Способ получения цемента. Способы получения цемента


Способ получения цемента

 

Использование: для помола в цементной промышленности. Сущность изобретения: способ включает двухстадийный процесс переработки цементного клинкера с измельчением на второй стадии в мельнице, промежуточную и заключительную классификации. При этом на первой стадии клинкер измельчают в конусной инерционной дробилке, поддерживая уровень материала на входе в камеру дробления в пределах 0,3 - 1,0 ее высоты, выделяя из продуктов дробления частицы цементной крупности, соответствующей готовому продукту, и возвращая в дробилку на доизмельчение фракцию -6,0+3,0 мм. На второй стадии измельчают фракцию -3,0 мм.

Изобретение относится к способам получения цемента из клинкера методом измельчения и может быть наиболее широко использовано на цементных заводах.

Известен способ получения цемента, включающий двухстадийный помол клинкера в одной двухкамерной мельнице с камерами грубого и тонкого помола, причем в последнюю догружают добавки в виде крупки [1] Недостатками этого способа являются низкая производительность, что объясняется малой пропускной способностью камеры тонкого помола, высокие удельные энергозатраты из-за монослойного характера измельчения между шарами и футеровкой, а также получения частиц цемента преимущественно изотермической формы с малой поверхностью. Последнее обстоятельство требует присутствия в продукте повышенного содержания тонких частиц для компенсации потерь суммарной поверхности, а следовательно, вяжущих свойств.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения цемента, включающий двухстадийный процесс переработки цементного клинкера с измельчением на второй стадии в мельнице, промежуточную и заключительную классификации [2] Недостатками этого способа являются низкая производительность, высокие удельные энергозатраты из-за монослойного характера измельчения.

Целью изобретения является повышение производительности и снижения энергозатрат при получении цемента с частицами увеличенной активной поверхности.

Это достигается тем, что в способе получения цемента, включающем двухстадийный процесс переработки цементного клинкера с измельчением на второй стадии в мельнице, промежуточную и заключительную классификации, на первой стадии цементный клинкер измельчают в конусной инерционной дробилке, поддерживая уровень материала над входом в камеру дробления в пределах 0,3-1,0 ее высоты, выделяя из продуктов дробления частицы цементной крупности, соответствующей готовому продукту, и возвращая в дробилку на доизмельчение фракции -6,0+3,0 мм, а на второй стадии измельчают фракцию 3,0 мм.

Сущность способа заключается в том, что монослойное измельчение, характерное для мельниц и традиционных дробилок, заменяется на внутрислойное, характерное только для инерционных конусных дробилок. Инерционные дробилки загружаются под давлением материала, поступающего из бункера. Даже в этих условиях при переуплотнении материалом камеры дробления достигается степень сокращения до 20 вместо четырех в обычных конусных дробилках.

Уменьшение давления материала на слой в камере дробления за счет снижения толщины слоя над входом в камеру повышает степень сокращения почти на 50% Получаемый при этом более мелкий продукт соответственно позволяет повысить производительность последующей мельницы.

В продукте инерционной дробилки содержится до 30% продукта цементной крупности, частицы которого имеют оскольчатую, а не окатанную форму. Оскольчатая форма на 28-30% имеет большую поверхность, чем окатанная в мельнице частица такого же размера.

Таким образом, чтобы получить цемент с площадью активной поверхности 4000 см2/т можно снизить содержание мелочи в продукте, т.е. не тратить лишнюю энергию на образование этих кланов.

Поскольку дробилка производит продукт мельче 6 мм, то целесообразно фракцию -6+3 мм вернуть в дробилку на доизмельчение. Этой фракции в продукте всего 20% но ее удаление позволяет снизить средневзвешенную крупность частицы в продукте с 2 до 1,4 мм. Таким образом, в мельницу направляется класс крупности 3,0 мм.

П р и м е р. На цементном заводе перед трубной мельницей 2,6х13 с двигателем мощностью 820 кВт устанавливали дробилку КИД-1200 с двигателем мощностью 250 кВт. Дробилка при переработке клинкера (-40 мм) позволяет получить 90,0 т/ч продукта мельче 6 мм. Классификатором из полученного продукта отделяют 30% цемента готовой крупности и фракцию -6+3 мм (до 20%), которую возвращают на домол в дробилку, а класс крупности -3,0 направляют в мельницу.

С помощью датчика уровня в приемной емкости дробилки устанавливали высоту слоя над входом в камере дробления (высота 1000 мм) в пределах от 300 до 1000 мм. Уменьшение высоты слоя приводит к подпрессовке цемента и соударениям конусов, что приводит к повреждению дробилки, а увеличение высоты слоя с 1000 до 1100 мм снижает содержание частиц цементной крупности в продукте с 30 до 26% Дальнейшее повышение слоя еще более уплотняет продукт в камере дробления и снижает упомянутую величину до 20% и более. Чтобы получить наибольший выход продукта оскольчатой формы, целесообразно удерживать указанный уровень в заданных пределах.

Возврат фракции -6,0+3,0 мм наиболее оптимален, так как он в минимальной степени (на 8%) снижает производительность дробилки, но повышает производительность мельницы в 1,1 раза, т.е. на 10% Это также целесообразно, так как затраты на измельчение в мельнице много выше, чем в дробилке.

Снижение крупности фракции с 3,0 до 2,5 мм понижает производительность дробилки на 14% а выход цементной крупности с 30 до 27% что делает эту операцию нецелесообразной.

С помощью данного способа повышается производительность и снижается энергозатраты.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА, включающий двустадийный процесс переработки цементного клинкера с измельчением на второй стадии в мельнице, промежуточную и заключительную классификации, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и снижения энергозатрат при получении цемента с частицами увеличенной активной поверхности, на первой стадии цементный клинкер измельчают в конусной инерционной дробилке с поддержанием уровня материала над входом в камеру дробления в пределах 0,3 1,0 ее высоты и выделением из продуктов дробления частиц цементной крупности, соответствующей готовому продукту, и возвращают в дробилку на доизмельчение фракцию -6,0 +3,0 мм, а на второй стадии измельчают фракцию -3,0 мм.

www.findpatent.ru

Способ получения цемента

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при производстве цементов различного назначения с активными минеральными добавками. Технический результат - снижение расхода портландцементного клинкера на производство цемента, получение цемента с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами, переработка техногенных отходов. В способе получения цемента, включающем смешивание и совместный помол портландцементного клинкера с гипсом и активной минеральной алюминий-кремнийсодержащей добавкой, в качестве активной минеральной добавки используют техногенные термообработанные алюминий-кремнийсодержащие отходы переработки минерального сырья в виде золы-уноса ТЭС от сжигания углей, термообработанной при 950-1050°С и/или в виде золы терриконов - горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений, термообработанной при 600-850°С, которые подают на смешивание в количестве 5-25% от веса клинкера. 7 табл.

 

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при производстве добавочных цементов различного назначения.

Чтобы снизить энергетические и материальные затраты на производство цемента, изготовляют цементы составного типа, которые кроме клинкерной части содержат активные минеральные добавки. Замена части клинкера активной минеральной добавкой значительно экономит топливо и электроэнергию на производство цемента. Активные минеральные добавки вводят в состав цементов для улучшения их строительно-технических свойств. Активные минеральные добавки при затворении цемента водой взаимодействуют с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидратации портландцемента. Образующиеся при этом гидросиликаты кальция практически не растворимы в воде. Таким образом, растворимая составляющая цементного камня Са(ОН)2 переводится в нерастворимое соединение. В этом смысл использования активных минеральных добавок:

экономя клинкерную часть, они в то же время придают цементу ряд особых свойств.

В качестве природных активных минеральных добавок широко используют горные породы: диатомит, трепел, опоку, горелые глинистые породы - глиежи, породы вулканического происхождения: вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир, трасс.

Искусственные активные минеральные добавки представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные шлаки, белитовый (нефелиновый) шлам - отход глиноземного производства, зола-уноса - отход, образующийся при сжигании угля, отходы и побочные продукты добычи минерального сырья.

С точки зрения доступности, стоимости и экологической безопасности представляют интерес техногенные активные минеральные добавки, являющиеся, по сути, отходами и побочными продуктами различных добывающих и перерабатывающих производств.

Известно вяжущее, состоящее из портландцементного клинкера, двуводного гипса и добавки в виде щелочной алюмосиликатной породы -сыннырита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Сыннырит - 30 - 35

Двуводный гипс - 3

Портландцементный клинкер - остальное (патент РФ №2125545, С04В 7/12, 1999 г., [1]).

Основные недостатки известного решения - ограничения по применению в качестве активной минеральной добавки в производстве цементов и недостаточная сырьевая база (сыннырит является побочным продуктом при разработке месторождений минералов группы нефелинов).

Известен способ получения цемента, включающий двухстадийную переработку цементного клинкера с измельчением на второй стадии совместно с остальными материалами в мельнице открытого цикла, в котором на первой стадии цементный клинкер поэтапно дробят сначала в вертикальной роторной мельнице с предварительной и заключительной классификацией посредством грохота на куски мельче 5 мм. Далее материал дробят в ударной дробилке с вертикальным валом и с встроенным классификатором до крупности - 1,0 мм, и, наконец, в горизонтальной шаровой дробилке с сепаратором до удельной поверхности 2000-3000 см2/г по Блейну или клинкер совместно с кварцевым песком, взятым в соотношении от 1:1 до 1:0,5, дробят струйным методом в ударной дробилке с вертикальным валом. При этом другие компоненты цемента также предварительно перерабатывают. Доменный шлак тонко дробят в шаровой дробилке с сепаратором до удельной поверхности не менее 1500 см2/г по Блейну, золошлаки или золы-уноса размалывают в роликовой мельнице до удельной поверхности не менее 4000 см2/г по Блейну, известняки и гипсовый камень дробят последовательно в щековой и ударно-отражательной дробилках на куски мельче 5 мм, а на второй стадии помола все предварительно измельченные таким образом материалы совместно домалывают в шаровой мельнице открытого цикла до удельной поверхности цементного порошка 4000-5000 см2/г по Блейну (патент РФ №2388710, С04В 7/00, 2010 г.[2]).

Основной недостаток известного решения - сложная аппаратурно-технологическая схема, значительные энергетические затраты, что повышает себестоимость товарного продукта.

Известен способ изготовления цемента низкой водопотребности совместным помолом до удельной поверхности 400-700 м2/кг ингредиентов портландцементного клинкера, сульфатно-кальциевого ингредиента и модификатора, включающего ускоритель твердения и органический водопонижающий реагент, в котором в качестве указанного портландцементного клинкера используют гранулированный продукт обжига цементной сырьевой смеси, имеющей в своем составе примеси сульфатов и карбонатов щелочных металлов. Эти примеси обожжены в форме застывших на поверхности гранул указанного продукта капель и натеков безводных соединений и/или игл и сростков их кристаллогидратов, связанных в процессе помола ингредиентов органическим водопонижающиим реагентом с формированием солевой фазы ускорителя твердения в органическом реагенте в количестве 10-50% от массы последнего. Помол ведут при соотношении указанных ингредиентов в пределах соответственно 100:(1-7):(0,6-2,5) мас.ч. до достижения стехиометрии фазы алита в поверхностном слое частиц указанного клинкера, причем момент этого достижения и соответственно окончания помола устанавливают по критерию степени агрегации частиц указанного цемента, равной 5-15 об.% при гигроскопической влажности не более 3 мас.%.

В состав указанного цемента дополнительно может быть введена активная минеральная добавка и/или наполнитель при совместном или раздельном помоле с последующим смешением при массовых соотношениях портландцементного клинкера и активной минеральной добавки и/или наполнителя от 100: 5 до 100: 850 при гигроскопической влажности 0,01-3 мас.%.

В качестве активной минеральной добавки может быть использован один или два компонента из группы: гранулированный доменный шлак, топливный шлак, зола-уноса, вулканический пепел, пемза, туф, кварцевый песок, полевошпатовый песок, высевки от дробления гранита, хвосты обогащения руд, стеклобой, кирпичный бой, керамзитовая или стеклокерамзитовая пыль (патент РФ №2207995, С04 В7/52, 2003 г.[3]).

По назначению, технической сущности, наличию сходных признаков данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Получаемый по техническому решению цемент имеет высокие потребительские свойства, но вместе с тем, используемые активные минеральные добавки в большей части дефицитны или требуют дополнительной предварительной подготовки перед применением, что повышает себестоимость товарного продукта.

Задачами предлагаемого технического решения являются: снижение себестоимости и повышение качества цемента, расширение сырьевой базы для производства цемента за счет использования недефицитных техногенных отходов переработки минерального сырья.

Техническими результатами являются снижение расхода портландцементного клинкера на производство цемента, получение цемента с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами, переработка техногенных отходов.

Технические результаты достигаются тем, что в способе получения цемента, включающем смешивание и совместный помол портландцементного клинкера с гипсом и искусственной активной алюминий-кремнийсодержащей минеральной добавкой, содержащей золу - унос ТЭС от сжигания углей, в качестве искусственной активной минеральной добавки используют техногенные термообработанные алюминий - кремнийсодержащие отходы переработки минерального сырья в виде золы - уноса ТЭС от сжигания углей и/или в виде золы терриконов -горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений, которые подают на смешивание в количестве 5-25% от веса клинкера.

Кроме того, по предлагаемой технологии может быть приготовлен цемент, содержащий портландцементный клинкер, гипс и активную минеральную алюминий-кремнийсодержащей добавку в виде золы - уноса ТЭС от сжигания углей и/или в виде золы терриконов - горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений при следующем соотношении компонентов, вес.%:

гипс 4,5-7,5
зола - уноса ТЭС и/или зола терриконов 4,5-18,5
портландцементный клинкер остальное

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением по ближайшему аналогу показывает следующее.

Известное и предлагаемое решения характеризуются сходными общими признаками:

- использование для производства цемента портландцементного клинкера и гипса;

- использование активной алюминий - кремнийсодержащей минеральной добавки, содержащей золу - уноса;

- смешивание и совместный помол портландцементного клинкера с гипсом и активной алюминий - кремнийсодержащей минеральной добавкой; содержащей золу - уноса.

Предлагаемое решение отличается от известного решения следующими признаками:

- в качестве активной алюминий - кремнийсодержащей минеральной добавки используют термообработанные алюминий - кремнийсодержащие отходы переработки минерального сырья;

- в качестве термообработанных алюминий - кремнийсодержащих отходов переработки минерального сырья на смешивание и помол подают:

- золу - уноса ТЭС и золу терриконов - горелую породу шахтных отвалов угольных месторождений;

- золу - унос ТЭС и/или золу терриконов - горелую породу шахтных отвалов угольных месторождений в количестве 5-25% от веса клинкера.

Причем, на смешивание может быть подана смесь золы - уноса и золы терриконов в различных соотношениях в количестве 5-25% от веса клинкера или зола терриконов в количестве 5-25% от веса клинкера.

Наличие в предлагаемом решении признаков, отличительных от признаков, характеризующих решение, принятое в качестве ближайшего аналога, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «новизна».

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Используемые в предлагаемом решении техногенные отходы представляют собой искусственное, термообработанное минеральное сырье, образующееся при добыче и сжигании каменного угля. Зола уноса образуется в результате сжигания угля на тепловых станциях, улавливается электрофильтрами и в сухом состоянии используется на производственные нужды. Зола терриконов - горелая порода шахтных отвалов угольных месторождений - представляет собой продукт естественной термообработки породы, извлеченной из угольных шахт вместе с углем и складированной в виде искусственных насыпей - терриконов.

В случае золы - уноса термообработка материала происходит при 950-1050°С, в случае золы терриконов - при 600-850°С. Образующиеся в том и другом случае продукты обжига богаты дегидратированными глинистыми минералами, из которых образуются высокоактивные остатки кристаллов. Эти активные соединения на основе алюмосиликатов при затворении цемента водой взаимодействуют с гидроксидом кальция, образуя водонерастворимые гидросиликаты кальция, и повышают тем самым прочностные и эксплуатационные характеристики цемента.

При использовании предлагаемого технического решения реализуется вариант замкнутого технологического и экологического цикла, включающего добычу угля, его применение на ТЭС для производства электроэнергии и тепла, также утилизацию, как отходов добычи угля (золы терриконов), так и продуктов его сжигания в виде золы-уноса ТЭС в производстве цемента.

Замкнутый технологический цикл: добыча угля - производство электроэнергии и тепла - утилизация техногенных отходов - производство цемента, с точки зрения логистики требует размещения этих производств достаточно компактно на территории региона. В результате снижаются транспортные расходы, как на транспортировку угля от угольных разрезов и шахт к ТЭС или ТЭЦ, так и золы терриконов от отвалов угольных шахт и золы - уноса ТЭС к цементным заводам.

Применение в предлагаемом решении в качестве активной минеральной добавки техногенных термообработанных алюминий кремнийсодержащих отходов переработки минерального сырья направлено на решение сразу нескольких задач:

- расширение сырьевой базы эффективных, широкодоступных активных минеральных добавок для производства цемента;

- повышение качества и снижение себестоимости производства цемента;

- утилизация крупнотоннажных техногенных отходов добычи и переработки каменного угля.

Использование золы - уноса и/или золы терриконов в количестве 5-25% от веса клинкера обусловлено следующими обстоятельствами. Количество активной минеральной добавки, вводимой в добавочный цемент, определяется качеством клинкера. Чем выше качество клинкера, тем большее количество добавки может быть использовано при помоле цемента. При низкой активности клинкера ввод активной минеральной добавки минимален и может составлять 5-10% от веса клинкера. Клинкер высокого качества позволяет вводить при помоле максимальное количество активной минеральной добавки: 15-25% от веса клинкера. При введении золы - уноса и/или золы терриконов в количестве более 25% от веса клинкера активность получаемого цемента снижается ниже нормируемых показателей.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области показывает следующее.

1. Известен сульфатостойкий портландцемент, включающий портландцементный клинкер, сульфат кальция и изверженную алюмосиликатную горную породу с мелкокристаллической структурой, в котором указанная горная порода имеет размер кристаллов до 20 мкм и содержит минералы, представленные твердыми растворами авгитово -анортитового ряда. Кристаллы в структуре породы окружены стеклообразными прослойками, портландцементный клинкер содержит трехкальциевый алюминат С3А в количестве до 5 мас.%, а сумма трехкальциевого алюмината С3А и четырехкальциевого алюмоферрита C4AF в клинкере составляет не более 22 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Клинкер указанного состава 60-90

Сульфат кальция 2-8

Указанная горная порода - остальное

(патент РФ №2237627, С04В 7/02, 2004 г., [4]).

В известном решении в качестве активной минеральной добавки используют изверженную (термообработанную в естественных условиях) алюмосиликатную горную породу с мелкокристаллической структурой. Основной недостаток этого решения - дефицитность добавки.

2. Известен «Способ изготовления цемента, бетона на его основе и бетонных и железобетонных изделий и монолитных конструкций из полученного бетона» (патент ЕА 002673 В1, С04В 7/00, 2002 г., [5]), в котором в цемент посредством совместного и/или раздельного помола с последующим смешением дополнительно может быть введен гипсовый компонент и дополнительно при помоле и/или путем смешения может быть введен активный кремнезем в виде вторичного продукта кремниевого производства и/или пыль, уловленная из отходящих газов печей ферросплавного производства в количестве 0,2-10 мас.% от указанного цемента (п.46 формулы изобретения), может быть введена активная минеральная добавка в количестве 1-85 мас.% указанного цемента (п.47 формулы изобретения), может быть введен расширяющий компонент в виде глиноземистого клинкера или глиноземистого шлака в количестве 2,5-50 мас.% от указанного цемента (п.48 формулы изобретения).

3. Известен «Портландцементный клинкер, цемент на его основе и способ изготовления коррозиеустойчивого бетона» (патент РФ №2058952, С04В 7/02, 1996 г., [6]). В известном решении цемент может содержать активную минеральную добавку в количестве 5-50% к массе клинкера (п.5 по пп.3,4 формулы изобретения), в качестве активной минеральной добавки цемент может содержать термически обработанные материалы: дегидратированный каолин, или дегидратированную каолинитовую глину, или дегидратированную глину, или глинистый сланец, или горелую породу, или глиеж (п.8 по п.5 формулы изобретения), в качестве активной минеральной добавки цемент может содержать искусственный материал: доменный гранулированный шлак, или золу-уноса, или золо-шлак тепловых электростанций (п.9 по п.5 формулы изобретения).

При помоле клинкера (п.18 по п.17 формулы изобретения) вводят активную минеральную добавку в количестве 5-50% к массе клинкера и в качестве активной минеральной добавки (п.19 по п.18 формулы изобретения) используют опоку, или трепел, или диатомит, или вулканический пепел, или вулканический туф, или пемзу, или трасс, или дегидратированный каолин, или дегидратированную каолинитовую глину, или термически обработанный сланец, или горелую породу, или глиеж, или доменный гранулированный шлак, или золу-уноса или золо-шлак тепловых электростанций.

4. Известно смешивание золы-уноса, имеющей размер частиц не более 20 мкм, в количестве от 2 до 25% по весу с цементом, содержащим цементный клинкер, включающий Al2O3 и Fe2O3, в котором соотношение Al2O3 к Fe2O3 составляет от 0,05 до 0,62, а содержание C2S составляет 35-55% по весу (патент РФ №2199498, С04 В 7/02, 2003 г., [7]).

В отличие от известных решений в предлагаемом решении в качестве искусственной активной минеральной добавки используют комплексный компонент - техногенные термообработанные алюминий - кремний - содержащие отходы переработки минерального сырья в виде золы - уноса ТЭС от сжигания углей и/или в виде золы терриконов - горелой отработанной породы шахтных отвалов угольных месторождений. Кроме того, активные минеральные добавки подают на смешение и совместный помол с портландцементным клинкером и с гипсом в количестве 5-25% от веса клинкера. Эти техногенные термообработанные активные минеральные добавки эффективны при использовании в указанных пределах и являются доступными крупнотоннажными промышленными отходами добычи и переработки каменного угля.

В результате сравнительного анализа предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области не выявлено технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, использование которой позволяет достигать аналогичные технические и технико-экономические результаты.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом.

На смешивание и помол подают портландцементный клинкер, гипс в количестве 4,5-7,5% от веса клинкера и активную минеральную алюминий-кремнийсодержащей добавку в виде золы - уноса ТЭС от сжигания углей и/или в виде золы терриконов - горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений в количестве 5-25% от веса клинкера. В результате перемешивания и помола компонентов получают цемент с указанным в п.4 формулы изобретения соотношением компонентов.

Пример 1

Для оценки эффективности использования золы терриконов в качестве активной минеральной добавки использовались следующие материалы: клинкер Ангарского цементного завода, природный гипс Новонукутского месторождения (Иркутская обл.), зола уноса Иркутской ТЭЦ - 1 и горелые породы из шахтных терриконов Черемховского угольного бассейна (Иркутская обл.).

Состав исходных материалов приведен в таблицах 1 -5.

Таблица 2
Средний химический состав гипсового камня
Содержание соединений, % вес.
CaO SO3 MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 Прочие
30,30 32,25 5,54 5,53 0,55 0,74 25,09
Таблица 3
Средний химический состав золы уноса ТЭЦ-1
Содержание оксидов, % вес.
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO К2О Na2O MnO TiO2 SO3 P2O5
60,55 22,39 7,34 4,39 1,96 1,25 0,26 0,038 0,46 0,76 0,05
Таблица 4
Средний химический состав золы терриконов - горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений Черемховского угольного бассейна
Содержание оксидов, % вес.
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O MnO TiO2 SO2
65,6 18,7 6,03 2,2 2,6 1,9 0,35 0,027 0,30 0,29
Таблица 5
Усредненные физико-механические свойства зо терриконовой
Характеристики, размерность Значения
Естественная влажность, % вес. 8,8
Насыпная плотность, кг/м3 1085
Содержание зерен 0-5 мм, % вес. 58,6
Содержание зерен 5-70 мм, % вес. 41,4
Истинная плотность, г/см3 2,58
Прочность в цилиндре, г/см2 17,7
Водопоглощение, % вес. 15,3
Коэффициент размягчения 0,69

Оценка эффективности использования золы терриконов в качестве активной минеральной добавки в сравнении с золой уноса проводилась на цементах лабораторного помола с общим содержанием активной минеральной добавки 18% от веса портландцементного клинкера (ПЦК). С таким содержанием активной минеральной добавки были приготовлены 5 композиций. Состав и содержание гипсового камня (камень гипсовый - КГ), условия измельчения образцов во всех композициях были одинаковыми. Шестая композиция была приготовлена без золы уноса с содержанием золы терриконов 25% вес. Содержание золы уноса (ЗУ) и золы терриконовой (ЗТ) в композициях 1-6 менялось в заявляемых пределах (по пп.1-3 формулы изобретения). Седьмая композиция также содержала только золу терриконов в количестве 28% вес. и гипс. Результаты механических испытаний цементов с различными комбинациями активных минеральных добавок представлены в таблице 6.

Таблица 6
- Изменение механических свойств цементов от комбинации добавок (золы уноса и золы терриконовой)
Механические свойства Прочность образца, МПа
Композиция 1: ПЦК+0% ЗТ+18% ЗУ+5,2% КГ
1 Пропаренные в возрасте 1 сут. при изгибе 3,57
при сжатии 19,28
2 Твердение в воде, возраст 7 сут. при изгибе 3,61
при сжатии 23,02
3 Твердение в воде, возраст 28 сут. при изгибе 6,35
при сжатии 40,23
Композиция 2: ПЦК+5,5% ЗТ+12,5% ЗУ+5,2% КГ
1 Пропаренные в возрасте 1 сут. при изгибе 3,80
при сжатии 20,56
2 Твердение в воде, возраст 7 сут. при изгибе 3,77
при сжатии 23,58
3 Твердение в воде, возраст 28 сут. при изгибе 6,33
при сжатии 40,56
Композиция 3: ПЦК+9% ЗТ+9% ЗУ+5,2% КГ
1 Пропаренные в возрасте 1 сут. при изгибе 4,14
при сжатии 22,15
2 Твердение в воде, возраст 7 сут. при изгибе 3,90
при сжатии 24,58
3 Твердение в воде, возраст 28 сут. при изгибе 6,64
при сжатии 41,89
Композиция 4: ПЦК+12,5% ЗТ+5,5% ЗУ+5,2% КГ
1 Пропаренные в возрасте 1 сут. при изгибе 4,28
при сжатии 24,23
2 Твердение в воде, возраст 7 сут. при изгибе 4,41
при сжатии 26,22
3 Твердение в воде, возраст 28 сут. при изгибе 6,92
при сжатии 43,56
Композиция 5: ПЦК+18% ЗТ+0% ЗУ+5,2% КГ
1 Пропаренные в возрасте 1 сут. при изгибе 4,37
при сжатии 28,98
2 Твердение в воде, возраст 7 сут. при изгибе 4,58
при сжатии 29,56
3 Твердение в воде, возраст 28 сут. при изгибе 7,22
при сжатии 45,24
Композиция 6: ПЦК+25% ЗТ+0% ЗУ+5,2% КГ
1 Пропаренные в возрасте 1 сут. при изгибе 4,28
при сжатии 27,05
2 Твердение в воде, возраст 7 сут. при изгибе 4,40
при сжатии 28,80
3 Твердение в воде, возраст 28 сут. при изгибе 7,02
при сжатии 44,09
Композиция 7: ПЦК+28% ЗТ+0% ЗУ+5,2% КГ
Пропаренные в возрасте 1 сут. при изгибе 4,08
при сжатии 23,60
Твердение в воде, возраст 7 сут. при изгибе 3,89
при сжатии 26,45
при изгибе 6,67
Твердение в воде, возраст 28 сут. при сжатии 39,20

Из полученных результатов лабораторных опытов следует, что с уменьшением отношения золы уноса к золе терриконов при одинаковом расходе активной минеральной добавки прочность цементного камня в пластичных растворах, как при изгибе, так и при сжатии увеличивается вплоть до 25% ввода активной добавки. Увеличение прочности образцов с добавкой золы терриконов наблюдается при различных сроках твердения и после пропаривания. Причем наибольший эффект достигается в композиции, где в качестве активной минеральной добавки используется только зола терриконов. При введении золы терриконов более 25% вес. (композиция 7) снижается активность получаемого цемента.

Дополнительные показатели качества цемента с добавкой 18% золы терриконов (композиция 5, таблица 6) приведены в таблице 7.

Таблица 7
Качественные показатели цемента с золой терриконов качестве активной минеральной добавки.
Характеристики, размерность Показатели качества
Истинная плотность, г/см3 3,00
Насыпная плотность, г/см3 1,085
Тонкость помола: остаток на сите 0,08, % 13,8
Тонкость помола: удельная поверхность, м2/кг 326
Нормальная густота, % вес. 28,5
Начало схватывания, мин. 220
Конец схватывания, мин. 430
Коэффициент водоотведения, % 14,1

Исследования подтверждают гарантированную воспроизводимость результатов по предлагаемому техническому решению и возможность варьирования улучшенными потребительскими свойствами получаемого цемента в зависимости от технологических возможностей и потребностей.

Использование предлагаемого технического решения позволит расширить сырьевую базу цементной (строительной) промышленности, утилизировать техногенные термообработанные алюминий - кремний-содержащие отходы переработки минерального сырья, улучшить экологическую обстановку в районах добычи каменного угля и расположения ТЭС, снизить себестоимость производства цемента, повысить его качество и эксплуатационные свойства.

Источники информации

1. Патент РФ №2125 545, С04В 7/12, 1999 г.

2. Патент РФ №2388710, С04В 7/00, 2010 г.

3. Патент РФ №2207995, С04В 7/52, 2003 г.

4. Патент РФ №2237627, С04В 7/02, 2004 г.

5. Патент ЕА 002673 В1, С04В 7/00, 2002 г.

6. Патент РФ №2058952, С04В 7/02, 1996 г.

7. Патент РФ №2199498, С04В 7/02, 2003 г.

Способ получения цемента, включающий смешивание и совместный помол портландцементного клинкера с гипсом и активной минеральной алюминий-кремнийсодержащей добавкой, отличающийся тем, что в качестве активной минеральной добавки используют техногенные термообработанные алюминий-кремнийсодержащие отходы переработки минерального сырья в виде золы-уноса ТЭС от сжигания углей, термообработанной при 950-1050°С и/или в виде золы терриконов -горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений, термообработанной при 600-850°С, которые подают на смешивание в количестве 5-25% от веса клинкера.

www.findpatent.ru

Способ получения цемента

 

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к производству тампонажного цемента. Способ получения цемента состоит в смешивании и измельчении портландцементного клинкера, гипса и минеральной добавки - кремнеземистой осадочной породы, например трепела и опоки. Новым в способе является то, что перед смешиванием компонентов 75-85 % кремнеземистой осадочной породы нагревают до температуры 200-300oC, в частности, во вращающейся печи. Кроме того, перед смешиванием возможно введение углеродсодержащего компонента при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцементный клинкер 43-52; гипс 5-7; кремнеземистая осадочная порода 45-50; углеродсодержащий компонент 1-2. При таком ведении технологического процесса обеспечивается снижение плотности цементного раствора, увеличение водоцементного отношения и увеличение прочности. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к производству тампонажных цементов, облегченных для умеренных температур в соответствии с ГОСТ 1581-91.

Известны способы получения цементов [1-3] Наиболее близким к предлагаемому можно считать способ получения цемента тампонажного [3] Этот способ заключается в смешивании и измельчении портландцементного клинкера, гипса и минеральной добавки, в частности в виде кремнеземистой осадочной породы опоки.

Недостатком этого способа является повышенная плотность цементного раствора, низкое водоцементное отношение и недостаточная прочность образцов из него в виду низкой концентрации брендстедовских и льюисовских кислотных центров на поверхности минералов гидратных фаз.

Изобретение направлено на получение тампонажного цемента, предназначенного для обеспечения большой высоты подъема тампонажного цементного раствора в околотрубном пространстве скважин.

Технический результат, который может быть получен от использования изобретения, состоит в понижении плотности цементного раствора, повышении водоцементного отношения и повышении прочности образцов цементного раствора.

Для достижения технического результата перед смешиванием компонентов кремнеземистую осадочную породу в количестве 75-85 от общего ее количества нагревают до температуры 200-300oC.

При этом активная минеральная добавка, каковой является кремнеземистая осадочная порода, частично теряя химически связанную воду, приобретает дополнительную энергию активации на поверхности гидратных фаз, получаемых при затворении водой измельченной смеси портландцементного клинкера, гипса и минеральной добавки, что понижает плотность, повышает водоцементное отношение, а также прочность образцов цементного раствора.

Было установлено, что при введении нагретой кремнеземистой осадочной породы менее 75 от общего количества образуется недостаточно активных центров для получения указанных свойств.

При содержании нагретой добавки более 85 ввиду высокой концентрации активных кислотных центров снижается время схватывания цементного раствора.

При уменьшении температуры нагрева кремнеземистой осадочной породы менее 200oC не образуется достаточного количества активных кислотных центров, что не может обеспечить снижение плотности, повышение водоцементного отношения и прочности образцов цементного раствора.

При увеличении температуры нагрева выше 300oC образуется высокая концентрация активных кислотных центров, но снижает время схватывания цементного раствора.

Нагрев указанной кремнеземистой осадочной породы может производиться в различных агрегатах, например в муфельной печи, туннельной печи.

Однако наиболее предпочтительным является нагрев во вращающейся печи, поскольку противоток движения материала навстречу факелу и перемешивание материала в печи позволяет с высокой точностью выдержать параметры нагрева минеральной добавки для получения цементного раствора с заданными свойствами. При этом требуется менее тщательная подготовка материала по гранулометрическому составу, чем для муфельной и туннельной печей.

Дополнительным отличием предложенного способа является то, что перед смешиванием в композицию дополнительно вводят углеродсодержащий компонент при следующем соотношении компонентов, мас.

Портландцементный клинкер 43-52 Гипс 5-7 Кремнеземистая осадочная порода 45-60 Углеродсодержащий компонент 1-2 Углеродсодержащий компонент нейтрализует излишние кислотные центры, введенные нагретой кремнеземистой осадочной породой, и способствует повышению водоцементного отношения и сроков схватывания цементного раствора. Кроме того, углеродсодержащий компонент является интенсификатором помола цемента. Введение его менее 1 приводит к уменьшению сроков схватывания и налипанию частиц цемента на мелющие тела.

При содержании углеродсодержащего компонента более 2 увеличивается водоотделение цементного раствора.

Предлагаемый способ получения цемента заключается в следующем.

Для получения цемента берут портландцементный клинкер ТОО "Алит" (г. Сухой Лог), соответствующий ГОСТ 1581-91 п. 1.3.1. гипс Ергачинского месторождения, соответствующий ГОСТ 4013-82, минеральную добавку в виде кремнеземистой осадочной породы, в частности трепел и опока Сухоложского месторождения (в смеси содержание трепела 40-70 мас. опоки 30-60 мас.) и углеродсодержащий компонент, который является вскрышной породой Алтынайского месторождения антрацитовых углей и содержит, мас.

Легколетучие 450oC 6,0 Труднолетучие 950oC 1,7 SiO2 57,90 Al2O3 23,22 Fe2O3 3,42CaO 3,07Потери при прокаливании 0,13Для получения цемента по известному способу указанные портландцементный клинкер с кремнеземистой осадочной породой и гипсом измельчали в трубной мельнице в течений 30 мин до остатка на сите 008 15Для получения цемента по предлагаемому способу перед смешиванием 75-85 кремнеземистой осадочной породы от общего ее количества нагревали во вращающейся печи до температуры 200-300oC. Размеры кремнеземистой осадочной породы 0-100 мм. Затем смешивали портландцементный клинкер с нагретой кремнеземистой осадочной породой (75-85) и добавляли просушенную до влажности 15 кремнеземистую осадочную породу (15-25), а углеродсодержащую добавку вводили в гипс. Размеры углеродсодержащей добавки составляли 1-100 мм. Все компоненты поступали в трубную мельницу открытого цикла помола, где они измельчались в течении 30 мин до остатка на сите 008 15-18Составы шихт для получения цемента приведены в таблице: состав 1 по известному способу, состав 2 с нагретой кремнеземистой осадочной породой без углеродсодержащей добавки, составы 3-4 с нагретой кремнеземистой осадочной породой и углеродсодержащим компонентом.

В таблице приведены показатели цементного раствора. Растекаемость, плотность, водоотделение, время загустевания и сроки схватывания определялись по ГОСТ 267998-85 "Цементы тампонажные. Методы испытаний".

Предел прочности при изгибе определялся по ГОСТ 267998.2-85 "Цементы тампонажные. Методы испытаний".

Как видно из таблицы, плотность цементного раствора по предлагаемому способу ниже плотности по известному способу на 10-13 водоцементное отношение выше на 5-10 а предел прочности при изгибе образцов выше на 30-75

1. Способ получения цемента путем смешивания и измельчения портландцементного клинкера, гипса и минеральной добавки в виде кремнеземистой осадочной породы, отличающийся тем, что перед смешиванием и измельчением компонентов 75 85% кремнеземистой осадочной породы нагревают до 200 - 300oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед смешиванием дополнительно вводят углеродсодержащий компонент при следующем соотношении компонентов, мас.

Портландцементный клинкер 43 52Гипс 5 7Кремнеземистая осадочная порода 45 50Углеродсодержащий компонент 1 2з

Рисунок 1

www.findpatent.ru

способ получения цемента - патент РФ 2497767

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при производстве цементов различного назначения с активными минеральными добавками. Технический результат - снижение расхода портландцементного клинкера на производство цемента, получение цемента с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами, переработка техногенных отходов. В способе получения цемента, включающем смешивание и совместный помол портландцементного клинкера с гипсом и активной минеральной алюминий-кремнийсодержащей добавкой, в качестве активной минеральной добавки используют техногенные термообработанные алюминий-кремнийсодержащие отходы переработки минерального сырья в виде золы-уноса ТЭС от сжигания углей, термообработанной при 950-1050°С и/или в виде золы терриконов - горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений, термообработанной при 600-850°С, которые подают на смешивание в количестве 5-25% от веса клинкера. 7 табл.

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при производстве добавочных цементов различного назначения.

Чтобы снизить энергетические и материальные затраты на производство цемента, изготовляют цементы составного типа, которые кроме клинкерной части содержат активные минеральные добавки. Замена части клинкера активной минеральной добавкой значительно экономит топливо и электроэнергию на производство цемента. Активные минеральные добавки вводят в состав цементов для улучшения их строительно-технических свойств. Активные минеральные добавки при затворении цемента водой взаимодействуют с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидратации портландцемента. Образующиеся при этом гидросиликаты кальция практически не растворимы в воде. Таким образом, растворимая составляющая цементного камня Са(ОН) 2 переводится в нерастворимое соединение. В этом смысл использования активных минеральных добавок:

экономя клинкерную часть, они в то же время придают цементу ряд особых свойств.

В качестве природных активных минеральных добавок широко используют горные породы: диатомит, трепел, опоку, горелые глинистые породы - глиежи, породы вулканического происхождения: вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир, трасс.

Искусственные активные минеральные добавки представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные шлаки, белитовый (нефелиновый) шлам - отход глиноземного производства, зола-уноса - отход, образующийся при сжигании угля, отходы и побочные продукты добычи минерального сырья.

С точки зрения доступности, стоимости и экологической безопасности представляют интерес техногенные активные минеральные добавки, являющиеся, по сути, отходами и побочными продуктами различных добывающих и перерабатывающих производств.

Известно вяжущее, состоящее из портландцементного клинкера, двуводного гипса и добавки в виде щелочной алюмосиликатной породы -сыннырита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Сыннырит - 30 - 35

Двуводный гипс - 3

Портландцементный клинкер - остальное (патент РФ № 2125545, С04В 7/12, 1999 г., [1]).

Основные недостатки известного решения - ограничения по применению в качестве активной минеральной добавки в производстве цементов и недостаточная сырьевая база (сыннырит является побочным продуктом при разработке месторождений минералов группы нефелинов).

Известен способ получения цемента, включающий двухстадийную переработку цементного клинкера с измельчением на второй стадии совместно с остальными материалами в мельнице открытого цикла, в котором на первой стадии цементный клинкер поэтапно дробят сначала в вертикальной роторной мельнице с предварительной и заключительной классификацией посредством грохота на куски мельче 5 мм. Далее материал дробят в ударной дробилке с вертикальным валом и с встроенным классификатором до крупности - 1,0 мм, и, наконец, в горизонтальной шаровой дробилке с сепаратором до удельной поверхности 2000-3000 см2/г по Блейну или клинкер совместно с кварцевым песком, взятым в соотношении от 1:1 до 1:0,5, дробят струйным методом в ударной дробилке с вертикальным валом. При этом другие компоненты цемента также предварительно перерабатывают. Доменный шлак тонко дробят в шаровой дробилке с сепаратором до удельной поверхности не менее 1500 см2/г по Блейну, золошлаки или золы-уноса размалывают в роликовой мельнице до удельной поверхности не менее 4000 см2/г по Блейну, известняки и гипсовый камень дробят последовательно в щековой и ударно-отражательной дробилках на куски мельче 5 мм, а на второй стадии помола все предварительно измельченные таким образом материалы совместно домалывают в шаровой мельнице открытого цикла до удельной поверхности цементного порошка 4000-5000 см2/г по Блейну (патент РФ № 2388710, С04В 7/00, 2010 г.[2]).

Основной недостаток известного решения - сложная аппаратурно-технологическая схема, значительные энергетические затраты, что повышает себестоимость товарного продукта.

Известен способ изготовления цемента низкой водопотребности совместным помолом до удельной поверхности 400-700 м2/кг ингредиентов портландцементного клинкера, сульфатно-кальциевого ингредиента и модификатора, включающего ускоритель твердения и органический водопонижающий реагент, в котором в качестве указанного портландцементного клинкера используют гранулированный продукт обжига цементной сырьевой смеси, имеющей в своем составе примеси сульфатов и карбонатов щелочных металлов. Эти примеси обожжены в форме застывших на поверхности гранул указанного продукта капель и натеков безводных соединений и/или игл и сростков их кристаллогидратов, связанных в процессе помола ингредиентов органическим водопонижающиим реагентом с формированием солевой фазы ускорителя твердения в органическом реагенте в количестве 10-50% от массы последнего. Помол ведут при соотношении указанных ингредиентов в пределах соответственно 100:(1-7):(0,6-2,5) мас.ч. до достижения стехиометрии фазы алита в поверхностном слое частиц указанного клинкера, причем момент этого достижения и соответственно окончания помола устанавливают по критерию степени агрегации частиц указанного цемента, равной 5-15 об.% при гигроскопической влажности не более 3 мас.%.

В состав указанного цемента дополнительно может быть введена активная минеральная добавка и/или наполнитель при совместном или раздельном помоле с последующим смешением при массовых соотношениях портландцементного клинкера и активной минеральной добавки и/или наполнителя от 100: 5 до 100: 850 при гигроскопической влажности 0,01-3 мас.%.

В качестве активной минеральной добавки может быть использован один или два компонента из группы: гранулированный доменный шлак, топливный шлак, зола-уноса, вулканический пепел, пемза, туф, кварцевый песок, полевошпатовый песок, высевки от дробления гранита, хвосты обогащения руд, стеклобой, кирпичный бой, керамзитовая или стеклокерамзитовая пыль (патент РФ № 2207995, С04 В7/52, 2003 г.[3]).

По назначению, технической сущности, наличию сходных признаков данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Получаемый по техническому решению цемент имеет высокие потребительские свойства, но вместе с тем, используемые активные минеральные добавки в большей части дефицитны или требуют дополнительной предварительной подготовки перед применением, что повышает себестоимость товарного продукта.

Задачами предлагаемого технического решения являются: снижение себестоимости и повышение качества цемента, расширение сырьевой базы для производства цемента за счет использования недефицитных техногенных отходов переработки минерального сырья.

Техническими результатами являются снижение расхода портландцементного клинкера на производство цемента, получение цемента с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами, переработка техногенных отходов.

Технические результаты достигаются тем, что в способе получения цемента, включающем смешивание и совместный помол портландцементного клинкера с гипсом и искусственной активной алюминий-кремнийсодержащей минеральной добавкой, содержащей золу - унос ТЭС от сжигания углей, в качестве искусственной активной минеральной добавки используют техногенные термообработанные алюминий - кремнийсодержащие отходы переработки минерального сырья в виде золы - уноса ТЭС от сжигания углей и/или в виде золы терриконов -горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений, которые подают на смешивание в количестве 5-25% от веса клинкера.

Кроме того, по предлагаемой технологии может быть приготовлен цемент, содержащий портландцементный клинкер, гипс и активную минеральную алюминий-кремнийсодержащей добавку в виде золы - уноса ТЭС от сжигания углей и/или в виде золы терриконов - горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений при следующем соотношении компонентов, вес.%:

гипс4,5-7,5
зола - уноса ТЭС и/или зола терриконов 4,5-18,5
портландцементный клинкеростальное

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением по ближайшему аналогу показывает следующее.

Известное и предлагаемое решения характеризуются сходными общими признаками:

- использование для производства цемента портландцементного клинкера и гипса;

- использование активной алюминий - кремнийсодержащей минеральной добавки, содержащей золу - уноса;

- смешивание и совместный помол портландцементного клинкера с гипсом и активной алюминий - кремнийсодержащей минеральной добавкой; содержащей золу - уноса.

Предлагаемое решение отличается от известного решения следующими признаками:

- в качестве активной алюминий - кремнийсодержащей минеральной добавки используют термообработанные алюминий - кремнийсодержащие отходы переработки минерального сырья;

- в качестве термообработанных алюминий - кремнийсодержащих отходов переработки минерального сырья на смешивание и помол подают:

- золу - уноса ТЭС и золу терриконов - горелую породу шахтных отвалов угольных месторождений;

- золу - унос ТЭС и/или золу терриконов - горелую породу шахтных отвалов угольных месторождений в количестве 5-25% от веса клинкера.

Причем, на смешивание может быть подана смесь золы - уноса и золы терриконов в различных соотношениях в количестве 5-25% от веса клинкера или зола терриконов в количестве 5-25% от веса клинкера.

Наличие в предлагаемом решении признаков, отличительных от признаков, характеризующих решение, принятое в качестве ближайшего аналога, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «новизна».

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Используемые в предлагаемом решении техногенные отходы представляют собой искусственное, термообработанное минеральное сырье, образующееся при добыче и сжигании каменного угля. Зола уноса образуется в результате сжигания угля на тепловых станциях, улавливается электрофильтрами и в сухом состоянии используется на производственные нужды. Зола терриконов - горелая порода шахтных отвалов угольных месторождений - представляет собой продукт естественной термообработки породы, извлеченной из угольных шахт вместе с углем и складированной в виде искусственных насыпей - терриконов.

В случае золы - уноса термообработка материала происходит при 950-1050°С, в случае золы терриконов - при 600-850°С. Образующиеся в том и другом случае продукты обжига богаты дегидратированными глинистыми минералами, из которых образуются высокоактивные остатки кристаллов. Эти активные соединения на основе алюмосиликатов при затворении цемента водой взаимодействуют с гидроксидом кальция, образуя водонерастворимые гидросиликаты кальция, и повышают тем самым прочностные и эксплуатационные характеристики цемента.

При использовании предлагаемого технического решения реализуется вариант замкнутого технологического и экологического цикла, включающего добычу угля, его применение на ТЭС для производства электроэнергии и тепла, также утилизацию, как отходов добычи угля (золы терриконов), так и продуктов его сжигания в виде золы-уноса ТЭС в производстве цемента.

Замкнутый технологический цикл: добыча угля - производство электроэнергии и тепла - утилизация техногенных отходов - производство цемента, с точки зрения логистики требует размещения этих производств достаточно компактно на территории региона. В результате снижаются транспортные расходы, как на транспортировку угля от угольных разрезов и шахт к ТЭС или ТЭЦ, так и золы терриконов от отвалов угольных шахт и золы - уноса ТЭС к цементным заводам.

Применение в предлагаемом решении в качестве активной минеральной добавки техногенных термообработанных алюминий кремнийсодержащих отходов переработки минерального сырья направлено на решение сразу нескольких задач:

- расширение сырьевой базы эффективных, широкодоступных активных минеральных добавок для производства цемента;

- повышение качества и снижение себестоимости производства цемента;

- утилизация крупнотоннажных техногенных отходов добычи и переработки каменного угля.

Использование золы - уноса и/или золы терриконов в количестве 5-25% от веса клинкера обусловлено следующими обстоятельствами. Количество активной минеральной добавки, вводимой в добавочный цемент, определяется качеством клинкера. Чем выше качество клинкера, тем большее количество добавки может быть использовано при помоле цемента. При низкой активности клинкера ввод активной минеральной добавки минимален и может составлять 5-10% от веса клинкера. Клинкер высокого качества позволяет вводить при помоле максимальное количество активной минеральной добавки: 15-25% от веса клинкера. При введении золы - уноса и/или золы терриконов в количестве более 25% от веса клинкера активность получаемого цемента снижается ниже нормируемых показателей.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области показывает следующее.

1. Известен сульфатостойкий портландцемент, включающий портландцементный клинкер, сульфат кальция и изверженную алюмосиликатную горную породу с мелкокристаллической структурой, в котором указанная горная порода имеет размер кристаллов до 20 мкм и содержит минералы, представленные твердыми растворами авгитово -анортитового ряда. Кристаллы в структуре породы окружены стеклообразными прослойками, портландцементный клинкер содержит трехкальциевый алюминат С3А в количестве до 5 мас.%, а сумма трехкальциевого алюмината С3А и четырехкальциевого алюмоферрита C4AF в клинкере составляет не более 22 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Клинкер указанного состава 60-90

Сульфат кальция 2-8

Указанная горная порода - остальное

(патент РФ № 2237627, С04В 7/02, 2004 г., [4]).

В известном решении в качестве активной минеральной добавки используют изверженную (термообработанную в естественных условиях) алюмосиликатную горную породу с мелкокристаллической структурой. Основной недостаток этого решения - дефицитность добавки.

2. Известен «Способ изготовления цемента, бетона на его основе и бетонных и железобетонных изделий и монолитных конструкций из полученного бетона» (патент ЕА 002673 В1, С04В 7/00, 2002 г., [5]), в котором в цемент посредством совместного и/или раздельного помола с последующим смешением дополнительно может быть введен гипсовый компонент и дополнительно при помоле и/или путем смешения может быть введен активный кремнезем в виде вторичного продукта кремниевого производства и/или пыль, уловленная из отходящих газов печей ферросплавного производства в количестве 0,2-10 мас.% от указанного цемента (п.46 формулы изобретения), может быть введена активная минеральная добавка в количестве 1-85 мас.% указанного цемента (п.47 формулы изобретения), может быть введен расширяющий компонент в виде глиноземистого клинкера или глиноземистого шлака в количестве 2,5-50 мас.% от указанного цемента (п.48 формулы изобретения).

3. Известен «Портландцементный клинкер, цемент на его основе и способ изготовления коррозиеустойчивого бетона» (патент РФ № 2058952, С04В 7/02, 1996 г., [6]). В известном решении цемент может содержать активную минеральную добавку в количестве 5-50% к массе клинкера (п.5 по пп.3,4 формулы изобретения), в качестве активной минеральной добавки цемент может содержать термически обработанные материалы: дегидратированный каолин, или дегидратированную каолинитовую глину, или дегидратированную глину, или глинистый сланец, или горелую породу, или глиеж (п.8 по п.5 формулы изобретения), в качестве активной минеральной добавки цемент может содержать искусственный материал: доменный гранулированный шлак, или золу-уноса, или золо-шлак тепловых электростанций (п.9 по п.5 формулы изобретения).

При помоле клинкера (п.18 по п.17 формулы изобретения) вводят активную минеральную добавку в количестве 5-50% к массе клинкера и в качестве активной минеральной добавки (п.19 по п.18 формулы изобретения) используют опоку, или трепел, или диатомит, или вулканический пепел, или вулканический туф, или пемзу, или трасс, или дегидратированный каолин, или дегидратированную каолинитовую глину, или термически обработанный сланец, или горелую породу, или глиеж, или доменный гранулированный шлак, или золу-уноса или золо-шлак тепловых электростанций.

4. Известно смешивание золы-уноса, имеющей размер частиц не более 20 мкм, в количестве от 2 до 25% по весу с цементом, содержащим цементный клинкер, включающий Al2O3 и Fe2 O3, в котором соотношение Al2O3 к Fe2O3 составляет от 0,05 до 0,62, а содержание C2S составляет 35-55% по весу (патент РФ № 2199498, С04 В 7/02, 2003 г., [7]).

В отличие от известных решений в предлагаемом решении в качестве искусственной активной минеральной добавки используют комплексный компонент - техногенные термообработанные алюминий - кремний - содержащие отходы переработки минерального сырья в виде золы - уноса ТЭС от сжигания углей и/или в виде золы терриконов - горелой отработанной породы шахтных отвалов угольных месторождений. Кроме того, активные минеральные добавки подают на смешение и совместный помол с портландцементным клинкером и с гипсом в количестве 5-25% от веса клинкера. Эти техногенные термообработанные активные минеральные добавки эффективны при использовании в указанных пределах и являются доступными крупнотоннажными промышленными отходами добычи и переработки каменного угля.

В результате сравнительного анализа предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области не выявлено технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, использование которой позволяет достигать аналогичные технические и технико-экономические результаты.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом.

На смешивание и помол подают портландцементный клинкер, гипс в количестве 4,5-7,5% от веса клинкера и активную минеральную алюминий-кремнийсодержащей добавку в виде золы - уноса ТЭС от сжигания углей и/или в виде золы терриконов - горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений в количестве 5-25% от веса клинкера. В результате перемешивания и помола компонентов получают цемент с указанным в п.4 формулы изобретения соотношением компонентов.

Пример 1

Для оценки эффективности использования золы терриконов в качестве активной минеральной добавки использовались следующие материалы: клинкер Ангарского цементного завода, природный гипс Новонукутского месторождения (Иркутская обл.), зола уноса Иркутской ТЭЦ - 1 и горелые породы из шахтных терриконов Черемховского угольного бассейна (Иркутская обл.).

Состав исходных материалов приведен в таблицах 1 -5.

Таблица 2
Средний химический состав гипсового камня
Содержание соединений, % вес.
CaOSO3 MgOSiO2 Al2O3Fe2 O3Прочие
30,3032,255,54 5,530,55 0,7425,09
Таблица 3
Средний химический состав золы уноса ТЭЦ-1
Содержание оксидов, % вес.
SiO 2Al2O3 Fe2O3 CaOMgOК2 ОNa2O MnOTiO2 SO3P2O5
60,55 22,397,344,39 1,961,25 0,260,0380,46 0,760,05
Таблица 4
Средний химический состав золы терриконов - горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений Черемховского угольного бассейна
Содержание оксидов, % вес.
SiO2 Al2O3Fe2 O3CaO MgOK2O Na2OMnO TiO2SO2
65,618,7 6,032,22,6 1,90,35 0,0270,300,29
Таблица 5
Усредненные физико-механические свойства зо терриконовой
Характеристики, размерность Значения
Естественная влажность, % вес.8,8
Насыпная плотность, кг/м31085
Содержание зерен 0-5 мм, % вес. 58,6
Содержание зерен 5-70 мм, % вес.41,4
Истинная плотность, г/см3 2,58
Прочность в цилиндре, г/см 217,7
Водопоглощение, % вес.15,3
Коэффициент размягчения 0,69

Оценка эффективности использования золы терриконов в качестве активной минеральной добавки в сравнении с золой уноса проводилась на цементах лабораторного помола с общим содержанием активной минеральной добавки 18% от веса портландцементного клинкера (ПЦК). С таким содержанием активной минеральной добавки были приготовлены 5 композиций. Состав и содержание гипсового камня (камень гипсовый - КГ), условия измельчения образцов во всех композициях были одинаковыми. Шестая композиция была приготовлена без золы уноса с содержанием золы терриконов 25% вес. Содержание золы уноса (ЗУ) и золы терриконовой (ЗТ) в композициях 1-6 менялось в заявляемых пределах (по пп.1-3 формулы изобретения). Седьмая композиция также содержала только золу терриконов в количестве 28% вес. и гипс. Результаты механических испытаний цементов с различными комбинациями активных минеральных добавок представлены в таблице 6.

Таблица 6
- Изменение механических свойств цементов от комбинации добавок (золы уноса и золы терриконовой)
Механические свойства Прочность образца, МПа
Композиция 1: ПЦК+0% ЗТ+18% ЗУ+5,2% КГ
1 Пропаренные в возрасте 1 сут.при изгибе 3,57
при сжатии 19,28
2Твердение в воде, возраст 7 сут.при изгибе 3,61
при сжатии23,02
3 Твердение в воде, возраст 28 сут. при изгибе6,35
при сжатии 40,23
Композиция 2: ПЦК+5,5% ЗТ+12,5% ЗУ+5,2% КГ
1Пропаренные в возрасте 1 сут.при изгибе 3,80
при сжатии 20,56
2Твердение в воде, возраст 7 сут.при изгибе 3,77
при сжатии 23,58
3Твердение в воде, возраст 28 сут.при изгибе 6,33
при сжатии 40,56
Композиция 3: ПЦК+9% ЗТ+9% ЗУ+5,2% КГ
1Пропаренные в возрасте 1 сут.при изгибе 4,14
при сжатии22,15
2Твердение в воде, возраст 7 сут.при изгибе 3,90
при сжатии24,58
3Твердение в воде, возраст 28 сут.при изгибе 6,64
при сжатии41,89
Композиция 4: ПЦК+12,5% ЗТ+5,5% ЗУ+5,2% КГ
1Пропаренные в возрасте 1 сут.при изгибе 4,28
при сжатии24,23
2Твердение в воде, возраст 7 сут.при изгибе 4,41
при сжатии26,22
3Твердение в воде, возраст 28 сут.при изгибе 6,92
при сжатии43,56
Композиция 5: ПЦК+18% ЗТ+0% ЗУ+5,2% КГ
1Пропаренные в возрасте 1 сут.при изгибе 4,37
при сжатии28,98
2Твердение в воде, возраст 7 сут.при изгибе 4,58
при сжатии29,56
3Твердение в воде, возраст 28 сут.при изгибе 7,22
при сжатии45,24
Композиция 6: ПЦК+25% ЗТ+0% ЗУ+5,2% КГ
1Пропаренные в возрасте 1 сут.при изгибе 4,28
при сжатии27,05
2Твердение в воде, возраст 7 сут.при изгибе 4,40
при сжатии28,80
3Твердение в воде, возраст 28 сут.при изгибе 7,02
при сжатии44,09
Композиция 7: ПЦК+28% ЗТ+0% ЗУ+5,2% КГ
Пропаренные в возрасте 1 сут.при изгибе 4,08
при сжатии23,60
Твердение в воде, возраст 7 сут.при изгибе3,89
при сжатии26,45
при изгибе 6,67
Твердение в воде, возраст 28 сут.при сжатии 39,20

Из полученных результатов лабораторных опытов следует, что с уменьшением отношения золы уноса к золе терриконов при одинаковом расходе активной минеральной добавки прочность цементного камня в пластичных растворах, как при изгибе, так и при сжатии увеличивается вплоть до 25% ввода активной добавки. Увеличение прочности образцов с добавкой золы терриконов наблюдается при различных сроках твердения и после пропаривания. Причем наибольший эффект достигается в композиции, где в качестве активной минеральной добавки используется только зола терриконов. При введении золы терриконов более 25% вес. (композиция 7) снижается активность получаемого цемента.

Дополнительные показатели качества цемента с добавкой 18% золы терриконов (композиция 5, таблица 6) приведены в таблице 7.

Таблица 7
Качественные показатели цемента с золой терриконов качестве активной минеральной добавки.
Характеристики, размерностьПоказатели качества
Истинная плотность, г/см3 3,00
Насыпная плотность, г/см31,085
Тонкость помола: остаток на сите 0,08, %13,8
Тонкость помола: удельная поверхность, м2/кг 326
Нормальная густота, % вес. 28,5
Начало схватывания, мин.220
Конец схватывания, мин.430
Коэффициент водоотведения, % 14,1

Исследования подтверждают гарантированную воспроизводимость результатов по предлагаемому техническому решению и возможность варьирования улучшенными потребительскими свойствами получаемого цемента в зависимости от технологических возможностей и потребностей.

Использование предлагаемого технического решения позволит расширить сырьевую базу цементной (строительной) промышленности, утилизировать техногенные термообработанные алюминий - кремний-содержащие отходы переработки минерального сырья, улучшить экологическую обстановку в районах добычи каменного угля и расположения ТЭС, снизить себестоимость производства цемента, повысить его качество и эксплуатационные свойства.

Источники информации

1. Патент РФ № 2125 545, С04В 7/12, 1999 г.

2. Патент РФ № 2388710, С04В 7/00, 2010 г.

3. Патент РФ № 2207995, С04В 7/52, 2003 г.

4. Патент РФ № 2237627, С04В 7/02, 2004 г.

5. Патент ЕА 002673 В1, С04В 7/00, 2002 г.

6. Патент РФ № 2058952, С04В 7/02, 1996 г.

7. Патент РФ № 2199498, С04В 7/02, 2003 г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения цемента, включающий смешивание и совместный помол портландцементного клинкера с гипсом и активной минеральной алюминий-кремнийсодержащей добавкой, отличающийся тем, что в качестве активной минеральной добавки используют техногенные термообработанные алюминий-кремнийсодержащие отходы переработки минерального сырья в виде золы-уноса ТЭС от сжигания углей, термообработанной при 950-1050°С и/или в виде золы терриконов -горелой породы шахтных отвалов угольных месторождений, термообработанной при 600-850°С, которые подают на смешивание в количестве 5-25% от веса клинкера.

www.freepatent.ru


Смотрите также