Способ изготовления портландцемента и способ изготовления бетонных и железобетонных изделий на основе изготовленного портландцемента

Способ изготовления портландцемента и способ изготовления бетонных и железобетонных изделий на основе изготовленного портландцемента

Реферат

 

Изобретение относится к технологии строительных материалов и может быть использовано для производства цемента и изделий из бетона. Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления цемента, включающем получение алитового портландцементного клинкера обжигом исходной сырьевой смеси до спекания во вращающейся печи с введением добавки портландцемента в количестве 0,05 - 5% массы клинкера с последующим охлаждением клинкера и помолом его совместно с гипсовым компонентом, в цементную сырьевую смесь дополнительно вводят цементную пыль, уловленную из отходящих печных газов, при первоначальной разности значений коэффициента насыщения сырьевой смеси и пыли 0,2 - 0,4, добавку портландцемента сначала вводят в количестве 0,05 мас.%, затем увеличивают ее содержание в 1,5 - 5 раз до получения L в пределах 0,1 - 0,15, далее, не меняя подачу добавки портландцемента, увеличивают подачу в печь сырьевой смеси против исходного количества до получения L 0,16 - 0,2, последовательно повторяют указанные операции до получения L менее 0,09 и продолжают обжиг, не менее достигнутого количества подаваемых сырьевой смеси и добавки цемента, до получения в клинкере алита с отклонением не более 2,5% от расчетного уровня. В способе изготовления изделий из бетона на основе указанного цемента с тепловлажностной обработкой изделия пропаривают по мягкому режиму или выдерживают в камере твердения. Изобретение позволяет повысить производительность вращающихся печей и снизить энергозатраты на обжиг клинкера, помол цемента и тепловлажностную обработку бетонных и железобетонных изделий. 2 с. и 1 з. п. ф - лы.

Изобретение относится к строительным материалам и изделий, а именно к способам изготовления портландцемента и бетонных и железобетонных изделий на основе изготовленного портландцемента с использованием тепловлажностной обработки.

Из уровня техники известен способ изготовления портландцемента, включающий получение портландцементного клинкера, содержащего трехкальциевый силикат 3СаО SiO₂, двухкальциевый силикат 2CaOSiO₂, трехкальциевый алюминат 3СаОAl₂O₃ и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО Al₂O₃ Fe₂O₃, обжигом до спекания цементной сырьевой смеси и последующим охлаждением продукта обжига клинкера и помол клинкера совместно с гипсовым компонентом [1] Основные недостатки способа невысокая производительность вращающейся печи при обжиге этого клинкера и недостаточная размолоспособность последнего, ведущая к невысокой производительности цементных мельниц. Эти недостатки известного из уровня техники процесса обжига клинкера и полученного продукта обусловлены в первом приближении несогласованностью значений коэффициента теплоотдачи газовоздушной смеси, образующейся при сжигании технологического топлива, и поглощения теплоты обжигаемым материалом с протекающей в нем системой физических и химических процессов в подготовительных зонах и зоне спекания печи. Причина этих недостатков заключается, во-первых, в высоком уровне энергии активации образования основного клинкерного минерала трехкальциевого силиката (алита) в обжигаемом материале в зоне спекания указанной печи (более 1880 кДж/моль), чем обусловлена пониженная реакционная способность обжигаемого материала при незначительном или нулевом значении суммарного эндотермического эффекта физико-химических процессов, протекающих в обжигаемом материале в этой зоне и связанными со всем этим большими потерями тепловой энергии при теплопередаче; и это при повышенных значениях коэффициента теплоотдачи газовоздушной смеси в последней зоне. Во-вторых, в низком уровне энергии активации физических процессов, в частности, диффузии капиллярной влаги при сушке (около 25 кДж/моль), но и, напротив, в повышенном почти на два порядка значении эндотермического эффекта физико-химических процессов, то есть повышенной способности к поглощению тепловой энергии обжигаемым материалом в подготовительных зонах печи по сравнению с зоной спекания при на порядок пониженных значениях коэффициента теплоотдачи газовоздушной смеси. Эти противоречия через ряды причинно-следственных зависимостей, поддающихся факторному анализу и ранжированию, приводят к тому, что, в третьих, полученный при известном уровне техники портландцементный клинкер характеризуется либо крупными средними размерами гранул от 12 до 20 мм, в среднем 13-15 мм, при высокой их плотности (около 2,3 г/см), либо пылеватой текстурой с фракцией менее 1 мм в количестве до 30-40% оплавленной с поверхности и характеризующейся микротвердостью, на 20-40% превышающей средние показатели для обычных клинкерных минералов трехкальциевого силиката (алита), двухкальциевого силиката (белита), трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита. В обоих случаях затруднен помол цемента. Эти три главные особенности процесса определяют высокий уровень расхода топлива на обжиг клинкера от 190 до 240 кг усл. топлива/т клинкера при мокром и от 130 до 150 кг усл. топлива/т клинкера при сухом способе производства и высокий расход электроэнергии на помол цемента от 35 до 60 кТтч/т при мокром и от 28 до 48 кВтч/т при сухом способе производства в пересчете на удельную поверхность цемента 3000200 см²/г (все данные для российской цементной промышленности из ежегодных отсчетов цементных предприятий).

Известен также использованный для борьбы с этими недостатками способ изготовления портландцемента, включающий получение портландцементного клинкера указанного состава обжигом до спекания цементной сырьевой смеси с введением в нее минерализатора (минеральной добавки) фосфогипса и последующим охлаждением клинкера и помол клинкера совместно с гипсовым компонентом, в качестве которого может быть также использован фосфогипс [2] Этот способ позволяет снизить энергию активации алитообразования, преимущественно в начале зоны спекания вращающейся печи (примерно на 7% ), повысить в этой части зоны спекания реакционную способность обжигаемой сырьевой смеси, в особенности включающей 1,5-2,5% MgO, и соответственно увеличить производительность вращающейся печи на 2-5% а также повысить размолоспособность клинкера в процессе помола портландцемента в среднем на 5-8% с экономией электроэнергии, составляющей по отсчетным данным около 3-5% Однако магнезиальное цементное сырье и подходящие для него источники фосфогипса имеются лишь в отдельных регионах. Недостатки предыдущего способа при осуществлении данного способа устраняются, следовательно, в небольшой степени и лишь для локального применения.

Аналогом изобретения в части способа получения портландцемента является способ изготовления портландцемента, включающий получение портландцементного клинкера указанного состава обжигом цементной сырьевой смеси с введением в нее перед обжигом добавки цемента в количестве 1-60% массы сырьевой смеси (в максимуме ввода цемента этот способ можно охарактеризовать как связанный с рециклом части цемента, а не просто добавкой цемента в сырьевую смесь) и охлаждением клинкера, и помол его совместно с гипсовым компонентом [3] Его преимущество перед предыдущим способом заключается в большей доступности портландцемента в качестве добавки на цементных заводах по сравнению с любой другой, в том числе и фосфогипсом, в основном, как и другие минерализаторы фториды, хлориды и т.п. являющимся сравнительно дальнепривозным материалом. Недостаток способа состоит в том, что на повышение производительности обжигового агрегата и цементных мельниц и экономию топливно-энергетических ресурсов при использовании этого способа автор (Клиффорд Уайт, 1960) не претендует. Очевидно, данный способ предназначался для исправления серьезных недостатков химического состава сырьевых материалов (заявка на этот патент направлена из Кении, где имеются подобные проблемы); Примерно аналогичное предложение в тех же целях было осуществлено и в России на цементных предприятиях г. Новороссийска в период II мировой войны (конец 1943-1944 гг.). Наконец, идея использования предварительно образованной обжигом грубодисперсной цементной сырьевой смеси при 1100-1200^оС затравки из твердофазного трехкальциевого силиката для ускорения следующей стадии обжига этого материала при 1300-1400^оС была в лабораторных условиях использована в НИИцементе С.М. Рояком и О.К. Алешиной (1961). Следовательно, идея введения затравки в процесс образования портландцементного клинкера была реализована первоначально для утилизации неблагоприятных сырьевых ресурсов, но не для интенсификации нормального технологического процесса производства портландцемента.

Топливно-энергетические ресурсы, затраченные на производство цемента, в последние годы приобрели особо существенное значение в технологии бетона. Именно от них зависит уровень суммарных энергозатрат на 1 м³ бетона и железобетона, являющийся одним из основных технико-экономических показателей бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Снижение энергозатрат на производство цемента при сохранении или повышении его гидравлической активности не только улучшает эти показатели для бетона, но и характеристики долговечности бетона изделий и конструкций, поскольку становится возможным использование более качественных заполнителей при снижении расхода цемента благодаря росту его гидравлической активности [4] При этом сокращается содержание в бетоне самого уязвимого для воздействия агрессивных факторов внешней среды его компонента цементного камня. Известно, что тепловлажностная обработка существенно снижает морозостойкость бетона по сравнению с твердением в естественных условиях [5] Для условий России по этой причине тепловлажностная обработка изделий по жестким (то есть высокотемпературным с изотермическим прогревом при 80-95^оС) режимам, необходимая в виду ограниченности объемов камер твердения (пропарочных камер) и площадей формовочных цехов заводов сборного железобетона, является, несмотря на использование жестких бетонных смесей в принципе неприемлемой, что создает с технической точки зрения тупиковую ситуацию.

Для выхода из этого тупика, помимо естественного, но требующего больших предварительных капитальных затрат выхода с использованием монолитного бетона и железобетона, был предложен ряд способов производства сборных железобетонных и бетонных изделий, основой которых является использование цементов с гидрофобно-пластифицирующими добавками, обеспечивающими рост морозостойкости даже пропариваемых по жестким режимам изделий [6] [7] Недостаток этих способов заключается, во-первых, в резком повышении стоимости указанных добавок в последние годы; во-вторых, в отсутствии надежных оценок и, что еще важнее, отсутствие не только в России, но и за рубежом приемлемых юридических механизмов реализации экономического эффекта от роста долговечности изделий, сказывающегося на жизни не одного поколения, что не позволяет потребителям охотно оплачивать заранее повышенную цену таких изделий. Таким образом, приходится выбирать иное направление решения этих вопросов, а именно снижение стоимости цемента при повышении скорости его твердения, чтобы без дополнительных капитальных затрат реализовать мягкие (то есть низкотемпературные) и в то же время короткие режимы тепловлажностной обработки (ТВО) изделий, сами по себе также весьма экономичны. Наиболее известным из таких способов изготовления сборных бетонных и железобетонных изделий являются технологические процессы с применением вяжущих низкой водопотребности [8] для сокращения расхода клинкерной части цемента, сокращения длительности и снижения температуры изотермического прогрева при ТВО и соответственно, существенного роста долговечности изделий без повышения их стоимости. Недостаток этого способа резко возросшая за 5 последних лет стоимость сухого суперпластификатора, что ограничивает область применения способа бетонами особо высоких классов (марок) 500 и выше. В Канаде и Финляндии осуществлено строительство ангаров для гигантских формовочных цехов по производству изделий на конвейерах длиной нередко более 180-200 м либо из особо жестких смесей с прокатно-экструзионным формованием, немедленной распалубкой и тепловой обработки до 40^оС прямо на конвейере, либо с многоярусными камерами твердения площадью в тысячи м² с температурой не выше 30-35^оС, что исключает снижение морозостойкости сборного железобетона по сравнению с монолитным при явном преимущественно первого в отношении качества отделки поверхности.

Аналогом изобретения, является способ изготовления бетонных и железобетонных изделий с тепловлажностной обработкой, изготовленных из портландцемента на основе портландцементного клинкера указанного состава, полученного обжигом цементной сырьевой смеси, последующим охлаждением клинкера и помолом последнего с гипсовым компонентом, включающий перемещение полученного портландцемента с заполнителями и водой, формование смеси, уплотнение полученного бетона и тепловлажностную обработку изготовленных из него бетонных и железобетонных изделий, при котором используют портландцемент, содержащий клинкер, полученный на технологических линиях высокой производительности с вращающимися печами размерами не менее 4,5 х 170 м, и смолотый в цементных мельницах диаметром не менее 3 м, характеризуемый следующим расчетным соотношением компонентов, мас. трехкальциевый силикат 60-70; двухкальциевый силикат 5-20, трехкальциевый алюминат 5-8, четырехкальциевый алюмоферрит 10-14, при следующем режиме ТВО изготовленных из него сборных железобетонных изделий: предварительная выдержка от 12 до 24 ч, нагрев до 80-90^оС 1-1,5 ч, изотермический прогрев 3-4 ч и охлаждение в течение 2-3 ч [9] Этот способ был осуществлен на одном из российских цементных заводов с получением клинкера характерной для таких технологических линий неблагоприятной микроструктуры и пониженной размолоспособности, но, с другой стороны, при пониженных на 5-7% затратах топлива по сравнению с клинкером средних по мощности технологических линий с вращающимися печами размерами 4 х 150 м и в части производства сборного железобетона был реализован на соседних с этим цементным предприятием заводах сборного железобетона. Причина выбора именно такого режима ТВО состоит в том, что в присутствии в клинкере мощных печей соединений металлов последний становится весьма гигроскопичным и еще в процессе помола абсорбирует влагу из воздушной среды цементной мельницы, гипсового компонента, а также минеральных добавок при их наличии в цементе При этом в составе последнего возникают предгидраты, преимущественно трехкальциевого силиката аморфный гидроксид кальция и гидрогель кремнезема состава SiO(OH)₂ и щелочного алюмината кальция высокоосновный гидроалюминат кальция и аморфный гидроксид глинозема. Гидроксид кальция и высокоосновный гидроалюминат кальция карбонизируются, а гидрогель кремнезема сохраняется, в течение первых 10-18 ч присутствует в бетоне, отформованном после затворения цемента водой и препятствует реакции трехкальциевого силиката клинкера с водой [10] Этот гидрогель впоследствии реагирует с известью, выделяемой алитом. Аналогичное действие оказывает и гидрогель глинозема, выделяемый щелочными алюминатами кальция, присутствующими в высокощелочных клинкерах и цементах, но при содержании щелочных оксидов в клинкере менее 0,5% количества гидрогеля и глинозема незначительно, и им можно пренебречь. За время длительной предварительной выдержки изделий гидрогели кремнезема и глинозема (при наличии последнего) успевают прореагировать с известью, выделяемой при гидратации трехкальциевого силиката в форме гидроксида кальция, поступающего из жидкой фазы бетона в растворенной форме к поверхности указанных гидрогелей с образованием соответственно гидросиликатов кальция основных продуктов гидратации клинкера, удельная поверхность которых на порядок ниже, чем у названных гидрогелей, и гидроалюминатов кальция, удельная поверхность которых на два порядка ниже. Таким образом прекращается задержка гидратации трехкальциевого силиката ввиду исчезнования указанных гидрогелей. Следовательно, после этого пропаривание может идти по весьма жестким режимом. Этот способ позволяет получать бетон с проектной прочностью выше 25 МПа и достаточной морозостойкостью, соответствующей требованиям СНиП. Недостаток способа чрезмерная суммарная длительность ТВО; предложенный в нем режим ТВО по тепловым затратам вполне экономичен, но ввиду отсутствия производственных площадей и соответствующего парка форм для длительной предварительной выдержки изделий приемлем только при отсутствии иного выхода. Для реализации снижения энергозатрат на ТВО при производстве изделий из таких бетонов необходимы более эффективные цементы и режимы ТВО.

Ближайшим аналогом изобретения в части получения портландцемента является способ изготовления цемента, включающий получение алитового портландцементного клинкера обжигом исходной цементной сырьевой смеси до спекания во вращающейся печи с введением добавки портландцемента в количестве 0,05-5% массы клинкера с последующим охлаждением клинкера и помолом его совместно с гипсовыми компонентом [11] Этот способ первая попытка научной реализации идеи частичного рецикла, точнее ввода добавки цемента в процесс обжига для повышения качества клинкера. Он позволил повысить прочность цемента в 1-суточном возрасте на 4-5 МПа и гидравлическую активность (прочность в 28-суточном возрасте) клинкера и цемента на его основе примерно на 5 МПа, что примерно соответствует самым высоким аналогичным эффектам [12] применения минерализаторов, являющихся намного менее удобными для технологической подготовки, а также с экологической точки зрения, чем цемент. Однако отмеченные недостатки характерны и для данного способа. Ни значительного повышения производительности печи для обжига клинкера, ни существенного более 5%-ного снижения энергозатрат на помол цемента обнаружено не было.

Предлагаемое изобретение свободно от этих недостатков. Оно заключается в том, что в способе изготовления цемента, включающем получение алитового портландцементного клинкера обжигом исходной сырьевой смеси до спекания во вращающейся печи с введением добавки портландцемента в количестве 0,05-5% массы клинкера с последующим охлаждением клинкера и помолом его совместно с гипсовым компонентом, в цементную сырьевую смесь дополнительно вводят цементную пыль, уловленную из отходящих печных газов, до получения разности между значениями коэффициента насыщения цементной сырьевой смеси и указанной пыли 0,2-0,4, а добавку портландцемента сначала вводят в количестве 0,05 мас. и затем увеличивают ее содержание в 1,5-5 раз до получения величины упомянутой 0,1-0,15, далее, не меняя количества вводимой добавки портландцемента, увеличивают количество подаваемой в печь цементной сырьевой смеси против исходного до получения величины упомянутой 0,16-0,2, после чего последовательно повторяют вышеуказанные операции до достижения величины упомянутой менее 0,09 и продолжают обжиг, не меняя достигнутого количества подаваемых цементной сырьевой смеси и добавки цемента до получения в клинкере алита с отклонением не более +2,5% от заданного уровня.

В варианте изобретения цементную пыль, уловленную из отходящих печных газов, подают во вращающуюся печь с холодного конца или с горячего конца указанной печи или попеременно с ее холодного и горячего концов или одновременно с холодного и горячего концов указанной печи.

В другом варианте изобретения в качестве указанной пыли в обжигаемую смесь подают пыль, включающую менее 7 мас. щелочных соединений в пересчете на сумму Na₂O + 0,658 K₂O.

В следующем варианте изобретения подачу добавки портландцемента в цементную сырьевую смесь осуществляют путем перемешивания с последней при ее приготовлении или посредством добавления портландцемента к одному из компонентов цементной сырьевой смеси или при обжиге последней.

В варианте изобретения перемешивание цементной сырьевой смеси или одного из ее компонентов с добавкой портландцемента осуществляют посредством лопастного, или вихревого, или измельчающего смесителей.

В другом варианте изобретения подачу цементной пыли в обжигаемую цементную сырьевую смесь осуществляют в виде одной или большего числа струй.

В следующем варианте изобретения часть добавки портландцемента предварительно перемешивают с цементной пылью.

В варианте изобретения в качестве гипсового компонента портландцемента используют природный двуводный гипс или гипсовый камень.

В другом варианте изобретения в качестве добавки портландцемента используют портландцемент с минеральной добавкой.

В следующем варианте изобретения помол портландцемента осуществляют до получения удельной поверхности в пределах 3800-4500 см²/г по клинкерному компоненту при гранулометрическом составе, характеризуемом содержанием фракций частиц с размерами, мас. 0,1-5 мкм 10-25; 5,1-30 мкм 46-70; более 30 мкм 5-45, в том числе более 80 мкм 1-6, и этот цемент используют в качестве добавки в цементную сырьевую смесь, вводимой при приготовлении или обжиге последней.

В варианте изобретения в качестве цементной сырьевой смеси используют мергельную смесь в виде щебня крупностью 1-30 мм или грубомолотую смесь известняка и глинистого компонента с тонкостью помола, соответствующей 6-35% остатка на сите N 02 с ячейками размером 200 мкм.

В другом варианте изобретения в цементную сырьевую смесь при ее приготовлении или обжиге дополнительно вводят минерализатор из группы: сульфат кальция, фторид кальция, кремнегель, фосфогипс.

В следующем варианте изобретения в цементную сырьевую смесь при ее приготовлении дополнительно вводят добавку пластификатора, преимущественно технических лигносульфонатов.

В варианте изобретения в качестве цементной сырьевой смеси используют белую цементную сырьевую смесь, включающую сумму красящих оксидов Fe₂O₃ + FeO + Mn₂O₃ + MnO + Cr₂O₃ + CrO₃ в количестве 0,01-1 мас. при этом в качестве подаваемого в виде указанной добавки портландцемента используют белый портландцемент на основе клинкера, полученного обжигом белой цементной сырьевой смеси.

Сущность изобретения в части изготовления портландцемента заключается в том, что в промышленных экспериментах было обнаружено неизвестное из уровня техники явление влияния добавки портландцемента, вводимой в цементную сырьевую смесь или непосредственно в обжигаемый во вращающейся печи материал, на состав цементной пыли, улавливаемой из отходящих печных газов пылеосадительными устройствами. Оно заключается в том, что с увеличением количества вводимой добавки портландцемента состав указанной пыли приближается к составу цементной сырьевой смеси, подаваемой в печь. Это приближение вследствие достаточно длительного времени отклика системы вращающаяся печь клинкерный холодильник наблюдается в течение срока от 3 ч до 2 сут до установления равновесной близости химических составов указанной пыли и цементной сырьевой смеси, причем время приближения этих составов зависит от длины печи, соотношения размеров печи (длина/диаметр), частоты оборотов печи, способа производства цемента (сухой, мокрый), наличия сужений (порогов) или расширений диаметра печи по ее длине, особенно расширенной зоны декарбонизации обжигаемого материала, наличия, вида и мощности теплообменных устройств в печи или за печью, типа устройства для сжигания технологического топлива, типа клинкерного холодильника, объема пыльной камеры в холодном конце печи, типа и абсолютных размеров других пылеулавливающих устройств и т.п. Упомянутое явление сближения составов цементной сырьевой смеси и указанной пыли наблюдается при подаче добавки цемента независимо от указанных конструктивных особенностей системы вращающаяся печь/клинкерный холодильник, а также независимо от всевозможных режимных характеристик технологического процесса: 1) химического и гранулометрического состава цементной сырьевой смеси и клинкера; 2) химического и гранулометрического состава пыли; ее физических характеристик; 3) характеристик факела горения топлива (температуры, длины, угла раскрытия), характеристик печной атмосферы (окислительной, восстановительной, нейтральной), состава отходящих газов, в том числе наличия и содержания в них 0, СО, С0₂, N0_х; 4) концентрации пыли в отходящих газах, общего количества циркулирующей пыли; способа возврата пыли в процесс обжига; применения разделения пыли на отдельные потоки, в том числе отделения ее небольшой высокощелочной части. Обычно высокощелочная часть пыли составляет не более 20% общей массы пыли и утилизируется вне процесса производства цемента. В зависимости от суммарного содержания в пыли оксидов щелочных металлов в пересчете на оксид натрия (R₂O Na₂O + 0,685 K₂O), колеблющегося в общей массе пыли в пределах от 4 до 18 мас. с рядовыми максимумами (R₂O 10-14% ), отстоящими во времени один от другого при непрерывной работе печи в установившемся режиме примерно на 4-6 ч, и с главными максимумами (R₂O 15-18%) через 1-3 сут работы печи, отделяют высокощелочную часть пыли в количестве тем большим, чем выше средняя щелочность пыли, находящаяся в пределах 7-10% по R₂O. Длительность рядовых максимумов R₂O от 0,3 до 1 ч, а главных от 1,5 до 3 ч. Максимумы содержания щелочей в пыли и клинкере совпадают во времени с точностью до 1 ч. Высокощелочную часть пыли отделяют либо путем постоянной подачи высокощелочной части пыли с последних полей электрофильтра в отдельную емкость, либо периодического отбора всей массы пыли в отдельную емкость, осуществляемого следующим образом. Набирают статистику частоты и длительности рядовых и главных максимумов содержания щелочей в пыли и клинкере при непрерывной работе данной вращающейся печи. Одновременно отбирают пробы пыли с отдельных полей электрофильтра, которые также различаются по содержанию R₂O, причем пыль с первых полей обычно содержит в 1,5-3 раза меньше R₂O, чем его имеется в пыли с последних полей электрофильтра. Перед началом согласно статистике времени протекания главных или рядовых максимумов содержания R₂O в пыли переводят подачу всей отделяемой пыли в отдельную емкость. По окончании расчетного срока максимума прекращают подачу пыли в отдельную емкость и продолжают последовательное выполнение этих операций. При этом как непрерывный, так и периодический отбор высокощелочной пыли позволяет снизить содержание R₂O в остальной части пыли в среднем на 20% Большего снижения можно добиться только байпасом более 20% отходящих газов. Это не препятствует сближению состава пыли и сырьевой смеси согласно изобретению. Разницу в химическом составе сырьевой смеси и упомянутой пыли удобно оценивать по разности значений коэффициента насыщения известью (КН) этих материалов, при известном уровне техники составляющей 0,2-0,4. При длительном использовании добавки портландцемента, вводимой в обжигаемый материал в оптимальных количествах, указанная разность значений КН, как показывают эксперименты, снижается до 0,05 и менее. В этом случае пыль фактически представляет собой полуобожженную цементную сырьевую смесь, прошедшую столь существенную обжиговую обработку, что добавление такой пыли в процессе не препятствует обжигу клинкера, как это имеет место при известном уровне техники, а, напротив, способствует интенсификации процесса и повышению производительности комплексного обжигового агрегата вращающаяся печь клинкерный холодильник. При этом столь значительное воздействие небольшой добавки портландцемента на состав пыли, количество которой во много раз больше, объясняется тем, что в зоне максимального пылеобразования во вращающейся печи, а именно в зоне кальцинирования, или декарбонизации, в присутствии добавки цемента ускоряются реакции фазообразования и возрастает растворимость части обжигаемого материала в первичных расплавах, расчетный объем которых увеличивается и достигает 8-13 об. Это можно рассматривать в качестве своеобразной второй зоны спекания. Реальность существования такой зоны экспериментально подтверждается тем, что при стационарном режиме работы печи с добавкой портландцемента и кратковременном выключении на 30-40 мин основного факела горения топлива недожженный материал, выходящий из печи, несмотря на характерный желтый цвет массы, не прошедшей обжига в зоне спекания, является гранулированным как клинкер, а просмотр под микроскопом состава жидкой фазы свидетельствует о ее первичном характере. Такая ситуация в зоне кальцинирования уменьшает энергию активации декарбонизации известкового компонента сырьевой смеси, существенно снижает пылевынос и из-за роста адгезионной способности жидкой фазы уменьшает общее пылеобразование (эффект пылеподавления) и избирательный вынос в пыль известкового компонента. Однако выбор оптимального уровня добавки портландцемента в обжигаемый материал, как показывают промышленные эксперименты, представляет собой в этом случае сложную техническую проблему. Так, в способе согласно ближайшему аналогу ее решить не удалось, поскольку не было обнаружено упомянутой зависимости состава пыли от количества вводимого портландцемента. В результате не была реализована возможность повышения производительности печи, которую позволяет осуществить изобретение.

Для анализа предложенного в изобретении пути выбора оптимального содержания указанной добавки портландцемента используем уравнение кинетики комплексных процессов [13] помощью которого впервые по единой схеме аналитически описаны три стадии образования трехкальциевого силиката в процессе жидкофазного спекания портландцементного клинкера, контролируемые: скоростью растворения исходных фаз в расплаве, кристаллизацией из последнего новообразований, в основном трехкальциевого силиката (алита), диффузией маточного расплава на стадии роста кристаллов трехкальциевого силиката и остальных клинкерных минералов: K₁^-1(m₁^1/3 m_1,0^1/3) K₂^-1(m₂^1/3 m_2,0^1/3) -D^2/3(C₁ C₂) (1) m_{1,2 1,2} N_1,2f_1,2l_1,2³, K_1,2 A_1,2f_1,2^-2/3 _1,2^1/3 N_1,2^1/3, (2) где К₁ константа скорости растворения исходных фаз в клинкерном расплаве, К₂ константа скорости кристаллизации из клинкерного расплава новообразований, преимущественно трехкальциевого силиката (алита), D обобщенный коэффициент диффузии, на стадии растворения описывающий гетерофазную диффузию расплава в растворяющиеся твердые фазы, на стадии кристаллизации сиботаксическую (роевую) гомофазную диффузию в клинкерном расплаве, на стадии роста кристаллов гетерофазную диффузную маточного расплава через оболочки из высокодисперсных продуктов процесса образования трехкальциевого силиката с их собирательной кристаллизацией: m масса, С растворимость, N число частиц, l их характеристический размер, f коэффициент их геометрической формы, их плотность, текущее время, 1,2 подстрочные индексы, характеризующие исходные фазы и продукты в момент 0 подстрочный индекс, характеризующий фазы и параметры в начальный момент процессе ( =_o ); А коэффициент, отображающий влияние химической природы системы на скорость растворения исходных частиц и кристаллизации новообразований.

Проведем с помощью уравнения (1) анализ кинетики образования трехкальциевого силиката в присутствии добавки портландцемента, являющегося затравкой кристаллизации всех клинкерных минералов, но прежде всего трехкальциевого силиката в форме алита, поскольку количество последнего в портландцементе обычно преобладает. Наличие затравки описывают условием m_2,0 >> 0, а ее отсутствие при обычном процессе клинкерообразования условием m_2,0 0. Через обозначения (2) уравнение (1) позволяет учесть действие всего комплекса технологических факторов цементного производства на всех его технологических переделах вплоть до обжига клинкера включительно. Так, рост температуры в зоне спекания может быть учтен через повышение К₁, К₂ и D, рост концентрации кислых и щелочных примесей в сырьевых материалах через повышение значений К₁, С₁, С₂, N₂, D и снижение значений К₂ и ₂ или, для упрощения анализа, для кислых примесей через снижение значения А₁ и рост значения А₂ на начальной стадии образования трехкальциевого силиката и через противоположные изменения коэффициентов А_1,2 на заключительной стадии образования трехкальциевого силиката. Повышенная тонкость помола сырьевой смеси может быть в нулевом приближении учтена с помощью повышения значений N₁ и понижения значений l₁, имея в виду, что с помощью последних двух параметров в первом приближении уравнение (1) позволяет характеризовать роль крупности частиц обжигаемого материала на входе в зону спекания, в известной мере симбатно связанную с размерами частиц исходного сырья, а улучшение при этом характеристик микроструктуры твердой фазы обжигаемого материала, а затем компонентов клинкера учитывают с помощью повышения значений f_1,2 и т.д.

В обозначениях уравнения (1), отнесенного с одному произвольно выбранному поперечному сечению зоны спекания печи (термин "поперечное" ниже для краткости опускаем), рост расхода добавки портландцемента в момент ₁>₀ описывается увеличением массы m_2,0. Отметим, что если в правой части уравнения (1) величина m_2,0 приближается по значению к величине m₂, то есть количеству вновь образованного алита, то при прочих равных условиях влияние константы скорости образования трехкальциевого силиката К₂ на ход процесса в данном сечении печи уменьшается до нулевого уровня. Это понижает способность обжигаемого материала поглощать тепловую энергию, и, следовательно, увеличивает потери тепловой энергии во внешнюю среду. Поэтому поддержание по крайней мере постоянного значения разности (m_2,1 m_2,0) в данном сечении печи позволяет поддерживать положительное влияние повышенного значения К₂ на образование новых количеств алита при пониженной энергии активации процесса его образования. Чтобы поддержать постоянство значения разности (m₂ m_2,0) m const (3) при увеличении подачи добавки портландцемента в печь m_2,0, в данном сечении печи достаточно увеличить подачу в печь сырьевой смеси, что через обычное для печного агрегата время отклика ₁ приводит к росту в этом сечении m₁ по сравнению с m_1,0 массой обжигаемого безалитового материала в зоне спекания соответственно в текущий и начальный моменты процесса. При постоянстве правой части уравнения (1) в стационарном процессе увеличится масса образовавшегося в этом сечении алита m₂. Таким образом, величина m вернется к постоянному уровню. Однако, из уравнения (1) следует также, что по мере увеличения содержания алита вдоль длины зоны спекания печи требуемое для ускоренного хода процесса его образования количество затравки портландцемента возрастает. Обозначим это положение литерой А. Из него следует, что реализация процесса клинкерообразования при пониженном уровне энергии ак