Физико-химические основы производства портландцемента - Производство и технологии курсовая работа

Главная

Производство и технологии
Физико-химические основы производства портландцемента

Физико-химические основы приготовления сырьевой смеси для производства портландцемента по мокрому способу: измельчение, обжиг сырьевой смеси, получение и измельчение клинкера. Портландцементный клинкер как продукт спекания при обжиге сырьевой шихты.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.


Министерство образования и науки РФ
Ивановский государственный химико-технологический университет
Кафедра технологии керамики и наноматериалов
Физико-химические основы производства портландцемента
В данной курсовой работе рассмотрены физико-химические основы приготовления сырьевой смеси для производства портландцемента по мокрому способу и ее измельчение, обжиг сырьевой смеси и получение клинкера, измельчение клинкера.
Портландцементный клинкер является продуктом спекания при обжиге сырьевой шихты с преобладанием в ней высокоосновных силикатов кальция.
Портландцемент - гидравлический вяжущий материал, получаемый тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом и, если требуется, со специальными добавками.
Портландцементный клинкер является продуктом спекания при обжиге сырьевой шихты надлежащего состава, обеспечивающего преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция, а также наличие алюминатов и алюмоферритов кальция. После охлаждения клинкер - спекшиеся гранулы и куски размером до 10-20 или до 50-60 мм - тонко измельчают с небольшой добавкой гипса.
В цементе должно быть содержаться до 45-65% алита, до 20-30% белита, суммарное содержание алита и белита в клинкере портландцемента может доходить до 80%, ограниченное количество С 3 А (в пределах 4-12%), а также небольшое содержание растворимых щелочей и крайне малое количество оксида железа (II).
Получение портландцемента возможно лишь в результате проведения целой совокупности процессов, которые должны быть проведены в определенных условиях.
Приготовление сырьевой смеси заданного химического состава и с определенными физическими свойствами (влажность, тонкость измельчения, текучесть) включает множество операций: добыча, транспортирование и хранение сырья; дозирование и смешение сырьевых компонентов в процессе измельчения; корректирование и гомогенизация. Далее смесь обжигают для получения клинкера, который измельчают.
Хороший результат можно получить лишь при тщательном регулировании физико-химических процессов.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
При приготовлении сырьевых смесей важную роль играют энергоемкие операции измельчения - дробление, тонкое измельчение.
Процесс измельчения характеризуют степенью измельчения, приростом удельной поверхности, величиной удельных затрат энергии на измельчение, гранулометрией материала, прошедшего измельчение.
Дисперсность порошка, получаемого в результате измельчения, выражают функцией распределения или удельной поверхностью.
Твердые тела бывают хрупкие и пластичные (металлы). Хрупкие тела, разрушение которых происходит в результате увеличения упругих деформаций и роста напряжений до разрушающих. Однако разрушение хрупких тел сопровождается небольшой пластической деформацией. Чаще всего измельчение хрупких тел, в том числе горных пород, производят механическим воздействием - ударным, сжимающим, изгибающим. При измельчении в результате последовательных механических воздействий происходит целый комплекс явлений: пластическая и упругая деформация разрушаемого тела, деформация дробящихся тел, взаимодействие между средой (газом, жидкостью) и измельчаемым материалом, между образующимися тонкими частицами (агрегация частиц), между частицами материала и мелющими телами (налипание на мелющие тела). При механическом разрушении каменных материалов происходит образование и развитие трещин; этот процесс сопровождается комплексом явлений - тепловых, химических (разрыв связей), электрических.
Теоретическая прочность кристалла равна:
где Е - модуль Юнга, Па; ? s - поверхностная энергия, Дж/м 2 ; a - межатомное расстояние, см.
При накоплении внутренней энергии и упругих деформаций напряжения концентрируются в месте дефекта и могут достигнуть местного превышения предела прочности. Образуется и развивается трещина, происходит перераспределение энергии упругих деформаций, причем лишь часть энергии превращается в поверхностную энергию новых поверхностей. Только эта часть затрачиваемой энергии является полезной, остальная энергия рассеивается в виде тепла и расходуется на упругие деформации сжатия.
Существует два подхода для объяснения механизма разрушения твердых, тел. В твердом теле происходят непрерывный разрыв и восстановление связей вследствие теплового движения атомов. По кинетической теории прочности, при наложении напряжений вследствие передачи телу избыточной энергии число разорванных связей начинает преобладать и при достаточно больших напряжениях число разорванных связей становится достаточным для разрушения. С позиций этой теории «прочность» связана со временем действия нагрузок, поэтому вводится понятие о «долговечности» тела под нагрузкой. Так как при нормальных температурах разрушающая нагрузка слабо зависит от времени, а действие разрушающих нагрузок при измельчении твердых тел кратковременно, то эта теория не применяется при анализе явлений измельчения.
В дробилках материал подвергается всем видам деформаций, однако преобладают деформации сжатия. В дробилках статических (щековых) в отличие от ударных (молотковых) происходит медленное нарастание напряжения. При ударе рабочего органа в материале возникает волна, распространяющаяся со скоростью 5000 м/с, а возникающие в точке удара и локального разрушения материала радиальные трещины распространяются со скоростью 1500 м/с. При достаточно сильном ударе со стороны, противоположной удару, в куске образуются также трещины, распространяющиеся со скоростью до 2000 м/с.
Зарождение трещин в кристалле происходит в результате сдвига при наличии дислокаций или даже дефектов атомного размера.
При измельчении удается получить порошки с размером частиц в 1-2 мкм. Таким образом, размеры частиц могут быть в десятки и сотни раз меньше величины «опасных» трещин. Это показывает трудности, возникающие при анализе механизма разрушения на основе теории трещин. При механическом воздействии энергия деформации связи превращается в тепловую и перераспределяется между другими связями. Этой перераспределенной избыточной энергии может быть достаточно для разрыва связей в неравновесных состояниях. С этих позиций величина механической энергии, необходимой для разрыва связей, может быть существенно меньше энергии связи и оценивается в 42 кДж/моль (при 420-4200 кДж/моль для энергии связи). Таким образом, реальная прочность твердых тел может, с одной стороны, в сотни и тысячи раз отличаться от прочности, рассчитанной исходя из энергии связей в кристалле, а с другой стороны, пропорциональна теоретической прочности.
Размучивание мягких осадочных пород. При применении мягких сырьевых компонентов технологические схемы сырьевых цехов приобретают некоторые особенности, связанные со способностью этих видов сырья распускаться (размучиваться) в воде. Мягкие сырьевые материалы мел, мягкий мергель, глина - состоят из тонкодисперсных природных частиц, спрессованных в однородные конгломераты. Особенностью таких осадочных пород является их способность легко диспергироваться в воде при интенсивном перемешивании и дроблении, образуя стойкие водные суспензии - шламы
Для получения шлама, обладающего достаточной текучестью (транспорт самотеком по наклонным канавам или гидротранспорт с применением насосов), необходимо при размучивании мела суспензию разбавить до влажности 40-50% и при размучивании глин - до влажности 50-70%.
Диспергация мела и глины в водной среде объясняется рядом явлений:
1) механическим разрушением конгломератов природных тонкодисперсных частиц за счет дробления и интенсивного перемешивания кусков породы в водной среде;
2) расклинивающим действием пленок воды, проникающих в поры породы; благодаря поверхностному натяжению пленка воды в тонких капиллярах находится под значительным давлением, которое и обусловливает их расклинивающее действие;
3) физико-химическими процессами, связанными с наличием зарядов на частичках глины, приводящими к образованию структурированных сольватных оболочек.
Исследование процесса образования шлама из мела показало, что меловые суспензии представляют структурированные тиксотропные системы, и таким образом, в процессе их образования проявляются те же явления, которые характерны для размучивания глинистых пород (рис.1.2).
Рис.1.2 Схема структуры известняково-глиняного сырьевого шлама:
1- ядро; 2- диффузная оболочка; 3- воздушные поры; 4- вода
портландцемент клинкер обжиг шихта спекание
Грубыми частицами в глинах обычно являются частицы кварца, который трудно усваивается в процессе спекания клинкера. Иногда глины содержат крупные включения известняковой гальки или гипса; мел загрязнен прожилками мелкозернистого известняка, состоящими из частиц, более крупных по размеру, чем частицы мела. Наличие в меле и глинах различных включений ухудшает их свойства, так как нарушает однородность химического и гранулометрического состава.
Процесс размучивания мела или глины приводит не только к диспергации материала и образованию высококонцентрированной водной суспензии (шлама), но сопровождается и частичным обогащением сырья. При размучивании из сырья выделяются различные включения, что повышает химическую и гранулометрическую однородность материала.
При мокром способе подготовки сырьевой смеси необходимо готовить суспензию такой влажности, чтобы она не была слишком вязкой, иначе затрудняются гомогенизация шлама, возможность классификации, а также гидротранспорт шлама. С точки зрения обжига повышенная влажность сырьевой смеси вредна, так как на испарение влаги тратится излишнее топливо. Кроме того, при повышенной влажности шлама падает производительность печи. Повышение влажности шлама на 1% снижает производительность печи примерно на 1,5% и на 1% увеличивает расход топлива. При мокром способе энергозатраты на приготовления сырьевой смеси сравнительно с сухим способом невелики.
2. ОБЖИГ СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ И ПОЛУЧЕНИЕ КЛИНКЕРА
В процессе обжига сырьевой смеси в результате взаимодействия главных оксидов СаО, SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , образуется четыре основных клинкерных минерала, содержание которых может колебаться в пределах:
- трехкальциевый силикат (алит) 3СаО•SiO 2 (С 3 S) - 45-60%;
- двухкальциевый силикат (белит) 2СаО•SiO 2 (C 2 S) - 15-360%;
- трехкальциевый алюминат 3СаО•Аl 2 O 3 (C 3 A) - 5-15 %;
- четырёхкальциевый алюмоферрит 4СаО•Al 2 O 3 •Fe 2 O 3 - 10-20%.
Тонкоизмельченные и тщательно перемешанные сырьевые смеси подвергают обжигу при 1673-1773 К в цементообжигательных печах. Образующийся в результате обжига спекшийся камнеподобный продукт - клинкер - характеризуется сложным минералогическим составом и столь же сложной микрокристаллической структурой.
В процессе обжига сырьевой смеси в результате взаимодействия главных оксидов СаО, SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , образуется четыре основных клинкерных минерала, содержание которых может колебаться в пределах:
- трехкальциевый силикат (алит) 3СаО•SiO 2 (С 3 S) - 45-60%;
- двухкальциевый силикат (белит) 2СаО•SiO 2 (C 2 S) - 15-360%;
- трехкальциевый алюминат 3СаО•Аl 2 O 3 (C 3 A) - 5-15 %;
- четырёхкальциевый алюмоферрит 4СаО•Al 2 O 3 •Fe 2 O 3 - 10-20%.
Сырьевые смеси в процессе их нагревания до высоких температур претерпевают сложные превращения, сопровождающиеся изменением минералогического состава и физических свойств. Характер изменения физических свойств сырьевых смесей, приготовленных по сухому или мокрому способу, по мере их нагревания оказывается до определенного интервала температур различным, однако химические превращения компонентов и основные химические реакции в обоих видах сырьевых смесей протекают, естественно, в одном и том же направлении.
При нагревании сырьевых смесей до 373 К из них испаряется капельно-жидкая вода, в интервале от 373 до 573 К удаляется адсорбционная и частично кристаллизационная вода, при 673-973 К - основная масса кристаллизационной и кристаллохимически связанной воды, а остаточные небольшие количества воды (2-3%) выходят из состава кристаллических решеток алюмосиликатов при температуре материала 1173-1273 К.
Органические примеси в сырьевой смеси выгорают в интервале температур от 473 до 573 К.
По мере повышения температуры структурные элементы кристаллических решеток твердых тел (ионы, атомы, молекулы) начинают совершать все более значительные по частоте и амплитуде колебания вокруг своих центров. При некоторой определенной для каждой данной кристаллической решетки температуре амплитуда колебаний частиц достигает такой большой величины, что появляется возможность для «отрыва» элементарных частиц от положения равновесия в данном узле решетки и для перехода их в новые положения как внутри решетки, так и вне ее.
Диссоциация кальцита является комплексной реакцией. На начальной стадии происходит распад ионов СО 3 по схеме СО 3 > СО 2 + О 2 . Вначале молекулы СО 2 адсорбируются остающейся твердой фазой с образованием комплексов (СаСО3) тв. > (СаО тв. *СО 2 ) адс. Затем молекулы СО 2 десорбируются и покидают решетку кристалла СаСО 3 (рис. 2.1).
Рис.2.1 Схема диссоциации зерна СаСО 3
Кинетика процесса диссоциации СаСО 3 определяется скоростью протекания двух его стадий, образования зародышей кристаллов СаО и их диффузионного роста.
Диссоциация примесного доломита СаМg(СО 3 ) 2 протекает в две стадии:
1) при 730 о С идет реакция разложения и диссоциации
СаМg(СО 3 ) 2 > СаСО 3 + МgО + СО 2 ;
2) при 910 о С происходит диссоциация
Перемещение (диффузия) ионов в решетке кристалла происходит в основном по следующим направлениям: а) из узла решетки в междоузлие; б) из междоузлия в узел решетки с вытеснением из него в междоузлие находящегося там иона; в) из междоузлия в междоузлие; г) из узла или междоузлия в вакантные пустоты. Разупорядоченность кристаллической решетки, наличие в ней точечных дефектов и дислокаций способствуют протеканию реакций в твердой фазе.
Кристаллические решетки почти всех компонентов цементного сырья характеризуются в этих условиях особо повышенной активностью вследствие появления в них уже при относительно низких температурах вакантных мест, которые ранее были заняты Н 2 О, ОН, СО 2 . Интенсивное тепловое движение структурных элементов таких решеток, сопровождающееся «обменом мест», вначале приводит к некоторому исправлению дефектности строения монокристаллов, а затем к взаимодействию кристаллов различных компонентов друг с другом. Результатом этого взаимодействия являются укрупнение кристаллов существующих фаз («собирательная рекристаллизация») и образование кристаллов новых химических соединений (рис.2.2).
Рисунок 2.2 Схематическое изображение процесса укрупнения кристаллов существующих фаз и образование
кристаллов новых химических соединений между ними.
Диффузионные процессы перемещения структурных элементов в твердых телах отличаются большим разнообразием. Различают самодиффузию - перемещение в кристаллической решетке элементы и гетеродиффузию - перемещение чужеродных ионов, атомов или молекул. В зависимости от направленности процесса перемещения частиц различают объемную диффузию (в глубине решетки), поверхностную (по внешней поверхности зерен) и диффузию вдоль поверхностную (по внешней поверхности зерен) и диффузию вдоль граней и дефектов, кристаллов (по «внутренним поверхностям» тела).
Различные ионы перемещаются в пределах одной и той же решетки с разной скоростью, что обусловлено различием их по размерам, величине заряда и другим свойствам. В большинстве случаев анионы перемещаются значительно медленнее, чем катионы. Величины коэффициента диффузии Са 2+ в ряде кристаллических тел при 1473-2273 К составляли 10 -9 -10 -12 см 2 /с. С повышением температуры величины коэффициентов диффузии катионов возрастают.
Кинетика реакций в твердом состоянии определяется скоростью диффузии наиболее активного «покрывающего» компонента смеси сквозь слой продукта реакции.
Реакции в твердом состоянии большей частью являются многоступенчатыми. Так, в системе СаО - SiО 2 процесс синтеза минералов осуществляется последовательно в ряду C 2 S> CS>C 3 S>C 3 S. Это обстоятельство затрудняет описание всего многоступенчатого процесса одним кинетическим уравнением. Естественно, что механизм и, как следствие этого, кинетика реакции будут изменяться на отдельных стадиях процесса.
По этой причине исследователями разрабатываются пока кинетические уравнения процессов взаимодействия твердых тел лишь для очень простых систем, а в сложных - лишь для отдельных стадий. В качестве примера можно привести кинетическое уравнение реакции образования двухкальциевого силиката при 1250°, которое достаточно точно отражает действительный характер процесса:
где g - степень превращения реагирующих веществ; ? - время протекания процесса; К - константа, зависящая от свойств материалов.
При взаимодействии оксида алюминия, входящего в состав глинистых минералов, с оксидом кальция при температуре 800-900° по реакциям в твердом состоянии образуется однокальциевый алюминат СаО*А1 2 О 3 , который с повышением температуры насыщается далее до 12СаО*7А1 2 О 3 и ЗСаО*А1 2 О 3 .
Оксиды железа, реагируя с СаО, приводят к образованию уже при температуре порядка 500-600° некоторого количества однокальциевого феррита СаО*Fe 2 O 3 . Двухкальциевый феррит начинает образовываться при температурах 900-1000°.
В смесях на основе тонкоизмельченных известняка и кварца реакции образования силикатов кальция начинаются также при очень низкой температуре порядка 600°, но вплоть до 800-900° они протекают с весьма небольшой скоростью. В этой системе (СаО - SiО 2 ) является спорным вопрос о составе соединения, образующегося в первую очередь. По одним, более многочисленным данным, в качестве первичной фазы называют ?'- или ?-формы C 2 S, а по другим C 3 S 2 . Однокальциевый силикат образуется в результате вторичной реакции между двухкальциевым силикатом и кремнеземом. Трехкальциевый силикат образуется по реакциям в твердом состоянии очень медленно. Даже при температуре 1400-1500° синтез его оказывается затрудненным, а при температурах 1250-1300° могут иногда наблюдаться лишь мельчайшие плохо оформленные кристаллики этого минерала. Основное количество алита в клинкере образуется в присутствии расплава.
При обжиге портландцементных сырьевых смесей, приготовленных на основе глин и известняков, реакции в твердом состоянии протекают несколько быстрее, чем при обжиге чистых двухкомпонентных смесей, и температуры, при которых наблюдается образование минералов, понижаются. Последовательность образования минералов в реальных смесях по реакциям в твердом состоянии примерно такова: СА и CF образуются при температурах ниже 800-900°, при температурах 900-1000° начинают образовываться C 2 S, C 2 F, C 12 A 7 и геленитС 2 AS, при 1100° геленит разлагается, а в интервале температур до 1260° завершается образование С 3 А и C 4 AF.
В присутствии некоторых веществ (CaSО 4 , FeSО 4 и др.) температура образования C 3 S понижается, в связи с чем иногда наблюдается образование некоторого количества C 3 S и при температурах 800-1000°.
При сравнительно низких температурах в реакциях взаимодействия частиц компонентов друг с другом начинают принимать участие жидкая и газовая фазы.
В реальных сырьевых смесях всегда содержатся в большем или меньшем количестве примеси (серы, фосфора, марганца, ванадия, щелочи и т. п.), которые приводят к образованию в обжигаемых смесях «неустойчивых» псевдоэвтектических жидких фаз в виде отдельных микрокапелек расплава или тонких пленок на поверхностях зерен. Эти первичные жидкие фазы различного состава, образующиеся в очень небольшом количестве, способствуют ускорению протекания твердофазовых реакций. Результаты опытов по введению в состав сырьевых смесей легкоплавкого борного ангидрида (Т пл = 294°) и шлаков цветных металлов подтверждают положительное действие низкотемпературных расплавов в реакциях минералообразования.
Роль газовой фазы при низких температурах невелика, так как процессы испарения твердых тел и взаимодействия твердого тела с газом протекают в небольшом объеме. Однако при высоких температурах (1400-1500°) роль газовой фазы резко возрастает, поскольку она усиливает массопередачу между зернами реагирующих компонентов.
Таким образом, портландцементные сырьевые смеси, нагретые до температуры 1250-1300°, состоят из ряда минералов, образовавшихся по реакциям в твердом состоянии (С 12 A 7 , С 3 А, C 2 F, C 4 AF, C 2 S), и непрореагировавшей свободной извести. Повышение температуры выше 1300° приводит к появлению в системе расплава.
В практических условиях обжига превращение вещества весьма сложно и на разных этапах кинетика процесса может лимитироваться различными факторами: скоростью собственно химического взаимодействия компонентов, скоростью образования зародышей кристаллов новых фаз, скоростью встречной диффузии ионов.
Скорость взаимодействия отдельных компонентов (оксиды кальция с кислотными оксидами) по реакциям в твердой фазе зависит от целого ряда факторов:
б) более разрыхлены кристаллические решетки реагирующих веществ при температуре реакции (за счет разложения, присутствия примесей, полиморфизма);
в) более тонко измельчены компоненты;
г) в газовой атмосфере больше содержится веществ, катализирующих процесс (например, пары воды).
Минералы, образовавшиеся в обжигаемой сырьевой смеси в результате реакций в твердом состоянии, с появлением расплава претерпевают значительные изменения. Одни из них перекристаллизовываются при посредстве жидкой фазы, а другие вступают в новые реакции и образуют новые соединения. Направление и механизм этих превращений мало зависят от состава расплава, но скорость их определяется в основном свойствами жидкой фазы.
Образование и свойства жидкой фазы. Расплав возникает в грануле в виде капель и пленок различного диаметра и толщины. Гранулы к этому периоду представляют собой конгломерат несовершенных кристаллов СаО, MgO, C 2 S, C 3 A, C 12 A 7 , C 4 AF и ряда неравновесных минералов. Появившийся расплав смачивает кристаллы конгломерата и дополнительно сближает их за счет сил поверхностного натяжения жидкости. Одновременно с этим происходит взаимодействие между расплавом и кристаллами, приводящее к их растворению в жидкой фазе и кристаллизации из нее новых более термодинамически устойчивых минералов.
Процесс плавления кристалла можно рассматривать как накопление в нем вакансий. С повышением температуры возрастает амплитуда колебаний ионов в решетке вокруг положения равновесия и, когда величина ее превысит среднее межатомное расстояние, начинается переход тела в новое агрегатное состояние - жидкость, пар. В стадии предплавления кристалл испытывает сильное термическое расширение, обусловленное большими амплитудами колебания ионов и разрывом части химических связей. Возникающие в кристалле вакансии склонны к флуктуационному слиянию и при их скоплении образуются линии и поверхности разрыва, которые обособляют друг от друга группировки ионов различного, но небольшого размера. Если с повышением температуры химические связи в решетке разрываются постепенно и равномерно, то кристалл тоже постепенно размягчается и превращается вначале в очень вязкую жидкость, структура которой близка к структуре исходного твердого тела. Так размягчаются кварц, полевые шпаты, шлаки. Если же с повышением температуры решетка резко расширяется и химические связи в ней разрываются быстро и неравномерно, то в кристалле вблизи точки плавления возникают хаотически расположенные микроучастки (капли) метастабильной жидкой фазы, после чего он сразу, же полностью (конгруэнтно) или частично (инконгруэнтно) переходит в легкоподвижную жидкость. Так плавится большинство кристаллов кальциевых соединений, ранее образовавшихся в обжигаемом материале по реакциям в твердой фазе. Сопутствующие плавящемуся кристаллу различного рода примеси стимулируют процесс плавления, но не влияют заметно на изменение его механизма и скорости.
Образования эвтектического расплава происходит лишь в незначительной степени (1523-1553 К) независимо от вида примесей в сырье. Поэтому при обжиге сырьевых смесей различного состава образование минералов в них с участием жидкой фазы начинается примерно при одинаковых температурах. Однако количество жидкости, образующейся при соизмеримой для разных шихт температуре, и ее состав изменяются от смеси к смеси.
Повышение температуры обжига материала до 1673-1723 К сопровождается изменением состава и количества эвтектического расплава. В эвтектическом расплаве при этом дополнительно растворяются СаО и SiО 2 , а концентрации А1 2 О 3 и Fe 2 О 3 понижаются. Расплав, существующий в клинкере при 1723 К и насыщенный по отношению к СаО, в одном из опытов имел состав: 57% СаО; 7,5% SiО 2 ; 22,6% А1 2 О 3 ; 12,9% Fe 2 О 3 . Этот равновесный состав насыщенного при 1723 К.
Оксиды Na 2 О, K 2 O, SО 3 при температурах 1673-1723 К концентрируются в основном в расплаве. Если в клинкере содержатся щелочные сульфаты хлорида и фторида кальция, то они также могут войти в состав расплава.
Количества жидкой фазы, образующейся при 1673-1723 К в смеси из чистых извести, кремнезема, глинозема и оксиды железа при постоянной сумме Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 = 9%, показывают, что в пределах изменения глиноземного модуля от 0,64.до 2,0 количество жидкой фазы в нормальном по составу клинкере изменяется от 22,4 до 24,8%, т. е. незначительно.
Изменение содержания в клинкере жидкой фазы, %, в зависимости от величины глиноземного модуля.
Содержание расплава при глиноземном модуле
В отдельных случаях, связанных с особенностями состава сырьевых смесей и технологического процесса производства, содержание расплава в клинкере может достигать 30-35% или быть ниже 15%. Обычно количество жидкой фазы в портландцементных клинкерах, обжигаемых при 1723 К, составляет 20-30%.
Жидкая фаза портландцементного клинкера в интервале температур от 1673 до 1723К не является истинным раствором. Она представляет собой структурированную жидкость, поскольку содержит некоторое количество агрегатов (кристаллов, сиботаксических групп и т. п.), присутствие которых обусловлено химической природой расплава, неустановившимся равновесием или пересыщенным состоянием расплава. Структурными элементами расплава являются простые и сложные ионы, т. е. расплав - это ионная жидкость. Катионы в расплаве по характеру связи с кислородом можно разделить на две группы: катионы-модификаторы и катионы-комплексообразователи. Катионы-модификаторы, к которым относятся главным образом ионы щелочных и щелочноземельных металлов (Са 2+ , Mg 2+ , Na + , K + , Mn 2+ , Fe 2+ ) образуют с кислородом преимущественно ионную связь. Они не способны к полимеризации и существуют в расплаве в виде изолированных групп Катионы-комплексообразователи (Si 4+ , Al 3 +, Р 5+ , В 3+ ) образуют с кислородом преимущественно жесткую ковалентную связь и прочно удерживают его около себя, вследствие чего образуются комплексные ионы типа [SiO] 4- , [PO 4 ] 3- , [АlO 4 ] 5- и др. Названные комплексные ионы склонны к полимеризации и образуют сложный анионный каркас клинкерного расплава. Комплексные анионы могут взаимодействовать свободными связями ионов кислорода как с ионами-модификаторами, так и друг с другом. В результате такого взаимодействия происходит непрерывный процесс усложнения и разукрупнения комплексных анионов, причем возникающие более или менее сложные группы ионов, называемые роями, по своей структуре приближаются к строению соответствующих кристаллических тел. Следовательно, в алюмосиликатных расплавах могут присутствовать анионы различной степени сложности состава и строения.
Размер гомоцепных и гетероцепных анионных комплексов уменьшается с повышением температуры расплава вследствие разрывов цепей из-за возрастающей амплитуды тепловых колебаний отдельных ионов. При определенных условиях в клинкерной жидкой фазе может установиться кислотно-основное равновесие. Сильно выраженными основными, свойствами обладают К 2 О, Na 2 О, CaO, MgO, FeO, а сильно выраженными кислотными свойствами - С1 - , F - , О 2- , РО 4 3- , SiО 4 4- . Оксиды Al 2 O 3 и Fe 2 О 3 могут вести себя и как слабые кислоты, и как слабые основания в зависимости от характера кислотно-основных отношений других элементов в расплаве. При недостатке в расплаве оснований алюминий и железо образуют группировки [МеО 6 ] 9- и выступают как основания. В случае же недостатка кислотных компонентов А1 3+ и Fe 3+ образуют группировки [МеО 4 ] 5- и выступают как кислоты. Устанавливается кислотно-основное равновесие:
Нарушение кислотно-основного равновесия системы в любую из двух сторон сопровождается изменением концентрации в расплаве группировок [МеО 4 ] 5- и [МеО 6 ] 9 -, что сопровождается заметным изменением его свойств. Например, при избытке ионов Na + и К + увеличивается доля группировок [МеО 4 ] 5- , что вызывает упрочнение каркасной структуры расплава и, как следствие этого, повышение его вязкости. В присутствии же избытка, например, ионов S0 4 2- эти группировки разрушаются и расплав становится более подвижным.
Вязкость ? клинкерного расплава в истинно жидком его состоянии определяется подвижностью наиболее крупных его структурных элементов: чем крупнее анионные комплексы, тем они менее подвижны и тем выше вязкость. Повышение температуры вызывает диссоциацию сложных ионов на более простые, что сопровождается значительным понижением вязкости расплавов. При 1723-1773 К абсолютные значения вязкости эвтектического и насыщенного при 1723 К расплавов составляли 0,03-0,4 Н•с/м 2 . Дальнейшее повышение температуры перегрева расплава (по соотношению к Т ПЛ ) сопровождается небольшим изменением вязкости, что свидетельствует о разрушении в нем большей части комплексных анионов. Так, величины вязкости расплавов при 1773-2073 К равнялись 0,02-0,1 Нс/м 2 .
Поверхностное натяжение расплавов уменьшается с ростом их температуры и увеличением в них концентрации соединений, которые сами характеризуются поверхностным натяжением. Если у водорастворимого в расплаве металла связь Me-О слабая, то он не удерживается в объеме жидкой фазы и вытесняется в ее поверхностный слой, понижая тем самым поверхностное натяжение системы.
Растворение в насыщенном при температуре 1723 К клинкерном расплаве оксидов MgO, Na 2 О, K 2
Физико-химические основы производства портландцемента курсовая работа. Производство и технологии.
Контрольная Работа На Тему Градостроительство Канады
Курсовая работа по теме Информационные ресурсы в технологии продаж туристского продукта
Савельич И Петр Гринев Сочинение Капитанская Дочь
Контрольная работа: Психология допроса и методика его проведения
Дипломная Работа На Тему Разделение Власти
Курсовая работа: Выбор материала и разработка технологического процесса термической обработки плашки
Анализ Основных Показателей Деятельности Организации Курсовая
Устройства Ввода Информации Реферат По Информатике
Дневник По Производственной Практике Медсестры Терапия
Курсовая работа по теме История российского делопроизводства
Российская Федерация Как Светское Государство Эссе
Курсовая работа: Формування готовності до оволодіння самостійним писемним мовленням у молодших школярів з тяжкими порушеннями мовлення
Отчет О Прохождении Судебной Практики
Курсовая работа: Основи спадкування у Римському цівільному праві
Контрольная Работа По Математике 4 Класс Входная
Реферат по теме Раскрытие физиологических механизмов закаливания
Реферат: Стреси в житті людини
Реферат: Черепно-мозговая травма на фоне алкогольного опьянения
Картина Юона Русская Зима Сочинение 4 Класс
Дипломная работа по теме Ліричний герой в поезії В. Стуса
Экономическое развитие Киевской Руси - История и исторические личности реферат
Разработка локального геопортала на участок территории долины реки "Морквашинка" - География и экономическая география дипломная работа
Анализ подведомственности и подсудности дел - Государство и право контрольная работа