Способ изготовления белитового портландцементного клинкера с пылеподавлением при его обжиге и цемент на основе этого клинкера

Способ изготовления белитового портландцементного клинкера с пылеподавлением при его обжиге и цемент на основе этого клинкера

Реферат

 

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно - к способу изготовления клинкера и цементу на его основе. В способе изготовления белитового портландцементного клинкера с пылеподавлением при обжиге, включающем подготовку цементной сырьевой смеси, содержащей карбонатный, алюмосиликатный и железистый ингредиенты, её обжиг до спекания во вращающейся печи с факельным сжиганием технологического топлива и охлаждение полученного клинкера, содержащего CaO_своб, -C₂S, C₃S, C₃A и C₄AF, обжиг сырьевой смеси ведут в нейтральной атмосфере при содержании кислорода в отходящих газах вращающейся печи 0,2-0,7 мас.% до формирования первого клинкерного расплава при 1050-1170^оС на основе смеси CaO - C, CF₂, RF, RA в обжигаемом материале с частичной грануляцией последнего и кристаллизацией из расплава CaO_своб дендритной и точечной микроструктуры и последующего образования из расплава второго клинкерного расплава эвтектического состава при 1230-1270^оС с грануляцией полученного из него клинкера при следующих соотношениях основных фаз, мас.%: CaO_своб - 5-25, -C₂S - 40-60, C₃S - 3-10, C₃A - 0,01-10, C₄AF - 8-20. Карбонатный и алюмосиликатный ингредиенты сырьевой смеси и тонкость их помола выбирают по критерию по крайней мере частичного перекрытия при обжиге температурных интервалов декарбонатизации карбонатного и дегидроксилирования алюмосиликатного ингредиентов сырьевой смеси при массовом соотношении этих ингредиентов, соответствующем коэффициенту насыщения известью сырьевой смеси в пределах 0,5-0,6, а обжиг до спекания ведут до достижения пористости белитового клинкера 35-47 об.%. Глиноземный модуль сырьевой смеси - 0,05-0,8. Факел сжигания технологического топлива во вращающейся печи при обжиге клинкера приближают к сегменту обжигаемого материала, доводя центральный угол сегмента до 115-125^о, а подачу топлива регулируют вплоть до достижения полной прозрачности печной атмосферы. Цемент, полученный совместным помолом указанного белитового клинкера с обожженным отдельно алитовым портландцементным клинкером, включающим не менее 60 мас.% алита, и гипсовым компонентом, дополнительно включает активную минеральную добавку с влажностью 3-8 мас.% при следующем соотношении компонентов в цементе, мас.%: белитовый клинкер - 15-30, алитовый клинкер - 45-50, активная минеральная добавка - 10-35, гипсовый компонент - 3-10, с достижением в процессе помола конверсии CaO_своб, содержащегося в белитовом клинкере, в гидроксид кальция, со степенью конверсии 70-98 мас.%. В качестве гипсового компонента используют сульфат кальция - реактив, гипсовый камень, гипсоангидритовый камень, фосфогипс, борогипс, титаногипс или их смесь. Технический результат - уменьшение пылеобразования при обжиге клинкера, снижение расхода топлива, повышение прочности и размалываемости цемента, производительности печей и мельниц. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно - к способу изготовления клинкера и цементу, изготовленному на его основе.

Из уровня техники известен способ изготовления портландцементного клинкера, включающий подготовку цементной сырьевой смеси из карбонатного, алюмосиликатного и железистого ингредиентов, ее обжиг до спекания во вращающейся печи, охлаждение полученного клинкера и его совместный помол с гипсовым компонентом [1]. Указанный портландцементный клинкер включает следующие основные клинкерные минералы: трехкальциевый силикат (3CaO SiO₂), двухкальциевый силикат (2CaO SiО₂), трехкальциевый алюминат (3СаО Аl₂О₃), алюмоферрит кальция [2СаО (Аl₂О₃)х (Fе₂O₃)_1-x] , х от 1/3 до 2/3 (в производственных клинкерах эти минералы, содержащие примеси, по предложению В.Тернебома, 1897, называют также соответственно алит, белит, высокоосновный алюминат кальция и целит; здесь и ниже в описании изобретения использована сокращенная нотация, принятая в химии цемента: А₂О₃=А; СаО=С; Fе₂О₃=F; F^- (фторид-ион)=f; Н₂О=Н; К₂О=К; MgO=M; Na₂O=N; Р₂O₅=Р; сумма оксидов щелочных металлов в пересчете на оксид натрия Na₂O+0,658K₂O=R₂O=R; SiO₂=S; SO₃=; коэффициент при оксиде становится подстрочным индексом.

Так, Са₃SiO₅=3CaO SiO₂=С₃S и т.д.; кроме того, потери при прокаливании сокращенно обозначают п.п.п., а нерастворимый остаток - н.о., при следующем соотношении указанных минералов (мас.%): алит 60-65, белит 15-20, трехкальциевый алюминат 3-12, алюмоферрит кальция 8-15. Такой портландцементный клинкер, включающий более 60 мас.% алита, принято называть алитовым [2], соответствующим по составу значению коэффициента насыщения клинкера известью (КН) 0,88-0,95. Отметим, что величина КН определяется, согласно В.А.Кинду [3], формулой: КН=[С-(1,65А+0,35F)]/2,8S; силикатный n и глиноземный p модули рассчитывают по формулам соответственно: n=S/(A+F), p=A/F.

Для этого общеизвестного технического решения, определяющего традиционный уровень техники, характерны: 1) невысокая производительность печей; 2) повышенные затраты топлива на обжиг указанного портландцементного клинкера; 3) высокое пылеобразование при обжиге цементной сырьевой смеси в связи с повышенным содержанием в ней (72-78% массы) карбонатного ингредиента (СаСО₃), частицы которого в процессе удаления из них СO₂ нередко взрываются и образуют пыль (фракцию частиц размером менее 0,1 мм) в количестве примерно одной пятой части массы карбонатного ингредиента, а также: 4) низкая размалываемость указанного клинкера, определяющая пониженную производительность цементных мельниц, и 5) невысокая гидравлическая активность указанного клинкера, проявляющаяся также в замедленном твердении изготовленного из него портландцемента в начальные сроки твердения, а именно в течение 1-3 суток. Эти явления обусловлены высоким уровнем рассчитанной по уравнению С. Аррениуса энергии активации (более 1880 кДж/моль) и длительным индукционным периодом реакций образования наиболее важного клинкерного минерала - трехкальциевого силиката (алита) - в обжигаемом материале в зоне спекания клинкерообжигательных печей, причем чем длиннее этот период, тем ниже скорость гидратации этого минерала и ниже прочность цементного камня после помола указанного клинкера и затворения полученного из него цемента водой.

Самым простым техническим решением для улучшения ситуации является способ изготовления портландцементного клинкера, при котором в последнем оставляют свободный оксид кальция, то есть недожигают клинкер, чтобы снизить расход топлива [4]. Аналогичный подход был использован также О.П.Мчедловым-Петросяном и Н.П.Коганом [5]. Однако в недожженном клинкере, наряду с упомянутыми основными клинкерными минералами, сохраняются примеси, такие как майенит (С₁₂А₇), двухкальциевый феррит (C₂F), монокальциевый феррит (CF), снижающие прочностные показатели цемента и долговечность бетона [6]. В последней из работ в этой области [7] указанные примеси названы маргинальными фазами, поскольку они не несут полезных функций, а лишь напрасно расходуют оксиды алюминия и железа, а также тепловую энергию.

Известен способ изготовления белитового портландцементного клинкера, включающий подготовку цементной сырьевой смеси из карбонатного, алюмосиликатного и железистого ингредиентов, ее обжиг до спекания во вращающейся печи и охлаждение полученного белитового клинкера, характеризующийся тем, что обжиг указанной сырьевой смеси ведут с существенной экономией технологического топлива [8]. Эффект экономии топлива согласно приведенным ссылкам обусловлен снижением доли карбонатного ингредиента в сырьевой смеси для обжига белитовых клинкеров по сравнению с алитовыми и, следовательно, снижением энергозатрат на декарбонатизацию сырья в тепловом балансе печи. Однако классические расчетные схемы такого баланса, на которые опирались указанные работы, в настоящее время устарели, поскольку в них не учитывается ставший очевидным (в результате работ Б.Энтина и др. [6, 7], а также В.И.Шеина, Т.Ю.Щеткиной и их сотрудников - см., например, работу одного из их учеников [9]) циклический характер ряда реакций минералообразования. Без учета этих высокотемпературных циклических реакций, а именно - по теплоте растворения соответствующих клинкеров в смесях азотной и плавиковой кислот, установлено, что химическая энергия, “запасенная” в клинкерных минералах белитового клинкера, составляет 1580-1690 кДж/кг против 1900-1910 кДж/кг - в минералах алитового клинкера, или на 13-17% ниже. Но ее, как было установлено, не следует отождествлять с энергозатратами на обжиг белитового и алитового портландцементных клинкеров, равными, как показали опыты их спекания в калориметрической бомбе, соответственно 720 и 726 кДж/кг, то есть практически одинаковыми [10]. Выполнившей последнюю работу группе исследователей из РХТУ им. Д.И.Менделеева во главе с А.П.Осокиным этот результат показался неожиданным, ибо во многих отечественных и зарубежных работах проводилась уже упомянутая точка зрения о возможности экономии топлива на обжиг путем снижения значения КН портландцементного клинкера или обжига белитовых клинкеров (см., например, последний обзор в этой области, принадлежащий Альбацу и сотр. [11]). Однако в зарубежной литературе по данному вопросу в действительности преобладает противоположная точка зрения, поддержанная результатами упомянутых калориметрических исследований Осокина и сотрудников. Она впервые была высказана отечественными исследователями Д.А.Чернобаевым и Г.А.Вологдиным в 1912 г. в работе, опубликованной по представлению акад. А.Ле-Шателье в Докладах Французской Академии наук, где они сообщили, что при обжиге белитовых клинкеров в калориметрической бомбе энергозатраты не снижаются по сравнению с алитовыми клинкерами [12]. Подробнее результаты соответствующих исследований Чернобаев опубликовал в монографии, изданной в России [13]. Отметим, что на его работы до настоящего описания не было ни одной ссылки в отечественной патентной и научно-технической литературе. Зато на результаты Чернобаева сослался Р.Богг (США) в 1955 г. в своей классической монографии по химии портландцемента [14], ставшей, по мнению ряда исследователей, “главной книгой XX века в данной области” (X.Кальеха, Ч.Джилиоли, X.Учикава). Богг объяснил данные Чернобаева и, следовательно, Осокина и др. тем, что при обжиге белитовых клинкеров возрастает толщина белитовых оболочек на реагирующих между собой в клинкерном расплаве частицах обжигаемого материала. Этим вызывается рост энергии активации реакций минералообразования в связи с увеличением высоты диффузионных барьеров, приводящий к повышению требуемых энергозатрат, что компенсирует упомянутую разность энергозатрат на декарбонатизацию в тепловом балансе. Богг указывает, что именно по этой причине в формулах для расчета производительности вращающихся печей нет факторов, связанных с химическим составом сырьевой смеси. Последнее положение, верное в 1955 г., сохраняет свою справедливость и сегодня: до сих пор не существует расчетных формул, связывающих производительность клинкерообжигательных печей любых типов со значениями КН обжигаемых в них портландцементных клинкеров. Более того, в одной из исследовательских работ наблюдался прирост удельного расхода топлива при обжиге белитовых клинкеров. Таковы данные М.Т.Власовой, В.Н.Кальяновой и одного из авторов данного изобретения: при проведении длительных, продолжавшихся более восьми месяцев опытов по непрерывному обжигу во вращающихся печах мокрого способа белитовых клинкеров (КН 0,76-0,8), включающих не более 1% по массе свободного оксида кальция (СаО_своб), с жесткой отбраковкой продукции, не удовлетворявшей последнему показателю (НИИЦемент, научно-технический отчет, М.: 1960). В этих опытах было установлено не только отсутствие экономии технологического топлива, но и его перерасход по сравнению с алитовыми клинкерами, обусловленный тем, что слой белитового клинкера во вращающейся печи является более пористым по сравнению с алитовым, хуже прогревается факелом горения топлива, и случайное отклонение режима работы печи, сопровождающееся появлением в указанном клинкере СаО_своб в сверхнормативном количестве, приводит к длительному выпуску некондиционной продукции, причем попытки устранить это явление традиционным длительным увеличением расхода топлива (в течение 24-48 часов) в печи не дают положительного результата, и в таком случае было легче прекратить обжиг, выгрузить из печи весь недожженный материал и начать обжиг заново. Все это и привело к перерасходу технологического топлива (по сравнению с обжигом алитового клинкера) при многомесячном обжиге белитового портландцементного клинкера в условиях жесткого контроля качества последнего. По длительности ни один из экспериментов, упомянутых в последнем обзоре [11], не приближался к опытам Власовой и сотр. и - самое главное - ни один из них не сопровождался столь жестким контролем качества белитового клинкера.

Известен также способ изготовления белитового портландцементного клинкера, включающий подготовку цементной сырьевой смеси из карбонатного, алюмосиликатного и железистого ингредиентов, ее обжиг до спекания во вращающейся печи и охлаждение полученного белитового клинкера, характеризующийся тем, что охлаждение указанного клинкера ведут с максимально достижимой скоростью (более 100 градусов Цельсия в минуту) для получения предельно удаленного от равновесия состава фаз указанного клинкера [15]. Этот способ действительно повышает качество белитового клинкера, но он с трудом поддается реализации в промышленных условиях, поскольку ему свойственны описанные выше трудности с соблюдением нормативного уровня СаО_своб в белитовом клинкере.

Наиболее близким к настоящему изобретению является способ изготовления белитового портландцементного клинкера, включающий подготовку цементной сырьевой смеси из карбонатного, алюмосиликатного и железистого ингредиентов, ее обжиг до спекания во вращающейся печи с факельным сжиганием технологического топлива, пылеподавлением и охлаждением полученного белитового клинкера, характеризующийся тем, что обжиг указанной цементной сырьевой смеси ведут в окислительной атмосфере до формирования первого клинкерного расплава при (1250-1280)°С в обжигаемом материале и кристаллизации из него клинкерных минералов при следующем соотношении фаз в готовом белитовом клинкере, мас.%:

Свободный оксид кальция (СаО_своб) 0,5-3

Белит ( -C₂S) 40-48

Алит (С_зS) 15-35

Трехкальциевый алюминат (С₃А) 0,01-7

Алюмоферритная фаза (C₄AF) 8-18

причем в состав указанной сырьевой смеси вводят гипс в качестве стабилизатора для белита в количестве 1-5 мас.%, а выделение пыли из печи составляет 10-15% массы клинкера [16]. Пылеподавление в данном случае обусловлено тем, что цементная сырьевая смесь для указанного белитового клинкера содержит больше глины, чем для алитового. Это уменьшает вынос пыли из тех зон вращающейся печи, в которых свойства глины скреплять частицы обжигаемого материала преобладают над истиранием при движении указанного материала вдоль печи. Кроме того, снижение содержания карбонатного компонента, уменьшая содержание СО₃ в отходящих газах и общий объем последних, снижает скорость течения газов в печи, что, как известно [2], пропорционально уменьшает пылевыделение. Минимум пылевыделения - 10% в техническом решении по ближайшему аналогу соответствует именно белитовому клинкеру [16, s. 362].

Задачей изобретения в части способа изготовления белитового портландцементного клинкера с пылеподавлением при его обжиге является полная ликвидация пылеобразования в печи при обжиге белитового портландцементного клинкера, при существенном снижении энергозатрат на обжиг и снижении сопротивляемости указанного клинкера измельчению.

Указанная задача решается тем, что в способе изготовления белитового портландцементного клинкера с пылеподавлением при его обжиге, включающем подготовку цементной сырьевой смеси, содержащей карбонатный, алюмосиликатный и железистый ингредиенты, ее обжиг до спекания во вращающейся печи с факельным сжиганием технологического топлива и охлаждение полученного белитового портландцементного клинкера, содержащего свободный оксид кальция (СаО_своб), белит ( -C₂S), алит (С₃S), трехкальциевый алюминат (С₃А) и алюмоферритную фазу (C₄AF), обжиг указанной цементной сырьевой смеси ведут в нейтральной атмосфере при содержании кислорода в отходящих газах вращающейся печи в пределах 0,2-0,7 мас.% до формирования первого клинкерного расплава при 1050-1170°С на основе смеси CaO - С, CaO 2Fe₂O₃ - СF₂, R₂O Fe₂O₃ - RF, R₂O Al₂O₃ - RA в обжигаемом материале с частичной грануляцией последнего и кристаллизацией из указанного расплава СаО_своб дендритной и точечной микроструктуры и последующего образования из указанного расплава второго клинкерного расплава эвтектического состава при 1230-1270°С с грануляцией полученного из него клинкера при следующих соотношениях основных фаз в последнем, мас.%:

Указанный СаО_своб 5-25

-C₂S 40-60

С₃S 1-10

С₃А 0,01-10

C₄AF 8-20

В варианте изобретения карбонатный и алюмосиликатный ингредиенты указанной сырьевой смеси и тонкость их помола выбирают по критерию, по крайней мере, частичного перекрытия при обжиге температурных интервалов декарбонатизации карбонатного и дегидроксилирования алюмосиликатного ингредиентов указанной сырьевой смеси при массовом соотношении этих компонентов, соответствующем коэффициенту насыщения известью указанной сырьевой смеси в пределах 0,5-0,6, а обжиг до спекания ведут до достижения пористости указанного белитового клинкера 35-47 об.%.

В другом варианте изобретения берут указанную сырьевую смесь, характеризующуюся глиноземным модулем в пределах 0,05-0,8.

В следующем варианте изобретения факел горения технологического топлива во вращающейся печи при обжиге указанного белитового клинкера приближают к сегменту обжигаемого материала, доводя центральный угол указанного сегмента до 115-125°, а подачу топлива регулируют вплоть до достижения полной прозрачности печной атмосферы.

Сущность изобретения в части способа изготовления белитового портландцементного клинкера заключается в сверхраннем образовании первого клинкерного расплава, а именно около 1050°С, проявляющего скрепляющие свойства при предплавлении по правилу Таммана, то есть при температуре, в среднем на 15% ниже точки плавления, а именно при 895°С, тем самым почти полностью перекрывая температурный диапазон декарбонатизации карбонатного ингредиента цементной сырьевой смеси, составляющий (870-930)°С - по данным дифференциального термического анализа (ДТА), или примерно (920-1010)°С - в производственной вращающейся печи - с эндотермическим эффектом плавления по сравнению с контрольной смесью при обжиге обычного алитового клинкера по графику кривой температуры корпуса печи с поправкой на теплопоглощение огнеупорной футеровкой. Декарбонатизация “всухую”, то есть в отсутствие клинкерного расплава в печи, происходящая нередко со взрывным разрушением частиц карбонатного компонента цементной сырьевой смеси, известная из уровня техники, - основная причина пылеобразования в клинкерообжигательных печах и соответственно - дымного шлейфа из труб цементных заводов. Связующие свойства указанного первого клинкерного расплава позволяют подавить пылеобразование в печи при изготовлении белитового портландцементного клинкера согласно изобретению вплоть до пылеуноса в размерах 2-3% массы клинкера против пылеуноса на уровне 10-15% массы выходящего из печи клинкера, известного из уровня техники.

Основной фактор, определяющий появление и указанное проявление полезных свойств низкотемпературного общеклинкерного расплава - это в данном случае свободный оксид кальция (СаО_своб), оставляемый в белитовом клинкере согласно изобретению, соединение которого с двухкальцевым ферритом кальция (СF₂), ферритами щелочных металлов, преимущественно натрия (RF), алюминатами щелочных металлов, преимущественно калия (RA), переходящее в конце стадии в твердый раствор оксида кальция (СаО) с двухкальциевым ферритом (С₂F) конечного состава 18,5 СаО Fе₂О₃ с вытеснением остальных оксидов, является основой первого клинкерного расплава. Этот расплав отличается от известных первичных расплавов, образующихся в присутствии минерализаторов, тем, что последние представляют собой поверхностно-активные пленки, окружающие частицы обжигаемого материала и разделяющие их между собой, обладая минимальными связующими свойствами [17], тогда как первый расплав в указанном обжигаемом материале на основе цементной сырьевой смеси согласно изобретению представляет собой объемную жидкую фазу, пропитывающую зерна материала и скрепляющую их в первичные (“белые”) гранулы, соответствующие нижнему температурному интервалу образования расплава, переходящие затем без разрушения в нормальные клинкерные гранулы, формирующиеся на основе первичных гранул после образования и пропитки их вторым клинкерным расплавом эвтектического состава. Белые гранулы можно увидеть, если временно погасить факел горения топлива и дать этим первичным гранулам появиться на выходе из печи. Роль нейтральной атмосферы, соответствующей содержанию кислорода в отходящих газах (0,2-0,7) мас.% и минимальному коэффициенту избытка воздуха а (в пределах 1,01-1,03), при котором существующие нормы [18] не допускают обжига обычного портландцементного клинкера (требуется а в пределах 1,05-1,15 [1]), заключается в более высокой реакционной способности и меньших размерах иона Fe²⁺ по сравнению с ионом Fe³⁺. Это не только ускоряет образование указанного первого расплава, но и позволяет ионам железа (II) благодаря их меньшему диаметру быстрее занимать дефекты по Шоттки (вакансии) в кристаллической решетке СаО_своб, формируя сначала СF₂, а затем C_18,5F, усиливая связующие свойства указанного клинкерного расплава и гранулообразование. Именно это в значительной степени подавляет пыление в печи, поскольку происходит в наиболее опасной по пылеобразованию зоне указанной печи - в зоне декарбонатизации.

Следует отметить, что нейтральный характер печной атмосферы в данном случае характеризуется содержанием кислорода в отходящих газах вращающихся печей, поскольку это наиболее просто определяемый на практике параметр. Указанное содержание согласно изобретению поддерживают в пределах (0,2-0,7) мас.% против (1,0-1,8) мас.% в нормальной окислительной атмосфере в зависимости от вида топлива (твердого, жидкого, газообразного [19]), причем с переходом от первого вида топлива к последнему нормативное содержание кислорода в отходящих газах печи в указанных пределах постепенно возрастает как при известном уровне техники (по [19]), так и в способе согласно изобретению.

Дендритная или точечная микроструктура свободного оксида кальция, генерируемого при кристаллизации жидкой фазы, обуславливает его высокую гидратационную активность, а примесь в нем железа определяет отсутствие свободных валентностей, которые имеются у свободной извести, входящей в качестве нежелательной примеси в состав обычного портландцементного клинкера, и вызывают раздражение слизистых оболочек у обслуживающего персонала, в частности слезоотделение. При обжиге белитового клинкера по способу согласно изобретению этого явления не наблюдается, и как его обжиг, так и помол осуществляются без каких-либо неудобств для производственного персонала.

В варианте изобретения учитывается дополнительный фактор, снижающий пылеобразование в печи до уровня менее 2% массы указанного клинкера, путем предотвращения взрывной декарбонатизации частиц указанной сырьевой смеси в связи с перекрытием или частичным совпадением температурных интервалов декарбонатизации известкового и дегидроксилизации алюмосиликатного ингредиентов указанной смеси, что определяется подбором состава сырьевых материалов. Согласно Хедваллу [20] совпадение температурных интервалов разложения ингредиентов при обжиге цементной сырьевой смеси ускоряет твердофазные реакции между ними (эффект Хедвалла), что в рассматриваемых условиях уменьшает пылеобразование благодаря формированию оболочек из продуктов реакции, скрепляющих взаимодействующие частицы карбонатного и алюмосиликатного ингредиентов. Так, мела обычно декарбонатизируются при (830-920) С (по данным ДТА) или при (850-970)°С во вращающейся печи, а монтмориллонитовые глины дегидроксилируются при (770-840)°С (по данным ДТА) или при (820-900)°С во вращающейся печи. Подбирая сырьевые ингредиенты, включающие мела и аналогичные глины, можно дополнительно снизить пылевыделение при обжиге портландцементного клинкера согласно изобретению. Изменение тонкости помола указанных сырьевых ингредиентов смещает указанные температурные интервалы их разложения, причем рост дисперсности - в сторону понижения граничных значений указанных температур, а снижение - в сторону их повышения. Таким образом, интервал разложения более тонкого карбонатного ингредиента в большей степени перекрывает интервал разложения алюмосиликатного ингредиента, что способствует более заметному снижению пылеобразования в печи. Это снижение наиболее заметно в указанном интервале значений КН указанной сырьевой смеси в пределах 0,5-0,81, при общей пористости спекаемого белитового клинкера в пределах (35-47)%, что является весьма высоким уровнем по сравнению с известным из уровня техники - (18-24)% [21] и объясняется пониженной огневой усадкой обжигаемого материала при указанных выше значениях КН указанной сырьевой смеси по способу согласно изобретению.

В следующем варианте изобретения принимастся во внимание, что прирост относительного содержания железа в составе плавней в обжигаемой сырьевой смеси, определяемый диапазоном значений глиноземного модуля в ее составе 0,05-0,7, примерно на (15-40) С снижает температуру появления первичного клинкерного расплава при обжиге указанного белитового клинкера, что, в свою очередь, способствует снижению пылеобразования в печи.

В варианте изобретения учитывается, что усиление лучистого теплообмена между факелом горения топлива во вращающейся печи, осуществляемое путем приближения факела горения топлива к сегменту обжигаемого материала, снижает расход топлива и, следовательно, количество и скорость движения отходящих газов в печи. Последнему способствует уменьшение содержания СO₂ в печной атмосфере в связи с понижением доли карбоната кальция в цементной сырьевой смеси, рассчитанной на обжиг указанного белитового клинкера. Прирост содержания ионов Fe²⁺ благодаря попаданию части обжигаемого материала в периферию факела горения топлива и общей нейтральной печной атмосфере в данном случае позволяет, понижая расход топлива, ускорять процесс его горения ввиду увеличения доступности факела для вторичного воздуха, что, повышая температуру в зоне спекания печи, приводит к приближению зоны образования первого клинкерного расплава к головке печи и соответственно - к зоне образования второго клинкерного расплава. Это при наличии эффекта Хедвалла и при тонком помоле сырьевой смеси и выполнении других, упомянутых выше режимных параметров способа, согласно изобретению приводит к полной прозрачности печной атмосферы, определяемой тем, что при временном выключении факела горения топлива с головки печи отчетливо видны детали цепной завесы в печах мокрого способа производства, причем полностью отсутствует пылевой выброс из печи даже при полностью отключенных пылеосадительных устройствах на тракте отходящих газов. Это последнее наблюдается и при обжиге указанного клинкера в печах сухого способа производства.

К этому следует добавить, что когда упомянутые первичные “белые” гранулы попадают в зону формирования второго общеклинкерного расплава, их продвижение вдоль продольной оси печи замедляется. При этом образуется “холм” из обжигаемого материала во второй зоне спекания печи, близкой к головке печи. За упомянутым холмом, глядя со стороны факела горения топлива, в виде второй яркой зоны во вращающейся печи видна первичная зона спекания обжигаемого материала белитового состава, а позади нее - все продольное сечение печи, вплоть до цепных завес в начальной части вращающейся печи мокрого способа производства. Таким образом, частичное перекрытие двух ярких зон печи с помощью регулирования расхода технологического топлива после вхождения печи в рабочий режим согласно изобретению впервые становится возможным регулировать с помощью визуального контроля, без выключения факела горения топлива. При этом, как правило, первичные светло-серые (“белые”) гранулы обжигаемого материала пропитываются вторым, высокотемпературным расплавом без их разрушения. Пропитка начинается с их наружных зон и протекает весьма быстро, гораздо быстрее, чем при обжиге алитовых клинкеров, очевидно, в связи с повышенной пористостью белитового клинкера и большей подвижностью расплава по сравнению с наблюдаемыми при обжиге алитовых клинкеров. Это позволяет ускорить продвижение по печи обжигаемого материала, повысить производительность печи при одновременном полном исключении клинкерного пыления как во вращающейся печи, так и в клинкерном холодильнике. В результате достигается главный технический эффект изобретения, одновременно являющийся и главным элементом его неожиданности, - полное отсутствие пылеобразования при обжиге клинкера во вращающейся печи.

Сущность изобретения становится более ясной из примера его осуществления.

Пример 1.

Исходные сырьевые материалы:

- карбонатный ингредиент: мел состава (мас.%): п.п.п.42, 29; SiO₂ 1,61; Аl₂О₃ 0,69; Fе₂O₃ 0,33; СаО 54,10; MgO 0,38; SO₃ 0,25; сумма 99,65, примеси - остальное, интервал температур декарбонатизации в состоянии порошка с 10% остатка на сите №02: (855-920)°С;

- алюмосиликатный ингредиент: глина состава (мас.%): п.п.п.5,33; SiO₂ 67,07; Аl₂О₃ 12,48; Fе₂О₃ 5,08; СаО 2,82; MgO 2,25; SO₃ 1,96; R₂О 2,65; сумма 99,64, примеси - остальное, интервал температур дегидроксилизации в состоянии порошка с 1% остатка на сите №02: (775-860)°С;

- железистый ингредиент: пиритные огарки состава (мас.%): п.п.п.0; SiO₂ 8,18; Аl₂О₃ 2,02; Fе₂O₃ 79,68; СаО 1,84; MgO 1,33; SO₃ 4,99; сумма 98,04, примеси - остальное.

Для получения клинкера и цемента согласно предлагаемому способу в качестве клинкерообжигательной печи используют вращающуюся печь диаметром 3,6 и длиной 70 м с факельным сжиганием природного газа с теплотой сгорания примерно 6700 ккал/кг, или примерно 28000 кДж/кг.

В первой серии опытов при обжиге контрольной сырьевой смеси с тонкостью помола по остатку на сите №02 2,8-3 мас.% средняя производительность печи по клинкеру в контрольном режиме согласно ближайшему аналогу составила 12 т/ч, а при обжиге сырьевой смеси с той же тонкостью помола для получения белитового портландцементного клинкера согласно изобретению - 13,6 т/ч (+13 мас.%), при следующих средних характеристиках контрольного портландцементного клинкера (КК-1) и указанного белитового клинкера согласно изобретению (БК-1):

КК-1: КН 0,91, n 1,93, p 1,03; минералогический состав (по В.А.Кинду, маc.%): С₃S 58, C₂S 16; С₃А 5,5; C₄AF 16; СаО_своб 0,7, примеси - остальное;

БК-1: КН 0,53, n 2,14, p 0,72; минералогический состав (мас.%): С₃S 10, C₂S 52; С₃А 1; C₄AF 14; СаО_своб 14,5, примеси - остальное.

При обжиге в условиях ДТА контрольной сырьевой смеси для получения контрольного клинкера появление общеклинкерного расплава с помощью характеристики электропроводности выше уровня 4 10^-8 Ом^-1/см^-1 зафиксировано при 1250°С. При обжиге в тех же условиях сырьевой смеси согласно изобретению указанный уровень электропроводности достигается дважды: в первый раз при 1070 С, затем, после временного снижения, во второй раз при 1245°С.

Режим обжига контрольного клинкера и указанного белитового клинкера в первой серии опытов характеризуется расположением горелки для сжигания газа в печи по ее центральной оси. Центральный угол сегмента обжигаемого материала при обжиге контрольного клинкера равен 90°, при обжиге указанного белитового клинкера 116°. Содержание кислорода в отходящих газах при обжиге контрольного клинкера соответствует норме: (1,3-1,5) мас.% [22]; при обжиге указанного белитового клинкера путем уменьшения разрежения содержание кислорода снижено до (0,2-0,5) мас.%. При сканировании температуры корпуса печи было установлено следующее:

- в режиме обжига контрольного клинкера: один минимум температуры корпуса со снижением на 30°С по сравнению с соседними участками - на расстоянии 10-11 м от головки печи, где фиксируется начало зоны спекания с соответствующим “холмом” обжигаемого материала - благодаря эндотермическому эффекту плавления части обжигаемого материала и замедлению в этой зоне его движения вдоль оси указанной печи;

- в режиме обжига указанного белитового клинкера: два минимума температуры корпуса - со снижением на 18°С по сравнению с соседними участками - на расстоянии 18-19 м от головки печи, где отмечается окончание зоны декарбонатизации и первая (“белая”) грануляция обжигаемого материала, и со снижением на 23°С - на расстоянии 12-13 м от головки печи, где отмечается вторая (“нормальная”) грануляция обжигаемого материала с соответствующими “холмами” обжигаемого материала в связи с замедлением его продвижения вдоль печи.

При выпуске “белого” клинкера из печи через лючок, расположенный в конце зоны декарбонатизации, было зафиксировано в нем содержание свободного оксида кальция в пределах 22-26 мас.%; петрографический анализ гранул с их укреплением канифольной пропиткой позволил обнаружить характерные активные, преимущественно дендритные формы кристаллизации свободного оксида кальция. Рентгенофазовый анализ этих гранул после растирания до порошка показал присутствие белита, в основном в -модификации, практическое отсутствие С₃А, наличие ферритов Са и щелочных металлов; присутствия RA не было установлено. После 20-минутного отключения факела горения топлива “белый” клинкер был выпущен через обрез печи в холодильник; в пробе, отобранной с обреза печи, содержание свободного оксида кальция снизилось до 18-20 мас.%, а у свободного оксида кальция, кроме дендритных, обнаруживаются точечные формы, явно представляющие собой продукт частичного плавления дендритов в клинкерном расплаве. В результате исследования готового белитового клинкера согласно изобретению при помощи петрографического анализа было установлено присутствие алита и белита в количествах, примерно соответствующих приведенным выше расчетным данным; наличие С₃А и щелочных алюминатов и ферритов фиксировалось в виде следов. В нормально обожженном указанном белитовом клинкере содержание свободного оксида кальция в среднем составило, как уже упоминалось, 14 мас.%.

Определение безвозвратного пылеуноса в пробах отходящих газов печи (без использования осадительных устройств) позволило зафиксировать наличие пыли в отходящих газах в следующих количествах (г/м³): при обжиге контрольного клинкера 22,4 и указанного белитового клинкера 1,8, что на порядок ниже.

Во второй серии опытов при обжиге сырьевой смеси тонкостью помола по остатку на сите №02 1,8-2 мас.% средняя производительность печи по клинкеру в контрольном режиме согласно ближайшему аналогу составила 12,5 т/ч, а по белитовому портландцементному клинкеру согласно изобретению - 15,