Физико-механические процессы, протекающие при вспучивании
В процессе нагревания вермикулита установлено пять эндотермических эффектов.
Первый эффект обнаруживается при 150 – 2500 С, причем на термограммах вермикулита этот эффект, связанный с удалением свободной воды, значительно интенсивнее, чем у слюд, и наблюдается при меньшей температуре. Из сильногидратированных слюдистых минералов свободная вода может быть удалена длительной сушкой при 105 – 1100 С, и первый эндотермический эффект в этом случае будет отсутсвовать.
Второй появляется у вермикулита при 260 – 3000 С. Он обусловлен выделением воды, связанной с обменными ионами.
Третий вызван выделением цеолитной воды и наблюдается в интервале 400 – 7000 С.
Четвертый и пятый эндотермические эффекты при 760 – 7800 С и 810 – 8400 С присущи всем слюдистым материалам, включая вермикулит и связаны с удалением гидроксильных групп.
Вспучивание зерен вермикулита происходит за счет воздействия водяного пара, образующегося в результате дегидратации этого минерала при нагревании. Водяной пар под значительным давлением раздвигает листочки слюды. При нагревании зерна расщепляются на тончайшие слюдяные пластинки, частично скрепленные между собой. Наряду с воздействие водяного пара в структурной решетке вермикулита при нагревании возникают внутренние изменения вследствие удаления цеолитной и гидратной воды, что приводит к короблению частиц и раскрытию листочков слюды.
На вспучивание зерен вермикулита оказывают влияние структура, химический состав и влажность сырья, степень и характер гидратации слюды, т. е. порядок расположения гидратированных вермикулитовых слоев, размер зерен, режим обжига (максимальная температура, скорость и продолжительность нагрева) и усадка при охлаждении.
Так например, при длительном нагревании вермикулита при 700 – 8000 С и более высокой температуре прочность зерен уменьшается, что, в свою очередь, может приводить к увеличению средней плотности.
Вспучивание зерен вермикулита характеризуется коэффициентом вспучивания единицы объема
kоб=Vвсп/V,
т. е. отношением вспученного вермикулита к объему его перед вспучиванием. Для вермикулита данный коэффициент обычно равен kоб=5,9 – 6,4. Также вспучивание характеризуется коэффициентом вспучивания вермикулита, т. е. отношением средней плотности вермикулита-сырца к средней плотности вспученного вермикулита: K=γ/γвсп.
Реже для характеристики используется коэффициент вспучивания зерен вермикулита, равный отношению толщины зерна после вспучивания к первоначальной толщине; данный коэффициент равен kз=15 – 40.
Качество вспученного вермикулита определяется не только степенью и характером гидратации сырья. Оно зависит также от принятых методов и режимов вспучивания. Наиболее высокой степени вспучивания вермикулита достигают при медленном прогреве сырья до 1000 С с последующим резким нагревом до высокой температуры, при этом уменьшается продолжительность вспучивания в трубчатых печах и повышается их производительность.
Степень вспучивания также находится в прямой зависимости от толщины пластинок и диаметра вермикулита. Толщина отрицательно влияет на степень вспучивания, т. е. толстые пластинки дают худшие показатели вспучивания. Это объясняется тем, что чем толще частицы кристалла, тем медленнее прогревается пластинка, тем меньше «взрывная» способность пара и его воздействие на расположенные поблизости слои.
Следовательно, можно сделать вывод, что на режим обжига и подбор оптимальных температур напрямую зависит от размеров, формы, толщины и т. п. вермикулитового сырья. Тогда, для определения рационального режима обжига для вермикулита различного гранулометрического состава можно воспользоваться таблицей 7.
Наилучшие результаты в условиях обжига получены при температуре 9000 С и продолжительности обжига 2 – 3 мин. Дальнейшее повышение температуры нецелесообразно: вермикулит становится более хрупким, измельчаются зерна и повышается средняя плотность.
Следовательно, при конструировании печей для обжига вермикулита должны быть учтены следующие требования:
1. необходимость быстрого воздействия температуры 900 – 11000 С на вермикулит;
2. резкое охлаждение термовермикулита после обжига, чтобы предотвратить дальнейшее удаление химически связанной воды, которое вызывает повышенную хрупкость тончайших чешуек вермикулита.
Таблица 6. Влияние температуры и продолжительности обжига на среднюю плотность вермикулита
| Продолжительность обжига | Средняя плотность вермикулита в кг/м3 при температуре в град. | ||||||||
После процесса обжига уже вспученный вермикулит с пода печи самотеком ссыпается в приемную воронку и пневмотранспортирующим устройством передается в камеры готовой продукции