Процесс обжига цементного клинкера

Процесс обжига цементного клинкера

Обжиг — завершающая технологическая операция производства клинкера. В процессе обжига из сырьевой смеси определенного химического состава получают клинкер, состоящий из четырех основных клинкерных минералов.
В состав клинкерных минералов входит каждый из исходных компонентов сырьевой смеси. Например, трехкальциевый силикат, основной клинкерный минерал, образуется из трех молекул СаО — окисла минерала известняка и одной молекулы SiО2 — окисла минерала глины. Аналогично получаются и другие три клинкерных минерала — двухкальциевый силикат, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит. Таким образом, для образования клинкера минералы одного сырьевого компонента — известняка и минералы второго компонента — глины должны химически прореагировать между собой.
В обычных условиях компоненты сырьевой смеси — известняк, глина и др. инертны, т. е. они не вступают в реакцию один с другим. При нагревании они становятся активными и начинают взаимно проявлять реакционную способность. Объясняется это тем, что с повышением температуры энергия движущихся молекул твердых веществ становится столь значительной, что между ними возможен взаимный обмен молекулами и атомами с образованием нового соединения. Образование нового вещества в результате реакции двух или нескольких твердых веществ называют реакцией в твердых фазах.
Однако скорость химической реакции еще более возрастает, если часть материалов расплавляется, образуя жидкую фазу. Такое частичное плавление получило название спекания, а материал — спекшимся. Портландцементный клинкер обжигают до спекания. Спекание, т. е. образование жидкой фазы, необходимо для более полного химического усвоения окиси кальция СаО кремнеземом SiО2 и получения при этом трехкальциевого силиката.
Частичное плавление клинкерных сырьевых материалов начинается с температуры 1300° С. Для ускорения реакции образования трехкальциевого силиката температуру обжига клинкера увеличивают до 1450° С.
В качестве установок для получения клинкера могут быть использованы различные по своей конструкции и принципу действия тепловые агрегаты. Однако в основном для этой цели применяют вращающиеся печи, в них получают примерно 95% клинкера от общего выпуска, 3,5% клинкера получают в шахтных печах и оставшиеся 1,5% — в тепловых агрегатах других систем — спекательных решетках, реакторах для обжига клинкера во взвешенном состоянии или в кипящем слое. Вращающиеся печи являются основным тепловым агрегатом как при мокром, так и при сухом способах производства клинкера.
Обжигательным аппаратом вращающейся печи является барабан, футерованный внутри огнеупорными материалами. Барабан установлен с наклоном на роликовые опоры.
С поднятого конца в барабан поступает жидкий шлам или гранулы. В результате вращения барабана шлам перемещается к опущенному концу. Топливо подается в барабан и сгорает со стороны опущенного конца. Образующиеся при этом раскаленные дымовые газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу и нагревают его. Обожженный материал в виде клинкера выходит из барабана. В качестве топлива для вращающейся печи применяют угольную пыль, мазут или природный газ. Твердое и жидкое топливо подают в печь в распыленном состоянии. Воздух, необходимый для сгорания топлива, вводят в печь вместе с топливом, а также дополнительно подают из холодильника печи. В холодильнике он подогревается теплом раскаленного клинкера, охлаждая последний при этом. Воздух, который вводится в печь вместе с топливом, называется первичным, а получаемый из холодильника печи — вторичным.
Образовавшиеся при сгорании топлива раскаленные газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу, нагревают его, а сами охлаждаются. В результате температура материалов в барабане по мере их движения все время возрастает, а температура газов — снижается.
Ломаный характер кривой температуры материала показывает, что при нагревании сырьевой смеси в ней происходят различные физико-химические процессы, в одних случаях тормозящие нагревание (пологие участки), а в других — способствующие резкому нагреванию (крутые участки). Сущность этих процессов состоит в следующем.
Сырьевой шлам, имеющий температуру окружающего воздуха, попадая в печь, подвергается резкому воздействию высокой температуры отходящих дымовых газов и нагревается. Температура отходящих газов при этом снижается примерно от 800—1000 до 160—250° С.
При нагревании шлам вначале разжижается, а затем загустевает и при потере значительного количества воды превращается в крупные комья, которые при дальнейшем нагревании превращаются в зерна — гранулы.
Процесс испарения из шлама механически примешанной к нему воды (сушка шлама) длится примерно до температуры 200° С, так как влага, содержащаяся в тонких порах и капиллярах материала, испаряется медленно.
По характеру процессов, протекающих в шламе при температурах до 200° С, эта зона печи называется зоной испарения.
По мере дальнейшего продвижения материал попадает в область более высоких температур и в сырьевой смеси начинают происходить химические процессы: при температуре свыше 200—300° С выгорают органические примеси и теряется вода, содержащаяся в минералах глины. Потеря минералами глины химически связанной воды (дегидратация) приводит к полной потере глиной ее связующих свойств и куски шлама рассыпаются в порошок. Этот процесс длится до температур примерно 600—700° С.
По существу процессов, протекающих в интервале температур от 200 до 700° С, эта зона печи носит название зоны подогрева.
В результате пребывания сырьевой смеси в области такой температуры образуется окись кальция, поэтому эта зона печи (до температуры 1200°) получила название зоны кальцинирования.
Температура материала в этой зоне возрастает сравнительно медленно. Это объясняется тем, что тепло дымовых газов расходуется в основном на разложение СаСО3: для разложения 1 кг СаСО3 на СаО и С02 требуется затратить 425 ккал тепла.
Появление в сырьевой смеси окиси кальция и наличие высокой температуры обусловливает начало химического взаимодействия находящихся в глине окислов кремния, алюминия и железа с окисью кальция. Это взаимодействие протекает между окислами в твердом состоянии (в твердых фазах).
Реакции в твердых фазах развиваются в области температур 1200—1300° С. Эти реакции экзотермичны, т. е. протекают с выделением тепла, почему эта зона печи получила название зоны экзотермических реакций.
Образование трехкальциевого силиката происходит уже на следующем участке печи в области наибольших температур, называемом зоной спекания.
В зоне спекания наиболее легкоплавкие минералы расплавляются. В образовавшейся жидкой фазе происходит частичное растворение 2CaO-Si02 и насыщение его известью до 3CaO-Si02.
Трехкальциевый силикат обладает значительно меньшей способностью растворяться в расплаве, чем двухкальциевый силикат. Поэтому, как только произошло его образование, расплав становится пересыщенным по отношению к этому минералу и трехкальциевый силикат выпадает из расплава в виде мельчайших твердых кристаллов, которые затем при данных условиях способны увеличиваться в размерах.
Растворение 2CaO-Si02 и поглощение им извести происходит не сразу во всей массе смеси, а отдельными ее порциями. Следовательно, для более полного усвоения извести двухкаль-циевым силикатом требуется выдерживать материалы некоторый период при температуре спекания (1300—1450°С). Чем продолжительнее будет эта выдержка, тем полнее произойдет связывание извести, а вместе с тем станут крупнее кристаллы 3CaO-Si02.
Однако долго выдерживать клинкер при температуре спекания или медленно охлаждать его не рекомендуется; портландцемент, в котором ЗСаО — Si02 имеет мелкокристаллическую структуру, обладает более высокой прочностью.
Продолжительность выдержки клинкера зависит от температуры: чем она выше в зоне спекания, тем быстрее образуется клинкер. Однако при чрезмерно высоком, а главное резком повышении температуры быстро образуется много расплава и обжигаемая смесь может начать комковаться. Образующиеся при этом крупные зерна труднее прогреваются и процесс перехода C2S в C3S нарушается. В результате клинкер будет плохо обожжен (в нем мало будет трехкальциевого силиката).
Чтобы ускорить процесс клинкерообразования, а также в тех случаях, когда нужно получить клинкер с высоким содержанием 3CaO-Si02, применяют некоторые вещества (фтористый кальций CaF2, окись железа и др.), обладающие способностью снижать температуру плавления сырьевой смеси. Более раннее образование жидкой фазы сдвигает процесс образования клинкера в область менее высоких температур.
В период спекания иногда вся известь смеси не успевает полностью усвоиться кремнеземом; процесс этого усвоения протекает все медленнее вследствие обеднения смеси известью и 2СаО • Si02. В результате в клинкерах с высоким коэффициентом насыщения, для которых требуется максимальное усвоение извести в еиде ЗСаО • Si02, всегда будет присутствовать свободная известь.
1—2% свободной извести не отражается на качестве портландцемента, но более ее высокое содержание вызывает неравномерность изменения объема портландцемента при твердении и поэтому недопустимо.
Клинкер из зоны спекания попадает в зону охлаждения (VI), где навстречу клинкеру движутся потоки холодного воздуха.
Из зоны охлаждения клинкер выходит с температурой 1000—1100° С и для окончательного охлаждения его направляют в холодильник печи.

Процесс обжига цементного клинкера

Образованию конечного продукта — клинкера предшествует ряд физико-химических процессов, в результате которых клинкер приобретает сложные минералогический состав и микрокристаллическую структуру.

Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Шахтные печи применяют иногда только при сухом способе. Вращающаяся печь представляет собой длинный, расположенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из листовой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина печей 95— 185—230 м, диаметр 5—7 м. В нашей стране стали применять вращающиеся печи, работающие по сухому способу, размером 7×95 м, производительностью 3000 т/сут при расходе теплоты на обжиг 3400 кДж/кг. На предприятиях, работающих по мокрому способу производства, применяют печи 7х230 м, производительностью 3000 т/сут при расходе теплоты 5600 кДж/кг. Для улучшения теплообмена внутри печей ближе к верхнему (холодному) концу устраивают цепные завесы, устанавливают теплообменники различной конструкции.

Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье в виде порошка (сухой способ) или шлама (мокрый способ) подается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20—30-метрового факела. Сырье занимает только часть поперечного сечения печи и при ее вращении со скоростью 1—2 об/мин медленно движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя различные температурные зоны. Выдающийся советский ученый В. Н, Юнг, разработавший основы теории обжига клинкера, условно разделил вращающуюся печь на шесть температурных зон в зависимости от характера протекающих в них процессов. Рассмотрим эти процессы, начиная с поступления сырьевой смеси в печь, т. е. по направлению с верхнего ее конца (холодного) к нижнему (горячему).

В зоне испарения (сушки) происходит высушивание поступившей сырьевой смеси при постепенном повышении температуры с 70 до 200 °С (в конце этой зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы.

В зоне подогрева, которая следует за зоной сушки сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 до 700 °С сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глиняных минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450—500 °С) и образуется безводный каолинит Al2О3×2Si02. Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе производства занимают 50-60 % длины печи (считая от холодного конца); при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.

В зоне декарбонизации (ее протяженность 20—23 % длины печи) температура обжигаемого материала поднимается с 700 до 1100 °С; здесь завершается процесс диссоциации карбонатных солей кальция и магния и появляется значительное количество свободного оксида кальция. Термическая диссоциация СаСО3 —это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаСОз), поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее. В этой же зоне происходит распад дегидратированных глинистых минералов на оксиды SiO2, А12Оз, Fе2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы ЗСаО-А12Оз, СаО-А12Оз и частично 2CaO-SiO2.

В зоне экзотермических реакций (1100—1250 °С) проходят твердофазовые реакции образования ЗСаО×А12О3; 4CaO-AI2O3-Fe2O3 и белита. Эти экзотермические реакции на сравнительно коротком участке печи (5—7 % ее длины) сопровождаются выделением большого количества теплоты (до 420 кДж на 1 кг клинкера) и интенсивным повышением температуры материала (на 150—200 °С).

В зоне спекания (1300—1450—1300 °С) температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения (1450°С), необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера — алита. В начале спекания, начиная с 1300 °С, образуется расплав в количестве 20—30 % объема обжигаемой массы из относительно легкоплавких минералов ЗСаО-А12Оз, 4СаО-А12Оз-Fе2Оз, а также MgO и легкоплавких примесей. При повышении температуры до 1450°С в клинкерной жидкости растворяются 2CaO-SiO2 и СаО и из них в расплаве происходит образование алита ЗСаО-SiO2, проходящее почти до полного связывания оксида кальция (в клинкере СаОсвоб не более 0,5—1 %). В расплаве сначала образуются тетраэдры SiO44-, которые потом соединяются с ионами Са2+, образуя кристаллическую решетку трехкальциевого силиката. Алит плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из него в виде мелких кристаллов, что влечет дальнейшее растворение в расплаве 2CaO-SiO2 и СаО. Процесс образования алита заканчивается за 15—20 мин пребывания материала в зоне спекания (ее протяженность 10—15% длины печи). Поскольку при вращении печи частично расплавленный материал непрерывно перекатывается, мелкие частички слипаются в гранулы. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А12Оз, 4СаО×А12Оз-Fе2Оз и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения, следующей за спеканием.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000 °С; здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит С3S, белит C2S, C3A, C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен — гранул темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000 до 100—200 °С в колосниковых, рекуператорных и других холодильниках воздухом, идущим навстречу клинкеру или просасываемым через слой горячего клинкера. После этого клинкер выдерживается на складе одну-две недели.

Сухой способ производства цемента в последние годы значительно усовершенствован. Наиболее энергоемкий процесс — декарбонизация сырья — вынесен из вращающейся печи в специальное устройство — реактор-декарбонизатор, в котором он протекает быстрее и с использованием теплоты отходящих газов.

Из расходных силосов сырьевая мука сначала поступает в систему циклонных теплообменников, где, находясь во взвешенном состоянии, нагревается движущимися навстречу (снизу-вверх) отходящими газами и уже горячей подается в декарбонизатор. Непосредственно в декарбонизаторе сжигают около 50 % топлива, что позволяет быстро и почти полностью (на 90 %) завершить разложение СаСОз. Остальная часть топлива сжигается, как обычно, в горячем конце вращающейся печи, в которой получают клинкер из уже подготовленной к обжигу, т. е. декарбонизированной, сырьевой муки. Теплообменное устройство с декарбонизатором устанавливают около печи.

Повсеместное распространение сухого способа производства с применением декарбонизатора обусловлено возможностью ускорить технологический процесс, повысить суточную производительность технологических линий до 3000 т клинкера, использовать теплоту газов, отходящих из печи и холодильника, и тем самым снизить затраты топливно-энергетических ресурсов. При системе декарбонизатор—печь сокращается примерно вдвое длина вращающейся печи, компоновка цементного завода получается более компактной, соответственно уменьшается потребность в земельных площадях.

В СССР открыт новый способ производства портландцемента — путем обжига клинкера в солевом растворе хлоридов. При этом способе основная реакционная среда в печи (силикатный расплав) заменена солевым расплавом на основе хлорида кальция. В солевом расплаве ускоряется растворение основных клинкерообразующих оксидов (CaO, SiO2, А12Оз, Fe2O3) и образование минералов завершается при 1100—1150 °С вместо обычных 1400—1500 °С, что существенно снижает энергоемкость получения цементного клинкера. Полученный клинкер, наряду с алитом, содержит минерал – хлорсодержащий аналог алита, названный алинитом. Алинит — это высокоосновный А1—С1— силикат кальция, содержащий около 2,5 % хлорида. Клинкер, синтезированный в солевом расплаве, размалывается в 3—4 раза легче, чем обычный. Это позволяет снизить электрозатраты на помол и увеличить производительность цементных мельниц. При этом сокращается число помольных агрегатов. Алинитовый цемент быстрее гидратируется в начальные сроки. Технология нового цемента осваивается на цементных заводах. Сейчас глубоко изучаются коррозионная стойкость бетона на этом цементе и поведение стальной арматуры в бетоне с учетом наличия в нем хлора. Все это позволит определить рациональные области применения алинитового цемента.

Процесс обжига цементного клинкера

Общие понятия

Для того чтобы получить из сырьевой муки цементный клинкер, материал нагревают до температуры около 1450 °С. При спекании, таким образом, создаются новые, химически активные соединения, которые называются клинкерными фазами. Для процесса обжига клинкера требуется окислительная атмосфера в печи, в противном случае клинкер получается коричневого цвета (вместо черного цвета), снижается прочность цемента и гидратация замедляется. Во время обжига происходит расход тепла на нагрев материала, высушивание, на процессы обезвоживания и разложения глинистых минералов, разложение карбонатов кальция и магния, на химические процессы спекания в результате твердофазных реакций и реакций с участием расплава. Скорость этих процессов и расход тепла в них зависят от химического состава сырьевой шихты, минералогического состава и физических факторов. Полное протекание этих эндотермических реакций является решающим для качества цемента.

В таблице 1.9 приводится обзор реакций, описанных ниже. Рисунок 1.14 показывает ход реакции процессов образования клинкера во время обжига в печи. В литературе содержится подробная информация о процессах клинкерообразования [53,71,72,73,74,75, 76].

Рисунок 1.14 — Реакции во время технологического процесса обжига портландцементного клинкера (по Вольтеру) [76]

Дегидратация

Глинистые минералы (каолинит, галлуазит, монтмориллонит) в интервале температур 50. 100 0 С теряют капельно-жидкую физически связанную воду.

Таблица 1.9 — Химические реакции при термической обработке портландцементной сырьевой муки (основные реакции обжига клинкера) по [77]

В интервале температур от 100 до 400 °С из глинистых минералов удаляется адсорбционная и частично кристаллизационная вода. В пределах температуры 400-700 о С из кристаллических решеток водных алюмосиликатов выделяется кристаллизационная и кристаллохимическая вода, а остальная часть 2. 3 % выделяется только при 900. 1000 0 С.

В качестве примера, дегидратации каолинита была приведена реакция образования метакаолинита:

В интервале температур 600-900 °С метакаолинит и соответствующие продукты реакции, например, распадаются на реактивные смеси оксидов, в соответствии с:

Обезвоживание глин зависит от типа минералов, вида и количества примесей, размера частиц, типа кристаллической решетки и вида среды атмосферы.

Содержащийся в сырьевой муке CaCO₃ разлагается при температурах выше 896 °С, так как парциальное давление CO₂ не превышает 1 бар в соответствии с:

CaCO₃ → CaO + CO₂ Уравнение 11

Реакция энтальпии этого процесса составляет 1660 кДж/кг. Указанная температура действительна только для чистого кальцита; с увеличением количества примесей (например, как и в сырьевой смеси цемента), термическое разложение смещается в сторону низких температур. Она начинается на практике даже при 550-600 °С. Это вызвано химическими реакциями в результате взаимодействия CaO и примесей SiО₂, Al₂О₃ и Fe₂О₃. Таким образом, содержание свободного СаО (свободная известь) при температурах менее 800 °С является низким и составляет

Примерно при температурах 550-600 °C начинаются твердофазовые реакции между СаО, образованной в результате разложения СаСО₃, и продуктами разложения глины (SiО₂, A1₂O₃) в которых образуются первоначально кальциевые соединения предпочтительно монокальциевый алюминат CA, монокальциевый силикат CS. Формирование трехкальциевого алюмината (С₃А), алюмоферрита кальция (С₂(A,F) и двухкальциевого силиката (C₂S) в портландцементном клинкере начинается при температуре около 800 °С.

CaO·A1₂O₃ + 2CaO →3CaO·A1₂O₃ Уравнение 12

Реакции в твердом состоянии, которые происходят очень медленно, могут быть ускорены за счет уменьшения размера зерна (тонкого помола сырья), повышения температуры и дефектов кристаллической решетки.

Реакции во время спекания

Первый этап плавления и, таким образом, начало спекания происходит при температуре около 1260-1310 °С. Участок плавления в клинкере возрастает с увеличением температуры. При 1450 °С количество расплава составляет около 20 — 30% и зависит от химического состава обжигаемого материала. С увеличением силикатного модуля доля расплава в клинкере уменьшается. Появление капель расплава в сырьевой смеси с высоким уровнем несвязанного CaO является началом процесса спекания клинкера. С образованием расплава СаО и C₂S растворяются в нем и реагируют с образованием трехкальциевого силиката в соответствии с реакцией:

CaO + 2CaО·SiО₂ → 3CaО·SiО₂ Уравнение 14

Диффузия реагентов в расплаве заметно ускоряется. Это главная задача спекания, формирование ценного кристаллического трехкальциевого силиката выполнено. Это оправдывает дорогостоящий процесс обжига клинкера при высокой температуре спекания. Примеси, состоящие из алюмината и феррита расплавленной фазы, встраиваются в кристаллические решетки двухкальциевого и трехкальциевого силикатов в виде твердых фаз и образуют твердые растворы минералов. В расплаве при температурах > 1400 о С растворен весь A1₂O₃ и Fe₂О₃, в последующем образующий портландцементный клинкер. Расплав имеет примерный состав 56% CaO, 7% SiО₂, 23% Al₂О₃ и 14% Fe₂О₃. Кроме того, расплав способствует другим реакциям, например, таким как конверсия крупнозернистого кварца или известняка. Эти реакции могут ускоряться (особенно кварц) за счет увеличения зоны плавления, снижения вязкости расплава и деградации (разрушения) крупной фракции.

Вязкость расплава снижается с уменьшением величины глиноземистого модуля или с увеличением содержания Fe₂O₃. Посторонние включения также влияют на вязкость расплава, увеличение содержания щелочей, CaSО₄ и MgO снижают вязкость.

Реакции при охлаждении

Важным процессом получения цементного клинкера является его охлаждение. Из зоны охлаждения вращающихся печей клинкер выходит с температурой 1100…1300 0 С. Окончательное охлаждение его осуществляется в холодильниках.

Охлаждение клинкера оказывает существенное влияние на структуру, минералогический состав, размалываемость и, следовательно, на качество полученного из него цемента.

В первую очередь скорость охлаждения клинкера оказывает влияние на соотношение кристаллической и стекловидной фаз. При медленном охлаждении происходит кристаллизация, а при быстром – образование кристаллов замедляется и значительная часть расплава застывает в виде клинкерного стекла. Доля расплава в клинкере вращающихся печей составляет 20…25 %.

Скорость охлаждения клинкера влияет на постоянство изменения объема цемента. При быстром охлаждении большое количество MgO переходит в стекловидную фазу либо остается в микрокристаллическом состоянии (размер зерен до 5…8 мкм). При медленном охлаждении кристаллы MgO увеличиваются в размерах, достигают 30…150 мкм, что вызывает неравномерность изменения объема цемента при твердении. При резком обжиге и быстром охлаждении клинкера образуются небольшие кристаллы алита, что повышает прочность цементного камня.

Процесс охлаждения клинкера обусловливает также химическую стойкость цемента. Быстрое охлаждение клинкера повышает сульфатостойкость цемента. Это объясняется тем, что С₃А, определяющий стойкость клинкера по отношению к сульфатной агрессии, при быстром охлаждении в основном переходит в стекловидную форму и становится менее чувствительным по отношению к воздействию сульфатов.

Размалываемость клинкера зависит от многих факторов, в т.ч. и от скорости охлаждения. Сравнение данных по размалываемости быстро и медленно охлажденных клинкеров, свидетельствуют о том, что клинкер охлажденный (медленно) в барабанном холодильнике, требует более высоких энергозатрат на помол, чем клинкер, охлажденный (быстро) в колосниковом холодильнике. Более высокое содержание стекловидной фазы и небольшие размеры кристаллов клинкерных минералов повышают размалываемость быстро охлажденного клинкера по сравнению с охлажденным медленно. Эти данные показывают на необходимость быстрого охлаждения клинкера.

При очень медленном охлаждении клинкер будет разлагаться до двухкальциевого силиката, в результате снижается содержание в клинкере части ценного трехкальциевого силиката. Соответственно, очень медленное охлаждение приводит к снижению прочности цемента [78]. При быстром охлаждении, что желательно, расплав затвердевает в виде клинкерного стекла. В отличие от расплавов, богатых SiО_2, которые затвердевают (застывают) обычно застеклованные, в производственном процессе портландцементного клинкера кристаллизуется также алюмоферритная фаза. Таким образом, производственный клинкер, полученный при температуре спекания, представляет собой частично закристаллизованный и частично «замороженный» в виде равновесного расплава материал (застывший в виде клинкерного стекла).

АСУТП печи обжига клинкера

В конце 2000 года была сдана в эксплуатацию АСУТП печей обжига цементного клинкера (АСУТП «Обжиг-2») на ОАО «Пикалёвское об]единение «Глинозём». Комплекс технических средств АСУТП «Обжиг-2» составлен на базе ПЛК GE Fanuc 90-30 и технических средств КИПиА фирмы «Jumo» в соответствии с пожеланием заказчика.

Назначение системы
АСУТП «Обжиг-2» предназначена для автоматизации оперативно-диспетчерского управления технологическим процессом обжига во вращающихся печах с колосниковыми холодильниками, работающими на газовом топливе, а именно:

• стабилизация процесса обжига во вращающейся печи;
• обеспечение минимального расхода топлива;
• увеличение срока стойкости футеровки;
• повышение производительности печи и качества клинкера.

Цель создания АСУТП

• повышение качества управления процессом обжига в печах;
• повышение надёжности и ремонтопригодности системы управления;
• сокращение сроков обслуживания и ремонта;
• снижение эксплуатационных затрат на обслуживание системы;
• повышение безопасности и стабильности технологического процесса;
• прогнозирование технологических работ оборудования;
• накопление информации о технологическом процессе.

Общее число входных/выходных сигналов: 714
В том числе сигналов:
контролируемых аналоговых (расходы, давления, температуры): 306
контролируемых дискретных: 303
дискретных управляющих: 105

Состав системы
АСУТП «Обжиг-2» представляет собой распределённую иерархическую систему. На каждую печь предусматривается один резервированный контроллер GE Fanuc серии 90-30 в горячем конце и система децентрализованного ввода/вывода Field Control фирмы GE Fanuc в горячем и холодном конце. ПЛК серии 90-30 и Field Control всех печей соединяются между собой по сети Genius Bus. Автоматизированные рабочие места операторов печей (ПЭВМ) соединены с контроллерами и между собой сетью Ethernet. Рис. 1 Система предусматривает следующие контура регулирования:

• контур регулирования подачи шлама в печь;
• контур регулирования подачи фосфогипса в печь;
• контур регулирования расхода природного газа;
• контур регулирования расхода мазута;
• контур регулирования разрежения отходящих газов в холодной головке печи;
• контур регулирования разрежения отходящих газов в горячей головке печи;
• контур регулирования давления воздуха острого дутья;
• контур регулирования давления воздуха общего дутья.

Автоматика безопасности печей реализована на отдельных модулях контроллера. Схема автоматики безопасности разработана для существующей схемы газоснабжения печи и предусматривает автоматическую отсечку топлива при любом из возможных состояний параметров:

• понижение или повышении давления газа перед горелкой;
• падение разрежения в пылевой камере печи;
• падение разрежения перед дымососами;
• падение давления воздуха общего дутья холодильника;
• исчезновение напряжения питания.

Управление электроприводом отсечного клапана осуществляется контактами выходного релейного модуля контроллера. В АСУТП «Обжиг-2» используется программный пакет FIX MMI v7.0 на 300 точек ввода-вывода фирмы Intellution, Inc. (США).