Производительность помола во многом зависит от минералогии и морфологии клинкера: на одном и том же оборудовании Обжига с идентичным сырьем можно получить клинкер кардинально разной размолоспособности1.
В свою очередь, на минералогию и морфологию клинкера влияют:
- Физико-химические свойства сырьевых материалов (если завод уже построен на определенной сырьевой базе, то этот фактор — практически константа);
- Соотношение сырьевых материалов в сырьевой муке;
- Параметры обжига;
- Тип топлива (обычно у технолога нет возможности выбора топлива);
- Параметры охлаждения (в большей степени зависят от конструкции холодильника клинкера, а не технологических настроек);
- Производительность печи [1] (спорное утверждение).
Так как факторы №№ 1, 4, 5 нельзя контролировать на ежедневной основе, то остается работать с соотношением сырьевых материалов в сырьевой муке (№2) и параметрами обжига клинкера (преимущественно во вращающейся печи) (№3). Оба фактора №2 и №3 определяются рядом физико-химических показателей клинкера, перечисленных в табл. 1.
| Показатель | Формула | Рекомендуемый диапазон |
|---|---|---|
|
(1) коэффициент насыщения (lime saturation factor) |
\(\displaystyle LSF=\frac{100CaO}{2.8SiO_2+1.18Al_2O_3+0.65Fe_2O_3}\) | ≥97 |
|
(2) модуль Кайнда (Kind-Modulus) |
\(\displaystyle KM=\frac{CaO-(1.65Al_2O_3+0.35Fe_2O_3)}{2.8SiO_2}\) | автор не использовал этот модуль в своей работе |
|
(3) силикатный модуль (silica ratio) |
\(\displaystyle SM=\frac{SiO_2}{Al_2O_3+Fe_2O_3}\) | 2.3–2.5 |
|
(4) массовая доля жидкой фазы в печи (liquid phase = melt) |
\(\displaystyle LIQ(1450\,^{\circ}\mathrm{C})=3Al_2O_3+2.25Fe_2O_3+MgO+K_2O+Na_2O+SO_3\) | 22–25% |
|
CaOfree свободная окись кальция (free lime) |
1.0–1.5 (2)% | |
|
масса литра клинкера (liter weight) |
для фракции 5–10 мм на выходе из холодильника клинкера (из-под дробилки) | 1250–1350 г |
|
теоретические клинкерные модули |
для условия \(\displaystyle (CaO-CaO_{free})\lt 2.8SiO_2+1.65Al_2O_3+0.35Fe_2O_3\) | |
|
(5) алит (alite) |
\(\displaystyle C_3S=4.07(CaO-CaO_{free})-7.6SiO_2-1.43Fe_2O_3-6.72Al_2O_3\) | ≥63% |
|
(6) белит (belite) |
\(\displaystyle C_2S=2.87SiO_2-0.75C_3S\) | ≤13% |
|
(7) трёхкальциевый алюминат (tricalcium aluminate) |
\(\displaystyle C_3A=2.65Al_2O_3-1.69Fe_2O_3\) | |
|
(8) четырёхкальциевый алюмоферрит (tetracalcium aluminoferrite) |
\(\displaystyle C_4AF=3.04Fe_2O_3\) | |
|
(9) коэффициент обмазки (coating index) |
\(\displaystyle CI=C_3A+C_4AF+0.2C_2S+2Fe_2O_3\) | 28–30% |
Таблица 1. Основные физико-химические показатели клинкера, прямо или опосредованно связанные с его размолоспособностью (указаны массовые доли оксидов в %).
Твердость минералов по шкале Мооса: алит - 4.5, белит - 6, алюминат - 6, феррит - 5.5. [2]
Обозначения в последней колонке:
- * - рекомендуемый автором диапазон;
- ** - диапазон, рекомендуемый в профессиональной литературе [3].
Все эти показатели взаимосвязаны [достаточно посмотреть на формулы (1-9) - во многих из них фигурируют одни и те же переменные], поэтому корректировка одного обычно вызывает изменения остальных. Из-за этого целесообразно рассматривать их диапазоны в связке друг с другом.
В профессиональном сообществе цементников, инженерной [4] и научной литературе (например, [1]) давно известно важное условие улучшения размолоспособности клинкера: больше алита, меньше белита. Автор неоднократно его проверял: увеличение массовой доли карбоната кальция в сырьевой муке, следовательно, LSF клинкера (доля C₃S возрастает, а доля C₂S уменьшается)2, приводит к заметному повышению производительности системы помола цемента.
Однако, это обусловлено не только различной твердостью алита и белита: рост LSF тянет за собой изменение других ключевых показателей клинкера: силикатного модуля и массовой доли жидкой фазы (расплава) в печи. Для примера см. табл. 2. В ней рассчитаны основные показатели клинкера при различных массовых долях главных клинкерных оксидов.
|
CaO − 1% Fe2O3 + 1% |
CaO − 1% Al2O3 + 1% |
CaO − 1% SiO2 + 1% |
||
|---|---|---|---|---|
| CaO | 65.73% | 64.73% | 64.73% | 64.73% |
| SiO2 | 20.74% | 20.74% | 20.74% | 21.74% |
| Al2O3 | 4.85% | 4.85% | 5.85% | 4.85% |
| Fe2O3 | 3.98% | 4.98% | 3.98% | 3.98% |
| SO3 | 0.63% | 0.63% | 0.63% | 0.63% |
| MgO | 1.92% | 1.92% | 1.92% | 1.92% |
| K2O | 0.77% | 0.77% | 0.77% | 0.77% |
| Na2O | 0.21% | 0.21% | 0.21% | 0.21% |
| CaOfree | 1.34% | 1.34% | 1.34% | 1.34% |
| SM | 2.35 | 2.11 | 2.11 | 2.46 |
| KM | 0.97 | 0.95 | 0.92 | 0.91 |
| LSF | 99.0 | 96.6 | 95.8 | 93.6 |
| LIQ (1450 °C) | 27.0% | 29.3% | 30.0% | 27.0% |
| C3S | 66% | 61% | 55% | 54% |
| C2S | 10% | 14% | 18% | 22% |
| C3A | 6.1% | 4.4% | 8.8% | 6.1% |
| C4AF | 12.1% | 15.1% | 12.1% | 12.1% |
| CT | 28.2% | 32.3% | 32.4% | 30.5% |
Таблица 2. Влияние изменения хим. состава клинкера на основные показатели клинкера.
Так, увеличение содержания плавней (Fe₂O₃ или Al₂O₃) в сырьевой муке способствует уменьшению LSF, силикатного модуля и возрастанию массовой доли жидкой фазы.
С одной стороны, при определенном хим. составе сырьевой муки (не том, который отражен в табл. 2 - проверено) это может положительно сказаться на производительности системы помола. Ведь уменьшение LSF отчасти компенсируется снижением силикатного модуля, а последний, как и LSF, хорошо коррелируется с размолоспособностью клинкера.
Как раз таки подобные зависимости рассмотрены в книге [4] (табл. 3): больше оксидов железа и алюминия ⇒ меньше силикатный модуль ⇒ выше удельная плотность клинкера ⇒ лучше его размолоспособность.
| показатель | ≈диапазон изменения показателя | ≈диапазон изменения размолоспособности (“-” - ухудшение размолоспособности = снижение производительности) | ||
| min | max | min | max | |
| силикатный модуль* | 2.0→3.2 | 2.1→3.3 | -24% | -24% |
| массовая доля Fe₂O₃, %* | 2.0→3.6 | 2.4→4.2 | +20% | +27% |
| массовая доля Al₂O₃, %* | 4.75→6.25 | 5.40→6.50 | +20% | +24% |
| удельная плотность*(specific gravity) | 3.12→3.19 | 3.19→3.22 | +23% | +23% |
| массовая доля C₃S, %** | 10→60 | +50% | ||
| массовая доля C₂S, %** | 8→50 | -55% | ||
| KM** | 70→90 | +55% | ||
| доля жидкой фазы, %** | 15→40 | -36% | ||
* - выражена в граммах измельченного материала, прошедшего через сито 75 μм (200 US mesh), за один оборот мельницы (тест по методике ASTM);
** - выражена в виде коэффициента, показывающего насколько тестируемый материал измельчается быстрее стандартного образца (помол до 10% остатка на сите 90 μм).
Но там же (табл. 4) показана и противоположная тенденция: возрастание доли жидкой фазы а счет Fe₂O₃ и Al₂O₃ способствует снижению размолоспособности клинкера (т.е. увеличению его прочности).
Таким образом, влияние химического состава на размолоспособность не является монотонным. Одно и то же изменение химического состава одновременно изменяет фазовый состав, количество расплава и формирующуюся микроструктуру клинкера, причём влияние этих факторов на размолоспособность может быть разнонаправленным.
G.R. Gouda [1] экспериментально подтвердил негативное влияние оксидов Fe₂O₃ и Al₂O₃ на индекс Бонда. На фотографиях СЭМ образцов клинкера с четырех цементных заводов (рис. 1) видно как жидкая фаза изменяет морфологию клинкера: чем ее больше LIQ(1400 °C), тем менее различима граница между кристаллами минералов - плотнее структура гранулы (похожа на базальт).
Правда, в [1] также упоминают о зависимости миграции пор в клинкере от температуры/длительности обжига. Жесткий обжиг приводит к развитию мелких замкнутых сферических пор и высокой плотности гранулы.3 Следовательно, в его исследовании эти два фактора (жидкая фаза и жесткий обжиг) могут накладываться друг на друга.
Опыт автора подтверждает выводы [1]. Более того, увеличение доли жидкой фазы (расплава) сверх эмпирического предела, выражающегося коэффициентом CT (табл. 2), часто приводит к нестабильной обмазке и формированию агломератов (шары диаметром более метра) внутри печи.
Помимо обжига размолоспособность клинкера зависит от скорости его охлаждения в холодильнике. Цель - максимально быстрое охлаждение жидкой фазы на статической решетке для предотвращения обратного перехода алита в белит. Эти процессы достаточно хорошо освещены в литературе и известны в профессиональной среде, поэтому мы не будем разбирать их подробно в данной книге.
Рекомендации по обжигу с точки зрения размолоспособности клинкера
- При обеспечении устойчивого обжига стремиться к верхней части технологически допустимого диапазона LSF, поскольку повышение доли алита относительно белита в общем случае благоприятно для размолоспособности клинкера.
- Силикатный модуль клинкера держать в пределах 2.3-2.5 - при таком диапазоне и высоком LSF коэффициент обмазки должен быть в норме, как и ситуация с обмазкой и агломератами внутри печи.
- Следить за содержанием свободной окиси кальция и массой литра клинкера для ведения корректного обжига.
- Внедрить на производство микроскопию (петрографию) для более глубокого анализа производимого клинкера и настройки обжига.
Литература
- Gouda G. R. Effect of Clinker Composition on Grindability // Cement and Concrete Research. — 1979. — Vol. 9. — P. 209–218.
- Some minerals encountered in cement manufacture // Cement Plants and Kilns in Britain and Ireland. URL: https://www.cementkilns.co.uk/data_minerals.html (дата обращения: 01.03.2023).
- Peray K. E. The Rotary Cement Kiln. Atlanta: Chemical Publishing Company, 1998. 389 p.
- Duda W. H. Cement-data-book. International Process Engineering in the Cement Industry. — Wiesbaden ; Berlin : Bauverlag GmbH, 1975. — 428 p.
- По опыту автора до 30% на ЦЕМ I 42,5Н. По данным [1] - до 80%. ↩︎
- За исключением периклаза (MgO) и свободной окиси кальция (CaOfree), клинкерные минералы представляют собой твердые растворы. Иными словами, их кристаллическая решетка содержит примесные ионы, частично замещающие основные компоненты, поэтому в реальном клинкере практически не встречаются "чистые" химические соединения идеального состава C₃S, C₂S, C₃A и C₄AF. Эти формулы используют главным образом для теоретических расчетов, тогда как при практическом описании фаз применяют соответствующие минералогические названия: алит, белит, алюминат и феррит. ↩︎
- Обычно подобный пережженный клинкер содержит мало свободной окиси кальция, имеет тяжелую массу литра (>1350 г), крупные гранулы и темный цвет. ↩︎
Добавить комментарий