Подпишитесь на наши новости.

Email:


Подписаться

Бандурина Юлия Анатольевна, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова; научный руководитель — канд. техн. наук, доцент Д. А. Мишин «Изучение твердофазовых реакций с участием расплава на примере реакции синтеза алита»

Аннотация

Разработана методика изучения процесса алитообразования, в основу которой положено предварительное формирование зоны реакции. В ходе иссле­дования установлено, что в качестве характеристики скорости химической реак­ции можно использовать ширину зоны реакции алитообразования.

Ключевые слова: алит; жидкая фаза; клинкерный расплав; оксид каль­ция; белит; минерализатор.

Изучение механизма реакций образования алита представляет большой теоретический и практический интерес при решении вопроса о рациональной организации обжига клинкера. Многие авторы придерживаются противоречи­вых взглядов на механизм образования алита. В соответствии с представлениями В. Н. Юнга, алит может образоваться лишь при наличии жидкой фазы, выпадая из нее как менее растворимое соединение [1]. В противовес ему О. М. Астреева предполагает возможность образования некоторой части алита путем реакции в твердом состоянии [2].

По мнению Н. А. Торопова, основная часть алита выкристаллизовыва­ется из расплава после растворения в нем СаО и С2S. В то же время С. М. Рояк [3] считает, что значительная часть алита образуется путем твердофазовой реакции. По этому поводу интересные соображения о возможности гетерофазного про­цесса образования алита высказал В. В. Тимашев. Согласно его исследованиям, если реализуется растворный механизм образования этого минерала, при появ­лении жидкой фазы должно наблюдаться скачкообразное ускорение синтеза С3S. В случае же, если основная часть образуется по пути, высказанному С. М. Роя­ком, такое ускорение не должно иметь места. Кроме того, Тимашев теоретически обосновал влияние кинетики растворения оксида кальция в расплаве на процесс алитобразования следующими двумя положениями [4]:

1) кристаллы СаО, вступающие в реакцию лишь в зоне спекания, были подвержены процессу алитообразования и, следовательно, понизили свою реакционную способность. Кристаллы белита в этом интервале температур, наоборот, имеют наименьшие размеры, поскольку они еще не подверглись процессу рекристаллизации и большая суммарная по­верхность обеспечивает им большую реакционную способность при взаимодействии с расплавом [4].

2) так как коэффициент насыщения (КН) клинкера практически всегда меньше единицы, количество C2S в нем оказывается избыточным по отношению к содержанию свободного СаО, поэтому для достижения полного усвоения оксида кальция кристаллам C2S достаточно раство­риться лишь частично, тогда как кристаллы СаО должны полностью перейти в расплав и прореагировать. Следовательно, полное раство­рение кристаллов, число которых в процессе растворения остается не­изменным, неизбежно будет сопровождаться замедлением процесса вследствие уменьшения их размеров и реакционной поверхности.

Таким образом, на сегодняшний день известны только основные мо­менты механизма образования алита в присутствии расплава, заключающиеся в том, что кристаллы СаО и С2S растворяются в клинкерном расплаве, а обра­зовавшиеся ионы диффундируют навстречу друг другу, пересыщая по отноше­нию к С3S клинкерный расплав в определенной области, в которой и происходит кристаллизация алита. Поэтому образование алита тесным образом связано с физико-химическими свойствами жидкой фазы, возникающей в клинкере. Од­нако некоторые детали процесса образования алита остаются неизвестными до настоящего времени, что связано с наличием в системе достаточно агрессивно­го железосодержащего клинкерного расплава, способного окислять при высоких температурах даже платину.

В настоящее время основным методом изучения высокотемпературных твердофазных реакций, протекающих с участием расплава, является исследование образцов различного состава, подвергающихся тепловой обработке в различные периоды времени. Недостатком такого подхода является то, что в этом случае фиксиру­ется множество промежуточных процессов и выделить последовательность их протекания невозможно.

Цель данного исследования — разработка метода изучения механизма образования алита в при­сутствии клинкерного расплава. Для этого проводи­лось предварительное формирование зоны реакции (рис. 1)

 

1

 

между реагирующими компонентами и ее по­следующее изучение различными методами (желательно петрографическим, чтобы полученное доказательство было визуальным). В каче­стве объекта исследования выбрана реакцию синтеза алита в присутствии рас­плава. Реагирующими компонентами этой реакции являются СаО и С2S:

1

Реализация метода состояла из следующих этапов:

1) изготовление двух составов, содержа­щих расплав и один из реагирующих компонентов (табл. 1);

2) формование таблетки диаметром 10 мм одного состава и последующем напрес­совывании таблетки другого состава (рис. 2), усилие прессования 350 кгс;

 

1

 

3) обжиг при необходимой температуре и времени выдержки с последующим ох­лаждением на воздухе;

4) изучение предварительно сформированной зоны реакции необходи­мыми методами.

Так как синтез алита изучался в присутствии клинкерного расплава, содержание расплава в образцах составляло примерно 30 %, как в случае с про­мышленными клинкерами. В качестве объекта исследования взята реакция син­теза алита без примесей и реакция синтеза алита в присутствии минерализатора. Составы исследуемых образцов представлены в табл. 1. Смеси изготавливали на основе химически чистых реактивов. Состав расплава соответствовал составу клинкерной эвтектики, плавящейся при температуре 1338 °С.

1

1

 

Результаты эксперимента представлены в табл. 2.

Так как по общепринятой теории алит образуется через растворение СаО и С2S в расплаве, растворяться будут кристаллы СаО и С2S, находящиеся в непосредственной близости друг от друга. Вследствие этого должно происходить увеличение ширины зоны реакции, а также увеличение кристаллов алита вну­три рассматриваемой зоны. Действительно, при обжиге бездобавочной сырьевой смеси при температурах 1380 ºС и 1400 ºС (образцы 1 и 2, табл. 2) ширина зоны реакции увеличивается вместе с размерами кристаллов алита с ростом темпера­туры. Размеры СаО и С2S на границе зоны реакции меньше, чем в центре таблет­ки, за счет растворения их в расплаве.

Наиболее распространенным минерализатором является плавиковый шпат (СаF2). Разработанная нами методика позволяет определить влияние СаF2 на процессы растворения СаО и С2S по отдельности и синтез алита в целом. Прак­тически это осуществляется вводом СаF2 сначала в половину таблетки состава «СаО + расплав», затем в половину таблетки состава «С2S + расплав».

При добавлении СаF2 в половину таблетки состава «СаО + расплав» размер кристаллов СаО на границе зоны реакции меньше, чем в центре зоны СаО, за счет более интенсивного растворения кристаллов в расплаве в результа­те снижения вязкости клинкерного расплава.

При добавлении СаF2 в половину таблетки состава «С2S + расплав» (об­разец 4, табл. 2) образуется мелкокристаллический С3S размером 12 мкм (на 4 мкм меньше, чем в образце 3).

СаF2 при раздельном вводе интенсифицирует процесс образования али­та, так как ширина зоны реакции достигает размеров бездобавочных образцов (выдержка 30 мин) уже при выдержке 15 мин. С еще большей скоростью проте­кает процесс алитообразования (образец 5, табл. 2) при одновременном вводе в обе части таблетки. Ширина зоны реакции при этом достигает 185 мкм при изо­термической выдержке в течение 15 мин.

Выводы

Предложенная методика пригодна для изучения процесса алитообра­зования, ширину зоны реакции можно использовать в качестве характеристики скорости химической реакции.

Литература

  1. Юнг В.Н. Основы технологии вяжущих веществ. М.: Промстройиздат, 1951. С. 546.
  2. Астреева О.И. Процессы клинкерообразования во вращающихся пе­чах // Труды совещания по химии цемента. М.: Стройиздат. 1956. № 3.
  3. Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1983. С. 279.
  4. Тимашев В.В. Кристаллообразование в процессе спекания портланд­цементного клинкера// Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева. М.: МХТИ, 1957. № 24. С. 69–80.

"Организованная компанией «АЛИТ» выставка нашему руководящему составу понравилась. Достаточно интересная, актуальная строительная выставка."

Информационные партнеры