Влияние щелочей Na₂O и К₂О на процесс обжига клинкера

                   (по Ю.М. Бутту, 1980 г.)

Щелочные окислы Na₂O и К₂О вносятся в состав портландцементной сырьевой смеси слюдами, гидрослюда­ми, полевыми шпатами, являющимися примесью глин и известня­ков, топливом и пылью из электрофильтров, возвращаемой в печь. Таким образом, щелочные соединения в сырьевой шихте могут быть представлены природными минералами, а также сульфатами, хлоридами, фторидами, карбонатами и гидратами Na и К. Такое разнообразие щелочных соединений усложняет анализ характер, и механизм влияния только катионов Na⁺ и К⁺.

В присутствии NaCl, NaF, Na₂CO₃, Na₂SiF₆, Na₂SO₄, K₂SO₄ и других солей Н. А. Торопов, И. Г. Лугинина, В. Гатт, С. Е. Лагдзиня и другие исследователи наблюдали образование в интервале температур от 400 до 800 ⁰С в контактных зонах между кристаллами соли и СаСО₃ двойных солей различного состава: Na₂Ca(CO₃)₂, К₂Са(СО₃)₂, (К, Na)₂·Ca(CO₃)₂, Na₂CO₃·2Na₂SO₄, CaSO₄·3Na₂SO₄, 2CaSO₄·K₂SO₄. Эти двойные соединения плавятся при 780—830 ⁰С с выделением CaO, CO₂, SO₂ и высокощелочной жидкой фазы. Об­разовавшийся расплав катализирует основную реакцию диссоциа­ции СаСО₃, которая протекает в таких условиях при пониженной на 30—80° температуре. При 800—900 ⁰С образуется кальциевый спуррит 2(2CaO·SiO₂)·СаСО₃, разлагающийся выше 820 ⁰С с вы­делением C₂S. Образуются в этом интервале температур и другие. комплексные соли типа спуррита — сульфитный спуррит 2(2СаО·SiO₂)·CaSO₄ и т. п., разлагающиеся при температурах до 1300 ⁰С. В результате образования указанных выше промежуточных соеди­нений процесс связывания СаО при 900—1200 ⁰С, т. е. на низко­температурной стадии обжига, в присутствии щелочных соединении ускоряется. Однако при последующем повышении температуры и образовании эвтектического расплава процесс связывания СаО замедляется вследствие понижения вязкости расплава в присутст­вии Na⁺ и К⁺, снижения скорости растворения в нем C₂S и СаО и, как следствие этого, уменьшения скорости образова­ния и кристаллизации C₃S.

Наиболее эффективно катализируют процесс при низких тем­пературах щелочные фториды, а затем щелочные сульфаты и хло­риды.

Процесс усвоения СаО замедляется и в том случае, если натрий и калий попадают в сырьевую смесь в виде природных щелочных алюмосиликатов. Последние при взаимодействии с СаСО₃ и СаО разлагаются в интервале температур от 700 до 1200 ⁰С с выделе­нием Na₂O и К₂О. Свободные окиси натрия и калия частично испа­ряются, а часть их остается в обжигаемом материале и сразу вхо­дит в состав различных клинкерных минералов в виде твердых растворов. При испарении щелочные окислы диссоциируют на ионы и в качестве таковых вступают в газовой фазе во взаимодействие с СО₂, SO₂ и Н₂О, образуя карбонаты, сульфаты и сульфиды, а так­же и гидроокиси соответствующих металлов. Образовавшиеся соединения уносятся газовым потоком в холодную часть вращаю­щейся печи, и при температуре ниже 900 ⁰С часть их конденсируется на обжигаемом материале и на футеровке печи. Оставшаяся в га­зовом потоке часть щелочных соединений входит в состав пыли, большая часть которой осаждается в пылеосадительных устройст­вах, а небольшая часть выносится с отходящими газами и образует безвозвратный пылеунос в атмосферу. Сконденсировавшиеся на об­жигаемом материале в холодной части печи щелочные соединения, как и щелочные фазы, вошедшие в состав осажденной в пыльной камере и электрофильтре  пыли, возвращаемой в печь, при попадании в зону высоких температур вновь разлагаются и испаряются. Следовательно, часть щелочных окислов совершает во вращающейся печи непрерывный кругооборот, приводящий к сохранению в клинкере значительного количества щелочесодержащих фаз.

        Щелочные соединения, не участвующие в кругообороте, при тем­пературе выше 1200 ⁰С образуют стабильные фазы. Они вступают по взаимодействие с серосодержащими соединениями с образовани­ем K₂SO₄ и Na₂SO₄. Названные соединения являются стабильными в присутствии всех основных клинкерных минералов и могут су­ществовать как в виде самостоятельных фаз, так и в виде натрий-калиевых твердых растворов (афтиталит).

Если серы недостаточно для связывания Na₂O и К₂О в сульфа­ты, то они образуют твердые растворы с C₂S, C₃S, С₃А и С₆А_xF_у, а также входят в состав стекловидной фазы.