Вяжущие вещества

ГМ (р) =

ГМ определяет в клинкере соотношение между трехкальциевым алюминатом и железосодержащими  соединениями. Значение этого модуля для обычных портландцементов находится  в пределах 1—2,5. При прочих равных условиях при повышенном СМ сырьевая смесь трудно спекается, а цемент медленно схватывается и твердеет, но обладает высокой прочностью в  отдаленные сроки. При малом значении ГМ портландцементы обладают повышенной стойкостью в минерализованных водах. Цементы с высоким ГМ быстро схватываются и твердеют, но имеют пониженную конечную прочность.

Кюль выдвинул понятие  об «идеальном» клинкере, характеризующемся  высокой прочностью и состоящем  только из таких высокоосновных соединений, как ЗСаО * SiO₂, ЗСаО * А1₂O₃ и 2СаO Fе₂O₃. Отношения по массе между главными окислами в таком случае должны определяться по формуле

СаО = СН(2,8 * SiO₂+ 1,65 * А1₂O₃ + 0,7 Fе₂O₃).

В этой формуле Кюль ввел коэффициент СH, называемый «степенью насыщения» окисью кальция кислотных окислов. Позднее советские исследователи В. А. Кинд и В. Н. Юнг, принимая, что при обжиге клинкера в первую очередь образуются С₂S, СзА, С₄AF и СаSO₄ и лишь в последующем избыток окиси кальция начинает связываться с С₂S, давая С₃S, предложили свою формулу для оценки соотношения между главными окислами цементного клинкера:

КН =

Эта формула учитывает, что  в клинкере может оказаться в  несвязанном состоянии СаО, а также кремнезем. Коэффициент КН, называемый коэффициентом насыщения, показывает отношение количества окиси кальция в клинкере, фактически связанной с кремнеземом, к количеству ее, теоретически необходимому для немного связывания двуокиси кремния в трехкальциевый силикат.

При расчете сырьевых смесей пользуются упрощенной формулой коэффициента насыщения:

КН =  

Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема получения портландцемента по мокрому способу. 

3.1 Расчет состава сырьевой смеси.

Пусть для получения клинкера портландцемента необходимо рассчитать состав двухкомпонентной шихты, состоящей  из мела и глины, химический состав которых приведен в табл. 3.1.1.

Наименование материала	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	П. П.П.	∑
Мел	3,49	1,84	0.92	51,52	0.33	0,43	41.06	99.59
Глина	53,65	17,44	6,86	6,54	2,30	0,43	9,43	96.63

Таблица 3.1.1. – Химический состав компонентов шихты.

 

Величину коэффициента насыщения принимаем КН = 0,92.

Поскольку сумма составляющих не равна 100 %, необходимо привести ее к 100 %, выполнив пересчет состава. Для  этого содержание оксидов в первом компоненте надо умножить на коэффициент  K₁ = 100/99,59 = 1,004, во втором на К₂ = 100/96,63 = 1,035, Химический состав исходных сырьевых материалов после пересчета на 100% представим в табл. 3.1.2.

Наименование материала	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	П. П.П.	∑
Мел	3,50	1,85	0.92	51.74	0,33	0.43	41,23	100
Глина	55,51	18.05	7,10	6.67	2,38	0.43	9,76	100

Таблица 3.1.2. – Химический состав компонентов шихты, приведенный к 100%

 

Обозначим соотношение карбонатного компонента шихты к глинистому через х и выразим его из уравнения для КН, положив значение последнего равным 0,92.

 

 

 

Следовательно, на одну весовую  часть глины потребуется взять 4,28 частей мела, что соответствует  следующему процентному составу  шихты: мела - 81.06%, глины - 18,94 %.

Подсчитаем, какое количество оксидов будет внесено в шихту  каждым ее компонентом при рассчитанном процентном составе шихты, а также  суммарное содержание оксидов в  сырьевой смеси. Для этого содержание оксидов в каждом компоненте умножим на его процентную долю в шихте, а затем просуммируем. Результаты расчета в весовых частях (в.ч.) сведем в табл. 3.1.3.

Компоненты	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	п.п.п.	∑
81,06 в.ч. мела	2,84	1,50	0.75	41,94	0,26	0.35	33,42	81.06
18.94 в.ч. глины	10.51	3,43	1,34	1,28	0,45	0.08	1,85	18,94
100 в.ч.	13,35	4,93	2,09	43,22	0,71	0,43	35,27	100.00
сырьевая смесь
клинкер	20.62	7,62	3,23	66,77	1,10	0.66	-	100.00

Таблица 3.1.3 – Химический состав компонентов шихты и клинкера

 

Для проверки правильности произведенного расчета двухкомпонентной сырьевой смеси нужно убедиться, что величина коэффициента насыщения КН, если ее рассчитать для клинкера, полученного из предлагаемой шихты, окажется равной заданной величине КН = 0,92. Для этого необходимо вначале рассчитать химический состав клинкера. Поскольку клинкер получается спеканием сырьевых материалов, то потери при прокаливании (п.п.п.) в нем отсутствуют. Тогда химический состав клинкера рассчитаем из химического состава сырьевой смеси путем умножения процентного содержания в ней каждого оксида на коэффициент

 

 

В нашем случае  

 

Рассчитанный химический состав клинкера показываем в последней  строке табл. 3.1.3 и рассчитываем для него величину КН используя формулу:

КН =

 

Величина КН для клинкера оказалась равной заданной, следовательно, расчет выполнен правильно.

 

3.2. Расчет материального баланса цеха.

Годовая производительность 485000 т цемента.

Состав портландцемента:

• клинкер 87 %,
• гипс 3 %, АМД – 10 %.

Состав 2-х компонентной сырьевой смеси:

• мел 81,06 %,
• глина 18,94 %.

Естественная влажность  сырьевых материалов:

• мел 5 %,
• глина 15 %,
• АМД (трепел) 20 %,
• гипс 6 %.

Потери при прокаливании сырьевой смеси 35,27 % .

Производственные потери:

• сырьевых материалов 2,5 %,
• клинкера 0,5 %,
• добавок (каждой) 1 %,
• цемента 1 %.

Коэффициент использования вращающихся печей 0,92.

Режим работы основных подразделений  в течение года:

• карьер и дробильное отделение 307 дней по 6 ч (4912 ч);
• отделение помола сырья 307 дней по 24 ч (7368 ч);
• цех обжига клинкера 337 дней по 24 ч (8088 ч);
• отделение помола цемента 307 дней по 24 ч (7368 ч);
• силосно-упаковочное отделение 365 дней по 24 ч (8760 ч).

Годовая производительность завода по клинкеру составит

 

где 87 – содержание клинкера в цементе, % .

При коэффициенте использования  вращающихся печей 0,92, печи работают в течение года 365·* 0,92 = 337 сут или 8088 ч. Отсюда часовая производительность всех печей составит

В табл. 3.2.1 приведена производительность вращающихся печей при мокром способе производства в зависимости от диаметра и длины.

Диаметр Ø, м	Длина l, м	Производительность П, т/ч
4,5	170	50
5,0	185	75
7,0	230	125

Таблица 3.2.1 – Характеристики вращающихся печей

 

Принимаем решение об установке вращающейся печей Ø 5 м, l = 185 м, П = 75 т/ч, производительность которой составит:

75·24 = 1800 т/сут,

75·8088= 606600 т/год.

 

Расчет расхода  сырьевых материалов

Печь работает на угольной пыли, после ее сгорания происходит присадка золы к сырьевой массе, что уменьшает расход сырьевых материалов. Пусть величина такой присадки составляет 4 %. Тогда расход сырьевых материалов надо считать не для производства 75 т/ч, а

 

Теоретический удельный расход сухого сырья для производства клинкера определяют с учетом потерь при прокаливании сырьевой смеси:

 

Для обеспыливания отходящих  газов вращающихся печей устанавливаются  электрофильтры, что позволяет считать  потери с отходящими газами не более 1 %.

При обжиге также учитываются  потери при декорбанизации мела равные 24%, что получено из расчетов приведенных  ниже:

MCaCO₃→MCaO+CO₂↑

   _{100         900-1000°C       56           44}

CaCO₃        →        CaO + CO₂↑

 

Тогда расход сухого сырья  при расчетной производительности составит 1+24=25%:

1,54 * 100 /(100-25)=2.053 т/т клинкера,

а потребность в сырье  в единицу времени окажется равной:

2.053* 72 =147.816 т/ч;

147.816 * 24 =3547.584 т/сут.;

147.816 * 8088 = 1195535.808 т/год.

Далее, на основе общей потребности  в сырье рассчитывается расход отдельных компонентов сухой сырьевой смеси. Результаты вносим с таблицу 3.2.2.

Расход компонента	Компонент
	Мел	Глина
На тонну клинкера, т/т
За час, т/ч	1,66*72=119,52	0,295*72=28,08
За сутки, т/сут	119,52*24=2868,48	28,08*24=673,92
За год, т/год	119,52*8088=966677,76	28.08*8088=227111,04

Таблица 3.2.2 – Результаты расчета расхода отдельных компонентов

Аналогичным образом выполняется  расчет расхода сырьевых материалов с учетом карьерной влажности W, результаты которого представлены в таблице 3.2.3. 

Расход компонента	Компонент
	Мел	Глина
На тонну клинкера, т/т
За час, т/ч	1,743*72=125,496	0,4485*72=32,292
За сутки, т/сут	125,496*24=3011,904	32,292*24=775,008
За год, т/год	125,496*8088=1015011,648	32,292*8088=261177,696

Таблица 3.2.3 – Расчет расхода сырьевых материалов с учетом карьерной влажности W

 

Расчет расхода  шлама

Часовой расход шлама А_ш рассчитывают по формуле:

 

где А_ш – расход шлама, м³/ч;

А_с – расход сухого сырья, т/ч;

W_ш – влажность шлама, %;

ρ_ш – плотность шлама, т/м³.

Плотность шлама определяют интерполяцией по данным, приведенным  в табл. 3.2.4.

влажность шлама, %;	35	40	45
плотность шлама, т/м3	1,650	1,600	1,550

Таблица 3.2.4 – Зависимость плотности шлама от его влажности

Влажность шлама принимаем равной 36%, что при интерполяции дает ρ_ш = 1,64 т/м3.

Тогда на печь необходимо подавать шлам в объеме:

 

·24 = 3379,92 м³/сут.,

·8088 = 1139033,04м³/год.

3.3 Материальный баланс отделения помола сырья.

Из рассчитанной выше потребности  в сухих сырьевых материалах 1195535.808 т/год при принятом режиме работы отделения 307 суток в год по 3 смены следует, что сухого сырья должно быть размолото

1195535.808 : 307 = 3894,25 т/сут

3894,25 : 24 = 162,26 т/ч.

При этом помол отдельных  компонентов составит следующие  объемы (табл. 3.2.5).

 

Объем помола	Компонент
	Мел	Глина
За час, т/ч
За сутки, т/сут
За год, т/год