|
Обжиг — завершающая
технологическая операция производства клинкера. В процессе обжига из сырьевой
смеси определенного химического состава получают клинкер, состоящий из
четырех основных клинкерных минералов.
В состав клинкерных минералов входит каждый из исходных
компонентов сырьевой смеси. Например, трехкальциевый силикат 3Ca0-Si02,
основной клинкерный минерал, образуется из трех молекул СаО — окисла минерала
известняка и одной молекулы Si02— окисла минерала глины. Аналогично
получаются и другие три клинкерных минерала — двухкальциевый силикат —
2Ca0-Si02, трехкальциевый алюминат — ЗСа0-А1203 и четы- рехкальциевый
алюмоферрит — 4СаО А1203 • Fe203. Таким образом, для образования клинкера
минералы одного сырьевого компонента — известняка и минералы второго
компонента — глины должны химически прореагировать между собой.
В обычных условиях компоненты сырьевой смеси — известняк,
глина 'и др.—инертны, т. е. они не вступают в реакцию один с другим. При
нагревании они становятся активными и начинают взаимно проявлять реакционную
способность. Объясняется это тем, что с повышением температуры энергия
движущихся молекул твердых веществ становится столь значительной, что между
ними возможен взаимный обмен молекулами и атомами с образованием нового
соединения. Образование нового вещества в результате реакции двух или
нескольких твердых веществ называют реакцией в твердых фазах.
Однако скорость химической реакции еще более возрастает,
если часть материалов расплавляется, образуя жидкую фазу. Такое частичное
плавление получило название спекания, а материал — спекшимся.
Портландцементный клинкер обжигают до спекания. Спекание, т. е. образование
жидкой фазы, необходимо для более полного химического усвоения окиси кальция
СаО кремнеземом Si02 и получения при этом трехкальциевого силиката ЗСаО •
Si02.
Частичное плавление клинкерных сырьевых материалов
начинается с температуры 1300° С. Для ускорения реакции образо
вания трехкальциевого силиката температуру обжига клинкера
увеличивают до 1450° С.
В качестве установок для получения клинкера могут быть
использованы различные по своей конструкции и принципу действия тепловые
агрегаты. Однако в основном для этой цели применяют вращающиеся печи, в них
получают примерно 95% клинкера от общего выпуска, 3,5% клинкера получают в
шахтных печах и оставшиеся 1,5% — в тепловых агрегатах других систем —
спекательных решетках, реакторах для обжига клинкера во взвешенном состоянии
или в кипящем слое. Вращающиеся печи являются основным тепловым агрегатом как
при мокром, так и при сухом способах производства клинкера.
Обжигательным аппаратом вращающейся печи является барабан,
футерованный внутри огнеупорными материалами. Барабан установлен с наклоном
на роликовые опоры.
С поднятого конца в барабан поступает жидкий шлам или
гранулы. В результате вращения барабана шлам перемещается к опущенному концу.
Топливо подается в барабан и сгорает со стороны опущенного конца.
Образующиеся при этом раскаленные дымовые газы продвигаются навстречу
обжигаемому материалу и нагревают его. Обожженный материал в виде клинкера
выходит из барабана.
В качестве топлива для вращающейся печи применяют угольную
пыль, мазут или природный газ. Твердое и жидкое топливо подают в печь в
распыленном состоянии. Воздух, необходимый для сгорания топлива, вводят в
печь вместе с топливом, а также дополнительно подают из холодильника печи. В
холодильнике он подогревается теплом раскаленного клинкера, охлаждая
последний при этом. Воздух, который вводится в печь вместе с топливом,
называется первичным, а получаемый из холодильника печи — вторичным.
Образовавшиеся при сгорании топлива раскаленные газы
продвигаются навстречу обжигаемому материалу, нагревают его, а сами
охлаждаются. В результате температура материалов в барабане по мере их
движения все время возрастает, а температура газов — снижается.
распределение температуры материала и газового потока по
длине барабана вращающейся печи. По оси абсцисс (горизонтальная ось) отложена
длина отдельных зон печи в процентах к общей длине барабана печи, а по оси
ординат — температура в каждой точке печи материала и газового потока.
Ломаный характер кривой температуры материала показывает,
что при нагревании сырьевой смеси в ней происходят различные
физико-химические процессы, в одних случаях тормозящие нагревание (пологие
участки), а в других—способствующие резкому нагреванию (крутые участки).
Сущность этих процессов состоит в следующем.
Сырьевой шлам, имеющий температуру окружающего воздуха,
попадая в печь, подвергается резкому воздействию высокой температуры
отходящих дымовых газов и нагревается. Температура отходящих газов при этом
снижается примерно от 800—1 ООО до 160—250° С.
При нагревании шлам вначале разжижается, а затем
загустевает и при потере значительного количества воды превращается в крупные
комья, которые при дальнейшем нагревании превращаются в зерна — гранулы.
Процесс испарения из шлама механически примешанной к нему
воды (сушка шлама) длится примерно до температуры 200° С, так как влага,
содержащаяся в тонких порах и капиллярах материала, испаряется медленно.
По характеру процессов, протекающих в шламе при
температурах до 200° С, эта зона печи называется зоной испарения (/).
По мере дальнейшего продвижения материал попадает в
область более высоких температур и в сырьевой смеси начинают происходить
химические процессы: при температуре свыше 200—300° С выгорают органические
примеси и теряется вода, содержащаяся в минералах глины. Потеря минералами
глины химически связанной воды (дегидратация) приводит к полной потере глиной
ее связующих свойств и куски шлама рассыпаются в порошок. Этот процесс длится
до температур примерно 600—700° С.
По существу процессов, протекающих в интервале температур
от 200 до 700° С, эта зона печи носит название зоны подогрева (II).
В результате пребывания сырьевой смеси в области такой
температуры образуется окись кальция, поэтому эта зона печи (до температуры
1200°) получила название зоны кальцинирования (III).
Температура материала в этой зоне возрастает сравнительно
медленно. Это объясняется тем, что тепло дымовых газов расходуется в основном
на разложение СаС03: для разложения 1 кг СаСОз на СаО и СОг требуется затратить 425 ккал тепла.
Появление в сырьевой смеси окиси кальция и наличие высокой
температуры обусловливает начало химического взаимодействия находящихся в
глине окислов кремния, алюминия и железа с окисью кальция. Это взаимодействие
протекает между окислами в твердом состоянии (в твердых фазах).
Реакции в твердых фазах развиваются в области температур
1200—1300° С. Эти реакции экзотермичны, т. е. протекают с выделением тепла,
почему эта зона печи получила .название зоны экзотермических реакций {IV).
В результате пребывания обжигаемой смеси в экзотермической
зоне образуются: 2СаО • Si02; 4СаО • А1203 Fe203 и ЗСаО • А12Оз.
Образование трехкальциевого силиката (3Ca0-Si02) происходит
уже на следующем участке печи в области наибольших температур, называемом
зоной спекания (У).
В зоне спекания наиболее легкоплавкие минералы ЗСа0-А1203
и 4СаО> Al203 *Fe203 расплавляются. В образовавшейся жидкой фазе
происходит частичное растворение 2Ca0-Si02 и насыщение его известью до
3Ca0-Si02.
Трехкальциевый силикат обладает значительно меньшей
способностью растворяться в расплаве, чем двухкальциевый силикат. Поэтому,
как только произошло его образование, расплав становится пересыщенным по отношению
к этому минералу и трехкальциевый силикат выпадает из расплава в виде
мельчайших твердых кристаллов, которые затем при данных условиях способны
увеличиваться в размерах.
Растворение 2СаО> Si02 и поглощение им извести
происходит не сразу во всей массе смеси, а отдельными ее порциями.
Следовательно, для более полного усвоения извести двухкаль- циевым силикатом
требуется выдерживать материалы некоторый период при температуре спекания
(1300—1450°С). Чем продолжительнее будет эта выдержка, тем полнее произойдет
связывание извести, а вместе с тем станут крупнее кристаллы ЗСаО - Si02.
Однако долго выдерживать клинкер при температуре спекания
или медленно охлаждать его не рекомендуется; портландцемент, в котором ЗСаО
Si02 имеет мелкокристаллическую структуру, обладает более высокой прочностью.
Продолжительность выдержки клинкера зависит от темпера
туры: чем она выше в зоне спекания, тем быстрее образуется
клинкер. Однако при чрезмерно высоком, а главное резком повышении температуры
быстро образуется много расплава и обжигаемая смесь может начать комковаться.
Образующиеся при этом крупные зерна труднее прогреваются и процесс перехода
C2S в C3S нарушается. В результате клинкер будет плохо обожжен (в нем мало
будет трехкальциевого силиката).
Чтобы ускорить процесс клинкерообразования, а также в тех
случаях, когда нужно получить клинкер с высоким содержанием 3Ca0-Si02,
применяют некоторые вещества (фтористый кальций CaF2, окись железа и др.),
обладающие способностью снижать температуру плавления сырьевой смеси. Более
раннее образование жидкой фазы сдвигает процесс образования клинкера в
область менее высоких температур.
В период спекания иногда вся известь смеси не успевает
полностью усвоиться кремнеземом; процесс этого усвоения протекает все
медленнее вследствие обеднения смеси известью и 2СаО • Si02. В результате в
клинкерах с высоким коэффициентом насыщения, для которых требуется
максимальное усвоение извести в виде ЗСаО • Si02, всегда будет присутствовать
свободная известь.
1—2% свободной извести не отражается на качестве
портландцемента, но более ее высокое содержание вызывает неравномерность
изменения объема портландцемента при твердении и поэтому недопустимо.
Клинкер из зоны спекания попадает в зону охлаждения (VI),
где навстречу клинкеру движутся потоки холодного воздуха.
Из зоны охлаждения клинкер выходит с температурой
1000—1100° С и для окончательного охлаждения его направляют в холодильник
печи.
Оборудование, в котором протекают описанные процессы,
будет рассмотрено в последующих параграфах.
|