Проект цеха "Обжиг" по производству керамического кирпича М 150

технолог

10.

Состояние автомата резки кирпича

автомат СП-5М

в течение смены

осмотр, замер

мастер, технолог

11.

Размер и внешний вид кирпича-сырца

полуавтомат

в течение смены

осмотр, замер

мастер, технолог

Контроль процесса сушки

12.

Соблюдение графика загрузки сушильных вагонеток

сушильные вагонетки

в течение смены

мастер, технолог

13.

Проверка температуры теплоносителя

центральный канал сушила

в течение смены

замер

технолог

14.

Влажность кирпича-сырца после сушки

влажность сырца

ежесменно

высушивание до постоянного веса

технолог, мастер

15.

Выгрузка кирпича-сырца после сушки

влажность сырца

ежесменно

высушивание до постоянного веса

технолог

16.

Качество кирпича после сушки

сушильные вагонетки

ежесменно

разбраковка при выгрузке и после сушки по внешнему виду

технолог, мастер

Контроль процесса обжига

17.

Состояние печных вагонеток: футеровки, ходовой части.

печные вагонетки

в течение смены

визуально

мастер, технолог

18.

Правильность садки кирпича на вагонетки

печные вагонетки

в течение смены

визуально по схеме садки

мастер

19.

Ритмичность загрузки и выгрузки туннельной печи

туннельная печь

в течение смены

по журналу обжигания

мастер

20.

Контроль температурного режима

туннельная печь

в течение смены

замер

технолог

Контроль готовой продукции

21.

Прием готовой продукции и ее сортировка после приема

площадка готовой продукции

в 1-ю смену ежедневно

выбраковка по внешнему виду по ГОСТу 530-95

старший мастер, технолог

22.

Сдача готовой продукции

площадка готовой продукции

в 1-ю смену ежедневно

по ГОСТу 530-95

старший мастер, технолог

23.

Выдача паспортов на готовую продукцию

площадка готовой продукции

на каждую партию кирпича

Согласно протоколам и испытаниям

технолог

10. Научно - исследовательская часть

10.1 Обзор литературы

Доля керамических стеновых материалов в общем объеме промышленного и жилищного строительства достаточно высока. Это обусловлено невысокими эксплуатационными издержками, экологичностью, архитектурной выразительностью, долговечностью, относительной простотой при реставрации и ремонте сооружений.

Промышленность керамических строительных материалов является одной из самых материалоёмких отраслей народного хозяйства. Поэтому рациональное использование топлива, сырья и других материальных ресурсов становится решающим фактором её успешного развития в условиях проводимой экономической реформы. В связи с этим проблема применения в керамических материалах нетрадиционных добавок приобретает особую актуальность [10].

Известно, что в большинстве областей Казахстана отсутствуют или ограничены месторождения кондиционных глин, пригодных для производства керамического кирпича. В Казахстане керамические заводы в основном работают на лессовидных суглинках, относящихся к типу низкосортного отощенного сырья, исключающих возможность добавки к ним отощающих материалов или тугоплавких глин каолинит-монтмориллонитового состава, запасы которых крайне ограничены. Кроме того, широкое внедрение в керамическую промышленность по производству керамического кирпича автоматических линий, использование глинистого сырья Казахстана, по своим свойствам, значительно уступающим глинам Украины и России, обусловливает изыскание новых видов отощителей и плавней.

Отощающие материалы вводят в керамические массы для уменьшения усадки и деформации изделий при сушке. С увеличением содержания отощающих материалов облегчается перемещение влаги из глубинных слоев к поверхности, сокращаются продолжительность и стоимость сушки. В качестве отощающих материалов для керамических масс используют тонкомолотый кварц (содержание SiO₂ не менее 90%), полевой шпат, пегматит и нефелин-сиенит. Полевой шпат, пегматит, перлит и нефелин-сиенит являются, кроме того, плавнями, которые способствуют спеканию изделий. Запасы эффективных отощителей и плавней в Казахстане также ограничены [2].

Одним из аспектов решения проблемы по изысканию качественного сырья для производства керамического кирпича является использование нетрадиционных добавок.

Цеолитсодержащее сырье используется в промышленности строительных материалов сравнительно недавно из-за малого изучения применения сырья в данной промышленности. Природные цеолиты - новый вид минерального сырья. Цеолиты обладают уникальными адсорбционными и ионообменными свойства, химической и механической устойчивостью. Название "цеолит" происходит от двух греческих слов: "цео" - кипеть и "литос" - камень. Следовательно, цеолит - это кипящий камень, или камень, способный кипеть и, действительно, цеолиты способны значительно увеличиваться в объеме при резком нагревании [12,13].

Общим для всех минералов из группы цеолитов является наличие трехмерного алюмокремнекислородного каркаса, образующего системы полостей и каналов, в которых расположены щелочные, щелочноземельные катионы и молекулы воды. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью замещены (удалены) путем ионного обмена и дегидратации, причем обратимо, без разрушения каркаса цеолита. Лишенный воды цеолит представляет собой микропористую кристаллическую "губку", объем пор в которой составляет до 50% объема каркаса цеолита. В чистом виде цеолиты бесцветны, но природные могут быть окрашены тонко рассеянными минеральными включениями (например, механические примеси окислов железа окрашивают цеолиты в красноватый цвет) (рис 10.1.1) [15-17].

Рис. 10.1.1 - Внешний вид цеолита и его микропористая структура.

Химический состав цеолитов представлен такими оксидами как: SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, Fe₂O₃ и другими. Из-за высокого содержания оксида кремния, составляющего около 70%, цеолитсодержащие породы могут использоваться в производстве строительной керамики в качестве отощающей добавки. Природные цеолиты также включают свыше 50 минералов. Их классифицируют по основным структурным типам. Различают группы анальцима, натролита, шабазита, морденита, фожазита, однако, наиболее распространены в природе лишь два - клиноптилолит и морденит[16].

Цеолитсодержащее глинистое сырье является полиминеральным и в основном сложено глинистыми минералами, цеолитами, кварцем, полевыми шпатами, иногда присутствует реликтовое вулканическое стекло, кальцит. Достаточная техническая прочность клиноптилолита, устойчивость к действию высоких температур, агрессивных сред, селективность к крупным катионам щелочных, щелочноземельных металлов, поглощающая способность и ситовый эффект - все это обуславливает широкое использование минерала. Однако для производства строительной керамики, содержание клиноптилолита не должно содержаться более нормируемой величины, иначе при термических превращениях клиноптилолита керамический черепок трескается.

Цеолит применяется практически во всех сферах жизнедеятельности человека от медицины до сельского хозяйства. Мировая добыча природных цеолитов в настоящее время оценивается в 3-4 млн. т в год. Из них только около 20% добываемых цеолитов используется в промышленности строительных материалов. Многие вскрышные цеолитсодержащие породы отправляются в отвалы и занимают плодородные земли. Но благодаря, проведенным опытам, цеолитсодержащие породы из отвалов могут быть использованы в производстве керамического кирпича. Данный кирпич отвечает всем физико-механическим характеристикам. Таким образом, использование цеолитсодержащей добавки в производстве строительной керамики не только повышает прочностные характеристики готовой продукции, но также улучшает экологическую проблему добычи природного цеолита [14,15].

Другой нетрадиционной добавкой в производстве керамического кирпича является волластонит, обладающий крупнокристаллической игольчато-волокнистой структурой, используемый для получения малоусадочных керамических изделий, отличающихся высокой прочностью, термо- и морозостойкостью. Большое внимание привлекает к себе и искусственный волластонит, получаемый из смесей кальций и кремнеземсодержащих компонентов. По своим свойствам синтезированный волластонит (рис 10.1.2) практически идентичен натуральному, а по некоторым показателям даже превосходит его [55,56].

Рис. 10.1.2 - Синтетический волластонит



Волластонит - метасиликат кальция (СаSiO₃) с характерной игольчатой структурой кристаллов, при раскалывании которых образуются зерна игольчатой формы. Игольчатая форма зерна волластонита определяет его основное направление использования в качестве микроармирующего наполнителя. Но в некоторых отраслях промышленности имеет значение и химический состав волластонита, т. к. он является одновременно источником СаО и Si0₂. Волластонит ценится за его белизну (90-97%) химическую инертность, игольчатость (15:1-20:1) высокую температуру плавления (1540⁰С) хорошие термоизоляционные свойства, низкую поглощаемость влаги и кислот.

Области применение волластонита довольно широки и разнообразны. Волластонит главным образом является перспективным наполнителем композиционный материалов, использующихся в ответственных отраслях промышленности: керамическая, в том числе в строительной, фарфорофаянсовой, санитарной керамики; стройиндустрии: цементная, стекольная промышленность, производство минеральной ваты, деталей машин и т.д. Основной областью применения волластонита в настоящее время является керамическая промышленность. Особый интерес представляет использование волластонита в производстве глазури, глазурной фритты, флюсов и цветных протрав (смальты) [57,58].

Следует подчеркнуть важную роль волластонита в производстве изделий строительной керамики. Добавление волластонита в качестве добавки ведет к повышению качества изделий, в первую очередь их прочности, и сокращению времени обжига, а также уменьшает количество брака при сушке и обжиге изделия. В США эта особенность материала оценена по достоинству, где более половины получаемого волластонита расходуется на изготовление кафеля.

Керамическая масса с добавкой волластонита обладает совершенно необычными свойствами. При нагревании до максимальной температуры шихта расплавляется лишь частично, не расплавившиеся остатки волластонитовых иголок создают плотный каркас, препятствующий изменению прежнего объема. Небольшая потеря объема обусловлена увеличением пор связующей глины, являющейся обязательным компонентом шихты (волластонит при плавлении и последующей кристаллизации практически не меняет объема). Последующая кристаллизация шихты при охлаждении изделия прочно скрепляет иголки между собой. Получающийся в результате керамический черепок обладает рядом свойств: во-первых, он практически сохраняет размеры, приданные ему при формовке, а, во-вторых, из-за большой пористости и "сетчатого" строения черепок, несмотря на низкую прочность, близкую к прочности фарфора, почти не бьется [59,60].

Требования к волластонитовому продукту зависят от области его применения. В керамической промышленности используется концентрат, в котором содержание волластонита должно быть не менее 80%, а примесь кальцита не должно превышать 5% [61]

Анализ источников литературы показал актуальность и необходимость применения нетрадиционных видов добавок, таких как природный цеолит и синтетический волластонит в производстве строительного кирпича. Добавки улучшат не только прочностные характеристики продукции, но и позволят экономить на процессах сушки и обжига [62].

10.2 Характеристика сырьевых материалов и методы исследования

Ввиду отсутствия местной каолинитовой глины и из-за экономической нецелесообразности разработки удаленных месторождений гидрослюдистых глинистых пород в качестве основного сырья принят лесс Шымкентского месторождения. Химический состав лесса, представленный в табл.10.2.1, отличается сравнительно высоким содержанием щелочно - земельных оксидов и железистых соединений [45].



Таблица 10.2.1 Химический состав лессовидной глины Шымкентского месторождения

Исходные данные	Содержание оксидов, %
	SiO2	Al2O3	CaO	Fe2O3	MgO	K2O	Na2O	TiO2	MnO2	п.п.п.
Лёсс	47,5	9,05	11,5	5,5	1,62	4,27	2,87	-	-	11,03

В минералогическом составе было обнаружено большое количество кварца, наряду с кварцем в лессе содержатся полевые шпаты и CaCO₃. Минералогический состав рассчитывали на основе рентгенограммы лесса на аппарате ДРОН-3 (рис. 10.2.1).

Рис. 10.2.1 - Рентгенограмма лесса Шымкентского месторождения

По гранулометрическому составу лесс Шымкентского месторождения является низкодисперсным: содержание частиц размером менее 5 мкм 18-20%; пылеватые частицы 42-48% и песчаные 32-37%. Из-за низкого содержания частиц, обеспечивающих формуемость массы, при формовании изделий пластическим способом наблюдается разрыв граней и трещины в глиняном брусе, что требует глубокой переработки сырья для полного разрушения первичной структуры породы со значительным разбуханием глинистых минералов при увлажнении [63].

Для обеспечения необходимого уровня спекания массы на основе лесса, в состав шихты вводили измельченную добавку природного цеолита Чанканайского месторождения (г. Алматы) и синтетического волластонита.

Цеолитсодержащая порода имеет красно-коричневый цвет, массовая доля цеолита в породе составляет 50-84%. Химический состав представлен в табл.10.2.2, цеолитсодержащая порода характеризуется высоким содержанием SiO₂, сравнительно большим содержанием Al₂O₃ и красящим оксидом Fe₂O₃.

Таблица 10.2.2 Химический состав цеолитсодержащей породы Чанканайского месторождения

Исходные данные	Содержание оксидов, %
	SiO2	Al2O3	CaO	Fe2O3	MgO	K2O	Na2O	TiO2	MnO2	п.п.п.
Цеолит	60	14,5	0,13	1,4	-	0,66	0,61	0,7	0,199	5

Минеральный состав цеолитсодержащей породы, по данным рентгенофазового анализа (рис. 10.2.2), представлен клиноптилолитом, кварцем и полевыми шпатами. В незначительном количестве имеются примеси глинистых минералов. При этом содержание основных компонентов породы составляет: клиноптилолита - 70-84%, кварца и полевого шпата - 24-30%, глинистых минералов - 3% [63,64].



Рис. 10.2.2 - Рентгенограмма цеолитсодержащей породы Чанканайского месторождения.

Выявленный минеральный состав цеолитсодержащей породы позволяет отнести ее к плавням - материалам, которые образуют жидкую фазу за счет собственного плавления.

Еще одной добавкой, повышающей прочность керамического черепка из лесса, является синтетический волластонит, экспериментально полученный в ЮКГУ им. Ауэзова Вернером В.Ф. и Худяковой Т.М. [65].

Синтетический волластонит представляет собой мелкодисперсный порошок белого цвета, немного с сероватым оттенком. Химический состав синтетического волластонита представлен в табл.10.2.3, где основное процентное содержание приходится на оксиды кальция и кремния.

Таблица 10.2.3. Химический состав синтетического волластонита

Исходные данные	Содержание оксидов, %
	SiO2	CaO	Fe2O3	MgO	P2O5	R2O	F	SO3
Синтетический волластонит	46,69	43,55	10,35	3,36	1,35	0,09	2,52	0,87



Минеральный состав волластонита приведен на рис. 10.2.3, где основную долю составляет собственно волластонит, а также в минеральный состав входят минералы мелилита и окерманита.

Рис. 10.2.3 - Рентгенограмма синтетического волластонита.

Как и природный минерал волластонит, его синтетический аналог, полученный экспериментальным путем, обладает игольчатой формой зерна, которая необходима для получения крепкого керамического черепка при спекании [61,62].

Для определения минералогического состава сырья использовался рентгенографический анализ.

Основные преимущества рентгенографического анализа заключается в том, что исследуется само твердое тело в неизменном состоянии и результатом анализа является непосредственно определение вещества или его составляющих. Рентгеновские лучи исследуют кристалл, т.е. само соединение; более того, в случае полиморфных тел рентгеновские лучи дают возможность различить отдельные модификации, свойственные данному веществу. Для исследования вещества требуется очень небольшое количество вещества, которое в процессе проведения аналитической операции не разрушается [62].

Каждое кристаллическое вещество характеризуется своей решеткой, определенным химическим составом и определенным распределением атомов по элементарной ячейке решетки. Геометрия решетки определяет собой набор межплоскостных расстояний (следовательно, брэгговских углов и при дифракции на заданном излучении). Индивидуальность и распределение атомов определяет интенсивность дифрагированных лучей. Таким образом, дифракционная картина является как бы своеобразным "паспортом" химического соединения, его "дактилоскопическим отпечатком", по которому можно установить, какому из уже известных ранее соединений соответствует полученная рентгенограмма. Рентгенофазовый анализ можно разделить на качественный и количественный.

I (llk/)

Качественный рентгенофазовый анализ заключается в идентификации кристаллических фаз на основе присущих им значений межплоскостных расстояний d и соответствующих интенсивностей линий I рентгеновского спектра;

Количественный анализ заключается в определении количества тех или иных фаз в смеси; определении средних размеров кристаллов, зерен в образце, функции распределения их по размерам, по анализу профиля линий; изучении внутренних напряжений - проведении анализа профиля дифракционных линий и сдвига положения этих линий; изучении текстур, т.е. характера преимущественной ориентации кристаллитов. Количественный рентгеновский фазовый анализ основан на зависимости интенсивности дифракционного отражения от содержания соответствующей фазы в исследуемом объекте [66].

В основе рентгенофазового анализа (РФА) лежат следующие принципы:

порошковая дифракционная картина является индивидуальной характеристикой кристаллического вещества;

каждая кристаллическая фаза дает всегда одинаковый дифракционный спектр, характеризующийся набором межплоскостных расстояний d и соответствующих интенсивностей линий кристаллической фазе;

рентгендифракционный спектр от смеси индивидуальных фаз является суперпозицией их дифракционных спектров;

по дифракционному спектру смеси возможна количественная оценка соотношения кристаллических фаз, присутствующих в изучаемом образце.

Соотношение интенсивностей присутствующих в конкретном образце кристаллических фаз пропорционально содержанию фаз в нем.

Результатом рентгенофазового анализа является рентгенограмма. Экспериментально рентгенограмму исследуемого объекта можно получить с применением регистрации дифракционной картины с помощью детекторов рентгеновского излучения (дифрактометры рентгеновские общего назначения ДРОН-2; ДРОН-З и т.д.). Затем для определения вещества по рентгенограмме используют рентгенометрический определитель или рентгенометрическую таблицу.

Наиболее полными сборниками рентгенограмм являются "Рентгенометрический определитель минералов" В. И. Михеева и "Рентгенометрическая картотека", издаваемая до 1970 г. Американским обществом по испытанию материалов (ASTM).

"Рентгенометрический определитель минералов", составленный В. П. Михеевым содержит обширные сведения, ключ для определения минералов по пяти наиболее интенсивным линиям; детальное описание рентгенограмм минералов; список литературы; указатель минералов и подробное оглавление, в котором дана классификация минералов, используемая в определителе. При анализе минеральных препаратов предпочтительнее пользоваться этим определителем. Кроме общих существуют специальные определители для отдельных групп минералов. При анализе минералов или соединений определенного класса пользоваться ими удобнее, чем крупными определителями общего характера.

Рентгенометрические определители имеют указатели по названиям минералов и химическим формулам, где приведены межплоскостные расстояния для трех, пяти или восьми интенсивных линий.

Если требуется найти рентгеновские данные для известного минерала (соединения), удобно пользоваться указателем, составленным по алфавитному, минералогическому или химическому признаку. Если химический состав исследуемого образца не известен, можно воспользоваться ключом, который позволяет по межплоскостным расстояниям нескольких наиболее интенсивных линий, определить минерал или соединение. При этом предпочтительнее использовать линии малоугловой области, поскольку их мало, и они более однозначно характеризуют данный минерал. Для изоморфных смесей положение исследуемого образца в изоморфном ряду можно определить лишь по точным значениям межплоскостных расстояний [62,66].

10.3 Результаты экспериментов

Опытные образцы размеров 5х5х5 готовили методом пластичного формования. Образцы готовили из заранее приготовленных и измельченных сырьевых материалов. Для изготовления образцов использовали 3 вида смеси - бездобавочную (лесс+вода), с добавкой цеолита (10-12%) и с добавкой синтетического волластонита (3,5 и 10%) [27].

Уже при приготовлении смеси можно было обнаружить изменения в структуре шихты. При взаимодействии сырьевой смеси с добавкой цеолита и водой образуется более пластичное тесто, чем при приготовлении шихты из лесса или лесса с добавкой волластонита. Это связано с тем, что тонко измельченные частицы цеолитсодержащей породы, из-за особенностей структуры, где имеется значительное количество воды, при увлажнении приобретают значительную пластичность за счет разбухания минералов клиноптилолита. Эта особенность улучшает формуемость массы, увеличивая контакты между пластичными и твердыми частицами [67].

Далее образцы отправлялись на сушку, сначала при комнатной температуре на 24 часа, а затем для полного удаления излишней влаги в сушильный шкаф при температуры 250⁰С.

После сушки образцы обжигали при температурах - 950-1050⁰ С в лабораторной электропечи с изотермической выдержкой 1-1,5 ч в данном интервале температур.

После обжига охлажденные образцы отправлялись на определение прочности на сжатие и рентгенофазовый анализ, для выяснения марки кирпича и минералогического состава обожженного кирпича [45].

Минералогический состав обожженных образцов с различным видом и содержанием добавок представлен на рис. 10.3.1

Рис. 10.3.1 -Минералогический состав обожженных образцов с различными видами добавок.

Как видно из рентгенограммы, добавки цеолита и волластонита влияют на минералогический состав кирпича. В образце с добавкой цеолита образуется повсеместно с минералом муллитом, кварцем и его модификациями минерал морденит, являющийся другой модификацией цеолита, который образовался при спекании из клиноптилолита. В образце с добавкой синтетического волластонита, наряду с муллитом образуется новый минерал мелилит, а также в образце присутствует сам волластонит [59,68].

Результаты опытных исследований образцов на сжатие показали зависимость количества вводимых добавок (или их отсутствие) на прочность керамического кирпича в интервале температур 950-1050⁰С (рис. 10.3.2).

Рис. 10.3.2 - Зависимость количества вводимых добавок и температуры обжига на прочность керамического кирпича.

На рис. 10.3.2 наглядно показано, что на прочность образцов влияет не только количество добавок, но и температура обжига кирпича. При температуре 950⁰ С большие прочностные характеристики показывает образца с добавкой цеолита, в отличие от образцов с добавкой волластонита и бездобавочным кирпичом, дающие марку 100, кирпич с добавкой цеолита дает марку 150. Различия происходят из-за того, что уже при температуре 950⁰С клиноптилолит переходит в другую модификацию - в минерал морденит и уже при данной температуре морденит учувствует в процессе обжига в качестве плавня, образуя жидкую фазу для дальнейшего образования муллита. Однако температуры 950⁰С мало для образцов с добавкой волластонита, потому что волластонит образует жидкую фазу только при 1050⁰С. Только при данной температуре прочность образцов повышается. Однако, при этой же температуре прочность образца с цеолитом падает, все из-за того, что при повышенных температурах образуется большое количество морденита, который из-за увеличения в объеме дает трещины в образце. При температуре 1050⁰С волластонит с сырьевой смесью образует жидкую фазу, и, благодаря своей игольчатой структуре, он проникает в каркас кристаллической решетки и затем при кристаллизации шихты прочно скрепляет иголки между собой, и в результате керамический черепок приобретает дополнительную прочность [58-68].

10.4 Выводы по научной части

Введение в керамическую массу добавок цеолита и волластонита повышает прочность керамического черепка. Однако необходимо отметить, что прочность зависит не только от количества вводимых добавок, а также от температуры обжига в пределах 950-1050⁰ С. Выбор данного интервала температур выбран, прежде всего, из-за поведения добавок при обжиге. Так при температуре 950⁰С образец с цеолитом дает большую прочность, чем при температуре 1050⁰С. Объясняется это тем, что при температуре 950⁰С из клиноптилолита образуется новый минерал - морденит, являющийся плавнем, количество которого в смеси достаточно для образования жидкой фазы, однако после повышения температуры количество минерала увеличивает, в результате чего керамический черепок вспучивается и, разрушаясь, резко теряет прочность. Образец с добавкой синтетического волластонита наоборот дает прочность только при повышенных температурах. При 950⁰С сырьевая смесь и волластонит не успевают прореагировать, так как температура слишком мала для образования жидкой фазы, однако, уже при 1050⁰С волластонит с сырьевой смесью образует жидкую фазу, и, благодаря своей игольчатой структуре, он проникает в каркас кристаллической решетки черепка и затем при кристаллизации шихты и последующем охлаждении прочно скрепляет иголки между собой, и в результате керамический черепок приобретает дополнительную прочность [59,68].

Таким образом, введение добавок цеолита и синтетического волластонита в сырьевую смесь из лесса и воды, позволяет получать кирпич высоких марок из местного сырья, что является важным для строительной керамики облицовочного назначения [61,68].



11. Охрана окружающей среды

Существующие технологические отходы в производстве керамического кирпича

Как и любая промышленность, производство керамического кирпича образует отходы. Керамический кирпич изготавливают на механизированных предприятиях из глины и различных добавок (кварц, трепел, песок).

Основными процессами в производстве кирпича являются:

1) подготовка многокомпонентной шихты полусухим или пластическим способом; в первом случае сырьевые материалы сушат и измельчают в тонкий порошок, перемешивая его с добавками, а во втором - материалы дробят, разминают и перемешивают с водой;

2) формование сырца путем прессования увлажненного (до влагосодержания 8-10%) порошка на гидравлических или механических прессах либо путем формования тестообразной (влажность 20-25%) пластичной массы на различных по принципу действия и мощности, ленточных прессах;

3) сушка - удаление влаги в процессе нагрева сырца газами или другим теплоносителем;

4) обжиг - завершающий, наиболее сложный процесс, разделяющийся на досушку сырца, подогрев, взвар с выдержкой и остывание изделий [6].

Среди отходов в производстве кирпича встречаются: мелкодисперсная пыль и брак готового изделия.

Брак кирпича может наблюдаться на стадии формования изделия, сушки и обжига, а также при прессовании изделия полусухим методом производства. Брак готового изделия может возвращаться в производство в качестве добавки для снижения влажности шихты или в качестве щебня в общестроительных работах и при изготовлении бетона.

Большое значение на предприятиях по производству кирпича имеет проблема борьбы с запыленностью в цехах, создания нормальных санитарно-гигиенических условий труда и защиты окружающей среды. Пыль может образоваться при дроблении глины, ее помоле, а также в малых количествах при сушке и обжиге изделия. Дисперсный состав пыли зависит от технологического процесса, типа и размера печи, химического и зернового состава сырья. Грубые частицы пыли являются продуктом механического уноса сырьевой смеси. Более тонкие фракции пыли образуются в результате уноса газовым потоком обжигаемого материала из активной зоны печи.

При производстве глиняного кирпича наибольшее пылевыделение, превышающее ПДК на складах глины - 1,5-2,5, песка 5-7, в цехе приготовления сырьевой смеси 12-15. На участке погрузки и разгрузки запыленность в 2-3 раза превышает допустимые концентрации. Кирпичные заводы оснащены специальными пылеуловителями. Однако эффективность их недостаточна, и запыленность воздуха в производственных помещениях, а также в прилежащей местности превышает иногда допустимые концентрации. Это, кроме того, является следствием недостаточной герметизации помольно-дробильного и транспортирующего оборудования, а также отклонений технологических режимов (повышенное давление в камерах и т.п.) и бездействия местной вентиляции и др. Пылевые выбросы производства керамического кирпича содержат вредные для здоровья компоненты, среди них более опасным является мелкодисперсный кварц, вызывающий заболевания легких. Поэтому для сохранения здоровья рабочего персонала и улучшения экологической обстановки важно утилизировать отходы производства строительного кирпича [2,3].

Утилизации отходов производства керамического кирпича в мировой практике

Аппараты, применяемые для очистки воздуха от пыли в производстве керамического кирпича, подразделяются на два основных вида: воздушные фильтры и пылеуловители. Такое разделение оборудования несколько условно, но позволяет довольно четко обозначить область его применения. Воздушные фильтры служат для очистки наружного воздуха, подаваемого в производственные помещения, пылеуловители - для очистки воздуха, удаляемого системами аспирации, от пыли перед выбросом его в атмосферу.

Эффективность пылеосаждения определяется, прежде всего, величиной осаждаемых частиц. Чем крупнее пыль, содержащаяся в запыленном воздухе, тем легче ее осадить, применив даже простейшие аппараты. Кроме того, на эффективность пылеулавливания влияют и на другие свойства пыли: слипаемость, влажность, удельный вес, геометрическая форма пылинок и др. В конструкциях всех известных аппаратов используются немногочисленные принципы осаждения пылевых частиц. Пылевые частицы могут выделяться из воздушного потока под действием гравитационных сил. Эти силы невелики, поэтому пылеуловители, основанные на использовании этих сил, не могут удовлетворить современным требованиям, предъявляемым к очистке газов.

Широкое применение нашли пылеуловители, основанные на действии инерционных и электрических сил, а также пылеулавливание с помощью фильтрации запыленного воздуха через пористые материалы и осаждения пыли на смоченные поверхности [1].

Инерционное отделение частиц в прямолинейных потоках происходит при обтекании препятствий. Осаждение пылевых частиц в этом случае обусловливается отклонением воздушных потоков при соприкосновении с перфорированными поверхностями, волокнами, каплями жидкости и т. п. Эффективность осаждения определяется соотношением числа частиц, соударяющихся с препятствием, с числом частиц, которые пересекли бы контур препятствия, если бы последнее не отклоняло воздушный поток. Выделение частиц объясняется торможением потока, несущего частицы, вблизи передней критической точки обтекания - точки застоя, образующейся у препятствия. Скорость частиц замедляется, они теряют инерцию и в результате действия поперечных составляющих скорости потока выносятся параллельно поверхности.

Существенное влияние на осаждение частиц оказывает способность их к смачиванию. Если частицы плохо смачиваются, то поверхность жидкости около частицы приобретает вогнутую форму, т.е. силы поверхностного натяжения жидкости препятствуют погружению в нее частицы. Для снижения сил поверхностного натяжения воды и улучшения смачивания вводят специальные вещества - ингибиторы. Смачиваемость пылевых частиц уменьшается с уменьшением их крупности. Даже такой гидрофильный минерал, как кварц, в виде порошка трудно смачивается водой. Независимо от вида материала частицы менее 5 мкм относятся к несмачиваемым.

Осаждение частиц пыли в пористых слоях происходит в результате одновременного действия всех рассмотренных механизмов пылеосаждения. Теория фильтрации в пористых слоях разработана недостаточно полно, так как учесть многочисленные факторы, влияющие на осаждение пыли, - задача чрезвычайно трудная. Расчет эффективности пылеуловителей производится главным образом на основе опытных данных. Методы обеспыливания с помощью звуковых генераторов требуют дальнейших исследований. Существенным недостатком акустических методов обеспыливания являются значительная стоимость оборудования и большие эксплуатационные издержки. В нашей стране эти методы пока не нашли широкого применения и в настоящей работе не рассматриваются.

Выбор метода очистки и пылеуловителя в основном зависит от дисперсного состава и свойств пыли, а также требований, предъявляемых к полноте осаждения частиц [4].

Аппарат, применяемый для очистки кирпичной пыли в производстве строительного кирпича

Все известные способы улавливания пыли можно разделить на сухие и мокрые. Мокрые способы характеризуются большими энергозатратами, наличием стоков, необходимостью защиты аппаратуры от коррозии и устранения отложений на стенках аппаратов и трубопроводов и т. п., поэтому предпочтение отдается сухим способам пылеулавливания за исключением тех случаев, когда мокрое пылеулавливание обусловливается технологическими требованиями. Например, в процессе очистки необходимо охлаждать газ до температуры точки росы или обработку уловленной пыли вести гидравлическим способом [7].

Среди известных различных сухих способов очистки промышленных газов от крупнодисперсных частиц пыли наибольшее распространение получили пылеосадительные камеры и циклоны.

Выбор одного из этих двух типов аппаратов определяется технико-экономическим сопоставлением. При этом надо учитывать следующие факторы. Пылеосадительные камеры являются самыми простыми в эксплуатации и служат для грубой очистки, однако более мелкие частицы пыли могут выноситься с потоками воздуха наружу. Пылеосадительные камеры обладают большими габаритами и малоэффективны, поэтому заменяются на другие пылеулавливающие устройства. Одним из них является циклон. Циклоны - это устройства для отделения твердых частиц из воздуха; конструктивные элементы которых обеспечивают вращательно-поступательное движение газового потока. При небольших капитальных затратах и эксплуатационных расходах циклоны обеспечивают очистку газов эффективностью 85-98% от частиц пыли размером более 10 мкм.

Циклонные аппараты наиболее распространены в промышленности. Они имеют следующие достоинства:

1. отсутствие движущихся частей в аппарате;

2. надежность работы при температурах газов вплоть до 500°С (для работы при более высоких температурах циклоны изготовляют из специальных материалов);

3. возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями;

4. улавливание пыли в сухом виде;

5. почти постоянное гидравлическое сопротивление аппарата;

6. успешная работа при высоких давлениях газов;

7. простота изготовления;

8. сохранение высокой фракционной эффективности очистки при увеличении запыленности газов.

Недостатки:

1. высокое гидравлическое сопротивление: 1250 - 1500 Па;

2. плохое улавливание частиц размером <5 мкм;

3. невозможность использования для очистки газов от липких загрязнений.

Принципиально циклон работает по следующей схеме (рис. 11.3.1). Обеспыливаемый газ поступает в образующую кольцевое пространство аппарата цилиндрическую часть, где движется по спирали с возрастающей скоростью от периферии к центру, спускается по наружной спирали, затем поднимается по внутренней спирали и выходит через выхлопную трубу. Под действием центробежной силы частицы пыли отбрасываются к стенке циклоны и вместе с частью газа попадают в бункер. Часть освободившегося от пыли газа возвращается из бункера в циклон через центр пылеотводящего отверстия, давая начало внутреннему вихрю [6].

Рис. 11.3.1 - Схема течения газовых потоков в циклоне. 1, 4 - входной и отводящий патрубки; 2 - корпус; 3 - пылевой бункер.

Отделение частиц от попавшего в бункер газа происходит при перемене направления их движения на 180° под действием сил инерции. По мере движения данной части газа в сторону выхлопной трубы к ним присоединяются порции газа, не попавшего в бункер. Это не вызывает существенного увеличения выноса пыли в трубу, так как распределенное на довольно большом отрезке длины циклоны перетекание газа происходит со скоростью, недостаточной для противодействия движению частиц к периферии аппарата. Значительно большее влияние на полноту пылеулавливания оказывает движение газа в области пылеотводящего отверстия. Поэтому частицы чрезвычайно чувствительны к подсосам газа через бункер из-за увеличения объема потока, движущегося навстречу улавливаемой пыли. Отсюда видна важная роль бункера при осаждении частиц пыли в циклоне; использование таких аппаратов без бункеров или с бункерами уменьшенных размеров приводит к снижению эффективности пылеулавливания [4,6].

Расчет основных габаритных размеров циклона

В производстве кирпича в качестве пылеулавливающего аппарата был выбран циклон. Циклон работает только при полной нагрузке, при малой нагрузке его к.п.д. уменьшается. Скорость воздуха во входном патрубке циклона принимают 16 - 20 м/с и не более 25 м/с, а в выходном 4 - 6 м/с [8].

В таблице 11.4.1 указана характеристика наиболее распространенных циклонов.

Таблица 11.4.1 Техническая характеристика циклонов.

Тип циклона	Диаметр циклона, м	Производительность, м3/с	Размеры
			h	Hц	Нк
ССМ	2,21 2,88 3,20 3,46	2 3,7 5 5,8	- - - -	1,92 2,56 2,88 3,12	2,1 2,85 3,17 3,39
НИИГаз (Институт очистки газа)	0,04-0,08 0,04-0,08 0,4-1	- - - -	0,48Dц 0,66 Dц 1,11 Dц	2,08 Dц 2,26 Dц 2,11 Dц	2 Dц 2 Dц 1,75 Dц
ВТИ (Теплотехнический институт)	0,3 0,45 0,6 1,0	0,17 0,37 0,67 1,86	Выходной патрубок: h=0,361 Dц b=0,206 Dц F=0,0745 Dц
ЦКТИ	2,1 2,4 3,25 3,6	5,86 7,8 1,4 1,8	h=0,4 Dц b=0,2 Dц F=0,8 Dц -	- - - -	- - - -

Циклон будет расположен после дробилки для измельчения глины, так как в производстве кирпича данная операция является самой пылеобразующей. Из предлагаемой таблицы технической характеристики был выбран циклон из группы ВТИ, диаметром D_ц=0,45, производительностью Q=0,37 м³/с, h=0,361 D_ц, b=0,206 D_ц, F=0,0745 D_ц.

Диаметр выхлопной трубы циклона будет равен:

где Q - производительность циклона, м³/ч; v_вых - скорость воздуха в выходном патрубке (18 м/с).

Глубина опускания выхлопной трубы:

Диаметр разгрузочного патрубка циклона D_п по практическим соображениям принимают не более 250 мм.

Высота цилиндрической части циклона:



12. Охрана труда и техника безопасности

Охрана труда рассматривается как одно из важнейших социально-экономических, санитарно-гигиенических и экономических мероприятий, направленных на обеспечение безопасных и здоровых условий труда рабочих в процессе производства керамического кирпича. Охрана здоровья рабочих и служащих в процессе исполнения трудовых обязанностей закреплена в кодексе о труде от 15 мая 2007 года [1], непосредственно направленном на создание безопасных и здоровых условий труда. Кроме того, разработаны и введены в действие многочисленные правила техники безопасности, санитарии, нормы и правила, соблюдение которых обеспечивает безопасность труда. Ответственность за состояние охраны труда несет администрация предприятия, которая обязана обеспечивать надлежащее техническое оснащение всех рабочих мест и создавать на них условия работы, соответствующие правилам охраны труда, техники безопасности, санитарным нормам [2]. Одним из важнейших принципов организации производства является создание безопасных и безвредных условий труда на всех стадиях производственного процесса. Мероприятия по охране труда обеспечиваются проектно-сметно-конструкторской и другой технической документацией. Технологический процесс производства керамического кирпича должен соответствовать требованиям безопасности. Организация и проведение технологического процесса предусматривает меры безопасности и безвредности для работающего персонала, близ расположенных жилых массивов и окружающей среды. Производственный процесс должен быть взрыво - и пожаробезопасным [2,7].

Характеристика работы с точки зрения ее потенциальных и вредных факторов

При производстве керамического кирпича в цехе дробления, формования, сушки и обжига присутствуют вредные и опасные факторы. Основными опасными на производстве факторами являются: движущиеся части оборудования производства кирпича, повышенная температура рабочей зоны, нагретая поверхность оборудования и другие. К основным вредным факторам в производстве кирпича являются: запыленность воздуха и шум [7,9]. Характеристика вредных и опасных факторов производства, а также их источники представлены в таблице 12.2.1.

Таблица 12.2.1 Оценка степени опасности технологического процесса.

Наименование цеха	Наименование оборудования.	Технологические параметры (t, P и др.)	Перечень токсичных, взрывоопасных веществ)	Вредные и опасные факторы
Цех дробления	Валковая дробилка	коэффициент дробления (ф)=12	пыль	Шум, электрический ток, движущиеся части оборудования
Цех формования	Ленточный вакуум-пресс	Удельное давление прессования 1,6 МПа	Отсутствует	Шум, электрический ток, напряжение, движущиеся части оборудования
Цех сушки	Туннельная сушилка	tнач=30-350С tкон=90-1000С	CO, NO2	Шум, повышенная температура воздуха рабочей зоны, электрический ток, движущиеся части оборудования, нагретые стенки технологического оборудования, взрывопожароопасные вещества.
Цех обжига	Туннельная печь	tобж=10000С	CO, NO2,CH4	Шум, повышенная температура воздуха рабочей зоны, электрический ток, движущиеся части оборудования, нагретые стенки технологического оборудования, взрывопожароопасные вещества.



Главными источниками пылеобразования на заводе являются такие производственные процессы как дробление сырья, транспортировка сырья ленточными транспортерами, приготовление сырьевой смеси. При производстве строительного кирпича наибольшее пылевыделение, превышающее ПДК на складах глины - 1,5-2,5 (ПДК глинистой пыли в воздухе рабочей зоны не должна превышать 0,5 мг/м³), песка 5-7 (ПДК песочной пыли в воздухе рабочей зоны не должна превышать 2 мг/м³ [24]. На участке погрузки и разгрузки запыленность в 2-3 раза превышает допустимые концентрации. С запыленность на заводе керамического кирпича борются с помощью пылеулавливающих аппаратов и герметизации оборудования [9].

Повышение уровня шума оказывает вредное воздействие на организм человека. Производственные процессы на предприятии по производству керамического кирпича сопровождаются шумом, особенно большое количество шума приходится на цех дробления. В результате длительного воздействия шума нарушается нормальная деятельность сердечнососудистой и нервной системы, пищеварительных и кроветворных органов, развивается профессиональная тугоухость, прогрессирование которой может привести к полной потере слуха. Снижение шума можно достичь уменьшением его в источнике образования, то есть оборудование изолировать с помощью средств звукоизоляции, а также акустической обработкой помещений и средствами индивидуальной защиты [2,10].

Решения по обеспечению безопасности проведения работы

Производственное оборудование цеха должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.003-91 [12]. Производственное оборудование должно соответствовать требованиям безопасности в течение всего срока службы. Движущиеся (вращающиеся) части производственного оборудования, являющиеся источниками опасности, должны быть ограждены сетчатыми или сплошными металлическими ограждениями. Эксплуатация оборудования при снятых или неправильно установленных ограждениях запрещается.

По электробезопасности цех в соответствии с требованием ПУЭ (правила установки электрооборудования) относиться к категории с повышенной опасностью (2 класс) [8].

Для защиты людей от поражения электрическим током производственное оборудование должно удовлетворять следующим требования:

1. токоведущие части производственного оборудования, являющиеся источником опасности, должны быть надежно изолированы или расположены в недоступных для людей местах;

2. металлические части производственного оборудования, которые вследствие повреждения изоляции токоведущих частей могут оказаться под напряжением опасной величины, должны быть заземлены (занулены) [8,9].

Контроль шумового воздействия на производстве осуществляется в соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 и СН 3223-85 [10,11]. Оборудование, являющиеся источником повышенного шума, должно быть изолировано, рабочие для безопасной работы в помещениях с шумом должны пользоваться специальными средствами индивидуальной защиты.

Размещение производственного оборудования в производственных помещениях не должно представлять опасности для персонала и должно соответствовать действующим нормам технического проектирования СНиП и правилам ТБ [7].

Индивидуальные средства защиты и первая помощь

Средства индивидуальной защиты применяют для предотвращения или уменьшения воздействия на работающих опасных и вредных производственных факторов. К средствам защиты предъявляют следующие требования: они должны обеспечивать высокую степень защитной эффективности и удобство при эксплуатации: должны создавать наиболее благоприятные для человека соотношения с окружающей внешней средой и обеспечивать оптимальные условия для трудовой деятельности по ГОСТ 12.4.011-75 [17]. Средства индивидуальной защиты в каждом отдельном случае следует выбирать с учетом требований безопасности для данного процесса или вида работ.

На заводе по производству кирпича каждый работник, который работает на производственных работах, обеспечивается спецодеждой, спецобувью и средствами индивидуальной защиты.

Спецодежда должна защищать тело человека от производственных вредностей, не препятствовать нормальной терморегуляции организма, быть удобной, не стеснять движения и хорошо очищаться от загрязнений.

Согласно ГОСТ 12.4.103-83 в зависимости от защитных свойств спецодежда бывает общего назначения, влагозащитная (водонепроницаемая, водоупорная), защищающая от воздействия радиоактивных загрязнений и рентгеновских излучений кислотозащитная, щелочезащитная, нефтемаслозащитная, защищающая от механических воздействий, пылезащитная, защищающая от органических растворителей и от токсичных веществ, термозащитная, электрозащитная и сигнальная [18].

На заводе по производству керамического кирпича для защиты рабочих от вредных и опасных факторов применяется пылезащитная, термозащитная одежда.

Пылезащитная спецодежда применяется при работах, связанных с выделением больших количеств пыли различного характера. Ее изготовляют из гладких плотных тканей типа молескин, поры которых образуют извилистые каналы.

Термозащитная спецодежда применяется при воздействии высокой температуры, отлетающих искр, окалины. Ткань для этого вида одежды должна быть достаточно плотной, гладкой, трудно воспламеняющейся, кроме этого ткань должна быть воздухонаполненной, чтобы плохо проводить тепло и предохранять от перегревания, а также слабо поглощать лучистое тепло и легко отражать его во внешнюю среду [2,13].

Спецобувь должна обеспечивать защиту ног работающего от возможных вредных воздействий окружающей среды: травм, агрессивных веществ, низких температур, ожогов, пылящих и загрязняющих веществ.

Спецобувь подразделяется на следующие виды: общего назначения, влагозащитная, кислотощелочная, нефтестойкая, термозащитная, спецобувь для работающих во взрывоопасных и пыльных цехах, виброзащитная, диэлектрическая и антистатическая. На заводах по производству кирпича применяется термозащитная и пылезащитная обувь [2,7]. Спецобувь может быть кожаной, резиновой и валяной. Ее изготовляют в виде сапог, полусапог, валенок, ботинок, галош, бахил, тапочек. Рабочие, которые работают в цехе с повышенной запыленностью (цех дробления) снабжаются средствами индивидуальной защиты органов дыхания - респираторами. Респираторы представляют собой облегченное средство защиты органов дыхания от пыли, состоящее из фильтрующего материала с небольшим каркасом или без него [3,4]. По назначению фильтрующие респираторы могут быть противопылевыми, противогазовыми и универсальными. Выпускается по несколько марок каждого из этих респираторов. Наиболее часто при выполнении тяжелых работ и при больших концентрациях пыли применяют респираторы типа Ф-62Ш и "Астра-2", при работе средней тяжести и средних концентрациях пыли - типа У -2К, при легких работах - типа "Кама" и при одноразовом использовании - респиратор типа "Лепесток". Для защиты головы от механического травмирования, а также поражения электрическим током применяют каски. Для защиты рук (в цехе обжига и сушки при больших температурах) применяют рукавицы и перчатки, которые могут быть сделано из сукна с термоустойчивым покрытием. Для защиты глаз (особенно в цехе обжига) применяют защитные очки, щитки и маски. Для защиты органов слуха рабочему выдаются противошумные шлемы или противошумные наушники [4]. Работа работников в одежде, которая не соответствует требованиям, на предприятии наказывается. Неприменение выданных рабочему средств индивидуальной защиты наказывается штрафом [13]. В каждом цехе на заводе по производству строительного кирпича имеются аптечки. Ответственным за наблюдение за состоянием и содержанием аптечки является мастер участка или цеха. Для оказания первой медицинской помощи на предприятии имеется медпункт, который расположен в административно-бытовом комплексе. Работники медпункта работают круглосуточно [2,9]. Особенно опасным на производстве является поражение электрическим током. Первую доврачебную помощь пораженному током должен уметь оказывать каждый работающий с электроустановками. Первая помощь при несчастных случаях, вызванных поражением электрическим током, состоит из двух этапов: освобождение пострадавшего от действия тока и оказание ему первой доврачебной медицинской помощи. [8].