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