ТСМ II

передачи тепла наиболее быстро позволяет равномерно нагреть материал. Сырьевая мука с помощью элеватора 16, питающего шнека 5 попадает между III и IV ступенями циклонов (нумерация ступеней теплообменника в отечественной литературе принята снизу вверх по ходу потоков газа, то есть через нижнюю ступень один проходит наиболее нагретый материал перед поступлением во вращающую печь, в зарубежной литературе с верху вниз по ходу материала), сырьевая мука дозированным потоком подается в газоход 4, откуда увлекается газовым потоком в циклонIV ступени, отделенная от газа мука по течкам из днищ циклонов поступает в газоход в более низкой ступени циклонов, а затем в реактор-декарбанизатор 9, который установлен между I и II ступенями циклонов, в реакторе-карбанизаторе сжигается 5060% топлива потребляемым печным агрегатом. Сырьевая мука предварительно подогретая в более высоких ступенях теплообменника, в реакторе-декарбанизаторе интенсивно нагревается при этом степень декарбанизации достигает 90%. Горячий воздух на сжигание топлива в реактор декарбанизатор поступает по воздуховоду 10 из холодильника клинкера 13. Повышение степени тепловой подготовки сырья в запечном теплообменнике с реактором декарбанизатором требует значительно меньшего расхода тепла на 1 кг клинкера собственно вращающейся печи, в результате ее размеры существенно сокращаются что снижает металлоемкость расход футерованных материалов, а так же повышает стойкость футеровки печи. Температура материала поступающего в печь 810820 0С, температура газов выходящих из печи 950-10000С, температура газов на выходе из циклонного теплообменника 350-3700С, пылеунос 3-4%, скорость газа 15-20 м/с, время пребывания материала 25-30 с., после печи горячий клинкер поступает в холодильник клинкера 13, горячие печные газы из циклонов верхней ступени после очистки в электрофильтре 6 сбрасываются в дымовую трубу, дымосос 17 обеспечивает перемещение газового потока по всему тракту начиная от холодильника клинкера, поскольку температура газов после верхней ступени циклона достигает 350 0С в технологических схемах часто утилизируют тепло этих газов подавая их на сушку сырьевых материалов.

21

Принципиальная технологическая схема производства портландцементного клинкера по сухому способу

Поступающие на предприятия сырьевые материалы подаются на склад сырья где они усредняются затем мел, глина, пиритные огарки подаются в приемные бункера 1 через весовые дозаторы 2 и ленточный конвейер сырья подает в мельницу самоизмельчения типа «аэрофол» 3 где происходит совместный помол и сушка сырьевой смеси если влажность не превышает 8%, то сырье может поступать на помол без предварительной подсушки, в качестве теплоносителя используются тепловые газы из топки 4, а так же отходящие дымовые газы из циклонного теплообменника 19. Мельница представляет собой барабан диаметром 7-9 метров, длиной около 2 метров, отфутерованый стальными бронеплитами имеющими ребра лифтеры для подъема измельчаемого материала, работает мельница следующим образом: материал загружается через полую цапфу и с помощью лопастей лифтеров поднимается и затем падает с большой высоты, измельчение материала происходит при ударах кусков друг о друга и о бронеплиты, производительность мельниц 100-125 тон в час. Она выдает продукт с тонкостью помола (сито №008) около 50-70% который выносится из нее газовоздушным потоком, полученный продукт подается на сепарацию в сепаратор 5, что позволяет разделить его на крупку и готовый продукт, крупка возвращается на доизмельчение в мельницу домола 6, которая

22

является трубной мельницей тонкого измельчения, после сепаратора готовая фракция осаждается в циклоне 7 и электрофильтре 8, сырьевая мука после мельницы домола 6, с помощью пневмовинтового насоса 9 направляется в корректирующие силоса 10, сюда же с помощью винтового конвейера 12 поступает осажденный продукт из циклона и электрофильтра, в корректирующих силосах она гомогенизируется и перегружается в расходные силоса 13, для очистки запыленного воздуха в силосах предусмотрен рукавный фильтр 14, мука через расходный бункер постоянного уровня 15, весовой дозатор 16, элеватор 17, и шнековый питатель 18 поступает в циклонный теплообменник 19, где она нагревается встречными горячими газами вращающейся печи до температуры около 800 0С, частично декарбанизируется, после чего поступает во вращающуюся печь 20, производительность печи около 3000т клинкера в сутки, по мере передвижения материала по печи здесь можно выделить 4 зоны:

1)Декарбанизации;

2)Экзотермических реакций;

3)Спекания;

4)Охлаждения.

После печи клинкер охлаждается в колосниковом холодильнике 21, а затем отправляется на склад, воздух для охлаждения подается вентилятором 25. Отходящие газы после циклонного теплообменника с температурой 300350 0С частично идут на сушку в аэрофол, а частично проходят очистку в электрофильтре 8 и дымососом 22 удаляются в дымовую трубу 24.

Мокрый способ производства портландцементного клинкера

Печи мокрого способа, в которых на обжиг подают жидкий шлам оборудуются внутрипечными теплообменниками, эти устройства увеличивают поверхность теплообмена между газами и материалом и способствуют повышению коэффициента заполнения печи, вращающаяся печь мокрого способа подразделяется на 6 зон:

1)Сушки;

2)Подогрева;

3)Декарбанизации;

4)Экзотермических реакций;

5)Спекания;

6)Зона охлаждения.

Зоны отличаются по температурным режимам, и следовательно по характеру основных физико-химических превращений протекающих в печи. Наибольшее распространение в печах мокрого способа получили цепные завесы.

23

Принципиальные схемы навески цепной завесы

С двумя концами С одним концом Они устанавливаются с холодного конца и по длине печи практически

совпадают с первой зоной сушки, основным назначением цепных завес, является эффективное подсушивание шлама и грануляция материала, при этом гранулы должны быть достаточно прочными во избежание их разрушения при дальнейшем перемещении по длине печи, соприкасаясь с газовым потоком цепи аккумулируют теплоту а затем при вращении печи погружаются в шлам, где материал налипает на них и воспринимает часть накопленной теплоты что приводит к интенсивной сушке, подсушенный материал отстает от цепей при их соударениях и виде комьев с влажностью 8-10% выходит из зоны цепной завесы. Различают цепные завесы со свободно висящими концами (рис. Б) и гирляндного типа (рис. А) для первого способа характерны простота конструкции и малая чувствительность завесы к влажности шлама в процессе сушки, однако гидравлическое сопротивление висящих цепей высокое что требует повышенной мощности дымососов. Гирляндная цепная завеса способствует лучшей грануляции материала при подсушивании, она обладает более низким гидравлическим сопротивлением, но гирляндная завеса почти в 2 раза более металлоемка чем свободно висящая при одинаковой тепловой эффективности, и при ней более высок пылеунос. Цепи навешивают преимущественно в длинных печах с отступом 3-5 мм от загрузочного конца и длина цепной завесы зависит от размеров печи и колеблется от 2 до 50 м. слишком короткая зона цепной завесы или недостаточная площадь поверхности цепей приводит к высокой остаточной влажности материала выходящей из цепной зоны, цепные завесы повышают производительность печи на 10% и снижают расход топлива на 5- 10%. Температура газов на участке цепной завесы не должна превышать 7008000С, при более высоких температурах металлические цепи начинают выгорать. Зона сушки и подогрева в сумме занимают 50-60% длины печи, зона декарбанизации (или кальцинирования) 10-25%, зона экзотермических реакций 7-10%, зона спекания 10-15%, зона охлаждения 3-4%. Меняя режим

24

работы печи можно смещать зоны и регулировать тем самым процесс обжига. При недостаточной подготовке материала к спеканию зоны кальцинирования и экзотермических реакций удлиняют за счет зон спекания сокращая ее протяженность и не дают возможности обжига клинкера без перевода печи на тихий ход. На тихом ходу процесс декарбонизации усиливается и зона кальцинирования постепенно переходит на свое место. Повышение температуры обжига снижает необходимое время пребывания материала в зоне спекания и позволяет сократить длину этой зоны без ущерба для качества обжигаемого материала. Весь процесс обжига последовательно идущие агломерации и уплотнения с переходом от свободнодисперсной системы к более прочной и плотной конденсационнокристаллизационной структуре. Чем плотнее клинкер, тем выше его качество. Качество обжига клинкера контролируется по содержанию свободного CaO в продукте, содержание которого не должно превышать 1%. Зона сушки и подогрева в сумме занимает 50-60% от длины печи. Зона кальцинирования 10-25%.

Высокотемпературные процессы при получении портландцементного клинкера

Конечный продукт обжига портландцементной сырьевой смеси – клинкера – это спекшийся материал в виде гранул размером 5-50 мм. Он полиминерален:

	3СaO·SiO2– 50-65%; (алит)
	2СaO·SiO2– 15-25%; (белит)	их называют минералы-плавни, т. к. при обжиге
	3СaO·Al2O3 – 3-8%;
		они плавятся, образуя жидкую фазу, влияющую на
	4СaO·Al2O3·Fe2O3 – 12-18%;
		процесс синтеза алита.

Сырье:

-карбонатные породы;

-глины;

-корректирующие добавки.

Для получения в обжигаемом материале нужного количества расплава их суммарное содержание в клинкере должно быть 18-22%.

Получение ПЦК процесс достаточно длительный, многоступенчатый. В длинных вращающихся печах мокрого способа производства можно

выделить шесть зон: сушки, подогрева, декарбонизация, экзотермических реакций, спекания и охлаждения.

I. Зона сушки: занимает 30-35% длины печи. Шлам долгое время сохраняет температуру 100 0Cи лишь в конце зоны поднимается до 200 0С. При нагревании шлама испаряется химически несвязанная влага. Для интенсификации процесса сушки в этой зоне навешиваются цепи (для увеличения поверхности теплообмена). По мере продвижения шлама, он из гидрофильно-коагуляционной структуры переходит в гирофобнокомпактную. По мере удаления из шлама свободной воды вязкость его

25

возрастает, что приводит к комкованию материала. Цепную завесу материал покидает с влажностью 9-12% в виде гранулированного продукта.

II. Зона подогрева – занимает около 30% длины печи температура материала подымается с 200 до 800 0С. При температурах 200-650 0С выгорают органические примеси. При температуре 450-600 0С происходят процессы дегидратации глинистых минералов, т. е. происходит удаление

450
кристаллизационной воды:
600
Al2O3·2SiO2·2H2O	Al2O3·2SiO2 + 2H2O.

Глина теряет пластичность, в результате часть гранул рассыпается. Начинается распад глинистых минералов на оксиды.

В этой зоне будет происходить частичное разложение карбонатов: при 600-700 0С разлагается магнезит и доломит, а при 700 0С начинает разлагаться CaCO3.

III. Зона декарбонизации. Это зона занимает 20% длины печи. Здесь температура поднимается от 800 до 1100 0С. Здесь происходит декарбонизация CaCO3 и образуется активный CaO. Одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных и кислотных оксидов в этой зоне начинаются процессы твердофазового синтеза новых соединений протекающие ступенчато. Выделяющийся при разложении карбонатов CaO немедленно связывается с кислотными оксидами:

2CaO + SiO2 → 2CaO·SiO2;

2CaO + SiO2 + Al2O3 → 2CaO·Al2O3·SiO2;

CaO + Fe2O3 → CaO·Fe2O3 + CaO → 2CaO·Fe2O3 + Al2O3 → 4CaO·Al2O3·Fe2O3;

CaO+ Al2O3 → CaO·Al2O3 → 5CaO·3Al2O3 → 3CaO·Al2O3.

В конце этой зоны содержания CaO свободно достигает максимума (30-

35%).

IV. Зона экзотермических реакций: Занимает 5-7% длины печи. Температура материала 1100-1300 0С. В этой зоне происходит интенсивное продолжение твердофазовых реакций, результатом которых является образование С2S; C3A; C4AF. Частично здесь образуется и некоторое количество C3S. Быстрое повышение температуры происходит из-за того, что в результате твердофазовых реакций на 1 кг клинкера выделяется 418 кДж теплоты. Содержание свободной извести резко уменьшается, однако в материале остается некоторое ее количество, необходимое для восстановления двухкальциевого силиката до трехкальциевого (алита).

26

Конечный продукт обжига портландцементной сырьевой смеси – клинкера – это спекшийся материал в виде гранул размером 5-50 мм. Он полиминерален:

3СaO·SiO2– 50-65%; (алит) 2СaO·SiO2– 15-25%; (белит)

3СaO·Al2O3 – 3-8%; 4СaO·Al2O3·Fe2O3 – 12-18%;

их называют минералы-плавни, т. к. при обжиге они плавятся, образуя жидкую фазу, влияющую на процесс синтеза алита.

Сырье:

-карбонатные породы;

-глины;

-корректирующие добавки.

Для получения в обжигаемом материале нужного количества расплава их суммарное содержание в клинкере должно быть 18-22%.

Получение ПЦК процесс достаточно длительный, многоступенчатый. В длинных вращающихся печах мокрого способа производства можно

выделить шесть зон: сушки, подогрева, декарбонизация, экзотермических реакций, спекания и охлаждения.

V. Зона сушки: занимает 30-35% длины печи. Шлам долгое время сохраняет температуру 100 0Cи лишь в конце зоны поднимается до 200 0С. При нагревании шлама испаряется химически несвязанная влага. Для интенсификации процесса сушки в этой зоне навешиваются цепи (для увеличения поверхности теплообмена). По мере продвижения шлама, он из гидрофильно-коагуляционной структуры переходит в гирофобнокомпактную. По мере удаления из шлама свободной воды вязкость его возрастает, что приводит к комкованию материала. Цепную завесу материал покидает с влажностью 9-12% в виде гранулированного продукта.

VI. Зона подогрева – занимает около 30% длины печи температура материала подымается с 200 до 800 0С. При температурах 200-650 0С выгорают органические примеси. При температуре 450-600 0С происходят процессы дегидратации глинистых минералов, т. е. происходит удаление

450
кристаллизационной воды:
600
Al2O3·2SiO2·2H2O	Al2O3·2SiO2 + 2H2O.

Глина теряет пластичность, в результате часть гранул рассыпается. Начинается распад глинистых минералов на оксиды.

В этой зоне будет происходить частичное разложение карбонатов: при 600-700 0С разлагается магнезит и доломит, а при 700 0С начинает разлагаться CaCO3.

VII. Зона декарбонизации. Это зона занимает 20% длины печи. Здесь температура поднимается от 800 до 1100 0С. Здесь происходит декарбонизация CaCO3 и образуется активный CaO. Одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных и кислотных оксидов в этой зоне начинаются

27

процессы твердофазового синтеза новых соединений протекающие ступенчато. Выделяющийся при разложении карбонатов CaO немедленно связывается с кислотными оксидами:

2CaO + SiO2 → 2CaO·SiO2;

2CaO + SiO2 + Al2O3 → 2CaO·Al2O3·SiO2;

CaO + Fe2O3 → CaO·Fe2O3 + CaO → 2CaO·Fe2O3 + Al2O3 → 4CaO·Al2O3·Fe2O3;

CaO+ Al2O3 → CaO·Al2O3 → 5CaO·3Al2O3 → 3CaO·Al2O3.

В конце этой зоны содержания CaO свободно достигает максимума (30-

35%).

VIII. Зона экзотермических реакций: Занимает 5-7% длины печи. Температура материала 1100-1300 0С. В этой зоне происходит интенсивное продолжение твердофазовых реакций, результатом которых является образование С2S; C3A; C4AF. Частично здесь образуется и некоторое количество C3S. Быстрое повышение температуры происходит из-за того, что в результате твердофазовых реакций на 1 кг клинкера выделяется 418 кДж теплоты. Содержание свободной извести резко уменьшается, однако в материале остается некоторое ее количество, необходимое для восстановлениядвухкальциевого силиката до трехкальциевого (алита).

28

IX. Зона спекания. Длина зоны 10% длины печи. Температура 1300- 1450-1300 0С. Происходит частичное плавление материала (20-30% от массы обжигаемой смеси). В расплав переходят все клинкерные минералы кроме белита, все легкоплавкие примеси и MgO. В твердом состоянии остаются лишь 2CaO· SiO2 и CaO. Спекание портландцементного клинкера слагается из трех взаимосвязанных и частично или полностью совпадающих во времени процессов:

1.Перехода компонентов сырьевой шихты и продуктов твердофазовых реакций в жидкую фазу путем плавления и растворения в расплаве;

2.Диффузия ионов реагирующих компонентов от места их перехода в расплав к местам образования новых твердых фаз;

3.Образование твердых фаз из расплава – кристаллизации.

Белит и CaOрастворяются в расплаве, диссоциируют на ионы, взаимодействуют с образованием нового соединения – трехкальциевого силиката (алита), который плохо растворим в расплаве и выделяется из него в виде мелких кристаллов; с течением времени кристаллики увеличиваются в размерах. Процесс продолжается до полного связывания свободного оксида кальция.

X. Зона охлаждения. Занимает до 5% длины печи. Температура клинкера понижается с 1300 до 1100-1000 0С. Часть жидкой фазы при этом кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла. Клинкер направляется в холодильник.

29

РАЗДЕЛ №14. Основные технологии производства керамических материалов и изделий

Технология изделий строительной керамики

Классификация керамических строительных материалов и изделий:

По конструктивному назначению различают следующие керамические материалы и изделия:

1.Стеновые изделия (кирпич и керамические камни); кирпич –

250×120×60.

2.Фасадные изделия (лицевой кирпич, различного рода плитка, наборные панно);

3.Изделия для внутренней облицовки стен (глазурованные плитки

ифасонные изделия к ним);

4.Плитка для облицовки пола (типа ГРЕСС);

5.Кровельные изделия;

6.Санитарно-строительные изделия (унитазы, ванны);

7.Дорожные изделия;

8.Изделия для подземных коммуникаций (дренажные трубы, канализационные трубы);

9.Пористые заполнители (керамзит, аглопорит);

10.Теплоизоляционные изделия (керамзито-керамические панели, ячеистая керамика, диатомитовые и шамотные легковесные изделия).

Общие свойства керамических строительных материалов и изделий

1.Водопоглащение от 1 до 30%. Керамический кирпич не менее 6%; Плитка для полов – 0,06%.

2.Предел прочности при сжатии (от 7 до 70 МПа), Rсж.

Марки у стеновых изделий: 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300.

Марка 200 прочность при сжатии не менее 20 МПа

3.Предел прочности при изгибе (0,7-5 МПа)Rизг.

4.Морозостойкость – это способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание, без признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Показателем морозостойкости служит количество теплосмен которые выдерживает материал без признаков разрушения.

Марки: F15, F25, F35, F50.

5.Теплопроводность.

Теплопроводность керамических материалов зависит от их объемной массы, состава, вида и размера пор и резко возрастает с увеличением их влажности.

30