Обжиг портландцементного клинкера

Обжиг клинкера проводят во вращающихся печах.

Вращающаяся печь – сварной цилиндр, расположенный под углом 3-4⁰. Обжигаемый материал занимает до 13% объема печи.

Цементная печь это противоточный агрегат. С верхнего холодного конца подается сырьевая смесь (шлам), с горячего конца – топливо. Передача тепла от топлива происходит по всей длине печи излучением и конвекцией. Для повышения эффективности теплообмена внутреннее пространство печи оборудовано теплообменными устройствами: цепными завесами, фильтрами-подогревателями, пересыпными теплообменниками и т.д. Теплообменные устройства обладают большой поверхностью, что обеспечивает улучшение теплообмена.

Печь делится на 6 технологических зон.

t газового потока	200  800 1300		1500	1600	1700
	I	II	III	IV	V	VI
% от длины печи	35-40	15-20	20-25	7-10	10-15	2-4
t материала, 0С	20  100 800		1000	1300	1450 1300	1200

I. Зона сушки. В этой зоне происходит испарение воды; переход шлама из текущего состояния к пластичному, а затем к сухому с образованием гранул материала. После потери шламом пластичности, цепные завесы должны быть подобраны так, что бы обеспечить продвижение материала и теплообмен, но не разрушать гранулы материала, т.к. это приводит к выносу части материала из печи с газовым потоком.

II. Зона подогрева. Происходит выгорание органических примесей; удаление из минералов химически связанной воды.

AS₂H₂ → AS₂ + Н₂О

III. Зона декарбонизации. Происходит массовое разложение карбонатного кальциевого компонента с выделением СаО. СаСО₃СаО + СО₂. Для прохождения этой эндотермической реакции необходимо затратить большое количество тепла – 452 ккал/кг СаО. В клинкере содержится 60-65% СаО, следовательно основные затраты тепла идут на разложение карбонатного компонента.

IV. Зона экзотермических реакций. В этой зоне появляются свободные оксиды SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃, которые образуются при разложении сырьевых материалов. Щелочной оксид СаО начинает взаимодействовать с оксидами SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃, которые в клинкерной системе проявляют себя как кислые. В результате кислотно-основного взаимодействия образуются клинкерные минералы: 2СаО∙SiO₂ – белит, 3СаО∙Аl₂O₃ – трехкальциевый алюминат и 4CaO∙Al₂O₃∙Fe₂O₃ четырехкальциевый алюмоферрит. Реакции образования этих минералов идут в твердой фазе и с выделением тепла, т.е. экзотермические реакции.

2СаО + SiO₂  2СаО∙SiO₂ + 171-175 ккал/кг.

Таким образом, экзотермические реакции энергетически выгодны. Благодаря этим реакциям, теоретическая теплота образования клинкера составляет 420 – 400 ккал/кг, при необходимости затратить 452 ккал на образование 1 кг СаО.

V. Зона спекания. Наличие в сырьевой смеси оксидов алюминия и железа обеспечивает образование расплава. Жидкая фаза начинает образовываться при температуре 1338⁰С. Количество расплава от 20 до 30% (обычно 25-28%). В жидкой фазе происходит растворение С₂S и СаО, в результате образуется С₃S. Растворимость С₃S в расплаве значительно ниже, чем С₂S, следовательно расплав быстро пересыщается относительно С₃S и он выпадает в осадок в виде мелких кристаллов, процесс повторяется, кристаллы С₃S укрупняются и т.д. Благодаря присутствию расплава упрочняются ранее образовавшиеся клинкерные гранулы и образуются новые.

VI. Зона охлаждения. Температура материала падает, клинкерные минералы выкристаллизовываются из расплава.

За обрезом печи или на ее корпусе устанавливается клинкерный холодильник. Резкое охлаждение клинкера это один из наиболее эффективных приемов повышения качества цемента. При резком охлаждении фиксируются наиболее гидравлически активные клинкерные фазы, которые обеспечивают высокие прочностные показатели цемента. Если клинкер охлаждается с недостаточной скоростью, то обратимые реакции образования клинкерных минералов могут сдвинуться в сторону распада и состав клинкера не будет обеспечивать высокую прочность. При медленном охлаждении происходит распад С₂S до  формы, которая не имеет гидравлической активности. Распад минералов приводит к клинкерному пылению.

Основным показателем качества обжига клинкера является полное связывание СаО в клинкерные минералы. Остаток оксида кальция определяется как СаО_св и должен быть не более 1,5%.

В печах работающих по сухому способу отсутствует зона сушки и обычно часть зоны декарбонизации. Подготовка сухой сырьевой смеси проходит в циклонных теплообменниках, пироклонах, декарбонизаторах, конвейерных кальцинаторах и т.д.

Топливо

Бывает твердое, жидкое и газ.

Твердое: уголь, сланцы.

Если завод работает на твердом топливе, то на нем существует угольное отделение, задача которого подготовить топливо дли сжигания во вращающейся печи. Этапы подготовки твердого топлива: сушка (до 10-12% остаточной влаги) и помол. Необходимо строго соблюдать технику безопасности так как угольная пыль способна к самовозгоранию.

Жидкое: мазут. Мазут сжигают в распыленном состоянии. Подготовка заключается в подогреве топлива до 60-120⁰С.

Твердое и жидкое топливо состоят из горючей и негорючей частей.

Горючая часть: углерод, водород, кислород, сера.

Негорючая часть: зола и влага.

Зола присаживается к материалу печи. В состав золы входят:

SiO₂  50%, Al₂O₃ 20%, Fe₂O₃  10-20%, CaO  5%, MgO, SO₃. При составлении сырьевой смеси, которую будут обжигать на жидком или твердом топливе обязательно учитывают присадку золы.

Газ не требует специальной подготовки.

Сжигание топлива проводят в окислительной среде, для избежания его недожега. Недожег топлива взрывоопасен, опасен отравлением угарным газом, приводит к перерасходу топлива, т.к. горение при недожеге не дает необходимого количества тепла.

Окислительная среда обеспечивается избыточным количеством воздуха, которое подают на горение. Избыток воздуха требует повышенного расхода топлива для нагрева до температуры горения, но позволяет избежать всех опасностей недожега.

Футеровка печи

Цементная вращающаяся печь изнутри футеруется различными видами огнеупорного кирпича. Футеровка выполняет две функции: 1) снижение теплопотерь в окружающую среду; 2) защита корпуса печи от действия высоких температур.

Пот длине печь футеруется различными огнеупорами.

Огнеупоры должны обеспечить термическую и химическую стойкость, т.к. огнеупоры служат при большом перепаде температур и взаимодействуют с обжигаемым материалом.

До места появления расплава печь футеруют огнеупорным бетоном (цемент + шамотная крошка) и шамотным кирпичом, далее печь футеруется химически стойкими огнеупорами – хромито-магнезиальными и магнезиально-хромитовыми и т. п.