ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ОБЖИГЕ КЛИНКЕРА

Обжиг тонкоизмельченной и гомогенизированной сырьевой смеси определенного химического состава является важнейшей составной частью технологиче­ского процесса при производстве цементов всех видов.

В результате обжига сырьевой смеси получают цементный клинкер, содержащий в основном известь (СаО) и кремнезем (Si02), а также, в меньшем количест­ве, глинозем (А1203) и окись железа (Fe203).

Все указанные компоненты находятся в клинкере в связанном состоянии в виде силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.

Свойства портландцемента как вяжущего мате­риала характеризуются прежде всего свойствами со­ставляющих его искусственных минералов, основными из которых являются трехкальциевый силикат (C3S), двухкальциевый силикат (C2S), алюмоферриты кальция переменного состава (от QASF до CaF) и алюминаты кальция (С3А и С5А3). Кроме того, и клинкере могут быть и другие минералы, образованные химическими примесями в исходном сырье. Содержание указанных минералов в клинкере зависит от химического состава исходной сырьевой смсси, а также от режима обжига и охлаждения клинкера.

Образованию клинкера предшествует целый ряд физико-химических процессов, которые протекают в оп­ределенных температурных границах, так называемых технологических зонах печного агрегата. В основном это процессы химического и физического распада кри­сталлических решеток минералов, составляющих сырь­евые компоненты: рекристаллизация монофаз и образо­вание твердых растворов на низкотемпературной стадии обжига, растворение в расплаве нерскристаллизовы — вающихся фаз; кристаллизация минералов из распла­ва; распад твердых растворов при охлаждении клин­кера.

При мокром способе производства шлам с влажно­стью 37—39% поступает в зону сушки вращающейся печи. В процессе постепенного нагревания шлама испа­ряется влага, в результате чего изменяются реологи­ческие свойства шлама. При достижении определенной вязкости шлама в ценной завесе начинают образовы­ваться гранулы, которые, как правило, выходят из цепной зоны с влажностью 6—12% и температурой около 90—100° С.

Расход тепла на испарение влаги шлама зависит только от начальной влажности шлама и может дости­гать 650 ккал/кг (2620 кДж/кг) клинкера, что составляет при мокром способе производства более одной трети удельного расхода тепла на обжиг.

Газовый поток поступает в зону испарения влаги с температурой 800—1000°С и покидает печь с темпера­турой около 150сС или несколько выше.

В следующей технологической зоне — подогрева и дегидратации — материал нагревается до 600°С. При температуре материала 450"С и выше начинается про­цесс дегидратации и разложения каолинового ядра гли­нистого компонента на SiOz и А1203, а также декарбо­низация углекислого магния.

Участок печи, где происходит разложение кар­бонатной составляющей — зона декарбонизации, — является, с теплотехнической точки зрения, глав­ной зоной печи с максимальным потреблением тепла.

Процесс разложения карбоната кальция начинает­ся около 600°С и ускоряется по мере повышения тем­пературы материала, достигая максимума при 900°С, когда парциальная упругость С02 достигает 760 мм рт. ст. (7600 Па). На характер процесса декарбонизации известняка во вращающихся печах могут оказывать влияние химические особенности сырья, концентрации С02 и Н20 в топочных газах, которые зависят от вида применяемого топлива.

Одновременно с диссоциацией карбонатов идут ре­акции в твердом состоянии между образующейся оки — сыо кальция (известью), с одной стороны, и кремнезе­мом и полуторными окислами — с другой. Твердофазо — вая реакция образования кристаллов двухкальциевого силиката размером до 1 мкм наблюдается уже при тем — Еіературе около 800°С. В температурном интервале 1000—1200сС реакции в твердой фазе между известью и силикатными составляющими протекают довольно быстро. В интервале температур 800—1000°С из гли­нозема глинистого компонента и свободной извести образуется моноалюминат кальция (СА), который при более высокой темЕїературе реагирует с окисью каль­ция и образует вначале С5А3, а затем и С3А.

Взаимодействие окиси железа с окисью кальция начинается Еіри температуре 800—900°С с образова­нием C2F, который при более высокой температуре всту­пает во взаимодействие с алюминатами кальция и пе­реходит в алюмоферриты кальция. На Стєееєнь завер­шенности твердофазовых реакций весьма существенно влияют тонкость помола и однородность сырьевой смеси.

При плохой гомогенизации и грубом помоле сме­си, образовавшиеся в результате разложения СаС03, зародышевые кристаллы извести могут остаться в сво­бодном виде и, вследствие рекристаллизации, не будут быстро взаимодействовать с другими окислами.

Расход тепла на разложение известнякового компо­нента и подогрев сырьевой смеси от 900 до 1250— 1300°С составляет 550—650 ккал на 1 кг (12 300— 2620 кДж на I кг клинкера). Все процессы так называ­емого «белитового периода» обжига клинкера можно значительно ускорить путем увеличения температур­ного напора на 150—20(г С.

В зоне экзотермических реакций за счет выделения тепла (примерно 100 ккал/кг (420 кДж/кг) клинкера) при реакциях образования двухкальциевого силиката, алюминатов и алюмоферритов кальция температура материала резко возрастает от 1100 до 1300" С и выше. При этой температуре часть минералов начинает рас­плавляться, образуя жидкую фазу клинкера.

Длит формируется в интервале температур 1300—■ 1450° С. Механизм его образования можно представить как результат растворсния окиси кальция и двух — кальциевого силиката в жидкой фазе с последующей кристаллизацией алита.

Время полного усвоения окиси кальция и обра­зования алита в зоне спскания вращающихся печей составляет от 10 до 25 мин.

11а этом участке печи и в расположенной здесь же зоне горения топлива происходят самые ответственные процессы, так как от эффективного сжигания топлива и дальнейшего исееользовэния теплосодержания ЕЕрО — Дуктов горения в значительной мере зависят удельный расход тоЕїлива на обжиг и качество получаемого при этом клинкера.

В зависимости от времени пребывания клинкера при высоких температурах, а также скорости охлажде­ния клинкера его* кристаллы имеют различные размеры. Кристаллическая структура клинкера существенно влияет на прочностные показатели цемента. Установ­лено, что мелкокристаллическая структура клинкера позволяет, при прочих равных условиях, получать цементы более высокой ЕЕрочности. Существенное зна­чение в связи с этим имеет скорость охлаждения, а так­же начальная температура клинкера, поступающего на охлаждение.

Обычно в зоне охлаждения вращающейся печи тем­пература клинкера снижается до 1100—1350° С, а в хо­лодильниках, в зависимости от конструкции, — до 50—300°С.

Вторичный воздух, охлаждающий клинкер, на­гревается Еіри этом до 600—800° С. С ним возвращается в печь 200—270 ккал на 1 кг (836—1100 кДж на 1 кг) клинкера. Следовательно, эффективное охлаждение клиЕЕКера приводит к значительной экономии тепла и повышению температуры горения топлива.

Быстрое охлаждение клинкера замедляет разло­жение алита, находящегося в метастабильном состоя­нии в интервале температур 1200—1250° С, способст­вует фиксации жидкой фазы в стекловидном состоянии и мелкой кристаллизации клинкерных минералов, препятствует выделению примесей из минералов и ро­сту самих кристаллов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *