Комплексная переработка шламов глиноземного производства АО"АК"

fy">     При производстве керамического кирпича  основным материалом является глина  – пластичный материал. Глина представляет собой горную породу, состоящую преимущественно  из глинообразующих минералов –  слоистых алюмосиликатов. Они  отличаются большим сродством к воде и могут давать в ней тончайшие взвеси вплоть до коллоидных, не меняя своей основы. В техническом аспекте глина – землистая горная порода, способная при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое после сушки обладает некоторой прочностью, а после обжига приобретает камнеподобные свойства.

     Вещественный  состав глины представлен глинистым  веществом и примесями. Истинно  глинистое вещество – наиболее дисперсная часть породы, оно состоит из комплекса  глинообразующих минералов, придающих глине пластичность. Таких минералов сравнительно немного, и они довольно хорошо изучены. Все глинистые минералы обладают типичной слоистой структурой, похожей на структуру слюды. При смешивании глины с водой последняя входит в межслоевые пространства глинистого минерала, и его слои получают возможность сдвигаться один относительно другого по водяной пленке и закрепляться в новом положении. Такая способность минералов объясняет важнейшее свойство глины – ее пластичность.

     Формование.

    Пластичность глин предопределяет наличие специфических деформационных свойств — малой вязкости и достаточно высокого предела текучести. В зависимости от вязкости и скорости деформации пластичной массы от напряжения сдвига выделяют условный  статический предел текучести Р_К1, ниже которого деформации не происходит. Между P_К1 и условной границей практически неразрушенной структуры Рr масса течет с весьма малой скоростью. Ее течение характеризуется максимальной пластической вязкостью η₀*

    dε/dτ=(l/ η₀*)(σ- P_К1),                 

    где dε/dτ — скорость деформации; σ— касательное напряжение.

Выше  значения Рr вязкость определяется динамическим равновесием между числом разрушенных и восстановленных коагуляционных контактов в системе. При напряжениях выше условного динамического предела текучести Р_К2 течение происходит с наименьшей пластической вязкостью η_m*

  dε/dτ=(l/ η_m*)(σ- P_К2).

  При напряжениях, превышающих условную предельную границу разрушенной структуры Рпр, вязкость становится постоянной и имеет наименьшее значение η_m.

  Кроме показателей пластической вязкости, остающихся постоянными в достаточно широком интервале действующих напряжений, течение массы описывают структурной (истинной, эффективной) вязкостью η*, значения которой изменяются от вязкости предельно разрушенной структуры η₀ до вязкости предельно разрушенной структуры η_m.

  Для описания течения систем, подобных пластичной массе, иногда используют зависимость

σ- Р_К, = η (dε/dτ)ⁿ,                     

где P_К — предел текучести; n — показатель или индекс течения.

Показатель n характеризует форму кривой течения. Для тиксотропных систем n<1. При n>1 системы относятся к дилатантным, скорость течения которых падает с ростом действующего напряжения.

   При малых скоростях деформирования в области, близкой к условному статическому пределу текучести P_К1, заметную роль в деформации пластичной массы играют обратимые (упругие и замедленные) деформации. Зависимость общей деформации от напряжения и времени:

    ε=ε₁+ε₂+ε₃=σ/Е₁+(σ/Е₂)*[1-ехр(-Е₂τ/η₀*)]+(1/η₀*)*(σ-Р_К)*τ,   

    где ε₁ и ε₂ - быстрая и замедленная обратимые деформации;

ε₃ - пластическая деформация; η_m - пластическая вязкость;

σ - напряжение; τ - время; е₁ и E₂ — модули быстрой и замедленной обратимой деформации.

Пригодность массы для формования оценивают  соотношением отдельных видов деформаций. Для этого используют предложенную С.П. Нечипоренко диаграмму, разделенную на шесть областей, соответствующих шести структурно-механическим типам. Лучшими формовочными свойствами обладают массы с преимущественным развитием замедленных обратимых деформаций (I и II структурно-механические типы). С той же целью используют критерии, характеризующие соотношения между различными видами деформации: суммарный модуль деформации Em=E₁Е₂/(Е₁+Е₂); эластичность λ=E₁/(E₁+E₂); период релаксации θ=η₀*/(E₁+E₂); пластичность по Воларовичу Пл=Р_К1/η₀*.

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

    σ_ПР= σf + С.                        

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

    Возрастание дисперсности твердой фазы увеличивает количество контактов между частицами в единице объема и прочность. Одновременно растут оптимальная формовочная влажность, предел текучести, вязкость, модули деформации, коэффициент внутреннего трения и связность массы, повышается пластичность.

Чрезмерное  повышение дисперсности увеличивает усадки в сушке и обжиге, поэтому оптимальный зерновой состав должен обеспечивать создание каркаса из сравнительно крупных зерен для повышения предела текучести и уменьшения усадок. Введение электролитов снижает формовочную влажность.

     Пластическое  формование осуществляют тремя способами:

     выдавливанием, допрессовкой и раскаткой. Во всех случаях  механические напряжения не превышают 1—30 МПа, масса содержит 30—60% жидкости по объему. Заготовка сохраняет форму благодаря наличию предела текучести.

     Важнейшей задачей при пластическом формовании является подбор оптимальной формовочной  влажности. Для оценки формовочной  влажности W_Ф по П.А. Ребиндеру используют зависимость пластической прочности структуры Р_m, от влажности Wабc. Пластической прочностью называют механическое напряжение, которое способна выдерживать масса без нарушения сплошности.

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

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

      
 
 
 
 
 

    Рис. 3.5.5 Распределение скоростей течения пластической (а) и тощей (б) масс в головке шнекового пресса.

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

    Под действием бокового давления линейная скорость массы у стенки меньше, а окружная выше, чем в центре. В массе образуются два параболоидальных потока, скорости которых в мундштуке постепенно выравниваются. Более пластичные массы характеризуются большим градиентом скоростей по сравнению с жесткими (рис. 3.5.5). Для снижения неравномерности течения используют шнеки с переменным шагом винта и двухзаходной выпорной лопастью. Крупнозернистые включения снижают склонность массы к расслаиванию.

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

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

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

    Сушка.

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

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

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

    Химически связанной водой называется вода, находящаяся в химическом соединении с отдельными элементами керамической   массы,   так   например: Аl₂Оз∙2SiO₂∙nH₂0; Са(ОН)₂ и др. Удаление химически связанной воды происходит при более высоких температурах - от 500° и выше. При этом керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства.

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

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

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

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

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

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

    а) испарения влаги с поверхности  материала;

    б) внутренних перемещений (диффузии) влаги  в материале;

    в) теплообмена между материалом и окружающей газообразной I средой.