Закрытое акционерное общество «Урал-Омега»
+7 (499) 704-48-08
+7 (3519) 22-00-49
+7 (499) 704-48-08
+7 (3519) 22-00-49

Гранулометрический состав портландцементов центробежно-ударного измельчения

А.В. Артамонов, к.т.н., М.С. Гаркави, д.т.н., проф., Магнитогорский ГТУ, В.Н. Кушка, инж, ЗАО «Урал-Омега»

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОРТЛАДЦЕМЕНТОВ ЦЕНТРОБЕЖНО-УДАРНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Традиционно измельчение клинкера и добавок в России проводят в шаровых мельницах, 90% которых работает по открытому циклу. Это помольное оборудование, эксплуатируемое на цементных заводах, является не только изношенным физически, но и давно устарело морально. По этой причине качество цемента, зависящее от его зернового состава, является нестабильным. По данным НИИЖБа [1] из 70 проб цементов различного производства, представленных для испытания, 48 проб показали превышение прочности, а 22 не соответствовали заявленной марке, В/Ц цементов отечественного производства колеблется от 0,34 до 0,4.

Кроме того, средний уровень удельных затрат энергии на измельчение цемента в шаровых мельницах, работающих без сепаратора, является недопустимо высоким и составляет около 50 КВтч/т.

Технологические разработки, направленные на решение перечисленных выше проблем, известны: модернизация пространства шаровых мельниц, применение высокоэффективных сепараторов, установка прессвалкового измельчителя, использование роликовой и вертикальной валковой мельниц.

Измельчительные комплексы КИ на основе центробежно-ударной мельницы МЦ хорошо зарекомендовали себя при измельчении материалов различной плотности (1,5-4 г/ см3) и твердости (1-9 единиц по шкале Мооса). В настоящее время в России и странах СНГ находится в эксплуатации более 30 измельчительных комплексов по производству тонких порошков для различных целей. Однако возможность применения таких мельниц в качестве измельчителей клинкера являлась до настоящего времени не изученной.

Принцип работы МЦ заключается в ускорении частиц материала механическим путем и ударе их о преграду. Оригинальным элементом центробежной мельницы (рис. 1) является разработанный совместно с НПО «Центр» и запатентованный воздушный опорный узел - газостатическая опора, которая обеспечивает техническое совершенство и технологические возможности оборудования [2]. Газостатическая опора представляет собой две полусферы, которые под давлением воздуха, нагнетаемого вентилятором 1, расходятся и образуют "газовый подшипник". Опорная часть подшипникового узла (статор 2) неподвижна. На динамической части узла (роторе) закреплен ускоритель частиц 3 и шток крепления карданного вала, которые приводятся во вращение электродвигателем 4. В газостатической опоре отсутствует механическое взаимодействие элементов системы, и, следовательно, вибрация. Применение такого элемента позволило увеличить максимальную линейную скорость вращения ускорителя частиц до 100 м/с.

Рис. 1. Центробежная мельница МЦ

Исходный продукт через загрузочную воронку (5) попадает в быстровращающееся разгонное устройство, где материал приобретает высокую скорость. Получив необходимую кинетическую энергию, он измельчается за счет свободного удара о бронефутеровку 6 и вследствие взаимного соударения частиц.

Измельченный материал подхватывается воздушным потоком и направляется во встроенный классификатор 7. В нем материал разделяется на два класса: крупку и готовый продукт. Крупка возвращается по наклонному трубопроводу в центр ускорителя, а готовый продукт осаждается далее в циклонах.

Тонкость помола готового продукта оперативно регулируется скоростью вращения ускорителя частиц, углом наклона лопаток сепаратора и скоростью движения воздушного потока.

При помоле клинкера Магнитогорского цементно-огнеупорного завода совместно с гипсовым камнем в полупромышленной центробежно-ударной мельнице (лаборатория ЗАО «Урал-Омега») достигается экономия энергозатрат в зависимости от режима ее работы на 10-30% по сравнению с трубной мельницей 2,6Х13, работающей по открытому циклу. Расходы на замену изнашиваемых деталей в МЦ (ускорителя, отбойных плит) 2 раза ниже в денежном выражении по сравнению с заменой мелющих тел и бронефутеровки в шаровой мельнице. Возможность получения цемента по данной энегосберегающей технологии потребовала изучения его зернового состава.

С целью определения всего спектра зерновых составов цемента, которые возможно получить в центробежно-ударной мельнице, был выполнен полный двухфакторный эксперимент согласно [3]. Из всех факторов, оказывающих влияние на процесс измельчения, были выделены 2 наиболее значимых: угол наклона лопаток сепаратора a, регулирующий направление воздушного потока в сепараторе; угол наклона воздушной заслонки β, изменяющий скорость движения воздуха в камере измельчения. От этих факторов зависит время пребывания материала в мельнице, и, соответственно зерновой состав продукта.

Рис. 2. Схема измельчения материала в мельнице МЦ

Исходя из априорной информации и возможностей оборудования, были назначены уровни варьирования факторов. Для угла наклона лопаток сепаратора a - 20-80 град и 0-90 град для угла наклона воздушной заслонки β. Причем при 0 град наклона заслонки обеспечивается минимальная скорость движения воздуха в камере измельчения, а при 90 град – максимальная.

Гранулометрический состав цементов определялся лазерным гранулометром «Mastersizer». Характеристиками зернового состава приняты: содержание различных фракций, параметры Xe и n зернового распределения по уравнению Розина-Раммлера. В результате эксперимента были получены адекватные математические модели которые могут использоваться для прогнозирования зернового состава цемента при различных значениях факторов, а также для назначения технологических режимов измельчения при получении цементов заданного зернового состава.

Исходя из полученных уравнений регрессии построены линии равного уровня, представленные на рис. 3-7.

Рис. 3. Содержание частиц размером 0-5 мкм, %

Рис. 4. Содержание частиц размером 5-30 мкм, %

Рис. 5. Содержание частиц размером более 30 мкм, %

Рис. 6. Параметр n

Рис. 7. Параметр Xe

Из рис. 3-5 следует, что с увеличением угла наклона лопаток сепаратора и при уменьшении угла наклона воздушной заслонки растет содержание частиц размером 0-5 и 5-30 мкм, а содержание частиц размером более 30 мкм – уменьшается.

Параметр Xe (рис 7) убывает, что свидетельствует об увеличении дисперсности частиц. Параметр n характеризует рассеяние частиц по крупности и его увеличение указывает на то, что зерновой состав продукта становится более узким.

Восходящий воздушный поток, проходя через лопатки сепаратора, изменяет свое направление и происходит его завихрение. С увеличением угла наклона лопаток сепаратора, воздушный поток изменяет свое направление в большей степени. При этом увеличивается центробежная сила, действующая на частицы, и возрастает их количество, направляемое на повторное измельчение. Этим объясняется увеличение дисперсности материала при увеличении угла наклона лопаток сепаратора. При открытии воздушной заслонки (увеличении угла наклона β) возрастает скорость движения воздуха в камере измельчения, увеличивается подъемная сила воздушного потока, действующая на частицы. По этой причине большее количество крупных частиц попадает в готовый продукт, который становится более грубым. Воздушный поток также проходит через зону измельчения, изменяя траекторию движения частиц, которые движутся от разгонного устройства к бронеплите. Поэтому при увеличении угла наклона воздушной заслонки характеристики зернового состава ухудшаются.

Из рис. 3-7 следует, что зерновой состав цемента можно варьировать в широких пределах. В частности, содержание средней и крупной фракций цемента может соответствовать рекомендациям А.Н. Иванова-Городова по зерновому составу обычных портландцементов. Содержание фракции 0-5 мкм должно составлять около 20% для рядовых портладцементов, и менее 15% для цементов, предназначенных для службы в условиях многократного замораживания и оттаивания при переменном уровне воды. Таким образом, цементы центробежно-ударного измельчения соответствуют по зерновому составу цементам, используемым в гидротехническом строительстве.

Результаты исследований Г.А. Новгородцева, Б.Э. Юдовича и др. показали, что для обеспечения высокой марки цемента необходимо содержание в его составе от 30 до 70% зерен размером 5-30 мкм. Как следует из рис. 4, в цементе центробежно-ударного измельчения содержание частиц фракции 5-30 мкм может быть более 60%. По этому показателю исследуемые цементы можно отнести к высокопрочным.

Следует отметить, что цементы, полученные в МЦ, обладают более узким зерновым составом (n=1,1-1,4) по сравнению с цементами, полученными в шаровой мельнице. Известно, что при измельчении в трубной мельнице по открытому циклу параметр n составляет 0,85-1,1, а при работе с сепаратором редко достигает 1,2.

Цементы, полученные в МЦ, отличаются от цементов, измельченных в шаровых мельницах, не только зерновыми составами, но и формой частиц. На поверхности частиц цемента размером 30-80 мкм из шаровой мельницы находятся частицы размером 1-2 мкм. Наблюдается высокое содержание агрегатов. Различия в форме частиц и содержании агрегатов для цементов различных способов помола объясняется различными измельчающими воздействиями, происходящими в мельницах: частицы клинкера в центробежно-ударной мельнице измельчаются почти исключительно путем свободного удара, а в трубной мельнице преобладает стесненный удар и истирание. Микроскопический анализ показал, что частицы цемента центробежно-ударного измельчения обладают высокой дефектностью, наблюдаются острые грани. Частицы более однородны по форме, что предотвращает их агрегацию и может способствовать снижению водопотребности бетонных смесей и строительных растворов.

Подводя итоги сказанному, следует отметить основные особенности зернового состава цементов центробежно-ударного измельчения, заключающиеся в следующем:

1) пониженное содержание частиц размером 0-5 мкм на 8-15%;

2) высокое даже для высокопрочных цементов содержание частиц средней фракции (5-30 мкм);

3) низкое содержание частиц крупной фракции (>30 мкм);

4) узкий зерновой состав.

Литература:

  • Малинина Л.А. Влияние нестабильности качества цемента на качество бетона // Сб. докл. 3 научн. чтений по цементу «Современный цементный завод», - М.: Академический научно-техн. центр «Алит», 2006. -С. 75-82.
  • Артамонов В.А., Бороха Э.Л., Бородавко В.И., Воробьев В.В., Горобец А.В., Иванова Е.Н., Козин А.Ю. Вертикальная роторная установка с газостатическим опорным узлом. А.с. 2236904 РФ // Опубл. 27.09.2004 Б.И. № 13. С. 44.
  • Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976.-279 с.
Скачать статью () в PDF