УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЕНОКЕРАМИКИ

Полезная модель относится к области производства пористых строительных материалов, более конкретно, к устройству для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики, являющейся продуктом обжига глинистых смесей, и может найти применение при производстве из местного сырья 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, 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 керамического материала.
Наиболее близким техническим решением является устройство для производства пористого керамического материала, содержащее средства для подготовки шихты на основе глинистого сырья, оборудование для формовки полуфабриката, обжиговую печь с роликовым транспортером и блоки управления режимами ее работы (см. авт. св. СССР №1470693, 1989 г. - прототип).
Получаемый с помощью данного устройства пористый керамический материал (пеностекло) включает продукт обжига глинистого компонента, стеклокристаллической фазы и газообразующих добавок. К недостаткам известного устройства можно отнести малую производительность, связанную с сравнительно высоким временем обжига полуфабриката, достигающим в обычных условиях десятков часов. При снижении времени обжига полуфабриката из шихты указанного состава в условиях отсутствия корректировки температурных режимов по длине обжиговой печи наблюдается растрескивание получаемых изделий. Кроме того, получаемые в таком устройстве изделия из пористого материала имеют сравнительно большую теплопроводность и малую морозоустойчивость, что сужает область их использования.
Решаемой задачей полезной модели является разработка эффективного устройства, обладающего высокой производительностью при изготовлении строительных и теплоизоляционных изделий различного назначения из материала, имеющего структуру стеклокристаллической пенокерамики (керпена). Другой задачей является использование при производстве указанных изделий дешевых видов природного сырья, в частности, глин Подмосковья и отходов стекольной или металлургической промышленности.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики, содержащем средства для подготовки шихты на основе глинистого сырья и формовки полуфабриката, туннельную обжиговую печь с роликовым транспортером и блоки управления режимами ее работы, согласно полезной модели, 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.
Кроме того, оборудование для подготовки шихты может быть выполнено с возможностью помола суглинка легкоплавких глин, стеклопорошка и газообразующего карбида кремния до дисперсности 10-300 мкм и их смешивания при следующем соотношении компонентов, % масс.: суглинок 50-98, стеклопорошок 1,0-49, карбид кремния 0,05-0,7, причем средства для формовки полуфабриката могут содержать оборудование для полусухого и\или пластического формования, туннельная обжиговая печь может быть выполнена газопламенной или мазутной щелевого типа с верхним и нижним размещением горелок относительно транспортера, ролики которого выполнены во входной и хвостовой частях печи из жаростойкой углеродистой стали, в средней - из муллитокорунда и карборунда, а средства для отжига изделий могут содержать леер последовательного или параллельного действия.
Использование в данном устройстве указанного оборудования обеспечивает необходимый состав компонентов, их тщательное фракционирование, перемешивание до гомогенного состояния, формование и последующий обжиг. Датчики и блоки управления работой печи обеспечивают эффективную обратную связь по температуре обжига полуфабриката и его объемным параметрам на характерных участках рабочего пространства печи, в которых происходит процесс вспенивания газообразующих добавок и кристаллизации матрицы обжигаемого материала. При этом недостаточное или избыточное вспенивание образцов полуфабриката в данной зоне по длине или ширине печи приводит, соответственно, к увеличению или уменьшению расхода газа в горелках этой зоны и к необходимому изменению температуры обжига и скорости транспортировки обжигаемых изделий.
После обжига отформованного полуфабриката суглинок легкоплавких глин образует основу для образования керамической матрицы пористого материала. Стеклокристаллическая фаза в промежутках и стенках пор при этом формируется как за счет выделения стеклофазы из составляющих компонентов суглинка, так и преимущественно из стеклопорошка, входящего в состав исходной массы. Карбид кремния в соответствующих дозах при различных температурных режимах обжига обеспечивает вспенивание матрицы до заданной пористости.
Необходимым условием создания скоростной системы обжига для получения изделий из стеклокристаллической пенокерамики является также выполнение обжиговой печи в виде 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 по этой причине имеет указанные особенности в конструкции роликового транспортера, в расположении горелок и в системе корректировки уровня кристаллизации и пористости материала. Регулировка степени пористости обжигаемого материала в этих условиях может обеспечиваться изменением расхода горючего газа в различных газовых горелках, изменением скорости транспортировки изделий, а также выбором шага и углов установки горелок. Использование системы датчиков и блоков управления для регулировки температурных режимов работы печи по ее длине и, в меньшей степени, по ширине обеспечивает решение указанных задач при скоростной транспортировке полуфабриката в обжиговой печи в реальном масштабе времени.
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 суглинка, стеклопорошка и газообразующего карбида кремния определены экспериментально и являются оптимальными для решения поставленной задачи.
Такое выполнение устройства позволяет создать ряд высокопроизводительных технологий для изготовления серии теплоизоляционных и строительных изделий различного назначения из нового материала - стеклокристаллической пенокерамики или керпена (плотность 0,3-0,6 т\куб.м) - за счет существенного изменения процесса обжига полуфабриката в туннельной конвейерной печи щелевого типа. В результате использования указанных конструктивных и технологических особенностей устройства становится возможным значительное (в 4-6 раз) повышение скорости обжига изделий по сравнению с известными низкоскоростными системами обжига подобных изделий. Опытная отработка условий приготовления и обжига полуфабрикатов в предложенном устройстве обеспечила скоростные режимы его работы и высокое качество получаемых изделий с указанными характеристиками по плотности, прочности, водонепроницаемости, теплопроводности и морозостойкости.
На фиг.1 приведена блок - схема устройства для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики, на фиг.2 показан поперечный разрез обжиговой печи.
Устройство для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики, (фиг.1) содержит отделение, условно обозначенное поз.1, для подготовки смеси на основе легкоплавких глин, стеклокристаллических наполнителей и газообразующих добавок, включающее помольное и смесительное оборудование (не указано) для грубой и финишной подготовки шихты необходимого для решения поставленной задачи физико-химического и фракционного состава. Поз.2 обозначено отделение, включающее прессовое оборудование (не указано) для полусухого или пластического формования из полученной шихты заготовок полуфабриката изделий определенной конфигурации, например, в виде блоков или плит. Из отделения 2 заготовки поступают в газопламенную туннельную обжиговую печь 3 щелевого типа с роликовым транспортером.
Для предложенного устройства длина печи составляет от 20 до 30 м, что в несколько раз меньше длины аналогичных обжиговых печей. Ролики 4 транспортера печи 3 имеют общий регулируемый блок привода 5, а газопламенные горелки 6, размещенные по длине и высоте печи 3, снабжены блоками 7 для регулирования подачи газа и значит температуры в печи 3. По длине и ширине обжиговой печи 3 со стороны ее свода, преимущественно в области газообразования неорганических добавок в массе полуфабриката, установлены пирометрические и оптические датчики 8 для измерения его температуры в соответствующих точках, а также для измерения расстояния от свода печи 3 до наружной поверхности полуфабриката. Выходы датчиков 8 соединены через блок обработки сигналов 9 с входом первого блока 10 управления режимами работы печи 3, выходы которого соединены с входами группы вторых блоков 7 для регулирования подачи газа и управления режимами работы газопламенных горелок, а также - с входом третьего блока 5 управления регулируемым приводом роликов 4 транспортера печи 3 (на фиг.1 третий блок 5 управления изображен совмещенным с регулируемым приводом роликового транспортера печи). Ролики 4 транспортера могут быть выполнены во входной и хвостовой частях печи из жаростойкой углеродистой стали, а в средней - из муллитокорунда и карборунда. На выходе печи 3 размещено средство для отжига изделий в виде леера 11 последовательного или параллельного действия. На выходе леера 11 имеется отделение 12 с установленным в нем оборудованием (не показано) для резки и калибровки изделий по сортаменту с последующим размещении изделий на складе 13 готовой продукции.
Газопламенная туннельная конвейерная обжиговая печь 3 щелевого типа с верхним и нижним размещением горелок относительно транспортера изображена в разрезе на фиг.2 в увеличенном масштабе. Она содержит ролики 4 транспортера с блоком 5 управляемого привода, установленные на них поддоны 14 для размещения блоков или образцов полуфабриката изделия 15. Газопламенная печь содержит горелки 6 с блоками 7 для регулирования подачи газа и управления режимами их работы. Поддоны 14 могут быть изготовлены из жаростойкого и не прилипающего к полуфабрикату материала, например, с основой из карборунда для их многократного использования. Пирометрические и оптические датчики 8 для измерения температуры поверхности полуфабриката изделия 15 и расстояния от свода печи 3 до его наружной поверхности могут быть выполнены также на основе электромагнитных или лазерных приборов. Поз.16 на фиг.2 обозначены факелы газовых горелок 6. Под и свод обжиговой печи 3 выполнены их термостойкого теплоизоляционного конструкционного шамотного материала. При этом ролики 4 транспортера во входной и хвостовой частях обжиговой печи 3 выполнены из жаростойкой углеродистой стали, выдерживающей температуру 200-600°C, а в средней части печи - из муллитокорунда (1100-1200°С) и карборунда (1200-1400°С). Общая длина туннельной обжиговой печи 3 щелевого типа составляет, в предложенном устройстве, в зависимости от типа обжигаемого изделия, температурных режимов обработки и скорости обжига, от 20 до 30 м, при этом леер 11 имеет более значительную длину - от 50 м, в случае параллельной схемы отжига, и до 200 м - при последовательной схеме охлаждения изделий 15.
Устройство работает следующим образом.
В отделении 1, с помощью помольного и смесительного оборудования, подготавливают гомогенную шихту дисперсностью 20-250 мкм при влажности 65%, на основе дешевого суглинка легкоплавких Подмосковных глин, промышленных отходов стеклобоя и газообразующей добавки карбида кремния при следующем соотношении компонентов, % масс.: суглинок - 82, стеклопорошок - 17,5 и карбид кремния - 0,5.
После формовки блоков полуфабриката в отделении 2 (с использованием метода пластического формования) изделия 15 размещают на поддонах 14 и устанавливают на ролики 4 роликового транспортера, который транспортирует поддоны 14 с полуфабрикатом изделий 15 от входа к выходу обжиговой печи 3. При этом на начальном, среднем и конечном участках печи 3, длиной, соответственно 6, 10 и 4 м газовые горелки 6 обеспечивают различную рабочую температуру. Экспериментально было определено, что для получения материала изделий в виде стеклокристаллической пенокерамики, на начальном участке она должна возрастать до 1150°С, на среднем удерживаться на указанном уровне, а на конечном - снижаться до 500°С, после чего изделия 15 поступают на роликовый транспортер леера 11 для отжига. На выходе из леера 11 остывшие изделия 15 поступают в отделение 12 с установленным в нем оборудованием для резки и калибровки изделий по сортаменту с последующим размещении на складе 13 готовой продукции.
Время пребывания каждого изделия в печи 3 зависит от скорости вращения роликов 4, которая определяется режимом работы регулируемого привода 5 транспортера, совмещенного с третьим блоком 5 управления, в зависимости от сигналов управления от первого блока 10 общего управления режимами работы печи. Управляющие сигналы для третьего блока 5 управляемого привода формируются блоком обработки сигналов 9 в зависимости от показаний датчиков 8, которые локально фиксируют уровень температур и расстояние от поверхности изделия 15 до свода печи 3. Сигналы измерений датчиков 8, в свою очередь, зависят от режимов работы газовых горелок 6, управляемых группой вторых блоков 7 для регулирования подачи газа в горелки. Температура и объем изделий 15 измеряются таким образом, преимущественно, в области газообразования неорганических добавок в массе полуфабриката с помощью пирометрических и оптических датчиков 8, расположенных по длине и ширине обжиговой печи 3.
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 устройства для изготовления изделий с указанными свойствами предполагает первоначальный нагрев полуфабриката до максимальной температуры за 40 мин, обжиг при температуре 1150°С - в течение 60 мин, а снижение температуры изделий в печи до 500°С - в течение 20 мин. Указанные режимы определяют также скорость транспортировки изделий 15 и длину обжиговой печи 3. Общее время, необходимое для скоростного обжига в данном устройстве при высоком качестве каждого изделия, может составлять от 1,5 до 2,5 часа, тогда как в известных печах - несколько десятков часов.
Пеноматериалы на основе стеклокристаллических композиций, полученные с помощью предложенного устройства, 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 типа керпен 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.
Основные технологические и конструкторские решения по созданию предложенного устройства для изготовления изделий из стеклокристаллической пенокерамики основаны на результатах экспериментальных и опытно-конструкторских разработок, выполненных в разное время в ИВТ РАН с участием НИИ Стройкерамика, ВЗИСИ и других организаций. Предложенная схема устройства для производства изделий в виде теплоизоляционных блоков из керпена 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.
Система комплексного производства строительных материалов и изделий на основе предложенного устройства 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. Использование в новой технологии дешевого местного сырья (легкоплаких глин, перлитов, цеолитов, базальтов) и отходов промышленности (стеклобой, вскрышные породы, отходы шлифовки стеклоизделий, шлаки) обеспечивают решение важных проблем энерго- и ресурсосбережения при массовом производстве строительных материалов.
Стеклокристаллическая пенокерамика и изделия из керпена являются новейшим достижением строительной и производственной индустрии. Производство таких материалов и изделий с помощью предложенного устройства перспективно по многим технологическим и экономическим показателям, а по комплексу характеристик и номенклатуре возможной продукции изделия из керпена могут оказаться вне конкуренции на современном рынке строительных материалов.