3.5. Расчет минералогического состава клинкера и сырьевой смеси для его получения

Рациональный состав клинкера зависит от условий работы конкретного завода, состава обжигаемой смеси, вида топлива и т. д. Для получения в зоне спекания необходимого количества жидкой фазы сумму С₃А + С₄AF следует выдерживать в пределах 1822% при содержании 58% С₃А. В этом случае сумма С₃S + С₂S составит 7578%, в том числе содержание С₃S будет находиться в пределах 5266%, а С₂S  1424%.

Для удобства процентное содержание оксидов в сырьевой смеси или клинкере выражают в виде коэффициента насыщения (КН) и модулей (силикатного и глиноземного). Коэффициент насыщения представляет собой отношение количества СаО, остающегося после полного насыщения глинозема и оксида железа соответственно до 3СаО · Al₂O₃ и 4CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃, к тому количеству оксида кальция, которое необходимо для полного насыщения кремнезема до 3СаО · SiO₂, и имеет следующее выражение

.

Обычно эта величина находится в пределах 0,880,92.

Чем больше значение КН, тем труднее обжигается сырьевая смесь, поскольку в этом случае проблематичным является полное усвоение СаО кислотными оксидами. Цементы из клинкеров с высоким КН быстрее твердеют и имеют более высокую прочность, но водостойкость их ниже.

Силикатный (кремнеземный) модуль отражает отношение содержания в клинкере SiO₂ к сумме оксидов алюминия и железа:

.

Для портландцемента общестроительного назначения оптимальная величина п = 2,22,6. Чем выше значение п, тем хуже обжигается сырьевая смесь из-за низкого содержания жидкой фазы. Цементы, изготовленные из таких клинкеров, медленно схватываются и твердеют, но со временем прочность их неуклонно возрастает и через длительные сроки оказывается весьма высокой. Кроме того, такие цементы придают бетонам на их основе высокую стойкость в минерализованных водах. В свою очередь, низкое значение силикатного модуля обуславливает легкоплавкость сырьевой смеси, агломерирование ее в крупные куски и образование на футеровке печи колец (приваров).

Глиноземный (алюминатный) модуль показывает отношение количества оксида алюминия к оксиду железа:

.

Оптимальное значение величины р на цементных заводах находится в пределах 0,92,0. При нижнем значении р значительная часть Al₂O₃ будет связана в виде С₄AF. Такая сырьевая смесь образует относительно большое количество клинкерного расплава, в результате чего на футеровке в зоне спекания вращающейся печи будет хорошая обмазка, которая предотвращает огнеупор от истирания. Клинкер в этом случае приобретает способность к образованию больших комьев. Цементы на основе такого клинкера хотя и медленно схватываются и твердеют, но зато в поздние сроки демонстрируют высокую прочность. В случае же верхнего значения р клинкер отличается повышенным содержанием С₃А, но малым количеством C₄AF, что существенно осложняет обжиг. Помимо этого, такие цементы быстро схватываются и твердеют, но достигнутая в ранние сроки прочность в дальнейшем увеличивается незначительно.

При расчете состава клинкера обычно задают модульные характеристики и начинают вычисления с двухкомпонентной шихты. При этом определяют соотношение основных компонентов (карбонатного и глинистого) для получения заданного значения КН. Однако величина КН характеризует лишь отношение С₃S / С₂S и определяет суммарное содержание СаО в клинкере. Поэтому для установления необходимости введения третьего и четвертого компонентов рассчитывают модули п и р для двухкомпонентной шихты. При этом может быть 5 случаев, когда фактические значения силикатного модуля (п_ф) и глиноземного (р_ф) будут отличаться от заданных значений (п_з) и (р_з):

1. п_ф = п_з, р_ф = р_з. Это редко встречается, в этом случае сырьевая смесь будет двухкомпонентной.

2. п_ф  п_з, р_ф  р_з. Это наиболее распространенный на практике случай. Для приведения фактических значений модулей в сырьевую смесь необходимо ввести третий (железистый) компонент.

3. п_ф  п_з, р_ф  р_з. В этом случае необходимо повысить содержание SiO₂ за счет песка и Al₂O₃ путем ввода в сырьевую смесь глиноземистого компонента.

4. п_ф  п_з, р_ф  р_з. Необходимо повысить содержание Al₂O₃ в сырьевой смеси.

5. п_ф  п_з, р_ф  р_з. Для приведения в соответствие фактические и заданные значения модулей необходимо повысить содержание SiO₂ и Fe₂O₃ в сырьевой смеси.

В случае использования твердого топлива необходимо учитывать, кроме того, присадку золы на клинкер. Во вращающейся печи при сжигании пылеугольного топлива 3080% золы садится на клинкер, снижая тем самым КН и п, поскольку она имеет следующий состав (мас. %): Al₂O₃  2530; Fe₂O₃  1520; СаО  36, SiO₂ – остальное.

Таким образом, зная КН и модули, можно не только рассчитать состав сырьевой смеси и клинкера, но и прогнозировать особенности технологического процесса и свойства цемента.