Изучение свойств шлама цементных заводов
Цель работы:освоить методы контроля качества сырьевого шлама цементных заводов. Оценить качество шлама по текучести, влажности, тонкости помола и титру.
Теоретические сведения
На большинстве цементных заводов для производства клинкера в качестве сырьевых материалов применяют карбонатные и глинистые породы, а также корректирующие добавки.
Карбонатные породы: известняк, мел, известняковый туф, известняк-ракушечник, мергелистый известняк, мергель и т. п. Во всех этих породах наряду с углекислым кальцием CaCO3 могут содержаться примеси глинистых минералов, доломита, кремнезема, гипса и ряда других.
Глинистые породы: глина, суглинок, глинистый сланец, мергелистая глина, лесс, лессовидный суглинок. Глинистые породы содержат кислотные оксиды SiO2 (50…70%), Al2O3 (11…17%), Fe2O3 (3…6%), небольшое количество карбонатов кальция и магния, SO3 и щелочей.
Корректирующие добавки. В качестве добавок, корректирующих величину силикатного и глиноземного модулей, применяют различные материалы. Чтобы увеличить содержание в сырьевой смеси Fe2O3, используют колчеданные огарки, колошниковую пыль, конверторный шлам, феррошлак, железную руду. Колчеданные (железные, пиритные) огарки являются отходом производства серной кислоты, а колошниковая пыль – доменного. Для повышения содержания SiO2 употребляют трепел, диатомит, опоку, кварцевый песок, маршалит, кремнегель, отработанные формовочные массы. Для повышения содержания Al2O3 – бокситы, золы, алюминатные глины. В качестве комбинированных добавок используют базальт, золы, шлаки. Чаще всего применяют железосодержащие корректирующие добавки.
На цементных заводах, работающих по мокрому способу, сырьевые материалы измельчают совместно с водой. Получается водная суспензия – шлам (от нем. Schlamm, буквально грязь). Сырьевые шламы дают возможность получить однородную смесь тонкоизмельченных трудно растворимых сырьевых материалов и этим обеспечивают наиболее полное их спекание, обусловливающее высокое качество клинкера. При продолжительном пребывании в покое шлам способен расслаиваться.
Шлам должен обладать достаточной текучестью (подвижностью), которая допускала бы транспортирование его самотеком или насосами и позволила бы придать смеси необходимую однородность. Будучи водной суспензией сырьевой смеси, шлам обладает определенной вязкостью, от величины которой зависит расход энергии на помол сырьевых материалов, перемешивание шлама и перекачивание его в шламбассейны, а затем на обжиг. Между вязкостью шлама и его влажностью существует определенная функциональная зависимость, что делает необходимым выбор и сохранение определенного оптимального значения вязкости шлама. Так, например, чтобы снизить расход топлива на испарение влаги во время обжига, необходимо снизить влажность шлама и тем самым увеличить его вязкость, что в свою очередь затруднит его перекачивание, и наоборот.
В оперативном технологическом контроле производства цемента измерение вязкости шлама представляет собой некоторые трудности, поэтому вместо вязкости определяют обратную характеристику – текучесть.
Текучесть шламахарактеризует подвижность и транспортабельность шлама. При недостаточном количестве воды сырьевой шлам малоподвижен, увеличивается расход воздуха и энергии на усреднение, ухудшается режим работы шламовых насосов, возможно забивание трубопроводов, транспортных и дозирующих устройств, подающих шлам в шламбассейны и из бассейнов на обжиг во вращающиеся печи. Введение в шлам избыточного количества воды придает подвижность шламу, но повышает расход топлива, так как эту воду потом приходится испарять, и уменьшает производительность вращающейся печи. Так, повышение влажности шлама на 1% снижает производительность печи на 1,5% и увеличивает расход топлива на 1%. Кроме того, увеличивается объем шлама, а, следовательно, и размеры шламовых бассейнов, мощность насосов и расход воздуха на перемешивание. Нормальная текучесть у сырьевых шламов выражается диаметром расплыва конуса на текучестемере МХТИ ТН-2 и составляет 45 ± 2 мм. На большинстве цементных заводов, согласно требованиям технологической карты, текучесть шлама устанавливается в пределах 54 ± 2 мм.
Влажность шлама (процентное содержание воды от массы влажного шлама) на разных заводах колеблется от 32 до 45%.
Влажность (или водопотребность) шлама, т.е. необходимое для гидротранспорта и эффективного перемешивания содержание воды, зависит от свойств сырья, применяемого на заводе. Чем плотнее карбонатный компонент, тем меньше водопотребность шламов. Влияет на нее и минералогический состав используемых глин, и степень дисперсности сырьевых материалов, в особенности их удельная поверхность, включая поверхность внутренних пор. Шламы на основе мелов характеризуются максимальной водопотребностью, так как мел имеет развитую поверхность внутренних пор. Повышение температуры шлама уменьшает вязкость, а это позволяет снизить его влажность при сохранении подвижности.
Для снижения влажности (при сохранении текучести) в шлам с водой при помоле вводят ограниченное количество разжижителей шлама 0,2…0,5% в пересчете на сухое вещество, в качестве которых применяют лигносульфонат технический (ЛСТ), сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), сульфитно-спиртовую барду (ССБ), углещелочной реагент, торфяную вытяжку, соду, триполифосфат натрия, адипинат натрия. Выгодно применять разжижители, если влажность шлама более 38%. На отдельных заводах использование разжижителей позволяет повысить производительность печей на 5…8% и снизить расход топлива на 3…4%.
Тонкость помола шлама определяют как остаток на сите с сеткой № 02 (при необходимости на сите с сеткой № 008), выраженный в процентах от массы сухого шлама. Номер сетки сита по ГОСТ 6613-86 (см. прил.) обозначает размер ячеек в свету, мм. Так, размер ячеек в свету для сита с сеткой № 02 составляет 0,2 мм, для сита с сеткой № 008 – 0,08 мм. Тонкость помола сырьевой смеси оказывает большое влияние на процесс обжига, на усреднение сырьевого шлама, его транспортирование и хранение перед обжигом. При очень тонком помоле увеличивается удельный расход электроэнергии на помол, снижается производительность мельниц, уменьшается текучесть шлама, возникает необходимость увеличивать его влажность, что уменьшает производительность вращающихся печей и увеличивает расход топлива. При грубом помоле может возникнуть расслоение шлама, ухудшается его усреднение, увеличивается износ трубопроводов, шламовых насосов, усредняющих и питающих аппаратов, усложняется работа вращающихся печей. Поэтому необходимо поддерживать оптимальную для данного завода тонкость помола сырьевой смеси. На большинстве цементных заводов, согласно требованиям технологической карты, тонкость помола шлама по остатку на сите с сеткой № 02 устанавливается в пределах 4 ± 2 %, по остатку на сите с сеткой № 008 – 10 ± 2 %.
Для эффективной эксплуатации вращающихся печей необходимо подавать на обжиг сырьевую смесь оптимального химического состава. От стабильности состава сырьевой смеси зависят во многом качество клинкера, а, следовательно, и портландцемента, производительность печи, удельный расход тепла на обжиг, срок службы футеровки.
В процессе приготовления сырьевой смеси возникают неизбежные колебания ее химического состава из-за неоднородности компонентов, а также погрешностей в их дозировании, поэтому перед обжигом необходимо откорректировать (исправить) химический состав смеси.
Большинство цементных заводов работает, используя надежный метод опережающего контроля химического состава шлама по коэффициенту насыщения (КН) и одному из модулей (глиноземному – p или силикатному – n), корректируя шлам в потоке. Вместе с тем в практике работы цеховых лабораторий цементных заводов сохраняется один из ускоренных методов определения содержания оксида кальция в смеси по титру.
Титр шлама– это условная величина, характеризующая процентное содержание карбонатов в сухой сырьевой смеси в пересчете на CaCO3. Нормальный титр шлама на разных заводах изменяется в пределах 75…79%.
Метод корректирования состава шлама по титру позволяет:
– с достаточной точностью оперативно анализировать шлам, поступающий в вертикальные и горизонтальные шламбассейны;
– смешивать в определенной пропорции «низкий» и «высокий» шламы (с низким и высоким содержанием СаСО3), подавая его в определенном соотношении в горизонтальный шламбассейн для окончательного усреднения и перекачки в шламовый питатель печи.
Корректирование состава шлама по одному титру очень просто, но удовлетворительные результаты получают только при использовании химически однородных сырьевых материалов. В других случаях шлам корректируют, пользуясь КН и модулями.
Результаты определения титра оказываются сильно искаженными в следующих случаях:
1. В сырье содержится много MgCO3, который будет вести себя в реакции как CaCO3 и давать завышенные значения титра.
2. В качестве сырьевых компонентов используются побочные продукты смежных производств: белитовый (нефелиновый) шлам, шлаки, золы и т.п. Такие материалы с трудом и не полностью разлагаются в соляной кислоте.
Точный контроль химического состава таких сырьевых смесей следует осуществлять экспресс-методами анализа на четыре–пять основных компонентов.
При определении титра сырьевой смеси навеску образца обрабатывают соляной кислотой, при этом помимо карбонатов, частично растворяются оксиды железа и алюминия из огарков и глины. При добавлении щелочи к солям данных металлов она связывает израсходованную кислоту, а в раствор выделяются гидраты полуторных оксидов. Схематично это можно представить следующими уравнениями:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2
Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O
2FeCl3 + 6NaOH = 2Fe(OH)3 + 6NaCl
CaCO3+Fe2O3+8HCl+6NaOH=2Fe(OH)3 + CaCl2+6NaCl+4H2O+ CO2
В итоге расход кислоты можно считать связанным лишь с наличием карбонатов. Избыток кислоты оттитровывается щелочью известной концентрации по фенолфталеину.
Задание 1. Определение текучести шлама
Приборы и материалы
Исследуемый шлам; текучестемер МХТИ ТН-2; зеркальное стекло; коническое кольцо; ложка; шпатель или нож.
Для определения текучести шлама пользуются текучестемером МХТИ ТН-2, предложенным М.С. Негинским. Прибор прост по устройству и удобен в обращении.
Устройство текучестемера.Прибор (см. рис. 2) представляет собой столик с металлическим диском, зеркальным стеклом, шаровым уровнем и круговой шкалой.
Рис. 2. Текучестемер МХТИ ТН-2:
1 – корпус; 2 – регулировочные винты; 3 – шкала прибора; 4 – шаровой уровень; 5 – коническое кольцо; 6 – зеркальное стекло
Металлический диск 1 диаметром 215 мм и толщиной 12 ммимеет три ножки,которые снабжены регулировочными винтами 2 для установки прибора в горизонтальном положении. Диск имеет концентрическое углубление в 2 мм диаметром 190 ммдля стекла; в центральной части диска находится отверстие диаметром 40 мм для того, чтобы удобно было вынимать стекло, и отверстие для шарового уровня. На буртике диска, на концах двух взаимно перпендикулярных осей нанесены четыре риски. Зеркальное стекло 6 диаметром 190 мм и толщиной 3 ммсо скошенным шлифованным краем помещено в углубление диска так, что оно выступает на 1 ммнад плоскостью наружного буртика диска столика. Шаровой уровень 4, вмонтированный в диск столика, служит для горизонтальной установки прибора. Круговая шкала 3 диаметром 190 ммнанесена на белую бумагу с центральным отверстием диаметром 40 мм, которая укладывается под стекло столика. Шкала представляет собой ряд концентрических окружностей диаметром от 40 до 50 мм,проведенных через каждые 2 мм. На шкале нанесены четыре черточки (концы двух взаимно перпендикулярных осей шкалы) для центрального расположения круговой шкалы на столике прибора, что достигается совмещением этих черточек с четырьмя рисками на буртике столика. Коническое кольцо 5 имеет размеры: диаметр внизу 40 мм,вверху 30 мм,высоту 20 мм и внешний диаметр внизу 50 мм. Кольцо должно быть тщательно отшлифовано. Разрешаемый допуск по размерам +0,1 мм. Верхняя плоскость зеркального стекла, на которое устанавливается коническое кольцо, должна быть горизонтальной, что достигается выведением пузырька воздуха шарового уровня на середину при помощи регулировочных винтов ножек столика прибора.
Порядок выполнения работы
Сырьевой шлам заводского или лабораторного изготовления тщательно усредняют по всему объему, стараясь перемешать его как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости. После чего отбирают среднюю пробу в количестве 400…500 г и помещают ее в стеклянную тару с плотно прилегающей крышкой.
Перед началом работы текучестемер МХТИ ТН-2 устанавливают строго горизонтально при помощи регулировочных винтов ножек столика прибора, выводя пузырек воздуха шарового уровня на середину.
На основное круглое зеркальное стекло прибора кладут другое зеркальное стекло (лучше прямоугольное) размером 120 
220 мм и толщиной не более 3 мм.
Коническое кольцо устанавливают на стекло расширенной частью вниз точно по центру круговой шкалы, при этом внешний контур кольца должен быть совмещен с окружностью шкалы диаметром 50 мм.
В коническое кольцо наливают ложкой шлам из посуды, в которой хранится отобранная проба. Набирая шлам, его каждый раз тщательно перемешивают этой же ложечкой. Кольцо заполняют шламом доверху (до верхнего обреза кольца), устраняют с помощью небольшого фарфорового шпателя-лопатки или ножа неровности на поверхности шлама. Затем кольцо берут двумя пальцами правой руки и быстро, но без рывка, поднимают по возможности вертикально. Шлам при этом образует на стекле расплывшуюся массу в форме неправильного усеченного конуса (лепешки).
Текучесть шлама определяют по диаметру расплыва конуса с точностью до 1 мм. Для этого производят четыре отсчета показаний шкалы в противоположных концах двух взаимно перпендикулярных диаметров, ведя отсчет по часовой стрелке, начиная сверху. Отсчеты следует производить, глядя на прибор сверху по его оси. При резком отклонении контура расплыва от окружности кольцо вновь заполняют шламом и еще раз определяют его текучесть.
Средняя арифметическая величина этих четырех показаний и будет характеризовать текучесть шлама испытываемой пробы.
Коническое кольцо, ложку и шпатель после определения текучести каждой пробы следует тщательно вымыть водой и вытереть насухо или высушить. Стекло снимают с прибора, моют под водопроводным краном, затем тщательно вытирают насухо какой-либо мягкой тканью или фильтровальной бумагой.
Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 6.
Таблица 6
Результаты измерений
| Наименование материала | Диаметр расплыва конуса, мм | Текучесть шлама, мм | |||
| номер отсчета | |||||
| Шлам |
Задание 2. Определение влажности шлама
Приборы и материалы
Исследуемый шлам. Технические весы с разновесами; электроплитка; фарфоровая или металлическая чашка (или баночка); нож или шпатель.
Порядок выполнения работы
Навеску шлама 10 г отвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г в предварительно взвешенной фарфоровой (или металлической) чашке или баночке. После этого чашку с навеской шлама сушат при температуре 120 °C на закрытой электроплитке. Полноту сушки определяют, приближая к чашке холодное стекло. Если оно не запотевает, то высушивание закончено. Чашку снимают с электроплитки, охлаждают и взвешивают на технических весах с той же точностью.
Результаты измерений записывают в табл. 7.
Таблица 7
Результаты измерений
| Масса, г | ||||
баночки  | баночки с исследуемым шламом  | баночки с высушенным шламом  | исследуемого шлама  | высушенного шлама  |
Влажность шлама рассчитывают по формуле:
где Wшл – влажность шлама, %; m – масса исследуемого шлама, г; m1– масса высушенного шлама, г.
В формулу необходимо подставлять значения масс шлама до и после сушки без учета массы баночки (или чашки).
Задание 3. Определение тонкости помола шлама
Приборы и материалы
Шлам. Технические весы с разновесами; сушильный шкаф с регулятором нагрева; сито с сеткой № 02 (или № 008); лист белой бумаги.
Порядок выполнения работы
На технических весах взвешивают 25 г шлама с точностью до 0,01 г и помещают на сито № 02 или № 008 (в зависимости от того, по какому из сит принят контроль на заводе). Затем навеску промывают струей воды до тех пор, пока стекающая вода не станет совершенно чистой. Сито с остатком помещают в сушильный шкаф и высушивают при 110…120 °C, затем просеивают на лист белой бумаги. Непросеявшийся остаток осторожно ссыпают на чашку технических весов и взвешивают.
Тонкость помола шлама рассчитывают по формуле:
где D – тонкость помола шлама, %; d – масса остатка на сите с сеткой № 02 или № 008, г; Wшл – влажность шлама, %.
Задание 4. Определение титра портландцементой сырьевой смеси
Приборы и материалы
Шлам (портландцементная сырьевая смесь). Титрованный раствор соляной кислоты 1 н.; титрованный раствор едкого натра 0,25 н.; фенолфталеин 0,2%-й раствор; дистиллированная вода. Аналитические весы с разновесами; металлическая лодочка; электроплитка; фарфоровая ступка с пестиком; бюретки; штативы; коническая колба объемом 250 мл; стеклянная воронка; мерный стеклянный стакан или цилиндр.
Порядок выполнения работы
Предварительно высушенный на электроплитке материал растирают пестиком в фарфоровой ступке и отвешивают 1 г в металлической лодочке на аналитических весах. Навеску помещают в коническую колбу объемом 250 мл, смачивают 10 мл дистиллированной воды. Затем в колбу из бюретки добавляют 20 мл 1 н. раствора соляной кислоты HCl и мерным стаканом приливают 30 мл дистиллированной воды. Содержимое колбы нагревают до кипения, вставив в горло колбы небольшую воронку, кипятят 5 мин, не допуская бурного кипения. Далее промывают воронку и внутренние стенки колбы 60 мл горячей дистиллированной воды. Добавляют 3…4 капли фенолфталеина и оттитровывают избыток кислоты 0,25 н. раствором едкого натра NaOH (т. е. добавляют из бюретки в колбу по каплям 0,25 н. раствор NaOH при постоянном взбалтывании содержимого колбы) до появления розового окрашивания.
Результаты измерений записывают в табл. 8.
Таблица 8
Результаты измерений
| Масса, г | Нормальность, г-экв/л | Поправочные коэффициенты к нормальности | Объем, мл | |||||
лодочки  | лодочки с исследуемым шламом  | шлама (сырьевой смеси)  | соляной кислоты  | едкого натра  | соляной кислоты  | едкого натра  | соляной кислоты  | едкого натра  |
Титр сырьевой смеси рассчитывается по формуле:
,
где Т – титр сырьевой смеси, %; Э – количество CaCO3, г, эквивалентное 1 мл соляной кислоты, Э = 0,05 г/мл; 
– объем и нормальность кислоты, взятой для растворения, мл и г-экв/л соответственно, = 1 г-экв/л; 
– объем и нормальность щелочи, израсходованной на титрование, мл и г-экв/л соответственно, = 0,25 г-экв/л; и – поправочные коэффициенты к нормальности кислоты и щелочи, и устанавливаются лаборантом при приготовлении растворов и записываются на банках с кислотой и щелочью соответственно; 
– навеска сухого шлама (сырьевой смеси), г.
В выводе по результатам проведенных анализов дать характеристику исследуемого шлама по текучести, влажности, тонкости помола и титру.
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите и охарактеризуйте сырьевые материалы, которые используют для производства клинкера?
2. С какой целью применяют корректирующие добавки?
3. Что представляет собой шлам?
4. Что характеризует и с какой целью определяется текучесть шлама? Чему равна нормальная текучесть шлама?
5. На каком приборе и как определяется текучесть шлама?
6. В чем выражается и как определяется влажность шлама?
7. От чего зависит водопотребность шлама? С какой влажностью готовят шлам на цементных заводах мокрого способа производства?
8. Какие добавки применяют для снижения влажности шлама?
9. К чему приводит недостаточное и повышенное количество воды в шламе?
10. Что называется тонкостью помола шлама? Чему равна тонкость помола шлама?
11. Влияние тонкости помола шлама на работу технологического оборудования. Почему необходимо поддерживать оптимальную тонкость помола сырьевой смеси?
12. Как определяется тонкость помола шлама?
13. Что называется титром шлама? С каким титром готовят шлам на цементных заводах?
14. С какой целью определяется титр шлама? В каких случаях нельзя корректировать шлам по титру?
15. Как определяется титр сырьевой смеси? В чем заключается сущность метода? Химические реакции, протекающие при титровании.
Лабораторная работа № 3