Lsf, Sr And Ar Indices In Clinker (cement) Production

Ο ρόλος των δεικτών ποιότητας LSF, SR και AR στη ρύθµιση της τροφοδοσίας για παραγωγή τσιµέντων συγκεκριµένου τύπου Κ.Γ. Τσακαλάκης Αναπληρωτής Καθηγητής, Σχολή Μηχ. Μεταλλείων-Μεταλλουργών Ε.Μ.Π.

Λέξεις κλειδιά: Πρώτες ύλες τσιµέντου, δείκτες ποιότητας κλίνκερ, µηχανική ελάττωση µεγέθους, οµογενοποίηση, µαθηµατική µοντελοποίηση ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην παρούσα εργασία εξετάζεται ο ρόλος των δεικτών ποιότητας LSF, SR και AR, η µεθοδολογία και ο τρόπος προσδιορισµού, υπό «στατικές» συνθήκες (steady state conditions), της αναλογίας των πρώτων υλών που θα χρησιµοποιηθούν µε στόχο την παραγωγή τσιµέντου συγκεκριµένου τύπου. Το τσιµέντο που θα παραχθεί πρέπει να παρουσιάζει συγκεκριµένη συµπεριφορά κατά την ενυδάτωσή του και να προσδίδει σε βάθος χρόνου κατάλληλες ιδιότητες στο σκυρόδεµα για το οποίο θα χρησιµοποιηθεί. Ως δεδοµένα χρησιµοποιούνται η χηµική και ορυκτολογική σύσταση των δεδοµένων πρώτων υλών και ο τύπος του τσιµέντου που επιδιώκεται να παραχθεί, ο οποίος εκφράζεται από τους δείκτες ποιότητας του κλίνκερ που έχουν καθιερωθεί και εφαρµόζονται διεθνώς. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιείται το µαθηµατικό λογισµικό Mathcad, το οποίο επιτρέπει τη διεξαγωγή των διαφόρων υπολογισµών µε µεγάλη ταχύτητα και ακρίβεια. 1. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ - ΟΙ ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ 1.1. Γενικά Η κυριώτερη πρώτη ύλη για την παραγωγή του κλίνκερ είναι τα ασβεστολιθικά πετρώµατα, που εξορύσσονται επιφανειακά κοντά στη µονάδα παραγωγής του τσιµέντου. Ποσοστό περίπου 80% από τους 1.65 τόννους πρώτων υλών που απαιτούνται για την παραγωγή 1 τόννου κλίνκερ, είναι ασβεστολιθικό υλικό, οπότε επιβάλλεται η γειτνίαση της περιοχής των εξόρυξης ασβεστολιθικών πετρωµάτων και της µονάδας παραγωγής τσιµέντου για έλεγχο του σηµαντικού κόστους µεταφοράς. Το µείγµα των πρώτων υλών (θραυσµένος ασβεστόλιθος, αργιλικά πετρώµατα, χαλαζιακά πετρώµατα, σιδηροµετάλλευµα, βωξίτης) αναµειγνύονται, θραύονται σε δεύτερο στάδιο, λειοτριβούνται και υφίστανται οµογενοποίηση. Το οµογενοπιηµένο µείγµα πρώτων υλών υφίσταται πυροµεταλλουργική κατεργασία µέσα σε περιστροφική κάµινο (rotary kiln). • Οι τρείς κύριες διεργασίες παραγωγής του τσιµέντου είναι και φαίνονται στο διάγραµµα 1: 1. Η προετοιµασία των πρώτων υλών (θραύση, λειοτρίβηση, οµογενοποίηση) 2. Η πύρωση και η µεταλλουργική κατεργασία (πυροσυσσωµάτωση ή κλινκεροποίηση) στην περιστροφική κάµινο 3. Η τελική λειοτρίβηση του κλίνκερ και η παραγωγή του τσιµέντου

1 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Σχήµα 1. ∆ιάγραµµα ροής διεργασιών παραγωγής τσιµέντου

1.2. Οι πρώτες ύλες του τσιµέντου

2 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Τα χαρακτηριστικά του κλίνκερ και του τσιµέντου που θα παραχθεί από αυτό εξαρτώνται, όπως είναι φυσικό, από τις πρώτες ύλες που επιλέγονται, από την αναλογία τους στο µείγµα, από την προετοιµασία τους (θραύση, λειοτρίβηση, οµογενοποίηση) και από την πυροµεταλλουργική κατεργασία στην οποία υποβάλλονται. Η ποσοστιαία κατά βάρος % συµµετοχή των πρώτων υλών στην παραγωγή τσιµέντου δίνεται στο Σχήµα 2.

Σχήµα 2. Κατά προσέγγιση (βάρος %) συµµετοχή πρώτων υλών στην παραγωγή τσιµέντου

Το µείγµα των πρώτων υλών (τροφοδοσία) πρέπει να έχει την κατάλληλη µέση χηµική και ορυκτολογική σύσταση, ώστε µετά την πυροσυσσωµάτωσή τους το κλίνκερ να παρουσιάζει ορισµένη σύσταση στα κύρια οξείδια CaO, SiO2, Al2O3 και Fe2O3 που εµφανίζονται στο κλίνκερ υπό τη µορφή των ενώσεων (φάσεων) C3S, C2S, C3A και C4AF. Η ποσοστιαία % σύσταση του κλίνκερ στις ενώσεις αυτές επηρεάζει, σε συνδυασµό µε το βαθµό λεπτότητας (Blaine fineness) κατά την άλεση, τη χηµική συµπεριφορά του τσιµέντου που θα παραχθεί και καθορίζει τα πεδία εφαρµογής του (καταλληλότητα) για ορισµένες χρήσεις. Μετα τον προσδιορισµό της κατάλληλης σύνθεσης του φορτίου, οι θραυσµένες πρώτες ύλες (για ξηρή µέθοδο παραγωγής τσιµέντου) αναµειγνύονται κατάλληλα για την παραγωγή ενός οµοιόµορφου µείγµατος που θα υποστεί περαιτέρω ελάττωση µεγέθους (θραύση, λειοτρίβηση). Η καλή ανάµειξη εξασφαλίζει οµοιόµορφη κατανοµή των πρώτων υλών στην τροφοδοσία του κυκλώµατος θραύσης και λειοτρίβησης και επίσης την παραγωγή κλίνκερ οµοιόµορφης ποιότητας. Μετά τη λειοτρίβηση το υλικό της οµογενοποιηµένης µέσης τροφοδοσίας αποθηκεύεται σε κατάλληλες αποθήκες (σιλό) από τις οποίες τροφοδοτούνται οι περιστροφικές κάµινοι παραγωγής του κλίνκερ. Οι διεργασίες παραγωγής της οµογενοποιηµένης τροφοδοσίας δίνονται στο Σχήµα 3.

3 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Σχήµα 3. Προετοιµασία πρώτων υλών παραγωγής τσιµέντου

2. ΤΥΠΟΙ ΤΣΙΜΕΝΤΩΝ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΟ ΑΜΕΡΙΚΑΝΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ASTM

2.1. Ιδιότητες κλίνκερ και ιδιότητες παραγόµενου τσιµέντου Τα τσιµέντα αµερικανικού τύπου κατατάσσονται από το ASTM (American Standards Testing Materials) σε πέντε κατηγορίες I, II, III, IV και V. Οι κύριες κατηγορίες χωρίζονται επίσης σε υποκατηγορίες, ανάλογα µε τις προσθήκες ανόργανων υλικών (ιπτάµενη τέφρα, σκωρίες υψικαµίνων, ιπτάµενη τέφρα, ποζολανικά υλικά κλπ.) που περιέχουν. Τα τσιµέντα τύπου I κατά ASTM χαρακτηρίζονται ως «κοινά τσιµέντα» (OPC, ordinary Portland cement) µε περιεκτικότητες σε C3S 50-55%, C2S 18-25% περίπου και οι άλλες φάσεις C3A, C4AF κυµαίνονται από 1-17%. Τα τσιµέντα τύπου II κατά ASTM είναι µέσης αρχικής αντοχής (µέσης αρχικής θερµότητας ενυδάτωσης) και µέσης αντοχής σε θειϊκές ενώσεις µε µέγιστο ποσοστό περιεχόµενου C3A 8%. Τα τσιµέντα τύπου III χαρακτηρίζονται ως τσιµέντα υψηλής αρχικής αντοχής και έχουν περιεκτικότητα σε C3S παρεµφερή µε αυτή των κοινών τσιµέντων (τύπου I) ή και µεγαλύτερη και επίσης παρουσιάζουν µεγαλύτερη λεπτότητα (Blaine fineness), µέσω της άλεσης απ’ ό,τι τα κοινά τσιµέντα, γεγονός που εξασφαλίζει µεγαλύτερη αρχική ταχύτητα ενυδάτωσης και ως εκ τούτου και αρχική αντοχή. Τα τσιµέντα τύπου IV κατά ASTM χαρακτηρίζονται ως τσιµέντα χαµηλής αρχικής θερµότητας ενυδάτωσης (µικρό ή ενδιάµεσο ποσοστό % C3S) και µικρό ποσοστό C3A, γεγονός που τα κάνει κατάλληλα για ογκώδεις κατασκευές (φράγµατα κλπ.), όπου η απότοµη αύξηση της εκλυόµενης θερµότητας ενυδάτωσης πρέπει να αποφεύγεται για λόγους προστασίας των έργων από ρωγµατώσεις. Τα τσιµέντα τύπου V κατά ASTM παρουσιάζουν χαµηλό ποσοστό (≤ 5% σε C3A) και είναι ανθεκτικά σε θειϊκές ενώσεις (π.χ. κατάλληλα για έργα σκυροδέµατος σε θαλάσσιο περιβάλλον). Τα τσιµέντα του Πίνακα 1 µε περιεκτικότητες σε C3S από 25-45% και µεγάλο ποσοστό σε C2S χαρακτηρίζονται ως τσιµέντα χαµηλής ή µέσης αρχικής θερµότητας ενυδάτωσης ή βελιτικά τσιµέντα.

4 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Στον Πίνακα 1 δίνεται η σύσταση των διαφόρων τύπων τσιµέντων σύµφωνα µε το αµερικανικό πρότυπο ASTM. Πίνακας 1. Σύσταση διαφόρων τύπων αµερικανικών τσιµέντων Portland Πηγή: SME Mineral Processing Handbook, Editor Alfred Weiss, 1985, p.26-6. Χηµική σύσταση κλίνκερ % Ποσοστό % φάσεων κλίνκερ Τύπος τσιµέντου CaO Al2O3 Fe2O3 SiO2 SO3 Free CaO C 3S C 2S C3A C4AF κατά ASTM I1 63.8 5.6 2.4 20.7 1.6 0.4 55 18 11 7 Ι2 63.1 4.7 3.0 22.1 1.7 0.2 47 28 7 9 I I3 65.8 4.7 2.1 22.2 1.6 1.6 54 23 9 6 I4 62.8 6.7 2.5 21.1 1.8 2.0 33 35 14 8 II1 61.4 4.8 4.8 20.8 1.8 0.9 44 26 5 15 II II2 64.9 4.0 2.1 24.0 1.7 1.5 41 38 7 6 III1 65.6 5.2 2.5 20.0 2.3 1.8 63 10 10 8 III III2 63.3 5.1 2.0 20.3 2.5 1.9 51 19 10 6 IV1 59.6 4.6 5.0 22.9 1.3 0.4 25 47 4 15 IV IV2 63.6 3.7 3.1 25.2 1.9 0.4 31 49 5 9 V1 64.3 3.1 3.3 24.4 1.4 0.5 45 36 3 10 V V2 63.3* 3.3 4.7 23.1 1.7 0.0 49 30 1 14 * Ενσωµατωµένη η διόρθωση για την ελεύθερη άσβεστο (Free CaO) Όπου: C3S = 3CaO·SiO2 C2S = 2CaO·SiO2 C3A = 3CaO·Al2O3 C4AF= 4CaO· Al2O3· Fe2O3, είναι οι κυριότερες φάσεις του κλίνκερ και προσιορίζονται µε διάφορες µεθόδους (Bogue, Rietveld, XRD, οπτική µικροσκοπία κλπ.). 2.2. ∆είκτες ποιότητας κλίνκερ τσιµέντων αµερικανικού προτύπου Στον Πίνακα 2 δίνονται οι τυπικές τιµές των δεικτών SR (πυριτικός δείκτης), AR (αργιλικός δείκτης), του Leq (υδραυλικός δείκτης) και του LSF (βαθµός κορεσµού σε άσβεστο) προς παραγωγή των τσιµέντων του αµερικανικού πρότυπου που δίνονται στον Πίνακα 1.

5 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Πίνακας 2. Τυπικές τιµές των δεικτών SR, AR του Leq και του LSF για την ανάµειξη των πρώτων υλών προς παραγωγή τσιµέντων του αµερικανικού πρότυπου (ASTM) του Πίνακα 1. Πηγή: SME Mineral Processing Handbook, Editor Alfred Weiss, 1985, p. 26-6. Τύπος τσιµέντου κατά ASTM

SR (πυριτικός δείκτης)

AR (αργιλικός δείκτης)

LSF, (βαθµός κορεσµού σε άσβεστο), %* 95.43 90.04 96.45 92.69 90.46 90.46 102.81 98.00 80.30 83.19 87.34 86.78 LSF, AR και SR, που

Leq , (υδραυλικός δείκτης)

I1 2.6 2.3 Ι2 2.9 1.6 I I3 3.3 2.2 2.3 2.7 I4 II1 2.2 1.0 II 3.9 1.9 II2 III1 2.6 2.1 III 2.9 2.6 III2 IV1 2.4 0.9 IV 3.7 1.2 IV2 V1 3.8 0.9 V 2.9 0.7 V2 * O LSF υπολογίστηκε από τη σχέση µεταξύ Leq διαµορφώθηκε παρακάτω

2.2 2.1 2.3 2.1 2.0 2.2 2.4 2.3 1.8 2.0 2.1 2.0 και

Οι LSF, SR, AR και Leq χαρακτηρίζονται ως δείκτες ποιότητας του κλίνκερ και κατ’ επέκταση και του τσιµέντου που θα παραχθεί από αυτό, µε άλεση και διάφορες ανόργανες προσθήκες.

SR =

s SiO2(%) = a + f ( Al 2O3 + Fe2O3)%

AR =

a Al 2O3(%) = f Fe2O3(%)

LSF =

100 ⋅ c (% ) 2.8 ⋅ s + 1.18 ⋅ a + 0.65 ⋅ f

Leq =

c(%) CaO(%) = ( s + a + f )(%) (SiO2 + Al 2O3 + Fe2O3)(%)

(1)

(2)

(3)

(4)

6 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Από τις παραπάνω σχέσεις, µε κατάλληλη επεξεργασία, προκύπτει ότι η σχέση, που συνδέει τους δείκτες ποιότητας κλίνκερ, δίνεται από την εξίσωση:

LSF =

100 ⋅ Leq ⋅ ( AR + 1) ⋅ ( SR + 1) 2.8 ⋅ SR( AR + 1) + 1.18 ⋅ AR + 0.65

(5)

Με τη βοήθεια της εξίσωσης (5) συµπληρώθηκε ο Πίνακας 2 µε τις αντίστοιχες τιµές του LSF. Από τις % περιεκτικότητες των φάσεων C3S, C2S, C3A και C4AF (πιθανή σύσταση κατά Bogue), που φαίνονται στον Πίνακα 1, διαπιστώνεται ότι τα τσιµέντα I1, I3, III1 και III2 θεωρούνται ως «κοινού τύπου» (ordinary Portland cements), ενώ όλα τα υπόλοιπα τσιµέντα του πίνακα µπορούν να χαρακτηριστούν ως «βελιτικά» (σηµαντικό ποσοστό σε C2S). Ο δείκτης LSF χρησιµοποιείται σήµερα ως ένας από τους σπουδαιότερους δείκτες για τον χαρακτηρισµό της ποιότητας του τσιµέντου και οι τιµές του κυµαίνονται: 0.66 ≤ LSF ≤ 1.02 Το ανώτερο όριο του LSF (1.02) εξασφαλίζει ότι, κατά τη µετατροπή των πρώτων υλών σε κλίνκερ, δεν παραµένει ελέυθερο οξείδιο του ασβεστίου (CaO, free lime), που έχει ως αποτέλεσµα την παρουσία του και τη συµµετοχή του κατά τη διεργασία ενυδάτωσης του τσιµέντου. Τιµή του LSF µικρότερη από 0.66, προκαλεί προβλήµατα κατά την πυροσυσσωµάτωση (έψηση) µε αποτέλεσµα το ποσοστό του C3S στο κλίνκερ που παράγεται να είναι χαµηλό. Έτσι, το σκυρόδεµα δεν µπορεί να αποκτήσει την αρχική αντοχή του, που προκύπτει κατά την ενυδάτωση του τσιµέντου και οφείλεται κατά το µεγαλύτερο ποσοστό στο πυριτικό τριασβέστιο (C3S, 3CaO⋅SiO2 ). Ο πυριτικός δείκτης SR δίνει τη σχετική τιµή των συνολικών πυριτικών ενώσεων (C3S+C2S) προς τις C3Α και C4ΑF που υπάρχουν στο κλίνκερ. Οι τιµές του συνήθως κυµαίνονται µεταξύ 1.7 και 2.5 µε συνηθέστερες αυτές µεταξύ 2.0 και 2.5. Αύξηση της τιµής του λόγου SR έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση των περιεχόµενων πυριτικών ενώσεων εις βάρος των C3Α και C4ΑF, που καθορίζουν την ποσότητα της υγρής φάσης κατά την τήξη των πρώτων υλών. Ο λόγος ΑR ελέγχει τη σύνθεση του κλίνκερ όσον αφορά στις αναλογίες µεταξύ των C3Α και C4ΑF. Οι τιµές του αργιλικού δείκτη στα τσιµέντα κοινού τύπου κυµαίνονται µεταξύ 1.0 και 3.0. Η συνολική (C3S + C2S) % περιεκτικότητα του κλίνκερ του τσιµέντου στις πυριτικές φάσεις C3S και C2S κυµαίνεται µεταξύ 70-82% (Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, Arnold 1998), ενώ εκτός των παραπάνω φάσεων στο κλίνκερ υπάρχουν και τα παρακάτω: • 0-17 % C3A • 1-17% C4AF • 0.5-6% MgO • 0.5-3% Na2SO4, K2SO4 και ενώσεις που περιέχουν αυτές • 0.2-4% ελέυθερη άσβεστος (CaO) 2.3. Επίδραση των πρώτων υλών στη διαδικασία παραγωγής τσιµέντων Στον Πίνακα 3, που ελήφθη από τη βιβλιογραφία και αφορά σε σύνθεση της τροφοδοσίας από τέσσερεις (4) πρώτες ύλες, δίνεται η τυπική ανάλυση (ορυκτολογική, χηµική, ποσοστιαία % κατά βάρος) των πρώτων υλών για την παραγωγή τσιµέντων τόσο κοινού τύπου (OPC) όσο και ειδικού

7 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

τύπου (βελιτικά ή υψηλής αρχικής αντοχής) και επίσης δίνεται η µέση περιεκτικότητα της τροφοδοσίας που επιδιώκεται να παραχθεί από τις συγκεκριµένες πρώτες ύλες. Η απλούστερη µέθοδος δηµιουργίας της µέσης περιεκτικότητας της τροφοδοσίας για την παραγωγή του τσιµέντου ήταν η ανάµειξη δύο (2) διαφορετικών, συµβατών µεταξύ τους από πλευράς χηµικής σύστασης πρώτων υλών. Η παραπάνω µεθοδολογία είχε υιοθετηθεί και εφαρµόζονταν για πολλά χρόνια σ’όλες τις χώρες που παράγουν τσιµέντο, επειδή απαιτούσε τον ελάχιστο έλεγχο στη ρύθµιση της µέσης τροφοδοσίας. Το πρόβληµα όµως της παραγωγής ειδικών τύπων τσιµέντου, όπως επίσης η ρύθµιση της τροφοδοσίας σε αλκάλια για τον έλεγχο της ευτηκτικής φάσης που πρέπει να δηµιουργείται στη ζώνη µετατροπής των πρώτων υλών σε κλίνκερ, απαιτεί σήµερα την ανάµειξη περισσοτέρων από δύο πρώτων υλών για την επίτευξη της κατάλληλης µέσης περιεκτικότητας τροφοδοσίας. Στις περιπτώσεις αυτές είναι απαραίτητη οπωσδήποτε η χρήση µιας πρώτης ύλης µε περιεκτικότητα σε CaCO3 τουλάχιστον 80-85% (44.8-47.6% CaO) και επίσης η χρησιµοποίηση και άλλων πρώτων υλών (αργιλοπυριτικά πετρώµατα, βωξίτες, σιδηροµεταλλεύµατα, χαλαζιακές άµµοι κ.α.). Η ποσότητα της ευτηκτικής φάσης υπολογίζεται από ορισµένους τύπους, ανάλογα µε την επιζητούµενη τιµή του αργιλικού δείκτη AR (a/f) του κλίνκερ και τη µέση περιεκτικότητα της τροφοδοσίας σε MgO και η τιµή της (%) καθορίζει την εµφάνιση και τη µορφή των δακτυλίων προστασίας της επένδυσης των περιστροφικών καµίνων, γεγονός που επηρεάζει σηµαντικά τη διεργασία παραγωγής του τσιµέντου (Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 1998; Τσίµας & Τσιβιλής, 2000). Στη διαδικασία παραγωγής της κατάλληλης τροφοδοσίας σηµαντικότατο ρόλο επίσης παίζουν, όχι µόνο η χηµική σύσταση, αλλά και οι φυσικοµηχανικές ιδιότητες (σκληρότητα, αντοχή κλπ.) των πρώτων υλών που επιδρούν στην ποιότητα του παραγόµενου τσιµέντου, στη λειτουργία της καµίνου αλλά και στην προετοιµασία από πλευράς µεγέθους τεµαχίων της τροφοδοσίας. Λόγω των διαφορετικών φυσικοµηχανικών ιδιοτήτων των πρώτων υλών, κατά την προετοιµασία της τροφοδοσίας του τσιµέντου (θραύση, λειοτρίβηση, άλεση), η κοκκοµετρική ανάλυση που επιτυγχάνεται είναι διαφορετική για κάθε υλικό, οπότε αυτό έχει σηµαντική επίδραση στην περιεκτικότητα κάθε κοκκοµετρικού κλάσµατος όπως και στη µέση τροφοδοσία στα διάφορα οξείδια (CaO, SiO2, Al2O3 και Fe2O3). Το πρόβληµα αυτό επιβάλλει την ύπαρξη διαφορετικών θερµοκρασιών (διαφορές µέχρι και 150οC) για την τήξη των διαφόρων κοκκοµετρικών κλασµάτων και την επίτευξη οµοιοµορφίας προϊόντος ως προς το ιξώδες, µε επιπτώσεις τόσο στην κατανάλωση καυσίµων (κόστος λειτουργίας της µεθόδου), στην προστασία των πυρίµαχων επενδύσεων της περιστροφικής καµίνου (Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 1998) όσο και στην παραγόµενη ποσότητα της ελεύθερης ασβέστου που προκύπτει (Τσίµας & Τσιβιλής, 2000). Για την επίτευξη συνθηκών καλής τήξης, αποδοτικότητας και οικονοµίας της διεργασίας έψησης, επιβάλλεται το µέγεθος τεµαχιδίων για τα χαλαζιακά πετρώµατα να είναι µικρότερο από 45 µm (325 mesh) και των ασβεστολιθικών πετρωµάτων µικρότερο από 125 µm (80 mesh). Επίσης, τα καύσιµα που χρησιµοποιούνται στην παραγωγή τσιµέντου, ιδιαιτέρως δε αυτά (άνθρακες, λιγνίτες, πετρέλαιο) που αφήνουν ανόργανο υπόλειµµα καύσης (τέφρα), έχουν σηµαντική επίδραση στο παραγόµενο κλίνκερ, επειδή εισάγουν οξείδια που µεταβάλλουν τελικώς την ποσοστιαία σύνθεση των πυριτικών φάσεων (C3S και C2S) του κλίνκερ και συνεπώς και του τσιµέντου. Η έψηση παρουσιάζει µεγάλη ευαισθησία σε µικρές µεταβολές της περιεκτικότητας της τροφοδοσίας σε CaO και SiO2, που έχει ως αποτέλεσµα τη σηµαντική διαφοροποίηση στις τελικές περιεκτικότητες σε C3S και C2S του κλίνκερ. Πολλή µικρότερη επίδραση έχει η ενσωµάτωση της τέφρας στις φάσεις C3A και C4AF.

8 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Πίνακας 3. Τυπική ανάλυση τροφοδοσίας πρώτων υλών για την παραγωγή κοινού τύπου τσιµέντου (OPC, Ordinary Portland Cement) κατά ASTM (Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, Arnold 1998, p.).

Χηµική ένωση, % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Ελεύθερη άσβεστος (CaO) CaCO3 C3S (Bogue) C2S (Bogue) C3A (Bogue) C4AF (Bogue) Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συµµετοχή πρώτων υλών στην τροφοδοσία

Στόχος % κ.β. σύνθεση ξηρών πρώτων υλών παραγωγής κλίνκερ 13.6 4.2 1.6 42.7

1 Ασβεστόλιθος

Πρώτες ύλες (ξηρό υλικό) 2 3 Αργιλοπυρι- Χαλαζιακή τικό υλικό άµµος

4 Σιδηροµετάλλευµα

Κατά βάρος % περιεκτικότητα του παραγόµενου κλίνκερ (χωρίς απορρόφηση τέφρας καυσίµου)

1.4 0.5 0.2 53.7

37.9 16.5 5.1 15.4

95.0 1.4 1.3 1.0

2.7 6.6 84.0 2.7

20.3* 6.2* 2.4* 64.1*

-

-

-

-

-

1.0*

77.8 -

95.9 -

27.5 -

1.8 -

4.8 -

-

73

22.5

4.2

0.3

57.52 14.81 12.4 7.3 *Τιµές για χρήση στις εξισώσεις Bogue Συντελεστής µετατροπής φαρίνας σε κλίνκερ (Raw meal factor) = 1.50, δηλαδή από 1.5 τόννους πρώτων υλών παράγεται 1 τόννος κλίνκερ.

15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

9

Μικρότερη αλλά σηµαντική επίσης επίδραση, τόσο στην παραγωγική διαδικασία όσο και στις ιδιότητες και συµπεριφορά του τσιµέντου στο σκυρόδεµα έχουν και άλλες προσµίξεις που υπάρχουν στις πρώτες ύλες παραγωγής τσιµέντου. Για το λόγο αυτό επιβάλλονται όρια για τις προσµίξεις αυτές. Οι κυριότερες από τις ενώσεις αυτές είναι το MgO, Na2O, K2O, οι χλωριούχες ενώσεις και οι ενώσεις του θείου. Η παρουσία ελεύθερου MgO, το οποίο δεν ενσωµατώνεται στο κλίνκερ, δηµιουργεί προβλήµατα κατά την ενυδάτωση του τσιµέντου, επειδή ενυδατώνεται µε πολύ αργότερο ρυθµό από τις υπόλοιπες φάσεις του κλίνκερ µε αποτέλεσµα η διογκoύµενη φάση του Mg(OH)2 να προκαλεί διαρρήξεις στο σκυρόδεµα και τις κονίες. Η παρουσία αλκαλίων στην περιστροφική κάµινο, υπό µορφή θειϊκών ενώσεων, έχει σηµαντική επίπτωση στο ιξώδες της ευτηκτικής φάσης και επιδρά στις ποσότητες των πυριτικών ενώσεων που παράγονται και τελικώς στην υδραυλική συµπεριφορά του παραγόµενου τσιµέντου. Επίσης, παρουσία χλωριούχων ενώσεων, σχηµατίζουν χλωριούχα αλκάλια που στην αρχή εξατµίζονται µέσα στην κάµινο και κατόπιν συµπυκνώνονται στην έξοδο των καµίνων και προκαλούν εµφράξεις. Η παρουσία αλκαλίων σε υψηλή περιεκτικότητα στο τσιµέντο έχει παρατηρηθεί ότι, κατά την ενυδάτωσή του, σχηµατίζει µε συγκεκριµένα πυριτικά αδρανή ενώσεις τύπου γέλης (gel) οι οποίες διογκώνονται και προκαλούν διαρρήξεις στο σκυρόδεµα και τις κονίες. Η αντίδραση αυτή είναι γνωστή ως (Alkali silica reaction, ASR). Πολλές φορές επίσης τα αλκάλια, υπό µορφή οξειδίων (απουσία θειϊκών ιόντων), ενσωµατώνονται στο κλίνκερ ειδικά στη φάση C2S και παρεµποδίζουν τη µετατροπή του C2S σε C3S, ενώ για το C3A αυξάνουν µεν την «ικανότητα» αντίδρασης στο νερό, όµως προκαλούν προβλήµατα κατά την πήξη του και επιβάλλουν την προσθήκη γύψου για τον έλεγχο του φαινοµένου. Επίσης, η παρουσία ιόντων χλωρίου στο τσιµέντο έχει σηµαντική επίδραση στη διάβρωση του οπλισµού του σκυροδέµατος. 3. ΜΕΘΟ∆ΟΙ ΠΡΟΣ∆ΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 3.1. Γενικά Για εξασφαλιστεί η ταχύτητα και ακρίβεια στους υπολογισµούς των παροχών των πρώτων υλών W1, W2, W3 , W4 , W5, ..., WΝ,, που συµµετέχουν στη διαµόρφωση της µέσης περιεκτικότητας της τροφοδοσίας του µύλου λειοτρίβησης σε οποιαδήποτε χρονική στιγµή, είναι απαραίτητη η χρήση ενός κατάλληλου υπολογιστικού συστήµατος και µαθηµατικού αλγορίθµου ανάµειξης-προσδιορισµού της αναλογίας των πρώτων υλών. Ο αλγόριθµος αυτός πρέπει να υπολογίζει τη βέλτιστη λύση, λαµβάνοντας υπόψη περιορισµούς, που αφορούν στην ποιότητα της φαρίνας των πρώτων υλών (µέσω των γνωστών δεικτών ποιότητας του κλίνκερ) όπως επίσης και τα όρια διακύµανσης των ολικώνµερικών παροχών των διαφόρων τροφοδοσιών. 3.2. Ο αλγόρίθµος ανάµειξης των πρώτων υλών παραγωγής τσιµέντου Η βασική υπόθεση που γίνεται όσον αφορά στην ποιότητα των πρώτων υλών είναι ότι έχει προηγηθεί επαρκής προοµογενοποίηση κάθε πρώτης ύλης σε προηγούµενα στάδια, δηλαδή σε οµογενοποιητές τύπου σωρού, πριν τροφοδοτηθεί στο κύκλωµα ανάµειξης πρώτων υλών. Ως εκ τούτου, η αρχή της µέσης ποιότητας των πρώτων υλών πάνω στην οποία βασίζονται οι υπολογισµοί που ακολουθούν µπορεί να θεωρηθεί ως ρεαλιστική. Με κατάλληλη επιλογή της ποσοτικής αναλογίας συµµετοχής κάθε

10 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

µεµονωµένης πρώτης ύλης στη φαρίνα, είναι φανερό ότι παράγεται µια µέση τροφοδοσία µε δεδοµένη και επιθυµητή χηµική σύσταση. Τα κριτήρια πάνω στα οποία βασίζεται η µεθοδολογία σύνθεσης της φαρίνας είναι κατά κύριο λόγο οι δείκτες κορεσµού σε άσβεστο (Lime saturation factor, LSF), ο πυριτικός δείκτης (Silica ratio, SR) και ο αργιλικός δείκτης (Alumina ratio, AR), οι οποίοι χαρακτηρίζονται ως ποιοτικοί δείκτες της τροφοδοσίας. Οι τιµές αυτών των δεικτών υπολογίζονται από τις γνωστές µαθηµατικές σχέσεις και από τις επί τοις % περιεκτικότητες c, s, a και f του µείγµατος των πρώτων υλών (φαρίνα) σε οξείδια του ασβεστίου (CaO), του πυριτίου (SiO2), του αργιλίου (Al2O3) και του σιδήρου (Fe2O3), αντίστοιχα. Επίσης, για τη διευκόλυνση του προσδιορισµού της βέλτιστης λύσης για τις τροφοδοσίες W1, W2, W3 , W4 , W5, ..., WΝ, που προκύπτει υπό τους παραπάνω περιορισµούς και για οικονοµικούς λόγους, η επιλογή των αναµειγνυόµενων µεµονωµένων πρώτων υλών πρέπει να γίνεται µε τέτοιο τρόπο ώστε αυτές να διαφέρουν εµφανώς µεταξύ τους όσον αφορά στη χηµική τους σύσταση στα παραπάνω οξείδια. Είναι επίσης προφανές ότι κάθε µια από τις πρώτες ύλες, που χρησιµοποιούνται, πρέπει να περιέχει τουλάχιστον ένα από τα παραπάνω οξείδια. Εάν θεωρηθεί ότι αναµειγνύονται Ν πρώτες ύλες και ότι η χηµική τους σύσταση στα τέσσερα οξείδια είναι γνωστή, τότε οι τιµές των αντίστοιχων περιεκτικοτήτων είναι:

c1

c2

c3

…

cN

s1

s2

s3

…

sN

a1

a2

a3

…

aN

f1

f2

f3

…

fN

Έστω επίσης ότι οι παροχές των Ν πρώτων υλών είναι W1, W2, W3 , W4 , ..., WΝ . Τότε, οι αναµενόµενες µέσες περιεκτικότητες c, s, a και f της τροφοδοσίας (φαρίνα) στα οξείδια δίνεται από τις µαθηµατικές σχέσεις:

c1 ⋅ W1 + c 2 ⋅W 2 + c 3 ⋅ W3 + ⋅ ⋅ ⋅ + c N ⋅ W N = c ⋅ WT

s1 ⋅ W1 + s 2 ⋅W 2 + s 3 ⋅ W3 + ⋅ ⋅ ⋅ + s N ⋅ W N = s ⋅ WT

(6)

a1 ⋅ W1 + a 2 ⋅W 2 + a 3 ⋅ W 3 + ⋅ ⋅ ⋅ + a N ⋅ W N = a ⋅ WT

f1 ⋅W1 + f 2⋅W2 + f 3 ⋅W3 + ⋅ ⋅ ⋅ + f N ⋅W N = f ⋅WT όπου WT = W1 + W2 + W3 + W4 + ⋅ ⋅ ⋅ + W N

(7)

είναι η συνολική παροχή της τροφοδοσίας των πρώτων υλών.

11 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Επιπροσθέτως, περιορισµοί ελέγχου ποιότητας επιβάλλονται όσον αφορά στα κάτω και άνω όρια διακύµανσης των δεικτών LSF, SR και AR που δίνονται από τις σχέσεις:

l 2 < LSF < h2 =

και

100 ⋅ c 2.8 ⋅ s + 1.18 ⋅ a + 0.65 ⋅ f

(8)

l 3 < SR < h3 =

s a+ f

(9)

l 4 < AR < h4 =

a f

(10)

Είναι δυνατόν επίσης να επιβληθούν περιορισµοί (constraints) στις διακυµάνσεις των τιµών, που

(

)

αφορούν, τόσο στη συνολική παροχή τροφοδοσίας WT l1 < WT < h1 , όσο και στις τιµές των διαφορετικών παροχών τροφοδοσίας W1, W2, W3 , W4 , ..., WΝ ή ακόµη στο ποσοστό µιας τροφοδοσίας σε σχέση µε κάποια άλλη (σχέση µεταξύ δύο παροχών τροφοδοσίας). Είναι προφανές ότι, αν χρησιµοποιηθούν δεδοµένες τιµές για τους δείκτες LSF, SR και AR µαζί µε τα αποδεκτά όρια διακύµανσής τους, τότε είναι δυνατή µια µοναδική λύση για τις παροχές τροφοδοσίας, µόνο στην περίπτωση που ο αριθµός των άγνωστων παροχών N υπερβαίνει κατά µία (-1-) τον αριθµό των δεικτών ποιότητας της σχεδιαζόµενης µέσης τροφοδοσίας. Οι εξισώσεις αυτές µαζί µε την εξίσωση ολικού ισοζυγίου των παροχών τροφοδοσίας πρέπει να ισούται µε τον αριθµό των µαθηµατικών σχέσεων που µπορούν να διαµορφωθούν.

⎛ c1 ⎜ s1 ⎜ ⎜ a1 ⎜ f1 ⎜ ⎜1 ⎜0 ⎜0 ⎜ ⎝0

c2 c3 c4 −Wtot

0

0

0

s2 s3 s4

0

−Wtot

0

0

a2 a3 a4

0

0

−Wtot

0

0

0

0

−1

AR

⎞

⎟ ⎟ −Wtot ⎟ 0 0 0 f2 f3 f4 ⎟ 0 0 0 0 1 1 1 ⎟ 0 0 0 −100 2.8xLSF 1.18xLSF 0.65xLSF⎟ SR ⎟ SR −1 0 0 0 0 0

0

⎠

⎛ W1 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎜ W2 ⎜ 0 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ W3 ⎟ ⎜ 0 ⎟ ⎜ W4 ⎟ ⎜ 0 ⎟ x ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ ⎜ c ⎟ ⎜ Wtot ⎟ ⎜ s ⎟ ⎜ 0 ⎟ ⎜ a ⎟ ⎜ 0 ⎟ ⎜ ⎜ ⎝ f ⎠ ⎝ 0 ⎠

όπου WT = Wtot

(11)

(12)

Στην περίπτωση αυτή (σύστηµα εξισώσεων 11) οι άγνωστοι είναι οκτώ (W1, W2, W3 , W4 , c, s, a και f) και οι εξισώσεις που διαµορφώνονται είναι επίσης οκτώ (8). Οι τέσσερεις από αυτές αφορούν στις µέσες περιεκτικότητες των τεσσάρων οξειδίων (c, s, a και f) της τροφοδοσίας, µία (1) εξίσωση είναι

12 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

αυτή του ολικού ισοζυγίου µάζας και τρείς (3) εξισώσεις είναι αυτές που προκύπτουν από τους τρεις δείκτες ποιότητας (LSF, SR και AR). Η µεθοδολογία περιγράφεται µε τη µορφή της θεωρίας πινάκων από την εξίσωση:

Bxb = C

(13) όπου Β είναι ο πίνακας που δίνει τις ποσότητες και τις περιεκτικότητες (ποιότητα) των αναµειγνυόµενων πρώτων υλών. Στην περίπτωση όπου ο αριθµός των αναµειγνυόµενων πρώτων υλών είναι Ν = 4, τότε ο πίνακας Β (8 x 8) είναι τετραγωνικός (αντιστρέψιµος) και b είναι το διάνυσµα που δίνει τη λύση του προβλήµατος (εξίσωση 7).

b = B −1 xC ,

(14)

όπου Β-1 ο αντίστροφος πίνακας του Β. Κατά τον ίδιο τρόπο, όταν ο αριθµός των αναµειγνυόµενων πρώτων υλών είναι Ν = 3 ή Ν = 2, για να µετατραπεί ο πίνακας Β σε αντιστρέψιµο παραλείπονται ένας (1) ή δύο (2) δείκτες ποιότητας αντιστοίχως δηλ. ο AR ή οι (SR, AR) αντιστοίχως, οπότε οι πίνακες Β γίνονται (7x7) και (6x6) οπότε έχουν αντίστροφους και παρέχουν λύση. Επειδή όµως µερικές φορές αυτή η λύση µπορεί να δίνει µη αποδεκτές τιµές, τότε προκύπτει η ανάγκη για αντιµετώπιση του προβλήµατος προς την κατεύθυνση της βέλτιστης προσέγγισης. Στις περισσότερες όµως φυσικές διεργασίες, η λύση που προκύπτει µε εφαρµογή της παραπάνω διαδικασίας µπορεί να δώσει αποτελέσµατα τα οποία δεν έχουν φυσική σηµασία (π.χ. αρνητικές τιµές σε µια από τις τιµές των παροχών τροφοδοσίας Wi (i = 1, 2, …, N). Στην περίπτωση αυτή πρέπει να διαφοροποιηθεί ο πίνακας Β και το διάνυσµα C στο σύστηµα εξισώσεων (11) ώστε να προκύπτει φυσικώς αποδεκτή λύση, δηλαδή οι παροχές W1, W2, W3 , W4 , ..., WΝ.> 0. Για το σκοπό αυτό, παραλείπεται στον πίνακα Β και το διάνυσµα C ο παράγοντας που αφορά στον αργιλικό δείκτη AR. Κατόπιν, εισάγεται ο παράγοντας που στην προηγούµενη επίλυση παρουσίαζε πρόβληµα (π.χ. ο W3) µε τον αντίστοιχο περιορισµό (π.χ. µε µηδενική τιµή). Οι µορφές του πίνακα Β και του διανύσµατος C που διαµορφώνονται για την αντιµετώπιση του προβλήµατος (π.χ. για αρχικά αρνητική τιµή W3) είναι οι παρακάτω:

⎛ c1 ⎜ s1 ⎜ ⎜ a1 ⎜ f1 ⎜ ⎜1 ⎜0 ⎜0 ⎜ ⎝0

c2 c3 c4 −Wtot

0

0

0

s2 s3 s4

0

−Wtot

0

0

a2 a3 a4

0

0

−Wtot

0

0

0

0

0

0

⎞

⎟ ⎟ −Wtot ⎟ 0 0 0 f2 f3 f4 ⎟ 0 0 0 0 1 1 1 ⎟ 0 0 0 −100 2.8xLSF 1.18xLSF 0.65xLSF⎟ SR ⎟ SR −1 0 0 0 0 0

1

⎠

⎛ W1 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎜ W2 ⎜ 0 ⎜ ⎜ ⎜ W3 ⎜ 0 ⎜ W4 = ⎜ 0 x ⎜ ⎜ c ⎜ ⎜ Wtot ⎜ s ⎜ 0 ⎜ a ⎜ 0 ⎜ ⎜ ⎝ f ⎠ ⎝ W3min ⎠

(15)

13 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Στο σηµείο αυτό αξίζει να σηµειωθεί ότι, η σειρά σηµαντικότητας των δεικτών ποιότητας για τη διαµόρφωση του συστήµατος των εξισώσεων είναι η LSF, SR και AR. Αυτό σηµαίνει ότι αν πρέπει να παραλειφθεί κάποιος δείκτης ποιότητας από το σύστηµα εξισώσεων, η σειρά παράλειψης είναι αντίστροφη της σειράς σηµαντικότητας. 4. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ∆ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΠΡΟΣ∆ΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΣΙΜΕΝΤΩΝ ΤΟΥ ΑΜΕΡΙΚΑΝΙΚΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ Στην ενότητα που ακολουθεί γίνεται διερεύνηση, µε τη βοήθεια του λογισµικού Mathcad, της σύνθεσης (αναλογία) των πρώτων υλών του Πίνακα 3 µε στόχο την παραγωγή τσιµέντων τόσο κοινού όσο και βελιτικού τύπου του Πίνακα 2 του Αµερικανικού προτύπου. Τα δεδοµένα που χρησιµοποιούνται είναι οι πρώτες ύλες του Πίνακα 3 και οι τιµές στόχοι για τους δείκτες ποιότητας κλίνκερ του Πίνακα 2. Για τον προσδιορισµό των φάσεων του κλίνκερ που θα παραχθεί χρησιµοποιείται η οµάδα των τεσσάρων (-4-) πρώτων υλών του Πίνακα 3, οπότε προκύπτουν τα αποτελέσµατα που καταγράφονται στους Πίνακες 4, 5 και 6. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι περιπτώσεις ανάµειξης τριών (-3-) πρώτων υλών για την παραγωγή κλίνκερ, προβλήµατα όµως που δεν αντιµετωπίζονται στην παρούσα εργασία.

14 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Πίνακας 4. Παραγωγή τσιµέντων κοινού τύπου του Αµερικανικού προτύπου από 4 τροφοδοσίες του Πίνακα 3

Τύπος τσιµέντου

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας (∆εδοµένα) LSF

Ι1

Ι3

ΙΙΙ2

ΙΙΙ1

0.9543

0.9645

0.98

1.0281

SR 2.60

3.3

2.90

2.6

AR 2.3

2.2

2.60

2.1

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h 1 73.867

76.376

75.229

75.765

2 0.476

0.408

0.212

0.603

15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

3 5.745

8.08

6.346

5.683

Μέση σύσταση τροφοδοσίας,, %

4 19.912

15.136

18.213

17.948

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3

42.803 14.051 3.767 1.638 43.437 14.493 3.019 1.372 43.272 13.99 3.484 1.34 43.523 13.279 3.46 1.647

Πιθανή σύνθεση BOGUE για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως Πίνακας 1 C 2S C3A C4AF C3 S

Παρατηρήσεις

OPC 53.53

20.04

10.82

7.48 ASTM Type I

OPC 55.59

20.39

8.52

6.26 ASTM Type I

OPC 51.91

62.11

21.01

10.25

10.45

9.57

6.12

7.52

ASTM Type I ή III

Υψηλής αρχικής αντοχής, ASTM Type III

15

Πίνακας 5. Παραγωγή βελτικών τσιµέντων του Αµερικανικού προτύπου από 4 τροφοδοσίες του Πίνακα 3

Τύπος τσιµέντου

Ι2

Ι!1

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας (∆εδοµένα) LSF SR AR 0.9004

0.9046

2.90

2.20

1.60

1.0

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h 1 74.537

73.629

2 15.99

16.013

3 8.37

7.704

4 1.104

2.654

ΙΙ2

0.9046

3.90

1.90

76.64

12.495

10.32

0.544

V1

0.8734

3.80

0.90

77.476

8.098

12.627

1.799

V2

0.8678

2.90

0.70

76.18

9.133

11.78

2.898

ΙV1

0.8030

2.40

0.90

72.069

15.122

9.832

2.977

ΙV2

0.8319

3.70

1.20

75.531

11.048

12.016

1.405

I4

0.9269

2.30

2.70

71.469

0.25

3.974

24.307

15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Μέση σύσταση τροφοδοσίας,, % CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3

42.602 15.085 3.201 2.001 42.154 14.49 3.293 3.293 43.198 15.628 2.625 1.382 43.027 16.198 2.019 2.243 42.511 15.805 2.244 3.206 41.208 16.161 3.19 3.544 42.42 16.698 2.462 2.051 42.168 13.995 4.44 1.645

Πιθανή σύνθεση BOGUE για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως Πίνακας 1 C 2S C3A C4AF C3 S

Παρατηρήσεις

OPC 45.97

30.19

7.65

9.13 ASTM Type

OPC 43.18

29.74

4.73

15.03 ASTM Type

OPC 45.26

33.07

6.93

6.31

ASTM Type

46.90

34.28

2.33

10.24

ASTM Type

45.08

33.96

0.78

14.63

ASTM Type

22.32

52.66

3.69

16.18

ASTM Type

32.42

47.35

4.58

9.36

ASTM Type

36.41

32.72

13.47

7.51

ASTM Type

16

Πίνακας 6. Επίδραση της µεταβολής του δείκτη LSF στην ποιότητα του κλίνκερ τσιµέντου Μεταβολή LSF α/α δοκιµής 1

2

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας (∆εδοµένα) LSF 0.78

0.80

SR 2.4

2.4

AR 0.9

0.9

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h 1 71.382

71.981

2 15.521

15.173

3 10.054

9.86

4 3.044

2.986

3

0.82

2.4

0.9

72.558

14.838

9.674

2.93

4

0.84

2.4

0.9

73.114

14.515

9.494

2.876

15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006

Μέση σύσταση τροφοδοσίας,, % CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3

40.905 16.515 3.26 3.622 41.17 16.206 3.199 3.554 41.424 15.909 3.14 3.489 41.67 15.622 3.083 3.426

Πιθανή σύνθεση BOGUE για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως Πίνακας 1 C3 S C 2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις

OPC 15.56

59.28

3.77

16.53 ASTM Type I

OPC 21.46

53.50

3.70

16.22 ASTM Type I

OPC 27.13

47.95

3.63

15.93

32.61

42.58

3.56

15.64

ASTM Type I ή III

ASTM Type III

17

5. ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τους Πίνακες 4 και 5, που αφορούν στην παραγωγή κλίνκερ από τις πρώτες ύλες του Πίνακα 3 και µε δεδοµένους τους δείκτες στόχους LSF, SR και AR (Πίνακας 2), διαπιστώνεται ότι, από την κατάλληλη ανάµειξη 4 (τεσσάρων) πρώτων υλών, παράγονται τσιµέντα τόσο «κοινού» όσο και «βελιτικού» τύπου όµοια µε αυτά που προβλέπονται στον Πίνακα 1 και αναφέρονται στο Αµερικανικό πρότυπο (ASTM). Αυτό συµβαίνει επειδή ικανοποιούνται και οι τρεις περιορισµοί, οι οποίοι αφορούν στους δείκτες ποιότητας κλίνκερ. Από τα παραπάνω προκύπτει το συµπέρασµα ότι η ανάµειξη τεσσάρων (4) πρώτων υλών παράγει τσιµέντα ίδια µε αυτά που καθορίζουν οι τιµές στόχοι των τριών δεικτών ποιότητας κλίνκερ (κοινά ή ειδικού τύπου). Από τον Πίνακα 6 διαπιστώνεται ότι η ποσοστιαία σύνθεση του παραγόµενου κλίνκερ (φάσεις C3S και C2S)διαφοροποιείται µε τη µεταβολή του δείκτη LSF. Η µεταβολή αυτή είναι σηµαντική όσον αφορά στις φάσεις C3S και C2S, γεγονός που έχει ως αποτέλεσµα την παραγωγή διαφορετικού τύπου (διαφορετικές αναµενόµενες ιδιότητες) τσιµέντων. Η επίδραση του δείκτη LSF είναι αµελητέα για τις άλλες φάσεις (C3A και C4AF) του κλίνκερ. Από τους πίνακες 4, 5 και 6 διαπιστώνεται ότι τη µεγαλύτερη επίδραση στον τύπο του τσιµέντου που θα παραχθεί έχει ο δείκτης LSF. Για τιµές του δείκτη LSF µεταξύ 0.93 - 1.0 παράγονται τσιµέντα συνήθως «κοινού» τύπου (OPC), ενώ για τιµές του δείκτη µεταξύ 0.82 – 0.93 τσιµέντα βελιτικού και ειδικού τύπου. Μεγάλη σηµασία στον τύπο του τσιµέντου που θα παραχθεί εµφανίζει όπως είναι φυσικό και το είδος των πρώτων υλών. ∆ιαπιστώθηκε ότι στην περίπτωση ανάµειξης τριών πρώτων υλών πρέπει οπωσδήποτε να υπάρχει στη σύνθεση ένα ασβεστολιθικό πέτρωµα, ένα πυριτικό και επίσης ένα αργιλικό πέτρωµα µε περιεκτικότητα >5 % σε Fe2O3. Η µεθοδολογία προσδιορισµού της σύνθεσης των πρώτων υλών, που εφαρµόστηκε, επιτρέπει, την ταχεία διερεύνηση του τύπου του τσιµέντου που θα παραχθεί από δεδοµένες πρώτες ύλες και τιµές «στόχους» για τους δείκτες ποιότητας κλίνκερ, τη διερεύνηση της µεταβολής των τιµών των δεικτών ποιότητας στον τύπο του παραγόµενου τσιµέντου όσο και τον έλεγχο της καταλληλότητας του συνδυασµού των πρώτων υλών στην παραγωγή αποδεκτού τύπου τσιµέντου.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. 2. 3.

4. 5.

Τσίµας. Σ. & Τσιβιλής Σ., 2000. Επιστήµη και Τεχνολογία Τσιµέντου, Τµήµα Χηµικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα. Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 1998, 4th Edition, Edited by P.C. Hewlett, Arnold, London. Schofield G. C., 1980. Homogenization/Blending Systems Design and Control for Mineral Processing, Series on Bulk Materials Handling Vol. 2, Trans Tech Publications. SME, 1985, Mineral Processing Handbook, Edited by N.L. Weiss, S.W. MUDD SERIES, New York. Τσακαλάκης Κ.Γ., 2006. Προσδιορισµός της σύνθεσης του µείγµατος των πρώτων υλών στην παραγωγή του κλίνκερ τσιµέντου, ∆εκτή προς δηµοσίευση στο Περιοδικό ΟΡΥΚΤΟΣ ΠΛΟΥΤΟΣ.

18 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006