Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекции 19-21
ПРОЦЕССЫ ОБЖИГА МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
19.1 Общие сведения
Обжиг - это нагрев и выдержка при высокой температуре различных материалов с целью придания им необходимых свойств. С помощью обжига получают кирпич, керамические, фарфоровые, фаянсовые изделия, заполнители, вяжущие вещества и др. Обжиг осуществляется в обжиговых печах.
Во время обжига сырье подвергается сложным физическим, химическим и физико-химическим изменениям. Суммарные затраты на обжиг составляют 35...40 % себестоимости готовой продукции.
Режим обжига включает такие параметры, как температура, время и характер газовой среды. Процесс обжига состоит из следующих периодов: подогрев до температуры обжига, выдержка при этой температуре и охлаждение. Длительность подогрева зависит от влажности полуфабриката, поступающего на обжиг. При определении возможной длительности периодов нагрева и охлаждения необходимо учитывать внутренние напряжения, возникающие в материале при изменении его температуры. В связи с этим длительность периодов обжига зависит от механических свойств обжигаемого материала, т. е. от его способности выдерживать внутренние напряжения.
Химизация (модификация) материала проводится с целью придания конечному продукту специальных или улучшенных физико-механических свойств. Модификация материалов основана на физико-химическом соединении их с активным веществом, которое можно производить в любом периоде процесса обжига. Во вращающейся печи при температуре 120 °С...1400 °С кварцевый песок обжигают с небольшими присадками оксидов щелочных металлов, которые служат минерализаторами для быстрого структурного перерождения кварца в тридимит и кристобалит. Так получают вяжущее для химически стойкого и жаропрочного бетона.
19.2. Процесс обжига вяжущих материалов
По происхождению строительные вяжущие вещества бывают природными и искусственными, а по составу - минеральными (цементы, гипс, известь) и органическими (битум, смола, клей). В ПСМ применяют в основном искусственные минеральные вяжущие вещества. Вяжущие делят на 2 группы: воздушные, т. е. твердеющие на воздухе (известь, гипс) и гидравлические - твердеющие на воздухе и в воде.
Цемент — один из важнейших строительных материалов. Производство его включает приготовление, обжиг сырьевой смеси и размол обожженного продукта в порошок. Самый важный процесс - обжиг сырьевой смеси. Цель его - удаление механически связанной влаги и протекание химических превращений: дегидратации, кальцинирования и клинкерообразования. Обжиг сопровождается сложными физическими, химическими и физико-химическими процессами, в результате которых образуется клинкер - спекшиеся зерна размером до 3 см.
На характер этих процессов большое влияние оказывает режим работы печи: скорость перемещения материала по печи; температура пылегазового потока; характер газовой среды; длина подготовительных зон и наличие в них теплообменных устройств; длина зоны спекания в печи.
В зависимости от назначения зон температура материала изменяется от 20 °С до 1450°С. В зоне сушки при нагревании смеси до 100 °С из нее испаряется химически не связанная вода. Значительная часть кристаллизационной воды удаляется при 400...700 °С, а остатки ее (2...3 %) - при 900... 1000 °С. В зоне подогрева температура материала достигает 700...800 °С. Участок печи, где интенсивно разлагаются карбонаты (t =900... 1100 °С) называется зоной кальцинирования. Оптимальная температура спекания определяется свойствами исходного сырья, наличием в нем различных примесей, тонкостью измельчения и од нородностью смеси, в этой зоне материал нагревается от 1300 °С до 1450 °С.
Клинкер охлаждается воздухом и с температурой 1000... 1100 °С выходит из печи. Этот участок печи называется зоной охлаждения.
Известь получают из карбонатных пород СаСО3 и MgCO3. При обжиге они декарбонизируются, диссоциируя с выделением углекислого газа. В производственных условиях температура обжига известняка составляет 1000... 1200 °С и зависит от его плотности, химического состава, содержания примесей, типа печи и др. факторов. Обычно в шахтную печь загружают известняк с размерами кусков 60.. .200 мм, а топливо - 40.. .60 мм. Чем больше куски, тем дольше они должны обжигаться. Поэтому режим обжига назначается по времени обжига кусков средних размеров. Чем однороднее размер кусков известняка и топлива, тем равномернее обжиг и выше производительность печи.
Гипс - это полуводный сульфат кальция, получаемый при тепловой обработке двуводного сульфата кальция: CaSO4·2H2O→CaSO4·0,5H2O. CaSO4·2H2O начинает дегидратировать уже при нагреве до 60 °С, наиболее интенсивно процесс происходит при 107... 115 °С.
В промышленных условиях гипс варят в варочных котлах и сушильных барабанах при 170... 180 °С, получая в результате строительный гипс.
Выбор аппарата тепловой обработки зависит от свойств исходного сырья, производительности завода и требований к каче ству готовой продукции.
Высокопрочный гипс получают в автоклавах при давлении 0,12...0,13МПа и температуре 120...125°С.
Все гипсовые вяжущие вещества делятся на 2 группы:
19.3. Процесс обжига керамических материалов
Керамические изделия готовят из минерального сырья, в основном глинистых пород, которые спекаются при высоких температурах, приобретая камнеподобные (формы) свойства. В качестве примесей или добавок к глинам используют карбонаты кальция и магния (СаСО3; MgCO3), сернистые и железистые соединения.
Карбонаты в керамических массах при температуре 700... 1000 °С диссоциируют, выделяя углекислый газ (СО2). Если керамическое изделие достаточно прочное, то выделяющийся СО2 создает в нем пузыри и разного рода вспучивания. Каменистые карбонатные примеси при обжиге превращаются в кусочки извести. В процессе эксплуатации известь поглощает влагу из окружающей среды, гасится, превращаясь в СаО и увеличиваясь в объеме.
Сернистые соединения дают на обожженных изделиях выплавки. При температуре 550 °С начинается диссоциация сульфитов и сульфатов с выделением SO2.
Органические вещества при 300...400 °С сгорают, выделяя летучие вещества.
19.4. Процессы спекания и вспучивания
Спекание - важнейший процесс при обжиге, при котором формируются свойства керамического черепка. Оно происходит за счет цементирующего действия эвтектоидных расплавов (жидкостное спекание), реакций в твердой фазе и кристаллизации новообразований.
Керамические изделия обжигают в кольцевых, туннельных и др. печах.
Вспучивание - это увеличение материала в объеме за счет образования и давления газов внутри замкнутых пор. Так получают керамзит из глинистых пород, вермикулит - из слюды, ячеистое стекло - из искусственных стекол и др.
Глинистое сырьё при наличии в нем вязкого силикатного расплава и газообразных продуктов при быстром нагреве вспучивается. При нагреве сырья температура должна достигнуть таких значений, при которых оболочка поры размягчается и спекается, что сопровождается её уплотнением, в результате чего пора становится газонепроницаемой. Если в этот момент внутри поры начнут выделяться газы, то они не пройдут сквозь уплотненную оболочку. Накапливаясь в поре, газы создают избыточное давление, под действием которого размягченная от высокой температуры оболочка расширяется. Этот процесс и является вспучиванием элементарной ячейки (поры) глиняной гранулы.
Рис. 19.1 Вспучивание элементарной ячейки глиняной гранулы:
а – гранула до обжига; б – вспученная при обжиге гранула; 1 – пора; 2 – сухая гранула; 3 – спекшаяся оболочка.
Для осуществления процесса вспучивания необходимо, чтобы глина обладала достаточной интенсивностью газовыделения и была приведена в пиропластическое состояние, а так же факторы должны совпадать во времени.
Пиропластическое состояние глины определяется количеством жидкой фазы (силикатного расплава). Интенсивность накопления её зависит от химического состава глины.
Процесс формирования структуры при обжиге керамических материалов развивается в три этапа.
Этап I (t oC = 100...800 оС) – удаление физически и химически связанной воды, частичное выгорание органических добавок и примесей. За счет этого образуются поры различных размеров от 0,1 до 10 мкм.
Этап II (t оС 800...1050 °С) характеризуется началом процесса вспучивания. Развиваются твердофазовые реакции и повышается количество жидкой фазы, за счет этого продолжается процесс образования пор, их размеры становятся более однородными.
Этап III (t °С 1050...1200 °С) - интенсивно развиваются и завершаются процессы вспучивания, растет количество пор радиусом до 50 мкм. Общая пористость вспученного материала достигает 70...90 %. Процесс вспучивания носит взрывной характер. Разность между температурами начала оплавления гранул и той, при которой насыпная плотность снижается до 0,95 г/см3 - это температурный интервал вспучивания. Вспучиваемость глин зависит от многих факторов, основными из которых являются режим нагрева и характер газовой среды. Режим нагрева создает определенную интенсивность теплообмена, т. е. определенный температурный перепад между поверхностью и центром обжигаемого материала. Характер газовой среды печ ного пространства и внутри пор материала определяет качество вспучивания. Восстановительная среда понижает температуру вспучивания и повышает вспучиваемость глин, так, введение железосодержащих добавок в количестве 5... 10 % от массы глины повышает вспучиваемость в 1,5.. .2 раза.
Спекание - это соединение мелкозернистых и порошковообразных материалов в куски при повышенных температурах. В качестве исходного сырья используют глины, глинистые породы или смеси на их основе. Из пористого конгломерата получают искусственный пористый заполнитель, который готовят методом агломерации. На агломерационной решетке слой материала (20...30 см) чередуется со слоем топливосодержащего материала, масса которого составляет 6... 10 % от массы сухой шихты. Сквозь эти слои и решетку интенсивно просасываются продукты горения топлива и воздуха. Так идет обжиг, последовательность этапов которого следующая:
I этап - подсушка. Раскаленные дымовые газы поступают в слой материала, из которого испаряется вода затворения. В зоне сушки температура материала не превышает 100 °С, а газов -750 °С.
II этап - подогрев шихты. Когда верхний слой шихты высушивается, а горячие газы продолжают поступать, то он подогревается. Здесь температура газов 1000... 1300°С, а температура материала повышается от 100 до 800 °С. Верхний слой шихты подогревается до температуры воспламенения следующего за ним слоя топлива. Топливо начинает гореть.
III этап - спекание. Просасываемый сквозь верхний подогретый слой шихты горячий воздух способствует ускоренному протеканию процессов горения топлива. В этой зоне температура газов поднимается до 1600 °С. Каждое зерно претерпевает огневую усадку и, следовательно, усаживается весь слой. Происходит контактное спекание гранул между собой и общее омоноличивание всего слоя, из сыпучего слоя получается спекшийся. При этом выгорают все органические вещества, глинистые минералы частично вспучиваются и образуют в материале часть закрытых пор.
IV этап - охлаждение. Спекшийся конгломерат охлаждается на агломерационной машине вначале до 900 °С, а затем до температуры окружающей среды. В этот период завершается процесс кристаллизации.
19.5. Процессы плавления
Плавление - процесс перехода твердого вещества в жидкотекучее состояние (расплав), сопровождающийся поглощением теплоты. При постоянном внешнем давлении материал плавится при определенной температуре - температуре плавления, зависящей от природы вещества и давления.
Температура плавления зависит также от минералогического состава исходного сырья и характера газовой среды. В восстановительной среде температура плавления существенно понижается. Теплота, затрачиваемая на переход единицы массы вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления, называется удельной теплотой плавления.
Химический состав исходных веществ может быть естественным и искусственным, он включает кристаллические и аморфные фазы. Такой материал последовательно переходит стадии пироштастического, вязко-текучего и жидкостного состояний. Если в составе смеси имеются туго- и легкоплавкие компоненты, то соотношение их должно быть таким, чтобы тугоплавкие компоненты успели расплавиться за время пребывания смеси в плавильной установке. При плавлении порошковых сырьевых смесей первые капли расплава появляются при эвтектических температурах на контактах отдельных зерен. Поэтому порошки сначала спекаются (омоноличиваются), приобретая пиропластическое состояние, а затем при дальнейшем нагреве спек переходит в расплав.
19.6. Особенности устройств для обжига
Печи - это энерготехнологические агрегаты (установки), предназначенные для термической обработки исходного сырья с целью придания ему необходимых заданных свойств. Исходное сырье в печах подвергается следующим видам тепловой обработки: нагреву, сушке, обжигу, спеканию, вспучиванию, плавлению или варке.
В зависимости от режима работы печи могут быть периодического и непрерывного действия.
По технологическому признаку различают печи для обжига кусковых и порошкообразных материалов (шахтные, вращающиеся); обжига керамических изделий (камерные, туннельные, кольцевые); плавления исходного сырья (ванные, тигельные).
В зависимости от теплового режима бывают печи с постоянной и переменной тепловой нагрузкой (температурным режимом).
По способу выделения и передачи теплоты печи классифицируют в зависимости от вида сжигаемого топлива (пылевидного, кускового, жидкого, газообразного) и электрические.
Промышленные печи должны соответствовать определенным теплотехническим и технологическим требованиям: иметь высокую тепловую мощность, поддержание необходимых температур в рабочем пространстве; эффективное сжигание топлива в печи и высокий коэффициент его использования, минимальный удельный расход теплоты на обжиг; высокую удельную производительность и качество выпускаемой продукции; экономичность в эксплуатации; простоту в обслуживании; максимальную автоматизацию процессов.
Вращающиеся печи. Для производства цемента мокрым способом применяют вращающиеся печи с внутренними теплообменными устройствами размерами 3,6x150; 4x150; 4,5x150; 5x185; 7x230 м, а сухим способом - печи с внешними теплообменными устройствами размером 4x60; 4,5x75; и 6,4x95 м.
Печи мокрого способа производства цемента. Вращающаяся печь состоит из цилиндрического корпуса с бандажами и венцовой шестерней, привода вращения, роликовых опор, встроенных и выносных теплообменников, холодной и горячей головок с уплотнительными устройствами.
Корпус состоит из металлических обечаек, сваренных из листов толщиной 24...50 мм, на которых крепятся массивные кольца прямоугольного сечения - бандажи. Бандажи на подшипниках качения опираются на роликовые опоры. Печь монтируется с уклоном к горизонту 3...4°, а для удержания ее в определенном положении на роликовых опорах монтируется система гидравлических упоров. Печь приводится во вращение от электро двигателя через редуктор, подвенцовую и венцовую шестерни. Корпус печи защищен футеровкой из огнеупорного кирпича. Движение материала и газов в таких печах противоточное, сырье перемещается к нижнему концу печи за счет ее уклона и вращения. Навстречу движется тепловой (газовый) поток. Теплоту газового потока лучеиспусканием и конвекцией воспринимают открытые поверхности футеровки печи и материала. Закрытые поверхности материала получают теплоту путем теплопроводности. Скорость движения материала в печи должна соответствовать необходимой длительности пребывания сырья при оптимальной температуре обжига.
Для повышения теплообмена устанавливают различные теплообменные устройства для увеличения поверхности соприкосновения материала с газовым потоком и интенсифицирования передачи теплоты.
Цепные завесы навешивают в зоне подогрева и сушки. При вращении печи цепи омываются газовым потоком и аккумулируют теплоту. Погружаясь в сырьевую смесь, они отдают часть теплоты, улучшая таким образом контакт газового потока со шламом.
Применяют цепные завесы двух типов: свободно висящие и гирляндные. Более рационален второй вариант, т. к. при нем интенсифицируется продвижение вязкого шлама вдоль печи.
Ячейковые теплообменники, т. е. печь разделена на ячейки, по которым вдоль полок теплообменника проходит поток обжигаемого материала. Полки теплообменников аккумулируют теп лоту газового потока и передают ее путем излучения и теплопроводности материалу. Недостатком таких теплообменников является их значительная масса, что может повлечь разрушение корпуса печи и повышение пылеобразования.
Звеньевые и гирляндные теплообменники - набор массивных звеньев, сочлененных между собой шарнирами. Во время прохода газового потока по печи звенья теплообменника накапливают теплоту, а при погружении в слой материала отдают ее. Более эффективна в тепловом отношении гирляндная конструкция.
Теплообменники в виде пересыпающихся лопастей изготавливают из металла или керамики. В момент пересыпки материал находится во взвешенном состоянии, поэтому интенсивность его нагрева максимальна.
Экранирующие теплообменники - это грибовидные башмаки, выполненные из стали или чугуна. Основным недостатком является замазывание поверхности теплообменников шламом, вследствие чего сокращается их эффективность.
Циклоидный теплообменник - набор трапециевидных металлических лопастей, изогнутых по определенному радиусу. Обжигаемый материал скользит по внешней поверхности элементов теплообменника без отрыва, что обеспечивает минимальное пылеобразование.
Теплообменные устройства, встроенные в печь, несколько сокращают удельный расход топлива на обжиг клинкера, однако в целом проблемы не решают.
Печи сухого способа производства цемента конструктивно несколько отличаются от печей мокрого способа. Так, в них значительно меньше отношение длины к диаметру, выше температура отходящих газов.
В печах такого типа для сушки и подогрева сырьевой смеси применяют конвейерные кальцинаторы и циклонные теплообменники. Так как в печь подается только сухое сырье, то используют только запечные теплообменники, позволяющие утилизировать теплоту отходящих газов.
Конвейерный кальцинатор состоит из сушильной и горячей камер. Вращающаяся печь с конвейерным кальцинатором имеет длину до 60 м; температура поступающего в печь материала равна 800 °С.
Циклонные теплообменники применяют для снижения расхода топлива и повышения производительности вращающихся печей. Они характеризуются максимально развитой поверхностью теплообмена взвешенной в газовом потоке сырьевой муки, хо рошим контактом твердой и газообразной фаз, высокой скоростью нагревания.
Холодильники предназначены для охлаждения клинкера, которое ведется проходящим через материал потоком холодного воздуха. При этом клинкер охлаждается до 50...80 °С, а воздух нагревается до 500...600 °С. Нагретый воздух, в качестве вторичного, поступает во вращающуюся печь для сжигания топлива. Холодильники могут быть элементом вращающейся печи или выносными. Наиболее распространены барабанные, рекуператорные и колосниковые холодильники. Тепловой КПД барабанных и рекуператорных холодильников составляет 65...70 %, а колосниковых холодильников - 90...95 %.
Шахтные печи. К шахтным печам относятся печи, рабочая камера которых имеет форму вертикального полого ствола.
По месту сжигаемого топлива шахтные печи делятся на две группы. К первой группе относятся печи, в которых топливо сгорает в среде материала. Топливо и материал загружают в печь послойно. Воздух для горения топлива подается в печь снизу вентилятором. Вторая группа печей снабжена различными выносными топками, в которых сжигается любое, в том числе и местное топливо. Часть воздуха подается в топку для горения топлива, а другая часть - в топку для сжигания горючих газов и охлаждения материала. Такие печи работают только на искусственной тяге.
По способу обжига различают пересыпные шахтные печи; полугазовые; на газовом топливе; на жидком топливе.
По способу перемещения обжигаемого материала шахтные печи подразделяются на печи гравитационного и принудительного действия.
Основными конструктивными элементами шахтных печей являются следующие: шахта, загрузочные и выгрузочные механизмы, топливосжигающие и тягодутьевые устройства. Шахта имеет вид полого цилиндра или двух усеченных конусов с со вмещенными основаниями. Часть общей высоты печи, соответствующая среднему нормальному уровню засыпки в нее материала, называется рабочей высотой шахты. Она составляет 18.. .20 м и влияет на удельный расход топлива. Диаметр шахты достигает 6 м.
Шахтные печи гравитационного типа работают по принципу противотока. Столб материала в шахте - постоянный, т. к. непрерывно подпитывается сверху загрузкой исходного сырья и движется сверху вниз под действием силы тяжести. Газовый поток движется снизу вверх, проходя через межзерновые пустоты или сквозь толщу материала. Такие шахты имеют три технологические зоны: подогрева, обжига и охлаждения.
Шахтные печи с принудительным перемещением материала подразделяются на печи, в которых материал находится во взвешенном состоянии с падающим слоем или кипящим (рис. 19.2).
Рис. 19.2. Схемы шахтных печей с принудительным перемеще нием материала:
а - печь с обжигом материала во взвешенном состоянии (/ - шахта; 2 -топливосжигающее устройство; 3 - расходный бункер сырьевого по рошка; 4 - питатель; 5 - винтовой конвейер; 6 - газоочистительное устройство; 7 - бункер обожженного порошка); б - печь с падающим слоем (7 - шахта; 2 - топливосжигающее устройство; 3 - расходный бункер сырьевого порошка; 4 - питатель; 5 - сборник обожженного материала; 6 — отход отходящих газов); в — печь с кипящим слоем материала (7 - шахта; 2 - топливосжигающее устройство; 3 - воздуходувка).
Шахтные печи при обработке зернистых материалов, находящихся во взвешенном состоянии, работают по принципу прямотока. Загруженный материал подхватывается потоком раскаленных продуктов горения, нагревается им и обжигается. При этом скорость газового потока превышает скорость витания частиц (зерен) обжигаемого материала, т. е. кинетическая энергия газового потока, действующего на частицу, превышает ее силу тяжести. Это предотвращает выпадание частиц материала из потока.
Зернистые материалы обжигают также в печах с падающим слоем, которые работают по принципу противотока. Здесь перемещение материала сверху вниз притормаживается газовым по током, движущимся снизу вверх. Скорость газового потока и его кинетическая энергия несколько ниже скорости витания частиц, что позволяет увеличить длительность нахождения материала в данной зоне и улучшить теплообмен.
Рис. 19.3 Шахтная печь кипящего слоя:
1, 5, 12, 17 – внешние переточные устройства; 2 – холодильник; 3, 7, 8 – камеры; 4 – сплошная перегородка; 6 – люк; 9 – загрузочный патрубок; 10 – патрубок отвода газов; 11, 13, 15 – газораспределительные решетки; 14 – циклон; 16 – газогорелочное устройство; 18 – шнек; 19 - конвейр
В печах кипящего слоя (рис. 19.3) через слой сыпучего материала, находящегося на решетке, пропускают восходящий поток газа. Скорость газов такова, что под действием кинетической энергии газового потока частицы материала начинают совершать различные движения (колебательные, вращательные, поступательные). При этом скорость газового потока достаточна, чтобы оторвать частицы материала друг от друга, но мала для удержания их в потоке и вынесения за пределы слоя. Такое состояние воспринимается как состояние кипения, а слой называют кипящим. Постоянное перемешивание зерен материала газовым потоком содействует выравниванию температур по всему слою. Время обжига в кипящем слое 10... 15 мин.
Печи кипящего слоя применяют для производства извести, заполнителей и др.