CC BY
15УДК 666/7:658.1
Н.Г. ГУРОВ, генеральный директор, ЗАО «ЮжНИИстром»; О.Е. ГУРОВА, ст. преподаватель, Ростовский государственный университет путей сообщения (Ростов-на-Дону); Г.И. СТОРОЖЕНКО, д-р техн. наук, директор ООО «Баскей» (Новосибирск)
Инновационные направления технологической и аппаратурной реконструкции заводов полусухого прессования
Российский рынок керамических материалов для строительства (кирпич, крупноформатные камни, клинкер и т. п., далее — керамический кирпич), несмотря на известные экономические проблемы, продолжает поступательно прирастать востребованной высококачественной продукцией благодаря строительству и вводу в эксплуатацию новых наукоемких высокотехнологичных заводов, построенных на основе комплектного импортного оборудования и при участии зарубежных фирм. Керамический кирпич при этом, эволю-ционно совершенствуясь, к базовым конкурентным преимуществам — прочности, долговечности, экологической безопасности, негорючести и огнестойкости добавляет крупноформатность и пониженную теплопроводность.
Следует признать, что на современном этапе развития экономики отечественные инжиниринговые и машиностроительные предприятия не могут конкурировать с известными зарубежными фирмами, которые поставляют в Российскую Федерацию автоматизированные комплексы для кирпичных заводов пластического формования. Их завоевание рынка явилось результатом кропотливой многолетней работы, европейской интеграции и устойчивого развития науки, металлургии, машиностроения, автоматики, электроники и робототехники.
Однако европейский опыт создания керамических заводов пластического формования в основном базируется на разработке месторождений высококачественного глинистого сырья, в чем российские специалисты неоднократно могли убедиться во время посещения таких заводов в Германии, Греции, Испании, Италии, Чехии, Франции. При строительстве заводов в России в случаях отсутствия качественного глинистого сырья традиционным решением проблемы специалисты зарубежных компаний считают добавление в шихту пластичной глины, как бы далеко ее месторождение ни находилось от строящегося завода.
Разобщенные отечественные малые научно-производственные предприятия, образованные в основном из отраслевых НИИ, проводят исследования местных видов сырья и зачастую предлагают нетривиальные технологические решения проблем его качества [1—3]. Основное направление научных разработок в последние годы — это повышение эффективности производства керамических стеновых материалов на отечественных заводах за счет наиболее полного использования ресурсов низкокачественного глинистого сырья и сокращения энергозатрат производства в целом. Эти работы осуществляются на основе многолетних научных исследований как сырья, так и процессов его переработки в изделия [4, 5].
Исследованиями установлено, что глинистые породы большинства месторождений, составляющих сырьевую базу кирпичных заводов Западной Сибири и
Красноярского края, представлены по гранулометрическому составу легкими и средними пылеватыми суглинками, засоренными карбонатными включениями. Повышенное содержание карбонатов, низкая пластичность и невозможность образования спекшегося керамического камня после обжига являются отличительными свойствами глинистого сырья и в других регионах Российской Федерации, например в Оренбургской области и Республике Башкортостан, Ростовской области, Ставропольском крае. Практика работы этих заводов показала, что самым эффективным способом борьбы с карбонатами является тонкий помол глинистого сырья, причем независимо от технологии производства продукции. Этот способ подготовки сырья приемлем как для заводов пластического формования, так и для полусухого (компрессионного) прессования (с учетом экономической целесообразности).
Исследованиями закарбонизированных глинистых пород ряда месторождений, проведенных ЗАО «ЮжНИИстром» на предмет их использования в качестве сырья для получения бездефектных изделий, установлено, что устранение вредного влияния карбонатов обеспечивает помол глинистого сырья до класса <250 мкм, но этот процесс сопровождается увеличением поверхностной энергии получаемого в результате порошка [1].
Поверхностная энергия зерен и площадь поверхности их контакта являются определяющими факторами при протекании твердофазных реакций, что следует из анализа классической формулы кинетики химических реакций в гетерогенных системах [6]:
^ = к01ехр(-АЕ1/кТ)х^, (1)
сп
где Л/ — количество образовавшихся продуктов реакции; k0¡ — параметр, прямо пропорционально зависящий от исходных концентраций реагентов, т. е. от площади контактов реагирующих веществ; ДБ1 — характерная энергия активации реакции ьго типа.
Таким образом, научно обоснованными и инновационными являются технологические разработки способов сверхтонкого помола глинистого сырья и разрабатываемые аппараты для их реализации (рис. 1).
Параметрический ряд измельчительно-сушильных установок (ИСУ), созданных в ООО «Баскей» с производительностью от 5—25 т/ч по исходному сырью, способен удовлетворить потребность в подготовке глинистого сырья, засоренного карбонатами и прочими включениями, широкий круг реконструируемых и вновь строящихся предприятий.
Механоактивация, результатом которой становится повышение удельной поверхности глинистого сырья, наряду с положительным конечным результатом несет в себе проблемы для промежуточных технологических операций — прессования изделий и их сушки.
Рис. 1. Оборудование для тонкого помола и механоактивации глинистого сырья. а - высокоскоростные прокатные вальцы тонкого помола LVP (Bedeschi, Италия); б - установка глубокой переработки глины «Каскад-14» («ИНТА-строй», Россия); в - маятниковая мельница Molomax 6-500 (Manfredini&Schianchi, Италия); г - измельчительно-сушильная установка («Баскей», Россия)
После помола мельчайшие частицы порошкообразного материала соприкасаются между собой по весьма незначительной части своей поверхности, а получение плотного сырца сопряжено в этом случае с большими усилиями прессования и проблемой удаления достаточно большого количества воздуха. Например, при насыпной плотности глинистого дисперсного порошка 1040—1100 кг/м3 пористость массы влажностью 6—8% составляет 57,8—59,2% [6]. При пластическом способе глинистый порошок достаточно легко увлажняется в смесителях и в составе шихты достигает формовочной влажности. Для получения однородной структуры кирпича-сырца и обеспечения оптимальных условий его формования при полусухом способе необходимо стремиться к укрупнению размеров частиц активированного сырья и созданию монофракционного пресс-порошка с помощью грануляции. При разработке проектных решений по грануляции порошкообразных материалов авторы опирались не только на зарубежный опыт, но и на работы российских ученых. Например, благодаря грануляции тонкодисперсных отходов обогащения железных руд и углей А.Ю. Столбоушкиным в промышленных условиях был получен керамический кирпич М125—150 [4].
Эффективное и высокопроизводительное смеси-тельно-грануляционное оборудование в настоящее время выпускается не только зарубежными фирмами, но и российскими предприятиями (рис. 2). Например ООО «Дзержинсктехномаш» (Нижегород-ская обл.) освоило несколько типов оборудования для смешивания и грануляции, которые могут успешно применяться в технологии керамики [7].
Переход на новую технологию массоподготовки, результатом которой становится повышение удельной поверхности сырья, естественно, приведет к кардинальному изменению капиллярно-пористой струк-
Рис. 2. Турболопастный смеситель-гранулятор периодического действия немецкой компании ЕтсЬ1 (а); смеситель-гранулятор непрерывного действия Р-080 производства «Дзержинсктехномаш» (б)
туры кирпича-сырца. В целом произойдет падение скорости движения влаги внутри полуфабриката и влагоотдачи с поверхности. Оба эти параметра и определяют кинетику сушки сырца. Известно, что для общего потока влаги внутри структуры справедливо уравнение:
1 = 1п±1,=кр0(уи±&7Т), (2)
где k — коэффициент влагопроводности капиллярно-пористого коллоидного тела, м2/ч; VU — градиент влажности, %/см; 8 — коэффициент термовлагопро-водности влажного материала, град-1; УТ— градиент температуры, град/м; ро — плотность абсолютно сухого материала в единице объема влажного, г/см3.
В случае, когда повышается плотность кирпича-сырца, то градиент влажности (V Ц) должен уменьшиться, что приведет к удлинению процесса сушки. Перенос влаги в условиях торможения, обусловленного повышением плотности сырца полусухого прессования ро и изменением коэффициента влагопроводности (к), усложняет задачу обеспечения равновесия между внутренним и внешним влагообменом.
Практика показала, что сушка для кирпича полусухого прессования так же нужна, как и при пластическом способе. В.А. Кондратенко было установлено, что снижение относительной влажности теплоносителя в зимний период ниже 65% на первых стадиях сушки сырца приводит к появлению сушильных трещин, которые при остаточной влажности 3—4% становятся невидимы [2]. Для исключения растрескивания впервые в практике сырец после прессов сначала высушивается до остаточной влажности 2,5—3,5% на полках комплекса люлечной конвейерной сушилки, специально сконструированной фирмой СКВ «Строммаш» (Москва) [8, 9].
декабрь 2013
53
Интенсифицировать сушку с помощью параметров сушильного агента можно, если осуществить внешний подвод энергии к локализованной в теле кирпича влаге и тем самым скомпенсировать падение скорости диффузии влаги из внутренних слоев кирпича к внешним. Это достигается использованием объемных способов подвода энергии с помощью СВЧ и других полей. Наиболее действенным видится дополнение способа контактно-сорбционной сушки кирпича полем СВЧ [10].
По поводу оборудования для прессования изделий полусухим способом на страницах журнала «Строительные материалы»® продолжается дискуссия, в которой стороны отстаивают диаметрально противоположные точки зрения, от «пресс должен быть однопозиционным» [3] до «пресс должен быть многопозиционным». На большинстве кирпичных заводов полусухого прессования существует проблема получения кирпича-сырца одинаковой плотности. Связано это в основном не столько с конструкцией пресса, сколько с объемным дозированием пресс-порошка, не позволяющим при полифракционном составе массы добиться одинаковой загрузки в пресс-формы, и с различиями в пофракционной влажности порошков. Результатом является неоднородная плотность кирпича-сырца, дефекты при сушке и в конечном итоге низкие показатели физико-механических свойств кирпича.
Условия прессования изделий существенно улучшаются при переходе на пресс-порошки в виде гранул с преобладающим размером 2—3 мм. Гранулированные массы обладают большей подвижностью и меньшими значениями упругой деформации по сравнению с пресс-порошками полифракционного состава [4].
Таким образом, в настоящее время созданы следующие объективные предпосылки для перехода к технологической и аппаратурной реконструкции действующих, а также к строительству новых кирпичных заводов полусухого прессования.
1. Работы в области создания новых технологий полусухого прессования, ведущиеся на протяжении ряда лет коллективами ВНИИСТРОМ, ЮжНИИ-стром, «ИНТА-строй» и др., позволили на практике осуществить новые технологические подходы к переработке (подготовке) низкосортного глинистого сырья, засоренного карбонатами и гипсами для производства керамического кирпича. Созданное ООО «Баскей» аппаратурное обеспечение позволяет гарантированно получать однородный тонкодисперсный, механоактивирован-ный порошок глинистого сырья, одинаково пригодный к последующему формированию шихт, как для производства кирпича пластического формования, так и для полусухого прессования.
2. Переход к созданию монофракционного пресс-порошка для полусухого прессования методом грануляции из шихтованных порошков позволяет в широких пределах управлять свойствами и характеристиками конечного продукта.
3. Принцип комбинированной сушки теплоносителем изделий в пакете с применением импульсной техники (СВЧ) создает предпосылки для создания компактных сушилок на минимальных площадях.
4. Качество продукции — керамического кирпича, получаемого пластическим или полусухим способом в своих базовых характеристиках: прочность, водопогло-щение, морозостойкость и даже цветность, — становится равнозначным.
Повышение конкурентоспособности производства кирпича полусухого прессования в сравнении с заводами пластического формования при новом строительстве становится реальностью за счет:
— снижения по сравнению с пластическим способом формования объемов инвестиционных вложений (в 1,4—1,6 раза);
— возможности использования сырьевых ресурсов практически непригодных для производства кирпича пластического формования по классической технологии.
Появляются реальные предпосылки для точечной модернизации, реконструкции участков и совершенствования технологических процессов на действующих кирпичных заводах полусухого прессования, результатом которых станет повышение качества продукции до требований ГОСТ 530—2012 по всем показателям, включая морозостойкость.
Для автоматизации процессов пакетирования на участках садки сырца и укладки готовой продукции на поддоны, которая отсутствует на большинстве действующих отечественных заводов полусухого прессования, в процессе работ по реконструкции необходимо привлекать как зарубежные фирмы, так и развивающиеся отечественные предприятия.
Ключевые слова: низкокачественное глинистое сырье, карбонатные включения, помол, полусухое прессование, поверхностная энергия, измельчительно-смесительная установка, механоактивация, грануляция, многофракционный порошок, коэффициент влагопроводности, модернизация.
Список литературы
1. ГуровН.Г., Котлярова Л.В., Иванов Н.Н. Расширение сырьевой базы для производства высококачественной стеновой керамики // Строительные материалы. 2007. № 4. С. 62-64.
2. Кондратенко В.А. Керамические стеновые материалы: оптимизация их физико-технических свойств и технологических параметров производства. М.: ЦНТИ «Композит», 2005. С. 402-409.
3. Шлегель И.Ф., Шаевич Г.Я., Носков А.В., Астафьев А.А., Андрианов А.В., Молодкина Л.Н. Новое поколение глиноперерабатывающих установок «Каскад» // Строительные материалы. 2008. № 4. С. 34-35.
4. Столбоушкин А.Ю. Теоретические основы формирования керамических матричных композитов на основе техногенного и природного сырья // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 10-13.
5. Верещагин В.И., Погребенков В.М., Вакалова Т.В. Использование природного и техногенного сырья Сибирского региона в производстве строительной керамики и теплоизоляционных материалов // Строительные материалы. 2004. № 7. С. 28-31.
6. Гегузин Я.Е. Физика спекания. М.: Наука, 1984. 312 с.
7. Казаков А.И., Стороженко Г.И. Оборудование для смешивания и гранулирования сыпучих материалов в производстве стеновой керамики // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 9-11.
8. Кондратенко В.А., Пешков В.Н. Новая технологическая линия по производству лицевого керамического кирпича полусухого прессования // Строительные материалы. 2001. № 5. С. 41-42.
9. Патент РФ № 2170172. Технологическая линия для производства лицевых керамических стеновых материалов методом полусухого прессования / В.А. Кондратенко, Ю.В. Гудков, М.С. Нейфельд, В.С. Сивокозов, В.Н. Пешков. Опубл. 10.07.2001. БИ № 19.
10. Козлович Р.А., Сердобинцев С.П. Система автоматизированного управления процессом сушки керамической продукции // Автоматизация и современные технологии. 2013. № 3. С. 9-14.
