Pentru a obține un clincher de ciment din făina brută, materialul este încălzit la o temperatură de aproximativ 1450 ° C. În procesul de sinterizare, se creează noi compuși chimici activi, care se numesc faze de clincher. Atmosfera de oxidare din cuptor este necesară pentru procesul de ardere a clincherului, în caz contrar clincherul devine maro (în locul culorii negre), puterea cimentului scade și hidratarea încetinește. În timpul arderii se produce consumul de energie termică pentru încălzirea materialului, uscarea pentru procesele de deshidratare și descompunerea mineralelor argiloase, descompunerea carbonaților de calciu și magneziu la procesele de sinterizare chimice ca urmare a reacțiilor în stare solidă și reacții care implică topitură. Viteza acestor procese și consumul de căldură în ele depind de compoziția chimică a lotului brut, a compoziției mineralogice și a factorilor fizici. Cursul complet al acestor reacții endoterme este esențial pentru calitatea cimentului.
Tabelul 1.9 oferă o prezentare generală a reacțiilor descrise mai jos. Figura 1.14 prezintă cursul reacției proceselor de formare a clincherului în timpul arderii cuptorului. Literatura conține informații detaliate despre procesele de formare a clincherului [53,71,72,73,74,75,76].
Figura 1.14 - Reacții în timpul procesului de ardere a clincherului de ciment Portland (conform lui Voltaire) [76]
Argilă de argilă (caolinit, halloisit, montmorilonit) în intervalul de temperatură 50. 100 0 C pierd apa picurare-lichid legată fizic.
Tabelul 1.9 - Reacții chimice în timpul tratării termice a făinii brute de ciment Portland (reacții de ardere a clincherului de bază) conform [77]
Reacțiile în faza solidă
În intervalul de temperatură de la 100 la 400 ° C, apa din adsorbția și parțial cristalizarea sunt îndepărtate din mineralele argiloase. În intervalul de temperatură de 400-700 C din rețelele cristaline de apă de cristalizare este eliberat aluminosilicați și cristal-apă, iar restul de 2. 3% alocat doar la 900. 1000 0 C.
Ca un exemplu, deshidratarea caolinitului a fost urmată de reacția de formare a metacolinitului:
În intervalul de temperatură 600-900 ° C, metakaolinitul și produsele de reacție corespunzătoare, de exemplu, se descompun în amestecuri reactive de oxizi, în conformitate cu:
Deshidratarea argilelor depinde de tipul de minerale, tipul și cantitatea de impurități, dimensiunea particulelor, tipul de latură de cristal și tipul de mediu atmosferic.
CaCO3 conținut în făina brută se descompune la temperaturi de peste 896 ° C, deoarece presiunea parțială a CO2 nu depășește 1 bar în conformitate cu:
Cicarea termică a MgCO3 are loc la temperaturi mai scăzute și, pentru formarea clincherului, este substanțial mai puțin importantă.
Aproximativ la 550-600 ° C, reacțiile de fază solidă dintre CaO formată ca rezultat al descompunerii CaCO3 începe. și produsele de descompunere a lutului (Si02, A1203) în care inițial se formează compuși de calciu, de preferință aluminat de monocalciu CA, silicat monocalciu CS. Formarea de aluminat tricalcic (C3 A) și alyumoferrita de calciu (C2 (A, F) și silicat dicalcic (C2 S) în clincher de ciment Portland începe la aproximativ 800 ° C
Reacțiile în stare solidă, care apar foarte lent, poate fi accelerată prin reducerea dimensiunii granulelor (măcinarea fină a materiei prime) și creșterea temperaturii defectelor de cristal.
Reacții în timpul sinterizării
Prima etapă de topire și, prin urmare, începutul sinterizării are loc la o temperatură de aproximativ 1260-1310 ° C. Punctul de topire al clincherului crește odată cu creșterea temperaturii. La 1450 ° C, cantitatea de topitură este de aproximativ 20-30% și depinde de compoziția chimică a materialului care trebuie ars. Cu o creștere a modulului de silicat, proporția topiturii din clincher scade. Apariția picăturilor topite într-un amestec de alimentare cu un nivel ridicat de CaO nelegat este începutul procesului de sinterizare a clincherului. Odată cu formarea topiturii, CaO și C2S se dizolvă în acesta și reacționează cu formarea unui silicat tricalcic în concordanță cu reacția:
Difuzia reactivilor din topitură este în mod semnificativ accelerată. Aceasta este sarcina principală a sinterizării, se realizează formarea unui silicat trikalcic cristalin valoros. Acest lucru justifică procesul scump de ardere a clincherului la o temperatură ridicată de sinterizare. Impurități aluminat constând din ferită și faza topită sunt încorporate în rețeaua cristalină a dicalcic și tricalcici silicații ca fază solidă și formează o soluții minerale solide. Toate A1203 și Fe2O3 sunt dizolvate în topitură la temperaturi> 1400 ° C. formând ulterior clincher de ciment Portland. Topitura are o compoziție aproximativă de 56% CaO, 7% SiO2. 23% Al2O3 și 14% Fe2O3. În plus, topitura promovează alte reacții, de exemplu, cum ar fi conversia unui cuarț sau a unui calcar grosier. Aceste reacții pot fi accelerate (în special cuarț) prin creșterea zonei de topire, reducerea vâscozității topiturii și degradarea (fracturarea) fracției grosiere.
Vâscozitatea topiturii scade cu o scădere a valorii modulului de alumină sau cu o creștere a conținutului de Fe2O3. Impuritățile străine afectează de asemenea vâscozitatea topiturii, crescând conținutul de alcalii, CaS04 și MgO reduc viscozitatea.
Reacțiile în timpul răcirii
Un proces important pentru producerea de clincher de ciment este răcirea acestuia. Din zona de răcire a cuptoarelor rotative, clincherul se lasă la o temperatură de 1100 ... 1300 0 С. Răcirea finală se efectuează în frigidere.
Răcirea clincherului are un efect semnificativ asupra structurii, compoziției mineralogice, a măcinării și, în consecință, asupra calității cimentului obținut din acesta.
Mai întâi, rata de răcire a clincherului afectează raportul dintre fazele cristaline și vitrege. Cu răcire lentă, apare cristalizarea și, cu răcire rapidă, formarea de cristale încetinește și o parte considerabilă a topiturii se solidifică sub formă de sticlă clincher. Proporția topiturii din clincherul cuptoarelor rotative este de 20 ... 25%.
Rata de răcire a clincherului influențează permanența modificării volumului de ciment. Cu răcire rapidă, o cantitate mare de MgO trece în faza vitroasă sau rămâne în stare microcristalină (granulație de până la 5 ... 8 μm). Cu răcire lentă, cristalele de MgO cresc în dimensiuni, ajungând la 30 ... 150 μm, ceea ce determină modificări nesemnificative ale volumului de ciment în timpul întăririi. Cu o ardere ascuțită și o răcire rapidă a clincherului, se formează cristale aliate mici, ceea ce mărește rezistența pietrei de ciment.
Procesul de răcire a clincherului determină, de asemenea, rezistența chimică a cimentului. Răcirea rapidă a clincherului mărește rezistența la sulfat a cimentului. Acest lucru se datorează faptului că C3 Un clincher determină o rezistență față de sulfat de agresiune, la răcirea rapidă continuă în principal, într-o formă sticloasă și devine mai puțin sensibilă la efectele împotriva sulfații.