автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Оптимизация дисперсности и химического состава сырьевой смеси при получении малоэнергоемкого клинкера

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЦЕМЕНТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ «НИИЦЕМЕНТ»

Рг5 ол

На правах рукописи

' О ОПТ 10а/

1И УУДК 666.942.016.2:

666.942.022 3. (043)

ШЕИН Александр Леонидович

ОПТИМИЗАЦИЯ ДИСПЕРСНОСТИ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО КЛИНКЕРА

05.17.11 — Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на Соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1994

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском институте цементной промышленности «НИИце~ мент».

Научный руководитель —доктор технических наук

Б. С. Альбац

■Официальные оппоненты — действительный член РИА,

доктор технических наук, профессор Л. М. Сулименко;

ной промышленности «НИИцемент» (107014, Москва, 3-й Лучевой просек, 12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИце-мента.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б. Э. Юдович.

Ведущее предприятие —АО «Щуровский цемент»

Защита состоится1994 г. в

4 /

. . .'/. I. час. ,на заседании специализированного Совета в Государственном научно-исследовательском институте цемент-

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук Н. С. ПАНИНА

Подп. к печ. 20.09.94 г. Объем 1 п. л. Зак. 312 Тир. 100

Типография Московского государственного университета леса

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность. Экономия энергоресурсов остается проблемой наиболее актуальной для цементной промышленности; основной объем продукции которой выпускается по мокрому способу производства.- Переход на сухой способ связан с большими инвестициями и а настоящее время врядои реализуем. Б связи с этим наиболее перспективными следует оччгать технологические приема интенсификации производства и энергосбережения, не требующие существенных реконструкций и слошых технических решений. К числу гаках приемов относится, превде всего, оптимизация исходных характеристик сырьевой смеси и параметров ее термообработки, в частности: регулирование дисперсности, химического состава и скорости -.'нагрева.

Исследованиям Будникова ¿Т.П., Бугта В.Li., Кравченко И.З., Кузнецовой Г.З., Осокина А.П., Рояка С.М., Судахаса Л.Г., Сулимекно Л.М., Сычева М.М., Тшашева S.B., Шубина В.И., Ццовяча Б.Э., Лвдви-га У., Ыаки й., Оно й., Штара Й. и других ученых создан большой научно-практический задел в этом' направлении.

3 оценке дисперсности сырьевой смеси преобладает мнение об энергетически обоснованной целесообразности гонкого измельчения сырьевой смеси, хотя рзд исследований позволяет усомниться в результативности такого подхода. Ограничены данные по химическому составу отдельных фракций промышленных сырьевых смесей, что не позволяет выработать достаточно объективных и надежных рекомевдаций по технологическому контролю производства.

Интенсификация и энергосбережение при производстве клинкера за счет регулирования химического состава сырьевой смеси наиболее ярко проявляется в изменении ее КН и модульных характеристик.

Направление получения талоэнергоемних активных низкоосновннх клинкеров не нашло реального воплощения вследствии присущих таким клинкерам недостатков: трудной размалываемости и низкой прочности в начальные сроки твевдения, а тдкаге технологических трудностей производства таких клинкеров. Рекомендации'по изменению модульных характеристик ограничены лишь требованиями по улучшению.спекаемос-ти смесей и параметрами их термообработки.^

Положительное решение указанных'вопросов возможно при комплексном подходе, а именно с учетом взаимосвязи оптимальных значений дисперсности и химического состава сырьевой смеси при рациональной ее термообработке.

Работа выполнялась в рамках координационных планов НИР по развитая цементной промышленности ТОО "Цеыентник" и концерна "Цемент" (ДО 1У-6Н, 22/3, 71 и 229Н за 1990-19ЭЗгг.).

Цель и задачи работы: интенсификация процессов клинкерообразо-вания и минимизация топливно-энергетических ресурсов за счет оптимизации дисперсности, химического состава сырьевой смеси при рациональной ее термообработке.

Для достижения поставленной цели предусматривалось:

- исследование дисперсности промышленных сырьевых смесей, химического состава отдельных фракций и их совокупного влияния на спекание клинкера;

. - исследование влияния дисперсности кремяеэемсодераащего компонента сырьевой смеси, как наименее рэакционноспособного, на процессы клшшерообразовання, состав и свойства клинкера;

- исследование влияния дисперсности кремнеземсодержащего компонента, неравновесных условий обаига и химического состава смеси на процессы клинкерообразования, фазовый состав и активность клинкера;

- проведете промышленных испытаний в условиях оптимизации дисперсности сырьевой смеси, а такке разработка параметров получения малоэнергоемкого клинкера на базе низкоосновной сырьевой смеси.

Научная новизна работы состоит в следувдеы:

- теоретически обоснована и подтверждена экспериментально возможность оценки спекаемости сырьевой смеси по новым параметрам: дали кремнезема, вносимого в смесь частицами более 200 и 80 мкм; степени равномерности распределения зернового состава; степени химической неоднородности сырьевой смеси. Установлены оптимальные значения этих параметров;

......- выявлены корреляционные зависимости, связываание вышеназванные

параметры с показателями твэрцо- и ¡кидкофазового спекания;

"" - разработаны технологические приемы синтеза малоэнергоемкого клинкера из низкоосаовной смеси с КН = 0,82-0,87 по составу и свойствам аналогичного рядовому клинкеру с КН = 0,9, что обусловлено повышением фактического содержания алита (эффект алигизации), стабилизацией части белшта в -форме и смещением состава алюмоферриг-ной фазы в более алшинатнуп область;

- предложен механизм эффекта алитизации, который заключается в образования дополнительного'количества алита в клинкере при неравновесных условиях.синтеза за счет взаимодействия белита с оксидом кальция, не вошедшим в твердые растворы силикатных фаз, остающимся

после насыщения известью алюмоферрятной фазы, а;также за счет прямого взаимодействия первичных фаз в присутствии расплава.

Новизна технических решений подтверадена патентом Р5 № 2002713 и положительным репением по заявке № 93046048.

Практическая ценность работы заключается в следующем: новые эффективные параметры оценки слекаемости сырьевых смесей внесены в пересматриваемую отраслевую Янструкщш по производственному контроля на цементных предприятиях.

Практические рекомендации проверены на Щуровсном и ГЛагнитогоро-ком заводах. Оптимизация дисперсности и вещественного состава сырьевой смеси на Магнитогорском цементном заводе позволила повысить производительность сырьевой мельницы на и снизить удельный расход электроэнергии на 5%.

Оптимизация дисперсности сырьевой смеси на АО "Щуровский цемент" позволила повысить производительность печи 5x185 м на Л,&%, снизить расход топлива на 1,0$?. Экономический эффект в ценах 1994 года соо-тавил 20,7 млн.рублей.

Апробатая работы. Основные положения работы доложены на Х7 Всесоюзном совещании-семинаре начальников ОГК (лабораторий) цементных заводов (Москва, 1990г.), УШ Всесоюзном совещании по химии и технологии цемента (Москва, 1991г.), Международной конференции "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (Белгород, 1992г.).

Публикации. Основное содерзание диссертации изложено в 7 статьях. Получен один патент Р5 и одно положительное решение по заявке.

. Построение и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, методической части, экспериментальной части, изложенной в 3-х разделах, общих выводов, списка литературы из 188-ми источников и приложений.

Работа изложена на стр., содержит 41 рисукок , 40

таблиц, 4 прилаяения.

АНЛЖЕШСКЛЗ ОБЗОР •

Рассмотрение 188-ми литературных источников в части влияния дисперсности и химического состава сырьевых смесей, особенно при производстве малоэнергоемких низкоосновных клинкеров, позволили установить ряд объективных и доказанных положений и одновременно выявить разноречивые мнения, а также некоторые неисследованные ранее взаимосвязи.

Тав, было установлено, что реакционная способность портландде-ментных сырьевых смесей определяется гранулометрическим составом оырьевых материалов, в первую очередь, дисперсностью кремнеземсодер-кащего компонента, как наиболее инертного.

Вместе о тем, нет достаточной ясности в оценке степени дисперсности сырьевых смесей, практически отсутствуют данные по влиянию на их реакционную способность химического состава отдельных фракций. Большинство результатов подучено на модельных системах без учета особенностей промышленных смесей. В практике производственного контроля отсутствуют эффективные параметры управления процессами клинкерооб-разования и качеством клинкера за счет регулирования дисперсности сырьевой смеси.

Роль дисперсности кремнеземсодержащего компонента в обогащенных кремнеземом низкоосновных §ирьевых смесях не принималась во внимание, равно как и фактор возможной пассивации белита при медленном нагреве за счет его рекристаллизации, или известный применительно к рядовым клинкерам прием, связанный с увеличением содержания алнта в них при неравновесных условиях синтеза и повышенном глиноземном модуле.

Основные предложения по решению проблемы получения малоэнергоемких активны?, белнтовых клинкеров оказались .в настоящее время технологически не осуществимы. ,

На основании анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследований (излохены в общей характеристике работы), которые стала основой дои постановки и выполнения экспериментов.

ИСХОДНЫЕ ИАТЕН&ЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объектов исследований'использовались промышленные сырьевые смеси цементных заводов и смеси, синтезированные из химических реактивов марки-" 4ДА

Зерновой состав сырьевых смесей исследовался путем "мокрого" рассева на ситах 02, 008, 006, 004. Фракция, прошедшая сито 004, подвергалась седимэнтационноыу анализу. Обработка результатов проводилась статистическим методом по уравнению Розина-Раммлера. Удельная поверхность сырьевых смесей определялась методами низкотемпературной адсорйцгта азота и воздухопроницаемости на повэрхностемере ШЦ-500.

Термографические исследования проводились на дериватографе " Pau tic " в интервале 20-ШЗ°С,

По данным ДТА с увеличением дисперсности смеси клинкерная расплав появляется при более низкой температура, что .говорит об ускорении процесса-клинкерообразования.

Сырьеэке смзса, отформованные в зидэ таблегок, обжигались при 1320-1440°3 с десяти-минутной изотермической выдержкой. Содержание СаОсв в клинкере из грубомолотой смеси превышало 1%, из тонкомолотой смеси - било ыенео 0,5*.

Фазовый состав полученных клинкеров исследовался с помощью петрографического и качественного ренггекофазозого анализа. С повышением тонкости поглола сырьевой смеса содернагае алата в клинкере увеличивается на 6-1С£, оксид кальция полное усиаиваотся в ходо обкяга, содержание белита в клинкере снижается на 8-13*, структура клинкера становится более равномерной. Уменьшается такие количество периклаза в клинкере.

Подученные результаты проверены в производственных условиях. Была приготовлена сырозная смесь с ICI = 0,93, п = 2,2, р = 1,4, [0,01 RÎ^-SiOjj2] = 0,43?. Более тонкого но,мата достигнуть не удалось по техническим причинам. Od;«г проводили на печи 5x185 м, било получено 1200 тонн клинкера. При этом производительность печи повысилась с 54 до 56,5 т/ч, расход топлива снизился с 250 до 258,5 кг усл.т/г клинкера. Клинкер обладал во все срока большей активностью, чем прд обжиге грубомолотой смеси (25,1 !Ла против 23,7 :ЛДа через 3 суг. и 46,3 иПа против 43,1 Ivîla чорез 28 сут).

Годовой экономический эффект в ценах 19Э4 года составил 20,7 млн.рублей.

На Магнитогорском завода сырьевая смесь отличалась низкий зяа-чением параметра (0,01 кН2- Si о!р) = 0,08% при R02 = 1%, что свидетельствовало о возможности готовить смесь с большим остатком на са-те 02'. Так, при Я02 =2,[0,01 if2- S,o9,2] = 0,175!.

На основе производственной смеси (IQI = 0,98, и = 1,85, р = 1,25, вР2 = 1,1") были изготовлшн еще две смеси, одна из которых при том ке химическом составе имела а вторая - КН=0,93, л = 2,1,

р = 1,3, Лабораторное исследования показали, что процессы

кдянкэрообраэования в затрубленной до с wo an о £1=0,93 прохо-

дят интенсивнее, активность клинкера практически не меняется.

3 производственных условиях била приготовлена сирьоиая смесь, оптимизированная по химическому составу и дисперсности. Змее го часта глины öiüio введено 5$ марыглитз. Кслодл из результатов лабор1торншс исследований, тонкость помола» по остатку на сите .'S 02, составлял 2%, доля Si02, вносимого чаепщяыи болоо 200 шш - 0,13^, хоьЦщинг

яасыцения был снижен до 0,93. Полученные 2000 м3 шлама обжигалась в течение 3 суток в печи JS 2 размером 3,6/4 х 150 м. Содержание Са0св_ составило 0,27-0,40^ против 1-1,Ъ% в контрольном клинкере. Б процессе испытаний производительность сырьевой мельницы повысилась на 9%, ¿всход электроэнергии снизился на Ъ%. Расход топлива уменьшился с 225 до 224,2 кг усл.тошг./т кл. Активность клинкера во все сроки твердения не уступала активности заводского клинкера: соответственно 23,9 и 23,0 ?,Ша через 3 суток и 47,7 и 47,2 МПа через 28 суток.

ОБЩИЕ вывода

1. Исследованы зерновые составы более чем -40 промышленных сырьевых смесей и химические составы отдельных фракций, характеризующие весь ассортимент сырья цементных предприятий. Выявлено, что в грубых фракциях интервалы колебаний оксидов кальция и кремния составляют соответственно 16-54 и 0,1-40$. Наиболее равномерно по фракциям распределены оксиды алюминия, магния и натрия. Оксид яелеза, как правило, концентрируется в одной ши нескольких фракциях (за исключением фракций менее'40 шш). ;

2. Установлено, что дисперсные характеристики промышленных смесей определяются природой карбонатного компонента. Характеристический размер частиц сырьевой смеси повышается в ряду: мел - органогенный известняк - мергель - кристаллический известняк от 14 до 33 мкм. Степень равномерности распределения зернового состава меняется в ряду: органогенный известняк - мергель - мел - кристаллический известняк от 0,6 до 0,85.

■ 3. Установлены новые параметры производственного контроля, характеризующие реакционную способность смрьезых смесей. Определены их рациональные значения:

- доля кремнезема, вносимого в смесь частицами размерами более 200 и 80 мкм [0,01 s,o^2(008)3 не более 0,1 и 0,5$ соответственно;

- степень равномерности распределения зернввого состава Ьсоло

1,0);

- степень хямлческоД неоднородности сырьевой смеси, определяемая разностью в содержании оксидов кальция и кремния во фракциях менее 40 мкм е в сырьевой смеси в целом соответственно менее 1,5,» дая оксида кальция н менэа 1,05 для охозда кремния;

4, Выявлена корр-злнцлонкче згваса.\;остн, езязывавдие вышеназванные пар-х"етр-1 с та:аз?.гс-:.-:л тзэрдо- и здаогазового слекашзя: тем-n?parj7o:1 д?кар&кс:за:£г.1, когЛадазэ^ом скорости усадка при гззрдо-.ja-

зовом спекании, константой скорости алитообразования, выходом алита з клинкере. Значения коэффициентов корреляции находятся в пределах 0,68-0,32.

5. Исследованы процессы клинкерообразования в низкоосновных сырьевых смесях (ЕН=0,82-0,87). Установлено, что повышение удельной поверхности времяеземсодэржащего компонента в пределах 500-1100 м^/кг, скорости нагрева в пределах 5-20 град/мин и глиноземного модуля а пределах 1,2-2,1 обусловливают получение клинкеров с повышенным на 1% и более фактическим содержанием алита (эффект алитизации), стабилизации часта бэлита в <х" -форме и смещение состава аломоферритноХ фазы

в более алшшатную область от C^AÏ до C-AgP. Полученные малоэнергоемкие клинкера характеризуются размалшзаомосгью, темпом твердения и марочной прочностью, аналогичны!,и рядовому клинкеру с КН = 0,9.

6. Изучен с помощью микроронггеноспектрального анализа химический состав клинкерных фаз. Установлено, что с увеличением удачьной поверхности кремнэземсодержащего компонента с 550 до 1100 не значительно повышается C/S и количество примесей в силикатных (¿¡азах, что монет быть обусловлено возрастанием доли мотива СаО в кристаллической решетке алита. :

Увеличение скорости нагревания сырьевой смеси с 5 до 20 град/мин при повышенной удельной поверхности кремнеземсодержащего компонента--IIOO î/г/кг ведег к умэньиенио G/S в силикатных фазах. Состав промежуточной фазы в обоих случаях не изменяется. Увеличение глиноземного модуля низяоосновкой смеси с 1,2 до 2,1 при сохранения высокой дисперсности кремнезэмсодоряацего компонента и повышенной скорости нагрева приводит к дальнейшему сшгаению С/ь з силикатных $азах. При этом состав промежуточной фазы смещается в более алшинатную область от С^АР до CgApP.

7. Предложен механизм эффекта алитизации, который заключается в увеличении фактического содержания алита в клинкере за счет нескольких параллельно идущих процессов:

- взаимодействие бэлита с СаО, не вошедшим, как это имеет место при медленном обжиге, в твердые растворы силикатов кальция;

- взаимодействие белита с СаО, оставшимся в расплаве после частичного плавления С3А и предельного насыщения известью алюмо£ер-ритной фазы по схеме Юяга-Гимашева: 7С3А. -».С^АтьЭС; Cj2^7+2C+C4AP ■+ -^7С6А2Р; C2S +С =? CgS. или прямого взаимодействия первичных фаз в присутствии расплава по схеме Энтина-Юдовича: ЭСз -S + ■fCI2A7; cI2A7 +9С 7С3А.

8. Полученные научные результаты, защищенные патентом PS JE20027I3 и положительным решением по заявке № 93046048, проверены в условиях Щуровск'ого я Магнитогорского цементных заводов и внесены в пересматриваемую отраслевуо Инструкцию по прэгзводсгвенноиу контролю на цементных предприятиях. Оптимизация дисперсности и вещественного состава магнитогорской смеси позволила повысить Производительность сырьевой мельницы на снизить удельный расход электроэнергии при помоле на 5%, расход тошпша на обжиг на 0,8 кг усл.топл./т кл. Оптимизация дисперсности сырьевой смеси Щуровсхого завода, с учетом доли кремнезема, вносимого грубыми фракциями, позволила повясить производительность печи 5x185 м на 4,6%, снизить расход топлива на 1$?. Экономический эффект в ценах 1994 года составил 20,7 шш. рублей.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Альбац Б.С., Косой Ю.А., Шалн А.Л. 0 совершенствовании параметра тонкости помола сырьевой смеаи//Матераалы ХУ Всесоюзного совещания-семинара начальников ОГК (лабораторий) цементных заводов. - М,, 1990г.- 0. 89-33. ]

2. Шеин А.Л., 'Альбац Б.С.. Влияние зернового состава промышленных сырьевых смесей на их твердофазовое спекание//ЛП Всесоюзное научно-техническое совещание по химии и технологии цемента.-M. 1991. -раздел I. - С.59-61.

3. Альбац B.C., Рязин В.П., Кривобородов O.P., Шеин А.Л. Механизм распада аллта при спекании промышленных сырьевых смесей//Це-мент. - 1992. - » I. - С.40-45.

4. Альбац Б.С., Шеин А.Л. Кинетика алитообразования при спека- ' кии промышленных сырьевых смесей/Демеят. - 1992. - Л 2. - 0.89-94.

5. Альбац Б.С., Шеин А.Л. К вопросу активации низкоосновных • сырьевых смесей. Международная хонйеренция."Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций"//Тезисы докладов. - Белгород. - 1992.

6. Альбац Б.С., Шэин А.Л. Гемпэратурно-времеяной фактор при спекании портландцементного клинкера//Цемент. - 1992.-№ 5.-С.48-56.

7. Шеин А.Л., Альбац Б.С. Влияние дисперсности кремнеземсодер-кадегр компонента сырьевой смеси на процесс спекания низкоосновного портландцементного клинкзра//Гр.Н;Ицемента. - И07. -19ЭЗ (в печати).

В. Патент РЬ .4 2002713 С I. Способ получения цементной сырьевой смеси./Альбац Б.С., Красных С.А., Глущекко А.И.,Талинский А.Ф.,Иош-к;:н O.Z., ~зая А.Я.//Опубл. БЛ. - 1993. - '» 41-42.

9. Пслотательяое реззяае по. заявке .'« 930-16048.