34.Пц Фазовый и минералогический составы клинкера

Наивысшая температура обжига клинкера 1450-1470 ^оС. При такой температуре существуют кристаллическая и жидкая фаза (жидкой фазы 15-22 %). В процессе остывания часть жидкой фазы кристаллизуется, а часть остается в виде стекла. Известно, что в жидкую фазу могут переходит алюминаты и ферриты, а силикаты кристаллизуются.

Двойные системы: СаО-SiO₂, CaO-Al₂O₃, CaO-Fe₂O₃.

Тройные системы: СаО- Al₂O₃-SiO₂, CaO-Al₂O₃- Fe₂O₃.

Основные фазы:

Алитовая фаза - Трехкальциевый силикат С₃S – основной минерал клинкера. Является основным носителем прочности. Схватывается в течение нескольких часов и быстро наращивает прочность.

Белититовая фаза – двухкальциевый силикат С₂S. Твердеет очень медленно. Спустя 1-2 года становится прочнее алита.

Промежуточное вещество – образуется из расплава. Это третья фаза клинкера (после алита и белита). Представлено: светлым веществом – алюмоферриты кальция, темным вещество – трехкальциевым алюминатом, клинкерным стеклом (6-12% массы клинкера).

Трехкальциевый алюминат С₃А. Схватывается почти мгновенно, выделяя большое количество тепла. На воздухе приобретает прочность, но в воде теряет ее. В присутствии других клинкерных минералов делает цемент быстротвердеющим.

Целит (алюмоферриты кальция) – четырехкальциевый алюмоферрит С₄АF. Имеет короткие сроки схватывания, но твердеет медленно, в течение длительного времени приобретая большую прочность.

Клинкерное стекло – содержит большое количество Fe₂O₃, Al₂O₃.

Второстепенные фазы:

Щелочные фазы (соединения натрия, калия)

Свободный СаО (до 1% массы клинкера) – оказывает отрицательное влияние на свойства ПЦ.

Периклаз MgO – нежелательная фаза.

На свойства ПЦ влияет не только фазовый состав клинкера, но и его структура, характер кристаллизации отдельных минералов.

Для получения клинкера оптимальной структуры (мелкая кристаллизация минералов) необходимы:

• Однородность сырья

• Тонкий помол сырьевой смеси

• Использование беззольного топлива

• Резкий обжиг и резкое охлаждение.

35. Пц Модульная характеристика клинкера

Содержание отдельных оксидов в клинкере колеблется незначительно. Поэтому проектировать состав клинкера по отдельным оксидам не принято. Более важной характеристикой клинкера является соотношение между основными оксидами и содержание клинкерных минералов.

Соотношение между основными оксидами в клинкере и в сырьевой смеси определяется тремя модулями:

• Гидравлический, или основный модуль

= 1,9-2,4 (для рядовых ПЦ)

• Кремнеземистый, или силикатный модуль: =1,7-3,5 (для рядовых ПЦ)

• Глиноземистый, или алюминатный модуль: = 1-3 (для рядовых ПЦ)

В белом ПЦ алюминатный модуль резко возрастает. Чем выше гидравлический модуль, тем более быстротвердеющим будет ПЦ. Сырьевые смеси с высоким кремнеземистым модулем спекаются труднее, чем с низким. И так далее.

Модули дают информацию о некоторых свойствах цемента, об особенностях процесса спекания. Но не дают информации о минералогическом составе клинкера.

Выведена дополнительная характеристика клинкера. Исходили из того, что в идеале все кислотные оксиды должны быть насыщены окисью кальция. Однако в реальных клинкерах полного насыщения нет, т.к. реакции клинкерообразования идут не до конца, а присутствие свободной извести нежелательно. Поэтому взамен гидравлического модуля введен коэффициент насыщения:

Зная коэффициент насыщения, кремнеземистый и глиноземистый модули и химический состав клинкера, можно определить его минералогический состав. При известном минералогическом составе клинкера можно вычислить его химический состав, КН и модули:

% SiO₂ = 0,263*С₃S + 0,349*C₂S + SiO₂^cв = 22,54%

% Al₂O₃ = 0,377*C₃A + 0,210*C₄AF = 5,58%

% Fe₂O₃ = 0,329*C₄AF = 4,60%

% CaO = CaO^св + 0,737*C₃S + 0,651*C₂S + 0,623*C₃A + 0,461*C₄AF = 66,28%

Расчет состава сырьевой смеси для производства клинкера.

Цель расчета состава сырьевой смеси – определить такое соотношение между отдельными компонентами шихты, при котором бы получался клинкер с заданной характеристикой.

Для того чтобы рассчитать сырьевую смесь, необходимо иметь химический анализ сырьевых компонентов и характеристику клинкера.

Клинкер может быть охарактеризован:

1. Минералогическим составом.

2. С помощью коэффициента насыщения и модулей.

Существуют рекомендации о рациональном составе клинкера.

Для рядового ПЦ рациональный состав клинкера:

Минерал	Рациональное содержание в клинкере, %
Алит С3S (3СаО*SiO2)	52…62
Белит С2S (2СаО*SiO2)	13…20
Трехкальциевый алюминат С3А (3СаО*Al2O3)	5…8
Алюмоферриты кальция С4АF (переменного состава)	13-16
Другие	2…4

При этом модульная характеристика:

КН=0,9±0,02

n=2,2±0,3

р=1,3±0,3

Химический состав сырья необходимо привести к 100%.

Расчет начинают с 2х компонентной шихты. При этом определяется соотношение основных компонентов (известняк и глина) для получения заданного КН.

Затем для определения необходимости введения дополнительных компонентов (корректирующих добавок) рассчитывают модули для 2х компонентной шихты.

При этом теоретически может возникнуть 5 случаев:

1. n=n_з, р=р_з (предпочтителен, но встречается очень редко)

2. n>n_з, р>р_з (наиболее распространен, требуется железистая добавка)

3. n<n_з, р<р_з (встречается редко, требуется введение кремнеземистой и глиноземистой добавки)

4. n>n_з, р<р_з (встречается очень редко, требуется введение глиноземистой добавки)

5. n<n_з, р>р_з (требуется введение кремнеземистой и железистой добавки)

После определения, какую добавку следует вводить, рассчитывают трех или четырехкомпонентную шихту (по формулам или по графикам).

Пример

Задаемся минералогическим составом клинкера, исходя из рекомендаций [1-3] о рациональном минералогическом составе для рядового портландцемента.

Таблица 2.3 – Минералогический состав клинкера

Минерал	Рациональное содержание в клинкере, %	Приятое содержание в клинкере, %
Алит С3S (3СаО*SiO2)	52…62	58
Белит С2S (2СаО*SiO2)	13…20	18
Трехкальциевый алюминат С3А (3СаО*Al2O3)	5…8	7
Алюмоферриты кальция С4АF (переменного состава)	13-16	14
Другие	2…4	3

Существуют формулы для перерасчета минералогического состава клинкера на химический (и наоборот):

% SiO₂ = 0,263*С₃S + 0,349*C₂S + SiO₂^cв = 22,54%

% Al₂O₃ = 0,377*C₃A + 0,210*C₄AF = 5,58%

% Fe₂O₃ = 0,329*C₄AF = 4,60%

% CaO = CaO^св + 0,737*C₃S + 0,651*C₂S + 0,623*C₃A + 0,461*C₄AF = 66,28%

При таком составе модульная характеристика клинкера следующая:

Производим расчет двухкомпонентной шихты – известняк и глина для получения заданного коэффициента насыщения. Химический состав известняков и глины представлен в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Химический состав компонентов сырьевой шихты

Компонент	Содержание оксида, % по массе
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	прочие оксиды	ППП
Известняк	0,32	0,12	0,06	55	0,5	44,0
Глина	45,4	38,8	0,3	0,1	0,6	13,8
Опока (кремнеземистая добавка)	90,04	1,39	0,6	0,92	5,05	2,0
Колчеданные огарки (железистая добавка)	5,0	1,5	72	0,8	13,7	7,0

Найдем соотношение между известняком и глиной, которое обеспечит требуемый коэффициент насыщения:

Таким образом, при соотношении известняка и глины в сырьевой шихте как 3,2 : 1 обеспечивается требуемый коэффициент насыщения. Составим пропорцию:

На 4,2 части сырьевой смеси – 3,2 части известняка

На 100% сырьевой смеси – x% известняка

Следовательно, в 100% двухкомпонентной сырьевой смеси должно содержаться 76% известняка и 24% глины. Определим, обеспечивает ли двухкомпонентная сырьевая смесь требуемые силикатный и алюминатный модули:

<2,21

>1,21

Таким образом, двухкомпонентная шихта не обеспечивает требуемые силикатный и алюминатный модули. Силикатный модуль ниже требуемого уровня, и нужно вводить кремнеземистую добавку. Алюминатный модуль значительно выше требуемого уровня, и нужно вводить также железистую добавку. Химический состав добавок представлен в таблице 2.4.

Вводим в шихту 5% огарок и 5% опоки. Тогда на 100% сырьевой смеси будет известняка и глины – 90%. Сохраняя соотношение: на 100% данной двухкомпонентной смеси – 76% известняка, получаем: 90% * 0,76 = 68% известняка и 90 – 68 = 22% глины в четырехкомпонентной смеси. Расчет сводим в таблицу 2.4.

Таблица 2.4 – Состав сырьевой шихты

Компонент шихты	Содержание в сырьевой шихте, % по массе
Известняк	68
Глина	22
Опока	5
Колчеданные огарки	5