январь—февраль 2022 Д.А. Мишин, канд. техн. наук, доцент;
С.В. Ковалев, ст. преподаватель, ([email protected]),
УДК 666.942.82:666.9.015.264 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Россия
Температура ввода минерализатора
как фактор получения белого клинкера
с повышенным содержанием оксида железа
РЕФЕРАТ. Настоящая работа посвящена влиянию нового способа Исходную смесь корректировали, добавляя
ввода минерализатора 2C2S · CaF2 на белизну цемента при раз- оксид железа (III) в виде реактива квалифи-
личных концентрациях оксида железа в клинкере. Установлено, кации «ч», для получения смесей с содержа-
что оптимальный температурный интервал ввода минерализато- нием 0,28; 0,50 и 0,70 % масс. Fe2O3 в пере-
ра при обжиге — 1 000—1100 °C. Белизна измельченного клинкера счете на клинкер, что соответствует 0,25; 0,45
составила 83 % при содержании оксида железа в клинкере 0,7 % и 0,63 % масс. в пересчете на FeO.
масс. Это позволит расширить сырьевую базу получения белого
цемента. Новый способ ввода минерализатора дает возможность Для моделирования циркуляции и накоп
снизить температуру получения белого клинкера на 200—300 °C. ления солей щелочных металлов в получен-
Синтез белого клинкера в этой работе проводили при 1300 °C. ные смеси вводили 1,2 % масс. Na2O в виде
реактива Na2CO3 квалификации «ч».
В качестве минерализатора использовали
Ключевые слова: раздельный ввод, белизна клинкера, минерализатор, соединение 2C2S ∙ CaF2, синтезированное при
плавиковый шпат, CaF2, Na2O. температуре 980 °C из реактивов CaCO3, SiO2
Keywords : separate input, clinker whiteness, mineralizer, fluorspar, CaF2, Na2O. и CaF2 квалификации «ч». Минерализатор
вводили раздельным способом в количестве
Введение 8,11 % массы клинкера при температурах
вышению белизны клинкера белого цемента 1100, 1200 и 1250 °C.
Производство белого цемента предъяв- и позволяет снизить температуру клинкеро Образцы обжигали в лабораторной печи,
ляет жесткие требования к чистоте сырье- образования до 1250—1300 °C [3—5]. температуру в которой повышали со скоро-
вых компонентов — она должна обеспечи- При использовании предлагаемого спосо- стью 10 °C/мин. Контрольные образцы (без
вать содержание FeO в клинкере не более ба минерализатор можно вводить в широком минерализатора 2C2S ∙ CaF2) обжигали при
0,5 % масс. В большинстве случаев такое температурном интервале. Однако влияние температуре 1450 °C с изотермической вы-
содержание FeO гарантирует получение це- температуры ввода минерализатора на ход держкой в течение 2 ч, образцы с минерали-
мента, соответствующего ГОСТу по белизне. и результаты обжига при повышенной кон- затором — п ри температуре 1300 °C со вре-
Разумеется, производители белого цемента центрации оксида железа в сырьевой смеси менем изотермической выдержки 1 ч. Клин-
и исследователи стремятся получить цемент изучено не было. кер резко охлаждали в воде.
требуемой белизны на основе клинкера с по- Целью настоящей работы стало изучение Раздельный ввод минерализатора модели-
вышенным содержанием FeO, что позволит зависимости белизны клинкера белого це- ровали следующим образом. Смесь с введен-
расширить перечень сырьевых компонен- мента от температуры ввода минерализатора ным в нее Na2CO3 обжигали при необходимой
тов, пригодных для производства белого 2C2S ∙ CaF2 при повышенном содержании ок- температуре ввода минерализатора с изо-
цемента, и использовать бóльший объем их сида железа в сырьевой смеси. термической выдержкой в течение 30 мин.
запасов на уже разведанных месторожде- Методика и исходные материалы Продукт обжига измельчали и затем вводи-
ниях. ли в него 2C2S ∙ CaF2. Из полученной смеси
На белизну клинкера наряду с другими Для получения клинкера белого цемента вновь формовали таблетки, затем возвраща-
факторами сильно влияет кристаллизация использовалась сырьевая смесь, приготов- ли их в разогретую до температуры ввода ми-
в нем алюмоферрита кальция, характери- ленная из мела месторождения ЗАО «Белго- нерализатора печь и проводили дальнейший
зующегося минимальной белизной [1]. Кон родский цемент» и каолина месторождения обжиг при температуре 1300 °C со временем
тролировать образование алюмоферрита «Журавлиный Лог» (табл. 1). изотермической выдержки 1 ч. При обжиге
кальция можно с помощью раздельного ввода Таблица 1
минерализатора, разработанного на кафе-
дре технологии цемента и композиционных Химический состав исходных сырьевых компонентов, смеси на их основе* и клинкера
материалов БГТУ им. В.Г. Шухова. Эта мето- Материал SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 R 2O П.П.П. Прочие
дика заключается во вводе минерализатора Мел 1,86 0,38 0,14 54,74 0,23 0,01 0,08 42,40 0,16
в ту часть системы обжига, где температу- Каолин 71,18 19,23 0,36 0,07 0,43 0 0 7,45 1,28
ры находятся в интервале, для которого он Сырьевая смесь 15,00 3,95 0,18 44,38 0,27 0,01 0,06 35,77 0,37
наиболее эффективен [2]. Раздельный ввод Клинкер 23,35 6,15 0,28 69,10 0,42 0,02 0,09 — 0,58
минерализатора 2C2S ∙ CaF2 способс твует по- * КН = 90, n = 3,63, p = 21,95.
99
январь—февраль 2022
Внешний вид образцов белого клинкера Таблица 2 образцы защищали от прямого воздействия
излучения нагревателей при помощи экрана
Содержание Контрольный Температура раздельного ввода из огнеупорного материала.
кFеeр2Oе,3%в кмлаиснс-. клинкер* минерализатора 2C 2S ∙ CaF2, °C
1100 1200 1250 Содержание свободного оксида кальция
измеряли этилово-глицератным методом.
0,28
Фазовый состав клинкера определяли
0,5 с помощью рентгеновского дифрактометра
ARL X’TRA.
О белизне клинкера судили по коэффи-
циенту яркости (КЯ), который пропорцио-
нален коэффициенту отражения и опреде
ляется путем измерений по сходной методи-
ке [6]. КЯ определяли с помощью блескомера
БФ 5 45/0/45 по эталонной полированной плас
тине BaSO4. По значению КЯ можно судить
о степени белизны клинкера.
Для исследования образцы клинкера расти
рали до полного прохождения через сито № 008.
0,7 Результаты и их обсуждение
В результате обжига были получены образ-
цы клинкера, вид которых показан в табл. 2.
Контрольные образцы характеризуют-
ся грязно-зеленой окраской, усиливающей-
* Клинкер без минерализатора, обожженный при температуре 1450 °C. ся с ростом содержания Fe2O3 в клинкере.
Их желто-зеленая сердцевина светлее, чем
поверхность. Образцы, полученные при раз-
Таблица 3 дельном вводе 2 C 2 S ∙ C a F 2 , имеют серый
Характеристики образцов белого клинкера с небольшой желтизной цвет. Разница меж-
Содержа- Контрольный Температура ввода минерализатора, °С ду окраской сердцевины и поверхностного
ние Fe2O3 образец 1100 1200 1250
в клинкере, слоя не так ярко выражена, как у контроль-
% масс.
КЯ, Содержание КЯ, Содержание Содержание КЯ, Содержание ных образцов. Визуальная разница в окраске
0,28 % CaOсв, % масс. % CaOсв, % масс. CaOсв, % масс. % CaOсв, % масс.
КЯ,% образцов с минерализатором минимальна.
72,0 0,61 88,5 1,70 87,0 0,62 83,0 0,38 Полученные образцы характеризуются
практически полным усвоением оксида каль-
0,50 68,5 0 84,5 0,54 83,0 0,31 81,5 0,15 ция (табл. 3). Содержание свободного оксида
0,70 66,0 0 83,0 0,62 82,0 0,54 78,5 0,23 кальция уменьшается с повышением темпе-
ратуры ввода минерализатора.
Свободный оксид кальция увеличивает бе-
Таблица 4 лизну клинкера, так как представляет собой
Влияние концентрации оксида железа и температуры ввода минерализатора на вид
растертых образцов клинкера белые кристаллы с высокой степенью белиз-
ны. Различия в содержании свободного окси-
Содержание Температура ввода минерализатора, °С Контрольный да кальция между контрольными образцами
Fe2O3, % масс. 1100 1200 1250 образец
и образцами с минерализатором 2C2S ∙ CaF2
0,28 незначительны. Это позволяет сравнивать их
белизну.
Наибольший КЯ наблюдается у образ-
цов, полученных при температуре ввода
минерализатора 1100 °C. Белизна клинке-
ра с минерализатором на 16—17 % выше,
КЯ = 88,5 КЯ = 87 КЯ = 83 КЯ = 72 чем у контрольного образца. С увеличением
0,50 температуры ввода минерализатора от 1100
до 1250 °C она постепенно снижается: при
содержании в образцах 0,28 % масс. Fe2O3 —
на 5,5 %; при 0,50 % масс. Fe2O3 — на 4,5 %.
Изменение белизны клинкера сопровож
дается изменением его окраски (табл. 4).
КЯ = 84,5 КЯ = 83 КЯ = 81,5 КЯ = 68,5 Образцы без минерализатора имеют темный
0,70 серо-зеленый цвет. При раздельном вводе
минерализатора 2C2S ∙ CaF2 образцы при
обретают светло-серую окраску с небольшим
зеленым оттенком, который усиливается при
повышении температуры ввода минерализа-
тора. С ростом содержания оксида железа
КЯ = 83 КЯ = 82 КЯ = 78,5 КЯ = 66 в клинкере его оттенок дополнительно приоб
ретает желтовато-коричневый тон.
100
январь—февраль 2022
C3S образца без минерализатора, содержащего
C2S 0,28 % масс. Fe2O3 (КЯ = 72 %).
C3A Раздельный ввод 2C2S ∙ CaF2 способству
C12A7 ет завершению процессов минералообразо
2,619
2,784 4,901 вания в ходе тепловой обработки сырьевой
2,755 3,043
3,043 смеси белого клинкера при температурах
2,978 2,978
2,885 2,885 до 1300 °C. Остаточное содержание свобод
2,698
4,901 2,780 ного оксида кальция в образце составляет
2,751
2,698 0,62 %. Указанная температура значительно
2,614
4,901
3,043
2,978
2,885
2,784
2,755
2,698 2,698
2,614
4 ниже, чем обычная температура обжига бело
го клинкера (1500—1550 °С). Таким образом,
3 раздельный ввод 2C2S ∙ CaF2 позволит сокра
тить удельный расход топлива на его обжиг.
2 ЛИТЕРАТУРА
1. Зубехин А.П., Голованова С.П., Кирсанов П.В. Белый порт
1 29 30 31 32 33 34 35 18 29 30 31 32 33 34 35 18 29 30 31 32 33 34 35 ландцемент / Под ред. А.П. Зубехина. Ростов н/Д: Ред. ж.
18 2θ, ° б 2θ, ° 2θ, ° «Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион». 2004. 264 с.
2. Патент РФ на изобретение № 2633620 «Способ интен
а в сификации процесса обжига портландцементного клинкера
минерализаторами». Авторы: Мишин Д.А., Ковалев С.В., Че
Фазовый состав образцов клинкера с расчетным содержанием Fe2O3, равным 0,28 (а), 0,50 (б) и 0,70 % масс. Fe2O3 (в). кулаев В.Г. Опубл. 16 октября 2017 года, бюлл. № 29.
1 — контрольн ый образец, 2 — в вод минерализатора при температуре 1100, 3 — 1 200, 4 — 1 250 °C 3. Мишин Д.А., Ковалев С.В., Чекулаев В.Г. Влияние способа
ввода минерализатора на прочностные характеристики, мор
Фазовый состав осветленного клинкера та Выводы фологию и цвет портландцементного клинкера // Цемент и его
кой же, как у контрольного клинкера, за исклю применение. 2016. № 4. С. 112 — 117.
чением появления майенита C12A7 (d = 4,901 Å), Белизна клинкера при содержании в нем 4. Mishin D., Kovalev S. Production of bleached cement // 14th Intern.
образовавшегося под воздействием фторида 0,28—0,70 % масс. Fe2O3 снижается с повы Congr. for Applied Mineralogy (ICAM2019). Springer Proc. in Earth
кальция (см. рисунок), что согласуется с дан шением температуры раздельного ввода ми and Environmental Sci. Springer : Cham., 2019. P. 356—359.
ными Б.В. Волконского [7]. В результате вы нерализатора 2C2S ∙ CaF2 в интервале 1100— 5. Kovalev S.V., Mishin D.A., Neverova E.V. The effect of separate in
деления майенита интенсивность рефлекса 1250 °C. Ввод минерализатора при 1100 °C put of the mineralizer on the whiteness and strength characteristics of
трехкальциев ого алюмината (d = 2,698 Å) сни и содержании Fe2O3 в клинкере 0,70 % масс. white cement // BUILDINTECH BIT 2020, LNCE 95. 2021. P. 318—
жается. позволяет достичь более высокой белизны 324 [Электронный ресурс] URL : https://doi.org / 10.1007 / 978–
клинкера (КЯ = 83 %), чем у контрольного 3–030–54652–6_48 (дата обращения 04.06.2021).
6. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. М.:Мир, 1978. 592 с.
7. Волконский Б.В., Коновалов П.Ф., Макашев С.Д. Минерализа
торы в цементной промышленности. М.: Стройиздат, 1964. 199 с.
реклама 101
УДК 666.9.052 январь—февраль 2022
Л.Д. Шахова1, д-р техн. наук, проф., директор научно-технического центра;
Е.С. Черноситова2, канд. техн. наук, доцент;
Л.С. Щелокова2, канд. техн. наук, доцент;
Н.Г. Уханева2, магистрант
1 ООО «Полипласт Новомосковск», Россия
2 Белгородский государственный технологический
университет им. В.Г. Шухова, Россия
Структурно-реологические свойства
цементного порошка
РЕФЕРАТ. Структурно-реологические свойства цементного по- производства (мокрый или сухой), темпера-
рошка существенно влияют на продолжительность работ и тру- туры обжига клинкера, его температуры пос
дозатраты в ходе транспортирования и отгрузки цемента. Это ле охлаждения, скорости охлаждения и др.
обусловливает актуальность задачи поиска механизмов управ- [4—5].
ления такими свойствами.
Таким образом, структурно-реологиче-
Статья посвящена исследованию основных факторов, влияю- ские свойства порошков определяются со-
щих на текучесть цемента. Приведены результаты ее статисти- четанием физических свойств материала,
ческого анализа в зависимости от тонкости помола цемента условий окружающей среды и особенностей
(по остатку на сите № 008 и удельной поверхности по Блейну), оборудования, используемого для перера-
влажности, насыпной плотности и плотности в максимально ботки и хранения этих материалов [6].
уплотненном состоянии, а также показана взаимосвязь произ-
водственных факторов и текучести цемента. Корреляционно- Трудности в изучении поведения сыпучих
регрессионным методом анализа установлено, что на текучесть и порошкообразных материалов при обра-
цементного порошка влияют удельная поверхность и перемен- ботке возникают из-за взаимосвязи порош-
ный фактор, роль которого пока не оценена количественно. ковой текучести (макросвойства) со свой
ствами отдельных частиц (микросвой
Ключевые слова: цемент, текучесть цементного порошка, корреля ствами). Многие параметры потока порошка
ционно-регрессионный анализ, интенсификаторы помола. определяются только экспериментальным
Keywords: cement, cement flour fluidity, correlational regression analysis, путем. Оценка влияния множества факторов
grinding intensifier. на текучесть цемента затруднена невозмож-
ностью количественно определить текучесть
Введение прежде всего потому, что функции напряже- в конкретных технологических условиях.
ний и деформаций имеют разрывы на грани- Поэтому при проведении экспериментов
Определение структурно-реологических це каждой частицы [3]. Поведение потока по- в данной работе текучесть готового продук-
характеристик порошкообразных материа- рошкообразного материала зависит от мно- та определяли в лаборатории цементного
лов имеет большое научное и практическое гих физических характеристик, таких как предприятия с учетом параметров, которые
значение для многих технологических про- размер частиц, их поверхностная энергия, могли быть оценены количественно.
цессов. Поскольку все такие вещества не- способность материал а к сжатию и др. [1].
обходимо транспортировать и/или обраба- Методология
тывать, существует огромная потребность При погрузочно-разгрузочных работах
в информации об их обработке и характерис структурно-реологические свойства цемен- Для проведения эксперимента были ото-
тиках потока. По оценкам, около 40 % всех та обычно оценивают косвенным методом браны 92 пробы цемента ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б
энергозатрат предприятий связано с транс по принципу «течет — н е течет». Совершен при отгрузке партий из силосов. Цементы
портировкой порошкообразных сыпучих ма- ствование технологии измельчения и се- были получены путем помола в мельнице
териалов [1]. парации, требования рынка к повышению размерами 3,2 × 14 м, работающей в откры-
тонкости помола цемента привели к необ- том цикле. С целью изучения зависимости
Для порошкообразных материалов ти- ходимости более основательно рассмотреть текучести цемента от множества факто-
пичны особые свойства. Их характеризуют такие параметры, как текучесть или подвиж- ров использовали регрессионный анализ
закономерности, которые не присущи ве- ность цементного порошка, в различных тех- (табл. 1).
ществам, находящимся в отдельных агре- нологических условиях.
гатных состоян иях, — газу, жидкости или В качестве выходного параметра была
твердому телу. Поэтому, как считают авторы Отметим, что поверхностная энергия це- принята текучесть цементного порошка,
работы [2], такие материалы следует рас- ментных частиц и межчастичные взаимодей- оцениваем ая по ASTM C 1565—09 путем
сматривать как дополнительное состояние ствия зависят от многих факторов, характе- просеивания порошка при заданных пара-
вещества. Применительно к большому числу ризующих процесс производства цемента: метрах механического воздействия. В ка-
контактирующих твердых частиц в порошках тонкости помола, типа помольного оборудо- честве переменных факторов рассматрива-
эти закономерности строго не выполняются, вания, типа вращающихся печей и способа лись тонкость помола цемента (по остатку
на сите № 008 (Х1) и удельной поверхности
102 по Блейну (Х2)), влажность порошка (Х3),
массовая доля шлака в цементе (Х4), насып-
ная плотность порошка ρнас (Х5), плотность
январь—февраль 2022
Описательная статистика исходных данных Таблица 1
Выходной па- Факторный признак
раметр Y —
Показатель текучесть Х1 — о ста- Х2 — у дельная Х3 — Х4 — мас- Х5 — н асып- Х6 — п лотность Х7 — отноше-
цемента, % ток на сите поверхность влажность совая доля ная плотность в максимально ние ρнас/ρупл
Значение параметра: цемента цемента, % шлака, % уплотненном со-
среднее № 008, ρнас, г/л стоянии ρупл, г/л
минимальное % масс. по Блейну, м2/кг
максимальное
25,70 8,42 292,08 0,028 10,66 1133,77 1591,96 0,71
Стандартное отклонение 19 5,5 267 0,01 2,1 1046 1327 0,63
Коэффициент вариации, % 31 13,3 324 0,05 19,7 1237 1788 0,85
Коэффициент парной корре- 2,55 1,647 0,008 3,554 49,503 91,776 0,038
ляции между Хi и Y 9,94 19,56 13,165 28,54 33,34 4,37 5,77 5,28
–0,097 4,51 0,007 –0,084 –0,114 –0,008 –0,110
–0,184
в максимально уплотненном состоянии ρупл Фишера путем расчета его фактического зна- полученные по методу наименьших квадра-
(Х6), отношение насыпной плотности к плот- чения и сравнения с табличными данными. тов, представлены на рис. 1. Очевидно, что
ности в максимально уплотненном состоянии поверхности, полученные в качестве прогно-
ρнас/ρупл (Х7). Уплотненное состояние цемен- Для оценки добротности выполненного зируемой поверхности отклика, и реальные
та достигалось путем механического встря- регрессионного анализа использовали: данные, полученные в результате испытаний,
хивания емкости с порошком до момента, • стандартную ошибку Sy–, которая дает существенно различаются.
когда объем порошка больше не изменялся.
Влажность порошка и удельную поверхность представление о приблизительной вели- По насыпной плотности и плотности
по Блейну определяли по ГОСТ 30744. чине ошибки прогнозирования; в уплотненном состоянии рассчитали индекс
• коэффициент детерминации R2, указы сжимаемости (CI) в процентах:
Статистическую обработку результатов вающ ий, какая доля вариации функции Y
испытаний проводили классическими ме- (в процентах) объясняется воздействием . (1)
тодами, рекомендуемыми ГОСТ Р ИСО/ТО факторов xi.
10017 для использования в системах ме- Значимость коэффициентов уравнения Как определено в работе [3], CI являет-
неджмента качества по ИСО 9001, в пакете регрессии оценивали с помощью табличных ся индикатором текучести и характеризует
анализа данных STATISTICA. Статистиче- значений критерия Стьюдента. склонность порошка к сжатию, отражая от-
ский анализ проводился в несколько этапов По рассчитанным в программе STATISTI носительную степень межчастичных взаи
с целью выделить факторы, оказывающие CA коэффициентам уравнения регрессии и модействий. Судя по значению CI, равно-
значительное влияние на выходной пара- по экспериментальным данным были уста- му 31 %, цемент обладает очень плохой
метр. Подробное описание методики обра- новлены статистически значимые коэффи- сжимаемостью [3].
ботки статистических данных и результатов циенты этого уравнения — удельная по-
регрессионного анализа в данной программе верхность и показатели, характеризующие Модель регрессии была определена с по-
изложено в работах [7—8]. плотность цемента в разных состояниях. мощью опции «Пошаговая или гребневая
Коэффициент детерминации R2 был ра- регрессия» [7—8]. Выбранная модель регрес-
Роль структурно-реологических свойств вен 0,16. Это свидетельствует о том, что ва- сии как наиболее информативная в отноше-
цемента в различных технологических про- риацией рассмотренных факторных призна- нии доли объясненной дисперсии включает
цессах оценивали по результатам опытно- ков обусловлена достаточно небольшая доля в себя всего один факторный признак — Х2
промышленных испытаний технологических вариац ии зависимой переменной. (удельную поверхность цементного порош-
добавок — и нтенсификаторов помола, а так- Для дальнейшего анализа были приняты ка):
же многолетних наблюдений за поведением факторы Х2 — удельная поверхность цемен-
цемента при транспортировании и хранении. та, Х5 — н асыпная плотность ρнас и Х7 — от- Y = 47,69 – 0,045X2. (2)
ношение ρнас/ρупл.
Результаты и обсуждение Зависимости текучести цемента от выяв- Это уравнение — результат регрессион-
ленных значимых факторов (Х2, Х7 и Х2, Х5), ного анализа данных в модуле «Множествен-
На начальном этапе статистического ис-
следования методами описательной стати- Y — текучесть, % 35 > 25 32 > 28
стики и проверки гипотез были оценены па- 30 < 22 30 < 28
раметры и вид распределения исходных дан- 25 < 17 28 < 26
ных с целью их дальнейшего использования 20 < 12 26 < 24
для корреляционно-регрессионного анализа. 15 <7 24 < 22
Из перечисленных факторов наибольшим 10 <2 22
был разброс значений влажности и содержа- Y — текучесть, %20 262072082093003013023030
ния шлака в вещественном составе цемента. 5 X2 — у дельная поверхность, м2 /кг
б X5 — насыпная плотность, г/л повXе2р хн—оусдтеь,льмн2/акяг
Статистические показатели выходного а 0,602,604,606,608,700,702,704,706,708,800,802,804,86
пар аметра — т екучести цемента и влияющих 260270280290300310320330 1101021040106011801100112011401160128012001220240800
факторов, рассчитанные по эксперименталь- X7 — степень слеживаемости
ным данным, приведены в табл. 1.
Рис. 1. Результаты построения поверхностей отклика в программе STATISTICA — з ависимость текучести цемента: а — Y от удель-
Был задан уровень надежности (довери- ной поверхности (X2) и отношения ρнас / ρупл (X7), б — от удельной поверхности (X2) и насыпной плотности ρнас (Х5)
тельная вероятность) α = 95 %. Значимость
коэффициентов множественной корреля-
ции R в уравнении проверяли по F‑критерию
103
январь—февраль 2022
Ïðîãíîçèðóåìûå çíà÷åíèÿ òåêó÷åñòè, % 28 лирования подачи интенсификатора помола
27 в ходе измельчения цемента.
26 340
25 Механизм повышения производительно
24 сти цементных мельниц можно объяснить
23 повышением текучести порошка, приводя
22 щим к повышению скорости продвижения
21 материал а по мельнице. Введение интен
сификатора помола увеличивает подвиж
260 270 280 290 300 310 320 330 ность порошка, а также снижает адгезию
X2 — óäåëüíàÿ ïîâåðõíîñòü, ì2/êã тонкодисперсных частиц на металлических
поверхностях мелющих тел и бронефуте
Рис 2. Прогнозируемые математически неисправленные значения текучести ровки мельниц. Это позволяет повысить
(Y = 38,218 – 0,0432X2). Коэффициент корреляции r = –0,6376 производительность цементных мельниц
на 15—30 %, снизить удельные энергоза
ная регрессия» в программе STATISTICA. детерминации R2 (0,071) свидетельствует траты по помол и транспортирование це
мента на 10—16 %, сократить время загруз
При выполнении исследования п(Хр2иL,нoХиrм5eаиmлиХ7вi)оp, suгооm тпоомр,очшткоаипзомленноеснтиьею текучести цементно ки и выгрузки цементовозов на 40—50 %.
внимание несколько факторов обусловлено воздей
Рост производительности цементной
из которых только фактор Х2 оказался зна ствием пока не учтенных в модели факторов мельницы напрямую связан с улучшением
работы сепараторов в присутствии интенси
чимым с точки зрения влияния на текучесть и требует проведения дальнейших исследо фикаторов. Анализ эффективности ра
боты сепаратора с цементной мельни
цемента и был включен в данное уравнение ваний [7—8]. цей 5 × 15,75 м проектной производитель
ностью 167 т/ч с помощью кривой Тромпа
регрессии. На следующем этапе именно этот Роль структурно-реологических характе проводили при выпуске цемента без интен
сификатора и при вводе добавки «Лито
фактор был взят для корреляционного ана ристик цементного порошка заметна в таких пласт ИП1».
лиза с целью прогнозирования текучести технологических процессах, как измельче Гранулометрический анализ проб для
построения кривой Тромпа был выполнен
в зависимости от удельной поверхности. По ние, сепарирование, хранение и транспор на приборе Mastersizer 2000. Показатели,
по которым проводили анализ работы сепа
итогам статистической обработки данных тирование. Для регулирования текучести ратора, и их числ енные значения приведены
в табл. 2.
было получено следующее уравнение зави потока цементного порошка широко исполь
Выполненный анализ на основе кривой
симости текучести (Y) от удельной поверх зуются технологические добавки — интен Тромпа показал низкую эффективность ра
боты сепаратора без применения техноло
ности: сификаторы помола, содержащие ряд орга гической добавки. Введение в цементную
шихту интенсификаторов помола «Литопласт
Y = 38,218 – 0,432X2. (3) нических соединений. Практические данные ИП1» позволило повысить производитель
о результатах использования технологиче ность цементной мельницы на 26 %, снизить
удельные энергозатраты на 15 %, снизить
Прогнозируемые с использованием этой ских добавок линейки «Литопласт ИП» на це долю мелких частиц, возвращаемых в мель
ницу (байпас).
модели (уравнение (3)) значения текуче ментных мельницах подтверждают повыше
Технологическая эффективность дей
сти цемента в зависимости от его удельной ние текучести на 30—40 %. Адаптированная ствия добавок при помоле зависит от реше
ния требуемых задач: увеличения произво
поверхн ости приведены на рис 2. Согласно методика ASTM C 1565—09 определения дительности мельницы при заданной тонине
помола и расходе электроэнергии или сни
модели, с увеличением последней текучесть структурно-реологических свойств цемен жения удельного расхода энергии при задан
ной производительности и тонине помола.
снижается. Например, повышение удельной та по рекомендации Научно-технического При этом применение технологических доба
вок с точки зрения экономики выгодно толь
поверхности на 100 м2/кг приводит к умень центра небетонного направления (НТЦ НБН) ко в том случае, если экономия вследствие
снижения удельных энергозатрат на помол
шению текучести на 13—15 % (см. рис. 2). ООО «Полипласт Новомосковск» принята 1 т цемента (в денежном выражении) будет
выше затрат, связанных с использованием
Полученная при реализации метода рег на ряде цементных предприятий в качестве интенсификатора.
рессионного анализа оценка коэффициента метода технологического контроля и регу Результаты многолетних опытно-промыш
ленных испытаний и наблюдений эффектив
Содержание Микротвердость Дизайн помоль уТсчваелевлэмос армвкпжоииеедняйлриоьапрнснтоеатиумжнмрцыонииелеома-, пнгроаамяпТснкоорпуил еолтйабвоо оенм—сврокеахостуннтсрдиоатиеиясвчлтеьь, ности процессов измельчения и транспор
клинкерных фаз, клинкерных фаз ной системы, тирования цемента позволили установить
вещественный и минеральных управление взаимосвязь между производственными
состав шихты процессом факторами и текучестью цементного порош
добавок ка (рис. 3).
ПРОЦЕСС ПОМОЛА Приведенная на рис. 3 схема наглядно
отражает зависимость текучести цемента
Исходная шихта Удельные Производитель Готовый продукт
Интенсификаторы энергозатраты ность системы
на помол
Транспортирование и хранение
Расход Температура Продолжитель ТЕКУЧЕСТЬ Продолжительность
и влагосодер цемента ность хранения упаковки и погрузо-раз-
жание воздуха,
подаваемого в силосе грузочных работ
на аэрацию
Рис. 3. Взаимосвязь производственных факторов и текучести цемента
104
январь—февраль 2022
Таблица 2
Показатели эффективности работы сепаратора, определенные по кривой Тромпа
Фактическое значение
Показатель Без интен С интенсификатором
сификатора «Литопласт ИП1»
Критический размер частиц D50, при котором частицы с равной 45 60
вероятностью входят в состав крупной и мелкой фракций (опре
деляется при селективности 50 %), мкм
Предельный размер частиц Dlimit, ниже которого селективное раз 20 15
деление отсутствует (определяется при минимальной селективно
сти (Т – min)), мкм
Минимум (байпас) δ на кривой, показывающий количество тонких 29 10
фракций, которые возвращаются в мельницу с крупным продук
том (рекомендуемый диапазон 5—15)
Крутизна, или четкость разделения, — определяется как на 0,26 0,29
клон линейной части кривой по соотношению k = D25/D75, где D25
и D75 — соответственно размер частиц при селективности 25
и 75 %, мкм (рекомендуемый диапазон — 0,5—0,6)
от свойств исходной цементной шихты, тре сти цемента снижается текучесть. Также реклама
бований по тонкости помола к готовой про показано, что не все факторы, влияющие
дукции, аппаратурного дизайна и условий на текучесть цементного порошка, учте
проведения процесса. Кроме того, имеется ны и оценены количественно. Отметим, что
обратная связь — влияние текучести цемен на подвижность цемента при транспортиро
та на процесс измельчения и, таким обра вании влияют температура самого порошка
зом, на производительность мельницы. и условия его хранения.
Заключение Для прогнозирования названных эффек
тов и разработки способов управления ими
Способность порошка течь иногда вос необходимо располагать полной информа
принимается как его одномерная характери цией о структурных и кинематических ха
стика, в результате чего порошки ранжируют рактеристиках цемента в виде соответствую
на скользящей шкале от «текущих» до «не щих профилей влияния различных факторов
текущих». К сожалению, этот упрощенный на его подвижность. Как нам представляет
подход не позволяет обеспечить понимание, ся, дальнейшая работа должна быть направ
достаточное для решения общих проблем, лена на выявление долей вклада влияющих
с которыми сталкиваются разработчики обо факторов (см. рис. 3) и установление меха
рудования и обслуживающий персонал. низма текучести тонкодисперсных цементов
на различных технологических переделах
Переход от свободнодисперсных структур с целью эффективного управления процес
(аэрированного порошка) к связнодисперс сами и снижения энергозатрат.
ным системам (после длительного хранения
в силосах) кардинальным образом изменяет ЛИТЕРАТУРА
основные структурно-механические свой 1. Ennis B.J., Green J., Davies R. Particle technology: the lega
ства материала, такие как легкоподвижность cy of neglect in the U.S. // Chem. Eng. Prog. 1994. Vol. 90, N 4.
и текучесть. Особый интерес представляют P. 32—43.
собой изменения структурно-реологических 2. Heinrich M.J., Sidney R.N. Granular solids, liquids, and gases
свойств минеральных порошков в процессе // Reviews of Modern Physics. 1996. Vol. 68, N 4. P. 1259—
измельчения и при выходе их из мелющих 1273.
агрегатов. Как показывает практика из 3. Carr R.L. Evaluating flow properties of solids // Chemical En
мельчения таких порошков в высокопроиз gineering J. 1965. Vol. 72. P. 163—168.
водительных промышленных агрегатах, из 4. Prescott J.K., Barnum R.A. On powder flowability // Pharma
менение структурно-реологических свойств ceutical Technology. 2000. Vol. 24, N 10. P. 60—84.
материалов в ходе измельчения оказывает 5. Шахова Л.Д., Черноситова Е.С., Березина Н.М., Дани
огромное влияние на скорость прохождения лин А.А. Композиционные разжижители сырьевых шламов
материала по мельнице на последней стадии цементного производства // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова.
измельчения, на эффективность при сепара 2016. № 10. С. 191—196.
ции, а также на процесс транспортирования 6. Marinelli J., Carson J.W. Solve solids flow problems in bins,
«свежего» продукта после мельницы, его по hoppers and feeders // Chem. Engineering Proc.1992. Vol. 88,
ведение при хранении, погрузочно-разгру N 5. P. 22—28.
зочных операциях и упаковке. Недостаточ 7. Shahova L.D., Chernositova E.S., Denisova J.V. Flowability
ный учет особенностей движения цементных and durability of cement containing technological additives dur
порошков может приводить к нарушению ing grinding process // AER-Advances in Engineering Research.
технологического режима и, как следствие, Vol. 133. Actual Issues of Mechanical Engineering (AIME 2017),
к ухудшению качества продукта. November 2017. P. 162—167.
8. Shahova L.D., Chernositova E.S., Denisova J.V. Flowability
Статистическими методами подтвержде of cement powder / IOP Conf. Series: Materials Science and
но, что при повышении удельной поверхно Engineering 11. Ser. International Conference on Mechanical
Engineering, Automation and Control Systems. 327(3) (2018)
032049. doi:10.1088/1757—899X/327/3/032049.
105
УДК 666.9 Январь—февраль 2022
А.С. Брыков, д-р техн. наук, проф.; М.Е. Воронков, канд. техн. наук, доц.,
СПбГТИ (ТУ), Россия
Активация доменного шлака
высококальциевыми видами золы-уноса
РЕФЕРАТ. Высококальциевая зола-унос (ВЗУ), образующаяся при которые не в последнюю очередь оказывают
факельном сжигании твердого топлива на ТЭС, в сочетании сдерживающее влияние на практическую
с карбонатом натрия является эффективным сухим активатором реализацию данного направления. К таким
твердения бесцементных растворных смесей на основе моло- недостаткам относятся, например, проблемы
того гранулированного доменного шлака (МГДШ). Взаимодей- производственной безопасности, связанные
ствием Na2CO3 и компонентов ВЗУ обеспечивается создание с высокой щелочностью активаторов, и раз
щелочной среды, стимулирующей гидратацию кристаллических витие значительных усадочных деформаций
и аморфных фаз золы и шлака и образование прочной струк- получаемого искусственного камня.
туры, формируемой путем тесного сращивания продуктов их
гидратации — кристаллов эттрингита и аморфного геля C—S—H. Существенно и то, что эти соединения, как
При замещении 10—30 % шлака золой в присутствии 1—3 % правило, применяются в виде концентриро
Na2CO3 от массы вяжущего — с меси шлака и золы — и водовяжу- ванных водных растворов, поскольку твердые
щем отношении 0,30—0,45 прочность шлакопесчаных растворов формы легкорастворимых при обычной тем
достигает 10—30 и 30—45 МПа в возрасте 7 и 28 сут соответ пературе силикатов натрия и калия доста
ственно в условиях влажного твердения при обычной темпера- точно дороги. Соответственно, твердые ми
туре. неральные компоненты и жидкий активатор
должны храниться и поставляться потреби
Зола-унос, образующаяся при низкотемпературном сжигании телю в раздельной таре и смешиваться непо
топлива по технологии циркулирующего кипящего слоя, обла- средственно перед применением. Между тем
дает высокой гидратационной активностью и может иметь само- для успешной коммерческой реализации вя
стоятельное значение в качестве активатора твердения МГДШ, жущих на основе шлака важно, чтобы способ
поскольку присутствие Na2CO3 не влияет на прочность золо- их применения не отличался бы существен
шлаковых образцов. Однако при использовании золы этого типа но от способа применения обычного цемен
прочность получаемого камня ограничивается ее высокой водо- та; прежде всего это означает, что вяжущее
потребностью. должно иметь вид «одноупаковочного» сухого
порошка, включающего в себя все необходи
Интерес к бесклинкерным и низкоклинкерным вяжущим вещест- мые для активации шлака компоненты [1, 5].
вам повсеместно вновь возрастает в последние годы. Разработ-
ка их новых типов может стать шагом к решению экологических По сравнению с щелочными силикатами,
проблем цементной отрасли, металлургии и угольной энергети- карбонаты натрия и калия, как считается,
ки (снижение эмиссии парниковых газов, утилизация техноген- не обеспечивают высоких показателей проч
ных отходов). ности в ранний период, но в то же время они
лишены упомянутых недостатков, посколь
Ключевые слова: гранулированный доменный шлак, активация до- ку безопасны в обращении, имеют твердую
менного шлака, высококальциевая зола-унос, карбонат натрия. форму и высокую растворимость и, кроме
Keywords: granulated blast-furnace slag, blast-furnace slag activation, того, достаточно дешевы [4, 6]. Усадочные
high-calcium fly-ash, sodium carbonate. деформации камня, формирующегося при
твердении шлаковых вяжущих с активатора
Введение предпочтение отдается силикатам и гидрок ми на основе карбонатов щелочных метал
сидам щелочных металлов, поскольку с их лов, оказываются в 3—6 раз меньше, чем при
В исследованиях гидратации и твердения помощью достигаются наиболее высокие твердении систем с активаторами на основе
вяжущих на основе молотого гранулирован прочностные показатели [1—4]. Использова щелочных силикатов [6].
ного доменного шлака (МГДШ) в настоящее ние этих соединений имеет ряд недостатков,
время в качестве активаторов этого процесса Основной недостаток карбонатов натрия
или калия в качестве активаторов МГДШ —
106 в том, что исходный показатель рН их вод
ных растворов имеет значение порядка 11,
что недостаточно для активного растворения
ßÍÂÀÐÜ—ÔÅÂÐÀËÜ 2022 ЭЛЕВАТОРНАЯ ЛЕНТА
СО СТАЛЬНЫМ КАРКАСОМ
ñòåêëîôàçû øëàêà; äàëüíåéøèé æå ðîñò ðÍ ïîðîâîé æèäêîñòè ïðî- ИТАЛЬЯНСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
èñõîäèò ïîñòåïåííî, â ðåçóëüòàòå ìåäëåííîãî ñâÿçûâàíèÿ êàðáîíàò-
èîíîâ èîíàìè êàëüöèÿ, âûñâîáîæäàåìûìè ñòåêëîôàçîé, è ïîÿâëåíèÿ ИТТАЕЛХЬНЯОНЛСОКГАИЯЯ
ýêâèâàëåíòíîãî êîëè÷åñòâà àíèîíîâ ÎÍ– [2, 6]. Ñîâìåùåíèå êàðáîíà-
òîâ ñ áîëåå ùåëî÷íûìè ñèëèêàòàìè è ãèäðîêñèäàìè ïîâûøàåò òåìïû КАТУШКА ОВАЛЬНОЙ ФОРМЫ
íàáîðà ïðî÷íîñòè, íî ïðè ýòîì âîçâðàùàþòñÿ ðàíåå îáîçíà÷åííûå ДЛЯ КОНВЕЙЕРНОЙ ЛЕНТЫ
ïðîáëåìû. СО СТАЛЬНЫМ КАРКАСОМ
Óñèëèòü ýôôåêòèâíîñòü êàðáîíàòíûõ àêòèâàòîðîâ, íàïðèìåð
Na2CO3, ìîæíî, èñïîëüçóÿ åãî ñïîñîáíîñòü ê ó÷àñòèþ â îáìåííûõ
ðåàêöèÿõ ñ ñîåäèíåíèÿìè, ñïîñîáíûìè àêòèâíåå, ÷åì øëàê, âûñâî-
áîæäàòü èîíû êàëüöèÿ ïðè çàòâîðåíèè âÿæóùåãî âîäîé. Ïðèìåðîì
òàêîãî âåùåñòâà ÿâëÿåòñÿ Ñà(ÎÍ)2 [7]. Ñðåäè ìàòåðèàëîâ, ñïîñîáíûõ
ñëóæèòü èñòî÷íèêîì Ñà(ÎÍ)2 â êà÷åñòâå àêòèâàòîðîâ ÌÃÄØ, èíòåðåñ
ìîãóò ïðåäñòàâëÿòü âûñîêîêàëüöèåâûå çîëû-óíîñ (ÂÇÓ), îáðàçóþùèå-
ñÿ ïðè ñæèãàíèè áóðîãî óãëÿ èëè ãîðþ÷åãî ñëàíöà, — ýòî îáøèðíûé,
íî äî ñèõ ïîð ìàëî îñâîåííûé ðåñóðñ äëÿ òåõíîëîãèè âÿæóùèõ âå-
ùåñòâ [7—9]. Âûñîêîêàëüöèåâûå çîëû ñîäåðæàò â ñâîåì ñîñòàâå ñâî-
áîäíûé ÑàÎ, CaSO4, 3CaO · Al2O3, àêòèâíûå ïî îòíîøåíèþ ê âîäå.
Êðîìå òîãî, çíà÷èòåëüíàÿ âåùåñòâåííàÿ ÷àñòü ÂÇÓ ïðåäñòàâëÿåò ñî-
áîé ñòåêëîôàçó, ñïîñîáíóþ ãèäðàòèðîâàòüñÿ â ùåëî÷íîé ñðåäå ñ îáðà-
çîâàíèåì ãåëÿ C—S—H. Îñíîâíûìè ïðîäóêòàìè âçàèìîäåéñòâèÿ
êðèñòàëëè÷åñêèõ ôàç ÂÇÓ ñ âîäîé ÿâëÿþòñÿ Ñà(ÎÍ)2, ãèïñ è ýòòðèíãèò.
Ïîêàçàòåëü ðÍ ñóñïåíçèè çîëû â âîäå ïðàêòè÷åñêè ñðàçó äîñòèãàåò
çíà÷åíèé áîëåå 11.
ÂÇÓ êàê àêòèâàòîðû ãèäðàòàöèè ÌÃÄØ â ïðèíöèïå ìîãóò èìåòü
è ñàìîñòîÿòåëüíîå çíà÷åíèå, íî ïðè ñîâìåñòíîì èñïîëüçîâàíèè ÂÇÓ
è êàðáîíàòîâ ðåçóëüòèðóþùèé ýôôåêò ìîæåò áûòü ìíîãî áóëüøèì,
÷åì ïðè èõ ïðèìåíåíèè ïî îòäåëüíîñòè, çà ñ÷åò âîçìîæíîñòè ïðî-
òåêàíèÿ îáìåííûõ ðåàêöèé ìåæäó íèìè, ñîïðîâîæäàþùèõñÿ äîïîë-
íèòåëüíûì ïîâûøåíèåì ðÍ.  ïðèñóòñòâèè Na2CO3 ïîêàçàòåëü ðÍ
âîäíîé ñóñïåíçèè ÂÇÓ äîñòèãàåò çíà÷åíèé áîëåå 13 âñëåäñòâèå ðåàê-
öèè ìåæäó Na2CO3 è Ca(OH)2 ñ îáðàçîâàíèåì NaOH è íåðàñòâîðè-
ìîãî ÑàÑÎ3. Ñîçäàâàåìàÿ ùåëî÷íàÿ ñðåäà ñòèìóëèðóåò ãèäðàòàöèþ
è øëàêà, è ñòåêëîôàçû â ñîñòàâå ñàìîé çîëû ñ îáðàçîâàíèåì äîïîë-
íèòåëüíîãî êîëè÷åñòâà ãåëÿ C—S—H.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ â ìèðîâîé ïðàêòèêå ïîìèìî òðàäèöèîííîãî
ôàêåëüíîãî ñæèãàíèÿ òâåðäîãî ïóëüâåðèçîâàííîãî òîïëèâà íà ÒÝÑ
ïðèìåíÿåòñÿ òàêæå òåõíîëîãèÿ öèðêóëèðóþùåãî êèïÿùåãî ñëîÿ
(ÖÊÑ), õàðàêòåðèçóþùàÿñÿ ñðàâíèòåëüíî íèçêîé òåìïåðàòóðîé
â çîíå ãîðåíèÿ — íå áîëåå 900 °C. Ïðåèìóùåñòâî äàííîé òåõíîëîãèè
â òîì, ÷òî ñîäåðæàùèéñÿ â îáðàçóåìîé çîëå ñâîáîäíûé ÑàÎ áûñòðî
Òàáëèöà 1
Õèìè÷åñêèé ñîñòàâ è ãðàíóëîìåòðè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè
èñïîëüçóåìûõ âèäîâ çîëû- óíîñà è øëàêîâ
Ïîêàçàòåëü ÂÇÓ 1 ÂÇÓ 2 ÌÃÄØ 1 ÌÃÄØ2
Ñîäåðæàíèå, % ìàññ.:
CaO 44,1 53,8 34,2 38,6
SiO2 14,7 21,7 36,6 38,7
Al2O3 9,6 6,8 11,1 8,6
SO3 11,0 5,7 2,9 2,5
Fe2O3 14,6 4,3 1,5 1,7
K2O 0,1 4,0 0,5 0,5
MgO 4,4 2,7 10,7 9,2
TiO2 0,0 0,5 1,4 0,3 ISO 9001
Na2O 1,0 0,0 0,5 0,0
MnO 0,2 0,0 0,5 0,0
ÑàÎñâîá 3,8 3,7 — —
Ï.Ï.Ï., % ìàññ. 0,4 7,2 — —
Óäåëüíàÿ ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè, Sóä, 2860 6330 3270 3400
ïî Áëåéíó, ñì2/ã
Ñðåäíèé ðàçìåð ÷àñòèö, ìêì 7 14 8 9 21055 Gorla Minore (Italy) Via A. Colombo, 144
Phone +39 0331 36.51.35 www.sig.it
реклама Fax +39 0331 36.52.15
E-mail: [email protected]