6. Розрахунок сировинних сумішей

Метою розрахунку сировинної суміші для виготовлення портландцементу є визначення оптимального співвідношення між окремими компонентами шихти для одержання клінкеру із заданими характеристиками.

Найбільш важливими характеристиками клінкеру є співвідношення між оксидами, що визначається відповідними модулями і коефіцієнтом насичення, та вміст в ньому клінкерних мінералів. Клінкер характеризується:

• силікатним модулем:

n = SiO₂/ Al₂O₃+ Fe₂O₃ (6.1)

• - глиноземним модулем:

p = Al₂O₃/ Fe₂O₃ (6.2)

• - коефіцієнтом насичення:

КН = (CaO_заг - CaO_в) – 1,65 Al₂O₃- 0,35 Fe₂O₃ – 0,70SO₃/2,8(SiO_2заг – SiO_2в) (6.3)

Значення характеристик клінкеру коливаються в межах:

n= 1,7…3,5; p = 1…3; КН = 0,81…0,95.

При цьому вміст основних клінкерних мінералів в залежності від виду цементу складає,%:

3СаО· SiO₂ = 40-62 (аліт, С₃S);

2СаО· SiO₂ = 15-35 (беліт,C₂S);

3СаО· Al₂O₃ = 4-14(трьохкальцієвий алюмінат C₃A);

4СаО· Al₂O₃ ∙Fe₂O₃ = 10-18 (чотирьох кальцієвий алюмоферит C₄AF).

Для одержання у випалювальному матеріалі необхідної кількості рідкої фази суму легкотопких мінералів C₃S + C₄AF необхідно підтримувати в межах 18-22%. Залежно від співвідношення між C₃S i C₂S в складі портландцементного клінкеру його ділять на:

алюмінатний - C₃А:C₄АF > 1,5 ( p> 2,3);

нормальний - C₃А:C₄АF > 1,5 – 0,4 (p> 2,3 – 1,1);

целітовий - C₃А:C₄АF < 1,4 (p> 1,1).

Величина КН визначається співвідношенням між C₃S i C₂S. При КН вище 0,92 та кількості C₃S в клінкері більше 60% його відносять до алітового. При КН менше 0,81 кількість аліту складає менше 37,5% і клінкер відноситься до белітового. При вище КН і менше р, тим більший вміст мінералів-силікатів. При значенні р < 1,1 - целітовий, при р = 2,3-1,1 – нормальний, при р > 2,3 – алюмінатний. Базуючись на сукупності даних про зв'язок між складом клінкеру, технології, властивостями випалювального матеріалу і активністю цементу, вибирається раціональний склад клінкеру. Для одержання у випалювальному матеріалі необхідної кількості фази суму C₃А+C₄АF необхідно підтримувати в межах 18-22%, при цьому вміст повинен складати 5-8%; сума C₃S + C₂S – 72…75% (решта 2…4% домішки). Раціональні межі для C₃S – 52…62%. Нижня межа приймається для заводів, що працюють на твердому паливі з високою зольністю, верхній – для заводів, що працюють на мазуті. При цьому модульні і характеристики наступні: КН = 0,90 ± 0,02; n= 2 ± 0,02; p=1,3 ± 0,3.

Для розрахунку сировинної суміші необхідно мати хімічний склад сировинних компонентів і характеристику клінкеру, яка може бути модульною або мінералогічною. Більш розповсюдженим є вираження складу сировинної суміші і клінкеру модулями. Якщо заданий мінералогічний склад клінкеру, то його перераховують на хімічний склад, і далі обчислюють КН, n, p, які беруть за основу для розрахунку сировинної шихти.

Хімічний склад клінкеру, виходячи із заданого мінералогічного складу розраховують за формулами, в яких числові коефіцієнти показують частку оксидів відповідних мінералах:

Al₂O₃=0,3286C₄AF (6.4)

Мінералогічний склад клінкеру, % :

С₃S = 3,8SiO₂(3КН-2);

С₂S = 8,6SiO₂(1- КН);

С₃A = 2,65(Al₂O₃ – 0,64Fe₂O₃);

С₄AF = 3,04Fe₂O_3;

СаSO₄ = 1,7SO_3.

Кількість рідкої фази в клінкері, %:

α = 1,12 С₃A +1,35С₄AF + П (6.5)

П = MgO + SO_3. (6.6)

Одержаний в результаті розрахунку склад сировинної суміші звичайно перевіряють за титром Т (вміст сировинної суміші СаСО₃ і MgСO₃):

Т= 1,78 СаО + 2,48 MgO, (6.7)

де СаО, MgO – процентний вміст цих оксидів в сировинній суміші.

Розрахунок сировинної шихти при будь-якому із варіантів починають з розрахунку двокомпонентної шихти по заданому значенню КН, який характеризує співвідношення C₃S/C₂S і визначає сумарний вміст СаО в клінкері. Для зручності розрахунків і можливості контролю правильності одержаних результатів хімічний склад сировинних матеріалів перераховують на 100%. Для цього множать вміст кожного оксиду на коефіцієнт, який визначають діленням 100 на суму всіх оксидів.

Для розрахунку двокомпонентної шихти використовується формула:

Х = (2,8 КН ·S₂ + 1,65А₂ + 0,35F₂ ) –С₂ / С₁-(2,8КН·S₁ + 1,65А₁ +0,35F₁). (6.8)

Таким чином, на 1 частину глинистого компоненту припадає Х частин карбонатного. Співвідношення між сировинними компонентами виражають в відсотках. Хімічний склад сировинної суміші і клінкеру заносять в таблицю.

Склад клінкеру визначають шляхом перерахунку складу сировинної суміші на прожарену. Для зручності розрахунку складу клінкеру рекомендується (замість ділення значення кожного оксиду на суму всіх оксидів і множення на 100), помножити кількість кожного оксиду на коефіцієнт К:

К= 100/100- в.п.п., (6.9)

де в.п.п. –витрати при прожарюванні.

Визначають значення коефіцієнту насичення та модулів n і p. Співвідношення одержаних значень КН, n і p із заданими підтверджує правильність розрахунку. Приклад розрахунку трьохкомпонентної суміші додаток 1.

Тому для визначення необхідності введення третього і четвертого компонентів розраховують n і p для двокомпонентної шихти. При цьому теоретично може виникнути п’ять випадків:

1. n=n_з, p=p_з

2. n>n_з, p>p_з

3. n<n_з, p<p_з

4. n<n_з, p>p_з

5. n>n_з, p<p_з

де n, p – значення модулів для двокомпонентної шихти;

n_з ,p_з - задані значення модулів.

Перший випадок зустрічається на практиці дуже рідко, хоча з технологічної та економічної точок зору двохкомпонентна шихта найбільш раціональна.

У другому випадку необхідно ввести залізовмісний додаток, який одночасно понижує обидва модулі. Кількість додатку повинна бути такою, щоб обидва модулі знаходились в допустимих межах.

У третьому випадку необхідно вводити додатки – кремнеземний та глиноземний.

В четвертому випадку необхідно ввести глиноземний додаток, що на практиці зустрічається дуже рідко.

В п’ятому випадку необхідно вводити кремнеземний та залізовмісний додаток.

Після визначення виду додатку слід проводити коригування складу сировинної суміші, приступають до розрахунку три - або чотирикомпонентної шихти.

Розрахунки виконуються за методиками Кінда-Окорокова, Когана або графічним шляхом. Найбільш поширений перший метод.

Позначення С, S, А, F відповідають оксидам CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 а індекси букв С₀,С₁,С₂,С₃,С₄ – вміст певного оксиду. Наприклад вміст СаО, в сировинній суміші відповідає першому, другому, третьому, четвертому компонентам відповідно.

Для двохкомпонентної суміші:

Х = перший компонент/ другий компонент або

(2,8 КН S₂ + 1,65А₂ + 0,35F₂ ) – С₂ /С₁- (2,8КНS₁ + 1,65А₁ +0,35F₁) (6.10)

Для трьохкомпонентної суміші:

При розрахунку трьохкомпонентної сировинної суміші необхідно задатися двома характеристиками складу клінкеру: коефіцієнтом насичення і силікатним або глиноземним модулем.

В тому випадку, коли силікатний модуль є другою заданою характеристикою, вибір третього компоненту ( коригуючого додатку) залежить від того чи треба підвищити або понизити значення силікатного модуля. В першому випадку таким компонентом служить матеріал багатий SiO₂ ( трепел, опока, глина з високим вмістом SiO₂), в другому – матеріал, багатий глиноземом або оксидом заліза (піритні недогарки, залізна руда, боксити). Вибір глиноземного або залізистого матеріалу здійснюється в залежності від того, як треба змінити глиноземний модуль одночасно з силікатним.

Якщо другою заданою характеристикою є глиноземний модуль, то для підвищення його значення в якості коректуючих додатків застосовують високоглиноземну глину і боксити, а для зниження - піритні недогарки, залізну руду, боксити.

Знизити значення глиноземного модуля порівняно легко в зв’язку з доступністю коректуючих додатків. Підвищити ж значення р значно важче, так як боксити і глини з підвищеним вмістом Al₂O₃ є дефіцитними.

Х = 1-й компонент/2-й компонент = С₁В₂ - С₂В₁/А₁В₂-А₂В₁ (6.11)

Y= 2-й компонент/3-й компонент = А₁С₂ - А₂С₁/А₁В₂ - А₂В₁ (6.12)

де А₁ = (2,8КН S₁ + 1,65A₁ + 0,35F₁) – C_1;

B₁= (2,8 КН S₂ + 1,65А₂ + 0,35F₂ ) –С_{2 ;}

C₁ = C₃- (2,8 КН S₃ + 1,65А₃ + 0,35F₃ ) .

Значення А₂, В₂, С₂ у випадку, коли задано силікатний модуль рівні:

А₂ = n(A₁ + F₁) – S₁;

B₂= n (A₂ + F₂) – S₂;

C₂ = S₃ – n(A₃ + F₃).

Якщо для розрахунку дано глиноземистий модуль, то:

A₂ = pF₁ – A₁; B₂ = pF₂ – A₂; C₂ = A₃ – pF₃.

Для чотирикомпонентної суміші:

Х = С₁(В₂С₃-В₃С₂)+ D₂(B₃C₁-B₁C₃) + D₃(B₁C₂ – B₂C₁)/A₁(B₂C₃ – B₃C₂) + A(B₃C₁-B₁C₃) + A₃(B₁C₂-B₂C₁) (6.13)

Y= A₁(D₂С₃-D₃С₂)+ A₂(D₃C₁-D₁C₃) + A₃(D₁C₂ – D₂C₁)/A₁(B₂C₃ – B₃C₂) + A(B₃C₁-B₁C₃) + A₃(B₁C₂-B₂C₁) (6.14)

Z= A₁(В₂D₃-В₃D₂)+ A₂(B₃D₁-B₁D₃) + A₃(B₁D₂ – B₂D₁)/A₁(B₂C₃ – B₃C₂) + A(B₃C₁-B₁C₃) + A₃(B₁C₂-B₂C₁) (6.15)

де А₁ = (2,8КН S₁ + 1,65A₁ + 0,35F₁) – C₁;

B₁= (2,8 КН S₂ + 1,65А₂ + 0,35F₂ ) – С₂;

C₁ = (2,8 КН S₄ + 1,65А₃ + 0,35F₃) – C₃;

D₁ =C₄ - (2,8 КН S₃ + 1,65А₄ + 0,35F₄).

А₂ = n(A₁ + F₁) – S₁; А₃ = p F₁ – A₁;

B₂= n (A₂ + F₂) – S_2; B₃= pF₂ – A₂;

D₂ = S₄ – n(A₄ – F₄); D₄ = A₄ – pF₄.

Якщо значення модулів не відрізняються від заданих (в межах ± 0,02), розрахунок вважається закінченим, а клінкер може бути отриманий з двох компонентів. Якщо ж модулі відрізняються від заданих, то вводяться коригуючі додатки, тобто розрахунок повторюється для трьох- або чотирьохкомпонентної шихти.

Якщо завод працює на твердому паливі, то при розрахунку шихти необхідно враховувати присадку золи палива. При цьому необхідно знати хімічний склад золи палива і частку золи у відсотках від всієї золи палива, яка присаджується до сировинної суміші. Для обертових печей вона складає 30-80% залежно від розмірів печі, способу підготовки сировини, тонини розмелювання палива і т.п. Як правило, присадка золи палива веде до зниження значення КН, так як в золі більшості сортів вугілля міститься підвищена кількість Al₂O₃ (до 25-30%) і Fe₂O₃ (до 15-20%), а CaO не більше 3…6%.