Температура обжига цементного клинкера

Обновлено: 03.05.2024

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Температура обжига клинкера сказывается также на условиях кристаллизации клинкерных минералов и окиси магния. Пониженные температуры обжига способствуют мелкозернистой кристаллизации периклаза и основных клинкерных минералов, повышенные - крупной кристаллизации минералов и изменению фазового состава клинкеров в сторону некоторого увеличения алита и уменьшения белита. [2]

Температура обжига высокомагнезиальных клинкеров ( содержание MgO до 18 5 %) оказывает существенное влияние на условия существования окиси магния, а отсюда и на прочие свойства этих цементов. [4]

Установлено, что температура обжига клинкера существенно оказывается на кристаллизации периклаза. В клинкерах, обожженных при пониженных температурах, мельчайшие зерна периклаза имеют различную форму и располагаются главным образом на целите и зернах алита. В клинкерах, обожженных при повышенных температурах, периклаз приобретает округлую или октаэдри-ческую форму и располагается преимущественно на промежуточном веществе и в меньшем количестве на зернах алита. [5]

Чистый С3А при медленном охлаждении от температуры обжига клинкера не распадается как в окислительной, так и в восстановительной средах. Твердые же растворы С3А с Fe, Cr, Mn, S могут распадаться в слабовосстановительных условиях при температуре ниже 1573 К. Каталитически ускоряют распад С3А соединения CaF2, NaF, KF, 3CaO - P2O5, CaSO4, FeO. Продуктами распада минерала являются CsA3 и. [6]

Введение в качестве минерализатора фтористых и кремне-фтористых солей позволяет значительно снизить температуру обжига клинкера . [7]

С, гасится быстро, но с повышением температуры скорость гашения извести замедляется, а При температуре обжига клинкера ( около Г500 С) она оказывается весьма медленно гасящимся веществом. Гашение ее не успевает закончиться до схватывания ( начала твердения) цемента, продолжается в отвердевшем цементном камне и разрывает его. [8]

Исследования показали, что гидротермальная обработка цементной шихты указанного состава с введением примерно 4 % гипса при температуре обжига клинкера 1450 С ускорила твердение цемента и повысила его прочность. [9]

Приведенные уравнения достаточно убедительно иллюстрируются экспериментальными данными, свидетельствующими о существовании двух основных стадий процесса спекания. Повышение температуры обжига клинкеров приводит к увеличению количества расплава, что обусловливает уменьшение продолжительности процесса для завершения стадии перегруппировки. [10]

При концентрации - PaOg более 2 % количество C3S в клинкере продолжает убывать, но свободная СаО реагирует с 28 и фосфатом с образованием сложного комплексного соединения я ( 2СаО 5Ю2) - CaO-PzOs - В результате образования этого соединения количество СаО в клинкере при увеличении содержания P2Os в пределах 2 - 6 % снижалось, при этом, однако, также уменьшалось и количество C3S в продукте. С увеличением продолжительности и температуры обжига клинкера отрицательное влияние P2Os ослабляется и в системе синтезируется такое количество алита, которое соответствует изменившемуся содержанию фосфора. [11]

Определенную роль играет стеклофаза и в формировании свойств портландцементного клинкера, сказываясь прежде всего на его размолоспособности, а также и на качестве готового цемента. Согласно расчетам Ф. М. Ли, содержание жидкой фазы при температуре обжига клинкера колеблется в пределах от 15 до 22 % ( мае. [13]

Главным недостатком основанных на этих концепциях технологий являются высокие температуры. Сегодня в цементной промышленности расходуется свыше 200 кг топлива на 1 т продукции. Такой цемент, названный алинитовым, можно получать со значительной экономией топлива, радикально снизив температуру обжига клинкера - полупродукта цемента. [14]

В кольцевых печах устанавливают, диффузионные горелки среднего давления двух конструкций: подпольные и верхние. Основное количество газа ( 80 - 85 %) сжигается с помощью подпольных горелок. Подпольная горелка ( рис. 96) представляет собой коллектор из трубы диаметром 40 мм, один конец которого заглушен, а в другой вварен штуцер диаметром 20 мм для присоединения к газопроводу. К коллектору приварены три трубки диаметром 15 мм, на каждую из которых навинчена форсунка с отверстием диаметром 4 5 мм для выхода газа. Верхние горелки являются дополнительными и служат для обеспечения равномерного прогрева печи по всему сечению камеры. Верхняя горелка представляет собой трубу диаметром 15 и длиной 1700 мм, заканчивающуюся наконечником с шестью отверстиями диаметром 3 мм. Горелки к коллектору присоединены гибким шлангом. Для снабжения горелок служит кольцевой газопровод, к которому по периметру печи присоединены гребенки, питающие подпольные и верхние горелки каждого сектора. На газовом топливе работает более 60 % предприятий цементной промышленности. Газ используется во вращающихся печах для обжига клинкера и в сушильных барабанах для сушки добавок. Эти печи представляют собой длинные ( от 40 до 185 м) слегка наклонные барабаны диаметром от 2 5 до 5 3 м, вращающиеся со скоростью 1 - 2 об / мин. В верхний конец печи подается цементная масса ( шлам), а в нижний ( в головку печи) - вдувается топливо. В процессе обжига сырье движется в печи вниз по уклону навстречу сжигаемому топливу. Внутри вращающаяся печь футерована огнеупорным кирпичом, в верхней части - шамотом, а в нижней, где температура обжига клинкера составляет 1450 - 1500 С, - особо стойким хромомагнезитом; снаружи зона спекания часто охлаждается водой. Двигаясь вдоль печи, материал проходит ряд зон: сушки, нагрева, кальцинирования и спекания. [15]

Обжиг клинкера белого цемента

Клинкер белого портландцемента обжигают во вращающихся печах, конструктивно мало отличающихся от печей, используемых для производства обычного портландцемента. Если вслед за обжигом отбеливают клинкер быстрым охлаждением в воде, то в концевой части вращающейся печи отсутствуют обычные устройства для охлаждения клинкера (рекуператоры или другие холодильники). Вместо этого в центральной части зоны спекания по окружности печи в корпусе имеется 6 лючков d 200 мм для разгрузки клинкера в водяной отбеливатель.

Объясняется это тем, что в этом случае клинкер необходимо выгружать из печи при высоких температурах и быстро охлаждать в воде. Зону спекания вращающейся печи футеруют тальковым или магнезитовым огнеупорным кирпичом. Использование хромомагнезитового кирпича недопустимо, так как возможна присадка окрашивающих окислов к клинкеру при обжиге.

Для обжига клинкера используют беззольпое топливо — мазут или природный газ. Температура обжига маложелезистого клинкера белого портландцемента высокая и достигает 1500— 1550С. Физико-химические процессы, протекающие при нагревании сырьевой смеси, используемой для получения белого портландцемента, не отличаются от присущих серому портландцементу. Возможно лишь некоторое отличие физико-химических процессов, обусловленное характером вводимых в сырьевую смесь добавок и газовой средой в печи.

Влияние минерализующих и легирующих добавок на клинкерообразование.

Для облегчения обжига трудноспекаемой сырьевой смеси и улучшения свойств клинкера белого портландцемента необходимо вводить в сырьевую смесь некоторые добавки. Минерализующие добавки позволяют полностью завершить клинкерообразование. Механизм влияния этих добавок при обжиге клинкера белого портландцемента аналогичен их действию при обжиге обычного портландцемента, за исключением некоторых специфических особенностей, относящихся к процессу кристаллизации, которые будут рассмотрены ниже.

Как известно, минерализаторы интенсифицируют как твердофазовые процессы, так и процессы клинкерообразования, протекающие с участием жидкой фазы клинкера.

рис. 3.1 Микроструктура клинкеров с добавками
минерализаторов. CaSo₄.

Н. А. Торопов, С. Л. Голынко-Вольфсон, М. М. Сычев пришли к заключению, что во время протекания реакций в твердой фазе минерализатор вызывает глубокое нарушение кристаллических решеток реагирующих компонентов. Это объясняется полиморфными превращениями кристаллических модификаций кремнезема и образованием промежуточных соединений между некоторыми добавками и составляющими компонентами сырьевой смеси. Во время протекания реакций с участием жидкой фазы минерализаторы ускоряют клинкерообразование, так как снижается температура появления жидкой фазы, увеличивается ее количество и снижается вязкость.

Как указывают Н. А. Торопов и Йирку, минерализаторы действуют каталитически, ускоряя разрушение комплексных кремниевокислородных и алюминиевокислородных ионов типа

Ввод в сырьевую смесь минерализаторов влияет не только на кинетику физико-химических процессов клинкерообразования, но и на фазовый состав клинкера и его структуру. Последнее обстоятельство необходимо учитывать, особенно при производстве белого портландцемента.

Микроструктура клинкера предопределяет один из основных показателей белого портландцемента его белизну. Современные представления о влиянии минерализаторов на процессы клинкерообразования основываются на достижениях кристаллохимии. Различная эффективность действия минерализаторов, как на процесс минералообразования, так и на характер кристаллизации, может быть объяснена, как указывают некоторые исследователи, различием их электростатических характеристик.

рис. 3.2 Микроструктура клинкеров с добавками
минерализаторов. Na₂SiF₆.

Нашими исследованиями было установлено, что структура клинкера белого портландцемента при введении минерализатора зависит от электроотрицательности катионов и анионов, входящих в состав минерализатора и обусловливающих его интенсифицирующее действие. Так, при одном и том же анионе с увеличением электроотрицательности катионов в ряду.

K + ->Na + ->Li + ->Mg 2+ ->Be 2+

Увеличивается размер кристаллов алита и белита. Еще в большей степени, чем у катионов, проявляется влияние анионов при одном и том же катионе на характер кристаллизации клинкера. Однако характер влияния анионов иной, чем катионов: с уменьшением электроотрицательности анионов в ряду SiF 2- ₆ -> F - -> SO 2- ₄ -> Cl - увеличивается размер кристаллов в клинкере (рис. 3).

Изучение тонкой структуры клинкера методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) показало, что в зависимости от электроотрицательности катионов и анионов изменяется координация ионов Fe 3+ : анионы минерализаторов с большей электроотрицательностью SiF 2- ₆,F- способствуют переходу Fe₃₊ в клинкере белого портландцемента из тетраэдрической координации в октаэдрическую, обладающую меньшей окрашивающей способностью.

Результаты исследований минерализующего влияния добавок на минералообразовакие и структуру клинкера показывают, что наилучшим является минерализатор, в который входит анион с наибольшей электроотрицательностью и катион с наименьшей электроотрицательностью. Для белого портландцемента таким минерализатором является кремнефтористый натрий, предопределяющий образование мелкокристаллической структуры, что способствует повышению белизны клинкера. Немаловажное значение в производстве белого портландцемента, как указывалось, имеет введение в сырьевую смесь легирующих добавок, улучшающих свойства белого портландцемента.

Изучение действия таких добавок, как окислы переходных элементов (Fe, Mn, Ti, Со и др.), показало, что они влияют не только на белизну портландцемента, но и на клинкерообразование. В частности, добавка двуокиси титана способствует интенсификации обжига (табл. 14). В этом случае добавка двуокиси титана и окислов других (переходных элементов интенсифицирует клинкерообразование, выполняя роль минерализатора.

Таблица 11. Усвоение извести при обжиге сырьевых смесей с добавками окислов переходных элементов.

Содержание окислов в %			Количество свободной извести в % в образцах, обожженых при температуре в C
Fe₂O₃	Mn₂O₃	TiO₂	1150	1250	1350	1450
0.2	-	-	38.5	33.7	16.2	3.2
0.2	0.05	-	31.2	25.9	11.0	1.3
0.2	0.05	0.05	30.1	24.0	10.4	0.9

Ввод добавки двуокиси титана в сырьевую смесь изменяет также характер кристаллизации клинкерных минералов, так как несколько увеличиваются их размеры.

Благодаря изменению структуры клинкера при вводе добавки двуокиси титана в значительной степени изменяются физико-механические свойства цемента, в частности, на 20—30% повышается его механическая прочность на сжатие.

Состав портландцементного клинкера.

Минералогический состав портландцементного клинкера.

Химический состав портландцементного клинкера дан в таблице 1.5.1.
Основные минералы, которые может содержать портландцементный клинкер, даны в табл. 1.5.2.

Портландцементный клинкер. Клинкерные минералы не являются чистыми соединениями, а представляют собой смеси, содержащие в незначительном количестве компоненты других минералов в виде смешанных кристаллических соединений; это относится и к остальным химическим примесям клинкера, которые не могут образовать самостоятельных фаз. Поэтому, чтобы четко отличать чистые соединения от клинкерных минералов, Териебом в 1897 г. дал основным минералам клинкера C₃S и C₂S названия «алит» и «белит» и, еще не зная их состава, исследовал под микроскопом отличия между ними.

Алит. Белит.

Алит. C₃S является основным клинкерным минералом, определяющим прочность цемента. Из шести известных модификаций C₃S в клинкере возникают только две высокотемпературные модификации, которые стабилизируются путем включения атомов примесей. Третья модификация — триклиниая — также изредка встречается.

Белит.

Белит. Белит главным образом представляет собой β-форму C₂S. При температуре спекания клинкера, превышающей 1420 С, образуется α-C₂S, а при температуре до 1420 С — α'-C₂S. Последняя форма во время охлаждения клинкера при температуре 670 С превращается в метастабилынй β-C₂S.

Таблица 1.5.2. Минералогический состав портландцементного клинкера

При дальнейшем медленном охлаждении из β-C₂S может образоваться стабильная ɣ-форма. Этот процесс протекает с увеличением объема на 10% и при определенных условиях может привести к рассыпанию клинкера. Быстрое охлаждение клинкера и наличие примесей препятствует переходу белита в гидравлически инертную ɣ-фазу, снижающую его качество.

Белит твердеет значительно медленнее алита, но в конце кондов достигает такой же прочности, как алит.

Если в клинкере глинозема содержится меньше, чем оксида железа (в молях), то оба компонента, вступая в соединение с известью, образуют алюмоферрит кальция (см, табл. 1.5.2.) —смешанно-кристаллическую фазу с конечным членом 2CaO•Fe₂O₃, где Fe может непрерывно замещаться Al. Этот смешанно-кристаллический ряд сохраняет стабильность до молярного отношения Al₂O₃:Fe₂O₃=2:1; однако в портланд-цементном клинкере, содержащем только соединения, богатые известью, ряд завершается уже при отношении 1:1. Если в клинкере преобладает глинозем, то его избыток сверх указанного отношения (как это имеет место в формуле 4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃) образует трехкальцисвый алюминат, богатый известью.

Трехкальциевый алюминат очень легко вступает в реакцию с водой, однако не имеет ясно выраженных гидравлических свойств и совместно с силикатами повышает начальную прочность цемента. Алюмоферрит кальция мало способствует гидравлическому твердению цемента.

Как уже указывалось щелочи только тогда попадают в клинкерные фазы, когда количество SO₃, содержащееся в клинкере, недостаточно для полного образования щелочных сульфатов. Щелочи входят в состав всех клинкерных фаз, однако преимущественно содержатся в алюмииатной фазе в виде смешанных кристаллов, причем состав, указанный в формуле табл. 1.5.2, может быть получен только в присутствии SiO₂.

7.5. Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера

Образованию конечного продукта — клинкера предшествует ряд физико-химических процессов, в результате которых клинкер приобретает сложные минералогический состав и микрокристаллическую структуру.

Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Шахтные печи применяют иногда только при сухом способе. Вращающаяся печь представляет собой длинный, расположенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из листовой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина печей 95— 185—230 м, диаметр 5—7 м. В нашей стране стали применять вращающиеся печи, работающие по сухому способу, размером 7x95 м, производительностью 3000 т/сут при расходе теплоты на обжиг 3400 кДж/кг. На предприятиях, работающих по мокрому способу производства, применяют печи 7х230 м, производительностью 3000 т/сут при расходе теплоты 5600 кДж/кг. Для улучшения теплообмена внутри печей ближе к верхнему (холодному) концу устраивают цепные завесы, устанавливают теплообменники различной конструкции.

Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье в виде порошка (сухой способ) или шлама (мокрый способ) подается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20—30-метрового факела. Сырье занимает только часть поперечного сечения печи и при ее вращении со скоростью 1—2 об/мин медленно движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя различные температурные зоны. Выдающийся советский ученый В. Н, Юнг, разработавший основы теории обжига клинкера, условно разделил вращающуюся печь на шесть температурных зон в зависимости от характера протекающих в них процессов. Рассмотрим эти процессы, начиная с поступления сырьевой смеси в печь, т. е. по направлению с верхнего ее конца (холодного) к нижнему (горячему).

В зоне испарения(сушки)происходит высушивание поступившей сырьевой смеси при постепенном повышении температуры с 70 до 200 °С (в конце этой зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы.

В зоне подогрева, которая следует за зоной сушки сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 до 700 °С сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глиняных минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450—500 °С) и образуется безводный каолинит Al₂О₃2Si0₂. Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе производства занимают 50-60 % длины печи (считая от холодного конца); при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.

В зоне декарбонизации(ее протяженность 20—23 % длины печи) температура обжигаемого материала поднимается с 700 до 1100 °С; здесь завершается процесс диссоциации карбонатных солей кальция и магния и появляется значительное количество свободного оксида кальция. Термическая диссоциация СаСО₃—это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаСОз), поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее. В этой же зоне происходит распад дегидратированных глинистых минералов на оксиды SiO₂, А1₂Оз, Fе₂O₃, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы ЗСаО-А1₂Оз, СаО-А1₂Оз и частично 2CaO-SiO₂.

В зоне экзотермических реакций(1100—1250 °С) проходят твердофазовые реакции образования ЗСаОА1₂О₃; 4CaO-AI₂O₃-Fe₂O₃и белита. Эти экзотермические реакции на сравнительно коротком участке печи (5—7 % ее длины) сопровождаются выделением большого количества теплоты (до 420 кДж на 1 кг клинкера) и интенсивным повышением температуры материала (на 150—200 °С).

В зоне спекания(1300—1450—1300С) температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения (1450°С), необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера — алита. В начале спекания, начиная с 1300 °С, образуется расплав в количестве 20—30 % объема обжигаемой массы из относительно легкоплавких минералов ЗСаО-А1₂Оз, 4СаО-А1₂Оз-Fе₂Оз, а также MgO и легкоплавких примесей. При повышении температуры до 1450°С в клинкерной жидкости растворяются 2CaO-SiO₂и СаО и из них в расплаве происходит образование алита ЗСаО-SiO₂, проходящее почти до полного связывания оксида кальция (в клинкере СаО_свобне более 0,5—1 %). В расплаве сначала образуются тетраэдры SiO₄ 4- , которые потом соединяются с ионами Са 2+ , образуя кристаллическую решетку трехкальциевого силиката. Алит плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из него в виде мелких кристаллов, что влечет дальнейшее растворение в расплаве 2CaO-SiO₂и СаО. Процесс образования алита заканчивается за 15—20 мин пребывания материала в зоне спекания (ее протяженность 10—15% длины печи). Поскольку при вращении печи частично расплавленный материал непрерывно перекатывается, мелкие частички слипаются в гранулы. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А1₂Оз, 4СаОА1₂Оз-Fе₂Оз и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения, следующей за спеканием.

В зоне охлаждениятемпература клинкера понижается с 1300 до 1000 °С; здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит С₃S, белит C₂S, C₃A, C₄AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен — гранул темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000 до 100—200 °С в колосниковых, рекуператорных и других холодильниках воздухом, идущим навстречу клинкеру или просасываемым через слой горячего клинкера. После этого клинкер выдерживается на складе одну-две недели.

Сухой способ производства цемента в последние годы значительно усовершенствован. Наиболее энергоемкий процесс — декарбонизация сырья — вынесен из вращающейся печи в специальное устройство — реактор-декарбонизатор, в котором он протекает быстрее и с использованием теплоты отходящих газов.

Из расходных силосов сырьевая мука сначала поступает в систему циклонных теплообменников, где, находясь во взвешенном состоянии, нагревается движущимися навстречу (снизу-вверх) отходящими газами и уже горячей подается в декарбонизатор. Непосредственно в декарбонизаторе сжигают около 50 % топлива, что позволяет быстро и почти полностью (на 90 %) завершить разложение СаСОз. Остальная часть топлива сжигается, как обычно, в горячем конце вращающейся печи, в которой получают клинкер из уже подготовленной к обжигу, т. е. декарбонизированной, сырьевой муки. Теплообменное устройство с декарбонизатором устанавливают около печи.

Повсеместное распространение сухого способа производства с применением декарбонизатора обусловлено возможностью ускорить технологический процесс, повысить суточную производительность технологических линий до 3000 т клинкера, использовать теплоту газов, отходящих из печи и холодильника, и тем самым снизить затраты топливно-энергетических ресурсов. При системе декарбонизатор—печь сокращается примерно вдвое длина вращающейся печи, компоновка цементного завода получается более компактной, соответственно уменьшается потребность в земельных площадях.

В СССР открыт новый способ производства портландцемента — путем обжига клинкера в солевом растворе хлоридов. При этом способе основная реакционная среда в печи (силикатный расплав) заменена солевым расплавом на основе хлорида кальция. В солевом расплаве ускоряется растворение основных клинкерообразующих оксидов (CaO, SiO₂, А1₂Оз, Fe₂O₃) и образование минералов завершается при 1100—1150 °С вместо обычных 1400—1500 °С, что существенно снижает энергоемкость получения цементного клинкера. Полученный клинкер, наряду с алитом, содержит минерал – хлорсодержащий аналог алита, названный алинитом. Алинит — это высокоосновный А1—С1— силикат кальция, содержащий около 2,5 % хлорида. Клинкер, синтезированный в солевом расплаве, размалывается в 3—4 раза легче, чем обычный. Это позволяет снизить электрозатраты на помол и увеличить производительность цементных мельниц. При этом сокращается число помольных агрегатов. Алинитовый цемент быстрее гидратируется в начальные сроки. Технология нового цемента осваивается на цементных заводах. Сейчас глубоко изучаются коррозионная стойкость бетона на этом цементе и поведение стальной арматуры в бетоне с учетом наличия в нем хлора. Все это позволит определить рациональные области применения алинитового цемента.

Обжиг портландцементного клинкера

Вращающаяся печь – сварной цилиндр, расположенный под углом 3-4 0 . 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

t материала, 0 С

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.

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 1338 0 С. 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.

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 60-120 0 С.

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.

ПЕЧИ СУХОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРА

Обжиг— завершающая технологическая операция производства клинкера. В процессе обжига из сырьевой смеси определенного химического состава получают клинкер, состоящий из четырех основных клинкерных минералов.

В качестве установок для получения клинкера могут быть использованы различные по своей конструкции и принципу действия тепловые агрегаты.

Однако в основном для этой цели применяют вращающиеся печи, в них получают примерно 95% клинкера от общего выпуска, 3,5% клинкера получают в шахтных печах и оставшиеся 1,5% — в тепловых агрегатах других систем — спекательных решетках, реакторах для обжига клинкера во взвешенном состоянии или в кипящем слое.

Вращающиеся печи являются основным тепловым агрегатом как при мокром, так и при сухом способах производства клинкера.

Обжигательным аппаратом вращающейся печи является барабан, футерованный внутри огнеупорными материалами. Барабан установлен с наклоном на роликовые опоры.

С поднятого конца в барабан поступает жидкий шлам или гранулы. В результате вращения барабана шлам перемещается к опущенному концу. Топливо подается в барабан и сгорает со стороны опущенного конца. Образующиеся при этом раскаленные дымовые газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу и нагревают его. Обожженный материал в виде клинкера выходит из барабана.

Рисунок14.1 - Технологическая схема получения цемента по мокрому способу: 1 - щековая дробилка; 2 - молотковая дробилка; 3 - склад сырья; 4 - мельница «Гидрофол»; 5 - мельница мокрого помола; 6 - вертикальный шламбассейн; 7 - горизонтальный шламбассейн; 8 - вращающаяся печь; 9 -холодильник; 10 - клинкерный склад; 11 - мельница; 12 - силос цемента.

В качестве топлива для вращающейся печи применяют угольную пыль, мазут или природный газ. Твердое и жидкое топливо подают в печь в распыленном состоянии. Воздух, необходимый для сгорания топлива, вводят в печь вместе с топливом, а также дополнительно подают из холодильника печи. В холодильнике он подогревается теплом раскаленного клинкера, охлаждая последний при этом. Воздух, который вводится в печь вместе с топливом, называется первичным, а получаемый из холодильника печи — вторичным.

Образовавшиеся при сгорании топлива раскаленные газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу, нагревают его, а сами охлаждаются. В результате температура материалов в барабане по мере их движения все время возрастает, а температура газов — снижается.

Сырьевой шлам, имеющий температуру окружающего воздуха, попадая в печь, подвергается резкому воздействию высокой температуры отходящих дымовых газов и нагревается.

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1 470°C в течение 2…4 часов в длинных вращающихся печах (3,6х127 м, 4×150 м и 4,5х170 м) с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы.

Вращающуюся печь мокрого способа условно можно поделить на зоны:

· сушки (температура материала 100…200 °C — здесь происходит частичное испарение воды);

· экзотермических реакций (1 200…1 350 °C) завершается процесс твёрдофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С₃А, С₄АF (F — Fe₂O₃) и C₂S (S — SiO₂) — 3 из 4 основных минералов клинкера;

· охлаждения (1 300…1 000 °C) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.

Основные минералы клинкера: алит, белит, трехкальциевый алюминат и аллюмоферит

Алит- самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45…60%. Он быстро твердеет и набирает высокую прочность, интенсивно выделяет тепло. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2…4%) MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O3 и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства минерала.

Белит- второй по важности и содержанию (20…30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента; обладает малым тепловыделением. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор b-двухкальциевого силиката (b-С2S) и небольшого количества (1…3%) Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3.

Трехкальциевый алюминат содержится в клинкере в количестве 4…12% и при благоприятных условиях обжига получается в виде кубических кристаллов размером до 10-15 мкм; образует твердые растворы сложного состава. Он очень быстро гидратируется и твердеет, но имеет небольшую прочность и наибольшую интенсивность тепловыделения. Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание С3А ограничено 5%.

Четырехкальциевый алюмоферрит в клинкере содержится в количестве 10. 20%. Алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, в клинкерах обычных портландцементов ее состав близок к 4CaO×Al2O3×Fe2O3. По скорости гидратации минерал занимает промежуточное положение между алитом и белитом.

Наименование	Формула	Сокращенное обозначение	Примерное содержание в клинкере, %
Алит (трехкальциевый силикат)	3CaO×SiO₂	C₃S	45-60
Белит (двухкальциевый силикат)	2CaO×SiO₂	C₂S	20-30
Трехкальциевый алюминат	3CaO×Al₂O₃	C₃A	4-12
Целит (четырехкальциевый алюмоферрит)	4CaO×Al₂О₃×Fe₂O₃	C₄AF	10-20

ПЕЧИ СУХОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРА

Печи сухого способа производства примерно в два раза короче печей мокрого способа при равной или даже большей производительности. Современные мощные печи этого способа имеют размеры: 6,4/7,0x95 м, 5x75 м и производительность 25 т/ч и 75 т/ч соответственно. Уменьшение длины печи связано с двумя основными факторами: во-первых, в печах сухого способа в принципе отсутствует зона сушки, во вторых, часть процессов выносится из печи в запечные теплообменные устройства (циклонные теплообменники, реактор-декарбонизатор или конвейерный кальцинатор).

В основу конструкций печей с циклонными теплообменниками положен принцип эффективного теплообмена между отходящими из печи дымовыми газами и частицами сырьевой муки, находящимися во взвешенном состоянии. Уменьшение размера частиц обжигаемого материала и увеличение его удельной поверхности, а также максимальное использование всей поверхности частиц для контакта с теплоносителем интенсифицируют теплообмен между ними. Этот способ передачи теплоты обеспечивает быстроту и равномерность нагрева и поэтому весьма эффективен. Во взвешенном состоянии при достижении температуры диссоциации декарбонизация СаСОз протекает также гораздо быстрее, чем при обжиге шихты в слое. Но все процессы, связанные с непосредственным контактом частиц-реагентов между собой (твёрдофазовые реакции, спекание), наоборот, замедляются.

Откорректированная сырьевая мука поступает в систему циклонных теплообменников. Отходящие из вращающейся печи газы с температурой 900-1000°С по газоходу 10 движутся в циклонный теплообменник IV ступени, а затем последовательно проходят циклонные теплообменники III, II и I ступеней, пылеулавливающее устройство и дымососом 9 через Дымовую трубу 1 выбрасываются в атмосферу.

В узких газоходах циклонных теплообменников средняя скорость газов составляет 15-20 м/с, что значительно выше скорости витания частиц сырьевой муки. Поэтому поступающая в газоход между I и II ступенями циклонов сырьевая мука увлекается потоком газов и выкосится в циклонный теплообменник I ступени, где материал подогревается, а газы охлаждаются. Осевший в циклоне материал через затвор-мигалку 11 поступает в газоход между II и III ступенью циклонов, а из него выносится с газовым потоком в циклон II ступени. Затем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, и при этом нагревается. По выходе из циклона IV ступени материал имеет температуру 700-800°С, затем он подаётся во вращающуюся печь 8 для дальнейшего обжига.

Время пребывания частиц сырьевой муки в циклонном теплообменнике не превышает 25-30 с, и за это очень короткое время материал нагревается, полностью дегидратируется глинистая составляющая сырьевой смеси, а также на 25-30% успевает пройти декарбонизация карбонатной породы. Таким образом, в циклонном теплообменнике осуществляются процессы, которые соответствуют зоне подогрева и частично зоне кальцинирования.

Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками имеют высокие технико-экономические показатели, длительный срок службы, просты по конструкции и надёжны в эксплуатации (отсутствие Движущихся элементов), они отличаются высоким коэффициентом использования. Основным недостатком данного теплообменного Устройства является большая высота циклонной башни - 50-60 м.

Наиболее современными являются технологии, основанные на трёхступенчатом обжиге, которые позволяют направлять в обжиговую печь материал который декарбонизирован почти ПОЛНОСТЬЮ. Для интенсификации процесса диссоциации CaСО3 между запечным теплообменником и печью устанавливается специальный реактор – диссационная ступень (декарбонизатор), представляющая собой печь специальной конструкции с вихревой форсункой, где происходит сжигание топлива и декарбонизация сырьевой муки в вихревом потоке

Температура материала на входе в реактор составляет 720-750С. В результате сгорания дополнительного количества топлива температура газового потока повышается до 1000-1050, а материал нагревается до температуры 920-950. Каждая Частица материала находится в системе "циклонный теплообменник - Диссоционный реактор" всего 70-75 с, но по выходе из нее степень его декарбонизации составляет 85-95%.

Установка диссоционной ступени позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объёма печи в 2,5-3 раза, в результате печь диаметром 5-5,5 м может иметь производительность 6000-8000 т/сут удельный расход теплоты снижается до 3-3,1 кДж/кг клинкера. Размеры реактора невелики, он может быть использован не только при строительстве новых линий, но и при модернизации уже существующих коротких вращающихся печей с циклонными теплообменниками.

Рисунок 14.2 - Технологическая схема получения цемента по сухому способу: 1 - бункер известняка; 2 - щековая дробилка; 3 - молотковая дробилка; 4 - бункер глины; 5 - валковая дробилка; 6 - объединенный склад сырья; 7 - мельница «Аэрофол»; 8 - циклон-осадитель; 9 - промежуточный силос; 10 - сепаратор; 11 - мельница; 12 - гомогенизационный силос; 13 - запасной силос; 14 - печь с циклонными теплообменниками; 15 - холодильник; 16 - склад клинкера и добавок; 17 - мельница; 18 - цементный силос.

Читайте также: