Способ получения ангидритового вяжущего
Владельцы патента RU 2362748:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет УГТУ-УПИ" (RU)
Изобретение относится к технологиям получения и применения ангидритовых вяжущих на основе безводного сульфата кальция. Способ включает измельчение и загрузку на конвейерную решетку гипсового камня, его обжиг в слое путем просасывания через слой горячих газов от сжигания топлива и последующий тонкий помол обожженного продукта. При этом гипсовый камень предварительно разбавляют 5-10 мас.% известняка и измельчают до порошкообразного состояния. Полученную смесь увлажняют с получением гранул размером 6-8 мм и подвергают погоризонтному обжигу на конвейерной решетке. На решетку предварительно укладывают «подстил» в виде слоя из гранул обожженного продукта толщиной 40-60 мм. В смесь гипсового камня и известняка дополнительно вводят 5-8% измельченного нефтекокса. Поверх «подстила» на конвейерную решетку укладывают слой гранул из цементной сырьевой смеси и нефтекокса, а поверх него - слой гранул из смеси гипсового камня, известняка и нефтекокса при соотношении высоты слоев цементной и гипсовой составляющих 1:1-1,2 соответственно. Продукты обжига этих смесей измельчают совместно с 10-12 мас.% комплексной добавки, состоящей из 1 части пластификатора и 9 частей кремнеземистого компонента - микрокремнезема или кислой золы ТЭС. Технический результат - более полное использование сырья, упрощение технологии получения вяжущего, ускорение и удешевление процесса обжига, повышение водостойкости и прочности ангидритового вяжущего. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к технологиям получения и применения ангидритовых вяжущих, основу которых составляет сульфат кальция в безводной форме. В отличие от быстросхватывающейся и быстротвердеющей полуводной формы сульфата кальция, известной в строительной практике в двух видах - «гипс строительный» и «гипс технический», ангидритовые вяжущие имеют нормальные сроки схватывания и твердения. Ангидритовые вяжущие, как все виды вяжущих на основе CaSO4, характеризуются относительно невысокой прочностью и не водостойки.
Известен способ получения ангидритового вяжущего обжигом в шахтных печах с выносными топками (Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник под общей ред. А.В.Ферронской, М.: Издательство АСВ, 2004, с.127). Недостатком данного способа следует считать использование в качестве сырья крупных фракций гипсового камня. При этом для обжига мелких фракций следует применять другие типы обжиговых устройств.
Известен способ получения ангидритового вяжущего из мелкого фракционированного гипса (Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник под общей ред. А.В.Ферронской, М.: Издательство АСВ, 2004, с.128) Согласно этому способу гипсовый камень в виде щебня загружается на движущуюся со скоростью 0,5 м/мин колосниковую печь (решетку) слоем, через который просасывают горячие дымовые газы. При этом температура обжига верхних слоев достигает 700, а нижних - 400°С.
К недостаткам данного способа следует отнести:
- исключение из процесса мелких, менее 5 мм, частиц гипсового камня, которые либо сбрасывают в отвал, либо утилизируют путем обжига в другом обжиговом устройстве, например в гипсоварочном котле;
- низкая интенсивность обжига ввиду невысокой температуры процесса;
- полученный продукт нуждается в добавке, активизирущей его твердение, в виде извести или оксида магния или др. минеральных добавок (Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник под общей ред. А.В.Ферронской, М.: Издательство АСВ, 2004, с.126);
- продукт имеет низкую водостойкость и недостаточную прочность.
Техническими задачами, решаемыми в заявляемом способе получения ангидритового вяжущего, включающем измельчение гипсового камня, его фракционирование и загрузку на конвейерную решетку фракционированного гипсового камня, последующий его обжиг в слое путем просасывания через слой горячих газов от сжигания топлива и последующий тонкий помол обожженного продукта с одновременным введением в его состав добавки - активизатора твердения, являются:
- полное использование сырья, в том числе его мелких фракций;
- упрощение технологии получения вяжущего;
- ускорение и удешевление процесса обжига;
- повышение водостойкости и прочности ангидритового вяжущего.
Для получения указанного результата гипсовый камень совместно с 5-10 мас.% известняка тонко измельчают, затем смесь увлажняют, получают гранулы размером 6-8 мм, укладывают их на конвейерную решетку поверх слоя «подстила» из продукта обжига в виде ангидритовых гранул толщиной 40-60 мм и обжигают погоризонтно, причем поверхностные горизонты слоя гранул, используя факельно-слоевой режим сжигания газового топлива при коэффициенте расхода воздуха a=1,0-1,05 и интенсивности нагрева I=10-20×103 КДж/м2 мин, а серединные и нижние горизонты обжигают в режиме слоевого сжигания газа при a=2,5-3,0 при I=1-5×103 КДж/м2 мин.
Для уменьшения потребности в газовом топливе в смесь гипсового камня и известняка вводят твердое топливо - нефтекокс в количестве 5-8 мас.%, средний размер частиц которого составляет 0,4 мм. В этом случае газ после обжига верхних горизонтов слоя отключают, а обжиг средних и нижних осуществляют за счет тепла от сжигания твердого топлива в составе смеси.
При необходимости получения высокопрочного и водостойкого вяжущего в качестве «подстила» используют цементный клинкер, масса которого составляет 60-80% от массы гипсового камня, а продукт обжига измельчают совместно с «подстилом» с дополнительным введением 10-12 мас.% комплексной добавки, состоящей из 1 части пластификатора и 9 частей кремнеземистого компонента, микрокремнезема или кислой золы ТЭС.
В случае отсутствия готового клинкера поверх подстила из гранулированного ангидритового вяжущего укладывают слой гранул из цементной сырьевой смеси и твердого топлива, а поверх него - слой гранул из указанной смеси гипсового камня, известняка и твердого топлива при соотношении высоты слоев 1:1-1,2, причем продукты обжига этих смесей измельчают совместно с дополнительным введением 10-12 мас.% комплексной добавки, состоящей из 1 части пластификатора и 9 частей кремнеземистого компонента, микрокремнезема или кислой золы ТЭС. В качестве твердого топлива используют нефтекокс.
Опытную проверку заявляемого способа осуществляли на материалах, химический состав которых приведен в табл.1. Кроме того, использовали клинкер Невьянского цементного завода, имевшего следующие технические характеристики: коэффициент насыщения КН=0,92, силикатный модуль п=1,8, глиноземный модуль р=1,1.
| Таблица 1 | |||||||
| Компоненты | Содержание, мас.% | ||||||
| П.п.п. | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | СаО | MgO | SO3 | |
| Гипсовый камень | 19,3 | 3,2 | 0,9 | 0,2 | 32,2 | 2,4 | 41,8 |
| Известняк | 43,3 | 0,15 | 0,09 | 0,03 | 55,51 | 0,13 | 0,4 |
Для обжига ангидритового вяжущего использовали лабораторную спекательную установку, имеющую диаметр обжиговой камеры 200 мм и высоту 400 мм. Сырьевые смеси увлажняли и гранулировали на лабораторном тарельчатом грануляторе. Размер гранул составлял 6-8 мм. На колосниковую решетку, расположенную в нижней части обжиговой камеры, укладывали слой подстила в виде гранул из обожженного ангидрита толщиной 50 мм, поверх которого помещали гранулированный гипсовый камень с добавкой известняка. В процессе обжига измеряли температуру процесса обжига, которую замеряли термопарой на контакте сырья и «подстила». Ее уровень составил для прототипа, обжиг 1, 760°С, а для всех остальных от 920 до 985°С. Указанная выше толщина «подстила» находится в интервале 40-60 мм, достаточном для защиты колосников решетки от расплавления от температур такого уровня.
Во всех опытах продукты обжига и «подстил» измельчали совместно до остатка на сите 008 не более 15%, а в опытах 4-8 - не более 5%.
Вяжущие свойства обожженных материалов оценивали на образцах-таблетках диаметром и высотой 30 мм, изготовленных из теста с пластичностью по Суттарду (ГОСТ 125-79) 140+10 мм, которые твердели в воздушно-влажных условиях в эксикаторе в течение 28 суток. Водостойкость вяжущего оценивали по коэффициенту размягчения (Kp), который определяли как соотношение прочностей высушенных образцов воздушно-влажного хранения и образцов аналогичного состава, твердевших в воде. В табл.2 содержатся сравнительные данные по составам и свойствам ангидритового вяжущего (АВ), композиции на его основе с портландцементным клинкером (ПЦК) и вводимой дополнительно комплексной добавкой (КД), включающей 9 частей кремнеземистого компонента и 1 часть пластификатора. В табл.2 содержатся данные по составам сырьевых смесей, вяжущих композиций и их свойствам.
| Таблица 2 | |||||||||
| № | Состав сырьевой смеси, мас.% | Вяжущая композиция | Примечание | ||||||
| состав, мас.% | свойства | ||||||||
| ГК | Из-к | Кокс | АВ | ПЦК | КД | Ксж, МПа | Kp | ||
| 1 | 100 | - | - | 100 | - | - | 18 | 0,64 | По прототипу* |
| 2 | 92 | 8 | - | 100 | - | - | 21 | 0,65 | По заявке, п.1,2 |
| 3 | 84 | 8 | 8 | 100 | - | - | 23 | 0,67 | ---«---, п.1,3 |
| 4 | 84 | 8 | 8 | 56,3 | 33,7 | 10+ | 31 | 0,85 | ---«---, п.4 |
| 5 | 84 | 8 | 8 | 48,4 | 39,6 | 12+ | 33 | 0,87 | ---«---, п.4 |
| 6 | 84 | 8 | 8 | 45 | 45 | 10+ | 36 | 0,92 | ---«---, п.5 |
| 7 | 84 | 8 | 8 | 45 | 45 | 10++ | 33 | 0,90 | ---«---, п.5 |
| 8 | 84 | 8 | 8 | 45 | 45 | 10» | 29 | 0,91 | ---«---, п.5 |
| * Сырье представлено гипсовым камнем фракции 5-10 мм. + - модификатор бетона МБ-0,1, содержащий 90% микрокремнезема и 10% пластификатора С-3; ++ - композиция, состоящая из 90% кислой золы и 10% пластификатора С-3. « - композиция, состоящая из 90% кислой золы и пластификатора ЛСТ. В примечании к опытам 2-8 указаны пункты формулы изобретения. |
В состав ангидритового вяжущего, полученного в опыте 1, в качестве активизатора твердения добавлено 5 мас.% молотой негашеной извести, а в других - 8 мас.% известняка, что после прокалки равно 5 мас.%. Увеличение доли известняка свыше 10 мас.% увеличивает затраты тепла. В опыте 2 сырьевую смесь обжигали газом. Обжиг поверхностного горизонта осуществляли при коэффициенте избытка воздуха a=1,05, интенсивность нагрева I=15 кДж/м2 мин. Обжиг средних и нижних горизонтов слоя осуществляли в режиме слоевого сжигания газа при коэффициенте избытка воздуха a=2,5 и интенсивности нагрева I=3 кДж/м2 мин. Указанные значения соответствуют центральным значениям заявляемых интервалов. Нижний предел заявляемых интервалов ограничивается зоной устойчивости режимов факельно-слоевого и слоевого сжигания газового топлива, а верхний предел - резким повышением гидравлического сопротивления обжигаемого слоя. Последнее при промышленном осуществлении способа приведет к значительному увеличению «подсосов» наружного воздуха на контакте движущейся конвейерной решетки и неподвижных вакуум-камер, что существенно увеличит затраты электроэнергии на процесс обжига.
В опытах 3-8 в смесь вводили 8 мас.% твердого топлива, измельченного нефтекокса со средним размером частиц 0,4 мм. Указанный уровень выбран по максимуму, поскольку нефтекокс дешевле заменяемого газа, но при более высоком содержании его в сырье возникает «перегрев» при обжиге нижних горизонтов. Принятый размер частиц кокса обеспечивает необходимый температурный режим обжига при минимальных потерях тепла с химическим и механическим недожегом кокса.
В опытах 4 и 5 в качестве «подстила» использовали клинкер Невьянского цементного завода в количестве 60% и 80% от массы гипсово-известняковой смеси. При совместном обжиге ангидритового вяжущего и клинкера, опыты 6-8, между подстилом из ангидрита и гранул на основе гипсового камня помещали цементную сырьевую смесь. Она включала известняк, глину, медный шлак и имела следующие технические характеристики: коэффициент насыщения КН=0,9, силикатный модуль п=2,2, глиноземный модуль р=1,2, и содержала 12 мас.% измельченного нефтекокса. Продукты обжига размалывали до 50 мкм с 10-12 мас.% комплексной добавки, включающей 1 ч. пластификатора и 9 ч. кремнеземистой добавки.
Применение нефтекокса в обжиге увеличивает прочность ангидритового вяжущего, опыты 3-8, причем использование в составе смеси заводского клинкера, опыты 4 и 5, или совместный обжиг цементной и гипсовой смесей, опыты, 6, 7, 8, позволяет получить водостойкое вяжущее с коэффициентом размягчения выше 0,8. Сравнение результатов опытов 4 и 5 позволяет считать заявляемый интервал содержания заводского клинкера 60-80% от массы гипсовой составляющей оптимальным, поскольку 60% клинкера существенно повышают прочность и водостойкость композиции, а увеличивать долю более дорогого, чем ангидрит, компонента в виде клинкера свыше 80% нецелесообразно, т.к. увеличение прочности и водостойкости ангидритовой композиции не пропорционально возрастанию доли клинкера. С учетом потери массы гипсового камня при обжиге соотношение клинкерной и гипсовой составляющей после обжига увеличивается в пользу клинкера, как это указано в табл.2.
Введение в состав вяжущей смеси комплексной добавки, включающей пластификатор и кремнеземистый компонент, обеспечивает водостойкость вяжущего и дополнительное увеличение прочности. В опытах 6-8 сравнивали эффективность пластифицирующих и кремнеземистых добавок. Как и ожидалось, замена высокоэффективных микрокремнезема и С-3 на менее эффективные лигносульфонат и золу-унос ТЭС сопровождалась некоторым снижением прочности и водостойкости. Поскольку эффект от применения пластификатора пропорционален его содержанию в смеси, то верхний предел обычно определяется уровнем стоимости пластификатора. Применительно к заявляемому способу целесообразно использовать комплексную кремнеземисто-пластифицирующую добавку, оптимум которой по причине ее высокой стоимости обычно не превышает 10-12% от массы вяжущего. Сравнение результатов опытов 4 и 5 согласуется с данным утверждением.
Измельчение сырья до порошкообразного состояния и его последующая грануляция позволяют использовать в едином процессе всю массу добытого сырья, в то время как по прототипу используют только определенную его фракцию, а мелочь в виде отсева либо сбрасывают в отвал, либо обжигают в гипсоварочных котлах. Кроме того, в заявляемом способе совмещают обжиг основного продукта, гипсового камня и добавки - активизатора твердения ангидрита - извести или цементного клинкера, что упрощает технологию. При этом в процессе возможно использование известняковых отсевов, отходов производства извести в шахтных печах.
Применение в обжиге факельно-слоевого и слоевого сжигания газа позволяет осуществлять качественный обжиг ангидритового вяжущего с высокой интенсивностью за счет более высокой температуры обжига и при минимальных теплозатратах, что удешевляет процесс. Использование в процессе нефтекокса позволяет осуществлять интенсивный и качественный обжиг ангидритового вяжущего в случае, когда газовое топливо дорого или недоступно. В этом случае верхний горизонт обжигают, применяя газ или другое топливо, а нижние и средние горизонты обжигают нефтекоксом. Заводской клинкер в слое с гипсовым сырьем сочетает функции «подстила» и активизатора твердения ангидрита, повышающего прочность композиции и ее водостойкость. При совместном обжиге цементного и гипсового сырья при соотношении высоты слоев 1:1-1,2 получают водостойкое комбинированное вяжущее, близкое по свойствам к портландцементу, но с меньшими, на 25-30%, по отношению к нему теплозатратами. При увеличении доли цементного сырья по отношению к гипсовому более чем 1:1-1,2 указанная экономия снижается по причине повышенного энергопотребления на декарбонизацию известняка в составе цементной сырьевой смеси.
Использование изобретения позволит получать высокопрочное и водостойкое ангидритовое вяжущее при суммарных затратах на 30-35% ниже, чем в традиционной технологии.
1. Способ получения ангидритового вяжущего, включающий измельчение и загрузку на конвейерную решетку гипсового камня, его обжиг в слое путем просасывания через слой горячих газов от сжигания топлива и последующий тонкий помол обожженного продукта, отличающийся тем, что гипсовый камень предварительно разбавляют 5-10 мас.% известняка и измельчают до порошкообразного состояния, полученную смесь увлажняют с получением гранул размером 6-8 мм, после чего подвергают по-горизонтному обжигу на конвейерной решетке, на которую для защиты колосников решетки от расплавления предварительно укладывают «подстил» в виде слоя из гранул обожженного продукта толщиной 40-60 мм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обжига поверхностных горизонтов используют факельно-слоевой режим сжигания газового топлива с коэффициентом расхода воздуха, равным a=1,0-1,05 и интенсивностью нагрева I=10-20·103 кДж/м2 мин, а для обжига средних и нижних горизонтов применяют слоевое сжигание газового топлива с коэффициентом расхода воздуха a=2,5-3,0 и интенсивностью нагрева
I=1-5·103 кДж/м2 мин.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в смесь гипсового камня и известняка вводят 5-8% короткопламенного твердого топлива - нефтекокса, измельченного до среднего размера частиц 0,3-0,5 мм.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что поверх указанного «подстила» на конвейерную решетку укладывают слой гранул из цементной сырьевой смеси и твердого топлива - нефтекокса, а поверх него - слой гранул из смеси гипсового камня, известняка и дополнительно введенного твердого топлива - нефтекокса, при соотношении высоты слоев 1:1-1,2, соответственно, продукт обжига измельчают совместно с дополнительным введением 10-12 мас.% комплексной добавки, состоящей из 1 ч. пластификатора и 9 ч. кремнеземистого компонента - микрокремнезема или кислой золы ТЭС.
