Технология неорганических вяжущих веществ
Портландцемент
Портландцемент относится к вяжущим, иономинеральная дисперсная фаза которых взаимодействует с водой, т.е. является гидравлически твердеющей композицией. Портландцемент – это продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого смешением сырьевой смеси определенного химического состава, содержание основных оксидов, входящих в состав которого составляет, %
| CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | SNa2O3 |
| 64–67 | 21–25 | 4–8 | 2–4 | 0.5–0.7 | 0.5–1.0 |
Оксиды при обжиге образуют ряд минералов, основными из которых являются алит С3S (*42–60%), трехкальциевый алюминат С3А (5–14%), белит (15–35 %).
Портландцемент, вырабатываемый в России, делится на марки (400, 500, 550, 600). Числа в данном случае характеризуют минимальный предел прочности при сжатии (6 кг/см2) стандартных образцов (1 часть портландцемента и 3 части песка), испытанных после 28 дней хранения во влажной атмосфере.
Шлакопортландцемент (ШПЦ) является продуктом совместного или раздельного помола портландцементного клинкера, гранулированного доменного шлака и гипса. Применение доменного шлака увеличивает примерно на 15% производительность обжиговых печей, снижает на 10–15% расход топлива при обжиге клинкера, ШПЦ на 40–50% дешевле портландцемента, который выпускают марок 300–400.
Производство портландцемента включает процессы: добычу сырья и доставку его на завод; приготовление сырьевой смеси; обжиг смеси на клинкер; измельчение клинкера совместно с гипсом или с другими добавками для получения товарного цемента.
Сырьевыми материалами для производства клинкера служат, %: 70–75 известняка, 20–25 глины, 3–5 гипсосодержащих добавок (огарков, железных руд, пылей и шлаков черной металлургии). На 1 т цемента требуется примерно 1,6 т первичного сырья.
Компоненты сырья подвергаются дроблению, а затем совместному помолу с выдачей сырьевой смеси, которую обжигают во вращающихся печах непрерывного действия (рисунок 7.1), диаметр которых достигает 7 м, длина – 230 м, частота вращения 0,5–2 об/мин, угол наклона к горизонту – 3–4°. Печи работают в противоточном режиме, т.е. сырье подается в их верхнюю (приподнятую) часть, а топочные газы движутся им навстречу. Отопление производят, как правило, газообразным топливом. Сырьевая смесь при вращении барабана продвигается вдоль него и комкуется в куски диаметром 20–40 мм. По мере продвижения она последовательно попадает в зоны испарения влаги и кальцинации (температура 900–1200°С), в которой разлагаются гидраты, карбонаты и достигают зоны спекания (1300–1450°С), где реализуются процессы образования основных минералов клинкера.
Рисунок 7.1 – Схема обжига клинкера во вращающейся печи
Пройдя зону высоких температур клинкер поступает в холодильник колосниковой конструкции, в котором охлаждается до 30–50°С воздухом, просасываемым через слой материала толщиной 200–250 мм, откуда поступает на измельчение.
Производство цемента относиться к числу крупных загрязнителей окружающей среды. Только выбросы аэрозолей при подготовке сырьевой смеси составляют до 45 кг/т шихты. При обжиге клинкера образуется до 110 кг пылей на 1т. готовой продукции. Для улавливания пыли используют обычно тканевые фильтры или горизонтальные электрофильтры.
Строительная известь
Известь как вяжущее была известна людям за несколько тысячелетий до нашей эры, она широко используется в металлургическом производстве (как флюс при изготовлении огнеупоров), в технической промышленности при очистке дымовых газов от оксидов азота, при очистке стоков от примесей, в сельском хозяйстве при известковании почв. Годовой объем производства извести в мире превышает 120 млн. т, в том числе в России он составляет 15 млн. т.
Исходными материалами для получения извести являются известковые карбонатные породы (известняк, мел, доломитизированный известняк и др.)
Для получения извести производят обжиг известняка, при этом он разлагается по реакции
СaCО3 ® CaO + CO2 – 178 кДж.
Оптимальная температура обжига – 1100–1250°С. Обжиг производят в шахтных, вращающихся печах, в кипящем слое (рисунок 7.2).
 |
1 – подача сжатого воздуха; 2 – горелки; 3 – загрузка известняка;
4 – отвод отходящих газов; 5 – решетчатый свод; 6 – переливная труба;
7 – выгрузка обожженной извести; 8 – воздушная коробка
с непровальной решеткой; I–V – зоны обжига
Рисунок 7.2 – Схема установки для обжига извести в кипящем слое
Шахтные печи широко применяют при производстве извести для строительных целей. Шахта печей чаще имеет круглое поперечное сечение. Они работают в непрерывном режиме. В верхнюю их часть подается известняк, а из нижней выгружается готовая известь. Воздух для горения поступает снизу, отходящие газы отводят сверху. Рабочая высота шахты составляет 10–28м.
Высококачественную известь можно получить только при обжиге достаточно однородных по размерам кусков известняка.
Обжиг во вращающихся печах имеет ряд преимуществ перед шахтной:
- большая производительность единичных агрегатов, достигающая 400 тыс. т/г.;
- высокое качество извести вследствие равномерного обжига и отсутствия в нем углерода и золы;
- возможность обжига мелких фракций исходного сырья;
- меньшие затраты труда на единицу продукции.
Обжиг во вращающихся печах требует больше расхода топлива, электроэнергии, отличается значительным пылеуносом (10–15% против нескольких процентов в шахтных печах).
Длина вращающихся известеобжигательных печей достигает 150 м, диаметр 5 м, угол наклона –3–5°, частота вращения 0,5–1,2 об/мин. расход условного топлива равен 20–25% массы готового продукта.
Гипсовые вяжущие
Гипсовые вяжущие, как и известь, применялись еще в глубокой древности. К ним относятся материалы, состоящие из полуводного гипса (CaSO4 0,5 H2O), получаемые после тепловой обработкой исходного сырья. В зависимости от ее температуры гипсовые вяжущие разделяют на две группы.
Первую группу составляют низкообжиговые вяжущие продукты прогрева гипсового камня до 110–180°С. Для их производства используют природный двуводный гипс CaSO4 2 H2O (гипсовый камень), а также некоторые отходы промышленности, состоящие в основном из двуводного, полуводного и безводного сернокислого кальция или их смесей (фосфогипс, фитогипс, борогипс и др.). Наиболее распространенным низкообжиговым вяжущим является строительный гипс. Строительный гипс используют главным образом для производства сухой штукатурки, для стеновых камней, панелей и блоков, при возведении малоэтажных домов. Особые сорта высокопрочного гипса используют в медицине.
Вторая группа гипсовых вяжущих представлена высокообжиговыми композициями – продуктом термообработки гипсового камня при 600°С и более. К ним относятся ангидритовый цемент и эстрих-гипс, представленные сульфатом кальция.
Ангидритовый цемент получают нагреванием двуводного гипса при 600–700°С с последующим его измельчением. Ангидритовое вяжущее используют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, бесшовных полов, приготовленных под линолеум, для получения искусственного мрамора, в легких и тяжелых бетонах и т.д.
Эстрих-гипс получают нагреванием гипсового камня до 800–1000°С с последующим его измельчением. Затвердевший эстрих-гипс обладает высоким сопротивлением истиранию, превышающим аналогичный показатель керамической плитки для полов. Области его применения те же, что и ангидрида вяжущего.
Газы термических способов производства гипсовых вяжущих – одни из самых запыленных в технологии цементов (до 1 кг пыли на 1 м3).
Вопросы для самопроверки
1 Как характеризуют марки цемента?
2 Какие процессы включает производство портландцемента?
3 Что служит сырьем для производства клинкера?
4 Изложите технологию получения клинкера?
5 Чем обусловлено образование огромного количества аэрозолей и пыли при производстве цемента?
6 Назовите области применения извести.
7 Назовите и охарактеризуйте основные агрегаты для обжига известняка.
8 В чем заключаются достоинства обжига известняка во вращающихся печах?
9 Дайте классификацию гипсовых вяжущих.