Состав портландцементного клинкера. Клинкер цемент


» Производство цемента из клинкера

Производство цемента из клинкера

Романцемент — получают путем обжига известняков, содержащих глинистых не менее 25% при температуре 1000-1200 градусов по Цельсию. Применение: производство бетонов низких марок, стеновые панели, блоки.

Портландцемент — после обжига известняков, мергелей и глинистых примесей получают цементный клинкер. Клинкер смешивают с добавками (ракушечник, доменный шлак).

Способы производства портландцемента

1. Мокрый — компоненты измельчают и смешивают в присутствии воды, полученную суспензию (шлам) обжигают.

2. Сухой — все тоже самое, только в сухом состоянии.

Минералогический состав цементного клинкера

Трехкальциевый силикат (алит) является активным минералом. Быстро твердеет и набирает прочность, сопровождается значительным тепловыделением.

Двухкальциевый силикат (белит) в начальный период твердеет медленно.

Трехкальциевый алюминат — низкая стойкость против серно-кислых соединений.

Четырехкальциевый алюмоферрит твердеет медленнее алита, но быстрее белита. Прочность ниже алита.

Применение портландцемента

Приготовление растворов невысоких марок для кладочных и штукатурных работ, бетонные изделия.

Виды портландцемента

Глиноземистый — быстро твердеет. Получают путем обжига известняков и бокситов (богаты глиноземом). Процесс твердения сопровождается большим тепловыделением.

Свойства: сульфатостойкий, водонепроницаемый, жаростойкий, в 3-4 раза дороже портландцемента.Применение: срочные ремонтные работы, аварийные работы, бетонные работы в зимних условиях, производство жаростойких бетонов.

Водонепроницаемый расширяющийся портландцемент получают путем тщательного измельчения глиноземистого цемента, гипса и гидроалюминатов кальция. При взаимодействии двух последних происходит образование гидросульфатоалюминатов кальция. Твердение сопровождается увеличением объема.Применение: создание гидроизоляционных покрытий, заделка стыков и трещин железобетонных конструкций.

Быстротвердеющий портландцемент характеризуется быстрым нарастанием прочности.Применение: возведение монолитных сооружений, приготовление высокопрочных бетонов.

Шлакопортландцемент жаро-, водо- и сульфатостойкий. Процесс твердения медленный.Применение: изготовление железобетонных конструкций для работы в горячих цехах, гидротехнические сооружения.

Пуццолановый портландцемент твердеет медленно, требует систематического увлажнения.Свойства: водостойкий, сульфатостойкий, не морозостойкий.Применение: бетонные и ж/б конструкции.

Пластифицированный позволяет снизить водопотребление бетонных смесей и расход цемента на 5-8%.Применение: дорожные бетоны, аэродромное и гидротехническое строительство.

Гидрофобный по своим свойствам похож на пластифицированный. Применение тоже.

Белый и цветной портландцемент. Белый изготавливают из сырья в котором мало окрашивающих оксидов (чистый известняк). Цветной — в которых много (охра, железный сурик).Применение: облицовочные плитки, фактурный слой стеновых панелей, искусственный мрамор.

Сульфатостойкий портландцемент изготавливают из клинкера с другими примесями не более 7%.

Производство цемента

Цемент — это один из самых востребованных строительных материалов на рынке. Однако, производство готового цемента является затратным как по капитальным вложениям, так и по использованию энергии. Заводы по его производству обычно расположены вблизи мест добычи основного сырьевого компонента, каковым является известняк. Сам цемент используется в строительстве, как в чистом виде, так и в качестве основы для изготовления незаменимых материалов (бетона и железобетона).

Производство цемента начинается с добычи клинкера. Затем клинкер измельчают и получают вещество в виде порошка, в которое добавляют гипсовый компонент и другое. Расходы на добычу клинкера — большая доля затрат в себестоимости цемента. В итоге такая статья затрат, как добыча сырья, составляет долю в себестоимости готового продукта равную 70%.

Метод, с помощью которого осуществляют добычу и разработку залежей известняка называется «сносом». Используя этот метод, часть горной породы «сносят», освобождая путь к известняку желто-зеленого цвета. Глубина залегания известняка обычно составляет 10 м, толщина пласта равна 70 см. До принятой глубины породу желто-зеленого цвета можно встретить еще примерно четыре раза. На следующем этапе добытый известняк с помощью ленты для транспортировки отправляется на измельчение. Здесь известняковая порода должна приобрести размер кусков не более 10 см в диаметре. Измельченный до таких размеров известняковый компонент транспортируется на сушку и повторное перемалывание, где к нему добавляются другие составляющие. Затем известняковая смесь обжигается. Так происходит процесс получения клинкера.

Следующая стадия заключается в обработке клинкера. В первую очередь, клинкер дробят. Одновременно проходит процесс подсушки минеральных компонентов и дробление гипсового камня. Затем все компоненты смешивают и еще раз подвергают перемалыванию.

Поскольку сырье имеет порой разные технические и физические характеристики, то в промышленности существует три метода производства готового продукта. Так, при производстве цемента применяется три способа изготовления готовой смеси: мокрый, сухой и комбинированный.

Цементная смесь, произведенная мокрым способом, сделана на основе карбоната (мела), силикатов (глины) и добавок, содержащих железо. К последним относятся конвертерный шлам, огарки пирита и железистый продукт. При этом глина должна содержать влагу не более 20%, а мел не более 29%. Все компоненты смеси проходят измельчение в воде, в итоге получается суспензия, влажность которой составляет 30-50%. Суспензия, а вернее шлам, поступает в специальные печи, где проходит обжиг. Печь для обжига имеет весьма внушительные размеры: ее высота составляет 7 м, а длина — 200 м. В процессе обжига из шлама происходит выделение углекислот. На выходе из печи после обжига получается клинкер, который имеет вид шариков. Эти шарики измельчают и получают готовую цементную смесь.

При сухом способе производства происходит сушка всех сырьевых составляющих цемента, и только затем перемалывание. Таким образом, смесь имеет вид порошка.

При комбинированном способе осуществляется частичное использование двух предыдущих. Таким образом, комбинированный способ производства подразделяется на два вида. При первом из них смесь сырьевых компонентов готовят по мокрому способу, и только затем влажность смеси снижают с помощью специальных фильтров, она не должна превышать 16-18%. Потом эту массу отправляют на обжиг. При втором виде для получения смеси используется способ сухого получения первоначальной смеси, а затем в нее добавляют воду. Так получают гранулы, размер которых составляет не более 10-15 мм. Затем эти гранулы отправляют в печь для обжига.

Опубликовано: 26 мая 2017 в 09:32 Кнер.ру

knep.ru

Цементный клинкер

Цементный клинкер – продукт, получаемый обжигом до спекания или плавления сырьевой смеси надлежащего состава и содержащий, главным образом, высокоосновные силикаты и (или) высоко- или низкоосновные алюминаты кальция.

Характеристика клинкера

Характеристика составных частей портландцементного клинкера и их влияние на свойства цемента.

Подобно тому, как, например, гранит состоит из определенных природных минералов, так и цементный клинкер представляет собой систему из нескольких искусственных минералов, образовавшихся при обжиге сырьевой смеси. Но в отличие от гранита отдельные составные части клинкера нельзя различить невооруженным глазом, так как клинкер состоит из тонкозернистых кристаллических, а также аморфных фаз.

Примерный минералогический состав портландцементного клинкера:

  1. Трехкальциевый силикат (алит)- 3 СаО х SiO2- 40-65%;
  2. . Двухкальциевый силикат (белит)- 2 СаО х SiO2- 15-45%;
  3. Трехкальциевый алюминат- 3 СаО х Al2O3- 4-12%;
  4. Четырехкальциевый алюмоферрит- 4 СаО х Al2O3 х Fe2O3- 12-25%.

Суммарное содержание алита и белита обычно находится в пределах 70-80%. Следовательно, в портландцементном клинкере количественно преобладают силикаты кальция. Поэтому данный цемент одно время называли силикатным. Кроме указанных важнейших минералов в клинкере содержатся в небольших количествах и другие алюминаты и алюмоферриты кальция, а также феррит кальция. Наряду с кристаллическими фазами в клинкере имеется аморфное вещество в виде незакристаллизованного стекла (6-10%). В небольших количествах (не более 5%) в клинкере содержится окись магния, так как карбонат магния- это почти неизбежная природная примесь в известняках. В клинкере иногда встречается свободная окись кальция (до 1%) как результат неполного обжига клинкера, т.е. погрешностей в технологии обжига. Наконец, в клинкере могут быть соединения (до 1-2%), образованные щелочными окислами- окисями натрия и калия. Эти окислы переходят в клинкер из сырьевых материалов и золы твердого топлива.

Зная свойства клинкерных минералов, в частности величину тепловыделения при взаимодействии с водой, и минералогический состав данного клинкера, можно в первом приближении выявить основные особенности цемента, получаемого из этого клинкера. Трехкальциевый силикат (алит) химически очень активен в реакции с водой. Об этом свидетельствует величина его тепловыделения при гидратации, особенно за первые трое суток. Он обладает способностью быстро твердеть и при твердении развивает большую прочность. Поэтому высокое содержание трехкальциевого силиката имеет важное значение для качества цемента. Высокомарочные и быстротвердеющие цементы должны содержать большое количество алита.

Двухкальциевый силикат (белит) значительно менее активен, на что указывает не только тепловой эффект гидратации, но и медленный ход тепловыделения: за трое суток выделяется только 10% от всего тепла гидратации. Твердеет он очень медленно. Но на протяжении нескольких лет прочность при благоприятных для твердения условиях неуклонно возрастает.

Трехкальциевый алюминат является наиболее активным клинкерным минералом; у него наибольшее тепловыделение, причем за трое суток выделяется не менее 80% от тепла гидратации. Трехкальциевый алюминат очень быстро твердеет. Однако продукт твердения имеет низкую прочность.

Четырехкальциевый алюмоферрит по величине тепловыделения при реакции с водой занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым силикатом. Четырехкальциевый алюмоферрит твердеет значительно медленнее, чем трехкальциевый силикат, но быстрее, чем двухкальциевый. Прочность тоже выше, чем у продукта гидратации двухкальциевого силиката.

Приведенные краткие характеристики клинкерных минералов дают некоторое представление о влиянии их количественного содержания в клинкере на свойства данного цемента. Так, если требуется получить быстротвердеющий цемент, нужный, например, в производстве сборных железобетонных изделий и конструкций для сокращения сроков их изготовления, то применяют клинкер с повышенным содержанием трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината. Эти минералы в сумме должны составлять не менее 65-70% от веса клинкера. Для бетонных работ в зимнее время тоже удобен цемент с относительно большим количеством трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината. Такой цемент отличается высокой экзотермией. Поэтому бетон в какой-либо конструкции, защищенной от потери тепла, может успешно твердеть и при отрицательной температуре воздуха.

В строительстве часто требуется цемент с умеренной экзотермией преимущественно для массивных бетонных гидротехнических сооружений. Известно, что при большом тепловыделении твердеющего цемента бетон сильно расширяется во внутренних частях массива и меньше в наружных, которые естественно охлаждаются воздухом или водой. Объемные деформации, возникающие при неравномерном расширении и сжатии бетона, вызывают образование трещин и часто приводят к аварийному разрушению сооружений. Поэтому в массивных бетонных конструкциях (например, гидротехнических сооружений) не применяют цементы, отличающиеся большим тепловыделением.

Для получения цемента с умеренной экзотермией клинкер должен содержать относительно небольшое количество трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината.

На свойства цемента помимо указанных важнейших клинкерных минералов влияют также содержащиеся в нем окиси магния, кальция, калия и натрия. В правильно изготовленном и охлажденном клинкере значительная часть свободной кристаллической окиси магния (периклаза) растворена в стекловидной фазе в виде очень мелких кристаллов; мелкие же кристаллы, притом находящиеся в тонкомолотом цементе, успевают гидратироваться в той стадии, когда цемент еще не затвердел. В этот период увеличение объема отдельных составляющих цемента не вызывает разрушения массы, сохранившей некоторую пластичность. Поэтому современная технология почти полностью исключает вредное влияние окиси магния на цемент при ее содержании в клинкере до 5%. Свободная окись кальция присутствует в нормальных клинкерах, как указывалось, в незначительных количествах и притом в виде очень мелких частиц. Чем мельче частицы, тем они быстрее гидратируются. При таких условиях процесс гидратации свободной извести в бетоне обычно не представляет опасности. Щелочные окислы присутствуют в клинкере в разных химических соединениях, например в виде алюмината калия К2О х Аl2О3. Если в каменных заполнителях бетонов имеется опаловидный кремнезем, т.е. водная двуокись кремния (SiO2 х nh3O) в аморфном виде, то присутствие щелочных окислов в цементе может вызвать разрушение бетона. Содержание этих окислов в клинкере составляет в среднем около 0,5%.

Причины такого разрушения заключаются в следующем. Щелочные окислы реагируют с двуокисью кремния, находящейся в каменных заполнителях в деятельном, активном реакционноспособном виде, образуя водорастворимые силикаты калия или натрия. Они в свою очередь взаимодействуют с гидроокисью кальция цементного камня с образованием кальциевых солей и тем самым нарушают прочность и стойкость слоя цементного камня, находящегося на границе с зернами заполнителя. В связи с этим в методы испытания заполнителей для бетона введено определение содержания опаловидного кремнезема. Таким образом, выбор цементов для различных областей применения следует сообразовывать с минералогическим и элементарным химическим составом клинкера. Необходимо более подробно рассмотреть вопросы, касающиеся взаимодействия минералов цементного клинкера с водой. Тогда станет еще более ясно, как именно надо учитывать минералогический состав клинкера при выборе цементов для изготовления бетонов различного назначения.

proseptic.ru

Цементный клинкер — Википедия (с комментариями)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Клинкер.

Клинкер (в цементной промышленности) — промежуточный продукт при производстве цемента.

Производство цемента

При нагревании смеси полученной из известняка (около 75 %) и глины (около 25 %) или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры 1450°С происходит частичное плавление и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента, клинкер перемешивают с несколькими процентами гипса (около 5 %, что зависит от марки гипса и содержания SO3 в клинкере) и тонко перемалывают. Гипс управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять другие материалы при помоле. Типичный клинкер имеет примерный состав 67 % СаО, 22 % SiO2, 5 % Аl2О3, 3 % Fе2O3 и 3 % других компонентов.

Четыре главные фазы клинкера

Алит

Является наиболее важной составляющей всех обычных цементных клинкеров; содержание его составляет 50—70 %. Это трёхкальциевый силикат, 3СаO*SiО2 (сокращенно обозначают C3S), состав и структура которого модифицированы за счёт размещения в решётке инородных ионов, особенно Mg2+, Аl3+ и Fе3+. Алит относительно быстро реагирует с водой и в нормальных цементах из всех фаз играет наиболее важную роль в развитии прочности; для 28-суточной прочности вклад этой фазы особенно важен.

Белит

Содержание белита для нормальных цементных клинкеров составляет 15—30 %. Это двукальциевый силикат 2СаO*SiО2 (C2S), модифицированный введением в структуру инородных ионов и обычно полностью или большей частью присутствующий в виде β-модификации. Белит медленно реагирует с водой, таким образом слабо влияя на прочность в течение первых 28 суток, но существенно увеличивает прочность в более поздние сроки. Через год прочности чистого алита и чистого белита в сравнимых условиях примерно одинаковы.

Алюминатная фаза

Содержание алюминатной фазы составляет 5—10 % для большинства нормальных цементных клинкеров. Это трехкальциевый алюминат 3СаO*Al2O3, существенно изменённый по составу, а иногда и по структуре, за счёт инородных ионов, особенно Si4+, Fe3+, Nа+ и К+. Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызвать нежелательно быстрое схватывание, если не добавлен контролирующий схватывание реагент, обычно гипс.

Алюмоферритная фаза

Ферритная фаза (CaAlFe) составляет 5—15 % обычного цементного клинкера. Это — четырёхкальциевый алюмоферрит 4CaO*Al2O3*Fe2O3, состав которого значительно меняется при изменении отношения Al/Fe и размещении в структуре инородных ионов. Скорость, с которой ферритная фаза реагирует с водой, может несколько варьировать из-за различий в составе или других характеристиках, но, как правило, она высока в начальный период и является промежуточной между скоростями для алита и белита в более поздние сроки.

В клинкере обычно присутствуют в небольших количествах и несколько других фаз, таких как щелочные сульфаты и оксид кальция.

См. также

Напишите отзыв о статье "Цементный клинкер"

Ссылки

  • [www.spbgasu.ru/documents/docs_171.pdf Н. А. АНДРЕЕВА ХИМИЯ ЦЕМЕНТА И ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ], Учебное пособие — Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет 2011

Отрывок, характеризующий Цементный клинкер

– Ну что? – спросил князь Андрей. – Всё то же, подожди ради Бога. Карл Иваныч всегда говорит, что сон всего дороже, – прошептала со вздохом княжна Марья. – Князь Андрей подошел к ребенку и пощупал его. Он горел. – Убирайтесь вы с вашим Карлом Иванычем! – Он взял рюмку с накапанными в нее каплями и опять подошел. – Andre, не надо! – сказала княжна Марья. Но он злобно и вместе страдальчески нахмурился на нее и с рюмкой нагнулся к ребенку. – Ну, я хочу этого, сказал он. – Ну я прошу тебя, дай ему. Княжна Марья пожала плечами, но покорно взяла рюмку и подозвав няньку, стала давать лекарство. Ребенок закричал и захрипел. Князь Андрей, сморщившись, взяв себя за голову, вышел из комнаты и сел в соседней, на диване. Письма всё были в его руке. Он машинально открыл их и стал читать. Старый князь, на синей бумаге, своим крупным, продолговатым почерком, употребляя кое где титлы, писал следующее: «Весьма радостное в сей момент известие получил через курьера, если не вранье. Бенигсен под Эйлау над Буонапартием якобы полную викторию одержал. В Петербурге все ликуют, e наград послано в армию несть конца. Хотя немец, – поздравляю. Корчевский начальник, некий Хандриков, не постигну, что делает: до сих пор не доставлены добавочные люди и провиант. Сейчас скачи туда и скажи, что я с него голову сниму, чтобы через неделю всё было. О Прейсиш Эйлауском сражении получил еще письмо от Петиньки, он участвовал, – всё правда. Когда не мешают кому мешаться не следует, то и немец побил Буонапартия. Сказывают, бежит весьма расстроен. Смотри ж немедля скачи в Корчеву и исполни!» Князь Андрей вздохнул и распечатал другой конверт. Это было на двух листочках мелко исписанное письмо от Билибина. Он сложил его не читая и опять прочел письмо отца, кончавшееся словами: «скачи в Корчеву и исполни!» «Нет, уж извините, теперь не поеду, пока ребенок не оправится», подумал он и, подошедши к двери, заглянул в детскую. Княжна Марья всё стояла у кроватки и тихо качала ребенка. «Да, что бишь еще неприятное он пишет? вспоминал князь Андрей содержание отцовского письма. Да. Победу одержали наши над Бонапартом именно тогда, когда я не служу… Да, да, всё подшучивает надо мной… ну, да на здоровье…» и он стал читать французское письмо Билибина. Он читал не понимая половины, читал только для того, чтобы хоть на минуту перестать думать о том, о чем он слишком долго исключительно и мучительно думал.

Билибин находился теперь в качестве дипломатического чиновника при главной квартире армии и хоть и на французском языке, с французскими шуточками и оборотами речи, но с исключительно русским бесстрашием перед самоосуждением и самоосмеянием описывал всю кампанию. Билибин писал, что его дипломатическая discretion [скромность] мучила его, и что он был счастлив, имея в князе Андрее верного корреспондента, которому он мог изливать всю желчь, накопившуюся в нем при виде того, что творится в армии. Письмо это было старое, еще до Прейсиш Эйлауского сражения. «Depuis nos grands succes d'Austerlitz vous savez, mon cher Prince, писал Билибин, que je ne quitte plus les quartiers generaux. Decidement j'ai pris le gout de la guerre, et bien m'en a pris. Ce que j'ai vu ces trois mois, est incroyable.

wiki-org.ru

Способ производства цементного клинкера

Изобретение относится к области промышленного производства цемента, более конкретно к способу производства цементного клинкера из высокоглиноземистых золошлаковых отходов угольных электростанций, и может найти применение, в том числе при переработке золоотвалов Экибастузской ГРЭС. Технический результат заключается в создании экологически чистой технологии производства клинкера и расширении масштабов его производства из золошлаковых отходов угольных электростанций без использования глины и глинистых пород. Способ производства цементного клинкера, включающий классификацию и магнитную сепарацию сырьевой смеси, содержащей золошлаковые отходы угольных электростанций, получение глиноземного концентрата, смешивание его с известняком и обжиг, отличающийся тем, что на первой стадии, после извлечения магнитной фракции из сырьевой смеси, остаток обрабатывают щелочью до полного выщелачивания кремнезема, образовавшийся глиноземный концентрат спекают с известняком при температуре 1150-1200°С с получением спека, из которого содовым раствором выщелачивают алюминат натрия, полученный раствор силиката натрия обрабатывают углекислым газом с получением аморфного кремнезема и образовавшийся раствор углекислого натрия обрабатывают известью; на второй стадии полученную твердую фазу спекают с известняком при температуре 1400-1450°С до образования цементного клинкера, причем корректировку химического состава цементного клинкера производят при смешении и спекании белитового шлама с известняком, а раствор алюмината натрия, образующегося при выщелачивании спека глиноземного концентрата с известняком, используют для производства глинозема.

 

Изобретение относится к области промышленного производства цемента, более конкретно, к способу производства цементного клинкера из высокоглиноземистых золошлаковых отходов угольных электростанций, и может найти применение, в том числе, при переработке золоотвалов Экибастузской ГРЭС.

Известен способ производства цемента, включающий классификацию сырьевых глинистых и известняковых материалов, их смешивание и подачу во вращающуюся обжиговую печь (см. Алексеев Б.В., Барбашев Г.К. Производство цемента, 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985, с. 31).

Известный способ производства цемента по сухому способу включает, в том числе, сушку, усреднение и корректировку состава шихты, охлаждение клинкера, введение добавок и измельчение клинкера. В качестве исходных сырьевых материалов на некоторых цементных заводах используют отходы различных отраслей промышленности, в том числе доменные шлаки и нефелиновый (белитовый) шлам, который полностью заменяет глинистый компонент и на 50% известняковый.

Недостатками известного способа являются необходимость функционирования вблизи месторождений сырьевых материалов для уменьшения транспортных расходов, а также требование иметь неприкосновенный запас сырьевых материалов на случай прекращения добычи сырья и поставок других материалов на сроки от 5 до 45 суток и более.

Известен способ производства цемента, состоящий в совместном помоле портландцементного клинкера с различного рода добавками, придающими цементу нужные качества. При этом для производства 1 т клинкера используются 1,2-1,3 т известняка (основного источника СаО) и 0,28-0,3 т глины или глинистых пород, являющихся основным источником SiO2, Al2O3, Fe2O3 (см. Строительные материалы: Справочник / Под ред. А.С. Болдырева, П.П. Золотова. - М.: Стройиздат, 1989. Стр. 59-74).

Известная технология производства портландцемента сводится к следующим операциям: изготовлению сырьевой смеси надлежащего состава, ее обжига до спекания и помола получающегося клинкера. Большая часть клинкера производится так называемым «мокрым способом», при котором легче достигнуть тонкого измельчения исходных материалов и получить их гомогенную смесь. Получаемая при этом суспензия сырьевых материалов (шлам) обычно содержит 32-45% воды. Сырьевой шлам поступает во вращающуюся печь для обжига, где движется навстречу горячему теплоносителю (продуктам сгорания топлива). В начале печи шлам подсушивается и, передвигаясь дальше, попадает в зону с температурой 550-800°С, где происходит дегидратация водных алюмосиликатов глины. Далее материал попадает в зону с температурой 900-1000°С, где карбонат кальция (известняк) диссоциирует с образованием оксида кальция, который, в свою очередь, вступает в твердофазные реакции с продуктами дегидратации глины, состоящими преимущественно из оксидов алюминия и кремния.

В результате протекания этих реакций образуются двухкальциевый силикат 2CaOSiO2 (белит) и однокальциевый алюминат (CaOAl2O3). При дальнейшем повышении температуры до 1200-1250°С скорость протекания твердофазных реакций увеличивается: весь оксид кремния переходит в двухкальциевый силикат (белит), однокальциевый алюминат насыщается оксидом кальция и образует различные алюминаты кальция. Часть оксида кальция при этом остается в свободном состоянии. При повышении температуры материала до температур 1400-1450°С в материале появляется жидкая фаза и происходит образование основных клинкерных минералов - трехкальциевого силиката (алита), двухкальциевого силиката (белита), алюминатов кальция и др., в результате чего материал вновь твердеет (так как образуются более тугоплавкие минералы) и образуется клинкер.

В известной технологии производства клинкера приготовление сырьевой смеси производится в одну стадию, при которой все компоненты шихты смешиваются сразу без учета последовательности вступления их в химические реакции. При нагревании материала до 1200-1250°С в материале проходят только твердофазные реакции и заканчивается образование двухкальциевого силиката и алюминатов кальция. В образовавшемся материале остается значительное количество свободного оксида кальция, а образование основных клинкерных минералов происходит при температуре 1400-1450°С.

Таким образом существенным недостатком известного способа производства цементного клинкера является невозможность замены глины или глинистых пород другими материалами, в частности золой от сжигания углей. Кроме того, в данном одностадийном процессе производства клинкера тепловая обработка материала от сушки до спекания происходит непрерывно и корректировка химического состава материала по ходу процесса невозможна.

Известен способ производства цементного клинкера, включающий подготовку и обжиг исходного сырья с добавлением золошлаковых отходов угольных электростанций (см. Борисенко Л.Ф. и др. Перспективы использования золы угольных тепловых электростанций. - М., 2001, с. 52). Особенностью такого способа является возможность использования аппаратов для щелочной обработки золошлаковых отходов, уже освоенных глиноземной промышленностью, в том числе при переработке нефелинового сырья и высококремнистых бокситов.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ производства цементного клинкера, включающий классификацию и магнитную сепарацию сырьевой смеси, содержащей золошлаковые отходы угольных электростанций, получение глиноземного концентрата, смешивание его с известняком и обжиг (см. патент RU 79284 U1, 27.12.2008 - прототип).

Однако реализация указанных технологий связана с трудностями получения необходимых количеств белитового шлама на линиях комплексного производства цемента и глинозема. Для преодоления указанных недостатков необходимо обеспечить использование средств для снижения потерь реагентов на выщелачивание и карбонизацию, а также дополнительных вращающихся печей для обжига промежуточных и конечных продуктов переработки.

Решаемой задачей изобретения является создание экологически чистой технологии производства целевых продуктов для их использования в металлургии и промышленности строительных материалов.

Технический результат заключается в устранении недостатков известных технических решений, упрощении технологии и расширении масштабов производства портлендцементного клинкера и глинозема из золошлаковых отходов угольных электростанций без использования глины и глинистых пород.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства цементного клинкера, включающем классификацию и магнитную сепарацию сырьевой смеси, содержащей золошлаковые отходы угольных электростанций, получение глиноземного концентрата, смешивание его с известняком и обжиг, согласно изобретению на первой стадии, после извлечения магнитной фракции из сырьевой смеси, остаток обрабатывают щелочью до полного выщелачивания кремнезема, образовавшийся глиноземный концентрат спекают с известняком при температуре 1150-1200°С с получением спека, из которого содовым раствором выщелачивают алюминат натрия, полученный раствор силиката натрия обрабатывают углекислым газом с получением аморфного кремнезема и образовавшийся раствор углекислого натрия обрабатывают известью; на второй стадии полученную твердую фазу спекают с известняком при температуре 1400-1450°С до образования цементного клинкера, причем корректировку химического состава цементного клинкера производят при смешении и спекании белитового шлама с известняком, а раствор алюмината натрия, образующегося при выщелачивании спека глиноземного концентрата с известняком, используют для производства глинозема.

На первой стадии производства цементного клинкера из золошлаковых отходов получают продукт, пригодный для получения клинкера по химическому составу. Для этого вначале из золошлаковых отходов методом магнитной сепарации извлекают магнитную фракцию, имеющую высокое содержание Fe2O3, которая может оказывать негативное влияние на ход последующих технологических операций. Современные магнитные аппараты могут выдавать магнитный концентрат с содержанием Fe2O3 до 55-60%, что позволяет использовать его в металлургии. В случае необходимости из золы методом флотации может быть извлечена большая часть углерода (недожога). Затем золу обрабатывают раствором щелочи (NaOH), что позволяет перевести в раствор значительную часть кремнезема (SiO2), который в виде раствора силиката натрия направляется на регенерацию щелочи, а твердый остаток (глиноземный концентрат) направляется на дальнейшую переработку. Раствор силиката натрия, образующийся при выщелачивании кремнезема и направляемый на регенерацию щелочи, обрабатывается известью (СаО), в результате чего образуется белитовый шлам, содержащий практически только один чистый белит (так называемый «белый» шлам).

Глиноземный концентрат существенно отличается от исходной золы: в процессе растворения в щелочном растворе кремнезема и взаимного истирания частицы теряют первоначальную форму шариков, контактные границы срастания шариков и их сростки вскрываются и шарики превращаются в комочки и агрегаты тонких частичек, сферическую форму сохраняют только шарики диаметром меньше 20 мкм, однако их поверхность вся покрыта ямками растворения. Поэтому химическая активность глиноземного концентрата значительно выше, чем исходной золы. Химический состав глиноземного концентрата также отличается от химического состава исходной золы повышенным содержанием оксида алюминия (в процентном отношении). Глиноземный концентрат спекают с известняком (СаСО3) при известной оптимальной температуре 1200-1250°С. При этом расход известняка рассчитывается таким образом, чтобы извести хватало только на образование двухкальциевого силиката (белита) алюминатов кальция, так как в спеке недолжно быть свободной извести, которая при этих температурах еще не образует клинкерных минералов, но будет вредной примесью в последующем процессе выщелачивания глинозема.

Образовавшийся спек охлаждают, размалывают и выщелачивают из него раствором соды алюминат кальция (CaOAl2O3). Образующийся в этом процессе алюминат натрия направляют на производство глинозема, а оставшийся твердый остаток, так называемый «серый» шлам, направляют на производство цементного клинкера. На этом этапе из спека извлекается 65-70% Al2O3 и его отношение к SiO2 становится равным примерно 0, 25, как это необходимо для производства цементного клинкера. «Серый» шлам состоит преимущественно из белита, но содержит также и другие соединения из золы и часть соединений железа, оставшихся в золе после магнитной сепарации. На этом заканчивается первая стадия процесса производства цементного клинкера - получение из золы продукта, пригодного для получения клинкера нужного химического состава.

На второй стадии к образовавшемуся на первой стадии белитовому шламу добавляют дополнительное количество известняка, необходимое для превращения белита (2CaO-SiO2) в основной клинкерный минерал - алит, а также насыщения известью различных алюминатов кальция и превращения их в трехкальциевый алюминат (3СаО-Al2O3). На этом этапе вводятся и корректирующие добавки. Полученную шихту спекают при известной температуре образования основных клинкерных минералов 1400-1450°С и получают цементный клинкер нужного химического и минералогического состава.

Такая двухстадийная технология схемы производства цементного клинкера из золы позволяет не использовать глинистые ископаемые и соответственно не строить карьеры для их добычи, что улучшает экологическую обстановку. При этом можно получать значительное количество глинозема - ценного и дефицитного в нашей стране сырья для алюминиевой промышленности, а также чистый белит для производства строительных материалов. Экологический эффект заключается в прекращении роста золоотвалов на угольных тепловых электростанциях.

Пример конкретного выполнения способа

Зола экибастузского угля после обработки физическими методами (магнитной сепарации и флотации) содержит (% вес.): SiO2 - 61,2; Al2O3 - 28,1; Fe2O3 - 4,2; Собщ.(п.п.п.) - 2,3; проч. - 4,2. При обработке 1 т этой золы растворомщелочи (NaOH) растворяется 27% массы золы, расходуется 360 кг щелочи, образуется 549 кг силиката натрия (Na2SiO3) и 730 кг глиноземного концентрата.

В процессе регенерации щелочи из раствора силиката натрия расходуется 504 кг извести (СаО), для получения которой необходимо обжечь 900 кг известняка (СаСО3), образуется вновь 279 кг щелочи, которая направляется в начало процесса обработки золы, и 936 кг гидросиликата кальция (2CaOSiO2·2h3O), который представляет собой гидратированный минерал белит (2CaOSiO2) - белитовый шлам. Как отмечалось ранее, белитовый шлам, получаемый в этом процессе, отличается высокой чистотой и может использоваться не только для производства обычного портландцементного клинкера, но и иметь более квалифицированные применения: использоваться для получения белых и цветных цементов, производства фарфоровых изделий и силикатного кирпича.

Для получения алюминатно-силикатного спека, имеющего необходимый минералогический состав для извлечения нужного количества Al2O3,образовавшиеся 730 кг глиноземного концентрата необходимо спечь с 1468 кг известняка при температуре 1200-1250°С. В результате этого процесса получится 1529,1 кг спека следующего состава (% вес.): CaOAl2O3 - 28,5; 2CaOSiO2 - 64,1; 2CaOFe2O3 - 4,7; проч. - 2,7.

Из полученного спека раствором соды (Na2CO3) выщелачивают CaOSiO2, на что расходуется 219,5 кг соды. В результате в раствор переходит 339,6 кг алюмината натрия (Na2OSiO2) и образуется 1614,2 кг твердого осадка (белитового шлама), содержащего (% вес.): 2CaOSiO2-2h3O - 73,5; СаОAl2O3 - 6,7; 2CaOFe2O3 - 4,4; CaCO3 - 12,8; проч. - 2,6. Химический состав этого шлама (% вес.):СаО - 51; SiO2 - 21,2; Al2O3 - 4,3; Fe2O3 - 2,6; CO2 - 5,6; h3O - 5,6; проч. - 2,6. Раствор алюмината натрия направляется на производство глинозема (Al2O3). Из 339,6 кг алюмината натрия может быть получено 211 кг глинозема..

На этом заканчивается первая стадия производства цементного клинкера из золы углей - получение из золы продукта (белитового шлама), пригодного для получения цементного клинкера.

Вторая стадия производства цементного клинкера из золы состоит из совместного помола полученного белитового шлама с известняком и спекания этой смеси при температуре 1400-1450°С до образования клинкера нужного состава. К 1614,2 кг белитового шлама необходимо добавить 173,3 кг известняка и после обжига получится ~ 1527 кг цементного клинкера.

Таким образом из 1 т золы, обогащенной физическими методами, и указанного количества известняка получаются 1527 кг цементного клинкера и ценные побочные продукты: 936 кг «белого белитового шлама» и 211 кг глинозема. Или наоборот, для производства 1 т цементного клинкера необходимо 0,65 т золы и 0,7 т известняка. При этом образуются побочные продукты: 0,61 т белитового шлама и 0,14 т глинозема.

В предложенном способе производства портландцементного клинкера и глинозема из отходов электростанций используется комбинированная технология переработки золошлаковых отходов, включающая химическое обогащение сырья и обжиг продукта во вращающихся высокотемпературных печах. Суть технологии химического обогащения заключается в их обработке едкой щелочью с получением раствора силикатов натрия и обогащенного глиноземом алюминиевого сырья (Al2O3 до 50% и SiO2 до 40%). Затем силикаты натрия обрабатываются гидроокисью кальция, в результате чего образуются едкая щелочь и белитовый шлам. Едкая щелочь направляется в голову процесса (рециркуляция щелочи), а алюминиевое сырье и белитовый шлам используются обычным образом. Для повышения качества глиноземного сырья вначале проводится химическое обогащение ЗШО, а затем обогащенный продукт обрабатывается по технологии обжига.

Зола экибастузских углей по содержанию глинозема (25-28% Al2O3) практически сопоставима с нефелиновым концентратом, который производит ОАО "Апатит" для Пикалевского завода. В то же время она характеризуется более высоким содержанием кремнезема и отсутствием щелочей. По сравнению с бокситами в золе содержится меньше железа и титана. При комплексном ее использовании возможно дополнительное извлечение галлия. Низкое содержание в золе железа, в отличие от бокситов, является благоприятным фактором для производства цемента в предложенной системе производства.

Для указанных конструктивных характеристик предложенной системы и физико-химических условий производства цемента и глинозема из сырья ЗШО электростанций в ОИВТ РАН были проведены необходимые экспериментальные исследования и расчеты определяющих параметров процесса получения указанных целевых продуктов.

Приведем характерные оценки существующей ситуации в данной области. В настоящее время в России существует дефицит производства глинозема и цемента. Объемы производства этой продукции не покрывают потребности алюминиевой промышленности в глиноземе и строительной индустрии в цементе. При этом цены на глинозем и цемент постоянно увеличиваются. Существующая отечественная сырьевая база алюминиевого производства, основанная на эксплуатации бокситовых месторождений Урала и Архангельской обл. не может обеспечить запросы в данном сырье. По этой причине бокситовое сырье ввозится из-за границы.

Сложившийся дефицит цемента и цены на него также сдерживают темпы и стоимость строительства зданий и сооружений. В этой связи становятся очевидными перспективы использования высокоглиноземистой золы ГРЭС Свердловской обл. для промышленного производства глинозема, цемента и некоторой сопутствующей продукции. На сегодняшний день в золоотвалах Рефтинской ГРЭС находится 116 млн тонн золы, а Верхнетагильской - 38 млн тонн, что суммарно составляет 154 млн тонн. По химическому составу указанная зола может служить источником сырья для переработки на глинозем и цемент, ее количество будет непрерывно увеличиваться, т.к. на ближайшие 20 лет энергетическим топливом на ГРЭС будет оставаться уголь Экибастузского бассейна. При таких значительных запасах глиноземного и кремнеземного сырья возможно создание предложенной системы по производству цемента до 6 млн тонн в год и глинозема до 1 млн тонн в год со сроком эксплуатации не менее 50 лет.

Способ производства цементного клинкера, включающий классификацию и магнитную сепарацию сырьевой смеси, содержащей золошлаковые отходы угольных электростанций, получение глиноземного концентрата, смешивание его с известняком и обжиг, отличающийся тем, что на первой стадии, после извлечения магнитной фракции из сырьевой смеси, остаток обрабатывают щелочью до полного выщелачивания кремнезема, образовавшийся глиноземный концентрат спекают с известняком при температуре 1150-1200°С с получением спека, из которого содовым раствором выщелачивают алюминат натрия, полученный раствор силиката натрия обрабатывают углекислым газом с получением аморфного кремнезема и образовавшийся раствор углекислого натрия обрабатывают известью; на второй стадии полученную твердую фазу спекают с известняком при температуре 1400-1450°С до образования цементного клинкера, причем корректировку химического состава цементного клинкера производят при смешении и спекании белитового шлама с известняком, а раствор алюмината натрия, образующегося при выщелачивании спека глиноземного концентрата с известняком, используют для производства глинозема.

www.findpatent.ru

Портландцементный клинкер

Минералогический состав портландцементного клинкера.

  • Химический состав портландцементного клинкера дан в таблице 1.5.1.
  • Основные минералы, которые может содержать портландцементный клинкер, даны в табл. 1.5.2.

Портландцементный клинкер. Клинкерные минералы не являются чистыми соединениями, а представляют собой смеси, содержащие в незначительном количестве компоненты других минералов в виде смешанных кристаллических соединений; это относится и к остальным химическим примесям клинкера, которые не могут образовать самостоятельных фаз. Поэтому, чтобы четко отличать чистые соединения от клинкерных минералов, Териебом в 1897 г. дал основным минералам клинкера C3S и C2S названия «алит» и «белит» и, еще не зная их состава, исследовал под микроскопом отличия между ними.

Алит. Белит.

Алит.

Алит. C3S является основным клинкерным минералом, определяющим прочность цемента. Из шести известных модификаций C3S в клинкере возникают только две высоко­температурные модификации, которые стабилизируются путем включения атомов примесей. Третья модификация — триклиниая — также изредка встречается.

Белит.

Белит. Белит главным образом представляет собой β-форму C2S. При температуре спекания клинкера, превышающей 1420° С, образуется α-C2S, а при температуре до 1420° С — α'-C2S. Последняя форма во время охлаждения клинкера при температуре 670° С превращается в метастабилынй β-C2S. Таблица 1.5.1. Химический состав портландцементного клинкера, %
Потери при прокаливании 0,5 - 3
SiO216-26CaO58-67
Al2O34-8MgO1-5
Fe2o32-5K2O+Na2O0-1
Mn2O30-3SO30,1-2,5
TiO20-0,5P2O50-1,5
Таблица 1.5.2. Минералогический состав портландцементного клинкера
МатериалыОбласть примененияФормулаСокращенное обозначение
Таблица 1.5.2. Минералогический состав портландцементного клинкера (Оригинал таблицы)
Трехкальциевый силикат (алит) 3CaO*SiO2C3S
Двухкальциевый силикат (белит) 2CaO*SiO2C2S
Трехкальциевый алюминат }Al2O3 ≥ Fe2O3 { 3CaO • Al2O34CaO • Al2O3 • Fe2O3 C3A
Четырехкальциевый алюмоферритC3AF
Алюмоферрит кальция (смешанно-кристалическая фаза)Al2O32O32CaO(Al2O3, Fe2O3)C2(A, F)
Свободная известь CaO -
Свободная окись магния (периклаз) MgO -
Щелочесодержащий алюминат}K2O + Na2O > SO3{(K, Na)2O*8CaOX3Al2O3(K, N)C8A3
Сульфат щелочного металла }K2O+Na2O3 {(K, Na)2SO4 CaSO4 -
Сульфат кальция -

При дальнейшем медленном охлаждении из β-C2S может образоваться стабильная ɣ-форма. Этот процесс протекает с увеличением объема на 10% и при определенных условиях может привести к рассыпанию клинкера. Быстрое охлаждение клинкера и наличие примесей препятствует переходу белита в гидравлически инертную ɣ-фазу, снижающую его качество.

Белит твердеет значительно медленнее алита, но в конце кондов достигает такой же прочности, как алит.

Если в клинкере глинозема содержится меньше, чем оксида железа (в молях), то оба компонента, вступая в соединение с известью, образуют алюмоферрит кальция (см, табл. 1.5.2.) —смешанно-кристаллическую фазу с конечным членом 2CaO•Fe2O3, где Fe может непрерывно замещаться Al. Этот смешанно-кристаллический ряд сохраняет стабильность до молярного отношения Al2O3:Fe2O3=2:1; однако в портланд-цементном клинкере, содержащем только соединения, богатые известью, ряд завершается уже при отношении 1:1. Если в клинкере преобладает глинозем, то его избыток сверх указанного отношения (как это имеет место в формуле 4CaO•Al2O3•Fe2O3) образует трехкальцисвый алюминат, богатый известью.

Трехкальциевый алюминат очень легко вступает в реакцию с водой, однако не имеет ясно выраженных гидравлических свойств и совместно с силикатами повышает начальную прочность цемента. Алюмоферрит кальция мало способствует гидравлическому твердению цемента.

Как уже указывалось щелочи только тогда попадают в клинкерные фазы, когда количество SO3, содержащееся в клинкере, недостаточно для полного образования щелочных сульфатов. Щелочи входят в состав всех клинкерных фаз, однако преимущественно содержатся в алюмииатной фазе в виде смешанных кристаллов, причем состав, указанный в формуле табл. 1.5.2, может быть получен только в присутствии SiO2.

Книга Вальтера Дуды «Цемент».

stroyremkom.ru


Смотрите также