способ получения плавленого цементного клинкера

Формула изобретения

1. Способ получения плавленого цементного клинкера с использованием огненно-жидкого металлургического шлака, включающий подачу расплава шлака в плавильную камеру, введение в расплав добавки, перегрев его сжиганием в расплаве смеси топлива и воздуха, доведение температуры расплава клинкера до жидкотекучего состояния на завершающем этапе, отличающийся тем, что в качестве добавки используют известь, получаемую при подогреве мелкокускового известняка отходящими газами, образующимися при сжигании в расплаве смеси топлива и кислорода, которую вводят в перегретый расплав шлака, последовательно увеличивая размер зерен извести от начала до завершения процесса плавки, причем процесс плавки ведут непрерывно.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расплав шлака перед вводом извести перегревают от 13501500^oС до 16001700^oС в течение 23 мин, а затем расплав последовательно перегревают при постоянно увеличивающемся насыщении известью до полного завершения процесса насыщения в течение 68 мин до температуры 18001900^oС и на завершающем этапе плавки в течение 57 мин до температуры 19002100^oС.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что известняк подогревают до температуры 9001100^oС, а размер подаваемых в расплав зерен извести увеличивают по мере прохождения процесса плавки от 0 до 7 мм.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к получению цементного клинкера с использованием огненно-жидкого металлургического шлака.

Известен способ получения плавленого портландцементного клинкера с использованием огненно-жидкого шлака в центробежной машине путем механического обогащения шлаков известью (Х.С. Воробьев и Д.Я. Мазуров. Теплотехнические расчеты цементных печей и аппаратов. - М., 1967, с. 108-109, рис.45).

Недостатками известного способа являются невысокая производительность из-за периодичности процесса, низкое качество клинкера (марка 300).

Известен также способ получения плавленого цементного клинкера с использованием огненно-жидкого металлургического шлака, включающий подачу расплава шлака в плавильную камеру, перегрев его до ввода известкового компонента с последующим вводом последнего в расплав и доведением температуры расплава клинкера до жидкотекучего состояния на завершающем этапе плавки.

Плавка проводится в конвертере, в который периодически заливается огненно-жидкий шлак, привезенный в шлаковозном ковше от доменной печи. После заполнения конвертера шлаком в расплав подается смесь топлива и окислителя через погружные горелки-фурмы и по мере повышения температуры шлака в него вводят известняк или готовую известь, полученную в отдельной печи с отдельным отоплением (Авторское свидетельство СССР 104265, кл. С 04 В 7/44, 1944).

Недостатки указанного способа следующие: периодический режим работы и по этой причине невысокая производительность, перерасход тепла на нагрев плавильной камеры и остывшего при перевозке шлака, высокие транспортные расходы; высокий дополнительный расход топлива и кислорода в плавильной камере на нагрев и декарбонизацию известняка, т.к. известняк подается в конвертер холодным; локальное застывание расплава клинкера или некондиционного клинкера, который еще не насыщен в достаточной степени известью; плохое перемешивание из-за повышенной вязкости расплава; длительная и практически неуправляемая плавка, что во многих случаях приводит к снижению качества клинкера (его пережегу); большие затруднения при грануляции большой массы расплава клинкера, который выливают из конвертера; трудно регулируемый процесс охлаждения клинкера.

В основу настоящего изобретения поставлена задача снижения расхода топлива и окислителя на плавление клинкера, повышение выхода готового продукта и его качества. Снижение себестоимости цемента из-за снижения затрат на сырьевые компоненты, топливо и кислород.

Согласно настоящему изобретению задача решается тем, что в способе получения плавленого цементного клинкера используют огненно-жидкий металлургический шлак, расплав которого подают в плавильную камеру, в расплав вводят добавку, клинкер перегревают сжиганием в расплаве смеси топлива и воздуха, а на завершающем этапе плавки доводят температуру расплава до жидкотекучего состояния; при этом в качестве добавки используют известь, получаемую при подогреве мелкокускового известняка отходящими газами, образующимися при сжигании в расплаве смеси топлива и кислорода, которую вводят в перегретый расплав шлака, последовательно увеличивая размер зерен извести от начала до завершения процесса плавки, причем процесс плавки ведут непрерывно. При этом расплав шлака перегревают в течение начальных 2-3 мин перед вводом извести от температуры 1350-1500^oС до 1600-1700^oС, а затем расплав последовательно перегревают при постоянно увеличивающемся насыщении известью до полного завершения процесса насыщения в течение 7-10 мин до температуры 1700-1800^oС, в течение 6-8 мин до температуры 1800-1900^oС и на завершающем этапе плавки в течение 5-7 мин до температуры 1900-2100^oС. Известняк подогревают до температуры 900-1100^oС, а размер подаваемых в расплав зерен извести увеличивают по мере прохождения процесса плавки от 0 до 7 мм.

Существо предлагаемого способа получения плавленого клинкера на основе огненно-жидкого шлака поясняется нижеследующими примерами.

Сырьевые материалы: известняк Аккермановского месторождения и застывший металлургический шлак, полученный из опытно-промышленной печи изобретателя Ванюкова при плавке Новокиевской руды на природно-легированный чугун предварительно дробили и просеивали. Фракционный состав обоих компонентов от 0 до 7 мм.

Из просеянного сырьевого материала были приготовлены (взвешены отдельно) четыре пары компонентов для получения двухкомпонентной смеси в расплаве, причем первые две с одинаковым расчетным на сырьевую смесь коэффициентом насыщения, равным 0,93. Одна из них предназначалась для получения плавленого клинкера по прототипу, а вторая по предлагаемому способу. Компоненты смеси 1 (прототип) не разделялись по фракциям, а известняк смеси 2 был рассеян дополнительно на четыре фракционных размера: 0-1 мм; 2-3 мм; 4-5 мм; 5-7 мм. Таким же образом был рассеян известняк, предназначенный для смесей плавки 3 и 4. Отличие смесей последних двух плавок заключалось в том, что коэффициент насыщения в смеси 3 был рассчитан на величину 0,96, а 4 на 0,98 с целью получения клинкера более высокого качества при пониженных (по сравнению с прототипом) затратах тепловой энергии. Химический состав сырьевых материалов приведен в таблице 1. В таблице 2 приведен расчет сырьевых шихт для получения плавленого клинкера в 4 режимах плавки.

Плавка осуществлялась следующим образом.

В плавке 1 (прототип) в отдельной камере плавили 45,4 кг шлака до температуры 1350^oС, т. е. до жидкотекучего состояния, а затем в течение 1-2 мин переливали его в основную камеру для осуществления плавки нa клинкер, снабженную погружными горелками-фурмами, Основная камера предварительно подогревалась до температуры шлака. После этого в слой расплавленного шлака через фурмы подавалась под давлением смесь газа и технического кислорода, которая, выгорая, поднимала температуру расплава шлака до 1700^oС. При этой температуре в расплав шлака в течение 52 мин с помощью дозатора подали 91,5 кг известняка с фракционным составом 1-7 мм, не разделенным на группы фракций.

В результате бурной эндотермической реакции, происходящей при разложении известняка на оксид кальция и углекислый газ, а также процесса разогрева известняка до температуры полной декарбонизации, температура расплава резко снижалась. С целью поддержания температуры увеличивали расход газа и окислителя через фурмы. В процессе подачи холодного и недекарбонизированного известняка поверхность расплава местами застывала, что мешало перемешиванию компонентов. Для устранения этого негативного явления процесс плавки форсировали, что привело к большому расходу топлива и окислителя.

Следует отметить, что форсировка плавильной камеры (т.е. увеличение ее теплового напряжения) возможна до определенных пределов, а далее необходимо увеличивать объем камеры.

После завершения процесса расплавления известняка расплав доводили до температуры 2050^oС и выливали его в камеру охлаждения, где он охлаждался на воздухе без принудительного обдува.

В процессе плавки 2, где использовался состав шихты, идентичный плавке 1, шлак, предварительно разогретый до 1350^oС, постепенно переливали в основную камеру. В процессе перелива его температуру доводили до 1600^oС в течение 2 мин. За это время в основную камеру перелилось около 4,6 кг шлака. Затем в течение 7 мин расплав перегревали до 1700^oС. Одновременно теплом отходящих газов из плавильной камеры в верхней ее части в кипящем слое на решетке подогревался и декарбонизировался известняк, который в течение тех же 7 мин, превращенный в известь, в количестве 30,4 кг с фракционным составом 0-1 мм подавался в расплав шлака. При этом из-за уже прошедшей в подготовительной части печи эндотермической реакции разложения известняка при температуре 950^oС температура расплава незначительно снижалась. В расплаве не появлялись застывшие участки. Барботаж расплава был интенсивным. Далее при прохождении расплава по плавильной камере от входа шлака до выхода клинкера его последовательно перегревали до температуры 1800^oС, подавая в расплав дополнительное количество горючей смеси и в течение времени перегрева в 6 мин - известь, полученную от декарбонизации известняка в количестве 30,4 кг при температуре 1000^oС с фракционным составом от 1 до 3 мм, а на конечном этапе плавки в течение 5 мин при подаче в расплав оставшейся извести с фракционным составом 4-7 мм температуру расплава доводили до 1950^oС, при которой он выливался непрерывной струей в камеру охлаждения. Таким образом процесс завершался за 20 мин.

Тепловую обработку шихты 3 с коэффициентом насыщения 0,96 проводили аналогично плавке 2, но предварительный разогрев при переливе шлака проводили в течение 3 мин до температуры 1650^oС, а фракции 0-1 мм вводили в течение 8 мин, перегревая в этот же промежуток времени расплав до 1750^oС. Фракцию 1-3 мм вводили в течение 7 мин, перегревая расплав до 1850^oС, а на завершающем этапе вводили фракцию 4-7 мм в течение 6 мин и выводили расплав при температуре 2000^oС. При этом известь получали при разогреве известняка более высокими отходящими газами при температуре 1050^oС. Таким образом процесс плавки 3 завершался за 24 мин.

Шихту 4 с коэффициентом насыщения 0,98 плавили аналогично шихте 2 и 3. Но режим набора температуры несколько изменили.

Так, предварительный нагрев шлака проводили в течение 3 мин до температуры 1700^oС с некоторой форсировкой фурм. Затем в течение 10 мин, подавая в расплав фракцию 0-1 мм, перегревали расплав до 1800^oС. В течение 8 мин при подаче в расплав фракции 1-3 мм перегревали расплав до 1900^oС и в течение 7 мин при подаче в расплав извести фракции 4-7 мм перегревали расплав до температуры 2100^oС, при которой он непрерывной струей выливался в камеру охлаждения. Процесс плавки проходил в течение 28 мин.

Процесс охлаждения во всех 4 плавках был идентичен. Разной была лишь начальная температура клинкера.

Как видно из таблицы 2, количество шихты во всех плавках было практически одинаковым. Изменялось только соотношение шлака и известняка с изменением коэффициента насыщения.

Как видно из описания процессов плавки, по предлагаемому способу в менее разогретый расплав планомерно подавались мелкодисперсные фракции, а в более разогретый - более крупные. Заданный по предлагаемому способу темп подъема температур от 1350 до 1950-2100^oC и равномерная по весу подача извести в расплав обеспечили стабилизацию режима плавки с достаточно хорошим усвоением извести.

Визуальные наблюдения и температурные параметры плавок 3 и 4 показали, что расплав не имел на всем протяжении времени перемещения по плавильной камере локальных зон с застывшим на поверхности клинкером. Барботаж расплава был интенсивным, т.е. перемешивание происходило достаточно хорошо, что сказалось на качестве клинкера. С каждой последующей плавкой качество клинкера повышалось (см. таблицу 4).

В таблицах 3 и 3а приведены режимные параметры всех 4 процессов плавки и расходные характеристики. По данным таблиц видно, что даже при плавке смеси с КН равным 0,98 расход топлива и кислорода значительно ниже, чем в плавке 1 (по прототипу).

Последовательное увеличение размера фракций, вводимых в расплав, позволило увеличить их время предварительного нагрева (до ввода и расплав) и довести декарбонизацию практически до 100%. В результате ввода извести при последовательном увеличении температуры расплава в предлагаемом способе удалось достичь стабилизации режима получения клинкера, что всегда при качественной подготовке сырьевых компонентов приводит к повышению качества клинкера и его съема с единицы объема плавильной камеры.

Из приведенных данных по 4 плавкам видно, что практически одно и то же количество клинкера было получено за разное время. Так по прототипу (плавка 1) - 960 кг было получено за 60 мин. В плавке 2 990 кг было получено за 20 мин. В плавке 3 985 кг было получено за 24 мин, а в плавке 4 970 кг за 28 мин. Небольшие колебания выхода клинкера связаны с различным пылевыносом мелкодисперсного известняка с отходящими из печи газами.

Расчет промышленной печи производительностью 400000 т клинкера в год или 50 т/ч показал, что для получения такого количества клинкера в печи по прототипу объем ее плавильной камеры должен составлять 120 м³, а по предлагаемому способу 48 м³, т.е. съем клинкера с единицы объема в предлагаемом способе будет в 2,5 раза выше, чем в прототипе.

В то же время удельный расход топлива и кислорода в нм³/тонну клинкера составит соответственно 244 нм³ и 496 нм³ (прототип) и 68 нм³ и 140 нм³ по предлагаемому способу.

Расчетные потери тепла с охлаждением печи по предлагаемому способу практически в два раза ниже, чем потери в печи по способу-прототипу, а это очень существенно, так как для охлаждения стен плавильных камер используется вода.

Более высокие затраты на изготовление и эксплуатацию устройства для осуществления предлагаемого способа окупаются при получении большой экономии.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно интенсифицировать и стабилизировать процесс клинкерообразования, повысить выход плавленого клинкера одновременно со снижением удельного расхода топлива и технического кислорода, а также повысить качество клинкера.