д.т.н., профессор Худякова Т.М, магистрант Джурабекова М.К., к.т.н., доцент Колесников А.С.

РГП на ПХВ «Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова», Казахстан, г. Шымкент

Интенсификация процесса обжига путем дополнительного питания печи с горячего конца

Цементная промышленность входит в группу крупных потребителей топлива и энергии [1]. Высокая энергоемкость технологии цемента и необходимость снижения затрат ставит задачу выбора оптимального состава клинкера и совершенствования процесса обжига. Производительность печей, удельный расход топлива и прочие определяющие показатели зависят не только от исходных конструктивных характеристик технологических установок, но и от режимов их работы. Ускорения режима до известного предела повышает производительность, но при этом существенно увеличивает непроизводительные потери, связанные с выносом материала, повышением температуры отходящих газов, удельный расходом теплоты и, соответсвенно , топлива.

С целью экономии сырья (в частности, основного составляющего портландцемент известняка), топлива, значительного снижения выбросов парниковых газов в атмосферу предлагается получить низкоосновной клинкер, а при вводе с горячего конца печи CaO или Ca(OH)₂, повышая коэффициент насыщения клинкера – то есть получить алитовый клинкер при низких температурах [2,3]. Введение с горячего конца печи известкового компонента[4,5]CaO или Ca(OH)₂ позволит увеличить коэффициент насышения клинкера на заключительной стадии обжига с 0,75 до 0,90. При этом решаются как технологические, так и экономические проблемы производства.

Для решения вопроса об использовании оксида кальция с целью повышения коэффициента насыщения был получен белитовый клинкер из сырья Састюбинского_завода с КН = 0,75следующего минералогического состав, %: C₂S- 64,319%, C₃S- 10,438%, C₄AF -14,649%, C₃A-7,950%

Сырьевые компоненты тщательно перемешивались как в сухом состоянии, так и вместес водой, затем высушивались и подвергались помолу. Приготовленная смесь загружалась втигли и подвергалась резкому обжигу в силитовой печи при температуре 1350 ⁰C.

Выдержка при максимальной температуре составляла 30 минут. В результате обжига получен белитовый клинкер,микрофотографии которого представлены на рисунке 1.

$Описание: C:\Users\User\Desktop\Рисунок2.png$

Рисунок 1- Белитовый клинкер,х200,t_обжига=1350 ⁰ С

Белитовый клинкер отличается мелкокристаллической структурой. Белит закристаллизован в виде округлых зерен размером 10-20 мкм, алит 5-15 мкм. Размеры кристаллов меньше, чем в рядовых клинкерах. Это обусловлено, прежде всего, низкой температурой синтеза. Белитовый клинкер отличается зональным расположением кристаллов алита и белита в поле аншлифа. В промежутках между белитовыми и алитовыми зернами – алюмоферриты и алюмината.

Химический и минералогический состав клинкера полученный в лабораторных условиях показан в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 Химический состав клинкера

компонент	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃
клинкер	25,184	6,084	4,819	61,298	2,951	0,038

Таблица 2- Минералогический состав клинкера

Минералогический состав клинкера
C₃S	10.438 %
C₂S	64.319 %
C₃A	7.950 %
C₄AF	14.649 %

Для синтеза алитового клинкера необходимо было получить активный оксид кальция. Его получали путем резкого обжига при температуре 900 - 950°С и выдержки в 15 минут из известняка Састюбинского месторождения.

Из известняка Састюбинского месторождения получали активную известь, а также использовали отходы известеобжигатёльных печей, переводя их в Са(ОН)₂. Исходными при обжиге алитового клинкера из белитового и СаО взяты следующие данные: коэффициент насыщения алитового клинкера - 0,92, степень превращения двухкальциевого силиката в трехкальциевый силикат - 75%, что соответствует следующему минералогическому составу алитового клинкера: C₃S - 64%, C₂S - 1 5%, С₃А - 8,5%, C₄AF - 12,5%.

Для полного насыщения двухкальциевого силиката известью, до трехкальциевого силиката по реакции C₂S + СаО→ C₃S необходимо 24,56 % СаО, тогда для 75% насыщения C₂S известью необходимо соответственно 18,45 % СаО.

Таким образом, в последующих обжигах во всех случаях вводился СаО в количестве 18,5% от массы белитового клинкера.

Предварительно полученный белитовый клинкер размалывался до удельной поверхности 260 м²/кг и перемешивался с полученной активной известью (S=300 м²/кг или Са(ОН)₂- S =390 м²/кг). Затем из перемешанных в сухом состоянии компонентов формовались кубики 2x2x1,5 см под давлением 40,0 МПа.

Обжиги проводились в лабораторной электрической печи с карборундовыми нагревателями. Образцы загружались в разогретую до температуры 1380°С печь и выдерживались при максимальной температуре 15 минут. В синтезированных клинкерах определялась СаО_св и проводился электронно-микроскопический анализ.Результаты определения CaO_св в клинкерах представлены в таблице 3.

Таблица 3- Взаимодействие CaO с белитовым клинкером (в порошкообразном состоянии)

№ п/п	Материал	Температура обжига,⁰С	Продолжительность обжига, мин	Содержание CaO_св, %
1	Белитовый клинкер с CaO	1350	30	0,33
2	Белитовый клинкер с CaO	1370	15	0,73
3	Белитовый клинкер с CaO	1370-1380	10	0,29
4	Белитовый клинкер с CaO	1370-1380	5	0,29
5	Белитовый клинкер с CaO	1370-1380	3	1,05
6	Белитовый клинкер с Са(ОН)₂	1370-1380	3	0,75

$Описание: C:\Users\kaban tolik\Desktop\микро.jpg$

Рисунок 2- Алитовый клинкер, х500, t_обжига=1380 ⁰ С

Клинкер из смеси белитового клинкера и активной извести хорошо спекся (СаО_св - 0,75 %), в клинкере с использованием Са(ОН)₂ содержание СаО_св составляло 0,5%. Небольшое количество СаО_св в продуктах обжига обусловливается высокой дисперсностью Са(ОН)₂ и разложением его при более низкой температуре.

Исследования на растровом микроскопе показали, что в результате взаимодействии белитового клинкера с активной известью образовалось большое количество алита. Кристаллизация образовавшегося алита разнообразная. Клинкерные минералы расположены группированием вокруг пор. Микрофотография алитового клинкера представлена на рисунке 2

Размолотые с 3 % гипса до удельной поверхности 290 м²/кг синтезированный и промышленный клинкер подвергались физико-механическим испытаниям. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Таблица 3- Физико-механические испытания цементов, полученных из синтезированных клинкеров

Характеристики цементов			Клинкер
	КН=0,75	КН=0,92 синтезированный с СаО_актив		КН=0,92 синтезированный с Са(ОН)₂	КН=0,92 промышленный
		КН=0,92 синтезированный с СаО_актив		КН=0,92 синтезированный с Са(ОН)₂	КН=0,92 промышленный
Водоцементное отношение, %	25,1	25,3		25,4	25,5
Начало схватывания, мин	85	75		75	75
Конец схватывания, мин	105	П5 ,		115	115
Удельная поверхность, м²/кг	280	290		290	300
Предел прочности при сжатии
образцов, МПа, изготовленных
из цементного теста в возрасте
3 сут.	24,7	41,9		42,4	43,1
7 сут.	42,5	72,4		73,0	73,3
28 сут.	81,4	91,5		92,2	92,4

Результаты физико-механических испытаний свидетельствуют о том, что качество цемента, полученного взаимодействием белитового клинкера с активной СаО и Са(ОН)₂ в лабораторных условиях по рассмотренному в настоящей работе способу, не хуже цемента, полученного по традиционной технологии.

Взаимодействие белитового клинкера с активной известью или Са(ОН)₂ в производственных условиях можно осуществить питанием вращающейся печи шламом с КН-0,75 и вдуванием активной СаО или Са(ОН)₂ через форсунку с горячего конца печи.В результате проведенных исследований установлена возможность повышения производительности вращающихся печей на 18% при сохранении качества клинкера, снижения количества выбросов СО₂, за счет сокращения содержания в клинкере карбонатной составляющей, уменьшения выбросов NO_x за счет снижения расхода топлива на обжиг клинкера.

Литература:

1 Худякова Т.М. Возможности снижения энергозатрат при производстве и использовании цементов //Комплексное,использование минерального сырья,- 2002,- №5. - С.77-80.

2 Журавлев, П.В. Синтез низкоосновного клинкера с использованием шлаков и получение высококачественного смешанного цемента. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Белгород. - 1999. -147 с.

3 Барбанягрэ, В.Д. Интенсификация спекания цементного клинкера на основе низкотемпературных расплавов: автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.13.07 / Петербург, гос. технич. институт (технич. университет). СПб., 1998.-52 с.

4 Дзвонковский, Р.М. Исследование процесса обжига портландцементного клинкера при введении известняка в зону охлаждения вращающейся печи [Рукопись] : дис. ... канд. техн. наук / Р. М. Дзвонковский ; Харьковский политехнический ин-т. - Харьков, 1974. - 154 с.

57Кравченко, И.В. Дополнительное питание вращающихся печей -эффективный способ повышения их производительности / И.В. Кравченко, Е.И. Ковалева, В.И. Жарко // Цемент. 1979. - №2. - С. 6-7.