Сырьевые материалы для производства клинкера
Сырьевые смеси для изготовления клинкера подразделяются на следующие, в зависимости от числа входящих в их состав материалов (компонентов): двухкомпонентные, трехкомпонентные, четырехкомпонентные.
Двухкомпонентная смесь составляется из двух исходных материалов: известняка, карбонатной горной породы, и глины.
Трехкомпонентная сырьевая смесь включает три вида сырьевых материалов: известняк, глину и корректирующую добавку. В качестве последней применяют вещества с высоким содержанием одного из окислов, которого оказывается недостаточным при использовании только двух основных компонентов (известняка и глины). Если недостает кремнезема, то применяют трепел, песок и другие вещества с высоким содержанием SiO2; при недостатке глинозема применяют бокситы или глину и другие высокоглиноземистые вещества, например алюминиевые шлаки; недостаток окиси железа компенсируется добавкой железной руды, колчеданных огарков, колошниковой пыли.
Четырехксмпонентная смесь состоит из двух основных сырьевых материалов и двух видов корректирующих добавок. Такую смесь применяют при недостаточном количестве в сырье одновременно двух окислов, например кремнезема и окисла железа. В этом случае шихта составляется из четырех компонентов: например известняка, глины, трепела и руды.
Таким образом, независимо от компонентности омеси основными составляющими ее являются карбонатные горные породы и глинистые породы с высоким содержанием кремнезема, а также содержащие глинозем, окислы железа и др.
В отдельных случаях, когда имеется возможность, два основных компонента — известковый и глинистый, заменяют одним — мергелем, представляющим природную смесь глинистых веществ и углекислого кальция.
Наряду с сырьевыми материалами природного происхождения цементная промышленность,все более начинает использовать для своих целей вторичное сырье — отходы промышленности. К этим искусственным сырьевым материалам в первую очередь следует отнести металлургические шлаки, топливные золы, нефелиновый шлам.
В зарубежной практике в качестве известкового компонента используют отходы производства щелочей, сернокислого аммония.
Имеется также опыт использования отходов при получении серной кислоты из сернокислого кальция.
Пригодность сырьевых материалов устанавливается на основании их всестороннего технологического изучения и технико-экономического анализа вопросов, вытекающих из организации цементного производства в данном районе (способ производства, вид топлива, качество цемента).
Карбонатные породы в природе встречаются в виде известняков, мела, известкового туфа, известняка-ракушечника и мрамора. Все приведенные разновидности карбонатных пород находят применение в портландцементном производстве, за исключением мрамора.
Наиболее применимы известняки и мел, представляющие собой осадочные горные породы. Осадочное происхождение известняков и мела обусловливает разнообразие их химического состава и физических свойств.
Химически чистый углекислый кальций содержит 56% СаО и 44% СO2. Но таких известняков в природе нет. Наряду с СаС03 природные известняки содержат кремнезем, глинозем, окиси железа, окись магния и др.
Плотность и прочность карбонатных пород колеблются в значительных пределах, от весьма .плотных известняков с кристаллической структурой, прочностью 1500—2000 кгс/см2, до мягких, рыхлых пород — мела, способного размокать в воде.
Физические свойства карбонатных пород, предназначенных для портландцементного производства, учитываются при выборе схемы приготовления сырьевой смеси (по мокрому или сухому способу).
Технические условия на карбонатные породы для производства портландцемента стандартом не установлены. На основании
практического опыта карбонатные породы признаются удовлетворительного качества при следующем химическом составе:
СаО — в них должно содержаться не менее 40—43,5%;
MgO — не более 3,2—3,7% при содержании окиси магния в глинистом компоненте не более 1% или из расчета получения клинкера для портландцемента с содержанием MgO не более 5%)- Количество Si02; A1203; Fe203 в сочетании с содержанием их в глинистом компоненте должно обеспечивать получение необходимых значений коэффициента насыщения, кремнеземного и глиноземного .модулей в сырьевой смеси и клинкере. Желательно, чтобы сумма Na2O и К2О не превышала одного процента, а содержание SO3 было не больше 1,5—1,7%.
Глинистые породы для цементного производства используют в виде легкоплавких глин, глинистого мергеля, глинистого сланца, лёсса.
Глины представляют собой тонкоразмельченные горные породы, легко размокающие при затворении их водой. Легкоплавкие глины имеют разнообразный минералогический и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения. Нередко глины содержат значительное количество грубых включений обломков горных пород в виде песка, щебня и гальки, что вызывает необходимость их тщательного предварительного обогащения.
Минералогический состав глин представлен водными алюмосиликатами, например каолинитом, и кварцевыми соединениями, преимущественно в виде кварцевого песка. Химический состав легкоплавких глин характеризуется в основном тремя окислами: кремния (55—80%), алюминия (5— 20%) и железа (3—15%). В небольшом количестве могут содержаться в глинах СаО и MgO, хотя в отдельных разновидностях глин содержание окиси кальция может достигать 25%, а окиси магния — 5%.
Присутствуют в глинах и растворимые соли, содержащие SO3, Na2O и К2O. Эти примеси, а также MgO являются нежелательными, и их содержание в глинах, используемых для производства портландцемента, должно быть по возможности минимальным.
Мергели являются переходной горной породой от известняков к глинам и представляют собой природную смесь глинисто-песчаных веществ (20—50%) и мельчайших частиц углекислого кальция (50—80%). В зависимости от содержания Са2С03 и глинисто-песчаного вещества мергели разделяются на песчаные, глинистые и известковистые.
Наиболее ценным сырьем является известковистый мергель, содержащий примерно 75—80% СаСО3 и 20—25% глины. По химическому составу твердых компонентов он близок клинкеру, что значительно упрощает производство из него портландцемента. Мергели, в которых содержание СаСО3 соответствует искусственно составленной портландцементной сырьевой смеси, называются «натуральными».
По физическим свойствам мергели, подобно карбонатным породам, могут резко отличаться один от другого. Одни имеют плотную структуру и прочны, другие, подобны мелу, мягкие, рыхлые.
Лёсс представляет собой пористую осадочную горную породу серо-желтого цвета, близкую по своему химическому составу глинистым мергелям, но отличающуюся более грубодисперсными частицами. Лёсс состоит в основном из частиц пыли размером 0,05—0,01 мм; глинистые частицы (меньше 0,01 мм) содержатся в незначительном количестве, но в то же время в лёссе почти отсутствуют частицы песка с зернами крупнее 0,25 мм.
Глинистые сланцы относятся к породам метаморфическим (видоизмененным). Образовались они в результате видоизменения глин под действием большого давления, которое возникает при перемещении верхних слоев земной коры в более глубокие. По химическому составу глинистые сланцы подобны глинам, но отличаются от них физическими свойствами — они обладают высокой плотностью, прочностью и не размокают в воде, подобно глинам.
На глинистое сырье для производства портландцемента нет установленных стандартом технических требований. Однако на основании практического опыта установлены следующие ориентировочные требования к химическому составу глинистых пород, определяющие целесообразность их использования.
Количество СаО не ограничивается. Допустимое содержание MgO зависит от содержания его в известковом компоненте и ограничивается условием получения клинкера для портландцемента с содержанием MgO не более 5%, а для магнезиального портландцемента — не более 10%.