СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO PRODUCE CERAMIC PRODUCTS AND PROCESS LINE TO THIS END

Изобретение относится к разделу В МКИ «Различные технологические процессы» класс В28В 15/00 и к разделу «С» МКИ «Химия, металлургия» (класс С04В 33/02) и, в частности, к способам изготовлении керамических изделий. Известны способы получения таких строительных материалов как цемент, керамика, керамзит (аналог) [Строительная керамика. Справочник. Под ред. Е.Л.Рохваргера. М.: Стройиздат, 1976, - 493 с. (см. Расчеты керамических масс, с.44-66); Воробьев Х.С., Мазуров Д.Я. Теплохимические расчеты цементных печей и аппаратов. М.: Высшая школа, 1962, - 350 с (см. гл. 6 §1 Химические реакции, температурный режим и технологические зоны. - с.134-137, §2 Тепловые эффекты и теоретический расход тепла: расход тепла, приход тепла, - с.137-143); Онацкий С.П. Производство керамзита. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1987, - 333 с. (см. гл. 3 Основы технологии керамзита. - с.118-240); Глинка Н.Л. Общая химия. Изд. 20-е, испр. - Л.: Химия, 1978, - с.720 (см. с.516. Керамика и с.517. Цемент)], согласно которым, например, при изготовлении кирпича традиционное сырье - глина с добавками других минералов измельчается, перемешивается и увлажняется. Полученную пластичную массу формуют, сушат и подвергают обжигу (обычно при температуре 900°С).
При обжиге происходит спекание, обусловленное химическими реакциями в твердой фазе. Спекание происходит по строго определенному режиму и приводит к получению продукта с заданными свойствами. Основная реакция при обжиге глины может быть представлена следующим уравнением:
2
3
2
2
2
3
2
2
2
3[АlO·2SiO·2НО]→3АlО·2SiO+4SiO+6НО↑
[Глинка Н.Л. Общая химия. Изд. 20-е, испр. Л.: Химия, 1978, - с.720 (см. с. 516. Керамика)].
Наиболее близким аналогом заявленного способа изготовления керамических изделий и технологической линии для его реализации по п.1 и п.2 является способ изготовления керамических изделий, включающий измельчение глинистого сырья до размеров 0,1-5 мм, сушку, разогрев в печи с задержкой в трех термических зонах: 300-400°С; 600-800°С; до 1000-1200°С, загрузку в пресс-форму, после чего осуществляют динамическое прессование изделий. Здесь же раскрыто устройство, содержащее приемный бункер печи (сушило), печь обжига, пресс-форму и пресс (RU 203681 C1, кл. С04В 33/00, опубл. 27.05.1995, ф-ла, с.3, всего 3 с.). Недостатком наиболее близкого аналога является применение ограниченной номенклатуры сырья: только легкоплавких красножгущих глин, применения трех термических зон с задержкой, применения высоких динамических удельных давлений 50-100 МПа с частотой 2 Гц, что затрудняет в значительной мере контроль и управление процессами, особенно в части равномерного распределения компонентов сырья, соблюдения габаритных размеров изделия в результате многократной усадки материала в пресс-форме, не решаются вопросы более гибкого влияния на физико-механические, термохимические и теплоизоляционные свойства керамических изделий, а также применения более широкой номенклатуры сырья. Применение высоких удельных давлений в значительной мере снижает ресурс пресс-форм.
Недостатками известных способов подготовки и обжига является то, что при их изготовлении применяется в значительном объеме ручной труд, а процесс подготовки сырья, сушки, обжига осуществляется преимущественно без применения средств механизации и автоматизации контроля состава сырья, его дозировки, режима сушки и обжига.
Из известных способов наиболее близкими по технической сущности являются способы подготовки и обжига сырья для керамических изделий и устройства для их реализации (прототип), изложенные в [Августиник А.И. Керамика. Изд. 2-е перераб. И доп. Л.: Стройиздат, 1975, - 592 с.], согласно которым широко представлены как отечественные технологии по составлению рациональных керамических масс, по ведению технологического процесса производства керамических изделий, внедрению прогрессивного оборудования, так и широко представлены варианты организации технологических процессов и современное оборудование керамических заводов стран Западной Европы и США. Значительное внимание обращено на природу керамического сырья, на физико-химическую сущность процессов, протекающих при технологической обработке этого сырья, а также на правильное использование научно-технических терминов и определений. В результате этого установились типовые технологические процессы изготовления керамических изделий.
Так, при изготовлении керамических изделий используются следующие типовые технологические процессы [Августиник А.И. Керамика. Изд. 2-е перераб. и доп. Л.: Стройиздат, 1975, - 592 с. (см. Обработка глинистой массы, с.142-151; Технологические характеристики механического оборудования, с.152-157; Формование, с.157-166; Формование ленточным прессом, с. 167-170; Резательные устройства, с.170-174; Механизмы для передачи изделий в сушило, с.174-177; Сушка и сушила, с.177-188; Обжиг, с.182-196; Туннельные печи для кирпича и блоков, с.196-208)]:
- В пластинчатом способе используется следующая последовательность технологических процессов:
- карьер глины;
- автомат резки бруса;
- экскаватор;
- транспортер разрядки;
- автотранспорт;
- автомат-укладчик на рейки;
- утепленный склад;
- аппарат-накопитель;
- кран с грейфером или экскаватор;
- вагонетка-сниматель;
- наклонный пластинчатый транспортер
- передаточная платформа;
- глинорыхлитель двухвальный с
- автомат-штабелер на печную
пароувлажением с добавками через
вагонетку;
бункер и дозаторы;
- промежуточный глинозапасник;
- туннельное сушило;
- пластинчатый транспортер;
- туннельная печь;
- тарельчатый транспортер;
- автомат разгрузки штабелей;
- тарельчатый питатель;
- электропогрузчик;
- ленточный вакуум-пресс
- упаковка штабелей;
- транспортно-погрузочный кран.
- В шликерном способе изготовления керамических изделий используется измененная последовательность технологических процессов:
- карьер глины;
- мембранный насос;
- экскаватор;
- распылительное сушило;
- автотранспорт;
- бункер с дозатором;
- утепленный склад;
- глиносмеситель «сухой»
- кран с грейфером или экскаватор;
- глиносмеситель «мокрый» с
подогревом, влажность 14-16%
- наклонный пластинчатый транспортер;
- ленточный вакуум-пресс
- глинораспускатель;
- вибросито;
далее как по предыдущему способу
- мембранный насос;
- шламбассейн;
Влажность глины при пластинчатом способе производства значением 15-23% позволяет осуществлять прессование на обычных прессах, например 443-А, но требуется организация сушки с перекладкой сырца с сушильных вагонетках на печные.
Устройство для подготовки и обжига сырья для изготовления керамических изделий - прототип [Августиник А.И. Керамика. Изд. 2-е перераб. и доп. Л.: Стройиздат, 1975, - 592 с. (см. с.152-157 Технологические характеристики механического оборудования; с.147-150 Оборудование распылительных сушил; с.150-154 Оборудование для дегидратации глины; с.167-174 Оборудование для формирования заготовок и оборудование для резки бруса на заготовки; с.174-177 Механизмы для передачи заготовок в сушило; с.189-208 Обжиг. Туннельные печи для кирпича и блоков)] содержит в своем составе значительное количество сложного механического и технологического оборудования, отличающегося большими габаритами, металлоемкостью, энергоемкостью и невысокой надежностью.
Так, например, значительный интерес для технико-экономического анализа представляют технологические характеристики для ряда оборудования устройства прототипа:
- Глинорыхлитель типа СМ-1030 (RU) имеет потребляемую мощность 80,0 кВт при производительности 60-70 т/ч;
3
- Смеситель двухвальный лопастной типа СМ246 (RU) для непрерывного и равномерного перемешивания компонентов керамической массы, их увлажнения и паропрогрева имеет потребляемую мощность 40,0 кВт, габариты (L×В×Н) 6225×1630×1200 мм, массу 4,8 т при производительности 35 м/ч;
- Бегуны с переменно-направленным развитием усилий сдвига, сжатия и разрыва типа МКМН-1800 (Чехия) имеют потребляемую мощность 40,0 кВт, габариты (L×В×Н) 4490×3330×3200 мм, массу 25,8 т при производительности 50 т/ч;
- Вакуум-ленточный пресс для прессования глинистой смеси влажностью 20-24% типа СМ-142 (RU) имеет потребляемую мощность от 130,0 до 150,0 кВт, массу 13,7 т при производительности 10 тыс. шт./ч заготовок;
- Резательная установка имеет потребляемую мощность 110 кВт, массу 17 т при производительности 7900 шт./ч заготовок;
3
- Глинопротирочная машина типа СМ671 (RU) имеет потребляемую мощность до 2-5 кВт/м массы, надежность 200 ч работы;
- Сушило:
3
- производства НИИСтройкерамика (РФ), удельный расход тепла 830 ккал/кг испаренной влаги, общий объем сушила 650 м, удельный расход электроэнергии 5 кВт·ч/т влаги;
3
- производства фирмы Dorst (ФРГ), удельный расход тепла 900 ккал/кг влаги, общий объем сушила 216 м, расход электроэнергии 39 кВт·ч.
- Туннельные печи для кирпича и блоков:
3
- производства фирмы «Xappon» (США): производительность 24 млн.шт. в год, длительность обжига 42 ч. Размеры обжигательного канала (L×В×Н) 107×3,2×2 м, объем 685 м, расход топлива 146 кг условного топлива на 1000 шт. условных кирпичей, потребляемая мощность электродвигателями до 80 кВт.
Недостатком способа и устройства, взятых за прототип, является то, что способ изготовления керамических изделий отличается сложным составом трудоемких и затратных технологических процессов, используемое технологическое оборудование в технологической линии для реализации способа отличается значительной металлоемкостью, энергоемкостью, длительностью процесса изготовления готовой продукции и значительной площадью занимаемой территории, а изготавливаемые керамические изделия не обладают требуемыми механической прочностью, температурной стойкостью в рабочем диапазоне температур и теплоизоляционными свойствами.
Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение технологических процессов изготовления керамических изделий, уменьшение металлоемкости, энергоемкости, длительности процесса изготовления готовой продукции и площади занимаемой территории под оборудованием, расширение номенклатуры как применяемого сырья для изготовления керамических изделий, так и возможность изготовления широкой номенклатуры керамических изделий на одной и той же технологической линии: строительных, конструкционных изделий, механические и эксплуатационные параметры которых можно улучшать путем изменения состава основной и дополнительной смесей, специальных добавок, изменяя их концентрации, температуры обжига компонентов, давление, время горячего прессования и охлаждения, используя метод расчета и экспериментальные методы.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в нем также осуществляется подача глины с карьера с помощью экскаватора и автотранспорта в утепленный склад, где содержатся кран с грейфером или экскаватор, наклонный пластинчатый транспортер глинорыхлитель, автомат-укладчик на рейки, электропогрузчик, упаковка штабелей, транспортно-погрузочный кран, согласно предлагаемому изобретению осуществляют дифференцированный обжиг специально подготовленных видов исходного сырья в фонтанирующих четыре параллельных газовых потоках, дифференцируемых вихревым смешением газовых потоков с целью получения однородной по составу и температуре эвтектики смеси компонентов, отделением однородной смеси от газовой составляющей потока, направлением обожженной смеси компонентов шихты на горячую прессовку керамических изделий, а высокотемпературную газовую составляющую направляют на утилизацию тепловой энергии на внутренние нужды: на сушку глиняной смеси, на подогрев глины на складе, в печь обжига и в установку подачи горячего газового потока. При этом процесс подготовки сырья и его дифференцированного обжига состоит из следующих последовательных операций.
В качестве исходного сырья используются:
- любые глины и суглинки, составляющие по объему основное сырье, обладающие непрерывностью по всему объему и составляющие так называемую матрицу композиционного типа;
- дополнительное сырье - известняки, доломиты, кварцевый песок или известь-пушонка, как более тугоплавкие компоненты, необходимые для обеспечения процесса размягчения, которые являются усиливающими и армирующими компонентами;
- специальные добавки для улучшения характеристик керамических изделий. На основе отходящего тепла газовой составляющей потока обжига производится сушка указанных составляющих исходного сырья в сушилах до 3-4% влажности. Затем подготовленные сухие смеси составляющих сырья подвергаются раздельному помолу в шаровых мельницах с размерами частиц до 0,01-0,001 мм, т.е. до физических размеров частиц природной глины, известняковых пород. При этом тонкость помола определяется исходя из требуемой прочности, объемного веса, имеющегося состава сырья. Подготовленные компоненты шихты из раздельных емкостей хранилищ поступают в расходные бункеры дифференцированных обжиговых каналов: в первый канал - глиняная смесь, во второй канал - известковая смесь, в третий канал - доломитовая смесь, в четвертый канал - смесь специальных добавок. Из расходного бункера глиняная смесь непрерывно и дозировано поступает в приемный канал печи обжига, где она под собственным весом движется вниз, нагреваясь до 300-400°С отходящими газами обжигового канала. Внизу печи глиняная смесь попадает (захватывается) мощным газовым потоком с температурой 1700°С и за доли секунд нагревается до температуры 1050-1250°С в зависимости от химического и гранулометрического состава глиняной смеси, затем поступает на вход смесителя вихревого типа. Аналогичный процесс обжига известковой смеси происходит во втором канале, например в своей печи известковая смесь нагревается до 600-800°С, а нагрев в высокотемпературном газовом потоке основного обжигового канала производится до температуры 1400-1700°С и поступает на вход смесителя вихревого типа. В третьем канале доломитовая смесь нагревается в печи до температуры 600-800°С, с выхода печи доломитовая смесь попадает в высокотемпературный газовый поток, где нагревается до температуры 1600°С и поступает в смеситель вихревого типа. Для улучшения эксплуатационных характеристик керамических изделий вводится четвертый канал для нагрева в печи смеси специальных добавок, которые нагреваются в печи до требуемой температуры в зависимости от вида специальной добавки, с выхода печи смесь специальных добавок поступает в высокотемпературный газовый поток, где нагревается в распыленном виде до требуемой температуры, обусловленной видом специальной добавки, и подается в смеситель вихревого типа. В смесителе вихревого типа глиняная, известковая, доломитовая смеси и смесь специальных добавок перемешиваются в вихревом потоке и превращаются в однородную смесь, образуя активную эвтектику с температурой расплава и размягчения часто ниже температуры компонента, имеющего самую низкую температуры плавления. При этом идет процесс новообразований в газовом потоке экзотермического характера. Далее в блоке вертикально расположенных разделительных керамических фильтров происходит отделение газового высокотемпературного потока от однородной смеси компонентов эвтектического типа, которая поступает в пресс-форму для горячего прессования керамических изделий, а отходящие высокотемпературные газы направляются на склад для подогрева, на сушку и на обжиг компонентов сырья. С выхода пресса керамические изделия с температурой 900-1000°С направляются в плазменный напылитель ангобов для их покраски, а затем подвергаются режиму охлаждения по графику, далее упаковываются в штабеля с помощью транспортно-погрузочного крана и отправляются автомобильным или железнодорожным транспортом.
В технологической линии для изготовления керамических изделий, содержащее карьер глины, экскаватор, автотранспорт, утепленный склад, кран с грейфером или экскаватор, наклонный пластинчатый транспортер, глинорыхлитель на входе технологической линии, а также автомат-укладчик на рейки, электропогрузчик, установку для упаковки штабелей, транспортно-погрузочный кран на выходе технологической линии согласно предлагаемому изобретению дополнительно вводятся раздельные утепленные склады соответственно для глиняной, известковой, доломитовой смесей и для смеси специальных добавок и, соответственно, четыре сушила, четыре шаровые мельницы для помола, четыре склада, четыре дозатора, четыре печи обжига для нагрева смесей до требуемой температуры с приемными каналами, четыре генератора высокотемпературных газовых потоков с соответствующей температурой для каждого газового канала для нагрева подаваемой смеси до заданной температуры, смеситель газовых потоков вихревого типа для получения однородной по составу объединенной смеси всех компонентов эвтектического типа, разделительный керамический фильтр объединенной смеси всех компонентов от газовой составляющей потока, пресс-форма для приема обожженной однородной смеси, пресс горячего прессования, плазменный напылитель ангобов, рольганг для охлаждения изделий по графику и автоматизированная система управления и контроля за производственным процессом, кроме того, в технологическую линию для глиняной смеси дополнительно вводится подовое сушило.
Такое сочетание новых признаков с известными позволяет решить поставленную техническую задачу, улучшить способ и технические характеристики заявляемой технологической линии, так как значительно сокращаются затраты тепловой и электрической энергии в связи с исключением процесса увлажнения при размягчении, помоле и формовании сырья с последующей многоступенчатой продолжительной сушкой по удалению высокой влажности (обычно до 50%) с затратой значительного количества воды и связанными с этим затратами энергии оборудования и водопроводных коммуникаций, а также сокращается металлоемкость оборудования, размеры производственных площадей из-за ввода более компактного и эффективного оборудования, получение керамических изделий повышенной механической прочности не только на сжатие, но и на изгиб, кроме того, с повышенными теплоизоляционными свойствами и соответственно повышенной надежностью.
Предлагаемый способ изготовления керамических изделий реализуется с помощью технологической линии, представленного на чертеже.
Технологическая линия для реализации способа изготовления керамических изделий, представленная на чертеже, содержит: утепленные склады 1, 2, 3, 4 для глиняной, известковой, доломитовой смесей и смеси специальных добавок соответственно, с утепленного склада 1 глиняная смесь, составляющая основную массу в керамических изделиях, поступает на подовое сушило 5 с нижним подогревом, с выхода которого глиняная смесь поступает в сушило 6 с температурой сушки 150-200°С, а с утепленных складов 2, 3, 4 известковая, доломитовая смеси и смесь специальных добавок соответственно поступают в сушила 7, 8, 9 с температурой сушки 150-200°С, с выхода сушил 6, 7, 8, 9 компоненты керамической смеси поступают соответственно в шаровые мельницы 10, 11, 12, 13, с выхода которых мелко помолотое и высушенное сырье (3-4% влажности) поступает соответственно на склады 14, 15, 16, 17, с выхода которых компоненты смеси поступают через дозаторы 18, 19, 20, 21 соответственно в печь обжига глиняной смеси 22 с температурой обжига 300-400°С, в печь обжига известкой смеси 23 и в печь обжига доломитовой смеси 24 с температурой обжига 600-800°С, и в печь обжига смеси специальных добавок 25 с требуемой температурой обжига для выбранного вида смеси специальной добавки, с выхода печи обжига 22 обожженная глиняная смесь захватывается в газовом канале 26 горящим газовым потоком с температурой 1700°С, поступающим их газового генератора 27, с выхода печи обжига 23 обожженная известковая смесь массой 5-8% от общей массы смеси захватывается в газовом канале 28 горящим газовым потоком с температурой 2100°С, поступающим из газового генератора 29, с выхода печи обжига 24 обожженная доломитовая смесь массой до 25% от общей массы смеси захватывается в газовом канале 30 горящим газовым потоком с температурой 2100°С, поступающим из газового генератора 31, с выхода печи обжига 25 обожженная смесь специальных добавок захватывается в газовом канале 32 горящим газовым потоком с выхода газового генератора 33, с выходов газовых каналов 26, 28, 30 и 32 высокотемпературные обожженные глиняная, известковая, доломитовая смеси и смесь специальных добавок поступают в газовый смеситель 34 вихревого типа, с выхода которого однородная шихта поступает в разделительный керамический фильтр 35, с одного из выходов которого высокотемпературные газы поступают в разделитель-регулятор подачи газа 36, с выхода которого газы поступают для подогрева в утепленные склады 1, 2, 3, 4, подовое сушило 5, сушила 6, 7, 8, 9, шаровые мельницы 10, 11, 12, 13, в печи обжига смесей 22, 23, 24, 25, а с другого выхода разделительного керамического фильтра 35 однородная смесь эвтектического типа поступает в пресс-форму 37, затем пресс-форма 37 подается под пресс 38, откуда прессованные изделия с температурой 900-1100°С поступают в плазменный напылитель ангобов (цветовая покраска) 39, двигаясь по рольгангу 40, остывают, отдавая тепло путем рекуперации свежему газовому потоку, который после подогрева поступает в газовые генераторы 27, 29, 31, 33. С рольганга 40 готовые изделия поступают на автомат укладки в штабеля и упаковки 41. Автоматизированная система 42 управления и контроля параметров технологических процессов связана цепями управления со всем оборудованием технологической линии, обеспечивая полную автоматизацию способа изготовления керамических изделий.
Способ изготовления керамических изделий реализуется следующим образом. Основные компоненты керамической смеси (см. чертеж): глиняная, известковая, доломитовая смеси и смесь специальных добавок, которые размещаются раздельно на утепленных складах 1, 2, 3, 4. Основной компонент керамической смеси - глиняная смесь размещается на складе 1; известковая смесь, составляющая 5 - 8% от объема керамической смеси, размещается на складе 2; доломитовая смесь, составляющая до 25% от объема керамической смеси, размещается на складе 3; и смесь специальных добавок объемом до 3-5% размещается на складе 4.
Далее компоненты керамической смеси подвергаются обработке по четырем параллельным технологическим линиям с выполнением однотипных технологических операций на однотипном технологическом оборудовании, отличающемся различной производительностью и отдельными технологическими параметрами, например температурой обжигах в печах и в высокотемпературных газовых каналах.
Глиняная смесь, как основная составляющая керамической смеси, привезенная из карьера на утепленный склад 1, предварительно поступает на подовое сушило 5 для подогрева и разрыхления комков в глиняной смеси и для ее предварительной сушки отходящими газами с температурой 150-200°С. С подового сушила 5 глиняная смесь поступает в сушило 6 (например, барабанного типа). Со склада 2 известковая смесь поступает в сушило 7, доломитовая смесь со склада 3 поступает в сушило 8, а смесь специальных добавок поступает со склада 4 в сушило 9. В сушилах 6, 7, 8, 9 указанные смеси подвергаются сушке при температуре 150-200°С до влажности от 2-3% до 3-4%. Подготовленные сухие смеси в каждом канале поступают с сушил 6, 7, 8, 9 на соответствующие шаровые мельницы 10, 11, 12, 13, в которых они подвергаются помолу до размера частиц от 0,01 до 0,001 мм. Мелко помолотые сухие смеси далее поступают соответственно в расходные бункеры 14, 15, 16, 17, откуда сухие смеси поступают непрерывно и дозированно через дозаторы 18, 18, 20, 21 в приемные каналы печей обжига 22, 23, 24, 25 соответственно.
При этом в печи обжига 22 глиняная смесь, двигаясь вниз под собственным весом, нагревается до температуры 300-400°С отходящим газовым потоком, в печах обжига 23 и 24 известковая и доломитовая смеси соответственно нагреваются до температуры 600-800°С также отходящими тепловыми газами, а в печи обжига 25 сухая смесь специальных добавок подвергается обжигу до требуемой температуры в зависимости от выбранного вида специальной добавки.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
2
3
2
2
С выхода печей обжига 22, 23, 24, 25 компоненты керамической смеси: обожженные глиняная, известковая и доломитовая смеси и смесь специальных добавок в газовых каналах 26, 28, 30 и 32 соответственно захватываются горящими газовыми потоками, которые поступают на входы данных газовых каналов с выходов газовых генераторов 27, 29, 31, 33 газотурбинного типа. При этом в газовом канале 26 обожженная глиняная смесь захватывается горящим газовым потоком с температурой 1700°С и за доли секунды обожженная глиняная смесь нагревается до температуры 1050-1250°С в зависимости от химического и гранулометрического состава глиняной смеси. Аналогично обожженная известковая и доломитовые смеси захватываются горящими газовыми потоками с температурой 2100°С, достигаемой за счет сжигания топлива в воздушной смеси, обогащенной кислородом до 80-90%, соответственно в газовых каналах 28 и 30 и за доли секунды нагреваются до температуры 1400-1700°С обожженная известковая смесь и до температуры 1600°С обожженная доломитовая смесь. В зависимости от состава смеси специальных добавок с соблюдением требований их транспортирования выбирается температура нагрева в газовом канале 32, например, такие добавки как смеси: (АlО+ВеО) до 1835°C; (AlO+FeO) до 1330°С; (АlО+MgO) до 1925°С; (АlO+SiO) до 1585°С; (АlО+ZrO) до 1890°С, а составляющие смеси окислы соответственно: АlО до 2050°С; ВеО до 2530°С; FeO до 1375°C; MgO до 2800°С; SiO до 1713°С; ZrO до 2690°С и т.д. [Матусевич И.С. Раскисление и легирование сталей и сплавов химическими активными элементами. М.: Литейное производство, №5, 1973, с.28-29].
С выхода газовых каналов 26, 28, 30 и 32 нагретые до высоких температур обожженные глиняная, известковая и доломитовая смеси и смесь специальных добавок поступают в газовый смеситель 34 вихревого типа, в результате чего на его выходе образуется однородная по всему объему керамическая смесь эвтектического типа. За короткое время с выхода газового смесителя 34 вихревого типа газовая керамическая смесь подается на высокотемпературный разделительный керамический фильтр 35, в котором происходит отделение газов от керамической смеси эвтектического типа. При этом горячие газы с выхода разделительного керамического фильтра 35 поступают через разделитель-регулятор подачи газа 36 в печи обжига, на сушила, шаровые мельницы и утепленные склады соответствующего вида смеси для подогрева компонентов сырья керамической смеси, а однородная керамическая смесь стряхивается со стенок разделительного керамического фильтра 35 в пресс-форму 37.
Следует отметить, что как раз на пути нагрева, протекающем за весьма короткое время (до единиц секунды), компонентов керамической смеси горящими газовыми потоками в газовых каналах 26, 28, 30 и 32, смешении данных компонентов в вихревом потоке газового смесителя 34, разделении газов и однородной по составу в объеме керамической смеси в разделительном керамическом фильтре 35 до попадания керамической смеси в пресс-форму 37, происходят сложные физико-химические процессы, определяющие в основном физико-химические и технико-экономические показатели керамических изделий: механическую прочность, теплоизоляционные свойства, холодоустойчивость, сокращение времени термической обработки с 12-18 часов (в существующих процессах) до 60 с и т.д.
Происходящий сложный физико-химический процесс в газовых каналах 26, 28, 30, 32 (нагрев компонентов до заданной температуры), смешение компонентов исходного сырья в вихревом потоке в газовом смесителе 34 вихревого типа до однородного равномерного распределения компонентов по объему смеси и доведения их до состояния слипания частиц друг с другом, попадание этой смеси в пресс-форму 37 и образование смеси эвтектического типа в момент горячей прессовки с выделением дополнительной энергии величиной до 15 -20%, затраченной на тепловую обработку исходного сырья. Указанный процесс подробно описан в [Физическом энциклопедическом словаре. М.: Изд-во «Советская энциклопедия», т.5, 1966, (см. с.431-432. Эвтектика); Глинка Н.Л., Общая химия, изд. 20-е испр. Л.: Химия, 1978, - 720 с. (см. с.544-553 Диаграммы состояния металлических сплавов); Композитные материалы: Справочник / В.В.Васильев, В.Д.Протасов, В.В.Болотин и др., - М.: Машиностроение, 1990, - 512 с. (см. с.8-14, Общие представления о композитах; РАН Отделение химии и наук и материалах. ФГУ «Российский научный центр «Курчатовский институт»: В.А.Легасов. Химия. Энергетика. Безопасность. М.: Наука, 2007, с.412; Физико-химические свойства окислов. М.: Металлургия, 1978, - 432 с. (в части механических свойств с.193-210; термических свойств - с.120; химических свойств - с.295-363)].
Сущность происходящего сложного физико-химического процесса способа заключается в том, что указанные компоненты смеси различны по массе и геометрическому признаку. При этом один их компонентов - глиняная смесь, обладающая непрерывностью по всему объему, является матрицей, а известковая и доломитовая смеси и смесь специальных добавок являются усиливающими и армирующими компонентами. При этом прочностные свойства изделий в сильной степени зависят от размеров микрочастиц компонентов, формирующих керамику. В качестве усиливающих и армирующих компонентов применяются тонкодисперсионные порошкообразные частицы указанных смесей размерами от 0,01 до 0,001 мм, один из которых обеспечивают возможность образования эвтектики (частицы второго и третьего каналов содержит СаО, образующий лекгоплавкие эвтектики почти со всеми огнеупорными окислами), а другие - смеси специальных добавок обеспечивают прочностные, температурные, кислотные и другие параметры. Целью технологических операций в технологической линии является обеспечение равномерного распределения частиц из второго, третьего и четвертого каналов в матрице (глиняной смеси) первого канала за счет применения дифференцированного обжига в четырех каналах и смесителя вихревого типа при заданных их объемных соотношениях: глиняной смеси - от 70 до 80%; известковой смеси - от 5 до 8%; доломитовой смеси - от 15 до 25% и смеси специальных добавок от 3 до 5%.
m
0
В пределах одного химического и фазового состава смесей в результате различных технологических приемов: изменения состава добавок в четвертом канале, концентраций смесей, температуры, давления и времени прессования и остывания может быть создан целый класс различных керамических изделий повышенной прочности при одновременном обеспечении повышенной теплоизоляции и морозостойкости. Обобщение технологической практики создания керамических изделий показывает, что способом горячего прессования с использованием расплава эвтектического типа можно получить наиболее высокопрочные и высокоплотные материалы. Армирующие компоненты, применяемые в керамических изделиях должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований и выбираться, например, в части окислов из справочника [Физико-химические свойства окислов. М.: Металлургия, 1978, - 432 с.] К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости и т.д. Теоретическая прочность материалов σ возрастает с увеличением модуля упругости Е и поверхностной энергии γ вещества и падает с увеличением расстояния между соседними плоскостями дисперсионных частиц а:
m
0
1/2
σ=(γ·E/a).
Следовательно, для получения высокопрочных изделий необходимо применять компоненты (смеси), имеющие высокие модули упругости и поверхностную энергию вещества и возможно большее число атомов армирующих компонентов в единице объема. Эти требования в прототипе и в наиболее близком аналоге не выполняются, так как в прототипе в качестве дисперсных частиц выступают дислокации глиняной смеси, а в наиболее близком аналоге уменьшение расстояния между частицами и увеличение плотности атомов в единице объема предлагается обеспечить за счет динамического прессования с удельным давлением 50-100 МПа и частотой 2 Гц для частиц размером от 0,1 до 5 мм.
2
2
Требованиям высоких модулей упругости и поверхностных энергий и значениям большого числа атомов в единице объема отвечают следующие элементы: бериллий (Be), бор (В), углерод (С), азот (N), кислород (О), алюминий (Аl), кремний (Si). Наиболее прочные материалы содержат один из этих элементов или такие добавки как карбиды, нитриды, оксиды металлов. Следовательно, механические свойства изделий определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих компонентов, жесткостью матрицы (глиняной смеси) и прочностью связи на границе раздела фаз: матрицы и армирующих компонентов. Соотношения этих параметров температуры, давления, времени прессования характеризуют весь комплекс механических и эксплуатационных свойств изделий.
В жидких эвтектиках обычно присутствуют субмикрогруппировки из атомов каждого компонента. В твердом состоянии эвтектика представляет собой характерное дисперсное пластинчатое, прутковое, зернистое и более сложное, например, при дентритной кристаллизации вещество. Гетерогенное строение эвтектик обуславливает их особые физико-химические свойства. Так, при низких температурах ряд эвтектических сплавов (в данном случае сплав керамической смеси при прессовании) обладают высокими механическими свойствами, обусловленными сочетанием высокой прочности одного из компонентов, например известковой и доломитовой смеси и смеси специальных добавок, с пластичностью другого компонента, например глиняной смеси, данное сочетание выполняет роль вязкой матрицы и препятствует хрупкому разрушению непластичных кристаллов. При высоких температурах твердые эвтектические сплавы проявляют максимальную ползучесть и исключительную пластичность вследствие вязкого течения по развитой граничной поверхности между кристаллами компонентов смеси.
3
Керамическая шихта прессуется в прессе 38 с выдержкой 5-10 с, и давлением до 1 кг/см, затем сформованные изделия, имея температуру 900-1000°С, поступают в плазменный напылитель ангобов 39 для окраски поверхности керамических изделий в требуемый цвет, затем, двигаясь по рольгангу 40, изделие остывает, отдавая тепло посредством рекуперации газов свежему газовому потоку перед подачей его в газовые генераторы 27, 29, 31 и 33. В автомате укладки и упаковки 41 в штабеля готовые изделия укладываются и упаковываются для отправки заказчику.
Обоснование четырехканальной технологической линии изготовления керамических изделий:
2
3
2
2
- первый обжиговый канал решает вопросы сушки, помола глиняной смеси 3[АlO·SiO·2НO] до размера частиц от 0,01 до 0,001 мм, обжига в печи и высокотемпературном газовом потоке до температуры 1050-1250°С и подачи глиняной смеси в смеситель вихревого типа в качестве матрицы композитной смеси;
3
- второй обжиговый канал обеспечивает сушку, помол известковой смеси СаСО до размера частиц 0,01-0,001 мм, обжиг в печи и высокотемпературном газовом потоке до температуры 1400-1700°С и подачу известковой смеси в газовый смеситель вихревого типа в качестве армирующего компонента и компонента для образования легкоплавкой эвтектики с глиняной смесью. Известные составы лигатур, широко применяемые в металлургическом производстве, можно применять в качестве основных и при изготовлении керамических изделий [Матусевич И.С. Раскисление и легирование сталей и сплавов химически активными элементами. М.: Литейное производство, №5, 1973, - с.28-29]; например, следующих лигатур:
2
3
плавл.
АlО(1-й канал)+СаO(2-й канал)→Т=1395°С;
2
плавл.
SiO(1-й канал)+СаO(2-й канал)→Т=1436°С.
Задача второго обжигового канала состоит в обжиге известковой смеси массой 5-8% от массы изделия до температуры 1400-1700°С в течение времени 0,5 с. Это позволяет создать дополнительные физико-химические свойства легирующим добавкам, расчетную температуру общей смеси элементов с образованием легкоплавких соединений (эвтектик), позволяющим в пресс-форме создать термодинамические условия для образования керамического черепка;
3
3
- третий обжиговый канал в целях использования достаточно распространенного сырья - доломитовой смеси (MgCO·СаСО) осуществляет сушку, помол доломитовой смеси до частиц 0,01-0,001 мм, обжиг смеси в печи и высокотемпературном газовом потоке до температуры 1600°С. При этом реализуются следующие лигатуры:
2
плавл.
SiO(1-й канал)+MgO(3-й канал)→эвтектика→Т=1543°С
по массе: (65%)→(35%);
2
плавл.
SiO(1-й канал)+СаO(3-й канал)→эвтектика→Т=1436°С.
по массе: (63%)→(37%);
Применение доломитовой смеси третьего канала позволяет расширить ассортимент сырья, значительно увеличить долю окисла магния MgO, что в значительной мере позволяет уменьшить удельную плотность (массу) изделия в целом дополнительно к армирующим функциям доломитовой смеси и образования эвтектик;
- четвертый обжиговый канал необходим в случае изготовления керамических изделий со специальными свойствами, обеспечивающими повышенные требования к жаростойкости, износостойкости, морозостойкости, кислотостойкости, водостойкости, механической прочности на изгиб и растяжение, например, при изготовлении железнодорожных шпал повышенной надежности для различных климатических зон, высокотемпературных изделий для двигателей внутреннего сгорания, лопаток турбин и т.д.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий:
- Керамические изделия, изготовляемые способом дифференцированной сушки, помола, обжига, нагрева в горящем газовом потоке до заданной температуры основных компонентов керамической смеси с последующим их смешением в газовом смесителе вихревого типа и применением горячего метода прессования, обладают:
3
- повышенной механической прочностью (марок 150-500) во всех направлениях (изотропной прочностной характеристикой - допустимое усилие на сжатие равно допустимому усилию на изгиб и растяжение) и объемным весом от 300 до 3000 кг/м;
- повышенными теплоизоляционными свойствами с коэффициентом теплопроводности от 0,15 до 0,18 Вт/м·град, сравнимым с теплопроводностью сухой сосны;
- малым временем термической обработки исходного сухого сырья, т.е. время сокращается с 12-18 часов в существующих технологических процессах изготовления керамических изделий до 60 с, что позволяет сократить энергетические затраты в 3-4 раза и, соответственно, во столько же раз сокращается количество вредных выбросов в атмосферу.
- Из технологического процесса изготовления керамических изделий исключается вода и связанные с этим затраты на ее подачу, на ее нагрев в глиняной смеси с последующей сушкой изделия с удельным расходом тепла более 740 ккал/кг испаренной влаги.
- При образовании мелкодисперсной смеси эвтектического типа в момент смешения дифференцированных компонентов керамической смеси, разделения однородной по составу высокотемпературной шихты от газов до процесса прессования выделяется дополнительная экзотермическая энергия в размере 15-20% от общей затраченной энергии на тепловую обработку исходных компонентов сырья керамической шихты.
- Технологический процесс производства керамических изделий предлагаемым способом позволяет реализовать его полную механизацию и автоматизацию, значительно улучшить условия труда, его интеллектуальность.
- Весь состав технологического оборудования для изготовления керамических изделий позволяет размещать его компактно на гораздо меньших производственных площадях (до 10% от площади действующих заводов по производству строительных материалов и конструкций).
- Несомненным достоинством способа является высокая доступность и практическая неисчерпаемость исходного сырья для производства наиболее перспективных керамических изделий.
В целом предлагаемый способ изготовления керамических изделий, в том числе и строительной керамики, и технологическая линия для его реализации обеспечивают технический эффект и позволяют производить бесцементное изготовление строительных керамических изделий: от кирпичей до стеновых блоков, плит перекрытий, конструкционных изделий, что позволит в несколько раз сократить расход цемента при одновременном улучшении качества строительства.