Доменные шлаки

Железные руды наряду с оксидами железа содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемых в совокупности пустой породой. Некоторые из них (соединения фосфора и серы) вредно отражаются на качестве чугуна. Неорганические примеси есть и в топливе, загружаемом в домну для плавления руды. Поэтому в процессе доменного производства необходимо не только восстановить из оксидов железо, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.

Так как пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой, то для ее удаления в шихту вводят специальные добавки – плавни (флюсы), способные образовывать с ней легкоплавкие соединения. В качестве плавней применяют обычно карбонатные породы – известняк, доломит и т.п.

В процессе плавки карбонаты вступают в химическое взаимодействие с компонентами пустой породы и минеральной части топлива, причем образуются легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При 1400–1500 °С эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося вследствие меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи. При выплавке 1 т чугуна на коксе в среднем получается 0,5–0,7 т шлака.

Химический состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна.

Обычно в состав доменных шлаков входят оксиды CaO, Si02, А1203, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS, а иногда Ti02 и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие оксиды, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются CaO, Si02, A1203 и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90–95%.

По химическому составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема, частично глинозема и меньше оксида кальция.

Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Он замедляет начало схватывания и повышает прочность цементного камня в ранние сроки. Количество гипса в цементе нормируется по содержанию SO3. В обычных цементах оно должно быть не менее 1,0 и не более 3,5%, а в высокопрочных и быстротвердеющих – не менее 1,5 и не более 4,0%.

4. Способы производства портландцементов

В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: мокрый (помол и смешение сырья осуществляются в водной среде), сухой (материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде) и комбинированный.

Каждый из этих способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов, при их совместном помоле быстро достигается высокая однородность смеси, но расход топлива на обжиг сырьевой смеси при мокром способе в 1,5–2 раза больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастают размеры обычных вращающихся печей при обжиге в них мокрой сырьевой смеси, так как эти тепловые агрегаты в значительной мере выполняют функции испарителей воды.

Сухой способ, несмотря на его технико-экономические преимущества по сравнению с мокрым, длительное время ограниченно применялся вследствие пониженного качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике тонкого измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили возможность получения высококачественных портландцементов и по сухому способу. Это предопределило рост производства цемента по этому способу.

Сущность комбинированного способа заключается в том, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу, затем шлам обезвоживается на пресс-фильтрах, просушивается, гранулируется и направляется в печь, при этом влажность гранул 16–20%. Комбинированный способ по ряду данных почти на 20–30% снижает расход топлива по сравнению с мокрым способом, но при этом возрастают трудоемкость производства и расход электроэнергии.

При производстве портландцемента мокрым способом применяют следующую технологическую схему. Поступающий из карьера твердый известняк с размерами кусков до 1 м подвергается одно-, двух- или трехстадийному дроблению в дробилках с доведением кусков до 8–10 мм. Поступающую из карьера мягкую глину с размерами кусков до 500 мм измельчают в вальцовых дробилках до кусков размером 0–100 мм, а затем отмучивают в болтушках. Получаемый глиняный шлам с влажностью 60–70% подают в сырьевую мельницу, где он размалывается совместно с раздробленным известняком.

Полученный шлам, влажность которого находится в пределах 32–40%, центробежными насосами транспортируется в вертикальные шламовые бассейны, где он корректируется. Это необходимо для того, чтобы обеспечить постоянство заданного заводской лабораторией химического состава шлама. Откорректированный шлам поступает из вертикальных бассейнов в горизонтальные, где и хранится до подачи в печь для обжига. В вертикальных бассейнах шлам перемешивается сжатым воздухом, а в горизонтальных – механическим путем и сжатым воздухом. Перемешивание предотвращает возможность осаждения шлама и позволяет достичь полной его гомогенизации. При использовании сырьевых компонентов, имеющих постоянный химический состав, корректирование шлама производят не в вертикальных, а непосредственно в горизонтальных бассейнах большой емкости. Обжиг шлама на клинкер осуществляется во вращающихся печах. Они представляют собой стальной барабан, который состоит из обечаек, соединенных методом сварки или клепки, и имеет внутреннюю футеровку из огнеупорного материала. Профиль печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным с расширенными зонами. Расширение определенной зоны производят для увеличения продолжительности пребывания в ней обжигаемого материала.

Печь, установленная под углом 3…4 к горизонту, имеет частоту вращения 0,5…1,5 мин-1. Вращающиеся печи в основном работают по принципу противотока. Вращающуюся печь можно разделить на 5 рабочих зон:

Зона испарения – Сырье поступает в печь с верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливно-воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20…30 м длины печи. Горячие газы, перемещаясь со скоростью 2…13 м/с навстречу материалу, сначала подогревают его до 100 °С, а в конце он приобретает температуру 200°С. В начале шлам разжижается, затем комкуется. Печи оснащены цепными завесами засчет чего материал налипает на звенья, подсыхает и распадается на гранулы. Длительность пребывания материала в печи зависит от ее частоты вращения и угла наклона, составляя, например, в печи размером 5 * 185 м около 2 ч.

Зона подогрева – здесь материал нагревается до температуры 500°С-600°С. На этом этапе выгорают органические примеси и начинаются реакции. Происходит дегидратация глиняных минералов и образование оксидов алюминия, кремния и железа, начинается частичное разложение карбонатов с образованием СаО и МgО.

Зона кальценирования – здесь протекает реакция разложения карбоната Са при температуре 900°С -1200°С.

СаО® СаО+СО2­