Оценка интенсификаторов помола с помощью мельницы Цейзеля

РЕФЕРАТ. Помол клинкера представляет собой энергозатратный процесс, поскольку электроэнергия, потребляемая при этом, обычно составляет около 40 % всего количества энергии, затраченной при производстве цемента. Удельный расход электро­энергии зависит от состава клинкера и достигает 30—80 кВт·ч/т. Обычные мельницы имеют очень низкую эффективность помола. Введение специальных добавок позволяет повысить ее, снизить расход энергии при положительном влиянии на качество получаемого цемента. Эффективность интенсификаторов помола трудно оценить с помощью лабораторных испытаний, и окончательный вывод о целесообразности их использования может быть сделан только после проведения промышленных испытаний. Тем не менее лабораторные испытания необходи­мы для предварительной оценки эффективности интенсификаторов помола и для разработки их новых составов.

Цель данной работы состоит в исследовании возможностей мельницы Цейзеля (Zeisel) в прогнозировании эффективнос­ти интенсификаторов помола. До настоящего момента эта мельница в основном использовалась для определения раз­малываемос­ти клинкера без добавок. В первой части статьи представлены данные по размалываемости, полученные при использовании трех видов интенсификаторов помола на основе многоатомных спиртов, и их эффективности. Во второй части исследуется композиционный состав, в котором присутствуют компоненты, увеличивающие производительность мельницы (многоатомные спирты), а также компоненты, увеличивающие прочность цементного камня при сжатии (амины). Рассчитана экономия энергии при помоле до различных значений удельной поверхности по Блейну. Достигнутые эффекты сравниваются с результатами, полученными при использовании промышленного продукта и в лабораторном масштабе, и на промышленном уровне. Полученные результаты хорошо согласуются между собой. Описаны возможности и ограничения мельницы Цейзеля.

Ключевые слова: мельница Цейзеля, интенсификатор помола, гликоль, амин.

Keywords: Zeisel mill, grinding aid, additive, glycol, amine.

Введение

Около 40 % всей электроэнергии, потреб­ляемой при производстве цемента, расходуется при помоле клинкера [1]. Бóльшая часть подводимой энергии теряется в виде тепла, износа деталей, вибрации, шума, упругих и пластических деформаций и т. д., и лишь небольшая ее часть — приблизительно 1 % — используется для разрушения материала, т. е. для создания новой поверхности [2]. В теп­лоту превращается около 90 % подводимой энергии мельницы, вызывая подъем температуры до 80 °C. Локальная температура может быть еще выше из-за соударений мелющих тел с зернами клинкера. Для охлаж­дения получаемого продукта и самой мельницы в ее загрузочный и разгрузочный концы подают воду.

Для снижения расхода энергии при помоле клинкера используют следующее:

• ввод интенсификаторов помола с целью предотвратить повторное агрегирование частиц цемента в ходе помола и после него [3];

• оптимальный расчет систем измельчения с целью обеспечить более эффективное использование существующего оборудования, традиционно базирующегося на многокамерных шаровых мельницах. Такой подход широко используется для проектирования и оптимизации схем мокрого измельчения, дающих значительные преимущества, и в меньшей степени — для схем сухого помола [4];

• разработку оборудования с более высоким коэффициентом использования подводимой энергии, такого как вертикальные валковые мельницы (ВВМ) или валки высокого давления (ВВД). Удельный расход энергии для этих устройств теоретически составляет 50—70 % расхода энергии в шаровых мельницах. Хотя при использовании ВВМ и ВВД можно получить частицы с удельной поверхностью по Блейну до 4500 см²/г, получаемый в результате фракционный состав цемента и его характеристики могут меняться в зависимости от используемой системы, что повышает значение контроля качества продукции на предприятии.

В настоящее время доля шаровых мельниц все еще составляет около 60 % от всех мельниц, установленных на цементных заводах.

Понятие «размалываемость» используется для характеристики расхода энергии, которая требуется для измельчения определенного количества клинкера от начального до конечного распределения материала по размеру частиц [5].

Для расчета энергозатрат, необходимых для измельчения материала до определенной удельной поверхности, были предложены три основных уравнения: 1) постулат Риттингера (1867), 2) законы Кика (1885) и 3) Бонда (1952) [6]. Их можно рассматривать в каче­стве частных случаев общего закона: энергия dE, необходимая для того, чтобы вызвать малое изменение размера dL, является степенной функцией размера: dE/dL = –cLm.

Легкость измельчения клинкера зависит от многих факторов, среди которых основную роль играют те, которые связаны с микроструктурой — пористость, состав и размер кристаллов [7]. Размалываемость улучшается с уменьшением силикатного модуля и увеличением содержания оксидов алюминия (Al₂O₃) и железа (Fe₂O₃) [8]. Повышение содержания алита и уменьшение размеров кристаллов способствуют лучшей размалываемости клинкера; напротив, повышение содержания фазы белита и увеличение размеров кристаллов ухудшают размалываемость [9]. Чем выше содержание жидкой фазы при спекании клинкера, тем хуже его размалываемость [8].

Для определения размалываемости были разработаны различные методы. Три широко используемых метода описаны Бондом, Хардгроувом и Цейзелем [10]. Как подчеркивается в работе [5], испытания на размалываемость определяют свойство системы, а не свойство материала. Это означает, что полученный результат не характеризует исключительно материал, а скорее устройство для испытания вместе с исследуемым материалом. Данный факт отчасти объясняет получение противоречивых результатов при использовании различных методов испытаний, применяющих различные виды деформирующих усилий. Другой причиной, из-за которой получаемые значения различаются между собой, является минералогия клинкера, т. е. состав, структура, распределение остаточных микронапряжений и т. д.

Установлено, что испытания по методу Цейзеля дают надежные данные для расчета сырьевых мельниц [11], поэтому сейчас он является стандартным методом определения размалываемости [12], хотя находят применение и другие методики.

Цель данной работы — исследовать возможности, предоставляемые мельницей Цейзеля, для предварительного определения эффективности интенсификаторов помола на лабораторном уровне. Действительно, при исследовании новых составов и разработки новых рецептур необходима оценка, предваряющая проведение полномасштабных промышленных испытаний.

Мельница Цейзеля

В 1935 году Цейзель разработал «измеритель размалываемости» в целях «оценки удельного расхода энергии (в кВт·ч/т), потреб­ляемой при получении материала с определенной удельной поверхностью» в случае измельчения материалов в трубных мельницах [13].

Оборудование состоит из трех основных частей (рис. 1,2) :

• чаши, снабженной восемью стальными шарами диаметром 25 мм и общей массой 509 г;

• вала, вращающегося со скоростью 100—2000 об./мин при нагрузке от 93 до 265 Н;

• измерительного прибора, в котором вращающийся шток, прикрепленный к откалиброванной пружине, поддерживает площадку с установленной на ней чашей.

Рис.1. Устройство Цейзеля

Рис. 2. Конструкция чаши

После того как заданы частота вращения и нагрузка, размольный вал придает шарам вращательное движение. При помоле касательные напряжения передаются чаше и расположенной под ней вращающейся системе, прикрепленной к откалиброванной пружине. Каждому углу вращения соответствует определенное значение момента торсионной пружины, равное произведению силы на радиус вращающейся системы. Исходя из значения момента с помощью программного обеспечения рассчитываются энергия помола и удельная энергия помола:

где W — энергия помола, Н·м; l — радиус вращающейся системы, м; n — скорость вращения размольного вала, об./мин; P — сила, Н; t — время, с; c = π·n/30 — постоянная; W_t — удельная энергия помола, кВт·ч/т; m — масса образцов, г.

Для получения корректных результатов измерений необходимо использовать твердые материалы, такие как клинкер или шлак. Уже при незначительном содержании мягких пород, например известняка, образуются агломераты; даже в присутствии интенсификаторов помола на поверхности шаров и внутренней поверхности чаши налипает толстый слой, что приводит к сильным и неустойчивым вибрациям мельницы. Для оценки эффективности интенсификаторов помола это не создает проблем, поскольку энергия в условиях производства затрачивается прежде всего на помол клинкера, а не мягких минеральных добавок.

Материалы и методики эксперимента

Результаты рентгенофлуоресцентного анализа клинкера и его минералогический состав представлены в табл. 1, 2.

Первую стадию измельчения клинкера выполняли в щековой дробилке, после чего материал рассеивали с помощью двух вибросит, чтобы получить частицы в диапазоне размеров 0,5—1,0 мм. Затем с помощью пипетки в материал вводили точное количество добавки (30,25 г), полученный состав гомогенизировали и помещали в чашу прибора. После вращения размольного вала при частоте 200 об./мин в течение 3 мин с нагрузкой 196 Н измеряли удельную поверх­ность по Блейну в соответ­ствии со стандартом UNI-EN 196—6.

Результаты и обсуждение

Многоатомные спирты в качестве интенсификаторов помола. Первая группа добавок, рассмотренных в данной работе, включает этиленгликоль (ЭГ) и два его олигомера — диэтиленгликоль (ДЭГ) и триэтиленгликоль (ТЭГ).

Влияние добавок ЭГ, ДЭГ и ТЭГ на удельные затраты энергии при помоле клинкера представлено на рис. 3. Зависимость удельных затрат энергии, кВт·ч/т. от удельной поверхности молотого клинкера по Блейну, см²/г, интерполирована экспоненциальной функцией E = k e^cx, где k и x — постоянные, с коэффициентом корреляции более 0,99.

Рис. 3. Удельные затраты энергии на помол клинкера с добавкой ЭГ (а), ДЭГ (б) и ТЭГ (в) в зависимости от удельной поверхности молотого клинкера по Блейну. Здесь и на рис. 4—7: d — содержание добавки

Согласно классификации размалываемости, предложенной в работе [12], данный клинкер классифицируется как нормальный.

В каждом случае кривые, относящиеся к различным дозировкам спиртов, расположены ниже контрольной кривой, соответствующей бездобавочному образцу; различия между кривыми, соответствующими разным дозировкам, становятся заметными лишь при высоких значениях удельной поверх­ности.

Экономия энергозатрат при помоле в присутствии многоатомных спиртов по отношению к контрольному образцу представлена на рис. 4, из которого видно следующее:

• добавление 0,02 % спирта обеспечивает экономию энергии до 30 %;

• с увеличением количества вводимой добавки затраты энергии падают;

• экономия энергии зависит от удельной поверхности по Блейну, и в большин­стве случаев полученные кривые проходят через максимум.

Рис. 4. Экономия энергозатрат при помоле клинкера с добавкой ЭГ (а), ДЭГ (б) и ТЭГ (в) по сравнению с контрольным образцом

В зависимости от удельной поверхности молотого клинкера и дозировки спирта выигрыш в энергозатратах на помол составляет 20—30 % для ЭГ, 30—55 % для ДЭГ, 20—40 % для ТЭГ.

На рис. 5 представлены результаты сравнения действия различных добавок при их одинаковом содержании в образцах:

• при содержании добавок 0,03; 0,04 и 0,05 % кривые для ЭГ и ТЭГ расположены близко друг к другу при низких значениях удельной поверхности и расходятся при высоких значениях;

• при всех дозировках и значениях удельной поверхности ДЭГ является самым эффективным из трех спиртов, затем по эффективности следуют ТЭГ и ЭГ.

Рис. 5. Зависимость экономии энергозатрат при помоле клинкера от вида добавки многоатомного спирта при ее фиксированной дозировке

Различия в эффектах, вызываемых многоатомными спиртами, определяются по крайней мере двумя параметрами их молекулярной структуры — гидрофильностью и молекулярной массой. У добавок ДЭГ и ТЭГ гидрофильность ниже, чем у ЭГ [14], а длина их молекул больше. Как было отмечено авторами работы [15], это обусловливает некоторые различия в степени адсорбции, в силе отталкивания между частицами и, следовательно, в оптимальных значениях дозировки добавки для получения заданного значения удельной поверхности.

Амины в качестве интенсификаторов помола. Во вторую группу добавок, рассмотренных в данном исследовании, входят триэтаноламин (ТЭА) и триизопропаноламин (ТИПА).

Амины представляют значительный интерес для интенсификации помола благодаря их способности увеличивать производительность помольного агрегата и, в некоторой степени,  прочность цементного камня, как это имеет место в случае ТИПА [16, 17].

На рис. 6 представлена экономия энергозатрат при помоле в присутствии аминов относительно контрольного образца.

Рис. 6. Экономия энергозатрат при помоле клинкера в присутствии ТЭА и ТИПА

На рис. 7 представлена экономия энергозатрат при помоле клинкера с добавками ТЭА, ТИПА и ДЭГ при различных дозировках относительно контрольного образца.

Рис. 7. Экономия энергозатрат при помоле клинкера в присутствии аминов и ДЭГ

Кривые для двух аминов накладываются друг на друга при средних дозировках (0,03 и 0,04 %) и расходятся при двух крайних значениях (0,01 и 0,05 %). При всех дозировках ТИПА более эффективен, чем ТЭА, но не в такой степени, как ДЭГ.

Смешанные составы в качестве интенсификаторов размола. Чтобы совместно использовать эффективность ДЭГ и положительное влияние аминов на проч­ность при сжатии цементного камня, был разработан композиционный состав.

На рис. 8 представлена экономия энергозатрат при помоле с использованием композиционного состава и известного промышленного интенсификатора помола COM по отношению к контрольному образцу. При удельной поверхности около 4000 см²/г по Блейну экономия энергии при использовании композиционного продукта примерно на 7 % больше.

Рис. 8. Экономия затрат энергии при помоле клинкера с использованием экспериментального композиционного интенсификатора помола и промышленного продукта COM. Дозировка добавок d = 0,03 % 

Промышленные испытания композиционного продукта при помоле того же клинкера, который был использован в лабораторных исследованиях, в присутствии гипса и 3 % известняка, показали увеличение производительности мельницы примерно на 4 % по сравнению с известным промышленным интенсификатором помола. Данное значение является близким к тому, которое было получено на мельнице Цейзеля.

Заключение

Оценка эффективности интенсификаторов помола в лабораторных условиях проблематична, и решение об их эффективности может быть принято только после проведения промышленных испытаний. Тем не менее лабораторные испытания необходимы при разработке новых видов продуктов. В данной работе испытана мельница Цейзеля, которая является перспективным видом оборудования для оценки эффективности интенсификаторов помола. Получены следующие основные результаты:

• мельница Цейзеля может дифференцировать влияние различных добавок;

• испытание может быть выполнено в том диапазоне значений удельной поверхности по Блейну, которое относится к товарным цементам, при обыч­ных дозировках интенсификаторов размола;

• при увеличении удельной поверхности экономия энергии благодаря применению добавки увеличивается до определенного максимума, после которого эффект уменьшается;

• для получения надежных данных рекомендуется проверка воспроизводимости результатов для простого клинкера, а не для клинкера с добавками;

• в мельнице Цейзеля не следует размалывать вяжущие композиции, содержащие мягкие материалы (например, известняк), поскольку при этом возникают сильные виб­рации, которые могут исказить результаты и вызвать повреждение оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Jankovic A., Valery W., Davis E. Cement grinding optimization // Minerals Engineering. 2004. Vol. 17. P. 1075—1081.

2. El-Shall H., Somasundaran P. Physico-chemical aspects of grinding: a review of use of additives // Powder Technology. 1984. Vol. 38. P. 275—293.

3. Massazza F., Testolin M. Recenti sviluppi nell’impiego degli additivi per cemento e calcestruzo // Il Cemento. 1980. Vol. 77. P. 73—146.

4. Benzer H., Ergün L., Öner M., Lynch A.J. Simulation of open circuit clinker grinding // Minerals Engineering. 2001. Vol. 14. P. 701—710.

5. Unland G. Die Beurteilung der Mahlbarkeit von Zementlinker, Teil 1 // ZKG Intern. 2001. N 2. P. 61—65.

6. Rodes M. Introduction to particels technology. Brisbane:  J. Wiley & Sons, 1998.

7. Hills M.L. Clinker microstructure related to grindability // PCA R&D Serial N 2043.1996.

8. Duda W.H. Cement Data Book / 2 nd ed. Wiesbaden, Berlin: Bauverlag GmbH, 1977.

9. Viggh E.O. Estimation of grindability of Portland cement clin­ker // World cement. 1994. Vol. 25, N 10. P. 44—48.

10. De Weerdt K. Separate grinding versus intergrinding — State of the art // SINTEF rep. SBF BK A07022.2007.

11. Zisselmar R. Die Mahlbarkeitsprüfung von Stoffen unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften als Grundlage für die Dimensionierung von Mahlanlagen // Zement-Kalk-Gips. 1981. N 4. P. 187—196.

12. Unland G., Meltke K., Popov O., Silbermann F. Assesment of the grindability of cement clinker. Pt 2 // Cement International. 2003. N 2. P. 55—63.

13. Klapdohr H., Masbaum G. Einfluβ verschiedener Parameter auf die Energieausnutzung beim Mahlbarkeitsprüfer // Zement-Kalk-Gips. 1983. N 11. P. 615—623.

14. Jolicoeur C., Morasse S., Sharman J., Tagnit-Hamou A. et al. // Proc. of the 12th Intern. Congr. on the Chemistry of Cement. Mont­real, 2007.

15 Teoreanu I., Guslicov G. Mechanism and effects of additives from the dihydroxy-compound class on Portland cement grinding // Cement and Concrete Res. 1999. Vol. 29. P. 9—15.

16. Sandberg J. The effect of 4 alkanolamines on pore water composition and strength development of  mortar // Proc. of the 12th Intern. Congr. on the Chemistry of Cement. Montreal, 2007. P. 486—494.

17. Perez J., Nonat A., Garaffault-Gauffinet S., Pourchet S. et al. Influence of triisopropanolamine on the physico-chemical and mechanical properties of pure cement pastes and mortars // Proc. of the 12th Intern. Congr. on the Chemistry of Cement. Montreal, 2007. P.  454—464.