Строитльные материалы

Отличие строительно-технических свойств  расширяющихся цементов рядовых  портландцементов состоит в компенсированной усадке (линейные деформации (свободное  расширение) цементного камня обычно составляют 0,07%). Для напрягающих  цементов значения величины свободного расширения существенно выше. Кроме  компенсированной усадки, цементный  камень на основе расширяющегося цемента  характеризуется пониженной проницаемостью, высокой морозостойкостью и коррозийной  стойкостью.

В составе сухих строительных смесей расширяющиеся цементы целесообразно  применять в составе композиций гидроизоляционного назначения, в ремонтных  составах, смесях с повышенной трещиностойкостью (полы) и др.

Схема производства цемента:

 

4. Описать основные процессы, протекающие при обжиге сырья в производстве портландцемента. Минералогический состав клинкера.

Физико-химические основы обжига портландцементного клинкера. Образованию портландцементного клинкера предшествует ряд физико-химических процессов,  в результате которых  клинкер приобретает сложные  минералогический состав и микрокристаллическую структуру. Эти процессы протекают  в определенных температурных границах — технологических зонах печи. В основном обжиговом агрегате —  вращающейся печи — при мокром способе производства цемента по ходу движения материала выделяют зоны: I - испарения,II—подогрева и дегидратации, III— декарбонизации, IV— экзотермических  реакций, V— спекания, VI— охлаждения. При сухом способе производства – эта зона отсутствует.  Подготовительные зоны I – II занимают 50...60 % длины печи, зона декарбонизации — 20...25, зона экзотермических  реакций — 7...10, зона спекания — 10...15 и зона охлаждения — 2...4 % длины печи.

В зоне подогрева при температуре 200...650 °С выгорают органические  примеси  и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента. Обезвоживание и распад на оксиды водных алюмосиликатов кальция приводит к образованию ряда промежуточных соединений, заметно влияющих в дальнейшем на скорость связывания СаО.

В зоне декарбонизации при температуре 900... 1200 0 С происходит диссоциация  карбонатов кальция и магния с  образованием свободных СаО и  МgО. Одновременно продолжается распад глинистых минералов.       В зоне экзотермических реакций  при температуре 1200 – 1300 0 С завершается  процесс твердофазового спекания материала. В результате образуются минералы 3CaO*Al2O3 ; 4CaO*Al2O3*Fe2O3 и 2CaO*SiO2. Однако в смеси  остается некоторое количество свободной  извести, необходимое для насыщения  двухкальциевого силиката до трехкальциевого (алита).

В зоне спекания при температуре 1300 – 14500 С происходит частичное плавление  материала, начинающееся в поверхностных  слоях зерен, а затем постепенно распространяющееся к их центру. Время  полного усвоения оксида кальция  и образования алита в зоне спекания составляет 20 – 30 минут.    

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1100 – 1000 0 С. Часть  жидкой фазы при этом кристаллизуется  с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть затвердевает в виде стекла.                Границы зон во вращающейся печи достаточны условны и нестабильны. Меняя режим работы печи, можно  смещать границы и протяженность  зон и тем самым регулировать процесс обжига.    

Аппараты  для тепловой обработки. Они работают по принципу как противотока, так  и прямотока. С    точки зрения расходы теплоты прямоток выгоднее, чем противоток, так как в последнем  случае выше температура отходящего материала и  больше  потери теплоты. Тем не менее, чаще применяют противоток, что связано с большей разностью  температуры теплоносителя и  материала в таких аппаратах  и соответственно большей скоростью  теплообмена, что позволяет сократить  длительность обжига. Тепловыми агрегатами в производстве клинкера являются вращающиеся  печи. Они представляют собой стальной барабан, который состоит из обечаек (открытый цилиндрический или конический элемент конструкции), соединенных  сваркой или клепками, и имеет  внутреннюю футеровку из огнеупорного материала (рис. 6)     . Профиль  печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным с расширенными зонами. Расширение определенной зоны производят для увеличения продолжительности  пребывания в ней обжигаемого  материала. Печь, установленная под  углом 3  - 40 к горизонту, вращается  с частотой 0,5 – 1,5 мин-1. Вращающиеся  печи в основном работают по принципу противотока. Сырье поступает в  печь с верхнего (холодного) конца, а  со стороны нижнего (горячего) конца  вдувается топливно-воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20 - 30 м длины  печи. Горячие газы, перемещаясь  со скоростью 2 - 13 м/с навстречу материалу, нагревают последний до требуемой  температуры. Длительность пребывания материала в печи зависит от ее частоты вращения и угла наклона, составляя, например, в печи размером 5× 185 м,     2 - 4 часа.  Занятое материалом сечение во вращающихся печах составляет лишь 7 - 15 % объема, что является следствием высокого термического сопротивления движущегося слоя и объясняется как малой теплопроводностью частиц обжигаемого материала, так и слабым перемешиванием их в слое.

Факел пламени и горячие газы нагревают  как поверхностный слой материала, так и футеровку печи. Футеровка, в свою очередь, отдает получаемую теплоту  материалу лучеиспусканием, а также  путем непосредственного контакта. При каждом обороте печи в процессе соприкосновения с газовым потоком  температура поверхности футеровки  повышается, а при контакте с материалом понижается. Таким образом, материал воспринимает теплоту лишь в двух случаях: либо когда соприкасается  с нагретой поверхностью футеровки, либо когда находится на поверхности  слоя. Производительность вращающейся  печи зависит от объема внутренней части, утла наклона печи к горизонту  и частоты вращения, температуры  и скорости движения газов, качества сырья и ряда других факторов.

Важное  преимущество вращающихся печей  — их технологическая универсальность, обусловленная возможностью использовать сырьевые материалы различных видов.

Теплообменные устройства.  Эффективное использование  теплоты во вращающихся печах  возможно только при установке системы  внутрипечных и запечных теплообменных  устройств. Внутрипечные теплообменные  устройства имеют развитую поверхность, которая либо всё время покрыта  материалом, непосредственно соприкасающимся  с газами, либо работает как регенератор, воспринимаю теплоту от газов  и передавая ее материалу. Эти  устройства увеличивают поверхность  теплообмена между газами и материалами  также потому, что, уменьшая скорость движения материала, повышают коэффициент  заполнения печи. В результате установки  внутрипечных теплообменных устройств  кроме основной задачи – снижения расходов теплоты – можно решить и ряд других задач: интенсифицировать  процесс перемешивания, снизить  пылевынос. Это позволяет улучшить работу печи и повысить её производительность.

В России для обжига сухих сырьевых смесей в основном используют печи с циклонными теплообменниками. В  основу их конструкции положен принцип  теплообмена между отходящими газами и сырьевой мукой во взвешенном состоянии.

Уменьшение  размера частиц обжигаемого материала, значительное увеличение его поверхности  и максимальное использование этой поверхности для контакта с теплоносителем интенсифицируют теплообмен. Сырьевая мука в системе циклонных теплообменников  движется навстречу отходящих из вращающейся печи газов температурой 900 – 11000С. Средняя скорость движения газов в газоходах составляет 15 – 20 м/с, что значительно выше скорости движения частиц сырьевой муки. Поэтому поступающая в газоход между верхними I  и II ступенями циклонов сырьевая мука увлекается потоком газов в циклонный теплообменник I ступени. Поскольку диаметр циклона намного больше диаметра газохода, скорость газового потока резко снижается, и частицы выпадают из него. Осевший в циклоне материал через затвор – мигалку поступает в газоход, соединяющий II и III ступени, а из него выносится газами в циклон II ступени. В дальнейшем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, начиная относительно холодной (I) и кончая горячей (IV). При этом процесс теплообмена на 80 % осуществляется в газоходах и только 20 % приходится на долю циклонов.

Время пребывания сырьевой муки в циклонных  теплообменниках не превышает 25...30 с. Несмотря на это, сырьевая мука не только успевает нагреться до температуры 700...800 °С, но полностью дегидратируется  и на 25...35 % декарбонизируется.

Интенсификация  процессов обжига.

Печные  агрегаты – самое энергоемкое  оборудование. В производстве цемента  на их долю приходится около 80 % затрат тепловой и электрической энергии. Добиваясь снижения этих затрат, конструкции  печей непрерывно совершенствуют, изыскиваю  пути интенсификации процессов обжига. Проблема интенсификации работы вращающихся  печей включает в основном две  задачи: изыскание наиболее рациональных приемов снижения удельного расхода  теплоты на обжиг клинкера и повышение  тепловой мощности печи. На производительность печи влияет целый ряд факторов. Во- первых, факторы, которые приводят к изменению удельного расхода  теплоты на обжиг клинкера: состав и структура сырья , его влажность  и реакционная способность и  др. Во-вторых, производительность печи повышается, если увеличивается поверхность  соприкосновения  газов с материалом, возрастает скорость движения газового потока, сжигание топлива производится с минимальным избытком воздуха. Все мероприятия, способствующие увеличению полезно используемой теплоты сгорания топлива, ускоряет процесс клинкерообразования.  К ним относятся установка  внутрипечных и запечных теплообменных  устройств, снижение влажности шлама  за счет обезвоживания в концентраторах или путем введения разжижителей шлама и др.

Эффективным средством интенсификации процесса и производительности печи является повышение температуры нагреваемого материала.

Эффективное средство интенсификации процесса обжига – сжигание части топлива в  зоне декарбонизации непосредственно  в слое материала. Снизить удельный расход теплоты на обжиг клинкера можно введением в сырьевую смесь  минерализаторов. Они позволяют  ускорить твердофазовые реакции, снизить  температуру появления жидкой фазы и улучшить ее свойства, повысить качество продукции. Важный резерв интенсификации процесса обжига – утилизация пыли, улавлиемой  из отходящих газов. Тонкодисперсная, частично прокаленная пыль близка по составу сырьевой смеси. Возврат пыли в печь способствует росту производительности агрегата, сокращению расхода сырья, топлива, электроэнергии. Расход топлива можно снизить путем совершенствования технологической схемы, конструктивных решений декарбонизаторов, холодильников и вспомогательного оборудования.

Минеральный состав портландцементного клинкера

 

Минерал	Формула	Количество
Трехкальциевый силикат (алит), C3S	3CaO * SiO2	42…65
Двухкальциевый силикат (белит), C2S	3CaO * SiO2	12…35
Трехкальциевый алюминат, C3A	3CaO * AL2O3	4…14
Четырехкальциевый алюмоферрит, C4AF	4CaO * Al2O3 * Fe2O3	10…18

Примечание: В скобках сокращенное обозначение  клинкерных минералов

Портландцементный клинкер (на 60…80%) состоит из силикатов  кальция, из-за чего портландцемент называют силикатным цементом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованный литературы:

 

1. Бутт Ю.М., Дудеров Г.Н., Матвеев.  Общая технология силикатов,- Киев: Вища школа, 983.

2. Сулименко Л.М. Общая технология  силикатов- М, ИНФРА-М, 2004- 336с.

1. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. - Портландцемент. М.: Стройиздат, 1974.- 341 с. 

2. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников  В.С. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1979. – 358 с.

3.  Воробьев, В.А.; Комар А.Г. Строительные  материалы: учеб. для вузов.- М., «Стройиздат» 1971. - 456 с.

4.  13. Колокольников В.С. - Производство  цемента. М.: Высшая школа, 1967. –  548 с.

5. Сулименко, Л.М.Технология минеральных  вяжущих материалов и изделий  на их основе: учеб. для вузов.  – 4-е изд., перераб. и доп.  – М.: Высш. шк., 2005. – 334 с.

6. «Строительные материалы», учеб.для вузов / под ред. Г.И. Горчакова. - М.: Высшая школа, 1982.

7. «Строительные материалы и изделия», учеб. для вузов, Л.Н. Попов