Оптимизация режимов совместного измельчения композиционного цемента в шаровой планетарной мельнице Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.todav 2019, №3, Том 11 / 2019, No 3, Vol 11 https://esj.todav/issue-3 -2019.html URL статьи: https://esj.todav/PDF/10SAVN319.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:

Халюшев А.К., Джамбеков Н.А., Джамалдинов С.А., Нажуев М.П., Чернильник А.А., Доценко Н.А. Оптимизация режимов совместного измельчения композиционного цемента в шаровой планетарной мельнице // Вестник Евразийской науки, 2019 №3, https://esj.today/PDF/10SAVN319.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

For citation:

Khalyushev A.K., Dzhambekov N.A., Dzhamaldinov S.A., Nazhuev M.P., Chernil'nik A.A., Dotsenko N.A. (2019). Optimization of modes of joint grinding of composite cement in a spherical planetary mill. The Eurasian Scientific Journal, [online] 3(11). Available at: https://esj.today/PDF/10SAVN319.pdf (in Russian)

УДК 691 ГРНТИ 67.09.33

Халюшев Александр Каюмович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Технология вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Джамбеков Нурлан Альвиевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Студент

E-mail: [email protected]

Джамалдинов Сайхан Аптиевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Студент

E-mail: [email protected]

Нажуев Мухума Пахрудинович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Чернильник Андрей Александрович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Доценко Наталья Александровна

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Студент

E-mail: [email protected]

Оптимизация режимов совместного измельчения композиционного цемента в шаровой планетарной мельнице

Аннотация. В российском ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия» и в европейском стандарте EN 197 композиционный цемент выделен как отдельный тип, согласно требованиям, должен содержать не менее двух видов минеральных добавок различной природы активности в количестве 36-80 %. Если заменить минеральными добавками высокоэнергоемкую клинкерную составляющую в количестве, которое необходимо для получения цементов типа ЦЕМ III, ЦЕМ IV и ЦЕМ V, то будет обеспечена экономия энергии на 21-60 %.

Поскольку процесс помола - один из самых энергоемких и дорогих при производстве цемента, то на практике часто возникают ситуации, когда при производстве многокомпонентных композиционных цементов увеличивается время помола из-за низкой удельной поверхности (£уд = 2500 см2/г и ниже).

В качестве помольного агрегата при проведении настоящих исследований авторами принята шаровая планетарная мельница «Активатор-4М». Анализ способов помола цемента показал, что наибольший эффект диспергации получается при мокром помоле, то есть в водной среде. Это связано с расклинивающим эффектом молекул воды, попадающих в поры и трещины твердого вещества. В то же время мокрый помол хорошо применять для инертных материалов, что же касается вяжущих, то лучше осуществлять сухое измельчение.

Авторами в данной статье методом математического планирования эксперимента проведена оптимизация режима измельчения композиционного цемента типа ЦЕМ ^А в шаровой планетарной мельнице. По результатам проведенного эксперимента был получен оптимальный режим, по которому рекомендуется проводить измельчение композиционного цемента типа ЦЕМ ^А при следующих параметрах: время помола в пределах т = 2 мин при частоте вращения ротора ур = 35 Гц. При этом наиболее существенным фактором, влияющим на увеличение удельной поверхности, является частота вращения ротора. В статье отмечается, что активность композиционного цемента типа ЦЕМ V/А, определенная по ускоренной методике с помощью прибора «Цемент Прогноз», составляет 40,4 МПа.

Вклад авторов.

Халюшев Александр Каюмович - собрал, проанализировал и интерпретировал основные тезисы.

Джамбеков Нурлан Альвиевич - автор оказывал участие при оформлении статьи.

Джамалдинов Сайхан Аптиевич - автор оказывал участие при оформлении статьи.

Нажуев Мухума Пахрудинович - автор осуществил написание статьи.

Чернильник Андрей Александрович - одобрил окончательную версию статьи перед её подачей для публикации.

Доценко Наталья Александровна - автор осуществил написание статьи;

Ключевые слова: композиционный цемент; частота вращения ротора; время помола; удельная поверхность; диспергация; мокрый помол; сухое измельчение

В российском ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия» и в европейском стандарте EN 197 композиционный цемент выделен как отдельный тип, согласно требованиям, должен содержать не менее двух видов минеральных добавок различной природы активности в количестве 36-80 %.

Если заменить минеральными добавками высокоэнергоемкую клинкерную составляющую в количестве, которое необходимо для получения цементов типа ЦЕМ III, ЦЕМ IV и ЦЕМ V, то будет обеспечена экономия энергии на 21-60 % [1].

Известно, что активность цементов зависит от степени их дисперсности. С увеличением удельной поверхности цемента прочностные характеристики его повышаются. Однако при этом растет и водопотребность, что отрицательно сказывается на прочностных характеристиках вяжущего. При повышении удельной поверхности свыше 8уд = 5000 см2/г отрицательное влияние увеличения водопотребности сказывается значительно, что делает нецелесообразным дальнейший помол цемента. При промышленном производстве цемента величину удельной поверхности вяжущего обеспечивают в пределах 8уд = 3000...3500 см2/г. Дальнейшее увеличение степени помола считается нецелесообразным, так как приводит к значительному росту энергозатрат (энергозатраты при увеличении 8уд с 3000 до 4000 см2/г в три раза выше чем при увеличении 8уд с 2000 до 3000 см2/г) [2].

Поскольку процесс помола - один из самых энергоемких и дорогих при производстве цемента, то на практике часто возникают ситуации, когда при производстве многокомпонентных композиционных цементов увеличивается время помола из-за низкой удельной поверхности (£уд = 2500 см2/г и ниже) [3].

Этот факт является причиной того, что многие предприятия стройиндустрии ставят вопрос о необходимости снижения времени помола многокомпонентных композиционных цементов путем введения в состав добавок-интенсификаторов помола и повышения за счет этого физико-механических свойств цементов, растворов и бетонов на их основе. Однако решение этого вопроса сдерживается отсутствием в промышленном производстве доступных, высокоэффективных помольных агрегатов с низкой энергоемкостью [4; 5].

Из известных помольных агрегатов чаще всего используются дезинтеграторы (конструкции Хинта), которые отличаются высокой производительностью, непрерывностью процесса помола и малыми габаритами. При этом энергопотребление дезинтеграторов на порядок ниже, чем шаровых мельниц. Однако даже такое низкое энергопотребление приводит к значительным энергозатратам при помоле цемента, что сводит к нулю эффективность самой операции помола [6].

В качестве помольного агрегата при проведении настоящих исследований принята шаровая планетарная мельница «Активатор-4М». Общий вид шаровой планетарной мельницы «Активатор-4М» показан на рисунке 1, а его технические характеристики - в таблице 1.

Рисунок 1. Шаровая планетарная мельница «Активатор - 4М» (составлено авторами)

Таблица 1

Технические характеристики

Наименование показателя Единицы измерения Показатель

Планетарный диск: Вт/м-К 0,03-2,0

скорость вращения об/мин 100-800

эффективный диаметр мм 400

Скорость вращения барабанов об/мин 150-1650

Центробежное ускорение м/с2 1500

Барабаны шт 4

Объем барабана мл 1000

Загрузка шаров г 600-1400

Загрузка порошка г 50-400

Материал: шары ШХ15СГ

барабаны мм 095x180

Составлено авторами

Анализ способов помола цемента показал, что наибольший эффект диспергации получается при мокром помоле, то есть в водной среде. Это связано с расклинивающим эффектом молекул воды, попадающих в поры и трещины твердого вещества. В то же время мокрый помол хорошо применять для инертных материалов, что же касается вяжущих, то лучше осуществлять сухое измельчение.

При совместном измельчении, по причине различности размалываемости материалов, гранулометрия цемента получается неоптимальной [1].

Целью исследования ставилось оптимизировать режим измельчения композиционного цемента типа ЦЕМ V/А, полученного на основе отходов промышленности.

Был применен метод математического планирования эксперимента (ПФЭ 2к) [7-9]. Количество и вид минеральных добавок во всех составах композиционного цемента приняты постоянными. В композиционный цемент входили следующие компоненты: клинкер, двуводный гипсовый камень (3,5 % в пересчете на SOз), доменный гранулированный шлак, зола-унос и пуццолановая добавка в виде вулканического туфа. Содержания компонентов композиционного цемента представлены в таблице 2.

Таблица 2

Содержание композиционного цемента типа ЦЕМ У/А по ГОСТ 31108-2016 Цементы общестроительные. Технические условия

№ Тип цемента Содержание композиционного цемента, %

Клинкер Зола-унос Пуццолана Шлак доменный гранулированный Гипсовый камень

1 ЦЕМ V/А 40,0 19,0 11 30,0 3,5

Составлено авторами

Значения и физический смысл факторов варьирования представлены в таблице 3. За функцию отклика были приняты следующие параметры:

• У] (X], Х2) - удельная поверхность портландцемента - не менее 3000 см2/г.

• У2 (X], Х2) - предел прочности при сжатии образцов-кубов - не менее 50 МПа.

В процессе помола композиционного цемента при помощи прибора ПСХ-10М контролировалась величина удельной поверхности. Принцип определения 8уд основан на измерении скорости прохождения воздуха через слой материала стандартного объема.

Таблица 3

Значение факторов варьирования ПФЭ 2к

№ Код фактора Физический смысл фактора Ед. Интервал Уровни фактора

п/п измерения варьирования -1 0 +1

1 X1 время измельчения мин ±1 1 2 3

2 X2 частота вращения ротора Гц ±10 25 35 45

Составлено авторами

Из цементной пасты заформованы образцы кубической формы с размером ребра 5х5 см с В/Ц = 0,25. Предел их прочности при сжатии определялся после пропаривания при температуре изотермического прогрева 80±5 °С в режиме т = 12 (3 + 6 + 3). Математическая обработка результатов оптимизации выполнена в программе «MATHcad» [8-11].

План эксперимента и результаты параметров оптимизации приведены в таблице 4.

Таблица 4

План эксперимента и результаты параметров оптимизации

Кодирование Натуральные значения Значения параметров оптимизации

№ переменных Sуд, см2/г Rok, МПа

Х1 Х2 Х1 Х2 Y Y2

1 -1 -1 1 25 3086 38,4

2 -1 0 1 35 4015 45,3

3 -1 +1 1 45 4344 42,9

4 0 -1 2 25 3644 46,0

5 0 0 2 35 4579 52,4

6 0 +1 2 45 4752 47,7

7 +1 -1 3 25 4230 49,0

8 +1 0 3 35 4886 55,6

9 +1 +1 3 45 5123 47,3

Составлено авторами

По результатам исследования методом наименьших квадратов получены базовые уравнения регрессии - полиномы 2-й степени:

у(^, х2) = в + вх + в2х2 + вх • X + вАх\ + въх\ (1)

Уравнения регрессии оценены по трем критериям:

• однородность дисперсий;

• значимость коэффициентов;

• адекватность, оцениваемая по критерию Фишера.

В нулевой точке определены по экспериментальным данным:

• среднеарифметическое значение параметра (уо );

• дисперсия ( ^о );

• среднеквадратическое отклонение (^о );

• среднеквадратическая ошибка в определении коэффициентов ( ) (таблица 5).

Таблица 5

Статистические критерии оптимизации

Композиционный цемент типа ЦЕМ V/А Параметр

F D2 S 0 5

предел прочности при сжатии, МПа 24,991 3,043 1,744 3,025

удельная поверхность, см2/г 7,842 4,617103 67,95 117,83

Составлено авторами

По критерию Стьюдента установлена значимость коэффициентов уравнений:

tp = > tT (f = n -1; q = 5%; tT = 4,3) (2)

S(b,)

Значения полученных коэффициентов сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Расчетные коэффициенты уравнений регрессии

Композиционный цемент ЦЕМ ^А Коэффициенты уравнений

b0 b1 Ь2 b3 Ь4 b5

предел прочности при сжатии, МПа 43,91 -0,53 -1,351 2,606 2,274 1,129

удельная поверхность, см2/г 4520 482,1 535,0 -42,2 -270,3 -49,2

Составлено авторами

Получены следующие уравнения регрессии для составов, в которых в качестве дополнительной минеральной добавки были приняты молотый известняк и зола-унос:

У(Хх, Х2) = 43,91 - 0,53Х -1,351Х2 +2,606Х1Х2 +2,274X2 +1,129X2 (3) У(Х,Х2) = 4520 + 482,1Х1 + 535,0Х 2 - 42,2ВХХ - 270,3Х 2 - 49,2Х 2 (4)

Графическая интерпретация математических зависимостей представлена на рисунках 2

и 3.

Рисунок 2. Зависимость предела прочности при сжатии композиционного цемента от времени измельчения (xi) и частоты вращения ротора (x2) (составлено авторами)

По полученным уравнениям регрессии установлено: на показатель прочности в наибольшей степени влияет удельная поверхность (Во), возрастающая при сочетании следующих параметров: время помола и частота вращения.

Вместе с тем незначительное влияние на предел прочности при сжатии оказывает изменение скорости вращения (В2Х2). Оптимальный режим помола композиционного цемента рекомендуется проводить при следующих параметрах (время помола в пределах т = 2 мин при частоте вращения ротора Ур = 35 Гц [2].

По результатам проведенного эксперимента получен оптимальный режим помола композиционного цемента типа ЦЕМ ^А с общим содержанием минеральных добавок более 60 %. При этом наиболее существенным фактором, влияющим на увеличение удельной поверхности, является частота вращения ротора.

Следует также отметить, что увеличение удельной поверхности повышает водопотребность композиционного цемента и снижает предел прочности при сжатии. Вместе с тем при доведении композиционного цемента до предельного измельчения гранулометрический состав выравнивается и предел прочности при сжатии снова возрастает [12-15].

Рисунок 3. Зависимость удельной поверхности композиционного цемента от времени измельчения 1) и частоты вращения ротора (\2) (составлено авторами)

Для полученного при оптимальном режиме помола композиционного цемента типа ЦЕМ ^А определяли его активность по ускоренной методике с помощью прибора «Цемент Прогноз». Результаты измерений показаны на рисунке 4.

Параметры испытания ДУ1КЗ (t), мл

Масса цемента в стакане Со, г 672 1,60-

Длительность, ч:м 3:0 1,50-

Период, с 5 У

/

Ожидаемая марка М-400 /

ЛЛУ, мл (поставщик) 1,30 t

Длительность твердения, сут 28

t

Контракция ДУсоЗ, мл 1,10 0,50- /

Контракция АУ1КЗ,мл 1,64 /

Торможение есть

Поправка на торможение ДДУ, мл 1,30

Средняя температура Тер, °С 20,5 0,00- /

Поправка на температуру ДУт , мл 0,00 0: 0 0: 0 0: 0 0: 0 0: 0 1: 0 1: 0 1: 0 1: Врем 30 1: я, ч:м 0 1:< 0 2: 0 2: 0 2: 0 2: 0 2: 0 2: 0

Итоговая контракция ДУо , мл 2,94

Активность В., МПа 40,4

Удельная контракция ДУ, мл 0,034

Рисунок 4. Изменение контракции портландцемента типа ЦЕМ V/А (составлено авторами) Страница 7 из 9

Установлено, что активность композиционного цемента типа ЦЕМ V/А, определенная по ускоренной методике с помощью прибора «Цемент Прогноз», составляет 40,4 МПа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Shah S.P. Development of «Green» cement for sustainable concrete using cement kiln dust and fly ash // Intern. Workshop on Sustainable Development and Concrete Technology, 20-21 May 2004: Proc. Beijing (Chine), 2004. P. 15-24.

2. Кунцевич О.В., Махинин Б.В., Шангина Н.Н. Структура цементного камня с добавками суеперпластификатора и микрокремнезема // Цемент. 1992. №6. С. 3036.

3. Высоцкий С.А., Бруссер М.И., Смиронов В.П., Царик А.М. Оптимизация состава бетона с дисперсными минеральными добавками // Бетон и железобетон. 1990. №2. С. 7-9.

4. Зоткин А. Г. Микронаполняющий эффект минеральных добавок в бетоне // Бетон и железобетон. 1994. №3. С. 7-9.

5. Соломатов В. И., Кононова О. В. Особенности формирования свойств цементных композиций при различной дисперсности цементов и наполнителей // Строительство и архитектура. Сер. Изв. вузов. 1991. №8. С. 50-53.

6. Баженов Ю.М. Современная технология бетона // Технологии бетонов. 2005. №1. С. 6.

7. Халюшев А.К., Прудников В.В., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Оценка эффективности комбинирования минеральных добавок в мелкозернистом бетоне // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №5 (2017) https://naukovedenie.ru/PDF/25TVN517.pdf.

8. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Холодняк М.Г., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Совершенствование режимов формования центрифугированных бетонных изделий кольцеобразного сечения // Инженерный вестник Дона, 2018, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4832.

9. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Оптимизация параметров центрифугированных изделий кольцевого сечения на стадии уплотнения // Инженерный вестник Дона, 2018, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5123.

10. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Совершенствование расчетных рекомендаций по подбору состава бетона центрифугированных конструкций // Вестник Евразийской науки, 2018, №3 URL: esj.today/PDF/63SAVN318.pdf.

11. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Рекомендации по учету вариатропии при расчете, проектировании и изготовлении центрифугированных конструкций из тяжелого бетона // Вестник Евразийской науки, 2018, №4 URL: esj.today/PDF/07SAVN418.pdf.

12. Кривицкий М.Я., Левин Н.И., Макаричев В.В. Ячеистые бетоны (технология, свойства и конструкции). М.: Стройиздат, 1972. 137 с.

13. Трескина Г.Е., Чистов Ю.Д. Пылевидные отходы - эффективные наполнители для неавтоклавного газобетона // Строительные материалы. 2002. № 5. С. 10-11.

14. Баринов А.А., Бородицкая Р.М., Данилов П.П., Попов В.В. Ячеистые и легкие бетоны из отходов промышленности и изделий на их основе. Киев: Будiвельник, 1968. С. 23-65.

15. Мурог В.Ю. Вайтехович П.Е. Влияние домола цемента на прочность бетонных изделий // Строительные материалы. 2004. № 6. С. 36-37.

Khalyushev Aleksandr Kayumovich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]

Dzhambekov Nurlan Al'vievich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]

Dzhamaldinov Saykhan Aptievich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]

Nazhuev Mukhuma Pakhrudinovich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]

Chernil'nik Andrey Aleksandrovich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]

Dotsenko Natal'ya Aleksandrovna

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]

Optimization of modes of joint grinding of composite cement in a spherical planetary mill

Abstract. In the Russian GOST 31108-2016 "Cements general construction. Technical conditions" and in the European standard EN 197 composite cement is isolated as a separate type, according to the requirements, must contain at least two types of mineral additives of different nature of activity in the amount of 36-80 %. If we replace the mineral additives with a high-energy clinker component in an amount that is necessary to obtain cements of the type CEM III, CEM IV and CEM V, then energy savings of 21-60 % will be achieved.

Since the grinding process is one of the most energy-intensive and expensive in cement production, in practice there are often situations when the production of multicomponent composite cements increases the grinding time due to low specific surface (Sud = 2500 cm2/g and below).

As a grinding unit when conducting these studies, the authors adopted the ball-bearing planetary mill "Activator-4M". Analysis of cement grinding methods showed that the greatest dispersion effect is obtained with wet grinding, that is, in an aqueous medium. This is due to the wedging effect of water molecules that fall into the pores and cracks of solids. At the same time, wet grinding is good to use for inert materials, as for the binders, it is better to carry out dry grinding.

The authors in this article using the mathematical planning of the experiment have optimized the grinding mode for composite cement of the type CEM V/A in a spherical planetary mill. According to the results of the experiment, an optimal mode was obtained, according to which it is recommended to grind composite cement of the type CEM V/A with the following parameters: grinding time within т = 2 min with a rotor rotation frequency vp = 35 Hz. The most significant factor affecting the increase in the specific surface is the rotor speed. The article notes that the activity of composite cement of the type CEM V/A, determined according to an accelerated method using the Cement Prediction instrument, is 40.4 MPa.

Keywords: composite cement; rotor speed; grinding time; specific surface; dispersion; wet grinding; dry grinding