CC BY
52
106
Вестник ТГАСУ № 4, 2008
УДК 666.9.015.2.002.2
Г. Г. ВОЛОКИТИН, докт. техн. наук, профессор,
Н.К. СКРИПНИКОВА, докт. техн. наук, профессор,
Н.А. ПОЗДНЯКОВА, аспирант,
О. Г. ВОЛОКИТИН, аспирант,
А. В. ЛУЦЕНКО, аспирант,
ТГАСУ, Томск
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ И ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПРОГРЕВА (ДЖОУЛЕВ НАГРЕВ)
Исследована возможность получения цементного клинкера в условиях высоких температур с использованием низкотемпературной плазмы и электродугового прогрева (джоулев нагрев) на основе природных компонентов и техногенных отходов. При использовании данных способов за счет действия высоких температур происходит интенсификация синтеза основных клинкерных фаз, позволяющих получать цементный клинкер на основе техногенных отходов, что при традиционной технологии невозможно.
На сегодняшний день в России наблюдается устойчивый рост потребления цемента, вызванный высокими темпами строительства. Однако недостаток имеющихся производственных мощностей и высокая изношенность основных фондов ограничивают возможности производителей. Вследствие этого сложилась ситуация, связанная с острой нехваткой данного строительного материала. Несовершенство традиционных технологий: высокий динамизм тепловых агрегатов, сложные их сочленения, поэтапная термическая обработка сырьевых компонентов, частая замена футеровки, большие капитальные и эксплуатационные затраты, существенные теплопотери при производстве цементного клинкера - еще больше усугубило проблему. К тому же при существующих технологиях процесс клинкерообразования осуществляется в основном в твердофазовых реакциях, ресурс совершенствования которых уже исчерпан [1]. Выходом из сложившейся ситуации может служить введение новых технологических решений. Высокотемпературный синтез цементного клинкера, при котором процесс клинкерообразования осуществляется в основном в жидкой фазе (расплаве) за минуты, расширит возможности развития новых технологий цемента. Одним из направлений, существенно расширяющих технологические возможности процессов клинкерообразования, является использование концентрированных потоков энергии, которые получают с использованием генераторов низкотемпературной плазмы (плазмотронов). Вместе с тем представляет интерес получение цементного клинкера в условиях высоких температур с применением электродугового прогрева и использование в качестве сырьевых компонентов как природных материалов, так и техногенных отходов. Это позволит решить экологическую проблему, связанную с негативным влиянием на ландшафт при добыче основных сырьевых материалов, а также утилизации отходов промышленности, и расширить сырьевую базу получаемых цементов.
© Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, Н.А. Позднякова, О.Г. Волокитин,
А.В. Луценко, 2008
Целью данной работы является изучение особенностей способов синтеза цементного клинкера в условиях высоких температур с использованием низкотемпературной плазмы (НТП) и электродугового прогрева (джоулев нагрев) в сравнении с традиционной технологией.
Для достижения поставленной цели в исследованиях применялись сырьевые смеси ООО «Ангарский цемент» и смеси, приготовленные на основе техногенных отходов (отходы дробления известняка, флотационные отходы, пирит-ные огарки), химический состав которых представлен в таблице.
Химический состав сырьевых компонентов
Сырьевые материалы Содер держа жа- ние, % Содержание оксидов, мас.%
8І02 АІ2О3 РЄ20в СаО МяО п.п.п.
1-я сырьевая смесь (ООО «Ангарский цемент»)
Мрамор 83,0 3,57 0,51 0,15 51,35 2,67 41,75
Зола отвала ТЭЦ-1 10,4 61,05 22,02 6,00 4,42 2,51 4,00
Пиритные огарки 3,5 17,00 4,50 65,0 6,30 3,00 4,20
Кварциты 1,5 96,00 2,20 0,50 0,10 - 1,20
2-я сырьевая смесь
Отходы дробления известняка 79,05 5,32 2,19 0,85 36,63 13,43 41,58
Флотационные отходы 16,19 36,28 10,41 6,08 5,03 2,39 39,81
Пиритные огарки 4,76 17,0 4,50 65,00 6,30 3,00 4,20
Из таблицы следует, что химический состав техногенных отходов содержит необходимое для образования клинкерных минералов количество основных оксидов.
Данные сырьевые смеси подвергались плавлению при различных тепловых режимах: с использованием НТП, электродугового прогрева (джоулев нагрев).
Плазменная экспериментальная установка (рис. 1) представляет собой тепловой агрегат, состоящий из плазмотрона и печи с замкнутым объемом для создания условий интенсивного ввода энергии при непосредственном воздействии дуги плазмы на сырьевую шихту для ее нагрева и частичного плавления.
Данная установка включает в себя генератор плазменной энергии, выполненный в виде подвижного вдоль вертикальной оси катодного узла для обеспечения запуска основной дуги; узла газораспределения, обеспечивающего подачу плазмообразующего газа (воздуха), расход которого в процессе работы составляет 2,0-7,0 м3/ч; узла водоснабжения, необходимого для охлаждения плазмохимического реактора и катодного узла с целью предупреждения прогорания и вмонтированного в дно емкости печи графитового анода. Процесс плавления сырьевой смеси осуществляется на данной установке по нескольким технологическим этапам, состоящим из перемещения катодного узла плазмотрона на расстояние 10-15 мм от графитового анода для последующего возбу-
ждения дежурной дуги, которая при взаимодействии с графитовой подложкой -анодом - формирует основную дугу. После чего катодный узел удаляется вертикально вверх на максимальное расстояние (90 мм), необходимое для стабильной работы реактора и обеспечения необходимой плотности теплового потока основной дуги, температура которой составляет 2800-3500 °С. В зону горения дуги в процессе эксперимента осуществлялась дозированная подача сырьевой шихты в печь объемом 250 см3. При этом нагрев гранулированных сырьевых смесей на основе природных и техногенных компонентов происходил практически мгновенно. Плавящаяся в плазменном потоке исходная сырьевая шихта растекалась по дну печи, охватывая поверхность всего объема. Отчет времени термообработки производился практически с момента получения расплава, и время изотермической выдержки составляло 70 с. На границе раздела жидкой и твердой фаз устанавливалась температура, равная температуре плавления сырья. На этом процесс плавления завершался, и дальнейший синтез основных минеральных фаз протекал в твердом состоянии. При работе данной установки электрические характеристики лежали в пределах: I = 240-260 А, и = 120-140 В.
Плазмообразующий
Вода
охлаждающая
газ
Исходный материал
Рис. 1. Экспериментальная установка с использованием НТП:
1 - узел катодный; 2 - гранулированная сырьевая смесь, частичный расплав; 3 - дуга плазменная; 4 - источник питания; 5 - печь; 6 - анод
Наряду с этим, представляло интерес исследование высокотемпературного синтеза цементного клинкера с использованием электродугового прогре-
ва (джоулев нагрев) на основе тех же сырьевых смесей, который осуществлялся при силе тока 230-250 А и напряжении 120-140 В. Время нагревания шихты при мощности 27 кВт составило 5-20 с и 1-3 с при мощности 35 кВт, изотермическая выдержка осуществлялась в пределах «10 мин. При этом температура на поверхности расплава при действии высококонцентрированных тепловых потоков измерялась при помощи оптического пирометра с исчезающей нитью 0ППИР-017Э и составила 2500-3000 °С.
Для исследования влияния технологических особенностей электро-дугового способа на качество получаемого цементного клинкера была создана экспериментальная установка (рис. 2), которая состоит из источника питания АПР-404, электродов и печи. В печь, выполненную из шамотного кирпича объемом 7500 см3, устанавливалась пара электродов под углом 45°, в качестве которых использовались графитированные стержни диаметром 50 мм.
ЕЗЕЗ |1^ 4 4
□ □
Рис. 2. Экспериментальная установка с использованием электродугового способа нагрева (джоулев нагрев):
1 - графитированные электроды; 2 - дуга; 3 - графитовая крошка; 4 - печь; 5 - гранулированная сырьевая смесь, частичный расплав
Генерация тепла в данном случае осуществляется за счет горения электрической дуги непосредственно в расплаве, обладающем электропроводностью, между двумя графитовыми электродами. Образующийся расплав за счет барботирования через него выделяющихся газов интенсивно перемешивается. После частичного проплавления сырьевой смеси с образованием локального
участка ванны расплава действие высоких температур прекращается, и дальнейший процесс клинкерообразования протекает в твердой фазе.
Аналогичные сырьевые смеси подвергались обжигу в лабораторной электропечи (муфельная печь) при температуре 1400-1450 °С, и время термообработки составило 3 ч.
Процесс охлаждения цементных клинкеров, полученных по различным технологиям, осуществлялся на воздухе до температуры 80 °С. Затем производился помол в шаровой вращающейся мельнице (до удельной поверхности 2500-3000 см2/г), остаток на сите № 008 составлял не более 5 %. Далее с использованием полученного клинкера в соответствии с ГОСТ 310.4-81* изготавливались и испытывались образцы - кубики 2*2*2 см.
В результате исследований было установлено, что режим частичного плавления сырьевой смеси при электродуговом способе (джоулев нагрев) и с использованием НТП позволяет осуществить кратковременный интенсивный ввод высококонцентрированных потоков тепловой энергии в шихту и создание эффекта теплового удара. При этом происходит образование жидкой фазы, вязкость которой значительно снижается с повышением температуры и увеличивается ее количество на 10-20 % относительно традиционной технологии, что благоприятно влияет на синтез основных клинкерных минералов, интенсифицирует ей за счет увеличения скорости диссоциации карбонатного компонента и практически одновременного вступления его в реакции силикатообразования [4]. Это позволяет осуществить синтез основных минеральных фаз цементного клинкера за считанные минуты.
Наряду с этим при синтезе цементного клинкера по традиционной технологии в лабораторной электропечи происходит образование недостаточного количества основных клинкерных минералов - С^, C2S, С^Б, С3А. Это возможно объяснить растягиванием во времени процесса клинкерообразования, что приводит к пассивации СаО и снижению доли синтеза C2S, С3А и С^Б в кинетическом режиме печи. Кроме того, в лабораторной электропечи «разорваны» во времени процессы получения в активной форме оксидов &О2 (550 °С), СаО (800-630 °С) и их интенсивного твердофазного взаимодействия (1400-1450 °С) из-за медленного нагревания материала. Это также приводит к термической пассивации СаО с замедлением синтеза С^ [2]. Вследствие снижения содержания основных клинкерных минералов в полученном цементном клинкере прочностные характеристики (Лсж, Лизг) колеблются в пределах 20,11 и 3,28 МПа соответственно.
Применение электродуговой технологии (джоулев нагрев при температуре 2500-3000 °С), характеризующейся малыми габаритами, пониженными энергозатратами, простотой конструкции по сравнению с традиционной технологией, позволило на основе аналогичной сырьевой смеси получить цементный клинкер, минералогический состав которого характеризуется увеличением таких фаз, как двухкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат. В результате действия тепловых потоков происходит увеличение содержания расплава в системе, это резко ускоряет процессы химического взаимодействия оксидов, и синтез минералов в данном случае происходит в считанные минуты. При этом достигается значительная степень завершенности реакций образования минералов. Это объясняется тем, что при высоком градиенте температуры кри-
сталлизации расплава минералы образуются одновременно без взаимной перекристаллизации [3]. Ускоренное формирование минералов обусловливает также и существенную зональность строения крупных кристаллов, что определяет их большую дефектность и тем самым высокую гидравлическую активность.
Аналогичные процессы протекают и при синтезе цементного клинкера с использованием низкотемпературной плазмы, которая обеспечивает довольно высокий КПД (80-90 %), широкий диапазон оперативного изменения мощности и температуры агента, компактность установки и возможность получения высокой концентрации в небольших объемах, что позволяет получить цементный клинкер более высокой марки. Данный эффект можно объяснить ускорением процесса диссоциации СаСО3 , который осуществляется под действием высококонцентрированных тепловых потоков полностью за сотые доли секунды. Кроме этого, наблюдается значительное снижение вязкости образующейся жидкой фазы, возрастание коэффициента диффузии ионов и скорости растворения СаО в расплаве, что в конечном итоге определяет время образования клинкерных минералов [5]. При высокотемпературном синтезе цементного клинкера по электродуговой и плазменной технологиям был получен цементный клинкер с прочностными характеристиками (Лсж, Лизг) соответственно 31,2; 4,65 МПа и 37,9; 5,05 МПа.
В результате проведенных исследований было установлено, что на процесс клинкерообразования значительное влияние оказывает технологический режим плавления. При этом определяющим фактором, влияющим на степень связывания СаО, является температура. Об этом свидетельствуют результаты проведенных исследований, согласно которым содержание основных клинкерных минералов и прочностные характеристики цемента значительно увеличиваются при высокотемпературном синтезе цементного клинкера с использованием низкотемпературной плазмы и электродугового прогрева (джо-улев нагрев) по сравнению с традиционной технологией. При получении цементного клинкера в условиях высоких температур снижаются требования к химическому составу сырьевых смесей, что позволяет использовать в качестве сырьевых материалов техногенные отходы, которые для традиционной технологии неприемлемы.
Особенностями исследуемых высокотемпературных способов являются увеличение образования количества жидкой фазы на 10-20 %, снижение ее вязкости, создание эффекта термического удара, которые обеспечивают высокую реакционную способность шихты, ускорение процессов минералообразо-вания, полное усвоение минералообразующих оксидов и как результат - высокое качество вяжущего. При этом применение высококонцентрированных тепловых потоков в технологии получения цемента позволяет снизить металлоемкость оборудования, сделать производство мобильным, использовать техногенные отходы в качестве компонентов и, как следствие, снизить начальную стоимость сырья и расширить сырьевую базу производства цемента.
Библиографический список
1. Бурлов, Ю.А. Быть ли цементной отрасли в XXI веке? / Ю.А. Бурлов // Строительные материалы. - 2007. - № 12. - С. 131-132.
112
Вестник ТГАСУ № 4, 2008
2. Шубин, В.И. Высокотемпературный синтез портландцементного клинкера / В.И. Шу-
бин, В.В. Смазнов, Ю.Ф. Хныкин // Цемент. - 1988. - № 3. - С. 21-22.
3. Бурлов, Ю.А. Состав и свойства клинкеров при плазменной обработке сырьевых мате-
риалов / И.Ю. Бурлов, Ю.Р. Кривобородов, С.Н. Федулов // Междунар. совещ. по химии и технологии цемента. - М., 1996.
4. Тимашев, В.В. Избранные труды. Синтез и гидратация вяжущих материалов /В.В. Ти-машев. - М. : Наука, 1986. - 424 с.
5. Использование плазменного нагрева для получения цемента / О.И. Недавний, Г.Г. Во-
локитин, Н.К. Скрипникова [и др.] // Цемент. - 1992. - № 4. - С. 75-78.
G.G. VOLOKITIN, N.K. SKRIPNIKOVA, N.A. POZDNYAKOVA,
O.G. VOLOKITIN, A.V. LUCENKO
HIGH-TEMPERATURE METHOD OF MANUFACTURING THE CEMENT CLINKER USING LOW-TEMPERATURE PLASMA AND ELECTRIC WARM UP (JOULE HEATING)
The possibility of obtaining the cement clinker at high temperatures, using low-temperature plasma and electric warm up (Joule heating) based on natural components and industrial waste was investigated. When using these methods at high temperatures, the DIT intensification of synthesis of the major clinker phases occur, allowing to obtain cement clinker on the basis of technological waste, that at traditional technologies it is not possible.
УДК 624.131.3:621.385.6
Л.В. ГОНЧАРОВА, канд. геол.-мин. наук,
В.И. БАРАНОВА, канд. геол.-мин. наук,
В.И. ДИВИСИЛОВА, канд. геол.-мин. наук,
Ю.М. ЕГОРОВ,
В.М. ФЕДОРОВ,
МГУ, Москва
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПРИ ИХ СВЧ-НАГРЕВЕ
Предлагается расчетный способ определения диэлектрической проницаемости па = 0) глинистых грунтов с использованием результатов корреляционного анализа ее зависимостей от влажности ^, %) при 20 °С и от температуры (Т, °С). Вводится температурная поправка влажности с учетом стадийности миграции влаги в процессе дегидратации полиминерального суглинка, каолинитовой и монтмориллонитовой глин при мощностях СВЧ-излучения 265, 500 и 830 Вт на частоте 2450 МГц.
Диэлектрический нагрев грунтов происходит за счет энергии поглощения СВЧ-излучения и диэлектрических потерь трехфазной дисперсной системы, образующихся в результате взаимодействия воздуха, порового раствора, минералов с электромагнитным полем и перехода потерь в тепло. В процессе
© Л.В. Гончарова, В.И. Баранова, В.И. Дивисилова, Ю.М. Егоров, В.М. Федоров, 2008
