ТРИБОКИНЕТИКА – 3050Мельница
Рассмотренная технологическая схема помола материалов в замкнутом цикле, хотя и обеспечивает возможность активации портландцемента, себестоимость повышения его активности все равно остается достаточно высокой. Однако это единственный энергопродуктивный способ увеличить активность портландцемента методом повышения его дисперсности. Высокая стоимость подобных работ объясняется, прежде всего, тем, что тонкий помол цементного клинкера является наиболее энергоемким процессом, а увеличение дисперсности цементного порошка не возможно без серьезных затрат энергии. Именно на помол клинкера приходиться до 70 % энергозатрат при производстве цемента.
Вторая причина высокой себестоимости помола портландцемента является низкая эффективность помольного оборудования, реализующего модель разрушения методом двухстороннего нагружения (деформация сжатия). Шаровые мельницы, являясь наиболее яркими представителями помольного оборудования раздавливающе-истирающего действия, при работе с высокодисперсными материалами характеризуются низкой эффективностью, и КПД их составляет в лучшем случае несколько процентов.
Таким образом, для того чтобы кардинально уменьшить себестоимость активации портландцемента, необходимо прежде всего снизить затраты энергии на разрушение цементного зерна. При этом нужно признать, что большое уменьшение затрат энергии могут дать лишь те способы, при которых материалы имеющие прочность на сжатие большую нежели прочность на растяжение, измельчались бы под влиянием прямых разрывающих воздействий на них, а не в результате первоначальных сжимающих сил. Иными словами в работах по активации портландцемента выполняемых на местах его использования, когда объемы перерабатываемого материала относительно невелики (по меркам цементных заводов) экономически целесообразным являются метод ударного разрушения или как его еще называют дезинтеграторный метод.
Так же для снижения себестоимости активации портландцемента, помимо использования более рациональной модели разрушения цементного зерна, необходимо попытаться сократить объемы частиц, подлежащих измельчению. Соответственно, при сокращении количества объектов разрушения, затраты энергии также снижаются, а вместе с ней и уменьшается себестоимость активации.
Как уже говорилось раньше, при прочих равных условиях, чем выше дисперсность получаемого продукта, тем больше энергии необходимо затратить для ее достижения. Другими словами, чем меньше размер частицы, тем больше энергии требуется для ее разрушения, и наоборот, чем крупнее частица, тем меньше энергии требуется для ее разрушения.
В целом сам процесс тонкого помола является весьма энергоемким, и требует повышенных энергетических затрат по сравнению с более грубым измельчением. К тому же, тонкий помол подразумевает повышение интенсивности энергетического воздействия на обрабатываемый материал, что всегда сопряжено с безвозвратной потерей металла из-за износа помольных органов, который тем выше, чем тоньше частицы обрабатываемого материала (при прочих равных условиях). Тончайшие частицы материала препятствуют эффективному разрушению более крупных зерен, снижая производительность помольного оборудования и увеличивая его энергопотребление. Поэтому своевременное удаление из зоны помола частиц, достигших требуемой тонины, обеспечивает повышение эффективности измельчения. В этом случае значительно меньше частиц материала будет подвергаться безрезультатному нагружению, что обеспечивает снижение энергозатрат на трение частиц между собой и исключает их переизмельчение.
Исследования показывают, что эффективность, помола цементного клинкера, оцениваемая по оптимальному гранулометрическому составу порошка и минимальному удельному расходу электроэнергии, тем выше, чем быстрее и полнее выделяются из материала наиболее тонкие фракции, затрудняющие процесс измельчения. Именно на своевременном удалении частиц требуемого размера и основана технология с использованием замкнутого цикла помола клинкера, обеспечивающая получение высокодисперсного быстротвердеющего портландцемента, удельная поверхность которого составляет 3500-4500 см2/г и выше.
Однако далеко не вся масса цементного порошка нуждается в дополнительном измельчении при его активации, поэтому разделение исходного продукта по размеру частиц является действенным способом снижения себестоимости активации. Именно поэтому работы, связанные с повышением вяжущих свойств цемента заводского изготовления, необходимо рассматривать как комплекс мероприятий, направленных на увеличение дисперсности цементного порошка за счет корректировки его гранулометрического состава.
Известно, что цементный порошок весьма неоднороден по своему гранулометрическому составу, более того степенью неоднородности во многом определяются его физико-технические свойства, в частности равномерность твердения, прочность на разных сроках твердения и т.д. Разные фракции цементного порошка оказывают влияние на прочность цемента, изменяют его водопотребность, пластичность цементного теста, и, наконец, скорость твердения. В связи с этим ряд исследователей рекомендует характеризовать активность цемента не только по удельной поверхности порошка, но и по зерновому составу. Так, А. Н. Иванов-Городов полагает, что равномерное и быстрое твердение цемента достигается при следующих зерновых составах:
зерен мельче 5 мкм — не более 20 %, зерен размерами 5-20 мкм — около 40-45 %, зерен размерами 20-40 мкм — 20-25 %, а зерен крупнее 40 мкм — 15-20 %.
Многочисленные исследования, проводившиеся как в нашей стране, так и за рубежом, позволили выявить следующую зависимость между количеством зерен определенного размера и скоростью твердения портландцемента. Так, частицы размерами 0-5 мкм оказывают решающее влияние на рост прочности цементного камня в первые часы твердения. Именно от частиц этого размера напрямую зависят сроки начального схватывания портландцемента. Частицы размером 5-10 мкм влияют на прочность цементного камня в 3-7 суточном возрасте, а фракция 10-20 мкм определяет прочность в 28 суточном и более позднем возрасте. Установлено, что, измельчая один и тот же клинкер и соответственно изменяя долю частиц размером 5-20 мкм в общей массе цементного порошка, можно получать портландцемент марок 600, 700 и 700 БТЦ (аббревиатура БТЦ расшифровывается как - быстро твердеющий цемент).
Таким образом, для повышения активности портландцемента, либо обеспечения возможности регулирования прочности бетонных изделий в разные сроки твердения, достаточно увеличить долю частиц определенного размера в общей массе цементного порошка. Увеличение процентного содержания частиц нужных размеров естественно происходит за счет дополнительного измельчения крупных цементных зерен, которые в достаточном количестве присутствуют даже в высокомарочном цементе, не говоря уже о материале среднего качества. Естественно, помол относительно крупных цементных зерен, требует меньших затрат энергии, поэтому его себестоимость, относительно помола тонких частиц, невелика.
Для того чтобы реализовать технологию выборочного или иначе селективного измельчения в работах по активации портландцемента, необходимо провести первичную классификацию материала, для выделения «балластной» фракции, состоящей из частиц требуемых размеров, дополнительное измельчение которых не целесообразно.
Термин «первичная» классификация вводится специально, чтобы отразить суть метода селективного измельчения. Если в производстве портландцемента используется технологическая схема замкнутого цикла измельчения, когда в процессе помола клинкера, частицы требуемого размера извлекаются уже после первичного помола, в этом случае имеет место классификация «вторичная», так как классифицирующий агрегат работает с материалом, прошедшим стадию первичного измельчения. Предлагаемый метод использования «первичной» классификации при активации портландцемента, заключается в том, что классифицирующий агрегат устанавливается перед помольной установкой, что позволяет провести первичное разделение поступающего на помол материала, а значит выделить цементные зерна нужного размера, исключив их нагружение в помольном агрегате. Частицы, прошедшие классификацию, отправляются в приемный бункер тонкого продукта, частицы не прошедшие классификацию отправляются на помол.
Таким образом «первичная» классификация портландцемента позволяет выделить из основной массы цементного порошка от 30 до 60 % частиц, дальнейшее измельчение которых не только экономически нецелесообразно, но и вредно по причине их переизмельчения ! Удаление «балластной» фракции из основной массы активируемого цемента позволяет снизить требования к размольной мощности агрегатов измельчения и использовать измельчительное оборудование, производительность которых по помолу ниже, чем общая производительности технологической линии активации портландцемента, что было совершенно не возможно при старых схемах активации.
Однако, сама по себе «первичная» классификация, хотя и позволяет в значительной степени уменьшить нагрузку на помольный агрегат, как в части снижения объемов перерабатываемого материала, так и в части требований к дисперсности получаемого продукта, это еще не сам метод селективной дезинтеграторной активации портландцемента, а только его составляющая.
В принципе для дополнительного помола выделенной фракции можно использовать помольные агрегаты различной конструкции, в том числе и мельницы барабанные шаровые и мельницы вибрационные, но эффект активации портландцемента в этом случае будет не полным, применение агрегатов измельчения ударного действия будет в любом случае предпочтительным. Причина этого заключается в том, что шаровая мельница, является помольным агрегатом, характеризуемым крайне низкой избирательностью измельчения.
Для продукта измельчаемого методом раздавливания- истирания (модель разрушения - деформация сжатия) свойственен весьма разнообразный гранулометрический состав, который представлен мелкими (переизмельченными), частицами (<5мкм), частицами основной «товарной» фракции (5-40мкм) и крупными частицами, размер которых в десятки раз превышает размер частиц «товарной» фракции. При этом процентное отношение частиц каждой фракции изменяется в зависимости от вида мельницы, применения открытого или замкнутого цикла измельчения, размера мелющих тел, а также от формы бронеплит в шаровых мельницах, соотношения между длиной и диаметром мельниц, степени заполнения камер мелющими телами и целого ряда других факторов.
В случае, когда шаровая мельница используется для активации портландцемента, независимо от гранулометрического состава исходного материала, конечный продукт будет представлен тремя основными фракциями, которые будут состоять из переизмельченных частиц, средней фракции и крупных частиц.
При увеличении интенсивности воздействия мелющих тел на обрабатываемый материал, содержание переизмельченных частиц в порошке будет достаточно быстро увеличиваться, при этом, переход крупной фракции в среднюю будет происходить более медленно. Отсюда можно сделать вывод, что при дополнительном помоле высокодисперсных порошков на шаровой мельнице, «товарная» фракция, представленная частицами среднего диапазона размеров в результате переизмельчения переходит в мелкую фракцию, содержащую тонкие частицы, в то время как процентное содержание в порошке частиц крупной фракции в процессе помола изменяется достаточно медленно.
Низкая избирательность измельчения, которая в целом характерна для шаровых мельниц, не зависимо от способа побуждения мелющих тел (мельницы барабанные, вибрационные, планетарные, эллиптические - центробежные), усугубляется отсутствием возможности регулирования гранулометрического состава получаемого продукта в плане уменьшения размеров частиц средней, наиболее важной фракции цементного порошка. Так как, истирающий помол — это, прежде всего крайне разнообразный зерновой состав, процентное отношение основных фракций в готовом продукте не зависит от дисперсности исходного материала. При попытках уменьшить размер частиц средней фракции скажем с 40 до 20 мкм (не увеличить показатели удельной поверхности, а именно уменьшить средний размер частиц), в результате неизбирательного раздавливающе - истирающего помола, попутно измельчается весь размерный ряд цементных зерен. Верхняя часть средней фракции переходит в тонкий переизмельченный класс цементных частиц, а измельчаемые крупные зерна не успевают компенсировать потерю средней фракции. В результате на фоне увеличения удельной поверхности цементного порошка фиксируется сокращение доли частиц наиболее важных размеров 10- 20 мкм. И чем интенсивней истирающее воздействие, тем больше показатели удельной поверхности цементного порошка, а вместе с этим и больше тонких частиц, и тем меньше частиц средней фракции требуемого размера. Получается замкнутый круг, если интенсивность истирающего воздействия недостаточна, в цементном порошке не удается уменьшить процент частиц крупных, если напротив избыточна, происходит пополнение массы тонких частиц в основном за счет измельчения частиц средних.
Учитывая, что для равномерного твердения цементного камня помимо мелкой фракции (5-10 мкм), оказывающей определяющее влияние на рост прочности в начальные сроки твердения, также необходима и фракция средняя (10- 20 мкм), которая определяет прочность цемента в первые недели и месяцы набора прочности. Отсутствие возможности повлиять на гранулометрический состав цементного порошка при помоле на шаровой мельнице, практически не оставляет надежды на получение материала, повышение активности которого в начальные сроки твердения не оборачивалось бы снижением прочности и морозостойкости в последующем.
Неоднородность зернового состава порошка, полученного в результате измельчения методом истирания, также подтверждает и устоявшаяся практика определения удельной поверхности цементного порошка по остатку на сите № 008. Так, остаток 5-8% (по массе), характерен для цемента, измельчаемого на шаровой мельнице, удельная поверхность которого 2500-3000 см2/г. Даже быстротвердеющий высокомарочный цемент с удельной поверхностью 4500 см2/г обычно имеет 2-5% частиц размерами более 80 мкм.
Метод ударного измельчения цементного зерна, напротив характеризуется достаточно узкой гранулометрией, процентное содержание в порошке частиц средней фракции при измельчении материала методом свободного удара гораздо выше, нежели при других способах помола. Поэтому, основной прирост прочности цемента, активированного ударным методом, наблюдается не в первые часы твердения, а спустя 3-7 суток. Что объясняется, прежде всего, высокой избирательностью измельчения методом свободного удара.
При ударном, или как его еще называют дезинтеграторном измельчении цементного зерна, гранулометрия получаемого продукта в основном зависит непосредственно от скорости свободного удара. Так, для разрушения цементного зерна, в зависимости от его размера, необходима строго определенная энергетика ударного воздействия. Чем выше скорость помольного органа (для дезинтегратора, центробежно-ударной мельницы) или скорость самой разрушаемой частицы (для струйной мельницы), тем меньше размер частиц в готовом продукте. Учитывая высокую гранулометрическую однородность материала, полученного в результате ударного измельчения, можно сделать вывод о самом характере такого измельчения.
Если при истирающем помоле разрушающее воздействие помольных органов отражается на всем ассортименте размеров частиц, то при ударном измельчении разрушаются лишь те частицы, размер которых соответствовал интенсивности ударного воздействия. Или другими словами, при недостаточно мощном ударе, измельчаются только относительно крупные, малоактивные цементные зерна, не домолотые заводскими шаровыми мельницами. Если скорость удара будет увеличена, начнется разрушение «хвостов» средней фракции, если скорость удара еще повыситься начнется уменьшение размеров средней, а затем и верхней части «средней» фракции и так далее.
Многочисленные опыты показали, что у портландцемента, имеющего остаток на сите № 008 — 20%, в результате дезинтеграторного измельчения и как следствие выравнивания зернового состава средней части, частицы размерами более 80 мкм переходят в среднюю фракцию с размерами частиц менее 40 мкм. Иными словами, крупные неактивные цементные зерна в результате ударного измельчения, переходят в активную среднюю фракцию, оказывающую основное влияние на прочность цементного камня в первые дни, недели и месяцы его твердения.
Именно высокая избирательность дезинтеграторного измельчения обеспечивает возможность получения активированного портландцемента средних показателей удельной поверхности, но с полным отсутствием остатка на сите № 008, и чрезвычайно малым остатком на сите № 006.
Соотношение основных фракций цементного зерна после помола наглядно демонстрируют прилагаемые гистограммы, позволяющие определить процентное содержания частиц различных размеров в цементных порошках сопоставимой удельной поверхности, но полученных на разных помольных агрегатах.
Гистограмма 1 — Количество частиц данного размера порошка, дезинтеграторного измельчения (V max = 160 м/c )
| Размер частиц, мкм | Процентное содержание в порошке, % | Размер частиц, мкм | Процентное содержание в порошке, % |
|---|---|---|---|
| <= 1 мкм | 0.68 | <= 10 мкм | 24.43 |
| <= 2 мкм | 5.23 | <= 20 мкм | 55.08 |
| <= 3 мкм | 8.36 | <= 30 мкм | 82.58 |
| <= 4 мкм | 11.13 | <= 40 мкм | 94.01 |
| <= 5 мкм | 14.11 | <= 50 мкм | 98.71 |
Гистограмма 2 — Количество частиц данного размера порошка, измельченного на шаровой вибрационной мельнице
| Размер частиц, мкм | Процентное содержание в порошке, % | Размер частиц, мкм | Процентное содержание в порошке, % |
|---|---|---|---|
| <= 1 мкм | 1.75 | <= 10 мкм | 32.13 |
| <= 2 мкм | 9.31 | <= 20 мкм | 46.38 |
| <= 3 мкм | 15.06 | <= 30 мкм | 59.10 |
| <= 4 мкм | 22.58 | <= 40 мкм | 63.09 |
| <= 5 мкм | 28.37 | <= 50 мкм | 73.32 |
Как видно из представленных гистограмм, главное отличие порошков, полученных на разных помольных агрегатах, это процентное отношение основных фракций. Материал, помол которого производился на шаровой мельнице, характеризуется относительно большим количеством тонких частиц размерами менее 5мкм, и высоким содержанием крупных зерен размерами более 40 мкм.
При этом главной проблемой повышения содержания тонкой фракции в следствии переизмельчения цементного зерна, является даже не снижение производительности помольного оборудования и не повышение расхода энергии, затрачиваемой для бесцельного сверхтонкого помола. Тонкие частицы, размером менее 5 мкм, большое количество которых образуется при раздавливающе- истирающем измельчении, способны снизить прочность цементного камня. Именно из-за переизмельчения цементного зерна в ряде случаев активность портландцемента, в результате дополнительного помола, не только не увеличивается, а наоборот снижается.
Хорошо известно, что чрезмерное измельчение цементного зерна не всегда целесообразно, а при определенных условиях совершенно не допустимо, так как частички 1-3 и даже 5 мкм быстро гидратируются влагой воздуха уже при кратковременном хранении цементов на складах, что значительно снижает активность материала. В случае если активация портландцемента проводиться на местах его использования, что исключает его длительное хранение, переизмельчения цементного зерна также необходимо избегать, так как высокодисперсные частицы размерами менее 5 мкм при затворении цемента водой гидратируют настолько быстро, что практически не участвуют в последующем его твердении. В результате высокодисперсные частицы, на получение которых была затрачена львиная доля подведенной энергии, в твердеющем цементном камне играют роль мелкого заполнителя, так как их гидратация закончилась задолго до начала гидратации частиц более крупных. Именно поэтому, для того чтобы обеспечить равномерное и быстрое твердение цемента, содержание частиц размерами менее 5 мкм не должно превышать 20 %. В противном случае эстафета равномерного твердения при строго последовательной гидратации цементных зерен необходимых размеров, будет нарушена, что негативно скажется на прочности цементного камня, либо бетонного изделия.
Еще раз, возвращаясь к вопросу оптимального гранулометрического состава цементного порошка, хотелось бы отметить, что большинство разочарований практическими возможностями активации портландцемента, происходит тогда, когда основным способом увеличения его активности избирается метод повышения дисперсности. В случае если помольным агрегатом выступает вибрационная мельница, результаты такой активации очень легко прогнозируются. При интенсивном помоле цементного порошка с использованием мельницы раздавливающе-истирающего действия, его гранулометрический состав изменяется. Средняя фракция, представленная частицами 10-40 мкм, которая и определяет прочность цементного камня в первые недели и месяцы, в результате переизмельчения переходит в разряд частиц размером менее 5 мкм. При затворении полученного «активированного» цемента водой, сначала фиксируется небывалый рост прочности, которая обеспечивается за счет быстрой гидратации тонких частиц. Именно этот эффект часто принимается, а потом и выдается за активацию цемента. Вслед за лавинообразным набором прочности цементного камня наступает период стабилизации, а затем и снижение прочностных показателей. Перевод средней фракции цементного зерна в мелкую фракцию, попросту лишает начавшийся рост прочности цементного камня логического продолжения. За тонкими частицами практически сразу же начинаются более крупные цементные зерна, что не позволяет добиться равномерного набора прочности на протяжении всего срока твердения. Таким образом, средняя, наиболее полноценная фракция часто бывает принесена в жертву эффекта «псевдоактивации» портландцемента.
Итак, цементный порошок, получаемый в шаровых мельницах любого способа побуждения мелющих тел, характеризуется широким зерновым составом, при этом процентное содержание основных фракций цементного зерна не поддается оперативной регулировке. В то же время, при активации портландцемента совершенно необходимо получение материала узкой гранулометрии именно средней фракции (10-40 мкм), которая должна пополняться в результате измельчения крупных, малоактивных цементных зерен. В этой связи, только при использовании агрегатов измельчения ударного действия, таких как дезинтеграторы, центробежно-ударные мельницы и т.д., становиться возможным повышение активности цемента наиболее рациональным способом.
Липилин А.Б.
Коренюгина Н.В.
Векслер М.В.
Список литературы:
