Реферат. Шлакпортландцемент. Реферат по дисциплине Технологии переработки отходов металлургического производства
 Скачать 42.97 Kb.
|
|
Введение |
3 |
1. Назначение и основные свойства шлакпортландцемента |
5 |
2. Характеристика сырьевых материалов |
7 |
|
3. Способы производства портландцементов |
10 |
Заключение |
13 |
Список литературы |
14 |
Введение
Цементами называют искусственные, порошкообразные вяжущие материалы, которые при взаимодействии с водой, с водными растворами солей или другими жидкостями образовывают пластичную массу, которая со временем затвердевает и превращается в прочное камневидное тело – цементный камень.
Первым природным вяжущим была глина. Глина и жирная земля после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность. Однако в виду низких потребительских качеств данных материалов (с использованием глины возводились постройки, не требующие значительной прочности) – люди занимались поиском более совершенных вяжущих.
Известь является древнейшим искусственным минеральным вяжущим веществом после гипса, есть сведения, что египтяне использовали смешанные известково-гипсовые растворы при строительстве пирамид. Однако гипс долгое время не терял своих позиций – вследствии меньшей энергоёмкости при производстве, в том же Египте топливо было чрезвычайно дефицитным.
Впервые широко известь стала применяться в Греции для облицовочных работ и в гидротехнических сооружениях
Римляне развили строительное искусство, оставив после себя знаменитые памятники древнего мира. Римляне так же составили первые рекомендации по изготовлению и применению известковых растворов.
В Англии в 1796 году Джеймсом Паркером было получено гидравлическое вяжущее вещество – романцемент – измельченный продукт обжига природных мергелей. Примерно до середины XIX века романцемент был основным вяжущим веществом, применяемым в гидротехническом строительстве.
В России изобретателем цемента считается военный инженер Егор Челиев. В 1822 г. в Петербурге вышла книга Е.Г. Челиева «Трактат об искусстве приготовлять хорошие строительные растворы», а в 1825 году книга «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мергель или цемент, весьма прочный для подводных строений».
В 1824 году Джозеф Aспдин, британский каменщик, получил патент на «Усовершенствованный способ производства искусственного камня», который он создал на собственной кухне. Aспдин назвал полученный продукт – портландцементом, потому что при производстве он использовал камни с карьера, который находился на острове Портланд.
Среди строительных материалов цементу принадлежит ведущее место. В современной строительной практике цемент применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, и др. Цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы. Наша страна занимает ведущее место в мире по производству цемента, строительной извести, сборного железобетона, листовых асбестоцементных изделий и труб, оконного стекла.
Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используют следующие основные меры:
1) регулирование минерального состава и структуры цементного клинкера, оказывающего решающее влияние на все строительно-технические свойства цемента;
2) введение минеральных и органических добавок позволяющих направленно изменять свойства вяжущего, экономить клинкер, уменьшать расход цемента в бетоне;
3) оптимизацию тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на скорость твердения, активность, тепловыделение и другие свойства цемента.
1. Назначение и основные свойства шлакпортландцемента
Портландцемент и его разновидности являются основными вяжущими веществами в строительстве. Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом портландцемнтного клинкера с гипсом, а также со специальными добавками.
Порталандцементный клинкер – продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых материалов (мергеля, доменного шлака и прочие). При обжиге обеспечивается преимущественное содержание в клинкере высокоосновных силикатов кальция. Для регулирования сроков схватывания портландцемента в клинкер при помоле добавляют двуводный гипс в количестве 1,5–3,5% (по массе цемента в пересчете на SO3).
По составу различают: портландцемент без добавок; портландцемент с минеральными добавками; шлакопортландцемент и другие.
Шлакопортландцемент– гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гранулированным доменным и электротермофосфорным шлаком, а также с двуводным гипсом. Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента порошок портландцемента иногда размалывают с гранулированным шлаком. Шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21% и не более 80% по массе (ГОСТ 10178 -85). Гипс вводят в шлакопортландцемент для регулирования сроков схватывания, а также в качестве активизатора твердения шлака.
По своим физико–механическим свойствам шлакопортландцемент близок к обычному портландцементу, но выгодно отличается от него более низкой стоимостью. При прочих равных условиях стоимость его на 10 – 15% ниже стоимости портландцемента.
Схематически твердение шлакопортландцемента можно себе представить как результат ряда процессов, протекающих одновременно, а именно:
-гидролиза и гидратации клинкерных минералов;
-взаимодействие гидрата окиси кальция с глиноземом и кремнеземом, находящимися в шлаковом стекле, с образованием гидросиликатов, гидроалюминатов, а также гидросиликоалюминатов кальция;
-взаимодействие трехкальциевого гидроалюмината кальция клинкера с сульфатом кальция с образованием гидросульфоалюмината кальция.
Шлакопортландцемент твердеет несколько медленнее, чем портландцемент, в особенности при пониженных положительных температурах. Это объясняется значительным содержанием шлака. Однако при тончайшем помоле, в особенности двухступенчатом, и содержании шлака около 30–35% скорость твердения шлакопортландцемента такая же.
B зависимости от прочности на сжатие шлакопортландцемент выпускают четырех марок: 300, 400, 500 и 600.
Вследствие меньшего содержания гидрата окиси кальция продукты гидрации шлакопортландцемента более устойчивы, что обусловливает повышенные солестойкость и водостойкость.
По морозостойкости шлакопортландцемент уступает портландцементу в различной степени в зависимости от содержания в нем шлака и химико-минералогического состава исходного клинкера.
Шлакопортландцемент характеризуется пониженным или умеренным тепловыделением при твердении, а также меньшими объемными деформациями в растворе и бетоне – усадкой (на воздухе) и набуханием (в воде).
Строительно-технические свойства шлакопортландцемента обусловливают и области его практического применения – те же, что и портландцемента аналогичных марок. Его целесообразно использовать для производства монолитных и сборных железобетонных конструкций и деталей, в особенности с применением тепловлажностной обработки, а также для изготовления строительных растворов. Шлакопортландцемент предназначен в основном для бетонных и железобетонных наземных, а также подземных и подводных конструкций, подвергающихся воздействию пресных, а также минерализированных вод с учетом норм агрессивности воды – среды.
Вследствие пониженного тепловыделения при твердении и малой усадки шлакопортландцемента его можно весьма эффективно применять для внутримассивного бетона гидротехнических сооружений. В силу пониженной морозостойкости шлакопортландцемента его нельзя применять для бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.
Для бетона дорожных и аэродромных покрытий, железобетонных напорных и безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек опор высоковольтных линий электропередач, контактной сети железнодорожного транспорта и освещения следует поставлять цемент, изготовляемый на основе клинкера нормированного состава с содержанием трехкальциевого алюмината (С3А) в количестве не более 8 % по массе.
Начало схватывания портландцемента для бетона дорожных и аэродромных покрытий должно наступать не ранее 2 ч, портландцемента для труб – не ранее 2 ч 15 мин от начала затворения цемента. Удельная поверхность должна быть не менее 280 м2/кг.
2. Характеристика сырьевых материалов
Известняк
Для производства портландцемента можно применять различные виды карбонатных пород: известняк, мел, известковый туф, известняк–ракушечник, мергелистый известняк, мергель и т.п. Углекислый кальций в известняках представлен минералом кальцитом. Кальцит имеет твердость 3. Известняки – осадочные породы. По происхождению различают известняки органогенные – продукты деятельности микроорганизмов, химические – полученные осаждением из растворов и обломочные – продукты переотложения разрушенных известковых пород. Известняки содержат примесные минералы – алюмосиликатные минералы глин, примеси кварца, халцедона, опала, окиси железа, пирита (FeS2), гипса, фосфорита (апатита), барита (BaSO4). Известняки обычно загрязнены карбонатом магния, который образует с карбонатом кальция двойную соль – доломит. Примеси в известняках находятся в виде самостоятельных соединений, и известняк представляет собою механическую смесь минералов (кроме MgCO3). При содержании глинистых минералов до 30% известняк называют глинистым, при содержании более 30% – мергелем.
По физическим свойствам различают кристаллический известняк (мрамор), плотные известняки, землисто-рыхлые известняки или мелы. Кроме того, встречаются известковый туф, известняк-ракушечник. Мрамор – плотная порода (продукт перекристаллизации известняков) с объемной массой 2650–2900 кг/м3 и прочностью 50 – 200 МПа. Плотные известняки имеют объемную массу 2200–2600 кг/м3 и прочность 8–200 МПа. Мел сложен из частиц скрытокристаллической структуры с размером частиц менее 0,1 мим.
Глинистые породы
Из глинистых пород используют обычно глину, суглинок, глинистый сланец, мергелистую глину, лесс, лессовидный суглинок. Основой глины являются водные алюмосиликатные минералы в виде тонких частиц (< 2 мкм), причем встречаются мономинеральные и полиминеральные глины. Глинистое вещество – это в основном гидроалюмосиликаты m Al2O3 · n SiO2 · p H2O, где значения коэффициентов при окислах для отдельных глинистых минералов различны. В кристаллическую решетку гидроалюмосиликатов могут также входить K, Na, Mg, Ca, Fe.
К глинистым минералам относится каолинит – слоистый минерал, в глинах он присутствует в виде частиц размером 0,3–0,4 мкм; монтмориллонит – слоистый минерал, в котором в твердом растворе находится до 5% Fe2O3, 4 – 9 % MgO, до 3,5 % СаО. Бентонитовые глины состоят из очень тонких частиц ( 2·10-9 м) монтмориллонита. Гидрослюды – минералы, близкие по составу и структуре к монтмориллонитам, однако в состав последних входят щелочные ионы, содержание которых может достигнуть 4 – 10 %. Аргиллиты – твердые породы, продукт дегидратации, прессования и перекристаллизации глин. Сланцы – скальная порода, продукт перекристаллизации глин. Лесс – землистая порода, сложенная из слюд, каолинита, полевых шпатов, кальцита, кварца. Суглинки – глины, содержащие значительное количество кварца (до 40 %).
Глинистые породы содержат нужные для производства портландцемента кислотные окислы SiO2, Al2O3 и Fe2O3, в известняках находится основной окисел СаО. Главным признаком пригодности глины для производства портландцемента, являются значения ее силикатного и глиноземного модулей, которые определяют величину этих модулей в портландцементе, так как карбонатный компонент сырьевой смеси обычно содержит немного глинистых примесей.
Карбонатное и глинистое (алюмосиликатное) сырье должно быть возможно более однородным по составу и структуре, не содержать включений крупных зерен кварца и других обломочных пород, затрудняющих помол сырья и трудно усваиваемых в процессе обжига.
Доменные шлаки.
Железные руды наряду с оксидами железа содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемых в совокупности пустой породой. Некоторые из них (соединения фосфора и серы) вредно отражаются на качестве чугуна. Неорганические примеси есть и в топливе, загружаемом в домну для плавления руды. Поэтому в процессе доменного производства необходимо не только восстановить из оксидов железо, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.
Так как пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой, то для ее удаления в шихту вводят специальные добавки – плавни (флюсы), способные образовывать с ней легкоплавкие соединения. В качестве плавней применяют обычно карбонатные породы – известняк, доломит и т.п.
В процессе плавки карбонаты вступают в химическое взаимодействие с компонентами пустой породы и минеральной части топлива, причем образуются легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При 1400–1500 °С эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося вследствие меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи. При выплавке 1 т чугуна на коксе в среднем получается 0,5–0,7 т шлака.
Химический состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна.
Обычно в состав доменных шлаков входят оксиды CaO, Si02, А1203, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS, а иногда Ti02 и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие оксиды, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются CaO, Si02, A1203 и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90–95 %.
По химическому составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема, частично глинозема и меньше оксида кальция.
Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Он замедляет начало схватывания и повышает прочность цементного камня в ранние сроки. Количество гипса в цементе нормируется по содержанию SO3. В обычных цементах оно должно быть не менее 1,0 и не более 3,5 %, а в высокопрочных и быстротвердеющих – не менее 1,5 и не более 4,0 %.
3. Способы производства портландцементов
В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: мокрый (помол и смешение сырья осуществляются в водной среде), сухой (материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде) и комбинированный.
Каждый из этих способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов, при их совместном помоле быстро достигается высокая однородность смеси, но расход топлива на обжиг сырьевой смеси при мокром способе в 1,5–2 раза больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастают размеры обычных вращающихся печей при обжиге в них мокрой сырьевой смеси, так как эти тепловые агрегаты в значительной мере выполняют функции испарителей воды.
Сухой способ, несмотря на его технико-экономические преимущества по сравнению с мокрым, длительное время ограниченно применялся вследствие пониженного качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике тонкого измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили возможность получения высококачественных портландцементов и по сухому способу. Это предопределило рост производства цемента по этому способу.
Сущность комбинированного способа заключается в том, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу, затем шлам обезвоживается на пресс-фильтрах, просушивается, гранулируется и направляется в печь, при этом влажность гранул 16–20 %. Комбинированный способ по ряду данных почти на 20–30 % снижает расход топлива по сравнению с мокрым способом, но при этом возрастают трудоемкость производства и расход электроэнергии.
При производстве портландцемента мокрым способом применяют следующую технологическую схему. Поступающий из карьера твердый известняк с размерами кусков до 1 м подвергается одно-, двух- или трехстадийному дроблению в дробилках с доведением кусков до 8–10 мм. Поступающую из карьера мягкую глину с размерами кусков до 500 мм измельчают в вальцовых дробилках до кусков размером 0–100 мм, а затем отмучивают в болтушках. Получаемый глиняный шлам с влажностью 60–70% подают в сырьевую мельницу, где он размалывается совместно с раздробленным известняком.
Полученный шлам, влажность которого находится в пределах 32–40%, центробежными насосами транспортируется в вертикальные шламовые бассейны, где он корректируется. Это необходимо для того, чтобы обеспечить постоянство заданного заводской лабораторией химического состава шлама. Откорректированный шлам поступает из вертикальных бассейнов в горизонтальные, где и хранится до подачи в печь для обжига. В вертикальных бассейнах шлам перемешивается сжатым воздухом, а в горизонтальных – механическим путем и сжатым воздухом. Перемешивание предотвращает возможность осаждения шлама и позволяет достичь полной его гомогенизации. При использовании сырьевых компонентов, имеющих постоянный химический состав, корректирование шлама производят не в вертикальных, а непосредственно в горизонтальных бассейнах большой емкости. Обжиг шлама на клинкер осуществляется во вращающихся печах. Они представляют собой стальной барабан, который состоит из обечаек, соединенных методом сварки или клепки, и имеет внутреннюю футеровку из огнеупорного материала. Профиль печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным с расширенными зонами. Расширение определенной зоны производят для увеличения продолжительности пребывания в ней обжигаемого материала.
Печь, установленная под углом 3…4 к горизонту, имеет частоту вращения 0,5…1,5 мин-1. Вращающиеся печи в основном работают по принципу противотока. Вращающуюся печь можно разделить на 5 рабочих зон:
Зона испарения – Сырье поступает в печь с верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливно-воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20…30 м длины печи. Горячие газы, перемещаясь со скоростью 2…13 м/с навстречу материалу, сначала подогревают его до 100 °С, а в конце он приобретает температуру 200°С. В начале шлам разжижается, затем комкуется. Печи оснащены цепными завесами, за счёт чего материал налипает на звенья, подсыхает и распадается на гранулы. Длительность пребывания материала в печи зависит от ее частоты вращения и угла наклона, составляя, например, в печи размером 5 * 185 м около 2 ч.
Зона подогрева – здесь материал нагревается до температуры 500–600°С. На этом этапе выгорают органические примеси и начинаются реакции. Происходит дегидратация глиняных минералов и образование оксидов алюминия, кремния и железа, начинается частичное разложение карбонатов с образованием СаО и МgО.
Зона кальценирования – здесь протекает реакция разложения карбоната Са при температуре 900°С -1200°С.
СаО® СаО+СО2
Мощные вентиляторы удаляют СО2 из зоны обжига. На этом этапе начинают образовываться соединения типа СаО*Аl2О3, появляется небольшое количество белита 2СаО·SiO2, оксиды СаО, Fe2O3, SiO2 находятся в активном состоянии.
Зона экзотермических реакций – реакции происходят при температуре 1200°С – 1300°С и с выделением тепла 100 ккал. В этой зоне происходит образование двухкальциевого силиката (белита) 2СаО·SiO2, однокальциевый алюминат насыщается известью до образования трехкальциевого алюмината 3саО·Аl2О3, образуется четырехкальциевый алюмоферрит (целит) 4СаО·Аl2О3· Fe2O3. В большом количестве содержится свободная известь. Образование минералов происходит в твердо-фазовом состоянии.
Зона спекания (зона усвоения извести) – при температуре 1300°С – 1450°С происходит частичное плавление материала с образованием жидкой фазы. Чтобы поучить качественный клинкер материал должен находиться в зоне определенное время 6–30 мин (время зависит от размера гранул). За это время 3СаО· Аl2О3 и 4СаО·Аl2О3, Fe2O переходит в расплав 2СаО·SiO2. В результате происходит взаимодействие белита 2СаО·SiO2 с СаО и образуется алит 3СаО·SiO2. Процесс его образования постепенно замедляется и известь нацело практически не связывается. Содержание свободных оксидов кальция около 1%, т. к. будет иметь место запоздалая гидратация обожжённой извести при которой цемент характеризуется неравномерным изменением объёма.
Зона охлаждения – с температурой 1100°С – 1200°С клинкер выходит из печи, после чего сразу попадает в холодильник. В холодильнике клинкер подвергается резкому охлаждению для:
-сохранения жидкой фазы в стекловидном состоянии, которая является более реакционноспособной.
-сохранения мелкокристаллического строения остальных клинкерных минералов.
Для помола клинкера его температура должна быть 45°С – 50°С для предотвращения износа мельниц.
После обжига и охлаждения клинкер направляется на склад для магазинирования – вылеживания с целью гашения свободной извести, при этом клинкер может специально обрызгиваться водой. При этом он становится более рыхлым, облегчается помол и уменьшаются сроки схватывания. Полученный клинкер дозируется и отправляется в цементную мельницу. На механизированном шихтовальном дворе складируются также гидравлические добавки и гипс, которые по мере надобности подаются в бункеры цементных мельниц для совместного помола с клинкером.
Полученный портландцемент транспортируется из мельниц пневматическим путем в силосы для хранения. После определения качества цемента часть его поступает в упаковочную машину. Здесь он автоматически насыпается в бумажные мешки, которые затем отгружаются с завода железнодорожным, автомобильным или водным транспортом. Остальную часть цемента отправляют навалом в специальных железнодорожных вагонах или в контейнерах цементовозах.
Заключение
Возможность применения шлаков в строительной индустрии очень велика. Шлаки являются не только загрязняющим грузом, но и весьма полезным сырьем. При применении, которого меняются свойства привычных строительных материалов, как в положительную так и в отрицательную сторону.
Множество технологий применения шлаков находятся на стадии развития, поэтому для инженеров строительной индустрии имеется большое поле для деятельности.
Список литературы
Сулименко Л.М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе: Учеб. для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2000 – 303 с., ил.
ГОСТ 10178–85 (2002) «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия»
[Электронный ресурс] – www.rim-beton-cement