Лабораторная работа № 7 Приготовление и исследование свойств портландцементного сырьевого шлама

Цель работы: используя данные расчета компонентного состава сырьевой смеси, приготовить сырьевую смесь, обеспечивающую получение клинкера с заданными характеристиками; освоить методику определения влажности шлама; определение частных остатков на контрольных ситах № 02 и № 008 для приготовления сырьевой смеси; исследовать влияние пластифицирующих реагентов на текучесть шлама.

Основные понятия

Портландцементным клинкером называется кусковой продукт, образующийся в результате обжига до спекания (при максимальной температуре = 1450°С) тонкоизмельчённой и тщательно гомогенизирован­ной сырьевой смеси, состоящей из известняка (или мела) и глины, взятых в соотношениях, которое обеспечивает в клинкере преобладание высоко­основных силикатов кальция. Обычно соотношение известняка (мела) и глины в сырьевой смеси составляет по массе примерно от 75:25 до 80:20. Известняк или мел являются для клинкера источником СаО₂ , а глина – источником SiO₂, Аl₂О₃ и Fe₂О₃.

Клинкер является полуфабрикатом. Для получения из него портландцемента клинкер размалывается в тонкий порошок совместно с добавкой гипса.

Портландцементный клинкер содержит четыре основных оксида: СаО (63-67%); SiO₂ (20-25%); Аl₂О₃ (4-8%); Fе₂О₃ (2-6%). Эти оксиды образуют четыре главных минерала клинкера: 3CaO-SiO₂ (С₃S) – трехкальциевый силикат (алит); 2CaO-SiO₂ (C₂S) – двухкальциевый силикат (белит); ЗСаО-Аl₂О₃ (С₃А) – трехкальциевый алюминат и 4СаО-А1₂О₃-Fе₂О₃ (С₄АF) – четырехкальциевый алюмоферрит. Их содержание в клинкере обычного портландцемента находится в следующих пределах: С₃S – 40-65%; C₂S – 15-40%; С₃А – 3-15%; C₄AF – 10-20%.

Состав портландцементного клинкера и сырьевой смеси для его изготовления характеризуется модулями, к которым относятся: коэффициент насыщения (КН), силикатный (n), глиноземистый (p) и гидравлический (m) модули. Их значения характеризуют соотношение в клинкере главных оксидов (СаО, SiO₂; Аl₂О₃ и Fе₂О₃ ) и, кроме того, делят определенную характеристику его минералогического состава. Значения модулей определяются следующими выражениями (для КН приводится принятая для расчёта сырьевой смеси упрощённая формула):

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

где CaO, Al₂O₃ и Fe₂O₃ – содержание оксидов, %.

Следует отметить, что при использовании КН для характеристики состава клинкера отпадает необходимость применения гидравлического модуля, поэтому в н. в. расчёт состава сырьевой смеси обычно ведётся по значениям КН, n и p.

Если состав основных сырьевых материалов (известняка, глины) не обеспечивает нужного соотношения в клинкере оксидов, то в сырьевые смеси вводятся корректирующие добавки, повышающие или понижающие значения того или иного модуля. В качестве кремнеземистых коррек­тирующих добавок используются богатые SiO₂ материалы - трепел, глина с высоким содержанием SiO₂, песок и т.д., в качестве железистых добавок - колчеданные огарки, колошниковую пыль, железную руду и т.д. в качестве глиноземистых добавок - глины с высоким содержанием Al₂O₃, бокситы и т.д.

Клинкерные минералы не равноценны по своим свойствам. Наиболее важным и ценным минералом является С₃S, который быстро твердеет и уже в ранние сроки твердения образует цементный камень высокой прочности. Поскольку современные методы строительства требуют применения цементов с высокой прочностью и ее быстрым нарастанием во времени, в обычных портландцементных смесях стремятся повысить содержание С₃S, что связано с необходимостью повышения в них СаО, однако это должно сопровождаться одним непременным условием. Известь должна быть связана с другими оксидами в клинкерные минералы и не должна присутствовать в клинкере в значительных (>1-2%) количествах в свободном состоянии. Если содержание СаО_св. в портланд­цементе >2%, то может обнаружиться нежелательное явление, которое называется неравномерностью изменения объема.

Сущность этого явления заключается в следующем. Гашение извести, т. е. взаимодействие СаО с Н₂О с образованием Са(ОН)₂ сопро­вождается значительным увеличением объема твердой фазы в 2-3,5 раза. В печах для обжига клинкера свободная известь подвергается действию очень высоких температур (1450°С). Такая пережженная известь гасится очень медленно, и ее гашение может происходить после того, как портландцемент уже затвердел. Увеличение объема в этих условиях вызы­вает появление в цементном камне вредных внутренних напряжений, что может привести к образованию трещин, снижению прочности и даже полному разрушению цементного камня.

Для цементных заводов, работающих по мокрому способу производства, большое значение имеет влажность сырьевого шлама, которая должна обеспечивать необходимые значения текучести или реологических свойств. Абсолютная влажность шламов на разных заводах предопределяется физико-химическими свойствами используемого сырья и составляет 30-45% при среднегодовом отклонении от оптимального значения 2%.

При недостаточном количестве воды, сырьевой шлам будет малоподвижным (низкая текучесть, большая вязкость), что потребует увеличение расхода воздуха и механической энергии на его перемешивание в шламбассейнах, транспортировку с помощью шламовых насосов по трубопроводам во вращающуюся печь. Избыток воды в шламе приводит к увеличению удельного расхода топлива на его сушку. Установлено, что снижение влажности шлама на 1% приводит к уменьшению удельного расхода топлива на обжиг также на 1%.

Центральная заводская лаборатория или лаборатория сырьевого цеха осуществляют оперативный технологический контроль за влажностью шлама путем отбора не реже 1 раза в час проб шлама из течек мельниц, шламбассейна и шламового питателя печи. По результатам этих анализов производится оперативная корректировка влажности шлама в соответствии со значением, предусмотренным технологической картой.

Текучесть шлама является обратной величиной его вязкости и широко используется на цементных заводах, работающих по мокрому способу, в качестве важнейшего технологического параметра, по которому производится контроль процесса приготовления шлама. Необходимый уровень текучести шлама достигается при оптимальной влажности, которая колеблется в пределах 30-45% и зависит, прежде всего, от природы и физико-химических свойств глинистого и карбонатного компонентов. Кроме того, на текучесть шлама большое влияние оказывают дисперсность твердой фазы, температура шлама, соотношение компонентов сырьевой смеси, наличие различных добавок. Шлам является типичным объектом коллоидной химии, которая располагает теорией и практикой стабилизации суспензий и рекомендует использовать для регулирования текучести сырьевых шламов химические добавки двух видов: добавки-электролиты и поверхностно-активные вещества. Эффективность первых обусловлена их действием на двойной электрический слой, образующийся вокруг частиц. Электролиты уменьшают размер этого слоя, уплотняя его и высвобождая частично воду, в результате чего увеличивается количество свободной воды, ослабляющей молекулярные силы притяжения между частицами.

Действие ПАВ объясняется тем, что их молекулы адсорбируются на поверхности частиц полярным концом, а углеводородным радикалом обращены в жидкость, в результате чего вокруг частиц образуются «масляные» оболочки, ослабляющие силы взаимодействия частиц, что увеличивает не только их взаимную подвижность, но и подвижность всей системы в целом.

Тонкость помола сырьевой смеси определяют в заводской лаборатории одновременно с влажностью шлама в пробах, отобранных из мельниц, шламбассейнов и шламовых питателей.

Тонкость помола сырьевой смеси оказывает большое влияние не только на ее реакционную способность в процессе обжига, но и на свойства шлама. При очень тонком помоле увеличивается удельный расход электроэнергии на помол, снижается производительность мельниц и увеличивается износ их бронефутеровки и мелющих тел, уменьшается текучесть (подвижность) шлама, возникает необходимость увеличивать его влажность, что приводит к уменьшению производительности печей и увеличению расхода топлива.

При грубом помоле ухудшаются структурно-механические и реологические свойства шлама, снижается его устойчивость, что приводит к расслоению шлама и повышению его неоднородности, увеличивается абразивный износ трубопроводов, шламовых насосов и другого технологического оборудования. У грубодисперсных смесей уменьшается реакционная способность вследствие заметного снижения усвоения в смеси оксида кальция, что приводит к недожогу смеси и получению клинкера с повышенным содержанием свободного оксида кальция. Поэтому тонкость помола сырьевой смеси является важнейшим технологическим параметром, тщательно контролируемым на каждом цементном заводе.