Эстетические вопросы, волнующие всех производителей престижных тянутых изделий, таких, как различные типы покрытий, фасадных материалов, напольных покрытий и предметов интерьера, сводятся к двум основным пунктам: появление подтеков и наличие известковой крупки в керамической массе.
Имеется большое количество информации о причинах появления подтеков, появляющихся вследствие этого эстетических дефектов на поверхности изделий, а также о способах их устранения. Этот дефект не связан с типологией сырья, но зависит от других факторов, как например от воды, использованной при производстве, или от типа эмали, примененной для изготовления данного типа обожженного изделия. Очень часто речь идет о временном явлении или о субъективном мнении, а потому были найдены и предложены некоторые технологии для выявления этого дефекта, не зависящие от человеческого глаза.
Причина появления известковой крупки кроется именно в типологии сырья и последствия могут быть довольно тяжелыми: постоянная выбраковка большого количества произведенной продукции, падение качества и престижа изделий в глазах заказчиков, а также подача делающих плохую рекламу фирме-производителю судебных исков, что в итоге приводит к печальным результатам и убыткам, которые потом возмещаются с большим трудом.
Такие критичные ситуации иногда приводят к сложным, но не всегда правильным решениям. Так, например, одно предприятие по производству черепицы, уставшее от постоянно возникающей проблемы появления известковой крупки в керамическом сырье, решило закупить и использовать атомизатор (башня распылительной сушилки) для шликера с последующим повторным увлажнением атомизированного порошка. Не говоря об экономической стороне вопроса, а именно о стоимости нового оборудования и дополнительных расходах на управление, эта новая система не помогла разрешить проблему и не заработала. Фракция частиц атомизированного порошка была настолько мелкой, что не давала управлять потоком экструдированного сырья и всеми последующими процессами его обработки.
Нельзя забывать и о тех случаях, когда слишком большое количество известковой крупки с ее распределением по всей массе изделия разбивает само изделие на много частей. Естественно, что в таких случаях речь идет не столько об эстетическом дефекте, сколько о влиянии этого явления на все типы экструдированных материалов.
Целью настоящего документа является выявление проблемы известковой крупки с привлечением внимания технических работников к этому явлению, анализ причин ее появления, ее поведения и предложение эффективных решений для борьбы с нею.
Традиционно принято считать, что крупка представляет собой кусочки известняка (CaCO3), но более вероятно предположить, что она является кусочками доломита (карбоната кальция и магния). Если рассматривать тот эффект, который создает крупка на поверхности изделий, то и гипс (сульфат кальция бигидрированный) войдет в круг подозреваемых минералов.
Классические представители известковой крупки происходят от осколков различных материалов, входящих в состав глин и песков. Наиболее распространенные:
Условиями, благоприятствующими химическому выпадению карбонатных желваков, являются:
Имеются в виду те же самые условия, которые способствуют образованию известняковых и доломитных пород (когда происходит частичное вытеснение кальция магнием, присутствующим в морской воде), только в данном случае границы слоев отложений не ярко выражены и не являются определяющими. Что же касается гипса, то он присутствует в виде хорошо сформированных кристаллов, иногда достаточно больших по размеру, в глиняных слоях почвы, а также может составлять настоящие разделительные пороги (слои в несколько миллиметров) между соседними пластами земли.
Во время проведения изысканий были проанализированы образцы следующих материалов:
Фрагменты карбонатных соединений раковин (CSH) |
|
|
Термогравиметрический анализ (TGA)
Фрагменты карбонатных соединений раковин (CSH) |
|
|
Фрагменты гипса (G) |
|
|
| Все кривые на представленных графиках, за исключением 1/G (высушенные образцы) не демонстрируют потери веса материалов и прекрасно накладываются на приведенную кривую 21/G |
ЗАМЕЧАНИЯ
ОБРАЗЕЦ ИЗВЕСТНЯКА (CC)
ДТА и ТГА высушенного сырья (при 110?C) являются классическими примерами эндометрических реакций и потери веса, которые начинаются при примерно 800?C и завершаются около 950?C. Образец, обожженный при 900?C, а затем находившийся в защищенной среде сушилки при 110?C, дает дополнительную маленькую эндотермическую реакцию (ДТА) на интервале от 450? до 500?C, чему соответствует также некоторая потеря веса при проведении ТГА.
Пиролиз – хорошо заметен (почти как на эталоне), что указывает на то, как обжиг при 900?C является только маленькой поверхностной частью данного процесса и что реакция еще очень далека от своего завершения. Этот же образец, помещенный во влажную среду, демонстрирует возрастание интенсивности реакции на интервале между 450? и 500?C.
Подобной же будет и изгиб кривой распада (диссоциации) карбонатов, не смотря на то, что потеря веса будет несколько меньше. Образцы материала, обожженные при 1000?C дают ту же реакцию на интервале от 450? до 500?C и практически незаметный пиролиз возможных карбонатных остатков.
Те же образцы, помещенные во влажную среду, при проведении ТГА дают большую потерю в весе на интервале от 450? до 500?C, в сочетании с очень интенсивным эндометрическим изгибом кривой при проведении ДТА. Проявления пиролиза при более высоких температурах будут менее ярко выраженными по сравнению с эталоном, но все же заметными.
ДТА показывает нам также маленький изотермический изгиб при 350?C, который был едва заметен и на образце, обожженном при 900°C и помещенным на воздухе, ведущий к переходу в кристаллическое состояние.
РАКОВИНЫ (CSH)
ДТА эталона показывает большой эндотермический изгиб кривой, начинающийся непосредственно перед 800?C и захватывающий 900?C.
Соответственно ТГА дает нам большую потерю в весе, в то время как при температуре ниже 800?C - потеря в весе незначительная и вероятно обусловлена присутствием минимального количества веществ растительного происхождения.
ДТА образца, обожженного при 900?C и помещенного в сушилку, дает нам меньший пиролиз карбонатов и второй маленький эндотермический изгиб при 450?C. ТГА показывает потерю веса только при распаде остаточных карбонатов.
Для образцов, обожженных при 900?C и оставленных на воздухе, ДТА дал большой эндометрический изгиб при средних температурах с кульминацией при примерно 500?C, чему соответствует большая потеря в весе при проведении ТГА; изгиб кривой при распаде CaCO3 – незначителен и смещен на примерно 100?C в сторону более низких температур.
ДТА образцов, обожженных при 1000?C, а затем помещенных в защищенную среду, дает нам только два эндометрических изгиба кривой: примерно на 450?C и 700?C. ТГА практически не отмечает потерь в весе. ДТА и ТГА образцов, обожженных при 1000?C и не помещенных в защитную среду повторяют, только более активно, результаты образцов, обожженных при 900?C и оставленных на воздухе.
ДОЛОМИТЫ (D)
ДТА образца дает нам типичный двойной эндометрический изгиб кривой при температурах 780?C и 930?C.
ТГА показывает большую потерю веса (разделенную на два этапа), которая начинается при 500?C и заканчивается чуть ранее 900?C. Образцы, обожженные при 900?C и не выставленные на воздух, дают две эндотермические реакции при 400?/450?C и 750?/780?C. Такие же образцы, выставленные на воздух, дают также две подобные кривые.
Образцы, обожженные при 1000?C и помещенные в защищенное место, дают реакции практически только на низких температурах. Образец, выставленный на воздух в условиях 32/D, показал на графике кривую, соответствующую условиям 22/D.
Также в этих случаях заметны маленькие изотермические всплески между 300? и 350?C, связанные с переходом в фазу кристаллизации.
ГИПС (G)
При проведении ДТА эталон показал сильную эндотермическую реакцию при примерно 200?C с сильной потерей в весе (трансформация в полуводный гипс) и изотермическую реакцию на пороге 400?C (трансформация в ангидрид).
ТГА показывает потерю в весе на температурах до 200?C.
Кривые графиков ТГА и ДТА других образцов (обожженных, защищенных и не защищенных) имеют ровное и спокойное развитие.
ВЛИЯНИЕ НА ПРОИЗВОДСТВО ТЯНУТЫХ ИЗДЕЛИЙ
Самое известное и классическое проявление действия известковой крупки заключается в образовании расслоений и сколов слоя обожженной глины, закрывающего крупку от поверхности изделия.
Проявление данного феномена возможно, если присутствуют следующие условия:
-
Если исходный карбонатный фрагмент был трансформирован (даже частично) в CaO
-
Если размеры фрагмента превышают 0,5 мм
-
Если этот фрагмент находится в массе изделия недалеко от его поверхности, а именно закрыт не более чем 1-3 мм спекшейся глины
Оксид кальция при контакте с атмосферной влажностью трансформируется в Ca(OH)2 и эта реакция ведет ни много, ни мало – к удвоению начальных размеров частички. Что, возможно, ведет к увеличению давления на керамическое изделие с разрушением наиболее слабой его стенки, а именно той части, которая отделяет частичку (крупку) от ближайшей внешней поверхности.
Оказываемое давление/усилие пропорционально квадрату его радиуса; поэтому крупка/фрагмент размером в 2 мм оказывает на изделие в 16 раз большее усилие, чем фрагмент в 0,5 мм. В многочисленных статьях на эту тему можно прочесть, что для уменьшения проявлений известковой крупки достаточно увеличить спекание материала, обжигая его при более высоких температурах и при более длинных циклах.
Этот совет вероятно основывается на том утверждении, что более сильное спекание благоприятствует вступлению оксида кальция в реакцию с имеющимся диоксидом кремния, приводя к образованию новых минералов (среди которых волластонит), что в свою очередь ведет к удалению оксида кальция и его трансформации в новый элемент.
К сожалению, это утверждение верно для карбонатов очень тонкой фракции, уже реактивной, но оно не работает для более объемных частиц, какими является известковая крупка. Наоборот, как это можно заметить на термических анализах известняка, раковин, и доломита (несмотря на уменьшенные размеры) – образцы, обожженные при 1000?C и оставленные во влажной среде, дают более сильные эндотермические реакции и потерю в весе - уже при 500?C, чем образцы, обожженные только при 900?C с незаконченным пиролизом карбонатов.
Эта реакция, будучи связанной с трансформацией Ca(OH)2 в CaO, количественно влияет на имеющийся гидроксид кальция (гашенная известь). Поэтому, если требования к общим характеристикам (особенно механическим) готового изделия это позволяют, то лучше проводить его обжиг при как можно более низких температурах.
Для того, чтобы не встретиться с проявлениями феномена известковой крупки, необходимо избегать достижения того уровня температуры, который запускает процесс пиролиза карбонатов. Знание этой особенности поведения известковой крупки более важно, чем предполагаемое уменьшение ее реактивности посредством более интенсивного спекания и, следовательно, образования более плотных частиц. Кривые графиков проведенных термических анализов показывают, что даже образцы, тщательно защищенные от влажности, после своего обжига дают незначительную эндотермическую реакцию при 450?C.
Такое поведение лишь подчеркивает легкость и быстроту гидратации оксида кальция. Что же касается доломита, то совершенно ясно, что его термические реакции при средних температурах значительно отстают от реакций карбонатов. Что соответствует особенностям поведения оксида магния, который является менее гидрационным по сравнению с кальцием. Во избежание проявлений эффектов известковой крупки присутствие доломитов в массе предпочтительнее наличию кальцитов.
Поведение гипса также полностью отличается от поведения карбонатов. У гипса не выражена способность к водопоглощению, а потому он не будет виновником образования классических сколов на поверхности готового изделия, которые характеризуют поведение известковой крупки. Однако, в тех случаях, когда кусочки гипса выходят на лицевую поверхность, они также могут нанести большой эстетический урон изделию (кусочки гипса обычно белого цвета, который сильно выделяется на поверхности готового изделия).
СПОСОБЫ БОРЬБЫ
IНаиболее классическим способом борьбы с проявлениями известковой крупки является погружение в воду только что обожженных изделий, чтобы способствовать ее частичному растворению с образованием дополнительного объема, достаточного для безопасного увеличения размеров, следующего после гидратации.
В этом случае необходимо часто менять воду, так как возможное насыщение известью может тормозить ее растворяющие свойства. Этот способ борьбы обычно применяется производителями типичных изделий “котто тоскано”, для изготовления которых берется чешуйчатая (пластовая) глина региона Кьянти. Этот способ применяется во избежание нанесения серьезного вреда структуре изделий, которые в противном случае превратились бы в большой кусок неправильных фрагментов.
Эта же операция, но более ремесленным способом, также проводится наиболее скрупулезными каменщиками при постройке стен из фасадного кирпича. В этом случае кирпичи помещаются в емкость с водой, дабы ускорить процесс гидратации и возможное “скалывание” фрагментов поверхности. Поврежденные изделия убираются и их замена на новые обычно производится за счет производителя. Другой используемой системой борьбы является добавление во время процесса сушки небольшого количества (2-5%) хлорида натрия, который наносится на поверхность изделий.
Соль во время обжига вступит в реакцию с глиной и карбонатами, сформировав силикатный слой, который свяжет крупку, находящуюся возле поверхности изделия. Однако оба способа борьбы имеют свои недостатки: первый увеличивает вероятность появления подтеков, а второй – оказывает агрессивное воздействие на стенки печи. Кроме вышеуказанных способов борьбы, применяемых в отношении уже обожженных изделий, существуют и другие, радикально устраняющие проблему.
Например, замена сырья, несущего с собой известковую крупку, или вмешательство непосредственно в процесс разработки пород на месторождении посредством исключения слоев, несущих загрязняющие материалы.
Однако, к сожалению, часто не представляется возможным проводить такую выборку пород и не всегда имеются реальные альтернативы загрязненному типу сырья. Более эффективным и действительно помогающим разрешить данную проблему может быть инженерное решение на уровне подбора оборудования, при помощи которого можно значительно уменьшить размеры карбонатных соединений, чья фракция не будет превышать 0,2 мм.
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ – ПОДБОР ОБОРУДОВАНИЯ
Большая часть предприятий кирпичной промышленности, включая предприятия, производящие дорогостоящие изделия, обычно работают на традиционном оборудовании и по традиционной технологической схеме, предусматривающей использование ламинатора-рафинатора в качестве мельницы тонкого помола.
Предельный размер фрагментов, проходящих через эту машину, обычно определяется размером зазора между роликами, который не может быть менее 0,6-0,8 мм. Однако, этот размер фракции не полностью уберегает от известковой крупки, но эффективно снижает количество ее проявлений. К сожалению, минимальный размер такого зазора является исключительно теоретическим по ряду нижеперечисленных причин:
• Частички плоской формы, как, например, фрагменты раковин или карбонатных отложений, частички материнской породы, могут пройти незамеченными даже несмотря на их достаточно большие размеры;
• Ролики, особенно при обработке сырья, содержащего большие куски кварца, подвергаются очень быстрому износу, который ведет к образованию впадин и сколов, что значительно увеличивает зазор между роликами;
• Очень часто на роликах ламинатора устанавливается специальная защитная система, которая в случае прохождения очень твердых кусков, немного раздвигает ролики и позволяет таким кускам пройти, поскольку в противном случае они застревали бы между роликами и повреждали ламинатор.
Другим минусом таких дробилок является отсутствие гранулометрического контроля, но даже в случае его установки результаты были бы более чем скромными по причине высокой влажности сырья. Поэтому в разрешении проблемы известковой крупки данная машина имеет весьма сильные ограничения по надежности ее работы.
Принимая во внимание все вышеизложенное, мы приходим к выводу о важности применения системы сухого помола сырья, которая представляет собой прежде всего производственный процесс с получением контролируемых результатов.
Кроме того, необходимо подчеркнуть, что данное оборудование может обрабатывать сырье с начальным уровнем влажности даже в районе 30% благодаря использованию сушилки, снижающей уровень влажности глины до 18%, и позволяющей мельнице модели “MOLOMAX” вести измельчение с максимальной отдачей. Технологический процесс, предлагаемый компанией “Manfredini & Schianchi” под названием “DRY-TECH HEAVYCLAY”, предусматривает использование маятниковой мельницы тонкого помола модели “MOLOMAX” в комплекте со статическим или динамическим сепаратором.
В некоторых случаях возможно выполнять первичный помол при помощи молотковой мельницы типа “PIG”, получая уже на этом этапе от 60% до 80% измельченного сырья, прошедшего отбор. На последующем этапе материал подается в камеру измельчения маятниковой мельницы модели “MOLOMAX” при помощи дозирующего шнека или взвешивающего ленточного транспортера. Процесс измельчения осуществляется исключительно путем растирания сырья несколькими вращающимися роликами против фиксированной круговой направляющей.
Измельченные частички переносятся в верхнюю часть мельницы вместе с потоком воздуха, образовываемым центробежным вентилятором. Отделение измельченных частиц сырья от потока воздуха может проводиться двумя различными способами:
-
При помощи “циклона”, определяющего “закрытый” цикл “мельница-циклон-вентилятор”;
-
При помощи рукавного фильтра – “открытого” цикла “мельница-фильтр-вентилятор”.
Функциональной технической особенностью инновационной системы “открытого” цикла является передвижение только что измельченного сырья при помощи сильной всасывающей струи воздуха. Это техническое решение позволяет значительно сократить сроки пребывания измельченного материала внутри камеры измельчения мельницы с последующей экономией электроэнергии, увеличением срока службы мелющих тел и со значительной прибавкой почасовой производительности мельницы (даже на 100%!).
Технологический процесс “Manfredini & Schianchi” под названием “DRY-TECH HEAVYCLAY” позволяет выполнять сушку сырья при очень эффективном термопотреблении, никогда не превышающим 650 кКал/час по выпаренной воде, снижая влажность сырья с 18% до 8%. Таким образом, данное оборудование оказывается весьма полезным производителям, имеющим серьезные проблемы с влажностью сырья, поскольку снимается необходимость установки предварительного этапа сушки, что значительно снижает расходы по инвестированию в оборудование и его эксплуатацию.
Сепаратор, установленный на маятниковой мельнице “MOLOMAX” также выполняет функцию гранулометрического классификатора, что иногда позволяет отказаться от установки дополнительной системы просеивания, что, в свою очередь, способствует значительному снижению расходов по закупке оборудования.
Полученный таким образом измельченный порошок подается на увлажнение; для этой специальной функции используется увлажнитель модели MS/2000. Количество подаваемой воды контролируется при помощи механической или гидравлической системы с автоматической регулировкой, возможной благодаря использованию электронного инструмента MS/MU 7685, замеряющего уровень влажности выходящего порошка.
Распыление воды производится при помощи вращающегося диска с закрытым и вентилируемым приводом. Серия вращающихся смесителей из стали перемешивает увлажненный порошок, чтобы повысить его однородность. Количество добавляемой в измельченное сырье воды может варьироваться от 1% до 3% в соответствии с его физико-химическими характеристиками и требованиями.
Затем смесь направляется на хранение (выдержку) в металлические силоса (бункеры). Измельченное сырье (порошок), полученное методом сухого помола с последующим увлажнением, не требует долгих сроков хранения (выдержки) и по истечению 24 или 48 часов может быть направлено в производство. Поэтому силоса используются также в качестве временного производственного запаса на максимум один — два дня производства.
На конечном этапе предусматривается установка смесителя-увлажнителя, специально разработанного для обработки сырья, полученного методом сухого помола. Установка, снабженная герметичными дроссельными клапанами и системой высокого давления для подачи воды, способствует прекрасной гомогенизации порошка с добавлением необходимого количества воды без образования комков или крупных гранул. Кроме полного решения проблемы появления дефектов от известковой крупки выбор технологии сухого помола “DRY-TECH HEAVY CLAY” позволяет решить вопрос рекуперации отходов и брака из сырца, высушенных и обожженных изделий непосредственно на производстве. Максимальный расход электроэнергии 15 кВт/час.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
| Традиционный метод |
Система DRY-TECH HEAVYCLAY |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Система сухого помола сырья “DRY TECH HEAVY CLAY”, разработанная компанией “Manfredini & Schianchi”, является передовой технологией и отличается важнейшими инновационными особенностями в следующих областях:
-
КАЧЕСТВО: получены результаты, которых невозможно достичь при использовании даже наиболее современных ламинаторов. Нейтрализуются дефекты проявления известковой крупки посредством сильного гранулометрического измельчения сырья. Кроме этого, при протяжке масса более гомогенизирована и поверхность изделий получается полностью гладкой. Это позволяет многим производителям выпускать глазурованные кирпичи и черепицу более высокого качества.
-
ПОМОЛ И РЕКУПЕРАЦИЯ ШАМОТА: оборудование для сухого помола в состоянии перерабатывать и рекуперировать отходы и брак обожженных изделий, инертных компонентов и глины с большим количеством посторонних включений, не компрометируя при этом качество конечного продукта.
-
ЭКОНОМИЧНОСТЬ: расходы по инвестициям в оборудование, также как и производственные расходы достаточно конкурентоспособны по сравнению с расходами на традиционное производство с использованием ламинатора.
-
ТЕХНОЛОГИЯ: высокая автоматизация системы – электронные устройства контроля вместе с возможностью использовать систему обжига в роликовой печи на следующих этапах отличают технологию “Drytech”, которая отвечает всем требованиям современного производства.
