способ изготовления портландцемента из доломита

Формула изобретения

Способ изготовления портландцемента из доломита, включающий дробление доломита, подшихтовку глины, гомогенизацию полученной сырьевой смеси, ее обжиг до спекания и тонкое измельчение полученного клинкера с гипсовым камнем, отличающийся тем, что после дробления доломита осуществляют его обжиг при температуре 900-1100°С, гашение водой в известковую суспензию, разделение ее на тяжелые и легкие частицы путем отстаивания в течение 1-2 ч с отделением легких частиц - известкового молока, сгущение известкового молока в известковое тесто путем отстаивания в течение 20-24 ч, а подшихтовку глины осуществляют к полученному известковому тесту.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при производстве цементов, а также изделий на основе каустического магнезита.

Известен "мокрый" способ производства портландцемента (В.С.Колокольников и др. «Производство цемента», Высшая школа, М., 1974, стр.34), включающий операции дробления известняка и глины, совместный «мокрый» помол с получением сырьевого шлама влажностью примерно 40%, обжиг шлама во вращающейся печи, размол полученного клинкера с гипсовым камнем.

Известен "сухой" способ производства портландцемента (А.В.Волжанский и др. «Минеральные вяжущие вещества», Стройиздат, М., 1973, стр.198), включающий операции дробления известняка и глины с совместным «сухим» помолом и гомогенизацией сырьевой шихты, которая подвергается обжигу во вращающихся или шахтных печах до спекания с получением клинкера, который измельчается с гипсовым камнем.

Недостатком двух первых способов является использование в производстве цемента высококачественных известняков с максимальным количеством СаО при минимальном содержании примесей, в частности MgO, что существенно сужает сырьевую базу цементной промышленности, отрицательно отражается на себестоимости цемента.

Известен способ получения цементного клинкера на спекательной решетке (SU, 1625842 А1, С04В 7/36), включающий операции: совместного измельчения мела, суглинка, концентрата, обжига шихты на спекательной решетке с получением клинкера.

Недостаток способа в использовании малораспространенного карбоната - мела, что не позволяет широко внедрить известный способ.

Известен способ производства магнезиального портландцемента (Справочник по производству цемента, под редакцией И.И.Холина, Стройиздат, М., 1963, стр.39), включающий операции: дробления известесодержащего компонента, совместного помола известесодержащего компонента и глины, гомогенизации шлама, обжига сырьевой шихты до клинкера с последующим тонким измельчением клинкера с гипсовым камнем.

Достоинством способа является то, что в качестве известкового компонента применяются не кондиционные известняки, остро востребованные черной и цветной металлургией, а известково-магнезиальные породы, что существенно расширяет сырьевую базу производства портландцемента, повышает прочность портландцемента, снижает его себестоимость.

Недостатки: поскольку в известном магнезиальном портландцементе содержится до 10% MgO (норма для классического портландцемента до 5%), случаются явления неравномерного изменения объема цементного теста с замедленным нарастанием прочности, меньшей в сравнении с классическим портландцементом прочностью на растяжение. Поэтому области использования магнезиального портландцемента ограничены: нельзя применять его для подводных и санитарно-технических сооружений, для конструкций, работающих на растяжение. Бетоны на магнезиальном портландцементе нельзя пропаривать.

Последнее техническое решение принято в качестве прототипа.

Цель изобретения - расширение сырьевой базы для производства портландцемента с заменой кондиционного известняка на широко распространенные в природе доломиты с некоторым увеличением качеств и свойств классического известкового портландцемента по ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия».

Цель достигается тем, что способ получения портландцемента из доломита, включающий операции дробления доломита, подшихтовку глины, гомогенизацию полученной сырьевой смеси, ее обжиг до спекания и тонкое измельчение полученного клинкера с гипсовым камнем, дополнительно содержит операции: обжиг доломита при температуре 900 1100°С, гашение водой полученной извести в известковую суспензию; разделение на тяжелые и легкие частицы известкового молока; сгущение легких частиц известкового молока в известковое тесто.

На чертеже показаны схемы получения магнезиального портландцемента (прототип) и портландцемента из доломита (изобретение), путем отстаивания в течение 1-2 ч с отделением легких частиц - известкового молока, сгущение известкового молока в известковое тесто путем отстаивания в течение 20-24 ч, а подшихтовку глины осуществляют к полученному известковому тесту.

Технологический процесс получения портландцемента из доломита протекает следующим образом.

Доломит любого состава подвергается дроблению до фракции 10 20 мм и направляется на обжиг либо во вращающуюся печь, либо в шахтную (в зависимости от мощности производства). Обжиг ведется при температуре 900 1100°С, температура подбирается в зависимости от содержания в доломите MgO. Чем больше MgO, тем меньше температура обжига в указанном интервале.

В результате обжига доломита образуется негашеная известь, относящаяся к доломитовой согласно ГОСТ-9179-77 «Известь строительная. Технические условия».

Доломитовая известь подвергается гашению в 3 5-кратном избытке воды при одновременном размалывании. Операция наилучшим образом осуществляется во вращающемся барабане стержневого смесителя.

Прогасившаяся известь представляет собой суспензию, состоящую из следующих частиц, различающихся крупностью и плотностью (по результатам собственных исследований):

MgO	10 80 мкм 3250 3350 кг/м3
СаСО3	10 80 мкм 700 2790 кг/м3
Са(ОН)2	0 20 мкм 2240 2260 кг/м3
Прочие (SiO2) Al2O3, Fe 2O3)	10 80 мкм 2500 2580 кг/м3

Собственными исследованиями установили, что при гашении частицы MgO практически не гидратируют, наоборот, частицы СаО превращаются в Са(ОН)₂ практически 100%. В суспензии остается около 5% необожженного СаСО₃. необожженные частицы MgCO₃ не установлены.

Суспензия в форме известкового молока сливается в отстойники-осадители частиц. Тяжелые частицы MgO, СаСО₃ и «прочие» оседают в течение 1 2 часов. Легкие частицы Са(ОН)₂ оседают за 20 24 часа. Поэтому после образования на дне отстойника слоя тяжелых частиц известковое молоко, содержащее главным образом легкие частицы Са(ОН)₂, сливается в бассейн для их оседания и уплотнения.

После оседания частиц и достижения уплотненным слоем влажности примерно 50% (известковое тесто) осветленная вода сливается и направляется на повторное использование в гашении извести.

К известковому тесту подшихтовывается расчетное количество глины, и сырьевой шлам для получения клинкера тщательно гомогенизируется.

Далее сырьевой шлам отправляется во вращающуюся обжиговую печь для получения клинкера, который на заключительной стадии измельчается в порошок вместе с гипсовым камнем и направляется потребителю.

Тяжелые частицы из отстойника промывают водой (воду промывки смешивают с известковым молоком) и сушат. Таким образом получают магнезиальный концентрат, в котором содержание MgO колеблется от 60 до 80% в зависимости от вида использованного доломита.

Описанный выше способ получения цемента относится к «мокрому», но можно изготавливать цемент по более прогрессивному полусухому способу, для чего сырьевой шлам с влажностью примерно 40% сушат в естественных условиях до остаточной влажности 20 24%, после чего массу гранулируют в дырчатых вальцах и подают на обжиг либо во вращающуюся печь, либо в шахтную.

Практическое применение изобретения покажем на ряде примеров. В таблице 1 представлен химический состав горных пород, использованных в лабораторном производстве цементов.

Для сравнения характеристик цементов, изготовленных из доломита, предварительно изготовили образцы портландцемента по ГОСТ 10178-85 и магнезиального портландцемента (прототип).

Для изготовления образца классического портландцемента использовали известняк месторождения «Малая Камала» и глину месторождения «Зеледеевское» из расчета на 1 кг клинкера:

- известняк 1,28 кг;

- глина (сухая) 0,301 кг.

Коэффициент выхода клинкера из сырьевой смеси К _Вых=0,632.

Расчетный минералогический состав клинкера портландцемента, % по массе:

C3S	66,9
C2 S	16,8
С3А	7,9
C 4AF	5,8
MgO	2,1
Прочие	0,5

Из сухой сырьевой смеси на тарельчатом грануляторе формовали гранулы размером 5 7 мм, которые обжигали в электропечи ПВК-1,6-30 при максимальной температуре 1450 1480°С. Образцы клинкера измельчали до тонкости, характеризующейся остатком на сите 008 5 7%.

Таблица 1
Горные породы, использованные в лабораторном производстве портландцемента
Вид горной породы и месторождение	Содержание оксидов, % по массе
SiO2	Al2O3	Fe2O3	СаО	MgO	прочие	ппп
1. Известняк, Малая Камала, Красноярский край	2,4	0,2	0,2	51,8	1,5	-	43,9
2. Известняк магнезиальный, Становушинское, Красноярский край	2,5	0,7	0,1	45,6	6,8	0,5	43,8
3. Доломит-1, Матюшинское, Республика Татарстан	2,3	1,4	0,5	33,8	16,2	0,9	44,9
4. Доломит-2, Крутокачинское, Красноярский край	3,5	1,5	0,4	29,0	22,0	0,6	43,0
5. Глина, Зеледеевское, Красноярский край	66,0	15,5	6,6	1,6	1,6	2,1	6,6
6.Гипсовый камень "хакасгипс", Республика Хакасия	7,33	3,15	0,95	29,6	0,9	37,57	20,5

Для изготовления образца магнезиального цемента (прототип) использовали известняк месторождения «Становушинское» и глину месторождения «Зеледеевское» из расчета на 1 кг клинкера:

известняк	1,373 кг
глина (сухая)	0,275 кг

Коэффициент выхода клинкера из сырьевой смеси К_Вых=0,61. Расчетный минералогический состав клинкера магнезиального портландцемента (прототип), % по массе:

C3S	55,8
C2 S	16,8
С3А	10,7
C 4AF	5,5
MgO	9,8
Прочие	1,4

Образцы изготовили и обжигали аналогично образцам классического цемента.

Пример 1. Изготовить портландцемент из доломита-1 (табл.1).

Брали 2 кг доломита Матюшинского месторождения, дробили с получением фракции 5 10 мм. Дробленку обжигали при температуре 1050°С в течение 1 часа. Получили 1,128 кг доломитовой извести состава, % по массе:

MgO	28,7
СаО	56,9
СаСО 3	5,3
Прочие	9,1

Анализ показал, что практически весь MgCO₃ подвергся диссоциации, но СаСО₃ остался необожженным примерно 5% (недожег).

Доломитовую известь подвергли гидратации в 5-кратном количестве воды, т.е. к 1,128 кг извести подлили 5,64 л воды. Общая масса суспензии составила 6,768 кг. Суспензию (известковое молоко) слили в отстойную емкость. Через 1 час на дне отстойника образовался плотный слой тяжелых частиц. Известковое молоко, находящееся над уплотненным слоем, слили во вторую отстойную емкость.

Уплотненный слой имел остаточную влажность примерно 50%. Высушенный осадок имел массу 0,528 кг и следующий состав, % по массе:

MgO	61,4
Са(ОН)2	8,0
СаСО3	11,4
Прочие	19,2

Известковое молоко во второй отстойной емкости выдерживали 24 часа. За это время в нижней части отстойной емкости образовался слой известкового теста с влажностью примерно 50%. Осветленную воду слили. Количество известкового теста с W=50% оказалось 1,605 кг, в котором Са(ОН) ₂ содержалось 0,806 кг, а СаО 0,606 кг.

К 1,605 кг известкового теста добавили 0,33 кг сухой глины. Массу подвергли тщательной гомогенизации. Влажность гомогенизированной сырьевой массы составила примерно 41%. Массу подсушили до остаточной влажности 20 25% и подвергли гранулированию в таблетки диаметром 10 мм, высотой 5 мм. Таблетки окончательно высушили и обожгли в электрической печи при температуре 1450 1480°С. Получили 0,9 кг клинкера. Обожженные гранулы измельчили до тонкости, характеризующейся остатком на сите 008 5 7%.

Полученный клинкер характеризовался следующим минералогическим составом, % по массе:

C3S	60,6
C2 S	20,0
С3А	10,6
C 4AF	6,8
СаО	0,6
MgO	0,6
Прочие	0,8

Коэффициент выхода клинкера из сырьевой смеси (если таковой считать Са(ОН)₂ и глину) К_Вых=0,79. Если сырьевой смесью считать 2 исходных кг доломита и 0,33 кг глины, то К_Вых=0,386.

Активность полученного клинкера проверили по стандартной методике, а именно готовили 6 балочек размером 40×40×160 мм из состава цемент: Вольский песок 1:3, нормальной густоты. Испытания образцов на прочность при сжатии и изгибе выполняли на 28-е сутки естественного твердения. Цемент для образцов готовили из клинкера 97% и гипсового камня 3%.

Пример 2. Изготовить портландцемент из доломита 2.

Брали 2 кг доломита месторождения «Крутокачинское». Дробили и обжигали аналогично Примеру 1. Получили 1,16 кг доломитовой извести состава, % по массе:

MgO	36,9
MgCO3	2,2 (недожог)
СаО	47,2
СаСО 3	5,0 (недожог)
Прочие	8,7

Гашение производили в 3-х кратном объеме воды, т.е. 3,48 л.

Разделение тяжелых и легких частиц известкового молока осуществили аналогично Примеру 1. В результате получили сухой остаток тяжелых частиц массой 0,656 кг при следующем составе, % по массе:

MgO	65,2
Са(ОН)2	6,7
MgCO3	4,0
СаСО3	8,8
Прочие	15,3

Количество известкового теста с W=50% 1,36 кг, в котором Са(ОН)₂ 0,68 кг, а СаО 0,515 кг

К 1,36 кг известкового теста добавили 0,28 кг сухой глины, осуществили гомогенизацию, гранулирование, обжиг и измельчение аналогично Примеру 1, получили клинкер, имеющий следующий минералогический состав, % по массе:

C3S	60,6
C2 S	20,0
С3А	10,6
C 4AF	6,8
СаО	0,6
MgO	0,6
Прочие	0,8

Состав клинкера идентичен Примеру 1, поскольку в обоих случаях использовали одну глину, однако выход клинкера меньше 0, 777 кг.

Коэффициент выхода клинкера из сырьевой смеси (если сырьевая смесь состоит из Са(ОН)₂ и глины) идентичен Примеру 1. Однако если сырьевой смесью считать 2 кг исходного доломита и 0,28 кг глины, то коэффициент выхода уменьшается, К_Вых=0,34.

Таким образом, приведенные два примера показывают, что независимо от содержания в доломите MgO, из доломита возможно готовить известковый портландцемент. Количество MgO влияет на выход портландцемента. Чем меньше в доломите MgO, тем больше коэффициент выхода портландцементного клинкера из сырьевой смеси.

В таблице 2 представлены сравнительные характеристики качества полученных цементов.

Таблица 2
Сравнительные характеристики качества полученных цементов
Вид цемента	Сроки схватывания, час-мин	Прочность, МПа
начало	конец	изгиб	сжатие
Классический известковый портландцемент по ГОСТ 10187-85	0-45	1-20	5,8	42,2
Магнезиальный портландцемент (прототип)	0-55	1-45	4,2	39,6
Портландцемент из доломита-1 (изобретение)	0-40	1-30	5,8	45,5
Портландцемент из доломита-2 (изобретение)	0-45	1-35	5,9	44,8

Примечание к таблице 2.

Тонкость измельчения всех образцов цементов характеризовалась остатком на сите 008 не более 7%. Образцы цемента готовили из клинкера 97% и гипсового камня 3%.

В таблице указаны средние результаты при испытании 6 образцов.

Представленные в табл.2 результаты свидетельствуют о существенном превосходстве качества изобретения над прототипом, особенно в части прочности цементного камня при изгибе.

Качество образцов цемента (изобретение) заметно лучше образцов классического портландцемента, что объясняется способом производства. Классический портландцемент изготавливают из СаСО₃ и глины, портландцемент из доломитов изготовлен из Са(ОН) ₂ и глины. Из физикохимии силикатов известно, что синтез твердых растворов из Са(ОН)₂ и глины намного эффективнее того же синтеза из СаСО₃ и глины.