На практике наиболее эффективным считается такое заполнение барабана, при котором уровень мелющих тел и измельчаемого материала не доходит до его осевой линии. В промышленном производстве, например, коэффициент заполнения мелющими телами обычно не превышает 0.35-0.4.Перегрузка и недогрузка мельницы шарами нерациональны: перегрузка ведет к повышенным расходам энергии и шаров, а недогрузка снижает производительность.

Производительность барабанных мельниц зависит от диаметра, рабочего объема, скорости вращения, конструктивных особенностей, размера и формы мелющих тел, твердости и крупности кусков руды (исходных и измельченных), плотности пульпы и выхода конечного продукта. Производительность мельниц подсчитывают по удельной затрате энергии.

Мощность, потребляемая шаровой мельницей, зависит только от физических параметров мельницы: диаметра, длины барабана, скорости вращения, коэффициента мощности А и размера шаров.

Вращающаяся шаровая мельница может рассматриваться как несбалансированный маховик. Она приближается в наибольшей степени дебаланса, когда происходит простое вращение сухой дробящей среды и не производится никакая полезная работа. В этих условиях для поддержания вращения мельницы требуется максимальная мощность.

Модель Слегтена расчета шаровой загрузки:

1 камера дробления

• Равное количество шаров (n) в каждом диапазоне размеров 80; 70 и 60 мм, к ним добавить шары 90 мм, чтобы измельчать крупные частицы клинкера.

2 переходная зона (начало второй камеры)

• Заполнить самыми большими шарами этой зоны (иногда совпадает с наименьшим размеров шара в первой камере). Конструктивно для этой зоны используют шары 50 и 40 мм.

Вторая камера (тонкий помол)

• Распределение шаров менее 40 мм следует из формулы: D=3.3e^-0,1x
• Где D– диаметр шаров, мм; х – расстояние от конца переходной зоны, м
• Шары диаметром 30 мм начинают загружать по окончанию переходной зоны и далее по формуле.

Факторы, определяющие эффективность работы помольного агрегата:

• Степень заполнения объема мельницы мелющими телами;
• Качество и ассортимент мелющих тел;
• Интенсивность аспирации рабочего пространства мельницы;
• Величина и равномерность питания мельниц материалом, автоматизация мельницы.

Скорость вращения

Зная принцип работы барабанной мельницы, очевидно, что скорость вращения барабана имеет очень большое значение. Скорость задает траекторию движения мелющих тел, а, следовательно, и характер воздействия на измельчаемый материал.

Скорость, при которой все содержимое барабана прижимается к его стенкам и начинает вращаться вместе с ним, называется критической скоростью n_кр(об\мин) и рассчитывается по формуле:

Скорость вращения мельниц обычно равна 0,70-0,85 от критической. В процессе измельчения шары при указанных условиях поднимаются в мельнице на достаточную высоту и эффективно дробят материал. При частоте вращения менее 0,75-0,85 от критической, создается водопадный режим измельчения – основная масса мелющих тел поднимается вместе с внутренней поверхностью на некоторую высоту, а затем, отрываясь, свободно падает под действием сил тяжести по траекториям, близким к параболическим. Измельчение клинкерных зерен в данных условиях происходит преимущественно ударом. Водопадный режим применяется при измельчении более крупного материала (в первой стадии). При смешанном режиме измельчения одна часть мелющих тел участвует в свободном полете, а другая – перекатывается внутри барабана по замкнутым траекториям, измельчая руду ударом и истиранием. Каскадный режим наиболее тихоходный, скорость вращения составляет 0,5-0,6 от критической, при этом свободный полет мелющих тел исключен, т.к. они непрерывно циркулируют внутри барабана, поднимаясь по круговым траекториям на некоторую высоту, затем скатываясь под углом, близким к углу естественного откоса. В воде нормальный угол откоса шаров составляет около 30°. При каскадном режиме материал измельчается преимущественно истиранием, он является наиболее эффективным для второй камеры мельниц.

Самым высокопроизводительным считается смешанный режим, который возникает при скорости около 0,7-0,75 от критической.

Помол по своей природе неэффективен, либо всего 20% потребленной энергии конвертируется в измельчение, остальная часть теряется в виде шума, тепла, износа оборудования от вибрации. По данным Christian Pfeiffer Maschinenfabrik GmbH для шаровых мельниц только 3-6% потребленной энергии используется на измельчение твердых частиц (рис.1.)

Эффективность работы помольного агрегата зависит от факторов, которые условно разделяют на три группы:

Первая группа, связанные с конструкцией мельницы

• Схема измельчения (замкнутая или открытая, одно или двухстадийный помол и т.д.);
• Технические характеристики мельницы (тип и размер);
• Скорость вращения мельницы;
• Профиль и поверхность броневых плит;
• Вид и конструкция межкамерной перегородки

Вторая группа, обусловливает режим работы мельницы

• Степень заполнения объема мельницы мелющими телами;
• Качество и ассортимент мелющих тел;
• Интенсивность аспирации рабочего пространства мельницы;
• Величина и равномерность питания мельниц материалом, автоматизация мельницы

Третья группа, составляет физико-химические свойстваразмалываемого материала среды в мельнице, определяющие его сопротивляемость размолу, крупность исходного и конечного продуктов, температуру и влажность, адсорбционные свойства среды.

Эффективность процесса измельчения клинкера и добавок в шаровых барабанных мельницах зависит от следующих режимов:

• физико-химического режима, в ходе которого создаются рациональные температурно-влажностные и адсорбционные условия;
• гидродинамического режима, направленного на обеспечение рациональных концентраций материала в зоне измельчения и скорости движения материальных и воздушных потоков;
• энергетического режима, обеспечивающего рациональный состав и предельную крупность мелющих тел, создание дифференциального скоростного режима работы мелющей загрузки, при котором осуществляется постепенное изменение вида и уровня измельчающих воздействий в радиальном и осевом направлениях.

Эффективность реализации этих режимов осуществляется посредством разработки рациональных конструкций бронефутеровок и диафрагм, обеспечивающих наилучшие режимы работы мелющей загрузки в поперечном и осевом направлениях, внедрения высокопроизводительных помольных систем с применением стадийно-поточных схем измельчения и эффективных конструкций сепараторов, применения способов интенсификации путем создания адсорбционно-активной среды в мельницах с помощью ПАВ, а также разработки способов пылеподавления, эффективных систем пылеулавливания и рационального аспирационного режима работы мельницы.

Рассмотренные выше теории и концепции прочности основываются на модели тела либо как однородной бесструктурной среды, либо как материала, имеющего структуру, но однородного по всему объему. Горные породы, а также искусственные материалы, такие как керамика, портландцементный клинкер такими телами заведомо не являются. Они сложены различными по свойствам сцементированными минеральными зернами, содержат макродефекты в виде пор и различных включений, а также объекты различного агрегатного состояния (газы, жидкости). В этих условиях детерминированные теории прочности оказываются явно несостоятельными.

Исходя из подобия структуры многокомпонентных полиминеральных горных пород и искусственно синтезированного твердого тела – портландцементного клинкера теоретические вопросы разрушения клинкера на мезо- и микроуровне должны описываться единой теорией разрушения.

Рассмотрим основные положения теорий разрушения композиционных материалов как полиминерального твердого тела, которые можно по аналогии происходящих процессов отнести к разрушению синтетического полиминерального твердого тела – портландцементного клинкера.

Свойства таких твердых тел зависят от минерального состава и макростроения, т.е. от текстуры и структуры.

Структура – это совокупность признаков, описывающих степень связи между частицами твердого тела, их размеры, форму и взаимное расположение. Структура в основном определяется степенью зернистости и размером зерен и подразделяется для горных пород на следующие виды:

• крупнозернистые с зернами более 5 мм;
• среднезернистые – 2-5 мм;
• мелкозернистые – 0,5-2 мм;
• скрытокристаллические менее 0,5 мм.

Текстура горных пород определяет их сложение, то есть каким образом отдельные зерна уложены в образце. По этому признаку текстуры могут быть: плотные, пористые, слоистые и пр. По аналогии с текстурой горных пород можно различать текстуру клинкерных зерен: пористые (низкая степень спеченности) и плотные (спеченные).

Тонкость помола – один из основных факторов, позволяющих управлять свойствами цементов на основе клинкера определенного минералогического состава и вещественного состава цемента.

Помол цемента относится к одному из энергозатратных технологических переделов, они могут достигать от 38 до 43% от общих затрат на производство 1 тонны цемента.

На рисунке изображена доля энергетических затрат на производство цемента (по данным IEA, MorganStanleu)

Для определения энергозатрат при измельчении твердых материалов в предложенных моделях технологических систем напрямую не используются такие показатели как твердость, прочность и размалываемость материала. Но, согласно теории разрушения горных пород, эти показатели относятся к прочностным характеристикам твердого тела.

Прочность твердых тел, в широком смысле – их свойство сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под воздействием внешних нагрузок (в узком смысле – сопротивление разрушению), определяется типом химических соединений (молекулярным, атомным или атомно-молекулярным).

Твердость – свойство материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации или разрушению при внедрении в поверхностный слой материала другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела - индентора.

Размалываемость– мера удельного расхода энергии, которая требуется для уменьшения с исходного размера до определенного размера частиц единицы массы материала.

В горно-обогатительной промышленности принят термин «измельчаемость», в цементной – «размалываемость», в энергетической – «размолоспособность. Последний термин явно неудачен, т.к. он больше обозначает способность размалывать, но не размалываться. Термин «измельчаемость» может включать оценку эффективности процессов как дробления, так и тонкого измельчения.

Таким образом, в дальнейшем в работе мы будем использовать термин «размалываемость».

Размалываемость материала – это мера способности материала противостоять силам измельчения.

Термин «размалываемость» используется для оценки потребности в энергии для измельчения материала до заданной крупности. Одновременно этот показатель позволяет классифицировать материалы в соответствии с легкостью, с которой они измельчаются. Количественная характеристика размалываемости материалов имеет важное практическое значение, так как она необходима для расчетов размеров и числа мельниц при проектировании и для установления норм производительности мельничных агрегатов, находящихся в эксплуатации.

Сущность силового условия на микроуровне состоит в том, что по фронту излома должны быть преодолены молекулярные силы сцепления. В случае хрупкого разрушения это означает, что местные растягивающие напряжения должны достичь молекулярной разрывной прочности.

Размалываемость является технической характеристикой, которая зависит от физических свойств измельчаемого материала, от способа и условий размола, а также заданной тонкости помола продукта. Следовательно, размалываемость отражает работу, затраченную на измельчение материала исходной крупности до заданной тонкости продукта.

На вращающихся печах мокрого способа производства производительностью свыше 50 т/ч для охлаждения клинкера устанавливают колосниковые холодильники «Волга».

На современных печах сухого способа охлаждение клинкера производится на колосниковых холодильниках разных фирм, имеющих некоторые отличия.

Теплопередача от холодильника косвенно влияет на производительность печи, что имеет решающее значение для производства цемента. Колосниковые клинкерные холодильники минимизируют температуру клинкера за счет ощутимого нагрева, что приводит к рекуперации энергии. Горячий клинкер выходит из вращающейся печи в колосниковый охладитель при температуре приблизительно 1400°C и охлаждается до температуры, которая на 85°C выше температуры окружающей среды.

Рекуперированный горячий воздух из охладителя используется в качестве вторичного воздуха для содействия полному сгоранию топлива из горелки печи. Оставшееся рекуперированное тепло также используется в качестве топлива для предварительного обжига (третичный воздух). Отработанное тепло передается в окружающую среду через циклон или рукавный фильтр для удаления пыли. В этом варианте воздух направляется в слой клинкера более эффективно, чем это возможно в обычной конструкции. Кроме того, решетки, используемые с воздушными балками, называемые «решетками с регулируемым потоком», позволяют воздуху проходить горизонтально через щели в углубления на поверхности решетки. Это в значительной степени устраняет просыпание мелких частиц клинкера и делает воздушный поток менее зависимым от сопротивления слоя. Другие усовершенствования в конструкции колосникового охладителя включают маятниковую раму для подвижной колосниковой решетки, которая, как утверждается, сводит к минимуму техническое обслуживание привода.

Недавнее развитие конструкции колосникового холодильника представляет собой «поперечный охладитель», который полностью состоит из неподвижных колосниковых решеток, транспортировка клинкера осуществляется возвратно-поступательными движениями толкателей над поверхностью решетки. Этот холодильник также оснащен оригинальным регулятором расхода воздуха под каждую решетку, который поддерживает постоянный поток воздуха через слой клинкера независимо от пористости слоя. Инновационные конструктивные особенности также проявляются в холодильниках «Polytrack», «Pyrofloor» и «Eta-cooler», поставляемых различными производителями.

Можно также упомянуть о новом холодильнике с вращающимся диском (RDC), который установлен под разгрузочным концом печи и снабжен системой распределения клинкера (CDS) над медленно вращающимся диском. Специальное извлекающее устройство выгружает клинкер в валковую дробилку, расположенную на внешнем диаметре RDC. Диаметр RDC синхронизирован с диаметром печи и производительностью печи. Общее время пребывания в этом охладителе оценивается в 30 мин, что несколько меньше, чем в охладителе с возвратно-поступательной решеткой (~ 45 мин).

В современном колосниковом охладителе потери тепла могут быть снижены примерно до 400 кДж/кг клинкера.

Рекуперация тепла в виде вторичного и третичного воздуха показана на рисунке, на котором также показаны две зоны охладителя: вентиль с регулируемым потоком (CFG) и быстрое прохождение (RFT). В зоне рекуперации тепла охлаждающий воздух подается непосредственно на колосниковые плиты через систему воздуховодов и полых балок, а не через нижнее отделение решетки, как в обычных холодильниках. Благодаря быстрому прохождению из клинкера устраняется эксплуатационная проблема отвода полос раскаленного клинкера, часто называемая «красной рекой».

Более эффективный холодильник позволяет полностью контролировать вторичный воздух и температуру клинкера. Тепловые потери этого холодильника за счет излучения и конвекции чрезвычайно низки. Более эффективный холодильник обеспечивает быстрое первоначальное охлаждение клинкера. Этот факт имеет большое значение для образования алита. Этот холодильникобеспечивает температуру подачи клинкера около 1360-1400°C, что повышает тепловую эффективность до 72-75%. Подача избыточного охлаждающего воздуха приводит к охлаждению клинкера до 65°C; эта температура позволяет немедленно измельчать клинкер до готового цемента.

На работающих печах мокрого способа производительностью до 50 т/ч охлаждение клинкера производится в рекуператорных холодильниках. Рекуператорные холодильники представляют собой барабаны, расположенные  в виде венка вокруг выгрузочного горячего конца печи, являясь неотъемлемой частью вращающейся печи. Рекуператорные барабаны вращаются вместе с вращающейся печью, без отдельного привода. Применяют холодильники 2-х типов: традиционные короткие, когда 8-12 барабанов диаметром 1,5м и длиной до 7 м подвешены консольно на корпусе печи, и модернизированные удлиненные рекуператоры до 2 м диаметром и длинной до 20 м, которые из-за большой массы устанавливаются на продленном корпусе печи с выносной роликоопорой.

Рекуператорный холодильник – вид на узлы крепления рекуператорных барабанов к корпусу вращающейся печи.

Схема рекуператорного холодильника.

Клинкер через периферийные отверстия в конце печи по загрузочным лейкам (патрубкам) поступает в рекуператоры. Навстречу клинкеру движется воздух, так что холодильник работает по принципу противотока. Для интенсификации теплообмена внутри барабана устанавливаются пересыпные элементы. Форма элементов выполняется таким образом, чтобы клинкер пересыпался по всему сечению рекуператора. В зависимости от температуры клинкера по длине рекуператора устанавливаются пересыпные элементы различной формы.

В высокотемпературной области выполняется футеровка из огнеупорного шамотного кирпича переменной высоты. Далее устанавливаются полки из жаропрочной стали, а затем жаростойкие ковши. Для снижения теплопотерь через корпус необходимо высокотемпературную часть барабана (примерно 65%) теплоизолировать. Весь охлаждающий воздух поступает в печь в виде воздуха для горения (вторичный воздух) с температурой 500-600°С.

Для максимальной теплопередачи во вращающихся рекуператорных барабанах следует поддерживать скорость воздуха на входе клинкера в холодильник 3,8-4,3 м/сек. Эти скорости применимы к избытку воздуха в 10% и к объему вторичного воздуха, составляющему 85% от общего объема воздуха для горения.

Потери тепла через корпус рекуператорных холодильников за счет излучения и конвекции находятся в диапазоне 200-340 кДж/кг клинкера.

Тепловой КПД традиционного рекуператорного холодильника составляет обычно примерно 65%, при этом клинкер охлаждается от 1100 до 300°С, КПД удлиненных рекуператоров достигает 75%, клинкер в них охлаждается до 130°С.

Преимуществом рекуператорного холодильника является простота конструкции, отсутствие привода и избыточного аспирационного воздуха.

Недостатки заключаются в невысоком КПД, в повышенной температуре клинкера и в невозможности регулирования скорости охлаждения.

Процесс охлаждения клинкера является сложным процессом из-за огромного количества взаимодействующих рабочих параметров, таких как: длина клинкерного холодильника, температура окружающей среды, ширина клинкерного холодильника, скорость привода клинкерного холодильника, скорость вентилятора клинкерного холодильника, массовый расход клинкера и воздуха, а также плотность клинкера и воздуха.

Чтобы составить мнение об охладителях клинкера, следует учитывать следующие критерии:

1. Тепловая эффективность охладителя определяет отношение тепла, выделяемого из горячего клинкера и используемого в процессе обжига, к общему теплосодержанию клинкера, выходящего из печи. Тепловой КПД (E) выражается как:

Обозначения:

А-теплосодержание клинкера, выходящего из печи;

B- тепловые потери холодильника клинкера;

B- состоит из:

• теплопотери, выходящего из холодильника воздуха;
• потери тепла при выходе клинкера из холодильника;
• потери тепла из-за излучения холодильника.

Если, например, А =1400 кДж/кг и B =400 кДж/кг клинкер, то тепловая эффективность охладителя клинкера рассчитывается следующим образом:

Тепловой КПД клинкерного холодильника во вращающихся печах всех типов конструкции находится в диапазоне от 40 до более чем 80%.

2. Другим критерием оценки эффективности охладителя является разница температур между горячим клинкером, поступающим в охладитель, и горячим вторичным воздухом, выходящим из охладителя. Кроме того, лучшим охладителем является конкретный охладитель, который из-за своей общей эффективности подает максимальное количество тепла во вращающуюся печь вместе со вторичным воздухом.

3. Степень охлаждения клинкера определяется как температура клинкера на выходе. Эта температура различается в различных типах охладителей от 50 до 300C.

4. Объем охлаждающего воздуха в рекуператорных и колосниковых холодильниках ограничен объемом воздуха, необходимым для поддержания процесса горения во вращающихся печах, однако клинкер, выходящий из этих холодильников, имеет более высокие температуры.

5. Более низкая температура клинкера, поступающего из колосникового охладителя, является результатом более высокого объема воздуха, используемого для охлаждения клинкера. Горячий избыточный воздух частично используется для сушки, а частично выбрасывается в атмосферу; это требует сбора пыли, что приводит к дополнительным расходам.

Эти влияющие факторы препятствуют оценке охладителей клинкера, поскольку часто преимущество, с одной стороны, должно быть компенсировано потерями, с другой.

Существует два основных типа клинкерных холодильников:

1. Охлаждающие барабаны, прикрепленные к окружности разгрузочного конца вращающейся печи - рекуператорные холодильники.
2. Колосниковый охладитель.

Охлаждение является неотъемлемой и существенной частью процесса получения клинкера.

Процесс охлаждения клинкера происходит в два этапа:

1. внутри печи между зоной обжига и разгрузочным концом печи;
2. внутри клинкерного холодильника.

На первом этапе клинкер охлаждается от температуры зоны обжига примерно до 1200-1250 C, а на втором этапе процесс охлаждения продолжается примерно до 100 C.

Клинкерные холодильники при производстве цемента предназначены для выполнения следующих задач:

• повысить качество цемента и улучшить размалываемость клинкера. При быстром охлаждении клинкера образование в нем минеральных кристаллов замедляется. Даже если некоторые из них кристаллизовались, они более мелкие, чем кристаллы, образующиеся при нормальной скорости охлаждения. Этот вид клинкера может быть превращен в высококачественный цемент. Между тем, из-за быстрого охлаждения в частицах клинкера возникают термические напряжения и трещины, что облегчает их измельчение.
• утилизировать тепло, выделяемое клинкером, для предварительного нагрева вторичного воздуха, чтобы улучшить процесс сгорания топлива, сэкономить энергию и снизить стоимость топлива. Вторичный воздух называется воздухом для горения. Он отличается от первичного воздуха, который подает топливо в корпус печи через обжиговую трубу. Охладитель клинкера передает тепло от клинкера к воздуху для горения, чтобы улучшить процесс теплообмена и в некоторой степени снизить расход топлива.
• упростить дальнейшее измельчение, хранение и транспортировку. Цементный клинкер после спекания не является конечным цементным продуктом, продаваемым на рынке. Необходимо подать его на цементную мельницу для дальнейшего измельчения с гипсом и минеральными добавками для достижения определенной степени измельчения и различных характеристик. Поэтому нам необходимо заранее снизить температуру клинкера (обычно на 50-300 С), чтобы обеспечить следующий процесс.

При медленном охлаждении неустойчивые модификации алита начинают перекристаллизовываться с выделением примесей, вследствие чего они подвергаются расщеплению.  Если клинкер охлаждается слишком медленно в диапазоне от 1250 C до 1100 C, алит начинает распадаться на вторичные кристаллы белита и СаО. Зерна белита при этом располагаются в виде каемок на поверхности кристаллов алита.

Скорость охлаждения влияет на то, как происходят белитовые переходы, причем эффекты различимы микроскопически.

Медленное охлаждение клинкера способствует росту минералов клинкера. Размер кристаллов алита не только влияет на измельчаемость клинкера (для измельчения крупных кристаллов требуется дополнительная энергия), но также влияет на гидратацию и прочность цемента. Кристаллы алита, которые при правильном обжиге и быстром охлаждении остаются небольшими, повышают прочность цемента. Из двух цементов с идентичным химическим составом тот, который содержит кристаллы алита меньшего размера (15 микрон), оказался прочнее. Его 28-дневная прочность на сжатие составила 391 кг / см², тогда как испытание на прочность при сжатии цемента с кристаллами диаметром 40 микрон составило всего 293 кг / см².

Составы алюминатной и ферритовой фаз при охлаждении могут заметно отличаются от расчетных составов C₃A и C₄AF соответственно в зависимости от скорости охлаждения и присутствия второстепенных оксидов.

 Несколько более медленное охлаждение, от 1300 до 700 C за несколько секунд, дает орторомбическую кристаллизацию C₃A, слабокристаллическую, богатую железом форму этой фазы. Еще более медленное охлаждение (1300-1100 C за 6 минут) дало обычно кристаллическую алюминатную и ферритную фазы.

Орторомбическая модификация C₃A известна как призматический, темный промежуточный материал, и иногда является псевдотетрагональной. Эта модификация может возникнуть только при наличии достаточного количества щелочных оксидов, но его образованию, по-видимому, способствует также быстрое охлаждение и исходное содержание оксида алюминия в материале, потенциально способные давать относительно высокую долю алюмината.

Кубический алюминат C₃A в клинкере часто мелкозернистый и тесно смешан с дендритными кристаллами феррита: когда он образует более крупные кристаллы, они, как правило, равноразмерны. Эти две модификации имеют разную скорость растворения в воде, т.о. разную химическую гидравлическую активность.

Поведение MgO при образовании клинкера заметно зависит от скорости охлаждения. Если клинкер обжигается при высокой температуре (> 1500 C), относительно высокое содержание MgO может попасть в жидкую фазу, и при быстром охлаждении большая его часть остается в кристаллической решетке алюминатной и ферритовой фазах, и только небольшое количество периклаза отделяется в виде мелких кристаллов. При медленном  охлаждении от высоких температур только около 1,5% MgO (относящегося к клинкеру) переходит в твердый раствор, избыток которого образует крупные кристаллы периклаза. При температурах ниже 1450  C MgO сложнее переходит в раствор, и могут сохраняться скопления кристаллов периклаза.

Прочность твердеющего портландцемента зависит от размера кристаллов периклаза. Гидратация более крупных кристаллов периклаза, которая связана с одновременным увеличением объема, происходит медленнее, чем гидратация минералов, образующих клинкер и это ухудшает прочность твердеющего цемента. Максимальный размер кристаллов периклаза, которые практически не повреждают цемент, составляет около 5-8 микрон. Медленное охлаждение клинкера может привести к образованию кристаллов периклаза размером около 60 микрон. Было обнаружено, что 4% кристаллов периклаза в цементе размером до 5 микрон демонстрируют ту же скорость расширения в тесте с автоклавированием, что и 1% кристаллов периклаза размером 30-60 микрон.

Алит и белит, составляющие более 75 мас.% клинкера, в процессе охлаждения могут претерпевать изменения. Далее при охлаждении он может подвергаться  перекристаллизации и разложению (последнее с образованием белита).

Кристаллы алита и белита распределяются в плотной матрице из мелкокристаллического срастания алюмината и феррита, которое образовалось на самой ранней стадии охлаждения выше 1300 C.

В процессе обжига образуется клинкерная жидкость, количество которой может достигать до 30%. Кристаллы алита быстро зарождаются и растут в расплаве через растворение. Белит может образовываться как на стадии процесса обжига, так и на стадии охлаждения. 

Клинкерная жидкость  может вести себя любым из трех способов во время охлаждения, с промежуточными возможностями.

В первом случае постоянно поддерживается равновесие между жидкой и ранее существовавшими твердыми фазами (алит и белит). Это подразумевает возможность переноса материала между этими твердыми частицами и жидкостью в любом направлении до момента, пока жидкость остается. Эта ситуация будет называться "равновесной кристаллизацией".

Во втором случае жидкость не кристаллизуется, а образует стеклофазу.

В третьем случае жидкость кристаллизуется независимо, т.е. без  взаимодействия с уже присутствующими твердыми фазами. Промежуточные режимы включают, например, равновесную кристаллизацию до определенной температуры и независимую кристаллизацию ниже нее.

Быстрое охлаждение клинкера позволяет получать кристаллы алита и белита достаточно однородного строения. Промежуточная фаза при этом выделяется или в виде мелких кристаллов, или затвердевает в виде стекла.

Циркуляция хлора и места образования различных видов хлора на цементном заводе проиллюстрированы на рисунке. Хлор в виде хлоридов часто встречается в известняках и глинах, преимущественно в виде NaCl. Сырьевая мука обычно содержит относительно небольшое количество Cl, в основном менее 0,01 мас. % без LOI и максимальная допустимая концентрация хлора в сырой муке составляет 0,03 мас. % без LOI для ILC-системы без байпаса, поскольку более высокие концентрации вызовут серьезные проблемы с накоплением хлора в печи.

Хлор может выделяться при сгорании топлива, и поступление хлора из топлива может значительно варьироваться в зависимости от типа топлива. Содержание Cl в ископаемом топливе, таком как уголь и коксующийся газ, довольно низкое, но оно может быть значительным для альтернативных видов топлива, таких как RDF. Возможные пути и механизмы высвобождения Cl при пиролизе и сжигании биомассы объясняется следующим. Газ HCl образуется при сжигании топлива, содержащего органически связанный хлор или неорганические хлоридные соли. Органически связанный Cl также может выделяться в газовой фазе в виде CH₃Cl. В кальцинаторе и на нижних ступенях подогревателя HCl будет поглощаться свободной известью в соответствии с реакцией (4-8) (Partanen, 2004), однако поглощение HCl известняком сильно зависит от влажности дымовых газов.

В зоне горения в пламени нет активного свободного CaO, взвешенного в воздухе, и поэтому HCl из печного топлива поступает непосредственно в подогреватель и там преобразуется в CaCl₂. В кальцинаторе и на нижних ступенях циклона при температуре 800-850 C частицы хлора из сырья могут плавиться, а также происходит конденсация частиц хлора из печных газов. Следовательно, частицы хлора присутствуют в жидкой фазе. Обратная реакция (4-8) также может происходить в присутствии влаги.

В таблицах ниже представлены составы RDF, полученного из ТКО среднего состава по России и г. Москва. Теплота сгорания RDF , полученного из ТКО по г. Москва Qн^р = 12,719 МДж/кг.

Теплота сгорания (калорийность топлива) в большей степени зависит от содержания в отходах горючих фракций. Средние значения теплоты сгорания топлива RDF лежат в преде­лах от 12 до 18 МДж/кг.

Доля летучих веществ и фиксированного углерода важна для характеристик горения. Наиболее важные различия между альтернативными видами топлива и ископаемым топливом перечислены ниже, поскольку эти различия могут оказать значительное влияние на сжигание и производство цемента:

• Альтернативные виды топлива могут иметь значительно более высокое содержание летучих веществ по сравнению с твердым ископаемым топливом. В целом, альтернативные виды топлива содержат меньше серы, фиксированного углерода и связанного с топливом азота и имеют более высокое содержание кислорода и водорода, чем ископаемое топливо;
• Содержание золы в альтернативных видах топлива обычно выше, чем в ископаемом топливе. Зола может содержать некоторые новые элементы, которые могут повлиять на химический состав цементных материалов и повлиять на работу системы. Кроме того, альтернативные виды топлива могут содержать различные количества летучих элементов, таких как S, Cl, Na, K и Hg;
• Альтернативные виды топлива часто имеют высокое содержание влаги, что может увеличить необходимое время горения. Кроме того, некоторое количество энергии расходуется на нагрев и испарение воды, а объем дымовых газов увеличивается. Это может привести к снижению производственных мощностей и негативно сказаться на эффективности процесса;
• Теплотворная способность некоторых альтернативных видов топлива может быть значительно ниже, чем у обычного ископаемого топлива, из-за содержания золы и влаги, а также химического состава. Это означает, что для обеспечения той же тепловой мощности необходимы более высокие массовые расходы топлива. Увеличение объема (если плотность топлива низкая) вместе с увеличенным массовым расходом это может вызвать проблемы с обработкой и подачей.

Альтернативные виды топлива могут иметь иную кинетику удаления летучих веществ и окисления обугливания, чем обычные виды топлива, из-за различного химического состава и структуры. Это может повлиять на время сгорания топлива и выбросы NOx.

Более того, состав альтернативных видов топлива редко бывает постоянным, что будет отражаться в неоднородных физических и химических свойствах. Эти изменения могут повлиять на выбросы, стабильность процесса и качество клинкера.

Еще одним важным отличием по отношению к ископаемому топливу является то, что в печь можно добавлять альтернативные виды топлива система в виде крупных частиц в диапазоне миллиметров и сантиметров, в то время как ископаемое топливо обычно вводится с остатком частиц на сите 2-20 % на сите 90 мкм .

Длительная практика сжигания альтернативного топлива в странах ЕС показала, что использование альтернативных видов топлива не приводит к увеличению общих выбросов загрязняющих веществ по сравнению с ископаемым топливом. Однако использование альтернативных видов топлива может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на выбросы газовых загрязняющих веществ. Цементные заводы, расположенные в Европейском Союзе и использующие альтернативные виды топлива, подпадают под действие Директивы 2010/75/ЕС о промышленных выбросах (Directive 2010/75/EU).

Важными выбросами являются SO₂, NOx, HCl, HF, Hg, Tl, диоксины и фураны, общий органический углерод и CO. Дополнительную информацию о законодательстве в области выбросов и пределе выбросов каждого соединения можно найти в вышеупомянутой Европейской директиве, за исключением предела выбросов CO, который устанавливается местными властями.

Большое внимание при производс­тве и применении RDF стоит уделять экологическому фактору. Должен проводиться серьезный анализ ком­понентов, входящих в состав топлива и продуктов его горения. В процессе сепарации должна исключаться воз­можность попадания вредных ве­ществ в топливо. Обязательно осу­ществление периодического контро­ля количества выбросов в атмосферу: оно должно соответствовать приня­тым законодательством экологичес­ким нормам.

ТiO₂ постоянно присутствует в сырьевых смесях в количестве 0,2…0,5 %_.  В присутствии оксида титана интенсифицируется процесс декарбонизации СаСО₃ при более низких температурах, при этом возможно образование СаО·ТiO₂. Расплав в титансодержащих шихтах характеризуется пониженной вязкостью, что способствует ускорению усвоения СаО. При оптимальном содержании оксида титана (0,1…4%) титан содержится во всех клинкерных фазах, но преимущественно в алюмоферритах кальция. В присутствии избыточного ТiO₂возможен распад C₃S.

Марганец в виде MnCO₃присутствует в виде примесей в глинистых породах. В количестве до 3…4% Mn₂O₃ интенсифицирует процесс связывания СаО во всем температурном интервале: расплав образуется при пониженной температуре с низкой вязкостью, что ускоряет процесс растворения C₂Sи СаО. В присутствии оксида марганца несколько меняется соотношения компонентов в клинкере. Этот факт объясняется растворимостью Mn₂O₃ в β- C₂Sдо 4%, в α- C₂Sдо 8%, в  C₃Sдо 2%.

Барий и стронций могут присутствовать в сырьевых компонентах в виде карбонатов или сульфатов. Эти соединения разлагаются при более высокой температуре, чем кальциевые аналоги с образованием тех же минералов, которые известны для кальция. Пи малом их количестве в составе шихты они образуют твердые растворы с кальциевыми минералами, изоморфно замещая в них катион Са²⁺ на Ва²⁺, Sr²⁺ или Cd²⁺.

Совместное влияние нескольких элементов заключается в комплексном влиянии на процессы усвоения СаО. Задача затрудняется в нахождении оптимальных количественных соотношений компонентов. Например, практика показывает совместное влияние на кинетику и свойства клинкера щелочных оксидов и сульфатов, оксида магния и сульфатов натрия или калия.

В предыдущих материалах из этой серии вы можете узнать, как на процессы образования минералов при обжиге клинкера влияют фториды, оксид магния и хром.

Хром в небольших количествах содержится в глинистых породах, в пиритных огарках и шлаках, которые используются в качестве корректирующих добавок в сырьевую смесь.

Попасть в материал хром может из хромомагнезитовой футеровке в печи.

В присутствии 0,1…0,6% Cr₂O₃скорость связывания в интервале температур 500…1600С возрастает, а при дальнейшем увеличении концентрации хрома снижается.

Хром может образовывать промежуточные соединения с оксидом кальция, которые распадаются с повышением температуры. При оптимальной концентрации хрома снижается вязкость расплава и улучшается кристаллизация C₃S. Оптимальное количеством хрома некоторые исследователи определяют 0,1…0,6% Cr₂O_3, другие отмечают благоприятное влияние на процессы 1…2% Cr₂O_3.

 Вприсутствии хрома увеличивается склонность алита и белита к образованию твердых растворов с СаО, т.е. создаются условия для отклонения состава этих минералов от стехиометрического.

В связи с тем, что Cr⁶⁺активно воздействует на кожу человека (вызывает экзему), содержание его в клинкере и цементе ограничивается в Евростандартах до 0,0002%. В стандартах РФ такое ограничение нормировано только для цемента для асбестоцементных изделий.

Источник www.farpost.ru

Оксид магния является постоянной примесью карбонатных и глинистых пород в виде доломита CaCO₃·MgCO₃, магнезита MgCO_3. Термическая устойчивость соединений Mgразлична, что оказывает влияние на скорость усвоения СаО. Некоторое количество MgО находится в обжигаемом материале в виде промежуточных соединений СаО·MgO·SiO₂, 2СаО·MgO·SiO₂, но преобладающее количество оксида магния выделяется в свободном состоянии.

При появлении расплава в нем растворяется до 2,3%  MgO, что способствует снижению вязкости расплава. При такой концентрации ускоряются процессы связывания СаО. Однако при увеличении доли  MgOв расплаве повышается основность расплава, что снижает скорость растворения в нем СаО, поэтому степень усвоения оксида кальция снижается, что приводит к увеличению СаО (своб)_. В присутствии повышенного содержания  свободного MgOв обжигаемом материале возможен также распад некоторой части алита на C₂Sи СаО.

Распределение MgOв фазах клинкера зависит от скорости его охлаждения. До 2% MgOостается в свободном состоянии в виде минерала периклаза. До 2% MgOв клинкере остается в свободном виде. Растворимость MgOв других фазах (% от количества минерала):

• в C₂S– 0,5…0,7%;
• в C₃S– 2…2,5%;
• в C₃А – 2,5%;
• в C₆A_xF_y– до 5,7%;
• в стекловидной составляющей – до 5%.

При образовании твердых растворов с минералами Mg²⁺замещает Са²⁺ с образованием соединений типа (Ca_1-x·Mg_x)₃SiO₅(магнезиальный алит). В алюмоферритах кальция Mg²⁺может замещать ионы Fe³⁺. Что приводит к образованию сложных по составу твердых растворов. Наиболее часто образуется твердый раствор состава 54СаО·16SiO₂·MgO·Al₂O₃(алюмомагниевый алит или алит Джефри).

Кристаллизация C₃Sи C₂Sв клинкерах с содержанием MgOдо 3% более отчетлива, кристаллы имеют правильную форму, больший размер, содержат меньше включений. С повышением MgO> 3% в кристаллах C₃Sнаблюдается включения и следы начинающегося распада.

При высокой температуре обжига 1450С периклаз MgOимеет высокую плотность кристаллической решетки, что резко снижает его скорость взаимодействия с водой при гидратации, что создает вероятность разрушения цементного камня в поздние сроки твердения (более года) за счет увеличения объема продукта гидратации Mg(OH)₂ в два и более раз.

Поэтому в стандартах всех стран мира ограничивается содержание MgOдо 5…6%. В ГОСТ 31108 количество MgOне должно превышать 5%.