Теоретические основы процесса

 

 

Процесс производства портландцемента состоит из ряда тех­нологических операций, которые можно разделить на два самостоятельных комплекса. В первый комплекс входят операции по производству клинкера, второй комплекс операций охватывает измельчение клинкера совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками (если последние применяются), то есть приготовление из клинкера портландцемента. [2].

Получение клинкера - наиболее сложный и энергоёмкий процесс. Он требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. Удельная стоимость клинкера среди всех статей, слагающих стоимость портландцемента, достигает 70-80 %. Этим определяется требование максимально экономить клинкер, заменяя его по возможности гидравлическими добавками и шлаками, а также изыскивать пути для более полного использования клинкерной составляющей в цементе.

Получение клинкера портландцемента складывается из нескольких основных технологических операций:

· подготовки сырьевых материалов для обжига;

· подготовки топлива;

· обжига сырьевых материалов (получение клинкера).

Этим операциям предшествует добыча сырьевых материалов в карьерах.

Комплекс операций получения портландцемента из клинкера включает следующие технологические процессы:

· подготовку гидравлических добавок (дробление, сушку);

· дробление гипсового камня;

· помол клинкера совместно с гидравлическими добавками и гипсом;

· складирование, упаковку и отправку цемента потребителю.

Приведенный комплекс операций получения портландцемента не зависит от способа производства клинкера и остается одним и тем же как по составу, так и по организации выполнения отдельных операций.

Состав портландцементного клинкера [3,7].

Портландцементным клинкером называется продукт обжига до спекания тонкоизмельчённой, тщательно перемешанной и откорректированной сырьевой смеси обеспечивающей преимущественное образование высокоосновных силикатов кальция. Клинкер представляет собой спёкшиеся гранулы с размером зёрен до 10-40 мм.

Химический состав клинкера колеблется в достаточно широких пределах. Главными оксидами являются оксид кальция СаО, двуоксид кремния SiO₂, оксид алюминия Аl₂O₃, оксид железа Fe₂O₃, суммарное содержание которых составляет обычно 95-97 %. Кроме них в состав клинкера в виде различных соединений в небольших количествах могут входить оксид магния МgO,

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

серный ангидрид SO₃, двуоксид титана ТiO₂, оксид хрома Сr₂O₃, щёлочи Na₂O и К₂О, фосфорный ангидрид Р₂О₅ и др.

Химический состав клинкера обычно колеблется в следующих пределах (мас. %): [3,7].

СаО …………………….….. 63-66

SiO₂ …………………….…... 21-24

Аl₂O₃ ………………………..…. 4-8

Fe₂O₃ ………………………..... 2-4

МgO ……………………….... 0,5-5

SO₃ ………………………….. 0,3-1

Na₂O + K₂O ………………… 0,4-1

ТiO₂ + Cr₂O₃ …………….... 0,2-0,5

Р₂О₅ ……………………….. 0,1-0,3

Особенностью портландцементного клинкера является непостоянство минералогического состава. При обжиге сырьевой смеси происходит химическое взаимодействие между оксидами с образованием при температурах 1000-1150 °С ферритов и алюминатов кальция. При дальнейшем повышении температуры эти соединения плавятся (минералы-плавни) с образованием жидкой фазы клинкера, в результате чего синтез переходит в расплав-раствор.

Образовавшийся к этому времени двухкальциевый силикат 2СаО∙SiO₂ (С₂S) и часть содержащейся в сырьевой шихте СаО, растворяются в клинкерной жидкости (жидкой фазе) и из расплава кристаллизуется более основной оксиортосиликат Са₃SiO₅ – трёхкальциевый силикат 3СаО∙SiO₂ (C₃S).

Соотношение между клинкерными минералами определяется в основном химическим составов сырьевой шихты, условиями обжига и охлаждения клинкера. Соотношение между двухкальциевым и трёхкальциевым силикатом определяется концентрацией в клинкере оксида кальция. В процессе обжига первоначально образуются ферриты и алюминаты кальция и поэтому часть СаО расходуется на насыщение Аl₂O₃ до трехкальциевого алюмината 3СаО∙Al₂O₃ (С₃А) и Fe₂O₃ до двухкальциевого феррита 2СаО∙Fe₂О₃ (С₂F) и четырехкальциевого алюмоферрита 4СаО∙Al₂O₃∙Fe₂O₃ (C₄AF). Оставшаяся СаО расходуется на образование двухкальциевого (С₂S) и трехкальциевого силиката С₃S. Причем вначале вся СаО свяжется в С₂S, и если имеется её избыточное количество, то из С₂S и СаО образуется трехкальциевый силикат. [2,3,7].

Химический состав клинкера определяет свойства цемента. Повышенное содержание оксида кальция (при условии обязательного связывания его в клинкерные минералы) приводит к образованию большого количества С₃S, что обуславливает повышенную скорость твердения цемента, его высокую конечную прочность, но несколько пониженную водостойкость. Цементы с повышенным содержанием кремнезёма в клинкерной части характеризуются пониженной скоростью твердения в начальные сроки, но достаточно интен-

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

сивным нарастанием прочности в длительные сроки. Такие цементы обладают повышенной водо - и сульфатостойкостью, низким тепловыделением.

Повышенное содержание Аl₂O₃, а следовательно и алюминатов кальция приводит к ускоренному твердению цемента в начальные сроки, но при этом понижается водостойкость и сульфатостойкость. Оксид железа способствует снижению температуры спекания клинкера. Цементы, богатые оксидом железа, при низком содержании глинозёма приобретают характер высококремнезёмистых цементов: медленно схватываются, медленно но неуклонно твердеют в течении длительного времени и являются более устойчивыми к действию сульфатных вод. [2,7].

Повышенное содержание в клинкере оксида магния вызывает неравномерность изменения объёма цемента при твердении. Поэтому, согластно требований ГОСТ содержание МgО в клинкере не должно быть больше 5 %.

Ангидрит серной кислоты в виде двуводного гипса необходим для регулирования сроков схватывания цемента. По ГОСТ 10178-85 его содержание в зависимости от вида цемента должно быть от 1 до 4 %. Повышенное содержание SO₃ может вызвать неравномерность изменения объёма цемента вследствие образования гидросульфоалюмината кальция.

Минералогический состав клинкера. В процессе обжига сырьевой смеси в результате взаимодействия главных оксидов СаО, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, образуется четыре основных клинкерных минерала, содержание которых может колебаться в пределах:

- трехкальциевый силикат (алит) 3СаО∙SiO₂ (С₃S) - 45-60 %;

- двухкальциевый силикат (белит) 2СаО∙SiO₂ (C₂S) – 15-360 %;

- трехкальциевый алюминат 3СаО∙Аl₂O₃ (C₃A) - 5-15 %;

- четырёхкальциевый алюмоферрит 4СаО∙Al₂O₃∙Fe₂O₃ - 10-20 %.

1) Алит представляет собой кристаллическую фазу, в основе структуры которой лежит структура трехкальциевого силиката. Однако отождествлять полностью алит и трехкальциевый силикат нельзя. При кристаллизации из расплава C₃S образуются твердые растворы, в структуру которых встраиваются ионы Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺ и др. Кристаллы алита в непрозрачных шлифах выглядят как призмы с голубоватой окраской.

2) Структура белита основана на кристаллической решетке р -мо- дификации двухкальциевого силиката, в которой катионы Са^{2 +} частично замещаются на ионы Mg²⁺, Ва^{2 +}, Сr³⁺, К⁺.

3) Трехкальциевый алюминат - также одна из важнейших фаз клинкера, отличающихся высокой скоростью гидратации, поэтому его присутствие ускоряет процесс твердения цемента в начальные сроки. С₃А входит в состав так называемого промежуточного вещества.

4) Состав алюмоферритной фазы определяется в основном режимом охлаждения клинкера и отношением Al₂О₃/Fe₂О₃ в сырьевой смеси. [2,3,7].

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: