технологические решения по созданию аналогичных устройств и систем для изготовления изделий из пенокерамики основаны на результатах экспериментальных и опытно-конструкторских разработок, выполненных в разное время ИВТ РАН с участием БГПУ им. М.Акмуллы, НИИ Стройкерамика, ВЗИСИ и других организаций. Одна из схем подобного типа для производства изделий в виде теплоизоляционных блоков была опробована на Кучинском опытно-керамическом заводе, на основе дешевых видов природного глинистого сырья с химическим составом, отвечающим примерно составу легкоплавких глин Ваховского карьера Нижне-Вартовского месторождения и глин Подмосковья.
Основные технологические принципы создания предложенной линии для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики основаны также на результатах экспериментальных и проектно-конструкторских разработок, выполненных в разное время в БГПУ им. М. Акмуллы, Уфимском ГУЛ «БашНИИстрой» с участием ИПСМ РАН РБ и других организаций. Основные технологические схемы производства указанной продукции также были опробованы на ряде промышленных предприятий, в том числе, на ОАО «Бельзан», ОАО «ДАЗ», на предприятиях ООО «ПФГК Страк-такт» и др.
Предложенное выполнение линии для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики позволяет создать ряд высокопроизводительных технологий для изготовления серии теплоизоляционных и строительных изделий различного назначения с высокими характеристиками по прочности, плотности, водонепроницаемости, теплопроводности и морозостойкости. В результате использования указанных конструктивных и технологических особенностей предложженной линии становится возможным значительное повышение скорости обжига изделий по сравнению с известными низкоскоростными системами обжига подобных изделий.
Система комплексного производства строительных материалов и изделий на основе предложенного технического решения может найти применение на местных предприятиях по изготовлению конструкционных и теплоизоляционных изделий для строительства сооружений гражданского и промышленного назначения, в том числе, теплоизоляционных строительных материалов, изделий в виде легких строительных блоков и кирпичей для строительства коттеджей, несущих конструкций, строительных плит, теплоизоляционных труб и др. В новой технологии возможно также использование кроме легкоплаких глин и пирофиллита других видов дешевого местного сырья (перлитов, цеолитов, базальтов) и отходов промышленности (стеклобой, вскрышные породы, отходы шлифовки стеклоизделий, шлаки), что обеспечивают решение важных проблем энерго- и ресурсосбережения при массовом производстве строительных материалов.
Стеклокристаллическая пенокерамика и изделия из нее являются новейшим достижением строительной и производственной индустрии. Производство таких материалов и изделий перспективно по многим технологическим и экономическим показателям, а по комплексу характеристик и номенклатуре возможной продукции изделия из пенокерамики могут оказаться вне конкуренции на современном рынке строительных материалов.
Предложенная линия для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики является перспективной по многим технологическим и экономическим показателям, в том числе, по комплексу характеристик и номенклатуре возможной продукции, которая может оказаться вне конкуренции на современном рынке изделий такого рода. Предложенная линия может быть внедрена на предприятии, оснащенном стандартным оборудованием керамического производства и необходимым количеством сменных формообразующих элементов.