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

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.