38. Основы технологии портландцементного клинкера.

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещест­во, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80%). Портландцемент — продукт тонкого измельчения клинкера с добав­кой гипса (3-5%). Клинкер представляет собой зернистый материал, полученный обжигом до спекания (при 1450 °С) сырьевой смеси, состоящей в основном из углекислого кальция (известняки различ­ного вида) и алюмосиликатов (глины, мергеля, доменного шлака и др.).

Принципы производства

Производство портландцемента: добыча в карьере и доставка на завод сырьевых материалов известняка и глины; приготовление сырьевой смеси; обжиг сырьевой смеси до спекания — получение клинкера; помол клинкера с добавкой гипса — получение портланд­цемента.

Сырьевые материалы. Известняки с высоким содержанием углеки­слого кальция (мел, плотный известняк, мергели и др.) и глинистые породы (глины, глинистые сланцы), содержащие SiО₂, А1₂О₃ и Fe₂О₃. Примерное соотношение между карбонатным и глини­стым составляющими сырьевой смеси 3:1 (т. е. берется около 75% известняка и 25% глины). В сырьевую смесь вводят добавки, коррек­тирующие химический состав, регулирующие температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера.

Подготовка сырья. Приготовление сырьевой массы состоит в тонком измельчении и смешении взятых в установленном соотно­шении компонентов, что обеспечивает полноту прохождения хими­ческих реакций между ними и однородность клинкера. Приготовле­ние сырьевой смеси осуществляется сухим, мокрым и комбинированным способами.

Сухой способ заключается в измельчении и тесном смеще­нии сухих (или предварительно высушенных) сырьевых материалов, поэтому сырьевая смесь получается в виде минерального порошка, называемого сырьевой мукой. Сырьевую муку направляют в силосы, в них корректируется со­став сырья и создается запас, необходимый для бесперебойной рабо­ты печей. Наиболее энергоемкий процесс — декарбонизация сырья — вынесен в специальное устройство — декарбонизатор, в котором он протекает быстрее и где СаСОз разлагается.

Мокрый способ приготовления сырьевой смеси применяют, если мягкое сырье имеет значительную влажность (мел, глины). Тонкое измельчение и смешение исходных материалов осуществля­ется в водной среде, поэтому сырьевая смесь получается в виде жид­котекучей массы - шлама с большим содержанием воды (35-45%).

Совместное измельчение известняка, глины и корректирующих добавок (например, пиритных огарков, содержащих Fe₂О₃) обеспе­чивает тщательное смешение исходных материалов и получение од­нородной сырьевой смеси. Помол сырья производят до остатка на сите 008 не более 8-10%, следовательно, более 90% частиц смеси имеет размер менее 80 мкм. Из трубных мельниц известково­глиняный шлам перекачивают насосами в вертикальные или гори­зонтальные резервуары (шламбассейны), в них корректируют и ус­редняют химический состав шлама.

39. Физико-химические процессы, объясняющие получение клинкера во вращающейся печи.

Обжиг. Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Шахтные печи применяют иногда только при сухом способе производства. Вращающаяся печь представляет собой длинный, рас­положенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из лис­товой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина пе­чей 95-185-230 м, диаметр 5-7 м.

Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье в виде порошка (сухой способ) или в виде шлама (мокрый способ) пода­ется автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холод­ного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде факела на протяжении 20-30 м длины печи. Горячие газы поступают навстречу сырью. Сырье занимает только часть печи по поперечному сечению, и при ее вращении со скоростью 1-2 об/мин медленно дви­жется к нижнему концу, проходя различные температурные зоны.

В зоне испарения происходит высушивание поступившего сырья при постепенном повышении температуры с 70-80 °С (в конце этой зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушен­ный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы.

В зоне подогрева, которая следует за сушкой сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 °С до 700 °С, сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глинистых минералов удаляется кри­сталлохимическая вода (при 450-500 °С) и образуется каолинитовый ангидрит Al₂О₃ х 2SiО₂ и другие подобные соединения.

В зоне кальцинирования температура обжигаемого материала под­нимается с 700°С до 1100°С, здесь завершается процесс диссоциации углекислых солей кальция и магния и появляется значительное коли­чество свободного оксида кальция. В этой же зоне происходит распад дегидратированных глинистых минералов на оксиды SiО₂, А1₂О₃, Fe₂О₃, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В ре­зультате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы ЗСаО х А1₂О₃, СаО х А1₂О₃ и частично 2CaО х SiО2 — белита.

В зоне экзотермических реакций (1100-1250 °С) проходят твердо­фазовые реакции образования ЗСаО х А1₂О₃; 4CaО х Al₂О₃ х Fe₂О₃ и белита.

В зоне спекания (1300-1450 °С) температура обжигаемого мате­риала достигает наивысшего значения, необходимого для частично­го плавления материала и образования главного минерала клинкера - алита 3CaО х SiО₂ почти до полного связывания оксида кальция (в клинкере СаО _свобод — не более 0,5-1%).

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 °С до 1000 °С; здесь полностью формируется его структура и состав.

Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мел­ких камнеподобных зерен-гранул темно-серого или зеленовато­серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000 °С до 100—200 °С. После этого клинкер выдерживается на скла­де 1-2 недели.