Методы физико-механического регулирования реологических свойств сырьевых шламов

РЕФЕРАТ. В работе показано, что путем воздействия на шлам низкочастотных колебаний (15—25 Гц) вибрирующего рабочего элемента можно увеличить подвижность шлама в 3—23 раза, что позволяет на 3—5 % понизить его влажность. При этом снизить энергозатраты на получение клинкера можно за счет уменьшения не только расхода тепла на испарение влаги в печном агрегате, но и количества электроэнергии, потребляемой насосами при перекачивании шлама (благодаря его большей подвижности и меньшему количеству), а также количества воды, используемой для его разжижения. Общие энергозатраты можно сократить на 7—15 %, в зависимости от характеристик используемого минерального сырья. При этом для того, чтобы снизить энергозатраты и увеличить эффективность производства клинкера, не требуется значительных капитальных и финансовых затрат на модернизацию действующего оборудования, используемого для перекачки шламов.

Ключевые слова: интенсификация обжига клинкера, цементный шлам, влажность шлама, вибрация.

Keywords:  intensification of clinker burning, cement slurry, slurry moisture, vibration.

Введение

Цементные сырьевые шламы относятся к классу так называемых неньютоновских структурно-вязкопластических жидкостей, вязкость которых зависит от режима течения. Их свойства изучает реология — наука, которая рассматривает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением разнообразных вязких и пластичных материалов и дисперсных систем.

Для интегральной характеристики реологических свойств глинистых и глиномеловых шламов на цементных заводах используется показатель «растекаемость», который является контролируемым технологическим параметром. На большинстве заводов растекаемость измеряется текучестемером типа ТН-2 и поддерживается в пределах 55—62 мм, что обеспечивает возможность транспортировки шлама по шламопроводам.

Применяемые для производства цемента глины обычно полиминералъны. В настоящее время различают 56 глинистых минералов. В зависимости от преобладания той или иной группы минералов в глине изменяются ее характеристики, которыми определяются условия гидротранспорта содержащих ее суспензий, — строение кристаллической решетки минералов, дисперсность и тип обменного комплекса глин.

Известно, что монтмориллонитовые глины наиболее гидрофильны, т. е. связывают большое количество воды в шламе; каолиновые глины наименее гидрофильны и с точки зрения минимальной влажности цементно-сырьевого шлама наиболее благоприятны. Глины с преобладанием гидрослюд занимают промежуточное положение.

Реологические свойства шламов, зависящие от свойств глинистых и меловых пород, оказывают большое влияние на технико-экономические показатели в технологии приготовления, гидротранспорта шлама и его последующего обжига.

Выбор оптимального соотношения конкурирующих факторов для обеспечения транс­портировки шлама по трубам с минимальными затратами энергоресурсов является актуальной задачей. Кроме того, снижение влажности шлама — это важный фактор не только снижения расхода топлива, но и увеличения производительности цементных печей, так как известно, что каждый процент снижения влажности сырьевого шлама позволяет повысить производительность вращающейся печи на 1,0—1,5 % и приблизительно на 5 % снизить расход топлива [1, 2].

Проблеме снижения вязкости шламов посвящено достаточно много работ, однако отсутствуют критерии, позволяющие выбрать оптимальный метод снижения влажности. Недостаточны знания о механизме действия разжижающих веществ. Часто разжижители подбираются случайным образом [2, 3]. В результате этого многие заводы России и стран СНГ вынуждены использовать шлам с высокой влажностью, а следовательно, энергозатраты на них высоки. Для снижения влажности шлама на цементных заводах используют пластификаторы, но тип разжижителя и его дозировка в большинстве случаев не вполне обоснованы [1, 4, 5].

В работах [6—8] показано, что механическое перемешивание и виброобработка разрушают структуру шлама и увеличивают его текучесть. В частности, виброобработка шлама при частоте колебаний 33—83 Гц и их амплитуде 2,0—0,5 мм позволяет снизить влажность на 1—5 %, а виброобработка при частоте колебаний 96—166 Гц в неподвижном слое увеличивает его текучесть на 1—13 %.

С учетом показанной выше важности и экономической целесообразности снижения требуемой влажности шлама при обжиге клинкера авторами была поставлена задача уменьшить ее путем физико-механического воздействия на шламы различной физико-химической и минералогической природы, позволяющего изменить их вязкость и по­движность.

Цель работы

Разработать способы и средства снижения требуемой влажности цементного шлама путем физико-механического воздействия на него и за счет ее снижения уменьшить энергозатраты на производство клинкера и увеличить производительность печей без значительных капитальных затрат.

Методология проведения экспериментальных работ

Для изучения влияния на реологию шлама частоты и амплитуды вибрирующих элементов, а также диаметра патрубка, через который шлам вытекал из экспериментальной емкости, были приготовлены образцы шлама из сырьевых материалов четырех цементных заводов — Амвросиевского, Балаклейского, Каменец-Подольского и Николаевского с тит­ром 76 ± 1,5 %.

Для приготовления шламов использовались сырьевые материалы различной минералогической природы: мел + мергель Амвросиевского завода; мел + глина бурая Балаклейского завода; известняк + глина Каменец-Подольского завода; известняк + глина Николаевского завода. Характеристики исследованных образцов шлама представлены в таблице.

Приготовленные образцы шлама различались по водопотребности, а глины и карбонатный компонент — по химическому и минералогическому составу, в частности, по содержанию в них карбоната кальция.

Для оценки подвижности шлама определяли при помощи текучестемера ТН-2 растекаемость его образцов.

Для изучения воздействия вибрации на реологические свойства шламов была разработана вибраторная установка (рис. 1). На ней исследовали вязкоплас­тические свойства шламовых суспензий, которые в последующем подвергались виб­рообработке, оценивая эти свойства по скорости истечения суспензий через патрубки различного внутреннего диамет­ра — 13 и 15 мм. При этом вначале наблюдали свободное истечение приготовленных образцов шлама из емкости через установленный патрубок, а затем изучали их объемное истечение под воздействием вибрирующих элементов различной конфигурации, показанных на рис. 2.

Рис. 1. Схема устройства для изучения влияния частоты вибрации на подвижность шлама

Рис. 2. Схемы элементов вибрации различных типов: а — порш­невого, б — лопастного, в — каркасного

При исследовании влияния частоты виб­рации на подвижность шлама элемент 5, при помощи которого осуществлялось вибрационное воздействие на шлам, располагался возле места его выхода из емкости (см. рис. 1). Вибрация осуществлялась при помощи виб­ратора 6 и возвратно-поступательной пружины 7, соединенной с штоком 8, на который устанавливался вибрирующий элемент 5. Вибратор 6 приводился в движение с помощью двигателя 9, подключенного к частотному преобразователю 10. Частота виб­рации элемента 5 регулировалась частотным пре­образователем 10 и задатчиком час­тоты 11 в пределах от 0 до 50 Гц, а амплитуда его виб­рации, изменявшаяся при помощи пружины 7, принимала значения 2, 3 и 4 мм.

Возможность замены вибрирующих элементов (см. рис. 2), характеризующихся различным насосным эффектом, позволила определить влияние конструктивных особенностей вибрационных устройств на скорость истечения суспензий и, следовательно, на изменение их реологических свойств.

Результаты проведения экспериментальных работ

Анализ влияния частоты вибрации и типа вибрирующего элемента на по­движность шлама. На рис. 3 представлены результаты исследования влияния частоты вибрации и типа вибрирующего элемента на подвижность шлама из сырьевых материалов Балаклейского цементного завода. Наиболее эффективен элемент лопастного типа — максимальная объемная скорость истечения шлама из экспериментальной емкости (достигнута при частоте вибрации 20—22 Гц) равна 2,25 л/мин (см. рис. 3, в). Менее эффективными оказались вибрирующие элементы поршневого и каркас­ного типов (около 1,9 л/мин).

Рис. 3. Влияние частоты вибрации и типа вибрирующего органа (а — поршневого, б — каркасного, в — лопастного) на объемную скорость течения шлама Балаклейского завода. Числа у кривых — номера экспериментов согласно таблице

Далее проводились исследования шламов из сырьевых материалов четырех заводов — Балаклейского, Амвросиевского, Каменец-Подольского и Николаевского. Для обеспечения одинаковой растекаемости приготавливаемых образцов шлама на основе сырьевых компонентов указанных заводов требуется различная влажность шламов (см. таблицу). С учетом этого была поставлена задача: определить влияние вибрации на подвижность шлама при их течении через установленные патрубки в зависимости от различных факторов, а именно от растекаемости шлама, диаметра патрубка, влажности шлама, час­тоты и амплитуды вибрации вибрирующего элемента.

На рис. 4 представлены результаты исследований влияния частоты и амплитуды вибрации элемента лопастного типа на объемную скорость истечения шламов. Видно, что с увеличением влажности и растекаемос­ти шламов (см. таблицу) растет и скорость объемного истечения шламов при воздей­ствии вибрации. Наиболее вязкими оказались образцы шлама, приготовленные из сырьевых материалов Амвросиевского цементного завода: для обеспечения заданной растекаемости шлама по конусу (52 мм) потребовалось увеличить начальную влажность до 46,0 %, а для обеспечения растекаемости по конусу 60 мм — увеличить конечную влажность до 50,2 %. Наименьшей вязкостью обладают шламы Николаевского цементного завода: для обеспечения растекаемости приготовленного шлама по конусу 52 мм начальную влажность образцов необходимо было довести до 34,1 %, а для обеспечения растекаемости по конусу 60 мм конечная влажность образцов шлама составила 37,0 %.

Рис. 4. Влияние частоты вибрации элемента лопастного типа на объемный расход шламов, приготовленных из сырьевых материалов Балаклейского (а), Амвросиевского (б), Николаевского (в) и Каменец-Подольского (г) цементных заводов. Числа у кривых — номера экспериментов согласно таблице

По данным рис. 4, максимальный эффект воздействия вибрации вибрирующих элементов достигается в области ее частот 15—25 Гц: для вязких шламов из сырьевых материалов Балаклейского и Амвросиевского заводов — при 20—25 Гц, а для остальных шламов — при 15—20 Гц.

Далее в работе изучалось комплексное влияние частоты вибрации ω, Гц; диаметра патрубка d, мм; влажности исследуемого образца шлама w, % и растекаемости шлама R, мм на изменение объемной скорости истечения шлама через патрубок из экспериментальной емкости при воздействии на него вибрации υ, л/мин, по сравнению с объемной скоростью его свободного истечения υ₀, л/мин. Для оценки изменения подвижности шлама определялся коэффициент увеличения текучести шлама k_у.т. — отношение двух указанных скоростей при одинаковом внутреннем диаметре патрубка, равном 13 мм:

Результаты исследований влияния растекаемости и влажности при фиксированных значениях частоты и амплитуды вибрации на увеличение подвижности образцов шлама, приготовленных из сырьевых материалов Балаклейского, Амвросиевского, Каменец-Подольского и Николаевского заводов представлены на рис. 5. Видно, что влияние вибрации на текучесть максимально для образца шлама Амвросиевского завода с растекаемостью 52 мм (k_у.т. = 23,3, т. е. текучесть возросла в 23,3 раза), а минимально — для образца шлама Николаевского цементного завода.

Рис. 5. Влияние растекаемости (а) и влажности (б) на увеличение объемной скорости течения под воздействием вибрации для шламов из сырьевых материалов Балаклейского (1), Амвросиевского (2), Каменец-Подольского (3) и Николаевского заводов (4)

Таким образом, наибольший эффект виб­рационное воздействие оказывает на шламы, обладающие высокой вязкостью и высокой водопотребностью для разжижения шламов, такие как шламы Амвросиевского и Балак­лейского заводов. Результаты проведенных исследований показывают, что имеются значительные возможности снижения влажности шламов для предприятий, имеющих исходные сырьевые материалы высокой водопотребности. Использование вибрационного воздействия может обеспечить при минимальной влажности шламов их текучесть, необходимую для перекачки в ходе приготовления и корректировки сырьевых смесей.

Далее оценивалась интенсивность истечения приготовленных образцов шлама при воздействии вибрации с фиксированными значениями ее частоты (15 и 20 Гц) и растекаемости шлама (52, 56 и 60 мм). При этом влажность определялась заданной растекае­мостью шлама. Использовался лопастной вибрирующий элемент.

На рис. 5, б видно, что для обеспечения необходимой растекаемости приготовленных образцов шлама наибольшую влажность должны иметь образцы шлама Амвросиевского завода. Значения водопотребности шламов Балаклейского и Николаевского заводов близки, однако влияние вибрирующего воздействия на приготовленные образцы шлама оказалось различным при одних и тех же значениях частоты вибрации ω = 20 Гц и внут­реннем диаметре патрубка d = 13 мм. При растекаемости шлама R = 52 мм и влажности W = 37,1 % подвижность шлама Балаклейского завода увеличилась в 11 раз, а Николаевского завода — в 3,28 раза.

Результаты исследований комплексного влияния частоты вибрации ω, внутреннего диа­метра патрубка d, влажности шлама w и растекаемости шлама R на объемную скорость свободного истечения шлама из экспериментальной емкости и его истечения при воздействии вибрации представлены на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Влияние амплитуды и частоты вибрации и растекаемости на увеличение текучести шлама Балаклейского завода

1 — ω = 15, R = 56; 2 — ω = 20, R = 56; 3 — ω = 15, R = 60; 4 — ω = 20, R = 60

Рис. 7. Влияние растекаемости, частоты вибрации и диаметра патрубка на увеличение текучести шлама Балаклейского завода

1 — ω = 15, d = 15; 2 – ω = 20, d = 15; 3 – ω  = 15, d = 13; 4 – ω = 20, d = 13

Влияние амплитуды вибрации рабочего органа на увеличение подвижности шлама изучали при дискретных значениях частоты вибрации, растекаемости шлама и диаметре патрубка (рис. 6). Видно, что увеличение амплитуды колебаний вибрирующего элемента способствует увеличению текучести шлама.

Результаты исследований влияния растекаемости шлама при дискретных значениях диаметра патрубка и частоты колебаний виб­рирующего элемента на увеличение текучести шлама (рис. 7) показывают, что увеличение частоты вибрации и уменьшение диаметра патрубка приводят к увеличению подвижности шлама, причем более заметно она увеличивается при более низкой растекаемости и соответственно более низкой влажности.

Анализ влияния вибрирующего воздействия на статическое напряжение сдвига шлама. Изучено влияние вибровоз­действия на структурно-механические свойства шламовых суспензий. Критерием оценки являлось изменение статического напряжения сдвига в результате воздействия виброэлементов на шлам. Статическое напряжение сдвига приготовленных образцов шлама изучалось на устройстве, изготовленном на базе прибора СНС-2. Схема устройства для изучения статического напряжения сдвига представлена на рис. 8. 

Рис. 8. Схема устройства для определения статического напряжения сдвига

Устройство состоит из двигателя 1, привода шкива 2, предназначенного для вращения емкости 3, цилиндра 4 и шкалы измерения 7 угла его поворота. В емкость 3 помещается испытуемый шлам, и при помощи цилиндра 4 определяется статическое напряжение сдвига. Вибрация осуществляется при помощи виб­ратора 8, двигателя 9, частотного преобразователя 10 и задатчика частоты 11. Через шток 6 она передается виб­рирующему элементу 5, имеющему спиралеобразную форму каркасного типа, который устанавливается на цилиндр 4, располагаясь вокруг него, благодаря чему оказывает виб­рационное воздействие на шлам, находящийся в непосредственной близости от цилиндра.

В результате вибрации статическое напряжение сдвига всех исследованных шламов снижалось более чем на порядок, что указывает на разрушение вязкопластической структуры шлама, при этом растекаемость шламов варьировалась от 52 до 60 мм (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость статического напряжения сдвига P_ст шламов от частоты вибрации элемента лопастного типа

Отметим значительное влияние вибровоз­действия на статическое напряжение сдвига для густых шламов, имеющих более низкую растекаемость (см. рис. 4, кривые 1—3), что особенно важно.

Таким образом, вибрирующее воздействие на шлам позволяет разрушить его вязкоплас­тическую структуру и за счет этого увеличить его подвижность на порядок. Особенно это важно для работы насосов, перекачиваю­щих шлам на различных участках его приготовления, так как лимитирующей стадией работы насоса является перемещение шлама через всасывающий патрубок. Именно на этом участке происходит отказ работы насоса из-за невозможности качать густой вязко-плас­тичный шлам.

Выводы

Вибрирующее воздействие оказывает за­метное влияние на подвижность шламов, приготовленных из использующихся на различных заводах исходных сырьевых материалов, которые имеют разную минералогическую природу. Особенно важно то, что значительно увеличивается подвижность шламов, приготовленных на основе сырьевых материалов с высокой водопотребностью. Подвижность шламов, приготовленных из сырьевых материалов Амвросиевского и Балаклейского цементных заводов, с растекаемостью 52 мм в результате вибровоздействия увеличилась соответственно в 23,3 и 11 раз.

Путем низкочастотного вибрационного воздействия на шлам можно увеличить его подвижность в 3—23 раза, что позволяет на 3—5 % снизить влажность перекачиваемых шламов. Благодаря этому можно уменьшить энергозатраты при производстве цемента по различным статьям, прежде всего за счет снижения влажности обжигаемого шлама и снижения на этой основе расхода топлива на обжиг клинкера. Снижение энергозатрат возможно также за счет уменьшения общего количества перекачиваемого шлама, а также количества воды, добываемой и используемой для разжижения шлама. Суммарные энергозатраты, в зависимости от природы минерального сырья заводов, можно сократить на 7—15 %.

Для снижения энергозатрат и увеличения эффективности производства цементного клинкера могут быть рекомендованы методы вибрации, при этом потребуется незначительная реконструкция действующего оборудования, для которой не нужны значительные капитальные затраты на модернизацию дей­ствующего оборудования, используемого в технологии перекачки шламов.

Для промышленного применения можно рекомендовать вибрирующий элемент лопастного типа. Установлен диапазон оптимальных частот его колебаний, которые в зависимости от минералогического состава и физико-химических свойств исходных сырьевых материалов находятся в пределах 15—25 Гц.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беседин П.В., Трубаев П.А., Панова О.А., Гришко Б.М. Некоторые направления энергосбережения в технологии цемента // Цемент и его применение. 2011. № 2. С. 130—134.

2. Беседин П.В., Трубаев П.А. Исследование и оптимизация процессов в технологии цементного клинкера. Белгород: Изд-во БелГТАСМ: БИЭИ, 2004. 420 с.

3. Рахимбаев Ш.М., Гордеев Л.С., Мосьпан В.И., Беседин П.В. Действие разжижителей на реологические свойства сырьевых шламов // Цемент. 1990. № 8. С. 12—14.

4. Панасенко А.И., Везенцев А.И., Мосьпан В.И., Беседин П.В. Модификация глин Балаклейского цементно-шиферного комбината с целью снижения влажности, шлама // Цемент. 1993. № 5/6. С. 64—66.

5. Пономарев И.Ф. Эффективные способы снижения влажности сырьевого шлама // Цемент. 1974. № 2. С. 9.

6. Brückner R. Der einfluβ mechanischer schwingungen aut das fliebver halten von kaolin-wasser-mischungen // Berichte Deutsche Keramische Geselschaft. 1966. B. 43, H. 12. S. 709—717.

7. Богомолов Б.Н. Интенсификация процесса обжига путем предварительной виброобработки сырьевых шламов // Цемент. 1973. № 7. C. 9.

8. Ткачев В.В. Снижение влажности шлама путем разрушения его коагуляционной структуры // Цемент. 1974. № 5. C. 12—13.