В процессе обжига чистых карбонатных пород происходит процесс теплового разложения карбонатов кальция СаСОз и магния MgCC>3 с поглощением тепла по уравнениям:

Нагревание

СаСОз-------------- *-Са0 + С02|;

Нагревание

MgCOs-------------- * MgO + С02 f.

Карбонаты разлагаются на окислы кальция СаО и магния MgO (известь) и углекислый газ С02, который улетучивается.

При полном разложении 1 кг углекислого кальция образует­ся 0,56 кг СаО и 0,44 кг СОг. Следовательно, для получения 1 кг СаО требуется

= 1.786 кг СаСОз.

0,56

При полном разложении 1 кг MgC03 образуется 0,477 кг MgO и 0,523 кг СОг. Следовательно, для получения 1 кг MgO требуется

= 2,1 кг MgC03.

0,477 й

Количество тепла, которое необходимо затратить для разло­жения при атмосферном давлении и температуре 15° С 1 кг СаСОз, равно 425 ккал и для разложения 1 кг MgC03 — 316 ккал.

Теоретически для получения 1 кг СаО необходимо затратить тепло в количестве: 425X 1,786~ 760 ккал. Для получения 1 кг MgO необходимо затратить тепло в количестве: 310X2,1 ~ ~ 650 ккал, т. е. на 14,5% меньше.

На скорость разложения карбонатов решающее влияние оказывает температура. Разложение СаСОз начинается при 600° С, но реакция не идет до конца и протекает медленно. Пол­ное разложение СаС03 происходит примерно при температуре 900° С. Разложение MgC03 начинается при температуре 400°С, полное разложение происходит начиная с 710° С.

Скорость реакции разложения карбонатов кальция и маг­ния растет с уменьшением давления газа СОг, однако колеба­ния концентрации С02 в печных газах (25—40%) не оказывают существенного влияния на ведение обжига.

Рассмотрим основы процесса обжига карбоната кальция. Время полного термического распада СаСОз зависит от тем­пературы обжига, плотности карбонатной породы и размера ее кусков.

Разложение СаСОз в куске и основное количество тепла дис­социации (разложения) сосредоточено на некоторой границе (поверхности), величина и положение которой непрерывно ме­няются. Граница между наружным обожженным слоем и внут­ренним необожженным называется зоной диссоциации. Эта гра­ница хорошо видна на изломе куска извести с недожогом.

При повышении температуры обжига выше 900° С скорость разложения известняка резко возрастает. Так, если скорость продвижения зоны диссоциации при температуре 950° С принять за единицу, то при температуре 1050° С она увеличится в 1,8 ра­за, а при 1150° С — в 4 раза. Отсюда следует, что температура обжига является основным фактором в увеличении производи­тельности печи.

Повышение плотности природных карбонатов кальция тре­бует увеличения температуры их разложения, поэтому темпера­тура обжига мраморов и известняков высокой плотности долж­на быть на 50—80°С выше температуры обжига рыхлого и ме­лового сырья.

По мере того как кусок известняка обжигается, увеличивает­ся толщина слоя извести на его поверхности. Вследствие высо­кой пористости коэффициент теплопроводности СаО в 3 раза ниже, чем известняка, что уменьшает подвод тепла к границе диссоциации. Таким образом, время полною разложения куска известняка зависит не только от температуры обжига, но и от его линейного размера.

На время разложения оказывает влияние форма кусков из­вестняка. Время полного разложения куска известняка непра­вильной округлой формы в 1,5—2 раза меньше времени обжига равного ему по объему куска в виде плиты.

Продолжительность полного разложения кусков известняка различного размера при данной температуре пропорциональна квадрату линейного размера куска. Поэтому для получения равномерно (одинаково) обожженной извести необходимо, чтобы исходное сырье имело близкие по размеру куски.

При нагревании кальциевого известняка до температуры разложения образуется СаО, обладающая максимальной ско­ростью соединения с водой, т. е. минимальным временем гашения. При дальнейшем прокаливании образовавшейся окиси каль­ция происходит спекание материала, выражающееся в сраста­нии мелких кристаллических зерен СаО в крупное многокрис­таллическое тело.

С увеличением температуры и времени прокаливания про­исходит рост кристаллов, называемый процессом рекристалли­зации. Процесс рекристаллизации сопровождается повышением плотности и прочности извести и замедлением скорости ее га­шения.

Прокаливание чистой СаО в интервале температур 950— 1350° С приводит к росту ее кристаллов до размера 5—10 мк Н увеличению в два-три раза времени гидратации, но не ска­зывается на количестве активной СаО. При прокаливании чистого известняка (с содержанием примесей менее 2%) в те­чение 1 ч в температурном интервале 1350—1400° С происхо­дит образование перекристаллизованной (пережженной) из­вести (кристаллы СаО более 10 мк) в пределах 9—20%. По­этому обжиг в печах на газообразном или жидком топливе чистых кальциевых известняков при температуре до 1300°С не приводит к появлению пережженной извести, а сопровож­дается получением активной извести со сроками гашения до 20 мин.

Природные карбонаты кальция обычно содержат определен­ное количество MgC03 и примесей. Примеси входят также в зольную часть топлива. Наиболее распространены примеси в виде кремнезема (Si02), полуторных окислов (Fe203, А1203) и сульфата кальция (CaSO^.

Влияние MgC03 на свойства извести состоит в следующем. Разложение доломитизированного известняка идет в две ста­дии: вначале разлагается MgC03, а затем при более высокой температуре СаС03. Образовавшаяся при 700—750°С окись магния при дальнейшем нагревании спекается и рекристалли - зуется, теряя при этом в значительной степени способность к гидратации. Чем выше температура обжига, тем больше вре­мени затрачивается на гидратацию прокаленного MgO. Полу­ченная длительным обжигом (в шахтной или вращающейся печи) при температуре 1100—1300°С MgO в обычных условиях гидратирует полностью только через несколько дней и даже недель.

Содержание кремнезема (Si02) в чистых известняках обыч­но не превышает 2%. но в мергелистых достигает 5—15%. Si02 взаимодействует с СаО в твердом состоянии уже при 700— 800° С, образуя силикаты кальция (в основном двухкальпие - вый силикат — 2Ca0-Si02, или белит), которые представляют собой тугоплавкие соединения и при 1300—1400° С не образуют плава. Полученные в процессе обжига силикаты кальция сни­жают количество активной СаО в извести, так как она находит­ся в них в связанном виде.

Взаимодействие СаО с Fe203 и AI2O3 происходит при тем­пературе 900—1200° С с образованием новых соединений — фер­ритов и алюминатов кальция (Ca0-Fe203; 2Ca0-Fe203; СаО-АЬОз), обладающих низкой вязкостью и низкой темпе­ратурой плавления (так называемой жидкой фазы). Жидкая фаза обволакивает зерна СаО, образуя медленногасящуюся известь.

Присутствие в извести CaS04 способствует понижению тем­пературы образования жидкой фазы и значительно замедляет процесс гидратации извести. Следовательно, окись кальция в извести может находиться в свободном и связанном состоянии.

Связанной окисью кальция называется СаО, вступившая во взаимодействие с примесями с образованием новых химических соединений (силикатов и алюмоферритов кальция). Эта часть воздушной извести представляет собой безвозвратные потери окиси кальция, тогда как для гидравлической извести силикаты кальция (белит) являются необходимыми минералами.

Свободной СаО называется окись кальция, находящаяся в виде кристаллов СаО.

Таким образом, к свободным окислам СаО и MgO относятся активные СаО и MgO, ошлакованные и оплавленные частицы активной СаО и перекристаллизованные окислы. СаО и MgO.

Под «недожогом» извести понимают неразложившуюся часть известняка, которая находится в куске. под слоем хорошо обож­женной извести. «Кедожог» легко обнаружить, взяв в руки кус­ки извести, так как куски с «недожогом» тяжелее полностью обожженных. Расколов такой кусок, можно увидеть ядро серо­го цвета, состоящее из неразложившегося СаСОз.

«Недожог» в извести снижает ее качество за счет уменьше­ния содержания СаО. Причиной появления «недожога» извести являются нарушения технологии процесса обжига.

Под «пережогом» извести понимают ту ее часть, которая в естественных условиях не взаимодействует с водой в принятые сроки гашения. К «пережогу» относятся рекристаллизованные окислы СаО и MgO, а также ошлакованные и оплавленные частицы активной окиси кальция. «Пережог» извести внеш­не представляет собой ошлакованные и оплавленные утяже­ленные куски извести темноватого цвета, имеющие плотную структуру.

Вредное влияние «пережога» извести состоит в том, что он попадает в отходы при гашении (чистая потеря извести), гасится в силикатных изделиях (при автоклавной обработке), в кладке или штукатурке, вызывая их разрушение. Снижение количества «пережога» - в комовой кальциевой извести (за счет ошлакован­ных и оплавленных частиц активной СаО) можно получить при ее тонком измельчении.

Причиной появления «пережога» извести является нарушение требований, предъявляемых к сырью (превышение содержания в нем MgC03 и глинистых примесей), топливу (повышенная золь­ность) и режиму обжига (резко завышенная температура обжи­га, перерасход топлива и т. п.).