ЛИНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КЕРАМИКИ

Полезная модель относится к области производства огнеупорных изделий и материалов, более конкретно, к линии для изготовления трубчатых изделий из керамики и может найти применение при производстве широкой гаммы сравнительно дешевых огнеупорных керамических трубок различного назначения с использованием керамического сырья, в частности, кварц-пирофиллитового сырья и неорганического связующего.
Известна гибкая система производства огнеупорных изделий из стеклокристаллической пенокерамики, включающая отделение подготовки шихты на основе глинистого сырья, линию формовки полуфабриката, обжиговую печь и средства для регулировки режимов ее работы (см. патент РФ №55769, опубл. в бюл. №24, 2006).
Известная система предназначена, преимущественно, для изготовления огнеупорных изделий строительного назначения. Особенностью такой системы является то, что отделение подготовки шихты содержит оборудование для подготовки компонентов шихты на основе легкоплавких глин с дополнительными ингредиентами, преимущественно, в виде стеклокристаллических наполнителей и газообразующих добавок, а обжиговая печь выполнена в виде туннельной конвейерной печи щелевого типа.
К недостаткам известной системы в случае изготовления трубчатых изделий следует отнести сравнительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с использованием для обжига полуфабриката дорогостоящей туннельной конвейерной печи щелевого типа, обеспечивающей температуру в рабочем объеме 1350°С и выше. Кроме того, известная система характеризуется сравнительно низкой скоростью транспортировки полуфабрикатов изделий и значительным разбросом их размеров при увеличении объема неорганического вспенивателя, что ограничивает номенклатуру и производительность производства целевого продукта.
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. Такая линия содержит первую обжиговую печь для технологического обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья при температуре 1100-1200°С, вторую обжиговую печь туннельного типа для обжига полуфабрикатов изделий при температуре 1200-1300°С 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 (см. патент РФ №82213, опубл. в бюл. №11, 2009).
Использование известной линии при изготовления трубчатых изделий также сопряжено с повышенными эксплуатационными затратами, связанными с использованием двух высокотемпературных обжиговых печей туннельного типа, а также с серьезными технологическими ограничениями при производстве длинномерных керамических изделий сложного, в том числе, трубчатого сечения.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья, содержащая участки с оборудованием для подготовки шихты, формовки полуфабрикатов изделий и их термической обработки (см. патент №79886, опубл. в бюл. №2, 2009 - прототип).
Известная система предназначена для изготовления широкой гаммы огнеупорных изделий строительного назначения, в том числе, и керамических изделий в виде труб. Особенностью известной системы является наличие отделения подготовки компонентов шихты, подготовки неорганического связующего, смешивания компонентов шихты и связующего в виде однородной суспензии, формовки полуфабрикатов изделий и их термической обработки.
При этом первое отделение подготовки компонентов шихты содержит последовательно расположенные первый участок для обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья, второй участок для сухого и мокрого помола компонентов шихты по фракциям и третий участок для сушки и повторного дробления коржей тонкомолотых фракций указанных компонентов, второе отделение подготовки неорганического связующего содержит оборудование для получения связующего соответствующей консистенции, выходы первого и второго отделений связаны через указанные третье отделение смешивания и четвертое отделение формовки с входом в пятое отделение термической обработки полуфабрикатов изделий, снабженное оборудованием для их нагрева до температуры 120-1200°С со скоростью 20-100°С/час.
Первый участок первого отделения известной системы может содержать также оборудование для обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья при температуре 1100-1200°С, а второй участок указанного отделения - оборудование для сухого грубого помола компонентов шихты до фракции 10-1 мм и последующего мокрого тонкого помола указанных компонентов до фракции 50-5 мкм, причем третье отделение содержит оборудование для предварительного смешивания различных фракций кварц-пирофиллитового сырья, алюмосиликатного сырья в виде шамота и огнеупорной глины при следующем соотношении компонентов, % масс.: кварц - пирофиллит 40-50, шамот 10-45, огнеупорная глина - остальное.
При создании на базе известной системы линии для изготовления трубчатых изделий из керамики возникают трудности, связанные с достижением высокого качества формовки и обжига трубчатых изделий для их использования, в том числе, в качестве ответственных электроизоляционных элементов узлов и агрегатов, эксплуатируемых в условиях высоких температур. При этом следует обеспечить оптимальный подбор сравнительно недорогих ингредиентов, связующего, наполнителей и модифицирующих добавок. По упомянутым причинам для известной системы достаточно сложно добиться воспроизведения теплофизических параметров и высокой производительности выпуска огнеупорных изделий указанного состава, в том числе, в виде трубок различных типоразмеров и назначения. Как показали экспериментальные исследования авторов, указанные в прототипе условия подготовки шихты для изготовления полуфабрикатов изделий и полученный в результате обжига структурный состав огнеупорных изделий, не обеспечивают эффективности производства недорогих трубчатых изделий с высокими эксплуатационными характеристиками и низкими показателями брака.
Решаемой задачей предложенной полезной модели является повышение эффективности линии для изготовления трубчатых керамических изделий различной номенклатуры из дешевого кварц-пирофиллитового сырья на фосфатном связующем, обладающих гарантированными структурными, геометрическими, механическими и теплофизическими характеристиками. дополнительной к названной задаче является разработка и создание сравнительно недорогого и легко налаживаемого технологического оборудования для изготовления трубчатых изделий различного сечения при использовании сменных формообразующих компонентов.
Технический результат, объективно проявляющийся при осуществлении Предложенной полезной модели, заключается в достижении нескольких конкретных технических результатов: повышения предела прочности трубчатых изделий при сжатии до 50 МПа, термостойкости не менее 50 циклов (по воде), температуры применения до 1 300°С и снижении линейной усадки (не более 0,5 %).Эти результаты являются показателем высокого качества изготавливаемых в предложенной линии изделий из керамики. Оптимальный подбор сравнительно недорогих ингредиентов, связующего, наполнителей и модифицирующих добавок, а также использование ряда сменных формообразующих элементов экструдера, кроме того, обеспечивает, при низких показателях брака. получение длинномерных трубчатых керамических изделий сложного, в том числе, трубчатого сечения с каналами и пазами, которые обладают, по сравнению с известными изделиями, более высокими потребительскими и эксплуатационными характеристиками
0
Указанная задача решается тем, что в линии для изготовления трубчатых изделий из керамики, содержащей участки с оборудованием для подготовки шихты, формовки полуфабрикатов изделий и их термической обработки, согласно полезной модели, первый участок подготовки шихты включает автоматизированное оборудование для грубого и тонкого помола, преимущественно, кварц-пирофиллитового сырья, дозирования и смешивания указанных ингредиентов и фосфатного связующего, причем оборудование второго участка для формовки полуфабрикатов изделий включает, по крайней мере, один поршневой пресс, экструдер, снабженный сменной оснасткой для изменения номенклатуры изделий, средства для сушки и размерной обработки полуфабрикатов изделий, а оборудование третьего участка для их термической обработки включает камерную электропечь, выполненную с возможностью обработки изделий при температуре 650 - 750С.
Кроме того, первый участок подготовки шихты может включать автоматизированное оборудование для грубого помола до фракции 0,5-10 мм и тонкого помола до фракции 1-5 мкм, при этом оборудование для тонкого помола снабжено каналами для подачи оксида алюминия или огнеупорной глины, а оборудование для смешивания указанных ингредиентов и фосфатного связующего выполнено с возможностью дозированной подачи из накопительных емкостей предварительно подготовленного металлфосфатного связующего и модифицирующей добавки в виде тугоплавкого соединения металла.
Кроме того, в состав сменной оснастки экструдера могут входить насадки для формования полуфабрикатов трубчатых изделий различного проходного сечения, по крайней мере, в одной из насадок могут быть установлены дополнительные мундштуки для формования в стенках изделий полых каналов и/или открытых пазов, а средства для сушки полуфабрикатов изделий могут быть выполнены с возможностью их нагрева и выдержки при температуре 180-220 °С.
Такое выполнение линии для изготовления трубчатых изделий из керамики позволяет решить поставленную задачу упрощения и повышения ее эффективности за счет использования сравнительно дешевого кварц-пирофиллитового сырья и термообработки полуфабрикатов изделий из минимально возможного количества ингредиентов шихты при использовании современного легко налаживаемого оборудования. Предложенная полезная модель позволяет получать огнеупорные и электроизоляционные трубки различных длины и диаметров с гарантированными структурными, геометрическими, механическими и тепло- и электрофизическими свойствами.
При этом первый участок подготовки шихты и второй участок формовки и сушки полуфабрикатов изделий обеспечивают автоматизированное проведение грубого и тонкого помола кварц-пирофиллитового сырья, дозирование и смешивание указанных ингредиентов и неорнганического связующего в заданном соотношении для изготовления качественных полуфабрикатов изделий.
Термическая обработка полуфабрикатов трубчатых изделий на оборудовании третьего участка, включающем камерную электропечь, обеспечивает их нагрев до сравнительно низкой температуры в диапазоне 650-750°С. Дополнительное снижение температуры их нагрева менее 650°С, при содержании ингредиентов в указанном диапазоне, не позволяет получить высокопрочные и термостойкие трубчатые изделия различных типоразмеров, а превышение температуры нагрева полуфабрикатов изделий более 750°С связано, в том числе, с дополнительным усложнением конструкции камерной электропечи.
На экспериментальной базе в БГПУ им.М.Акмуллы было также выяснено, что для дополнительного повышения качества шихты, полуфабрикатов и целевых изделий в состав фракции тонкого помола кварц-пирофиллитового сырья следует включать оксид алюминия или огнеупорную глину в количестве 0,1-0,5 от массы исходного сырья данной фракции. Указанное количество является необходимым и достаточным для дополнительного повышения качества материала огнеупоров в составе трубчатых изделий. При этом в связующее, выполненное, например, на основе силикофосфатного связующего, можно включать модифицирующую добавку в виде тугоплавкого соединения металла из группы: алюминий, цирконий или хром, в количестве 0,1-0,3 от массы связующего. Опытные исследования показали, что указанное количество оксида алюминия или огнеупорной глины, а также модифицирующей добавки указанного состава в указанном связующем является оптимальным для дополнительного повышения прочностных и теплофизических свойств трубчатых изделий из керамики. Кроме того, использование в линии на оборудовании для экструзии сменных насадок и дополнительных мундштуков в значительной степени расширяют спектр выпускаемой продукции.
Указанный диапазон фракций грубого и тонкого помола и процентный состав ингредиентов кварц-пирофиллитового сырья по основному пункту притязаний выбран с использованием экспериментальных исследований, проведенных, в том числе, в БГПУ им.М.Акмуллы при создании высококачественных огнеупорных трубчатых изделий указанного состава. Оборудование первого участка для сухого грубого помола компонентов наполнителя должно обеспечить помол до фракции не более 10 мм по причине сложности последующего формообразования и снижения качества полуфабрикатов и обожженных образцов для некоторых видов трубчатых изделий малого диаметра или малой толщины стенок. Грубый помол кварц-пирофиллитового сырья до фракции менее 0,5 мм нецелесообразен из-за превышения затрат на данную операцию и помол всего сырья. Условия последующего мокрого тонкого помола кварц-пирофиллитового сырья до фракции более 5 мкм, в частности, затрудняет получение полуфабрикатов изделий высокого качества при указанном способе пластического формования, а снижение тонкости помола менее 1 мкм связано с резким увеличением основных и дополнительных затрат на данную технологическую операцию.
При получении огнеупорных трубчатых изделий различной номенклатуры в качестве компонентов шихты выбраны кварц-пирофиллитовое сырье грубого и тонкого помола с неорганическим связующим при указанном соотношении ингредиентов, которое было найдено в результате серии экспериментальных работ с участием авторов на базе различных организаций. Указанное содержание кварц-пирофиллитового сырья фракции 0,5-10 мм в количестве менее 60% и тонкой фракции 1-5 мкм в количестве более 30% обеспечивает, для предложенных видов подготовки компонентов наполнителя и вяжущего, благоприятные условия для производства высококачественных огнеупорных изделий с увеличенными диаметром и толщиной стенок. Дополнительное количество тонкой фракции кварц-пирофиллитового сырья вплоть до 55% при содержании грубой фракции 35% и выше при наличии указанного связующего в остатке позволяет расширить диапазон тепловых и физико-механических характеристик огнеупорных трубчатых изделий меньшего диаметра и большей длины.
Ввод связующего в виде водного раствора металлофосфатных соединений, например, на основе фосфатов алюминия, циркония или хрома и включение модифицирующей добавки в виде тугоплавкого соединения соответствующего металла в количестве 0,1-0,3 от массы связующего являются испытанными компонентами шихты для самых разнообразных твердофазных наполнителей, в том числе, и для кварц-пирофиллитового сырья (см. Шаяхметов У.Ш. Фосфатные композиционные материалы и опыт их применения. - Уфа: РИЦ «Старая Уфа», 2001).
Таким образом, предложенное выполнение линии для изготовления тубчатых изделий из керамики на основе кварц-пирофиллитового сырья и неорганического связующего позволяет решить поставленную задачу создания высококачественных огнеупорных трубчатых изделий различной номенклатуры, в том числе, конструкционные и профильные электроизоляционные и конструкционные трубчатые элементы для высокотемпературных агрегатов различного назначения.
При этом предложенная линия может быть внедрена на предприятии, оснащенном стандартным и сравнительно недорогим оборудованием керамического производства, снабженного необходимым количеством сменных формообразующих элементов, что в значительной степени снижает затраты на производство огнеупорных трубчатых изделий различного назначения по сравнению с их производством на аналогичных предприятиях, ориентированных на выпуск однотипной продукции.
На фиг.1 показана принципиальная блок-схема линии для изготовления трубчатых изделий из керамики.
Линия содержит участки 1, 2, 3 с оборудованием для подготовки шихты, формовки полуфабрикатов изделий и их термической обработки. Участок 1 подготовки шихты из кварц-пирофиллитового сырья включает автоматизированное оборудование для грубого 4 и тонкого 5, 6 помола данного вида сырья. Дистанционно управляемые щековые дробилки и виброситовые устройства, обозначенные поз.4, обеспечивают сухой грубый помол сырья вплоть до фракции 10-1 мм. Для сухого и мокрого тонкого помола этих ингредиентов до фракции 5-1 мкм используются автоматически управляемые шаровые мельницы 5, 6 сухого и мокрого помола. В дополнение к основному кварц-пирофилиитовому сырью к шаровым мельницам 5, 6 тонкого помола от накопительных емкостей 7, 8 подведены каналы для дозированной подачи оксида алюминия или огнеупорной глины, улучшающих характеристики изделий. Дозаторы 9 обеспечивают требуемое по технологии соотношение ингредиентов на входе в устройство 10 для автоматического смешивания шихты заданного состава в виде однородной смеси. Другие входы устройства 10 соединены с накопительными емкостями 11, 12 для дозированной подачи предварительно подготовленного неорганического связующего и модифицирующей добавки в виде тугоплавкого соединения алюминия, циркония или хрома в указанном количестве.
На участке 2 размещено автоматически управляемое оборудование, включающее, по крайней мере, один поршневой пресс 13 и экструдер 14, снабженный сменной оснасткой 15 для изменения номенклатуры трубчатых изделий. Оборудование участка 2 для формовки полуфабрикатов изделий включает также средства для сушки 16 и размерной обработки 17 полуфабрикатов изделий. Автоматизированное оборудование участка 3 для термической обработки включает камерную электропечь 18, выполненную с возможностью термообработки полуфабрикатов изделий 19 при температуре 650-750°С посредством нагревателей 20. Все коммуникации участков 1, 2, 3 могут быть оснащены автоматизированными транспортерами (не показаны) для обеспечения функционирования линии по изготовлению трубчатых изделий заданных размеров и фасонов.
Камерная электропечь 18 для производства керамических трубок имеет особенности в конструкции узлов транспортировки, расположении нагревательных элементов 20 и в системе автоматического управления, в том числе, для корректировки времени обжига изделий в реальном масштабе времени.
Как было указано в основном пункте притязаний полезной модели, для решения поставленной задачи, дозирование и смешивание указанных ингредиентов и неорганического связующего должно находиться в упомянутых пределах. Дополнительное включение в состав фракции тонкого помола оксида алюминия или огнеупорной глины, а в химическое связующее модифицирующей добавки в виде тугоплавкого соединения соответствующего металла обеспечивает добавочное повышение качества выпускаемых трубчатых изделий. Для расширения возможностей предложенной линии в состав сменной оснастки экструдера 14 входят сменные насадки 15, причем, по крайней мере, в одной из них могут быть установлены дополнительные мундштуки (не показаны) для формования в стенках изделий 19 полых каналов и/или открытых пазов (не показаны), при этом средства 16 для сушки полуфабрикатов изделий выполнены виде сушильных шкафов с возможностью нагрева изделий и выдержки при температуре 180-220°С.
Участок подготовки неорганического связующего (не показан) должен содержать оборудование, включающее емкости для размещения и перемешивания раствора неорганического связующего с модифицирующими добавками. Устройство 10 для автоматического смешивания шихты заданного состава содержит оборудование, например, в виде бегуна для получения шихты в виде однородной суспензии. Оборудование 16 для сушки полуфабрикатов изделий 19 включает сушильные шкафы с рабочей температурой температуры в диапазоне 180-220°С, обеспечивающих скорость нагрева порядка 5°С/мин и выдержку в течение около двух часов.
Линия для изготовления трубчатых изделий из керамики функционирует следующим образом.
Из складских помещений (не показаны) концентрат кварц-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, 6 участка 1 выполняют тонкий сухой и затем мокрый помол упомянутой части кварц-пирофиллитового сырья до фракции 5-1 мкм. В отдельных случаях из накопительных емкостей 7, 8 в мельницы 5, 6 через дозаторы подают предварительно измельченный оксид алюминия или огнеупорную глину, улучшающих характеристики шихты и в, конечном итоге, целевых изделий. Подготовленные компоненты шихты требуемого процентного и фракционного состава через соответствующие дозаторы 9 направляют на вход устройства 10 для смешивания ингредиентов с необходимым количеством связующего с модифицирующей добавкой из емкостей 11, 12 с последующим получением шихты в виде однородной суспензии. На выходе устройства 10 возможно получение одного или нескольких видов шихты в виде однородной смеси различного состава.
Формование трубок осуществляется на поршневом горизонтальном прессе 13 через мундштуовую оснастку из комплекта насадок 15 на выходе экструдера 14, формующего полуфабрикаты трубчатых изделий с заданными характеристиками. Несколько экструдеров 14 могут быть снабжены своей сменной оснасткой из комплекта насадок 15 для получения трубчатых изделий требуемого сечения (круг, квадрат, прямоугольник и др.), различной номенклатуры и фасона в диапазоне размеров по сечению 5-10 см и более, а по длине до многих десятков см. Дополнительные мундштуки в оснастке 15 экструдера 14 позволяют производить трубчатые изделия с полыми каналами в стенках трубчатых изделий или с продольными ребрами на их наружной или внутренней поверхности.
Полученные полуфабрикаты изделий отправляют на сушку в сушильные шкафы 16 для нагрева до температуры около 200°С со скоростью 5°С в мин. с выдержкой при данной температуре в течение 2 час. Охлажденные трубки нарезаются по необходимым размерам на отрезных станках 17 с алмазным кругом. Дальнейшую термообработку проводят в камерной электропечи 18 при температуре около 700°С. Готовые изделия имеют следующие технические характеристики: предел прочности при сжатии - не менее 50 МПа, дополнительная линейная усадка при 1200°С - не более 0,5%, термостойкость (800°С-вода) не менее 50 циклов, температура применения - 1300°С. Электроизоляционные трубки, изготовленные по данной технологии в виде изоляторов и токовводов, в частности, установлены на теплоагрегаты Димитровградского автоагрегатного завода.
Следует отметить, что основные технические характеристики огнеупорных трубок, изготовленных с использованием предложенной линии, при прочих равных условиях, соответствуют лучшим образцам огнеупорных трубчатых 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 огнеупорные керамические трубчатые изделия, отличающиеся широкой номенклатурой и высокими потребительскими характеристиками при реализации возможности полной автоматизации и механизации производства.
Предложенная линия производства трубчатых изделий из керамики 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.
Основные технологические принципы создания линии для производства трубчатых изделий из кварц-пирофиллитового сырья основаны на результатах экспериментальных и проектно-конструкторских разработок, выполненных в разное время в Уфимском ГУЛ «БашНИИстрой» с участием ИПМ НАН Украины, ИПСМ РАН РБ, ИВТ РАН и других организаций. 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.