Физико-химические основы получения минеральных вяжущих и изделий на их основе

Цели освоения дисциплины
а) формирование знаний об основных видах сырьевых материалов, используемых в силикатной промышленности и способы их подготовки;
б) формирование у бакалавров знаний об основных стадиях в технологии стекла, керамики, вяжущих веществ, их общность и различие;
в) изучение сущности процессов, протекающих при формовании, сушке и высокотемпературной обработке сырьевых материалов
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
а) основные понятия – сырье (природное, синтетическое, техногенное); кремнеземистое, алюмосиликатное, карбонатное, глиноземистое, сульфатное сырье; основное вещество и примеси; сушка; обжиг; формование, дробление и измельчение; грохочение и классификация; обогащение сырья;
б) методы и способы подготовки сырья;
в) основные стадии получения стекла, керамики и вяжущих материалов;
г) физико-химические основы процессов, протекающих при производстве силикатных материалов (дробление, измельчение, формование, сушка, обжиг, плавление, дополнительная обработка изделий).
2) Уметь:
а) применять полученные теоретические и практические знания во время изучения последующих дисциплин по профилю;
б) проводить химический анализ, синтез и испытания полученных материалов,
в) получить стандартные минеральные вяжущие по известной технологии
г) самостоятельно обрабатывать результаты с помощью соответствующих компьютерных программ
3) Владеть:
а) навыками проведения химического анализа основных сырьевых материалов;
б) навыками расчета сырьевых смесей (шихт);
г) методами оценки физико-химических показателей основных видов тугоплавких неметаллических и силикатных материалов (стекла, керамики и бетонов);
г) методикой обработки полученных результатов;
д) навыками по компьютерной визуализации и мультипликации результатов.

Примечание. Лабораторные работы выполняются с использованием лишь 1 вида сырья (гипса, известняка, доломита и т.д.)

Основные вопросы
Физикохимия процессов получения воздушных вяжущих
2. Физикохимия процессов получения гидравлических вяжущих
3. Материальный баланс получения воздушных вяжущих
4. Блок-схема получения минеральных вяжущих
5. Технологические схема получения минеральных вяжущих

Основные термины в технологии минеральных вяжущих

1. Физикохимия процессов получения минеральных вяжущих
Основные виды силикатных материалов
1 - минеральные вяжущие материалы, 2 - стекло и ситаллы, 3 - керамика
Основные виды минеральных вяжущих материалов
воздушные вяжущие, гидравлические вяжущие
\
Общие и отличительные стадии производства силикатных материалов

Общие и отличительные стадии производства минеральных вяжущих

Основные тепловые процессы в технологии силикатных материалов
Обжиг или тепловая обработка ─ основной процесс в производстве силикатных материалов
Основные виды тепловой обработки
- «варка» при 120-2000С (гипс)
- «автоклавная обработка» в паровоздушной среде при 120-2000С (силикатный кирпич)
- «спекание» при 800-12000С (керамика)
- «терморазложение» при 1000-12000С (известь)
- «спекание» при 1300-14000С (гидравлическое вяжущее)
- «плавление» при 1000-13000С (стекло)
Основное уравнение теплопередачи
количество теплоты, передаваемое обжигаемому материалу Q = к F ∆tст τ
( Q ─ тепловой поток, к ─ коэффициент теплопередачи, F ─ поверхность теплообмена, ∆tст ─ средняя разность температур, τ ─ время)
Способы передачи тепла
Основной закон передачи тепла теплопроводностью (закон Фурье): Q = λ F τ dT/dH
(количество теплоты Q, передаваемое за время τ посредством теплопроводности через элементарную поверхность (нормальную к направлению теплового потока), пропорционально температурному градиенту dT/dH, поверхности F и времени τ)
λ ─ коэффициент теплопроводности - количество теплоты, проходящей в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 10С на единицу длины нормали к изотермической поверхности).
Основной закон конвективного теплообмена (закон Ньютона): dQ = α dF (tст - tм) dτ
(количество теплоты dQ, отдаваемое за время dτ стенке dF, имеющей температуру tст материалу с температурой tМ, прямо пропорционально dF и разности ( tст - tм ).
( α ─ коэффициент теплоотдачи, характеризующий количество теплоты, передаваемое от 1м² стенки к материалу в течение 1с при разности температур между ними, равной 10С).
Лучистый теплообмен ─ общее количество теплоты, излучаемое поверхностью в единицу времени Q = αл ∆t
(часть тепловой энергии превращается в лучистую и распространяется в виде эл/магнитных колебаний со скоростью света.
( αл = εп со [ (T1 / 100)4 - T2/ 100)4 ] / (T1 – T2) при εп ─ приведенная степень черноты излучающего и воспринимающего
излучение тел; со ─ коэффициент излучения абсолютно черного тела; Т1 – Т2 ─ абсолютная температура тел, К).
В реальных условиях теплота передается комбинированным способом :
─ теплопередача или конвекция - преобладает при низких температурах;
─ излучение - преобладает при высоких температурах
(при 1200-17000С излучение - до 95 %)

Основные реакции получения гипсовых воздушных вяжущих
СаSO4 (ангидрит), СаSO4·0,5 H2O («бассанит»), СаSO4·2H2O (гипс, ПР = 2,5·10─ 5)
α- СаSO4·0,5 H2O → β-СаSO4·0,5 H2O
условия получения α-СаSO4·0,5 H2O при Т > 1000С при кипячение в растворах солей
(вода удаляет в жидком состоянии и не вызывает разрыхления или разрушения зерен, что обеспечивает плотную упаковку и гладкий рельеф поверхности кристаллов)
условия получения β-СаSO4·0,5 H2O при Т > 1000С в воздушной среде (вода выходит в виде пара, что приводит к диспергированию зерен образованию шероховатой поверхности, кристаллы тем меньше, чем ниже давление водяного пора и выше температура)
Растворимость β-СаSO4·0,5H2O больше (скорость гидратации – также больше)
Водопотребность β-СаSO4·0,5H2O равно 50-70 %, α-СаSO4·0,5 H2O – 30-45 % (прочность выше)

Основные реакции получения известковых воздушных вяжущих
Брусит Доломит Известняк
Основные параметры обжига известняка (получение извести кальциевой)
- Температура разложения CaCO3 - 9000С (PCO2 = Pатм )
время обжига определяется размеров частиц
(скорость перемещения зоны диссоциации CaCO3 по куску: при 9000С ─ 2 мм/ч, при 1100 0С ─ 14 мм/ч)
Основные критерии обжига CaCO3
степень обжига CaCO3, % (оптимум 95-100 %)
содержание активного СаО (СаО аморфный - н.м. 90 %)
содержание пережога или неактивного СаО (СаО кристаллический - н.б. 5 %)
содержание недожога (СаО в виде остаточного CaCO3) - н.б. 5 %)
Основные критерии обжига обжига доломита (получение каустического доломита)
степень обжига MgCO3, % (оптимум 95-100 %)
содержание активного MgО (MgО аморфный - н.м. 90 %)
содержание пережога или неактивного MgО (MgО кристаллический - н.б. 5 %)
содержание недожога (MgО в виде остаточного MgCO3) - н.б. 5 %)

2. Физикохимия процессов получения гидравлических вяжущих
Портландцемент ─ вид гидравлического цемента в виде порошка (алюминаты кальция и железа, силикаты кальция).
Клинкер - (голланд. klinken - звенеть) - полупродукт, получаемый в виде гранул при обжиге измельченной смеси известняка и глины (при дроблении клинкера получается цементный порошок).
CaSiO3 - метасиликат кальция («волластонит»), Т (пл) = 1544°С;
Ca2SiO4 - метасиликат кальция («шенноит», «кальциооливин»)
Ca3Si2O7 - пиросиликат кальция («ранкинит»)
Основные реакции получения гидравлических вяжущих
Твердофазные реакции
(при повышении температуры колебательные движения атомов и ионов в кристаллических решетках твердых веществ достигают такой интенсивности, что становится возможным «отрыв» ионов (атомов) от положения равновесия в данном узле решетки и переход их в новое положение как внутри решетки, так и вне решетки - в результате происходит обмен атомами и ионами между веществами с образованием новых соединений)
Стадии спекания клинкера:
- плавление и растворение (переход продуктов твердофазовых реакций из твердой фазы в жидкую).
- диффузия ионов ( перемещение в растворе ионов реагирующих компонентов к местам образования новых твердых фаз).
- кристаллизация алита (C2S), образование твердых фаз из расплава

3. Материальный баланс получения воздушных вяжущих
По закону сохранения массы количество веществ, поступающих на переработку, равно количеству веществ, получаемых в результате переработки)
ΣG нач = ΣG кон + G пот
материальный баланс на 1 операцию - для периодических процессов
материальный баланс за единицу времени - для непрерывных процессов
Виды материального баланса – на 1 аппарат, на часть аппарата, по всем компонентам, по 1 компоненту
Пример 1 Материальный баланс получения гипса строительного (реакция типа А = В + С)

Материальный баланс получения воздушных вяжущих
Пример 2 Исходные данные и основная реакция получения извести (реакция типа А = В + С)
Материальный баланс

Материальный баланс получения воздушных вяжущих
Пример 3 Исходные данные и основная реакция получения каустического доломита (реакция типа А = В + С +Д)
Материальный баланс

Материальный баланс получения воздушных вяжущих
Пример 4 Исходные данные и основная реакция получения магнезии (реакция типа А = В + С
Материальный баланс

4 . Блок-схема получения минеральных вяжущих
Получение гипсовых воздушных вяжущих
1.Дробление → Помол → Варка (низкообжиговый гипс в котлах, сухое сырье).
2.Дробление → Сушка → Помол → Варка (низкообжиговый гипс в котлах, при влажности больше 1 %)
3. Дробление → (Сушка + Помол) → Варка (низкообжиговый гипс в котлах, совместный помол)
4. Дробление → Помол → Варка → помол (низкообжиговый гипс в котлах, вторичный помол СаSО4*0,5H2O)
5. Дробление → (Сушка+Помол) → Варка → Помол (низкообжиговый гипс в котлах, вторичный помол СаSО4*0,5H2O)
6. Дробление → Обжиг → Помол (низко- и высокообжиговый гипс в сушильных барабанах )
7. Дробление → (Обжиг + Помол) (совместный помол и обжиг)
8. Дробление → Запаривание → Помол (высокопрочный гипс α–СаSО4*0,5H2O)
Схема получения β–СаSО4*0,5H2O в воздушной среде Схема получения α–СаSО4*0,5H2O в водной среде
Марка гипсовых вяжущих
(величина прочности при сжатии образцов-балочек 40х40х160 мм через 24 ч после затвердения водой)
Пример, для гипса с прочностью 5,2 МПа, начало и конец схватывания 5 мин и 9 мин, остаток на сите 9 % Г ─ 5А II

Получение известковых воздушных вяжущих
Виды извести:
- известь негашеная комовая (CaO, «известь-кипелка») ( CaСO3 → CaO + СО2)
- известь негашеная молотая
- известь гидратная ( CaO + H2O → Ca(OH)2 , «пушонка»)
- известковое тесто
- известковое молоко
Классификация известковых вяжущих по пластичности
– жирная известь, тощая известь ( мелкие зерна на ощупь )
Классификация известковых вяжущих по содержанию MgO \
кальциевая - до5 %MgO, магнезиальная - 5-20 % MgO, доломитовая - 20-40 % MgO (теорет. 41,6% MgO+58,3%CaO)
Схема получения извести Схема получения каустического доломита Схема получения гидратной извести
- получение «пушонка» - 0, 32 кг воды / кг СаО
- получение «теста» - 2,5 кг воды / кг СаО
( влажность «теста» - 50 %)

Получение гидравлического вяжущего (портландцемента)
Определяем коэффициент k (для пересчета состава на 100%)
К1 =100 / 100,59 = 0,9941, К2 =1000 / 99,72 = 1,0028
Задаемся величиной КН = 0,88, тогда
х = 2,8*64,55 + 1,65*16,51 +0,35*8,17 – 1,90 = 7,066 / 1
48,8 – 2,8*7,8*0,88 – 1,65*1,65 -0,35*1,04
Вывод:
- на 1 мас. часть глины известного состава необходим 7,066 масс. частей известняка (87,6 % известняка+12,4 % глины)
Состав портландцементного клинкера характеризуется:
содержанием оксидов CaO, Al2O3, Fe2O3, SiO2 и т.д.
(в сырьевой смеси условно С0, А0, F0, S0; в готовом продукте условно С, А, F, S)
содержанием минералов клинкера (C3S, C2S, C3A, C4AF).
значениями коэффициентов насыщения (КН), силикатного и глиноземного модуля;
КН = С0 - 1,65 А0 – 0,35 F0 / 2,8 S0;
n = SiO2 / (Al2O3+Fe2O3 ), p = Al2O3 / Fe2O3
Методика расчета состава сырьевой смеси (по значениям КН, n, p)
– число сырьевых компонентов должно быть больше на единицу, чем число заданных характеристик (если задан КН, смесь составляется из 2-х компонентов, если заданы КН и n, то смесь составляется из 3-х);
– для удобства расчетов состав сырьевых материалов приводят к сумме, равной 100
– для упрощения расчетов содержания одного из компонентов принимается равным 1
Расчет смеси «известняк+глина»
Состав сырья
Расчет смеси и клинкера

5. Технологические схема получения минеральных вяжущих
Основные показатели качества гипсовых вяжущих
1) Водопотребность, 2) сроки схватывания 3)тонкость помола, 4)прочность при сжатии и растяжении
Классификация гипсовых вяжущих по срокам схватывания (начало и конец схватывания, мин)
А – быстротвердеющие (2-15 мин), Б – нормальнотвердеющие (6-39 мин), В – медленнотвердеющие (не ранее 20 мин)
Классификация гипсовых вяжущих по тонкости помола (остаток на сите 0, 2 мм , %)
I – грубого помола (н.б. 23 %), II – среднего помола (н.б. 14 %), III – тонкого помола (н.б. 2 %)
Схема получения гипсовых вяжущих из гипса
1 – кран, 2 - бункер гипсового камня, 3 – лотковый питатель, 4 – щековая дробилка, 5 – ленточный конвейер, 6 – бункер, 7 – тарельчатый питатель, 8 – шахтная мельница ,
9 – циклон, 10 – батарея циклонов , 11 - вентилятор, 12 – рукавный фильтр, 13 – пылеосадительная камера, 14 - шнековый конвейер, 15 – элеватор, 16 – бункер готового гипса, 17 – скребковый конвейер, 18- гипсоварочный котел, 19 - бункер выдерживания, 20 - бункер молотого гипсового камня

Различные виды технологических схем получения портландцемента

Технологические схемы получения портландцемента

Принципиальная технологическая схема (на примере магнезиального вяжущего)
(обозначение материальных потоков по ГОСТ 14202-69)
гидроциклон центрифуга дозатор объемно-весовой вагонетка сушилка со взвешенным слоем барабанная сушилка
теплообменник теплообменник колонный аппарат Корпус сгустителя фильтр барабанный лента кожухотрубчатый оросительный
1 – дозатор, 2 – дробилка, 3 – классификатор,
4 – печь, 5 – холодильник, 6 – упаковочная машина
Изображения основных аппаратов в схемах

Технологическая схема получения магнезиального вяжущего и изделий на его основе

Технологическая схема получения изделий на основе каустического доломита

Трехмерная модель производства стеклодоломитовых листов на основе магнезиального вяжущего (вид 1)

Трехмерная модель производства стеклодоломитовых листов на основе магнезиального вяжущего (вид 2)

Задания по СРС
А - Экспериментальная работа (задания по работе с материальными объектами)
Б – задания по работе с ПК
В – творческие задания .
А) Экспериментальная работа
– монтаж установки для получения различных ТНСМ ( вне лабораторных занятий)
– самостоятельная подготовка сырья к лабораторным работам вне лабораторных занятий (отбор проб пород на карьерах, песка на берегу рек и т.д.)
– участие в испытаниях материалов в филиалах кафедры вне лабораторных занятий (ЦНИИГеолнеруд, НИПИ «Технополис» и т.д.)
Б) Задания по работе с ПК
– составление ЭЛЖ на основе таблиц EXCEL (для создания презентации)
- составление материального баланса в EXCEL для различных типов реакций (А+В = С; А+В = С+D; А=В + С и т.д.)
- подготовка презентации в Power Point (10-15 слайдов, презентация результатов по всем лабораторным работам и СРС)
И) Творческие задания
– выступление на кафедральной студенческой конференции (с приглашением всех заинтересованных студентов и преподавателей);
– подготовка научных статей и тезисов;
– помощь при создании учебно-методических разработок для студентов;
– создание 2D проектов (мультипликации) и 3D проектов (известных технологий или новых разрабатываемых технологий).

Примерное распределение заданий СРС по работе с ПК
Методические указания по выполнению СРС
1.Все выполняемы лабораторные работы объединяются под общим названием «Получение вяжущих и изделий на их основе»
Например –
«Получение гипсовых вяжущих из гипса и изделий на их основе»
«Получение известковых вяжущих из известняка и силикатного кирпича на их основе»
«Получение магнезиальных вяжущих из доломита и облицовочных строительных материалов на их основе»
2. Методические указания по выполнению лабораторных работ подробно изложены в соответствующей литературе (см. « Дополнительная литература»)