Синтез низкоосновного малоэнергоемкого клинкера с использованием шлаков и получение высококачественного смешанного цемента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.11, кандидат технических наук Журавлев, Петр Владимирович

• Журавлев, Петр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Журавлев, Петр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА , ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Литературный обзор.

1.1.1. Современное состояние и пути дальнейшего развития цементной промышленности в России.

1.1.2. Применение шлаков и других техногенных материалов, содержащих ортосиликат кальция, для производства вяжущих.

1.1.3. Высокоосновные и низкоосновные клинкера в производстве цемента.

1.1.4. Влияние различных факторов на кинетику процессов гидратации и прочность цемента.

1.1.5. Выводы из литературного обзора.

1.2. Цель и этапы работы

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Методы исследований.

2.2. Химико-минералогический состав материалов

2.3. Выводы

ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ОБЖИГЕ НИЗКООСНОВНОГО КЛИНКЕРА

3.1. Изменение фазового состава шлака ОЭМК при нагревании.

3.2. Выбор рационального компонентного и химического состава сырьевой смеси для низкоосновного клинкера

3.3. Минералообразование при обжиге низкоосновного клинкера

3.4. Сравнительная микроструктура рядового и низкоосновного клинкеров

3.5. Выводы.

4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ГИДРАТАЦИИ И ТВЕРДЕНИЯ НИЗКООСНОВНОГО КЛИНКЕРА И СМЕШАННЫХ ЦЕМЕНТОВ

4.1. Влияние температуры обжига на активность низкоосновного клинкера.

4.2. Взаимное влияние рядового и низкоосновного клинкеров на гид-ратационную активность смешанного цемента.

4.3. Взаимодействие смешанного цемента с водой на начальной стадии гидратации.

4.4. Тепловыделение при гидратации смешанных цементов

4.5. Фазообразование при гидратации смешанных цементов

4.6. Уточнение процесса гидратации смешанного цемента.

4.7. Выводы.

5. РАЗРАБОТКА ПЕРЕДЕЛОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕШАННОГО ЦЕМЕНТА

5.1. Теплотехническая эффективность использования шлаков при производстве низкоосновного клинкера

5.2. Размалываемость сырьевых материалов

5.3. Влияние шлака на адгезионно-когезионные свойства шлама

5.4. Уточнение оптимальной температуры обжига низкоосновного клинкера.

5.4.1. Влияние температуры обжига низкоосновного клинкера на прочностные свойства смешанного цемента.

5.4.2. Влияние температуры обжига на размалываемость клинкера

5.5. Промышленные испытания технологического процесса при использовании шлака как сырьевого компонента.

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез низкоосновного малоэнергоемкого клинкера с использованием шлаков и получение высококачественного смешанного цемента»

Цементное производство предопределяет потребление большого количества материальных и энергетических ресурсов. Основными показателями, характеризующими эффективность цементного производства являются качество цемента, удельный расход энергетических и материальных ресурсов. Значительное количество тепла расходуется на процессы физико-химического превращения обжигаемого материала, причем природа исходного сырья оказывает решающее значение на интенсивность и тепловой эффект клинкерообразования. Таким образом, использование в производстве цемента металлургических шлаков - материалов прошедших высокотемпературную обработку и содержащих низкоосновные силикаты кальция, способно снизить расход топлива на обжиг клинкера. Использование техногенного продукта обеспечивает улучшение экологической обстановки в промышленно развитых регионах и сохраняет природный комплекс естественных сырьевых источников.

Однако, часто шлаки содержат в себе значительное количество оксидов, отрицательно влияющих на качество портландцемента, таких как М^О, МпО, ТЮг, 80з, Р2О5 и других, и ограничивающих возможность введения значительного количества шлака в сырьевую смесь. Также нежелательным свойством высокоосновных шлаков является модификационный переход ортоси-ликата кальция из -формы в у-форму, которая является гидратационно инертной модификацией, и поэтому шлаки не могут применятся как активная минеральная добавка к цементу. Такие шлаки металлургического производства практически не используются и целиком вывозятся в отвалы, занимая плодородные земли и ухудшая экологическую ситуацию в регионах. Так, в отвалах промышленного предприятия "Оскольский электрометаллургический комбинат" (ОЭМК) скопилось более 3 миллионов тонн саморассыпающегося шлака, отходов сталелитейного производства. Данный шлак практически не находит использования из-за значительного (до 25 %) содержания примесей оксидов железа и магния. К тому же шлак является негранулированным материалом и содержит ортосиликат кальция в гидравлически не активной гамма-модификации. Нахождение способа утилизации шлака ОЭМК представляет 5 значительный практический интерес, при котором решаются задачи экономии материальных и энергетических ресурсов и улучшения экологической обстановки в регионе.

Другим значительным направлением экономии энергоносителей при производстве портландцементного клинкера является снижение его коэффициента насыщения, так как при этом снижается содержание карбоната кальция в сырье и уменьшается величина теплового эффекта клинкерообразования вследствие уменьшения теплозатрат на диссоциацию СаСОз и большей экзо-термии образования Сг8. Низкоосновные цементы обладают многими преимуществами перед высокоосновными (высокая морозостойкость, сульфато-стойкость и др.). Однако, получение и использование цементов с пониженным коэффициентом насыщения и, следовательно, с низким содержанием Сз8 и с высоким - СгБ связано с определенными трудностями: низкой размалываемо-стью, пониженной активностью в ранние сроки твердения. Решение этих задач при производстве низкоосновного цемента способно обеспечить значительное энергосбережение.

Совмещение двух указанных направлений развития технологии цементного производства по использованию техногенных, силикат кальция содержащих продуктов и активизации низкоосновных клинкеров способно привести к более значительной экономии энергоносителей. Следовательно, научные исследования, направленные на комплексное решение данной проблемы имеют важное народохозяйственное значение не только для цементной промышленности, но и для промышленной индустрии в целом.

Работа выполнялась в соответствии с программой Госкомитета РФ по ВО "Архитектура и строительство" на 1993-1995 г. "Разработка энергосберегающих технологий производства цемента с использованием техногенных продуктов", перечнем важнейших работ АО"Концерн Цемент" на 1994-1997 годы (шифр - 15н) и тематическим планом НИР БелГТАСМ, финансируемых из средств государственного бюджета (НИЛ № 28).

Цель настоящей работы заключается в разработке энерго- и ресурсосберегающей технологии и научном обосновании получения высококачественного смешанного цемента с использованием отвальных сталелитейных 6 шлаков для синтеза низкоосновного клинкера, обеспечивающих улучшение экологической обстановки региона.

Научная новизна. Установлено образование алита при 1200°С, что на 50 градусов ниже температуры стабильности ЗСаО БЮг согласно диаграммы состояния системы СаО-БЮг, которое обусловлено наличием в шлаковой составляющей примесей, смещающих температурную область существования данной фазы, и высокой реакционной способностью смеси вследствие проявления эффекта Хедвалла в период полиморфных превращений ортосиликата кальция шлака и окислительных экзотермических процессов.

Подтверждено существование спорной низкотемпературной а'т- модификации ортосиликата кальция и ее получение при нагревании у-СгБ в температурном интервале 540-820°С.

Развиты представления о процессах гидратации смешанного двух-клинкерного цемента, заключающихся в интенсификации физико-химического взаимодействия фаз в водо-цементной системе под влиянием низкоосновного клинкера, полученного при пониженной температуре. Мелкокристаллический алит, внесенный с низкоосновным клинкером и обладающий в ранние сроки высокой гидратационной активностью, обеспечивает интенсивное выделение в дисперсионную среду гидроксида кальция, который ускоряет диспергацию частиц цемента в первые минуты взаимодействия с водой, увеличивая тем самым количество центров кристаллизации гидратных фаз, что приводит к ускоренному и равномерному их росту по всему объему и высокой прочности цементного камня.

Установлена закономерность нарастания прочности смешанного двух-клинкерного цемента в зависимости от свойств и количественного содержания низкоосновного клинкера. Согласуя температуру обжига низкоосновного клинкера и его содержание в цементе, можно обеспечить требуемые строительно-технические свойства смешанного двухклинкерного цемента как по скорости нарастания прочности, так и по его конечной марочности.

Выявлены зависимости изменения адгезионно-когезионных свойств шлако-ншамовых суспензий от их состава и влажности, позволяющие оптимизировать тепломассообменные процессы в цепной завесе вращающейся печи. 7

Практическая ценность работы. Предлагаемая в работе технология позволяет производить качественный портландцемент с добавкой низкоосновного клинкера, синтезированного с использованием негранулированных сталелитейных шлаков, не используемых в промышленности вяжущих материалов. Технология не требует значительных капиталовложений в реконструкцию существующих технологических линий производства цемента. Незначительные затраты и высокая мобильность технологии достигаются за счет подачи шлака только на одну печь из 3-4 работающих на предприятии, при этом не требуется корректировки сырьевого шлама.

Разработанные технологические приемы являются эффективным способом снижения себестоимости цемента. При выпуске низкоосновного клинкера на одной печи расход топлива снизится на 25-30%, а в целом по заводу на 8-10 %. Использование отходов металлургического производства, неиспользуемых до настоящего времени в производстве вяжущих материалов, позволит улучшить экологическую обстановку в экономически развитых регионах и сохранить естественный баланс природных материалов.

Проведенные промышленные испытания на АО"Осколцемент" при вводе в печь 05x185 м до 10 % шлака обеспечили: - снижение удельного расхода условного топлива на 8-10 кг/т клинкера; - выпуск высококачественного клинкера марки 500.

Результаты проведенных исследований в настоящее время используются на АО"Осколцемент" при разработке энергосберегающей технологии с применением шлаков. При вводе в одну печь до 10 % шлака экономический эффект составит 500 тыс. рублей в ценах августа 1999 года.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международных конференциях в Москве (1996), Барнауле (1997), Белгороде (1995, 1996, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. 8