IV. Зона экзотермических реакций занимает не более 5% длины печи. Температура материала быстро повышается до 1250 – 1300 C за счет выделения теплоты при образовании минералов. Температура газов изменяется незначительно и составляет на входе 1600 – 1700 С.

В этой зоне активно образуются клинкерные минералы (двухкальциевый силикат 2CaO·SiO2, трехкальциевый алюминат 3CaO·Al2O3, четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al2O3·Fe2O3, частично трехкальциевый силикат 3CaO·SiO2). Реакции образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция являются экзотермическими. В связи с этим интенсивное образование указанных соединений сопровождается значительным выделением теплоты (до 420 кДж на 1 кг клинкера), что приводит к интенсивному повышению температуры материала на 150-200 С на коротком участке печи (в несколько метров). В зоне кальцинирования, особенно в экзотермической зоне, с повышением температуры материала возрастает скорость образования C2S, а также перехода СА в С5А3 и далее в С3А. К концу экзотермической зоны температура материала достигает примерно 1300 С. К этому времени он состоит преимущественно из C2S, С3А, C4AF или C2F и некоторого количества СаО (своб.)

V. Зона спекания занимает 13 – 18% длины печи. В ней часть материала (20 – 30%) плавится, образуя на футеровке обмазку толщиной 100 – 200 мм. В жидкой фазе образуется основной клинкерный минерал – трехкальциевый силикат 3CaO·SiO2 (алит). Температура материала достигает максимального значения около 1450 С. Участок, ближе к разгрузочному концу печи, где материал охлаждается с 1450 до 1350 C (до температуры застывания расплава), по характеру происходящих физико-химических процессов следует относить к зоне спекания. В зоне спекания сжигается топливо. Максимальная температура газов достигает 1700 – 1800 С. Скорость движения материала составляет 0,6 – 0,8 м/мин, газов – около 25 м/с.

При 1300 С начинается спекание материала вследствие образования в нём расплава в количестве 20-30 % объёма начавшей спекаться массы. В начальный момент спекания в расплав переходят С3А, C4AF, MgO и СаО, в дальнейшем в нём начинает растворяться и двухкальциевый силикат C2S. При этом в жидкой фазе создаются благоприятные условия для образования основного минерала портландцемента — трёхкальциевого силиката C3S из C2S и СаО. Это соединение плохо растворимо в расплаве, вследствие чего оно выделяется из него в виде мелких кристаллов, которые в последующем могут значительно увеличиваться в размерах. Выделение из расплава C3S сопровождается понижением в нём концентрации C2S и СаО, что приводит к переходу в расплав новых порций этих веществ, оставшихся в твёрдом состоянии в общей массе материала.

Это, в свою очередь, обусловливает дальнейший ход процесса образования в расплаве и выделения из него C3S до почти полного связывания СаОсво. с C2S. Как уже отмечалось ранее, трёхкальциевый силикат выделяется из расплава вместе с небольшими количествами А1203, и MgO, образуя с ними твёрдый раствор, который называют алитом. Формулу алита иногда записывают как 54СаО·16SiO2·Al2O3·MgO (формула Джеффри).

Здесь материал нагревается примерно от 1300 до 1450 С, что способствует более быстрому усвоению СаО двухкальциевым силикатом и образованию алита. Оптимальная температура спекания зависит в основном от свойств исходных материалов, наличия в них различных примесей, тонкости измельчения и однородности смеси. Выдерживать материал при оптимальной температуре спекания нужно с надлежащей точностью, так как это в большой мере отражается на качестве клинкера: с одной стороны, увеличение продолжительности выдержки материала в зоне спекания способствует более полному усвоению СаО, что улучшает качество клинкера; с другой, — оно может вызвать чрезмерное укрупнение кристаллов алита, отрицательно сказывающееся на его свойствах. Исследования и практика производства показывают, что портландцементы с высокими физико-механическими показателями получают из клинкеров, в которых алит и белит характеризуются благоприятной кристаллической структурой, а содержание неусвоенного СаО не превышает 0,5-1 %.

Температура образования жидкой фазы и её количество зависят от тех компонентов сырья, которые в процессе обжига образуют минералы-плавни (С3А, C4AF). Однако их содержание в клинкере ограничивается, так как при повышенном их количестве прочностные характеристики и стойкость затвердевшего портландцемента ухудшаются.

Для ускорения процесса клинкерообразования, особенно при изготовлении клинкеров с высоким содержанием C3S, применяют специальные добавки-минерализаторы (фтористый кальций CaF2, кремнефтористые натрий Na2SiFg или магний MgSiF6, оксид железа в виде руды или колчеданных огарков, гипс и фосфогипс и др.). Минерализаторы не только способствуют снижению температуры спекания материала и уменьшению вязкости расплавов, но и каталитически влияют на образование C2S и C3S и формирование их кристаллов. Большой эффект даёт введение указанных фтористых солей в количестве 0,5-1 % массы клинкера. Они понижают температуру спекания на 100-150°С. Кроме того, фтористые соли способствуют уменьшению содержания щелочей в клинкере, образуя фториды, улетучивающиеся в процессе обжига вместе с дымовыми газами. Это особенно важно при производстве портландцемента из сырья с повышенным содержанием щелочных соединений. Последние, присутствуя в портландцементе в количестве более 0,8-1 %, отрицательно влияют на процессы его схватывания и твердения.

VI. Зона охлаждения занимает 2 – 6% длины печи. Материал охлаждается до 1100 – 1250 °С. Температура воздуха, подаваемого в печь из холодильника, составляет 400 – 800 °С.

Окончательное охлаждение клинкера происходит в холодильнике до температуры 80-100°С.

До температуры примерно 1300°С в нём присутствует ещё жидкая фаза и продолжается реакция усвоения СаО и образования C3S. Затем жидкая фаза застывает и спекание заканчивается.

Обычно при охлаждении клинкера с 1450 до 1300°С и ниже жидкая фаза в нём застывает частично в виде стекла, частично же при этом происходит кристаллизация из расплава С3А, C4AF, а также MgO (в виде периклаза). Степень закристаллизованности расплава зависит от скорости охлаждения материала после его выхода из зоны спекания.

Охлаждённый клинкер в основном состоит из кристаллов минералов-силикатов (алита и белита) и промежуточного вещества, в которое входят стекло, минералы-плавни (C4AF, С3А, С5А3), а также оксидов кальция и магния (в виде кристаллов). В зависимости от скорости охлаждения изменяется не только содержание стекловидной фазы, но и размеры кристаллов периклаза MgO. Медленно охлаждённые клинкеры содержат крупные кристаллы MgO (до 30-40 мкм), которые могут вызвать неравномерность изменения объёма цемента. В быстроохлаждённых клинкерах большое количество MgO остаётся в стекле, а остальная часть, переходя в мелкокристаллическое состояние (8-10 мкм), почти не оказывает отрицательного влияния на равномерное изменение объёма цемента при твердении.

Обычно из медленно охлаждённого клинкера получается цемент с пониженной активностью, что объясняется пониженным содержанием стекловидной фазы. Цемент с высоким содержанием стекла часто обладает повышенной сульфатостойкостью вследствие того, что содержание трёхкальциевого алюмината (в виде кристаллов) в нём снижается. Это следует учитывать при выборе клинкеров для изготовления сульфатостойких цементов и не ограничиваться данными о количестве С3А, получаемом расчётом по химическому составу. Цементы с повышенным содержанием стекла в клинкере характеризуются повышенной экзотермией.

После зоны спекания обжигаемый материал переходит в зону охлаждения — последний участок печи, где полученный клинкер охлаждается воздухом от 1300 С до температуры, при которой выходит из печи (1000- 1100 С).

В зависимости от характера физико-химических процессов, происходящих при нагревании сырьевого материала, печь по длине условно разделяют на 6 технологических зон.

Нумерация зон идет от холодного конца к горячему по ходу продвижения материала.

I. Зона сушки занимает 20 – 25% длины печи. В этой зоне испаряется физическая влага из шлама. Температура материала повышается от 15 – 20 °C до 170 – 200 °C. Температура газов снижается с 800 – 900 °С до 180 – 250 °С. Скорость движения жидкого шлама 4 – 6 м/мин, на участке подсушенного материала 0,8 – 1,5 м/мин. Скорость газов 7 – 8 м/с. Для интенсификации теплообмена в этой зоне устанавливают цепные завесы. При достижении определенной вязкости шлама в цепной завесе начинают образовываться гранулы. Эта зона носит название зоны критической влажности. Материал, выходящий из цепной завесы, должен иметь температуру 90 – 110 C и влажность 8 – 10%, так как при более низкой влажности резко усиливается пылеобразование и рециркуляция материала вследствие разрушения гранул. Цепная завеса занимает 18 – 20% длины печи.

Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов, имеющих значительную температуру (300-900 С). При этом начинается энергичное испарение воды, сопровождаемое постепенным загустеванием шлама. В дальнейшем, когда значительная часть воды уже испарилась, образуются крупные комья, которые затем распадаются на более мелкие частицы вследствие ухудшения связующих свойств глиняного компонента, а также разрыхляющего воздействия цепей.

II. Зона подогрева и дегидратации занимает 25 – 30% длины печи. При последующем движении по длине печи материал попадает в область более высоких температур. В этой зоне удаляется химически связанная (гидратная) влага из глинистого компонента. Реакция сопровождается поглощением теплоты q1 = 7880 кДж/кг гидратной влаги:

Al2O3·2SiO2·2H2O = Al2O3·2SiO2 + 2H2O – q1.

Температура газов на входе в зону 1100 – 1200 С. Материал нагревается до 550 – 800 С. Скорость движения материала 2 – 4 м/мин. Скорость газов до 13 м/с. В этой зоне устанавливают металлические теплообменники из жаропрочной стали.

При 400-500 С в материале выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита и других глинистых минералов с образованием каолинитового ангидрида. Удаление из глины гидратной воды сопровождается потерей пластичности и связующих свойств, что приводит к распаду образовавшихся ранее комьев материала в подвижный порошок.

III. Зона кальцинирования (декарбонизации) занимает 22 – 30% длины печи. В этой зоне протекают процессы разложения карбонатов магния и кальция.

Материал нагревается до 950 – 1100 °С. Температура газов на входе в зону 1500 – 1600 °С. Скорость движения материала 3 – 6 м/мин, газов до 16 м/с.

При 750-800°С и выше в материале начинаются реакции в твёрдом состоянии между его составляющими. Вначале они едва заметны, однако с повышением температуры материала до 1000°С и более интенсивность их резко возрастает. При 800°С в результате взаимодействия между компонентами, находящимися в твёрдой фазе, начинается сцепление отдельных частичек порошка и образование гранул разного размера. Повышению интенсивности реакций в твёрдом состоянии способствует тонкое измельчение материала и тесное смешение компонентов. При реакциях в твёрдом состоянии между карбонатом кальция и продуктами распада глинистых минералов начинают образовываться клинкерные минералы β-2СаО·Si02, СаО·А1203 и 2СаО·Fe2Os.

При 900-1000°С резко усиливается разложение карбоната кальция с образованием свободного оксида кальция СаО (своб.) и углекислого газа С02. В этой зоне печи потребление теплоты наибольшее. Это обусловлено тем, что разложение СаС03 является эндотермической реакцией, идущей с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаС03).

На участке вращающейся печи, где температура материала достигает 1000-1100 С и где основная масса СаС03 уже превратилась в СаО (своб.) и частично в C2S, СА и C2F (конец зоны кальцинирования), резко возрастает интенсивность реакций в твёрдом состоянии.

Назначение огнеупорной футеровки - изолировать стальной корпус от высоких температур внутри печи и защитить его от коррозионных свойств обрабатываемого материала, а также защита корпуса печи от истирающего воздействия обжигаемого материала.

Она может состоять из огнеупорного кирпича или литого огнеупорного бетона, или может отсутствовать в зонах печи, температура которых ниже приблизительно 250 °C. Выбор огнеупорного материала зависит от температуры внутри печи и химической природы обрабатываемого материала. В некоторых процессах, таких как производство цемента, срок службы огнеупора продлевается за счет сохранения покрытия из обрабатываемого материала на огнеупорной поверхности. 

Толщина футеровки обычно составляет от 80 до 300 мм. Типичный огнеупор способен поддерживать перепад температур между его горячей и холодной поверхностями до 1000 C. Температура корпуса должна поддерживаться ниже 350 C, чтобы защитить сталь от повреждений, а непрерывные инфракрасные сканеры используются для раннего предупреждения о "горячих точках", указывающих на разрушение огнеупора.

Факторы, влияющие на стойкость футеровки:

Высокая стойкость футеровок обеспечивается за счет создания обмазки из обжигаемого материала на поверхности кирпича. Для обеспечения образования обмазки на футеровке важное значение имеет содержание в нем низкоплавких оксидов Al₂O₃ и  Fe₂O₃.

Содержание Al₂O₃  и Fe₂O₃  в сырьевой смеси обеспечивает получение вязкой жидкой фазы, которая легко прилипает к футеровке (оптимальное содержание в материале Al₂O₃ = 3,5 - 3,7%, Fe₂O₃ = 2.6 – 2.9 %).

Содержание тугоплавкого материала SiO₂ в составе глинистых минералов не оказывает никакого влияния, т. к. при t 500 С происходит разложение минералов глины с образованием аморфных оксидов и аморфного SiO₂, который легко вступает в реакцию с оксидом кальция. Если же в материале имеется SiO2 в формекварца крупнокристаллического, который плохо вступает в реакции минералообразования, то требуется повышенная температура обжига, что снижает стойкость футеровки.

Коэффициент насыщения должен находиться в оптимальном интервале (КН=0,91).  При увеличении КН спекание сырья затрудняется и требуется более высокая температура в печи, что снижает стойкость футеровки. При пониженном КН<0,91 образуется легкоспекаемая сырьевая смесь, поэтому уменьшается длина зоны спекания и появляется избыточная жидкая фаза, что требует более стабильного режима обжига. Перегрев приводит к тому, что расплавляется обмазка, а небольшое снижение температуры может привести к выпуску брака. Поэтому в этих условиях часто возникает колебание температуры футеровки, что приводит к сколу кирпича и его разрушению.

Значение силикатного модуля тоже должно находиться в оптимальном интервале  n=2,3.

Примеси в сырьевой смеси Na₂O, K₂O=1%, MgO=2,5%  повышает стойкость футеровки.

Основные способы повышения стойкости футеровки:

1. использование качественного огнеупора;
2. качественное выполнение футеровочных работ;
3. оптимальный состав обжигаемого материала;
4. исключение резких теплосмен огнеупорной футеровки в печи;
5. оптимальный режим горения топлива (рациональный факел);
6. соблюдение рационального режима розжига печи.

Теплообменные устройства предназначены для снижения расхода топлива и должны обеспечивать:

• интенсивный теплообмен межу материалом и газовым потоком;
• рациональное продвижение материала на различных участках;
• образование и сохранение гранул материала;
• предотвращение образования колец в печи;
• пониженное сопротивление газовому потоку;
• низкий пылеунос.

После частичного высыхания шлама и достижения критической влажности материал ссыпается с цепей, при этом обеспечивается регенеративный теплообмен, когда цепь нагревается в газовом потоке в верхнем положении и отдает тепло материалу при погружении в него.

В качестве оценочных критериев цепных теплообменников применяют:

1. Способ навески: гирляндная, свободновисящая, комбинированная, коврик, шторка;
2. Длина цепной завесы;
3. Масса цепной завесы;
4. Удельная масса цепной завесы – отношение массы цепей  к массе клинкера за час;
5. Поверхность цепной завесы;
6. Удельная поверхность цепной завесы – отношение поверхности цепей к массе клинкера за час;
7. Коэффициент плотности завесы – отношение поверхности цепей к поверхности футеровки;
8. Длина цепи;
9. Просвет под цепями;
10. Вид цепей: круглозвенные, овальные;
11. Диаметр звена цепи D_ц, мм;
12. Диаметр прута цепи d_ц, мм;
13. Масса 1 м цепей, кг/м;
14. Поверхность 1 м цепей, м²/м.

При подборе схемы цепную завесу в зависимости от свойств материала делят на 3 участка: текучего, вязко-пластичного и сыпучего состояния. Первый участок в основном выполняет функцию фильтра подогревателя, т.е. улавливает пыль из газового потока и поэтому здесь следует создавать уплотненную навеску. На втором участке для снижения газодинамического сопротивления завесы и предотвращения образования колец необходимо ускорять движение материала и поэтому навешивать тяжелые крупнозвенные цепи с d_ц≈30 мм и D_ц≥ 120 мм под небольшим углом (45-50 градусов) к оси печи. На третьем участке в области сыпучего материала для интенсификации теплообмена и увеличения срока службы цепей следует замедлять его движение путем увеличения угла линии навески до 70 градусов и создания подпора материала с помощью «шторок». Это обусловлено тем, что в области регенеративного теплообмена при малом слое и времени пребывания цепи в нем она не успевает отдать необходимое тепло материалу и перегревается в газовом потоке. Если же шлам не склонен к образованию гранул, то из-за пониженного теплообмена в свободной части печи, на участке от цепей до зоны спекания можно нагреть его не на ~1200 С, как в предыдущем случае, а всего на ~900 С.

Преимущество гирляндной завесы заключается в более интенсивном теплообмене, пониженном расходе цепей и способности формировать гранулы. Недостатком является ограниченный коэффициент плотности (k_F ≤ 4), сложность навески и эксплуатации. При обрыве нескольких концов цепи спутываются, образуют комья и вследствие того, что они не опускаются в материал, исключаются из теплообмена. Преимущество свободновисящей завесы заключается в простоте навески, возможности создавать большую плотность, пониженном газодинамическом сопротивлении и возможности регулировать скорость движения материала в ней. Недостатками являются пониженный теплообмен, большая масса и предотвращение грануляции материала.

Вращающиеся печи выполнены в виде трубы с соотношением длины к диаметру ≈37. Вращающаяся печь имеет наклон от 2,5 до 4,5%. Привод вращает печь вокруг своей оси со скоростью от 0,5 до 4,5 оборотов в минуту. Сочетание наклона и вращения трубы приводит к медленной транспортировке материала по ней. Время нахождения материала в печи от 2 до 2.5 час.

Все длинные и некоторые короткие печи оснащены внутренними теплообменными устройствами для улучшения теплопередачи и продвижения влажного материала.

В качестве внутренних теплообменных устройств во вращающихся печах применяют металлические цепные завесы, а также ячейковые теплообменники различных конструкций. В печах мокрого способа производства для обезвоживания шлама влажностью 35—45 % применяют цепные завесы, обладающие развитой поверхностью, способствующие не только испарению влаги, но также транспортированию материала и предотвращению образования шламовых колец внутри корпуса печи.

При вращении печи на начальном участке цепи покрываются пленкой шлама, которой непосредственно передается тепло от газового потока конвекцией. По мере сушки шлам постепенно теряет способность налипать на элементы теплообменных устройств, которые в этом случае выполняют функции регенераторов, воспринимая тепло от газов и передавая его материалу. В районе расположения теплообменных устройств продвижение материала вдоль корпуса печи замедляется, вследствие чего повышается заполнение печи материалом, а также увеличивается поверхность теплообмена. В то же время улучшается перемешивание материала, в результате чего выравнивается его температура по объему и по сечению печи, увеличиваются разности и перепад температур между газами и обжигаемым материалом, материалом и поверхностью теплообменников, что также способствует интенсификации теплообмена.

Цепная завеса положительно влияет не только на теплообмен материала, но и на образование пыли и ее улавливание, так как в той зоне, где цепи покрыты слоем влажного шлама, на них оседает большая часть пыли, содержащаяся в газовом потоке. Таким образом,  цепная завеса является одновременно и пылеулавливателем.
Существуют различные способы навески цепей: свободновисящая и гирляндная. Если цепи крепятся к корпусу печи одним концом, то такая завеса является свободновисящей, а если двумя концами – гирляндной. Выбор вида навески определяется свойствами сырья. Если шлам способен создавать гранулы и сохранять их по всей печи, то рекомендуется гирляндная завеса. Если же сырье не способно к грануляции, то предпочтение имеет свободновисящая завеса. Это обусловлено тем, что после цепей в свободной части печи теплопередача от газового потока к материалу для гранул приблизительно на 25% выше, чем для пылевидной фракции. Поэтому в этих условиях навешивается трехзаходная перекрещивающаяся гирляндная завеса, способствующая образованию гранул, и на выходе из цепей поддерживается температура материала ~95ºС и влажность ~5%.