Конспект лекций В.А.Кондратенко «Глинистое сырье, его свойства и методы анализа, добыча и переработка глинистого сырья, формовка сырца, сушка сырца»
Подготовленное и вылежавшееся сырье для производства керамического кирпича (шихта) из отделения массоподготовки поступает на другой ключевой участок в технологической цепочке – формовку.
Для изготовления качественного кирпича пластического формования необходимо, чтобы шихта соответствовала следующим требованиям:
– чтобы силы внутреннего сцепления в ней (когезия) превышали силы сцепления с внешними материалами (адгезия);
– коэффициент внутреннего трения должен быть больше коэффициента внешнего трения.
Современная технология производства керамического кирпича рекомендует формовку изделий производить на ленточных шнековых прессах.
Пластическое формование на ленточном шнековом прессе
Основные рабочие органы шнекового пресса: шнек, корпус шнека, переходная головка и мундштук. При производстве пустотелых изделий к ним добавляется фильера – пустотообразователь, который крепится в переходной головке или мундштуке.
Завод по производству керамического кирпича использует шнековые пресса двух видов:
вакуумный или безвакуумный.
Шихта, продвигаясь в шнековом прессе, претерпевает деформации и изменения и на выходе из мундштука имеет определённую структуру и форму. Структура массы влияет на физико-технические и эксплуатационные свойства изделий.
Движение сырья в шнековом прессе имеет сложную траекторию и зависит как от свойств формуемой массы: влажности, пластичности, внутреннего трения, так и от внешних факторов: давления, температуры, внешнего трения.
Свойства массы для пластического формования регулируются при составлении рабочей смеси – шихты. Внешние факторы определяются конструкцией шнека, внутренней рубашкой рабочего цилиндра, конструкцией переходной головки, мундштука и фильеры.
В цилиндре сырье для производства керамического кирпича проталкивается вращающимся шнеком (винтом) и поэтому его траектория движения довольно сложна.
В осевом направлении масса движется по цилиндру и уплотняется. Совместно с осевым движением, она имеет вращательное движение с различной угловой скоростью. Угловая скорость глиняного сырья меньше угловой скорости шнека и шнек как бы проскальзывает по контактной поверхности.
Осевая скорость движения массы так же одинакова, у ступицы вала шнека скорость меньше, чем возле внутренней поверхности цилиндра. Сырье для кирпича пластического формования движется в осевом направлении кольцевыми параллельными потоками (как бы труба в трубе) и, соответственно, в осевом направлении так же происходит расслоение массы.
Суммарное движение глиняной массы – движение по спирали с расслоением скорости вдоль оси шнека.
Основной шнек – однозаходный винт, выпорной (выжимной) шнек – двузаходный винт.
Однозаходный шнек даёт значительную пульсацию при движении массы и для её снижения, масса передаётся от однозаходного к двузаходному шнеку.
Выпорной шнек подаёт массу в переходную головку.
Переходная головка – буфер, предназначение которого выровнять пульсации и усреднить скорости и давления по всему рабочему сечению головки.
Во входном сечении сырье для производства керамического кирпича поступает в головку с дифференциальными скоростями и, соответственно, с дифференциальными давлениями. Продвигаясь по головке, в сырьевой массе сглаживаются и усредняются различия в скорости и давлении. Остаются только различия в плотности шихты по сечению головки. В местах, где скорость поступления глиняной массы была больше, возникает большее давление и, соответственно, она больше уплотняется.
По технологии производства керамического кирпича масса с выпорного шнека сходит идентично выходу потока воздуха с осевого вентилятора: по периметру скорость выше, чем в центре. Переходная головка, подобно воздушному соплу, направляет массу к центру.
Рабочая шихта, из которой будет изготовлен кирпич пластического формования, должна обладать свойством слипаемости (липкости). При определённых давлениях разъединенные потоки могут слипаться и сливаться, тогда из переходной головки выходит относительно однородная масса.
Давление в головке создаётся шнеком, при условии достаточного сопротивления в мундштуке и фильере.
Если слипаемость массы и сопротивление недостаточны, то в сформованном изделии образуется дефект, так называемая S-образная трещина, которая проявляется при сушке и обжиге.
В переходной головке помимо осевого имеется остаточное вращательное движение, которое затухает у оси.
Сырье для керамического кирпича по шнековому прессу движется в виде отдельных концентрических слоёв.
Вследствие различных скоростей движения между слоями возникают напряжения «сдвига». Отдельные слои проскальзывают один относительно другого. Эти напряжения и являются источником многих дефектов обожженной продукции.
Пластическое формование: уменьшение напряжений между слоями
Технология производства керамического кирпича предлагает уменьшать эти напряжения до безопасных величин с помощью:
– подбора свойств формовочной массы;
– выбора конструкции формующих деталей и органов пресса: шнеков, переходной головки, фильеры, мундштука.
Если в пресс попеременно загружать глины с различным цветом и далее раскрыть цилиндр и головку пресса, то обнаружится, что структура массы представляет собой последовательное напластования полых конусов, которые вложены друг в друга.
Такое строение – следствие пульсации в подаче массы шнеком. Если эти слои недостаточно прочно слипаются (соединяются) между собой, по при сушке и обжиге они разъединяются, образуя дефекты структуры кирпича пластического формования.
Такие напряжения приводят к образованию дефекта, который хорошо известен технологу завода по производству керамического кирпича – «свиль».
«Свиль» – это спиральные трещины по постели кирпича.
«Свиль» ухудшает качество кирпича, снижая его прочность и особенно морозостойкость.
Для улучшения качества изделий, сформованных на ленточном шнековом прессе, надо подбирать конструкции шнекового пресса, переходной головки, мундштука и фильеры.
Мундштук – это конструкция формующего органа, которая создает наружную геометрию изделия.
Фильера – это внутренняя конструкция формующего органа, которая образует пустотность изделий.
Вторым фактором улучшения качественных показателей, которые должен иметь хороший кирпич пластического формования, является регулирование свойств рабочей шихты, направленное на снижение эффекта проскальзывания слоёв. Это усиление их сцепления друг с другом, а также способность «залечивать» разрывы, которые образуются при формовании.
Склонность шихты к свилеобразованию описывается зависимостью:
Ссв = f(Рпр,fввн)/( fввв,С,Л)
где:
Рпр – давление прессование;
fввн и fввв – соответственно коэффициент внешнего и внутреннего трения;
Л – липкость либо прилипаемость, определяемая в данном случае адгезионными свойствами двух приведённых в контакт однородных глиняных слоёв;
С – сцепление (связность).
Мероприятия, направленные на уменьшение явления свилеобразования при пластическом формовании:
1) Отощение шихты крупнозернистым отощителем. Зерна отощителя размером 0,5-1,5 мм, как бы «сшивают» отдельные слои, снижают проскальзывание и снижают склонность шихты к разрыву сплошности. Добавление отощителя пылевой фракции вредно. Если размер зерен отощителя больше 1,5 мм, то могут возникнуть сложности при резке изделий на струнном резчике.
2) Разрушение природной структуры исходного сырья и паровое увлажнение шихты увеличивают «липкость» массы, т.е. её способность восстанавливать разрушенную сплошность массы.
3) Увеличение формовочной влажности так же увеличивает «липкость». Но это мероприятие приводит к увеличению напряжений при сушке и срока сушки.
4) Удлинение головки пресса на 100-200 мм, что увеличивает время для восстановления сплошности массы. В то же время увеличение длины переходной головки увеличивает сопротивление движению массы и, соответственно, увеличивает потребление электроэнергии на формовку.
Зависимость длины головки на распределение скорости выхода массы представлены на рисунке.
А) Б) В)
Схема распределения скоростей
при прохождении керамической массы в головке ленточного пресса разной длины.
А – короткая головка ленточного пресса;
Б – длинная головка ленточного пресса;
В – головка оптимальной длины и конусности.
1 – кривая скоростей, являющаяся следствием влияния шнека;
2 – кривая скоростей, зависящая от головки;
3 – суммарная кривая скоростей.
Если головка короткая (А), то основное влияние на скорость выхода массы из головки будет оказывать выпорной шнек.
Если головка длинная (Б), то основным фактором, влияющим на скорость, будет торможение массы о стенки головки, и центр будет опережать другие участки.
Если длина головки и его конусность подобраны оптимально, то распределение скоростей будет такой, как на схеме (В).
5) Зазор между наружным диаметром шнека и внутренней поверхностью рабочего цилиндра должен составлять 2-3 мм. Этим будет предотвращаться обратный поток глины и снижает свилеобразование в формовочном брусе.
При увеличении зазора, кроме увеличения дефекта «свиль», снижается производительность пресса, и увеличиваются потери на трение на нагрев массы.
6) Выбор оптимальной скорости вращения приводного вала шнека. Уменьшение скорости снижает «полирующее» действие шнека и, соответственно, снижает дефекты структуры. Скорость вращения вала может изменяться от 15 до 25 оборотов в минуту и зависит от состава шихты, пустотности изделий и конструктивных особенностей формующей оснастки пресса.
7) «Заполированность» поверхности снижается при установке рыхлительных ножей в цилиндре шнека и в промежуточном кольце.
8) При переходе на производство пустотелого кирпича пластического формования и установке фильеры с пустотообразователями (кернами), увеличивается турбулентность потока, что так же снижает влияние дефекта «свиль».
Это объясняется тем, что выходящий из переходной головки слоистый поток сырья для производства керамического кирпича, разрушается на множество отдельных потоков, в которых только частично сохраняются заложенные дефекты, но их влияние значительно снижается.
Этот приём можно использовать при производстве полнотелого кирпича пластического формования. В этом случае к подмунштуковой плите пресса прикрепляют керновой комплект с короткими кернодержателями (расчетная пустотность не менее 20%). Длина кернодержателей не должна быть больше 30-50 мм.
Основным видом брака при производстве пустотелых кирпича пластического формования являются, так называемые «скобяные» трещины по торцевым граням изделий.
Причиной образования этих трещин является недостаточная высота скобы кернового комплекта при малой длине мундштука или пониженная пластичность сырьевой шихты. Как показала практика, получить качественные пустотелые изделия из сырьевой смеси с числом пластичности менее 10 практически невозможно.
По технологии производства керамического кирпича производительность и удельный расход энергии на формование зависят от структурно-механических свойств формуемой массы, соотношения в размерах рабочих органов пресса и от режима его работы.
На производительность пресса оказывает большое влияние характер внутренней поверхности корпуса. При гладкой внутренней поверхности корпуса производительность пресса резко падает вследствие сильного вращения массы вместе со шнеком внутри корпуса, а при очень пластичных глинах выход её вообще прекращается.
Лучшим оформлением внутренней поверхности корпуса является шлицевое нарифление глубиной 1-2 мм, которое предохраняет наружные слои от проворачивания и не мешает ей продольному перемещению.
Для каждой сырьевой глиняной массы можно подобрать оптимальную частоту вращения, которая обеспечит наибольшую производительность пресса с наименьшим удельным расходом мощности.
На удельную производительность при формовании керамического кирпича влияет частота вращения шнека пресса. Оптимальной следует считать частоту вращения шнека 21-23 оборота в минуту. Стремление же повысить производительность пресса за счет увеличения числа оборотов шнека приводит к неоправданному перерасходу энергии и, как следствие этого, к перегреву бруса сырца.
Особенно это необходимо учитывать при формовании высокопустотных изделий. На каждый процент пустотности частоту вращения шнека пресса необходимо снижать на 0,5-0,6%.
