Физико-химические и технологические особенности процесса вспучивания перлита

Обжиг перлита, являясь основной технологической операцией, в значительной степени предопределяет главные качественные характеристики получаемого вспучиваемого материала. Вспучивание предварительно диспергированной породы происходит в момент приобретения ею пластично-вязкого (пиропластического) состояния при нагревании и связано с уходом содержащейся в нем молекулярной воды в виде пара и, отчасти, за счет выделения СO₂ и O₂. Химически связанная вода, находящаяся в перлите в виде гидроксила ОН-, имеет цеолитный характер и удаляется из него без разрушения кристаллической решетки.

Эффективность процесса вспучивания перлита оценивается коэффициентом вспучивания, т. е. отношением объемов вспученной породы к исходной, который может находиться в пределах 8—15.

Химический состав оказывает существенное влияние на вязкость и поверхностное натяжение размягченной породы. В частности, наличие щелочей снижает температуру размягчения, поэтому N₂O+К₂O в сырье должно быть не менее 4 %. Для нормального ведения процесса вспучивания требуется повышенная вязкость и пониженное поверхностное натяжение массы. На рис. 3.91 показана зависимость средней плотности вспученных перлитов от температурных пределов, в которых находится рабочая вязкость размягченной стекломассы.

Правильный подбор температурного режима обжига перлита является необходимым условием получения качественной продукции. Обычно температура термообработки перлита, при которой достигается необходимое соотношение между вязкостью размягченной стекломассы и давлением газовой фазы, образующейся главным образом за счет испарения содержащейся в перлитовом сырье «эффективной» воды, лежит в пределах 850—1250°С.

Вспучиваемость перлита находится в прямой зависимости от его дисперсности (рис. 3.92). В производственных условиях коэффициент вспучивания зернового перлита (размер зерен до 1,5 мм) должен быть не менее 6, кускового (5—10 мм) — не менее 4.

Перлитовую породу добывают открытым способом и, как правило, измельчают и фракционируют на дробильных заводах, расположенных в карьерах. Иногда процесс диспергирования породы совмещают с ее подсушкой для удаления свободной воды.

Обязательным условием хорошей вспучиваемости перлита является содержание в нем 1—3 % «эффективной» воды. В этом случае сырье вспучивается по одностадийной схеме, т. е. сразу подается на обжиг. Если количество содержащейся воды превышает оптимальное, то вспучивание ведется в две стадии: вначале при температуре 200—400°С сырье подвергают термообработке для удаления избыточной влаги, а затем перлит с оптимизированным водосодержанием подают в зону высоких температур, где он вспучивается. Во вспученном состоянии перлит представляет собой светлый сыпучий теплоизоляционный материал в виде мелких (песок) или более крупных (щебень) зерен с высокопоризованной структурой.

Для термообработки перлита можно использовать вращающиеся барабанные печи, различные сушилки, печи кипящего слоя и другие тепловые агрегаты. Наиболее часто применяют вращающиеся противоточные печи (сушильные барабаны) длиной 4—6,5 м, внутренним диаметром 0,45—0,9 м. Как правило, сушильные установки и печи обжига технологически связаны в единую линию и термоподготовленное сырье сразу же подается на обжиг, что уменьшает теплопотери процесса в целом.

В настоящее время наибольшее распространение для обжига перлита получили шахтные и вращающиеся печи (рис. 3.93).

Шахтная печь, показанная на рис. 3.93, а, имеет внутренний диаметр 0,6 м и высоту 7,7 м. Измельченный материал подают через загрузочные воронки, установленные на различных уровнях, что позволяет изменять высоту свободного падения частиц и таким образом регулировать режим их вспучивания.

Мелкие частицы перлита, попадая в поток раскаленных газов, движущихся снизу вверх, вспучиваются сразу и уносятся в циклоны. Более крупные достигают факельной зоны, вспучиваются, находясь некоторое время во взвешенном состоянии, и за счет уменьшения средней плотности уносятся из печи вместе с дымовыми газами в системы улавливания, где дифференцируются по фракциям, а отработанные газы обеспыливаются.

Время вспучивания перлита в шахтной печи во взвешенном состоянии исчисляется секундами.

Вспучивание более крупного сырья (до 12 мм) реализуют во вращающихся печах за счет удлинения пребывания его в зоне обжига. Время обжига зависит от фракционного состава сырья. Для частиц размером 3—5 мм оно составляет около 15 с, для фракций 7—10 мм — 30—45 с. Общая продолжительность обжига, как правило, 3—5 мин. Печи установлены под углом до 8°, длина их 6—10 м, диаметр 0,5—1,5 м, скорость вращения 8—22 с^-1.

С учетом конструкционных и технико-экономических особенностей шахтных печей их эксплуатация целесообразна для получения перлитового песка, а вращающихся — для производства перлитового щебня и крупного песка.

ВНИИстром разработал тепловую установку для обжига перлитового сырья во взвешенном состоянии, где вместо газового теплоносителя (дымовых газов) используется твердый инертный теплоноситель (кварцевый песок 0,6—1,2 мм). В этом случае обеспечивается более интенсивный теплообмен, сокращение расхода топлива и длительности вспучивания. Г аз сжигают в слое песка, перлит размером 5—15 мм обжигают в кипящем слое раскаленного твердого теплоносителя. Более легкий вспученный перлит всплывает на поверхность кипящего слоя и выгружается через специальный люк. Частично унесенный теплоноситель после сепарации снова возвращается в печь с помощью пневмотранспорта.

Вспученный перлит в основном используют в виде перлитового песка (размер зерен до 5 мм) и перлитового щебня (размер зерен 5—20 мм). В свою очередь, перлитовый песок, согласно требованиям стандарта, делится на мелкий — до 1,2 мм и крупный — 1,2—5 мм.

Средняя плотность вспученного перлитового песка, согласно требованиям стандарта,— 75—500 кг/м³; песка, используемого как засыпочный теплоизоляционный материал, — 80—120 кг/м³, как заполнитель для легких бетонов — 150—300 кг/м³.

Теплопроводность перлитового песка зависит от его средней плотности и равна 0,047—0,093 Вт/(м·°С). Она зависит также от характера и размера пор, гранулометрии и размера частиц, их формы, температуры и влажности материала.

Минимальной теплопроводностью характеризуются фракции 0,1—0,6 мм, которых в обычном перлитовом песке содержится до 50 % по массе. Они в наибольшей степени пригодны для теплоизоляционных засыпок.

Перлитовый песок следует оберегать от воздействия влаги, так как даже 10%-е ее содержание увеличивает теплопроводность в 2 раза, а 80%-е — в 3—4 раза.

Средняя плотность перлитового щебня составляет 300—600 кг/м³, прочность при сжатии — 1,5—4 МПа. Теплотехнические характеристики изделий на основе перлитового щебня, используемого только как заполнитель, кроме вышеперечисленных факторов зависят также от его гранулометрического состава, вида и расхода связующего.

Водопоглощение и гигроскопичность вспученного перлита высокие за счет открытой высокопоризованной макроструктуры с гидрофильной поверхностью. Он активно сорбирует парообразную влагу, содержание которой возрастает с уменьшением размера зерен перлита.

Водопоглощение перлита очень высокое и возрастает с уменьшением его частиц: оно составляет 30 % по объему или 300 % по массе для зерен более 2 мм, 60 % по объему или более 800 % по массе для зерен размером 0,25—0,5 мм.

Акустические свойства: обладая развитой открытой пористостью вспученный перлитовый песок является хорошим звукоизолирующим материалом. В диапазоне частот 100—1100 Гц коэффициент звукопоглощения соответственно составляет 0,1—0,95. Поэтому его широко используют при производстве звукоизолирующих блоков и плит, для акустических штукатурок.