Характеристика сырьевых материалов

Известняк

Для производства портландцемента можно применять различные виды карбонатных пород: известняк, мел, известковый туф, известняк–ракушечник, мергелистый известняк, мергель и т.п. Углекислый кальций в известняках представлен минералом кальцитом. Кальцит имеет твердость 3. Известняки – осадочные породы. По происхождению различают известняки органогенные – продукты деятельности микроорганизмов, химические – полученные осаждением из растворов и обломочные – продукты переотложения разрушенных известковых пород. Известняки содержат примесные минералы – алюмосиликатные минералы глин, примеси кварца, халцедона, опала, окиси железа, пирита (FeS2), гипса, фосфорита (апатита), барита (BaSO4). Известняки обычно загрязнены карбонатом магния, который образует с карбонатом кальция двойную соль – доломит. Примеси в известняках находятся в виде самостоятельных соединений, и известняк представляет собою механическую смесь минералов (кроме MgCO3). При содержании глинистых минералов до 30% известняк называют глинистым, при содержании более 30% – мергелем.

По физическим свойствам различают кристаллический известняк (мрамор), плотные известняки, землисто-рыхлые известняки или мелы. Кроме того, встречаются известковый туф, известняк-ракушечник. Мрамор – плотная порода (продукт перекристаллизации известняков) с объемной массой 2650–2900 кг/м³ и прочностью 50 – 200 МПа. Плотные известняки имеют объемную массу 2200–2600 кг/м³ и прочность 8–200 МПа. Мел сложен из частиц скрытокристаллической структуры с размером частиц менее 0,1 мим.

Глинистые породы

Из глинистых пород используют обычно глину, суглинок, глинистый сланец, мергелистую глину, лесс, лессовидный суглинок. Основой глины являются водные алюмосиликатные минералы в виде тонких частиц (< 2 мкм), причем встречаются мономинеральные и полиминеральные глины. Глинистое вещество – это в основном гидроалюмосиликаты m Al₂O₃ * n SiO₂ * p H₂O, где значения коэффициентов при окислах для отдельных глинистых минералов различны. В кристаллическую решетку гидроалюмосиликатов могут также входить K, Na, Mg, Ca, Fe.

К глинистым минералам относится каолинит – слоистый минерал состава Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, в глинах он присутствует в виде частиц размером 0,3–0,4 мкм; монтмориллонит – слоистый минерал состава Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, в котором в твердом растворе находится до 5% Fe₂O₃, 4 – 9% MgO, до 3,5% СаО. Бентонитовые глины состоят из очень тонких частиц (~ 2·10^{-9 м) монтмориллонита. Гидрослюды – минералы, близкие по составу и структуре к монтмориллонитам, однако в состав последних входят щелочные ионы, содержание которых может достигнуть 4 – 10%.} Аргиллиты – твердые породы, продукт дегидратации, прессования и перекристаллизации глин. Сланцы – скальная порода, продукт перекристаллизации глин. Лесс – землистая порода, сложенная из слюд, каолинита, полевых шпатов, кальцита, кварца. Суглинки – глины, содержащие значительное количество кварца (до 40%).

Глинистые породы содержат нужные для производства портландцемента кислотные окислы SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃, в известняках находится основной окисел СаО. Главным признаком пригодности глины для производства портландцемента, являются значения ее силикатного и глиноземного модулей, которые определяют величину этих модулей в портландцементе, так как карбонатный компонент сырьевой смеси обычно содержит немного глинистых примесей.

Карбонатное и глинистое (алюмосиликатное) сырье должно быть возможно более однородным по составу и структуре, не содержать включений крупных зерен кварца и других обломочных пород, затрудняющих помол сырья и трудно усваиваемых в процессе обжига.

Доменные шлаки

Железные руды наряду с оксидами железа содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемых в совокупности пустой породой. Некоторые из них (соединения фосфора и серы) вредно отражаются на качестве чугуна. Неорганические примеси есть и в топливе, загружаемом в домну для плавления руды. Поэтому в процессе доменного производства необходимо не только восстановить из оксидов железо, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.

Так как пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой, то для ее удаления в шихту вводят специальные добавки – плавни (флюсы), способные образовывать с ней легкоплавкие соединения. В качестве плавней применяют обычно карбонатные породы – известняк, доломит и т.п.

В процессе плавки карбонаты вступают в химическое взаимодействие с компонентами пустой породы и минеральной части топлива, причем образуются легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При 1400–1500 °С эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося вследствие меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи. При выплавке 1 т чугуна на коксе в среднем получается 0,5–0,7 т шлака.

Химический состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна.

Обычно в состав доменных шлаков входят оксиды CaO, Si0₂, А1₂0₃, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS, а иногда Ti0₂ и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие оксиды, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются CaO, Si0₂, A1₂0₃ и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90–95%.

По химическому составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема, частично глинозема и меньше оксида кальция.

Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Он замедляет начало схватывания и повышает прочность цементного камня в ранние сроки. Количество гипса в цементе нормируется по содержанию SO₃. В обычных цементах оно должно быть не менее 1,0 и не более 3,5%, а в высокопрочных и быстротвердеющих – не менее 1,5 и не более 4,0%.