7.5. Печене на суровини и производство на клинкер
Образуването на крайния продукт - клинкер - се предхожда от редица физични и химични процеси, в резултат на които клинкерът придобива сложен минералогичен състав и микрокристална структура.
Изпичането на суровината както при сухо, така и при мокро производство се извършва главно в ротационни пещи. Шахтовите пещи понякога се използват само със сух метод. Ротационната пещ представлява дълъг, леко наклонен цилиндър (барабан), заварен от листова стомана с огнеупорна облицовка отвътре. Дължината на пещите е 95–185–230 м, диаметърът е 5–7 м. В нашата страна се използват ротационни пещи, работещи по сух метод, с размери 7х95 м, с капацитет 3000 тона / ден, с разход на топлина за изгаряне от 3400 kJ / kg. В предприятия, работещи по мокър метод на производство, се използват пещи 7x230 m с капацитет 3000 тона / ден при консумация на топлина от 5600 kJ / kg. За да се подобри преносът на топлина вътре в пещите, верижните завеси са разположени по-близо до горния (студен) край и са монтирани топлообменници с различни конструкции.
Ротационните пещи работят на принципа на противотока. Суровините под формата на прах (сух метод) или утайка (мокър метод) се подават в пещта чрез автоматично захранващо устройство от страната на горния (студен) край, а горивото (природен газ, мазут, въздушно-въглищна смес) се вдухва от страната на долния (горещ) край, изгаряйки под формата на 20-30-метров факел. Суровината заема само част от напречното сечение на пещта и докато се върти със скорост 1-2 rpm, бавно се придвижва към долния край към горещите газове, преминавайки през различни температурни зони. Изключителният съветски учен В. Н. Юнг, който разработи основите на теорията за изпичане на клинкер, условно разделя ротационната пещ на шест температурни зони в зависимост от естеството на процесите, протичащи в тях.Нека разгледаме тези процеси, като започнем с влизането на суровината в пещта, т.е. в посока от горния й край (студен) към долния (горещ).
В зонатаизпаряване (сушене)входящата суровинна смес се суши с постепенно повишаване на температурата от 70 до 200 ° C (в края на тази зона), поради което първата зона се нарича още зона за сушене. Изсъхналият материал се натрупва, а при валцуване буците се разпадат на по-малки гранули.
В зонатанагряване, която следва зоната на сушене на суровината, с постепенно нагряване на суровината от 200 до 700 ° C, органичните примеси в нея изгарят, кристалохимичната вода се отстранява от глинестите минерали (при 450–500 ° C) и се образува безводен каолинит Al2O32Si02. Подготвителни зони (изпаряване и нагряване) с мокър метод на производство заемат 50-60% от дължината на пещта (броейки от студения край); при сухия метод подготовката на суровините се намалява поради зоната на изпаряване.
В зонатадекарбонизация(дължината й е 20-23% от дължината на пещта), температурата на изгорения материал се повишава от 700 до 1100 ° C; тук процесът на дисоциация на карбонатните соли на калция и магнезия завършва и се появява значително количество свободен калциев оксид. Термичната дисоциация на CaCO3 е ендотермичен процес с голяма абсорбция на топлина (1780 kJ на 1 kg CaCO3), така че консумацията на топлина в третата зона на пещта е най-висока. В същата зона дехидратираните глинести минерали се разлагат на оксиди SiO2, A12O3, Fe2O3, които влизат в химично взаимодействие с CaO. В резултат на тези реакции, протичащи в твърдо състояние, се образуват минералите 3CaO-A12O3, CaO-A12O3 и частично 2CaO-SiO2.
В зонатана екзотермични реакции(1100–1250 °C) протичат твърдофазни реакции на образуване на 3CaOA12O3; 4CaO-AI2O3-Fe2O3 и белит. Тези екзотермични реакции в сравнително къс участък от пещта (5-7% от нейната дължина) са придружени от отделяне на голямо количество топлина (до 420 kJ на 1 kg клинкер) и интензивно повишаване на температурата на материала (със 150-200 ° C).
Взоната на синтероване(1300–1450–1300С) температурата на изпечения материал достига най-високата стойност (1450°С), която е необходима за частичното разтопяване на материала и образуването на основния клинкерен минерал алита. В началото на синтероването, започвайки от 1300 ° C, се образува стопилка в размер на 20–30% от обема на изпечената маса от сравнително нискотопими минерали 3CaO-A12Oz, 4CaO-A12O3-Fe2O3, както и MgO и нискотопими примеси. Когато температурата се повиши до 1450 ° C, 2CaO-SiO2 и CaO се разтварят в клинкерната течност и от тях се образува алит 3CaO-SiO2 в стопилката, което продължава почти до пълното свързване на калциевия оксид (в клинкера CaO е повече от 0,5-1%). В стопилката първо се образуват тетраедри SiO4 4-, които след това се свързват с Ca 2+ йони, образувайки кристална решетка от трикалциев силикат. Алитът е слабо разтворим в стопилката и в резултат на това се отделя от нея под формата на малки кристали, което води до по-нататъшно разтваряне на 2CaO-SiO2 и CaO в стопилката. Процесът на образуване на алит завършва след 15-20 минути престой на материала в зоната на синтероване (дължината му е 10-15% от дължината на пещта). Тъй като частично разтопеният материал се търкаля непрекъснато, докато пещта се върти, фините частици се слепват в пелети. Понижаването на температурата от 1450 до 1300°C предизвиква кристализация от стопилката на 3CaO-A12O3, 4CaOA12O3-Fe2O3 и MgO (под формата на периклаз), която завършва в зоната на охлаждане след синтероване.
В зонатаохлажданетемпературата на клинкера намалява от 1300 до 1000 °C; тук неговата структура е напълно оформенаи състав, съдържащ алит C3S, белит C2S, C3A, C4AF, MgO (периклаз), стъкловидна фаза и второстепенни съставки.
Циментовият клинкер напуска ротационната пещ под формата на малки каменни зърна - гранули с тъмно сив или зеленикаво-сив цвят. След излизане от пещта, клинкерът се охлажда интензивно от 1000 до 100-200 °C в скари, рекуператор и други охладители чрез въздух, който тече към клинкера или се засмуква през слоя горещ клинкер. След това клинкерът отлежава в склада за една до две седмици.
Сухият метод за производство на цимент е значително подобрен през последните години. Най-енергоемкият процес - декарбонизацията на суровините - се извежда от ротационната пещ в специално устройство - реактор-калцинатор, в което протича по-бързо и използва топлината на отработените газове.
От консумативните силози суровото брашно първо влиза в системата от циклонни топлообменници, където, като е в суспендирано състояние, се нагрява от отработените газове, движещи се към (отдолу нагоре) и вече горещо се подава в калцинатора. Около 50% от горивото се изгаря директно в калцинатора, което дава възможност за бързо и почти пълно (с 90%) пълно разлагане на CaCO3. Останалата част от горивото се изгаря, както обикновено, в горещия край на въртящата се пещ, в която клинкерът се получава от сурово брашно, вече подготвено за изпичане, т.е. декарбонизирано. В близост до пещта е монтирано топлообменно устройство с калцинатор.
Повсеместното разпространение на метода на сухо производство с помощта на калцинатор се дължи на възможността за ускоряване на технологичния процес, увеличаване на дневната производителност на производствените линии до 3000 тона клинкер, използване на топлината на газовете от пещта и охладителя и по този начин намаляване на разходите за гориво.енергийни ресурси. Със системата калцинатор-пещ дължината на въртящата се пещ е намалена наполовина, разположението на циментовия завод е по-компактно и необходимостта от земя съответно е намалена.
В СССР е открит нов метод за производство на портландцимент - чрез изпичане на клинкер в солен разтвор на хлориди. При този метод основната реакционна среда в пещта (силикатна стопилка) се заменя със солена стопилка на базата на калциев хлорид. В стопилката на солта разтварянето на основните оксиди, образуващи клинкер (CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3), се ускорява и образуването на минерали завършва при 1100–1150 °C вместо обичайните 1400–1500 °C, което значително намалява енергийната интензивност на производството на циментов клинкер. Полученият клинкер, заедно с алита, съдържа минерал - хлорсъдържащ аналог на алита, наречен алинит. Алинитът е силно основен A1-C1 калциев силикат, съдържащ около 2,5% хлорид. Клинкерът, синтезиран в солена стопилка, се смила 3-4 пъти по-лесно от конвенционалния клинкер. Това позволява да се намали консумацията на електроенергия за смилане и да се увеличи производителността на циментовите мелници. Това намалява броя на смилащите единици. Алинитният цимент хидратира по-бързо в ранните етапи. Технологията на новия цимент се усвоява в циментовите заводи. Сега корозионната устойчивост на бетона върху този цимент и поведението на стоманената армировка в бетона, като се вземе предвид наличието на хлор в нея, се изследват задълбочено. Всичко това ще позволи да се определят рационалните области на приложение на алинитов цимент.