Тонкость помола

Тонкость  помола [4]

     С увеличением тонкости помола прочность  цемента возрастает. Средний размер зерен «портландцемента, выпускаемого отечественными заводами, составляет примерно 40 мкм. Толщина гидратации зерен через 6... 12 мес твердения  обычно не превышает 10...15 мкм. Таким образом, при обычном помоле портландцемента 30...40% клинкерной части его не участвует в твердении и формировании структуры камня. С увеличением тонкости помола цемента увеличивается степень гидратации цемента, возрастает содержание клеящих веществ — гидратов минералов — и повышается прочность цементного камня. Заводские цементы должны иметь тонкость помола, характеризуемую остатком на сите № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм) не более 15%. Обычно она равна 8...12%.

     В соответствии с требованием ГОСТ, тонкость помола должна быть такой, чтобы  через сито № 008 проходило не менее 85% от всей навески портландцемента. Удельная поверхность обычного портландцемента  находится в пределах 2000—3000 см²/г и 3000—5000 см²/г — быстротвердеющих и высокопрочных цементов.

     В настоящее время установлено, что  измельчение цемента до удельной поверхности более чем 6000 см²/г нерационально, так как при сверхтонком измельчении может произойти уменьшение прочности цементного камня вследствие перекристаллизации гидратных новообразований.

     Тонкость  помола цемента характеризуется  также величиной удельной поверхности (м²/кг), суммарной поверхностью зёрен (м²) в 1 кг цемента. Удельная поверхность заводских цементов составляет 250...300 м²/кг. В ряде случаев с целью повышения активности заводского цемента и для получения быстротвердеющего цемента тонкость помола повышают. Условно считают, что прирост удельной поверхности цемента на каждые 100 м²/кг повышает его активность на 20...25%.

     Увеличение  удельной поверхности цемента более 300... 350 м²/кг связано со значительным снижением производительности мельниц; кроме того, такие цементы увеличивают водопотребность, растет тепловыделение, возрастают усадочные деформации. Водопотребность цемента определяется количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения теста нормальной густоты. Водопотребность портландцемента 24...28%, при введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотребность повышается до 32...37%.

  Влияние влажности и температуры среды. Твердение цементного камня и повышение его прочности могут продолжаться только при наличии в нем воды, так как твердение есть в первую очередь процесс гидратации.

Как происходит активация  портландцемента? [5, 6, 7]

  Хорошо известно, что основные свойства портландцемента, в том числе, активность, скорость твердения определяются не только химическим и минералогическим составом клинкера, формой и размерами кристаллов алита и белита, наличием тех или иных добавок, но и, в большой степени, тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом и формой частичек порошка.

       Повышение прочности портландцемента  в первые сроки твердения в  значительной степени обуславливается  именно тонкостью помола.

       В настоящее время обычные  портландцементы измельчают до  остатка на сите № 008 5-8 % (по  массе), цементы же быстротвердеющие  — до остатка 2-4 % и меньше. При  этом удельная поверхность соответственно  достигает 2500-3000 и 3500-4500 см²/г и более.

  Таким образом, с увеличением тонкости помола портландцемента повышается его прочность. Увеличение прочности цементного камня открывает широкие возможности снижения расхода портландцемента при производстве бетонных изделий нормируемых показателей прочности.

     Комплекс  мероприятий, позволяющих более  полно использовать массу цементных  частиц в деле склеивания отдельных  зерен заполнителя в единый монолит - искусственный камнеподобный материал - называется активацией портландцемента.

     Однако  было бы неверно рассматривать процесс  активации портландцемента исключительно  с позиции увеличения дисперсности цементного порошка. Помимо тонкости помола, а соответственно площади контактной поверхности цементного зерна, на его  активность также оказывает влияние  и сама структура этой поверхности.

  Под воздействием механического нагружения цементных зерен возникают физические дефекты в подрешетках и решетках минералов, что значительно ускоряет элементарные взаимодействия поверхностного слоя вяжущего с водой. Происходит сокращение времени набора портландцементом марочной прочности, более полно используется потенциальная энергия вяжущего вещества.

Какое влияние оказывает  размер зерен на прочность  и скорость твердения  портландцемента? [5, 6, 7]

     Цементный порошок в основном состоит из зерен размером от 5-10 до 30-40 мкм.

  Тонкость помола портландцемента характеризуют обычно остатками на ситах с размером ячеек в свету 02; 008, а иногда и 006 мм, а также удельной поверхностью порошка, определяемой на приборах различной конструкции. В этих приборах при точно установленных условиях определяют воздухопроницаемость порошка, а затем по показателям проницаемости и пористости рассчитывают удельную поверхность.

     Также на основные характеристики ПЦ оказывает влияние и гранулометрический состав цементного зерна.

  Известно, что разные фракции цементного порошка по-разному влияют как на прочность цементного камня, так и на скорость его твердения. В связи с этим ряд исследователей рекомендует характеризовать активность цемента не только по удельной поверхности порошка, но и по зерновому составу.

  Так, А. Н. Иванов-Городов полагает, что равномерное и быстрое твердение цемента достигается при следующих зерновых составах: зерен мельче 5 мкм — не более 20 %, зерен размерами 5-20 мкм — около 40-45 %, зерен размерами 20-40 мкм — 20-25 %, а зерен крупнее 40 мкм — 15-20 %.

  Многочисленные исследования, проводившиеся как в нашей стране, так и за рубежом, позволили выявить следующую зависимость между количеством зерен определенного размера и скоростью твердения портландцемента.

  Так, частицы размерами 0-5 мкм оказывают решающее влияние на рост прочности цементного камня в первые часы твердения. Именно от частиц этого размера напрямую зависят сроки начального схватывания портландцемента.

       Частицы размером 5-10 мкм влияют  на прочность цементного камня  в 3-7 суточном возрасте, а фракция  10-20 мкм определяет прочность  в 28 суточном и более позднем  возрасте.

  Установлено, что, измельчая один и тот же портландцементный клинкер и соответственно изменяя долю частиц размером 5-20 мкм в общей массе цементного порошка, можно получать портландцемент марок 600, 700 и 700 ОБТЦ (аббревиатура ОБТЦ расшифровывается как особо быстро твердеющий цемент).

  Влияние зернового состава и удельной поверхности на активность (прочность) портландцемента приведена в таблице № 1.

Таблица № 1.

     Из  представленной таблицы видно, что  путем изменения массовой доли частиц определенного размера возможно получение портландцемента высокой  марочной прочности при совершенно рядовых показателях удельной поверхности (для справки: удельная поверхность  шлакопортландцемента М 400 производства «ОАО Липецкий цементный завод» составляет 2687 см²/г).

       Принимая во внимание, что помол  цементного клинкера с получением  тонкодисперсного порошка весьма  дорогостоящая операция (мощность  приводного двигателя шаровой  мельницы, используемой в производстве  цемента, производительностью 50 т/ч достигает 1000 кВт), именно корректировка  гранулометрического состава цементного  порошка, несомненно, является наиболее  экономически выгодным способом  повышения полезных свойств портландцемента  при его активации.

Какое влияние оказывает  форма зерен на прочность и скорость твердения портландцемента? [5, 6, 7]

     Помимо  показателей удельной поверхности, гранулометрического состава цементного порошка форма зерен портландцемента  также оказывает существенное влияние  на его вяжущие свойства.

       В зависимости от типа помольного  агрегата существенно изменяется  форма цементного зерна. Так,  форма частиц цемента осколочной  «щебеночной» формы с острыми  углами и сильно развитой конфигурацией  взаимодействует с водой более  интенсивно, в отличие от частиц  цемента округленной, галькообразной  формы. 

  При равных показателях удельной поверхности, равном содержании частиц цемента размерами 0-20 мкм, одинаковом химическом составе прочность цементного камня, состоящего из частиц осколочной формы, будет выше, нежели прочность цементного камня, состоящего из частиц округлой формы. Соответственно, и скорость твердения портландцемента с осколочной формой частиц выше, чем с округленной формой.

  Таким образом, одно лишь изменение формы частиц цементного зерна с округленной на осколочную, при прочих равных условиях обеспечивает повышение активности портландцемента в среднем на 10 МПа.

  Существующая зависимость формы цементного зерна от типа помольного агрегата позволяет сделать выводы о наиболее предпочтительном способе разрушения цементного зерна, обеспечивающем получение частиц осколочной формы.

       Так, для способа разрушения  частиц цемента методом истирания  в трубных шаровых мельницах,  работающих по открытому циклу,  характерно получение частиц  округлой галькообразной формы. 

       Частицы цемента получают округлую  форму в результате длительного  истирающего воздействия мелющих  тел шаровой мельницы с частыми,  но слабыми ударами падающих  шаров. В результате зерна цемента,  продвигаясь к выходу шаровой  мельницы, истираются мелющими шарами  и стенками мельницы, приобретают  округлую форму. Степень окатанности  цементного зерна зависит от  формы и размера мелющих тел,  соотношения между длиной и  диаметром мельницы, степени заполнения  камер мелющими телами, а также  от ряда других факторов.

       Однако общая динамика измельчения  методом истирания следующая:  чем большее время цементное  зерно находится в шаровой  мельнице, тем более окатанной  становится его форма. 

  Таким образом, для получения материала высокой дисперсности необходимо увеличить время контакта с мелющими телами. Чем большее время цементное зерно контактирует с мелющими телами, тем более окатанную форму приобретает, чем более окатанная форма цементного зерна, тем ниже активность получаемого портландцемента.

  Но основная проблема изготовления особо быстро твердеющего портландцемента с использованием шаровых мельниц заключается даже не в форме получаемого цементного зерна, а в большом количестве переизмельченного материала (подробнее о вреде переизмельчения цементного зерна мы расскажем ниже).

     Перечисленные особенности измельчения цементного зерна методом истирания ни в  коем случае не говорят о низкой эффективности наиболее широко распространенных агрегатов измельчения (шаровых  мельниц, вибромельниц и т.д.) в практике получения рядового портландцемента. Рассматриваемые особенности данного  типа измельчительного оборудования оказывают  негативное воздействие на измельчаемый материал только при производстве высокоактивного, быстро твердеющего портландцемента.

  Совершенно другая картина наблюдается при разрушении цементного зерна методом высоко энергонагруженного удара. Для этого метода разрушения цементного зерна характерна именно осколочная, кубовидная «щебеночная» форма частиц. Разрушение цементного зерна происходит в результате мощных ударов с минимальными промежутками времени между ними. В этом случае практически полностью исключается переизмельчение и агломерация тончайших частиц измельчаемого материала. Измельчаемый материал эффективно охлаждается, время его пребывания в помольном агрегате исчисляется сотыми долями секунды.

  Высокая производительность, малая энергонагруженность, низкие масса-габаритные показатели — отличительные признаки измельчительных агрегатов ударного действия (дезинтеграторы, мельницы струйные).

Основные  схемы помола, используемые в производстве цемента [5, 6, 7]

     Измельчение цементного клинкера на современных  цементных заводах производится преимущественно с использованием шаровых мельниц.

  В основном используются следующие технологические схемы: помол клинкера по открытому циклу и помол в замкнутом цикле с последующей классификацией получаемого материала.

       Технологическая схема по открытому  циклу объективно считается устаревшей, хотя на отечественных цементных  заводах еще используется достаточно  широко.

  Трубные шаровые мельницы с открытым циклом измельчения в производстве цемента применяют как для помола сырьевых материалов, так и для окончательного помола цементного клинкера.

  Длина шаровых мельниц, работающих по открытому циклу, в 4-5 раз превышает их диаметр. На цементных заводах применяют трубные мельницы размерами 4 х 13.5, 3.2 х 15, 2.6 х 13 метров и др. Их производительность при помоле цементного клинкера до остатка 8-10 % на сите № 008 достигает соответственно 90, 50, 25 т/ч. Такие мельницы приводятся во вращение двигателями соответственно 3200, 2000, 1000 кВт.

      Работая в режиме повышенного энергопотребления, имея впечатляющие габаритные размеры  и производительность, качество портландцемента, получаемого с использованием трубных  мельниц, оставляет желать лучшего. 

     Помол цементного клинкера до удельной поверхности 3000 см²/г является естественным пределом для трубных мельниц открытого цикла. Получение более высокодисперсного материала на данном оборудовании не имеет смысла по причине увеличения расхода энергии, необходимой для измельчения материала, повышения температуры измельчаемого материала (в некоторых случаях до 200°С, обычно до 120-150°С), большого количества переизмельченного материала, ускоренного износа мелющих тел (шаров), броневых плит. Более того, именно для шаровых мельниц открытого цикла характерен наибольший процент цементных зерен округленной формы, активность которых невелика.

  По этим причинам трубные мельницы открытого цикла, являясь, безусловно, устаревшим оборудованием на цементных заводах, имеющих возможность обновления технологического оборудования, заменяются шаровыми мельницами, работающими по замкнутому циклу.

  Для получения цемента с удельной поверхностью более 3000 см²/г и выше использование шаровых мельниц замкнутого цикла вполне оправдано, более того, именно данный метод производства высокомарочного портландцемента применяется на большинстве современных цементных заводов, в том числе и зарубежных.

                        Схема работы измельчительного оборудования, задействованного в замкнутом цикле производства цемента следующая. 

  Измельченный в шаровой мельнице материал поступает в сепаратор, где из него извлекается фракция тех размеров, какие требуются для готового продукта (например, частицы цемента размерами 0-40 мкм). Более крупные частицы направляются снова в шаровую мельницу для дополнительного измельчения. Таким образом, из основной массы измельчаемого материала непрерывно извлекаются частицы требуемого размера, что в значительной степени снижает опасность переизмельчения частиц, которые особенно склонны к агрегации и налипанию к мелющим телам и стенкам мельницы. Соответственно, именно использование шаровых мельниц и сепараторов, работающих в замкнутом цикле, создает возможность получения высокоактивного портландцемента в промышленных масштабах.

     В целом для метода помола цемента  в шаровых мельницах, работающих в замкнутом цикле, характерна большая  маневренность в работе, что позволяет  выпускать портландцемент с различной  тонкостью помола и, соответственно, активностью, что совершенно не достижимо  для шаровых мельниц, работающих в открытом цикле. Основными недостатками помола цементного клинкера по замкнутому циклу является большая сложность  и стоимость технологического оборудования, высокий расход электроэнергии, а  также возможность накопления трудно дробимых включений, не прошедших классификацию  и отправленных на повторный помол. Трудно дробимые включения накапливаются  в шаровой мельнице, что существенно  снижает практическую производительность помольного оборудования и требует  регулярного освобождения рабочей  камеры шаровой мельницы от накопившихся включений.

Активация цемента методом  ударной дезинтеграции [5, 6, 7]

     В мельницах истирающего действия на полезную работу измельчения расходуется  не более 1.5-10% всей подводимой энергии. Остальная часть энергии переходит  в безвозвратно теряемую и, что особенно не приятно, крайне вредную для условий  помола тепловую энергию.

  Нагревание мелющих тел и обрабатываемого материала отрицательно сказывается на производительности помольного оборудования.

  Так по данным С. М. Рояка и В. З. Пироцкого на измельчение цементного клинкера до удельной поверхности 2500 см²/г при температуре 40°С затрачивается около 24, при 120°С - 34, а при 150°С - 39 кВт·ч/т. При увеличении тонкости помола до 3300 см²/г с увеличением температуры до 150°С расход электроэнергии повышается до 130 кВт·ч/т.

  Крайне не рациональное расходование подводимой энергии, большой расход легированных сталей (материала мелющих тел и броневых плит) заставляет искать альтернативную замену агрегатам измельчения истирающего действия, новые способы измельчения и соответственно новые типы помольного оборудования.

  Основные усилия в решении вопроса по переносу центра тяжести со схем активации портландцемента методом истирающего измельчения должны быть направлены на переход к схемам, позволяющим реализовать принцип сверхтонкого дробления портландцемента или, иными словами, принципа ударной дезинтеграции.

     В шаровых и вибромельницах зерна  цементного клинкера подвергаются преимущественно  действию сжимающих сил с двух сторон (измельчение в щековых  дробилках, шаровых и вибромельницах) или с одной стороны (измельчение  в струйных мельницах, дезинтеграторах, дисмембраторах и роторных дробилках). В результате воздействия сжимающих  сил в кусках и зернах измельчаемого  материала возникают напряжения, приводящие к разрыву с образованием более мелких частиц.

  Так как материалы, используемые при производстве вяжущих веществ, характеризуются обычно прочностью на сжатие в 6-12 раз превосходящей прочность при растяжении (сдвиге), способ измельчения таких материалов методом сжатия, очевидно, не является оптимальным.

  Для того чтобы точнее представить действие сил, оказывающих основное влияние на процессы измельчения цементного зерна, прежде всего, необходимо разобраться с основными способами измельчения или, другими словами, наиболее часто используемыми «инструментами» измельчения твердых тел.

  Итак, по существу измельчение — это образование новых поверхностей. Таким образом, измельчение твердых материалов — это уменьшение их размеров путем механического воздействия. Под действием внешних сил в куске материала возникают трещины, приводящие к его распаду на части.

       Различные твердые материалы,  в зависимости от их физических  свойств, при измельчении в  одинаковых условиях с затратой  одинакового количества энергии  дают продукты, характеризующиеся  различной степенью дисперсности. Следовательно, разные материалы  обладают разной способностью  к измельчению. 

  Соответственно, для каждого вида материала существует наиболее рациональный способ его разрушения (измельчения), учитывающий индивидуальные физические свойства данного материала.

  Основными способами измельчения твердых тел являются раздавливание, удар, истирание. Для измельчения твердых тел главное значение имеют деформации сжатия и сдвига.

  Способ измельчения цементного клинкера действием сжимающих сил с двух сторон (деформация сжатия), реализуемый в шаровых мельницах и мельницах вибрационных, мы рассматривали в предыдущих главах.

  Теперь остановимся подробней на измельчении под действием сжимающих сил с одной стороны (деформация сдвига).

  Данный тип измельчения цементного клинкера характерен для агрегатов ударно - отражательного действия. Роторные дробилки, струйные мельницы, дезинтеграторы и дисмембраторы в основном реализуют именно этот тип измельчения твердых тел (хотя эффект взаимоизмельчения частиц при их движении в плотном потоке также имеет место).

  Для примера рассмотрим принцип действия наиболее распространенных в настоящее время агрегатов измельчения ударного действия: струйной мельницы и дезинтегратора.

  Итак, в струйной мельнице материал захватывается струей сжатого воздуха, газа, перегретого пара или их смеси, протекающей с большой скоростью. При этом в результате частых соударений, а также самоистирания происходит измельчение обрабатываемого материала. Для усиления эффекта измельчения на пути движения частиц устанавливаются преграды, о которые частицы ударяются и разрушаются.

     Исследования  Ю.И. Дешко, В.И. Акунова, В.Л. Панкратова и д.р. (НИИЦемент) показали, что при  измельчении цементного клинкера в  струйной мельнице получаются цементы, активность которых на 7.5-15 МПа выше активности цементов той же тонкости помола, но измельченных в шаровой  мельнице. Кроме того, цементы струйного  помола отличаются высокой скоростью  твердения и, следовательно, цементы  струйного помола переходят в  разряд высокопрочных и быстро твердеющих.

  Особенно эффективно получение с помощью струйных мельниц шлакопортландцемента марок 500 и 600. Это объясняется осколочной формой частиц с зазубренными острыми краями, способствующими более интенсивному их взаимодействию с водой.

  Итак, принцип измельчения цементного зерна струйной мельницей следующий: цементное зерно, разгоняемое воздушным потоком, разрушается при столкновении с другими частицами, а также при ударе о неподвижные преграды.

  Истирающее воздействие частиц, движущихся в плотном потоке, хотя и достаточно интенсивно, однако весьма скоротечно и не приводит к образованию округлых форм цементного зерна.

       Однако, струйным мельницам присущи  и серьезные недостатки, существенно  снижающие их практическую пригодность  в деле получения высокоактивного  портландцемента непосредственно  на предприятиях по выпуску  бетонных изделий. 

       Серьезные трудности проявляются  при попытке поднять производительность  струйных мельниц без изменения  тонины помола. Стоимость струйных  мельниц относительно их производительности  достаточно высока.

       КПД струйной мельницы низкий, а энергопотребление в пересчете  на единицу готового продукта, напротив, очень высокое. Добавьте  к этому быстрый износ деталей,  имеющих контакт с перерабатываемым  материалом, сложность обслуживания, большие операционные затраты  и станет понятно, почему струйные  мельницы весьма медленно внедряются  в производство строительных  материалов.

  В целом, струйные мельницы - достаточно молодой тип помольных агрегатов, которые в настоящее время находятся в стадии совершенствования.

     Способ  измельчения цементного зерна, реализованный  в дезинтеграторах, очень похож  на описанный выше. Однако, в отличие  от струйных мельниц, в дезинтеграторе разгоняются не частицы материала, а помольные стержни, пальцы-била, установленные на роторах, вращающихся  навстречу друг другу.

     Для дезинтеграторов также характерно получение частиц осколочной формы  с зазубренными краями. Истирающее взаимодействие частиц обрабатываемого  материала, как и в случае с  мельницами струйными, невелико по тем  же причинам.

     На  сегодняшний день именно ударная  дезинтеграция цементного клинкера позволяет реализовать на практике в промышленных масштабах наиболее эффективные приемы активации рассматриваемые  выше.

  Выход некоторых современных моделей дезинтеграторов на высокоскоростные (около 100 м/с) режимы ударного измельчения позволил вывести процессы активации портландцемента на качественно новый уровень. При этом активность портландцемента повышается наиболее рациональными методами: получение частиц цемента осколочной формы, повышение массовой доли частиц цемента размером 0-20 мкм, относительно небольшое увеличение удельной поверхности, практически полное отсутствие переизмельченного цементного зерна.

  Исследования, проведенные М.В. Векслером (МП «ТЕХПРИБОР») показали, что при измельчении цемента на дезинтеграторе со скоростью обработки 2 кг/с его активность повышается на 67 %.

  Применение дезинтегратора относительно небольшого помольного эффекта позволило разработать методику увеличения марочной прочности шлакопортландцемента производства ОАО «Липецкий цементный завод» с М 400 до М 550.

     В отличие от струйных мельниц, история  промышленного использования дезинтеграторов  в качестве агрегатов тонкого  дробления и помола насчитывает  более ста лет.

  На рисунке представлен дезинтегратор Кара, используемый в стекольном производстве для измельчения кварцевого песка.

  В настоящее время дезинтеграторы активно используются в различных областях производственной деятельности, в том числе и в строительстве при изготовлении силикальцитных изделий.