Расчет вращающейся печи для изготовления керамзита (стр. 3 из 8)
Допустим, что в какой-то момент сушки перепад влагосодержания составляет в пластине DU. Представим, что пластина состоит из отдельных бесконечно тонких полосок, которые могут сокращаться самостоятельно. Тогда длина каждой полоски, согласно формуле (2), должна быть пропорциональна влагосодержанию. Однако пластина в реальности целая и не состоит из отдельных полосок, и усадка её заканчивается при длине Lк, что соответствует среднему влагосодержанию. Значит, поверхностные слои пластины сократились до Lк, а должны былибы быть значительно короче. Центральные слои, которые сократились тоже до Lк, должны быть длиннее. Следовательно, в реальной пластине поверхностные слои растянуты, а центральные – сжаты.
Эти напряжения на рисунке обозначены знаками (+) и (-). Только два слоя (НП) – нейтральная плоскость уменьшились в размерах пропорционально влагосодержанию и напряжённое состояние в них отсутствует. Силы растяжения и сжатия стараются сдвинуть отдельные слои относительно друг друга. При этом возникают тангенциальные напряжения, которые, как только они превысят прочность материала, приведут к образованию трещин и разрушению структуры изделия.
В процессе сушки из-за перепадов температур на поверхности и в центре изделия так же возникает объёмно-напряжённое состояние. Для представления о напряжённом состоянии рассмотрим аналогичную пластину длиной L0, подвергнутую нагреву.
Если бы пластина состояла из отдельных бесконечно тонких полосок, которые могли бы удлиняться и сокращаться самостоят6ельно, то длина каждой полоски могла быть определена по формуле
Lt = L0 (1 + aLDt), (3)
где aL – коэффициент линейного расширения.
Рассчитав длину каждой из полосок по формуле (3) и отложив половину на рис.3 (показано пунктиром; размеры откладываются от середины пластины), получим реальную форму изделия Lt = f (t), которую должна была бы приобрести пластина при нагревании. Однако общее удлинение пластины оказалось меньшим, и длина её стала равной Lп = f (t ср).
Следовательно, поверхностные слои должны были удлиниться на D Lп, а удлинились меньше и испытывают сжимающие напряжения, а центральные слои удлинились больше чем положено и испытывают растягивающие напряжения. Эти напряжения показаны на рисунке знаками (+) и (-). Условными обозначениями (НП) зафиксированы нейтральные плоскости, в которых напряжения не возникли.
Напряжённые состояния, развивающиеся от разности влагосодержаний и температур, имеют противоположные знаки. При сложении из большего значения вычтем меньшее. Поскольку напряжённое состояние от разности влагосодержаний почти в 10 раз больше чем от разности температур, то суммарное напряжённое состояние будет несколько меньшим.
Механизм появления трещин в изделиях, а возможно и их разрушение объясняется тем, что напряжённое состояние действует на слои пластины, стараясь сдвинуть один слой относительно другого, вызывая тангенциальные напряжения, которые в случае превышения прочности материала приводят к его растрескиванию или разрушению.
При сушке, как и при ТВО, во внутренних слоях изделия возникает избыточное давление. Перепад давлений между слоями представляет собой приложенную силу, которая не удлиняет слои материала, а старается сдвинуть их относительно друг друга, т.е. из-за перепадов давлений также создаются тангенциальные напряжения.
1.3 Процессы, происходящие при обжиге
Создание пористой структуры керамзита достигается вспучиванием размягченного при термической обработке глинистого сырья газами (СО, СО2, Н2О, SO2, О2, N2, CH4, Н2), выделяющимися в процессе нагревания. Наилучший керамзит получают при оптимальном соотношении вязкости и связности сырья в нагретом состоянии при условии достаточного газовыделения. Это соотношение должно выдерживаться в течение всего периода газовыделения.
Поризация глинистых гранул (зерен) при получении керамзита обычно осуществляется обжигом их во вращающихся барабанных печах.
Средняя продолжительность пребывания глинистых гранул в печи равна 35-40 минут, при этом в течение первых 18-20 минут гранулы нагреваются до температуры 600°С, а в течение последующих 2-4 минуты температура их доводится до 1200-1250°С, при этой температуре они в течение 10-12 минут обжигаются, а затем 2-3 минуты охлаждаются до температуры 900-1000°С. Под воздействием высоких температур происходит дегидратация, аморфизация и образование некоторого количества жидкой фазы в глинистом веществе.
За время термической обработки сырцовых гранул (10-12 минут) в пиропластический расплав практически полностью переходят только самые мелкие частицы глинистых минералов (размером менее 10 минут). Пылеватые же и песчаные частицы глин (зерна кварца, полевые шпаты, пироксены, амфиболы и другие породы) остаются инертными и практически не взаимодействуют с расплавом и уменьшают степень вспучивания.
Включения доломита и кальцита при нагреве до температуры 850-1150°С декарбанизуются, переходят в тонкодисперсные окислы кальция и магния и частично (на толщину 0,01-0,04 мм) усваиваются расплавом.
Частицы карбанатных пород размером более 0,06-0,1 мм не полностью ассимилируются расплавом, в их центрах остаются свободные СаО и MgО, способные гидратироваться со значительным увеличением объема при попадении во влажную среду. Во избежание слипания гранул между собой и их налипания на поверхность футеровки печи температурный интервал вспучивания должен составлять не менее 50-70°С, максимальная температура вспучивания не должна превышать 1250-1275°С.
Получение керамзита с наилучшими показателями связано с характером газовой среды внутри гранул и в печном агрегате, также с режимом сушки и обжига сырца и охлаждении обожженных гранул.
Характер газовой среды при термической обработке сырцовых гранул во вращающейся печи обуславливается:
- составом продуктов сгорания топлива;
- коэффициентом избытка воздуха;
- составом газов, выделяемых органическими примесями глинистой породы (летучих и при окислении коксового остатка), карбонатами и продуктами реакций, зависящих от химического состава породы;
- составом парообразных продуктов, образующихся при удалении химически связанной воды различных глинистых минералов, также получаемых при испарении влаги сырцовых гранул, загружаемых в печь.
Продукты сгорания топлива и избыточный воздух, подаваемые в печь под давлением, устремляются в основном по оси печи. Парообразные и газообразные продукты, выделяемые исходным сырьем при его нагревании и обжиге, отмывают гранулы и затем перемешиваются и удаляются с продуктом сгорания топлива.
Процесс вспучивания состоит из двух стадий: первая – спекание с образованием закрытой поры и вторая – собственно вспучивание под давлением газов, выделяющихся внутри закрытой поры. Сумма таких элементарных актов в каждой ячейке глиняной гранулы и обуславливает общий процесс вспучивания всей гранулы.
Рассматривая процесс вспучивания всей гранулы, необходимо иметь ввиду, что по своей толще она нагревается неравномерно: с поверхности нагревается быстрее, чем в центре. Поэтому поверхность гранулы еще до того, как вся ее масса приобретает пиропластическое состояние, покрывается плотной спекшейся газонепроницаемой оболочкой, предотвращающей утечку газов из гранулы даже в том случае, если под давлением газов отдельные перегородки пор окажутся прорванными.
Основным условием, обеспечивающим вспучивание глинистых пород при их нагревании, является совмещение во времени пиропластического состояния глины с интенсивным газовыделением внутри обжигаемого материала.
В настоящее время можно считать установленным, что источниками газовыделения в глинах являются реакции разложения и восстановления оксидов железа при их взаимодействии с органическими примесями или добавками в глине, а также химически связанная вода глинистых минералов. Схема восстановительных реакций может быть представлена следующими уравнениями:
; 
;
; 
; 
.1.4 Зоны, существующие в печи
Во вращающейся печи гранулы и продукты сгорания движутся по принципу противотока: исходные сырцовые гранулы встречаются с уходящими газами печи при различных температурных условиях и претерпевают ряд изменений. В зависимости от температуры, влажности, размера, потерь массы при прокаливании и объемной насыпной массы материала во вращающейся печи условно различают следующие зоны:
Скорость термической обработки гранул в указанных зонах и в особенности в зоне вспучивания имеет при прочих равных условиях первостепенное значение. Постепенный нагрев гранул, как правило, приводит к получению не вспученного материала. Лишь при ускоренной термической обработке происходит удовлетворительное вспучивание глинистых гранул. Объясняется это тем, что в этом случае реакции дегидратации, декарбонизации, окисления органических веществ, как было указано, протекает при более высоких температурах, а восстановительные реакции – более продолжительны во времени. При этом выделяющиеся газы удерживаются в грануле до температуры вспучивания. Оптимальный режим обжига гранул во вращающейся печи предусматривает постепенный их нагрев до 200 – 600 °С (в зависимости от свойств сырья) и быстрый подъем температуры до 1200 – 1250 °С, т.е. до температуры вспучивания.
1.5 Способы производства керамзитового гравия
Процесс изготовления керамзита состоит из следующих основных операций: