Влияние способа измельчения на физические свойства цементов

Ответ:

Влияние помола на физические свойства цементов определяет­ся взаимосвязью характерис­тик материалов, конструкции и компоновки системы помола и ее рабочих параметров. Таким образом, ответ на вопрос является многоплановым и в основном зависит от специфики ситуа­ции на конкретном предприятии. Поскольку заданный вопрос не является конкретным, обсудим основные вопросы, относящиеся к характеристикам материалов, системам измельчения и их эксплуатации.

Характеристики клинкера

Свойства клинкера, являющегося многофазным материалом, существенно варьируются ввиду изменчивости его химического и фазового состава, а также особенностей микроструктуры. Поведение клинкера при измельчении в целом определяется количественным соотношением основных фаз — ​C₃S, C₂S, C₃A и C₄AF, полиморфизмом силикатных фаз, размером и формой их кристаллов, кластерообразованием силикатных фаз, присутствием алюминатной фазы, модифицированной щелочными оксидами, и структурой твердого раствора алюмоферритной фазы. Также на характеристики измельчения влияет присутствие свободной извести и свободной магнезии (периклаза). Помимо химического состава фаз и микроструктуры, важны распределение кусков клинкера по размерам (гранулометрический состав) и их средняя пористость. Перечисленные характеристики клинкера решающим образом влияют на процесс измельчения, независимо от используемых помольных систем. В целом было замечено, что клинкеры с мелкими зернами, плохо сформированной мик­роструктурой, низкой пористостью, высоким содержанием белита, крупным размером кристаллов и некоторыми другими характерис­тиками проявляют более высокую твердость при измельчении. Кроме клинкера в производстве цемента также используются и другие материалы. Их характеристики измельчения тоже влияют на свойства цемента, что обсуждается далее.

Системы помола

Промышленные помольные системы включают в себя шаровые мельницы открытого и замкнутого цикла, вертикальные валковые мельницы, измельчающие валки высокого давления (также известные как гидравлические валковые прессы) и горизонтальные валковые мельницы. Шаровые мельницы являются самым старым и наиболее распространенным средством помола, хотя они очень энергозатратны. Потребность в экономии энергии и высокая производительность, необходимая для современных крупных заводов, привели к разработке вертикальных валковых мельниц и гидравлических валковых прессов. Эти новые системы постепенно становятся все популярнее по сравнению с шаровыми мельницами. Показатели указанных выше систем помола приведены в табл. 1. Видно, что в шаровых мельницах можно производить продукты с очень большой удельной площадью поверхности и широким распределением частиц, но при более высоком потреблении энергии (на 30—40 %). Вместе с тем в некоторых более современных установках с вертикальными валковыми мельницами достигнута более высокая дисперсность продукта при гораздо меньшем потреблении энергии.

Отметим, что для всех перечисленных выше сис­тем измельчения возможны различные варианты конструкции и компоновки с разными рабочими параметрами, от которых могут в большой мере зависеть свойства цемента. Например, установлено, что на показатели работы шаровой мельницы существенно влияет следующее:

• аспирация мельницы;
• ассортимент мелющих тел;
• конструкция и состояние диафрагмы;
• число камер;
• тип и показатели эффективности сепаратора, включая циркуляционную нагрузку и объемный расход воздуха;
• скорость вращения мельницы.

Вертикальные валковые мельницы оснащены системами воздушной аспирации и встроенными сепараторами. Все типы мельниц этой категории содержат помольные столы, вращающиеся на подпятниках, и помольные элементы различной формы. В одних мельницах валки цилиндрические, а размольные столы — ​плоские или наклонные; в других форма валков выпуклая, а на столе имеются желобчатые дорожки. Кроме того, число валков в мельницах неодинаково. Очевидно, что все вертикальные валковые мельницы с указанными различиями конструкции будут работать по-разному. Вообще говоря, когда такие мельницы впервые использовали для измельчения цемента, возникли опасения по поводу качества продукта из-за большого наклона кривых распределения частиц по размерам. К настоящему времени установлено, что вид этих кривых можно изменять, варьируя давление помола, толщину размалываемого слоя материала, скорость вращения помольного стола и рабочее давление. Как следствие, должны изменяться и параметры качества цемента.

Помольные валки высокого давления широко используются для предварительного измельчения в различных контурах, а также в качестве самостоятельных измельчителей цемента. В системах с предварительным измельчением валковый пресс и шаровая мельница сочетаются при различных конфигура­циях замкнутого контура. В режиме финишного помола валковый пресс сам выполняет функцию помола цемента без шаровой мельницы в контуре. При таких конструктивных различиях показатели работы систем помола также неодинаковы, что приводит к изменению свойств цемента из-за различий в грануломет­рическом составе, водопотребности и консистенции гидратированного теста.

Упомянем также горизонтальные валковые мельницы, разработанные и изготовленные с целью объединить преимущества вертикальных валковых и шаровых мельниц. Горизонтальные валковые мельницы подходят для одноступенчатого финишного измельчения цемента. Поскольку в промышленности эта помольная система распространена меньше, чем другие сис­темы, рассмотренные выше, опыт ее эксплуатации ограничен (см. некоторые сравнительные данные в табл. 1).

Вопросы эксплуатации

Вернемся к нескольким примерам подходов к эксплуатации помольных систем. Распределение частиц готового цемента по размерам контролируется главным образом за счет управления рециркуляционными нагрузками в системах шаровых мельниц и за счет регулирования прикладываемого давления в валковых мельницах. Отметим разработки, в которых после валков высокого давления размещали два сепаратора, работающих при различных пороговых значениях размера частиц, чтобы смесь выходящих из них продуктов обеспечивала значительно более широкое распределение по размерам частиц в готовом цементе. Однако следует также иметь в виду, что все меры по управлению современными системами мельниц, направленные на получение более сглаженного распределения частиц по размерам, всегда приводят к снижению производительности мельницы.

Помимо гранулометрического состава большое значение при помоле цемента имеет степень дегидратации гипса. В основном природа и количество гипса, добавляемого при помоле, связаны с количеством и реакционной способностью алюминатной фазы в клинкере. При их несоответствии друг другу может возникнуть «ложное схватывание» или «мгновенное схватывание» цемента. Кроме того, поскольку гипс теряет молекулы воды из-за повышенной температуры внутри мельницы, а также поскольку атмосфера в мельницах разных систем неодинакова, количественно превращение гипса в полугидрат и ангидрит будет различаться от мельницы к мельнице. В конечном счете это может привести к различиям характеристик схватывания выпускаемого цемента.

Что касается помола минеральных добавок и наполнителей, важно обеспечить разумную совместимость между измельчае­мым клинкером и вводящимися минеральными добавками. Общеизвестно, что доменный шлак измельчается труднее, а известняковая порода — ​значительно легче, чем клинкер. Многие другие добавки по размалываемости находятся между этими двумя крайностями. Различные характеристики помола минеральных добавок играют решающую роль в принятии решения о том, должны ли эти компоненты измельчаться вместе с клинкером или их следует измельчать отдельно, а затем смешивать с молотым клинкером. Различия в размалываемости исходных материалов и принятой конструкции системы измельчения сильно влияют на конечные физические и гидравлические характеристики готового цемента.

Наконец, упомянем использование интенсификаторов измельчения в системах помола, чаще всего в шаровых мельницах. Эти химические добавки имеют сложную рецептуру, но преимущественно основаны на водорастворимых органических соединениях, таких как алканоламины. Интенсификаторы помола положительно влияют на гидратацию цемента и приводят к повышению его механической прочности. Кроме того, они могут улучшать текучесть цемента, а также в некоторой степени снижать потребление энергии в ходе измельчения. Правильный выбор интенсификатора измельчения для конкретного предприятия, а также точность и постоянство его дозирования в помольной системе имеют решающее значение для того, чтобы использование этого средства действительно способствовало повышению качества продукта и производительности оборудования.

Заключение

Изложенное выше с очевидностью показывает, что взаимосвязь между процессом и продуктом при помоле цемента не является однозначной. Сложности обусловлены множеством взаимодействующих факторов. К наиболее важным из них относятся:

• химический состав и микроструктурные особенности клинкера;
• его гранулометрические характеристики и пористость;
• сравнительное поведение минеральных добавок и наполнителей при помоле;
• тип используемой мельницы;
• проектирование системы и компоновка всего помольного комплекса;
• тип и эффективность сепараторов, а также особенности регулирования их работы;
• режимы эксплуатации помольных систем;
• экологические и энергетические аспекты процесса измельчения.

Таким образом, зависимость характеристик цемента от способа измельчения многомерна, и трудно выделить какую-либо упрощенную связь между особенностями процесса и свойствами продукта.