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

Пресса о нас

Цементы центробежно-ударного измельчения

Цемент и его применение

( www.cemcom.ru)

10 Августа 2013

И.С. Хрипачева, инженер, кандидат техн. наук,

М.С. Гаркави, профессор, докт. техн. наук,

А.В. Артамонова, инженер,

К.М. Воронин, доцент, канд. техн. наук, ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Г.И. Носова"

А.В. Артамонов, гл. технолог, канд. техн. наук, ЗАО "Урал-Омега"

 

В настоящее время одним из основных направлений развития цементной промышленности является разработка эффективных путей экономии топливно-энергетических ресурсов. К этой проблеме относится также вопрос рационального использования сырьевых и вторичных материалов промышленности, применяемых при производстве вяжущих веществ.

На протяжении многих лет исследователи стремятся заменить часть дорогостоящего клинкера на наиболее дешевые и доступные минеральные компоненты, а зачастую и вовсе избежать его применения. Использование бесклинкерных, малоклинкерных и смешанных вяжущих является актуальной задачей в связи со значительным снижением материало- и энергоемкости производства, а также возможностью получать материалы с рядом специфических свойств.

Наиболее изученными и предпочтительными в строительной индустрии являются такие минеральные компоненты неорганического состава как зола уноса, измельченный гранулированный доменный шлак, природные пуццоланы и микрокремнезем [1-5]. В то же время в отвалах металлургических заводов страны накоплен значительный запас такого ценного вторичного минерального сырья для производства строительных материалов, как сталеплавильные шлаки, применение которых в цементной промышленности затруднено из-за недостаточной изученности их свойств и невысокой гидравлической активности таких шлаков вследствие того, что фазы С2S находятся в закристаллизованном состоянии [6].

Многолетними исследованиями установлено, что на гидравлическую активность металлургических шлаков влияют такие факторы как минеральный состав, условия охлаждения и химическая активизация. Но и удельная поверхность и зерновой состав шлаков в значительной степени определяют свойства вяжущих на их основе. Однако повышение активности шлака связано не только с высокой удельной поверхностью, но и с наибольшей плотностью дислокаций и концентрацией дефектов на поверхности мелких частиц. С ростом дефектности частиц происходит переход в неравновесное состояние, что приводит к снижению химической устойчивости и интенсификации целого ряда физико-химических процессов, в том числе и гидратационной активности шлаковых минералов [7]. Поэтому измельчение материалов нельзя рассматривать только как изменение размера частиц. Это сложный физико-химический процесс увеличения потенциальной энергии вещества и повышения его химической активности вследствие увеличения поверхностной энергии и энергии внутреннего строения.

В результате измельчения материала поверхность зерен содержит множество дефектов в виде субмикро- и микротрещин. Разрушение зерен в начале гидратации происходит и развивается на дефектах, а также сопровождается движением дислокации. Скорость движения дислокации определяется физической и химической природой поверхности минералов, границами их фаз, содержанием в кристаллах примесных элементов. В свою очередь, рост трещины эквивалентен непрерывному распределению дислокаций в объеме твердой фазы. Частицы шлака с дефектами находятся в состоянии более высокой энергии взаимодействия при гидратации, чем совершенные по структуре минералы [8]. Количество и концентрация дефектов зависит от способа механического воздействия на материал, то есть от способа измельчения.

В настоящее время существует множество вариантов помольного оборудования: шаровые, валковые, струйные, роторно-центробежные, центробежно-ударные, вибрационные мельницы, дезинтеграторы и т.д. Элементарные акты измельчения материала осуществляются созданием в частицах предельных напряжений сдвига путем сдавливания, удара или среза. Кинетическая энергия сообщается либо непосредственно мелющим телам (молотковые, щековые дробилки, центробежно-ударные, дезинтеграторные мельницы), либо корпусу мельницы, от которого она предается свободным шарам, стержням или кускам материала посредством трения, центробежного эффекта и с использованием сил тяжести (вращающиеся шаровые и стержневые мельницы самоизмельчения, отражательные дробилки) или инерционных сил (вибрационные и планетарные мельницы). Любой способ измельчения обладает теми или иными недостатками, поэтому его выбор должен осуществляться с учетом конкретных целей, свойств измельчаемого материала, требований готовой продукции и мощности и назначения предприятия.

Наиболее эффективным вариантом для помола материалов разной степени абразивности и твердости является центробежно-ударное измельчение с использованием центробежно-ударных мельниц [9, 10], в которых совмещены две высокоэффективные системы: центробежно-ударного измельчения и воздушной классификации. За счет удаления из рабочего органа готового продукта, удовлетворяющего заданному условию крупности, сразу после его измельчения не происходит переизмельчение материала, и снижается энергоемкость процесса. Мельницы обладают высокой энергонапряженностью и большой скоростью распределения ударной волны в материале, которые уменьшают релаксацию напряжений в частицах материала и повышают концентрацию статических дефектов (т.е. сохраняющихся постоянно в активированной структуре), а так же степень сохранности динамических (вносимых на некоторое время и затем релаксирующихся) дефектов структуры [11-13].

Измельчение в центробежно-ударной мельнице основано на механическом разгоне частиц и ударе их о неподвижную преграду (рисунок 1). Частицы материала измельчаются почти исключительно путем свободного удара о бронеплиты. Однако возможно и истирание, взаимное соударение частиц в воздушном потоке при их движении в ускорителе мельницы и от ускорителя к бронеплите. Совокупность таких измельчающих воздействий сказывается на форме частиц получаемого порошка. Частицы обладают высокой дефектностью, а также более однородны по форме, что предотвращает их агрегацию (рисунок 2). За счет изменения скорости и направления движения воздушных потоков имеется возможность регулирования размера частиц получаемого материала [9].

 

Рисунок 1  – Схема измельчения материала

 

          Частицы цемента под микроскопом после трубной мельницы 

а)                                                  б)

Рисунок 2 - Частицы цемента под микроскопом:

а) - центробежно-ударная мельница; б) - трубная мельница

Учитывая различные подходы в отношении механоактивационных способов увеличения гидратационной активности материалов, было решено проверить возможность увеличения их активности помолом в измельчителе центробежно-ударного действия и изучить строительно-технические свойства полученных вяжущих.

Было сделано предположение, что применение энергонапряженных измельчителей позволит перейти на производство новых композиционных цементов с частичной заменой клинкерной составляющей электросталеплавильными шлаками, а также освоить производство бесклинкерных вяжущих веществ, таких как шлакощелочные цементы.

В качестве исходного сырья для получения композиционных цементов и шлаковых вяжущих центробежно-ударного измельчения в работе использовали:

1) клинкер Магнитогорского цементно-огнеупорного завода (МЦОЗ) следующего химического состава (в процентах по массе) : SiO2 - 20,6; Al2O3 - 5,4; Fe2O3 - 3,9; CaO - 60,1; MgO - 4,4; SO3 - 2,8; коэффициент насыщения КН=0,94; силикатный модуль СМ=1,93, глиноземистый модуль ГМ=1,35. Минералогический состав (в процентах по массе): С3S - 62,5; С2S - 9,4; С3A - 8,2; С4AF - 13,2.

2) гипсовый камень Дубининского месторождения.

3) шлаки электросталеплавильного производства: стабилизированный введением борсодержащей добавки (ШСБ), стабилизированный по клинкерной технологии быстрым охлаждением (ШСХ).  Химический состав шлаков приведен в табл. 1.

Таблица 1 – Химический состав шлаков

Вид шлака

Массовая доля компонентов, %

Mo

Ma

Kk

SiO2

Fe2O3

CaO

MgO

TiO2

R2O

Al2O3

SO3

S-

Cr2O3

MnO

CaOсв

ШСХ

25,0

0,6

44,9

12,9

0,22

0,75

14,3

0,6

0,05

0,02

0,1

0,308

1,47

0,57

2,46

ШСБ

23,0

0,7

41,4

9,1

0,52

0,65

22,5

0,5

0,02

0,06

0,15

0,53

1,11

0,98

3,1

4) В качестве активизатора шлаков при изготовлении шлакощелочных вяжущих использовали водный раствор натриевого жидкого стекла Na2O·nSiO2  плотностью 1200 кг/м3 с силикатным модулем Мс=2,93.

Определение активности используемых шлаков по методу поглощения извести показало, что используемые шлаки являются малоактивными минеральными добавками [14]. Количество поглощенной извести CaO на 1 г добавки за 30 суток составило 35 и 40 мг для шлаков ШСХ и ШСБ соответственно. То есть данные шлаки имеют слабую склонность к неактивированному твердению.

В качестве исходных составов композиционных цементов, которые были получены совместным помолом клинкера, гипсового камня и шлаков в шаровой и центробежно-ударной мельнице (ЦУМ), приняты составы с содержанием шлаков ШСХ и ШСБ в количестве 15%.

Шлакощелочные цементы получены путем затворения измельченных в ЦУМ шлаков ШСХ и ШСБ водным раствором натриевого жидкого стекла Na2O·nSiO2.

Сравнительный анализ компонентов вяжущих, измельченных в различных мельницах, показал, что они существенно различаются по удельной поверхности (табл. 2).

Таблица 2 - Удельная поверхность материалов

Материал

Вид измельчения

Шаровой

Центробежно-ударный

Величина удельной поверхности (см2/г),

определенная методом

Величина удельной поверхности (см2/г),

определенная методом

воздухопроницаемости

сорбции азота

воздухопроницаемости

сорбции азота

ПЦ+15% ШСХ

3241

5629

1539

11400

ПЦ+15% ШСБ

3458

7358

1688

12100

ШСХ

3675

8496

1829

13550

ШСБ

3559

7956

1781

12980

 

 

Цементы, полученные в ЦУМ, обладают более узким зерновым составом. Это означает, что частицы цемента сосредоточены в более узком диапазоне размеров. Более узкий зерновой состав предопределяет содержание частиц в различных фракциях. Содержание частиц средней фракции (0-30 мкм) в цементах, полученных в ЦУМ, выше, а содержание частиц мелкой (0-5 мкм) и крупной (>30 мкм) фракций ниже по сравнению с цементами трубного помола. Содержание частиц размером 0-5 мкм определяет удельную поверхность [9]. Поэтому цементы, полученные в трубной мельнице, обладают большей удельной поверхностью, определяемой методом воздухопроницаемости (по Блейну).

Однако удельная поверхность по методу сорбции азота (методу БЭТ) этих материалов, измельченных в центробежно-ударной мельнице, значительно выше, чем у аналогов, полученных в шаровой мельнице. Это свидетельствует о высокой дефектности частиц и связанной с ней концентрацией поверхностных активных центров. Таким образом, измельчение в центробежно-ударной мельнице компонентов композиционных цементов и шлаковых вяжущих способствует увеличению их реакционной способности.

Этот вывод подтверждается данными на рисунке 3, из которых следует, что при прочих равных условиях, активность композиционного и шлакощелочного цемента, компоненты которых измельчались в центробежно-ударной мельнице, превышает активность цементов, измельчаемых в шаровой мельнице.

Влияние способа измельчения компонентов на активность композиционного цемента  Влияние способа измельчения компонентов на активность шлакощелочного цемента

а)                                                                                 б)

Рисунок 3 – Влияние способа измельчения компонентов на активность цементов:

а) композиционного; б) шлакощелочного

Свойства исследуемых шлаковых вяжущих на основе шлаков ШСХ и ШСБ, активизированных натриевым жидким стеклом, и композиционных цементов приведены в таблице 3. При этом для замедления сроков схватывания шлакощелочных цементов в систему дополнительно вводилась щелочь NaOH в количестве 6%, которое необходимо для достижения значений начала схватывания, установленного стандартом, не ранее 45 мин. Увеличение сроков схватывания обусловлено замедлением химического взаимодействия иона кремниевой кислоты с оксидом кальция и последующего образования нерастворимых гидросиликатов кальция.

Таблица 3 – Строительно-технические свойства цементов

Вид шлака

НГ, %

Равномерность изменения объема

Сроки схватывания, мин

Предел прочности при различных условиях твердения, МПа

Нач.

Кон.

ТВО

ТВО+27

н.у.

Изг.

Сж.

Изг.

Сж.

Изг.

Сж.

Композиционные цементы

ШСХ

30

выдержал

95

240

6,1

27,6

5,5

28,6

6,2

46,9

ШСБ

31

выдержал

45

140

5,9

28,6

4,7

26,3

6,1

56,9

Шлакощелочные цементы

ШСХ

38

выдержал

55

112

2,3

12,1

3,7

22,4

4,1

19,9

ШСБ

36

выдержал

46

98

4,9

22,1

5,2

35,3

6,1

31,3

Кинетика твердения вяжущих из образцов шлакопесчаного раствора состава 1:3 представлена на рисунке 4.

 кинетика набора прочности композиционного цемента кинетика набора прочности шлакощелочного цемента

Рисунок 4 - Кинетика набора прочности цементов:

а) - композиционного; б) - шлакощелочного

Из приведенных в таблице 3 и рисунке 4 данных следует, что композиционные и шлакощелочные цементы, изготовленные с применением шлака ШСБ имеют более высокие прочностные характеристики. Это объясняется, по-видимому, тем, что при внедрении в решетку C2S ионов бора происходит значительная деформация, изменяется структура, повышается степень разупорядоченности кристаллов двухкальциевого силиката, что способствует увеличению его гидравлической активности и обуславливает более высокие показатели прочности цементов.

Таким образом, проведенные исследования и полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что центробежно-ударное измельчение высокоэффективно для получения композиционных и шлаковых цементов.

Литература

  1. Пинаев В.Е. Опыт экономически развитых стран в использовании промышленных твердых отходов // Электронный журнал «Исследовано в России», 1434-1452 – (http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2004/132.pdf.)
  2. Тейлор, X. Химия цемента ; М.: Мир, 1996. -560 с.
  3. Рахимова Н.Р., Рахимов Р.З. Использование доменных шлаков и боя керамического кирпича в производстве шлакощелочных вяжущих. - Экология и промышленность России, 2008. - №4. - С. 10-12.
  4. Строителева А.Ф., Серенко Е.А. Влияние условий твердения на оптимальное количество золы при замене песка и на микроструктуру цементных бетонов. Известия Петербургского университета путей соообщения, 2006. - №3. - С.126-132
  5. Брыков А.С., Камалиев Р.Т., Корнеев В.И., Мокеев М.В. Влияние ультрадисперсных кремнеземов на гидратацию портландцемента и состав цементного камня. Цемент и его применение, 2009. - №1. - С.91-93
  6. Дмитриев A.M. ,Тимашев В.В. Теоретические и экономические основы технологии многокомпонентных цементов.-  Цемент, 1981. -№10. - С. 1-3.
  7. Молчанов В.И., Селезнева О.Г., Жирнов Е.Н. Активация минералов при измельчении. М.: Недра, 1988. 208 с.
  8. Комохов П.Г. Механико-энергетические аспекты процессов гидратации, твердения и долговечности цементного камня // Цемент. 1987. № 2. С. 20-22.
  9. Артамонов А.В. Цементы центробежно-ударного измельчения и бетоны на их основе : Дис. ... канд. техн. наук : 05.23.05 Магнитогорск, 2005. 128 с.
  10. Клекнер Х.П., Кюне Б. Испытанная технология помола шлака. Цемент и его применение, 2005. - № 5- С.30-34
  11. Гаркави М.С.,Воробьев В.В., Кушка В.Н., Свитов B.C. Оборудование для подготовки инертных материалов при производстве сухих строительных смесей. Цемент и его применение, 2003. - № 1.
  12. Реальность производства I группы щебня по форме зерна / А.И. Гущин, Г.А. Косян, В.А. Артамонов, А.Ю. Козин, В.Н. Кушка // Строительные материалы, 2002. - № 2 - С. 4 – 5.
  13. Хетагуров В. Н. Центробежная мельница вертикального типа для производства минеральных порошков / В. Н. Хетагуров, Е. С. Каменецкий, М. В. Гегалашвили. - С.35-37.
  14. Бутт Ю.М., Тимашёв В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов.- М.: Высшая школа, 1973.- 504 с.
Статья в формате PDF

Другие публикации:

  • Сухие строительные смеси

    (www.buildmix.ru)

    25 Февраля 2015

    Технологии изготовления поверхностно модифицированных минеральных порошков с использованием центробежно-ударных измельчителей

    Применение для получения минеральных наполнителей центробежно-ударных мельниц в сочетании с жидкими химическими модификаторами позволяет создавать поверхностные наноструктуры с заданными характеристиками и, тем самым, управлять свойствами тонкодисперсных продуктов.

    Статья в формате PDF
  • Мир дорог

    (www.sajek.ru)

    20 Сентября 2014

    Круглый стол по ДСО

    На страницах жернала "Мир дорог" состоялся очередной круглый стол по актуальным вопросам в области дробильно-сортировочного оборудования. На вопросы отвечали ведущие специалисты компаний-лидеров отрасли, в их числе компания ЗАО "Урал-Омега". Диалог с читателями и конкурентами на страницах журнала вел Дмитрий Пьянзин - начальник отдела продаж ЗАО "Урал-Омега".

    Статья в формате PDF
  • Золото и технологии

    (www.zolteh.ru)

    18 Июня 2014

    Влияние способа дезинтеграции руды на извлечение благородных металлов

    Ударный способ разрушения минералов заключает в себе огромный резерв повышения производительности обогатительного оборудования, повышение качества конечной продукции, снижение энерго- и материалоемкости процессов обогащения. Приведенные в статье данные обосновывают интерес золоторудных предприятий к ударному измельчению руды, которое позволяет раскрыть ее полезные компоненты на большей крупности, еще на стадии дробления, существенно снизить операционные затраты на рудоподготовку и подойти к разработке месторождения на другом технико-экономическом уровне.

    Статья в формате PDF