Обоснование задачи и критериев управления качеством цементного сырья в ОАО «Сухоложекцемент»

2. Безматерных В. А., Снманов В Г. Симметрия и критерий дробимости осколков // Изв. вузов Горный журнал. 1978. X? 12. С. 40-45.

3. Берсенев Г. П. Управление качеством взрывного дробления горных пород на нерудных карьерах: Дисс.... канд. техн. наук. Свердловск, 1989. 185 с.

4. Влияние поверхностно-активных веществ на развитие трсщиноватости нагруженных горных пород / О. Г. Латышев. Н. И. Иванова. С. С. Иванова. Н. В. Псрцов // Изв. вузов. Горный журнал. 1988. № 12. С. 4-8.

5. Латышев О. Г., Азанов М. А. Определение эффективности использования ВВ с инертным сердечником для борьбы с пылью при взрывных работах " Изв. вузов. Горный журнал. 1999. № 3-4. С. 1-3.

6. Латышев О. Г. Использование поверхностно-активных веществ в процессах горного произволства // Изв. Уральской гос. горно-геологическоЯ академии. Вып. 11. Сер: Горное дело. Вып. II. 2000. С. 153-159.

7. Мальцев В. М. Разработка метода расчета разрушения солевых и скальных горных поэод импульсов взрыва удлиненных цилиндрических зарялов: Лисс-хаид. техи. наук. Пермь. 1997. 120 с.

8. Мосннец В. //., Абрамов А. В. Разрушение трешиноватых и нарушенных горных пород. М.: Недра. 1982. 248 с.

9. Ребнндер П. А. Избранные труды: Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1979.-382 с.

10. Ржевский В. В. Процессы открытых горных работ. М: Недра, 1974. 520 с.

УДК 622.7

Р. А. Стихарсв, А. Г. Шашков

ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧИ И КРИТЕРИЕВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ЦЕМЕНТНОГО СЫРЬЯ В ОАО «СУХОЛОЖСКЦЕМЕН Г»

В качестве компонентов портландцементной сырьевой смеси в ОАО «Сухоложскцемент» используется известняк Кунарского месторождения цементного сырья, аргиллит Ново-Сухоложс-кого месторождения цементных глин и аргиллитов, трепел Курьинского месторождения трепелов и опок, гранулированный железосодержащий шлак медеплавильного производства. Приготовление сырьевой смеси производится по мокрому способу. При совместном помоле компонентов сырьевой смеси в мельницы поступает вода. Из сырьевых мельниц выходит шлам с влажностью около 36 %. Химический состав сырьевой смеси корректируется порционным способом. Различные виды сырьевого шлама из мельниц поступают в вертикальные шламовые бассейны, где подвергаются пневматическому перемешиванию. Объем каждого вертикального шламового бассейна составляет 800 м\ После химического анализа шламы в заданной пропорции сливаются в горизонтальный шламовый бассейн, который представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар емкостью от 6000 до 8000 м\ В горизонтальном бассейне сырьевая смесь гомогенизируется, то есть подвергается пневматическому и механическому перемешиванию.

В горизонтальных шламовых бассейнах происходит трансформация высокочастотной составляющей спектра колебаний качества в ультравысокочастотную, находящуюся за пределами чувствительности технологического процесса. Зона эффективного смешивания горизонтального шламового бассейна равна его объему. Поэтому мероприятия по управлению качеством цементного сырья при мокром способе приготовления сырьевой смеси и порционном способе корректирования ее химического состава, направленные на устранение колебаний с периодом меньше вместимости горизонтального шламового бассейна по данному виду сырья, не имеют никакого смысла. В то же время горизонтальный шламовый бассейн никак не воздействует на колебания химического состава сырья с периодом больше вместимости бассейна поданному виду сырья.

При отработке месторождений цементного сырья со значительной долей в общем спектре колебаний с периодом, превышающим вместимость горизонтального шламового бассейна по данному виду сырья, возникают колебания химического состава сырьевой смеси, подаваемой на печи, при переходе с одного горизонта!ьного бассейна на другой. При этом снижается срок службы

оров в зоне спекания цементной вращающейся печи. Неоптимальный химический состав вой смеси в объеме горизонтального шламового бассейна приводит к увеличению расхода ива на обжиг и снижению производительности печных агрегатов во время работы нз этого йна [4]. В такой ситуации необходимо предусматривать технологические мероприятия по Управлению качеством цементного сырья с целью снижения доли низкочастотной составляющей i спектре колебаний качества.

Система управления качеством сырь? ОАО «Сухоложскцемент» предусматривает мероприятия направленного воздействия на частотный спектр колебаний качества известняка (низкочастотную составляющую спектра преобразуют в колебания с более высокой частотой п\тем реагирования нагрузки на добычные забои). Качество прочих сырьевых материалов (аргиллит, трепел, гпк) в ОАО «Сухоложскцемент» никак не регулируют.

Действующая система управления качеством сырья недостаточно эффективна. При перехо-ззх вращающихся печей с одного шламового бассейна на другой возникают сильные возмущения технологического процесса, приводящие к перерасход)- топлива и сходу обмазки печей (что приводит к существенному снижению стойкости футеровки). Кроме того, из-за недостаточной стабильности качества сырьевой смеси возникают трудности при производстве высокотехнологичен видов цемента. Так, несмотря на высокий спрос на цемент по спецификации Американского нефтяного института (API), предприятие не может увеличить объемы его выпуска по причине длительного периода времени (около семи суток), затрачиваемого на один цикл приготовления и горректирования сырьевой смеси.

Вышеизложенное обусловливает необходимость исследований, направленных на совершенствование системы управления качеством сырья ОАО «Сухоложскцемент».

Определим ориентировочно, какая доля в общей дисперсии химического состава сырьевой смеси приходится на каждый сырьевой материал. Дисперсию среднего массового содержания для каждого химического компонента можно определять по формуле, предложенной Л. П. Шуповым [5J:

о2К)=—---з—^-, (О

Vo

где а0- среднее массовое содержание химического компонента в смеси; a - среднее массовое содержание химического компонента в км сырьевом материале; a^a] - дисперсия массовок» содержания химического компонента в ¿м сырьевом материале; <?0 - масса смеси; Qt - средняя масса /• го сырьевого материала в смеси; o:[(?J- дисперсия массы ¿го сырьевого материала в смеси; я - число сырьевых материалов в смеси.

Вместо массы каждого материала в смеси будем оперировать массовой долей этого материала в сухом виде. Учет дисперсии доли сырьевого материала в смеси в нашем случае не имеет смысла, так как доля материала определяется каждый раз расчегом сырьевой смсси. Тогда, после преобразования выражения (1) получим формулу для расчета доли в обшей дисперсии химического состава сырьевой смсси, которая приходится на сырьевой материал:

D, = х 100, %.

±<?УМ <2>

Долю каждого материала в сырьевой смеси примем по Нормам расхода сырьевых материалов на производство 1 т клинкера, действующим в ОАО «Сухоложскцемент» (табл. 1). Для объективной оценки дисперсии массового содержания химического компонента в каждом сырьевом материале целесообразно использовать химический состав, определенный по пробам, представляющим количество материала, поданного з один горизонтальный бассейн, однако такой статистики на предприятии нет. Поэтому для ориентировочной оценки используем результаты анализов, полученные по среднемесячным пробам каждого материала, которые составляются нз разовых проб. Разовые пробы характеризуют только химический состав материала, подаваемого в

производство в текущий момент времени, поэтому и средние пробы имеют низкую представительность. В то же время методика и периодичность отбора разовых проб и составления средней пробы одинаковы для каждого материала, поэтому можно считать, что среднемесячные пробы представляют сопоставимые порции материала и могут быть использованы для сравнительной оценки низкочастотной дисперсии качества сырья. Расчеты по формуле (2) произведены для всех химических компонентов, участвующих в типовом расчете портландцементной сырьевой смеси и по каждому сырьевому материалу, используемому для приготовления сырьевой смеси в ОАО «Су-холожекцемент». При расчетах испогьзована производственная статистика за период с 1996 по 2001 гг. Промежуточные и итоговые результаты расчегов приведены в табл. 2.

Таблица I

Нормы расхода сырьевых материалов в пересчете на сухое вещество на п рои миме пш

I т клинкера в ОАО «Сухоложскцемент»

(Зил материала Расход материала в сухом виде, кп клинкера Доля материала я сырьсво"| смсси. ел.

[ Известняк 1327 0.8611

1 Аргиллит 139 0.0902

Трепел 25 0.0162

Шлак гранулированный железосодержащий 50 0.032-4

Таблица 2

Оценка доли и нижочастотной дисперсии химического состава сырьевой смеси, приходящейся на каждый сырьевой материал

Материал П ежа та тел ь ППП 1 А120» Гс203 СаО | М»0

Известняк Среднее 39.42 7.61 1.33 0.85 48.71 1.79

Дисперсия 0.76 1.29 0.04 0.05 0.90 0.19

Доля по (2) 94,86 94.35 8.00 0.78 95.47 98.52

Аргиллит Среднее 8.67 55.73 18.29 8.33 2.52 2.32

Дисперсия 1.61 2.01 0.75 0.85 0.78 0.17

Доля по(2) 4.67 2.52 30.67 2.41 0.78 0.74

Трепел Среднее 7.04 80.26 5.75 2.70 2.07 1.03

Дисперсия 2.84 4.76 0.63 0.29 0.68 О.-о

Доля по(2) 0.47 0.45 0.67 0.00 0.02 0.00

Шлак фанулиронаннмй железосодержащий Среднее 0.00 32.72 6.78 42.04 13.55 2.11

Дисперсия 0.00 5.78 2.95 15.02 4.73 0.45

Доля по (2) 0.00 2.68 60.66 96.81 3.73 0.74

Анализ табл. 2 позволяет сделать вывод, что мероприятия по стабилизации качества сырьевой смсси в ОАО «Сухоложскцемент» должны быть направлены главным образом на стабилизацию качества известняка, и в первую очередь на следующие показатели химического состава: ППГ1, БЮ,, СаО, М80.

Сформулируем задачу управления качеством известняка. Как показано выше, стабилизация качества цементного сырья при мокром способе производства портландцементной сырьевой смсси должна производиться в объеме, соответствующем вместимости горизонтального шламового бассейна по данному виду сырья. Для определения вместимости горизонтального шламового бассейна по известняку произведем математические преобразования:

^ 100 100

Гл/(100-^п); М1К

100-

С другой стороны,

-¡оо-'

тогда масса известняка с естественной влажностью в шламовом бассейне:

100-И^. '

где М - масса известняка в шламовом бассейне в сухом виде,г, Л/^ - масса воды, привнесенной в шламовый бассейн с известняком, т; естественная влажность известняка. %; - объем шлама в бассейне, м5; И^ - влажность шлама в бассейне, %; р^- плотность шлама в бассейне, т м5; Ом - сухая доля известняка в сырьевой смеси, сд.

сух

Расчеты по формуле (3) выполнены с использованием производственной статистики ОАО "Сухоложскцемснт" за период с 2000 по 2001 гг. Получены следующие результаты:

- минимальная масса известняка в горизонтальном шламовом бассейне - 3825 т;

- средняя масса известняка в горизонтальном шламовом бассейне - 5233 т;

- максимальная масса известняка в горизонтальном шламовом бассейне - 7231 т.

Вышеизложенное позволяет сформулировать задачу управления качеством цементного сырья в условиях ОАО "Сухоложскцемент" - снижение амплитуды колебаний содержания ПГПI, ЭЮ,, СаО, МцО в известняке в порциях размером 5233 т, на частоте 0,000261 г' и ниже.

Однако управление качеством по четырем критериям практически затруднено. В таких случаях целесообразно заменить все или некоторые показатели качества одним универсальным критерием.

Система управления качеством известняка ОАО "Сухолсжскцемент" включает регулирование нагрузки на добычные забои. В качестве универсального кртерия используют титр при ограничении по содержанию \1gO- Здесь под титром понимается суммарное содержание в известняке кальцита (СаСО,) и доломита (\lgCO.), определенное объемным методом.

Этот критерий используют на основании того, что между содержанием СаО и титром существует теоретическая зависимость (при известном содержании Выведем эту зависимость:

МеО • Л/.,,™

СаС03 = Г - \igCOj = Г----

Л/м*>

Са0 = (7~ - N^0 • Л/м^со, ) • -^оо = (Т - .УДО • 84,313/40,304) • 56,079.

Л/СК0) 100,088

СаО = Г-0,5603-?^01, 1721,

где СаСО., \lgCO,, СаО, N^0, /'- массовые доли в известняке соответственно СаСОг \^С03, Са (в форме в пересчете на СаО), (в форме в пересчете на N^0). титра (суммы СаСО, и \lgCO.); Л/МгСШ, МС1СОу М^' Чи-о" молекулярные массы соответствующих химических соединений, которые определяются как суммы атомных масс входящих в их состав химических элементов.

Формула (4) справедлива только в том случае, когда Са присутству ет только в форме кальцита, а Мд только п форме доломита. Па практике СаО и М§0 могут присутствовать в нзвсстия-

75

кс в форме "нетитрующихся" соединений, например. MgO входит в состав глинистого минерала монтмориллонита (Na(Mg, AI),[Si4Ol0](OH),-4H,O), который присутствует в известняке Кунарско-го месторождения.

Можно вывести аналогичную формулу для определения ППП:

ППП - СО, = Т - MgO - СаО,

с учетом формулы

ПГ1П = Т О,4397 + MgO 0,1721,

где СО, - массовая доля в известняке углерода (в пересчете на СО,).

Формула (5) пренебрегает химически связанной водой, которая присутствует в известняке в форме глинистых минералов, например, в форме монтмориллонита.

Как показывает практика, условия, для которых выведены формулы (4) и (5), не всегда выполняются (3). и при значительном содержании в известняке "нетитрующегося" СаО или глинистых соединений титр теряет представительность как критерий управления качеством.

Предположение о наличии функциональной связи между титром и содержанием SiO, основано на том факте, что при снижении содержания в известняке кальцита и доломита повышается содержание кварца, опала и алюмосиликатных соединений.

Для выявления связи между различными характерист иками химического сост ава известняка использованы результаты технологического контроля качества известняка. Использованная статистика представляет собой результаты анализов шлама, пробы которого отбираются из вискозиметра сырьевой мельницы при работе мельницы на одном известняке в течение периода времени, превышающего 1 час. С учетом рабочего объема сырьевых мельниц и исследований П. П. Бастана ( 1 ] можно сделать вывод, что отобранные таким методом пробы представляют известняк и не загрязняются другими компонентами портландцементной сырьевой смеси. В течение технологической смсны (12 часов) отбирается 2 + 3 такие пробы, каждая проба представляет незначительный объем шлама и является разовой. Поэтому результаты технологического контроля не могут быть использованы при управлении качеством извест няка. Однако последнее утверждение не противоречит возможности использования у казанной статистики хтя выявления связи между рагтичными характеристиками химического состава известняка.

Статистическая обработка технологической информации производилась с использованием редактора Microsoft Excel. Обработке подвергнуто 1756 результатов контроля качества известняка за 2001 г. Были исследованы характеристики химсостава известняка, требующие стабилизации: титр. ППП, SiO,, СаО, MgO. Далее приводится ход исследования.

1. Выполнен корреляционный анализ, результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты корреляционного анализа

Титр ППП 1 SiO, СаО MgO

Титр 1

ППП 0,7897 1

SiO, -0,9222 -0,8243 1

СаО 0.8577 0.6069 -0.8224 I

MgO 0.0268 0.0291 -0.0826 -0.3389 1

Из результатов анализа видно, что между несколькими показателями химсостава (титр. ППП. 510,, СаО) существует линейная связь. Каждый из этих показателей можно рассмат ривать в качестве альтернативного титру критерия управления качеством.

Содержание MgO линейно ьс связано ни с одним из прочих показателей химсостава. Очевидно, использование этого показателя в качестве ограничения при управлении качеством оправданно и необходимо.

2. Выполнен множественный корреляционный и регрессионный анализ для выявления уравнений связи между показателями химсостава, результаты приведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты pei рсссионною анализа

Зависимый параметр I (аяьтер- КХПША'МЙ критерий) Влияющие параметры Уравнение регрессии (эмпирическое уравнение сияш» Коэффициент множественной корреляции Средняя абсолютная ошибка расчета по эмпирическому >рав-ненню Теоретическое уравнение евши Срелняя абсолютная ошибка расчета по теоретическому > равнению

ППП Титр ППП - Т • 0.3434 - 8.7205 0.7897 0.52 - -

ППП Титр. MgO ППП = Т • 0,3433 г MgO 0.0166 + 8.7019 0.7898 0.52 ППП - т • 0.4397 + MgO • 0.1721 0,57

biOj Титр -Si02 = 64.0513 Т -0.6321 0.9222 0.61 - -

СаО ! Тшр СаО = Т 0.5304 -1.2744 0.8577 0.73 - -

СаО 1- Титр. MgO "СаО = Т • 0.5364 -MgO • 1.0684 -2.4780 0.9310 0.50 СаО - Т • 0.5603 -MgO - 1.1721 0,71

Из таблицы видно, что в эмпирическую формулу для расчета ПГ1П не имеет смысла вводить MgO, так как это не приводит к повышению коэффициента множественной корреляции и снижению погрешности формулы. Этот факт можно объяснить тем, что коэффициент при MgO в формуле (5) имеет небольшое значение, а содержание MgO в известняке, подаваемом в производство, невелико (по сравнению с содержанием СаО).

Учет содержания MgO в эмпирической формуле для расчета СаО, напротив, приводит к существенному увеличению коэффициент корреляции и позволяет повысить точность расчета.

Эмпирические формулы для расчета ПГТП и СаО не совпадают с теоретическими и имеют более высокую точность. Это объясняется присутствием в известняке кроме кальцита и доломита различных примесей.

При расчете характеристик химсостава известняка целесообразно использовать следующие эмпирические формулы:

ППП = ТО,3434 + 8.7205;

SiO, = 64,0513-ТО,6321;

СаО = Т 0,5364 - MgO-1,0684 + 2,4780.

3. С учетом уравнений (6), (7), (8) и требований Технологического регламента ОАО«Сухо-ложекцемент» (тигр = 89 % ± 2 %, MgO £ 3 %) вычислены альтернативные нормативы технологического регламента для замены критерия управления качеством (табл. 5). При расчете нормативов для содержания СаО по формуле (8) значение MgO принято равным среднему за исследуемый период ( 1,62 %).

Таблица 5

Альтернативные критерии управления качеством

Альтернативный критерий Норма. % Допуск. %± Нижняя ipamma Верх ияя граница Норма

значение соответствует значение соответствует MgO.

титр MgO ти.р MgO %

ППП 39.28 0.69 38.60 87 - 39.98 91 - £3

SiO> 7.79 1.26 6.53 91 - 9.05 87 - ¿3

СаО 48.49 1.07 47.42 87 1.62 49.56 91 1.62 £3

4. Для каждого из 1756 анализов известняка, при среднем химсоставе остальных компонентов сырьевой смеси (см. табл. 2), выполнен расчет четырехкомпонентной портландцсмснтной сырьевой смеси путем решения систем уравнений (2J:

,v(2,8S.KH + 1,65/1, + 0.35F, - С) + + 1.65/1, + 0,35/; - Q+

+2(2.85,КН + 1,65/1, + 0.357=; - Q = С4 - 2,854КН - 1,65/14 - 0,35Fj \(л А, + nf, - 5,) + у (л/1. + nF% - .<) + + я/?, - 5,) = 5, - /?/14 - v?F4; а^; - А,) +VO*F2-Л) + - /1,) = Л4-где КН - коэффициент насыщения сырьевой смеси; //-силикатный модуль сырьевой смеси; р-глиноземный модуль сырьевой смеси; S. А. F. С- содержание SiO,, А 1,0,, Ке.О,, СаО в каждом компоненте сырьевой смеси; к, у, г- искомые весовые части первого, второго и третьего компонентов сырьевой смеси, приходящиеся на 1 весову ю часть чет вертого компонент а сырьевой смеси.

Системы у равнений решены для условий, соответству ющих требеваниям технологического регламента ОАО «Сухоложскцемент» к качеству сырьевой смеси

Каждый случай отсутствия положительных корней системы уравнений при значениях модулей (КН. /;. р) в пределах допусков регламента означает невозможность выполнения нормативов при имеющемся химсоставе компонентов сырьевой смеси.

5. Рассчитана вероятность ситуации, не позволяющей приготовить сырьевую смесь требуемого качества, при соответствии химсостава известняка нормативам. Аналогичные расчеты выполнены с заменой титра на альтернативные критерии управления качеством (Г1ПП, SiO,, СаО). Результаты расчета приведены в табл. 6.

Таблица 6

Риск получения некачественной сырьевой смеси при нормативном химсоставе известняка

Критерий Норматив, % Риск получения некачественной сырьевой смеси, %

Титр 89 ±2 6,75

ППП 39,28 ±0,69 5,77

SiOj 7,79 ± 1,26 1,63

СаО 48,49 ± 1,07 8,05

Из таблицы видно, что даже в случае соответствия известняка существующим требованиям технологического регламента остается значительная вероятность того, что химсостав сырьевых материалов не позволит приготовить качественную сырьевую смесь, а в настоящее время только 70 % известняка, подаваемого в производство, соответствует нормативам.

Кроме того, результаты исследования позволяют сделать заключение, что замена критерия управления качеством с титра на БЮ, позволит многократно снизить риск получения некачественной сырьевой смеси при соответствии известняка требованиям регламента. Особо нужно отметить, что такая замена критерия не повлияет на количество некендиционного известняка, подлежащего вывозке в отвал, так как средний химсостав подаваемого в производство сырья останется неизменным.

6. Дальнейшие исследования выполнены для двух альтернативных критериев - титр и 510.. Рассчитана вероятность ситуации, не позволяющей приготовить сырьевую смесь требуемого качества. на диапазоне значений титра от 80 до 93 % с шагом 1 (или 510, от 13,48 до 5,27 % с шагом 0,632 %). В этот диапазон попадает 95 % известняка, подаваемого в производство.

С использованием редактора Ма^Исас! полученные ряды данных аппроксимированы кривыми четвертого порядка. Результаты аппроксимации в графическом виде показаны на рисунке.

- ао 81 к аз г< « » «/ 38 м» х ы к. «з

Гитр - критерий управления качеством

I-1-У-1---1---1-1-» I Н-1

а« II» на I'.» 1С« 1Г.Л «т м» ».то 7.1 А М) 5.* 5.Г

ъЮл - критерий управления качеством

Зависимость риска прнготоаления некачественной сырьевой смеси от значения критериев управления качеством

Кривые пересекаются в точке, соответствующей значению титра 85,34 % (или значению содержания ЭЮ, - 10,11 %). Это означает, что использование содержания ЭЮ, в качестве критерия управления качеством обеспечит лучшее качество сырьевой смеси при ттггре известняка выше 85,34 % (или БЮ, ниже 10,11 %). В этот диапазон попадает 85,19 % сырья, подаваемого в производство.

Таким образом, замена критерия управления качеством известняка с титра на содержание $Ю2 позволит существенно повысить качество портландцементной сырьевой смеси ОАО «Сухо-ложекцемент». Реализация этого мероприятия не потребует денежных инвестиций.

Вероятно, в 70-е годы XX века, когда была начата эксплу атация Кунарского месторождения, использование титра в качестве критерия управления качеством было оправданным, гак как анализ содержания БЮ, требовал времени в десятки раз больше, чем анализ титра. Б настоящее время в ОАО «Сухоложскцемент» химический анализ производится современным спектрометрическим методом, и определение содержания БЮ, в известняке не представляет трудности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кастам П. П.. Бяошин И.Н. Усреднение руд на горно-обогатительных предприятиях. М.: Недра. 1981.280 с.

2. БуггЮ. М.. Тимашев В. В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М.: Высшая школа. 1973. 504 с.

3. ДанюшевскнП С. И.. Егоров Г. Б.. Белое Л. В.. Никифоров Ю. В. Основы технология приготовления портландцемент ных сырьевых смесей. Л.: СтроП издат. 1971. 183 с.

4. Чнаев Т. //.. Таранухнн Н.А. Технология разработки месторождений цементного сырья. М.: Недра. 1980. 304 с.

5. Щупов Л. П. Математические модели усреднения. М.: Недра. 1978. 287 с.