3. Влияние режима охлаждения

Процессы, протекающие при охлаждении клинкера, в значительной степени оказывают влияние на его свойства. В реальных условиях производства вследствие высокой скорости охлаждения не наступает фазовое равновесие в клинкерной системе. Это обстоятельство является причиной различия фактического и расчетного минералогического составов портландцементного клинкера, которое, несомненно, влияет на его гидратационную активность.

Степень такого различия в значительной мере определяется величиной глиноземистого модуля р. При глиноземистом модуле более 2 быстрое охлаждение клинкера от высоких температур приводит к увеличению фактического содержания C₃S по отношению к расчетному. Уменьшение глиноземистого модуля (р<2) сопровождается приближением фактического количества C₃S в клинкере к его расчетному значению. Интервалом величин глиноземистого модуля, в пределах которого наблюдаются близкие значения расчетного и фактического содержания в клинкерах C₃S, является 0,9...1,8. Дальнейшее понижение глиноземистого модуля приводит, наоборот, к уменьшению фактического содержания в клинкере C₃S по сравнению с его расчетным количеством.

В связи с неравновесными условиями получения клинкера составляющие его минералы могут находиться в метастабильных состояниях и при медленном охлаждении переходить в стабильные формы.

Основной минерал портландцементного клинкера C₃S стабильно существует только в интервале температур от 1250 до 2073°С. Ниже 1250°С алит при чрезвычайно медленном охлаждении может разлагаться на C₂S и СаО, что фактически не происходит на практике. Интенсифицирует распад C₃S слабовосстановительные условия, так как при этом происходит выделение из него растворенного закисного железа, которое катализирует процесс разложения. Кроме того, незначительное начальное разложение C₃S приводит к появлению в клинкере кристаллов алита с сильно дефектной структурой.

Двухкальциевый силикат в клинкере преимущественно стабилизирован в виде β -Ca₂SiО₄ ионами Mg²⁺, К⁺, Na⁺, Cr³⁺, SO^2-₄ и др. Только при очень медленном охлаждении становится возможным некоторый распад белитовых твердых растворов и частичное превращение β-Ca₂SiО₄ → C₂S. В зависимости от режима охлаждения и присутствующих примесей двухкальциевый силикат может фиксироваться в высокотемпературных модификациях а'_т, а'_L и а'_н, обладающих повышенной гидравлической активностью.

Чистый С₃А при медленном охлаждении от температуры обжига клинкера не распадается как в окислительной, так и в восстановительной средах. Твердые же растворы С₃А с Fe, Cr, Мn и S могут распадаться в слабовосстановительных условиях при температуре ниже 1300°С с образованием С₁₂А₇ и СаО.

Состав алюмоферритной фазы при медленном охлаждении, согласно диаграмме плавкости (рис. 14.15), изменяется от C₆AF₂ к C_6,67A₂,₃₃F. В восстановительных условиях алюмоферриты кальция разлагаются с выделением FeO, С₃А, C₁₂A₇, СаО и даже Fe.

Гидратационная активность клинкера определяется не только фазовым составом, но и, в значительной степени, его микроструктурой, на которую также влияет режим охлаждения. На основании представленных в разделе 14.2.1 (рис. 14.11) результатов видно, что слишком близкое расположение зоны спекания к горячему обрезу печи и, следовательно, быстрое охлаждение клинкера от высоких температур может приводить к некоторому снижению активности клинкера.

Проведенные В.К.Классеном дополнительные исследования подтвердили факт отрицательного влияния на активность клинкера высокой температуры, от которой происходит резкое его охлаждение. Так, для наиболее распространенного расчетного состава клинкера: C₃S=63%; C₂S=15%; С₃А=8%; C₄AF=13%; KH-0,92, п-2,2; р-1,3, при снижении начальной температуры охлаждения наблюдается увеличение активности в 28 суток твердения: при охлаждении от 1450°С - 47,5 МПа; от 1250°С - 50,0 МПа; от 1150°С - 55,4 МПа. Как видно, максимальная активность клинкера приведенного состава достигается его резким охлаждением от 1150^оС и формированием его оптимальной микроструктуры. Необходимо отметить, что минимальная температура, от которой следует проводить охлаждение, будет зависеть от фазового состава клинкера и присутствия в нем примесей. При этом, несомненно, что высокие прочностные свойства клинкера обеспечиваются только при резком режиме охлаждения.

Описать влияние свойств материалов на процесс помола. Объяснить процесс помола цемента в шаровой трубной мельнице.

Для твердых известняков применяются мельницы с отношением L/D ~ 4...5. Наибольшее распространение в последние годы получили двухкамерные мельницы размером 3,2x15 м. Для меловых пород применяются более короткие однокамерные мельницы размером 3,2x8,5 м. Устройства и принцип работы шаровой трубной мельницы для помола твердых пород показаны на рис. 1.

Рис. 1 - Схема управления процессом помола шлама в шаровой мельнице

Корпус мельницы предохраняется от истирании бронефутеровкой. При мокром помоле мягкого материала (мела, глины) корпус футеруется резиновыми пластинами. Кроме защитной функции специальный профиль бронефутеровки может способствовать подъему мелющих тел на большую высоту, чтобы обеспечить увеличение силы удара шара, а также препятствовать перемещению шаров по длине мельницы (сортирующие бронеплиты). В качестве мелющих тел используются стальные шары различного диаметра, а также цильпебс. Оптимальная загрузка шаровой мельницы материалом должна обеспечивать заданную тонкость помола, производительность мельницы и стабильный режим измельчения. Крупность материала, загружаемого в мельницу, также определяет ее производительность: чем меньше размер исходных кусков, тем выше производительность мельницы.

На рис. 2 представлена схема управления помолом в шаровой мельнице по мокрому способу производства. В мельницу подаются известняк, глина, железосодержащие добавки и вода. Периодически на выходе из мельницы контролируется влажность, тонкость помола и химический состав шлама. Если возникает более грубый помол, следует уменьшить количество подаваемого материала. Но в таком случае происходит запаздывание принимаемых мер. Для опережающего контроля используют датчик частоты звука 9 (микрофон). При уменьшении количества материала возрастает сила шума и частота звука - мельница «гремит», так как стальные шары ударяются не о материал, а о бронефутеровку. Это является сигналом к увеличению подачи материала. При «глухом» звуке принимаются противоположные действия.

Текущая влажность шлама контролируется ротационным вискозиметром 11, который представляет собой бачок со шламом, куда погружен ротор. При вращении ротора в зависимости от вязкости шлама создается различное сопротивление, которое отражается в виде изменения нагрузки на электродвигатель: чем больше влажность, тем ниже вязкость и меньше нагрузка на электродвигатель. Этот показатель поступает на датчик частоты звука 10, установленный в начале зоны шламообразования. Если влажность высокая, то удары шаров звонкие, частота звука высокая. Если - низкая, то удары шаров глухие, частота звука низкая. По показаниям приборов 10 и 11 система регулирования влажности шлама определяет необходимый расход воды. Конечная влажность определяется в лаборатории.

Подача в мельницу железосодержащей добавки и глины регулируется в зависимости от химического состава шлама на выходе из мельницы, который определяется рентгеновским спектрометром. Интенсифицировать процесс помола можно с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Замкнутая схема помола. При замкнутом цикле помола происходит классификация материала с возвратом крупки в мельницу на домол, Использование классификаторов повышает производительность мельницы на 30...35%, обеспечивает равномерный фракционный состав, предотвращает зарастание трубопроводов и емкостей крупкой.

Наибольшее применение на цементных заводах для классификации шлама получили дуговые грохоты, принцип работы которых показан на рис. 7.9. Шлам с большой скоростью пода­ется в дуговой грохот и движется по внутренней поверхности сита тангенциально. Вследствие такого движения шлама поперек ячеек через них проходят частицы размером в два раза меньше, чем размер ячейки и предотвращается их забивание.

Описать влияние условий сжигания топлива. Влияние режима охлаждения клинкера.

В промышленных условиях активность клинкера в значительной степени определяется условиями сжигания топлива. Эта взаимосвязь наблюдается при использовании жидкого, твердого и газообразного топлива. Так, например, при использовании высокосернистого мазута большое значение имеет степень присадки серы топлива к обжигаемому материалу, которая зависит от условия сжигания мазута (табл. 14.1). В качестве примера в таблице приведены данные по активности клинкера, отобранного одновременно из 4-х печей при одинаковом составе сырьевого шлама и топлива на Кантском заводе.

Таблица 14.1

Влияние присадки серы из топлива на активность клинкера

Клинкер	Печь	%	SO3, %	Активность, МПа
Пробы отобраны одновременно	№1	0,63	1,09	48,3
	№2	0,38	0,34	55,0
	№3	0,85	1,37	44,9
	№4	1,33	2,32	42,5

Эти данные свидетельствуют, что только изменением режима сжигания мазута можно значительно увеличить присадку серы и щелочей к материалу, в результате чего активность клинкера снижается с 55,0 до 42,5 МПа. Высокая активность наблюдалась при концентрации SO₃ в клинкере до 0,5%, а низкая - выше 1,3%.

Еще более наглядно влияние режима обжига прослеживается на рис. 14.13, где приведена активность клинкеров, одно­временно отобранных через каждый час.

В течение эксперимента не было визуально замечено видимых изменений в режиме работы печи, однако активность клинкера в течение 1 часа могла изменяться на 5...7 МПа, а за 4 часа более чем на марку, с 42,5 до 53,4 МПа. При сравнении результатов физико-механических испытаний и состава отходящих газов проявляется определенная зависимость активности клинкера от содержания кислорода в газовой среде печи. Так, при снижении количества О₂ до 1...2% значительно, иногда на 5…10 МПа, возрастала активность клинкера. Минимальная же активность клинкера, как правило, получалась при 2,5...4% О₂ в отходящих газах.

Установленная зависимость находит следующее объяснение. При уменьшении количества воздуха на горение, особенно первичного, когда содержание кислорода в отходящих газах становится менее 2%, существенно снижается скорость смешения топлива с воздухом. При таких условиях факел становится слегка коптящим, вялым и удлиняется за пределы зоны спека­ния. Недостаток кислорода в средней части факела способствует окислению серы мазута лишь до легколетучего сернистого ангидрида SО₂. Вследствие этого уменьшается концентрация SО₃ в клинкере, и повышается его активность. Влияние режима сжигания мазута па микроструктуру клинкера показано на рис. 14.14.

Рис. 14.14. Микроструктура клинкера при различных условиях сжигания высокосернистого мазута

Приведенные данные свидетельствуют, что оптимальная концентрация кислорода в зоне горения при сжигании высокосернистого топлива находится в пределах 0,8...1,5%. При этом формируются четко ограненные минералы C₃S и C₂S, которые обеспечивают высокую активность клинкера. Если же сжигание топлива производится с недостатком кислорода в восстановительных условиях или при повышенном содержании кислорода формируются кристаллы C₃S и C₂S неопределенной формы: C₂S - в виде дендридов, C₃S - с разрушенными краями. Такая кристаллическая структура клинкера снижает его активность.

Кроме того, как было показано ранее, при рациональном содержании кислорода в зоне сжигания топлива не образуется силикосульфат кальция 2C₂S∙ CaSО₄, отрицательно влияющий на активность клинкера (рис. 14.8).