Главная → Статьи

Развитие производства портландцемента

На заре портландцементного производства, которое в США началось в 1871 г., сырье — глинистые известняки — измельчалось довольно грубо и обжигалось в печах периодического действия, подобно тому как сейчас обжигаются обыкновенные кирпичи. При этом примитивном способе клинкер часто получался недожженным или пережженным. Подлинную революцию в обжиге клинкера для портландцемента произвело введение вращающихся печей. В США они появились в 1889 г. Внедрение вращающихся печей означало не только значительное увеличение производственной мощности цементной промышленности, но и резкое повышение качества цемента, получение более однородного продукта. С появлением вращающихся печей началась новая эра — эра непрерывного технологического процесса, увеличения выпуска портландцемента и бурного роста производственной мощности цементной ‘Промышленности — от 50 тыс. до 50 млн. т высококачественного цемента в год.

Из года в год вращающиеся печи неуклонно совершенствовались. Увеличивались их длина и диаметр, улучшался контроль их работы с помощью различных приборов и автоматических устройств. Управление вращающейся печью из искусства, требующего опытного мастера, все больше превращается в науку. Синхронизация питания печи со скоростью ее вращения, повышенное число оборотов, позволяющее работать на более тонком слое обжигаемого материала, и связанное с этим улучшение теплопередачи, беспрерывный автоматический анализ отходящих газов, соответствующие приборы, дающие возможность на основе данных анализа газов регулировать подачу топлива и скорость вращения печи, автоматический контроль тяги и подачи топлива, — все это в значительной мере устранило элемент случайности в работе печей и обусловило нынешнюю высокую производительность их. В современных вращающихся печах расход угля на обжиг клинкера снизился в результате улучшения теплового режима почти наполовину. Тем не менее, с точки зрения термодинамики, вращающаяся печь работает еще довольно непроизводительно, и потребуются дальнейшие научные исследования и опыты, чтобы улучшить ее работу. Точно так же необходимо создать и новые приборы для улучшения контроля обжига.

Второй по важности после обжига операцией в производстве портландцемента является помол, который играет очень большую роль в повышении качества получаемого продукта. Помол применяется, во-первых, при подготовке сырьевых материалов к обжигу в печи и, во-вторых, при изготовлении цемента из клинкера. При этом от степени измельчения клинкера во многом зависят активность и свойства цемента. Поэтому параллельно с усовершенствованием вращающихся печей развивалась и техника помола, хотя в этой области прогресс был не столь велик, как в цехах обжига, где произошел переход от шахтных печей к вращающимся.

Применение многокамерных мельниц для размола сырья и клинкера дало заметную экономию расхода электроэнергии на единицу продукции. Однако наряду с этим многокамерные мельницы характеризуются недостаточной гибкостью технологического процесса. Повышение эффективности помола было достигнуто путем внедрения воздушной сепарации (классификации) и мельниц для вторичного помола. Но следует сказать, что преимущества вторичного помола несколько умаляются иногда неблагоприятным зерновым составом готового продукта в результате сепарации.

При всем этом можно считать, что в технологии помола до сих пор не было достигнуто особенно большого прогресса после внедрения трубных мельниц. Конечно, за это время было создано и внедрено много различных типов мельниц, которые успешно применяются сейчас для помола разнообразных материалов. Но в основном вторичный помол все еще сводится к измельчению материала до различной тонкости в шаровых или трубных мельницах. Разделение мельницы на камеры в этом случае лишь способствует сортировке мелющих тел по размерам в соответствии с величиной и твердостью частиц измалываемого материала. В области помола еще необходима большая исследовательская работа, чтобы внести радикальные улучшения в существующую технологию, повысить эффективность помольных агрегатов и улучшить физические и химические свойства цемента.

За 75 лет существования портландцементной промышленности в США тонкость помола цемента в соответствии с требованиями потребителей значительно возросла. В прежних технических условиях АСТМ, отмененных в 1937 г., требования к тонкости помола цемента были следующие: через сито 200 меш (6400 отв/см2) должно было проходить не менее 75% просеиваемой пробы. В настоящее время тонкость помола портландцемента практически такова, что через то же сито проходит 95—98%. Если характеризовать тонкость помола цемента величиной удельной поверхности, определяемой на турбидиметре Вагнера, то она увеличилась с 1200 см2/г в среднем у старых цементов до 1700 см2/г у современных.

Такое же положение наблюдается и в области помола сырьевых материалов. Раньше тонкость помола сырья на практике была такова, что через сито 100 меш (1600 отв/см2) проходило не менее 90%. Это соответствует примерно прохождению около 80% через сито 200 меш (в прежнее время считали, что тонкость помола сырья и клинкера должна быть одинакова). Поскольку в то время еще не существовало надежных методов испытания цементов на расширение в поздние сроки твердения, указанная тонкость помола считалась достаточной для полного связывания химических компонентов сырья в процессе обжига и для соответствующего ограничения содержания свободной извести в конечном продукте. В основном тонкость помола сырья в то время определялась экономическими соображениями, а оптимальной считалась такая, которая обеспечивала минимальный расход топлива и максимальную производительность печи без дополнительных расходов на более тонкое измельчение сырьевых материалов. Однако современная практика цементного производства требует, чтобы тонкость помола сырья соответствовала прохождению через сито 200 меш приблизительно 90%. В ряде случаев, когда помол сырья производится в мельницах с классификаторами, тонкость помола бывает такова, что через указанное сито проходит 95% материала и даже больше.

В противоположность прежней практике сейчас при помоле сырья исходят из требования высокого качества конечного продукта — цемента. Применение усовершенствованных методов испытаний, в первую очередь автоклавного испытания цемента на расширение, вызываемое повышенным содержанием свободной извести или кристаллической окиси магния, показало, что тонкость помола сырья должна быть выше, чем это диктуется чисто экономическими соображениями. Хорошие результаты дал также раздельный помол глинистого и известкового компонентов сырьевой смеси, позволяющий добиться различных пределов тонкости измельчения того и другого. Хотя этот метод еще не получил широкого применения, однако имеются основания полагать, что он окажется весьма эффективным, особенно в тех случаях, когда глинистые и известковые материалы обладают различной разма-лываемостью.

От правильного зернового состава измельченной сырьевой смеси в большой степени зависит и равномерность состава цемента. Если при обжиге и помоле клинкера не будет получено равномерное распределение компонентов по зерновому составу, то при затворении цемента водой могут наступить ‘Слишком ранние реакции гидратации.

В дополнение к сказанному о зерновом составе сырьевой смеси следует отметить, что согласно имеющимся долголетним наблюдениям избыток слишком мелких (меньше 1 ц) частиц в сырье почти так же вреден для хорошего обжига, как и избыток слишком крупных частиц. На основе опытов и наблюдений установлено, что наилучший продукт получается при обжиге сырьевой смеси, состоящей из однородных по размеру, но не слишком крупных частиц. Классификация измельченного материала с помощью воздушных сепараторов при сухом способе производства и с помощью чашевых классификаторов при мокром способе производства открывает широкие возможности в этой области.

Изменились и требования к химическому составу портландцемента по сравнению с прежними годами. Эти изменения также были вызваны требованиями потребителей. Старые цементы с точки зрения современных стандартов отличались пониженным содержанием окиси кальция (табл. 1). Вплоть до двадцатых годов обычный портландцемент содержал не больше 40% трех-кальциевого силиката (по методу расчета минералогического состава, предложенному Боггом), в среднем — около 33%. В современном же портландцементе среднее содержание трехкальциевого силиката равно 45—50%, а максимальное достигает 65% (у бы-стротвердеющего портландцемента). Так как считается, что трехкальциевый силикат является основным носителем прочности портландцемента в раннем возрасте вплоть до 28 суток твердения, то выгода от увеличения содержания окиси кальция достаточно очевидна. Теоретически увеличение доли окиси кальция должно было увеличить содержание несвязанной (свободной) извести вследствие невозможности полностью связать ее при обжиге. Но благодаря увеличению тонкости помола сырьевой смеси и улучшению работы вращающихся печей современные цементы при повышенном количестве окиси кальция содержат в среднем меньше свободной извести, чем прежние.

Двухкальциевый силикат, второе соединение в портландцементе, считается носителем прочности цементного теста, раствора и бетона в более поздние сроки твердения — после 28 суток. Вероятно, он играет основную роль в известном явлении самозалечивания, в результате которого закрываются мельчайшие трещины в растворе или бетоне, не пропуская внутрь фильтрующуюся влагу, и частично восстанавливается прочность на растяжение в местах образования трещин. Поэтому портландцемент должен содержать определенное минимальное количество двух-кальциевого силиката. По-видимому, оно при всех условиях не должно быть ниже 10%, независимо от типа цемента.

До 1925 г. среднее содержание двухкальциевого силиката в портландцементе составляло 35—40%, а в период 1926—1930 гг. оно постепенно снизилось до современного уровня — в среднем 20—30%. Этот процесс явился неизбежным следствием увеличения содержания трехкальциевого силиката, что было вызвано требованиями потребителей, которые хотели получить цемент, более быстро набирающий прочность. Поскольку в этот период не было никаких стимулов к изменению количества трехкальциевого алюмината в стандартном портландцементе, а химический состав применявшихся в цементной промышленности глинистых сырьевых материалов оставался по существу постоянным, расчетное содержание СзА, как видно из табл. 1, уменьшилось всего-на 2%. Что касается четырехкальциевого алюмоферрита, который был практически открыт и опознан лишь в конце двадцатых годов, то и его содержание в портландцементе за последние 30 лет развития цементной промышленности США изменилось лишь незначительно.

Следует, однако, учесть, что в настоящее время, кроме портландцемента типа I, имеются и другие типы, представляющие собой разновидности обыкновенного портландцемента. Например, современные стандарты АСТМ предусматривают, помимо портландцемента типа I, еще четыре типа, а также дополнительно три вида цементов с воздухововлекающими добавками. Наличие этих разновидностей свидетельствует о том, что в ряде случаев от портландцемента требуется не “только прочность, но и некоторые специальные свойства, как, например, сульфато-стойкость или малое тепловыделение при гидратации. И действительно, существует довольно авторитетное мнение, что стремление к скоростному строительству сооружений привело к переоценке значения прочности, особенно в раннем возрасте, и к недооценке значения долговечности цемента и бетона.

Потребности скоростного строительства вызвали появление быстротвердеющего портландцемента, который в сущности представляет собой очень тонкоизмолотый цемент. Современный быстротвердеющий портландцемент, как правило, измельчается до величины удельной поверхности 2400—3000 см2/г (определение на турбидиметре Вагнера).

Большую работу по организации производства быстротвердеющего цемента провела фирма Лоун Стар. Вначале быстро-твердеющий цемент фирмы Лоун Стар под названием «инкор» отличался высоким содержанием трехкальциевого силиката, что достигалось путем повторного обжига клинкера. Этот способ позволял свести до минимума количество свободной извести в клинкере, который вначале содержал много окиси кальция, необходимой. для получения высокого содержания C3S.

Поскольку этот быстротвердеющий портландцемент был очень дорог, многие потребители, как, например, заводы бетонных изделий, строители дорог и др., выдвинули вопрос о создании более дешевого цемента, обладающего свойством быстрого твердения. Чтобы удовлетворить эти запросы, некоторые цементные заводы стали выпускать обыкновенный портландцемент более высокой тонкости помола. В некоторых штатах, например в Техасе, можно было встретить обыкновенный портландцемент с удельной поверхностью 2400—2500 см?-/г (по Вагнеру). Основное различие между этим портландцементом, который продолжал называться обыкновенным, и быстротвердеющим заключалось в содержании серного ангидрида. В обыкновенном тонкомолотом портландцементе содержание SO3 оставалось ниже 2%, в то время как быстротвердеющий цемент по техническим условиям мог содержать до 2,5% S03. По современному стандарту АСТМ допускается и более высокое содержание S03 в быстро-твердеющем портландцементе.

В середине тридцатых годов резко увеличился спрос на тон-комолотый портландцемент. Это привело к значительному сокращению помольных мощностей многих цементных заводов и вызвало усиленное применение различных интенсификаторов помола. Так как в то время еще не знали хороших добавок, могущих интенсифицировать процесс помола, то на многих заводах в мельницы вводили уголь. Он способствовал очистке мелющих тел, что приводило к повышению производительности мельниц.

Часто можно услышать разговоры о «хороших старых цементах» и об их исключительной долговечности. Но, как уже указывалось выше, современные цементы существенно отличаются от «хороших старых цементов» высокой тонкостью помола и повышенным содержанием окиси кальция при меньшем количестве свободной извести. На основе многочисленных исследований старых сооружений, построенных из прежних цементов, был сделан вывод, будто бетоны из этих цементов являлись более долговечными. Действительно, в 1949 г. был разработан проект строительства автострады в штате Канзас, по которому требовалось применить цемент прежнего типа. Он был выпущен, причем имел такой же минералогический состав и такую же тонкость помола, как старые цементы, описанные выше. Для производства его было применено старое оборудование, которое имело ту особенность, что в цемент при помоле могло попадать по небрежности небольшое количество смазочного масла. Видимо, эта «добавка» оказывала благоприятное действие на качество старых цементов, вызывая вовлечение воздуха в бетон. Таким образом, свойство долговечности бетона, приготовленного из старых цементов, можно отчасти объяснить особенностями тогдашнего помольного оборудования-

Этот канзасский эксперимент основывался на том мнении, что современный портландцемент дает менее долговечный бетон, чем прежние грубомолотые цементы, из-за чрезвычайно высокой тонкости его помола. Для проверки размололи более тонко обыкновенный портландцемент, добавив в мельницу уголь в качестве интенсификатора. Оказалось, что цемент, размолотый в присутствии угля, дает менее долговечный бетон. Это было установлено в ряде лабораторий, которые нашли, что бетоны, изготовленные из цементов достаточно высокой тонкости помола с добавкой угля, недолговечны.

Исходя из этих данных, можно предполагать, что недолговечность некоторых бетонных сооружений, уложенных в начале тридцатых годов с применением более тонкомолотых цементов, вызвана добавкой угля в качестве интенсификатора помола. Кроме того, не принималось никаких мер к улучшению технологии бетона при использовании цемента более тонкого помола, характеризующегося повышенной активностью. Зачастую из этого цемента изготовляли бетон старого состава 1:2:4, причем осадка конуса и удобоукладываемость его устанавливалась техником тут же на месте работы.

При рассмотрении этого вопроса было бы правильно исходить из следующего положения: портландцементный клинкер обладает определенной потенциальной активностью (прочностью). Если он размолот до удельной поверхности 600 см2/г, то высвобождается некоторая часть его потенциальной активности. При помоле клинкера до удельной поверхности 1600—1800 см21г будет высвобождена значительно большая часть его активности, и, следовательно, при прочих равных условиях цемент будет иметь более высокую активность. Несомненно, существует оптимальная величина удельной поверхности, до которой следует молоть цемент, и она, очевидно, лежит ближе к 2000 см2/г, чем к 1200 см2/г (у старых цементов). При этом более высокой удельной поверхности должно соответствовать оптимальное содержание S03 в цементе.

Другим фактором, который необходимо учитывать при сопоставлении старых и современных цементов, является укладка бетона. В развитии новых методов бетонирования основное внимание уделялось быстрому возведению сооружений и недостаточно учитывались вопросы долговечности затвердевшего бетона. Это подчеркивает Суэйзе в своем описании методов укладки бетона в различных странах Европы. Он указывает, что в ряде случаев правильная укладка бетонов придавала им исключительную долговечность, хотя многие из применявшихся цементоз не отвечали требованиям стандарта АСТМ.

Можно привести и еще одно справедливое высказывание, принадлежащее Артуру Касагранде: «Много говорят о достоинствах старинных римских сооружений, которые сохранились в течение долгих веков, но никто не вспоминает о тысячах других сооружений, построенных в те же времена, которые давно превратились в пыль». Это в равной мере относится и к сравнительной оценке старых и новых цементов.

Ваш отзыв