СЫРЬЕВЫЕ  МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ  ПРОИЗВОДСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА  И АЦИ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ.

     Сырьевые  материалы, применяемые при производстве портландцемента, можно разделить  на две группы. К первой группе относятся .материалы, предназначенные для получения клинкера, ко второй — материалы, добавляемые к клинкеру при помоле.

Сырьевые материалы для изготовления клинкера.

     Сырьевые  смеси для изготовления клинкера подразделяются на следующие, в зависимости  от числа входящих в их состав материалов (компонентов): двухкомпонентные, трехкомпонентные, четырехкомпонентные.

     Двухкомпонентная  смесь составляется из двух исходных материалов: известняка, карбонатной  горной породы, и глины.

     Трехкомпонентная  сырьевая смесь включает три вида сырьевых материалов: известняк, глину  и корректирующую добавку. В качестве последней применяют вещества с  высоким содержанием одного из окислов, которого оказывается недостаточным  при использовании только двух основных компонентов (известняка и глины). Если недостает кремнезема, то применяют  трепел, песок и другие вещества с высоким содержанием Si0₂; при недостатке глинозема (А1₂0₃) применяют бокситы или глину с высоким содержанием А1₂Оз и другие высокоглиноземистые вещества, например алюминиевые шлаки; недостаток окиси железа компенсируется добавкой железной руды, колчеданных огарков, колошниковой пыли.

     Четырехксмпонентная смесь состоит из двух основных сырьевых материалов и двух видов корректирующих добавок. Такую смесь применяют при недостаточном количестве в сырье одновременно двух окислов, например кремнезема и окисла железа. В этом случае шихта составляется из четырех компонентов: например известняка, глины, трепела и руды.

Таким образом, независимо от компонентности омеси основными составляющими ее являются карбонатные горные породы и глинистые породы с высоким содержанием кремнезема, а также содержащие глинозем, окислы железа и др.

     В отдельных случаях, когда имеется  возможность, два основных компонента — известковый и глинистый, заменяют одним — мергелем, представляющим природную смесь глинистых веществ  и углекислого кальция.

     Наряду  с сырьевыми материалами природного происхождения цементная промышленность,все более начинает использовать для своих целей вторичное сырье — отходы промышленности. К этим искусственным сырьевым материалам в первую очередь следует отнести металлургические шлаки, топливные золы, нефелиновый шлам.

     В зарубежной практике в качестве известкового компонента используют отходы производства щелочей, сернокислого аммония.

     Имеется также опыт использования отходов  при получении серной кислоты  из сернокислого кальция.

     Пригодность сырьевых материалов устанавливается  на основании их всестороннего технологического изучения и технико-экономического анализа вопросов, вытекающих из организации  цементного производства в данном районе (способ производства, вид топлива, качество цемента).

     Карбонатные породы в природе встречаются в виде известняков, мела, известкового туфа, известняка-ракушечника и мрамора. Все приведенные разновидности карбонатных пород находят применение в портландцементном производстве, за исключением мрамора.

Наиболее  применимы известняки и мел, представляющие собой осадочные горные породы *. Осадочное происхождение известняков  и мела обусловливает разнообразие их химического состава и физических свойств.

     Химически чистый углекислый кальций содержит 56% СаО и 44% С0₂. Но таких известняков в природе нет. Наряду с СаСОз природные известняки содержат кремнезем, глинозем, окиси железа, окись магния и др.

     Плотность и прочность карбонатных пород  колеблются в значительных пределах, от весьма плотных известняков с  кристаллической структурой, прочностью 1500—2000 кгс/см², до мягких, рыхлых пород — мела, способного размокать в воде.

     Физические  свойства карбонатных пород, предназначенных  для портландцементного производства, учитываются при выборе схемы  приготовления сырьевой смеси (по мокрому  или сухому способу).

     Технические условия на карбонатные породы для  производства портландцемента стандартом не установлены. На основании

     * Карбонатные породы образовались  в основном из остатков животного или растительного мира, осевших на дне водоемов, а также из химических осадков углекислого кальция.

практического опыта карбонатные породы признаются удовлетворительного качества при следующем химическом составе:

СаО — в них должно содержаться не менее 40—43,5%;

MgO —не более 3,2—3,7%) при содержании окиси магния в глинистом компоненте не более 1% ^или ^израсчета получения клинкера для портландцемента с содержанием MgO не более 5%. Количество Si0₂; А1₂0₃; Fe₂0₃ в сочетании с содержанием их в глинистом компоненте должно обеспечивать получение необходимых значений коэффициента насыщения, кремнеземного и глиноземного модулей в сырьевой смеси и клинкере. Желательно, чтобы сумма Na₂0 и КгО не превышала одного процента, а содержание S0₃ было не больше 1,5—1,7%.

     Глинистые породы для цементного производства используют в виде легкоплавких глин, глинистого мергеля, глинистого сланца, лёсса.

     Глины представляют собой тонкоразмельченные горные породы, легко размокающие при затворении их водой. Легкоплавкие глины имеют разнообразный минералогический и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения. Нередко глины содержат значительное количество грубых включений обломков горных пород в виде песка, щебня и гальки, что вызывает необходимость их тщательного предварительного обогащения.

     Минералогический  состав глин представлен водными  алюмосиликатами, например каолинитом (А1г0₃ ■ 2Si0₂ • 2Н₂0), и квар^ цевыми соединениями, преимущественно в виде кварцевого песка. Химический состав легкоплавких глин характеризуется в основном тремя окислами: кремния (55—80%), алюминия (5— 20%) и железа (3—Ф5%). В небольшом количестве могут содержаться в глинах СаО и MgO, хотя в отдельных разновидностях глин содержание окиси кальция может достигать 25%, а окиси магния — 5%.

     Присутствуют  в глинах и растворимые соли, содержащие S0₃, Na₂0 и К₂0. Эти примеси, а также MgO являются нежелательными, и .их содержание в глинах, используемых для производства портландцемента, должно быть по возможности минимальным.

Мергели являются переходной горной породой  от известняков к глинам и представляют собой природную смесь глинисто-песчаных веществ (20—50%) и мельчайших частиц углекислого кальция (50—80%). В зависимости  от содержания Са,С0₃ и глинисто-песчаного вещества мергели разделяются на песчаные, глинистые и известковистые.

     Наиболее  ценным сырьем является известковистый мергель, содержащий примерно 75—80% СаСОз и 20—25% глины. По химическому составу твердых компонентов он близок клинкеру, что значительно упрощает производство из него портландцемента. Мергели, в которых содержание СаС0₃ соответствует искусственно составленной портландцементной сырьевой смеси, называются «натуральными».

     По  физическим свойствам мергели, подобно  карбонатным породам, могут резко  отличаться один от другого. Одни имеют  плотную структуру и прочны, другие, подобны мелу, мягкие, рыхлые.

     Лёсс  представляет собой пористую осадочную  горную породу серо-желтого цвета, близкую  по своему химическому составу глинистым  мергелям, но отличающуюся более грубодисперсны-ми частицами. Лёсс состоит в основном из частиц пыли размером 0,05—0,01 мм; глинистые частицы (меньше 0,01 мм)содержатся в незначительном количестве, но в то же время в лёссе почти отсутствуют частицы песка с зернами крупнее 0,25 мм.

     Глинистые сланцы относятся к породам метаморфическим (видоизмененным). Образовались они  в результате видоизменения глин под действием большого давления, которое возникает при перемещении  верхних слоев земной коры в более глубокие. По химическому составу глинистые сланцы подобны глинам, но отличаются от них физическими свойствами — они обладают высокой плотностью, прочностью и не размокают в воде, подобно глинам.

На глинистое  сырье для производства портландцемента  нет установленных стандартом технических  требований. Однако на основании практического  опыта установлены следующие  ориентировочные требования к химическому составу глинистых пород, определяющие целесообразность их использования.

     Количество  СаО не ограничивается. Допустимое содержание MgO зависит от содержания его в известковом компоненте и ограничивается условием получения клинкера для портландцемента с содержанием MgO не более 5%, а для магнезиального портландцемента—не более 10%. Количество Si0₂;AI2O3; Feg0₃ в сочетании с известковым компонентом должно обеспечивать получение необходимых значений коэффициента насыщения, кремнеземного и глиноземного модулей в сырьевой смеси и клинкере (с учетом возможности введения корректирующих добавок).

     Желательно, чтобы Na^O и КгО в сумме не превышали 3— 4%, a S0₃ было не более 1%.

Увеличение  содержания Si0₂ достигается добавкой высококремнеземистых веществ — трепела, опоки, диатомита. Недостаточное количество в сырьевой смеси окиси железа компенсируется добавкой колчеданистых огарков, железной руды; добавка высокоглиноземных глин (бокситов) позволяет повысить содержание в клинкере глинозема.

Добавки к клинкеру при изготовлении портландцемента.

     При изготовлении портландцемента стандарт допускает добавку к клинкеру активных минеральных (гидравлических) добавок в количестве, определяемом видом портландцемента и качеством добавки. Неотъемлемой частью портландцемента является добавка гипса; получение пластифицированного и гидрофобного портландцемента достигается добавкой поверхностно-активных веществ.

     Активные  минеральные добавки подразделяются на природные и искусственные. В качестве последних применяются в основном доменные гранулированные шлаки, хотя не исключается возможность использования металлургических и топливных шлаков при соответствующем их химико-минералогическом составе.

     Природные активные минеральные добавки бывают:

- осадочного происхождения, образованные в результате осаждения из водоемов остатков некоторых растений или в результате природного обжига глинистых пород;

- вулканического происхождения, образовавшиеся в результате извержения магмы.

     В качестве добавок осадочного происхождения в цементном производстве применяются:

- диатомиты—состоящие преимущественно из скопления микроскопических панцирей диатомовых водорослей и содержащие главным образом кремнезем в аморфном состоянии;

- трепелы — состоящие из микроскопических округлых зерен и содержащие главным образом аморфный кремнезем. Трепелы и диатомиты по своим физическим свойствам сходны с глинами: они пластичны, вязки и легко размокают в соде;

- опоки — уплотненные диатомиты и трепелы;

- глиежи — горные породы, образовавшиеся в результате природного обжига глины при подземных пожарах в угольных пластах.

     Добавками вулканического происхождения являются: пески вулканические — представляющие собой рыхлые продукты извержения вулканов и содержащие в основном - алюмосиликаты;

- туфы вулканические — уплотненные и сцементированные (склеенные) застывшей магмой вулканические пеплы;

- трассы — видоизмененные разновидности вулканических туфов;

- пемза — кремневидные породы, характеризующиеся пористым губчатым строением, называемые поэтому еще вспученным вулканическим стеклом.

Назначение  гидравлических добавок в портландцементе  состоит в том, чтобы связать  в нерастворимые соединения свободный  гидрат окиси кальция, выделяющийся при твердении цемента (см. стр. 16). В соответствии с этим основным показателем качества гидравлической добавки является способность ее связывать Са (ОН)₂. Эта способность добавки характеризуется ее активностью.

     За  показатель активности гидравлической добавки принимается количество извести в миллиграммах, поглощаемой  из известкового раствора одним граммом  добавки в течение 30 суток. Различные  добавки, применяемые для портландцемента, должны иметь активность не ниже следующей  в -мгСаО .

г

Диатомиты, трепелы, опоки..............150

Глиежи........................ 30

Вулканические пеплы и туфы, пемза......... 50

Трассы......................... 60

     Добавки с меньшей активностью относятся  к инертным.

Методика  определения активности добавок  и технические требования к ним  приведены в ГОСТ 6269—63, утвержденном в 1963 г. в качестве искусственных  активных минеральных добавок цементная  промышленность использует:

     доменные  гранулированные шлаки (кислые и  основные), представляющие собой силикатные расплавы, получаемые при выплавке чугуна и превращаемые в мелкозернистое состояние путем быстрого охлаждения;

     кремнеземистые  отходы — вещества, богатые активным кремнеземом, получаемые при извлечении глинозема из глины при производстве алюминия (сиштоф);

     топливные золы и шлаки — остаточный продукт, образующийся при определенном температурном  режиме сжигания некоторых видов  топлива; по химическому составу  он состоит из кислотных окислов (кремнезема, глинозема);

     обожженные  глины — продукт искусственного обжига глинистых пород и самовозгорающихся  в отвалах пустых шахтных пород (глинистые и углистые сланцы).

Оценка  качества искусственных активных минеральных  добавок, за исключением доменных шлаков, производится так же, как и природных  — по величине активности, которая  должна быть не ниже следующей (по ГОСТ 6269—63) в ^мгСа° _:

кремнеземные  отходы.................200

обожженные  глины, топливные золы и шлаки .... 50

     Кроме того, в соответствии с требованием  стандарта содержание в добавках ангидрида серной кислоты (S0₃) должно быть не более 3% и содержание несгоревших частиц топлива в топливных шлаках и золах не более 15%.

     Среди разнообразия искусственных добавок  в цементном производстве больше всего применяют доменные гранулированные  шлаки.

     Показателями  качества доменных гранулированных  шлаков, принятыми стандартом для  их разделения на сорта, является модуль основности М₀ и модуль активности М_а.

Модуль  основности равен отношению сум.мы основных окислов (CaO+MgO) к сумме кислотных (5Ю₂+А1₂0₃)

^ _ %СаО + %MgO °~ %Si0₂+ %А1₂0₃ Шлаки относятся к основным, если М₀ больше или равен 1; при М₀меньшем, чем 1, шлаки относятся к кислым.

     Модуль  основности характеризует гидравлическую активность шлаков, т. е. способность их порошков к самостоятельному твердению при смешивании с водой. Эта способность проявляется только у основных шлаков и тем больше, чем выше их модуль основности.

     Объясняется это минералогическим составом шлака. В процессе чугунной плавки для понижения  температуры плавления пустой породы, содержащейся в руде, в доменную печь вводится известняк. При обжиге он разлагается на СаО и G0₂. Образующаяся окись кальция начинает взаимодействовать с кислотными окислами пустой породы — кремнеземом и глиноземом, образуя силикаты и алюминаты кальция — соединения, сходные с минералами клинкера. Чем больше образуется этих соединений, тем выше будет гидравлическая активность шлаков. Таким образом, активность шлаков определяется содержанием окиси кальция и с возрастанием ее количества по отношению к кислотным окислам, т. е. модуля основности, увеличивается.

     Улучшается  качество шлаков и с повышением модуля активности, т. е. отношения % А1₂0₃ к % Si0₂. В этом случае в шлаках возрастает относительное содержание алюминатов кальция, отличающихся от силикатов кальция быстрым твердением.

     Требования  к химическому составу шлаков регламентируются

ГОСТ 3476—60.

     Наряду  с требованиями ГОСТ в отношении  химического состава доменные гранулированные  шлаки не должны содержать более 5% кусков шлака, не подвергшегося грануляции. Размер таких кусков не должен превышать 100 мм по наибольшему измерению.

     Гипс  как добавка к клинкеру при  получении портландцемента применяется  в виде гипсового камня. По химическому  составу он представлен в основном двуводным сернокислым кальцием CaS0₄ - 2НгО. Химически чистый двуводный сернокислый кальций — минерал гипс— содержит в своем составе: СаО — 32,56%; S0₃ — 46,51 % и Н₂0 — 20,93%. Гипс должен соответствовать требованиям ГОСТ 4013—61 «Камень гипсовый для производства вяжущих веществ». В зависимости от содержания CaS0₄-2H₂0 в гипсовом камне последний подразделяется на три сорта. К 1 сорту относится гипсовый камень с содержанием CaSCu • 2HzO не менее 90%, ко II сорту — не менее 75% и к III сорту — не менее 65%.

     Поверхностно-активные добавки подразделяются на пластифицирующие и гидрофобизирующие. Их используют, как отмечалось, для изготовления соответственно пластифицированного и гидрофобного портландцементов. Однако эти добавки вводят также и во все другие разновидности портландцементов. При этом каждый цемент приобретает дополнительное название соответственно пластифицированный или гидрофобный. Например, пластифицированный дорожный портландцемент или гидрофобный сульфатостойкий портландцемент.

     Пластифицирующие  поверхностно-активные добавки применяют в виде концентратов сульфитно-спиртовой барды (ССБ). Они образуются как отход при получении целлюлозы по сульфитному способу. В зависимости от состояния и соответственно содержания сухого вещества различают концентраты ССБ. жидкие (КБЖ), содержание сухих веществ в которых не менее 50%, твердые (К.БТ) —не менее 76% и порошкообразные (КБП) — не менее 87%.

Оптимальное количество вводимой добавки в цемент находится в пределах 0,15—0,25% от веса цемента, считая на сухое вещество добавки.

     Гидрофобизирующие поверхностно-активные добавки применяют в виде асидола, асидол-мылонафта и мылонафта, являющихся нафтеновыми (нефтяными) кислотами, образующимися при переработке нефти.

     Кроме указанных веществ, применяют также олеиновую кислоту. Она содержится в животных жирах.

     Количество  вводимой гидрофобизирующей добавки зависит от ее вида и состава цемента и устанавливается опытом. Обычно величина этой добавки находится в пределах от 0,06 до 0,30% от веса цемента, считая на сухое вещество добавки.

     Для лучшего распределения добавок  в цементе их вводят в цементную  мельницу в жидком виде. Для этой цели применяют специальные дозировочные механизмы. Если же добавки поступают  на завод в виде пасты, например мылонафт, или в твердом состоянии, их растворяют в горячей воде. Следует помнить, что величина добавки рассчитывается на сухое вещество от веса цемента. Для этого необходимо знать концентрацию раствора, т. е. количество грам.мов твердого вещества, содержащегося з 1 л раствора.

Правила приемки активных минеральных добавок.

     Стандарты на активные минеральные добавки (ГОСТ 6269— 63) и на доменные гранулированные  шлаки (ГОСТ 3476—60) устанавливают несколько  отличающиеся правила их приемки.

     Правила приемки доменных гранулированных  шлаков. Вся поставка шлака делится на партии по 500 т каждая. Поставка шлака в количестве менее 500 г считается целой партией.

     Количество  поставляемого шлака определяют по весу (в пересчете на сухой  шлак). Взвешивают шлак, отгружаемый  в вагонах или автомобилях, на железнодорожных или автомобильных  весах. Вес шлака, отгружаемого в  судах, определяют по осадке судна при  выравненной поверхности шлака.

     Цементный завод-потребитель имеет право  производить контрольную проверку соответствия шлака требованиям  настоящего стандарта, применяя при  этом указанный ниже порядок отбора проб.

     Для контрольной проверки качества шлака  от каждой партии отбирают среднюю  пробу общим весом 20 кг.Пробы тщательно смешивают и делят на две части. Одну из этих частей подвергают химическому анализу и определению влажности, из другой части отбирают среднюю пробу в количестве 1 кг, которую маркируют и хранят в герметически закрытой опечатанной таре в течение месяца на случай необходимости повторного испытания.

     Порядок отбора контрольных проб следующий. При отгрузке железнодорожным транспортом  пробу отбирают щупом не менее, чем из пяти мест вагона (по углам и в центре) из среднего слоя шлака, примерно по 1 кг из каждого места. Если шлак доставлен водным транспортом, отбирают от каждой части партии размером не более 100 г шлака одну пробу, затем все пробы тщательно смешивают и отбирают среднюю пробу весом около 20 кг, соответствующую партии шлака в 500 т. Отбор проб производится при погрузке или выгрузке шлака с транспортерных лент или из другого вида погрузочно-разгрузочных средств. При доставке шлака автомобильным транспортом от каждой части партии размером не более 100 г шлака отбирают одну пробу. Каждую пробу отбирают не менее, чем из пяти автомобилей.

Если  шлак не будет отвечать одному из требований технических условий стандарта, то вся партия шлака приемке не подлежит.

     Правила приемки активных минеральных добавок. Каждая поставка добавок считается партией.

     Для проверки искусственных активных минеральных  добавок от партии из 25—30 мест отбирают пробу весом по 2 кг каждая. Отобранная таким образом проба в 50—60 кг считается средней пробой.

     Среднюю пробу добавки измельчают, затем  тщательно смешивают и делят  на две равные части. Одну из этих частей подвергают испытаниям для определения  показателей, указанных в стандарте, а другую часть хранят в сухом  помещении в сухой закрытой таре в течение двух месяцев на случай необходимости повторного испытания.

Данные  о результатах испытания природных  добавок принимаются по испытаниям, произведенным при разведке месторождения  и утвержденным в установленном  порядке.

Разгрузка и хранение сырьевых материалов.

     Бесперебойная работа основных технологических цехов  цементного завода обеспечивается созданием  на территории завода запасов сырьевых материалов и твердого или жидкого  топлива.

Установлены следующие нормы запасов материалов, исходя из суточной потребности производства:

известняка............... на 5 суток

корректирующих  добавок....... .15

гипсового камня ............ „15 "

гидравлических  добавок в зависимости

от расстояния.............. 7—15 суток

твердого  топлива............ „ Ю—15 „

жидкого топлива............ . 20—30

     Разгружают  сырьевые материалы с помощью  различных средств механизации: кранов, оборудованных грейферными  ковшами, специальных разгрузочных механизмов, скреперов, бульдозеров, разгрузочных эстакад. Выбор вида механизмов и  схемы организации разгрузочно-погрузочных  работ и складских операций определяется величиной грузопотока и видами транспортных средств доставки грузов.

     На  цементных заводах большой мощности для разгрузки сыпучих материалов с открытых транспортных средств применяют специальные разгрузчики. Принцип работы их основан на сгребании или захвате материала с последующей передачей его на систему ленточных транспортеров, укладывающих материал в штабель. Широко применяется также разгрузка материалов с открытых платформ при помощи скребкового разгрузчика. Платформа медленно продвигается над приемным бункером и одновременно с нее в бункер сгребается материал при помощи скребка, совершающего возвратно-поступательное движение. Из приемного бункера материалы посредством ленточного транспортера передаются на склад.

     При особо больших грузопотоках применяют  стационарные опрокидыватели вагонов. При опрокидывании вагона материал ссыпается в приемный бункер, откуда затем подается на склад.

Склады  организуются общими, но обеспечивающими раздельное хранение всех материалов не только по их видам, но и по качеству.