Физико-химические основы получения цементного клинкера
Технология портландцементного клинкера основана на достаточно сложных физико-химических процессах, протекающих в гетерогенной системе. Результатом является получение зернистого, частично спекшегося материала, состоящего из кристаллической и стекловидной фаз.
Кристаллическая часть представлена минералами алит С38, белит С28, алюминатной С3А и алюмоферритной С4АГ фазами.Наиболее высококачественный клинкер должен иметь монадобла- стическую микроструктуру, которая состоит из зерен алита и белита высокой кристалличности, распределенных равномерно по всему объему. Наиболее важными условиями получения таких структур являются: увеличение коэффициента насыщения (КН); правильно рассчитанное время нахождения полуфабриката в высокотемпературной части печи;
соблюдение параметров обжига и охлаждения клинкера.
Получение портландцементного клинкера состоит из трех технологических переделов:
1 -й - подготовка сырьевой смеси;
2- й - обжиг и получение клинкера во вращающейся печи;
3- й - измельчение с одновременным смешиванием клинкера и добавок для получения готового продукта.
Каждый этап характеризуется определенными физико-химическими процессами, понимание которых позволяет правильно выбрать технологический режим и оперативно проводить его корректировку в случае изменения химического состава и физических параметров сырьевой смеси.
Подготовка сырьевой смеси. Существует три основных способа подготовки сырьевой смеси:
«мокрый способ», при котором измельчение и смешивание компонентов проводят в присутствии воды. В этом случае процессы диспергирования и гомогенизации интенсифицируются и достигается высокая степень перемешивания. Недостаток «мокрого способа» - резко возрастают энергетические затраты, связанные с испарением воды при одновременном увеличении длины вращающейся печи;
«сухой способ» - без использования воды при помоле;
комбинированный способ - смесь готовится «мокрым способом», затем шлам обезвоживают и после этого передают во вращающуюся печь на обжиг.
Обжиг и получение клинкера. Термическая обработка сырьевой смеси для получения клинкера может быть условно разделена на 5 стадий, которым соответствуют зоны вращающейся печи.
1. Зона сушки и подогрева (температура 20-600 °С). Под действием тепла топочных газов происходит нагрев смеси, интенсивное испарение воды. При «мокром способе» подготовки зона сушки и подогрева занимает до 60 % длины всей вращающейся печи, при сухом и комбинированном способе ее длина значительно меньше. При прогреве смеси до 500 °С происходит полное выгорание органических примесей и начинается дегидратация глинистых компонентов. Для предотвращения комкования сырьевой массы в этой зоне печи устанавливаются разрыхляющие цепи (цепные завесы).
2. Зона декарбонизации (температура 600-1000 °С). В этой зоне продолжается нагревание смеси, завершается процесс дегидратации
глинистых минералов и начинается реакция декарбонизации. Одновременно отмечается протекание твердофазных реакций между компонентами сырьевой смеси, интенсивность которых при повышении температуры до 1000 °С заметно возрастает. Реакции в твердом состоянии между карбонатом кальция и продуктами дегидратации глинистых минералов протекают по уравнениям
где- структурные группы, образующиеся при
разложении глинистых минералов, например каолинита:
Таким образом, первичными продуктами твердофазных реакций в клинкере являются минералы С А, С08 и С0К При 900-1000 °С резко усиливается разложение карбоната кальция с образованием свободного оксида кальция. Участок печи, на котором реализуются эти процессы, называется зоной декарбонизации или зоной кальцинирования. В этой зоне печи потребление тепла наибольшее, так как реакция
является эндотермической реакцией, идущей с большим поглощением тепла (1780 кДж на 1 кг СаС03).
3.
Зона экзотермических реакций (температура 1000-1250 °С). На участке вращающейся печи, где температура материала достигает 1000-1100 °С и где основная масса СаС03 уже превратилась в свободный СаО и частично в С,в. СА и С,Б. интенсивно протекают твердофазные реакции образования силикатов, алюминатов и ферритов кальцияОбразование указанных соединений сопровождается значительным выделением тепла (до 420 кДж на 1 кг клинкера), что приводит к интенсивному повышению температуры материала (на 150-200 °С) на коротком участке печи в несколько метров. В этой зоне с повышением температуры материала возрастает скорость образования С28, а также ранее образовавшийся СА переходит через промежуточные соединения в С3А.
4. Зона спекания (температура 1300-1450 °С). К концу экзотермической зоны температура материала достигает примерно 1300 °С. К этому времени он состоит преимущественно из С28, С3А, С4АБ или С2Б и некоторого количества свободного СаО. При температуре 1300 °С появляется жидкая фаза, в которой растворяются образовавшиеся кристаллические фазы (С3А, С4АБ, А^О и СаО, последним растворяется С28). Насыщение расплава СаО способствует образованию трехкальциевого силиката, определяющего основные свойства портландцемента. Установлено, что реакция
не протекает между твердыми веществами, а осуществляется только при растворении исходных веществ в расплаве. С38 обладает меньшей растворимостью в жидкой фазе и выпадает из расплава в виде мелких кристаллов, которые впоследствии увеличиваются. Выделение из расплава С38 сопровождается понижением в нем концентрации С28 и СаО, что приводит к переходу в расплав новых порций этих веществ. Это обусловливает дальнейший ход процесса образования в расплаве и выделения из него С38 до почти полного связывания свободного СаО с С28. При нагреве материала до 1450 °С увеличивается скорость образования алита. Дальнейший нагрев и увеличение длительности выдержки при этой температуре, с одной стороны, увеличивает содержание алита в клинкере, но, с другой - приводит к чрезмерному росту его кристаллов вследствие рекристаллизации, что ухудшает качество клинкера.
Объем жидкой фазы и температура ее появления определяются образующимися алюминатом и алюмоферритами кальция, количество которых в свою очередь напрямую связано с химическим составом исходного сырья. Для предотвращения снижения качества вырабатываемого портландцемента объем жидкой фазы не должен быть слиш-
ком большим. Обычно количество расплава при спекании составляет 20-30 % от объема начавшей спекаться массы.
Для получения портландцемента высокого качества (с высоким содержанием С38) используются добавки-минерализаторы (флюорит СаБ2, кремнефтористые натрий Ыа^Б^ или магний ]У^81Р6, оксиды железа в виде руды или колчеданных огарков, гипс, фосфогипс и др.). Такие добавки снижают температуру процесса, увеличивают подвижность расплава, являются катализаторами реакции алитообразования и препятствуют росту его кристаллов.
3. Зона охлаждения. Охлаждение клинкера осуществляется потоком воздуха и должно производиться по возможности максимально быстро с целью застывания жидкой фазы в виде так называемого клинкерного стекла с минимальным содержанием кристаллов С3А, С4АР и А^О. Высокое содержание стеклофазы в готовом портландцементе способствует повышению его химической активности и сульфатостой- кости. Быстрое охлаждение также способствует стабилизации фазы алита.
Измельчение клинкера. Окончательное охлаждение (до 90-180 °С) клинкера осуществляется в специальных холодильных установках, соединенных с вращающейся печью. Р1ортландцементный клинкер представляет собой спек с агрегатами до 60 мм. Для получения готового портландцемента клинкер необходимо тонко измельчить. Измельчение и одновременное смешивание с добавками (гипсом, опокой, золами ит. п.) производят в барабанных мельницах большой производительности.
Еще по теме Физико-химические основы получения цементного клинкера:
- Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ
- Физические, физико-химические и химические процессы, происходящие при промышленном производстве минеральной ваты
- Получение портландцементного клинкера
- Химический иминеральный состав портландцементного клинкера
- Пол на основе цементно-песчаных, цементно-бетонных и асфальтобетонных растворов
- Модульные характеристики цементного клинкера
- Минералы цементного клинкера
- Глава 1. ХИМИЧЕСКИЙ И МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
- Цементно-песчаные, цементно-бетонные и асфальтобетонные полы
- Клинкер
- 1. Влияние структуры и физико-механических свойств
- Получение глиноземистого цемента
- 2.4.6. Изоморфизм в минералах поритандцементного клинкера
- Влияние содержания различных оксидов на свойства клинкера и портландцемента [5]
- Способы получения воды
- согласование проекта перепланировки и получение разрешения
- Кладка на растворах с химическими добавками
- Химическая и биологическая стойкость
- ХИМИЧЕСКИ СТОЙКАЯ КРОВЛЯ
- ХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ДРЕВЕСИНЫ. ОГНЕЗАЩИТА