Технологическая линия по производству гидравлической комовой и молотой извести

Полувагоны с сырьем или топливом разгружают вдоль скла­да по обе стороны от эстакады. Выгрузочные люки полувагонов
открывают вручную (при односторонней выгрузке) или при помо­щи механизмов, укрепленных на фермах мостового крана. Же­лезнодорожный состав перемещают при помощи маневровой ле­бедки. Сырье и топливо загружают в приемные бункера мо­стовыми кранами[4].

1.2. Процессы, происходящие при обжиге гидравлической извести. Температурные условия обжига

Обжиг гидравлической извести может производиться в тех же печах, что и обжиг воздушной извести. Главным образом применяются шахтные печи,  снабженные полугазовыми    топками  или топками полного сгорания.   Расход условного   топлива на обжиг гидравлической извести несколько меньший, чем при обжиге воздушной, и составляет 12 - 14% от массы обожженной извести. Гидравлическую известь в зависимости от вида сырья обжигают при температурах от 900 до 1100 °С, а иногда и при 1200 °С. При этом в сырье происходит ряд химических превращений. В первую очередь обезво­живаются глинистые минералы и разлагаются карбонаты магния и кальция: СаО, СаСО3 и частично MgO вступают в твердофазные реак­ции с кислотными оксидами (SiO2 и дегидратированной глиной).

В процессе обжига чистых карбонатных пород происходит процесс теплового разложения карбонатов кальция СаСОз и магния MgCO3 с поглощением тепла по уравнениям:

Карбонаты разлагаются на окислы кальция СаО и магния MgO  (известь)  и углекислый газ СО2, который улетучивается.

При полном разложении 1 кг углекислого кальция образует­ся 0,56 кг СаО и 0,44 кг СО2. Следовательно, для получения 1 кг СаО требуется :

При полном разложении 1 кг MgCO3 образуется 0,477 кг MgO и 0,523 кг СО2. Следовательно, для получения 1 кг MgO

требуется :

Количество тепла, которое необходимо затратить для разло­жения при атмосферном давлении и температуре 15° С 1 кг СаСО3, равно 425 ккал и для разложения 1 кг MgCO3 - 310 ккал.

Теоретически для получения 1 кг СаО необходимо затратить тепло в количестве: 425·1,786 ~ 760 ккал. Для получения 1 кг MgO необходимо затратить тепло в количестве: 310· 2,1 ~ 650 ккал, т, е. на 14,5% меньше.

На скорость разложения карбонатов решающее влияние оказывает температура. Разложение СаСО3 начинается при 600°С, но реакция не идет до конца и протекает медленно. Пол­ное разложение СаСОз происходит примерно при температуре 900° С. Разложение MgCO3 начинается при температуре 400° С, полное разложение происходит начиная с 710° С.

Скорость реакции разложения карбонатов кальция и маг­ния растет с уменьшением давления газа СО2, однако колеба­нии концентрации СО2 в печных газах (25 - 40%) не оказывают существенного влияния на ведение обжига.

Рассмотрим основы процесса обжига карбоната кальция. Время полного термического распада СаСО3 зависит от температуры обжига, плотности карбонатной породы и размера ее кусков.

Разложение СаСО3 в куске и основное количество тепла дис­социации (разложения) сосредоточено на некоторой границе (поверхности), величина и положение которой непрерывно ме­няются. Граница между наружным обожженным слоем и внут­ренним необожженным называется зоной диссоциации. Эта гра­ница хорошо видна на изломе куска извести с недожогом.

При повышении температуры обжига выше 900°С скорость разложения известняка резко возрастает. Так, если скорость продвижения зоны диссоциации при температуре 950°С принять за единицу, то при температуре 1050° С она увеличится в 1,8 ра­за, а при 1150° С - в 4 раза. Отсюда следует, что температура обжига является основным фактором в увеличении производи­тельности печи.

Повышение плотности природных карбонатов кальция тре­бует увеличения температуры их разложения, поэтому темпера­тура обжига мраморов и известняков высокой плотности долж­на быть на 50 - 80°С выше температуры обжига рыхлого и ме­лового сырья.

По мере того как кусок известняка обжигается, увеличивает­ся толщина слоя извести на его поверхности. Вследствие высо­кой пористости коэффициент теплопроводности СаО в 3 раза ниже, чем известняка, что уменьшает подвод тепла к границе диссоциации. Таким образом, время полного разложения куска известняка зависит не только от температуры обжига, но и от его линейного размера.

На время разложения оказывает влияние форма кусков из­вестняка. Время полного разложения куска известняка непра­вильной округлой формы в 1,5 - 2 раза меньше времени обжига равного ему по объему куска в виде плиты.

Продолжительность полного разложения кусков известняка различного размера при данной температуре пропорциональна квадрату линейного размера куска. Поэтому для получения равномерно (одинаково) обожженной извести необходимо, чтобы исходное сырье имело близкие по размеру куски.

При нагревании кальциевого известняка до температуры разложения образуется СаО, обладающая максимальной ско­ростью соединения с водой, т. е. минимальным временем гашения. При дальнейшем прокаливании образовавшейся окиси каль­ция происходит спекание материала, выражающееся в сраста­нии мелких кристаллических зерен СаО в крупное многокрис­таллическое тело.

С увеличением температуры и времени прокаливания про­исходит рост кристаллов, называемый процессом рекристалли­зации. Процесс рекристаллизации сопровождается повышением плотности и прочности извести и замедлением скорости ее га­шения.

Прокаливание чистой СаО в интервале температур 950 - 1350°С приводит  к  росту ее кристаллов до размера 5 - 10 мк и увеличению в 2 - 3 раза времени гидратации, но не ска­зывается на количестве активной СаО. При прокаливании чистого известняка (с содержанием примесей менее 2%) в те­чение 1 ч в температурном интервале 1350 - 1400° С происхо­дит образование перекристаллизованной (пережженной) из­вести (кристаллы СаО более 10 мк) в пределах 9 - 20%. По­этому обжиг в печах на газообразном или жидком топливе чистых кальциевых известняков при температуре до 1300°С не приводит к появлению пережженной извести, а сопровож­дается получением активной извести со сроками гашения до 20 мин. При обжиге  также сопровождается изменение плотности минералов (см. рис. 2).

Рис. 2. Изменение плотности минералов при изменении температуры обжига

Природные карбонаты кальция обычно содержат определен­ное количество MgCO3 и примесей. Примеси входят также в зольную  часть  топлива.  Наиболее распространены  примеси  в виде кремнезема  (SiО2), полуторных окислов  (Fe2O3, AI2O3)  и сульфата кальция (CaSO4).

Влияние МgСО3 на свойства извести состоит в следующем. Разложение доломитизированного известняка идет в две ста­дии: вначале разлагается MgCO3, а затем при более высокой температуре СаСО3. Образовавшаяся при 700 - 750°С окись магния при дальнейшем нагревании спекается и рекристаллизуется, теряя при этом в значительной степени способность к гидратации. Чем выше температура обжига, тем больше вре­мени затрачивается на гидратацию прокаленного MgO. Полу­ченная длительным обжигом (в шахтной печи ) при температуре 1100 - 1300°С MgO в обычных условиях гидратирует полностью только через несколько дней и даже недель, поэтому происходит разрушение конструкций из-за увеличения в объеме MgO.

Содержание кремнезема  (SiO2) в чистых известняках обыч­но не превышает 2%, но в мергелистых достигает 5 - 15%. SiО2 взаимодействует с СаО  в  твердом  состоянии уже при 700 – 800° С образуя силикаты   кальция   ( в  основном  двухкальциевый силикат — 2CaO·SiO2, или белит), которые представляют собой тугоплавкие соединения и при 1300 - 1400° С не образуют плава. Полученные в процессе обжига силикаты кальция сни­жают количество активной СаО в извести, так как она находится в них в связанном виде.

Взаимодействие СаО с Fe2O3 и А12Оз происходит при тем­пературе 900 - 1200°С с образованием новых соединений - фер­ритов и алюминатов кальция (СаО·Fе2Оз; 2CaO·Fe2O3; СаО·А12О3), обладающих низкой вязкостью и низкой темпе­ратурой плавления ( так называемой жидкой фазы). Жидкая фаза обволакивает зерна СаО, образуя медленногасящуюся (гидравлическую) известь.

Присутствие в извести CaSO4 способствует понижению тем­пературы образования жидкой фазы и значительно замедляет процесс гидратации извести. Следовательно, окись кальция в извести может находиться в свободном и связанном состоянии.

Связанной окисью кальция называется СаО, вступившая во взаимодействие с примесями с образованием новых химических соединений (силикатов и алюмоферритов кальция). Эта часть воздушной извести представляет собой безвозвратные потери окиси кальция, тогда как для гидравлической извести силикаты кальция (белит) являются необходимыми минералами.

Свободной СаО называется окись кальция, находящаяся в виде кристаллов СаО.

Таким образом, к свободным окислам СаО и MgO относятся активные СаО и MgO, ошлакованные и оплавленные частицы активной СаО и перекристаллизованные окислы СаО и МgO.

Под «недожогом» извести понимают неразложившуюся часть известняка, которая находится в куске под слоем хорошо обож­женной извести. «Недожог» легко обнаружить, взяв в руки кус­ки извести, так как куски с «недожогом» тяжелее полностью обожженных. Расколов такой кусок, можно увидеть ядро серо­го цвета, состоящее из неразложившегося СаСО3.

«Недожог» в извести снижает ее качество за счет уменьше­ния содержания СаО. Причиной появления «недожога» извести являются нарушения технологии процесса обжига.

Под «пережогом» извести понимают ту ее часть, которая в естественных условиях не взаимодействует с водой в принятые сроки гашения. К «пережогу» относятся рекристаллизованные окислы СаО и MgO, а также ошлакованные и оплавленные частицы активной окиси кальция. «Пережог» извести внеш­не представляет собой ошлакованные и оплавленные утяже­ленные куски извести темноватого цвета, имеющие плотную структуру.

Вредное влияние «пережога» извести состоит в том, что он попадает в отходы при гашении (чистая потеря извести), гасится в силикатных изделиях (при автоклавной обработке), в кладке или штукатурке, вызывая их разрушение. Снижение количества «пережога» в комовой кальциевой извести (за счет ошлакован­ных и оплавленных частиц активной СаО) можно получить при ее тонком измельчении.

Причиной появления «пережога» извести является нарушение требований, предъявляемых к сырью (превышение содержания в нем МgСО3 и глинистых примесей), топливу (повышенная золь­ность) и режиму обжига (резко завышенная температура обжи­га, перерасход топлива и т. п.)[4].

1.3. Физико-химические процессы, происходящие при твердении гидравлической извести. Условия твердения

              При твердении гидравлической извести протекают процессы, ха­рактерные как для воздушного, так и для гидравлического твердения, Первые обусловливаются твердением гидрата окиси кальция или окиси кальция аналогично воздушной извести. Вторые процес­сы вызываются   твердением силикатов,  алюминатов и ферритов кальция. В результате их взаимодействия с водой появляются гид­росиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Сочетание воздушного и гидравлического твердения и многообразие возникающих при этом химических и физических явлений значительно усложняют изучение процессов, протекающих при твердении гидравлической извести.

Твердение гидравлической извести сопровождается процессами, ха­рактерными для воздушного и гидравлического твердения. Вначале, как и при твердении воздушной извести, СаО(MgO) гидратируется до Са(ОН)2 (Mg(OH)2) (гидратное твердение):

CaO + H2O  =  Ca(OH)2 + 160 кДж/кг

MgO + H2O  =  Mg(OH)2 + 38…42 кДж/кг

В дальнейшем при влажном твердении постепенно гидратируются силикаты, алюминаты и ферриты кальция, образуя соответ­ствующие гидраты в коллоидном и субмикрокристаллическом состоя­нии. С течением времени гидраты уплотняются, пронизываются кристаллическим Са(ОН)2, образуя единый конгломерат. В связи с двой­ственным характером процессов, происходящих при твердении, реко­мендуется комбинированный режим твердения гидравлической извести. Вначале необходимы воздушно-сухие условия, а затем влажные. Чем выше основной модуль, тем длительнее нужно выдерживать из­делия из извести при воздушно-сухих условиях твердения. В дальней­шем для более полного протекания процессов гидратации гидравличе­ских составляющих более благоприятны влажные условия. По мере повышения содержания силикатов, алюминатов и фер­ритов кальция условия твердения гидравлической извести прибли­жаются к условиям твердения романцемента, а с увеличением ко­личества гидрата окиси кальция - к условиям твердения воздушной извести[3].