Цех формования, сушки и обжига завода по производству керамического кирпича

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Ивановский государственный химико-технологический

Университет"

Кафедра Технологии керамики и наноматериалов

Курсовая работа

На тему: "Цех формования, сушки и обжига завода по производству керамического кирпича"

Выполнила: ст. гр. 4/13

Доянова А.Р.

Проверила: Сазанова Т.В.

Иваново 2014

Аннотация

В данном курсовом проекте рассматривается цех формования и обжига завода по производству керамического кирпича. Рассмотрен ассортимент и характеристика выпускаемой продукции, описан химический состав используемых сырьевых материалов, шихты, представлена технологическая схема и ее описание, а также описаны теоретические основы производства кирпича, а также охрана труда и окружающей среды.

Проект представлен на 56 страницах, содержит 6 таблиц. Библиографический список содержит 9 источников.

Содержание

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Ассортимент и характеристика выпускаемой продукции

1.2 Обзор литературы и обоснование выбора производства

1.3 Характеристика и требования, предъявляемые к сырью

1.4 Состав композиции

1.5 Обоснование технологической схемы и её выбор

2. Теоретические основы технологических процессов цеха формования, сушки и обжига

2.1 Формование кирпича

2.2 Сушка полуфабриката

2.3 Обжиг полуфабриката

3. Контроль производства

4. Оборудование необходимое для реализации производственных процессов

5. Охрана труда и окружающей среды

5.1 Территория предприятия

5.2 Помещения цехов

5.3 Вредные производственные факторы

5.4 Средства индивидуальной защиты

5.5 Отопление и вентиляция

5.6 Освещение зданий и цехов

5.7 Промышленная санитария и гигиена

5.8 Противопожарная защита

5.9 Электробезопасность

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Кирпич керамический - прямоугольный брусок, производимый из глины с применением различных добавок (для регулирования тех или иных свойств) с последующим обжигом, используемый как строительный материал.

Более чем тысячелетняя практика применения кирпича позволяет однозначно отнести его к категории наиболее долговечных строительных материалов. Наряду с этим, технология кирпичной кладки предоставляет архитекторам и дизайнерам неограниченные возможности для воплощения творческих замыслов. Обеспечивая надежную защиту от воздействия внешних факторов, обладая высокой огнестойкостью и сравнительно низкой теплопроводностью, кирпич предопределяет высокий уровень безопасности и комфорта как жилых, так и промышленных зданий и сооружений. В данном дипломном проекте рассмотрено производство керамических кирпичей методом пластического формования.

Кирпич керамический очень широко используется в современном строительстве. Применяется для возведения несущих и самонесущих стен и перегородок, одноэтажных и многоэтажных зданий и сооружений, внутренних перегородок, а также для заполнения пустот в монолитно-бетонных конструкциях.

Строительный керамический кирпич позволяет сэкономить при строительстве дефицитные металлы, цемент, а также транспортные средства. В общем балансе производства и применения стеновых материалов керамический кирпич занимает более 30%. Кирпич, накапливая солнечную энергию, медленно и равномерно отдает тепло, что защищает от чрезмерного нагревания летом и сохраняет тепло зимой. Кирпичная стена "дышит", пропуская испарения сквозь свою толщу. В результате в помещениях поддерживается уровень равновесной влажности.

В данный момент в производстве строительного керамического кирпича сосредоточено внимание на совершенствовании технологии, улучшении качества выпускаемой продукции и расширении ассортимента.

При строительстве новых предприятий предусматривается установление автоматизированных и высокомеханизированных технологических линий на базе современного отечественного и импортного оборудования. Осваивается выпуск эффективной пустотелой продукции, которая должна постепенно экономить сырьё, но и уменьшать толщину и массу наружных стен без снижения их теплозащитных свойств, а также создавать облегчённые конструкции панелей для индустриализации строительства.

Улучшение качества продукции вызывает необходимость повышения культуры производства, более строгого соблюдения технологических параметров по всем переделам, улучшения обработки, рациональной шихтовки путём ввода различных добавок, в том числе отходов других отраслей промышленности.

1. Технологическая часть

1.1 Ассортимент и характеристика выпускаемой продукции

Керамический кирпич имеет несколько разновидностей: строительный (он же рядовой, "обычный", "полнотелый"), пустотелый (он же "экономичный", "дырочный", "щелевой", "самонесущий"), облицовочный (лицевой), имеющий массу подвидов: фасадный, фасонный, фигурный, глазурованный, ангобированный. Виды кирпича могут сочетаться. Например, фасадный кирпич бывает и пустотелым, и полнотелым, а фасонный - и строительным, и облицовочным. По фактуре поверхности ложковой и тычковой граней изделия могут быть гладкими или рифлеными.

В настоящее время действует стандарт ГОСТ 530-2012. Настоящий стандарт распространяется на кирпич и камень керамические (далее - изделия), применяемые для кладки и облицовки несущих, самонесущих и ненесущих стен и других элементов зданий и сооружений, а также клинкерный кирпич, применяемый для кладки фундаментов, сводов, стен, подверженных большой нагрузке, и кирпич для наружной кладки дымовых труб, промышленных и бытовых печей.

Настоящий стандарт устанавливает технические требования, правила приемки, методы испытаний изделий.

Обыкновенный керамический кирпич (рис. 1) представляет собой искусственный камень в виде параллелепипеда строго установленных размеров, причем эти размеры, а соответственно и масса кирпича, таковы, что позволяют брать и переносить его руками. Стандартные размеры обыкновенного кирпича - 250x120x65 мм, полуторного- 220x120x103 мм.

В зависимости от способа изготовления глиняного кирпича его подразделяют на: обожженный и необожженный (последний промышленностью не вырабатывается), полнотелый (пластического или полусухого прессования), эффективный (облегченный) - дырчатый и пористо-дырчатый (также пластического и полусухого прессования).

Плотность полнотелого кирпича составляет - 1700 - 2000 кг/мі, а облегченного - 1300 - 1400 кг/мі.

Рис. 1. Кирпич "обыкновенный": 1 - ложок; 2 - тычок; 3 - верхняя постель; 4 - нижняя постель; 5 - вертикальное ребро; 6 - горизонтальное поперечное ребро; 7 - горизонтальное продольное ребро.

Классификация.

Изделия подразделяют на рядовые и лицевые. Камень с пазогребневым и пазовым соединениями может быть только рядовым.

Кирпич изготавливают полнотелым и пустотелым, пустоты в изделиях могут располагаться перпендикулярно (вертикальные) или параллельно постели (горизонтальные).

По прочности кирпич подразделяют на марки М 100, М 125, М 150, М 175, М 200, М 250, М 300; клинкерный кирпич - М 300, М 400, М 500, М 600, М 800, М 1000; кирпич с горизонтальными пустотами - М 25, М 35, М 50, М 75, М 100.

По морозостойкости изделия подразделяют на марки F25, F35, F50, F75, F100, F200, F300.

Внешний вид.

· Лицевые изделия должны иметь не менее двух лицевых граней - ложковую и тычковую. Цвет и вид лицевой грани устанавливают по согласованию между изготовителем и потребителем и оговаривают в документе на поставку.

Рядовые изделия изготавливают с гладкими или рельефными вертикальными гранями.

Лицевой кирпич по виду лицевой поверхности изготавливают:

- с гладкой и рельефной поверхностями;

- с поверхностью, офактуренной торкретированием, ангобированием, глазурованием, двухслойным формованием или иным способом.

Изделия могут быть естественного цвета или объемно окрашенными.

· На лицевых изделиях допускаются единичные вспучивающиеся (например, известковые) включения глубиной не более 3 мм, общей площадью не более 0,2% площади лицевых граней.

На рядовых изделиях допускаются вспучивающиеся включения общей площадью не более 1,0% площади вертикальных граней изделия.

· На лицевых и клинкерных изделиях не допускаются высолы.

· Дефекты внешнего вида изделия, размеры и число которых превышают значения, указанные в таблице 1, не допускаются. /1/

Таблица 1. Дефекты внешнего вида изделия

Вид дефекта	Значение
	Лицевые изделия	Рядовые изделия
Отбитости углов глубиной, отбитости ребер и граней длиной более 15 мм, шт.	Не допускаются	Рядовые изделия
Отбитости углов глубиной, отбитости ребер и граней длиной не более 15 мм, шт.	2	Не регламентируются
Отдельные посечки суммарной длиной не более, мм	40	Не регламентируются
Трещины, шт.	Не допускаются	4
Примечания 1. Отбитости глубиной менее 3 мм не являются браковочными признаками. 2. Трещины в межпустотных перегородках, отбитости и трещины в элементах пазогребневого соединения не являются дефектом. 3. Для лицевых изделий указаны дефекты лицевых граней.

· · У изделий допускаются черная сердцевина и контактные пятна на поверхности.

· В партии не допускается половняк более 5% объема партии.

Характеристики.

· Средняя плотность кирпича и камня в зависимости от класса средней плотности должна соответствовать значениям, приведенным в таблице 2. /1/

Таблица 2. Классы средней плотности изделий

Класс средней плотности изделий	Средняя плотность, кг/мі
0,7	До 700
0,8	710-800
1,0	810-1000
1,2	1010-1200
1,4	1210-1400
2,0	1410-2000
2,4	2010-2400

Отклонение единичного значения средней плотности (для одного образца из пяти) допускается не более:

+50 кг/м - ГОСТ 530-2012 Кирпич и камень керамические. Общие технические условия - для классов 0,7; 0,8 и 1,0;

+100 кг/м - ГОСТ 530-2012 Кирпич и камень керамические. Общие технические условия - для остальных классов.

· Марку кирпича по прочности устанавливают по значениям пределов прочности при сжатии и при изгибе, кирпича с горизонтальным расположением пустот и камня - по значению предела прочности при сжатии.

· Теплотехнические характеристики изделий оценивают по коэффициенту теплопроводности кладки в сухом состоянии. Коэффициент теплопроводности кладки в сухом состоянии в зависимости от группы изделий по теплотехническим характеристикам приведен в таблице 3.

Таблица 3. Группы изделий по теплотехническим характеристикам

Группы изделий по теплотехническим характеристикам	Коэффициент теплопроводности кладки в сухом состоянии л, Вт/ (м ? °C)
Высокой эффективности	До 0,20
Повышенной эффективности	Св. 0,20 до 0,24
Эффективные	Св. 0,24 до 0,36
Условно-эффективные	Св. 0,36 до 0,46
Малоэффективные	Св. 0,46

· Водопоглощение изделий должно быть:

- не более 6,0% - для клинкерного кирпича;

- не менее 6,0% - для остальных изделий.

· Кислотостойкость клинкерного кирпича должна быть не менее 95,0%.

· Кирпич и камень должны быть морозостойкими и в зависимости от марки по морозостойкости в насыщенном водой состоянии должны выдерживать без каких-либо видимых признаков повреждений или разрушений - растрескивание, шелушение, выкрашивание, отколы (кроме отколов от известковых включений) - не менее 25; 35; 50; 75; 100; 200 или 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

· Марка по морозостойкости клинкерного кирпича должна быть не ниже F75, лицевых изделий - не ниже F50. Допускается по согласованию с потребителем поставлять лицевые изделия марки по морозостойкости F35.

· Керамические изделия относятся к негорючим строительным материалам в соответствии с ГОСТ 30244. /1/

В данном курсовом проекте планируется выпускать кирпич керамический полнотелый М 150 с размерами:

- длина 250 ± 5 мм;

- ширина 120 ± 4 мм;

- толщина 65 ± 13 мм.

1.2 Обзор литературы и обоснование выбора производства

Керамический кирпич, изготовленный методом пластического формования, имеет ряд отличий от изделий полусухого прессования. Они обусловлены технологией производства и определяют как внешние особенности, так и специфику применения кирпича.

Для получения керамического кирпича существует два вида формирования. Это пластическое прессование и полусухое. В каждом варианте в процессе обжига глины получают массу камневидного образца.

Полусухое прессование - это традиционный производственный способ. Он имеет упрощенный процесс создания керамических строительных изделий. В таком производственном процессе количество влаги в уже готовой сформованной массе глины не превышает 8%. Это позволяет исключить стадию сушки. Что значительно уменьшает затраты на производство, сокращает временные этапы. Такой метод дает возможность использовать малопластичные глины в производстве, что значительно увеличивает возможности поставки сырья.

В процессе полусухого прессования глиняная смесь обогащается многочисленными добавками. Они необходимы для создания качественного сырья для производства кирпича и керамических изделий. Так, к измельченной глине вводят пластифицирующие элементы. Это могут быть глины с высокой пластичностью, поверхностно-активные вещества, бентонит и ЛТС. Все они положительно влияют на пластичность глины, увеличивая ее. Затем в сырьевую смесь добавляют отощающие вещества. Сюда входят - кварцевый песок, шамот, пылевидный кварц, золы ТЭС, дегидратированная глина. Они немного снижают пластичность и заметно сокращают огневую и воздушную усадку в ходе обжига. Следующий этап - это внедрение в глиняную смесь для производства кирпичей образующих поры добавок. Это могут быть как древесные опилки, торф, так и отходы углеобогатительных фабрик, антрацит, измельченный бурый уголь. Они нужны для равномерного спекания керамического кирпича. В ходе подготовки сырья сюда же могут вносить флюсы или плавни. Это полевые шпаты, тальк, мел, доломит, пегматит, железные руды. Они понижают уровень температуры при спекании.

Когда полусухое прессование прошло первый этап и смесь для кирпича готова, приступают к формовочному процессу. Формовка заготовок проходит при помощи специальных прессов. Они обеспечивают прессование с обеих сторон. Завершающий этап - обжиг кирпича и керамических изделий в печи.

Такой полусухой метод прессования имеет массу положительных характеристик. Это минимизирование энергетических затрат, которое удается из-за отсутствия необходимости в сушки сырца. Абсолютно четкие грани кирпича и его правильная форма.

В процессе пластического прессования полученную сырьевую массу укладывают на ленточный пресс, затем приступают к формированию кирпича-сырца. В ходе сушки достигается влажность 5-7%. И без принудительной сушки никак не обойтись. Она колеблется от 16 до 36 часов. При естественном высыхании этот процесс займет 15-20 дней. Заключительный этап - обжиг сырца кирпича в печах. Там соблюдаются температурные параметры в рамках этапов - прогрев - обжиг и лишь потом - охлаждение готового строительного кирпича.

Последний способ изготовления кирпича более затратный в финансовом и плане энергоресурсов. Что понятным образом влияет и на себестоимость готовой продукции. Но долговечность постройки того все же стоит. /3/

Достоинства и недостатки пластического метода:

+ получается более морозостойкий кирпич;

+ изготавливается более прочный кирпич;

+ более высокая водостойкость;

+ более легкий процесс прессования;

- расходы, связанные с запуском завода намного выше;

- нужна сушка, увеличение затрат на топливо;

- менее качественная поверхность граней;

- требуется увлажнение малопластичных глин;

Достоинства и недостатки полусухого метода:

+ не требуется сушки, сокращается расход топлива;

+ имеет гладкие грани и значительно меньше дефектов;

+ быстрее окупаются затраты на предприятие;

+ использование малопластичных глин;

- менее морозостоек;

- низкая водостойкость;

- более сложный процесс прессования;

- более плотный получаемый материал;

Метод пластического формования состоит из нескольких этапов:

1. Подготовка сырья. Глину увлажняют паром и интенсивно обрабатывают (это заменяет процесс вылеживания) до получения пластичной, удобно формируемой массы без крупных каменистых включений.

2. Формование кирпича-сырца. Глиняная лента нарезается автоматическим устройством на кирпич-сырец. Размер таких кирпичей несколько больше требуемого, так как в процессе последующей обработки глина дважды (при сушке и обжиге) претерпевает усадку, достигающую 10-15%.

3. Сушка. Важный и сложный этап производства кирпича. Простейший способ предохранить кирпич от растекания - сушить его медленно, то есть так, чтобы скорость испарения не превышала скорости ее миграции из внутренних слоев. При влажности кирпича-сырца 6-8% его можно подавать на обжиг.

4. Обжиг. Для обжига используют печи различной конструкции. Это и старые кольцевые печи, в которые кирпич укладывают и вынимают вручную, и современные туннельные, где кирпич обжигается в процессе продвижения его по печи. Температура обжига зависит от состава сырьевой массы и обычно находится в пределах 950-1000град. Необходимую температуру обжига следует строго выдерживать.

В данном курсом проекте будет использоваться метод пластического формования, т.к. сырье умереннопластичное с удовлетворяющей формующей способностью и среднечувствительное к сушке.

Полученный в результате продукт обладает высоким качеством и улучшенными техническими характеристиками, которые позволяют шире применять его в строительстве, в отличие от кирпича, изготовленного методом полусухого прессования. /3/

1.3 Характеристика и требования, предъявляемые к сырью

керамический кирпич шихта обжиг

В качестве сырья для производства керамического кирпича и керамических камней применяют:

· глинистые породы, встречающиеся в природе в плотном, рыхлом и пластическом состоянии, называемые в целом легкоплавкими глинами, а также трепельные и диатомитовые породы;

· органические и минеральные добавки, корректирующие свойства природного сырья (кварцевый песок, шлаки, шамот, опилки, уголь, зола и другие.);

· светложгущиеся огнеупорные и тугоплавкие глины, стекло, мел, отходы фарфорового производства, огнеупорного кирпича для получения офактуренного лицевого кирпича, изготавливаемого из легкоплавких глин.

Основным сырьём для производства кирпича являются легкоплавкие глины - горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластическое тесто, превращающееся после обжига при 800- 1000 0С в камнеподобный материал.

Легкоплавкие глины относятся к остаточным и осадочным породам. Для производства кирпича наибольшее применение нашли элювиальные, ледниково-моренные, гумидные, аллювиальные, морские и некоторые другие глины и суглинки.

Для определения возможности использования глин и суглинков для производства стеновых материалов необходимо знать их зерновой, химический и минералогический состав, пластичность и технологические свойства.

Наиболее ценной для производства кирпича является глинистая фракция, содержание которой не должно быть менее 20%.

Очень важно для характеристики глины содержание в ней глинозёма Аl₂O₃, повышающего технологические свойства сырья: в легкоплавких глинах оно колеблется в пределах от 10 до 15%.

Содержание кремнезёма SiO₂ колеблется в пределах от 60 до 75%. В глинах часть кремнезёма находится в связанном виде в глинообразующих минералах и в несвязанном виде как примесь, обладающая свойством отощающих материалов.

Кальций содержится в глинах в виде карбонатов и сульфатов, а магний - в виде доломита. В некоторых сортах глин наличие кальция и магния в пересчете на их оксиды (CaO и MgO) достигает 25%, но, как правило, общее их содержание не превышает 5-10%. Обычно соединения кальция и магния отрицательно влияют на спекаемость и прочность керамических изделий. При наличии в глинистых породах свыше 20% карбонатных примесей они не могут использоваться без соответствующей обработки или обогащения. Оксиды железа, титана, марганца и других металлов содержатся в глинах в количестве до 10-12% и оказывают существенное влияние на целый ряд важнейших свойств керамических изделий. Наибольшее влияние оказывают оксиды железа, находящиеся в глине в виде оксида Fe₂O₃ и гидроокиси Fe(OH)₃ и оксиды марганца MnO₂. Они улучшают спекаемость изделий и придают им окраску.

Калий и натрий входят в глины в виде щелочных оксидов, содержание которых находится в пределах 3,5-5%.

Сера присутствует в глинах в различных соединениях, ее содержание не оказывает на качество стеновых керамических изделий.

Глинообразующие минералы, определяющие основные свойства глин, представляют собой в основном гидросиликаты глинозема, содержащие кремнезем и окислы железа, а также сульфаты, карбонаты и растворимые в воде соли различных металлов.

Необходимы нормы для глины при производстве керамического кирпича приведены в таблице 4. /1/

Таблица 4. Требования к глинам, предназначенным для производства керамического кирпича

Показатели	Норма
Химический состав глины, %: SiO2 (не более) Al2O3 (не менее) SO3 (не более)	85 7 2
Гранулометрический состав, %: Частицы менее 1 мкм (не менее) Частицы менее 10 мкм (не менее)	15 30
Влажность карьерная, % (не более)	25
Засоренность: Крупнозернистыми включениями более 5 мм, % (не более) Карбонатными включениями, более 3 мм	5 Не допускается
Пластичность (не менее)	6
Воздушная усадка	< 7-8%
Огневая усадка	< 1-2 %
Водопоглощение	> 6 %
Огнеупорность	< 1350 °C

Чтобы улучшить свойства кирпича, рекомендуется ввод корректирующей добавки - древесных опилок.

Древесные опилки продольной резки очень эффективно уменьшают пластичность глины на стадии формования, увеличивают прочность сырца и полуфабриката после сушки, армируя массу своими волокнами, уменьшают коэффициент усадки к сушке, т. к. улучшают влагоотдачу и уменьшают воздушную усадку. В процессе обжига они играют роль выгорающей добавки, тем самым обеспечивают равномерный прогрев изделий по садке и увеличивает пористость готовых изделий. Увеличение пористости уменьшает массу кирпича, увеличивает тепло- и звукоизоляционные свойства и, естественно, несколько уменьшает прочность готовых изделий.

В качестве выгорающей добавки используются древесные опилки.

Отощающими материалами служат природные отощители - пески, сухарные (непластичные) глины и глинистые сланцы, искусственные отощители: шамот, дегидратированная глина, а также отходы производства - золы и шлаки. В случае же применения малопластичного сырья добавляют пластичную глину.

Традиционным отощителем, применяемым на кирпичных заводах объединения, является кварцевый песок. Однако при вводе песка в количестве более 20% от объема массы обычно снижается прочность изделий, повышается их хрупкость, увеличивается трещиноватость из-за полиморфных превращений кварца при обжиге.

Хотя песок наиболее дешевый отощитель, отсутствие месторождений песка требуемого качества вблизи заводов является одной из причин сокращения его применения.

Дегидратированная глина как отощитель оценивается более высоко, чем песок: при ее использовании значительно снижается пластичность керамических масс, уменьшается чувствительность их к сушке, увеличивается влагопроводность, что позволяет более интенсивно вести сушильный процесс.

В то же время величина общей усадки масс (главным образом за счет огневой усадки) даже при содержании в них около 40% дегидратированной глины лишь немногим меньше усадки неотощенной глины.

Величина воздушной усадки не зависит от вида отощителя, что вполне естественно и объясняется самим характером процесса дегидратации глин. Однако это обстоятельство не всегда учитывается при разработке технологии производства. Кроме того, дегидратированная глина вследствие низкотемпературной обработки в процессе ее изготовления не может длительно противостоять действию влаги и потому должна вводиться в массу непосредственно перед формованием сырца.

Применяемые материалы (добавки) показаны в таблице 5./1/

Таблица 5. Технические требования, предъявляемые к добавкам

Показатели	Норма
1. Опилки Влажность, % (не более) Гранулометрический состав, % - фракция более 8 мм - от 1 до 8 мм (не более) - менее 1 мм	55 Не допускается 80 Остальное
2. Шамот (бой) Влажность, % Гранулометрический состав, % - фракция более 5 мм - от 1 до 5 мм - менее 1 мм	5-9 Не допускается 85 остальное
3. Песок (крупнозернистый) Влажность, % фракция	5 1,5-0,15 мм
4. Дегидратированная глина Количество удаленной химически связанной воды, % Гранулометрический состав, % фракция от 1-2 мм менее 0,15 мм от 0,15 до 1 мм	Около 70 20-30 <30 Остальное
5. Зола Влажность, %	10

В данном проекте для производства керамического кирпича в качестве основного компонента используем глину Норского месторождения, химический состав глины представлен в таблице 6. /2/

Таблица 6. Химический состав глины Норского месторождения, %

Оксид	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	R2O	SO3	П.п.п.
Содержание	48,19	10,99	8,65	16,02	-	-	0,7	14,21

Свойства глины Норского месторождения:

Описание внешнего вида: суглинок коричневого цвета

Пластичность - 17,68

Коэффициент чувствительности к сушке - 1,32

Воздушная усадка - 8,5 %

Общая усадка - 8,9 %

Влажность - 16,28 %

Так как Норская глина среднепластичная и среднечувствительная к сушке, необходим ввод корректирующих добавок, уменьшающих пластичность, коэффициент усадки и коэффициент чувствительности к сушке.

1.4 Состав композиции

В производстве керамического кирпича используется глина Норского месторождения, она составляет основную часть шихты- 2 мі на 1000 шт. кирпича. Поскольку эта глина имеет число пластичности 17,7 и является среднечувствительной к сушке, необходим ввод добавок. Для уменьшения чувствительности к сушке вводится выгорающая добавка (опилки древесные) - 0,27 мі на 1000 шт. кирпича. /2/

Состав шихты:

Глина - 86 % (об.)

Опилки - 14 % (об.)

1.5 Обоснование технологической схемы и её выбор

Готовую шихту транспортируют ленточным конвейером на формование бруса. Для формования используется ленточный вакуумный пресс. Вакуумированию массу подвергают для улучшения ее формовочных свойств. Обезвоздушивание глиняной массы способствует более прочному сцеплению глиняных частиц между собой. При удалении воздуха из глиняной массы ее пластичность значительно повышается.

После вакуумирования влажность керамической массы снижается на 2-3%, а, следовательно, уменьшается воздушная усадка.

Формованный глиняный брус разрезается на отдельные кирпичи струнным резательным автоматом, затем сырец укладывается на рамки, которые подаются к горизонтальному ленточному конвейеру. Далее автомат-укладчик укладывает кирпич-сырец на сушильные вагонетки, транспортировка которых осуществляется с помощью электропередаточной тележки. Свежесформованный сырец надо транспортировать осторожно во избежание его деформации. Кроме того, надо стремиться к наиболее рациональной укладке изделий в сушилке.

Кирпич-сырец поступает на сушку в туннельное сушило. Для сушки используется горячий воздух из туннельной печи, атмосферный воздух и рециркулят, а также дымовые газы из топки. Отработанный теплоноситель после очистки поступает в атмосферу. Для нормального протекания процесса сушки сырца, т. е. для того, чтобы изделия высыхали с максимальной равномерностью и без деформаций при минимальном расходе топлива и в минимальный срок, необходимо создать условия для интенсивной влагоотдачи с единицы поверхности изделия. Нижнюю часть садки на вагонетке выполняют более разреженной для выравнивания условий сушки на высоте туннеля.

После завершения процесса сушки с помощью электропередаточной тележки осуществляется транспортировка высушенного кирпича из сушила. Сушильные вагонетки поступаю к автомату-перекладчику, который осуществляет садку полуфабриката на обжиговые вагонетки для последующего обжига в печи.

Обжиг проводят в туннельной печи при температуре 1000°C. В качестве теплоносителя используются продукты сгорания газа. При обжиге за счет удаления влаги и сближения в результате этого частиц, вследствие фазовых и химических превращений, частичного получения жидкой фазы протекают структурообразующие процессы. Из печи забирается горячий воздух на сушку в туннельное сушило, а отработанные дымовые газы после очистки выбрасываются в атмосферу.

Из печи обожженный кирпич транспортируется при помощи электропередаточной тележки на выставочную площадку, оборудованную мостовым краном. Пакеты кирпича сгружаются с помощью крана на выставочную площадку. Затем производится сортировка кирпича и садка его на евро поддоны. Изделия соответствующего качества на поддонах с помощью электропогрузчика отгружаются потребителю согласно графика, а бой и брак изделий отправляется на переработку в производство. /5/

2. Теоретические основы технологических процессов цеха формования, сушки и обжига

2.1 Формование кирпича

Формованием называется процесс придания массе заданных форм и размеров, т. е. получения заготовки (полуфабриката) издания. Структура заготовки в значительной мере определяет строение и свойства изделий после обжига. При формовании стремятся максимально увеличить содержание твердой фазы, чтобы снизить усадки в сушке и обжиге.

Пластичность глин предопределяет наличие специфических деформационных свойств - малой вязкости и достаточно высокого предела текучести.

Показателем формовочных свойств масс является соотношение между внешним и внутренним трением. Считают, что формование возможно, если внутреннее трение массы (когезия) больше, чем трение о формующий орган машины (аутогезия). Для оценки формовочных свойств используют коэффициенты внутреннего трения и сцепления массы. Из уравнения Кулона-Мора следует, что сопротивлением массы уПР сдвигу определяется коэффициентом внутреннего трения f, сцеплением С и действующим сжимающим напряжением у:

уПР = уf + С.

Основные свойства пластичной формовочной массы зависят от минерального состава, формы и размеров частиц твердой фазы, вида и количества временной технологической связки, интенсивности образования гидратных слоев на поверхностях частиц. С увеличением содержания жидкой фазы коэффициент внутреннего трения растет, проходя через максимум. Другие показатели уменьшаются монотонно, но с разной интенсивностью. Это позволяет для каждой массы выбрать оптимальное значение формовочной влажности. Лучшие формовочные свойства имеет масса с максимально развитыми слоями физически связанной воды при минимальном содержании свободной воды в системе.

Возрастание дисперсности твердой фазы увеличивает количество контактов между частицами в единице объема и прочность. Одновременно растут оптимальная формовочная влажность, предел текучести, вязкость, модули деформации, коэффициент внутреннего трения и связность массы, повышается пластичность. Чрезмерное повышение дисперсности увеличивает усадки в сушке и обжиге, поэтому оптимальный зерновой состав должен обеспечивать создание каркаса из сравнительно крупных зерен для повышения предела текучести и уменьшения усадок.

Пластическое формование осуществляют тремя способами: выдавливанием, допрессовкой и раскаткой. Во всех случаях механические напряжения не превышают 1-30 МПа, масса содержит 30-60% жидкости по объему. Заготовка сохраняет форму благодаря наличию предела текучести.

Важнейшей задачей при пластическом формовании является подбор оптимальной формовочной влажности. Для оценки формовочной влажности WФ по П.А. Ребиндеру используют зависимость пластической прочности структуры Рm, от влажности Wабc (рис.2.).

Влияние влажности на основные параметры пластичной массы:

Рис.2. f - коэффициент внутреннего трения; Е₁ и Е₂ - модули быстрой и замедленной обратимой деформации; С - сцепление; з - вязкость.

Пластической прочностью называют механическое напряжение, которое способна выдерживать масса без нарушения сплошности. Считают, что формовочной влажности соответствует точка перехода зависимости Рm - влажность от прямолинейного участка. В заводской практике формования на вакуумных прессах ведут обычно при влажности на 1-3% меньше.

Чем сложнее форма изделия, тем при более высокой влажности проводят формование. Для его облегчения иногда в массы добавляют высокопластичные монтмориллонитовые глины.

Выдавливание является окончательной операцией формования изделий грубой строительной керамики (кирпич) и промежуточным этапом переработки пластичной тонкокерамической массы перед раскаткой и допрессовкой. Выдавливание может быть горизонтальным и вертикальным. Его осуществляют на шнековых вакуумных прессах. В шнековом прессе при движении массы возникает сложное объемно-напряженное состояние. Лопасти шнека сообщают массе поступательное и вращательное движение, а стенки корпуса пресса замедляют перемещение массы в прилегающим к ним слоям. По мере продвижения массы к головке пресса ее вращение замедляется, но периферийные слои движутся с большей скоростью. Окончательно уплотняет массу последний виток шнека. Он выжимает массу из цилиндра в головку пресса с различными по сечению скоростями, сообщая ей частичное вращение.

Рис.3. Распределение скоростей течения пластической (а) и тощей (б) масс в головке шнекового пресса.

Шнековые (ленточные) вакуумные прессы имеют высокую производительность и являются агрегатами непрерывного действия, однако требуют "мягких" масс. В заготовке могут возникать дефекты, связанные с неравномерным движением массы.

Под действием бокового давления линейная скорость массы у стенки меньше, а окружная выше, чем в центре. В массе образуются два параболоидальных потока, скорости которых в мундштуке постепенно выравниваются. Более пластичные массы характеризуются большим градиентом скоростей по сравнению с жесткими (рис.3.). Для снижения неравномерности течения используют шнеки с переменным шагом винта и двухзаходной выпорной лопастью. Крупнозернистые включения снижают склонность массы к расслаиванию.

Выдавливание сопровождается образованием анизотропной структуры масс, так как пластинчатые частицы глины ориентируются своей тонкой гранью в направлении максимальной скорости течения. Анизотропия проявляется в неравномерной усадке и различной прочности образцов в разных направлениях.

При неблагоприятных условиях возможно появление дефектов. S-образные трещины образуются при нарушении сплошности массы из-за разной продольной и окружной скорости ее течения. Уменьшение скорости течения в углах или на поверхности кернов для слабосвязанных масс приводит к образованию "драконова зуба" и "малых надрезов".

Дефекты устраняют подбором размеров головки пресса и мундштука (отношение длины к диаметру должно быть не менее 4, увеличиваясь для сильно пластичных и жестких масс), конусности мундштука, смазкой головки и мундштука. Эффективно применение вибрирующих головок или вставок и ультразвуковое разжижение масс.

Сформованный кирпич в дальнейшем подвергается сушке.

2.2 Сушка полуфабриката

Сушкой называют удаление воды из влажного керамического полуфабриката или сырья испарением. Наиболее ответственной является сушка высоковлажного полуфабриката изделий хозяйственной и строительной керамики, изготовленного пластическим формованием или шликерным литьем и содержащего значительное количество глинистых компонентов.

Процесс сушки керамических изделий представляет собой превращение содержащейся в них воды из жидкого состояния в парообразное и последующее удаление ее в окружающую среду. При этом необходимым условием сушки является наличие внешнего источника тепла, нагревающего изделия. Наиболее ответственной является сушка высоковлажного полуфабриката изделий хозяйственной и строительной керамики, изготовленного пластическим формованием.

Находящаяся в керамических массах и изделиях вода делится на физическую и химически связанную.

Физической называется та часть воды материала, которая не входит ни в какие соединения с ним. Физическая вода находится в изделии в жидком или парообразном состоянии и может быть удалена полностью при нагреве материала до 100-110°С. При этом керамическая масса становится непластичной, но с добавлением воды пластические свойства массы восстанавливаются.

Химически связанной водой называется вода, находящаяся в химическом соединении с отдельными элементами керамической массы, так например Ca(OH)₂. Удаление химически связанной воды происходит при более высоких температурах - от 500°С и выше. При этом керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства.

При сушке изменяется от коагуляционных к конденсационным природа контактов между частицами твердой фазы за счет удаления механически и физико-химически связанной воды. Химически связанная вода в сушке не удаляется.

Простейшим видом сушки является сушка изделий на воздухе, когда испарение влаги из материала происходит за счет тепловой энергии солнца. В настоящее время сушка изделий осуществляется за счет тепла, получаемого от специальных установок.

Анализируя процессы, происходящие при сушке материалов, необходимо отметить следующее:

1) содержащаяся в материале вода при температуре 80-90°С испаряется. В этом случае имеет место поверхностное испарение или так называемая внешняя диффузия влаги;

2) при испарении влаги с поверхности материала в окружающую среду влага из внутренних слоев изделия перемещается к его поверхности. Происходит так называемая внутренняя диффузия влаги.

Если в процессе сушки замерять температуры материала и окружающей среды, то обнаруживается, что температура изделия ниже температуры воздуха. Следовательно, во время сушки поверхность твердого тела, имеющего относительно низкую температуру, соприкасается с газом, нагретым до более высокой температуры. Между ними происходит теплообмен. Поэтому процесс сушки можно рассматривать как комплекс параллельно протекающих явлений:

а) испарения влаги с поверхности материала;

б) внутренних перемещений (диффузии) влаги в материале;

в) теплообмена между материалом и окружающей газообразной средой.

При испарении влаги с поверхности изделий влажность поверхностных слоев по сравнению с внутренними слоями уменьшается и возникает так называемый перепад (градиент) влажности.

Внешним показателем процесса сушки является изменение веса материала во времени. Графическое изображение зависимости влажности материала от длительности сушки носит название кривой сушки. Характер кривой определяется влажностью и размерами изделия, способом его формования, а также температурой, влажностью и скоростью теплоносителя. Совокупность указанных факторов определяет режим сушки. Режимом сушки называется изменение интенсивности влагоотдачи изделия путем изменения температуры, относительной влажности и скорости движения теплоносителя.

Изменение режима сушки вызывает изменение интенсивности влагоотдачи изделия, которая определяется количеством влаги, испаряемой с единицы поверхности высушиваемого изделия в единицу времени.

Интенсивность влагоотдачи измеряется в граммах на 1 мІ в час.

Режим сушки регулируют, изменяя температуру или количество теплоносителя, подаваемого в сушилку.

Сушка зависит от параметров окружающей среды (температуры, влажности и скорости движения теплоносителя), формы связи влаги с материалом, состава, структуры, влажности и температуры полуфабриката.

Различают кинетику сушки (изменение средних значений влажности и температуры заготовки во времени) и ее динамику (изменение влажности и температуры в каждой точке заготовки). Распределение меняющихся во времени полей влажности и температуры в объеме изделия определяет возможность появления опасных напряжений и брака.

Если сушку проводят при малых перепадах температуры между полуфабрикатом и средой, малых скоростях и высокой влажности теплоносителя, то влажность полуфабриката медленно уменьшается от исходной w0, а температура повышается до температуры мокрого термометра tМ. Центр заготовки прогревается медленнее, чем поверхность. Это период прогрева полуфабриката.

На втором этапе (период постоянной скорости сушки) влажность заготовки меняется по линейному закону при постоянной температуре (рис. 4).

После достижения критической влажности Wкp температура поверхности заготовки увеличивается, приближаясь к температуре сухого термометра tсух, скорость сушки уменьшается, а влажность асимптоматически приближается к равновесной Wp. Температура в объеме полуфабриката растет медленнее, чем на поверхности. Этот период называется периодом падающей скорости сушки. Величина критической влажности Wкp зависит от скорости сушки, размеров и строения полуфабриката. Равновесная влажность Wp зависит от температуры и влажности в помещении. Сушить полуфабрикат до влажности меньше Wp нецелесообразно. Обычно отформованные заготовки сушат до влажности 6-8%, а золо-песчаную смесь до 13%.

При сушке испарение воды происходит диффузионным путем. Движущей силой является разность парциальных давлений пара у поверхности и в объеме теплоносителя. Уменьшение влажности во внешних слоях заготовки сопровождается появлением градиента влажности в ее объеме, что вызывает диффузию капельножидкой воды из объема заготовки к поверхности.

Рис.4. Диаграмма сушки полуфабриката. I - период подогрева; II - период постоянной скорости сушки; III - период падающей скорости сушки; IV - гигроскопическое состояние; 1 - влажность; 2,2`- температура поверхности и центра; 3 - скорость сушки; 4 - градиент температуры; 5 - усадка. /8/

При наличии градиента температуры на процесс влагопроводности накладывается процесс термовлагопроводностни: вода стремится переместиться в области с меньшей температурой. Термовлагопроводность связана с уменьшением поверхностного натяжения и вязкости воды при повышении температуры и движением пузырьков воздуха в капиллярах. При интенсивном подводе теплоты возможно испарение влаги в глубинных слоях заготовки и удалении воды по механизму паропроводности. Движущей силой процесса является перепад давления водяного пара.

Интенсивность сушки может быть повышена несколькими способами или их комбинацией:

- совмещением направления процессов влагопроводности и термовлагопроводностни при увеличении температуры заготовки по сравнению с температурой окружающей среды (теплоносителя); этот способ используют при сушке полых изделий (электроизоляторов, тиглей), помещая нагреватели во внутреннюю полость заготовки.

- увеличением коэффициента влагопроводности путем повышения пористости заготовки и размеров частиц твердой фазы.

- снижением общего давления в сушиле.

При удалении воды в порах заготовки образуются вогнутые мениски жидкости. Капиллярное давление увеличивается, уменьшается толщина прослоек жидкости, частицы сближаются, образуя каркас. При влажности, близкой к критической, капиллярные силы уравновешиваются силами трения, сближение частиц и усадка заготовки прекращается. Дальнейшее снижение влажности происходит за счет освобождения объема пор без изменения размеров.

Изменение размеров полуфабриката в сушке характеризуют линейной или объемной усадкой, выраженной в процентах.

Усадка зависит от влажности заготовки и размера частиц твердой фазы. Линейная усадка в сушке заготовок пластического формования составляет 6-8%.

Величины критической влажности и усадки зависят от режима сушки. Наибольшую усадку имеют заготовки, высушенные в равновесных условиях. Чем выше температура и ниже влажность теплоносителя, тем меньше усадка. Рост градиента влажности в объеме заготовки увеличивает разницу между фактической и максимально возможной усадками. Эта разница (недопущенная усадка) вызывает появление механического напряжения. Если последнее превысит предел прочности материала, то в теле заготовки образуется трещина.

Причиной появления трещин в период постоянной скорости сушки полуфабриката является перепад влажности между наружными и внутренними частями заготовки.

Продолжительность сушки зависит от толщины высушиваемого изделия и не зависит от его плотности и площади поверхности.

В период падающей скорости сушки усадки отсутствуют, поэтому сушку можно интенсифицировать, повысив температуру и скорость движения теплоносителя.

В процессе сушки могут возникать различные дефекты.

Тотальные трещины, проходящие через тело заготовки, возникают из-за больших скоростей прогрева заготовки, имеющей малый коэффициент влагопроводности, на первой стадии сушки.

Срединные трещины возникают после образования жесткого каркаса частиц на краях заготовки, препятствующего усадке влажных центральных частей. Предотвратить образование краевых и срединных трещин можно, покрыв края влагоизолирующим веществом (маслами, растворами сульфитно-спиртовой барды или поливинилового спирта и т. п.).

Рамочные трещины могут возникнуть при трении заготовки о подставку в процессе усадки. Этот вид брака характерен для кирпича пластического формования. Его можно предотвратить, периодически перекладывая изделия с грани на грань и используя подсыпки (песок, опилки, шамот).

Микротрещины и волосяные трещины возникают при адсорбции воды из воздуха или дымовых газов высушенным полуфабрикатом. Этот вид брака можно предотвратить, прекратив сушку при влажности несколько выше, чем максимальная влагоемкость материала при данной температуре.

Коробление изделий может возникнуть при односторонней сушке плоских изделий, например облицовочных плиток, при анизотропной структуре полуфабриката, неравномерном распределении влаги в заготовке. /6/

2.3 Обжиг полуфабриката

Важнейшие физико-химические процессы, обеспечивающие качество продукта, происходят при обжиге.

Процесс обжига керамического кирпича может быть условно разделен на четыре периода:

1) подогрев до 200°С и досушка-удаление физической воды из глины;

2) дальнейший нагрев до 700°С "на дыму" и удаление химически связанной воды из глины;

3) "взвар" - до температуры обжига 980-1000°С - созревание черепа;

4) охлаждение, "закал" - медленное до 500°С и быстрое от 500 до 50°С обожженных изделий.

Такое производственное деление на периоды не вскрывает сущности реакций в керамической массе при обжиге. При производственном обжиге керамических изделий никогда не достигается термодинамическое равновесие.

Можно отметить семь главных видов реакций, протекающих в рядовых глинистых массах при обжиге:

1) выделение гигроскопической воды из глинистых минералов и воды из аллофаноидов, если таковые присутствуют в глине (t=200 °С);

2) окисление органических примесей (t=300-400 °С);

3) выделение конституционной воды, т. е. дегидратация глинистых минералов (t=450-900°С);

4) реакции декарбонизации и десульфуризации (t=650-900 °С);

5) образование новых кристаллических фаз t=920 °С;

6) жидкофазные реакции и образование стекловидного расплава t1000°С;

Например:

7) процессы, происходящие в добавках и реакции взаимодействия глинистых составляющих с этими добавками (в частности, песком, золой, опилками).

Известно, что керамические образцы, обожженные в восстановительной и в восстановительно-окислительной средах, приобретают структуру нормально обожженного черепа примерно на 100°С раньше, чем в окислительной среде; кроме того, существенно влияет Fe²⁺ на процесс последующей перестройки ионов метафазы в стабильные фазы. Поэтому присутствие Fe²⁺ в глинах благоприятствует образованию новых фаз, улучшающих качество изделия строительной керамики.

Группа реакций в твердых фазах глин, обязанных диффузионным процессам (диффузия происходит благодаря перепаду химического потенциала на границе фаз), довольно узко описывается известными уравнениями кинетики и характеризуются сравнительно разными механизмами этих процессов.

Реакции 1, 2 в окислительных условиях и 3 - в восстановительных условиях (рис. 2) таков /2/:

1.

2.

3.

4.

5.

Не менее важную роль играет и газовая среда в печи, которая влияет на процессы, протекающие при формировании черепка, и поэтому она также должна регламентироваться режимом обжига. Эта среда может быть окислительной, нейтральной и восстановительной.

Окислительная среда характеризуется избытком воздуха против того количества, которое теоретически необходимо для полного сгорания топлива.

Присутствие 4-5% кислорода в продуктах горения при обжиге изделий грубой керамики типично для окислительной среды. Содержание кислорода в пределах 8-10% свидетельствует о сильно окислительной среде и полезно при интенсивном выгорании органических веществ массы.

Образование жидкой (стекловидной) фазы в гидрослюдистых глинах начинается по крайней мере с 700°С, но заметное развитие эти фазы получают лишь при температурах на 150-200°С выше. Появление стеклофазы содействует дальнейшему растворению в ней некоторой части минеральных составляющих глины и новому минералообразованию. Стеклофаза обеспечивает спекание и образование черепа. С физической стороны действие стеклофазы характеризуется усадкой изделия. В зависимости от степени развития стеклофазы, что регулируется выдержкой и созреванием черепа, можно сообщить ему ту или иную плотность (пористость). Именно в этом процессе и состоят операции выдержек - "взвар" и начала охлаждения - "закал", которые необходимо осуществлять: "взвар" - в пределах температур 980-1000°С и "закал" - до 800°С, а также длительностей для получения кирпича должного качества - ярко-красного (не алого) по цвету и звонкого при ударе. Кроме того, выдержка необходима для выравнивания температурного поля в печи.

Спекание материала - существенный момент процесса обжига, так как к этому времени заканчивается формирование керамического изделия. Окончание спекания изделия характеризуется прекращением его усадки. Условными показателями спекшегося материала являются его водопоглощение.

Спекаемость глины зависит от содержания в ней плавней и степени их дисперсности.

На процесс формирования керамического черепка влияют: химический и гранулометрический состав сырья, соотношение компонентов в массе, а также температурно-газовый режим обжига.

Процесс спекания первоначально пористого тела начинается с образования контактов между частицами и их роста по мере повышения тем пера туры. Модель стадии припекания двух сферических частиц с образовавшейся перемычкой представлена на рис.5. Вогнутая поверхность образующейся перемычки, растягиваемая силами поверхностного натяжения, становится участком повышенной концентрации вакансий, т. е. их источником. Выпуклая часть поверхности, сжимаемая силами поверхностного натяжения, а также межкристаллическая граница на участке контакта являются поглотителями вакансий. Таким образом, объемный диффузионный поток атомов направляется на поверхность перешейка и увеличивает его диаметр. Поскольку часть потока вещества, направленного к поверхности перешейка, выносится из области межчастичного контакта, частицы сближаются, происходит усадка и уплотнение пористого тела. На рис.5 показано: г 0 - радиус частиц; - расстояние между центрами сфер в момент начала припекания частиц; максимальное сближение до соприкосновения сфер