Структурно-реологические свойства цементного порошка

РЕФЕРАТ. Структурно-реологические свойства цементного порошка существенно влияют на продолжительность работ и трудозатраты в ходе транспортирования и отгрузки цемента. Это обусловливает актуальность задачи поиска механизмов управления такими свойствами. Статья посвящена исследованию основных факторов, влияющих на текучесть цемента. Приведены результаты ее статистического анализа в зависимости от тонкости помола цемента (по остатку на сите № 008 и удельной поверхности по Блейну), влажности, насыпной плотности и плотности в максимально уплотненном состоянии, а также показана взаимосвязь производственных факторов и текучести цемента. Корреляционнорегрессионным методом анализа установлено, что на текучесть цементного порошка влияют удельная поверхность и переменный фактор, роль которого пока не оценена количественно.

Ключевые слова: цемент, текучесть цементного порошка, корреля­ционно-регрессионный анализ, интенсификаторы помола.

Keywords: cement, cement flour fluidity, correlational regression analysis, grinding intensifier.

Введение

Определение структурно-реологических характеристик порошкообразных материалов имеет большое научное и практическое значение для многих технологических процессов. Поскольку все такие вещества необходимо транспортировать и/или обрабатывать, существует огромная потребность в информации об их обработке и характерис­тиках потока. По оценкам, около 40 % всех энергозатрат предприятий связано с транс­портировкой порошкообразных сыпучих материалов [1].

Для порошкообразных материалов типичны особые свойства. Их характеризуют закономерности, которые не присущи веществам, находящимся в отдельных агрегатных состоя­ниях, — ​газу, жидкости или твердому телу. Поэтому, как считают авторы работы [2], такие материалы следует рассматривать как дополнительное состоя­ние вещества. Применительно к большому числу контактирующих твердых частиц в порошках эти закономерности строго не выполняются, прежде всего потому, что функции напряжений и деформаций имеют разрывы на границе каждой частицы [3]. Поведение потока порошкообразного материала зависит от многих физических характеристик, таких как размер частиц, их поверхностная энергия, способность материа­ла к сжатию и др. [1].

При погрузочно-разгрузочных работах структурно-реологические свойства цемента обычно оценивают косвенным методом по принципу «течет — ​не течет». Совершен­ствование технологии измельчения и сепарации, требования рынка к повышению тонкости помола цемента привели к необходимости более основательно рассмотреть такие параметры, как текучесть или подвижность цемент­ного порошка, в различных технологических условиях.

Отметим, что поверхностная энергия цементных частиц и межчастичные взаимодействия зависят от многих факторов, характеризующих процесс производства цемента: тонкости помола, типа помольного оборудования, типа вращающихся печей и способа производства (мокрый или сухой), температуры обжига клинкера, его температуры пос­ле охлаждения, скорости охлаждения и др. [4—5].

Таким образом, структурно-реологические свойства порошков определяются сочетанием физических свойств материала, условий окружающей среды и особенностей оборудования, используемого для переработки и хранения этих материалов [6].

Трудности в изучении поведения сыпучих и порошкообразных материалов при обработке возникают из-за взаимосвязи порошковой текучести (макросвойства) со свой­ствами отдельных частиц (микросвой­ствами). Многие параметры потока порошка определяются только экспериментальным путем. Оценка влияния множества факторов на текучесть цемента затруднена невозможностью количественно определить текучесть в конкретных технологических условиях. По­этому при проведении экспериментов в данной работе текучесть готового продукта определяли в лаборатории цементного предприя­тия с учетом параметров, которые могли быть оценены количественно.

Методология

Для проведения эксперимента были отобраны 92 пробы цемента ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б при отгрузке партий из силосов. Цементы были получены путем помола в мельнице размерами 3,2 × 14 м, работающей в открытом цикле. С целью изучения зависимости текучести цемента от множества факторов использовали регрессионный анализ (табл. 1).

В качестве выходного параметра была принята текучесть цементного порошка, оценивае­мая по ASTM C 1565—09 путем просеивания порошка при заданных параметрах механического воздействия. В качестве переменных факторов рассматривались тонкость помола цемента (по остатку на сите № 008 (Х1) и удельной поверхности по Блейну (Х2)), влажность порошка (Х3), массовая доля шлака в цементе (Х4), насыпная плотность порошка ρ_нас (Х5), плотность в максимально уплотненном состоя­нии ρ_упл (Х6), отношение насыпной плотности к плотности в максимально уплотненном состоя­нии ρ_нас/ρ_упл (Х7). Уплотненное состоя­ние цемента достигалось путем механического встряхивания емкости с порошком до момента, когда объем порошка больше не изменялся. Влажность порошка и удельную поверхность по Блейну определяли по ГОСТ 30744.

Статистическую обработку результатов испытаний проводили классическими методами, рекомендуемыми ГОСТ Р ИСО/ТО 10017 для использования в системах менеджмента качества по ИСО 9001, в пакете анализа данных STATISTICA. Статистический анализ проводился в несколько этапов с целью выделить факторы, оказывающие значительное влияние на выходной параметр. Подробное описание методики обработки статистических данных и результатов регрессионного анализа в данной программе изложено в работах [7—8].

Роль структурно-реологических свойств цемента в различных технологических процессах оценивали по результатам опытно-промышленных испытаний технологических добавок — ​интенсификаторов помола, а также многолетних наблюдений за поведением цемента при транспортировании и хранении.

Результаты и обсуждение

На начальном этапе статистического исследования методами описательной статистики и проверки гипотез были оценены параметры и вид распределения исходных данных с целью их дальнейшего использования для корреляционно-регрессионного анализа. Из перечисленных факторов наибольшим был разброс значений влажности и содержания шлака в вещественном составе цемента.

Статистические показатели выходного па­раметра — ​текучести цемента и влияющих факторов, рассчитанные по экспериментальным данным, приведены в табл. 1.

Был задан уровень надежности (доверительная вероятность) α = 95 %. Значимость коэффициентов множественной корреляции R в уравнении проверяли по F‑критерию Фишера путем расчета его фактического значения и сравнения с табличными данными.

Для оценки добротности выполненного регрессионного анализа использовали:

⋅ стандартную ошибку , которая дает представление о приблизительной величине ошибки прогнозирования;

⋅ коэффициент детерминации R², указы­ваю­щий, какая доля вариации функции Y (в процентах) объясняется воздействием факторов x_i.

Значимость коэффициентов уравнения регрессии оценивали с помощью табличных значений критерия Стьюдента.

По рассчитанным в программе STATISTI­CA коэффициентам уравнения регрессии и по экс­периментальным данным были установлены статистически значимые коэффициенты этого уравнения — ​удельная поверхность и показатели, характеризующие плотность цемента в разных состояниях. Коэффициент детерминации R² был равен 0,16. Это свидетельствует о том, что вариацией рассмотренных факторных признаков обусловлена достаточно небольшая доля вариа­ции зависимой переменной.

Для дальнейшего анализа были приняты факторы Х2 — ​удельная поверхность цемента, Х5 — ​насыпная плотность ρ_нас и Х7 — ​отношение ρ_нас/ρ_упл.

Зависимости текучести цемента от выявленных значимых факторов (Х2, Х7 и Х2, Х5), полученные по методу наименьших квадратов, представлены на рис. 1. Очевидно, что поверх­ности, полученные в качестве прогнозируемой поверхности отклика, и реальные данные, полученные в результате испытаний, существенно различаются.

Рис. 1. Результаты построения поверхностей отклика в программе STATISTICA — ​зависимость текучести цемента: а — ​Y от удельной поверхности (X2) и отношения ρ_нас / ρ_упл (X7), б — ​от удельной поверхности (X2) и насыпной плотности ρ_нас (Х5)

По насыпной плотности и плотности в уплотненном состоянии рассчитали индекс сжимаемости (CI) в процентах:

Как определено в работе [3], CI является индикатором текучести и характери­зует склонность порошка к сжатию, отражая относительную степень межчастичных взаи­модействий. Судя по значению CI, равному 31 %, цемент обладает очень плохой сжимае­мостью [3].

Модель регрессии была определена с помощью опции «Пошаговая или гребневая регрессия» [7—8]. Выбранная модель регрессии как наиболее информативная в отношении доли объясненной дисперсии включает в себя всего один факторный признак — ​Х2 (удельную поверхность цементного порошка):

Это уравнение — результат регрессионного анализа данных в модуле «Множественная регрессия» в программе STATISTICA. При выполнении исследования принимали во внимание несколько факторов (Х2, Х5 и Х7), из которых только фактор Х2 оказался значимым с точки зрения влияния на текучесть цемента и был включен в данное уравнение регрессии. На следующем этапе именно этот фактор был взят для корреляционного анализа с целью прогнозирования текучести в зависимости от удельной поверхности. По итогам статистической обработки данных было получено следующее уравнение зависимости текучести  (Y) от удельной поверх­ности:

Прогнозируемые с использованием этой модели (уравнение (3)) значения текучести цемента в зависимости от его удельной поверх­ности приведены на рис 2. Согласно модели, с увеличением последней текучесть снижается. Например, повышение удельной поверх­ности на 100 м²/кг приводит к уменьшению текучести на 13—15 % (см. рис. 2).

Рис 2. Прогнозируемые математически неисправленные значения текучести 

(Y = 38,218 – 0,0432X2). Коэффициент корреляции r = –0,6376

Полученная при реализации метода ре­г­рессионного анализа оценка коэффициента детерминации R² (0,071) свидетельствует о том, что изменение текучести цементного порошка полностью обусловлено воздей­ствием пока не учтенных в модели факторов и требует проведения дальнейших исследований [7—8].

Роль структурно-реологических характеристик цементного порошка заметна в таких технологических процессах, как измельчение, сепарирование, хранение и транспортирование. Для регулирования текучести потока цементного порошка широко используются технологические добавки — ​интенсификаторы помола, содержащие ряд органических соединений. Практические данные о результатах использования технологических добавок линейки «Литопласт ИП» на цементных мельницах подтверждают повышение текучести на 30—40 %. Адаптированная методика ASTM C 1565—09 определения структурно-реологических свойств цемента по рекомендации Научно-технического центра небетонного направления (НТЦ НБН) ООО «Полипласт Новомосковск» принята на ряде цементных предприятий в качестве метода технологического контроля и регулирования подачи интенсификатора помола в ходе измельчения цемента.

Механизм повышения производительности цементных мельниц можно объяснить повышением текучести порошка, приводящим к повышению скорости продвижения материа­ла по мельнице. Введение интенсификатора помола увеличивает подвижность порошка, а также снижает адгезию тонкодисперсных частиц на металлических поверхностях мелющих тел и бронефутеровки мельниц. Это поз­воляет повысить производительность цемент­ных мельниц на 15—30 %, снизить удельные энергозатраты по помол и транспортирование цемента на 10—16 %, сократить время загрузки и выгрузки цементовозов на 40—50 %.

Рост производительности цементной мельницы напрямую связан с улучшением работы сепараторов в присутствии интенси­фикаторов. Анализ эффективности работы сепаратора с цементной мельницей 5 × 15,75 м проектной производительностью 167 т/ч с помощью кривой Тромпа проводили при выпус­ке цемента без интенсификатора и при вводе добавки «Литопласт ИП1».

Гранулометрический анализ проб для построения кривой Тромпа был выполнен на приборе Mastersizer 2000. Показатели, по которым проводили анализ работы сепаратора, и их чис­ленные значения приведены в табл. 2.

Выполненный анализ на основе кривой Тромпа показал низкую эффективность работы сепаратора без применения технологической добавки. Введение в цементную шихту интенсификаторов помола «Литопласт ИП1» позволило повысить производительность цементной мельницы на 26 %, снизить удельные энергозатраты на 15 %, снизить долю мелких частиц, возвращаемых в мельницу (байпас).

Технологическая эффективность дей­ствия добавок при помоле зависит от решения требуемых задач: увеличения производительности мельницы при заданной тонине помола и расходе электроэнергии или снижения удельного расхода энергии при заданной производительности и тонине помола. При этом применение технологических добавок с точки зрения экономики выгодно только в том случае, если экономия вследствие снижения удельных энергозатрат на помол 1 т цемента (в денежном выражении) будет выше затрат, связанных с использованием интенсификатора.

Результаты многолетних опытно-промышленных испытаний и наблюдений эффективности процессов измельчения и транспортирования цемента позволили установить взаимо­связь между производственными факторами и текучестью цементного порошка (рис. 3).

Рис. 3. Взаимосвязь производственных факторов и текучести цемента

Приведенная на рис. 3 схема наглядно отражает зависимость текучести цемента от свойств исходной цементной шихты, требований по тонкости помола к готовой продукции, аппаратурного дизайна и условий проведения процесса. Кроме того, имеется обратная связь — ​влияние текучести цемента на процесс измельчения и, таким образом, на производительность мельницы.

Заключение

Способность порошка течь иногда воспринимается как его одномерная характеристика, в результате чего порошки ранжируют на скользящей шкале от «текущих» до «не текущих». К сожалению, этот упрощенный подход не позволяет обеспечить понимание, достаточное для решения общих проблем, с которыми сталкиваются разработчики оборудования и обслуживающий персонал.

Переход от свободнодисперсных структур (аэрированного порошка) к связнодисперс­ным системам (после длительного хранения в силосах) кардинальным образом изменяет основные структурно-механические свой­ства материала, такие как легкоподвижность и текучесть. Особый интерес представляют собой изменения структурно-реологических свойств минеральных порошков в процессе измельчения и при выходе их из мелющих агрегатов. Как показывает практика измельчения таких порошков в высокопроизводительных промышленных агрегатах, изменение структурно-реологических свойств материалов в ходе измельчения оказывает огромное влияние на скорость прохождения материала по мельнице на последней стадии измельчения, на эффективность при сепарации, а также на процесс транспортирования «свежего» продукта после мельницы, его поведение при хранении, погрузочно-разгрузочных операциях и упаковке. Недостаточный учет особенностей движения цементных порошков может приводить к нарушению технологического режима и, как следствие, к ухудшению качества продукта.

Статистическими методами подтверждено, что при повышении удельной поверхности цемента снижается текучесть. Также показано, что не все факторы, влияющие на текучесть цементного порошка, учтены и оценены количественно. Отметим, что на подвижность цемента при транспортировании влияют температура самого порошка и условия его хранения.

Для прогнозирования названных эффектов и разработки способов управления ими необходимо располагать полной информацией о структурных и кинематических характеристиках цемента в виде соответствующих профилей влияния различных факторов на его подвижность. Как нам представляется, дальнейшая работа должна быть направлена на выявление долей вклада влияющих факторов (см. рис. 3) и установление механизма текучести тонкодисперсных цементов на различных технологических переделах с целью эффективного управления процессами и снижения энергозатрат.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ennis B.J., Green J., Davies R. Particle technology: the legacy of neglect in the U.S. // Chem. Eng. Prog. 1994. Vol. 90, N 4.P. 32—43.

2. Heinrich M.J., Sidney R.N. Granular solids, liquids, and gases // Reviews of Modern Physics. 1996. Vol. 68, N 4. P. 1259—1273.

3. Carr R.L. Evaluating flow properties of solids // Chemical Engineering J. 1965. Vol. 72. P. 163—168.

4. Prescott J.K., Barnum R.A. On powder flowability // Pharmaceutical Technology. 2000. Vol. 24, N 10. P. 60—84.

5. Шахова Л.Д., Черноситова Е.С., Березина Н.М., Дани­лин А.А. Композиционные разжижители сырьевых шламов цементного производства // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 10. С. 191—196.

6. Marinelli J., Carson J.W. Solve solids flow problems in bins, hoppers and feeders // Chem. Engineering Proc.1992. Vol. 88, N 5. P. 22—28.

7. Shahova L.D., Chernositova E.S., Denisova J.V. Flowability and durability of cement containing technological additives during grinding process // AER-Advances in Engineering Research. Vol. 133. Actual Issues of Mechanical Engineering (AIME 2017), November 2017. P. 162—167.

8. Shahova L.D., Chernositova E.S., Denisova J.V. Flowability of cement powder / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 11. Ser. International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems. 327(3) (2018) 032049. doi:10.1088/1757—899X/327/3/032049.