способ обработки глиноземистого цемента

Формула изобретения

1. Способ обработки глиноземистого цемента, предназначенного для получения строительного раствора при затворении водой, путем его окислительного обжига, отличающийся тем, что указанному обжигу подвергают глиноземистый цемент с размером частиц 0,04-0,08 мм при температуре 800-890°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окислительный обжиг проводят во вращающейся трубчатой печи с внешним обогревом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что окислительный обжиг проводят во вращающейся трубчатой печи с внутренним обогревом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности к получению строительного раствора (бетона) из глиноземистого цемента, исходным сырьем которого является высокоглиноземистый шлак, выплавляемый из боксита в доменных печах.

Исследования по влиянию химического состава и структуры шлака на вяжущие свойства цемента позволили разработать технические условия на высокоглиноземистый доменный шлак, состав которого обеспечивает получение цемента с высокими прочностными свойствами. В соответствии с ГОСТ 969-91 выпускается глиноземистый цемент с высокими прочностными свойствами трех марок: ГЦ-40, ГЦ-50, ГЦ-60. Глиноземистый цемент предназначен для изготовления быстротвердеющих строительных растворов и бетонов путем его затворения водой.

В таблице 1 приведен химический состав глиноземистого цемента, соответствующий маркам ГЦ-40, ГЦ-50, ГЦ-60.

Таблица 1
Химический состав глиноземистого цемента марок ГЦ-40, ГЦ-50, ГЦ-60, мольная доля, %
SiO 2	7-12
СаО	38-42
Al2О3	38-43
MgO	1-1,5
TiO2	0,3-0,8
FeO	0,5-1
S	1,3-1,6

Для обеспечения физико-механических показателей цемента указанных марок тонкость помола составляет 0,08 мм, т.е. остаток на сите с сеткой № 008 по ГОСТ 6613 составляет не более 10%.

Известен способ обработки глиноземистого цемента, заключающийся в предварительном измельчении глиноземистого шлака до крупности частиц менее 0,08 мм, отвечающей заданным физико-механическим свойствам цемента по ГОСТ 969-91. (Информационный материал «Цемент глиноземистый ГЦ 40, ГЦ 50, ГЦ 60 ГОСТ 969-91», обнаруженный на сайте http://www.speccement.ru).

При затворении глиноземистого цемента водой выделяется сероводород с неприятным запахом. Причиной данного эффекта является наличие серы в химическом составе глиноземистого цемента (см. табл.1).

При существующей технологии производства глиноземистого цемента сера в виде сульфатов и сульфидов железа поступает в доменную печь в основном рудой и коксом. В печи при высоких температурах сульфиды разлагаются, и незначительная доля серы в виде оксидов удаляется с газами, а большая часть серы соединяется с оксидом кальция, образуя сульфат (CaSO₄). При доменной плавке в восстановительной атмосфере сульфат восстанавливается до сульфида кальция (CaS). Система: сернистый газ - шлак в горне печи находится в состоянии равновесия, а сера в расплаве - в виде сульфида кальция, который переходит в глиноземистый цемент.

Таким образом, при затворении глиноземистого цемента водой выделяется сероводород с неприятным запахом по реакции:

Известен способ обработки глиноземистого цемента, предотвращающий появление неприятного запаха при затворении водой (SU 50012). Согласно этому способу раздробленный клинкер (крупность частиц -1,2+0,5 мм) нагревают в окислительной атмосфере при температуре 900-1200°. Цемент, получаемый таким способом, при затворении его водой не имеет запаха сероводорода. Исчезновение запаха сероводорода является следствием окисления при термической обработке карбида кальция и сульфидов, присутствующих в глиноземистых шлаках.

Однако способ-прототип характеризуется высокой температурой процесса окислительного обжига, указанное обстоятельство приводит к увеличению расхода топлива и повышению капитальных затрат из-за применения дорогостоящих огнеупоров.

Таким образом, при расширенной сфере применения глиноземистого цемента из-за отсутствия запаха, существенные затраты характеризуют способ с отрицательной стороны.

Задача, на решение которой направлен заявляемый способ, заключается в снижении затрат на его осуществление за счет снижения температуры окислительного обжига при высоком значении степени окисления серы.

Поставленная задача решается тем, способ обработки глиноземистого цемента, предназначенного для получения строительных растворов путем затворения водой, заключающийся в том, что окислительный обжиг частиц глиноземистого цемента крупностью частиц 0,08-0,04 мм ведут при температуре 800-890°С.

В заявляемом способе возможно окислительный обжиг проводить во вращающейся трубчатой печи с внешним обогревом.

В заявляемом способе возможно также окислительный обжиг проводить во вращающейся трубчатой печи с внутренним обогревом.

Для устранения запаха сероводорода при затворении глиноземистого цемента водой производят окислительный обжиг глиноземистого цемента. При этом происходит переход серы из сульфидной в сульфатную. Химическая реакция такого перехода осуществляется по реакции:

Таким образом, при оптимальной крупности частиц исходного глиноземистого продукта и оптимальной температуре окислительного обжига происходит переход серы из сульфидной формы в сульфатную и, таким образом, исключается реакция (1), в результате которой происходит выделение сероводорода.

На основе нижеприведенных экспериментальных данных установлена оптимальная крупность частиц исходного глиноземистого продукта и температура окислительного обжига.

Известны опыты по удалению серы из глиноземистого материала в виде высокоосновых глиноземистых шлаков с крупностью частиц 0,5-1, 2 мм (см. Сборник трудов Уральского НИИ черных металлов «Шлаки черной металлургии», т.20, Свердловск. 1974 г., стр.103-109, статья авторов В.Н.Потанина, С.А.Бондаренко и др. «Десульфурация высокоосновного глиноземистого шлака»).

В описываемом опыте удаление серы проводили путем обработки продуктами сгорания топливной смеси при высоких температурах 800-1200°С в полупромышленном конвертере. При этом степень окисления серы в зависимости от температуры и времени выдержки не превышала 30%. Низкая степень окисления серы определяется крупностью частиц глиноземистого шлака (0,5-1,2 мм) в силу того, что процесс лимитируется подводом кислорода к зерну сульфида кальция. При температурах свыше 1100°С происходит частичное оплавление поверхности частиц, что еще более затрудняет доступ кислорода.

В предлагаемом способе окислительному обжигу подвергается глиноземистый цемент с крупностью частиц не менее 0,08 мм. Такая крупность позволяет увеличить удельную поверхность частиц шлака, улучшить доступ к ней кислорода и, в конечном счете, увеличить степень окисления серы.

При крупности частиц, например, 0,04 мм наблюдается повторное слипание частиц цемента, что приводит к уменьшению величины удельной поверхности частиц цемента и к снижению степени окисления серы.

Проведение процесса при температуре ниже 800°С приводит к возникновению кинетических затруднений в процессе окисления серы, что снижает степень ее окисления. При проведении процесса при температуре выше 890°С частицы цемента начинают спекаться, при этом снижается величина удельной реакционной поверхности и, таким образом, снижается степень окисления серы.

Для обоснования технического результата заявляемого способа приведены данные по влиянию крупности частиц глиноземистого цемента и температуры на степень окисления серы на примере, осуществляемом в заводских условиях.

Для воспроизведения условий способа использовали измельченный до крупности частиц более 20 мм, 1,2+0,5 мм, -0,8+0,04 мм и -0,04+0,01 мм. Химический состав глиноземистого цемента следующий: SiO₂ 12,75; СаО 38,32; Al₂O₃ 40,29; FeO 0,90; S_общ 1,60 и прочие 4,14. Процесс проводили в лабораторной трубчатой печи СУОЛ 0,25. Изменение температуры в рабочем пространстве печи регистрировали с помощью вторичного прибора - потенциометра КСП-4. В алундовую лодочку загружали 10 г цемента слоем около 10 мм. Затем лодочку помещали в рабочее пространство печи, включали электрический нагрев печи и доводили температуру в печи до рабочей. Каждые 15 мин навеску цемента перемешивали. Воздух для окисления серы вводили в рабочее пространство печи с помощью лабораторной воздуходувки через алундовую трубку. Процесс проводили в течение 1 ч при рабочих температурах 800; 890; 1000; 1100 и 1200°С. Результаты экспериментов представлены в таблицах 2 и 3.

1. Влияние крупности измельчения частиц.

Табл.2
№ опыта	Крупность измельчения частиц, мм	Содержание, %			Степень окисления серы, %
		S общ	Sсульфатная	Sсульфидная
1	более 20	1,60	0,04	1,56	2,50
2	-1,2+0,5	1,60	0,41	1,19	25,63
3	0,08-9,04	1,60	1,08	0,52	67,50
4	-0,08+0,01	1,60	0,78	0,82	48,75

Из данных таблицы следует, что оптимальная степень измельчения частиц шлака составляет -0,08+0,04 мм.

2. Влияние температуры на степень окисления.

Табл.3
№ опыта	Температура, °С	Содержание, %			Степень окисления серы, %
		S общ	Sсульфатная	Sсульфидная
1	700	1,60	0,67	0,93	41,88
2	800	1,60	0,97	0,63	60,63
3	890	1,60	1,08	0,52	67,50
4	1000	1,60	0,81	0,79	50,63
5	1100	1,60	0,69	0,91	41,13
6	1200	1,60	0.57	1,03	35,63

Из данных таблицы 3 следует, что оптимальная температура процесса лежит в диапазоне 800-890°С.

Для сравнения приведем данные степени окисления серы по способу-прототипу.

Процесс проводили на цементе того же химического состава и на той же экспериментальной установке, что и в заявляемом способе. Процесс проводили в течение 1 ч при рабочих температурах 900; 1000; 1100 и 1200°С.

Табл.4
№ опыта	Температура, °С	Продолжительность, ч	Содержание, %			Степень окисления серы, %
			Sобщ	Sсульфатная	Sсульфидная
1	900	1,0	1,60	0,41	1,19	25,63
2	1000	1,0	1,60	0,34	1,26	21,25
3	1100	1,0	1,60	0,26	1,34	16,25
4	1200	1,0	1,60	0,19	1,41	11,88

Из данных таблицы 4 следует, что степень окисления серы низка и составляет всего 11,88-25,63%. Низкие показатели объясняются высокой крупностью частиц глиноземистого цемента.

Таким образом, при высокой степени окисления серы, обеспечивающей потребительские свойства глиноземистого цемента, способ обработки глиноземистого цемента становится возможно осуществлять при более низкой температуре и иной крупности по сравнению с прототипом, что влияет на уменьшение расхода топлива и позволяет снизить затраты, связанные с применением огнеупоров для футеровки печи.