ТРИБОКИНЕТИКА – 3050Мельница
перейти к первой части
перейти к второй части
Для эффективного измельчения цементного зерна дезинтеграторным методом, основное значение имеет энергетика свободного удара. Суммированная скорость помольных органов, либо самой разрушаемой частицы должна составлять не менее 200 м/с, что обеспечивает увеличение удельной поверхности цементного порошка на 30- 50% от его исходных показателей. При этом содержание частиц от 5 до 40 мкм в активированном цементном порошке может достигать 98 %, а содержание частиц менее 5 и крупнее 40 мкм, будет гораздо ниже по сравнению с цементом, измельчаемом на шаровой мельнице. Именно с низким содержанием тонких частиц связаны трудности в определении ожидаемой активности цемента, особенно при использовании классических методов контроля ориентированных, прежде всего, на работу с порошками, получаемыми на шаровых мельницах. Даже когда площадь новых поверхностей, приращенных в результате ударного измельчения, достаточно велика, показатели удельной поверхности, измеряемые по скорости прохождения через материал воздуха, изменяются не значительно. Хотя гранулометрический состав цементного порошка дезинтеграторного помола, меняется самым кардинальным образом.
При общем сохранении количества тонких частиц, изначально присутствующих в материале, средняя фракция, состоящая из частиц размерами 5-40 мкм, увеличивается с 30-50 до 60-90%, при этом частицы размерами более 60 мкм в дезинтегрированном цементном порошке практически полностью отсутствуют. И хотя, как говорилось выше, прирост удельной поверхности, фиксируемый приборами, определяющими воздухопроницаемость порошка невелик, практическая активность дезинтегрированного портландцемента гораздо выше, нежели активность портландцемента большей дисперсности, но активированного на шаровой мельнице.
Особенно это различие становиться заметным при определении прочности цементного камня через 7- 28 суток нормального твердения. Происходит это потому, что на показатели удельной поверхности материала, измельчаемого в шаровой мельнице, основное влияние оказывает содержание частиц размерами менее 5 мкм. Поэтому портландцемент, измельчаемый в шаровой мельнице даже при достаточно высоких показателях удельной поверхности, характеризуется большим остатком на сите № 006.
В работах по активации портландцемента очень важно повышать дисперсность цементного порошка путем селективного измельчения достаточно крупных, малоактивных частиц, а не за счет переизмельчения цементного зерна средней фракции. Дисперсность активируемого портландцемента должна увеличиваться благодаря повышению доли частиц размерами от 5 до 40 мкм. Только в этом случае удельная поверхность цементного порошка будет, в какой то мере характеризовать его предполагаемую активность. В случае, когда высокие показатели удельной поверхности достигнуты благодаря увеличению содержания частиц размерами менее 5 мкм, дисперсионный анализ цементного порошка не дает четкого представления о его активности.
Отказ от раздавливающего способа помола в пользу метода дезинтеграторного измельчения, помимо снижения расхода энергии, затрачиваемой непосредственно на разрушение цементного зерна, также позволяет повысить реологическую активность цементного зерна за счет изменения его формы.
Известно, что характер формы и шероховатость поверхности зерен имеют определяющее значение для реологии высокодисперсных систем, что особенно важно, когда речь идет о минеральных вяжущих веществах, в частности о цементе. При этом помимо физических свойств материала, на форму и шероховатость частиц основное влияние будет оказывать непосредственно сам способ их разрушения.
Так, при дроблении или помоле различных материалов ударным методом, полученный продукт характеризуется преимущественно кубовидной формой частиц. Эффект получения кубовидной формы частиц в результате ударного разрушения, давно используется в производстве строительных материалов, например, гранитного и известкового щебня. При этом наибольший интерес представляет щебень, представленный материалом преимущественно кубовидной формой, с содержанием зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы не более 15%. Такой высококачественный щебень используется в строительных конструкциях, при изготовлении бетонных и асфальтобетонных дорожных покрытий.
В результате дезинтеграторного измельчения, цементные частицы также приобретают осколочною или «щебеночную» форму с острыми углами и сильно развитой конфигурацией, которая способствует их более интенсивному взаимодействию с водой, что в свою очередь позволяет говорить о повышении физико-химической активности цементного зерна.
Для иллюстрации сказанного можно привести результаты опытов Б. В. Волконского, Л. Г. Судакаса, и др. по определению повышенной активности цементов, получаемых помолом клинкеров монадобластической микроструктуры. По их данным в этом случае цементные частички получаются «щебеночной» формы с острыми углами и сильно развитой конфигурацией, благоприятствующей интенсивному взаимодействию их с водой. Такая форма частичек, образующихся при измельчении клинкера монадобластической структуры, является следствием кристаллохимических особенностей исходного клинкера. При измельчении клинкера с гломеробластической структурой получаются округленные, галькообразные частички, что при прочих равных условиях (одинаковые химический состав и тонкость помола) обусловливают пониженную активность получаемого цемента (примерно на 10 МПа).
Исследования, проведенные Ю. И. Дешко, В. И. Акуновым, В. Л. Панкратовым и др., показали, что при измельчении клинкера в струйной мельнице получаются цементы, активность которых на 7,5—15 МПа выше активности цементов той же тонкости помола, но измельченных в шаровой мельнице. Кроме того, цементы струйного помола отличаются высокой скоростью твердения и, следовательно, переходят в разряд высокопрочных и быстротвердеющих. Особенно эффективно получение с помощью струйной мельницы шлакопортландцемента марок 500 и 600, что объясняется осколочной формой частичек с зазубренными острыми краями, благоприятствующей интенсивному их взаимодействию с водой.
Модель разрушения цементного зерна, реализуемая струйной мельницей и дезинтегратором практически идентична, это деформация сдвига или по-другому разрушение частиц в результате действия сжимающих сил с одной стороны.
Таким образом, сама возможность получения портландцемента, активность которого была увеличена не только в результате повышения дисперсности продукта, но и также благодаря самому способу разрушения цементного зерна, несомненно, является позитивным фактором, способным оказать влияние на баланс энергетических затрат и эффекта увеличения активности цемента.
Увеличение доли цементных зерен средней наиболее ценной фракции, как и возможность получения частиц осколочной формы, делает возможным кардинальное повышение вяжущих свойств портландцемента при минимально возможных затратах энергии и эксплуатационных расходов. Селективная «первичная» классификация позволяет удалить «балластную» фракцию из общей массы активируемого портландцемента, при этом граница разделения может изменяться в зависимости от задач активации. Граничная крупность разделения цементных зерен изменяется путем настройки параметров работы воздушного классификатора. Таким образом, становиться возможным уже на стадии активации корректировать основные характеристики портландцемента, такие как, сроки схватывания, пластичность цементного теста, прочность цементного камня и т.д., изменяя их в зависимости от требования конкретного производства.
Возможность изменения граничной крупности разделения цементного зерна в зависимости от его размеров, обеспечивает высокую маневренность при активации цемента низкого качества, и позволяют выпускать активированные цементы заданного гранулометрического состава и требуемой активности.
Теперь, когда отдельные составляющие селективной дезинтеграторной активации портландцемента рассмотрены, можно перейти к общему описанию предлагаемого метода (описание составлено по результатам лабораторных исследований).
Портландцемент низкой активности подается на воздушно-центробежный классификатор, где из общей массы материала извлекается «балластная» фракция, которая представлена частицами определенных размеров. Изменяя граничную крупность разделения частиц по их размеру, количество извлекаемых частиц может варьироваться. Обычно при «первичной» классификации извлекается фракция представленная частицами 0- 20 мкм. Если исходный цемент имеет показатели удельной поверхности около 2500-3000 см2/г и остаток на сите № 008 около 8-10%, то первично отделенная фракция обычно составляет около 30% от общей массы. При этом показатели удельной поверхности цементного порошка «первичной» классификации в среднем составляет 5000- 6000 см2/г.
Цементный порошок, не прошедший классификацию, представлен частицами размерами более 20 мкм и имеет удельную поверхность 1000-1500 см2/г. Из бункера грубой фракции материал подается в дезинтегратор, либо в агрегат измельчения ударного действия другого типа. Основное требование, предъявляемое к измельчительному оборудованию, используемому при помоле грубой фракции, это скорость соударения, которая не должна быть ниже 200 м/с.
В результате лабораторных опытов и натурных испытаний установлено, что при более низких скоростях происходит разрушение только достаточно крупных цементных зерен, для измельчения частиц менее 40 мкм, скорость соударения 200 м/с является минимально допустимой.
В результате дезинтеграторного измельчения, грубая фракция цементного порошка получает прирост удельной поверхности около 500-1000 см2/г, при этом остаток на сите № 008 обычно отсутствует полностью, а остаток на сите № 006 составляет от 1 до 3 %. Таким образом, цементный порошок не прошедший «первичную» классификацию после дезинтеграторного измельчения, характеризуется удельной поверхностью 1500-2500 см2/г и полным отсутствием частиц размерами более 80 мкм. Анализ гранулометрического состава, проведенный на лазерном анализаторе размера частиц, позволяет говорить о высокой гранулометрической однородности полученного порошка, 95 % которого представлены частицами, размером менее 40 мкм, а 65% - размером менее 20 мкм.
После измельчения, дезинтегрированный цементный порошок смешивается с выделенной «балластной» фракцией. Для равномерного смешивания полученных фракций, можно использовать центрифужный смеситель циклического действия, (данный тип смесителей обычно применяется в производстве сухих строительных смесей), либо смеситель непрерывного действия, оснащенный дозаторами и автоматизированной системой управления подачи компонентов.
Использование весовых дозаторов непрерывного действия с автоматическим управлением, обусловлено необходимостью, строго выдерживать соотношение по массе между «первично» выделенной фракцией и дезинтегрированной частью цементного порошка.
Смешивание цементных фракций, является заключительной технологической операцией метода селективной дезинтеграторной активации. На заключительной стадии производства активированного портландцемента, в процессе перемешивания возможно введение активных минеральных добавок, как природного происхождения, так и на основе технологических отходов производства. Таким образом, для предприятий строительной отрасли, занятых в производстве бетона, ЖБ изделий и конструкций, помимо возможности эффективного повышения активности портландцемента, также открываются широкие перспективы производства шлакопортландцемента, либо портландцемента с гидравлическими добавками.
В настоящее время имеется богатый опыт комплексного производства, как самого портландцемента, так и тонкомолотых минеральных добавок. При этом современная цементная промышленность во все увеличивающихся объемах использует добавки, как природного происхождения, так и искусственные, что лишний раз подчеркивает перспективность их внедрения и в работах по активации портландцемента.
В качестве природных активных добавок в производстве цемента, традиционно используются горные породы, например диатомит, трепел, опока, а также породы вулканического происхождения, например вулканический туф, пепел, пемза, трасс. Сырьем для активных минеральных добавок искусственного происхождения являются побочные продукты и отходы промышленности, такие как, быстроохлажденные гранулированные доменные шлаки, белитовый шлам (отход глиноземного производства), зола- унос (отход от сжигания твердого топлива) и т.д. Широта распространения и низкая стоимость техногенных отходов, потенциально пригодных для применения в качестве активной минеральной добавки, позволяет говорить не только об экономической составляющей их использования, но и рассматривать данную возможность как важный шаг на пути оздоровления экологической обстановки и хозяйского использования огромных запасов так называемых «отходов».
Возможность замещения части цементного клинкера более доступными материалами, помимо снижения стоимости вяжущих материалов, также делает возможным создание цементов со специальными свойствами на основе активированного портландцемента и побочных продуктов различных отраслей промышленности. Особый интерес в настоящее время представляет технология упрощенной схемы производства быстротвердеющего портландцемента (БТЦ) с минеральными добавками, который отличается от рядового портландцемента повышенной прочностью через 3 суток твердения. Еще один метод ускорения сроков схватывания и твердения гидравлических вяжущих веществ заключается во ведение добавок, являющихся центрами кристаллизации. Такой добавкой может являться измельченный гидратировавший цемент, отходы производства бетонных изделий и т.д.
Научно-технический прогресс — это непрерывный процесс получения новых знаний и применения их в производственной деятельности человека. Открытия и изобретения, новейшие методы организации и управления производством, основанные на ранее не известных возможностях соединений и комбинаций имеющихся ресурсов в интересах увеличения выпуска высококачественной продукции при наименьших затратах на ее производство. В настоящее время, экономическое состояние предприятий строительной отрасли во многом зависит от восприимчивости их руководства к последним достижениям техники и технологии, позволяющим обеспечить выпуск высококачественных, конкурентоспособных товаров, при максимально эффективном использовании материальных и природных ресурсов.
Практическое решение важнейшей задачи активации портландцемента, требует проведения целого ряда мероприятий. Прежде всего, речь идет о применении наиболее эффективных в технико-экономическом отношении способов повышения вяжущих свойств цемента, без негативных последствий для его эксплуатационных характеристик, таких как долговечность, морозостойкость, водопоглощение и т.д.
Однако, в настоящее время, производство высокомарочных быстротвердеющих цементов в нашей стране находиться в зачаточном состоянии. Помимо отсутствия, как самой концепции, так и отработанных методик, сложность работ по активации цемента заключается в том, что задействованное технологическое оборудование, работает в условиях интенсивного воздействия разрушающих факторов — высокой абразивности перерабатываемых материалов, огромных удельных нагрузок, высоких температур и запыленности. В этих условиях основной задачей является не только получение положительных результатов повышения вяжущих свойств цемента, но и обеспечение надежности работы каждого элемента технологической линии.
Вместе с тем, существующие технологические схемы, используемые в производстве цемента, в целом отвечают требованиям технической надежности оборудования, высокие энергетические и эксплуатационные затраты на активацию вяжущих материалов не компенсируются полученным экономическим эффектом.
Широко используемые для помола клинкера шаровые мельницы, характеризуются высокой материало- и энергоемкостью, а также низкой избирательностью разрушения цементного зерна, что не оставляет надежды на их использование в работах по активации цемента. В этой связи наибольший интерес представляют методы, обеспечивающие снижение энергозатрат, а значит и уменьшения себестоимости производства высокопрочных быстротвердеющих вяжущих материалов. Снижение энергозатрат при активации цемента, обеспечивается применением принципиально новых технологических схем, позволяющих уменьшить объемы измельчаемого материала в результате «первичного» селективного разделения и выборочного помола наиболее рациональным методом.
Замещение одного из наиболее энергоемких процессов производства (и активации) цемента - тонкого помола, менее напряженными технологическими операциями, такими как классификация, транспортирование, осаждение и пылеулавливание, позволило совершенно по новому взглянуть на перспективы оперативного повышения полезных свойств цемента на местах его непосредственного использования.
Метод селективной дезинтегаторной активации портландцемента (СДАП), защищен патентом и охраняется патентным законом Российской Федерации.
Липилин А.Б.
Коренюгина Н.В.
Векслер М.В.
Список литературы
