Технологическая линия по производству белого портландцемента

Сырьевой материал	Содерж-e,% Si2O3	Содерж-е,%Fe2O3	Содерж-е,%TiO2	Содерж-е,%Al2O3	Содерж-е,% H2O
каолин-сырец	<=72	<=1	<=0.8	Не нормируется	<=20
Каолин обогащённый	-	<=1.5	<=1.0	Не нормируется	<=15
Песчано-глинистые отходы-шликеры	60-72	<=1.0	<=0.8	Не нормируется	<=25
Полукислые глины	45-80	<=1.2	<=1.0	<=25	-
Кварцевые пески	>=96	<=0.2	Не нормируется	Не нормируется	-

 

 

 

Грубый помолI23Средний помолII14Тонкий помолIII2  

-Нормальная густота (водопотребность).

Водопотребность цемента определяется количеством воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Нормальной густотой цементного теста считаю такую его подвижность, при которой цилиндр-пестик прибора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит на 5-7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо.

 

-Сроки схватывания.

Начало схватывания цемента должно наступать не ранее чем  через 25 мин, а конец — не позднее чем через 24 ч с момента затворения. Для регулирования сроков схватывания в цемент вводят гипсовый камень.

 

-Активность и марка цемента.

       Активность и  марку определяют испытанием  стандартных образцов-балочек размером 4х4х16 см, изготовленных из цементно-песчаной  растворной смеси состава 1:3 (по  массе) и В/Ц = 0,4 при консистенции раствора по расплыву конуса 106 – 115 мм. Через 28 сут твердения (первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе, а затем 27 сут – в воде комнатной температуры), образцы-балочки сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки балочек – на сжатие.

Предложены методы определения активности цемента ускоренными методами с пропариванием образцов. Такие методы дают возможность судить о марке цемента уже через 16—38 ч после изготовления.

 

-Прочность цемента 

Ценность цемента как строительного материала определяется, в первую очередь, его механической прочностью в затвердевшем виде. Прочность — это результат когезии частичек цемента между собой и адгезии их к заполнителю. Так как цемент применяется в основном в бетонах и растворах, стандарты всех стран предусматривают испытания  растворных образцов.

 

-Равномерность изменения объема

Вяжущие вещества, в том числе и цементы, при твердении должны характеризоваться равномерностью изменения объема. Цементы с неравномерным изменения объема приводят не только к снижению прочности бетонов при их твердении, но даже к их разрушению.   Неравномерность изменения объема цементов может быть вызвана: гидратацией СаОсвоб при содержании его в клинкере более 1,5—2%; гидратацией MgOсвоб., присутствующего в клинкере в виде высокотемпературной медленно гасящейся формы - периклаза; образованием в твердеющем цементе трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция при повышенном содержании в клинкере С3А и при избыточном введении гипса в портландцемент при его помоле.

Содержание СаОсвоб в цементе стандартом не регламентировано. При избыточном    его количестве отрицательное влияние легко определяется по   поведению цементных образцов-лепешек  (диаметр 7-8 см, толщина в середине около 1 см) при их нагревании в кипящей воде в течение 3 ч. Испытание проводится через 1 сут. после изготовления образцов. Отсутствие на лепешках радиальных, доходящих до краев трещин или сетки мелких    трещин, видимых невооруженным глазом или в лупу, а   также искривлений и увеличения объема - свидетельство равномерного изменения объема цемента.

 

 

 

 

Вспомогательными характеристиками цемента являются [1],[3]:

-Истинная плотность известково-шлакового  цемента 2,5—2,9 г/см3 и зависит в  основном от вида и содержания  в нем извести. Плотность в рыхлопасыпном состоянии 800—900, а в уплотненном состоянии—1200— 1400 кг/м3.

 -Тепловыделение. Гидратация цемента сопровождается определенным тепловым эффектом, величина которого зависит от структуры, минералогического состава цемента, тонкости помола, содержания гипса, активных и инертных добавок. Влияет на теплоту гидратации также степень кристаллизации.

Примерное тепловыделение в разные сроки твердения цемента можно подсчитать по коэффициентам, характеризующим долю участия клинкерных минералов в этом  процессе.

Ускорители твердения увеличивают тепловыделение, а замедлители -  уменьшают его. Тепловыделение может играть как положительную, так и отрицательную роль в зависимости от конкретных условий. При бетонировании зимой оно является положительным фактором, так как способствует дальнейшему протеканию процессов твердения. При бетонировании больших массивов, особенно летом, температура может повышаться на 30 - 40 °С по сравнению с температурой при укладке, что вызывает внутренние напряжения и даже трещины.

-Усадка и набухание цементного камня. В первый период после затворения объем цементного камня несколько уменьшается вследствие испарения воды и седиментации. Затем он набухает. В дальнейшем объемные деформации цементного камня определяются относительной влажностью среды, в которой происходит твердение. Цементный камень набухает при хранении в воде, причем линейные деформации составляют 0,1 - 0,3 мм/м. Через несколько лет набухание стабилизируется. Если же образец высушивают, то он дает усадку. Усадка обратно пропорционально зависит от влажности окружающей среды. Однако, как правило,  усадку   определяют   при   относительной  влажности 50 – 60 %.

-Трещиностойкость.С усадкой цементного камня тесно связана и с его трещиностойкость при высыхании.  Как,  правило, цементы с пониженной скоростью твердения обладают большей трещиностойкостью, хотя величина их усадки может быть значительной. Введение в цемент большого количества добавок осадочного происхождении, повышение тонкости помола, увеличение содержания А12О3 и МgO в клинкере снижает его трещиностойкость. Доменные гранулированные шлаки, наоборот, увеличиваю ее.

-Ползучесть. Ползучестью называется свойство цементного камня или бетона необратимо деформироваться   под влиянием  длительно действующих в них напряжений, возникающих вследствие внешних нагрузок

-Водонепроницаемость. Затвердевший цемент обладает высокой водонепроницаемостью. Водонепроницаемость цементного камня с В/Ц=0,4 примерно равна водонепроницаемости мрамора, хотя пористость цементного камня составляет около 50 %, а мрамора — около 2 %. При   одинаковой  степени гидратации и одинаковом В/Ц водонепроницаемость цементного камня не зависит от тонкости помола цемента. С ростом В/Ц водонепроницаемость падает. Особенно резкий спад ее наблюдается при В/Ц > 0,5.

Высокая водонепроницаемость объясняется тонким капиллярным строением и заполнением пор цементным гелем. Высушивание цемента ведет к резкому уменьшению водонепроницаемости, что связано с нарушением тонкой структуры цементного камня.

-Морозостойкость цементного камня - важное свойство, имеющее первостепенное значение при использовании цементных бетонов в гидротехническом, дорожном, водохозяйственном строительстве. При замерзании вода увеличивается в объеме примерно на 9 % . Однако не вся вода, содержащаяся в цементном камне, замерзает одновременно. Сначала при температуре немного ниже 0 °С замерзает вода, находящаяся в пустотах и макропорах цементного камня, так называемая «свободная» вода. Потом замерзает вода в капиллярах, в наиболее тонких из них  при - 25 °С. Вода в гелевых порах замерзает при еще более низкой температуре. По данным некоторых исследователей, часть ее не замерзает даже при  - 78 °С.

Под давлением льда на стенки пор и капилляров цементный камень значительно увеличивается в объеме. Максимальное увеличение объема наблюдается в области температур от – 5 - 20 °С и достигает примерно 1 - 2 мм/м. При попеременном замораживании и оттаивании в цементном камне возникают необратимые линейные деформации.

    

 

 

 

1.6.Анализ существующих  технологических схем производства  продукта.

[15]

Технологический процесс получения белого портландцемента имеет свои особенности. Как правило, исходные компоненты для производства белого портландцемента  предварительно обогащают и сортируют. Если помол сырья осуществлять в обычных мельницах, произойдёт  присадка железа  и содеожание Fe2O3 в клинкере повысится на 0.2-0.3%. Резко (примерно втрое) увеличится содержание марганца. Поэтому сырьевые мельницы футеруют особо прочным и износостойким песчаником, а помол ведут с применением высокоглинозёмистых уралитовых шаров.

  Определённые трудности возникают и с обжигом клинкера. Обжиг нужно вести при Т=1600. Чтобы облегчить обжиг и  и увеличить количество жидкой фазы, необходимо вводить в шихту минерализаторы. Они понижают  Т образования жидкой фазы до обычных для цементных клинкерам пределов, ускоряют твёрдофазные реакции, снижают вязкость расплава в 4-9 раз,увеличивают константу скорости реакции до 25-30 %, улучшают условия кристаллизации алита, снижают длительность пребывания клинкера в зоне высоких Т. При этом уменьшается  растворимость оксидов железа в белите и тем самым повышается белизна клинкера. Наличие водяных паров или создание слабовостановительной среды при обжиге повышает эффективность интенсифицирующего действия минерализаторов. Оптимальное количество минерализаторов  - 0.3-1.0 %. Увеличение их количетва сверх оптимального приводит к образованию крупнокристаллической структуры с размерами кристаоолв алита 40-60 мкм и понижению белизны на 3-5 %. В настоящее время промышленностью используется  в качестве минерализаторов  фосфогопс,сулбфатный отход произвлодства моющих средств, отходы содового производства, содержащие хлорид и гипохлорид кальция. Применение минерализаторов  увеличивает производительность  вращающихся печей  на 5-7 % и позволяет  снизить расход топлива на 3-5 %. Обжиг необходимо вести газообразным или жидким топливом.

Печи футируют только магнезитовым кирпичом, стойкость которого равна 100 сут.

Всё же клинкер, выходящий из печи, имеет зеленоватый оттенок, и его надо отбеливать. При охлаждении на воздухе белизна клинкера снижается вследствие самопроизвольной  кристаллизации алюмоферитов кальция и образования окислительно-восстановительных крмплексов. В наибольшеё степени снижают белизну гетеровалентные замещения, которые обусловливают дефектность электронной структуры полидров и усиливают светопоглощение.

Гетеровалентные замещения происходят в решётке алита ( 3Ca2+ → 2Fe3+ ),а также C3A (4Al3+ → 3Mn4+ ), вследствие чего белизна этих минералов в присутствии красящих оксидов снижается в наибольшей степени. Одним из способов отбеливания является введение в шихту галоидных соединений , удаляющих часть железа ввиде летучих хлоридов.

2 Fe2O3 + 6Cl <=> 4Fe2Cl3 + 3O2.

Этот способ предложил И.Я.Слободник, но проверка его не дала желаемых результатов. Это объясняется тем, что при наличии кислорода в газовой среде вращающейся печи это реакция обратима.

 

 

 

Другой способ отбеливания — это восстановления Fe2O3 и Mn2О3 до  FeO и   MnО, которые дают менее интенсивную окраску. Установлено, что при Т=1500 и выше происходит  термическая диссоциация Fe2O3 и Mn2О3 с переходом их в  Fe3O4 и  Mn3О4. Однако снижение Т вызывает почти мгновенный обратимый  переход последних в соединения  с более высокой валентностью. Для предотвращения этого был предложен  способ «закалки» водяным отбеливанием, который состоит в том, чтобы клинкер непосредственно из зоны спекания через специальные отверстия  поступал в бассейн с водой . Из бассейна клинкер цепным загружателем подайтся на конвейер, которым доставляется в специальный барабан. При этом  в клинкере остаётся повышенное количество свободной извести, происходит частичная гидротация. Белизна клинкера повышается.

Восстановление оксидов железа  и марганца в соединениях с более низкой валентностью может быть произведено также действием СО при Т=900-1100. Этот способ,разработанный С.С.Череповским и О.К.Алешиной,предусматривает отбеливание в газовой среде, которую получают, сжигая генераторный газ в камере,откуда он подаётся в герметически закрытой с выгрузочного конца барабанный холодильник. Газ содержит менее 0.2% и О2 и более 5% СО.

Экспериментально проверен двухступенчатый  способ отбеливания, предложенный А.Н.Гречьяном и А.П.Калашниковым. По этому способу клинкер с Т=1400 в течение 1-2 мин. охлаждается сначала в конвертированном газе, а затем окончательно в воде. Водород и оксид углерода (II),выделяющиеся в процессе конверсии газа с водяным паром, в момент образования обладают высокой активностью и обусловливают  переход железа из четверной в шестерную координацию. При этом белизна клинкера получается на 5% выше, чем при водяном отбеливании.

А.П.Зубехиным установлено, что эффективность того или иного способа отбеливания зависит от соотношения красящих оксидов в клинкере. При наличии только оксида железа  (III) восстановительная среда обжига и охлаждения (СО:СО2 = 1:1 ) повышает коэффициент отражения  (КО) клинкера на 3-5%. Отбеливание в воде повышает  КО на 12% при окислительном и на 14% при восстановительном обжиге.