Структура и свойства шламов и шликеров

Сырьевые цементные шламы и глиняные шликеры – полидисперсные полиминеральные суспензии, в которых твердая фаза представлена частичками карбонатной породы, глины, кварца и других минералов, а жидкая – водой (иногда растворами электролитов для глиняных шликеров). Размер твердых частиц колеблется в широких пределах от сотен ангстрем до сотен микронов и более.

Крупные фракции представлены в основном непластичными минералами (кварцем, карбонатом кальция, полевым шпатом, а мелкие глинистыми минералами, аморфной кремнекислотой, гидратами оксидов железа и алюминия). Они могут рассматриваться как системы близкие к коллоидным. Структура шламов может быть представлена в виде пространственной сетки каркаса, образованной молекулярным сцеплением друг с другом атомов, ионов, молекул коллоидных и дисперсных частиц.

Структурная единица шлама – это мицелла-ассоциат, состоящая из трех зон:

1 зона – это ядро, которое состоит из кристаллической решетки твердой частицы (зерен кварца, карбонатов кальция или магния, полевого шпата и т.д).

2 зона – адсорбционный слой, который образуется за счет сорбции из водного раствора катионов металлов (К⁺,Na⁺, Са²⁺, Мg²⁺), молекул воды и положительно заряженных гидроксидов алюминия и железа.

3 зона – диффузный слой, образованный мелкими кристаллами глинистых компонентов и слабосвязанной водой (он поддерживает общую электронейтральность и не имеет определенной ориентировки).

В шламах и шликерах можно выделить три типа воды:

- прочно связаннаяв сольватных оболочках минеральных частиц (т.е. адсорбционном слое). Молекулы воды в этом слое прочно связаны (структура адсорбционного слоя воды приближается к структуре кристалла). Молекулы воды в адсорбционном слое находятся в ином физическом состоянии, чем капельно-жидкое, и называется прочно связанным. Слой прочно связанной воды не способен повышать текучесть шламов и шликеров.

- вода, входящая в рыхлый диффузный слой. Здесь преобладает капиллярная , имеется также капельно-жидкая вода. Чем толще диффузный слой, тем выше подвижность суспензии.

- свободная вода– это вода входящая в пространство между частичками и обладает свойствами обычной воды. Ее также называют разжижающей водой.

СВОЙСТВА ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ

1. Состав суспензий. Дисперсная фаза должна иметь определенный вещественный и химический состав. Состав должен быть однородным по объему. Однородность состава не должна меняться в процессе хранения и использования.

2. Устойчивость суспензий. Суспензия должна сохранять кинетическую и агрегативную устойчивость (т.е. равномерное распределение частиц по всему объему). Частицы дисперсной фазы не должны коагулировать, т.к. это может привести к осаждению последних, что в конечном итоге вызовет расслаивание суспензии. Грубый помол делает суспензию нестойкой, а слишком тонкий требует увеличения содержания дисперсионной среды (что в последствии приведет к повышению расхода энергии на сушку или обжиг). Агрегативная стойкость коллоидной системы тем ниже, чем больше концентрация твердой фазы.

3. Влажность. Влажность сырьевых шламов (отношение массы жидкой фазы к общей массе жидкой и твердой фаз) является очень важной характеристикой водных суспензий, так как от их влажности зависит подвижность, а также расход топливно-энергетических ресурсов на их сушку или обжиг. Влажность сырьевых шламов колеблется в пределах 35-55%.

4. Текучесть суспензий. Текучесть шликера определяется временем истечения (в секундах) 100 см³шликера при температуре +15⁰С через отверстие витскозиметра Энглера диаметром 6 мм. Текучесть цементных сырьевых шламов определяется по прибору МХТИ-ТН-2 по расплыву стандартного конуса. Шламы нормальной текучести дают расплыв конуса (50+2мм).

Вискозиметр Энглера 1 – термометр; 2 – штырь-пробка; 3 – внутренний сосуд; 4 – термостат; 5 – мерный сосуд-приемник

МХТИ-ТН–2

На подвижность суспензии заметно влияют содержание и минералогический состав глинистой составляющей , дисперсность и зерновой состав твердой фазы, влажность и температура суспензии (суспензии на основе монтмориллонитовых глин способны сильно набухать в результате легкого диспергирования глины с водой с образованием очень рыхлых диффузных оболочек, вовлекающих большое количество воды. В связи с этим суспензии на основе монтмориллонитовых глин обладают повышенной влажностью, вязкостью и низкой текучестью. Суспензии на основе гидрослюд и каолинитовых глин имеют малую набухаемость, а следовательно, пониженную влажность.

5. Загустеваемость суспензии. Суспензия загустевает в результате тиксотропного упрочнения, т.е. система способна восстанавливать свою структуру после первоначального разрыва связей под действием внешней приложенной силы. Определяется загустеваемость количеством и составом глинистого компонента и типом адсорбированных глиной ионов. Наличие ионов Са²⁺, Мg²⁺,SO₄^2-способствует быстрой загустеваемости. Коэффициент загустеваемости выражается отношением вязкости суспензии после отстаивания в течение 30 минут к вязкости той же суспензии через 30 с после приготовления.

6. Скорость фильтрации суспензии (фильтруемость). Является важной характеристикой при литье из водных шликеров, а также при комбинированном способе производства цемента, когда шлам перед обжигом подвергают фильтрации на вакуум-фильтрах. От скорости фильтрации зависит производительность оборудования, расход топлива на обжиг сырьевых смесей. Скорость фильтрации (т.е. скорость водоотдачи) зависит: от влажности суспензии, минералогического и гранулометрического состава глинистой составляющей, тонкости помола отощающих добавок. Чем выше дисперсность глиняной составляющей, чем меньше скорость фильтрации. Хорошо фильтруются суспензии на основе гидрослюд, плохо – монтмориллонитовых глин, а также меловые суспензии. Ускорить водоотдачу можно нагреванием суспензий и форм до 35-40⁰С, т.к. при этом вязкость понижается.

7. Электрокинетический потенциал ( - потенциал). Он является приближенной характеристикой толщины диффузного слоя воды, и численно равен разности потенциалов между границами адсорбционного и диффузного слоев воды и пропорционален количеству адсорбированных диффузным слоем ионов. Чем более развита диффузная часть сольватной оболочки, тем более устойчива коллоидная глинистая система и тем выше ее - потенциал. Так при замещении ионов Са²⁺, Мg²⁺на одновалентные К⁺,Na⁺увеличивается степень сольватации глинистых частиц, повышается устойчивость коллоидной системы, что приводит к повышению - потенциала и наоборот введение двух- и трехвалентных катионов приводит к снижению устойчивости системы и коагуляции сольватированных частиц с последующим их осаждением.