3.14. Методология получения портландцемента в лабораторных условиях

3.14.1. Расчет, получение и изучение свойств сырьевой смеси для цементного клинкера

При изготовлении портландцемента, глиноземистого цемента и ряда других вяжущих веществ сырьевая смесь составляется из двух и большего числа компонентов. В этих случаях производится расчет сырьевой смеси, имеющий целью определить количественное соотношение составных частей. Правильно произведенный расчет сырьевой смеси является одним из важнейших условий получения вяжущих веществ, удовлетворяющих по качеству заданным требованиям.

Расчет сырьевой смеси заключается в вычислении соотношения между компонентами на основании химического анализа сырьевых материалов и заданных характеристик состава вяжущих веществ.

Состав портландцементного клинкера характеризуется: содержанием составляющих клинкер окислов; значениями коэффициента насыщения и модулей; содержанием главных минералов составляющих клинкер.

Величины коэффициента насыщения и модулей определяют по следующим формулам:

,

где СаО, Al₂O₃, Fe₂O₃ и т. д.  содержание оксидов в портландцементном клинкере, %.

Наиболее распространен способ расчета сырьевой смеси по значениям коэффициента насыщения и модулей.

Число сырьевых компонентов должно быть на единицу больше числа заданных характеристик. Поэтому если задаются только величиной коэффициента насыщения, то сырьевая смесь составляется из двух компонентов; если кроме коэффициента насыщения задаются и величиной одного из модулей (силикатного или глиноземистого), то сырьевая смесь должна состоять из трех компонентов и т. д.

Для удобства расчетов и возможности контроля правильности вычислений химический состав сырьевых материалов приводят к сумме, равной 100%.

Для упрощения расчетов содержание одного из компонентов (обычно находящегося в меньшем количестве) принимается равным 1.

В нижеприведенных расчетных формулах приняты следующие обозначения: СаО  С; SiO₂  S; Al₂O₃  A; Fe₂O₃  F; MgO  M; SO₃  S; потери при прокаливании  ппп, причем содержание оксидов в каждом из сырьевых компонентов обозначено приведеными буквами с индексом, показывающим принадлежность данного оксида к тому или иному компоненту. Содержание оксидов в готовом продукте обозначено буквами без индекса, а в сырьевой смеси  буквами с индексом 0.

Расчет двухкомпонентной сырьевой смеси для портландцемента можно производить по коэффициенту насыщения или гидравлическому модулю. Оба они характеризуют основность сырьевой смеси.

Рассмотрим расчет двухкомпонентной сырьевой смеси по коэффициенту насыщения. Допустим, что известен химический состав обоих материалов и задана величина коэффициента насыщения. Принимая, что в сырьевой смеси на одну весовую часть второго компонента приходится х весовых частей первого, можно написать следующие равенства:

; ; ; .

Подставляя указанные значения С₀, S₀, А₀ и F₀ в упрощенную формулу коэффициента насыщения, принятую для расчета сырьевой смеси,

и решая полученное уравнение относительно х, получим расчетную формулу для определения соотношения между первым и вторым компонентами:

.

В упрощенной формуле коэффициента насыщения отсутствуют поправки на свободный оксид кальция и свободный кремнезем, т. к. невозможно точно предугадать их содержание в клинкере. Необходимо стремиться к тому, чтобы в процессе обжига оксид кальция и кремнезем полностью связывались в клинкерные минералы. В упрощенной формуле не учитывается также количество СаО, связанного серным ангидритом, поскольку часть серы, присутствующей в сырье в виде сульфидных соединений, выгорает и окисляется, а серный ангидрит сернокислых соединений вследствие диссоциации при обжиге частично улетучивается. Поэтому количество оставшегося SO₃, так же как и свободных оксидов кальция и кремнезема, можно определить только после обжига.

При расчете двухкомпонентной сырьевой смеси по гидравлическому модулю используют следующую формулу:

.

При расчете трехкомпонентной сырьевой смеси следует задаваться двумя характеристиками состава портландцемента: коэффициентом насыщения и силикатным или глиноземным модулем.

Принимая, что в сырьевой смеси на 1 вес. ч. третьего компонента приходится х вес. ч. первого компонента и у вес. ч. второго, можно записать следующие равенства:

; ;

; .

Подставляя указанные значения в формулу коэффициента насыщения и силикатного модуля

; ,

получим систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными:

х(С₁  2,8S₁КН  1,65A₁  0,35F₁) + (С₂  2,8S₂КН  1,65A₂ 

– 0,35F₂) = 2,8S₃КН + 1,65A₃ + 0,35F₃  С₃;

х(S₁  пА₁  пF₁) + у (S₂  пА₂  пF₂) = пА₃ + пF₃ S₃.

Для удобства расчетов примем следующие скоращенные обозначения:

а₁ = С₁  2,8S₁КН  1,65A₁  0,35F₁; а₂ = S₁  пA₁  пF₁;

b₁ = С₂  2,8S₂КН  1,65A₂  0,35F₂; b₂ = S₂  пA₂  пF₂;

с₁ = 2,8S₃КН + 1,65A₃ + 0,35F₃  С₃; с₂ = пA₃ + пF₃  S₃.

Подставляя эти сокращенные обозначения в линейные уравнения, получим

а₁х + b₁у = с₁;

а₂х + b₂у = с₂.

Решая эту систему двух уравнений с двумя неизвестными, получим следующие значения х и у:

; .

При расчете четырехкомпонентной сырьевой смеси следует задаваться тремя характеристиками состава портландцемента: коэффициентом насыщения, силикатным и глиноземным модулями.

Принимая, что на 1 вес. ч. четвертого компонента приходится х вес. ч. первого компонента, у вес. ч. второго компонента и z вес. ч. третьего компонента, можно написать следующие равенства:

; ;

; .

Подставляя указанные значения в формулы коэффициента насыщения, силикатного и глиноземного модулей

; ; ,

получим систему трех линейных уравнений с тремя неизвестными:

1) х(2,8S₁КН + 1,65A₁ + 0,35F₁  С₁) + у(2,8S₂КН + 1,65A₂ +

+ 0,35F₂  С₂) + z(2,8S₃КН + 1,65A₃ + 0,35F₃  С₃) = С₄  2,8S₄КН 

– 1,65A₄  0,35F₄;

2) х(пА₁  пF₁  S₁) + у(пА₂  пF₂  S₂) + z(пА₃  пF₃  S₃) = S₄ 

– пА₄  пF₄;

3) х(рF₁  А₁) + у(рF₂  А₂) + z(рF₃  А₃) = А₄  рF₄.

Для удобства расчетов примем следующие сокращенные обозначения:

а₁ = 2,8S₁КН + 1,65A₁ + 0,35F₁  С₁;

b₁ = 2,8S₂КН + 1,65A₂ + 0,35F₂  С₂;

с₁ = 2,8S₃КН + 1,65A₃ + 0,35F₃  С₃;

d₁ = С₄  2,8S₄КН  1,65A₄ – 0,35F₄.

а₂ = пA₁ + пF₁  S₁; а₃ = рF₁  А₁;

b₂ = пA₂ + пF₂  S₂; b₃ = рF₂  А₂;

с₂ = пA₃ + пF₃  S₃; с₃ = рF₃  А₃;

d₂ = S₄  пA₄  пF₄; d₃ = А₄  рF₄.

Подставив эти сокращенные обозначения в линейные уравнения, имеем

а₁х + b₁у + с₁z = d₁;

а₂х + b₂у + с₂z = d₂;

а₃х + b₃у + с₃z = d₃.

Решая эти уравнения, получим после соответствующих сокращений следующие значения для х, у и z:

;

;

.

Пример расчета трехкомпонентной сырьевой смеси. Химический состав исходных компонентов, пересчитанный на 100%, представлен в табл. 3.6.

Таблица 3.6.