Тепловые процессы в технологии тугоплавки неметаллических и силикатных материалов

Примерно на половине длины  с горячей стороны цилиндры с  целью защиты стального корпуса  обмурованы огнеупором. Другая половина их снабжена металлическими полками в виде лопастей, перемешивающих слой и улучшающих омывание материала воздухом.

Для мощных вращающихся печей  многобарабанные холодильники изготавливаются  увеличенной длины (изготовитель —датская фирма «Смидт», тип холодильника «Унакс»).

  Запылённый воздух из холодной части холодильника поступает для отчистки в батарейный циклон типа ''Крейзель''. Отчищенный воздух с помощью аспирационного дымососа типа Д-20 выбрасывается в атмосферу.

      Отходящие  из печи газы поступают в  пыльную камеру. Пыль в камере  осаждается вследствие перемены  направления и уменьшения скорости  газового потока. Из камеры газы  отчищаются в электрофильтрах  типа УГ-3-4´88, откуда дымососом типа ДРЦ-21/2 выбрасывается в атмосферу. Осевшая пыль из электрофильтра и пыльной камеры поступает на шнековый транспортёр и подаётся в горячий конец печи. Вместе с топливом в горячий конец печи подаётся вторичный воздух из холодильника, необходимый для горения топлива.

  Хранение клинкера. Хранят клинкер в закрытых или открытых складах с учетом климатических условий в районе размещения завода. Обычно их емкость рассчитана на трех - пятисуточную выработку предприятия. Организация складов той или иной емкости определяется не только колебаниями в сбыте продукции, но иногда и необходимостью улучшить свойства клинкера. Известно, что во время его хранения (магазинирования) свободная окись кальция, иногда содержащаяся в материале, гасится влагой воздуха. Кроме того, если в клинкере имеется большое количество плохо стабилизированного ß-С₂S, он переходит в γ-С₂S во время хранения. Такие процессы обычно благоприятно отражаются на размалываемости клинкера. В связи с этим клинкер вращающихся печей, будучи хорошо обожженным и охлажденным, может и не нуждаться в магазинировании.

   Склады обычно оборудуются грейферными мостовыми кранами, с помощью которых клинкер и добавки подаются на помол в бункера цементных мельниц.

Процессы протекающие при обжиге сырьевой смеси.

 В процессе обжига сырьевой смеси при t = 1400-1450ºС протекают взаимообусловленные химические и физические превращения вещества, термохимические, тепломассообменные, газодинамические процессы, осуществляется факельное сжигание топлива, происходит перенос возогнанных и конденсированных фаз из материального потока в газовый и обратно, в результате которых образуется (полуфабрикат)  портландцементный клинкер.

По характеру процессов, протекающих в сырьевой смеси  выделяются следующие температурные зоны.

1  зона –сушки ( испарение), длинна  зоны  35-40 м (удаление влаги, подсушка сырьевой смеси, ее подогрев до 200ºС). В начале зоны сушки образуются крупные комья, которые по мере просыхания покрываются глубокими трещинами и разваливаются на более мелкие комочки. Т.е. высыхание шлама сопровождается миграцией воды. Наружный подсыхающий слой испытывает усадку, а внутренний сохраняет свой объем и препятствует усадке, появляются трещины в наружном слое.

2  зона – подогрева (дегидратации) (начало химических превращений при t = 100-600-650ºС  вследствие чего происходит разрушение гранул на частички размером 1-3 мм и менее, которые поступают в зону декарбонизации)  длинна  зоны, составляет 15-20 м. Здесь начинаются превращения. В интервале температур 100-200°С глинистые материалы теряют адсорбционную влагу и некоторое количество кристаллической воды, основная часть последней выделяется из кристаллической решетки водных алюмосиликатов при 400-600°С. Удаление воды вызывает разрыхление и расширение кристаллических решеток глинистых материалов, в результате они активизируются и приобретают способность к взаимодействию с другими компонентами смеси. Безводный остаток Al₂O₃ * SiO₂ распадаются до оксидов.

3  зона – кальцинирования (декарбонизации)  длинна  зоны  60-65 м (при t = 1100-1300ºС  происходит разложение углекислых солей Mg и Са, декарбонизация СаСО₃ колеблется при t = 600-900 ºС. Выделяющаяся в свободном виде окись кальция вступает во взаимодействие с окислами Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃ и образуют низкоосновные соединения CF, CA и CS.

Эти реакции протекают  с выделением тепла, в результате чего температура материала начинает возрастать и сырьевая смесь поступает  в следующую зону.

4 зона – экзотермических реакций, длинна  зоны 8-10 м, при t = 1100-1300ºС , происходит насыщение низкоосновных соединений до клинкерных минералов:

СА → С₅А₃ → С₃А

СF → С₂ F → С₄АF

CS → C₃S₂ → C₂S

Эти реакции проходят с выделением большого количества тепла, температура материала поднимается на 200-250ºС, при t = 1250-1300ºС твердофазовые процессы синтеза минералов заканчиваются, и материал к этому моменту состоит из образовавшихся соединений C₂S, С₃А, С₄АF и свободного оксида кальция).

5 зона – спекания, длинна  зоны  18 м (при t = 1300-1650-1300ºС материал частично плавится. В состав расплава переходят клинкерные минералы С₃А и С₄АF полностью, C₂S и СаО частично. В расплаве растворяются примеси сырьевой смеси – окислы щелочных металлов (Na₂O и K₂O), периклаз (МgO), соединения сульфатной серы (СаSO₃) и др. В зоне спекания образуется основной клинкерный минерал – алит (С₃S). С₃S образуется только в присутствии расплава. Оставшиеся в твердом состоянии СаО и С₂S растворяются и в результате взаимодействия в жидкой фазе соответствующих ионов образуется трехкальциевый силикат, который менее растворим в расплаве, чем окись кальция и белит, и поэтому выкристаллизовываются из него; при этом расплав обедняется СаО и С₂S и в нем растворяются новые порции этих соединений, которые снова вступают в реакцию и т.д. Образование С₃S завершается за 20-30 минут. За это время почти вся свободная окись кальция успевает раствориться в расплаве и принять участие в реакции алитообразования; часть двухкальциевого силиката остается не прореагировавшей. Образуются клинкерные гранулы. Этот процесс обусловлен появлением в смеси расплава, который склеивает между собой твердые частицы материала с образованием полизернистых агрегатов. Постепенно при механическом уплотнении под действием слоя материала и перекатывании эти агрегаты приобретают округлую форму).

6 зона – охлаждения, клинкерные гранулы пересыпаются в зону охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000 ºС. В результате чего расплав кристаллизуется, и из него выделяются минералы С₃А, С₄АF, С₂S, МgO и С₃S, а часть жидкой фазы затвердевает в виде стекла. Основных изменений с зернами клинкера при этом не происходит. В процессе охлаждения клинкерных гранул расплав кристаллизуется и фактически фиксируется минералогический состав клинкера и его кристаллическая структура.

Таблица 2

             Основные процессы, протекающие в цементных печах

№ зон	зона	Температура материала, оС	Длина зоны % м (1…185)		масса материала	основные физико-химические процессы
I	сушки (испарения)	20…200	25	45	2,5…1,5	испарение воды
II	подогрева	200…700	25	45	1,5	Al2O3 2SiО2 2Н2О -Al2O3+2SiО2+2Н2О 0,2кг/кг
III	декарбонизации	700…1100	32	60	1,5…1	декарбонизация СаСО3 – СаО+СО2
IV	экзотермических реакций	1100…1300	3	5	1	Экзотермические реакции образования  минералов С2S, С3А, С4АF
V	спекания	1300…1450 1450…1300	12	25	1	Частичное плавление, образование алита СаО+С2S=С3S
VI	охлаждения	1300…1100	3	5	1	Охлаждение клинкера, кристаллизация

 

Скорость охлаждения клинкера оказывает влияние на соотношение  кристаллической и стекловидной фаз. При медленном охлаждении происходит кристаллизация почти всех компонентов  клинкера, а при быстром образование  кристаллов замедляется, часть расплава застывает в форме стекла. Кроме  того, быстрое охлаждение препятствует росту кристаллов.

     Причины кольцеобразования в печи.

       Причины  образования колец  разделяются   на конструктивные, физико-химические и химические. Конструктивные  включают особенности конструкции печи, цепных завес, аэродинамические характеристики дутьевых вентиляторов, конструкции форсунок, способа подачи вторичного воздуха. Физико-химические связаны со свойствами топлива тонкостью помола угля и температурой плавления золы. Химические - с составом обжигаемого материала, изменением модулей.

      Коль классифицирует  кольца во вращающейся печах  на следующие 3 вида: шламовые, подпорные  и спекания ( клинкерные ).

      Шламовые  кольца возникают в цепных  теплообменниках. Их образование  рассматривается как физико-механический  процесс налипания густой, вязкой  массы шлама к корпусу печи.

      Ввод пыли  вместе со шламом, особенно с  большим содержанием щелочей  и серы способствует образованию шламовых колец. Следующие причины образования шламовых колец:

а) низкая температура у  загрузочного конца;

б) колебания температуры;

в) малый диаметр печи;

г) короткие цепи;

д) добавка пыли перед  цепной завесой.

      Подпорные  кольца образуются в средней  части печи, когда температура  материала достигает 900-1000С. Возникновение  этих колец связано с химическими   взаимодействиями. Фрей возникновение подпорных колец объясняет образованием сульфата кальция как результат взаимодействия оксида кальция   с серосодержащей газовой средой.

       Кольца  спекания образуются при непосредственном участием силикатного расплава. Печи с меньшим диаметром более склоны к кольцеобразованию. Это объясняется большим соприкосновением факела, а следовательно, золы топлива с футеровкой. Понижение содержания оксида кальция и кремнезема, и  

увеличения  количества оксида железа приводит  к снижению температуры появления жидкой фазы и способствует кольцеобразованию. Фрей и Кремер причину видят не столько в составе сырья, сколько в колебаниях состава, т.к. при переходе с более жесткого на легко обжигаемый  материал происходит увеличение количества жидкой фазы, а следовательно, склонность к кольцеобразованию растёт.

        Выделяют 5 видов колец:

Шламовые (1); шламово-солевые  ( 2 ); материально-солевые ( 3 ); материально-клинкерные ( 4 ); клинкерные ( 5 ).

        Шламовые кольца - возникают на шайбе холодного конца печи, за кольцом на корпусе печи обычно имеется шламовая корка толщиной 10-20 мм.

         На тех печах где цепная завеса редкая и далеко расположена от холодного конца, шлам, не задерживаясь в приемной части, уходит в печь в связи с чем корпус печи всегда нагрет отходящими газами. Шлам, протекая по горячему корпусу, частично высыхает и образует корку. При отсутствии шлама струя его из печки ударяет о корпус, разбрызгиваются капельки, высыхая, образуют кольцо. Для предотвращения колец необходимо погасить струю шлама из трубы, что было осуществлено путём создания шламовой ванны в приёмной части печи.

          Шламово–солевые кольца возникают при подаче пыли электрофильтров  с холодного конца на участке 16 – 23м длины печи. Кольца имеют плотное слоистое строение и с большим трудом ударяются с помощью пневматических молотков после остановки печи.

     Для образования таких колец необходимы 2 условия наличие растворимых солей и интенсивное испарение воды.

    Предотвратить образование таких колец в цепных завесах можно 2 способами: разработкой и внедрением специальной шестизаходной винтовой свободновисящей цепной завесы и снижением водорастворимых солей в шламе.             При навеске шестизаходной свободновисящей цепной завесы, кроме того учитывалась необходимость быстрого продвижения вязкого материала на участке вероятного образования кольца, увеличение диапазона, на котором материал переходит от жидкого состояния к сухому и раскрепощение каждой цепи, т.е увеличение свободы движения цепи по корпусу.

   Второй метод предотвращения кольцеобразования заключается в уменьшении количества водорастворимых щелочных солей в шламе. Это было достигнуто путём прекращения возврата пыли электрофильтров путём её

обжига в отдельной  печи. Образование колец прекратилось на печах, работающих на чистом  шламе, даже при высокой плотности цепной завесы.

          Материально-солевые кольца – В составе наростов могут  быть следующие соединения: 2С₂S CaCO₃;  К₂SO₄ 3СА   СаSO₄; 2С₂S CaSO₄

Образование колец связано  с возникновением и уменьшением  или полным исчезновением жидкой фазы. В результате декарбонизации  СаСО₃ уменьшается доля жидкой фазы, что и приводит к кристаллизации и твердению массы и образованию наростов и колец.

          Материально-клинкерные кольца - Чаще всего возникают в начале зоны спекания. Эти кольца состоят из незавершённых продуктов обжига цементного клинкера.

   Образование таких колец связано с недостаточной подготовкой материала до зоны спекания и высоким контрастом теплового поля печи на данном участке. Такие явления наблюдаются при работе на коротком теплонапряжённом дальнем факеле и могут быть предотвращены рациональным режимом сжигания топлива.

   Наиболее  часто клинкерные кольца образуются на печах 5х185м. Они возникают на стыке зон спекания и охлаждения. Их образование связано с резкой кристаллизацией клинкерного расплава. При возникновении небольшого кольца, кромка его охлаждается сильнее, а за кольцом клинкер перегревается больше и вследствие этого происходит быстрый рост кольца по охлаждённой кромке. Для предотвращения колец здесь также рекомендуется работать на относительно  удлинённом факеле и важно обеспечить высокую температуру подогрева вторичного воздуха, ни в коем случае не допуская подсосов через не плотности в головке печи и уплотнении. В результате проведённых физико-химических и теплотехнологических исследований пяти видов колец предложен единый механизм их образования. Во всех случаях кольцеобразование  связано с существованием или возникновением и исчезновением или уменьшением жидкой фазы.