浅析原料陈化处理对制砖产品质量的影响

浅析原料陈化处理对制砖产品质量的影响烧结砖是墙体材料的重要组成部分，被广泛用于我国城乡建设中的住宅和公共建筑的承重、非承重墙体结构以及屋面、道路、广场路面等，与人们生活息息相关，其产量和产值在国民经济中占有举足轻重的地位。按照国家全面建设小康社会的奋斗目标，我国到2020年将基本实现工业化。新型城镇化进程将不断加快，城镇人均居住面积将达到30㎡以上。初步预测，未来30年房屋建设总量将有可能达到600亿㎡左右，我国大规模建设峰值可能在2020年左右出现，城乡建设对建材产品的刚性需求将持续增长。同时，随着我国产业技术和装备水平的提升以及产业机构调整和淘汰落后产能步伐的加快，砖瓦行业将向规模化专业化和集约化方向发展。产品构成方面也从以前单一的普通砖转向多孔砖并在向大块、薄壁的多孔砌块制品的方向发展。无论是新上项目还是技改项目投资，都必须既要看到今后一个时期的刚性需求机遇，也要准确把握好行业发展的趋势。由于历史的原因，目前烧结砖制品的档次相对低下，导致大家往往只注重了机械设备、窑炉断面温差、烧制制度对砖制品质量的影响，忽视原材料处理对产品质量的影响，忽视原材料处理对产品质量的影响。随着砖产品档次的不断提高，原料处理对砖制品的影响将越来越突出，必须引起足够的重视。1制砖原料种类及物理性能生产砖瓦的主要传统原料是黏土。随着我国建设事业的不断发展，节约农田、节约能源以及工业废料的综合利用已成为砖瓦工业的重要发展方向，利用含黏土矿物的煤矸石、粉煤灰、煤渣、页岩、江河湖泊淤泥作为原料，实行内燃砖已在全国范围内推广应用。这些原料的共性是都含有一定量的黏土矿物，其能否生产烧结砖则主要取决于其物理性能的好坏。原料的物理性能指标主要包括颗粒组成、可塑性、收缩率、干燥敏感性这四大部分。1.1颗粒组成原料的颗粒组成需要有骨架颗粒（1.2mm~2mm）、填充颗粒（0.05mm~1.2mm）和塑性颗粒（≤0.05mm）。合理颗粒级配一般是骨架颗粒≤30%，填充颗粒20%~65%，塑性颗粒35%~50%。对于原料成型，不管是硬塑挤出、半硬塑挤出还是塑性挤出，成型时原料颗粒的堆积是依据形同的原理进行的。堆积时骨架颗粒首先整齐的排列形成大的骨架结构；其次填充颗粒填充于骨架颗粒之间的空隙之中；最后塑性颗粒占据骨架颗粒和填充颗粒之间的空位，起到连接的作用，而塑性颗粒中小于0.02mm的颗粒对砖质量起着至关重要的作用。在原料最紧密堆积过程中，骨架、填充、塑性颗粒缺一不可，如果全部为骨架颗粒，则空隙较大，粘结性不好，坯体密度降低；如果全部为塑性颗粒，虽然颗粒间隙较小粘结牢固、密实度也较高，但是由于没有骨架结构存在，坯体强度也不高。1.2可塑性原料的塑性指数小于7时，就很难成型；大于15时则意味着坯体的收缩率、干燥敏感系数偏大，影响产品的质量和生产效率。一般认为塑性指数介于7~15之间是比较合适的。塑性指数的高低主要由原料中粒径小于0.02mm部分的颗粒比例来决定的。对于塑性指数不高的原材料，如何在尽可能节约能耗的前提下，提高原料中小于0.02mm颗粒物的比例是改善其可塑性的主要手段。1.3收缩率收缩率包括干燥收缩率和烧成收缩率，收缩率越低越好。干燥收缩率取决于泥条的含水率和原料的塑性，一般情况下，原料塑性高、含水量，则高其泥条的收缩率也大。烧成收缩率主要取决于原材料中二氧化硅的含量，若含量超过70%时，对砖制品会产生不利影响，会出现膨胀力过大，引起转制品开裂，降低其力学性能，特别是抗折强度。当砖制品在进入高温阶段焙烧时，会发生爆炸现象，严重影响制品质量。因此，原料中的二氧化硅含量不宜超过70%。1.4干燥敏感性坯体在干燥过程中出现开裂的倾向称为原料的干燥敏感性，其高低与原料的矿物组成、颗粒组成等因素有关。一般情况下，可塑性越高、颗粒越细则原料干燥敏感性越高。另外，原料经堆积陈化后干燥敏感性会降低。如未经陈化时某原料干燥敏感性，为0.86，陈化1天后为0.78，陈化5天后为0.73。从以上分析可以看出，要保证良好的成型性能，颗粒级配、原料均化、陈化塑性改善是改善原料物理性能的主要措施。2原料破碎及设备配型制砖过程中原料破碎属于第一道工序，破碎的目的是为了获得合适的原料粒度和级配，为了泥料的可塑性提供了保证。从原料开采矿区运来的原料多为大块状，不能直接用作制砖原料，必须进行破碎或粉磨。泥料粒度的细化有利于提高塑性指数、产品强度和减少原料中有害杂质。泥料颗粒越小，其坯体塑性越高，且颗粒间的孔隙越小，能够提高坯体的致密性和容量，从而提高砖的强度和抗冻性。破碎设备选型根据煤矸石、页岩或其他固体废弃物的体积大小和硬度选择。一般情况下，可根据原料的硬度和粒径，选用不同的粉碎设备分别进行粗、中、细碎。粗碎设备可选择颚式破碎机、齿式对辊机；细碎设备可供选择的有锤式破碎机、笼式破碎机、高速细碎对辊机、湿式棒磨机及湿式球磨机等。原料的含水率一般为5%~12%，若含水率较高，会降低粉磨效率，含水率高时可采用对辊处理。根据多年经验，可在原料进入陈化库前再加一道细粉对辊，为陈化作准备。3陈化及设备配型3.1陈化时改善原料物理性能的重要途径陈化对原料物理性能的改善主要体现在以下几个方面：陈化有利于黏土颗粒物充分水化和离子交换，使得一些硅酸盐物长期与水接触发生水解转变成粘结物质，并通过水的“劈裂”作用提高粒径小于0.02mm颗粒的比例，从而达到提高塑性、改善成品品质的目的。在陈化过程中，原料中的水在毛细管和蒸汽压的作用，水分在原料中分布更加均匀，有利于坯体成型，减轻或消除因原料水分不均匀产生的坯体翘曲裂纹，降低坯体的干燥敏感性。原料陈化后，增加了腐殖酸类物质的含量，使原料的润滑性和结合力及离子间的吸附力有所提高，从而改善了成型性能。原料在陈化过程中发生了一些氧化还原反应，并可能导致微生物的繁殖，是泥料松散而均匀。3.2陈化的实现方式原料的陈化，主要通过陈化库来实现。目前，比较通用的产化库的种类主要有两大类：侧式多斗陈化库（或叫半地上陈化库）和桥式多斗陈化库（地下式陈化库）。陈化库方式的选择将直接决定陈化效果、水分均化程度、配料均化程度、原料性能稳定程度等，下面对两大类陈化库的特点利弊进行简单分析。3.2.1侧式多斗陈化库与以前简单陈化1、装载机取料的陈化方式相比，侧式多斗陈化库的效率有了很大的改善。首先，布料采用可逆布料机沿着陈化库的长度方向均匀地高空自由洒落布料，见图2，这在一定程度上提高了原料水分、原料混合、颗粒级配的均化效果。取料时是纵向段落取料，基本保证了原料的陈化时间，多斗在取料的过程中也部分性的实现了对原料的进一步均化。另外，此类装备都是采用电能作为动力，符合节能、环保的政策要求，设备投资成本都比较低。侧式多斗取料目前仍然是比较符合中国国情的最主要的陈化方式。在此基础上，陈化装备专业厂家根据用户实际需求相继开发出了半桥式多斗陈化库（见图3）和折叠式多斗陈化库，得到很好的推广作用。3.2.2桥式多斗陈化库原料陈化过程中，其布料方式、取料方式直接影响着原料的均化、颗粒级配等。最好的陈化方式应该是分层布料、横截面竖直向切取物料，这样可以保证成型物料的均匀性，桥式多斗陈化库（见图4）最大可能的实现了这一要求，因此，其成为当今制砖行业最先进的陈化方式，而且随着大块、薄壁多孔砌块制品的发展其优势将更为明显。桥式陈化库物料在一矩形库内实现陈化，物料处于黑暗封闭状态，有利于腐殖酸类物的生成和微生物的繁殖，因而陈化效果更好。取料时是沿着陈化库的宽度方向均匀取料——即物料横截面竖向切取，对处于不同布料层的物料又进行了一次机械混合。物料进入陈化库通过纵向可逆布料机和横向可逆布料机的交叉，实现矩形库全方位的分层布料，每层各点的物料水分、颗粒均化更好。厂房高度相对较低，室内空间利用率更高。更容易实现机械自动化，提高劳动生产率，符合行业的发展趋势。4具体案例分析4.1侧式陈化库改进案例4.1.1某砖厂制砖所有的主要原料主要原料为：红壤土、石煤原料化学成分见表1。4.1.2技改前生产工艺流程取土→一辊→二辊→挤出→成型→晒坯（护坯）→焙烧→成品。4.1.3技改后生产工艺流程A链：取土→一辊（加石煤）→二辊→三辊（加水）→输送入库（陈化）。B链：喂料箱→挤出→成型→晒坯（护坯）→焙烧→成品。4.1.4技改前后原料处理变化以及生产产品质量的影响简要分析与老工艺相比较，新工艺增加了入窑陈化环节。但其质的区别在于正因为有了陈化这一新举措，将老工艺中完整的一条生产链切割成两条互不相关的生产链，暂且称其为A链和B链。两条生产链相互平行，可同时作业，也可分段时作业。因两条生产链互不干扰，不会因某一生产链因故停止运行时造成全线停产，出现停工、窝工现象，从而提高了设备运转率，提高了劳动生产率。采用相互平行的二条生产链，原料是由A生产链大规模生产，烧结砖由B生产链生产，所以产品基本不受天气影响（晒坯、护坯除外），这样全年的生产天数显然要有较大增加，提高了设备运转率。可达到规模化生产之目的。原料土按A链生产工艺实行生产。在第二道对辊破碎时配内燃煤，经过三道对辊，使物料充分均化，单块砖发热量能充分保证，入陈化库后经温室作用后达到均化目的，提高了原料土的可塑性指数，减少了基础成型时的设备破损率，提高了砖坯的成型成品率，保证了成品的质量。生产管理由经验管理向数据管理迈进了一步，原料土的生产管理可以基本运用数据管理。在外燃煤无变动情况下，同样的码坯密度，同样的码窑方法，同样的焙烧制度，过去常发生的窑顶、窑圈弯头、窑门欠烧等现象，现在，这些问题已经不存在，成品砖的外观尺寸、颜色基本一致，无欠烧现象。新老工艺相关几组数据比较见表2、表3。从表2可见，新生产工艺中人员减少15%，劳动生产率提高近50%，生产天数提高25%，年产量增加31%，成本下降0.005元/块。仅此一项年增效益21万元。新老工艺烧结砖质量对比见表3。由表3可见，原料土经陈化后生产的烧结砖，其质量明显好于老生产工艺，说明原料土陈化达到了预期目标，生产工艺是可行的。4.2桥式陈化库案例安徽滁州地区先后新建两家砖厂，原料采集为同一页岩山，原料检测情况如下：4.2.1原料概况煤矸石：呈黑色，小块状、碎颗粒均有。页岩：黄绿色，片状。4.2.2原料处理及掺配原料处理：将送检的各种原料分别经机械破碎，过0.5mm筛，筛余料再经机械及人工破碎，直至送检料全部被处理完，各自搅拌均匀，待用。掺配比：煤矸石：页岩=30%：70%（质量比）经模拟成型、干燥和焙烧得出原料结论：①该混合料的成型性能、干燥性能较好；②该混合料的烧成温度范围较宽，焙烧温度适中；③由于烧成好的试件表面出现石灰爆裂点，在产业化生产时应将原料破碎至1mm以下，减少因石灰爆裂引起的结构破坏；④混合料坯体的部分工艺参数见表4（均为小试实测值）。甲厂于2011年投产，主要产品为大孔、薄壁砖，年产量6000万块产能设计，投产当年产品质量、产量稳定，市场认可，当年实现净利润人民币1200多万元。乙厂于2012年动工建设，由于有甲厂的成功案例，原材料特性也相同，乙厂整体布局、窑炉断面及施工、主机设备选择等完全按照搬了甲厂情况，并于2013年4月份试产，但成型和焙烧质量都极不稳定，对加水配煤、成型设备、焙烧曲线反复确认都与甲厂无异，但成型和烧成品就是不稳定。最终的问题确认是出现在陈化环节。甲厂的陈化环节采用了桥式多斗陈化库形式，乙厂采用的是侧式多斗陈化库形式，其布料和取料方式的误差决定了进入成型设备的原料颗粒、含水率均化有差异。桥式多斗陈化库中原料陈化称矩形堆积，取料时是沿着矩形堆积物料的宽度方向均匀取料——即物料横截面竖向提取，对处于不同布料层的物料又进行了一次机械长度混合，从大概率上每次取的料的陈化周期、颗粒级配、含水量是均匀的。而侧式多斗陈化库中原料陈化呈三棱体形状堆积，相对颗粒物料会相对集中在三棱体的坡脚部位，而侧式多斗取料时是从三棱体堆积物料的长度方向截取一段往返分层取料，从而含水率来说一开始取得物料相对较低，而越往下取料含水率相对较高；从陈化库周期看，一开始取得物料比后期取得物料陈化周期要短一些；从颗粒分布来说，一开始取得料