Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

Технология цемента. Производство портландцемента

   

ГЛАВА VIII ОБЖИГ СЫРЬЕВЫХ СМЕСЕЙ И ПОЛУЧЕНИЕ КЛИНКЕРА

  

Наиболее важная стадия процессов производства цемента — превращение тщательно подготовленной сырьевой смеси соответствующего химического состава в клинкер путем регулируемого сжигания топлива в обжигательной печи и дальнейшего охлаждения его в холодильнике печного агрегата. При этом качество клинкера и свойства цемента зависят от физических свойств и химического состава обжигаемой сырьевой смеси, вида и качества топлива, температуры и продолжительности обжига, а также от скорости охлаждения клинкера.

 

§ 38. Процессы, протекающие при обжиге клинкера

 

Для образования клинкера из исходной сырьевой смеси минералы одного сырьевого компонента — известняка и минералы второго компонента — глины должны химически прореагировать между собой. В обычных условиях компоненты сырьевой смеси — известняк, глина и др. — инертны, т. е. не вступают в реакцию один с другим. При нагревании они становятся активными и начинают взаимно проявлять реакционную способность. Объясняется это тем, что с повышением температуры энергия движущихся молекул твердых веществ становится настолько значительной, что между ними происходит взаимный обмен молекулами и атомами с образованием нового соединения. Образование нового вещества в результате реакции двух или нескольких твердых веществ называют реакцией в твердых фазах.

Скорость химической реакции возрастает, если часть материалов расплавляется, образуя жидкую фазу. Такое частичное плавление получило название спекания, а материал — спекшимся.

Портландцементный клинкер обжигают до спекания. Спекание необходимо для более полного химического усвоения окиси кальция СаО кремнеземом Si02 и получения при этом трехкальциево- го силиката 3Ca0-Si02.

Клинкер получают в тепловых агрегатах различных по конструкции и принципу действия. Вращающиеся печи — основной тепловой агрегат как при мокром, так и при сухом способах производства клинкера; в них получают примерно 98,1% клинкера от общего выпуска, 1,9% клинкера обжигают в шахтных печах.

Обжигательным аппаратом вращающейся печи служит барабан, футерованный внутри огнеупорными материалами. Барабан установлен с наклоном на роликовые опоры. В поднятую концевую часть барабана поступает жидкий шлам или гранулы из сырьевой смеси или мука. В результате вращения барабана обжигаемый материал перемещается к опущенной концевой части печи. Топливо подается в барабан и сгорает со стороны опущенной концевой части. Образующиеся при этом раскаленные дымовые газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу и нагревают его, а сами охлаждаются. Обожженный материал в виде клинкера выходит из барабана. В результате температура материалов в барабане по мере их движения все время возрастает, а температура газов — снижается.

Физические свойства сырьевых смесей, приготовленных по сухому или мокрому способу, по мере их нагревания до определенных температур изменяются по-разному. После испарения воды в обоих видах сырьевых смесей при дальнейшем их нагревании протекают одни и те же химические реакции.

распределение температуры материала и газового потока по длине барабана вращающейся печи, работающей по мокрому способу производства. По оси абсцисс отложена длина отдельных зон печи в процентах к общей длине барабана печи, а по оси ординат — температура материала и газового потока в каждой точке печи. Ломаный характер кривой температуры материала показывает, что при нагревании сырьевой смеси в ней происходят различные физико-химические процессы, в одних случаях тормозящие нагревание (пологие участки), а в других — способствующие резкому нагреванию (крутые участки).

По характеру процессов температурные зоны в печи называют: / — до 200° С — испарения (сушка шлама); II — 200—800°С — по

догрева (дегидратации); III — 800—1000° С — декарбонизации (кальцинирования); IV—1000—1300°С—-экзотермических реакций; V — 1300—1450—1300° С — спекания; VI — 1300—1000° С — охлаждения.

В зоне испарения 1, находящейся в холодной части печи, поступающий шлам подвергается действию нагретых до высокой температуры отходящих дымовых газов. В результате шлам нагревается. Температура отходящих газов при этом снижается примерно от 800—1000 до 150—250° С.

Часть зоны испарения влаги из шлама оснащается цепными завесами с целью интенсификации процесса сушки. При нагревании

шлам вначале разжижается, а затем загустевает и при потере значительного количества воды превращается в крупные комья. При дальнейшем нагревании эти комья распадаются на значительно более мелкие гранулы, которые выходят из цепной завесы влажностью до 12%, а температурой около 90—100° С.

Процесс испарения из шлама механически примешанной к нему воды (сушка шлама) длится примерно до температуры 200° С, так как влага, содержащаяся в тонких порах и капиллярах материала, испаряется медленно.

В зоне подогрева II высушенный материал, продвигаясь вдоль печи, подвергается воздействию более горячих газов и нагревается примерно до 600° С. В этой зоне наряду с подогревом выгорают органические примеси и теряется вода, содержащаяся в минералах глинистого компонента. Потеря химически связанной воды (дегидратация) приводит к тому, что глинистый компонент теряет связующие свойства. При этом происходит частичное или полное разложение глинистых минералов на свободные окислы Si02 и AI2O3, а также декарбонизация углекислого магния. В результате дегидратации и распада минералов глинистый компонент теряет пластичность и рассыпается в порошок, который поступает в зону декарбонизации.

В зоне декарбонизации III происходит процесс разложения углекислого кальция. Этот процесс протекает быстро в том случае, если температура достигает 900° С и более. Декарбонизация СаСОз требует значительных затрат тепла: для разложения 1 кг карбоната кальция по схеме СаСОз-* СаО + С02 требуется 1785 кДж (425 ккал), поэтому подводимое тепло расходуется на протекание

реакции, а не на нагревание материала, что и обусловливает медленный рост температуры сырьевой смеси в этой зоне.

В этой зоне возникают реакции между основным окислом СаО и кислотными окислами глинистого компонента Si02, А1203 и Fe203 с образованием основных соединений Ca0-Fe203, Са0-А1203 и Ca0-Si02. Процесс разложения известняка требует большого количества тепла, вследстие чего зона кальцинирования — наиболее напряженная в тепловом отношении часть печи. Температура обжигаемого материала в зоне декарбонизации колеблется в пределах 900—1200° С.

В зоне экзотермических реакций IV взаимодействие между основным и кислотными окислами продвигающегося материала протекает с большой скоростью вследствие более высокой температуры. Эти твердофазовые реакции протекают с выделением тепла (экзотермические реакции). При температуре 1200°С и выше происходит насыщение образовавшихся ранее низкоосновных соединений до соответствующих клинкерных минералов. Однокальциевый силикат превращается в 2Ca0-Si02(C2S); однокальциевый алюминат— в ЗСа0-А1203(С3А); окись железа — в4Са-А1203Х XFe203(C4AF) или 2Ca0-Fe203.

В результате бурного протекания этих реакций, сопровождающихся выделением большого количества тепла, температура материала поднимается на 200—250° С. При температуре 1300° С твердофазовые процессы образования минералов заканчиваются и материал к этому моменту состоит из образовавшихся соединений C2S, С3А, C4AF, Ci2A7, C2F, СаО, MgO и некоторых других соединений.

В зоне спекания V материал частично плавится, т. е. спекается. Этот процесс начинается при температуре 1300° С, продолжается при дальнейшем повышении До 1450° С и последующем охлаждении до 1300° С. После расплавления в зоне спекания части материала и образования жидкой фазы в твердом состоянии остается главным образом только двухкальциевый силикат C2S, который частично также растворяется в жидкой фазе. Соединяясь в расплавленном состоянии с окисью кальция, C2S образует трехкальциевый силикат C3S. C3S менее растворим в расплаве, чем C2S, и поэтому выкристаллизовывается из жидкой фазы. При этом количество СаО и C2S в расплаве уменьшается и в нем растворяются новые порции этих соединений, которые опять вступают в реакцию и т. д. Известно несколько модификаций двухкальциевого силиката. Из них в портландцементе встречается главным образом р — 2Ca0-Si02.

Образование C3S в условиях обжига завершается за 25—30 мин. За это время почти вся свободная окись кальция успевает раствориться в расплаве и принять участие в реакции образования трех- кальциевого силиката; часть двухкальциевого силиката остается непрореагировавшей.

Трехкальциевый силикат 3Ca0-Si20 — главная составная часть портландцементного клинкера. Желательно, чтобы 3Ca0-Si02 был представлен в клинкере в виде хорошо оформленных некрупных кристаллов. Это достигается при сравнительно быстром обжиге и быстром охлаждении клинкера. Из зоны спекания клинкер поступает в зону охлаждения.

В зоне охлаждения VI температура клинкера понижается с 1300 до 1000° С, в результате чего расплав кристаллизуется и из него выделяются минералы С3А, C4AF, C2S, MgO и в небольшом количестве C3S, а часть жидкой фазы затвердевает в виде стекла. Охлаждение клинкера ниже 1000° С производится в холодильниках.

Количество жидкой фазы, образующейся при обжиге портландцемента в зоне спекания вращающейся печи, колеблется обычно в пределах от 15 до 30%. При быстром охлаждении жидкая фаза может застыть в виде стекла, а при медленном — полностью закристаллизоваться. В заводских условиях производства процесс охлаждения протекает обычно не настолько медленно, чтобы вся жидкая фаза успела закристаллизоваться, но и не столь быстро, чтобы произошло полное превращение жидкой фазы в стекло. Поэтому часть охлажденной жидкой фазы представлена в виде стекла, а часть — в виде кристаллов. Не входившая при обжиге в состав жидкой фазы более значительная (70—85%) часть клинкера находится полностью в кристаллическом состоянии.

К основным клинкерным фазам относят алит, белит и заполняющее пространство между ними промежуточное вещество. В составе алита — трехкальциевого силиката — в твердом растворе имеются включения небольшого количества окиси магния, окиси алюминия, окиси и закиси железа, щелочей и некоторых других соединений. Белит состоит в основном из |}-C2S и небольшого количества других модификаций двухкальциевого силиката, окиси магния, окиси алюминия, окиси железа, щелочей и некоторых других соединений, стабилизирующих p-C2S. В промежуточное вещество входят минералы (алюминаты и алюмоферриты кальция), оставшиеся свободными СаО и MgO и не успевшие закристаллизоваться в стекло.

В составе алюминатов и алюмоферритов кальция в твердом растворе могут находиться включения небольшого количества окиси магния, щелочей и некоторых других соединений.

Содержание свободной ОКИСИ кальция не должно превышать так как в противном случае цемент при затворении будет неравномерно изменяться в объеме, что вызывается запоздалой гидратацией пережженной СаО. Содержание окиси магния не должно быть более 5%.

В процессе обжига при температуре 1450° С и выше получается неактивная MgO, называемая периклазом и обладающая свойством очень медленно (несколько лет) гидратироваться в воде. Медленный процесс гидратации периклаза при повышенном содержании его в клинкере вызывает значительные напряжения и явления неравномерности изменения объема цементного камня, т. е. трещины в бетоне.

Содержание щелочей в клинкере составляет обычно 0,3—1% и в отдельных случаях достигает 1,5%. ГЦелочи, как правило, замед:. ляют процесс спекания клшпсера. Весьма существенно влияют щелочи на образование трехкальциевого силиката. Обычно при значительном количестве калия наблюдается избыточное содержание СаО, которое в цементе приводит к растрескиванию и разрушению бетонных изделий.

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Технология производства цемента. Алексеев

 

Смотрите также:

  

...клинкера. ПРОЦЕССЫ ПРИ ОБЖИГЕ СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ

В состав клинкерных минералов входит каждый из исходных компонентов сырьевой смеси.
вания трехкальциевого силиката температуру обжига клинкера увеличивают до 1450° С. В качестве установок для получения клинкера могут быть использованы...

 

Производство портландцемента - изготовление клинкера...

Основной задачей является получение клинкера с заданным фазовым (минеральным) составом, что зависит от состава и
требуемой дисперсности и однородности сырьевой смеси и правильного режима обжига и охлаждения клинкера.

 

КЛИНКЕР. Химический состав клинкера

При использовании для обжига клинкера твердого топлива расчет смеси .не зависимо от числа
Для получения доброкачественного портландцемента химический состав клинкера, а следовательно, и состав сырьевой смеси должны быть устойчивы.

 

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ, производство портландцемента

Производство портландцемента включает в себя следующие технологические операции: приготовление сырьевой смеси, обжиг этой смеси и получение клинкера, помол клинкера с добавкой гипса.

 

...и талькомагнезитовые огнеупоры. Обжиг сырьевой смеси

Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера сопровождаются сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются спекшиеся зерна, состоящие в основном из минералов C3S...

 

Портландцемент. Производство портландцемента

Производство портландцемента включает следующие технологические операции: приготовление сырьевой смеси, ее обжиг и получение клинкера, помол клинкера с добавкой гипса ( 36).