Физико-химические процессы, протекающие при тепловой обработке портландцемента

Образованию портландцементного клинкера предшествует ряд физико-химических процессов, протекающих в определенных температурных границах - технологических зонах печного агрегата - вращающейся печи. При мокром способе производства цемента по ходу движения обжигаемого материала условно выделяют следующие зоны: I - испарения, II - подогрева и дегидратации, III - декарбонизации, IV - экзотермических реакций, V - спекания, VI - охлаждения. Рассмотрим эти процессы начиная с поступления сырьевой смеси в печь, т.е. по направлению с верхнего ее конца (холодного) к нижнему (горячему).

В зоне испарения при постепенном повышении температуры с 70 до 200°С испаряется влага; сырьевая смесь подсушивается., Подсушенный материал комкуется. Перемещаясь, комья распадаются на более мелкие гранулы. В печах сухого способа зона испарения отсутствует.

В зоне подогрева при постепенном нагревании сырья с 200 до 700°С выгорают органические примеси, из глиняных минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450…500°С) и образуется безводный каолинит Al₂0₃-2Si0₂. Зоны испарения и подогрева при мокром способе занимают 50…60% длины печи. В зоне декарбонизации температура обжигаемого материала повышается с 700 до 1100°С; происходит диссоциация карбонатов кальция и магния с образованием свободных СаО и MgO. Одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды SiO2, Аl2O3, Fe2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы ЗСаО-Fe2О3, СаО-А12O3 и частично 2CaO-SiO2.

В зоне экзотермических реакций при температуре 1200… 1300°С завершается процесс твердофазового спекания материала, образуются ЗСаО-Fe2О3, 4СаО-А12O3-Fе2O3 и белит, резко уменьшается количество свободной извести, но достаточное для насыщения двухкальциевого силиката до трехкальциевого.

В зоне спекания при температурах 1300…1450…1300°С происходит частичное плавление материала (20…30% обжигаемой смеси). В расплав переходят все клинкерные минералы, кроме 2CaO-SiO2, все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. Алит кристаллизуется из расплава в результате растворения в нем оксида кальция и двухкальциевого силиката. Это соединение плохо растворимо в расплаве, вследствие чего выделяется в виде мелких кристаллов, которые в дальнейшем растут. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А1203, 4СаО - Аl2О3-Fе2О3 и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С, здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит C3S, белит C2S, C3A, C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие. Границы зон во вращающейся печи достаточно условны и не являются стабильными. Меняя режим работы печи, можно смещать зоны и регулировать тем самым процесс обжига.

Образовавшийся таким образом раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом. Клинкер, выходящий из холодильника вращающихся печей с температурой около 100°С и более, поступает на склад для окончательного охлаждения и вылеживания (магазинирования), где он находится до 15 дней. Если известь содержится в клинкере в свободном виде, то в течение вылеживания она гасится влагой воздуха. На высокомеханизированных заводах с четко организованным технологическим процессом качество клинкера оказывается настолько высоким, что отпадает необходимость его вылеживания.

Помол клинкера совместно с добавками производят в трубных многокамерных мельницах.

Тонкое измельчение клинкера с гипсом и активными минеральными добавками в тонкий порошок производится преимущественно в сепараторных установках, работающих по открытому или замкнутому циклу.

Эффективная работа трубной мельницы обеспечивается охлаждением мельничного пространства путем его аспирации (вентилирования). Благодаря аспирации производительность мельниц растет на 20…25%, уменьшается пылевыделение, улучшаются условия труда. Для интенсификации помола вводят добавку - сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), при этом производительность мельниц увеличивается на 20…30%.

На современных цементных заводах помол портландцемента в открытом цикле проходит по следующей технологической схеме. Клинкер, гипс и активные минеральные добавки со склада подаются в бункера и дозируются тарельчатыми питателями. После измельчения цемент поступает через цапфу мельницы в аспирационную шахту, а из нее в бункер цемента и далее на склад. Мельничное пространство аспирируется, запыленный воздух частично очищается в аспирационной шахте, а затем в циклонах и электрофильтре, далее собирается шнеком и направляется в расходный бункер цемента. Недостатком помола в открытом цикле является трудность получения цемента с высокой удельной поверхностью (до 400…500 м²/кг).

Мельницы, работающие в замкнутом цикле, дают более однородный по размеру зерен продукт большей удельной поверхности (4000…5000 см²/г); замкнутый цикл помола включает помольный агрегат и центробежный сепаратор, определяющий крупные зерна, возвращаемые на домол в первую камеру, а тонкая фракция домалывается в третьей камере, из которой выгружается готовый цемент. В полностью замкнутом цикле материал проходит через сепаратор дважды.

В последнее время получает распространение короткая трубная мельница, обычно двухкамерная, работающая в замкнутом цикле с сепаратором.

Готовый портландцемент (с температурой 100°С и более) пневматическим транспортом направляется в силосы для охлаждения. После этого его расфасовывают по 50 кг в многослойные бумажные мешки или загружают в специально оборудованный автомобильный, железнодорожный или водный транспорт.