Гранулометрический состав портландцемента, полученного при помоле в замкнутом цикле

Ответ:

Основные компоненты системы помола в замкнутом цикле — ​шаровая мельница и сепаратор. Такие системы измельчения цемента широко используются на цемент­ных заводах и помольных установках.

Сепаратор разделяет материалы на крупные и мелкие частицы. Тонкодисперсный материал соответствует по дисперсности требованиям к готовому продукту. Он осаждается в рукавном фильтре и транс­портируется непосредственно в цементный силос. Грубодисперсный материал (крупка) возвращается в шаровую мельницу для повторного измельчения.

Гранулометрический состав (Particle size distribution, PSD) цемента представляется в виде таблицы значений или математической функции, которые позволяют определить долю присутствующих частиц (обычно массовую) в зависимости от их размера. Пример — ​функция распределения Розина—​Раммлера—​Шперлинга—​Беннета (Rosin—​Rammler—​Sperling—​Bennet, RRSB) [1]:

R(x) = 100exp[–(x/x_o)n], (1)

где x — ​размер частиц, мкм; R(x) — ​суммарная массовая доля частиц размером больше x, %; x_o — ​размер частиц, при котором массовая доля частиц большего размера равна 36,8 %; n — наклон линейного участка интегральной кривой.

PSD влияет на некоторые свойства цемента и, следовательно, очень важен для решения практических задач. Например, водопотребность, скорость гидратации и тепловыделение увеличиваются с ростом доли мелких час­тиц, в то время как коэффициент диффузии, пористость и размер пор уменьшаются.

При помоле в шаровой мельнице индекс n уравнения (1) обычно равен 0,7—1,0 [2]. Этот показатель характеризует ширину распределения — ​с его ростом распределение становится более узким.

PSD характеризует работу всей системы измельчения и зависит от эффективности сепаратора — ​ключевого устройства, от которого в свою очередь зависит результат помола в замкнутом цикле. Эффективность разделения на фракции можно оценить, сравнив ее для реального и идеального сепараторов. Эффективность сепаратора характеризуется кривой Тромпа, которая показывает долю (T) материала, находящегося в каждой отдельной фракции с определенными размерами частиц, которая попадает в крупку. В идеальном сепараторе все частицы крупнее граничного размера (при котором суммарные массы час­тиц, оказывающихся в крупке и готовом продукте, равны) отбраковываются (T = 100 %), тогда как все частицы размером меньше граничного отправляются в конечный продукт (T = 0 %). Разу­меется, по эффективности реальный сепаратор отличается от идеального — в большей или меньшей степени, в зависимости от того, относится ли он к 1-му, 2-му или 3-му поколению сепараторов. Идеальный граничный размер обычно составляет 25—30 мкм [3].

Вообще говоря, оптимальными свойствами обладают цементы, содержащие 50—70 % частиц размером 2—32 мкм [4]. Более мелкие частицы в этом диапазоне обеспечивают хорошую начальную прочность, а более крупные способствуют росту 28-суточной прочности, поэтому различия в марке продукта определяются точно отрегулированными характеристиками частиц указанного диапазона. Слишком крупные частицы (размером больше 50 мкм) могут вызывать проблемы, снижая прочность из-за неполной гидратации, в то время как излишне мелкие (менее 2 мкм) могут ​снижать прочность и вызывать растрескивание цементного камня из-за выделения тепла при схватывании.

ЛИТЕРАТУРА
1. Gao P., et al. Evaluation of RRSB distribution and lognormal distribution for describing the particle size distribution of graded cementitious materials // Powder Technology. 2018. Vol. 331. P. 137—145.

2. Fahrland Th., Zysk K.H. Cements ground in the vertical roller mill fulfil the quality requirements of the market // Cement International. 2013. Vol. 11, N 2. P. 63—69.

3. Belhaj T.K., Higazy M.G., Gaafer A.M., Elmogy B.A.K. Improvement of productivity using Tromp curve. Measurement for cement separator processing technology // Sci. J. of Oct. 6 Univ. 2017. Vol. 3, N 2. P. 35—44.

4. Boughton P. Particle size analysis reduces cement manufacturing costs. [Электронный ресурс]. URL: https://www.en­gi­neerlive.com/content/particle-size-analysis-reduces-cement-manufacturing-costs (дата обращения 13.02.2022).

Ответ:

В 1998—2009 годах в ЗАО «Научно-технический центр» и в ООО Фирме «Цемискон» под руководством З.Б. Энтина и С.П. Сивкова проводились исследования строительно-технических свойств и грануломет­рического состава цементов производственного и лабораторного помола.

Использовался лазерный гранулометр. Было испытано более 1200 проб цемента типа ЦЕМ I (CEM I) отечественного и зарубежного производства. Анализ полученных результатов показал, что при прочих равных усло­виях максимальными прочностными характеристиками во все сроки твердения (2, 7 и 28 сут) обладали цементы, гранулометрический состав которых характеризовался следующими признаками:

• содержание частиц цемента фракции 0—5 мкм — ​не менее 6—10 % масс.;
• мономодальный (с одним максимумом на гранулометрической кривой) зерновой состав цемента для час­тиц размером более 5 мкм;
• преобладающий размер частиц (максимум на гранулометрической кривой) — ​16—22 мкм;
• максимально высокое значение показателя n на кривой RRSB (максимально однородный зерновой состав цемента) для частиц размером более 5 мкм;
• отсутствие в цементе частиц размером более 100 мкм.

Повышение содержания в цементе частиц менее 5 мкм и уменьшение преобладающего размера частиц на гранулометрической кривой приводят к снижению водоотделения, росту ранней прочности цемента, повышению тепловыделения при гидратации. Снижение показателя n на кривой RRSB (снижение однородности грануломет­рического состава цемента) приводит к некоторому уменьшению его прочности в возрасте 28 сут.

Влияние гранулометрического состава цементов на свойства бетонов на их основе не исследовалось.

Что касается цементов с минеральными добавками, то указанные выше закономерности соблюдаются только при примерно одинаковой размалываемости портланд­цементного клинкера и минеральной добавки. Если эти показатели сильно различаются, то зависимость между гранулометрическим составом цемента и его строительно-техническими свойствами носит более сложный и, зачастую, непредсказуемый характер.

При замкнутом цикле помола гранулометрический состав цементов, помимо работы самой мельницы, в значительной степени зависит от работы сепаратора. Основными способами регулирования гранулометрического состава цементов являются:

• производительность помольной установки;
• скорость вращения ротора сепаратора (при использовании динамических центробежных сепараторов);
• угол установки лопаток, обеспечивающих закручивание потока воздуха (при использовании статических воздушно-проходных сепараторов);
• производительность центробежного вентилятора, обеспечивающего осаждение мелкой фракции цемента в выносных циклонах (при использовании динамического центробежного сепаратора с выносными цик­лонами);
• производительность вентилятора вторичного потока воздуха (при использовании динамических сепараторов с потоком вторичного воздуха типа O-SEPA);
• производительность аспирационного вентилятора мельницы.

На гранулометрический состав цементов влияют также оптимальная загрузка камер мелющими телами и степень износа бронефутеровки мельниц.