10,3 Фізико-хімічні процеси при випалюванні сировинної суміші для отримання клінкеру

Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера сопровождаются сложными физическими и фи­зико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются спекшиеся зерна, со­стоящие в основном из минералов СзC, β-С₂5, С₃А, С₄А F и стекловидной фазы. Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси, определяется температурой обжига. При этом необходимо обеспечить условия, способствую­щие получению клинкера с монадобластической микрострукиукрой, характеризующейся распределением в его объеме хорошо закристаллизованных алита и белита. Этому способствует повышенный коэффици­ент насыщения сырьевой смеси и оптимальная продол­жительность выдержки клинкера в зоне высоких темпе­ратур.

Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию ды­мовых газов, имеющих значительную температуру (300— 600°С). При этом начинается энергичное испарение во­ды, сопровождаемое постепенным загустеванием шлама. В дальнейшем, когда значительная часть воды уже ис­парилась, образуются крупные комья, которые затем распадаются на более мелкие частицы вследствие ухуд­шения связующих свойств глиняного компонента, а так­же разрыхляющего воздействия цепей.

При последующем движении по длине печи матери­ал попадает в область более высоких температур. При 400—500 °С в материале выгорают органические приме­си и начинается дегидратация каолинита и других гли­нистых минералов с образованием каолинитового ангид­рида. Удаление из глины гидратной воды сопровождается потерей пластичности и связующих свойств, что приводит к распаду образовавшихся ранее комьев материала в подвижный порошок. Все эти про­цессы проходят в печи до температуры материала при­мерно 600—700°С. Участок печи, где вода испаряется и материал высыхает, называется зоной сушки.

Следующая зона, где происходит дегидратация гли­ны и идет дальнейшее нагревание материала до 700— 800 °С, называется зоной подогрева.

При 750—800 °С и выше в материале начинаются ре­акции в твердом состоянии между его составляющими. Вначале они едва заметны, однако с повышением темпе­ратуры материала до 1000°С и более интенсивность их резко возрастает. При 800°С в результате взаимодейст­вия между компонентами, находящимися в твердой фа­зе, начинается сцепление отдельных частичек порошка и образование гранул разного размера. Повышению интен­сивности реакций в твердом состоянии способствует тон­кое измельчение материала и тесное смешение компонен­тов.

При 900—1000°С резко усиливается разложение карбо­ната кальция с образованием СаОсвоб и углекислого га­за С0₂. Участок печи, где разложение углекислого каль­ция идет наиболее интенсивно, т. е. в пределах 900— 1100 °С, называется зоной кальцинирования. В этой зо­не печи потребление теплоты наибольшее.

Реакции образования силикатов, алюминатов и фер­ритов кальция являются экзотермическими. В связи с этим интенсивное образование указанных соединений со­провождается значительным выделением теплоты, что приводит к интенсивно­му повышению температуры материала на 150—200 °С на коротком участке печи. Этот уча­сток печи получил название экзотермической зоны. В зо­не кальцинирования, особенно в экзотермической зоне, с повышением температуры материала возрастает скорость образования С₂S, а также перехода СА в С₃А.

Участок печи, где проходит спекание материала и образование алита, называется зоной спекания. Здесь материал нагревается примерно от 1300 до 1450°С, что способствует более быстрому усвоению СаО двухкальциевым силикатом и образованию алита. Оптимальная температура спекания зависит в основном от свойств исходных материалов, наличия в них различных приме­сей, тонкости измельчения и однородности смеси. Выдер­живать материал при оптимальной температуре спекания нужно с надлежащей точностью, так как это в большой мере отражается на качестве клинкера: с одной стороны, увеличение продолжительности выдержки материала в зоне спекания способствует более полному усвоению СаО, что улучшает качество клинкера; с другой, — оно может вызвать чрезмерное укрупнение кристаллов али­та, отрицательно сказывающееся на его свойствах. Ис­следования и практика производства показывают, что портландцемента с высокими физико-механическими по­казателями получают из клинкеров, в которых алит и белит характеризуются благоприятной кристаллической структурой, а содержание неусвоенного СаО не превос­ходит 0,5—1 %.

Для ускорения процесса клинкерообразования, осо­бенно при изготовлении клинкеров с высоким содержа­нием С₃5, применяют специальные добавки-минерализа­торы. Минерализаторы не только способствуют снижению тем­пературы спекания материала и уменьшению вязкости расплавов, но и каталитически влияют на образование С₂S и С₃S и формирование их кристаллов. Большой эф­фект дает введение указанных фтористых солей в коли­честве 0,5—1 % массы клинкера.

После зоны спекания обжигаемый материал перехо­дит в зону охлаждения — последний участок печи, где полученный клинкер охлаждается воздухом от 1300 ^СС до температуры, при которой выходит из печи (1000— 1100 °С). До температуры примерно 1300°С в нем при­сутствует еще жидкая фаза и продолжается реакция ус­воения СаО и образования С₃S. Затем жидкая фаза за­стывает и спекание заканчивается.

Обычно при охлаждении клинкера с 1450 до 1300 °С и ниже жидкая фаза в нем застывает частично в виде стекла, частично же при этом происходит кристаллиза­ция из расплава С₃А, С₄АF. Степень закристаллизованности расплава зави­сит от скорости охлаждения материала после его выхо­да из зоны спекания.