Влияние железистых окислов на получение керамзита заданного объемного веса из различных видов сырья —
Исследования влияния на процесс вспучивания химико-минералогического состава глин, режима обжига и характера окислительно-восстановительных процессов дали возможность направленного регулирования объемного веса керамзитового гравия при производстве его из различных видов сырья.
Для экспериментальных работ были выбраны глины: спаскаменская, пореченская и пятовская, на которых работает Лианозовский город, лосиноостровская, используемая Московским заводом строительных конструкций. Первые две глины отвечают требованиям, предъявляемым к глинам для производства керамзита по химическому и гранулометрическому составам. Пятовская глина отличается повышенным содержанием карбонатов (— 10%), а Лосиноостровская значительным содержанием свободного кварца (до 40ч).
Анализ молекулярных соотношений отдельных окислов глинистой Фракции и данные рентгенограмм показали, что спаскаменская глина относится к монтмориллонитовым.
Подробный минералогический анализ был произведен для отдельных фракций спаскаменской глины (верхний и нижний слои); образцы, изготовленные из глины пробы № 1, вспучиваются хорошо, хотя с небольшим оплавлением, а из пробы № 2 вспучиваются плохо с сильным оплавлением в процессе обжига.
Изучение данных петрографического анализа отдельных фракций спаскаменской глины показывает, что ухудшение вспучивания образцов пробы № 2, видимо, связано с сильным ожелезнением основного минерала глинистой фракции этой пробы монтмориллонита (содержание Ре20з достигает в отдельных пробах 14%), а также появлением в числе глинообразующих минералов значительного количества глауконита (—25%). Ожелезнение монтмориллонита связано с замещением алюминия внутренних слоев кристаллической решетки минерала на ноны железа, которые входят в замещенный комплекс минерала, нарушая при этом прочность связей и устойчивость его кристаллической решетки. Это, в свою очередь, приводит к созданию «неуравновешанпой» структуры минералов и, как следствие, к раннему и резкому оплавлению глины в процессе обжига. Подобное влияние оказывает и примесь глауконита, Минерала гидрослюдистой группы, но также с сильным аналогичным замещением в кристаллической решетке.
В составе поречеиской глины преобладает тонкодисперсное глинистое вещество, сложенное минералами гидрослюдистой группы и равномерно распределенными аморфными гидроокисла- мн железа.
Пятовская глина сложена монтморилионитом со значительной (Примесью углистого вещества и кальцита
Лосиноостровская глина относится к бейделитово-каолишитовому типу с небольшой примесью гидрослюды и значительным количеством свободного кварца (до 40% глины при вспучивании На геометрической кривой лосиноостровской глины видно, что ее огневая vсадка, а следовательно, и появление жидкой фазы начинается при более высоких температурах — 1150Х. Это обусловлено большим содержанием в глине свободного кварца (—40%) и количеством глинистого веществ..
В конечной стадии восстановления в образцах спасклменской глины содержится Fes03 всего 0.3, а в образцах пореченокой глины ~ 2,4% при (начальном содержании Fe203 соответственно 6,8 и 7,8%. Глубина /процесса восстановления обусловлена особенностями строения кристаллических решеток глинистых минералов этих глин, а также характером выгорания органики, содержащейся в глинах перед обжигом ~3,6 и 1,7% и после окончания восстанови процессов соответственно 2 и 0,8% и, наконец, остаточное содержание оргапкн в керамзите в первом случае ~ 1,3%, а во сбором 0,5%.
Из-за избытка органики и разрушении кристаллических решеток минералов вязкость расплава в образцах спаскаменской глнины остается и после достижения максимума восстановления, а в образцах пореченской глины вязкость после максимума восстановления начинает повышаться. Это подтверждается тем, что содержание Fe20 в поверхностном слое гранул пореченской глины ~6,8%, FeO — 1,0%, а поверхностном слое гранул спаскаменской глины соответственно 3,2 и 3,5% н, наконец, /в сплавленных «козлах» этой же глины содержание Fe203 в /поверхностном слое достигает /всего 1,9, a FeO — 4,8%. Эксперимонты показали, что в образцах пореченской глины вслед за достижением максимума восстановления (FeO~ 6%, Fe203~2,2%) /начинается процесс обратного окисления FeO в Гс20/, при этом суммарное содержание FeO в грануле уменьшается до 4,0%, а /количество Fe203 возрастает до 4,1%. В то же время в образцах спас-каченской глины этот процесс обратного окисления FeO в Fe203 развит слабо, количество FeO в грануле снижается /незначительно с 6,1 До 5,2%, а количество Fe203 повышается лишь с 0,3 до 1,3%- В результате поверхностной корки из окноных соединений железа не образуется, вязкость поверхностного слоя остается низкой, н гранулы оплавляются.
В образцах пятовской глины процесс восстановления окислов железа также идет очень глубоко (Fe203 в конце восстановления — 0,7 /при начальном содержании 6,5%). Процесс обратного окисления развит слабо, видимо, из-за диссоциации карбонатов и избытка органики. Это приводит к сильному оплавлению гранул и низкой вспучиваемости (Kv~ 2). Образцы лосиноостровской глины вспучиваются слабо, Кг,—2,3. Объясняется это слабым процессов, максимальное содержание FeO в глине всего 2,5% и, как следствие, расплав в этой глине образуется при более высокой температуре (~ 1180°С) в небольшом количестве и повышенной вязкости, затрудняющей вспучивание.
Повышение скорости нагрева при обжиге пореченской глины (скорость нагрева 2000/мин, рис. 4,6) приводят к интенсификации окислительно-восстановительных реакций, увеличению количества образующегося расплава и снижению его вязкости. Аналогичные опыты с увеличением скорости нагрева с 60 до 200°С мин для лосиноостровского суглинка показали, что количество FcO в образцах повысилось с 2,5 до 4%, /при этом коэффициент вспучивания увеличился с 2,3 до 3.2; наоборот, повышение скорости нагрева образиов спаскаменской и пятовской глин привело к еще более резкому снижению вязкости расплава, в результате чего оплавление гранул усилилось, а коэффициент вспучивания снизился.
Рассмотрение экспериментальных данных по динамике вспучивания гранул, полученных в заводских условиях по длине вращающейся печи подтверждает закономерности, выявленные в лабораторных экспериментах. Основные параметры вспучивания пореченской глины в 40-л печи показаны на рис 5. Анализ результатов исследований позволяет предположить, что роль окислительно-восстановительных реакций в процессе нагрева сводится к созданию условий оптимального вспучивания путем регулирования вязкости образую расплава и его количества При отсутствии обратного окисления FeO в Fe203 после достижения максимума восстановления в грацулах сохраняется высокий уровень FeO (спаскаменская, пятовская глины) до конца вспучивания В результате гранулы не име ют наружной плотной оболочки из окисленном стеклофазы с преобладанием закисных соединений железа и легко оплавляются. При этом структура гранул носит «кавернозный» характер, внутренние слои гранул сплавляются и преобладающим видом является открытая пористость. Следует отметить, что вспучивание образцов при небольших скоростях нагрева (60%) начинается после достижения максимума на кривой Восстановлении окислов железа, т. е. восстановительные реакции как бы предшествуют процессу вспучивания, а потому вспучивающим началом видимо являются остатки гидратной воды решеток глинистых минералов. При увеличении скорости нагрева до 200°/мин процессы восстановления и вспучивания накладываются во времени ввиду смещения их в высокотемпературную область, и вспучивающим началом в этом случае могут быть паи продукты восстановления, так и остатки гидратной воды глинистых минералов.
Анализ полученного экспериментального материала позволил разработать ряд предложений для проведения процесса вспучивания с учетом особенностей используемого сырья, что создает предпосылки для получения керамзита объемного веса.
Для запесоченных суглинков, бедных органикой и железистыми соединениями, рекомендуется:
чтобы увеличить количество жидкой фазы и снизить вязкость образующегося расплава, добавлять в глини дробленые «гкозлы» в количестве ~ 5% (по объему), отличающиеся более высоким содержанием закисных соединений же из-за и стекловидной фазы;
обжиг смеси тех же двух глин: легкоплавкой (типа спаскаменской) и запесочснных суглинков в соотношении 1:1 (по объему) дает возможность получить керамзит с объемным весом в куске 0,5 г/см3 без использования каких-либо выгорающих и флюсующих добавок лишь за счет получения необходимой вязкости смеси этих глин.
Выбор необходимой скорости вращения печей позволяет создать для каждого вида сырья оптимальный режим обжига: ускоренный для запесоченных суглинков, замедленный для легко оплавляющихся глин типа спаскаменской и пятовской.