Важнейшим процессом в технологии портландцемента является обжиг сырьевой смеси и получение клинкера. В процессе обжига в сырьевой шихте происходит ряд физических и физико-химических превращений, в результате которых образуется клинкер, представляющий собой спекшиеся гранулы черного цвета диаметром 1-3 см. Минералогический состав клинкера коренным образом отличается от минералогического состава исходных сырьевых материалов, что обусловливает приобретение им совершенно новых, заданных нами свойств.

В процессе обжига сырьевой шихты происходит химическое взаимодействие основного оксида СаО с кислотными оксидами. Вначале реакции взаимодействия происходят в твердой фазе, затем при повышении температуры обжига появляется жидкая фаза и образование большей части клинкерных минералов происходит через жидкофазные реакции.

В зависимости от особенности приготовления сырьевых смесей различают четыре способа производства портландцемента: мокрый, сухой, полусухой и комбинированный. При мокром способе сырьевые материалы после их дробления тонко измельчают в мельницах в присутствии воды, получая текучую сметанообразную массу с содержанием воды 35-40% - сырьевой шлам. При сухом способе производства сырьевые материалы высушивают, а затем тонко измельчают. При мокром способе производства обжиг ведут в длинных вращающихся печах, при сухом - в коротких вращающихся в печах с запечными теплообменниками. Полусухой способ отличается от сухого тем, что сырьевая смесь перед обжигом гранулируется при влажности 10-14%. При комбинированном способе производства шлам, приготовленный по мокрому способу, обезвоживают на фильтрах до влажности 16-18% и подают на обжиг в печи в виде полусухой массы.

Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки. В настоящее время основными способами в мировой цементной промышленности являются мокрый и сухой. Во всех странах клинкер стремятся получать по сухому способу, при котором затраты топлива на 30-40% меньше, чем по мокрому и более высокие удельные съемы клинкера с объема печи.

В физических превращениях сырьевых шихт, приготовленных по мокрому и сухому способам, на начальной стадии обжига имеются различия. При дальнейшем обжиге, после полного высушивания шлама, физико-химические превращения материалов различий не имеют. При мокром способе производства используются длинные вращающиеся печи, в которых происходят все физико-химические процессы образования цементного клинкера. В печах сухого способа производства нагрев сырьевой муки и подготовительные процессы идут циклонных теплообменниках, окончательная декарбонизация материала и процессы спекания происходят во вращающейся печи.

В.Н.Юнг условно разделил длинную вращающуюся печь мокрого способа производства на 6 технологических зон: зона испарения или сушки, подогрева шихты, кальцинирования, экзотермических реакций, зона спекания и охлаждения.

Зона испарения или сушки по протяженности занимает около 1/3 длины печи. В этой зоне сырьевой шлам нагревается отходящими дымовыми газами до температуры около 70-80^оС и разжижается. Затем после потери значительного количества воды комкуется в крупные комья, затем гранулируется. Происходит интенсивная сушка материала. Интенсивной сушке материала способствует его налипание на цепные завесы. Подсушенный шлам отстает от цепей, комкуется и за счет вращения печи начинает гранулироваться. В конце зоны материал нагревается до 180 – 200^оС. Влажность материала, выходящего из зоны цепей, должна быть не менее 8-10%. При более низкой влажности возникает опасность выгорания цепей и истирания материала, что приведет к повышению пылевыноса из печи.

Во второй зоне – зоне подогрева, занимающей около 30% длины печи, материал нагревается до 800-850^оС. При температурах 450 – 500^оС из глинистых минералов удаляется большая часть кристаллохимической воды и появляются свободные оксиды кальция и кремния в результате взаимодействия которых образуются промежуточные соединения различного состава. Поверхность кристаллов кальцита покрывается чешуйками промежуточных соединений. На зернах кварца также образуется кайма новообразований, представляющая собой СS, СА, С₃S₂, С₂МS₂ и др. Присутствуют также небольшие количества соединений сложного состава 3СаО*3Аl₂О₃ *CaSO₄ ; 2( 2 СаО * SiО₂ )*СаСО₃ ; 2СаО*SiО₂*СаSО₄; 2СаО*Аl₂О₃*SiО₂ и др. В обжигаемом материале также присутствуют зерна кальцита, ос-кварца, тридимита, аморфизованное глинистое вещество.

В зоне кальцинирования, протяженность которой составляет 20 -25% длины печи, температура материала повышается с 850оС до 1100оС. В этой зоне завершается процесс диссоциации карбонатов кальция и магния. В материале появляется значительное количество свободной СаО, т.к. скорость диссоциации СаСО₃ больше скорости связывания СаО в клинкерные минералы. Скорость реакций образования минералов определяется скоростью диффузии ионов кальция через слой новообразований на частицах кислотных оксидов. В обжигаемом материале наряду с промежуточными соединениями, образовавшимися в зоне подогрева, присутствуют (3-С₂S, oc-С₂S, С₃А, С₆АF. Максимальное содержание СаО в обжигаемом материале приходится на конец зоны кальцинирования и составляет 12 - 35%.

В зоне экзотермических реакций температура материала повышается с 1100^оС до 1300оС. Зона занимает 5-7% длины печи. В зоне экзотермических реакций происходит образование основных количеств трехкальциевого алюмината, четырехкальциевого алюмоферрита и белита, завершается процесс твердофазового спекания клинкера. Количество свободной извести в материале уменьшается, величина потерь при прокаливании приближается к нулю. Количество связанной SiO₂ приближается к максимуму. Оксид кальция взаимодействует с минералами низкой степени насыщения известью - СА, СS, С₅А₃ и др. с образованием более высокоосновных минералов - С₂S, С₃А, С₄АF равновесного состава. Образовавшиеся ранее промежуточные соединения распадаются. Происходит образование твердых растворов - NC₈A₃, КС₈А₃, КС₂₃S1₂. Алит образуется в количестве 5 - 15%. Несвязанный оксид магния образуется в виде крупных кристаллов периклаза. В конце зоны экзотермических реакций в материале происходит образование эвтектического расплава. Реакции образования клинкерных минералов в этой зоне происходят с выделением теплоты в количестве около 1760 кДж/кг клинкера, вследствие чего температура материала на коротком участке печи увеличивается на 200-300оС. В современных мощных вращающихся печах вследствие циркуляции летучих примесей и образования значительного количества промежуточных соединений содержание СаО свободной в материале редко превышает 15%, а зона экзотермических реакций исчезает, накладываясь на зону кальцинирования.

Материал в этой зоне находится в виде гранул размером 2-10 мм. Окраска материала изменяется из светло-коричневой в светло­серую, т.к. оксид железа связывается в алюмоферриты кальция. Размеры кристаллов минералов составляют 0,5-10 мм. В конце зоны, когда в системе увеличивается содержание расплава, гранулы материала становятся пластичными. На границе зоны кальцинирования и экзотермических реакций возникает световой контраст. Обусловлено это тем, что в зоне экзотермических реакций на очень коротком промежутке печи температура материала быстро увеличивается на 200-300^оС вследствие экзотермических реакций образования минералов. Температура материала в зоне кальцинирования поднимается медленно, ввиду потребления значительного количества тепла на эндотермические реакции разложения СаСО₃. При резком повышении температуры материала в зоне экзотермических реакций повышается светоизлучение в результате чего на границе двух зон возникает хорошо видимый световой контраст.

В зоне спекания, занимающей 10-15% длины печи, температура материала повышается с 1300^оС до 1450^оС и понижается затем до 1300^оС. Образовавшиеся ранее минералы С₃А, С₅А₃, С₂F, С₄АF, легкоплавкие примеси сырьевой смеси и МgО переходят в состав жидкой фазы. В твердой фазе остаются в основном С₂S, СаО и образовавшийся в предыдущей зоне С₃S.

Спекание портландцементного клинкера происходит в результате 3 основных процессов, частично или полностью налагающихся друг на друга: 1) плавления - перехода компонентов сырьевой шихты из твердой фазы в жидкую и растворения в расплаве ионов реагирующих компонентов; 2) диффузии ионов – переходе в расплаве ионов реагирующих компонентов от мест их перехода в расплав к местам образования новых твердых фаз; 3) кристаллизации – образования твердых фаз из расплава.

Реакции образования алита и кристаллизации его из расплава происходят следующим образом: С₂S и СаО растворяются в расплаве и при взаимодействии между собой образуют С₃S. Растворимость алита в расплаве низкая. Поэтому он выделяется из него в виде мелких кристаллов, которые затем увеличиваются в размерах. Вследствие этого концентрация С₂S и СаО в расплаве уменьшается и в нем растворяются их новые порции . Процесс продолжается практически до полного связывания СаО свободной. Материал находится в зоне спекания 20-30 минут. В несвязанном состоянии могут остаться 1-2% SiО2 и 0,5-2%СаО. Это может быть обусловлено несколькими причинами: неоднородностью состава сырьевой смеси ввиду недостаточной гомогенизации; наличием крупных включений, не успевших прореагировать; недостаточной температурой и продолжительностью обжига. Кинетика процесса алитообразования зависит от скорости растворения СаО и свойств расплава: вязкости и поверхностного натяжения. Вязкость распл4ава определяет условия полного обмена между растворяющимися и кристаллизующимися фазами. Величина поверхностного натяжения определяет механизм реакции на границе кристалл - расплав.

Количество жидкой фазы, образующейся в материале в зоне спекания, составляет 15-35%. Плавление начинается в поверхностных слоях и постепенно распространяется внутрь гранулы. При вращении печи материал перекатывается и мелкие гранулы и зерна слипаются в более крупные.

В короткой зоне охлаждения, занимающей 2-4% длины печи, температура клинкера медленно охлаждается с 1300 до 1100-1000 ^оС. В зоне охлаждения часть жидкой фазы кристаллизуется в виде клинкерных минералов С3А, С4АF, С2S , МgО и в небольшом количестве С3S, а часть не успев закристаллизоваться застывает в виде клинкерного стекла. В процессе охлаждения возможен распад твердых растворов клинкера. В случае медленного охлаждения возможен переход P-С2S в Y-С2S, что вызывает саморассыпание клинкера в мелкий порошок. Это вредное явление, т.к. Y-С2S при обычных температурах вяжущими свойствами не обладает. Этот распад предотвращают быстрым охлаждением клинкера.