сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
студент
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
Усовершенствование технологий возведения зданий и сооружений привело к ускорению темпов строительства, что естественно вызвало рост потребительского спроса на портландцементы. Зачастую строящиеся сооружения имеют очень сложную архитектуру, по-этому возникает необходимость в использовании цемента, который быстро взаимодействует с водой, и в течение всего времени твердения равномерно набирает прочность. Для получения подобных цементов, необходимо, чтобы они имели строго определенный гранулометрический состав. Авторами данной работы вначале было проведено исследование по изучению воздействия на гранулометрический состав портландцементного клинкера разных ассортиментов мелющих тел, а затем повторили эксперименты, но уже с вводом интен-сификатора помола. В ходе проведения исследований было установлено изменение в продукте измельчения содержания основных фракций при использовании разных ассортиментов мелющей загрузки. Ввод интенсификатора помола не во всех опытах приводил к заметным изменениям в гранулометрическом составе.
измельчение клинкера, интенсификатор помола, ассортимент мелющих тел, плотная шаро-вая упаковка, гранулометрический состав
Качество, получаемого портландцементного клинкера заключается не только в величине тонкости помола, определяемой по величине удельной поверхности и полным остаткам на стандартных ситах № 02 и № 008, а еще и гранулометрическим составом [1].
Фракционный состав сильно влияет на активность цемента, т.к. скорость гидратации его частиц зависит от их размера, чем она меньше, тем быстрее гидратирует, а, следовательно, с большей скоростью нарастает прочность цементного камня. Но при чрезмерно большом содержании мелкой фракции в продукте помола, цементное тесто обладает повышенной водопотребностью, что в дальнейшем приведет к спаду прочности цементного камня [2]. В результате необходимо стремиться к тому, чтобы в измельченном клинкере в оптимальной количестве содержались бы частицы разного размера.
Некоторые авторы указывают разный диапазон размера частиц для мелкой, средней и крупной фракции, а также оптимальное их количество и время необходимое для полной гидратации данной фракции. Так, например, Классен В. К. [3] указывает, что фракция размером 0–3 мкм полностью гидратирует в первые сутки твердения, 3– 30 мкм – в течение 28 суток, фракция более 60 мкм гидратирует лишь после 28 сут. Иван-Городов А.Н. [4] считает, что для обеспечения равномерного твердения цементного камня в естественных условиях и получения высокой механической прочности в ранние сроки твердения, необходимо, чтобы измельченный клинкер имел следующий зерновой состав: 0 – 5 мкм не более 20 %; 5–20 мкм – 40–45 %; 20–40 мкм – 25–
20 %; больше 40 мкм – 15–20 %.
Отсюда видно, что варьируя гранулометрический состав клинкера можно получать цементы различных марок [3]. Так для получения рядовых цементов содержание частиц размером 3–30 мкм должно находится в интервале 40–50 %, а для получения высокопрочных – 55–65 % [3].
Для получения материала с узким фракционным составом нужно увеличить энергоэффективность процесса измельчения в шаровой мельнице. Этого можно достичь, используя разработанную профессором БГТУ им. В.Г. Шухова Барбанягрэ В.Д., плотную шаровую упаковку (ПШУ) [5], а также экспериментально определенным ассортиментом мелющих тел и интенсификатором помола.
Целью данной работы было исследование влияния на гранулометрический состав портландцементного клинкера разного ассортимента мелющих тел. Изучить совместное влияние на фракционный состав клинкера мелющих тел разного ассортимента и интенсификатора помола «Литопласт 4И» компании ООО «Полипласт Новомосковск».
В работе использовались мелющие загрузки со следующим ассортиментом шаров:
1) Ø60/Ø17=1:2 с массой шаров 55 кг, коэффициентом загрузки 0,2 и энерговооруженностью 13,75;
2) Плотная шаровая упаковка (ПШУ) Ø40/Ø17=2:1 с массой мелющих тел 80 кг, коэффициентом загрузки 0,3 и энерговооруженностью 20;
3) Стандартная загрузка Ø74/Ø54/Ø40/Ø17=1,3:0,4:2,2:1,0 масса загрузки 55 кг, φ=0,2, энерговооруженность 13,75.
Клинкер фракции 10 – 0 мм завода «Осколцемент» измельчался в двухкамерной мельнице ГИРОЦЕМента 0,5×0,28 м без добавления гипса. Количество размалываемого материала в мельнице во всех опытах составляло 4 кг. Весь процесс помола проходил в одной камере, поэтому в мельницу, сначала загружалась загрузка, соответствующая первой камере: Ø74/Ø54=2:1 с массой мелющих шаров 55 кг и φ = 0,2, затем после помола на этой загрузке, последняя извлекалась и загружалась исследуемая: Ø60/Ø17 или Ø40/Ø17. Общее время помола составляло 35 мин.
Стандартная загрузка отличается от вышеуказанных тем, что при ее использовании клинкер измельчается в одной камере в течение 35 мин.
Использование мелющей загрузки с ассортиментом шаров Ø60/Ø17 приводит к результатам, указанным в табл. 2. В табл. 1 приведены дисперсные характеристики продукта измельчения.
Талица 1
Дисперсные характеристики клинкера после 35 мин измельчения
|
Ассортимент загрузки |
Удельная поверхность, м2/кг |
Полный остаток на сите № 02,% |
Полный остаток на сите № 008,% |
|
Ø60/Ø17 (образец №1) |
419,7 |
- |
1,34 |
|
Ø40/Ø17 (образец №2) |
411,3 |
0,96 |
3,94 |
|
Ø74/Ø54/Ø40/Ø17 (образец №3) |
329,4 |
0,5 |
7,1 |
Талица 2
Гранулометрический состав клинкера после 35 мин измельчения
|
Ассортимент загрузки |
Содержание фр. 0 – 5 мкм, % |
Содержание фр. 5 – 30 мкм, % |
Содержание фр. |
|
|
Ø60/Ø17 |
14,65 |
74,15 |
11,20 |
5,1 |
|
Ø40/Ø17 |
14,73 |
69,59 |
15,68 |
4,7 |
|
Ø74/Ø54/Ø40/Ø17 |
15,09 |
68,92 |
15,99 |
4,6 |
Из табл. 2 видно, что содержание фракции
0–5 мкм у всех трех образцов одинаковое и составляет 14,8 %, образец №1 обладает большим количеством частиц размером 5–30 мкм
(74,15 %) и меньшим количеством частиц, имеющих размер более 30 мкм (11,2 %) по сравнению с другими образцами. У клинкеров, измельченных в присутствии стандартной и мелющей загрузки Ø40/Ø17, наблюдается одинаковое количество частиц 5–30 мкм (69 %) и с размером больше 30 мкм (15 %).
На рис.1. в одних координатах представлены интегральные кривые трех образцов. Из рисунка видно, что широким диапазоном размеров частиц обладает образец №3. Образцы №1 и №2 имеют почти одинаковый угол наклона кривой, поэтому у них равной ширины диапазон размера частиц.
Рис. 1. Интегральные гранулометрические кривые образцов №1, №2, и №3
Исходя из полученных данных на этом этапе исследований, можно сказать, что применение мелющей загрузки с ассортиментом шаров Ø60/Ø17 и Ø40/Ø17 в мельнице открытого типа наиболее рационально, т. к. оба ассортимента позволяют получать клинкер более однородного гранулометрического состава, с малым полным остатком на стандартном сите № 008. Применение ПШУ Ø40/Ø17 приводит к небольшому росту R008 по сравнению с загрузкой Ø60/Ø17 примерно на 3 % и появлению около 1 % полного остатка на контрольном сите № 02.
Использование стандартной загрузки приводит к существенному росту R008 и снижению удельной поверхности, т. е. наблюдается загрубление тонкости помола материала и увеличение его полидисперсности.
Затем перешли к изучению совместного влияния на фракционный состав клинкера интенсификатора помола и вышеисследованных ассортиментов мелющих тел. В следующих экспериментах участвовали: ПШУ Ø40/Ø17 и стандартная загрузка. К ассортименту Ø60/Ø17 добавка не вводилась, т.к. ее применение без интенсификатора помола позволяет получать материал с очень небольшим полным остатком на сите № 008.
Добавка вводилась в количестве 0,1 % (по масс.) во вторую камеру мельницы. Только при исследовании стандартной загрузки добавку вводили через 10 мин помола. Полученные результаты представлены в табл. 3 и 4, а на рис. 2. показан гранулометрический состав исследованных образцов.
Талица 3
Дисперсные характеристики клинкера после 35 мин измельчения в совокупности с добавкой
|
Ассортимент загрузки |
Удельная поверхность, м2/кг |
Полный остаток на сите № 02,% |
Полный остаток на сите № 008,% |
|
Ø40/Ø17 (образец №4) |
394,1 |
0,3 |
2,4 |
|
Ø74/Ø54/Ø40/Ø17 (образец №5) |
377,3 |
- |
1,4 |
Из табл. 3 видно, что ввод добавки привел к заметному снижению R02; R008 у образцов №4 и №5 на 39 % и 80 % соответственно. В случае ПШУ Ø40/Ø17 добавка привела к некоторому снижению удельной поверхности клинкера, а в случае стандартной загрузки наоборот привела к увеличению на 12 % данного параметра.
Талица 4
Гранулометрический состав клинкера после 35 мин измельчения в совокупности с добавкой
|
Ассортимент загрузки |
Содержание фр. 0 – 5 мкм, % |
Содержание фр. 5 – 30 мкм, % |
Содержание фр. |
|
|
Ø40/Ø17 |
14,24 |
77,47 |
8,29 |
5,4 |
|
Ø74/Ø54/Ø40/Ø17 |
11,05 |
73,47 |
15,48 |
6,6 |
Рис. 2. Интегральные гранулометрические кривые образцов №4 и №5
Образцы №4 и №5 сильно отличаются по содержанию частиц, имеющих размер больше 30 мкм (табл. 4). Так содержание их у клинкера, измельченного в присутствии плотной шаровой загрузки Ø40/Ø17 на 46% меньше, чем у клинкера, измельченного при использовании стандартной загрузки. В то же время эти образцы почти не отличаются по содержанию фракций 0–5 мкм и 5–30 мкм (различие оставляет 3–4 %). Гранулометрический состав исследованных образцов показан на рис. 2.
На рис. 3. представлены гранулометрические кривые всех образцов, исследованных в данной работе. Видно, что ввод 0,1 % интенсификатора помола к клинкеру, измельчаемому в мельнице со стандартной загрузкой, приводит к заметному сокращению диапазона размера частиц, тем самым приближая его к диапазону размера частиц клинкера, измельченного в присутствии как ассортимента Ø60/Ø17, так и ПШУ Ø40/Ø17.
Рис. 3. Сравнение всех интегральных кривых, полученных в ходе проведения исследований
Исходя из вышесказанного следует, что в отсутствии интенсификатора помола действие ассортимента мелющих тел Ø60/Ø17 на фракционный состав клинкера почти равноценно действию ПШУ Ø40/Ø17 (рис. 3), хотя применение последней приводит к увеличению содержания частиц в измельченном клинкере размером более 30 мкм на 4,5 % и снижению количества фракции 5–30 мкм на 4,5 %, по сравнению с ассортиментом Ø60/Ø17. Но в обоих случаях материал на выходе из мельницы имеет узкий гранулометрический интервал. Использование стандартной загрузки приводит к образованию полидисперсного продукта измельчения, это обусловлено небольшим содержанием в загрузке мелких шаров.
Совместное действие ПШУ Ø40/Ø17 и интенсификатора помола (0,1 % по масс.) привело к росту содержания фракции 5–30 мкм на 8 %, снижению количества частиц, имеющих размер больше 30 мкм на 7 %, но не вызвало изменений в содержании фр. 0–5 мкм. Ввод добавки к материалу, измельчаемому при использовании стандартной загрузки, привел к заметному сокращению ширины фракционного состава, хотя при этом наблюдаются незначительные изменения в гранулометрическом составе клинкера, по сравнению с измельченным клинкером без ввода добавки. Содержание частиц размером 0–5 мкм и 5–30 мкм уменьшилось на 4 % и 4,5 % соответственно, а наличие интенсификатора помола не сказалось на количестве частиц размером больше 30 мкм.
Для получения клинкера с более узким фракционным составом можно использовать ассортимент шаров Ø60/Ø17 и плотную шаровую упаковку Ø40/Ø17 без использования добавки. При работе мельницы на стандартной загрузке необходим ввод интенсификатора помола.
1. Дуда В. Цемент. М.: Стройиздат. 1981. 484 с.
2. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих материалов. М.: Высшая школа. 1980. 472 с.
3. Классен В.К. Технология и оптимизация производства цемента. Белгород. Изд-во БГТУ. 2012. 308 с.
4. Крыхтин Г.С., Кузнецов Л.Н. Интенсификация работы мельниц. Новосибирск. Изд-во ВО «Наука». 1993. 240 с.
5. Барбанягрэ В.Д., Матвеев А.Ф., Смаль Д.В., Москвичев Д.С. Интенсификация тонкого измельчения материалов в шаровых трубных мельницах // Научно-техническая конференция РФФИ: Сб. докл. регион. конф. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. С. 20–27.
