2.2. Материалы высокотемпературной обработки

Строительные материалы высокотемпературной обработки объединены в одну группу на основе близости сущности производственного процесса. Их получают подготовкой сырья, формовкой, с последующим воздействием на него высоких температур и созданием материала с качественно новыми свойствами. Все материалы высокотемпературной обработки подразделяют на неорганически вяжущие, керамические и из минеральных расплавов. Неорганические вяжущие вещества преимущественно самостоятельного значения не имеют и являются исходным компонентом для производства других строительных изделий. Материалы из минеральных расплавов и керамические применяют в строительстве в основном без дальнейшей переработки как самостоятельный конструктивный элемент (кроме заполнителей).

2.2.1 Керамические материалы

Керамические изделия - искусственные каменные материалы получают из глины с органическими минеральными добавками методом формования и обжига. При этом происходит спекание частиц глины в камневидное вещество - керамический черепок. По его структуре различают изделия с плотным и пористым черепком, грубой и тонкой керамики. Плотные материалы имеют на изломе блестящий раковидный вид и водопоглошение менее 5% - водонепроницаемы (плитка для пола, канализационные трубы, клинкерный кирпич и др.). Пористые изделия на изломе имеют тусклый, землистый вид с водопоглащением более 5% и пропускают воду (красный кирпич, черепица, облицовочная плитка и др.). К грубой керамике относят изделия с неоднородным зернистым строением (кирпич, черепица, дренажные чрубы и др.), тонкой - с макрооднородным строением (фарфоро-фаянсовые, художественные керамические, плитка для пола и др.). По назначению в строительных элементах здания выделяют стеновые (кирпич, панели, камни), фасадные (лицевой кирпич, плитка, художественные детали), внутренней облицовки (карнизы, уголки, плитка), кровельные (черепица), санитарно-технические (ванны, умывальники, унитазы) материалы, заполнитель бетона (аглопорит, керамзит). Керамические изделия бывают глазированными и неглазированными. Глазурь придает изделиям декоративные свойства, водонепроницаемость, атмосфероустойчивость.

Сырье для производства керамических материалов – глина, суглинки, глинистые сланцы, вспучивающие горные породы, отходы промышленности (шлак, зола и др.), отощающие (песок) и выгорающие добавки (опилки, торф, угольный порошок и др.).

Промышленностью выпускаются различные керамические изделия. Производство каждого из них имеет свою специфику. Однако каждому технологическому процессу присуши общие стадии: добыча сырья, его подготовка, формование изделия, сушка и обжиг.

Первичный этап производства керамики - добыча глины в карьерах вблизи заводов. Ее доставку осуществляют автомобилями, ленточными транспортерами и другими видами транспорта. Для получения качественных изделий из глины удаляют твердые примеси, измельчают и подготавливают массу полусухим, пластичным и мокрым способами. При полусухом способе измельчают, перемешивают, а при необходимости вводят добавки и увлажняют до 8-12%. Из подготовленной массы давлением в прессах формуют изделие с точными размерами. Небольшая влажность сокращает время сушки, расход топлива, себестоимость продукции. При этом способе изделие-сырец имеет матую пористость, повышенный удельный вес. Таким способом подготавливают глинистую массу для плиток, кирпича. Пластическим способом сырье увлажняют до 18-22% и выдавливанием пластической массы через мундштук получают полуфабрикат определенной формы и размеров (кирпич, черепица, грубы), мокрым способом приготавливают сырьевую массу для изделий с южной конфигурации (санитарно-технические, декоративные и др.). При этом измельченное сырье смешивают с большим количеством воды (до 50%) и получают текучую массу, которую заливают в гипсовые формы. Сушку керамики проводят для повышения прочности, предотвращения растрескивания и деформации при обжиге. Обжит осуществляют при 1000-1200°С с целью придания изделиям определенного качества (плотность, прочность, водостойкость и т.д.).

При этом происходит спекание частиц, формирование центров кристаллизации с присоединением к ним минералов, образование черепка.

Среди керамических изделий выделяется производство стеновых материалов (кирпич, керамический камень, стеновые панели). Один из наиболее древних искусственных каменных материалов - кирпич. Объем производства его учитывают в условном кирпиче, который равен размерам обыкновенного стандартного кирпича объемом 2 куб дм¹. Стеновые материалы больших размеров называют керамическими панелями, камнем.

¹Стандартный обыкновенный кирпич имеет размеры 25О±4х12О±Зх65±Змм. Промышленность производит также полуторный кирпич*; пустотами толщиной 88 мм.

Рис.20. Ленточный вакуум-пресс

Кирпич получают из любых глин и суглинки, глинистых сланцев.¹ Лучшее сырье для его производства - глины средней пластичности. Поэтому при подготовке сырья к жирным глинам добавляют песок. Кирпич производят пластичным и полусухим способами. При первом способе подготовленная глиняная масса поступает в воронку ленточного пресса (рис. 20). Он представляет цилиндр, внутри которого вращается шнековый вал. Происходит перемешивание, уплотнение сырья и перемещение его к выходному сужению – мундштуку. Форма мундштука зависит от конфигурации кирпича.² Из мундштука выдавливают непрерывный глиняный брус, который автоматически разрезают на кирпич-сырец. Его укладывают на вагонетки для сушки в естественных условиях (под навесом), камерах и туннельных сушилках, работающих непрерывно по противоточному принципу. Сушка в туннельных установках длится 112-35 часов и не зависит от погодных условий, обеспечивает лучшее качество сырца, непрерывную работу предприятия в течение года. Сырец сушат до влажности 6-8%. Следовательно, при полусухом способе кирпич перед обжигом можно не сушить, что упрощает технологический процесс, производственные затраты. Готовый кирпич из-за применения повышенного давления при уплотнении сырца содержит мало пор и имеет высокий предел прочности. Однако необходимы мощные и производительные прессы.

Завершает процесс производства - обжиг. Его проводят в кольцевых, а на современных заводах в туннельных печах непрерывною действия. Они имеют печной канат для обжига длиной до 140 м, шириной - 3-5- м, высотой -2 м. Кирпич на вагонетках подают в начало печного канала, в котором они образуют непрерывную сцепку по длине печи (рис.21). При подаче новой вагонетки с сырцом с противоположной стороны выталкивают вагонетку с готовой продукцией. По длине печь разделена на зоны подогрева, обжига и охлаждения. Печь работает по принципу противотока, что снижает удельный расход топлива. В печном канале вагонетки с сырцом двигаются вперед навстречу газовому потоку и последовательно проходят все зоны. В начале печи (зона подогрева) сырец отходящими продуктами горения нагревается до 850-950⁰.

¹Качество глин зависит от размера частиц, составляющих ее. Глинистые частицы имеют размер менее 0,005 мм и придают пластические свойства. Частицы размером 0,005-0,15 мм - пылеватые, 0,15-5 мм - песчаные. В зависимости от доли содержания данных частиц различают тяжелые глины (более 60% глинистых частиц), глины (30-60%), суглинки (10-30%), супесь (5-10%). Если глина содержит много глинистого материала, ее называют жирной. Такая глина обладает повышенной способностью теста под внешним воздействием принимать определенную форму без образования трещин, а при сушке кирпича дает большую усадку. Глины с большим содержанием пылевидных, песчаных частиц имеют среднюю и малую пластичность – тощие.

²При производстве труб мундштук имеет кольцевую форму. Пустотелый, фасованный кирпич получают мундштуком сложной формы.

Рис.21. Схема туннельной печи: (а) – продольный, (б) – вертикальный разрезы

При этом дымовые газы охлаждаются до 180-300° на выходе в дымоход. В центральной части (зона обжига) непрерывно сжигают топливо. При использовании твердых видов до 80% общего его расхода вводят в состав сырьевой массы, а остальную часть сжигают через горелки. Наиболее эффективное топливо - газ. Его применение улучшает условия труда, снижает удельный расход топлива, повышает производительность труда, улучшает качество продукции. Продукты горения отводят через зону подогрева в дымовую трубу. В зоне обжига поддерживают постоянную температуру (до 1100°), происходит спекание частиц глины. Вагонетку с обожженным кирпичом выталкивают в зону охлаждения. Со стороны выхода готовой продукции подают воздух. Он охлаждает обожженный кирпич, нагревается и поступает в зону обжига. Производственный процесс механизирован. Длительность обжига составляет 18-24 часа. Снижаются издержки производства, получают кирпич лучшего качества с более равномерной структурой обжига, чем в кольцевых печах.

Старые заводы оборудованы кольцевыми печами. Они имеют овальный замкнутый рабочий канал, разбитый на камеры (рис. 22, 23). В них последовательно загружают сырец, а после обжига выгружают керамический кирпич. Рабочий канал печи условно разделен на зоны загрузки, сушки, подогреве, обжига, остывания, выгрузки и свободных камер. Через выгрузочные отверстия в зоне охлаждения подают воздух. Двигаясь по рабочему каналу к зоне обжига, он охлаждает обожженный кирпич и нагревается до 800-900°. Одна часть подогретого воздуха поступает в камеры, где сжигают топливо. Вторая часть его по специальному воздушному (жаровому) каналу поступает в зону сушки, где охлаждается кирпичом-сырцом и выбрасывается через дымовую трубу в окружающую среду. В зоне обжига через отверстия в своде камеры подают часть топлива, а оставшуюся часть твердого топлива, размещают в камере при закладке сырца. Продукты горения из зоны обжига, проходя камеры зоны подогрева, охлаждаются до 150-200° и выбрасываются через дымовую трубу. Когда загрузка сырца (камера 9) и выгрузка готовой продукции (камера 11) в соответствующих камерах завершены, обжит кирпича и вес остальные зоны смещаются на одну камеру (рис. 22). Загрузка перемещается в камеру 10, выгрузка - 12, от готовой продукции освобождают камеру 11. Зоны охлаждения кирпича включают камеры 13-17, обжига - 18-21, подогрева - 22-3, сушки - 9-4.

Рис.22. Схема кольцевой печи:

1-22 - камеры обжига кирпича, 1-загрузка, 2- подсушка, 3- подогрев, 4- обжиг,5 - остывание, 6 - загрузка, 7- пустая камера.

Рис.23. Схема кольцевой печи по поперечному разрезу.

Следовательно, обжиг кирпича проводят последовательно в каждой камере печи. Пламя и все условные зоны печи перемещаются по рабочему каналу. Обжиг длится 40-50 часов, или в 2-3 раза больше, производительность в 2-3 раза меньше, чем в туннельных печах. Загрузку сырца и выгрузку кирпича проводят вручную при повышенных температурах, что ухудшает условия труда. Неравномерное распределение температуры по сечению канала приводит к неоднородному обжигу кирпича. Наряду с нормально обожженным продуктом получают пережженный и недожженный кирпич.

В зависимости от предела прочности при сжатии выпускают кирпич марок 75, 100, 125, 150, 200, 250. 300. Керамический кирпич применяют для кладки стен, печей, дымовых 1руб и др.

Промышленностью выпускается эффективный керамический кирпич - пустотелый и легкий. Изготавливают их по традиционной схеме. Для формования пустотелого кирпича внутрь мундштука помещают вставки, а облегченность создают за счет использования легких глин и введения выгорающих добавок. Производство таких изделий снижает на 20-25% расход сырья, на 10% топлива, а также трудовые затраты, себестоимость, повышает производительность оборудования по сравнению с изготовлением полноценного кирпича. В строительстве снижаются трудоемкость кладки, масса стены на 50%, материальные расходы на сооружение фундамента.

На 1 тыс. кирпича расходуют 230-250 кг условного топлива, 2,5 куб.м глины (на 1 куб.м кирпича - 1,2 куб.м глины). Особенно эффективно при обжиге применение беззольного топлива, что снижает его расход, продолжительность обжига, улучшает качество продукции. Производство кирпича при невысокой материалоемкости имеет сырьевую ориентацию, поскольку основное сырье распространено повсеместно и многотоннажное.

Пористые заполнители. На основе глин получают два пористых заполнителя - аглопорит и керамзит Они применяются как заполнители легких бетонов, теплоизоляционный материал при засыпке. Их производство основано на термической обработке сырья с образованием газообразной фазы за счет выгорания органических веществ, разложения карбонатов и других компонентов, восстановления окислов железа. Газообразные продукты из-за высокой вязкости жидкости не могут выйти из нее, вспучивают массу и образуют поры. Керамзит - искусственный легкий пористый материал, полученный при обжиге легкоплавких глин. Производственный процесс сводится к добыче сырья, его подготовке, получению гранул, их сушке, обжигу, охлаждению и сортировке продукции. Вспучиваемость глинистого сырья повышается в 2-3 раза при добавлении в шихту угля тонкого помола, опилок, пиритовых огарков, железной руды, масла, мазута и др. Обжиг проводят во вращающихся печах длиной до 60 м, в печах с кипящим слоем. Процесс вспучивания происходит при 1050-1250°. Получают керамзитовый гравий с размером фракции 5-40 мм. Его дроблением вырабатывают керамзитовый щебень и песок. Размер фракции песка менее 5 мм. В зависимости от прочности керамзит бывает марок 250; 300, 350, 400, 500, 600.

Аглопорит - искусственный пористый материал, полученный из глины методом агломерации. Его вырабатывают из глинистых сланцев, глины, суглинка, супеси, лессов, и добавок антрацита, каменного и бурого угля, опилок, костры, топливосодержащих отходов, золы, извести. Сырье смешивают с добавками. Полученную шихту уплотняют и гранулируют до фракции не более 10 мм. Гранулы спекают на непрерывных ленточных агломерационных машинах по принципу аналогичных оборудованию производства агломерата в черной металлургии. Агломерационная машина представляет вертикальный замкнутый конвейер из отдельных тележек-решеток, называемых полетами. На тележки укладывают слой гранул шихты, которые подают в зажигательную камеру. Здесь сгорает уголь шихты и происходит спекание частиц сырья с образованием пористого бруса. После охлаждения пористую массу дробят на куски щебня размером 5-40 мм и фракцию песка (с размером зерен менее 5 мм ). При производстве аглопорита окатанной формы в агломерационной машине гранулы между собой не соприкасаются и не образуют сплошного бруса. Полученный продукт не требует дробления.