Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
Рассмотрены основные факторы, влияющие на текучесть цемента в присутствии тех-нологических добавок при помоле. Изучено влияние интенсификаторов помола на реологиче-ские свойства цементного порошка. Выполнен корреляционно-регрессионный анализ влияния физико-химических параметров проб цемента на его текучесть. В результате анализа установлено, что текучесть цемента имеет слабую корреляционную зависимость от иссле-дованных переменных, что свидетельствует о влиянии на нее переменного фактора, кото-рый пока не оценивается количественно.
цементный порошок, интенсификаторы помола, текучесть цемента, корелляционный ана-лиз.
Цементный порошок по классификации структурированных систем, предложенной Н.Б. Урьевым [1], следует отнести к дисперсным системам с конденсационной структурой с обратимыми по прочности контактами между частицами в результате пластической деформации при уплотнении. Наряду с развитой межфазной поверхностью, обусловливающей многие свойства цементных порошков как высокодисперсных систем, важнейшее значение имеют их структурно-реологические свойства: способность к необратимым сдвиговым деформациям (течению), образование обратимо разрушаемых контактов между частицами (структурирование) и др. Переход от свободно-дисперсных структур (аэрированный порошок) к связно-дисперсным системам (после длительного хранения в силосах) кардинальным образом меняет основные структурно-механические свойства, такие как легкоподвижность и текучесть. Структурно-реологические свойства порошков очень важны при таких технологических операциях как гомогенизация, транспортирование по трубам, при выгрузке или загрузке в транспортное средство. Текучесть, по сути, является сочетанием физических свойств материала, условий окружающей среды и оборудования, используемого для переработки и хранения эти материалов [2]. Возможность прогнозирования текучести порошка помогает в предотвращении остановки производства во всех объемных погрузочно-разгрузочных работах.
Проблемы с текучестью цементного порошка возникли в связи с повышенным спросом на тарированный цемент, переходом на технологию помола цемента на линиях замкнутого цикла с сепараторами. Причины ухудшения текучести цементного порошка до сих пор полностью не поняты. Основной причиной, к которой склоняются многие исследования, является сложные отношения между поверхностной энергией отдельных зерен цемента и потоком тех же частиц. Поверхностная энергия зависит от многих факторов в процессе производства цемента: тонкость помола, тип помольного оборудования, тип вращающихся печей и способ производства (мокрый или сухой), температуры обжига и охлаждения, скорости охлаждения [3].
На текучесть минеральных порошков оказывают влияние множество факторов, к которым следует отнести: размер и форму частиц, содержание влаги, температуру, расход воздуха при аэрационном транспортировании и пр. Размер частиц, форма и распределение частиц по размерам играют важную роль в текучести и других свойствах, таких как насыпная плотность, угол естественного откоса, сжимаемость порошков. Даже небольшое изменение в размере частиц может привести к значительным изменениям подвижности порошков. Снижение размера частиц ведет к снижению текучести данного порошка [4–5]. Чем тоньше размер частиц и больше диапазон распределения частиц по размерам, тем выше силы сцепления и ниже текучесть [1, 6]. Существует несколько эмпирических закономерностей: гидрофобные порошки распыляются лучше, чем гидрофильные; порошки из твердых минеральных пород распыляются лучше, чем из мягких; монодисперсные порошки распыляются лучше полидисперсных. Увеличить текучесть возможно псевдоожижением [7].
При хранении цемента и других порошкообразных материалов в силосах и бункерах нижние слои, находясь под значительным давлением вышележащих слоев, сильно уплотняются [8]. В результате этого материал слеживается, образуя воронки с прочными стенками, что сильно затрудняет выгрузку материала. Слежавшийся материал теряет текучесть, при этом увеличивается угол естественного откоса. Например, угол естественного откоса уплотненного цемента достигает 90°. Объемный вес нижних слоев цемента, лежавшего в силосе около 30 суток, вследствие постепенного уплотнения доходит до 1,7 т/м3, в то время как верхний слой его при пневматической подаче имеет объемную массу 0,75 т/м3 и обладает высокой текучестью.
Для придания цементу сыпучести днища силосов оснащаются аэрирующими элементами, которые направляют сжатый воздух в силос. Расход сжатого воздуха на аэрацию цемента в
силосе – 0,4 нм3/мин на 1 м2 поверхности, при этом сжатый воздух должен быть обязательно очищен от масла и влаги [9]. При отсутствии должного осушения воздуха в весенне-осенний период в силос может попадать от 1 до 4 кг воды в час. Цементы при длительном хранении могут взаимодействовать с влагой и СО2, содержащимися в воздухе, с образованием новых продуктов [10]. В результате этого в зависимости от сроков хранения и свойств окружающей среды может в значительной степени снижаться текучесть цемента.
Гидратация поверхности цемента может начаться уже при производстве цемента вследствие обезвоживания гипса в цементной мельнице или при использовании водного раствора интенсификатора при плохой аспирации мельницы. Поглощение воды может продолжаться также и во время хранения свежего цемента в бункере, так как гипс при повышенной температуре (>42 °С) продолжает выделять кристаллизационную воду, способствующую гидратации [10]. Исследования [11] показали, что гидратация поверхности может существенно изменять свойства цемента в отношении характеристик текучести и прочности.
Самым действенным способом предотвращения слеживания порошков является модифицирование поверхности частиц с помощью ПАВ, герметизация емкостей для хранения и тщательное осушение аэрационного воздуха.
Целью данного исследования явилось изучение влияния интенсификаторов помола на реологические свойства цементного порошка.
Исследования по текучести цементов и изучение влияния на этот показатель различных факторов проводилась в ходе промышленных испытаний технологической добавки – интенсификатора помола линейки «Литопласт АИ» производства ООО «Полипласт Новомосковск» на цементной мельнице 4х13,5 м открытого цикла. Интенсификатор помола подавался на клинкерный транспортер с дозировкой 200 г на 1 тн цемента при выпуске цемента типа ЦЕМ II/А-Ш 32.5Б. Через равные промежутки времени в течение 2-х суток были отобраны 30 проб цемента сразу после выхода из мельницы. Для отобранных проб анализировались основные показатели: температура цемента, химический и вещественный составы, тонкость помола по удельной поверхности и распределению гранулометрического размера частиц. Текучесть цемента проверялась по методике ASTM [12] сразу же после выхода его из мельницы и после охлаждения пробы до комнатной температуры.
В процессе испытаний нарабатывалась партия цемента ЦЕМ II/А-Ш 32.5Б в один силос. В состав цемента ЦЕМ II/А-Ш 32.5Б входил доменный гранулированный шлак, содержание которого нормировано ГОСТ 30108 от 6 до
20 мас. %. Среднее содержание шлака в партии за период испытаний составило 16,5 %. При этом пределы колебания массовой доли шлака составили от 7 до 25 % (табл. 1). Такие значительные колебания были вызваны зависанием шлака в бункере и неравномерностью его подачи в мельницу. Это не могло не сказаться на размолоспособности и текучести цемента. С повышением доли шлака в составе цемента для обеспечения требуемой тонкости помола по остатку на сите № 008 производительность мельницы снижалась на 1–2 тонны.
Температура цемента после мельницы замерялась встроенным датчиком и выводилась на пульт оператора мельницы, удельная поверхность -– на приборе Блейна. Гранулометрический состав цемента определялся на приборе ANALYSETTE 22 фирмы FRITSCH. По результатам анализа были выделены массовая доля частиц до 3 мкм, от 3 до 30 мкм, от 30 до 80 мкм и более 80 мкм.
Результаты по изменению физико-химических параметров отобранных проб цемента представлены в табл.1.
Для изучения взаимосвязей текучести цемента от множества факторов применили метод корреляционно-регрессионного анализа [13]. Этот метод изучает взаимосвязи показателей, когда зависимость между ними не является строго функциональной и искажена влиянием посторонних, случайных факторов. Корреляционно-регрессионный анализ выполнен в модуле DescriptiveStatistics, программы STATISTICA.
Корреляционный анализ применяли для количественного определения тесноты и направления парной взаимосвязи между выборочными переменными величинами (факторами) (Пi) и выходными параметрами В1 и В2 – текучестью, определенной при различных температурах. Оценку силы связи проводили по шкале Чеддока: слабая – от 0,1 до 0,3; умеренная – от 0,3 до 0,5; заметная — от 0,5 до 0,7; высокая – от 0,7 до 0,9; весьма высокая (сильная) – от 0,9 до 1,0.
Алгоритм в модуле DescriptiveStatistics предусматривает вычисление коэффициента корреляции Пирсона в предположении, что исследуемые переменные распределены по нормальному закону. Результаты корреляционного анализа представлены в табл.2.
Таблица 1
Физико-химические параметры проб цемента
|
№ пробы
|
Выходные параметры |
Переменные факторы |
|||||||
|
В1 |
В2 |
П1 |
П2 |
П3 |
П4 |
П5 |
П6 |
П7 |
|
|
Текучесть после мельницы, ºС |
Текучесть при 25 °С, % |
Температура цемента после мельницы, °С |
Массовая доля шлака в цементе, % |
Удельная поверхность цемента, м2/кг |
Доля частиц, мас. %, размером, мкм |
||||
|
До 3 мкм |
От 3 до 30 мкм |
От 30 до 80 мкм |
Более 80 мкм |
||||||
|
1 |
42 |
41 |
137 |
14,43 |
301 |
11 |
53,6 |
27,5 |
7,9 |
|
2 |
42 |
33,5 |
169 |
14,77 |
308 |
9,5 |
51,6 |
30,3 |
8,6 |
|
3 |
42 |
42,5 |
140 |
13,71 |
320 |
11,2 |
47 |
32,2 |
9,6 |
|
4 |
30,5 |
42 |
140 |
7,37 |
303 |
11,9 |
54 |
27,4 |
6,7 |
|
5 |
39,5 |
41,5 |
132 |
17,05 |
293 |
9,6 |
45,1 |
31,9 |
10,7 |
|
6 |
42 |
56 |
115 |
18,1 |
327 |
9,7 |
49,2 |
31,6 |
9,5 |
|
7 |
38,5 |
40 |
120 |
17,88 |
276 |
8,8 |
46,1 |
33,4 |
11,7 |
|
8 |
45,5 |
49 |
115 |
20,08 |
314 |
9,1 |
51,1 |
30,6 |
9,2 |
|
9 |
50 |
48,5 |
130 |
16,32 |
313 |
11,7 |
50,5 |
30 |
7,8 |
|
10 |
45 |
39 |
110 |
15,13 |
288 |
9,8 |
48,5 |
32 |
9,7 |
|
11 |
35 |
41 |
114 |
19,99 |
314 |
10 |
47,8 |
32,2 |
10 |
|
12 |
41 |
38,5 |
125 |
20,11 |
433 |
10,5 |
52,1 |
30,5 |
6,9 |
|
13 |
39,5 |
39,5 |
136 |
20,97 |
429 |
13,9 |
55,2 |
25,9 |
5 |
|
14 |
48,5 |
41 |
144 |
15,77 |
271 |
10,2 |
49,6 |
29,7 |
10,5 |
|
15 |
35,5 |
42 |
130 |
15,8 |
299 |
8,6 |
47,1 |
32,8 |
11,5 |
|
16 |
35,5 |
30,5 |
165 |
9,2 |
282 |
10,5 |
53 |
27,6 |
8,9 |
|
17 |
45,5 |
49 |
130 |
25,06 |
291 |
9,6 |
53 |
29,8 |
7,6 |
|
18 |
44 |
37,5 |
125 |
18,38 |
237 |
10,4 |
45,8 |
31 |
12,8 |
|
19 |
42,5 |
35 |
130 |
12,82 |
290 |
13,6 |
53,5 |
26 |
6,9 |
|
20 |
39 |
48,5 |
124 |
16,66 |
277 |
9,5 |
49,6 |
32,6 |
8,3 |
|
21 |
37,5 |
39,5 |
118 |
16,96 |
297 |
10 |
49,9 |
31,1 |
9 |
|
22 |
43,5 |
46,6 |
135 |
21,52 |
284 |
10,4 |
48,7 |
31,4 |
9,5 |
|
23 |
45 |
34 |
128 |
20,05 |
282 |
9,1 |
50,7 |
31,5 |
8,7 |
|
24 |
28,5 |
43,5 |
100 |
13,68 |
283 |
11 |
50,3 |
30,3 |
8,4 |
|
25 |
47 |
42,5 |
131 |
17,77 |
256 |
9,2 |
45,2 |
33,8 |
11,8 |
|
26 |
46 |
38,5 |
140 |
16,43 |
289 |
10,2 |
51 |
30,3 |
8,5 |
|
27 |
34,5 |
37 |
125 |
15,77 |
238 |
7,8 |
46 |
34,7 |
11,5 |
|
28 |
48,5 |
40 |
98 |
14,07 |
342 |
12 |
51,1 |
29 |
7,9 |
|
29 |
39 |
38,5 |
110 |
18,58 |
277 |
9,7 |
49,4 |
31,4 |
9,5 |
|
30 |
45 |
42,5 |
130 |
10,96 |
263 |
9,9 |
54,6 |
29,5 |
6 |
|
Среднее значение |
41,3 |
41,3 |
128,2 |
16,5 |
299,2 |
10,3 |
50 |
30,6 |
9 |
|
стандартное отклонение |
5,24 |
5,31 |
15,6 |
3,7 |
42,8 |
1,34 |
2,89 |
2,15 |
1,82 |
Таблица 2
Коэффициенты парной корреляционной зависимости
|
Выходной параметр |
Переменные факторы* |
|||||||
|
П1 |
П2 |
П3 |
П4 |
П5 |
П6 |
П7 |
||
|
Коэффициент корреляции |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В1 |
Текучесть после мельницы |
0,05 |
0,31 |
0,01 |
0,05 |
0,03 |
-0,04 |
-0,03 |
|
В2 |
Текучесть при температуре 25 °С |
-0,36 |
0,33 |
0,08 |
-0,09 |
-0,09 |
0,2 |
-0,04 |
|
Коэффициент детерминации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В1 |
Текучесть после мельницы |
0,0025 |
0,096 |
0,0001 |
0,0025 |
0,0009 |
0,0016 |
0,0009 |
|
В2 |
Текучесть при температуре 25 °С |
0,13 |
0,11 |
0,0064 |
0,0081 |
0,0081 |
0,04 |
0,0016 |
*-обозначение переменных факторов в табл. 1
Результаты корреляционного анализа показали, что коэффициенты линейной корреляции двух переменных менялись от -0,04 (фактор П6) до 0,31 (факторП2) для выходной переменной В1 и от -0,36 (фактор П1) до 0,33 (фактор П2) для переменной В2. То есть, все коэффициенты корреляции показывают слабую зависимость по шкале Чеддока между переменными В1, В2 и факторами (Пi). Таким образом, было выявлено, что ни один из переменных параметров не оказывает существенного влияния на текучесть цементного порошка, как при высоких температурах при выходе из мельницы, так и при комнатной температуре.
Для установления одновременной взаимосвязи между выходным параметром В2 (текучесть при температуре 25 °С) и несколькими независимыми переменными (Пi) использовали регрессионный анализ линейной корреляции Пирсона [14-15]. Результаты регрессионного анализа показали, что все коэффициенты в уравнении регрессии имеют очень низкие значения, то есть практически каждый переменный фактор имеет незначительное влияние на выходной параметр.
Оценка адекватности расчетной модели зависимости текучести от всех выбранных переменных по критерию Фишера также подтвердила незначимость статистических моделей: во всех рассматриваемых сочетаниях переменных факторов соблюдалось неравенство Fрасч<Fтабл.
Таким образом, выявить зависимость между текучестью цемента и всеми выбранными переменными параметрами не удалось. Это свидетельствует о том, что на текучесть цемента оказывают влияние другие случайные параметры, не учтенные в данном эксперименте.
Несмотря на то, что структурно-реологические свойства цементного порошка, в частности его текучесть, играют большую роль для обеспечения бесперебойного выполнения ряда технологических операций при его производстве и отгрузке потребителю, возможности регулирования и прогнозирования этих свойств, в том числе за счет применения интенсификаторов помола, пока изучены недостаточно.
Результаты корреляционно-регрессионного анализа текучести цемента с интенсификатором помола показывают, что текучесть цемента имеет слабую корреляционную зависимость от исследованных переменных, таких как температура цемента после мельницы, содержание шлака и тонкости помола. Очевидно, что на текучесть, кроме указанных переменных, оказывает воздействие более сильный фактор, который пока не удается определить количественно. К такому фактору следует отнести статические заряды, появляющиеся на поверхности частиц в процессе помола.
*Статья подготовлена в рамках Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Урьев Н.Б., Потанин А.А., Текучесть суспензий и порошков. М.: Химия, 1992, 256 с.
2. Prescott, J.K., R.A. Barnum, 2000. On-PowderFlowability. Pharm. Techonology, Oct: 60–84.
3. Флейшер, А.Ю. Оценка эффективности активаторов помола на физико-механические характеристики цемента. Сб. тр. Междунар. конф. CemEnergy: 2013. С. 61–65.
4. Fitzpatrick, J.J., Barringer S.A., Iqbal T. Flow property measurement of food powder sand sensitivity of Jenike's hopper design meth-odology to the measured values // Food Engi-neering. 2004. Vol. 61. Pp. 399–405.
5. Fitzpatrick J.J., Ahrne L. Food powder handling and processing: Industry problems, khowledge barriers and research opportunities // Chem. EngineeringProc. 2005. Vol. 44(2). Pp. 209–214.
6. Marinelli J., Carson J.W., Solve solids flow problems in bins, hoppers and feeders // Chem. EngineeringProc. 1992. Vol. 88(5). Pp. 22–28.
7. Андрианов Е.И. Методы определения структурно-механических характеристик порошкообразных материалов. М.: Металлургия, 1982, 256 с.
8. Некрасова К.В., Разва А.С., Зыков Е.Г., Василевский М. В. Определение связности сыпучих материалов. Материалы тринадцатой Всеросс. науч.-техн. конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность", Томск: Изд-во ТПУ, 2007. С. 234–238.
9. Зозуля П.В., Никифоров Ю.В., Проектирование цементных заводов. СПб: Синтез, 1995, 445 с.
10. Дубина Э., Планк Й. Влияние вызванного воздействием влажности и СО2 старения цемента на эффективность действия добавок // Цемент, известь, гипс. 2014. №1. С. 34–39.
11. Sprung C. Effect of storage condi-tions on the properties of cement. ZKGINTER-NATIONAL, 1978. Vol. 6. Pp. 305–309.
12. ASTM CStandard Test Method for Determination of Pack-Set Index of PortlandCe-ment, of 2004 #1565-04.
13. Денисова Ю.В., Черноситова Е.С Статистический анализ качества песка при геологической разведке нового месторождения // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2012. №3. С. 37-40.
14. Шаповалов Н.А., Полуэктова В.А. Наномодификатор для цементных смесей и бетона // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2015. № 5. С. 72–76.
15. Shapovalov, N.A., J.V. Denisova and V.A. Poluektova, 2016. Biocidal research of oxyphenolic modifiers for fungicidal properties // International Journal of Pharmacy & Technol-ogy. 2016. Vol. 8. № 4. Pp. 24976–24986.
