Состав и свойства сырья
Разнообразные виды сырья, применяемого пря производстве портландцементного клинкера, должны обеспечить получение в результате обжига продукта, содержащего в качестве основных фаз силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в определенном соотношении. Для осуществления высокотемпературного синтеза этих фаз сырьевые компоненты должны содержать преимущественно оксид кальция, кремнезем, глинозем и оксиды железа при минимальных количествах вредных примесей. В природных видах сырья эти оксиды могут входить в состав различных минералов [1]:
СаО — кальцит, доломит, анкерит, полевые шпаты, гипс, волластонит и другие; SiO2 — кварц, халцедон, опал, полевые шпаты, глинистые минералы, слюда и другие; Аl2O3 — глинистые минералы, полевой шпат, гидроксиды алюминия (гиббсит, бемит, диаспор)и другие; Fe2O3 — железняк, магнетит, гетит, лимонит, сидерит, слюды, глинистые минералы, пирит и другие.
Для производства 1 т цементого клинкера расходуется 1.6—2 т основного природного минерального сырья средней влажности, поэтому по распространенности и масштабности запасов наибольший интерес для использования в цементном производстве представляют многочисленные горные породы, составляющие верхнюю оболочку земного шара — земную кору. Состав, строение и условия залегания этих пород в земной коре определяются геологическими процессами. По происхождению горные породы делятся на группы. Каждой группе пород характерны своя породообразующие минералы: для магматических (изверженных) — кварц, полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды, оливины, фельдшпатонды; для осадочных — кальцит, доломит, ангидрит, глинистые минералы; для метаморфических — дистен, андалузит, силлиманит, кордиерит и т. д. Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90 % объема земной коры, остальные 10 % приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75 % площади земной поверхности.
Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы. В глубинных частях земной коры магма охлаждается медленно, хорошо раскристаллизовывается и из нее формируются кристаллические зернистые породы — граниты, сиениты, диориты. Магма, излившаяся на поверхность в виде лавы вулканов, остывает быстро, часть ее может не закристаллизоваться и затвердеть в виде вулканического стекла, при этом образуются базальты, андезиты, липариты я другие вулканические туфы, лавобрекчии. Главными породообразующими минералами магматических горных пород являются силикаты и алюмосиликат (полевые шпаты, кварц, слюда).
Метаморфические горные породы возникают в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород. Типичными метаморфическими горными породами являются различные сланцы, роговики, скариы, гнейсы.
Осадочные горные породы появляются на земной поверхности и вблизи нее в условиях относитель но низких температур и давлений в результате преобразования морских и континентальных осадков. В качестве алюмосиликатного сырья представляют интерес две основные группы осадочных пород: глинистые и обломочные. Глинистые — это дисперсные продукты глубокого химического преобразования силикатных и алю- мосиликатных минералов материнских пород, перешедшие в новые минеральные виды. Обломочные — грубые продукты преимущественно механического разрушения материнских пород, обычно наследующие наиболее устойчивые минеральные ассоциации последних. Карбонатное сырье цементного производства относится к третьей группе осадочных пород — хемогенные, биохемогенные и органогенные породы, представляющие собой либо продукты непосредственного осаждения из растворов, либо продукты жизнедеятельности организмов.
Различия в происхождении и, соответственно, в минеральном составе существенно сказываются и на свойствах этих пород. Наибольшим постоянством состава (химико-минералогической однородностью) отличаются магматические горные породы [2]. Химический состав осадочных пород отличается гораздо большей дифференцирован- ностью н широким диапазоном колебаний в содержании порообразуюших компонентов. Метаморфические горные породы по составу близки к материнским (осадочным или магматическим), хотя в процессе перекристаллизации или метасоматоза возможна концентрация в них некоторых минералов или элементов.
До настоящего времени в качестве сырья при производстве портландцементного клинкера широко применялись только осадочные породы (известняк, мел, мергель, глины). Однако они встречаются сравнительно редко и не могут удовлетворить потребности цементного производства, поэтому большая часть портландцементного клинкера выпускается из искусственных сырьевых смесей обычно состоящих из карбонатного, алюмосиликатиого компонентов и корректирующей добавки.
Карбонатным сырьем — поставщиком оксида кальция служат известняки, мел, мергель, мраморы и некоторые другие карбонатные породы (травертины, озерная известь). В качестве алюмосиликатного компонента используются глины, суглинки, глинистые сланцы, каолины, с которыми в сырьевую смесь и, соответственно, в клинкер, поступают кремнезем и глинозем. В большинстве случаев двухкомпонентная смесь не обеспечивает необходимого фазового состава клинкера, что требует введения добавок: прв низком значении силикатного модуля вводят трепел, опоку, диатомит, кварцевый песок, маршалит, для корректирования глиноземистого модуля — колчеданные (пиритные) огаркн, железную руду, боксит и др.При традиционной схеме (рис. 1.1) процесс клинкерообразования в значительной степени обусловлен химической активностью сырья и его обжигаемостью. т. е. способностью к спеканию [1], в свою очередь, зависящих от содержания в сырье основных и примесных оксидов, фазового состава, структуры минералов, дисперсности, однородности и других факторов.
Оценивая в обшем состояние минерально-сырьевой базы цементного производства, можно заключить, что уже в ближайшее время потребуется ее расширение, так как качественные показатели сырья разведанных и прогнозных запасов неравноценны, а территориальное размещение их неравномерно. Снижение качества сырья, наблюдаемое практически повсеместно, вызывает чрезмерный рост влажности сырьевых шламов или снижение реакционной способности сырьевых смесей, что в свою очередь, приводит к перерасходу топлива. Определенные трудности возникают из-за возрастающей дефицитности железосодержащего корректирующего компонента. Вопрос об исчерпаемости определенной части минерально-сырьевых ресурсов требует решения проблемы частичной или полной их замены другими видами сырья, при этом в первую очередь необходимо использовать те материалы, которые доступны для быстрого освоения и дают наибольший народнохозяйственный эффект.
Если замена природного карбонатного сырья (мел, известняк) практически не имеет альтернативы, то поиски заменителей алюмосиликатного глинистого сырья, начатые еще в 1930—1940 гг. (П. И. Боженов, С. Д. Макашев, Н. А. Торопов), показали возможность использования для этой цели целого ряда материалов. Расширение диапазона материалов, применяемых в цементном производстве, сделало необходимым и использование новых типов горных пород — магматических и летаморфических (возможность такой замены рассмотрена ниже — см. § 1.2.3.; 1.2.4). Эффективным заменителем традиционных видов природного сырья могут быть и разнообразные техногенные продукты — как побочные материалы, так и отходы различных производств. Вторичные продукты и отходы механо-химической и тепловой обработки исходного минерального сырья по физико-химическим характеристикам существенно отличаются от природных материалов, применяемых в цементном производстве, что в ряде случаев создает благоприятные условия для протекания процесса клинкерообразования.
- КАРБОНАТНОЕ СЫРЬЕ
- АЛЮМОСИЛИКАТНОЕ СЫРЬЕ
- ОЦЕНКА ХИМИКО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКОЙ ОДНОРОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНТЕРВАЛА ПЛАВЛЕНИЯ
- ОСАДОЧНЫЕ ПОРОДЫ
- МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПОРОДЫ
- МАГМАТИЧЕСКИЕ ПОРОДЫ
- ПРИРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ — ОТХОДЫ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
- МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ШЛАКИ
- ТОПЛИВНЫЕ ЗОЛЫ И ШЛАКИ
- ЭЛЕКТРОТЕРМОФОСФОРНЫЕ ШЛАКИ
- ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ КОРРЕКТИРУЮЩИЕ ДОБАВКИ