способ получения портландцементного клинкера

Формула изобретения

1. Способ получения портландцементного клинкера, включающий подачу с холодного конца вращающейся печи первого потока сырьевой смеси с коэффициентом насыщения 0,92 - 2,10, а с горячего конца второго потока - сырьевой смеси с температурой плавления 1100 - 1250^oС, отличающийся тем, что второй поток вводят в зону вращающейся печи с температурой 1250 - 1450^oС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй поток сырьевой смеси вводят в количестве 3-15% от массы декарбонизированного материала первого потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, преимущественно к способам производства портландцементного клинкера.

Обжиг портландцементного клинкера во вращающихся печах осуществляется при температурах, обеспечивающих полное завершение реакций клинкерообразования и, прежде всего, основного клинкерного минерала - трехкальциевого силиката 3CaOSiO₂. Реакция образования трехкальциевого силиката протекает через жидкую фазу, появление которой при обжиге сырьевой смеси традиционного химико-минерального состава фиксируется при температурах 1280 - 1338^oС (см., например, Ю. М. Бутт, В.В. Тимашев, М.М. Сычев. Технология вяжущих веществ. М.: Стройиздат, 1978).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, принятому нами за прототип, является способ получения портландцементного клинкера, характеризующийся подачей с холодного конца вращающейся печи сырьевой смеси с коэффициентом насыщения 0,92 - 2,10, а в горячую зону температур 550 - 1200^oС - с коэффициентом насыщения 0,05 - 0,50 и температурой плавления 1100 - 1250^oС (патент РФ 2114078, С 04 В 7/38, 1998).

Недостатком указанного способа является нестабильное существование расплава, который образуется из легкоплавкого потока сырьевой смеси. Низкий коэффициент насыщения этого потока обеспечивает его полное расплавление при попадании в зону защищенных патентом температур. Появление расплава при относительно низких температурах в среде, насыщенной оксидом кальция, обеспечивает практически мгновенное взаимодействие, что изменяет состав расплава и вызывает, как следствие, его кристаллизацию. Таким образом, преимущества низкотемпературного расплава практически сводятся к минимуму.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача разработки такого способа получения портландцементного клинкера, в котором путем изменения температурного диапазона ввода второго потока сырьевой смеси были бы созданы условия для стабильного существования низкотемпературного расплава, отличающегося повышенной реакционной способностью по отношению к оксиду кальция.

Необходимый технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа, включающего подачу с холодного конца вращающейся печи сырьевой смеси с коэффициентом насыщения 0,92-2,10 и второго потока с температурой плавления 1100-1250^oС, в предлагаемом способе второй поток вводят в зону вращающейся печи с температурой 1250-1450^oС, причем второй поток сырьевой смеси вводят в количестве 3-15% от массы декарбонизированного материала первого потока.

Заявляемый температурный интервал подачи второго потока сырьевой смеси коренным образом изменяет ход процессов клинкерообразования.

Образование трехкальциевого силиката протекает через жидкую фазу традиционного состава, образующегося при нагревании материала до известных температур. Растворение в этом расплаве оксида кальция CaO и промежуточных фаз портландцементного клинкера (низкоосновных силикатов кальция) носит динамический характер, так как сопровождается постоянной кристаллизацией расплава вследствие изменения его состава в результате указанного выше взаимодействия и образованием расплава нового состава при повышении температуры обжига. Количество постоянно существующего в зоне спекания расплава составляет не более 25 - 28%, что тормозит процессы клинкерообразования и требует постоянного поддержания высокой температуры обжига вплоть до полного завершения процессов образования трехкальциевого силиката.

При поступлении второго легкоплавкого потока в зону с температурой более 1250^oС взаимодействие образующегося из этой части сырьевой смеси расплава с оксидом кальция и другими свободными оксидами, изменяя состав образующейся фазы, не приводит в то же время к ее кристаллизации. Таким образом, в отличие от известного способа получения портландцементного клинкера (прототип) связывание избыточного количества СаО в трехкальциевый силикат протекает одновременно в двух системах - расплаве из сырьевой смеси традиционного состава и расплаве из легкоплавкой части сырьевой смеси. При этом количество второй части расплава постоянно увеличивается за счет растворения в ней оксида кальция и повышения температуры. Это интенсифицирует процесс растворения СаО в общем силикатном расплаве и, как следствие, весь процесс формирования трехкальциевого силиката. Таким образом, реализация предлагаемого изобретения позволяет снизить температуру обжига портландцементного клинкера и расход тепла на обжиг. В свою очередь это обеспечивает снижение выбросов NO_х, уменьшение потерь тепла в окружающую среду от корпуса печи и повышение стойкости футеровки.

Количество подаваемого в печной агрегат второго потока легкоплавкой сырьевой смеси рассчитывается, исходя из значений коэффициентов насыщения первого и второго потоков и заданного значения коэффициента насыщения портландцементного клинкера. Масса второго потока, не достигающая нижнего заявляемого предела, не оказывает существенного влияния на процессы клинкерообразования.

Заявляемый верхний предел количества ввода второго потока сырьевой смеси обусловлен стремлением поддерживать необходимое поверхностное натяжение силикатного расплава, выше которого может стать неконтролируемым процесс формирования клинкерных гранул.

Верхний предел температурного диапазона ввода легкоплавкого потока сырьевой смеси соответствует максимальной температуре обжига клинкера и обеспечивает технический эффект при вводе легкоплавкого потока в любой отрезок зоны спекания вращающейся печи. Нижний предел температурного интервала соответствует верхнему уровню температуры плавления легкоплавкой части сырьевой смеси, что гарантирует мгновенное образование расплава при вводе материала в печь.

Пример осуществления.

В полупромышленных условиях из известняка, глины и пиритных огарков были приготовлены 2 сырьевые смеси - с коэффициентом насыщения 0,92 и 1,05. Смеси гранулировались на грануляторе 50 см. Размер гранул составлял 4-8 мм. После высушивания гранулы с КН=0,90 обжигались во вращающейся печи 0,4х0,5х7,0 м. Этот режим был использован для количественной оценки традиционного способа получения портландцементного клинкера.

Часть гранул смеси с КН=1,05 предназначалась для моделирования обжига клинкера по прототипу. Для этого дополнительно приготовлена смесь с КН=0,35, составленная из доменного гранулированного шлака и золы от сжигания угля в соотношении 2 : 1. Гранулы подавались в холодный конец печи, а легкоплавкая смесь в количестве 7% в пересчете на прокаленное вещество подавалась в зону декарбонизации при температуре 800^oС. Питание вторым потоком производилось через лючок для отбора проб обжигаемого материала. Для предотвращения выпадения материала из печи на отверстие лючка была установлена термостойкая сетка. В процессе обжига отобраны пробы спеков, обожженных до 1250^oС. Цель отбора - зафиксировать наличие в образцах стекловидную фазу, свидетельствующую о процессах жидкофазного спекания. Петрографический анализ указал на практически полное отсутствие жидкой фазы, что подтверждает нестабильное существование жидкой фазы из легкоплавкой составляющей при указанных температурах обжига.

Вторая часть гранул с КН=1,05 обжигалась по заявляемому способу. При этом гранулы подавались с холодного конца печи, а легкоплавкая шахта вводилась в зону обжига при температуре 1250^oС одним из известных устройств, в данном случае двухканальной форсункой. Процесс обжига клинкера продолжался до температуры 1450^oС.

Отбор проб осуществлялся, начиная с 1100^oС через отборные лючки. Результаты эксперимента по определению массовой доли CaO свободного приведены в таблице.

Как видно, введение в состав обжигаемого материала легкоплавкой составляющей способствует интенсификации процесса связывания оксида кальция в клинкерные минералы. Более низкий уровень содержания СаО своб. при температуре 1100^oС в смеси, обжигаемой по традиционному способу, объясняется более высоким коэффициентом насыщения смесей, рассчитанных на последующий ввод легкоплавкого компонента. Появление расплава с низкой температурой плавления (прототип) приводит к ускорению процесса, однако температурный интервал эффективного действия второго потока относительно невелик - до 1250^oС. Введение же второго потока в зону с более высокой температурой, где жидкая фаза остается стабильной, обеспечивает интенсификацию процесса связывания СаО во всем интервале температур обжига и практически полное завершение реакций клинкерообразования при более низких (на 50 - 70^oС) температурах.