Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы, обоснование цели и задач исследований 12
1.1. Влияние дисперсности материалов на их технологические свойства
1.2. Полиморфизм кварца 18
1.3. Взаимодействие материалов в процессе измельчения и их механохимическая активация 23
1.4. Механизм разрушения твердых тел 30
1.5. Технологии помола сырьевых материалов различной твердости 33
1.6. Выводы 35
1.7. Цель и задачи исследований 36
2. Характеристика исходных материалов и методы исследований 38
2.1. Характеристика исходных материалов 38
2.2. Методы исследований 40
2.3. Выводы 46
3. Дисперсные характеристики цементных сырьевых смесей двухпоточного помола 48
3.1. Взаимное влияние кварца и мела на размалываемость в процессе совместного помола
3.2. Размалываемость крупных кварцевых зерен при двухпоточном помоле глино-мелового шлама
3.3. Определение оптимального содержания мелового компонента в глино-меловом шламе потока I 66
3.4. Скорость расслаивания (оседания) сырьевого шлама 69
3.5. Взаимосвязь между степенью помола и адгезионно-когезионными свойствами шлама
3.6. Возможность реализации в промышленных условиях двухпоточного помола шлама 70
3.7. Технологическая схема приготовления шлама двухпоточным способом в заводских условиях с использованием существующего типового оборудования 75
3.8. Опытно-промышленные испытания ассортимента мелющих тел повышенной плотности загрузки для барабанных мельниц 78
3.9. Выводы 82
4. Влияние двухпоточного помола шлама на активность сырьевой смеси при нагревании
4.1. Реакционная способность крупнокристаллического кварца при взаимодействии с оксидом кальция
4.2. Расчет состава твердого раствора [Si02(CaO)] оксида кальция в кремнеземе
4.3 Влияние двухпоточного помола цементной сырьевой смеси на её реакционную способность при обжиге клинкера
4.4. Влияние способа помола сырьевой смеси на микроструктуру клинкера
4.5. Влияние способа помола шлама на активность клинкера
4.6. Выводы 108
Основные выводы и результаты работы 111
Список используемой литературы 114
Приложения
- Взаимодействие материалов в процессе измельчения и их механохимическая активация
- Размалываемость крупных кварцевых зерен при двухпоточном помоле глино-мелового шлама
- Опытно-промышленные испытания ассортимента мелющих тел повышенной плотности загрузки для барабанных мельниц
- Влияние двухпоточного помола цементной сырьевой смеси на её реакционную способность при обжиге клинкера
Введение к работе
По потреблению энергии и топлива производство строительных материалов находится на 5 месте среди 13 промышленных отраслей. Поэтому на ведущих цементных заводах ведется интенсивный поиск способов энергосбережения [1], основными из которых являются снижение расхода электроэнергии на измельчение и топлива на обжиг клинкера [2].
Процесс измельчения представляет собой чрезвычайно сложное явление, в котором наряду с механическими, существенное значение имеют физико-химические факторы. Эти же факторы влияют на изменение технологических свойств материалов в результате измельчения [3]. Актуальность исследований в этой области определяется большим воздействием степени измельчения на технологические свойства сырьевых материалов и огромным объемом получаемых из них продуктов.
Степень измельчения цементного сырьевого шлама является одной из основных технологических характеристик, от которой зависит его водопотребность, реакционная способность и особенности процессов клинкерообразования [4,5]. Оптимальная сырьевая смесь - это такой шлам, который обеспечит одновременно минимальные энергозатраты при его приготовлении и обжиге и максимальную активность клинкера, обусловленную расчетным минералогическим составом клинкера [6-9]. Состав сырьевой смеси должен обеспечить возможность синтеза силикатов, алюминатов и алюмоферритов с заданными соотношениями между минералами [10].
По мере развития техники требования к дисперсности сырьевой смеси растут. Тонкость помола определяет такие важные факторы, как реакционная способность, обжигаемость и активность клинкера [11].
Повышенная тонкость помола помимо ускорения реакций минералообразования способствует более совершенной гомогенизации сырьевой смеси и уменьшает ее расслоение при транспортировании и хранении.
Процессы измельчения твердых материалов в технологии цемента испытывают в последние годы своеобразный резонанс. Связано это прежде всего с изменениями требований к готовому продукту и, соответственно, условиям помола для исходной размалываемой шихты. Эти изменения заключаются в необходимости достижения для каждого размалываемого-компонента своей оптимальной степени измельчения, максимального их перемешивания и получения в целом продукта повышенной дисперсности [12,13]. Исследования и промышленная практика показали, что физико-химические и технологические процессы, происходящие с твёрдыми веществами или с участием последних, в большинстве случаев протекают тем быстрее и полнее, чем больше поверхность участвующего в процессе вещества.
Одной из причин увеличения топливно-энергетических затрат в производстве цемента является наличие в сырье крупных включений,-например таких как кварц. Крупнокристаллический кварц оказывает большое влияние на обжигаемость сырья и в конечном итоге на качество клинкера. Его негативное действие заключается в том, что в ходе обжига, обладая низкой реакционной способностью, усложняет технологический процесс и, как следствие, снижает качество продукта и увеличивает расход топлива на обжиг сырьевой смеси [14-16]. Отсюда возникает необходимость в использовании технологии, способной получать оптимальный гранулометрический состав сырьевой смеси и снизить негативное влияние крупнозернистого кварца. Тонкий помол особенно эффективен для сырьевых-смесей, содержащих крупнозернистый кремнеземистый компонент-[17].
Актуальность исследования в этой области определяется большим влиянием степени измельчения материалов на качество выпускаемых клинкера и цемента, а также на экономику всего производственного процесса в целом [18].
7 Актуальность. Экономия энергоресурсов остается актуальной проблемой для цементной промышленности, основной объем продукции которой в нашей стране выпускается по мокрому способу производства. В связи с этим эффективным способом экономии ресурсов и повышения качества цемента является оптимизация состава и дисперсности- сырьевых материалов.
С увеличением объемов производства цемента возникает необходимость использования запесоченного сырья. Так, на ряде цементных заводов, например Старооскольском и Горнозаводском, столкнулись с серьезной проблемой запесоченности сырьевых материалов, в частности, глинистого компонента.
Несмотря на то, что вопросы влияния дисперсности сырья на особенности клинкерообразования ранее уже обсуждались в работах отечественных и зарубежных исследователей, проблема повышения реакционной способности некондиционного сырья и его обжигаемости, в связи с сокращением запасов кондиционных сырьевых материалов, требует дальнейших исследований и поиска эффективной технологии для решения-задач в этом направлении.
Это в основном вызвано отсутствием эффективного метода измельчения для получения сырьевой смеси с оптимальным размером кварцевой составляющей для более полного её усвоения на стадии обжига. Данная необходимость продиктована большим влиянием крупных частиц сырьевых компонентов, составляющих шлам, в основном крупнокристаллического кварца, на размалываемость, реакционную способность и на спекаемость клинкера.
Возможности получения сырьевых смесей с необходимой-дисперсностью кварцевой составляющей и повышенной реакционной активностью в настоящее время используют в недостаточной степени, в связи с чем исследования взаимосвязи дисперсности и обжигаемости цементной сырьевой смеси представляются актуальными.
8 Работа выполнялась в рамках НТП Минвуза РФ «Теоретические основы создания энергосберегающих процессов тонкого измельчения материалов в строительном производстве» (шифр 1.3.04) и тематическим планом НИР, финансируемых из средств федерального бюджета в 2004-2008 гг.
Цель работы. Разработка эффективного способа измельчения сырьевых компонентов с крупнокристаллическим кварцем для интенсификации обжига клинкера и повышения качества цемента.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - изучение взаимного влияния мела и кварца на размалываемость в процессе совместного помола; разработка способа измельчения сырьевых компонентов в два потока, значительно отличающихся по составу; определение влияния двухпоточного способа помола на интенсивность измельчения кварцевого компонента в сырьевой смеси; - определение степени измельчения крупнокристаллического кварца в зависимости от содержания карбонатного компонента в глино-меловом шламе; - исследование адгезионно-когезионных свойств полученных сырьевых, смесей на модельной установке цепной завесы вращающейся печи; определение реакционной способности кварца и особенности взаимодействия кварца с известью в процессе нагревания и в зависимости от способа подготовки смеси; изучение влияния степени измельчения кварца в сырьевой смеси на процессы минералообразования, микроструктуру и активность клинкера; рассмотреть вариант промышленной реализации двухпоточного способа помола и усреднения шлама; проведение опытно-промышленных испытаний.
Научная новизна. Установлено, что степень измельчения материалов в шаровой трубной мельнице зависит от энерговооруженности, выраженной отношением массы мелющих тел тмт к массе одновременно размалываемого
9 материала mM, и обнаруживает наибольший рост в интервале тмт / ти =20-60.
Установлены зависимости взаимного влияния мела и песка в процессе совместного помола в шаровой трубной мельнице, заключающиеся в том, что помол песка замедляется с увеличением содержания мела, и одновременно происходит некоторая дополнительная (на 10-15%) диспергация мела в присутствии до 30% песка.
Выявлено, что меловая суспензия в процессе помола с песком покрывает плотным слоем поверхность кварцевых зерен и снижает энергию упругого удара мелющих тел; одновременно с этим мел заполняет устья, образовавшихся трещин, препятствует проникновению воды внутрь зерен и устраняет расклинивающее действие воды в зоне разрушения.
Установлено, что при обжиге смеси карбоната кальция и крупных зерен кварцевого песка в условиях дефицита СаО в сфере реакции, наряду с синтезом силикатов кальция, образуется твердый раствор внедрения ориентировочного состава CaO8Si02 на матрице а-кристобалита, обладающий повышенной дефектностью и более высокой диффузионной способностью, которая ускоряет синтез силикатов в твердой фазе, но на заключительной стадии спекания может привести к насыщению расплава, ионами кремния, осаждение которых на поверхности кристаллов алита вызывает её пассивацию и снижение гидравлической активности клинкера.
На защиту выносятся: способ интенсификации помола сырья, содержащего крупнокристаллический кварц; отношение массы мелющих тел шмт к массе размалываемого материала тм как основной энергетический критерий процесса помола в шаровой трубной мельнице; увеличение плотности укладки мелющих тел, как способ повышения, эффективности работы шаровых мельниц; оптимальное отношение мела и глины при двухпоточном помоле шлама; - увеличение количества Р-кристобалита (на один-два порядка) при совместном обжиге крупнокристаллического кварца с известью; образование твердых растворов SiC>2 (СаО) на матрице а- и р-кристобалита; повышение реакционной способности сырьевой смеси при двухпоточном помоле шлама; способ гомогенизации шлама при двухпоточном помоле сырья.
Практическая ценность работы. В развитие установленной особенности совместного помола мела и кварца, согласно которой мел замедляет измельчение кварца, предложен способ помола шлама в два потока и установлен оптимальный, с учетом гомогенизации, состав глино-мелового шлама (тглины / тмела=1:1) в одном из потоков с уменьшенным почти в 1,5 раза содержанием мела, в результате которого в сравнении с обычным, однопоточным помолом достигаются следующие преимущества: - повышается степень измельчения твердого кварца: остаток на сите №004 уменьшается с 15,9 до 10,9%, а удельная поверхность возрастает с 300 до 430 м2/кг; ускоряются процессы взаимодействия компонентов при обжиге клинкера: полное усвоение р — кварца наступает на 200С ниже, чем при обычном однопоточном помоле (при 1100С вместо 1300С соответственно), почти в 3 раза, уменьшается количество свободной извести при 1400С - с 8,1 до 2,8%; создаются предпосылки для улучшения процессов подготовки материала по всей длине вращающейся печи: снижение пылеобразования и улучшение образования гранул в цепях; устранение факторов, приводящих к сходу обмазки; синтезируется клинкер с более совершенной кристаллизацией силикатных фаз, обладающий повышенной на 20% гидратационной активностью.
Выявлен резерв повышения эффективности измельчения материалов в шаровых трубных мельницах, состоящий в повышении энерговооруженности процесса помола, выраженной отношением массы мелющих тел тмт к массе размалываемого материала mM, резерв этот может быть реализован снижением количества одновременно размалываемого материала шм в результате уменьшения занимаемого им объема пустот (с 0,42 до 0,28) в-шаровой загрузке путем подбора ассортимента мелющих тел с плотнейшей упаковкой. Повышенная эффективность плотной упаковки шаров при измельчении материала подтверждена лабораторными экспериментами и опытно-промышленными испытаниями.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на международных конференциях в Белгороде (2005, 2007), Новочеркасске (2005), Пензе (2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна в рецензируемом журнале, рекомендованном списком ВАК,-получен патент РФ на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 135 наименований, и приложений. Работа изложена на 126 страницах и включает 19 таблиц, 36 рисунков.
Взаимодействие материалов в процессе измельчения и их механохимическая активация
Экспериментально установлено, что наблюдаемое изменение физико-химических свойств тонкоизмельченных материалов не может быть отнесено только на счет уменьшения размеров частиц. Было обнаружено, что наряду с диспергированием при механическом измельчении происходят значительные изменения кристаллической структуры поверхностных слоев частиц [79-82]. Как выяснилось, во многих случаях технологические свойства тонких порошков обусловлены не столько дисперсностью, сколько именно такими нарушениями структуры. Скорость гетерогенных химических процессов с участием тонких порошков определяется в основном не величиной их удельной поверхности, как принято было думать, а уменьшением энергии активации в результате разрушения структуры и аморфизации. Так, при длительном помоле структура кварца разупорядочивается с образованием аморфной фазы [83].
На изменение структуры частиц затрачивается энергия значительно большая, чем на обнажение поверхностей в процессе чистого скола. Эти затраты, однако, не принимались во внимание в известных теориях измельчения, что и явилось, как оказалось, причиной их несостоятельности. Учет затрат энергии на деформирование поверхностных слоев позволил построить теорию процесса, согласующуюся с экспериментальными данными.
В результате комплекса экспериментальных и теоретических исследований в последние годы в мировой литературе сложились новые взгляды на помол. Ныне считают, что процесс измельчения представляет собой чрезвычайно сложное явление, в котором наряду с механическими, существенное значение имеют физико-химические факторы и окружающая среда. Эти же факторы влияют на изменение технологических свойств материалов в результате измельчения. Эффект взаимодействия частиц друг с другом также резко возрастает с увеличением дисперсности и становится весьма существенным в процессах механического измельчения [84].
В мельницах частицы разрушаются в результате воздействий разного рода, отличающихся локализацией приложения внешней силы — разлом, раздавливание, раскалывание, а также скоростью нарастания напряжений — от медленного сжатия до высокоскоростного удара. Причем удар может быть приложен к свободным частицам, движение которых в момент удара не ограничено препятствием, и к частицам, перед ударом покоящимся на каком-либо препятствии, полностью или частично ограничивающим возможность их перемещения после удара. В каждом из названных типов воздействий для осуществления разрушения частиц затрачивается определенное количество энергии.
Количественное возрастание поверхности приводит к качественным изменениям материала, так как увеличение поверхности связано с выделением свободной энергии: dE - общее изменение свободной поверхностной энергии материала; dS - изменение поверхности материала; G - поверхностное натяжение материала, определяемое его химической природой и строением кристаллической решетки.
Однако создание таких локализованных предельных напряжений в машинах, предназначенных для измельчения, когда размеры мелющих тел, велики по сравнению с размерами частиц, весьма затруднительно. В процессах же дробления размеры кусков материала сопоставимы с размерами рабочих органов машины, что и позволяет осуществлять наиболее выгодные способы приложения напряжений. Экономичность дробилок, выражаемая затратами энергии на создание единицы дисперсности (обычно -удельной поверхности), поэтому заметно выше, чем у мельниц. Известно, что вещества, измельченные различными методами до одинаковой дисперсности, обладают значительно различающимися физико-химическими и технологическими свойствами [85,86], что оказывает решающее влияние на реакционную способность сырьевых материалов и всей смеси в целом [87].
Сырьевой шлам представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсной фазой является известняк (мел), глина и добавки, а дисперсной средой - вода. Размер частиц твердой фазы изменяется от 3 до 200 мкм. Наибольшими размерами обладают зерна известняка, кварца, полевых шпатов, а наименьшими - глинистые минералы, гидрослюды алюминия и железа [88-92].
Тонкость помола цементного сырьевого шлама является важной технологической характеристикой, от которой зависит его водопотребность, а также скорость и особенности процессов клинкерообразования. Длительное время высокая тонкость помола сырьевой шихты рассматривалась исключительно как положительный фактор, ведущий к улучшению ее гомогенизации, повышающий скорость процессов клинкерообразования и обеспечивающий выпуск высококачественного клинкера. Повышение тонкости помола сдерживалось только увеличением водопотребности шлама и ростом энергозатрат на его помол [93]. В 70-х годах стали появляться публикации, показывающие, что некоторое загрубление карбонатного компонента позволяет получить клинкер мелкокристаллической структуры с улучшенной размалываемостью [4].
Более поздние исследования показали, что оптимальная тонина помола, карбонатного и оптимальная тонина глинистого компонентов позволяет сблизить температурные границы активного состояния оксида кальция и алюмосиликатной части сырьевой смеси, что обеспечивает ее максимальную реакционную способность [94].
С повышением тонины помола химическая активность различных материалов возрастает [95]. Кроме повышения скорости гетерогенных процессов, непосредственно связанной с ростом удельной поверхности материалов, диспергирование вызывает значительное увеличение неравновесных параметров, характеризующих реакционную способность веществ. П.А. Ребиндером и Г.С. Ходаковым [3,96] установлена аморфизация поверхностных слоев зерен кварца в процессе тонкого его измельчения. Толщина аморфного слоя изменяется в зависимости от тонкости измельчения и характера среды, в которой осуществляется помол. При-измельчении в сухом воздухе толщина аморфного слоя изменялась от 20 до нескольких сот ангстремов, вбирая в себя значительное количество исследуемого материала. При измельчении в воде толщина аморфного слоя более стабильна и составляет 20 А в порошке с S=50- 60 м2/г. Глубина аморфизированного слоя в крупных зернах кварца невелика (до 20 А). Однако при очень тонком измельчении материала (50-100 А) частицы по размерам могут приближаться к возможной глубине аморфизации, т.е. возможно практически полное превращение материала (Айлер Р.) [97]. Основной причиной аморфизации и увеличения реакционной способности, автор считает пластические деформации кристаллов кварца в процессе их измельчения [98]. Повышение реакционной способности сырьевой шихты при загрублении карбонатного компонента имеет другое объяснение, оно связано с появлением низкоосновного расплава в процессе обжига [99].
Размалываемость крупных кварцевых зерен при двухпоточном помоле глино-мелового шлама
При определении взаимного влияния мела на размалываемость твердого песка доказано, что мел замедляет измельчение песка и надо уменьшать количество мела до максимально технологически допустимого количества с точки зрения усреднения и корректировки. Эту задачу решали проведением помола шлама в два потока и уменьшением мела в измельчаемой смеси одного из потоков.
На данной стадии исследований изучалось влияние раздельного помола шлама в два потока на дисперсность шлама. Ввиду того, что при совместном измельчении сырьевых материалов не достигается высокая дисперсность, так необходимая для обжигаемости и реакционной способности получаемой смеси. В ходе такого измельчения крупные и плохо размалываемые составляющие, в частности, кварц, в общем объеме шлама не так активно контактируют с мелющими телами и друг с другом. Одной из причин такого неэффективного помола является образование на поверхности крупных зерен кварца слоя, состоящего в основном из мягкого мела, т.е. происходит обволакивание частиц, что и мешает активному измельчению крупнокристаллического кварца.
Для снижения негативного влияния мелового компонента на помол крупных зерен кварца в сырьевой смеси, решено было помол шлама вести в два потока, т.е. получить двухпоточныи шлам. Исходный шлам (мел:глина:огарки = 0,78:0,2:0,02, W=40%) готовился в виде потока 1, где измельчались - мел и глина в соотношении 1:1, и огарки в количестве 2% от общей массы материалов, и в виде потока 2 размалывался только мел + 0,1% ЛСТ. Затем эти два потока смешивались в соотношении 42% и 58% соответственно для получения исходного состава шлама (см. выше). Для сравнения проводился однопоточный помол шлама табл. 3.5. Помол осуществлялся в одинаковых условиях: в фарфоровой мельнице объемом - 2 63 литра, масса мелющих тел (0 8-20 мм) - 2,1 кг,- влажность шлама - 40%, масса материала - 400 г. Тонкость помола сырья оценивали по остатку на ситах и значению удельной поверхности. Выгруженный шлам представлял собой однородную суспензию, эффект расслаивания не наблюдался. Для-определения остатков на ситах №02, №008 и №004 собранный шлам сразу усреднялся и отбиралась представительная его часть, которую высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы. После чего высушенный шлам усредняли в фарфоровой ступке резиновым пестиком с целью разрушения образовавшихся в ходе сушки конгломератов. Усредненный и высушенный шлам взвешивали и проводили его мокрый рассев на вышеуказанных ситах. Полученные остатки на ситах высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы и затем взвешивали. Расчетным путем определяли процентное содержание остатков на ситах от общей массы промытого шлама взятого для просева.
Эксперимент проводился в следующей последовательности: Приготовление глино-мелового шлама (поток 1): Взвесили с учетом естественной влажности сырьевые материалы, 197,69 г (47,62 %) глины, 191,32 г (47,62 %) мела и 19,23 г (4,76 %) огарок, затем эту смесь усредняли и довели до 40%-й влажности, получив тем самым сырьевой шлам, который был загружен в фарфоровую мельницу и измельчен. После чего произведена выгрузка измельченного шлама из мельницы, и определены степень измельчения и растекаемость (табл. 3.5, 3.6). Далее готовили меловой шлам (поток 2) следующим образом: Взвесили с учетом естественной влажности 401,76 г (100%) мела, добавив 257,13 г воды совместно с ЛСТ (использовали 22%-ный водный раствор) в количестве 0,088 г (0,01 масс. %) в расчете на сухую массу мела. Результаты мелового шлама с влажностью 40% приведены в табл. 3.5, 3.6, поток 2 (с учётом влажности ЛСТ). После определения частных остатков, растекаемости и удельной поверхности шламы потоков 1 и 2 смешивали в соотношении 42% с 58% соответственно, и определялась дисперсность готового двухпоточного шлама, полученные данные дисперсностных характеристик шламов представлены в табл. 3.5, 3.6. Установлено, что при проведении помола шлама в два потока достигается большая дисперсность: Syfl=425 м /кг и полный остаток на сите 004 несколько меньше 11,1%, чем при использовании традиционного однопоточного способа: SyA=281 м /кг, полный остаток на сите №004 -16,2%. Эффективность измельчения двухпоточным способом помола шлама над однопоточным составляет 130%, принимая полные остатки на сите №004 или удельную поверхность однопоточного шлама за 100%. Повторный опыт с выбранными способами помола шлама, позволил подтвердить и уточнить полученные результаты (табл. 3.6). При сравнении результатов основного и контрольного помолов шлама в таблицах 3.5 и 3.6, можно констатировать хорошую сходимость полученных данных. Например, отличие значений остатков на ситах не превышает 6%, величины удельной поверхности потока 1 отличаются не более чем на 9,68%. Для уточнения влияния двухпоточного помола шлама на дисперсность четырехкомопонентной сырьевой смеси, используемой на заводе, был проведен эксперимент, в котором в качестве четвертого компонента использовали алюминатную добавку - боксит, результаты исследования представлены в табл. 3.7. В ходе исследования размалываемости 4-х компонентной сырьевой смеси (заводской), полученной двухпоточным способом, выяснили, что дисперсность получаемого шлама превосходит аналогичные показатели при использовании однопоточного помола: Sya=491 м /кг и полный остаток на сите №004 - 8,5%, против 8УД=342 м2/кг, полного остатка на сите №004 11,4% соответственно (табл. 3.7).
Опытно-промышленные испытания ассортимента мелющих тел повышенной плотности загрузки для барабанных мельниц
Оценив эффективность использования двухпоточного помола шлама перед традиционным (однопоточным), следует рассмотреть вариант применения двухпоточного помола в промышленных условиях. В связи с чем, необходимо детально проанализировать используемые на заводах приготовления сырьевых материалов.
Принципиальная технологическая схема приготовления сырьевой смеси включает участки механического перемешивания, в том числе усреднение на карьере, предварительную гомогенизацию дробленых материалов, перемешивание водных суспензий в вертикальных и горизонтальных бассейнах [106].
Наиболее распространен порционный способ приготовления сырьевого шлама благодаря простоте технологической схемы, возможности переработки неоднородных по составу сырьевых материалов и снижению требований к точности дозирования сырьевых компонентов.
Сущность порционного приготовления и корректирования химического состава сырьевой смеси заключается в том, что шлам готовится относительно небольшими порциями (порядка 300 - 800 м ), а затем перекачивается в большие емкости, которые служат для создания запаса готовой сырьевой смеси на заводе и обеспечения ею вращающихся печей.
Примером порционного приготовления шлама является следующая схема, которая предусматривает приготовление двух шламов, незначительно отличающихся друг от друга по титру, либо по коэффициенту насыщения [118]. Так, например, грубомолотый шлам, приготовленный путем совместного помола карбонатного и глинистого компонентов в гидрофоле, поступает из горного цеха для хранения в шламовые бассейны «Низкого» и «Высокого» титров [119-123]. Затем, эти два шлама в определенном соотношении насосами подаются в сырьевые мельницы на домол. Вместе со шламами различных титров в сырьевую мельницу подаются железосодержащие и алюминатные добавки.
Однако, по мере увеличения мощности заводов и перерабатываемых потоков сырьевых материалов возникла полупоточная технология приготовления шлама, которая позволила снизить затраты труда, эксплуатационные расходы и автоматизировать управление корректированием сырьевых смесей. Если при порционном приготовлении шлама горизонтальные бассейны использовались в качестве емкостей для его хранения, то при полупоточном приготовлении, горизонтальные бассейны выполняют функции емкостей-гомогенизаторов, в которых производится перемешивание и усреднение шлама перед поступлением его на обжиг.
Для повышения скорости приготовления сырьевого шлама на ряде действующих заводов используют полупоточную технологию. Сущность ее состоит в том, что вертикальные бассейны, предварительно оснащенные автоматическими следящими уровнемерами, выполняют функции дозирующих устройств. Применение полупоточной технологии, не имеющей недостатков порционного корректирования, не требует существенной реконструкции сырьевых отделений, позволяет по-новому использовать имеющееся в наличии технологическое оборудование, ликвидировать перекачки шлама в отделении вертикальных бассейнов, повысить его пропускную способность, уменьшить расход сжатого воздуха на перемешивание шлама, улучшить качество его приготовления и снизить затраты труда на управление отделением бассейнов.
Помол сырьевых материалов осуществляют по открытому или по замкнутому циклу. В схемах по замкнутому циклу при сухом помоле в качестве классификаторов применяются сепараторы, при мокром - гидроциклоны и грохоты [107]. В схеме по открытому циклу весь размалываемый материал при прохождении через мельницу измельчается до заданной тонкости и выходит в виде готового продукта. Применение открытого цикла помола требует более длительного пребывания материала в мельнице (для достижения необходимой тонкости), поэтому такой помол осуществляется в длинных трубных мельницах [108].
Для тонкого измельчения материалов применяют различные типы мельниц: шаровые, трубные, валковые и роликовые (кольцевые), а также мельницы самоизмельчения. В отечественной цементной промышленности измельчение сырьевых материалов для сырьевой смеси осуществляют, в основном, в трубных мельницах. Кроме шаровых трубных мельниц в цементной промышленности применяются мельницы, в которых первая камера, где происходит грубое измельчение, заполняется металлическими стержнями, а вторая (тонкое измельчение) - металлическими шарами. Эти мельницы имеют более высокие технико-экономические показатели при помоле твердых сырьевых материалов [112,113,114,115].
В практике работы отечественной цементной промышленности наиболее распространенной схемой тонкого помола сырьевой смеси по мокрому способу является схема открытого цикла в шаровой трубной мельнице [109,110].
Раньше степень измельчения помола оценивалась изменением гранулометрических кривых, в настоящее время - преобладающим увеличением общей поверхности вещества. Качество помольных агрегатов оценивается сравнением необходимых для создания новой поверхности энергии и эксплуатационных затрат.
Исследования и промышленная практика показали, что физико-химические и технологические процессы, происходящие с твёрдыми веществами или с участием последних, в большинстве случаев протекают тем быстрее и полнее, чем больше поверхность участвующего в процессе вещества. Отсюда общее стремление к более тонкому помолу [111].
Влияние двухпоточного помола цементной сырьевой смеси на её реакционную способность при обжиге клинкера
Микроструктура клинкера из однопоточного способа помола шлама: белит имеет зональное расположение, образуя поля в основном вокруг пор очень плотное расположение его кристаллов к друг другу, также представлен включениями в элите с размером 4-8 мкм. Форма кристаллов неопределенная с размером 20-100 мкм, преобладающие 20-40 мкм. Промежуточная фаза представлена мелкими серого цвета кристаллами СзА и светло-желтой матрицей C4AF в количестве 17,5%. Алит находится в более стеснённых условиях по сравнению с расположением кристаллов алита в клинкере двухпоточного способа помола шлама, плохо закристаллизованный, имеются алитовые сростки, размеры кристаллов 4-24 мкм, преобладающие 12-24 мкм. Очень мало кристаллов с четкой формой и кристаллизацией (рис. 4.15, А).
Клинкер двухпоточного помола шлама отличается более совершенной структурой с меньшим интервалом разброса по размерам кристаллов по сравнению с контрольным клинкером. Изучая микроструктуру клинкера из шлама двухпоточного способа помола, можно сказать, что кристаллизация средняя, мелкокристаллическая, структура гломеробластическая. Кристаллы алита в основном четкие, края угловатые, встречаются кристаллы призматической формы. В большинстве своём кристаллы разобщенные, размеры которых составляют от 4 до 20 мкм, преобладающие 16-20 мкм. Кристаллы белита неопределенной формы с размером 20-40 мкм. Промежуточная фаза представлена темными составляющей СзА и светлой C4AF в количестве 17,05 % (рис. 4.15, Б). Клинкер двухпоточного помола шлама имеет более равномерное распределение кристаллов алита и белита, также отсутствует зональность структуры белита в виде сростков плохо закристаллизованного белита, которые характерны для клинкера однопоточного помола шлама. Физико-механические испытания цементов, полученных из сырьевых смесей сравниваемых видов помола шлама проводили в лабораторных условиях. Готовили и обжигали (в электрической печи при температуре 1400С с выдержкой 1 час) сырьевые смеси полученные при одно- и двухпоточном способах помола шлама. Опытный и контрольный клинкера размалывали до удельной поверхности 300±10 м /кг, добавляли 5% гипса. Полученные цементы использовали для приготовления теста нормальной густоты В/Ц=0,26 кубиков (1,41 1,41 1,41 см), у которых после стандартных (температура воды 20±2С) условий хранения определяли прочность на сжатие. Результаты испытаний, приведенные в табл. 4.6 и рис. 4.16, показывают, что цемент полученный из шлама двухпоточного помола имеет более высокую прочность во все сроки твердения. Определенная закономерность наблюдается по скорости нарастания прочности от 3 до 28 суток. Так, в 3-х суточном возрасте цемент (ДПШ) имеет прочность 41,6 МПа, что на 10 единиц больше, чем у цемента (ОПШ) в том же возрасте. Прочность цемента (ДПШ) к 7 суткам достигает 79,8 МПа, тогда как активность контрольного цемента составляет 64,5 МПа. В 28-суточном возрасте прочность образца цемента (ДПШ) показывает 126,1 МПа при 115,2 МПа у цемента (ОПШ). Причем, при определении прочностных показателей в 2 8-суточном возрасте, максимальные значения которых На основании данных, полученных расчетами и экспериментально, выяснено, что большое влияние на реакционную способность кремнезема оказывает способ его термохимической обработки, в частности при его совместном обжиге с СаО. Так, СаО оказывает положительное влияние на полноту (степень превращения) полиморфного перехода р-кварца в а,Р-кристобалит, что способствует повышению реакционной способности кремнезема. Полиморфизм кремнезема в смеси с СаО при обжиге обеспечивается проникновением иона Са2+ в пустоты кристаллической решетки SiC 2 с образованием ограниченного твердого раствора внедрения состава CaO8Si02, за счет которого увеличивается реакционная способность и степень усвоения извести кремнеземом. Установлено, что значения дифракционных максимумов Р-кварца после совместного обжига с оксидом кальция остались без изменения, тогда как максимумы кристобалита сдвинулись в сторону меньших углов отражения, что свидетельствует об увеличении межплоскостных расстояний в структуре кристобалита, причиной которого является воздействие ионов кальция. Расчетным способом определили параметр элементарной ячейки а-кристобалита (7,20 А) модифицированного ионом Са2+ и сравнили с эталонным значением (7,15 А), полученная разница (0,05 А) показывает, что произошло увеличение объема решетки а-кристобалита и образование твердого раствора в кремнеземе. Обжиг шлама двухпоточного помола обнаруживает следующие преимущества в сравнении с однопоточным помолом: - содержание р-кварца в продуктах обжига в интервале температур 1100-1200С в 2 раза ниже; - содержание свободного СаО при температурах обжига 1300-1400С ниже в 1,17-1,50 раза. Полученные результаты показывают, что двухпоточныи помол шлама оказывает большое влияние на обжигаемость сырьевых смесей, и что особенно важно на качество и активность получаемого клинкера и его микроструктуру, а именно отсутствуют участки с зональным распределением белита, также размер кристаллов алита имеет более узкий интервал в пределах 16-20 мкм, в сравнении с размерами алита (16-24 мкм) в контрольным клинкере из однопоточного шлама. Гидравлическая активность клинкера, полученного из шлама двухпоточного помола на 20-30% выше, чем из однопоточного в изученном интервале твердения (до 28 суток).
