Технологическая линия по производству белого портландцемента

Белые кварцевые  пески

В качестве сырьевых компонентов  применяют маложелезистые карбонатные  породы, содержащие для класса А не более 0.15%, для класса Б — неболее 0.25%  Fe2O3.

Более дефицитны глинистые  компоненты, содержащие не более 1% оксидов  железа. В производстве белого портландцемента  для промышленных целей могут  использоваться  каолин первичный, отходы обогащения каолина, полукислые огнеупорнык глины, туфогенные породы. Для повышения  силикатного модуля глинистых материалов  применяют тонкозернистые белые кварцевые пески, отходы кварцевого песка. Как правило, песчано-глинистое сырьё привозное.

 

 

 

Технические требования  к  к карбонатному сырью:

 

Компонент сырья	Содержание,% для класса А	Содержание,% для   класса Б
CaCО3	=>97	=>90
MgCО3	<=2	<=2.5
Fe2O3	<=0.15	<=0.25
Mn	<=0.01	<=0.03
SО3	<=1.0	<=1.5

 

 

 

Технические требования к глинистому и кремнеземному сырью:

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 СаО_своб при содержании его в клинкере более 1,5—2%; гидратацией MgO_своб., 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 СаО_своб 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 + 3O_2.

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.