Пояснительная записка к курсовому проекту_Помол клинкера для производства портландцемента. Курсовой_Павлов. Введение Одним из первых вяжущих, которым пользовался человек, была необожженная глина

• Название: Введение Одним из первых вяжущих, которым пользовался человек, была необожженная глина
• Анкор: Пояснительная записка к курсовому проекту_Помол клинкера для производства портландцемента
• Дата: 17.11.2021
• Размер: 273 Kb.
• Имя файла: Курсовой_Павлов.doc
• Тип: Документы; #274961
• страница: 1 из 3

Введение

Одним из первых вяжущих, которым пользовался человек, была необожженная глина. Этот материал применяется и до сих пор для возведения простейших сооружений, когда от изделий и конструкций не требуется высокой прочности. Вследствие слабых вяжущих свойств, а главное, вследствие малой стойкости во влажных условиях необожженная глина со временем перестала соответствовать возросшим требованиям строительской техники. За 2500-3000 лет до н.э. были найдены искусственные способы изготовления вяжущих веществ в первую очередь гипса и извести, получаемых обжигом соответствующих горных пород. За 2600 лет до н.э. гипс уже использовали при сооружении пирамид в Египте. Со временем научились предавать гидравлические свойства известковым растворам с помощью таких добавок, как обожженная глина и горные породы вулканического происхождения (туфа, пепла, пемзы) в измельченном виде. Подобные растворы использовали преимущественно в строительстве гидротехнических сооружений.

Вяжущее вещества на Руси применялись уже в глубокой древности. При сооружении Десятинной церкви в Киеве в 990 г., использовали известь. Стена Софийского собора в Киеве, построенного в ХI в., сложены на извести с добавками такого количества измельченного кирпича, при котором достигается наибольшая долговечность растворов.

Для получения гидравлических растворов древние русские строители и технологи кроме измельченного кирпича прибавляли к извести некоторые естественные породы, а для специальных целей – бычью кровь, творог, яичный белок.

В связи с большим промышленным, военным и гражданским строительством потребовались более эффективные, чем известь и гипс, вяжущие вещества. Во второй половине ХVIII в. в России разрабатываются и осваиваются способы изготовления вяжущих веществ из мергелей и искусственных смесей, по составу подобных мергелям. В 1807 г. Академик В.М. Севергин дает полное описание свойств вяжущего вещества, получаемого обжигом мергеля с последующим размолом полученного продукта, который по современной терминологии был типичным романцементом.

Изобретатели современного портландцемента часто считают англичанина Джозефа Аспдина. В 1824 г. он получил патент на изготовление вяжущего вещества из смеси извести с глиной обжигом ее до полного удаления углекислоты. Это вяжущее он назвал портландцементом, хотя по свойствам оно являлось разновидностью романцемента и, следовательно, не походило на современный портландцемента, получаемый обжигом строго дозированных сырьевых смесей до спекания.

Егор Челиев, понимавший значение обжига смеси исходных компонентов “добела”, описал уже применявшийся способ изготовления гидравлического вяжущего, который был более современным, чем способ Джозефа Аспдина. Таким образом, основоположником производства портландцемента в нашей стране является Е. Челиев.

В XIX и начале ХХ в. русские ученые во главе с Д.И. Менделеевым продолжали изучение вяжущих веществ. Их работы оказали большое влияние на развитие отечественной и зарубежной науки, способствовали развитию промышленности.

В настоящее время выпускаются разнообразные цементы, в том числе портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент и др. Разработаны составы и технологии особо быстротвердеющих цементов, прочность которых через сутки нормального твердения достигает 75-90% 28-суточной прочности.
1 Обоснование и выбор способа производства

В цементной промышленности исторически сложилось два основных способа производства – мокрый и сухой.

Измельчение сырья по сухому способу протекает труднее, чем по мокрому способу, так как при этом материал не подвергается расклинивающему действию молекул воды на сырьевой материал. Кроме того, при сухом помоле сырьевых материалов из мельницы необходимо непрерывно удалять заполненный мельчайшими частицами материала воздух или газовоздушную смесь.

Мельчайшие частицы сырьевого материала налипают на поверхности мелющих тел, футеровку и перегородки мельницы, при этом они удерживают на своей поверхности пузырьки воздуха. Смесь мельчайших твердых частиц с воздухом, осевшая на мелющих поверхностях, обладает амортизирующим действием и смягчает силу удара мелющих тел. В результате ухудшаются условия измельчения материала. Воздушный же поток, проходя через мельницу, увлекает эти мельчайшие частицы и очищает от них поверхности мелющих тел и щели перегородок.

При сухом способе помола исходных сырьевых материалов влажностью, не превышающей 8% смесь, измельчают в мельнице одновременной сушки и помола. Тем самым уменьшается общий расход теплоты на сушку и обжиг: при влажности сырья 3,5% - на 1680, при влажности 17% - на 840 кДж/кг. Лишь в тех случаях, когда влажность исходного сырья превышает 20%, количества теплоты, расходуемой при сухом способе и мокром способе производства, примерно одинаковы. Отходящие печные газы при сухом способе производства имеют пониженную влажность и могут использоваться для подсушки сырья.

Хотя помол по мокрому способу более эффективен чем по сухому, однако в связи с тем, что для печей с циклонными теплообменниками используют более низкодисперсную сырьевую смесь.

При обжиге по сухому способу резко сокращается расход пресной воды, что в последнее время становится большой проблемой.

При сухом способе производства цемента при помоле получается сырьевая мука. Различают две технологические схемы помола: по открытому и закрытому циклам.

Отдают предпочтение замкнутому (рис.1) циклу. При замкнутом цикле помола материал 1 выходит из мельницы 2 в виде полупродукта и направляется в сепаратор 4, в котором сортируется на готовый продукт 3 и крупку. Крупка возвращается в мельницу для дальнейшего измельчения. При работе мельницы по замкнутому циклу получается более однородный материал, в котором отсутствует крупные зерна, что неизбежно при открытом цикле. Кроме того, работа по замкнутому циклу помола способствует повышению производительности мельницы на 15-20%, так как из нее удаляются мельчайшие частицы, которые в противном случае, налипая на мелющие тела, уменьшают их измалывающую способность. Недостаток замкнутого цикла помола – более высокие капитальные затраты на сооружение сепарационного оборудования и усложнение обслуживания мельницы.



Рис.1.1 Схема работы мельниц:

а, б, в, г – по замкнутому циклу при сухом помоле.


2 Состав и классификация портландцемента

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.

Клинкер получают обжигом до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глина или некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.) При этом обеспечивается преимущественное содержание в нем высокоосновных силикатов кальция (70-80%).

Гипс в портландцемент добавляют для регулирования скорости схватывания и некоторых других свойств. Клинкерный порошок без гипса при смешивании с водой быстро схватывается и затвердевает в цементный камень, который характеризуется пониженными техническими свойствами.

Свойства портландцемента определяются, прежде всего качеством клинкера. Вводимые в него добавки предназначены для его регулирования.

Портландцемент и его разновидности являются основным материалом в современном строительстве. Он позволяет возводить бетонные и железобетонные конструкции самых разнообразных зданий и сооружений.

Портландцементный клинкер обычно получают в виде спекшихся мелких и более крупных гранул и кусков размеров до 10-20 мм или до 50-60 мм, в зависимости от типа печи.

По микроструктуре клинкер, получаемый спеканием, представляем собой сложную тонкозернистую смесь многих кристаллических фаз и небольшого количества стекловидной фазы.

2.1 Химический состав

Химический состав клинкера колеблется в сравнительно широких пределах. Главными оксидами цементного клинкера является: оксид кальция СаО, двуокись кремния SiO₂, оксид алюминия Al₂O₃ и оксид железа Fe₂O₃, суммарное содержание которых достигает обычно 95-97%. Кроме них в состав клинкера в виде различных соединений, в небольших количествах могут входить: оксид магния MgO, серный ангидрид SO₃, двуокись титана TiO₂, оксид хрома Cr₂O₃, оксид марганца Mn₂O₃, щелочи Na₂O и К₂О и др.

Обычно содержание этих оксидов в клинкере колеблется в следующих пределах (%):

СаО 63-66

SiO₂ 21-24

Al₂O₃ 4-8

Fe₂O₃ 2-4

MgO 0,5-5

SO₃ 0,3-1

Na₂O + К₂О 0,4-1

TiO₂ + Cr₂O₃ 0,2-0,5

Р₂О₅ 0,1-0,3

Повышенное содержание оксида кальция (при условии связывания в химические соединения с кислотными оксидами) обусловливает обычно повышенную скорость твердения портландцемента, его высокую конечную прочность, но несколько пониженную водостойкость. Цементы с повышенным содержание кремнезема в составе клинкерной части характеризуются пониженной скоростью твердения в начальные сроки при достаточно интенсивном нарастании прочности в длительные сроки; они отличаются повышенными водо- и сульфатостойкостью.

При повышенном количестве Al₂O₃, а следовательно, и алюминатов, в составе цементов последние приобретают способность к ускоренному твердению в начальные сроки. Цемент при повышенном содержании глинозема характеризуется меньшою водостойкостью, сульфатостойкостью и морозостойкостью.

Соединения оксида железа способствуют снижению температуры спекания клинкера. Цементы, богатые оксидом железа, при низком содержании глинозема ведут себя аналогично высоко-кремнеземистым. Относительно медленно схватываясь и твердея в начальные сроки, они в дальнейшем достигают высокой прочности. Цементы с повышенным количеством оксида железа отличаются высокой стойкостью по отношению к действию сульфатных вод.

Повышенное содержание в клинкере оксида магния вызывает неравномерность изменения объема цемента при твердении. По стандарту MgO в клинкере должно быть не больше 5%.

Ангидрид серной кислоты SO₃ в виде гипса необходимый для регулирования сроков схватывания портландцемента. Его содержание ограничивается пределами 1,5-3,5%.

Двуокись титана TiO₂ входит в клинкер с глинистым компонентом сырьевой смеси в количестве 0,1-0,5%. При таком ее содержании она способствует лучшей кристаллизации клинкерных минералов.

Фосфорный ангидрид Р₂О₅ и оксид хрома Cr₂O₃ в небольшом количестве (0,1-0,3) оказывают легирующие действие на клинкер, увеличивая интенсивность твердения цемента в первые сроки и повышая его конечную прочность. При большом их количестве (1-2%) скорость твердения цементов замедляется, а прочность снижается.

Щелочи Na₂O + К₂О обычно присутствуют в клинкерах в количестве до 0,5-1%, причем содержание К₂О, как правило, в несколько раз больше, чем Na₂O. Если щелочей более 1%, то они вызывают непостоянство сроков схватывания цемента и образование выцветов на поверхности растворов или бетонов.
2.2 Минералогический состав клинкера

В клинкере обычного состава главные окислы образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде минералов кристаллической структуры, часть их входит в стекловидную фазу.

Основными минералами цементного клинкера являются алит 3СаО*SiO₂ или C₃S и белит 2СаО*SiO₂ или С₂S.

Алит – важнейший клинкерный минерал - силикат, определяющий высокую прочность, быстроту твердения. В клинкере он содержится обычно в количестве 45-60%. По современным данным алит рассматривают как твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества MgO, Al₂O₃, Р₂О₅, Cr₂O₃ и др.

Трехкальциевый силикат встречается в трех полиморфных модификациях. При этом чистый С₃S обычно кристаллизуется в триклинной форме, примеси же переводят структуру в моноклинную.

Чистый С₃S устойчив в интервале температур от 1200-1250 до 1900-2070 ^оС. Ниже указанных температур С₃S разлагается на С₂S и СаО, а при температуре выше 2070 ^оС плавится. Практическое значение имеет нижняя температурная область, так как после обжига клинкер, охлаждаясь, находится некоторое время при температуре 1200-1250 ^оС, что может вызвать его разложение и, следовательно, ухудшение качества.

Белит – второй основной минерал портландцементного клинкера, отличается медленным твердением, но обеспечивает достижение высокой прочности при длительном твердении портландцемента.

Белит, как и алит, представляет собой твердый раствор β-двухкальциевого силиката (β – 2СаО*SiO₂ ) и небольшого количества (1-3%) таких примесей, как Al₂O₃, Fe₂O₃, Cr₂O₃ и др. Он содержится в клинкерах обычных портландцементов в количестве 15-30% и обозначается β- C₂S.

Установлено существование четырех полиморфных форм двухкальциевого силиката: α - С₂S, α^’- С₂S, β - С₂S, γ - С₂S. α – модификация устойчива в пределах температур от 2130 до 1425 ^оС, ниже которой переходит в α^’ – форму. α^’- С₂S стабилен в области 1425-830 ^оС. При более низкой температуре в условиях медленного охлаждения решетка чистого α^’- С₂S перестраивается в решетку стабильного при низких температурах γ - С₂S. При быстром охлаждении α^’-С₂S переходит при 670 ^оС в β-С₂S, нестабильный при всех температурах и склонный к переходу в γ - С₂S, особенно при 525 ^оС и ниже. Таким образом, С₃S и β-С₂S термодинамически неустойчивы при обычных температурах, что является причиной их активности при взаимодействии с водой.

Промежуточное вещество, расположенное между кристаллами алита и белита, включает алюмоферритную и алюминатную фазы, а также второстепенные минералы в кристаллическом виде и, наконец, стекловидную фазу.

Алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава.

Алюминаты кальция могут встречаться в промежуточном веществе клинкера в виде двух соединений: трехкальциевого алюмината С₃А и пятикальциевого трехалюмината С₅А₃.

Клинкерное стекло обычно присутствует в промежуточном веществе в количестве 5-15%.

Помимо этих основных составляющих в клинкере содержатся также и некоторые другие кристаллические образования и, в частности, СаО и MgO в свободном состоянии.
2.3 Добавки при помоле цемента

При изготовлении портландцемента в клинкере вводят активные минеральные добавки, также гипс или его заменители.

Активными минеральными добавками называют вещества природные или искусственные, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с гидратной известью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и в воде. Эти добавки вводят в клинкер во время его помола.

Активные минеральные добавки подразделяются на две группы: природные и искусственные.

К природным активным минеральным добавкам относят горные породы:

осадочного происхождения – диатомит, трепел, опоку и глиежи;

вулканического происхождения – пепел, туф, пемза, трасса, порфироид.

К искусственным активным минеральным добавкам относят:

доменные гранулированные шлаки, получаемые при выпалке чугуна и превращаемые в мелкозернистое состояние путем быстрого их охлаждения;

электротермофосфорные шлаки;

золы уноса – отходы, остающиеся при сжигании некоторых видов твердого топлива.

При получении портландцемента гипс вводится в клинкер в виде гипсового камня. Гипсовый камень - СаSO₄*2Н₂О горная порода осадочного происхождения – добавляется в количестве 3-5% при помоле клинкера для регулирования сроков схватывания цемента.

Одним из видов искусственных добавок является доменный гранулированный шлак.

Шлаки – это отходы, что образуются при условии высоких температур вследствие физико-химических взаимодействий отходов твердых материалов (топлива, руды) и газовой среды.

Свойства доменного гранулированного шлака как компонента шлаковых цементов характеризуются коэффициентом качества К, величина которого зависит от содержания оксида магния в шлаках. При содержании MgO до 10%

,

а при содержании MgO более 10%



Шлакопортландцемент состоит из портландцемента, гранулированного доменного шлака (не более 60мас.%) и гипса.

Технологический процесс производства шлакопортландцемента включает операции изготовления цементного клинкера, подготовки гранулированного шлака и совместного помола клинкера, шлака и гипса. Гранулированный шлак предварительно должен подвергаться сушке до остаточной влажности, не превышающей 1-2 %. Сушка шлака производится либо в сушильных барабанах, либо в установках “кипящего слоя”.

Гипс в шлакопортландцементе служит не только регулятором сроков схватывания, но и активизатором твердения шлака. Замедляя схватывание клинкера, он в то же время ускоряет схватывания шлака. Увеличение дозы гипса с 2 до 4-5% вызывает рост прочности шлакопортландцемента во все сроки схватывания.

Твердение шлакопортландцемента является более сложным процессом, чем твердение портландцемента, так как в реакциях участвуют оба компонента. Вначале происходит гидратация клинкера. В составе новообразований обнаруживается гидросиликат СSH(В).

Шлакопортландцемент разделяется на марки 300,400 и 500. Обычный шлаковый портландцемент характеризуется относительно медленным нарастанием прочности в ранние сроки твердения.

Шлакопортландцемент более универсальный вяжущий материал, его можно использовать для бетонных и железобетонных конструкций, наземных, подводных и подземных сооружения.