Модифицирование свойств цементных шламов с использованием различных добавок Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Ломаченко Д. В., канд. техн. наук, ст. преп., Шаповалов Н. А., д-р техн. наук, проф., Яшуркаева Л. И., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова

МОДИФИЦИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНЫХ ШЛАМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ДОБАВОК*

dsubwayl@yandex.ru

В работе представлены результаты исследований по изучению коллоидно-химических свойств цементных шламов при использовании различных добавок-разжижителей шлама. Установлено что добавка, обладающая более выраженными адсорбционными свойствами и обеспечивающая значительное снижение пластической вязкости, в большей степени влияет на растекаемость полученных шламов.

Ключевые слова: адсорбция, цементный шлам, разжижитель шлама.

На сегодняшний день в цементной промышленности, которая считается одной из ведущих отраслей промышленности строительных материалов, наиболее важным является вопрос энергосбережения. Основное количество энергии при выпуске цемента, затрачивается при его обжиге [1]. Сухой способ производства цемента, являющийся менее затратным, позволяет добиться большей эффективности при его производстве, однако большинство заводов в Российской Федерации в настоящее время производит цемент по мокрому способу, который является более энергозатратным. Для уменьшения влажности исходного шлама, поступающего в печь, используют различные добавки-разжижители, позволяющие получить необходимую текучесть шлама при меньшей влажности, и соответственно при меньших затратах энергии при обжиге такого шлама [2].

В работе производилась оценка влияния добавок различных типов на свойства двух различных типов шлама используемых на одном из крупнейших предприятий цементной промышленности ОАО «Вольскцемент». В качестве добавок использовались добавки на основе олеи-натов (1) и добавка на основе полиметилен-нафталинсульфонатов с производными различных органических кислот (2). Для оценки влияния данных разжижителей использовались два различных типа шлама с разным составом: шлам для сульфатостойкого цемента (ССЦ) и шлам для тампонажного цемента (ТЦ). В шламе для тампонажного цемента, помимо глины, карбонатного сырья и железистого компонента в состав также входит опока.

Для оценки адсорбционных свойств добавок использовалась сухая сырьевая смесь в со-

отношении, которое используется для получения готовых шламов. Адсорбция добавки на дисперсных материалах изучалась спектрометрическим методом по убыли концентрации исследуемых материалов в дисперсионной среде после установления равновесия адсорбции. Предварительными исследованиями было показано, что адсорбционное равновесие устанавливается в течение нескольких минут. В дальнейшем определялась оптическая плотность раствора, и строился калибровочный график изотермы адсорбции (рис. 1).

Шлам СЦ с (1) Шлам ТЦ с (1) Шлам СЦ с (2) Шлам ТЦ с (2)

10 12 14

5 С*102, %

Рис. 1. Адсорбция добавок на частицах сырьевых смесей, используемых для получения шламов на границе раздела раствор-твердое тело с различными добавками

Изотермы представляют собой кривые, характерные для мономолекулярной адсорбции. Заполнение мономолекулярного слоя происходит при использовании добавки на основе олеи-натов в количестве 0,12-0,15%, в то время как для добавок на основе полиметиленнафталин-сульфонатов с производными карбоновых кис-

А*106 г/г

8

6 -

4 -

2 -

0

0

2

4

6

8

стойким, и использование добавок позволяет добиться снижения вязкости, однако она не становится аналогичной вязкости сульфатостойко-го шлама.

То, Па

С.с; -

0,00 0,04 0,0В 0,12 0,16

С,%

Рис. 2. Предельное динамическое напряжение сдвига шлама СЦ с добавками олеинатов (1) и полиметилен-нафталинсульфонатов с производными различных органических кислот (2)

Пластическая вязкость, Па*с

лот данное значение находится в пределах 0,060,08% для шлама ССЦ и 0,08-0,1% для шлама ТЦ. Максимальная величина адсорбции (емкость монослоя) для добавки (2) значительно превышает аналогичный показатель для добавки (1). Некоторые исследования [3-5] устанавливают взаимосвязь между концентрациями добавок при их адсорбции на поверхностях минеральных систем и их оптимальными количествами, используемыми в процессах на разных стадиях получения цемента. Это позволяет уже на ранней стадии работы со значительной долей вероятности говорить о величине эффекта применяемых добавок.

Исследование реологических параметров цементных суспензий с исследуемых добавками на ротационном вискозиметре Реотест-2.1 показало, что они являются типичными вязкопла-стичными суспензиями с достаточно высокими значениями предельного напряжения сдвига и зависимостью эффективной вязкости от скорости деформации, присущей для сильно структурированных дисперсий. Уравнения Бингама-Шведова и Оствальда достаточно хорошо описывают течение данных систем. Исходя из реологических кривых для шламов с добавками, определялась зависимость пластической вязкости и предельного динамического напряжения сдвига от концентрации (рис. 2, 3).

Данные зависимости характеризуют что пластическая вязкость для тампонажного и сульфатостойких шламов значительно снижается и при использовании добавки на основе по-лиметиленнафталинсульфонатов с производными органических кислот в количестве от 0,02 до 0,08 , после чего значения предельного динамического напряжения сдвига практически не меняются. Для добавки на основе олеинатов снижение показателей вязкости и предельного напряжения сдвига присутствует при использовании добавки в количестве до 0,15 % масс. При этом для добавки (2) минимальные значения вязкости значительно ниже, чем для добавки на основе олеинатов. Следует также отметить, что шлам для тампонажного цемента обладает большей вязкостью по сравнению с сульфато-

Таблица 1

Растекаемость шламов разного состава (мм) с использованием добавок на основе олеинатов (1)

С, %

Рис. 3. Значения пластической вязкости для шламов СЦ с добавками олеинатов (1) и полиметиленнафталинсульфонатов с производными различных органических кислот (2)

Эффективность использования того или иного разжижителя на предприятиях в конечном счете определяется по расплыву конуса полученного шлама. Результаты данных измерений для тампонажного и сульфатостойкого цемента представлены в табл. 1.

Вид шлама Концентрация добавки, %

0 0,02 0,04 0,06 0,07 0,08 0,1 0,12 0,14 0,15

Шлам СЦ с добавкой (1) 53 56 58 60 63 66 69 72 73 73,5

Шлам СЦ с добавкой (2) 53 59 65 73 79 82 82,5 82,5 82 83

Шлам ТЦ с добавкой (1) 51 53 55 58 61 63 64,5 67 68 68

Шлам ТЦ с добавкой (2) 51 60 66 69 72,5 74,5 76 76 76,5 75

Данные по растекаемости шламов с добавками являются подтверждением сделанных ранее исследований, которые свидетельствуют о том, что добавка на основе полиметиленнафта-линсульфонатов является более эффективной при использовании ее в качестве разжижителей исследуемых шламов. Так максимальное значение растекаемости для шлама ССЦ с добавкой (2) составляет 83 мм. Для шлама с добавкой (1) данная величина составляет 73,5 мм. При этом использование добавки на основе полиметилен-нафталинсульфонатов уже в количестве 0,020,04 % позволяет получить растекаемость шлама более 60 мм, которая является минимально необходимой для перекачки шлама насосами в шламбассейн. Для добавки на основе олеиантов данная характеристика достигается при ее использовании в количестве 0,06%. Исходя из этого использование добавки на основе полимети-леннафталинсульфонатов является более эффективным и в дальнейшем изменяя исходную влажность шлама, позволит получать необходимую растекаемость при более низких значениях влажности, что существенно снизит энергозатраты при обжиге, а это в свою очередь приведет к снижению себестоимости готового продукта и повышению энергоэффективности производства.

*Работа выполнена в рамках г/б НИР № 311/12 «Развитие теории регулирования реологи-

ческих свойств и агрегативной устойчивости концентрированных минеральных суспензий» по проекту № _7.4430.2011 от 01.01.2012г

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Борисов И.Н., Мануйлов В.Е. Энерго- и ресурсосбережение в производстве цемента при комплексном использовании техногенных материалов // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. 2009. №6. С. 50-58

2. Классен В.К. Основные принципы и способы управления цементной вращающейся печью // Цемент и его применение. 2004. №2. С. 39

3. Ломаченко Д.В., Кудеярова Н.П. Влияние поверхностно-активных свойств добавок на размолоспособность портландцементного клинкера // Строительные материалы. 2010. №8. С. 58-59.

4. Ломаченко Д.В., Кудеярова Н.П., Ломаченко В.А. Диспергация цементного клинкера при помоле с новой органической добавкой // Строительные материалы. 2009. №7. С. 62-63.

5. Слюсарь А.А., Шаповалов Н.А., Полуэк-това В.А. Регулирование реологических свойств цементных смесей и бетонов добавками на основе оксифенолфурфурольных олигомеров // Строительные материалы. 2008. № 7. С. 42