CC BY
74УДК 666.3.032
И.Ф. ШЛЕГЕЛЬ, канд. техн. наук, генеральный директор Института Новых Технологий и Автоматизации промышленности строительных материалов (ООО «ИНТА-СТРОЙ», г. Омск)
Некоторые аспекты полусухого прессования кирпича
Исторически сложилось, что технология пластического формования считается оптимальным способом получения керамического кирпича. Такое мнение высказывается в некоторых учебниках и поддерживается западными компаниями — поставщиками оборудования в основном для этой технологии.
Автор 25 лет назад придерживался аналогичного мнения, пока в результате масштабной экспериментальной работы не убедился в высоком потенциале прессования керамики при пониженной влажности. В течение нескольких лет исследований было сформовано около 4 тыс. образцов при различной влажности и различном давлении прессования. Глина предварительно высушивалась, размалывалась, добавлялась вода для получения определенной влажности, и растиранием получался пресс-порошок или масса (при большой влажности).
Прессованные образцы диаметром и высотой 25 мм высушивались в естественных условиях и обжигались в муфельной печи при 1000оС. Для каждого типа глины, влажности и усилия прессования было получено по пять образцов, которые после обжига испытывали на сжатие. Полученные данные усреднялись и сводились в таблицы для каждого типа глины.
По результатам эксперимента построены графики зависимостей прочности от давления прессования (рис. 1—3), причем шкала давления прессования сделана логарифмической. Для разных глин результаты отличаются, но характер зависимостей примерно одинаков.
Е„ж, МПа
60
Как видно из рис. 1, для пресс-порошка влажностью 6—11% наблюдается экспоненциальный рост прочности при увеличении давления прессования, причем при влажности 11% прочность достигает значения 53 МПа при давлении прессования 63 МПа. При влажности 9—11% при больших давлениях заметно снижение прироста прочности, то есть приближение к экстремальным ее значениям.
Для глин влажностью от 12 до 15% (рис. 2) характер зависимостей иной: наблюдается промежуточный экстремум, затем прочность образцов падает при увеличении давления прессования. Это эффект так называемой перепрессовки, когда из пор на поверхность начинает выдавливаться вода, создавая расслоение внутри образца. При дальнейшем повышении давления прочность опять начинает расти. Для некоторых глин наблюдается 2—3 таких экстремума, что связано, видимо, с вымещением воды из различных по размерам пор.
Здесь можно согласиться с авторами [1], что во многих случаях ошибочным является мнение, что чем больше давление прессования, тем лучше. Вопрос подбора оптимального давления и влажности должен решаться при отработке технологии в лабораторных условиях для каждого вида сырья.
Для более влажных прессовок от 16 до 19 % (рис. 3) и при более низком давлении прессования наблюдаются также максимумы прочности, однако за ними следуют более протяженные участки ее падения.
Есж, МПа 50
50
40
30
12% 13%
14% 15%
2 2,5 3,2 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 32 40 50 63
2 2,5 3,2 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 32 40 50 63
Рис. 1. Зависимость сопротивления сжатию (2сж) образцов от усилия прессования (Рпр) и влажности глины 6-11%
Рис. 2. Зависимость сопротивления сжатию (2сж) образцов от усилия прессования (Рпр) и влажности глины 12-15%
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2012
Fпр, МПа
Fпр, МПа
6
40
35
30
25
2 2,5 3,2 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 32 40 50 63
Fпр, МПа
Рис. 3. Зависимость сопротивления сжатию (2сж) образцов от усилия прессования (Рпр) и влажности глины 16-19%
Если взять все полученные максимальные значения прочности при различной влажности глины и представить в виде графика (рис. 4), то можно наглядно убедиться, что увеличение влажности более 11% приводит к снижению прочности керамического черепка.
На рис. 4 представлено сравнение двух качественно разных глин (карьерной и обработанной на дезинтеграторе), однако характер зависимостей одинаков. Падение прочности в левой части графика свидетельствует только о том, что в эксперименте не было достигнуто тех давлений, при которых наблюдался бы экстремум для менее влажных образцов. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что и при такой влажности образцов (6—10%) получаются прессовки очень высокой прочности, однако уровень давления прессования более 63 МПа недостижим в современном прессовом оборудовании и для массового производства кирпича непригоден.
Таким образом, было установлено, что при влажности пресс-порошка 8—12% возможно получение керамического камня с прочностью 30—50 МПа, а при введении различных добавок и специальной подготовки шихты — до 80 МПа. Однако, в специальной литературе нет объяснения тому, почему в реальном производстве на прессах СМ1085 Б, обеспечивающих усилие прессования до 40 МПа, получается рыхлый кирпич, не обладающий ни прочностью, ни морозостойкостью.
С этой проблемой специалисты института разобрались, когда поняли, что при многопозиционном прессовании из-за неточности дозирования никогда не получится равномерная прессовка четырех изделий. В статье [2] представлен подробный анализ этой проблемы; рис. 5 поясняет вышесказанное.
Штамп
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
W, %
Рис. 4. Зависимость максимального сопротивления сжатию (2сж) образцов от влажности (Щ глины карьерной (Б) и отработанной на дезинтеграторе (А)
Выход из этой ситуации очевиден — создание одно-позиционного пресса с производительностью не менее 6 млн шт. кирпича в год. И такой пресс был создан и испытан в производственных условиях. Работа пресса ШЛ 403 (рис. 6) [3] была продемонстрирована участникам научно-практического семинара «Инновационные технологии для кирпичных заводов малой и средней мощности», прошедшего в Омске в марте 2011 г. [4]. Полученная прочность кирпича церковного формата (190x90x40 мм) свыше 40 МПа удивила многих коллег. В настоящее время разработан пресс ШЛ 503 для нормального формата кирпича.
Еще одной проблемой полусухого прессования является появление трещины в середине прессовки на ложковых и тычковых гранях [5—6].
Эти трещины часто называют перепрессовочными, имея в виду чрезмерное давление прессования. Однако установлено, что такие трещины появляются при любом давлении прессования и напрямую с ним не связаны.
На наш взгляд механизм появления срединных трещин состоит в следующем. При прессовании вблизи пуансонов создается область повышенного давления (рис. 7). Пока пресс-порошок рыхлый, воздух устремляется из области повышенного давления в середину прессовки, где давление меньше. Таким образом, в середине прессовки возрастает объем порового воздуха. При дальнейшем движении пуансонов поры закрываются, а воздух, собранный в средней части, начинает сжиматься; давление воздуха в этой части прессовки становится соразмерным давлению прессования. После снятия давления прессования этот воздух, расширяясь,
л N л \ Г1 \ Нижний уровень
— ч \ п штампа
1
2
3
4
Рис. 5. Неравномерность прессовки при многопозиционном прессовании: 1, 3, 4 - пониженная плотность прессовки; 2 - оптимальная плотность прессовки
Рис. 6. Пресс ШЛ 403
Лсж, МПа
¿сж, МПа
а
б
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® ноябрь 2012
Ар
,—гГГИТТ^—,
А
Эпюры давлений
^возд ...........
ч \ N \ \ 4 N
(// мшшж //
1
Ар
Рис. 7. Происхождение срединных трещин (а) и способы устранения: б - введение сквозных пустотообразователей; в - введение тупиковых пусто-тообразователей. Стрелками обозначено направление движения воздуха
рвет сырец именно в средней части. При неравномерном истечении воздуха через зазоры возможен сдвиг срединной трещины в ту или другую сторону, однако характер процесса от этого не меняется.
Введение сквозных пустотообразователей (рис. 7, б) решает эту проблему. В конструкциях наших прессов используются тупиковые пустотообразователи (рис. 7, в), которые также устраняют срединные трещины.
В ходе работы также было апробировано вакуумирова-ние пресс-порошка, однако это решает проблему лишь частично и в дальнейшем мы от этого процесса отказались.
Особо рассмотрим проблему сушки сырца полусухого прессования. Ранее многие авторы учебников считали, что такой сырец не требует сушки и может сразу подаваться в обжиговую печь. Нельзя не согласиться с мнением В.А. Кондратенко [5], что существующая традиционная схема производства кирпича полусухим способом прессования, исключающая подсушку свеже-сформованного сырца перед укладкой его на обжиговую вагонетку, изначально ошибочна.
ВНИИСТРОМ во главе с Г.Д. Ашмариным в последнее время провел значительные исследовательские работы по сушке кирпича-сырца перед обжигом [7], причем, по данным [8], режим сушки должен быть мягким.
В институте «ИНТА-Строй» также проводятся исследования процесса сушки кирпича-сырца полусухого прессования, как в лабораторных условиях, так и на действующем экспериментальном заводе ШЛ 400 [3]. Полный спектр данных пока не собран, однако уже сейчас можно сделать следующие выводы:
1. Несмотря на более короткий срок сушки кирпича полусухого прессования, к этому процессу следует относиться так же скрупулезно, как и к сушке при пластическом формовании.
2. Влажность поступающего в печь сырца должна быть не более 3%.
3. Технология сушки требует обеспечения более мягкого режима в начале сушки и более жесткого в конце.
4. Сушка сырца в штабеле или на обжиговой вагонетке значительно увеличивает срок сушки.
5. Для оптимизации процесса сушки при полусухом прессовании применимы те же способы, что и при пластическом формовании: введение отощителей в сырьевую массу, правильная организация потоков теплоносителя, нанесение влагозадерживающих составов [9] на ложковые и тычковые грани и т. д.
6. Разработанный институтом «ИНТА-Строй» способ вертикальной кассетной сушки с переменными режимами прекрасно вписывается в технологию обжигово-сушильного комплекса заводов полусухого прессования [3]. Качество сушки обеспечивает выпуск кирпича с марочностью свыше М 300.
7. Вертикальные кассетные сушилки могут быть использованы и для реконструкции действующих заводов полусухого прессования в комплексе с туннельными или кольцевыми печами.
Таким образом, практика последних лет показала, что при полусухом прессовании и правильной организации технологического процесса возможно получение облицовочного кирпича высокого качества с прочностью свыше 30 МПа, морозостойкостью не ниже F 50 и отличного эстетичного вида. И что самое главное, выпуск такого кирпича обходится дешевле, то есть себестоимость его ниже на 20—50%.
Ключевые слова: полусухое прессование, давление, керамический кирпич, сушилки.
Список литературы
1. Котляр В.Д., Терехина Ю.В., Небежко Ю.И. Перспективы развития производства керамического кирпича полусухого прессования // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 6-7.
2. Шлегель И.Ф. Проблемы полусухого прессования кирпича // Строительные материалы. 2005. № 2. С. 18-19.
3. Шлегель И.Ф., Шаевич Г.Я., Михайлец С.Н. и др. Новый комплекс ШЛ 400 для производства церковного кирпича // Строительные материалы. 2009. № 4. С. 32-36.
4. Инновационные технологии для кирпичных заводов средней и малой мощности // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 50-53.
5. Кондратенко В.А. Керамические стеновые материалы: оптимизация их физико-технических свойств и технологических параметров производства. М.: Композит, 2005. 512 с.
6. Кремер Р., Лутц Р. Повышение качества фасонных огнеупорных изделий за счет современной технологии прессования // Огнеупоры и техническая керамика. 2007. № 4. С. 31-35.
7. Ашмарин Т.Д., Курносов В.В., Беляев С.В., Ласточкин В.Г. Обоснование эффективности компрессионного формования керамических строительных материалов // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 8-9.
8. Стороженко Г.И., Болдырев Г.В. Опыт работы кирпичных заводов полусухого прессования с эффективной массоподготовкой глинистого сырья // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 3-5.
9. Шлегель И.Ф., Шаевич Г.Я., Гришин П.Г. и др. Эффективный способ повышения качества кирпича - нанесение влагозадерживающих составов // Строительные материалы. 2004. № 2. С. 22-23.
б
а
в
возд
научно-технический и производственный журнал ф^ОУГ/^J\^)г\*^\~
ноябрь 2012 ~ Л1] ®
