Способы помола и дисперсионный состав продукта
РЕФЕРАТ. В статье рассмотрены особенности влияния помола портландцемента в шаровых и вертикальных валковых мельницах на свойства готового продукта. Показано, что для повышения качества портландцемента требуется оптимизация его гранулометрического состава, что особенно актуально при помоле цемента с добавками.
Ключевые слова: помол портландцемента, тонкость помола, гранулометрический состав.
Keywords: Portland cement grinding, fineness, particle-size distribution.
Внедрение новых систем помола цемента с применением вертикальных валковых мельниц и роллер-прессов высокого давления с начала 1980-х годов послужило отправной точкой для проведения исследований влияния вида применяемого помольного агрегата на качественные характеристики продуктов помола. Первые исследования показали, что цементы, произведенные в вертикальных валковых мельницах, по сравнению с цементами, размолотыми в шаровых мельницах, характеризуются повышенным водопотреблением, ускоренными сроками схватывания, а также прочностными характеристиками ниже марочных [1—5]. В качестве основных причин указывались различия в гранулометрическом составе получаемых продуктов [4], различия в форме отдельных частиц, обусловленные разницей в типах воздействующих сил [5], недостаточно равномерное распределение сульфатосодержащей добавки при помоле и более высокая реакционная способность отдельных клинкерных фаз в цементах, произведенных в вертикальных мельницах [4, 5].
Дисперсионный (гранулометрический) состав получаемого продукта, как и тонкость помола, оказывает большое влияние на качественные характеристики получаемых продуктов и является следствием совокупного воздействия нескольких факторов: физических свойств отдельных компонентов и их процентного соотношения в смеси, способа механического воздействия на материал или смесь материалов, наличия и вида используемого сепаратора, времени нахождения материала в помольном агрегате и технологической схемы применяемых в помольном отделении машин и агрегатов.
В цементной промышленности дисперсность и тонкость измельченного материала характеризуют остатком на контрольных ситах, определяемым с использованием стандартизированных методов (ГОСТ 310.2, ГОСТ 30744, EN 196—6 и др.), и удельной поверхностью, определяемой методом воздухопроницаемости [6]. Указанные параметры по сути не предоставляют полной картины дисперсных характеристик, т. е. не дают представления о том, какую долю по массе, объему или числу составляют частицы в любом диапазоне их размеров. Хотя ситовой остаток и включен в технологический регламент и требования по качеству продукции цементных заводов, он не дает достаточной информации о содержании частиц тонких классов (применяются сита с размером ячеи от 20 мкм и более, при этом для сит с ее размером менее 32 мкм точность измерений значительно падает), которые оказывают значительное влияние на кинетику нарастания прочности. Метод ситового анализа был внедрен и стандартизирован для имевших повсеместное распространение шаровых мельниц, работающих в открытом цикле. В настоящее время с появлением современных помольных агрегатов и связанных с этим качественных изменений получаемых продуктов стало очевидно, что применять ситовой остаток как единственный качественный показатель недостаточно.
Усредненное значение удельной поверхности, выражаемое как отношение суммарной площади поверхности частиц к их массе (м2/кг) и определяемое методом воздухопроницаемости, также не является единственной определяеющей характеристикой дисперсности продукта, поскольку продукты с различным гранулометрическим составом могут обладать одинаковой удельной поверхностью [6], но является общепринятой качественной характеристикой цемента: чем тоньше размолот цемент, тем выше его прочность во все сроки твердения [7]. Увеличение удельной поверхности — первая мера, которую используют цементные заводы для улучшения прочностных характеристик цементов. Но увеличение тонкости помола, используемое для повышения марочной прочности цемента, влечет за собой увеличение удельных энергозатрат, снижение единичной производительности помольного агрегата и приводит к росту энерготехнологического коэффициента использования оборудования [8]. В то же время сверхтонкий помол (когда достигается тонкость свыше 500 м2/кг) не всегда приводит к дальнейшему увеличению прочности, а, напротив, может снижать ее [7]. Достичь общепринятых значений тонкости помола (300—600 м2/кг) можно на любом из рассматриваемых видов помольных агрегатов — и на шаровой, и на вертикальной мельницах.
Скорость и степень гидратации частиц цементного порошка напрямую зависят от их размера. Частицы различных размеров определяют кинетику нарастания прочности в различные периоды, как показано на рис. 1 [9]. Максимальное влияние на набор прочности в ранние сроки оказывают частицы размером 0—3 и 3—9 мкм, а в марочном возрасте — частицы в диапазоне размеров 0—25 мкм. Частицы размером более 25 мкм, несомненно, участвуют в гидратации, но в возрасте 28 сут их потенциал используется не полностью и таким образом они не оказывают максимального влияния на показатель прочности ни в ранние сроки твердения, ни в марочном возрасте.
Рис. 1. Кинетика набора прочности частиц цемента различного размера
Таким образом, гранулометрический (дисперсионный) состав цементного порошка является основным критерием, влияющим на кинетику нарастания и марочную прочность цементного камня и бетона [10].
Существует несколько методов определения гранулометрического (дисперсионного) состава порошков, но ни один из этих методов не стандартизирован в действующих нормах, определяющих качество цемента.
Наибольшее распространение в цементной промышленности получил метод определения гранулометрического состава посредством лазерной гранулометрии в сухой среде, но существуют также способы определения гранулометрического состава с использованием водного диспергирования. Применяемые в различных приборах виды лазеров, матрицы измерения и используемые алгоритмы расчетов значительно отличаются друг от друга. Поэтому результаты определения гранулометрического состава, полученные разными методами, весьма различны, и сравнивать их напрямую нельзя [6].
Гранулометрический состав цемента принято описывать с помощью двухпараметрической математической модели — функции распределения Розина—Раммлера—Шперлинга—Беннета (Rosin, Rammler, Sperling, Bennet, RRSB) [10]:
где х — размер частиц; R(x) — массовая доля частиц размером больше x; x' — размер частиц, при котором массовая доля более крупных частиц равна 0,368; n — показатель, характеризующий ширину распределения.
На формирование гранулометрического состава непосредственное влияние оказывает применяемый помольный агрегат в сочетании с соответствующим технологической схеме помольного отделения периферийным оборудованием. Материалы, перемалываемые в шаровых мельницах, работающих в открытом цикле, подвергаются механическому воздействию мелющих тел огромное число раз. Получаемый таким образом продукт характеризуется высоким содержанием грубых частиц («недомол») размером более 60—70 мкм и значительной долей сверхтонких частиц («перемол») размером менее 3 мкм. Как следствие, данные продукты характеризуются очень широким диапазоном распределения частиц по размеру, т. е. широким дисперсионным составом. Переход на замкнутый цикл помола с установкой сепаратора позволяет значительно сократить долю «перемола» и «недомола», что ведет к получению более узкого дисперсионного состава, т. е. более крутой кривой распределения частиц. Количество контактов материала с помольными поверхностями в вертикальной мельнице в силу ее конструктивных особенностей значительно меньше, что также ведет к значительному сокращению «перемола» в продукте и сокращению удельных энергозатрат на помол. Измельченный материал, проходящий через встроенный динамический сепаратор, сразу покидает цикл помола. Это ведет к тому, что цементы, произведенные в вертикальных мельницах, характеризуются значительно более узкой дисперсностью, т. е. более крутой кривой распределения гранулометрического состава. В идеализированном виде кривые распределения гранулометрического состава продуктов, произведенных в шаровой и вертикальной мельницах, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Кривые распределения гранулометрического состава цементов, получаемых в шаровой (ШМ) и вертикальной мельницах (ВВМ)
В последние десятилетия производителями и шаровых, и вертикальных мельниц предпринимались меры, направленные на получение более однородного гранулометрического состава:
• переход на замкнутый цикл помола для отделений с шаровыми мельницами;
• внедрение новых динамических сепараторов и расширение возможностей воздействия на процесс помола (за счет варьирования таких параметров, как давление валков, скорость газового потока, высота ограничительного кольца и скорость вращения сепаратора) в вертикальной мельнице, что позволяет получить более пологую кривую распределения гранулометрического состава.
Указанные мероприятия привели к тому, что на сегодняшний день гранулометрический состав цементов, произведенных в разных помольных системах, идентичен (см. рис. 3).
Рис. 3. Идентичное распределение размеров частиц цементов, произведенных в шаровой и вертикальной мельницах после оптимизации помола
Значительно более важным может быть вопрос о распределении отдельных минеральных компонентов по фракциям получаемого продукта. Исследования с бездобавочными цементами показали, что легкоразмалываемый гипс накапливается в тонких фракциях цемента, вытесняя из них зерна клинкера [8]. Предположительно, если при производстве смешанных цементов использовать добавки со значительно лучшей размолоспособностью (пуццоланы, известняк), чем клинкерные фазы, также может приводить к их накапливанию в тонких классах. Повышение удельной поверхности достигается, главным образом, за счет накопления в цементе большого количества сверхтонких частиц размером менее 2—3 мкм [8]. Так, например, введение сухой золы-уноса электростанций непосредственно в сепаратор не оказывает прямого влияния на сам ход помола, но увеличивает удельную поверхность цементого порошка, в то время как дисперсность клинкерных фаз в продукте помола не изменяется. В результате наличие в составе цементной шихты более легкоразмалываемых компонентов, чем клинкер, искажает взаимосвязь между увеличением удельной поверхности и ожидаемым изменением кинетики нарастания прочности [8]. Результаты исследований З.Б. Энтина [8] позволяют сделать следующее предположение: лучшая размолоспособность алитовой фазы по отношению к белитовой (микротвердость C3S — 7,670 МПа/см2, C2S — 10,300 МПа/см2 [11]) приводит к неравномерному распределению клинкерных фаз по фракциям, что, как следствие, может оказывать влияние на кинетику нарастания прочности.
Для оценки распределения отдельных клинкерных фаз в тех или иных классах частиц, а также для установления количественного содержания сульфатосодержащей добавки в различных фракциях необходимо проведение седиментационного анализа и автоматизированного минералогического анализа (Mineral Liberation Analysis, MLA), который позволяет установить распределение отдельных минералов по классам крупности.
Таким образом, оптимизация гранулометрического состава цемента представляет собой значительно более мощное средство для улучшения качества цемента, чем повышение его удельной поверхности [8]. Это особенно важно при проведении совместного помола компонентов смешанных цементов, обладающих принципиально различной размолоспособностью. Применяемые в настоящее время виды помольных агрегатов — вертикальная валковая мельница или шаровая мельница с сепаратором — позволяют производить продукты с одинаковой удельной поверхностью и идентичным гранулометрическим составом. Однако цементы, производимые в различных агрегатах и достигающие нормированной прочности на 28-е сутки, характеризуются разной кинетикой ее нарастания, что может быть связано с неравномерностью распределения отдельных клинкерных фаз по фракциям получаемого продукта. Влияние помольного агрегата на распределение клинкерных фаз в продукте помола и возможная зависимость от этого прочностных характеристик подлежат дополнительному изучению.
ЛИТЕРАТУРА
1. Engeln I. Rollenmühlen für Zement. Betriebsergebnisse aus einem mexikanischen Zementwerk // ZKG International. 2001. N 10. P. 550—554.
2. Reichardt Y., Link G., Gilabert H. Zementfertigmahlung auf einer MPS-Walzenschüsselmühle im Zementwerk San Rafael/Equador // ZKG International. 2002. N 11. P. 54—57.
3. Müller-Pfeiffer M., Clemens P. Comparison of grinding systems for cement production and examination of the charge grinding in downstream ball mills // Cement International. 2004. N 2. P. 58—67.
4. Odler I., Chen Y. Einfluss des Mahlens in einer Gutbett-Walzenmühle auf die Eigenschaften des Portlandzementes // ZKG International. 1990. N 4. P. 188—191.
5. Odler I., Chen Y. Einfluß des Zerkleinerungsverfahrens auf die Eigenschaften von Zement // ZKG International. 1995. N 9. P. 496—500.
6. Де Верт К. Способы определения тонкости помола и размалываемости // Цемент и его применение. 2010. N 5. С. 113—116.
7. Классен В.К. Технология и оптимизация производства цемента Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011. С. 270—271.
8. Энтин З.Б. О взаимосвязи гранулометрии и прочности цемента // Цемент и его применение. 2009. N 6. С. 111—113.
9. Locher W. Friedrich Zement. Grundlagen der Herstellung und Verwendung // Verlag Bau+Technik. 2000. 522 p.
10. Пащенко А.А Теория цемента. Киев, 1991. 166 с.
11. Пащенко А.А., Сербин В.П., Старчевская Е.А. Вяжущие материалы. К.: Высшая школа, 1985. 440 с.
12. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1987. 264 с.
13. Крикунова А.А., Рахимбаев Ш.М., Харьковская Н.В. О влиянии гранулометрического состава на кинетику твердения портландцементных систем // Технологии бетонов. 2009. N 2. С. 54—55.
Автор: И.А. Злобин |
Рубрика: Наука и производство |
Ключевые слова: помол портландцемента, тонкость помола, гранулометрический состав |