О возможностях разработки мини-технологии производства глиноземистого цемента

РЕФЕРАТ. Рассмотрены возможности производства глиноземистого цемента на основе исходных высокодисперсных материалов с использованием камерных электропечей производительностью от 1,2 до 4,6 т в сутки. Разработана технология низкотемпературного твердофазового спекания и испытана ее продукция. Приведены рекомендации по оснащению производства оборудованием и минимизации затрат на нем.

Ключевые слова: глиноземистый цемент, камерная печь, твердофазовое спекание.

Keywords: aluminous cement, box kiln, solid-state sintering.

Глиноземистый цемент относится к наиболее дорогостоящим видам минеральных вяжущих и имеет довольно широкую область применения. В то же время обжиг глиноземистого клинкера во вращающихся печах достаточно проблематичен, что обусловлено его весьма коротким температурным интервалом плавления, особенно при наличии в сырье оксидов железа. В указанной связи широкое распространение имеют технологии производства методом плавления — в дуговых электропечах, а также доменной плавкой. Плавильные технологии, как правило, наиболее энергозатратны, поскольку лишены регенерационной составляющей.

Из спековых технологий наиболее известен обжиг в туннельных печах, причем эта технология весьма близка к производству керамического кирпича способом полусухого прессования, что позволяет заимствовать оборудование, применяемое в производстве кирпича. В наиболее простом варианте, прак­тикуемом при получении огнеупорных высокоалюминатных цементов, термообработку ведут до полного связывания только извести в расчете на завершение клинкерообразования (полного связывания глинозема) в ходе эксплуатации огнеупора. В этом случае допустимо снижение температуры обжига клинкера на 200—300 °С, что в дополнение к уменьшению расхода тепла на обжиг экономит до 67 % электроэнергии на помоле цемента [1]. Указанный эффект обусловлен минимальной плотностью продукта, что, в свою очередь, определяется минимальным содержанием в нем затвердевшего расплава, свидетельствующим о подавляющем преобладании твердофазовых реакций в его формировании.

Авторы предприняли попытку создания технологии производства глиноземистого цемента, применимой при относительно малых объемах производства. Теоретической и практической базой разработки являются последние достижения в области огнеупоров на основе алюминатных цементов, а также появление на рынке компактных и эффективных высокотемпературных нагревательных устройств — камерных электропечей. Использование в технологии техногенного сырьевого ресурса также должно способствовать снижению затрат на производство вяжущего.

Очевидно, что главным фактором, определяющим эффективность твердофазового спекания, является высокая и сбалансированная удельная поверхность исходных компонентов. Термин «сбалансированная» означает, что этот показатель у всех компонентов смеси должен быть одного порядка, а удельная поверхность каждого компонента, по возможности, обратно пропорциональна его доле в составе композиции.

В исследовании использовали высокодисперсный известняковый компонент мик­рокальцит с размером зерна менее 40 мкм ОАО «Коелгамрамор» и пыль глиноземную из электрофильтров печей кальцинации Богословского алюминиевого завода. Кроме того, в состав сырьевой смеси вводили компоненты, стимулирующие синтез клинкерных минералов. В табл. 1 приведены данные по химическому составу сырьевых компонентов.

Высокая дисперсность частиц пыли электрофильтров (менее 20 мкм) стимулирует их повышенную летучесть при переработке глинозема в металл и, как следствие, большие потери этого сырья, сопровождающиеся запыленностью рабочей зоны. Указанное обстоятельство делает возможной реализацию данной пыли на стороне в качестве попутного продукта производства глинозема.

Микрокальцит известен как дисперсный отход разделки мраморных блоков посредством абразивной резки, однако в последнее время появились специализированные производства по выпуску фракционированной продукции из кусковых отходов разработки мрамора. В частности, в исследовании использована фракция 5—40 мкм, продукт ЗАО «Коелгамрамор».

Известь гидратная, «пушонка», испытывалась в качестве кальцийсодержащего компонента, альтернативного микрокальциту. При гашении строительной извести в условиях дефицита воды она образует дисперсный продукт с частицами чешуйчатой формы размером менее 1 мм. Ожидалась, что гидроксидная форма кальция даже в случае меньшей, в сравнении с микрокальцитом, удельной поверхности проявит достаточную (сопоставимую с ним) реакционную способность.

В качестве связующего при брикетировании компонента использован глиноземистый цемент [1]. Кроме того, в сырьевые смеси вводили добавки: пластификатор лигносульфонат технический (ЛСТ), снижающий водопотребность и облегчающий брикетирование, молотый нефтяной кокс, стимулирующий образование клинкерных минералов, а также минерализаторы — химически активные вещества, стимулирующие массообмен [2].

Методика эксперимента предусматривала тщательное перемешивание компонентов, последующее увлажнение и брикетирование смеси, сушку и обжиг брикетов при температурах 1050—1250 °С с изотермической выдержкой от 30 до 120 мин. Продукт обжига, спек, тонко измельчали и испытывали на малых образцах в тесте жидкой консистенции (180—200 мм по вискозиметру Суттарда).

Химический состав исходной сырьевой смеси соответствовал стехиометрической пропорции моноалюмината кальция. Сравнивали активность продуктов обжига при 1200 °С с изотермической выдержкой от 30 до 120 мин двух различных известковых компонентов: микрокальцита и пушонки.

Установлено, что все образцы на кальците, независимо от продолжительности обжига, непрочны, тогда как образцы на пушонке уже после 60 мин выдержки обладали достаточной прочностью. При этом содержание свободной извести в непрочных брикетах на микрокальците при равной изотермической выдержке во всех случаях было значительно ниже, чем у аналогов на пушонке. С увеличением выдержки с 60 до 120 мин образцы на пушонке продолжали упрочняться, одновременно уменьшаясь в объеме на 5—7 %. При этом прочность вяжущего на их основе не превышала 10 МПа. Причиной столь значительной усадки, вероятно, является наличие в пушонке определенного количества примесей в виде полуторных или щелочных оксидов.

При выдержке 120 мин содержание свободной извести в составе с микрокальцитом снижалось до 0,3%. Однако этот продукт отличался высокой водопотребностью, быстрым разогревом и схватыванием. Указанное характерно для вяжущего с преобладанием майенита 12СаО·7Аl₂О₃. Поэтому далее использовали композиции с пониженным содержанием извести, существенно повысив в композиции долю глинозема, что обеспечило получение вяжущего необходимых кондиций.

Установлено, что ввод добавок в виде минерализатора, нефтекокса и глиноземистого цемента позволяет уменьшить температуру обжига до 1100 °С и ниже. При этом продолжительность изотермической выдержки должна быть не менее 3 ч. Указанное сочетание температурного и временнóго факторов позволяет получать легко измельчаемый пористый спек, что дает возаможность минимизировать затраты на его помол. Для получения вяжущего высокой прочности необходимо вводить в него пластификатор и обеспечить его удельную поверхность не менее 400 м²/кг.

Вяжущее оптимального состава и кондиций испытывали в тесте жидкой консистенции при водотвердом отношении В/Т = 0,22. Интервал его схватывания: начало 15 мин, полное схватывание через 35 мин с момента затворения. Образцы в виде таблеток диаметром 28 и высотой 25 мм твердели в воздушно-влажной среде — в эксикаторе над водной поверхностью. Прочность образцов на торцевое сжатие составила: через 1 сут — 54 МПа, 3 сут — 61 МПа, 7 сут — 66 МПа, 14 сут — 72 МПа. По данным рентгенофазового анализа спека установлено преобладание в нем моноалюмината кальция. Остальные фазы — корунд, майенит, диалюминат кальция и углерод (остатки неф­тяного кокса). Отметим, что по химическому составу вяжущее относится к разряду огне­упорных, что не исключает его использования в производстве строительной продукции. По материалам исследования составлена заявка на изобретение и получен патент [2].

Для эффективности высокотемпературных обжиговых технологий решающее значение имеет уровень потерь в тепловом балансе процесса, особенно когда в нем отсутствует регенерационная составляющая. При «камерном обжиге» потери тепла в ходе остывания продукции неизбежны. В этом случае определенной компенсации таких тепловых потерь можно достичь путем минимизации оттока тепловой энергии в окружающее пространство. Указанную возможность обеспечивают использование в печах современных высоко­огнеупорных теплоизоляционных материалов — каолиновой ваты и ее аналогов. Весьма важно, что замещение традиционных плотных огнеупоров ватой сопровождалось многократным снижением массы огнеупора, что соответственно уменьшает теплозатраты на разогрев печи. Указанное существенно для энергоемких мини-технологий. Важно также, что среди прочих клинкерных вяжущих глиноземистый цемент, особенно производимый по предлагаемой технологии, отличается наименьшей температурой обжига. Альтернативой электропечам являются газовые колпаковые печи.

На текущий момент разработано множество вариантов электропечей разного назначения с высокоэффективной теплоизоляцией. На рисунке приведена примерная технологическая схема производства с использованием камерной печи. В качестве добавки минерализатора в ней предусмотрено применять плавиковый шпат — CaF₂, а восстановителем является нефтяной кокс. В сырьевую смесь в качестве связки добавляют глиноземистый цемент собственного производства.

Базовым элементом технологии является печь. Брикеты с габаритом одинарного строительного кирпича укладываются на выкатной под «колодцем», что обеспечит максимальный контакт кирпича с газами. В табл. 2 приведены данные по камерным печам ОАО «Уралэлектропечь» [3]. а далее рассмотрены возможности использования в производстве глиноземистого цемента печей максимального (тип ПВО-1,2–2000) и минимального (тип ПВО-1,2–500) размеров.

Электропечь ПВО-1,2–2000 имеет размеры обжиговой камеры 1,0 × 2,2 × 0,9 м, что соответствует объему 1,98 м³. Ее мощность — 100 кВт. При 50%-м заполнении объема возможен разовый обжиг 512 брикетов. Приняв массу одного обожженного брикета равной 3 кг, получаем разовый выход продукта 1536 кг. В случае длительности цикла обжига 8 ч (2,5 ч сушка и нагрев + 3,5 ч обжиг + 2 ч охлаждение) суточная производительность составит около 4,6 т. Для печи минимального размера ПВО-1,2–500 мощностью 30 кВт этот показатель составит 1,22 т.

В случае установки в непосредственной близости двух однотипных печей можно осуществлять тепловую регенерацию посредством перетока тепла из одной печи в другую, совместив охлаждение в одной печи с сушкой материала в другой. Несомненным резервом снижения затрат является оптимизация размера и формы брикетов, а также уменьшение их влажности за счет увеличения давления прессования. Весьма вероятно, что включение в объем брикета сквозных технологических пустот (как это делается в производстве облегченного строительного кирпича) позволит интенсифицировать сушку. Важно, что ускорение сушки и связанная с ним возможная деформация брикетов не должны повлиять на качество обжига клинкера. Еще одним значимым резервом мини-технологии является взвешенный выбор основного оборудования и использование в ней современных технических и конструкционных решений. Далее приведены наши собственные соображения и рекомендации.

Для перемешивания смеси и одновременного доизмельчения отдельных компонентов в ее составе рекомендуются мельницы периодического действия: стержневые, шаровые, вибрационные. Помимо подготовки смеси и усреднения ее состава подобные измельчители пригодны и для помола клинкера. Не исключено совмещение этих функций в одном агрегате, при котором в одном и том же устройстве поочередно измельчают сырье, а затем клинкер.

Подвоз сырья и добавок рекомендуется осуществлять в разовых мягких контейнерах (МКР), а отгрузку цемента — в крафт-мешках или в пластиковой расфасовке. Для внутреннего транспортирования, вероятно, окажется эффективным использование тельферов в сочетании с универсальными емкостными элементами типа бункеров с затворами, допускающими замещение выработанной емкости аналогом, заполненным сырьем или продуктом. Иными словами, речь идет о наличии в технологической линии стационарных элементов, например дозаторов, и замещаемых элементов в виде бункеров, которые участвуют в логистике технологии.

Выводы

1. Экспериментально установлена возможность получения посредством низкотемпературного спекания качественного глиноземистого цемента в условиях пониженной температуры и умеренной изотермической выдержки.

2. Достигнутый результат обусловлен высокой дисперсностью базовых компонентов — глинозема и кальцита, подбором оптимального соотношения между ними и применением стимуляторов клинкерообразования в виде восстановителя и минерализатора.

3. Предложены варианты реализации мини-производства глиноземистого цемента с использованием в качестве базового оборудования камерных печей ОАО «Уралэлектропечь» производительностью 1,2—4,6 т в сутки.

4. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологии, оптимизации технологического процесса и задействованного в нем оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузнецова Т.В., Талабер Й. Глиноземистый цемент. М.: Стройиздат, 1988. 272 с.

2. Способ получения глиноземистого цемента. Патент РФ № 2353596 от 22.08.2007. Опубл. 27.04.2009. Бюл. № 12.

3. www.uralelectropech.ru.