Реферат: Научно-производственное содружество «альянс – цемен т»

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ СОДРУЖЕСТВО

«А Л Ь Я Н С – Ц Е М Е Н Т»


в составе:

Научно-исследовательский, проектно-конструкторский институт «НИИСТРОМКОМПОЗИТ», г. Красноярск (разработки института внедрены на 34 (из 75) советских цементных заводах);

Строительно-монтажное объединение «СИБТЕХМОНТАЖ», г. Красноярск;

Завод тяжелого машиностроения «СИБТЯЖМАШ», г. Красноярск (поставщик оборудования на все Сибирско-Дальневосточные цементные заводы, оборудование функционирует более 40 лет без проблем)


ПРЕДЛАГАЕТ СОТРУДНИЧЕСТВО при внедрении

^ МИНИ-ЗАВОДОВ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЦЕМЕНТА,

работающих на техногенных продуктах; использующих альтернативные энергоносители.


«АЛЬЯНС – ЦЕМЕНТ» ПРЕДЛАГАЕТ СЛЕДУЮЩИЕ УСЛУГИ:

 строительство («под ключ») цементных заводов серии НИИСК любой мощности;

 изготовление и комплектация технологических линий по производству цемента на мини-заводах серии НИИСК с передачей оборудования Заказчику для самостоятельного монтажа и ввода в эксплуатацию с нашим авторским надзором;

 выполнение полного комплекта проектно-сметной и конструкторской документации на заводы серии НИИСК с передачей документации Заказчику для самостоятельного строительства при нашем авторском надзоре;

 обучение основного производственного персонала работе на технологических линиях мини-заводов серии НИИСК;

 сервисное обслуживание внедренных технологий НИИСК в течение трёх лет, далее по договоренности.

Удельные капитальные вложения в строительство мини-заводов «под ключ» в зависимости от их мощности по цементу (НДС включено):


25 тыс.т в год

60 тыс.т в год

120 тыс.т в год

240 тыс.т в год

300 тыс.т в год

600 тыс.т в год

— 110 $/т

— 100 $/т

— 95 $/т

— 90 $/т

— 85 $/т

— 80 $/т

Исп. 10 мес.

Исп. 12 мес. Исп. 15 мес.

Исп. 18 мес.

Исп. 24 мес.

Исп. 24 мес.

В С Т У П Л Е Н И Е

Последние 3 года возрос интерес к строительству собственных цементных заводов.

^ Это и понятно – велик дефицит цемента, значительна его рыночная стоимость и коммерческая привлекательность.

Только в 2007 г. НИИСтромкомпозит получил заявки от 34 потенциальных Заказчиков, с тремя даже заключили договора на поставки мини-заводов «под ключ». Однако ни один из договоров не «заработал»: Заказчики вдруг терялись, исчезали из поля зрения, и более о своих интересах не заявляли.

^ В чем причина? На наш взгляд причин две.

Первая – это значительные стартовые капитальные вложения (хотя наши заводы намного дешевле китайских, корейских и, тем более, немецких и американских, чьи заводы энергично рекламируются в России).

^ Вторая – слабая осведомленность потенциальных Заказчиков в технологии портландцемента, порождающая неуверенность и сомнения.

В настоящем документе предпринята попытка донести до каждого заинтересованного лица сущность технологии портландцемента, рассказать простым языком, используя доступные для неспециалиста понятия, помочь разобраться в сложных физико-химических процессах в твердых веществах, приводящих к получению искусственных соединений, которые при затворении водой твердеют, образуя прочный, водостойкий камень.

^ Обращайтесь с любыми вопросами. Поможем всем.


С наилучшими пожеланиями и надеждой на плодотворное сотрудничество.


Директор НИИСтромкомпозит,

к. т. н., с. н. с. КАЛИНИН В.И.


e-mail: sibekol@mail.ru

(3912) 33-17-01 – директор Калинин Валерий Иванович

(3912) 33-16-97 – гл.инженер Полехин Анатолий Михайлович

(3912) 33-17-00 – секретарь-референт Сивачёва Юлия Сергеевна


СОДЕРЖАНИЕ



^ КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА И ПОНЯТИЯ


Известь (жженая известь, строительная известь) – оксид кальция СаО.

Известь гидратная (гашеная известь, известковое тесто) – гидроксид кальция Са (ОН)2.

Известняк (арагонит, мел, мрамор, известковый туф, ракушечник) – карбонат кальция – СаСО3.

^ Гипсовый камень (гипс, алебастр, глиногипс) – двуводный сульфат кальция – СаSO4. 2Н2О.

Портландцемент – тонкодисперсная смесь клинкера (95…97 %) и гипсового камня (3…5 %) – способная твердеть при затворении водой и обладающая гидравлическими свойствами.

^ Гидравлические свойства минеральных вяжущих – способность твердеть и набирать механическую прочность во влажных условиях, в т.ч. в воде.

Клинкер – обожженная до спекания смесь извести с алюмосиликатным веществом; по структуре – твердые растворы извести в кислых оксидах SiO2, Al2O3, Fe2O3.

^ Низко-, высокоосновные (клинкерные минералы, твердые растворы) – показатель содержания СаО в соединении, низкоосновные характеризуются содержанием СаО не более 50 %.

^ Алюмосиликатное вещество – минеральный продукт природного (например, глина) или искусственного (например, зола) происхождения, состоящий на 80…95 % из оксидов: SiO2, Al2O3, Fe2O3.

^ Техногенные продукты – промышленные отходы минерального и органического составов.

Потери при прокаливании – потери Н2О или СО2 при нагревании сырьевых компонентов. Вода теряется при прокаливании гидратов, диоксид углерода – при прокаливании карбонатов.

Стехиометрия (стехиометрическое уравнение, показатель, отношение) – расчеты на уровне молекулярных масс и их соединений.

Диффузия – движение элементов твердого тела, активированное тепловой энергией нагрева внутри кристалла и наиболее энергичное на его поверхности и на его ребрах.



^ КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЦЕМЕНТА

Что такое известь – знает каждый. Да, это продукт, который получили нагревом при температуре 900…1000 0С природного карбоната кальция – обычно известняка. В результате термического распада от известняка отделился диоксид углерода СО2.

t 0

СаСО3 СаО + СО2

Теоретически 1 кг чистого карбоната кальция дает 0,56 кг СаО. Однако идеально чистого известняка, состоящего на 100 % из СаСО3, в природе не существует. Вместе с СаСО3 в известняке всегда присутствует некоторое количество МgСО3 и глины.

Наиболее качественной строительной известью считается та, которую получили из известняка, состоящего на 97 % из СаСО3 + МgСО3 (причем MgСО3 не более 7 %) и на 3 % из глинистых примесей.

Затворение водой строительной извести ведет к быстрому образованию гидрата оксида кальция (гашеной извести) с выделением большого количества тепла:

СаО + Н2О = Са (ОН)2

Продукт гидратации отличается белизной, а известковое тесто пластичностью и быстрым твердением при сушке с образованием камня, прочность при сжатии которого лежит в пределах 10…15 кг/см2, однако этот камень нестоек в воде.

Строительная известь как строительный материал известна более 3000 лет. Используется она и в наши дни.

Наряду с высококачественными известняками чаще встречаются такие, в которых содержание глинистых примесей значительно более 3 %. В древние времена такие известняки для получения извести не использовали, а применяли как бутовый камень.

Однако в начале нашей эры стали обжигать известняки с содержанием глины до 15 %, при этом температуру обжига увеличили до 1000…1100 0С. Полученная таким образом известь особой белизной не отличалась, но прочность на сжатие затвердевшего камня из известкового теста составляла уже 20…25 кг/см2 и что самое важное, новый вид вяжущего проявлял слабые гидравлические свойства.

В 19-ом веке такую известь назовут гидравлической. Гидравлическая известь успешно применяется и в настоящее время.

Появление гидравлической извести дало толчок развитию поиска эффективного гидравлического вяжущего вещества.

В 1796 г. Дж. Паркер опубликовал результаты своих работ по обжигу известняков, содержащих глинистое вещество до 25 %. Обжигая такие известняки (в основном мергели) при температурах необычайно высоких 1200…1250 0С, (в то время считали, что полученная при высоких температурах известь обожжена «намертво» и с водой не реагирует), он получил гидравлическое вяжущее марок 100…150. Позже это гидравлическое вяжущее получит название «роман-цемент», его производство и применение в ряде стран сохранилось до сих пор.

Итак, до открытия портландцемента остался один шаг, и его сделал англичанин Дж. Аспдин. В 1824 г. он получил первый в мире Патент на искусственное вяжущее. Заслуга изобретателя в том, что он, во-первых, разделил исходный продукт («засоренный» известняк) на два самостоятельных компонента: известковый (известняк) и алюмосиликатный (глина); во-вторых, увеличил долю «примесей» (глины) до 33…37 %; в-третьих, с целью интенсификации процесса поднял температуру обжига сырьевой смеси до 1400…1450 0С.

В чем природа проявления гидравлических свойств продуктов высокотемпературного обжига известково-глинистых смесей?

Известь (СаО) энергично реагирует с водой, образуя нестойкие в воде гидраты Са(ОН)2. Снизить энергию гидратации по законам химии возможно, снизив концентрацию реагента. В нашем случае СаО смешивают с кислыми оксидами глин: SiO2, Al2O3, Fe2O3. Но простое механическое смешивание ничего не даёт, кроме неводостойкого известково-глинистого камня (самана).

Совершенно другая картина наблюдается, если известково-глинистая смесь оказывается нагреть до температуры 1200…1250 0С (романцемент). Между СаО и кислыми оксидами начинается взаимодействие, но не химическое, а механическое. Элементарные частицы СаО начинают диффундировать в элементарные частицы SiO2, Al2O3, Fe2O3. В результате диффузии СаО образуются твердые растворы

2 СаО  SiO2 = 2 СаО SiO2,

СаО  Al2O3 = СаО Al2О3,

4 СаО  Al2O3 + Fe2O3 = 4 СаО Al2O3Fe2O3.

Концентрация СаО в твердых растворах значительно ниже, поэтому они реагируют с H2O достаточно медленно.

Механизм гидратации твердых известковых растворов отличается от гидратации чистого СаО. Гидратными продуктами являются комплексные соединения, состоящие из гидратов СаО, заключённых в каркасы водонерастворимых водных и безводных соединений SiO2, Al2O3, Fe2O3. Именно поэтому, минеральные вяжущие на основе извести (гидравлическая известь, роман-цемент) приобрели достаточную водостойкость и проявили способность твердеть во влажных условиях.

Но гидравлическая известь и роман-цемент твердеют слишком медленно (перегнули палку в затормаживании гидратной активности СаО!) и образуют низкомарочный камень.

Изобретение портландцемента устранило эти недостатки. Увеличение температуры обжига до 1450 0С, в значительной степени активировало диффузионные перемещения СаО. При температурах 1400…1450 0С возникли новые, более насыщенные известью (читай более активные) соединения:

СаО  2 СаО SiO2 = 3 СаО SiO2

2 СаО  СаО Аl2О3 = 3 СаО Аl2О3


Итак, портландцемент – это известь, «разбавленная» кислыми оксидами, представляет смесь твердых растворов, продуктов искусственного диффундирования СаО в кислые оксиды, за счет теплового движения элементарных частиц.


Содержание СаО в портландцементе лежит в пределах 63…67 %.

Портландцемент состоит из четырех главных синтетических минералов (твердых известковых растворов):

3 СаО SiO2 – трехкальциевый силикат, концентрация СаО – 73,7 %;

2 СаО SiO2 – двухкальциевый силикат, концентрация СаО – 65,1 %;

3 СаО Аl2О3 – трехкальциевый алюминат, концентрация СаО – 62,2 %;

4 СаО Аl2О3 Fе2О3– четырехкальциевый алюмоферрит, концентрация СаО – 46,1%.


Таким образом, обобщая опубликованное выше, можно сделать вывод о том, что история создания цемента – это чреда событий, процессов, обстоятельств стихийно или целенаправленного ухудшавших качество извести – СаО за счёт инициирования взаимодействия между СаО с кислыми оксидами SiO2, Al2O3, Fe2O3 – носителямикоторых являлось природное вещество – глины.

Поскольку все золы твердых топлив – это обожженная глина, то очевидно, что они могут применяться совместно с глинами или самостоятельно в технологии получения цемента.

И последнее, любые техногенны минеральные продукты (шлаки, шламы, кеки и др.), содержащие кислые оксиды SiO2, Al2O3, Fe2O3 в суммарном исчислении большем 60% пригодном для производства портландцемента.


^ 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

(НЕОБХОДИМЫЙ МИНИМУМ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ЖЕЛАЮЩИХ ПОСТРОИТЬ ЦЕМЕНТНЫЙ ЗАВОД)


Представленная ниже информация относится к «сухому» способу производства цемента как наиболее прогрессивному и энергосберегающему. При формировании технологии предпочтение отдано техногенному сырью и нетрадиционным энергоносителям.


^ 3.1. НАЧАЛО ПРОЦЕССА: ПОДГОТОВКА СЫРЬЕВОЙ ШИХТЫ

3.1.1. Сырьевая база портландцемента.

Исторически сложилось так, что классическим сырьем для производства цемента считались известняк и глина. Однако по мере развития науки о цементе стало очевидным – сырьем могут служить и другие вещества, в том числе различные техногенные продукты, которых становилось больше и больше.

В таблицах 3.1., 3.2., 3.3. в порядке иллюстрации представлены лишь некоторые виды техногенных продуктов, которые могут с успехом конкурировать как с известняком, так и с глиной. Причем технико-экономический эффект применения промышленных отходов намного выше за счет низкой стоимости сырья и сокращения энергозатрат.

В таблице 3.1. даны техногенные продукты, представляющие смесь алюмосиликатов и извести, причем известь, как правило, представлена низкоосновными твердыми растворами – аналогами клинкерных минералов.

В таблице 3.2. представлены известковые техногенные продукты, в которых известь содержаться в форме гидрататов и карбонатов.

В таблице 3.3. представлены алюмосиликатные техногенные продукты, в которых известь содержится в крайне незначительных количествах, но сумма кислых оксидов (SiO2, Al2O3, Fe2O3) составляет 85…99 %.


Таблица 3.1.


Техногенные продукты, содержащие твердые растворы СаО в SiO2, Al2O3, Fe2O3


Наименование техногенного продукта

Вид твердых растворов

Доля твердых растворов, %

СаО, % в сухом веществе

Нефелиновый шлам

Электротермофосфорный шлак

Доменный шлак

Феррованадиевый шлак

Конвертерный шлак

Золы от сжигания углей КАТЭК

Ваграночные шлаки


-С2S

-С2S

-С2S, СА, С2F

-С2S

-С2S

-С2S, С4АF, С2F

-С2S, СА, С2F

75 … 78

70 … 75

65 … 75

75 … 80

75 … 77

50 … 52

48 … 50

52 … 55

47 … 49

43 … 52

55 … 57

52 … 54

33 … 43

32 … 35



Таблица 3.2.


Техногенные продукты, содержащие СаО в форме карбоната и гидроксида



Наименование техногенных

Продуктов


Вид известкового компонента

Доля

известковых компо-

нентов,

%

СаО, %

в сухом веществе

Шламы раскисления кислых стоков

Отходы производства перманганата калия

Шлам гальванических производств

Отходы сахарного производства

Отходы производства цианамида кальция

Отходы бумажного производства (мел)

Рассольный шлам хлорного производства

Отходы производства фтористого алюминия

Шлам распиловки карбонатных пород

Отходы флотации апатитовых руд

Шлам «дистиллятный» содового производства

Шлам водомягчения ТЭЦ

Карбидный ил

СаSO4, Са (ОН)2, СаСО3


Са (ОН)2

Са (ОН)2, СаСО3

Са (ОН)2


Са (ОН)2

СаСО3


Са (ОН)2


СаSO4, СаСО3

СаСО3

Са (ОН)2, СаСО3


Са (ОН)2, СаСО3

СаСО3, Са (ОН)2

Са (ОН)2


78 … 85


50 … 53

70 … 72

75 … 77


80 … 84

86 … 88


66 … 69


55 … 60

80 … 89

76 … 80


82 … 86

60 … 63

86 … 90

38 … 43


36 … 40

46 … 48

56 … 58


60 … 63

47 …49


49 …52


33 … 36

45 … 50

40 … 45


40 … 42

37 … 40

66 … 68



Таблица 3.3.

Алюмосиликатные техногенные продукты


Алюмосиликатный компонент

Содержание оксидов, % на сухое вещество

SiO2

Al2O3

Fe2O3

СаО

прочие

Хвосты предприятия «Фосфорит»

Отходы обогащения вольфрамитовых руд

Вскрышные породы * КМК

Хвосты флотации Актогайского ГОКа

Хвосты обогащения циркон-илменитовых руд

Отходы углеобогащения Дальнего Востока

Горелая формовочная земля

Шамотная пыль огнеупоров

Бой керамического кирпича

Сурьмяные шлаки

Золы сжигания Экибастузских углей

Отходы производства этилбензола

Золы сжигания Кузнецких углей

Золы сжигания Челябинских углей

Золы сжигания Черемховских углей

Алунитовый шлам


96,0

72,6

61,2

69,4

79,5

62,5

95,3

60,0

56,0

55,0

63,9

-

61,7

55,3

51,4

81,0


0,3

9,0

15,8

15,4

9,4

16,5

-

35,0

28,5

8,6

25,5

99,0

21,6

25,4

26,8

6,5

0,2

3,7

5,2

1,0

1,5

5,0

1,8

2,0

12,5

-

5,1

-

7,7

8,5

6,2

7,2

0,5

1,1

2,7

3,0

2,2

1,0

-

-

0,5

2,8

0,5

-

2,0

3,5

3,8

1,1

3,0

13,6

15,1

11,5

7,4

15,0

2,9

3,0

2,5

33,6

5,5

1,0

7,0

7,3

11,8

4,2


Примечание: * КМК – Курская магнитная аномалия


^ 3.1.2. Подбор состава сырьевой шихты и прогнозирование химического и минералогического состава клинкера.

Подбор состава сырьевой шихты – важнейший технологический этап, поскольку от него зависит качество будущего цемента.

Существующие методы расчета сырьевой шихты исходят из заранее заданного минералогического состава клинкера, обеспечивающего для данного завода оптимизацию технологических параметров. Это и понятно – во всех случаях исходное сырье формально идентично: известняк, глина.

В случае с техногенными продуктами, всё наоборот – приходится исходить не от заданного минералогического состава клинкера, а от возможного, который может быть получен из некоторого набора компонентов. Под этот клинкер проектируется технология.

Методика подбора состава шихты из техногенных продуктов разработана нами и базируется на гипотезе последовательности синтеза клинкерных минералов.

Известно, что первоначально при обжиге (1000…1300 0С) сырьевой шихты формируются низкоосновные твердые растворы: СаОAl2O3, 2CaOSiO2, 4СаОAl2O3Fe2О3. Последнее соединение поглощает практически всю массу Fe2O3, частично Al2O3 и частично СаО. Монокальциевый алюминат поглощает оставшийся Al2O3 и частично СаО. 2CaOSiO2 поглощает весь SiO2 и частично СаО.

С увеличением температуры до 1400…1450 0С оставшаяся незадействованной СаО насыщает СаОAl2O3 до 3 СаОAl2O3 и 2CaOSiO2 до 3 CaOSiO2.

Таким образом, достаточно знать химический состав исходных компонентов, чтобы за 15…20 минут установить:

состав сырьевой шихты;

минералогический состав клинкера из принятых техногенных продуктов;

расход сырьевых материалов на единицу массы клинкера;

химический состав клинкера;

содержание расплава в клинкере при температуре 1450 0С.

Полученные в результате расчета данные ложатся в основу разработки техно-логического процесса.

Порядок расчета покажем на примерах.

Пример 1. Определить состав сырьевой шихты и прогнозный химический и минералогический состав клинкера, если в качестве сырья используется доменный шлак (SiO2 – 21 %, Al2O3 – 14,0 %, Fe2О3 – 8 %, СаО – 50 %, прочие – 7 %) и отходы распиловки карбонатных пород (SiO2 – 8 %, Al2O3 – 1,5 %, Fe2О3 – 0,7 %, СаО – 50 %, ппп – 39,3 %, прочие – 0,5 %).

Первоначально определяем, сколько требуется СаО для синтеза четырех основных клинкерных минералов из доменного шлака.

4СаОAl2O3Fe2О3 – исходя из стехиометрического соотношения, на 0,08 кг Fe2О3 требуется 0,051 кг Al2O3 и 0,112 кг СаО. Всего С4АF = 0,08 + 0,051 + 0,112 = 0,243 кг.

Оставшийся Al2O3 (0,14 кг – 0,051 кг) 0,089 кг можно сразу учитывать в 3 СаО Al2O3, т.к. ни на какие другие клинкерные минералы Al2O3 более не требуется.

Для синтеза 3СаО Al2O3 на 0,089 кг Al2O3 требуется 0,147 кг СаО. Количество С3А 0,236 кг.

В синтезе 2СаОSiО2 участвует весь SiО2 – 0,21 кг, для насыщения которого требуется 0,393 кг СаО. Всего С2S – 0,603 кг.

Для синтеза 3СаОSiО2 обычно от С2S отбирается 2/3, а 1/3 остается С2S, т.е. предполагаем, что в синтезе С3S примет участие 0,402 кг С2S. Чтобы 0,402 кг С2S перевести в С3S, нужно использовать 0,131 кг СаО. Количество С3S = 0,533 кг, остаточное количество С2S – 0,201 кг.

Суммируем задействованное в синтезе количество СаО = 0,112 + 0,147 + 0,393 + 0,131= = 0, 783 кг.

Собственной извести в шлаке 0,5 кг. Необходимое дополнительное количество извести, подшихтованное к 1 кг шлака равно 0,783 – 0,5 = 0,283 кг.

Обратимся теперь к отходам распиловки карбонатных пород.

В составе отходов имеются кислые SiO2, Al2O3, Fe2O3, которые при температуре обжига клинкера обязательно насытятся известью, поэтому данные потери свободной извести следует учитывать. Расчет выполняем аналогично показанному выше:

С4АF = 0,01 кг + 0,005 кг + 0,007 кг = 0,022 кг

С3А = 0,011 кг + 0,008 кг = 0,019 кг

С2S = 0,149 кг + 0,08 кг = 0,229 кг, собственного С2S – 0,229 : 3 = 0,076 кг

С3S = 0,050 кг + 0,153 = 0,203 кг

Всего СаО на насыщение кислых оксидов известковых отходов израсходовано: 0,01 + 0,11 + 0,149 + 0,05 = 0,22 кг.

В 1 кг сухих отходов пиления карбонатных пород 0,5 кг СаО. Свободное количество СаО после вычеты задействованной извести равно:

СаОСВ = 0,5 – 0,22 = 0,28 кг

Количество известковых отходов на 1 кг шлака найдем из отношения требуемого количества СаО к СаОСВ, содержащейся в отходах:

Отх = 0,283 = 1,01 кг

0,28

Количество сырьевой шихты складывается из 1 кг шлака и 1,01 кг известковых отходов. Всего – 2,01 кг.

Прогнозное количество клинкера можно установить, вычтя из массы шихты массу потерь при прокаливании.

В 1 кг известковых отходов ппп – 39,3 %, в 1,01 кг известковых отходов ппп = 1,01 х 0,393 = 0,397 кг.

Ожидаемое количество клинкера Кл = 2,01 – 0,397 = 1,613 кг

Расход сырьевых материалов на синтез 1 кг клинкера:

шлак = 1 = 0,62 кг

1,613

известковые отходы = ^ 1,01 = 0,626 кг

1,613

Коэффициент выхода клинкера из 1 кг сырьевой смеси:

КВЫХ = 1,613 = 0,8

2,01

Минералогический состав клинкера рассчитывали как сумму синтезированных минералов в шлаке и в известковом отходе:

Из шлака: Из известкового отхода: Клинкер:

С3S – 0,533 кг 0,203 кг 0,736 кг 45,6 %

С2S – 0,201 кг 0,076 кг 0,277 кг 17,2 %

С3А – 0,236 кг 0,019 кг 0,255 кг 15,8 %

С4АF – 0,243 кг 0,022 кг 0,265 кг 16,4 %

Прочие – 0,07 кг 0,010 кг 0,080 кг 5,0 %

1,613 кг 100 %

Аналогичным приемом вычислим химический состав клинкера:


^ Шлак Известковые отходы (1,01 кг) Клинкер:

SiO2 – 0,21 кг 0,081 кг 0,291 кг 18 %

Al2О3 – 0,14 кг 0,015 кг 0,155 кг 9,6 %

Fe2О3 – 0,08 кг 0,007 кг 0,087 кг 5,4 %

СаО – 0,5 кг 0,505 кг 1,005 кг 62,3 %

Прочие – 0,07 кг 0,005 кг 0,075 кг 4,7 %

ппп – 0,397 кг –

1 кг 1,01 кг 1,613 кг 100 %


Заключительная стадия расчета – определение расплава в шихте при спекании клинкера.

Этот показатель весьма важный, т.к. без его учета возможно «закозление» печей обжига и выход их из строя.

Существуют эмпирические формулы, позволяющие по химическому составу клинкера установить ориентировочную массу жидкой фазы при температурах 1400 и 1450 0С:

Р1400 = 2,95 Al2О3 + 2,2 Fe2О3 + Прочие

Р1450 = 3,0 Al2О3 + 2,25 Fe2О3 + Прочие.

В формулах Al2О3 – процентное содержание в клинкере;

Fe2О3 – то же;

Прочие – то же.


Итак, в нашем случае химический состав клинкера известен, достаточно подставить в уравнения требуемые данные, чтобы оценить долю расплава:

Р1400 = 2,95 . 9,6 + 2,2 . 5,4 + 4,7 = 44,9 %

Р1450 = 3 . 9,6 + 2,25 . 5,4 + 4,7 = 45,6 %

Пример 2. Подобрать сырьевую шихту из золы Кузнецких углей (SiO2 – 61,7 %, Al2O3– 21,6 %, Fe2О3 – 7,7 %, СаО – 2 %, прочие – 7 %) и отходов сахарного производства (SiO2 – 8,0 %, Al2O3 – 3,0 %, Fe2О3 – 0,2 %, СаО – 58 %, прочие – 12,2 %, ппп – 18,6 %).

Известковый компонент отличается от аналога Примера 1 большим содержанием СаО и высокой дисперсностью.

Количество клинкерных минералов, образующихся при прокаливании 1 кг сухого известкового компонента: С3S – 0,203 кг, С2S – 0,077 кг, С3А – 0,077 кг, С4АF – 0,006 кг, прочие – 0,122 кг).

Количество извести, задействованной в связывании кислых оксидов известкового компонента 0,251 кг, следовательно, доля свободной СаО = 0,58 – 0,251 = 0,329 кг на 1 кг сухих отходов.

Количество извести, необходимой для синтеза клинкерных минералов из золы: С3S – 1,566 кг, С2S – 0,59 кг, С3А – 0,442 кг, С4АF – 0,234 кг, прочие – 0,07 кг.

Количество извести для синтеза перечисленных минералов из золы – 1,927 кг. Вычтем собственную известь золы:

ИЗ = 1,927 – 0,02 = 1,907 кг

Расход известкового компонента на 1 кг золы:

ИЗ = 1,907 = 5,8 кг

0,329

Состав сырьевой шихты: зола – 1 кг, известковый компонент – 5,8 кг.

Всего шихты – 6,8 кг.

Количество ппп при нагревании шихты:

ппп = 0,186 х 5,8 = 1,079 кг.

Прогнозное количество клинкера из 6,8 кг шихты:

КЛ = 6,8 – 1,079 = 5,721 кг

Коэффициент выхода клинкера из сырьевой шихты:

КВЫХ = 5,721 = 0,84

6,8

Расход сырьевых компонентов на 1 кг клинкера:

зола = 1 = 0,175 кг

5,721

отходы сахарного производства = 5,8 = 1,01 кг

5,721


Химический и минералогический состав клинкера, выполненный по методике

Примера 1, дал следующие результаты:

С3S – 48,1 % SiO2 – 19,1 %

С2S – 18,1 % Al2O3 – 6,8 %

С3А – 15,5 % Fe2O3 – 1,5 %

С4АF – 4,7 % СаО – 59,0 %

прочие – 13,6 % прочие – 13,6 %


Количество расплава в массе формирующегося клинкера при температуре 1450 0С:

Р = 3 . 6,8 + 2,25 . 1,5 + 13,6 = 37,4 %


^ 3.1.3. Подготовка сырьевой шихты к обжигу.

Существует три основных вида подготовки сырьевой шихты при сухом способе производства цемента:

сыпучая сырьевая мука;

гранулы диаметром от 5 до 20 мм;

брикеты разнообразных размеров.

Сырьевая мука независимо от состава имеет одинаковый показатель насыпной плотности, примерно 1100 кг/м3. Обжиг сырьевой муки предполагается только во вращающихся печах.

Гранулы обжигают в основном в шахтных печах, но могут обжигаться во вращающихся агрегатах. Плотность гранул зависит от состава сырьевой шихты и способа формирования гранул. На тарельчатых грануляторах гранулы получают обкатыванием увлажненной (8…12 %) сырьевой муки. Пустотность таких гранул (сухих) составляет 20…22 %, а плотность 1900…2200 кг/м3. Более тяжелые гранулы формируют из тяжелого исходного сырья, плотность которого выше 2700 кг/м3 (известняки, известковые золы, тяжелые шлаки). Относительно легкие гранулы получают из легких кислых зол, гидроксидов кальция, легких шлаков и шламов.

При получении гранул продавливанием через фильеры дырчатых веществ увлажненной (10…14 %) сырьевой шихты получают более плотные гранулы – 2100 … 2280 кг/м3.

Брикеты из сырьевой муки прессуют в прессах полусухого формования с влажностью массы 8…10 %. Полученные таким образом брикеты имеют плотность до 2500 кг/м3.

Плотность гранул и брикетов имеет прямое отношение к производительности обжигового агрегата. Чем выше исходная плотность, тем значительней выход клинкера.

Помимо чисто сырьевых гранул и брикетов имеет место технология так называемого «черного брикета», когда в гранулу вместе с сырьевой мукой запрессовывается расчетное (необходимое для обжига) количество топлива.

В таблице 3.4. представлены примерные параметры формирования гранул типа «черный брикет» с использованием различного вида сырья. В качестве запрессованного топлива рассмотрены: полукокс буроугольный, кокс, антрацит, древесный уголь. Насыпная плотность сырцевых гранул с применением «тяжелых» топлив примерно одинакова. Использование древесного угля в гранулах значительно снижает их плотность и выход клинкера, но древесный уголь весьма доступный и исключительно калорийный энергоноситель.

В таблице 3.5. представлены примерные параметры формирования бестопливных гранул на основе известняка с расширенной номенклатурой алюмосиликатных компонентов. Отсутствие в гранулах топлива повышает выход клинкера на 20…25 %.

В таблице 3.6. представлены примерные параметры формирования бестопливных гранул на основе гидроксида кальция. Из таблицы 3.6. следует, что использование гидроксида кальция вместо карбоната ведет к дополнительному приросту выхода клинкера.

Таким образом, рекомендуем обратить внимание на следующие особенности процесса подготовки сырья к обжигу:

тонкость помола твердых компонентов сырьевой шихты должна характеризоваться остатком на сите 008 не более 15 %;

гомогенизацию сырьевой муки в условиях мини-завода целесообразнее осуществлять в механических, лопастных усреднителях;

гранулирование муки на тарельчатых грануляторах должно сопровождаться водяным опрыскиванием из расчета влажности гранул 8…12 %;

в случае некачественного формирования гранул на тарельчатом грануляторе целесообразно в воду добавлять лигносульфонаты либо растворы жидкого стекла (расход подбирается опытным путем);

прессование брикетов следует выполнять в прессах полусухого формования при удельном давлении прессования 150…200 кг/см2.



Таблица 3.4.


Параметры формирования гранул "черный брикет" на тарельчатом грануляторе

(известковый компонент СаСО3)




№

п/п

Состав сырцевых гранул "черный брикет"

Параметры сырьевой смеси



СаСО3,

кг



Глина,

кг


Зола кислая,

кг

Зола основ-ная,

кг


Полу-кокс,

кг



Кокс,

кг


Антра-

цит,

кг

Древес-ный уголь,

кг

Плотность сырцевой гранулы,

кг/м3


К выхода

клинкера

Насыпная плотность сырцевых гранул, кг/м3

Выход клинкера из 1 м3 засыпки,

кг/м3

1

2

3

4

5

6

1,23

1,23

1,03

1,23

1,23

1,23

0,4

-

-

-

-

0,4

-

0,36

-

0,36

0,36

-

-

-

0,453

-

-

-

0,26

0,24

0,26

-

-

-

-

-

-

0,24

-

-

-

-

-

-

0,24

-

-

-

-

-

-

0,25

1840

1850

1870

1890

2010

1170

0,5

0,51

0,52

0,51

0,51

0,48

1010

1020

1030

1040

1100

645

505

520

535

525

560

310



Таблица 3.5.


Параметры формования БЕСТОПЛИВНЫХ гранул на тарельчатом грануляторе

(известковый компонент СаСО3)




№

п/п

Состав сырцевых гранул

Параметры сырьевой смеси



СаСО3

кг



Глина,

кг


Зола кислая,

кг

Зола основ-ная,

кг

Нефе-линовый шлам,

кг

Домен-ный шлак,

кг

Горелая формо-вочная земля,

кг

Отходы углеобо-гащения ,

кг


Плотность гранулы,

кг/м3


К выхода

клинкера

Насыпная плотность сырцевых гранул, кг/м3

Выход клинкера из 1 м3 засыпки,

кг/м3

1

2

3

4

5

6

7

1,23

1,03

1,23

0,452

0,64

1,18

1,24

0,4

-

-

-

-

0,13

-

-

-

0,35

-

-

-

-

-

0,453

-

-

-

-

-

-

-

-

0,778

-

-

-

-

-

-

-

0,66

-

-

-

-

-

-

-

0,26

-

-

-

-

-

-

-

0,45

2090

2180

1980

2270

2220

2130

2030

0,55

0,67

0,63

0,81

0,77

0,645

0,6

1150

1200

1090

1250

1220

1170

1120

630

800

690

1010

940

760

670



Таблица 3.6.


Параметры формования БЕСТОПЛИВНЫХ гранул МЕТОДОМ ПРЕССОВАНИЯ

(известковый компонент Са(ОН)2)




№

п/п

Состав сырцевых гранул

Параметры сырьевой смеси



Са (ОН)2,

кг



Глина,

кг


Зола кислая,

кг


Зола основная,

Кг

Нефели-новый шлам,

кг

Домен-ный

шлак,

кг

Электро-термофос- форный

шлак,

кг

Плотность сырцевой гранулы,

кг/м3


К выхода

клинкера

Насыпная плотность сырцевых гранул, кг/м3

Выход клинкера из 1 м3 засыпки,

кг/м3

1

2

3

4

5

6

0,722

0,713

0,86

0,32

0,45

0,48

0,45

-

-

-

-

-

-

-

0,35

-

-

-

-

0,461

-

-

-

-

-

-

-

0,78

-

-

-

-

-

-

0,65

-

-

-

-

-

-

0,62

1950

1990

1890

2260

2250

2270

0,853

0,78

0,755

0,83

0,82

0,83

1070

1090

1040

1245

1230

1240

910

850

785

1030

1010

1030



Параметры формуемых гранул легко вычислить. Покажем это на конкретном примере.

Пример 3. Определить параметры формования гранул на тарельчатом грануляторе, если сырьевая смесь состоит из известняка (77,8 %) и кислых зол (22,2 %). Плотность известняка – 2700 кг/м3, плотность золы – 1850 кг/м3. Пустотность сухой гранулы 20 %. Коэффициент выхода клинкера 0,76. Заполнение объема обжигового агрегата (шахтной печи) гранулами – 55 %.

Первоначально рассчитаем плотность сформированной гранулы.

Объем гранулы массой 1 кг:

0,778 кг СаСО3 : 2700 кг/м3 = 0,00029 м3

0,222 кг золы : 1850 кг/м3 = 0,00012 м3

0,00041 м3

Если пустотность гранулы – 20 %, то полный объем гранулы

VГР = 0,00041 = 0,00051 м3

0,8


Плотность гранул  = 1 кг = 1960 кг/м3

0,00051 м3


При плотности засыпки гранул в объем обжигового аппарата 55 %, в 1 м3 печи будет содержаться:

М = 1960 х 0,55 = 1078 кг

Коэффициент выхода клинкера равен – 0,76, поэтому каждый 1 м3 засыпки гранулами в шахтной печи даст клинкера:

КЛ = 1078 х 0,76 = 820 кг

Этот показатель условный. Для определения производительности обжигового агрегата нужно знать его мощность, т.е. время обжига 1 м3 засыпки.

Об этом в следующем разделе.


^ 3.2. ОБЖИГ СЫРЬЕВОЙ ШИХТЫ

3.2.1. Процессы, протекающие в шихте при нагревании.

100 … 150 0С. Испаряется физическая вода.

400 … 600 0С. Дегидратация (отщепление гидратной воды) глин, Са(ОН)2.

700 … 1000 0С. Диссоциация (отщепление СО2 у карбонатов) MgCO3, СаCO3.

900 … 1100 0С. Образование твердых низкоосновных растворов, СаО Fe2О3,

2 СаО Fe2О3, СаОАl2О3.

1100 … 1300 0С. Зарождение высокоосновных твердых растворов 3СаОАl2О3, 2СаОSiO2, 3СаОSiO2 (образование расплава).

1300 … 1450 0С. Идет интенсивное насыщение известью низкоосновных твердых растворов, увеличивается доля расплава.

1450 0С … 100 0С. Охлаждение. В зависимости от скорости жидкая фаза либо кристаллизуется, либо остекловывается, идёт кристаллизация С3S, С2S, С3А, С4АF.


^ 3.2.2. Механизм синтеза твердых растворов клинкера.

В твердых телах по мере нагревания усиливаются тепловые колебательные движения элементов кристаллической решетки. При определенном уровне нагревания амплитуда колебаний элементов становится настолько значительной, что они вырываются из своих узлов и начинают движение в кристалле, подгоняемые силами электрических разноименных зарядов. Это движение называется диффузией. Наиболее энергично элементы перемещаются на поверхности кристалла и по его ребрам. Это обусловлено меньшей энергией связи элементов и малым сопротивлением в сравнении с внутренним пространством кристалла. При некоторой температуре свободно блуждающие элементы отрываются от поверхности кристалла, создавая своеобразное облако вокруг твердой частицы, что способствует физико-механическому взаимодействию частиц находятся на некотором расстоянии друг от друга.

Когда в тесном контакте находятся частицы СаО и кислых оксидов, и эти частицы достаточно активны, происходит внедрение элементов СаО в SiO2, Аl2О3, Fe2О3. Несмотря на то, что масса СаО в шихте вдвое больше массы кислых оксидов, именно СаО внедряется, «раздувая», если можно так вырази