Производство портландцемента

Трехкальциевый  алюминат – самый активный клинкерный минерал, отличающийся быстрым взаимодействием с водой. Его тепловыделение при полной гидратации почти в два раза больше, чем у алита, а за трое суток составляет не менее 80% от общего тепловыделения. Однако продукт его твердения имеет повышенную пористость, низкие прочность и долговечность. Быстрое твердение C₃А вызывает раннее структурообразование в цементном тесте и сильно ускоряет сроки схватывания (всего за несколько минут). Если не ввести добавку гипса, то получится цемент «быстряк», бетонные смеси на котором из – за преждевременного схватывания не успевают хорошо перемешать и уложить в форму.

 Четырехкальциевый алюмоферрит – характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым силикатами. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки ниже, чем у алита, и несколько выше, чем у белита.

Располагая данными о минеральном  составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее  предопределить основные свойства цемента  и особенности его твердения  в различных условиях эксплуатации (рис.1). 

Рис.1.Наростание прочности минералов 

клинкера  портландцемента:1- C₃S;

                                                                                          2- C₄AF; 3- C₂S; 4- C₃А.

3. Расчет состава сырьевой смеси и клинкера

Состав портландцементного клинкера характеризуется:

• Химическим составом клинкера;
• Химико-минералогическим составом клинкера.

Химический  состав характеризуется содержанием оксидов: CaO – 62-67%; SiO₂ – 20-24%; Al₂O₃ – 4-7%; Fe₂O₃ – 2-5%; MgO – 0,35-4,5%; SO₃ – 0,3-1%  . В состав также входят примеси Na₂O, K₂O, TiO₂, S.

Химико-минералогический состав клинкера характеризуется содержанием оксидов и минералов его составляющих в процентах и выражается значениями коэффициента насыщения кремнезема SiO₂ оксидом кальция CaO и модулями.

Коэффициент насыщения  КН колеблется  в пределах 0,80 – 0,95; силикатный (кремнеземный) модуль n – 1,7-3,5; глиноземный модуль (алюминатный) p – 1,0-3,0; гидравлический модуль m – 1,9-2,4.

Величина КН и модулей определяются по следующим формулам: 

       _{;                                      ;}

  ;                              

где   CaO; Al₂O₃; Fe₂O₃; SiO₂ и т.д. – содержание окислов в портландцементном клинкере, %;

КН – показатель, характеризующий неполную насыщенность кремнезема оксидом кальция в процессе клинкерообразования. КН представляет собой отношение количества оксида кальция, остающегося после полного насыщения глинозема, и оксида железа соответственно до 3CaO∙ Al₂O₃ и 4CaO∙ Al₂O₃∙ Fe₂O₃ к такому количеству оксида кальция, которое необходимо для полного насыщения кремнезема до 3CaO∙SiO₂.                                

Силикатный  модуль представляет собой отношение процентного содержания в клинкере оксида кремния к сумме процентного содержания оксидов алюминия и железа.

Глиноземный модуль показывает процентное отношение содержания глинозема к содержанию оксида железа.

 Гидравлический модуль представляет собой отношение весового процентного содержания окиси кальция к суммарному процентному содержанию кислотных оксидов.

Минералогический (фазовый) состав клинкера характеризуется следующими основными соединениями (минералами), %: 3CaO∙SiO₂ ; 2CaO∙SiO₂; 3CaO∙ Al₂O₃; 4CaO∙ Al₂O₃∙ Fe₂O₃.

Наиболее распространен способ расчета сырьевой смеси по значениям КН и модулей.

Число сырьевых компонентов должно быть на единицу  больше числа заданных характеристик. Поэтому если задаются только величиной  КН, то сырьевая смесь составляется из двух компонентов (например, мел  и глина); если кроме КН задаются еще величиной одного из модулей (глиноземного или силикатного), то сырьевая должна состоять из трех компонентов  и т.д.

Для удобства расчетов и возможности контроля правильности вычислений химический состав сырьевых материалов, приводят к сумме, равной 100%.

Все вычисления при расчете сырьевой смеси ведут  с точностью до 0,001%. В расчетных  формулах приняты условные сокращения CaO – C, SiO₂ – S, Al₂O₃ – A, Fe₂O₃ – F, причем содержание окислов в каждом из сырьевых компонентов обозначено буквами с индексом, показывающим принадлежность окислов к тому или иному компоненту. Содержание окислов в готовом продукте обозначено буквами без индекса, а в сырьевой смеси – буквами с индексом 0.

3.1. Расчет смеси

Нам задан химический состав обоих исходных материалов, приведенный в табл.2. Задана величина КН = 0,93.

Если принять, что в сырьевой смеси на 1 весовую  часть первого приходится х весовых  частей второго, можно написать равенства:

                 C₀=_{;           F0}=_{;          A0}=         _S0=_.

Подставляя указанные  значения C₀, F₀, A₀ и S₀ в упрощенную формулу КН, принятую для расчета сырьевой смеси, получим

                                            КН=

решая это уравнения  относительно х, получим расчетную  формулу для определения соотношения  между первым и вторым компонентами:

                                            х=_.

В упрощенной формуле  КН отсутствуют поправки на свободную  окись кальция и свободный  кремнезем, так как невозможно точно  предугадать их содержание в клинкере. Необходимо стремиться к тому, чтобы  при обжиге клинкера CaO и кремнезем полностью связывались в клинкерные минералы. В упрощенной формуле не учитывается также количество окиси кальция, связанной серным ангидритом, так как часть серы, присутствующая в сырье в виде сульфидных соединений, выгорает и окисляется, а серный ангидрид, сернокислых соединений вследствие диссоциации при обжиге CaO и SiO₂, можно определить только после обжига.

Таблица 2

Химический  состав исходных материалов, %

 

ппп – потери при прокаливании. Это органические примеси, выгорающие при обжиге сырьевой смеси портландцемента.

Для пересчета  содержания химического состава  сырьевых компонентов на сумму, равную 100%, находим значения коэффициента k:

                              k₁==1,0027;           k₂= =

Производим пересчет компонентов с учетом полученных коэффициентов. Данные пересчета приводятся в табл.3 
 

Таблица 3

Химический  состав сырья в  пересчете на 100%

 

Определяем соотношения  между двумя сырьевыми компонентами, задаваясь величиной КН:

х = =

Таким образом, на одну весовую часть глины приходится 5,407 весовых частей известняка. Сырьевая смесь будет состоять из 6,407 весовых  частей, то есть содержание известняка в смеси – 84,39%, а глины – 15,61.

Производим расчет химического состава сырьевой смеси  в весовых частях. Для этого  умножим каждое значение данное в  табл.3 на процентное содержание соответствующего элемента. Для известняка – 0,8439; для  глины – 0,1561. Конечные значения приведены в табл.4. 

Таблица 4

Химический  состав сырьевой смеси, %

 

Рассчитаем химический состав клинкера. Состав клинкера определяется путем перерасчета состава сырьевой смеси на прокаленное вещество. Для  этого умножаем количество каждого  окисла на коэффициент z. Данные вычислений приведены в табл.5.

 Z= 
 

Таблица 5

Химический  состав клинкера, %