Технология производства цемента безобжиговым способом

Технология основана на совместном помоле металлургических шлаков с добавками возбудителями и активизаторами твердения. В качестве активизаторов в данной технологии используются: Ca₂SO₄ (гипс строительный), Na₂CO₃ (сода кальцинированная), NaOH (сода каустическая), Na₂O×nSiO₂ (жидкое стекло).

Получаемые продукты: сульфатно-шлаковые цементы, шлакощелочные цементы М300 - М600.

Сырьевыми материалами для производства портландцементного клинкера чаще всего служат горные породы: глина и известняк.

Глина состоит из различных веществ, содержащих в основном три окисла: SiO₂ - двуокись кремния (кремнезем), Al₂O₃ - окись алюминия (глинозем) и Fe₂O₃ - окись железа. Известняк состоит в основном из углекислого кальция CaCO₃, который может быть представлен в виде двух окислов: СаО - окиси кальция и СО₂ - двуокиси углерода (углекислого газа).

При обжиге клинкера глинистые вещества и углекислый кальций разлагаются. Газообразные продукты, в частности СО₂, удаляются, а оставшиеся четыре окисла СаО, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ - образуют при спекании основные минералы цементного клинкера.

Процентное содержание основных окислов в клинкере обыкновенного портландцемента находится в следующих пределах:

  CaO - 63-67%;
  Al₂O₃ - 4-7%;
  SiO₂ - 21-24%;
  Fe₂O₃ - 2-4%.

Наряду с основными окислами в клинкере могут быть и некоторые другие, например окись магния MgO, окислы щелочных металлов K₂O и Na₂O, ангидрид серной кислоты SO₃, двуокись титана TiO₂, фосфорный ангидрид P₂O₅, окись марганца Mn₂O₃. Эти окислы в той или иной степени влияют на качество цемента.

Данная стадия производств цемента в предлагаемой технологии обойдена путём замены клинкера шлаком доменным гранулированным (ГОСТ 3476-74). Шлак является отходом производства при выплавке чугуна и представляет собой пористые кристаллические или стекловидные гранулы плотностью 2,8-3,0 г/см³ твёрдостью 5-6 единиц по шкале МООСа следующего химического состава:

  CaO - 30-49%;
  Al₂O₃ - 4,5-8%;
  SiO₂ - 33-44%;
  Fe₂O₃ - 0,3-1%.

Из приведённого следует, что химический состав доменного шлака весьма близок по составу к обожённому клинкеру.

Способность молотого шлака к твердению при затворении водой известна давно, но в связи с пониженным содержанием в шлаке СаО активность молотого шлака низка. Прямое введение в шлак оксида кальция (извести) недопустимо, т.к. вышеуказанные оксиды кальция, кремния, алюминия и железа находятся в шлаке в виде минералов сложного состава (трёх- и двухкальциевых силикатов, трёхкальциевых алюминатов и четырёхкальциевых алюмоферритов) и введение извести приведёт к нарушению минералогического баланса, что в свою очередь, крайне отрицательно скажется на свойствах цемента: скорости нарастания прочности, стойкости в водах, экзотермичности. Данная проблема устраняется введением в доменный шлак технического гипса (сульфата кальция), который при затворении смеси шлак и гипса водой вступает в химическое взаимодействие с продуктами гидратации шлаковых минералов, что в свою очередь приводит к получению полноценного цементного камня.

Кроме того, в смесь шлака и гипса вводится незначительное количество готового портландцемента для активации химического взаимодействия. В результате смешивания и совместного помола трёх ингредиентов (шлака, гипса и портландцемента) образуется цементное вяжущее - сульфатно-шлаковый цемент марки М400 (по пределу прочности при сжатии в 28-ми дневном возрасте полностью соответствующий техническим условиям, введённым в действие с 01.01.96г., постановлением Минстроя России от 03.05.95г. №18-40). Сульфатно-шлаковый цемент применим для всех видов строительных работ, приготовления растворов и бетонов, изготовления искусственных каменных материалов, а также, в связи с высокой стойкостью против действия сульфатных вод, в морских и речных гидросооружениях и для подземных конструкций, находящихся в условиях повышенной влажности.

Специалистами НО "Спецтехнологии" произведён подбор оптимального состава сырьевой смеси на 1 тонну цемента:

Рецептура №1:
  Шлак доменный - 800 кг;
  Гипс технический - 150 кг;
  Портландцемент М400 - 50 кг.

Рецептура №2:
  Шлак доменный - 700 кг;
  Гипс технический - 250 кг;
  Портландцемент М400 - 50 кг.

Настоятельно рекомендуем соблюдать вышеуказанный состав сырьевых смесей. Рецептура №2 позволяет получать цементы марки М600, но является экономически менее выгодной рецептуры №1.

Кроме сульфатно-шлаковых цементов специалистами НО "Спецтехнологии" рекомендуются к изготовлению шлакощелочные цементы, позволяющие в зависимости от химического состава шлаков получать цементы марочностью М400 - М1200.

Обязательное требование к шлакам - наличие стекловидной фазы, способной реагировать со щелочами. В качестве щелочного компонента рекомендуются к применению кальцинированная или каустическая сода, поташ, растворимый силикат натрия, а так же щёлочесодержащие отходы (содощелочной плав, содопоташная смесь, цементная пыль и т.п.). Оптимальное содержание щелочных соединений в готовом цементе составляет 2-5% от массы шлака в пересчёте на Na2O. Для шлаков с модулем основности (Мо) больше 1 применимы все щелочные соединения и их смеси, для шлаков с Мо<1 только едкие щёлочи и щелочные силикаты (жидкое стекло).

Рецептура №3:
  Шлак доменный - 900 кг;
  Сода кальцинированная - 50 кг (в виде водного раствора) или 80 кг (в сухом виде);
  Портландцемент М400 - 50 кг.

В связи с высокой скоростью набора прочности цементным камнем для предотвращения усадочных деформаций рекомендуется ввод в сырьевую смесь суперпластификаторов (С3, Relamix и т.д.) в количестве не более 0,3%.

Высокопрочные смеси (до М1200) образуются при замене в рецептуре №3 кальцинированной соды жидким стеклом (Na₂O×nSiO₂) из расчёта 1 часть жидкого стекла на 2 части шлака.

Смешивание компонентов производится в обычной бытовой бетономешалке в течении 10 минут при частоте оборотов барабана мешалки 50-60 в минуту. Шлак должен иметь влажность не более 0,7%. В случае более высокой влажности шлака необходима его подсушка любым доступным способом (на открытой площадке под солнцем, нагревом и т.д.).

Следующим наиболее важным этапом производств цемента является помол полученной сырьевой смеси. Процесс тонкого помола в традиционных измельчающих механизмах (шаровых, гравитационных, струйных мельницах) является весьма энергоёмким (до 800 кВт электроэнергии на 1 т. размалываемого продукта), сопряжён с безвозвратной потерей металла из-за износа рабочих элементов измельчителей, отличается чрезвычайно низкой эффективностью (КПД не более 7%). Тонкость помола в данных измельчителях составляет 0,06 - 0,08мм.

Сульфатно-шлаковый цемент с такой тонкостью помола будет иметь марочность не более М200. Для достижения тонкости помола 0,02-0,04 мм в предлагаемой технологии используется принципиально новый метод измельчения - высокоскоростное ударное нагружение материала.