ЛЕКЦИЯ №22

Обжиг сырьевых смесей и получение клинкера

Качество клинкера и свойства цемента зависят от физических свойств и химического состава обжигаемой сырьевой смеси, вида и качества топлива, температуры и продолжительности обжига, а также от скорости охлаждения клинкера.

Процессы, протекающие при обжиге клинкера

В обычных условиях известняк и глина инертны, но при нагревании они становятся активными и начинают взаимно проявлять реакционную способность.

Скорость химической реакции возрастает, если часть материалов расплавляется, образуя жидкую фазу. Такое частичное плавление назвается спекание, а материал — спекшимся.

Портландцементный клинкер обжигают до спекания, для более полного химического усвоения окиси кальция СаО кремнеземом SiO2 и получения при этом трехкальциевого

силиката 3CaO·SiO2.

Вращающиеся печи — основной тепловой агрегат, как при мокром, так и при сухом способах производства клинкера; в них получают примерно 98,1 % клинкера от общего выпуска, 1,9 % клинкера обжигают в шахтных печах.

1

Вращающаяся печь

Физические свойства сырьевых смесей, приготовленных по сухому или мокрому способу, по мере их нагревания до определенных температур изменяются по-разному. После испарения воды в обоих видах сырьевых смесей при дальнейшем их нагревании протекают одни и те же химические реакции.

2

Процессы клинкерообразования и тепловые эффекты

Химические реакции, температурный уровень и технологические зоны

Компоненты сырьевой смеси: известняк, мел, мергель, глина, глинистый сланец и др.

С целью получения требуемого состава к сырьевой смеси добавляют железную руду, колчеданные огарки, трепел, боксит и др. В порядке кооперации производства и использования промышленных отходов при выработке цемента применяются в качестве сырья гранулированный доменный шлак, сланцевый кокс, нефелиновый шлам и т. п.

Мергель — осадочная камнеподобная горная порода смешанного глинисто- карбонатного состава: 50 — 75 % карбонат (кальцит, реже доломит), 25 — 50 % — нерастворимый остаток (SiO2 + R2O3).

Процесс обжига

периода распада первичных продуктов	периода новообразований
(эндотермические реакции)	(экзотермические реакции)

3

Схема протекания химических реакций

В зоне дегидратации протекает химическая реакция распада каолинита:

Al2O3·2SiO2·2H2O→Al2O3+2SiO2+2H2O

Первой зоной периода новообразований является экзотермическая зона. Первая экзотермическая реакция - образование метакаолина из свободных аморфных окислов глинозема и кремнезема:

Al2O3+2SiO2→Al2O3·2SiO2

К первичным минералам, образующимся при температурах 950-1000 ᵒС, относится однокальциевый феррит (CaO∙Fe2O3) и

однокальциевый алюминат (CaO ∙ Al2O3),

которые с повышением температуры насыщаются известью и образуют соответственно четырехкальциевый алюмоферрит, иначе «браунмиллерит» (4CaO ∙ Al2O3 ∙ Fe2O3) и трехкальциевый

алюминат (2CaO ∙ SiO2).

4

Распределение температуры материала

Распределение температуры материала и газового потока по длине барабана вращающейся печи, работающей по мокрому способу производства.

По характеру процессов температурные зоны в печи называют: I — до 200°С — испарения (сушка шлама);

II — 200—800°С — подогрева (дегидратации);

III — 800—1000° С — декарбонизации (кальцинирования);

IV — 1000—1300° С — экзотермических реакций;

V — 1300—1450—1300° С — спекания; VI — 1300—1000° С — охлаждения.

! для разложения 1 кг карбоната кальция по схеме СаСОз → СаО + CO2 требуется 1785 кДж (425 ккал)

5

Основные пояснения к графику

	I - часть зоны оснащается цепными завесами с целью интенсификации процесса сушки.
	При нагревании шлам вначале разжижается, а затем загустевает и при потере
	значительного количества воды превращается в крупные комья. При дальнейшем
	нагревании комья распадаются на значительно более мелкие гранулы, которые выходят из
	цепной завесы влажностью до 12 %, а температурой около 90—100 °С.
	II - происходит частичное или полное разложение глинистых минералов на свободные
	окислы SiO2 и AI2O3, а также декарбонизация углекислого магния. В результате
	дегидратации и распада минералов глинистый компонент теряет пластичность и
	рассыпается в порошок.
	III - возникают реакции между основным окислом СаО и кислотными окислами
	глинистого компонента SiO2, Al2O3 и Fe2O3 с образованием основных соединений
	CaO·Fe2O3, СаО·Аl2О3 и CaO·SiO2.
	IV - однокальциевый силикат превращается в 2CaO·SiO2 (C2S); однокальциевый
	алюминат— в ЗСаО·Аl2О3 (С3А); окись железа — в 4Са·Аl2O3·Fe2O3 (C4AF) или
	2CaO·Fe2O3. При температуре 1300 °С твердофазовые процессы образования минералов
	заканчиваются и материал к этому моменту состоит из образовавшихся соединений C2S,
	С3А, C4AF, C12A7, C2F, СаО, MgO.
	V - за 25—30 мин обжига образуется C3S - главная составная часть
	портландцементного клинкера.
	VI - выделяются минералы С3А, C4AF, C2S, MgO и в небольшом количестве C3S, а часть	6
	жидкой фазы затвердевает в виде стекла.

Клинкерные фазы

Количество жидкой фазы, образующейся при обжиге портландцемента в зоне спекания вращающейся печи, колеблется обычно в пределах от 15 до 30 %.

При быстром охлаждении жидкая фаза может застыть в виде

стекла, а при медленном – полностью закристаллизоваться.

Основные клинкерные фазы

Алит	Белит	Заполняющее пространство
		между ними промежуточное
		вещество
В составе трехкальциевого	Белит состоит из β–C2S и	В промежуточное вещество
силиката, в твердом	небольшого количества	входят минералы (алюминаты
растворе, имеются	других модификаций	и алюмоферриты кальция – в
включения небольшого	двухкальциевого силиката,	их составе могут находиться
количества окиси магния,	окиси магния, окиси	включения окиси магния,
окиси алюминия, окиси и	алюминия, окиси железа,	щелочей и др), оставшиеся
закиси железа, щелочей и	щелочей и некоторых	свободными СаО и MgO и не
некоторых других	других соединений,	успевшие
соединений.	стабилизирующих β-C2S .	закристаллизоваться в стекло.

7

Важные моменты

! Содержание свободной окиси кальция не должно превышать 1 – 2 %.

! Содержание щелочей в клинкере составляет обычно 0,3—1,0 % и в отдельных случаях достигает 1,5 %.

! Содержание окиси магния не должно быть более 5 %.

! Медленный процесс гидратации* периклаза (MgO) при повышенном содержании его в клинкере вызывает значительные напряжения и трещины в бетоне.

* Гидратация— присоединение молекул воды к молекулам или ионам.

8

Факторы, влияющие на процесс клинкерообразования

1. Увеличение содержания в сырьевой смеси СаО

KH	Количество свободной извести CaO

2. Повышение содержания в сырьевой смеси SiО2

Силикатного модуля n

Количествa C3S+C2S и

C3A+C4AF

Оптимальное количество расплава в обжигаемой портландцементной сырьевой смеси составляет 25—30 %, при этом содержание минералов рекомендуется изменять в пределах от 20 до 25 %, а силикатный модуль от 1,5 до 2,5.

9

Факторы, влияющие на процесс клинкерообразования

3. Изменение величины глиноземистого модуля

При n смеси более 2,5 глиноземистый модуль рекомендуется понижать до единицы.

Оптимальный состав клинкера: Минералогический состав, % C3S = 52... 62

C2S=14...24 C3S+C2S=75...78 C4AF=12...16 C3A=5...8 C3A+C4AF=18...22

Модули КН = 0,88... 0,92 n =1,9...2,5

p =1,0...1,4

10