Лабораторный практикум по планированию, постановке экспериментов в технологии вяжущих материалов
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 192
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-1970-3
Артикул: 842685.01.99
Рассмотрены методы исследования химико-минералогического состава природных сырьевых материалов, техногенных продуктов, вяжущих веществ методами РФА, ДТА, РЭМ и др., подбора составов сырьевых смесей, методы помола и приготовления сырьевых шихт, обжига и получения клинкера, цемента, гипсовых и магнезиальных вяжущих веществ, показаны методы изучения влияния температуры и продолжительности обжига на усвоение СаО, процессы спекания и микроструктуру клинкера, приведены методы стандартных испытаний цементов и других вяжущих материалов. Для магистрантов специальности «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Б. Т. Таймасов, Т. А. Адырбаева ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПЛАНИРОВАНИЮ, ПОСТАНОВКЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В ТЕХНОЛОГИИ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ Учебник Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2024
УДК 666.9 ББК 38.32 Т14 Рецензенты: д-р техн. наук, проф., директор НИИ Строительных материалов, строительства и архитектуры Сарсенбаев Б. К.; д-р техн. наук, проф., директор НПО «Химтехника» Бажиров Н. С.; канд. техн. наук, доц. ЮКУ им. М. Ауэзова Даулетияров М. С. Таймасов, Б. Т. Т14 Лабораторный практикум по планированию, постановке экспериментов в технологии вяжущих материалов : учебник / Б. Т. Таймасов, Т. А. Адырбаева. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 192 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1970-3 Рассмотрены методы исследования химико-минералогического состава природных сырьевых материалов, техногенных продуктов, вяжущих веществ методами РФА, ДТА, РЭМ и др., подбора составов сырьевых смесей, методы помола и приготовления сырьевых шихт, обжига и получения клинкера, цемента, гипсовых и магнезиальных вяжущих веществ, показаны методы изучения влияния температуры и продолжительности обжига на усвоение СаО, процессы спекания и микроструктуру клинкера, приведены методы стандартных испытаний цементов и других вяжущих материалов. Для магистрантов специальности «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов». УДК 666.9 ББК 38.32 ISBN 978-5-9729-1970-3 © Таймасов Б. Т., Адырбаева Т. А., 2024 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................ 6 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ПОДГОТОВКА, ОТБОР ПРОБ И ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ....................... 9 Введение ......................................................................................................................................... 9 Оборудование, приборы, материалы и технические средства ................................................ 12 Методика проведения работы ..................................................................................................... 13 Задание и порядок выполнения работ в аудитории .................................................................. 17 Порядок оформления отчетов и их защита ............................................................................... 17 Вопросы для самопроверки ........................................................................................................ 17 Литература .................................................................................................................................... 18 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 РЕНТГЕНОФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ............................................................................. 21 Оборудование, приборы, материалы и технические средства ................................................ 42 Порядок выполнения работы и обработка полученных результатов, защита ....................... 42 Контрольные вопросы ................................................................................................................. 43 Литература .................................................................................................................................... 43 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ .............. 45 Оборудование, приборы, материалы и технические средства ................................................ 50 Задания к лабораторному занятию ............................................................................................. 50 Технические и инструментальные средства, материалы ......................................................... 52 Задания к лабораторному занятию ............................................................................................. 53 Контрольные вопросы ................................................................................................................. 55 Литература .................................................................................................................................... 55 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 РАСТРОВО-ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ ............................................................................................................... 57 Введение ....................................................................................................................................... 57 Технические и инструментальные средства, материалы ......................................................... 65 Задания к лабораторному занятию ............................................................................................. 65 Контрольные вопросы ................................................................................................................. 74 Литература .................................................................................................................................... 74 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ПОДГОТОВКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ И ОБЪЕМНОЙ МАССЫ СЫРЬЯ .............................................................................................................................. 75 Введение ....................................................................................................................................... 75 Оборудование, приборы, материалы и технические средства ................................................ 77 Методика проведения работы ..................................................................................................... 77 Вопросы для самопроверки ........................................................................................................ 80 Литература .................................................................................................................................... 80 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ПРИГОТОВЛЕНИЕ СЫРЬЕВОГО ЦЕМЕНТНОГО ШЛАМА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК .................... 81 Введение ....................................................................................................................................... 81 Оборудование, приборы, материалы и технические средства ................................................ 82 Методика проведения работы ..................................................................................................... 83 Вопросы для самопроверки ........................................................................................................ 86 Литература .................................................................................................................................... 87 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 ПРИГОТОВЛЕНИЕ СЫРЬЕВОЙ МУКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ................................................................................ 88 Введение ....................................................................................................................................... 88 3
Оборудование, приборы, материалы и технические средства ................................................ 91 Методика проведения работы ..................................................................................................... 92 Вопросы для самопроверки ........................................................................................................ 95 Вопросы для самопроверки ........................................................................................................ 97 Литература .................................................................................................................................... 97 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 ОБЖИГ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОЛУЧЕНИЕ КЛИНКЕРА, ГИПСОВЫХ И МАГНЕЗИАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ .......................... 98 Введение ....................................................................................................................................... 98 Оборудование, приборы, материалы и технические средства .............................................. 100 Методика проведения работы ................................................................................................... 101 Вопросы для самопроверки ...................................................................................................... 104 Литература .................................................................................................................................. 104 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА И СВОЙСТВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА .................................................................................. 105 Введение ..................................................................................................................................... 105 Оборудование, приборы, материалы и технические средства .............................................. 106 Методика проведения работы ................................................................................................... 106 Вопросы для самопроверки ...................................................................................................... 112 Литература .................................................................................................................................. 113 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 РАЗМОЛ КОМПОНЕНТОВ И ПОЛУЧЕНИЕ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ ....................................................................................................... 114 Введение ..................................................................................................................................... 114 Оборудование, приборы, материалы и технические средства .............................................. 118 Методика проведения работы ................................................................................................... 118 Вопросы для самопроверки ...................................................................................................... 121 Литература .................................................................................................................................. 121 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАЛЬНОЙ ГУСТОТЫ, СРОКОВ СХВАТЫВАНИЯ И МАРКИ ЦЕМЕНТА ПО ГОСТ 310.4-81 ................................................. 122 Введение ..................................................................................................................................... 122 Оборудование, приборы, материалы и технические средства .............................................. 125 Методика проведения работы ................................................................................................... 125 Вопросы для самопроверки ...................................................................................................... 131 Литература .................................................................................................................................. 131 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12 ИСПЫТАНИЯ ЦЕМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИФРАКЦИОННОГО ПЕСКА ПО ГАРМОНИЗИРОВАННОМУ ГОСТ 30744-2001 .... 132 Введение ..................................................................................................................................... 132 Оборудование, приборы, материалы и технические средства .............................................. 133 Методика проведения работы ................................................................................................... 133 Контрольные вопросы ............................................................................................................... 144 Литература .................................................................................................................................. 144 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13 РЕНТГЕНОФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ И ПРОДУКТОВ ИХ ГИДРАТАЦИИ .............................................................. 146 Технические и инструментальные средства ............................................................................ 151 Задания к лабораторному занятию ........................................................................................... 151 Задания к лабораторному занятию ........................................................................................... 153 Задания к лабораторному занятию ........................................................................................... 156 Контрольные вопросы ............................................................................................................... 159 Литература .................................................................................................................................. 159 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ. СОСТАВЛЕНИЕ И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ ................................................................................................ 161 Введение ..................................................................................................................................... 161 4
Оборудование, приборы, материалы и технические средства .............................................. 163 Методика проведения работы ................................................................................................... 163 Задания к лабораторному занятию ........................................................................................... 167 Контрольные вопросы ............................................................................................................... 167 Литература .................................................................................................................................. 168 Приложение 1 Таблица для определения межплоскостных расстояний (излучение CuKα) ........................................................................................................................... 169 Приложение 2 Таблица – «Ключ» для идентификации минералов .......................................... 181 Приложение 3 Атлас кривых дериватограмм (по Гридчину А. М. и др.) ................................ 184 Приложение 4 Перечень стандартов по цементам и другим строительным материалам ...... 189 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНЫ ТРУДА ............................................. 191 5
ВВЕДЕНИЕ Портландцемент – хлеб строительства. В 2017 году мировое производство цемента превысило 4,3 млрд т. Ведущее место по производству цемента в 2017 году занимает Китай – 2,316 млрд т (более 50 %), на втором месте находится Индия – 285,2 млн т. Интенсивно развивается производство цемента и в других странах, России, Казахстане и др. В настоящее время основной мировой тенденцией в сфере производства и оборота цемента является приоритет роста и развития мощностей ввиду благоприятного долгосрочного прогноза в отношении спроса на цемент. Интенсивному развитию отрасли в Казахстане способствовали Государственные программы индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2010–2014 гг. и на 2015–2019 гг. Основной тенденцией перспективного развития цементной промышленности Республики Казахстан является строительство новых автоматизированных технологических линий сухого способа с запечными циклонными теплообменниками и реакторами-декар-бонизаторами. С 2010 года в Республике были построены и введены в эксплуатацию 10 цементных заводов сухого способа мощностью от 0,5 до 2,0 млн тонн цемента в год: ТОО «Стандарт Цемент», АО «Шымкентцемент», ТОО «JAMBYLCEMENT» французской фирмы Vicat в пос. Мынарал Жамбылской обл., ТОО «Казах Цемент», ТОО «Каспий Цемент» фирмы HEIDELBERGCEMENT на станции Шетпе Атырауской обл., ТОО «Юг Строй Цемент» на станции Хантау Жамбылской обл., ТОО «Кокше Цемент», ТОО «Компания Гежуба Шиели цемент», Рудненский цементный завод. Были реконструированы и запущены линии сухого способа № 5 и № 6 Карагандинского цементного завода (АО «Карцемент»). Работает Каратауский цементный завод (ТОО «Жамбыл Недр») с шахтной печью в Жамбылской обл. Успешно продолжают работать 3 завода мокрого способа: ТОО «Производственная компания Цементный завод Семей», АО «Бухтарминская цементная компания» и ТОО «Сас-Тобе Технолоджис». В 2019 г. в Республике Казахстан было выпущено почти 10 млн т цемента. Учебник по дисциплине «Планирование, постановка экспериментов в технологии вяжущих материалов» предусматривает подбор малоэнергоемких составов сырьевых смесей, изучение зависимостей химико-минералогического состава клинкера от вида сырья и модульных характеристик шихты, методы приготовления сырьевых шихт, получения цементов и других вяжущих материалов, исследование влияния модульных характеристик, тонкости помола сырьевой шихты, температуры обжига на усвоение СаО, процессы спекания и микроструктуру клинкера, на дисперсные характеристики цементов и удельный расход электроэнергии. Учебник предназначен для студентов специальности 5В075300 (ОП 6В07190 – Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и содержат материалы по всем разделам типовой программы «Планирование, постановка экспериментов в технологии вяжущих материалов». 6
Лабораторные занятия ведутся согласно учебному плану специальности 5В075300 (ОП 6В07190 – Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов) и включают 75 часов в семестр. Изучая данную дисциплину, студенты должны уметь выполнять анализ материалов и отходов, сравнивать и оценивать влияние технологических факторов на процессы приготовления шихты, сырьевого шлама, муки, процессы обжига клинкера, гипсовых и магнезиальных вяжущих, процессы помола сырья, цемента и его физико-механические свойства, на расход топливноэнергетических ресурсов, пути утилизации промышленных отходов. Содержание лабораторных занятий соответствует рабочей учебной программе (силлабусу) данной дисциплины. Основные общие требования к лабораторным занятиям: 1) лабораторные занятия проводятся в соответствии с модульной учебной программой дисциплины и календарно-тематическим планом; 2) рекомендуемая литература, данная в указаниях, используется для выполнения лабораторных работ и проверки контрольных вопросов; 3) студенты должны быть подготовлены к каждому занятию, знать теоретические основы изучаемой темы на основании лекционного материала; 4) студенты должны вести себя на занятиях согласно политике курса, данной в рабочей учебной программе (силлабусе); 5) своевременно выполнять выданные задания и активно участвовать в коллективной работе и обсуждении вопросов. Результаты экспериментов и вычисления выполняются на листах и предоставляются преподавателю для защиты в течение текущего контроля. Лабораторный практикум составлен для подготовки студентов по программе. 1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ Цель лабораторных занятий – развитие у студентов креативных способностей, творческой активности и независимого мышления, способность использования знаний теоретических основ технологических процессов для практических производственных расчетов. Задачи лабораторных занятий: - развитие творческой активности и самостоятельности студентов, их интереса к научной работе; - закрепление, углубление и расширение знаний химической технологии, изучаемой на лекционных занятиях; - разрабатывать оптимальные составы сырьевых смесей, клинкеров и цементов; - организовывать технологический контроль параметров производства; - обобщать текущие данные технологического контроля производства и оптимизировать процессы дробления, сушки и помола сырья, обжига клинкера, размола клинкера с добавками; 7
- снимать и анализировать технологические параметры приготовления сырьевых смесей, степени усреднения компонентов шихты, сырьевой муки или шлама, параметры работы печи и теплообменников; - планировать и проводить эксперименты по оптимизации и интенсификации процессов помола цементов, улучшению механических свойств цементов; - обобщать данные по оптимизации технологических процессов, делать выводы по полученным данным, дискутировать по возникающим вопросам оптимизации процессов производства цементов; - разрабатывать оптимальные технологические параметры получения высокоактивных клинкеров и высокомарочных цементов. 2 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ Требования для выполнения лабораторных занятий: 1. Выдача задания. 2. Обсуждение цели и задачи к лабораторным занятиям. 3. Проверка готовности студентов к занятиям: наличие учебно-справочной литературы, методических указаний для самостоятельной работы и лабораторных занятий, знание теоретических основ по теме. 4. Обсуждение алгоритма решения контрольных задач. 5. Обсуждение и сравнение результатов решения задач, выводы. 6. Оценка работы каждого студента согласно графику выполнения и сдачи задания (силлабус), принимая во внимание участие студентов в аудиторной работе. 7. Выдача задания на следующее занятие. 8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ПОДГОТОВКА, ОТБОР ПРОБ И ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Цель работы: изучение методов отбора проб и химического анализа сырьевых материалов и отходов промышленности. Ознакомиться с химикоминералогическим составом техногенного и нетрадиционного сырья, магматических пород, углеотходов, пригодных для получения цементного клинкера по малоэнергоемким и ресурсосберегающим технологиям. ВВЕДЕНИЕ Традиционными природными сырьевыми материалами для получения клинкера являются карбонатные породы – известняк, мел, известнякракушечник, глинистыми породами – глина, лесс, суглинки, сланцы, каолин. На карьерах многих заводов запасы качественного сырья истощаются, карьеры удаляются от заводов, возрастают транспортные расходы, качество сырья снижается, в нем возрастает содержание нежелательных и вредных примесей, возрастает влажность сырья, увеличиваются топливно-энергетические расходы на обжиг клинкера. Другим кардинальным требованием времени является создание «зеленых» технологий производства продуктов, снижение загрязнения окружающей среды, снижение антропогенной нагрузки. Получение клинкера наиболее сложный процесс в технологии производства цементов. Обжиг клинкера осуществляется при температуре 1450 °С, удельный расход тепла на обжиг клинкера при сухом способе составляет 3100–4400 кДж/кг, при мокром способе 5400–6700 кДж/кг, удельный расход топлива при сухом способе составляет 110–140 кг усл. топлива/т клинкера, при мокром – 220–240 кг/т. В целом производство портландцемента по традиционной технологии является весьма ресурсо- и энергоемким процессом. Так на выпуск 1 т цемента затрачивается более 5 т сырьевых материалов, минеральных и технологических добавок, воды, топлива, огнеупоров, мелющих тел, смазочных материалов и воздуха. Целесообразно энергоемкий процесс обжига цементного клинкера осуществлять по энергосберегающей, экологически чистой технологии. Традиционные природные сырьевые материалы необходимо частично или полностью заменять на отходы промышленности и нетрадиционное природное сырье. В качестве сырья необходимо использовать техногенные продукты, предварительно прошедшие термическую обработку в предыдущем технологическом процессе. В таких материалах известь находится в некарбонатном виде и это позволяет снизить расход тепла на эндотермические реакции разложения карбоната кальция сырьевой шихты. В некоторых техногенных продуктах, например фосфорные шлаки, фосфогипс, содержится значительное количество фтора, оказывающего минерализующее действие на высокотемпературный процесс обжига клинкера во вращающейся печи. Это позволит снизить температуру обжига клинкера с традици9
онной 1450 °С до 1350–1380 °С уменьшить удельный расход топлива на 5–15 %, повысить производительность вращающихся печей на 10–12 %, увеличить срок службы огнеупорной футеровки. В нетрадиционных природных сырьевых материалах, например, магматических породах содержится до 10–15 % Fe2O3 и Al2O3. Порода частично заменяет алюмосиликатный компонент сырьевой смеси и корректирующую железистую добавку, которая является дефицитной и транспортируется издалека. Магматическая порода является легкоплавкой и снижает температуру появления жидкой фазы клинкера на 50–100 °С, улучшаются свойства клинкерного расплава, процессы спекания клинкера в таких сырьевых смесях завершаются при температурах 1380–1400 °С. Кроме этого, улучшается структура клинкера, примесные оксиды оказывают модифицирующее действие на микроструктуру клинкера, прочность образцов при изгибе и сжатии возрастает на 5–7 %. Согласно исследованиям, проведенных на кафедре «Технологии цемента, керамики и стекла» ЮКГУ им. М. Ауэзова, техногенными продуктами предприятий Южного Казахстана, пригодными в качестве сырья и добавок при получении клинкеров и цементов являются гранулированные и закристаллизованные электротермофосфорные шлаки, доменные, свинцовые, медеплавильные шлаки, золы и шлаки ТЭЦ, отходы угледобычи ленгерских шахт, фосфогипс и др. Нетрадиционным сырьем являются тефритобазальты даубабинского месторождения в Тюлькубасском районе. Гранулированные электротермофосфорные и доменные шлаки содержат 40…45 % СаО, 38…41 % SiO2, незначительные количества оксидов алюминия, магния и железа. Электротермофосфорные шлаки содержат около 1,5 % фтора и 1,4…2,0 % P2O5. Отходы содержат некарбонатный оксид кальция, что позволит снизить расход топлива на процесс обжига цементного клинкера, повысить производительность вращающихся печей. Тефритобазальт Даубабинского и базальт Суукбулакского месторождения являются магматическими породами, содержат около 45 % кремнезема, около 10 % оксидов кальция, алюминия и железа. Тефритобазальт – основная эффузивная горная порода нормального ряда, самая распространенная из кайнотипных пород, переходная от тефритов (эффузивные аналоги щелочного габбро) к базальтам (эффузивные аналоги габбро). Это широко распространенная эффузивная горная порода, на ее долю приходится более 20 % магматических пород. По содержанию кремнезема и других оксидов относятся к основным породам. Это позволяет использовать тефритобазальт и базальт в качестве алюмосиликатного компонента сырьевой смеси и вместо железосодержащей корректирующей добавки. Эти породы способствуют снижению температуры процессов клинкерообразования. Плотность тефритобазальтов 2,0 г/см3, предел прочности при сжатии 47,6–195,8 МПа. Химический состав некоторых техногенных продуктов и нетрадиционного сырья приведен в таблице 1. 10