8.1. Расчет портландцементной сырьевой смеси

Целью расчета портландцементных сырьевых смесей является установление количественных удельных нормативов потребности в сырьевых материалах, а также соотношений, в которых нужно смешать сырьевые материалы для получения сырьевой смеси и клинкера заданного химического состава.

Теоретически химический состав клинкера соответствует со­ставу прокаленной сырьевой смеси, однако в реальных условиях обжига во вращающихся печах коэффициент насыщения и мо­дульные характеристики клинкера и сырьевой смеси отличаются на величины АКН, An и Ар, определяемые применением золь­ного топлива (уголь, сланец) и безвозвратным избирательным пылеуносом. Кроме того, состав клинкера отличается от со­става сырьевой смеси содержанием второстепенных возгоняе­мых компонентов, не учитываемых расчетом — К₂О, Ма₂О, 8Оз и др. В реальных условиях действующего завода соотно­шение химического состава клинкер — сырьевая смесь уста­навливается статистически, по химическим анализам средне-сменных или среднесуточных проб клинкеров и сырьевых смесей. В этом случае, с учетом АКН, An и Ар, безразлично, как вести расчет: на получение заданного состава сырьевой смеси или клинкера.

Состав клинкера, на который ведут расчет, задается, исходя из соотношения трех факторов:

— представлений об оптимальном (рациональном) составе;

— реальных сырьевых ресурсов завода;

— требований к составу выпускаемого цемента.

Под рациональным (оптимальным) составом сырьевой смеси понимают состав, обеспечивающий требуемые технические свой­ства готового продукта (цемента) и технологические свойства сырьевых смесей (технологичность шихты),— состав, обеспечива­ющий максимальную производительность печей, минимальный расход тепла на обжиг, максимальную стойкость футеровки, лег­кую размалываемость клинкера и т. д.

Как правило, состав клинкера задается в минералогическом выражении и должен быть пересчитан на содержание оксидов и модульные характеристики по формулам:

(8.1)

(8.2)

(8.3)

(8.4)

Таким образом, исходными данными для расчета портландцементных сырьевых смесей являются:

— химический состав исходных сырьевых компонентов (по данным химического анализа);

— химическая характеристика клинкера (или сырьевой смеси), выраженная в модульных значениях (КН, п и р).

Химический состав сырьевых материалов предварительно при­водится к 100% путем добавления «прочих», если сумма по дан­ным анализа менее 100%, и пересчета на 100%, если сумма оксидов превышает 100%.

Расчет сырьевой смеси начинается в любом случае с расчета двухкомпонентной шихты, в котором определяется соотношение известнякового и глинистого компонента для получения задан­ного значения коэффициента насыщения.

Если обозначить содержание SiO₂ в первом компоненте Si, во втором O₂, в сырьевой смеси sq и в клинкере S, а содер­жание CaO, Fe₂O₃ и А1₂Оз — С, F и А с соответствующими индексами, то

(8.5)

Приняв соотношение 1-го и 2-го компонентов за Х:1, напи­шем:

(8.6) (8.7) и т. д.

Подставив эти выражения в формулу для коэффициента на­сыщения, получим основную формулу для определения соотношения компонентов при расчете двухкомпонентной сырьевой смеси:

(8.8)

В этом случае получается сырьевая смесь с заданным значе­нием КН. Однако это неполная химическая характеристика клин­кера, поскольку величина коэффициента насыщения характери­зует лишь соотношение в клинкере минералов-силикатов C₃S - и обеспечивает суммарное содержание СаО, гарантируя отсутствие в клинкере несвязанной извести. Как правило, для по­лучения заданных значений коэффициента насыщения и одного из модулей необходимо составление трехкомпонентной сырье­вой смеси, а для заданных КН и двух модулей пир — четырехкомпонентной сырьевой смеси, за исключением тех случаев, когда соотношение SiO₂, А1₂Оз и Ре₂Оз в двухкомпонентной шихте обеспечивает приемлемое с практической точки зрения значение модулей.

Для определения необходимости введения дополнительных корректирующих компонентов следует рассчитать значение си­ликатного и глиноземного модуля (п и р) для двухкомпонентной сырьевой смеси. При этом, если заданные значения модулей обоз­начить через Пзадан. и рзадан., то следует рассмотреть четыре случая, исчерпывающие все возможные сочетания:

1) П>Пзадан. Р>рзадан.

2) П<СПзадан. Р<С рзадан.

3) П>Пзадан. р<рзадан.

4) П<СПзадан. р>рзадан.

Возможны три группы корректирующих добавок, имеющих высокое содержание одного из оксидов, определяющих численное значение модулей:

— 1-я группа — железосодержащие корректирующие добавки (пиритные огарки, колошниковая пыль, железная руда). Эту груп­пу добавок наиболее часто применяют в технологии портланд­цемента.

— 2-я группа — кремнеземсодержащие корректирующие до­бавки (кварцевый песок, маршалит, опока и др.). Эту группу добавок применяют при использовании в качестве глинистого компонента низкокремнеземистых глин, доменных шлаков;

— 3-я группа — глиноземсодержащие корректирующие добав­ки. Как правило, в качестве глиноземсодержащей добавки ис­пользуют бокситы. Потребность в такой добавке возникает, на­пример, при применении в качестве сырьевого компонента продукта комплексной переработки нефелинов — нефелинового шлама. Химический состав некоторых корректирующих добавок приведен в таблице 8.1.

Таблица 8.1

Корректирующие добавки	Содержание оксидов, %
		SiO2	Al2O3	Fe2O3	Cao	MgO	SO3	п.п.п.
Огарки Акмянского завода	16,11		6,27	71,41	2,02	1,60	2,90	-
Огарки Кувасайского завода	12,00		2,38	75,77	1,46	0,24	0,43	5,71
Колошниковая пыль (Косогорский завод)	14,43		3,01	59,31	6,70	1,30	-	10,10
Кварцевый песок	93,70		2,91	1,08	0,82	0,32	0,19	1,14
Кварцит (Кузнецкий завод)	95,99		1,31	1,01	0,64	0,20	0,20	0,69
Боксит (Пикалевский завод)	5,28		49,73	21,73	4,38	0,30	2,78	13,65

В практике наиболее часто встречается первый из описанных выше четырех возможных случаев необходимости введения кор­ректирующих добавок (оба модуля превышают заданные значения). В этом случае очевидным является применение железосодержащих добавок, поскольку введение Рв2Оз снижает одновременно и сили­катный и глиноземистый модуль. Однако, так как при введении железосодержащей добавки значения пир снижаются на неодина­ковую величину, как правило, приходится ориентироваться на та­кое количество добавки, при котором сохраняются оба модуля в приемлемых границах или обеспечивается заданное значение наи­более важного (с конкретных позиций) модуля.

Во втором из рассматриваемых случаев (оба модуля ниже заданных) для получения требуемого состава необходимо введение двух корректирующих добавок — кремнеземистой и глино-земсодержащей. Такая ситуация возникает при применении в качестве сырья низкокремнеземистых, высокожелезистых и низ­коглиноземистых материалов. В практике такой случай встреча­ется редко.

В третьем случае повышение значения глиноземного модуля, при одновременном снижении силикатного модуля, может быть достигнуто введением глиноземсодержащей корректирующей до­бавки. В практике такой случай встречается также редко.

В четвертом случае получение заданного состава достигается применением кремнеземистой и железосодержащей добавок. Та­кой случай является реальным, например, при использовании в качестве сырьевого компонента доменного шлака.

После определения необходимости введения в портландцементную сырьевую смесь корректирующих добавок следует перейти к расчету трехкомпонентных и более сложных сырьевых смесей. Такие расчеты, как правило, выполняются по методике, разра­ботанной Киндом-Окороковым или Коганом.

По методу Кинда-Окорокова для расчета используют форму­лы, полученные подстановкой в выражения для коэффициента насыщения и модулей значений содержания оксидов в сырьевой смеси:

(8.9) и т. д., (8.10)

где Si, 82, 83, аь А.2, А₃ содержание SiC>2 и А₂Оз соответст­венно в 1, 2 и 3-м компоненте, а X : Y: 1 — соотношение ком­понентов.

Широко используется для расчетов портландцементных сырье­вых смесей метод Л. С. Когана, представляющий собой метод сту­пенчатого расчета. В этом случае, исходя из анализа результатов расчета двухкомпонентной сырьевой смеси или непосредственно из модульных характеристик исходных сырьевых материалов осуще­ствляется последовательное приведение состава сырьевых компо­нентов к одинаковым значениям модулей путем взаимного коррек­тирования компонентов друг другом. По этому методу четыре сырьевые компонента приводятся к условным трем, имеющим рав­ные значения одного модуля. Полученные три компонента после­довательно приводятся к двум сочетаниям, имеющим уже оба за­данные модуля. И, наконец, для получения необходимой величины коэффициента насыщения устанавливается соотношение двух ус­ловных компонентов с заданными пир.

Соотношения для получения компонентов с заданными зна­чениями модулей устанавливаются, исходя из следующего: если содержание оксидов в двух смешиваемых компонента» обозна­чить за Si, Ai, Fi, 82, А2 и Fa, принять А + F = R, а содержание оксидов в смеси двух компонентов при их соотношениях Х:1 обозначить за S см и rcm, то

(8.11)

Огарков на золу:

(8.12)

Подставив эти выражения в формулу для силикатного модуля

получим выражение для определения соотношения смешиваемых компонентов для получения заданной величины силикатного мо­дуля:

(8.14)

Аналогично, для определения соотношения компонентов при заданной величине глиноземного модуля:

(8.15)

Общая последовательность выполнения расчета следую­щая:

1. Расчет присадки золы топлива q, исходя из расхода топлива на обжиг, зольности топлива и доли присаживаемой золы от общего его количества.

2. Приведение химического состава сырьевых материалов к 100% (прокаленным). Расчет модульных характеристик сырьевых материалов и золы и назначение модулей для расчета.

3. Выбор пар компонентов, обеспечивающих заданное значе­ние модулей. Последовательное приведение исходных компонен­тов к условным составам с заданным п или р. Промежуточная проверка расчета.

4. Определение соотношения условных компонентов с задан­ным значением модулей на получение требуемой величины КН.

5. Расчет расхода сырьевых материалов на 100 кг клинкера, проверка расчета.

Некоторые затруднения на первых порах вызывает расчет расхода материалов на 100 кг клинкера.

Пример. Соотношение компонентов

— в известняке l(Hi): известняка —94,44%;

огарков — 5,56%;

— глины 1 (П): глины —89,93%;

огарков — 10,07%;

— в золе 1 (3i): золы —48,45%;

огарков — 51,55 %. Если

q=l,77; £-=1,41; ^ = 2,57;

тогда

— откорректированной золы (3i):

— откорректированного известняка (Hi) на откорректирован­ную золу (3i):

— «зольного клинкера»:

— остального клинкера:

Итого: И|_тк = 50,88 + 9,38 = 60,26; Г&к = 36,09; З&к = 3,65.

Известняка в И&_к = 60,26-0,9444 = 56,91;

огарков в И|гк = 60,26-0,0556 = 3,35;

глины в Г|гк = 36,09 • 0,8993 = 32,46;

огарков в Г&к = 36,09-0,1007 = 3,63;

золы в Зотк = 1.77;

огарков в 3g_TK = 1,88, таким образом содержание компонентов составит:

— известняка — 56,91;

— глины — 32,46;

— огарков — 8,86;

— золы — 1,77;

Итого: 100%.

Исходя из этих соотношений устанавливается расход сырьевых материалов за вычетом золы топлива и после пересчета прокален­ных на сухие материалы.

Вышеизложенные сведения относятся к основным принципам расчета портландцементных сырьевых смесей аналитическими методами. Такие методы в процессе подготовки специалиста по специальности 2508 «Технология силикатных и тугоплавких не­металлических материалов» должны быть освоены и глубоко поняты студентом, ими широко пользуются в промышленности, они являются также теоретической основой для выполнения расчетов сырьевых смесей современными машинными способами. Расчеты портландцементных сырьевых смесей машинными спо­собами включают расчеты на калькуляторах или с применением ЭВМ. Такие расчеты выполняются в ходе проектирования це­ментного завода в системе автоматизированного проектирования (глава 5), как правило, при дипломном проектировании. Цель расчетов портландцементных сырьевых смесей в режиме ЭВМ по разработанным программам — выбор оптимального состава сырьевой смеси из многих вариантов, в зависимости от колеба­ний состава каждого из сырьевых компонентов, различного вида корректирующих добавок, при варьировании состава портландцементного клинкера.

Результатом серии расчетов портландцементных сырьевых смесей, выполненных в системе САПР-цемент, и включающих в ряде случаев проработку 20—30 вариантов и более, явля­ется:

1. Обоснование количества компонентов сырьевой смеси.

2. Обоснование и выбор корректирующих добавок.

3. Определение изменения соотношения компонентов сырье­вой смеси при изменении их состава в диапазоне, установленном при разведке карьера.

4. Обоснование необходимости разработки карьера в несколько уступов для одного вида сырья, например, «высокий» известняк, «низкий» известняк и др.

5. Обоснование целесообразности выборочной добычи сырья и сброса низкокондиционных включений в отвалы.

6. Рекомендации по использованию в составе сырьевых смесей вскрышных пород.

Необходимые для выполнения серии расчетов на ЭВМ данные J могут быть получены в горном отделе или сырьевой лаборатории, а также из отчетов геологов по разведке данного месторождения цементного сырья. Требования к составу цементного сырья из­ложены в нормах технологического проектирования цементных заводов.