В цементном сырье, чаще глине, могут присутствовать нежелательные примеси крупных зерен кварца. По результатам исследований [1], если в приготовленной сырьевой смеси содержатся зерна кварца размером более 200 мкм, то это будет приводить к снижению прочности на сжатие цементного камня. Кроме того, наличие крупных зерен кварца в шламе сопровождается такими явлениями, как увеличение расхода топлива на обжиг, сход обмазки, снижение стойкости футеровки, повышение температуры в зоне спекания и клинкерное пыление [5].
Существует такое мнение, что так как зерна кварца достаточно крупные в сравнении с основными измельченными компонентами сырьевой смеси и поэтому обладают меньшей реакционной способностью, то для нейтрализации отрицательного действия крупных зерен кварца на обжиг клинкера нужно повышать их химическую активность. Одним из способов ее повышения является введение в сырьевую смесь соединений щелочных металлов, так как, основываясь на правиле Соболева С.В. [6], в соответствии с которым самый кислотный компонент будет реагировать с самым основным, сильное влияние на повышение реакционной способности крупного кварца будут оказывать щелочи – самый основной компонент в цементной системе оксидов. Но на производстве, несмотря на циркуляцию соединений щелочных металлов во вращающихся печах в результате возврата пыли электрофильтров, крупные зерна кварца все равно оказывают отрицательное воздействие на обжиг клинкера и его качество.
Для снижения отрицательного влияния крупных зерен кварца очень важно знать механизм воздействия их на обжиг шлама, который был разработан авторами статьи [3], согласно которому нейтрализовать действие крупных зерен кварца можно путем увеличения скорости диффузии ионов Са2+ в области обеднения на стадии алито образования. Область обеднения образуется при появлении клинкерного расплава вокруг зерен кварца из-за быстрого расходование СаО на связывание зерна. Образование алита лимитируется диффузией ионов Са2+ в эту область. Наличие широкой области обеднения приводит к ухудшению обжигаемости клинкера и увеличению СаОсв. Ширина области обеднения зависит от размера кварцевого зерна и может быть снижена путем применения нейтрализационных мероприятий [1, 3]. Итак, увеличение скорости диффузии ионов Са2+ в области обеднения может быть достигнуто или повышением температуры в зоне спекания, что и делают на заводах, или введением минерализаторов. На основании этого, целью работы является снизить отрицательное действие крупных зерен кварца на обжиг путем введения минерализующих добавок. Так как во вращающихся печах циркулируют соединения щелочных металлов, то мы считаем необходимым рассмотреть их действие на обжиг шламов с крупными зернами кварца.
Преобладающими в печи являются соли калия. Но в лабораторных исследованиях использовали менее летучий Na2О, чтобы смоделировать циркуляцию щелочей в печи.
В присутствии соединений щелочных металлов при обжиге клинкера образуются легкоплавкие расплавы [2, 4]. Они способны реагировать с крупными зернами кварца, ускоряя взаимодействие его с компонентами смеси. По данным лабораторных исследований, наличие Na2O при обжиге увеличивает степень усвоения крупных зерен кварца фракции 315–630 мкм (табл. 1). На это указывает то, что в присутствии Na2O с 0,5 до 0,09 уменьшается количество нерастворимого остатка в клинкере, который представляет собой неусвоившиеся зерна кварца.
Однако, Na2O способствует повышению вязкости клинкерного расплава [4]. Поэтому при обжиге шламов с добавкой Na2O снижается скорость диффузии ионов Са2+в клинкерном расплаве, в том числе в области обеднения ионами Са2+. В результате этого в получаемом клинкере увеличивается ширина белитовых областей (табл. 2, рисунок) и повышается содержание СаОсв, так как за время обжига ионы Са2+ (из-за снижения скорости диффузии) не успели продиффундировать в область обеднения на достаточную глубину для образования алита. По данным петрографического анализа, в присутствии 1,5 % добавки Na2O (в расчете на клинкер) при обжиге шлама с крупными зернами кварца ширина белитовых областей увеличивается в среднем на 60 мкм, в сравнении с аналогичными клинкерами без добавки Na2O (табл. 4). Увеличение размера белитовой области приводит к повышению общего количества образующегося белита и уменьшению количества алита в клинкере (табл. 3). Поэтому в присутствии Na2O при обжиге увеличивается гломеробластичность структуры получаемого клинкера.
Таблица 1
Воздействие Na2O и СаF2 на степень усвоения крупных зерен кварца фракции 315–630 мкм при обжиге (КН = 0,9)
|
№ п/п |
Содержание крупных зерен кварца в шламе, %, |
Добавка |
Содержание добавки в расчете на клинкер, % |
Нерастворимый остаток, % |
|
1 |
3 |
– |
0 |
0,52 |
|
2 |
Na2O |
1,5 |
0,09 |
|
|
3 |
СаF2 |
0,7 |
0,11 |
Таблица 2
Воздействие добавок на ширину белитовой области в клинкере, полученном обжигом сырьевой смеси с крупными зернами кварца фракции 315–630 мкм (КН = 0,9)
|
№ п/п |
Содержание крупных зерен кварца в шламе, %, |
Добавка в сырьевую смесь |
Содержание добавки в расчете на клинкер, % |
Средний размер ширины области обеднения, мкм |
|
1 |
3 |
– |
0 |
250 |
|
2 |
Na2O |
1,5 |
310 |
|
|
3 |
СаF2 |
0,7 |
130 |
