Особенности клинкерообразования при производстве белого и цветных цементов

 

 Многими исследователями отмечалась недостаточная сырьевая база для производства декоративных цементов в Российской Федерации, это проявляется и в Уральском Федеральном округе. Традиционным сырьем в качестве карбонатного компонента считаются известняки, алюминатного особо чистые глины и силикатного пески. Месторождения известняков характеризуются неоднородностью химического состава и наличием примесей, однако встречаются в различных регионах и некоторыми исследователями доказана возможность получения белого портландцемента из серого известняка [1]. Месторождения глин и песков, удовлетворяющие высоким требованиям, встречаются значительно реже.

Авторами предложена новая технология производства белого портландцемента, новизной которой является замена двух компонентов – алюминатного и силикатного – на пирофиллитсодержащие горные породы. В настоящее время на территории России они не разрабатываются. За последние 30 лет проводились многочисленные исследования этого типа минерального сырья. До настоящего времени проведены геологоразведочные работы на нескольких месторождениях Среднего Урала, доказано высокое качество пород этих месторождений из-за низкого содержания красящих оксидов [1, 2].

На кафедре технологии  вяжущих материалов и строительных изделий  изучен химический состав пирофиллитсодержащих горных пород трех месторождений (Чистогоровское, Гайское и Куль-Юрт-Тау), на его основе рассчитан их минеральный состав. Содержание пирофиллита в горных породах колеблется от 30 до 80 %.

Основываясь на данных из различных источников (табл. 1) проведены термодинамические расчеты энергии Гиббса реакций клинкерообразования в сырьевых смесях.  Традиционным сырьем для производства белого портландцемента является известняк, глина и песок, но в термодинамических расчетах их заменяют минералы кальцит, каолинит и кварц. Авторами предложено заменить каолинит на пирофиллит.

Таблица 1.

Термодинамические параметры соединений

 

Соединение

Теплота образования из элементов
–ΔНº298, кДж/моль

Энтропия Sº298, кДж·град/моль

Cp = f (T)

a

b·103

c·10-5

CaCO3 (кальцит)

1208,6

93,0

24,98

5,24

-6,2

Al2O3·4SiO2·H2O (пирофиллит)

5276,9

237,1

91,82

20,61

-28,22

Al2O3·2SiO2·2H2O (каолинит)

4146,6

169,7

57,47

35,3

-7,87

SiO2 (α-крист)

3561,5

205,7

62,28

4,58

-12,09

3CaO·2Al2O3

2310,7

127,8

34,87

9,74

6,26

2CaO·SiO2 (β)

2972,6

168,9

49,85

8,62

-10,15

3CaO·SiO2

394,1

214,0

10,55

2,16

-2,04

CO2

242,2

189,0

7,17

2,56

0,08

H2O (газ)

903,5

42,7

14,4

2,04

-

 

Для сравнения были выполнены расчеты по определению энергии Гиббса в зависимости от температуры нагрева для следующих реакций, характерных для процесса клинкерообразования при обжиге клинкера белого портландцемента:

53 CaCO3 + 3 (Al2O3·4SiO2·H2O)(пирофиллит) + 4 SiO2 =

3 C3A + 4 C2S + 12 C3S + 53 CO2+3 H2O                                   (1)

53 CaCO3 + 3 (Al2O3·2SiO2·2H2O)(каолинит) + 10 SiO2 =

3 C3A + 4 C2S + 12 C3S + 53 CO2 +6 H2O                                   (2)

Соотношение продуктов близко к реальным, получаемым в промышленных условиях. Установлено, что реакция с участием пирофиллита протекает при заметно меньших энергозотратах, что при применении в производстве может привести к существенной экономии топлива. Кроме того, температура возможного начала реакции ниже на 140º по сравнению с традиционными компонентами (рис. 1). Все это говорит о том, что новый способ производства белого портландцемента с использованием в качестве сырьевого компонента пирофиллитовых пород энергетически заметно выгоднее традиционного способа.

 

Рис. 1. Зависимость энергии Гиббса реакций от температуры

 

Эти расчеты подтверждаются результатами экспериментов по обжигу клинкера белого портландцемента. На основе данных по химическому составу были рассчитаны и составлены сырьевые шихты с близкими составами для изучения зависимости обжига клинкера от природы сырьевых компонентов (табл. 2). В шихтах № 1 и 2 использовали традиционные компоненты (известняк, глина, песок), в № 3 и 4 – предлагаемые (известняк и пирофиллитсодержащая горная порода).

 

Таблица 2.

Химический состав шихт

 

Номер шихты 

Содержание оксидов, масс. %

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

Δmпрк

1 и 2

15,5

2,72

0,34

44,72

35,38

3 и 4

13,64

4,74

0,23

44,44

35,28

 

Кроме того, одновременно изучалось влияние способа помола (совместно молотые шихты № 2 и 4). Реакции минералообразования протекают более полно при использовании пирофиллитового сырья. Содержание в клинкера оксида кальция, не вступившего в реакцию, составляет около 4 % (табл. 2).

 

Таблица 2

Содержание СаОсв в обожженных пробах, масс. %

 

Пробы клинкеров

Температура обжига, ˚С

800

1000

1200

1450

1

1,72

29,17

29,73

3,83

2

2,99

26,64

18,38

4,41

3

1,01

30,31

28,48

3,93

4

1,26

30,10

17,91

1,33

 

На основе полученных результатов нами рекомендуется использовать совместный помол шихт с пирофиллитом. При таком способе помола пирофиллит измельчается более мелко, реакции клинкерообразования протекают быстрее и остаток оксида кальция составляет всего 1,33 % (рис. 2). Проведенные эксперименты позволяют рекомендовать промышленное внедрение данной технологии на Урале.

 

Рис. 2. Зависимость содержания СаОсв от температуры обжига

 

Библиографический список

1. Удачин В.Н. Чистогоровское Пирофиллитовое месторождение (Урал) // Минералогия техногенеза и минерально - сырьевые комплексы Урала. Свердловск: 1988 г.

2. Зайков В.В., Синяковская И.В., Котляров В.А. Пирофиллитовое сырье месторождения Куль-Юрт-Тау (Башкирия) // Минералогия техногенеза и минерально-сырьевые комплексы Урала. Свердловск: 1988 г.

 

проф., д.т.н. Семериков Иван Савельевич,

проф., к.т.н. Пьячев Василий Афонасьевич, 

аспирант Руднов Василий Сергеевич

Hosted by uCoz