УДК 62

СПОСОБ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ КРУПНЫХ ЗЕРЕН КВАРЦА В ЦЕМЕНТНОЙ СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ

Смаль Д.В.1, Москвичев Д.С.2
1Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, канд. техн. наук
2Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, научный сотрудник

Аннотация
Статья посвящена способу нейтрализации крупных зерен кварца в цементной сырьевой смеси.

Ключевые слова: двухпоточный помол, цемент, цементное производство


NEUTRALIZATION PROCESS OF COARSE QUARTZ CEMENT RAW MEAL

Smal D.V.1, Moskvichev D.S.2
1Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, Ph.D.
2Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, researcher

Abstract
This article is about neutralization process of coarse quartz cement raw meal.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Смаль Д.В., Москвичев Д.С. Способ нейтрализации крупных зерен кварца в цементной сырьевой смеси // Современные научные исследования и инновации. 2012. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2012/11/18763 (дата обращения: 29.09.2017).

В цементном производстве на измельчение приходится значительная доля энергозатрат. На помол сырьевых материалов и клинкера в среднем расходуется три четверти, а иногда и больше, от общих затрат электроэнергии.  Цементное производство начинается и заканчивается измельчением.

Важнейшим фактором, от которого зависят качество клинкера и затрат на его производство, является реакционная способность цементной сырьевой смеси, определяемая в основном физическими, физико-механическими свойствами и минералогическим составом сырьевых материалов: тонкостью помола, степенью гомогенизации сырьевой муки, химическим составом и др.

Широкое использование тонкоизмельченных материалов в промышленности вызвало интерес к изучению закономерностей гранулометрического состава и выявлению показателей и характеристик крупности смеси минеральных зерен разного размера [1].

Помол сырья является операцией, проводимой с целью подготовки исходных материалов к обжигу. При этом необходимо не только учитывать энергетические затраты на диспергирование, но и стремиться к получению в процессе измельчения сырьевых смесей, обеспечивающих наименьшие затраты на обжиг и высокое качество клинкера [2].

Степень измельчения цементного сырьевого шлама является одной из основных технологических характеристик, от которой зависит его водопотребность, реакционная способность и особенности процессов клинкерообразования [3]. Состав сырьевой смеси должен обеспечить возможность синтеза силикатов, алюминатов и алюмоферритов с заданными соотношениями между минералами [4].

Повышенная тонкость помола помимо ускоре­ния реакций минералообразования способствует более совершенной гомогенизации сырьевой смеси и уменьша­ет ее расслоение при транспортировании и хранении.

Ряд сырьевых материалов, перерабатываемых мокрым способом (мел, глина), диспергируются в воде при  перемешивании, образуя водные суспензии – шламы. Это объясняется механическим разрушением конгломератов природных тонкодисперсных частиц, расклинивающим действием пленок воды, физико-химическими процессами, связанными с наличием зарядов на частичках.

Тонкость помола и гомогенность сырьевых смесей — важнейшие факторы, влияющие на клинкерообразование. Повышение тонкости помола позволяет увеличить поверхностную энергию частиц за счет разрыва хими­ческих связей, роста дефектности кристаллов и площади контакта между частицами, ускорить растворение ча­стиц в расплаве. Достаточно реакционноспособны лишь зерна компонентов размером менее 100-120 мкм. В то же время сырьевая смесь должна быть полидисперс­ной. Это обеспечивает более равномерное протекание реакций минералообразования, так как зерна различ­ной крупности вступают во взаимодействие в разное время. Обжиг оптимальных по гранулометрии и одно­родных сырьевых смесей завершается при температу­рах на 30-50 °С ниже [4].

В портландцементных сырьевых смесях крупные зер­на представлены преимущественно известняком, квар­цем и глинистой породой. По классификации М. М. Сы­чева [5], кварцевые зерна преобладают при использо­вании легко размучиваемых в воде мелов или мягких мергелей и запесоченных глин, известняковые зерна – при легко размучиваемых (жирных) глинах и известня­ках и мраморах, глинистые зерна — при мелах, сланцах и суглинках.

Крупные кварцевые зерна (от 90 до 300 мкм), которые вводили в состав портландцементных сырьевых смесей в количестве 2-6%, понижали содержание алита в клинкере и снижали марочную прочность портланд­цемента на 7—17% (Блинов). Устранять отрицательное влияние крупнозернистого кварца автор работы предла­гает, повышая температуру обжига в зоне спекания до 1480° С. В опытах С. М. Рояка [6] увеличение средне­го размера зерна кварца в ряду 17,5 мкм → 58,5 мкм → 91,7 мкм сопровождалось возрастанием относительной продолжительности обжига смесей (для достижения равной степени связывания извести) при 1180° С соот­ветственно на 100, 190 и 202%. При этом реакция за­медлялась тем более значительно, чем крупнее были зерна известняка. М. М. Сычев и М. А. Астахова пред­лагают для устранения отрицательного влияния крупно­зернистого кварца обжигать смеси с возможно более низким силикатным модулем (1,7-2,2) и глиноземным модулем, равным 1-2.

Максимальным количеством крупных зерен кварца, которое позволяет сырьевым смесям сохранять удовлетворительную спекаемость, Т. Гейльман считает: при величине зерен 90-200 мкм — до 1% и при величи­не зерен более 200 мкм — до 0,5%. При обжиге шихт с пониженным коэффициентом насыщения можно несколь­ко превысить эти пределы. Крупные зерна кварца за принятое время обжига (20 мин при 1400-1500 °С) успевали прореагировать с CaO лишь с образованием смеси C2S и силикатов меньшей основности. Средняя основ­ность получающегося образца составила 1,5. В резуль­тате этого 1 % кремнезема, слишком крупного для нор­мального участия в реакциях силикатообразования, вы­зывает повышение содержания свободной СаО в клин­кере на 1-1,5%, а 2% кремнезема — на 2-3%. Степень усвоения СаО возрастала при понижении КН смеси, увеличении температуры и продолжи­тельности обжига.

Относительное разли­чие в степени связывания СаО различными по ве­личине зернами кварца и кремния, полученное Ю. М. Буттом, В. В. Тимашевым и В. В. Волко­вым, свидетельствует о малой активности частиц размером более 100-150 мкм. Частицы такого размера при температуре 1400 °С и времени обжига 5 мин вообще не реаги­ровали с СаО, но при этом часть SiO2 (3,76— 5,32%) перешла в раство­римую форму. Это свиде­тельствует о сложном характере взаимодействия СаО с SiO2 в диффузионной об­ласти [7].

Реакционная способность цементной сырьевой смеси зависит от многих факторов, в частности от наличия в сырьевых компонентах крупнокристаллического кварца. Крупные кварцевые включения размером более 44 мкм, плохо поддаются помолу, а в процессе обжига обладают малой реакционной способностью, т.к. замедляют процессы связывания СаО и  образования  C3S, следовательно, увеличивается время обжига клинкера [8, 9].

Целью данной работы является поиск оптимального режима помола сырьевых компонентов, который обеспечил бы повышение степени измельчения материалов и нейтрализацию в значительной мере негативного влияния крупных кварцевых включений,  находящихся в сырье.

Для достижения поставленной задачи помол шлама был разделен на два потока. В одном потоке измельчался только мел + 0,1% ЛСТ, в другом – мел и глина в соотношении 1:1, и огарки в количестве 2% от общей массы материалов. Затем эти два потока смешивались в соотношении 58% и 42% соответственно. Чтобы устранить влияние размера кусков исходного материала, отбиралась узкая фракция мела и глины между ситами № 1,25 и № 0,63. Помол осуществлялся в одинаковых условиях: в фарфоровой мельнице объемом 2 литра, масса мелющих тел (Ø 8-20 мм) – 2,1 кг, влажность шлама – 40%, масса материала – 400 г, время помола – 5 минут. В эксперименте использовались сырьевые материалы Старооскольского цементного завода. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Размолоспособность сырьевых материалов

Вид помола, соотношения компонентов.

Остатки на ситах №, %

Sуд., м2/кг

Растекае-мость,

мм

Частные остатки, %

Полный остаток на сите 004, %

008

004

Σ

1

Однопоточный:

[мел: глина: огарки

(0,78: 0,2: 0,02)]

9,50

6,70

16,20

281

62

2

Двухпоточный (суммарный)

в том числе:

5,21

5,90

11,11

425

-

Поток 1

[мел: глина (1:1)+2% огарок]

5,00

7,50

12,50

340

60

Поток 2

(мел, 0,1% ЛСТ)

5,36

4,87

10.23

487

68

 

Тонкость помола определялась по остаткам на ситах 02, 008, 004 и по удельной поверхности.

Установлено, что при использовании двухпоточного помола шлама тонкость измельчения материалов значительно выше, чем у шлама однопоточного помола. Полный остаток на сите 004 двухпоточного шлама составил 11,11% против 16,20% шлама однопоточного помола. Удельная поверхность – 425 м2/кг у сырьевой смеси двухпоточного помола, что почти на 30% превышает значение удельной поверхности (281 м2/кг) шлама однопоточного помола.

Результаты обжига сырьевых смесей, представленные в таблице 2, показывают, что полное усвоение  β – кварца в сырьевой смеси двухпоточного помола произошло при 1100°C, а в спеках сырьевой смеси однопоточного помола β – кварц усвоился полностью только при температуре 1300°С. Содержание СаОсв в спеках при температуре 1400°С составляет в однопоточном помоле 8,06%, и при двухпоточном – 2,79%.

Таблица 2

Влияние вида помола на обжигаемость сырьевых смесей 

Вид помола шлама

Степень помола шлама

СаОсв. при 1400 °C,%

Содержание β- кварца, h(d=3,35Ǻ), мм при температурах обжига, °C

Sуд., м2/кг

Полный остаток на сите 004, %

1100

1200

1300

Однопоточный

281

16,20

8,06

14

7

3

Двухпоточный

425

11,11

2,79

8

-

-

 

         При рассмотрении полученных данных можно сделать вывод, что двухпоточный помол обеспечивает более высокую дисперсность шлама по сравнению с однопоточным, а именно, удельная поверхность составляет 425 м2/кг и 281 м2/кг и полный остаток на сите 004 – 11,11% и 16,20% соответственно, что повлияло на количество СаОсв. в спеках при 1400 °C, 2,79% для двухпоточного помола и 8,06% для однопоточного. Это объясняется тем, что с увеличением дефектности в том числе и кристаллов кварца при измельчении, активизируется их реакционная способность, следовательно, процесс усвоения извести проходит более эффективно. Известно, что при измельчении зерен кварца происходит изменение их физических и химических свойств, которые вызваны необратимыми остаточными деформациями, происходящими в процессе их разрушения. Однако обжиг образцов сравниваемых способов помола в интервале температур выше 1400°С не дал однозначной зависимости, в связи с чем был проведен повторный опыт с  выбранными видами помола шлама, с целью уточнения и подтверждения полученных результатов (табл. 3).

 

Таблица 3

Размолоспособность сырьевых материалов

Вид помола, соотношения компонентов.

Остатки на ситах №, %

Sуд., м2/кг

Растекае-мость,

мм

Частные остатки, %

Полный остаток на сите 004, %

008

004

Σ

1

Однопоточный:

[мел: глина: огарки

(0,78 : 0,2 : 0,02)]

8,94

7,00

15,94

304

63

2

Двухпоточный (суммарный)

в том числе:

5,06

5,82

10,90

430,1

68

Поток 1

[мел: глина (1:1)+2% огарок]

4,90

7,20

12,10

338,5

66

Поток 2

(мел, 0,1% ЛСТ)

5,20

4,90

10,10

478,5

69

 

При сравнении результатов  основного и контрольного помолов шлама таблицы 1 и 3 соответственно, следует отметить хорошую сходимость полученных данных. Например, отличие значений остатков на ситах шламов одно- и двухпоточного помолов  не превышает  6%, тогда как величины удельных поверхностей  потока 1 сравниваемых таблиц разнятся в пределах 9,68%. Различия результатов (табл. 1, 3) объясняются возможно допущенными погрешностями при взвешивании материалов.

В последующем из полученных шламов были приготовлены таблетки, которые  подверглись обжигу при температурах  1100°C, 1200°C, 1300°C, 1400°C с выдержкой 15 минут. В полученных спеках определили содержание СаОсв. этило-глицератным методом. Полученные результаты приведены в табл. 4.

Таблица 4

Влияние вида помола на процесс усвоения СаОсв.

 

Вид помола шлама

Степень измельчения шлама

Содержание β – кварца,

h (d=3,35Ǻ), мм при температурах обжига, °C

СаОсв. %при температуре,°C

Sуд., м2/кг

Полный остаток на сите 004,%

1100

1200

1300

Однопоточный

304

15,94

45

28

6,63

Двухпоточный

430,1

10,90

46

12

5,69

 

В интервале твердофазовых реакций, при температурах 1100°C, 1200°C, 1300°C видно, что процесс усвоения извести СаОсв. – 5,69 %, так же как и кварца, идет эффективнее в спеках двухпоточного помола, нежели в спеках однопоточного СаОсв. – 6,63 %.  Известно, что скорость реакции зависит от площади взаимодействия частичек, что достигается  аморфизацией зерен и их дисперсностью. Следовательно, большая дисперсность шлама двухпоточного помола (удельная поверхность двухпоточного шлама – 430,1 м2/кг и полный остаток на сите 004 – 10,90 %, у однопоточного 304 м2/кг и 15,94% соответственно) явилась причиной лучшего усвоения извести в спеках сравниваемых режимов помола (табл. 4).

Для уточнения оптимального соотношения компонентов при двухпоточном режиме измельчения сырья, был проведен ряд помолов. Глино-меловой шлам готовился в следующих соотношениях в присутствии  2% огарок к общей массе материалов: 1:1; 1,5:1; 2:1. Помолы проводились в одинаковых условиях, указанных ранее. При этом контролировались следующие параметры: остатки на ситах, удельная поверхность и растекаемость шлама. Результаты приведены табл. 5.

Таблица 5

Размолоспособность глино-мелового шлама, при различных соотношениях компонентов.

Соотношения компонентов (глина: мел), в присутствии 2% огарок

Остатки на ситах №, %

Sуд., м2/кг

Растекае-мость,

мм

Частные остатки, %

Полный остаток на сите 004, %

02

008

004

Σ

1

2: 1

0,41

2,77

6,65

9,83

302,4

70

2

1,5: 1

0,47

5,64

2,51

8,62

338,2

71

3

1: 1

0,8

4,4

5,5

10,7

377,5

68,5

 

Из приготовленных шламов, где соотношение компонентов глина – мел составляло 1:1 и 1,5:1, предварительно смешав с меловым шламом до заданной величины, согласно расчетным данным, приготовили таблетки. Сырьевые смеси обожгли при вышеуказанных условиях. Результаты по усвоению  СаОсв в полученных спеках приведены в табл. 6.

Таблица 6

Вид помола

(соотношение глина: мел + меловой шлам)

Усвоение СаОсв., %при температурах,  °C

1300

1400

1,5: 1

8,0

1,71

1:1

9,22

3,66

 Влияние соотношения компонентов в глино-меловом шламе на процесс усвоения извести

Из результатов, приведенных в табл. 5 и 6, можно сделать вывод о том, что при соотношении глины и мела 1,5:1 обеспечивается более тонкий помол шлама, чем при их соотношении 1:1, полный остаток на сите 004 – 8,62% и  10,7% соответственно. Такая же положительная тенденция прослеживается при рассмотрении данных по обжигу сырьевых смесей, где соотношение компонентов 1:1,5 и 1:1, дает результаты усвоения СаОсв. при 1400°C 1,71% и 3,66% соответственно.

Для определения влияния выбранного режима помола материалов на другие технологические параметры, было предпринято определение  осаждения шлама, которое выполнялось на шламах с соотношением компонентов глина: мел  1:1 и 1,5:1.  Для опыта использовали мерные цилиндры объемом 50 мл. Каждый и них был заполнен на 30 мл шламом (1:1 и 1,5:1), после чего в цилиндры добавляли по 20 мл воды. Содержимое мерных емкостей тщательным образом перемешали и взболтали. После чего следили за  объемом осветленной воды по времени.  По полученным данным построен график (рис. 1).

Рис. 1. Осаждение шламов

Из графика видно, что шлам в соотношении компонентов  1,5:1

осаждается медленнее, чем при 1:1. Данный факт говорит о большей стабильности шламовой суспензии (медленнее происходит дифференциация компонентов, и отделения водной части шлама), следовательно, можно сократить подачу воздуха на гомогенизацию шлама в вертикальном шламбассейне. Вышеуказанный шлам обладает меньшей скоростью отделения воды по сравнению со шламом с соотношением компонентов глина: мел  1:1, что положительно скажется на его хранении.

В результате исследования установлено, что уменьшение количества мелового компонента при двухпоточном помоле шлама способствует  лучшему измельчению (истиранию) крупнокристаллического кварца и всей сырьевой смеси в целом. Возможно, что наряду с диспергированием при механическом измельчении происходят значительные изменения кристаллической структуры поверхностных слоев частиц, вследствие чего материал получает высокоразвитую реакционную поверхность. С уменьшением размера частиц материалов возрастает свободная поверхность материала и соответственно увеличивается количество слабо связанных атомов в кристаллах, вследствие чего увеличивается поверхностная энергия зерен. На этот процесс влияет также результат разрыва химических связей между ионами кристалла и сохранение нейтрализованных валентностей. Возрастание количества дефектов в кристаллах обеспечивает увеличение степени аморфизации последних, что  активизирует и повышает реакционную способность измельчаемых компонентов.

В результате экспериментальных исследований было выявлено положительное влияние использования двухпоточного помола на степень измельчения сырьевых компонентов. Применение  двухпоточного помола дало возможность получать высокодисперсный шлам и частично решить проблему негативного воздействия крупнокристаллического кварца на реакционную способность цементной сырьевой смеси.


Библиографический список
  1. Дрожжин А.Х. Технологические особенности получения клинкера и высокомарочного портландцемента на основе сырья укрупненного помола: Автореф. дис. канд. техн. наук. / Политехнич. Институт.- Ташкент, – 1974.
  2. Дешко Ю.И., Креймер М.Б., Крыхтин Г.С. «Измельчение материалов в цементной промышленности».- Издательство литературы по строительству, Москва 1966.
  3. Ходаков Г.С. «Тонкое измельчение строительных материалов». – Издательство литературы по строительству, Москва 1972.
  4. Сычев М.М. «Технологические свойства сырьевых цементных шихт».              Стройиздат, 1962.
  5. Рояк С.М. Труды НИИЦемента, в. 2, 1949, 3- 28.
  6. Крыхтин Г.С., Кузнецов Л.Н. «Интенсификация работы мельниц».- ВО «Наука», Новосибирск 1993. с. 4.
  7. Колбасов В.М., Леонов И.И., Сулименко Л.М. «Технология вяжущих материалов».- Стройиздат, Москва 1987. с. 129,173-174.
  8. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. «Портландцементный клинкер».- Издательство литературы по строительству, Москва 1967.с.112-113.
  9. Андреев С.Е., Товаров В.В., Перов В.А. «Закономерности измельчения и исчисление характеристик гранулометрического состава».- Металлургиздат, Москва 1959, с.6.


Все статьи автора «Doc_cdv»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: