Физико-химические основы производства портландцемента
Курсовой проект - Разное
Другие курсовые по предмету Разное
а другие вступают в новые реакции и образуют новые соединения. Направление и механизм этих превращений мало зависят от состава расплава, но скорость их определяется в основном свойствами жидкой фазы.
Образование и свойства жидкой фазы. Расплав возникает в грануле в виде капель и пленок различного диаметра и толщины. Гранулы к этому периоду представляют собой конгломерат несовершенных кристаллов СаО, MgO, C2S, C3A, C12A7, C4AF и ряда неравновесных минералов. Появившийся расплав смачивает кристаллы конгломерата и дополнительно сближает их за счет сил поверхностного натяжения жидкости. Одновременно с этим происходит взаимодействие между расплавом и кристаллами, приводящее к их растворению в жидкой фазе и кристаллизации из нее новых более термодинамически устойчивых минералов.
Процесс плавления кристалла можно рассматривать как накопление в нем вакансий. С повышением температуры возрастает амплитуда колебаний ионов в решетке вокруг положения равновесия и, когда величина ее превысит среднее межатомное расстояние, начинается переход тела в новое агрегатное состояние - жидкость, пар. В стадии предплавления кристалл испытывает сильное термическое расширение, обусловленное большими амплитудами колебания ионов и разрывом части химических связей. Возникающие в кристалле вакансии склонны к флуктуационному слиянию и при их скоплении образуются линии и поверхности разрыва, которые обособляют друг от друга группировки ионов различного, но небольшого размера. Если с повышением температуры химические связи в решетке разрываются постепенно и равномерно, то кристалл тоже постепенно размягчается и превращается вначале в очень вязкую жидкость, структура которой близка к структуре исходного твердого тела. Так размягчаются кварц, полевые шпаты, шлаки. Если же с повышением температуры решетка резко расширяется и химические связи в ней разрываются быстро и неравномерно, то в кристалле вблизи точки плавления возникают хаотически расположенные микроучастки (капли) метастабильной жидкой фазы, после чего он сразу, же полностью (конгруэнтно) или частично (инконгруэнтно) переходит в легкоподвижную жидкость. Так плавится большинство кристаллов кальциевых соединений, ранее образовавшихся в обжигаемом материале по реакциям в твердой фазе. Сопутствующие плавящемуся кристаллу различного рода примеси стимулируют процесс плавления, но не влияют заметно на изменение его механизма и скорости.
Образования эвтектического расплава происходит лишь в незначительной степени (1523-1553 К) независимо от вида примесей в сырье. Поэтому при обжиге сырьевых смесей различного состава образование минералов в них с участием жидкой фазы начинается примерно при одинаковых температурах. Однако количество жидкости, образующейся при соизмеримой для разных шихт температуре, и ее состав изменяются от смеси к смеси.
Повышение температуры обжига материала до 1673-1723 К сопровождается изменением состава и количества эвтектического расплава. В эвтектическом расплаве при этом дополнительно растворяются СаО и SiО2, а концентрации А12О3 и Fe2О3 понижаются. Расплав, существующий в клинкере при 1723 К и насыщенный по отношению к СаО, в одном из опытов имел состав: 57% СаО; 7,5% SiО2; 22,6% А12О3; 12,9% Fe2О3. Этот равновесный состав насыщенного при 1723 К.
Оксиды Na2О, K2O, SО3 при температурах 1673-1723 К концентрируются в основном в расплаве. Если в клинкере содержатся щелочные сульфаты хлорида и фторида кальция, то они также могут войти в состав расплава.
Количества жидкой фазы, образующейся при 1673-1723 К в смеси из чистых извести, кремнезема, глинозема и оксиды железа при постоянной сумме Al2O3 + Fe2O3 = 9%, показывают, что в пределах изменения глиноземного модуля от 0,64.до 2,0 количество жидкой фазы в нормальном по составу клинкере изменяется от 22,4 до 24,8%, т. е. незначительно.
Таблица 2.1
Изменение содержания в клинкере жидкой фазы, %, в зависимости от величины глиноземного модуля.
Температура, оС Содержание расплава при глиноземном модуле0,64I ,252,001338 1400 145018,3 24,3 24,821,1 23,6 24,00 22,4 22,9
В отдельных случаях, связанных с особенностями состава сырьевых смесей и технологического процесса производства, содержание расплава в клинкере может достигать 30-35% или быть ниже 15%. Обычно количество жидкой фазы в портландцементных клинкерах, обжигаемых при 1723 К, составляет 20-30%.
Жидкая фаза портландцементного клинкера в интервале температур от 1673 до 1723К не является истинным раствором. Она представляет собой структурированную жидкость, поскольку содержит некоторое количество агрегатов (кристаллов, сиботаксических групп и т. п.), присутствие которых обусловлено химической природой расплава, неустановившимся равновесием или пересыщенным состоянием расплава. Структурными элементами расплава являются простые и сложные ионы, т. е. расплав - это ионная жидкость. Катионы в расплаве по характеру связи с кислородом можно разделить на две группы: катионы-модификаторы и катионы-комплексообразователи. Катионы-модификаторы, к которым относятся главным образом ионы щелочных и щелочноземельных металлов (Са2+, Mg2+, Na+, K+, Mn2+, Fe2+) образуют с кислородом преимущественно ионную связь. Они не способны к полимеризации и существуют в расплаве в виде изолированных групп Катионы-комплексообразователи (Si4+, Al3+, Р5+, В3+) образуют с кислородом преимущественно жесткую ковалентную связь и прочно удерживают его около себя, вследствие чего образуются комплексные ионы типа [SiO]4-, [PO4]3-, [АlO4]5- и др. Названные комплексные ионы склонны к полимеризации и образуют сложный ан?/p>