автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Жидкофазное спекание и образование обмазки во вращающихся печах

На ярав&х рукописи

ЖИДКОФАЗНОЕ СПЕКАНИЕ И ОБРАЗОВАНИЕ ОБМАЗКИ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ

Специальность 05.17. 11 - Технология керамичесих, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 109«

Работа выполнена ва кафедре химической технологии вяжущих веществ Белгородской государственной технологической академии строительных материалов

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Классеи Виктор Кориеевич

Официальные оппоненты - доктор технических паук Альбац Борис Самуилович

- кандидат технических наук Соболев Николай Евгеньевич

Ведущая организация - АО "Уралцемент"

Защита состоится "19 " ноября 1899 г. в 14 часов .на заседании диссертационного Совета К 004.98.01 в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов (БелГТАСМ) по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БелГТАСМ.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью, просим направлять но адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БелГТАСМ, отдел аспирантуры.

Автореферат разослан " 18 " октября 1900 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Цементная промышленность является одной из отраслей строительной индустрии, потребляющей большое количество материальных и энергетических ресурсов. Важнейшими показателями, характеризующими эффективность работы цементных вращающихся печей, являются удельный расход топлива и огнеупоров, стойкость футеровки и качество клинкера. Все эти параметры в значительной степени определяются высокотемпературными процессами, протекающими при спекании клинкера с участием расплава. Количество и свойства жидкой фазы оказывают решающее влияние на формирование обмазки и клинкерных гранул в зоне спекания вращающихся печей. Оптимальные условия жидкофазного спекания обеспечивают рациональную гранулометрию клинкера, высокое качество цемента, устойчивую обмазку в печи и экономию топлива.Защитиая обмазка предохраняет огнеупорную футеровку от быстрого износа и воздействия высоких температур и вследствие дополнительной теплоизоляции в несколько раз сокращает потери тепла через корпус. Это приводит к многократному увеличению срока службы и снижению расхода огнеупоров и совместно с оптимальной 13>анулометрисй клинкера к экономии топлива. Следовательно, целесообразны исследования, направленные на решение вышеуказанных задач. ■ ■

Работа выполнялась в соответствии о комплексной программой МПСМ по совершенствованию мокрого способа производства иа1985 г. (проблема 02. 04. 03), программой "Топливо " на 1986-1900 г. (проблема 04. 03), перечнем важнейших работ АО "Концерн Цемент" на 1990-1896 г. (шифр-15н), тематическим планам НИР ВелГТАСМ, финансируемых из средств республиканского бюджета.

Цель настоящей работы заключается в разработке технологических научно обоснованных принципов оптимизации . процессов образования обмазки и агрегирования клинкера во вращающейся печи, направленных на .экономию топлива и огнеупоров.

В соответствии с поставленной целью определены следующие направления работы:

- исследование процессов образования обмазки и грянул , анализ состава и причин возникновения наростов в промышленных ппчах;

- изучение нысокотемпсратурных процессов взаимодействия контактирующих тел путем определения сп.'.ы сцеплрння о енетомях клиикер-огнеупор, клинкер-обмазка;

- выявление условий нагреве огнеупоров на распределение нагрузки и разработка мероприятий, позволяющих снианть термические напряжения в отдельном кирпиче и в футеровке в целом;

-выяснение особенностей сушки шлама различной природы, с изучением влияния комплекса теплообменных устройств на стабильность режима работы печи и процессы формирования обмазки и гранул а зоне спекания;

- изучение влияния условий сжигания топлива во вращающейся печи на процесс образования и службы обмазки.

ИяХЗМая^овидна- Развиты представления о взаимозависимых физико-химических и тепломассообменньге процессах, протекающих во вращающихся печах, и уточнены механизмы образования и разрушения обмазки, кольцеобразовашш при неравновесных условиях протекания реакций, гранулирования материала в зависимости от количества жидкой фазы и дисперсности твердой составляющей.

С использованием раора бота иных экспериментальных методов осуществлено физическое моделирование процессов формирования и разрушения гранул и обмазки во вращающихся огрегитах, терма на пряжений в огнеупоре, а также тепломассообмена в цепных завесах.

• Установлена взаимозависимость процессов образования обмазки и формирования клинкерных гранул - размер гранул является критерием состояния обмазки в печи.

Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден преимущественный процесс разрушения футеровки в высокотемпературных зонах, вызнанный термическими напряжениями при тепловом ударе и механическими нагрузками при недостаточной толщине термокомпенсатора. Предложен новый состав термокомпенсатора на основе изучения системы СаС03 - СаО - Сг2Оя .

Предложен механизм образования колец в начале зоны спекания, обусловленный возникновением избыточного количества иизкоосновно-го силикатного расплава при температуре ниже 1200°С вследствие неравновесности системы из-за волнообразного движения материала и последующей кристаллизации жидкой фалы при со насыщении оксидом кальция.

ПрДКХЯЛМКйЯЛШ'ШИ^таиаЛШЪ^ разрабо-

тан комплекс технологических и конструкторских решений, направленных на оигимиздлию обжига цементного клинкера но нрашиющихсл ипчнх, который пключаот модернизацию холодилмшкоп, горе.чочных и ТРИ.чооСмеинмх устройств и метпды рсгулнр'<ванил процессачи, оОес-

печивающих экономию топлива и высокую стойкость футеровки. Результаты внедрены на 35 печах 9 заводов. При этом достигнуты следующие технико-экономические показатели: повышение теплового КПД холодильника до 0.85-0.05; увеличение стойкости футеровки на 60-30(1 суток; снижение удельного расхода условного топлива на 5-20кг/т кл. Суммарный экономический эффект п ценах 1996 года составил 'более 30 млрд. рублей в год. Полученные результаты используются в курсах лекций "Технология вяжущих веществ", читаемых студентам специальности 25.08.01.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях в Харькове (1986), НИИЦементе (1986), Всесоюзных и Международных конференциях в Белгороде (1087, 1989, 1991, 1993, 1995), Черкесске (1988), II съезде Керамического общества в Москве (1991).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 31 печатная работа, в том числе получено Б авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания разработанных методик и использованных материалов, экспериментальной части, изложенной в четырех главах, общих выводов, списка литературы (216 наименований) и приложений. Работа изложена на 144 страницах и включает 17 таблиц и .47 рисунков.

Исходные материалы и разработка методов исследования. В работе использовались сырьевые сиеси, материалы, отобранные по длине печей, огнеупоры и клинкеры различных заводов. Термохимические процессы изучались комплексным термическим анализом на деривато-графе системы MOM. Фазовый состав определялся с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-3.

Для изучения сложных технологических процессов, одновременно протекающих в промышленных печах, разработан комплекс методов, позволяющий расчленить и исследовать отдельные элементы процесса на модельных установках.

Припекание клинкера к футеровке оценивалось по силе сцепления контактирующих поверхностей непосредственно при высоких температурах. В основу метода положены реальные процессы, происходящие по нраилаюнн'йси печи, когда отрыв конгломератов происходит под rtni-дейс-гппеч собственного веса. В зависимости от массы и ппощади приискания гранул различных размером определилась предельна»! сило ciH'ii.-ii-iuui для к-иппа'роп при изменении тгмперлтурм обжига дч 17(1(1 С и гпстппл контактирующих поверхностей.

Для изучения процессов агломерации материала и образования обмазки в зоне спекания печи разработан метод, позволяющий моделировать эти процессы при низких температурах. Особенностью методики является использование в качестве потенциальной жидкой фазы парафина или льда, которые при нагревании расплавляются в смеси с твердой фазой, моделируя физические процессы жидкофазного спекания. Установка состоит из вращающегося барабана, через который просасывается горячий воздух с температурой до 150'С. Предлагаемый метод позволяет изучать влияние количества и свойств жидкой фазы, температуры и дисперсности твердой составляющей на процесс образования обмазки и гранул. Способ моделирования защищен авторским свидетельством (ас. 1742720).

Распределение температуры в огнеупоре при различных условиях теплового воздействия измерялось вмонтированными в кирпич термопарами. Результаты экспериментов позволили рассчитать термонапрл-жение в футеровке печи. Для научения тепломассообмена в цепной завесе разработаны метод и установка, позволяющая определять при вращении барабана в зависимости от свойств шлама массу налипающего на цепи материала и интенсивность теплообмена в процессе сушки.

При исследовании скорости движения сырьевого материала по участкам теплообменных устройств использовали метод радиоактивных индикаторов - Ьа110. Для оптимизации режима работы печи с целью формирования прочной обмазки и получения устойчивой грануляции клинкера применялась методика управления режимом работы печи с использованием температурной кривой корпуса печи в зоне спекания и состава отходящих газов. Методика позволяет целенаправленно регулировать расход топлива и воздуха, разрежение за обрезом печи, теплосодержание вторичного воздуха, наклон и положение топливной форсунки п сечении печи, толщину и протяженность обмазки и другие параметры, характеризующие режим обжига.

Процессы агломерации материала к образования обмазки пи пра-щающейсм печи

Стойкость футеровки в зоне спекания в значительной степени определяется условиями набирания обмазки в процессе роажига печи. При Этом' важное значение имеет образование первичного контакта между огнеупором и клинкером.Одиой из характеристик, определяющих способность к образованию обмалки, является приискание, которое оценивается по силе сцепления -Р контактирующих матершиит.

1800

1400

1000'

i V

г I -i у S t / /\ N Y

г / Ч у \

/ 5 в

В соответствии с конкретными ситуациями, имеющими место при обжиге клинкера в промышленных печах, определяли силу сцепления клинкеров различных заводов близкого химического состава в системах клинкер-игнеупор ПХЦ, клинкер-клиикер,клинкер-шамотная футеровка, клинкер-прослойка материала на основе пиритных огарков. Результаты определения силы сцепления приведены на рис. 1 и свидетельствуют, что при образовании первичного слоя обмааки изменение силы

сцепления от температуры носит экстремальный характер(крнвые 1-3). Максимальное .-шачение силы сцепления дли клинкера БЦЗ наблюдается и температурном интервале 1580 - 1680'С, а для клинкеров ЩЦЗ и ЧИЦЗ максимум силы сцепления приходится на 14Ы)-15Б0'С. Для клинкера БЦЗ характерен плавный под-ьем силы сцепления, и достигается более нысокап пеличина. Тогда как припе-кание клинкерои 1ЦЦЗ и ЧИЦЗ происхо-

• п (.'■_..•-. Г ■.__i -•■—i- -и_дит значительно быстрое, но с меньшей

1350 1J50 1550 1IÎ50 С >• rw « Р.,с. 1. J13M. .U1..K. eil.im cui'iuit;- силои- >>го обусловлено составом сырья, а

шш кл>1нко|>;п с по.ч.кглшл'! и за- именно, различным содержанием MgO, TÄT« ихц- S°3 " шолочой и обжигаемом материале 3 -IIUW -ПХЦ; ■<• mua- 1ЦП.Ч;' Так, » Белгородском шламе MgO-0.66, SO;¡ 5 шиз ШЦУ;' 6 Г,цл Ы), ' . O.f), R20-() Ö, а я Чечено-Ингушском 2.4, (Iii, 1.1'-с соответственно. Отлично п характере крГшых силы сцеплении поииоллют объяснить особенности набора обмазки и печах. На ПЦЗ набор оСма;жи после розжига происходит и течение 2-.Ч суток, на ЧИЦЗ хорошую обмазку можно набрать н течение смены. Дли ПЦЗ характерный ралмер гранул клинкера 5-15 мм, тогда как на ЧИЦЗ при незначительном повышении температуры возможно образование снара.

Приискание ни поверхности клинкср-клинксрОфииил 4). характери-ауе-ген меньшей величиной силы сценления и происходит при более высокой температуре, чем на контакте клинкер-опюуаор. Установлено отрицательное воздействие попадания шамотного огнеулора и ипритных огарков (кривые 5, G) на процесс взаимодействия onieyiiopa с обжигаемым материалом. Припекание клинкера к поверхности огнеуиори не происходит до тех пор пока не удалится слой огнеунора, пропитанного расплавом шамотного боя или пиритных огарков.

. Таким образом, предлагаемая методика определения силы сцеплепни контактирующих поверхностей позволяет прогнозировать особенное-! и

Sy*.

-у*

in

формирования и устойчивость обмазки в зоне спекания и выработать рекомендации по оптимизации этого процесса.

Образование гранул и обмазки в процессе обжига клинкера и их взаимодействие в печи моделировались на низкотемпературной установке. Установлено, что диаметр клинкерных гранул ограничивается количеством жидкой фазы. Для получения гранул диаметром 10-12мм необходимо не менее 36 о6.% расплава. При содержании жидкой фазы в количестве 38,4% максимальный размер гранул 20 - 22мм, при 40,2% до 40мм. С увеличением дисперсности твердой составляющей возрастает требуемое количество жидкой фазы для получения гранул одинакового размера. Области гранулообразошшия в зависимости от дисперсности и объема жидкой фазы представлены на рис 2. В области 1 гранулы не образуются. Области 2 и 3 характеризуются устойчивым образованием гранул различного ризмера. Дальнейшее увеличение зкидкой фазы приводит к образованию гранул более 20мм и даже сварои (область 4). Диапазон изменении количества жидкой фазы для получении гранул размером or 1 до 20 мм наибольший в интернале удельной поверхности от 200 до .400 м-/кг. При снижении Рис2. Области гранулоибрашоицнн . о удельной поверхности менее 201) зависимости от объема жидкой фазы и „2/кг „ особенна увеличении более диснеисиистк материала: 1-нилеиид- ,,

иий митернал; 2-гранули размером ^ ""/»" диапазон изменения rn-ou-1-10 mi; 3-граиулы раши|»м Ю-1В мм; ходимого количества жидкой фазы 4-граиулы размер.'" более 20 мм ' /vu, образовании гранул значн .едым

сулсается. Дли обеспечения от п-малытй гранулнцин необходимо более 30 об.% жидкой ф.ыы, чи) отличается от принятых ранее предстанлений.

Установлена важная зависимость между процессами образинання гранул и обмазки (рис 3). В начале процесса агломерации происходи i совместное образование гранул и обмазки, после превышения количества жидкой фазы более 37% для материала с удельной поверхностью 300 мг/кг и 39,6% для -400 м'г/кт размер гранул увеличивается с одновременным разрушением обмазки путем переноса материала на поперх-'ность гранул.

200

140

ш

4

1 ■Ч '

XV4 щ т 1

3 УУУ < .1

12" 3 Г "" V *гЛ>Нс

Таким образом, размер им клинкерных гранул является показателем состояния обмазки в печи. При размере гранул менее Змм обрааова-1% ние обмазки затруднено'из-аа недостатка жидкой фазы, и увеличение размера гранул более 20мм сопровождается ее разрушением. Устойчивому формированию гранул соот-38 з| 4а 42Уяф,% ветствует оптимальный роя-Рис. 3. Взаимосвязь между размерами |ранул мер образующихся гранул II-(1,2) и способностью материала к образованию 20мм обмазки-См (3,4) от содержания жилкой фазы: !

1,3-для смеси с вуд-ЗОО м2/кг; 2,4-для смеси с Зуд.'»400 м"/кг ■

Температурные условия службы огнеупорной футеровки

Хорошо сформированная обмазка обеспечивает сохранность огнеупорной футеровки в процессе работы печи. Но в первые часы после розжига, когда обмазка отсутствует или при срыве обмазки с поверхности огнеупора, в нем могут возникать термические напряжения.

Для определения распределения температуры по толщине футербв-ки был изготовлен образец из огнеупора марки 11ХЦ с заранее припеченной обмазкой. Производился постепенный нагрев до 1360'С, затем моделировались условия обрушения обмазки. Установлено, что о первую минуту после обрыва обмазки скорость изменения температуры в огнеупоре на расстоянии Б мм от горячего обреза максимальна и достигает ЮО'С/мин. Обрушение обмазки приводит к резкому тепловому воздействию на огнеупор, возникновению термических напряжений, вызывающих образование трещии И сколов. Поэтому необходимо стремиться к созданию на футеровке устойчивого слоя защитной обмазки и к стабилизации режима обжига, предотвращающего ее обрушение.

Футеровка вращающейся печи заключена в металлический корпус, и, если не обеспечивается компенсация возникающего при нагреве расширения, начинается ре разрушение, С целью разработки компенсатора термического расширения исследовано взаимодействия п системе Са0-Сг«03с низкотемпературной айтектикоА.

с

Ora система представляет интерес также потому, что избыточный оксид кальция, содержащийся в обжигаемой смеси, может взаимодействовать с хромовой составляющей огнеупора, и оказывать влияние на обмазку. На рис.4 предетавлеьа дериватограмма эвтектической смеси СаС03 и СггРз- Эцдоэффекты при 805 и 1050'С соответствуют диссоциации СаСОз и плавлению эвтектики. Изменение массы в исследуемой системе происходит не только в процессе диссоциации карбоната кальция, a также в результате изменения валентности хрома. В процессе

плавления идет окисление Сг3*" до С г61" с образованием СаСг04, при дадьпешем нагреве происходит частичное восстановление с образованием СаСг204. Высокотемпературный РФА показал что даже при температуре , выше эвтектики содержится твердая фаги. Эти данные не совпадают с диаграммами состояния Форда В. и Фиту-ша В.

С учетом указанных особенностей взаимодействия в системе СаО - Сгг03 разработан и защищен (a.c.N 1645249) тер-иокомпенсатор, состоящий из 64 -67% СаСОз и 33-36% Сг203, позволяющий компенсировать термическое расширение огнеупорного кирпича по высоте первоначально Рис. 4 ДТА эя-тестмчеасо* смеси за счет разрыхления структуры при де-СаСО»+ CrJ®» карбонизации СаСОз, а в последующем

благодаря позонному плавлению и впитыванию эвтектического расплава в стенки огиеупюра с возникновением зазора между кирпичами по глубине кладки и сохранением слоя термокомпенсатора в нижней (холодной) части футеровки.

Иссяедоааме режима работы теилообмеиных устройств и их ютае та процесс образовании обмазки Одним из основных условий обеспечения высокой стойкости футеровки, создания и сохранения защитной обма.чки яш;яется равномерная подготовка материала по всей'длине печи. До 50% тепла на обжиг клинкера расходуется в зоне цепных теплообменников, поэтому необходимо в первую очередь обеспечить стабильную работу и подготовку материя-лп в ЭТОЙ зоне.'.

У

С этой целью на специально изготовленной модели холодного конца

печи исследовались условия и интенсивность теплообмена с гирляндно-винтовой и свободно висящей навесками цепей. Интенсивность теплообмена определялась по изменению температуры воздуха на входе и выходе из барабана при постоянном расходе теплоносителя. На рис.5 показано изменение удельной массы шлама на цепях о г влажности. Зависимость имеет экстремальный характер. Критическая влажность, после достижения которой начинается сбрасывание материала с цепей, составляет 33% для шлама СОЦЗ и 27% для шлама ВИД Наблюдаются также большие отличия п процессах налипании и сбрасывания шлама с цепей. Так, при рабочей начальной влажности шлама ВЦЗ 43<", участок, соответствующий ¿зоне пылеулавлипания (1), существенно превышает но площади участок для шлама СОЦЗ. Участок, на котором происходит сброс шлама ПЦЗ с цепей (2), значительно меньше соответствующего участка для шлама СОЦЗ. При медленном осыпании материала с цепей происходит пересушка шлама и увеличение зоны iihUu-oGpu.KMiumni. При высокой скорости схода с цепей шлама БЦЗ исключается пересушивание, и создаются условия для образования гранул с влажностью более 20%. Эти результаты объясняют особенности работы печей указанных заводов. В печах ПЦЗ за цепной завесой практически всегда имеется гранулированный материал с илажиостыо 5-6 пылеунос составляет не более 1т/ч, а из печей СОЦЗ - 35-40 т/ч.

Систематизированные результаты экспериментов по определению эффективности работы цепных завес представлены на рис.6. Зона от исходной влажности шлама, подаваемого в печь, до полного высушивания условно разбита на 3 участка: текучего I, пластичного II и сыпучего III состояния. На участках I и II в области конвективного теплообмена с увеличением массы и толщины пленки материала на цепях интенсивность теплообмена возрастает. При уменьшении влажности ниже при-

COU3III 2 [

U Л.

СОЦЗ г t \

/ г

БЦЗ [ч

1

Ц*| 1 | 2 |

•15

10

4!» 35 20 25 20 15 Влажномсть шлама.

Рис. 5 И:)мспрш1р удельной массы шлама СОЦЗ и СЦЗ и л) иисимости от влажности (свободно г.исяи'лн завеса): 1-зона пылеулавливании; 2-зона нилсобразовании

тической (25 - 26%), когда материал переходит в сыпучее состояние и наблюдается преимущественно регенеративный теплообмен, его интенсивность будет определяться относительным временем пребывания теп-лообменного элемента в газовом потоке и а материале, что аависит от заполнения печи материалом.

Акустическим методом установлено, что интенсивность амплитуды звука на участке пластичного шлама наименьшая и хорошо согласуется с массой материала, находящегося на цепях, и теплообменом. Приняв коэффициент теплообмена от газового потока к цепи = 60 Вт/(м2 -К), а от цепи к материалу «2 = 240 Вт/(м2 -К), относительное вре-Рис.8. Эффективность роботы цепных завес в - ^ пребывания цепи в мато-

зависимости от влажности шлама: 1

Ч-иитенсивностъ теплообмена; т-мзсса шлама риале равным Т, но-мучнли коцепях; А амплитуда звука от корпуса печи на эффициент ректнератннниго

теплообмени ир в следующем пиле:

2S У»,%

частите 1600 герц; I-текушй ними; нласпгшый шла»; Ш-сыиучий материал

ар = 240 i(l-i)/(l+3t)

Максимальная величина коэффициента теплообмена - pejjy-.i функции будет, когда первая производная раина пулю, т.е.

dap/dx » (ЗгЧ 2т-1 )/<31 + 1)'-' = 0

Ото соответствует условиям, когда 1=1/3, поэтому необходимо, чтобы центральный угол заполнения печи материалом tuciпилил 120'. Фактическое заполнение промышленных печей материалом, определенное с применением радиоактивных изотопов, .находится далеко от оптимальной области.

На основе приведенных расчетов и экспериментов разработан црин-цнп подхода к подбору оптимального комплексе теплообменных устройств. В области текучего и пластичном« шлама необходимо уменьшить слой материала путем навешивания такой цепной завесы, которая бы максимально увеличила скорость движения материала по печи,. В области сыпучего состояния материала фактическая скорость окалывается значительно выше требуемой. Поэтому на данном участке необходимо

устанавливать теплообменные устройства, способствующие замедленна, продвижения материала. Необходимо отметить, что при малом заполнении печи материалом происходит не только уменьшение теплообмена, но и значительное сокращение срока службы теплообмевиого устройства. Для обеспечения регенеративного теплообмена в горячей части теплообменника разработан пересыпающий теплообменник (а.с. №1404769).

Йа Старооскольском заводе изменение схемы установки циклоидой позволило увеличить высоту слоя материала в зоне теплообменникоа с 150 до 700мм, температуру материала на выходе из этой зоны - со lliil до 350"С, снизить пылевынос из печей с Й0-40 до 20-30 т/ч. На Щурои-скимг .та воде пнедрен комплекс теплообмен пых устройстл, позволивший снизить температуру <ггхиднщих гизов на печи Х°5 с 230 до 190'С, на печи Л«б - с 290 до 220"С, иредптвригкть переливы шлама в нмльиуы камеру.

Неравномерная работа цепных .чавес, волнообразно«- движение Maie риала приводят к юму, что к зоне спекания периодически подходят недостаточно подготовленный материал. При от им в области н.-мш-ра гу;, 1200-1.400 С образуется повышенное количесгно ниакоисньнмого силикатного расплава, последующая кристаллизация которого при насып!»; нии оксидом ка-чыш» приводит к образованию в начале ;.;iii.i ciieiin<iii<i прочной многослойной (спетлой и темной! обмазки, содержащей кроме белнта аначите.чьние количеств» C2AS, СЛ и CaOfI,(pne.7). Далее происходит донасьнщчше полученных минералов до C»S, С3А и С [Л1' н п;, р кристаллизация. Образованна я нн'.л

слийная обмазка нсустойчима при меиении тенлоноги режима, и если и зону попадает неподготовленный материал, то происходит пхлагкдешк-оГмазкп, с: обрушение, :ia частую со лронождающсеся осилим кирпича. Наличие светлой обмазки п начало чин:.! сискашш является кри юрисм т.чпц бильности работы пидготоншельнил поя.

Выяиин oroGeHiiuc-iit набора ц

?ис. Т, Peirm-HorjwMMa обмазки напала службы светлой обмазки, удалойь >.:

зоны спекания _

таносить причины нрогревои п i.»^ у

тения обмазки при выну/кденкой быстрой смене вида топлива. Aiiu.m .

температурных кривых корпуса печи и ясно еп'чеяння н сгктикнис ■■ <,

мазки показал и, что при смене вида,топлива происходит изменение формы факела. При переходе с мазута на газ зона горения топлива укорачивается. Эго приводит к изменению режима обжига и зачастую к выходу в зону спекания' неподготовленного материала. Были предложены условия подготовки режима работы печи, позволившие снизить пагубное воздействие быстрой смены вида топлива и изменения режима сжигания. Также было разработано комбинированная форсунка, позволяющая совместно сжигать газообразное и жидкое топливо (а.с. N1132109, N1105137).

Таким образом, разработан научно обоснованный подход к совершенствованию комплекса теилообменвых устройств вращающихся лечен, основанный на регулировании степени заполнения материалом на различных участках тешюобменного устройства, позволяющий улучшить подютопку материала перед зоной спекания, стабилизировать процесс обжига клинкера и образования обмазки.

Влияние технологических параметров на процесс набора и службы обмазки

Образование и устойчивость обма:и;н .шинент о-r химического состава сырья, вида огнеупора и топлива, распределения температур п зоне спекания и в подготовительных зонах. В связи с ограниченной возможностью по изменению на заводах химического состава используемых материалов основное внимание было уделено изучении! влиянии технологических факторов на процесс формирования ибмизки.

Для создания устойчивой обмазки u noue спекания и повышения с-.ойкости футеровки, наряду с приведенными выше способами обеспечении стабильности работы теилообменвых устроисти, термокомпенеа-цни теплового расширения футеровки, необходима модернизации холодильников ctдостижением максимального охлаждении клинкера и максимальной энтальпии вторичного ноздуха; организации процесса горении топлива с относительно умеренной температурой и высокой степенью черноты факела; стабилизация возврати ныли злекч рифмльп ров н 1.очь, управленце процессами обжига клинкера и горения топлива с по-мещыо температурных крпиых корпуса печи в зоне спекания и содержания СО-Р в отходящих газах. Ого достшиется внедрением разработанного комплекса рекомендаций и конструктивно-технологических решении.

ИТОГИ РАБОТЫ

1. В работе исследованы процессы жидкофазного спекания, агломерации, образования обмазки, тепломассообмена и горения топлива, направленные на оптимизацию работы вращающихся печей. Разработаны методы и изготовлены экспериментальные установки, позволяющие моделировать теплофизические и массообменные процессы. Проведено более 1 ООО обжигов промышленных и синтезированных смесей, выполнены теплотехнические испытания и наладка работы 50 печей различных типоразмеров с использованием радиоактивных изотопов и других нетрадиционных методов.

2. Разработан комплекс методов и предложены принципы исследования сложных физико-химических и теплотехнических процессов, протекающих во вращающейся печи путем их разделения на отдельные стадии.

3. Развиты представления о механизме образования и разрушения защитной обмазки во вращающихся печах, который обусловлен: начальным составом шихты, обеспечивающим необходимое количество жидкой фазы; гранулометрическим составом ' получаемого клинкера; температурным интервалом оптимума сил сцепления в системах клин-кер-огнеувор и клинкер-клинкер; скоростью высокотемпературных реакций с участием ясидкой фазы. Установлена важная взаимосвязь между процессами образования клинкерных гранул и обмазки, имею-, щая большое практическое значение, размер гранул является показателем состояния обмазки в печи. Оптимальная обмазка создается при условии, когда размер гранул находится в пределах 8-20 мм.

4. Установлен экстремальный характер изменения силы сцепления клинкера с огнеупором при нагревании, отличающийся различными температурными интервалами нарастания и спада прочности сцепления при образовании обмазки в зависимости от свойств и количества жидкой фазы и скорости протекания процессов минералообразования. Максимальная сила сцепления может находиться для различных ааводов и интервале температур 1450 - 1ББ0'С ( ЧИЦЗДЦЦЗ) или 1550 - 1650'С (БЦЗ). Выявлено отрицательное воздействие попадания легкоплавких веществ, таких как пиритные огарки, бой шамотного кирпича, на образование первичного контакта между огнеупором и клинкером.

5. Уточнен механизм процесса агломерации и разрушения гранул при жилкофаяном спекании. Количество жидкой фазы, необходимее л л л образовании оптимального размера гранул, зависит о г. дигнеретччи

твердой фазы и находится в пределах 32 - 40 %, что превышает расчетные значения для спекания клинкера. С увеличением дисперсности увеличивается требуемое количество расплава.

6. Установлен преимущественный процесс разрушения футеровки в высокотемпературных зонах,обусловленный термическими напряжениями в огнеупоре. Обрушении обмазки приводит к резкому тепловому воздействию на футеровку, в результате чего скорость нагрева поверхностных слоев огнеупора за первую минуту достигает 100'С. Высокая скорость нагрева приводит к возникновению термических напряжений, способствующих образованию трещин и сколов. Наряду с отим дополнительно во всей кладке возникают механические нагрузки вследствие расширения кладки,заключенной в стальной корпус. Для снятия отих нагрузок,с использованием диаграммы состояния СаСОз-СаО-Сг2Оз, разработан неметаллический термокомпенсатор и способ упрочнения футеровки в зоне спекания (а.с. N1645240). Компенсация термического расширения огнеупорного кирпича при нагрепании происходит в результате разрыхления структуры при декарбонизации углекислого кальция, позонного плавления термокомпенсатора и впитывания его в стенки огнеупора с возникновением зазора между кирпичами по глубине кладки и сохранением слоя термо компенсатора в нижней (холодной) части футеровки. При исследовании системы Са0-Сг203 -02 п области эвтектического состава установлено изменение массы вещества выше температуры эвтектического плавления.

7.Показана взаимосвязь между работой теплообменных устройств, подготовительных зон и процессом набора и устойчивости обмазки. Установлена причина образования многослойной (темной и светлой) обмазки при волнообразном движении материала, а также отрицательное воздействие такой обмазки ка стойкость футеровки из-за чрезмерного ее утолщения и последующего обрушения.

Образование послойной обмазки или колец с повышенным содержанием СаОсв. из незавершенных продуктов обжига цементного клинкера происходит в результате возникновения при неравновесном процессе попышенного количества низкоосновного силикатного расплава при температуре ниже 1200*С и его быстрой кристаллизации при насыщении расплава оксидом кальция. Длина образующейся светлой обмазки служит критерием стабильности работы подготовительных зон.

В. Установлена причина низкой стойкости фугеропки при смоне вида топливо, заключающаяся в изменении положения и формы факела.

^условленных различными условиями горения мазута и газа. Приложен способ иодготонки печи для оптимального перехода о одного вида о ил и ил на другой, а также разработаны гсрелочные устройства дли онместного сжигания газа и мазута (а.с. 11321(19, 1105137).

9. Разработан научна обоснованный принцип совершенствования ¡омпжкеи теплообменпых устройств ираицшицихсн ничей, оснпиинный ia регулировании степени заполнения материалом на различных участ-tax. В зоне пластичного состояния необходимо ускорить, а в зоне сыну к-го замедлить движение материала. Установлена зависимость теггло-иассообмена в цепных завесах от влажности и когезионных свойств .иламн, которая характеризуется скоростью набора материала и его обрушении с цепей. При высокий скорости обрушении - обеспечивается хорошая гранулометрии, а при медленном осыпинии происходит пересушка его на цепях, что ухудшает агрегирование, и увеличивает пыле выделение с шнн'рхи'нл и цепей. Уменьшение скорсти днижении, пыле-уппса и увеличение теплообмена и регенеративной зоне обеспечивается пересыпающим теплообменником (а.с. №14114769).

10. Разработан комплекс рекомендаций по стабилизации процессии агрегирования и образования обмазки, которые обеспечиваются рацни-нальным сжиганием теплит, комплексом теплообменник устройств, конструкторскими изменениями горячей части печи, холодильника, ю-peji.j4iii.ix • устройств, и также методам направленного регулировании режима обжига клинкера с использованием характера распределении температуры кирнуси цечи и гранулометрического состава получаемою нмцнт'ри. Предложена пртщитиии.иин схема модернизации колосникового холодильники, позволяющий охлаждал ь клинкер до температуры 60-ÍMVC и обс.снсчппиющан максимальную энтальпию вторичного ноадуха при одновременном обеспечении санитарных условий обслуживания холодильники. ¡>io достигается перераспределением иоздуха и слоя клинкера

11 .Результаты работы »недрены на .45 почах Старооскольского, Щу-ровского, Кентского, Чечено-Ингушскою, Коркинекого, Семипалатинского, Черкесского, Стерлитамакского цементных заводов и Тацинекого СДСК. Увеличена производительность печей на 10-15%, снижен удельный расход топлива на тонну клинкера на 5-21) кг, увеличена стойкость огнеупорной футеровки на 60-200 с/гок. Общий экономический эффект от внедрения результатов работы в ценах Ш)6 годи составляет более "S0 миллиардов рублей в год.

Основное содержание диссертации изложено в работах:*

1. Классен В.К., Матвеев А.Ф., Беляева В.А., Борисов И.Н., Брыжик A.B. Совершенствование методов испытаний и оптимизации режима работы вращающихся печей// Труды НИИ цемента.-! 985.-С.9 7-118.

2. Борисов И.Н., Стрельцов П.В., Классе« В.К. Особенности образования обмааки во вращающихся печах при изменениии технологических параметров режима обжига клинкера// Сб.науч.труд.МИСИ и БТИСМ.-1986.-С.87-93.

3. Борисов И.Н., Погребной И.А.,Текучева Е.В. Исследования процессов теплообмена в цепных теплообменниках вращающихся печей// Тез. док. конф. молодых ученых, Харьков,-1086.-С.21-22.

4. Классен В.К, Борисов ¡H.H., Брыжик A.B. Совершенствование комплекса теплообменных устройств для печей мокрого способа производства// Тез. докл. Всес. конф., Бел город.-198 7.-С..'15-37.

Б. Борисов И.Н., Классен В.К., Никифоров Ю.В. Комплекс теплообменных устройств для шлама с повышенной влажностью // Тез. докл. УП Всес. совещ. по химии цемента, Черкеск. - 1008. - С.243-245.

0. Борисов И.Н., Классен АЛ., Ьондаревская Ю.Г. Методика определения сил сцепления клинкер-огнеупор// Сб.науч. труд. УШ Всес. совещ. по химии и технологии цемента, раздел III, Москва .-1991.-С.50-С2.

7. Борисов И.Н., Классен В.К., Ткачева H.H. Неметаллический термокомпенсатор для футеровки вращающейся печи// Труды Всес. конф., Белгород,-1991 .-Ч.2.-С. 30-3J.

В. А.с.1132109 (СССР) 23Д 17/00. Газомизугная горелка/Классен В.К., Матвеев А.Ф., Борисов И.Н., Хрущев В.Ф. и др.// Опубл. 30. 12.84, Б юл. N 40.

9. Ас. 1195137 (СССР) 23 Д 17/00. 1'ааомазутнан горелка/Борисов ll.ll.i Классен В.К., Матвеев А.Ф., Хрущев В.Ф. и др.//0нубл.30.11.85, Бюл.Ы 44.

10. A.c. 14047(30 (СССР) С04 37/32. Пересыпающий теплоибмев-ник/Классен В.К., Классен А.Н:, Борисов H.H., Тскучева Е.В. и др.// 0публ.23.06.88, Bioji.N 23.

11. A.c. 1645249 (СССР). С04 37/36. Способ упрочнения футеровки в зоне спекания вращающейся печи/ Борисов И.Н., Классен В.К., Панчен-ко A.n., Богомолова E.H.// Опубл.30 04.91, Бюл-N 16.

12. Л.с. 1742720 (СССР) 01 33/38. Способ моделирования процесса агломерации цементного клинкера/Борисов И.Н., Классен В.К., Гуртовой Ю. А., Егоров Г.Б.// 0публ.23.06.92. Бюл. N 23.

13. Борисов И.Н., Классен В.К., Гуртовой Ю.А., Мануйлов В.Е., Егоров Г.Б. Изучение процесса образования обмазки и агломерации материала по вращающейся печи// Цемент,-1993.^ 27-С.18-20.

14. Борисов И.Н. Процессы агломерации и спекания при клинкерном пылении//Межд.конф. "Ресурсо- и энергосбер. техн. строит, матер.", Белгород.- 1995.-Ч.1.-С.13-14.

16. Борисов И.Н., Классен В.К., Мурашко ВЛ. Влияние условий нагрева нп взаимодействие я смеси эвтектического состава СаО- СгзОд// Тамисе, С.15-17.

16. Борисов И.Н., Классен В.К., Мурашко В.Н. Уточнение дпухкомпо-нентной системы Сао-Сг2Оз в окислительной среде// I Международное совещание по химии и технологии цементов, Москва. - 19Я6. - С. 18 - 10.

17. Классен В.К.,Беляева В.И., Борисов И.Н., Перескок С.Л. Энерго- и ресурсосбережение в производстве цемента.//Изв. Вузов, серия Строительство. - 1996. - №10.

18. Борисов И.Н.', Перескок С.А. Пути повышения стойкости огнеупорной футеровки на Щуровском цементном заводе. // Теа док. конф. молодых ученых, Харьков,- 1986.-С.56-57.

19. Борисов Ji.II., Якубоа В.С. Определение силы сцепления огнеупор-клинкер. // Труды Всес. конф., Белгород.-1 А89.-Ч.5.-С. 25.

20. Борисов И.Н., Текучева Е.В., Классен В.К. Способ формирования обмазки в печи путем регулирования сжигания топлива. // Тез. док. конф. молодых ученых, Харькоп.-1986.-С.66-68.

21. Борисов И.Н, Перескок С.А., Никифоров И.В. Причины низкой стойкости огнеупорной футеровки на Щуровском цементном заводе и пути ее повышения. // Груды Всес. конф., Белгород.-1987.-С. 37 - 39.

22. Борисов ИЛ., Гимборг Э.М., Перминопа Ю.Н., Ермолаев А.В. Стабилизация защитной обмазки по вращающихся печах. //Межд.конф. "Ресурсо- и энергосбер. техн. строит, матер.",Болгорпд.-1993.-Ч.1.-С.27-

Ж

" но теме диссертации опубликоиаио 31 работа.