CC BY
19001: 10.12737/22436
Мирошникова Ю.В., магистрант, Мирошникова О.В., магистрант, Классен В.К., д-р техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВЛИЯНИЕ ВВЕДЕННЫХ В СЫРЬЕВОЙ ШЛАМ УГЛЕОТХОДОВ НА КАЧЕСТВО
ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА
mirosh27@mail.ru
В статье рассматривается рациональный способ использования углеотходов при производстве цемента по мокрому способу. Выгорающие добавки целесообразно вводить при помоле сырьевого шлама, так как при этом улучшаются следующие показатели: повышаются производительность сырьевых и цементных мельниц и качество клинкера, снижаются влажность шлама и расход технологического топлива.
Ключевые слова: клинкер, выгорающая добавка, экономия топлива, качество._
Введение. Ранее было установлено, что согласно теплотехническим расчетам максимальное количество вводимого горючего вещества с углеотходами в сырьевой шлам при мокром способе производства цемента может составить не более 3 % [1, 2]. Это позволяет обеспечить экономию около 25% основного технологического топлива, а также уменьшить расход электроэнергии на помол сырья и цемента и снизить влажность шлама [3-13]. Кроме того, при этом наблюдается повышение качества клинкера.
Вследствие этого, целью данной работы является выявление причин увеличения активности клинкера при введении углеотходов в исходную сырьевую смесь.
Характеристика исходных материалов. В качестве исходных материалов применялись высушенный шлам и сырьевые компоненты Осколцемента и углеотходы шахты «Обуховская». Химические составы
компонентов, смесей и клинкера приведены в таблице 1.
Таблица 1
Состав сырьевых компонентов, смесей и клинкера
Компонент Содержание оксидов, %
CaO SiO2 ^3 Fe2Oз ППП
Шлам Осколцемента 42,88 13,89 3,67 2,65 35,58
Углеотходы 2,45 21,16 9,07 3,44 60,4
Сырьевая смесь 33,29 9,85 3,88 2,77 49,74
Соотношение компонентов и характеристика клинкера, %
Смеси ГВ Мел Огарки Зола Смесь Сумма
№1 0 0 0 0 100 100
№2 0,5 1,30 0,03 0,83 97,83 100
№3 1,5 3,90 0,10 2,5 93,50 100
№4 3 7,79 0,21 5 87,00 100
Клинкер КН N P CзS C3A C4AF
0,92 1,39 2,11 64 14 8 13
На основе этих компонентов были рассчитаны и приготовлены сырьевые смеси № 2, 3 и 4 с добавлением 0,5 %; 1,5 % и 3 % углеотходов в пересчете на горючее вещество (ГВ) и контрольная сырьевая смесь №1 без углеотходов. Из-за большой зольности углеотходов производилась корректировка сырьевых смесей. Минералогический состав клинкера, при различном количестве введенных в сырьевую смесь углео-
тходов, по данным рентгенофазового анализа также практически не отличается (рис. 1).
Зависимость гидравлической активности клинкера от горючей добавки в сырье. Для
определения прочностных характеристик цемента сырьевые смеси обжигались при температуре 1400 °С с выдержкой 40 минут. Полученный клинкер измельчался с добавлением 5 % гипса до удельной поверхности 380+10 м2/кг.
Прочность на сжатие определялась в малых образцах, размером 1,41^1,41x1,41 см, приготовленных из цементного теста без песка при во-доцементном отношении, равном 0,28.
На рис. 2 приведена зависимость активности клинкеров в 1-е, 2-е, 7-е и 28-е сутки твердения от содержания горючей вещества в исходной сырьевой смеси. Приведенные данные свидетельствуют, что, несмотря на практически одинаковый химический и фазовый состав, клинкер, полученный из сырьевой смеси с добавкой горючего вещества, обладает повышенной активностью во все сроки твердения. Причем, особенно большая разница наблюдается в первые сутки твердения, где гидратационная прочность клинкера, полученного из сырья с ГВ, превосходит рядовой на 66 и 141 %. Через 28 суток твердения эта разница составляет всего 8 и 17 %. Эти данные свидетельствуют, что залог высокой прочности цементного камня закладывается в начальные сроки твердения.
Влияние выгорающей добавки в сырье на гидратацию цемента. Для того чтобы рассмотреть возможные причины изменения активности клинкера в зависимости от содержания горючего вещества в исходной смеси, были проведены рентгенофазовый (РФА) и комплексный
термический (КТА) анализы гидратированных цементов в различные сроки твердения (рис. 3,
4).
Рис. 2. Изменение активности клинкера от содержания углеотходов в смеси
Рис. 1. Фазовый состав клинкера при различном содержании углеотходов в сырье
Согласно рентгенограммам можно заключить, что в процессе гидратации достаточно наглядно проявляются такие новые фазы как портландит - Са(ОН)2, эттрингит 3Са0Л1203 3Са80432Н20 и гидросиликаты -(Сп8тНр), преимущественно тоберморитового состава. Причем, по результатам РФА гидратированных в 2-е и 28-м суток цементов не замечена существенная разница как в составе новых гидратных фаз, так и степени гидратации. Термограммы продуктов гидратации цемента имеют определенные отличительные признаки (рис. 4). Так, на термограммах твердевшего в течение 1 и 2 суток цемента проявляются существенные различия в области 700...1000 оС для
клинкера, полученного из сырья с максимальной добавкой горючего вещества (3 %) и имеющие в эти сроки максимальную активность. Причем, при значительных отличиях кривых ДТА, практически по данным кривых ТО в этой области не наблюдается разница в изменении массы вещества. Следовательно, эти явления связаны с изменением структуры цементного камня и вероятнее всего вызваны с перекристаллизацией цементной системы, в том числе с участием с коллоидной фазы. Ранее в работах [1, 3-6] было установлено, что прочность цементного камня может определяться формированием структуры системы на начальной стадии твердения.
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Рис. 3 Фазовый состав гидратированных цементов
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Температура, °С
Рис. 4. Степень гидратации цемента по данным КТА в различные сроки твердения в зависимости от содержания горючих веществ в сырьевой смеси
Эти предположения согласуются с процессами гидратации в 1 -е сутки твердения, которые свидетельствуют, что более высокая прочность цементного камня совпадает с более интенсивной гидратацией на начальном этапе твердения (рис. 5).
Причину приведенного процесса можно объяснить микроструктурой клинкера (рис. 6). При введении в сырьевую смесь горючего вещества, которое при высокой температуре способно выгорать и, тем самым, создавать в обжигаемой системе неравномерное температурное поле и, следовательно, обеспечивать формирование отдельных клинкерных фаз с различными свойствами, как по активности к процессу гидратации, так и по размерам кристаллов. Естественно, это должно приводить к созданию различной
структуры цементного камня и, как следствие, к различной его прочности.
Рис. 5 Фрагмент начального участка кривых ТО при различном содержании ГВ в сырьевой смеси
Рис. 6. Зависимость микроструктуры клинкера от содержания в сырьевой смеси горючего вещества
Выводы:
1. Горючая составляющая углеотходов в исходной сырьевой смеси помимо экономии основного технологического топлива при мокром способе производства цемента обеспечивает дополнительно снижение влажности шлама, повышение производительности сырьевых и цементных мельниц и активности клинкера.
2. Причиной повышенной активности клинкера является формирование клинкерных фаз с различными свойствами вследствие переменного температурного поля в системе из-за локального выгорания углеотходов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Классен В.К., Борисов И.Н., Мануйлов
B.Е. Техногенные материалы в производстве цемента. Белгород: Изд-во БГТУ, 2008. 126 с.
2. Мирошникова Ю.В., Мирошникова О.В. Углеотходы, как альтернативное топливо при производстве цемента / Образование, наука, производство: сб. материалов конф. VII Международный молодежный форум // БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород: Изд-во БГТУ, 2016.
C. 115-120.
3. Пьячев В.А. Углеотходы - ценное сырье для производства цемента // Изв. вузов. Горный журнал. 1998. №3-4. С.64-74.
4. Лугинина И.Г., Ибатулина Л.Х., Мошкин О.Д., Сугралинов М.С. Применение отходов угледобычи для производства цемента // Цемент. 1983. №1. С. 6.
5. Шубин В.И. Применение техногенных материалов, в том числе и горючих отходов при производстве цемента // Цемент Информ. 2014. №1. С. 3-8.
6. Мандрикова О.С., Борисов И.Н. Применение топливосодержащих отходов в производстве цемента // Цемент Информ. 2014. №1. С. 9-11.
7. Кузнецова Т.В., Тандилова К.Б., Кавсадце Ц.Э. Отходы углеобогащения в производстве цемента // Цемент. 1989. №12. С. 15-16.
8. Уфимцев В.М., Капустин Ф.Л., Пьячев В.А. Техногенное сырье в производстве цемента: вчера, сегодня, завтра // Технология бетонов. 2012. №1/2. С. 22-25.
9. Скупин Л. Использование альтернативных видов топлива // Цемент. 2013. №4. С. 130-132.
10. Айхас К., Виноградов К.А., Корнеев В.В. Предварительное технико-экономическое
обоснование по организации комплексного предприятия по подготовке отходов для утилизации в производстве цемента // Цемент Информ. 2014. №1. С. 34-38.
11. Кривобородов Ю.Р., Бурлов И.Ю., Бурлов Ю.А. Применение вторичных ресурсов для получения цементов // Строительные материалы. 2009. №8. С. 44-45.
12. Лугинина И.Г., Ибатулина Л.Х., Мошкин О.Д., Сугралинов М.С. Применение отходов угледобычи для производства цемента // Цемент. 1983. №1. С. 6.
13.Крапля А.Ф., Уполовников А.Б., Цванг А.С. Применение углеотходов и повышение качества клинкера // Цемент. 1989. №12. С. 1213.
Miroshnikova Y.V., Miroshnikova O.V., Klassen V.K.
THE IMPACT INTRODUCED RAW SLURRY OF COAL CONSUMPTION FOR THE CEMENT CLINKER QUALITY
The article deals with a rational way to use waste coal in cement production by the wet process. The burnout additives advantageously introduced in the grinding of raw slurry, as this improved the following indicators: increased productivity of raw and cement mills and clinker quality, reduces wet slurry and consumption of technological fuel.
Key words: clinker, burnout additive, fuel economy, quality
Мирошникова Юлия Викторовна, магистрант.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: mirosh27@mail.ru
Мирошникова Оксана Викторовна, магистрант.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: mirosh21@mail.ru
Классен Виктор Корнеевич, доктор технических наук, профессор. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: klassen.vk@yandex.ru
