Сырьевые материалы для получения портландцемента
Обновлено: 18.05.2024
Что такое портландцемент и его особенности
Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и в воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса. Портландцементный клинкер - продукт спекания сырьевой смеси необходимого химического состава, обеспечивающего преобладание после обжига силикатов кальция.
Основными сырьевыми материалами для получения портландцемента являются известняки и глинистые породы или их природные смеси - мергели. Применяют также разнообразные отходы промышленности: золы, шлаки, нефелиновый шлам и др.
Производство портландцемента складывается из двух стадий: получения клинкера и его измельчения с добавками. Основными технологическими операциями производства цементного клинкера являются: разработка и подготовка сырьевых материалов, включающие добычу, измельчение и при необходимости их сушку; получение однородной сырьевой смеси при совместном измельчении и смешении компонентов; обжиг сырьевой смеси РР спекания, обеспечивающего прохождение физико-химических ПРОЦЕССОВ клинкерообразования, и охлаждение.
Состав и свойства портландцемента.
Свойства портладцемента зависят от состава и особенностей строения клинкера. Повышенное содержание в клинкере оксида кальция, связанного в минералы, позволяет получить цемент с высокой активностью и скоростью роста прочности во времени. Содержание свободного СаО в клинкере колеблется от 0 до 2%, обычно стремятся свести его до минимума за счет полного прохождения реакций клинкерообразования. Свободный оксид кальция, оставшийся в клинкере, вызывает неравномерность изменения объема и снижает
прочность цементного камня.
Оксид магния также отрицательно сказывается на свойствах цемента. Содержание МgО в портландцементе должно быть не более 5%. Вредное влияние свободных оксидов кальция и магния обусловлено их способностью к медленному гашению и развитию внутренних напряжений в затвердевших бетонах и растворах.
Наиболее значительные по содержанию клинкерные минералы называют алитом и белитом. Алит - это твердый раствор трехк-альциевого силиката С38 и небольшого количества А12О3, МgО и др. Твердый раствор в данном случае является результатом внедрения указанных оксидов в кристаллическую решетку трехкальциевого силиката. Алит в значительной степени определяет свойства портландцемента, его высокую прочность и скорость роста ее во времени.
Белит является вторым по содержанию клинкерным минералом и представляет собой твердый раствор бета-двухкальциевого силиката (Р-С25) и др. Он твердеет медленно, однако неуклонно наращивает прочность во времени.
При просмотре клинкера под микроскопом четко различаются призматические кристаллы алита и округлые – белита.
В состав находящегося между ними промежуточного вещества входят алюминатная и алюмоферритная фазы. Алюминаты в клинкере представлены трехкалыдиевым алюминатом быстросхватывающимся минералом, затвердевающим в первые сроки с большим тепловыделением. Алюмоферритная фаза представляет собой твердый растворразличных алюмоферритов и в большинстве клинкеров близка по составу к четырехкалыдиевому алюмоферриту.
Для некоторых специальных видов портландцемента минералогический состав может не укладываться в указанные пределы. Повышение содержания минералов силикатов (особенно алита) улучшает прочностные и другие свойства цемента, однако затрудняет обжиг клинкера.
При производстве цемента выбирают рациональные составы клинкера, обеспечивающие как высокое качество продукции, так и оптимальные условия работы вращающихся печей.
Высокая тонкость измельчения цементного клинкера является Ю необходимым Условием проявления его вяжущих свойств. При просеивании цемента, через сито с сеткой № 008 должно проходить нежнее 85% массы пробы.
Ряд свойств цемента и прежде всего прочность в ранние сроки твердения, пропорциональны удельной поверхности, которая для заводских цементов равна 2500-3500 см2/г при определении ее по скорости прохождения воздуха через слой цементного порошка.
Истинная плотность портландцемента колеблется в диапазоне 3-3 2 г/см3. Насыпная плотность цемента зависит от степени уплотнения порошка: в рыхлом состоянии она составляет 960-1300, в уплотненном достигает 1600-840 кг/м3.
Цемент, затворенный водой, образует пластичное цементное тесто. Водопотребность цементов оценивают количеством воды затворения в процентах массы цемента, необходимым для образования теста нормальной густоты. Понятие нормальной густоты является условным и определяется погружением в цементное тесто пестика прибора Вика (пестик не должен доходить на 5-7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо, заполненное цементным тестом). Портландцемент характеризуется сравнительно невысокой водопотребностью. Нормальная густота его колеблется от 24 до 29%. Увеличивают водопотребность цемента повышенное содержание алюминатов, минеральные добавки осадочного происхождения (опока, трепел, диатомит и др.), большая тонкость измельчения, снижают - добавки-пластификаторы. Повышение водопотребности неблагоприятно отражается на свойствах цемента: прочности, усадочных деформациях, морозостойкости и др. Это объясняется увеличением избытка воды по сравнению с теоретически необходимым для его твердения и, как следствие, возрастанием пористости цементного камня.
Первой стадией твердения цементного камня является схватывание. Весь период схватывания условно делится на начало и конец. Началом схватывания цементного теста считается время, пошедшее от момента затворения до того момента, когда игла прибора Вика не будет доходить до пластинки, на которой установлено кольцо, на 1 -2 мм. Концом схватывания считается время от начала затворения до момента, когда игла будет опускаться в тесто не более чем на 1 мм. Начало и конец схватывания цементов нормируются в пределах, удобных для изготовления растворов и бетонов. Начало схватывания Должно наступать не ранее чем через 60 мин, для цементов марок 300,400 и 500 и 45 мин для марок 550 и 600. Обычно оно наблюдается через 2-4 ч от момента затворения. Конец схватывания для цемента должен наступать не позднее 10 ч. Указанные требования обеспечивают за счет введения в портландцемент добавки гипса.
Двуводный гипс замедляет схватывание портландцемента. Замедляющее действие гипса связано с образованием на поверхности зерен С3А (наиболее быстротвердеющей фазы цемента) защитных оболочек нового соединения - гидросульфоалюмината. Это соединение является продуктом взаимодействия гипса, трехкальциевого алюмината и воды.
Добавки - регуляторы сроков схватывания цемента - разделяют на две группы: замедлители и ускорители. Замедлителями сроков схватывания портландцемента являются борная кислота, фосфаты и нитраты калия, натрия и аммония, которые увеличивают концентрацию ионов кальция в твердеющей системе, замедляющих процесс гидролиза С35. Замедляют схватывание цемента также органические поверхностно-активные вещества, адсорбирующиеся на частицах цемента и тормозящие гидратацию. Ускорить схватывание портландцемента можно введением добавок - электролитов, а также веществ, являющихся центрами кристаллизации гидратных новообразований.
Так, ускорение схватывания добавкой СаС12 объясняется ее взаимодействием с алюминатными и ферритными фазами цемента с образованием гидрохлоралюмината кальция, а также поверхностной адсорбцией ионов, которая вызывает повышение растворимости клинкерных минералов.
Равномерность изменения объема при стандартных испытаниях цемента оценивают визуально по деформации образцов - лепешек (диаметром 70-80 и толщиной 10 мм) из цементного теста нормальной густоты, подвергнутых кипячению после 24 ч твердения в нормальных влажностных условиях. Основной причиной неравномерного изменения объема цементного камня является гашение в нем свободных СаО и МдО (периклаза). В некоторых случаях такая неравномерность связана с образованием в уже затвердевшей структуре гидросульфоалюмината кальция при повышенной дозе добавки гипса. Основным показателем качества цемента является прочность, наибольшее значение имеет прочность при сжатии и изгибе. В зависимости от величины этих показателей установлены марки М300, М400, М500, М550, М600.
Цементный завод должен определять активность цемента и при пропаривании в возрасте 1 сут. и указывать ее в паспорте на отгружаемый цемент.
Для ориентировочного определения прочности цементов используются различные ускоренные методы.
Прочность цементов находится в сложной зависимости от большого комплекса факторов. Одним из основных является состав цемента. На прочностные показатели цемента влияют не только содержание отдельных минералов, но и их микроструктура. В последние годы большое внимание отводится изучению легирующих добавок, повышающих прочность цемента.
Прочность цемента, особенно в раннем возрасте, повышается с увеличением удельной поверхности и уменьшением предельного размера зерен. В высокопрочных быстротвердеющих цементах до 95% (по массе) представлено частицами не более 30 мкм при содержании зерен менее 5 мкм до 30%. Наряду с потенциальной активностью цемента, обусловленной его составом, структурой и дисперсностью, на прочность которую он проявляет в растворах и бетонах, существенно влияют условия хранения, использования и твердения.
Из чего делают портландцемент?
Цемент является одним из важнейших строительных материалов. Его применяют для изготовления бетонов, бетонных и железобетонных изделий, строительных растворов, асбестоцементных изделий. Изготовляют его на крупных механизированных и автоматизированных заводах.
Главной составной частью цемента являются силикаты и алюминаты кальция, образовавшиеся при высокотемпературной обработке сырьевых материалов , доведенных до частичного или полного плавления.
В группу цемента входят все виды портландцемента, пуццоланового портландцемента, шлакопортландцемента, глиноземистый цемент, расширяющиеся цементы и некоторые другие.
1. Портландцемент
Портландцемент получают путем обжига при высокой температуре (1400-1500°) природного сырья в виде мергелей или искусственной смеси известняка с глиной и другими материалами. Обжиг производится в специальных печах.
Печь устанавливается с наклоном; благодаря этому материалы в ней, пересыпаясь, постепенно передвигаются от одного конца к другому. При обжиге получается спекшийся материал, часть которого расплавилась и застыла в стекловидном состоянии. Этот материал носит название цементного клинкера.
Рис. 1 Частица цементного клинкера в разрезе при увеличении в 100 раз
На рис. 1 показано строение цементного клинкера при небольшом увеличении.
Из рисунка видно, что цементный клинкер состоит из кристаллических минералов, соединенных стекловидным веществом.
Портландцемент может выпускаться без добавок или с активными минеральными добавками в количестве до 15% от веса цемента.
Добавки вводятся для придания цементу специальных свойств (пониженной водопотребности, повышенного воздухосодержания, гидрофобных свойств и т.д.).
Помимо портландцемента, выпускаются большие количества различных цементов, отличающихся составом сырья, из которого их получают, способом производства и свойствами.
Советская цементная промышленность выпускает специальные цементы, предназначенные для особых условий службы бетона и специальных целей.
Значительное количество разновидностей цементов получается на основе портландцементного клинкера путем добавки к нему различных веществ.
В приведенной таблице 1 дается краткий перечень важнейших цементов с указанием их назначения, особенностей и области применения.
Чем тщательнее подобран состав сырья, чем лучше проведен процесс обжига и чем тоньше размолот цемент, тем выше его качества и тем большую прочность может он обеспечить при затворении его водой.
Но более активный цемент всегда более чувствителен к действию влаги и углекислоты, содержащихся в воздухе, и при хранении быстрее теряет активность. Поэтому современные тонкомолотые высокоактивные цементы требуют тщательной упаковки, хранения и быстрого употребления в дело.
Табл. 1 Краткий перечень важнейших цементов с указанием их назначения, особенностей и области применения.
портландцемент клинкер глина
2. Сырьевые материалы, используемые для производства портландцемента
2.1 Сырьевые материалы для получения клинкера
Для получения портландцементного клинкера требуемого состава сырьевую смесь составляют из нескольких компонентов.
Основные компоненты: известковый, состоящий преимущественно из углекислого кальция (карбонатная порода), и глинистый, содержащий большое количество кислотных окислов SiO2 и А12О3.
В некоторых случаях, когда имеется возможность, два основных компонента заменяют одним мергелем, представляющим собой природную смесь глинистых веществ и СаСО3 в необходимом для производства клинкера соотношении.
Иногда вместо природного глинистого компонента используют отходы (шлаки, золы, нефелиновый шлам и др.) различных отраслей промышленности, имеющие подходящий состав.
Для регулирования содержания в смеси того или иного окисла в нее вводят корректирующие добавки.
Если в сырьевой смеси недостает кремнезема, добавляют трепел, песок, опоку, диатомит и другие вещества с высоким содержанием SiO2; при недостатке глинозема (А12О3) применяют бокситы, алюминиевые шлаки или глину с высоким содержанием А12О3 недостаток окиси железа компенсируют добавкой железной руды, колчеданных огарков, колошниковой пыли.
Пригодность сырьевых материалов для производства портландцементного клинкера устанавливают на основании их технологического изучения и технико-экономического анализа вопросов, вытекающих из организации цементного производства в данном районе (способ производства, вид топлива, качество цемента).
Карбонатные породы. Карбонатные породы образовались в основном из остатков животного мира, осевших на дне водоемов, а также из химических осадков углекислого кальция. Они встречаются в природе в виде известняков, мела, известнякового туфа, известняка-ракушечника и мрамора.
Все разновидности карбонатных пород находят применение в производстве портландцемента, за исключением мрамора. Чаще всего используют известняки и мел, осадочное происхождение которых обусловливает разнообразие их химического состава и физических свойств.
Глинистые породы. Для цементного производства используют следующие виды этих пород: легкоплавкие глины, глинистый мергель, глинистый сланец, лёсс.
Глины представляют собой тонкодисперсные горные породы, легко распускающиеся в воде. Глины имеют разнообразный минералогический и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения. В тех случаях, когда глины содержат значительное количество грубых включений, обломков горных пород, их необходимо предварительно обогащать.
Минералогический состав глин представлен различными гидроалюмосиликатами, из которых наиболее часто встречаются каолинит, монтмориллонит и гидрослюды. Обычно глины содержат в виде примеси кварцевый песок.
Мергели представляют собой природную смесь глинисто-песчаных веществ (20-50%) и мельчайших частиц углекислого кальция (50-80%).
ь В зависимости от содержания СаСО3 и глинисто-песчаного вещества мергели разделяются на
Лёсс представляет собой пористую осадочную горную породу серо желтого цвета, близкую по химическому составу глинистым мергелям, но отличающуюся более грубо дисперсными частицами.
Лёсс состоит в основном из частиц размером 0,1-0,5 мм; глинистые частицы (меньше 0,01 мм) содержатся в незначительном количестве, но в то же время в лёссе почти нет частиц песка с зернами крупнее 0,25 мм.
Глинистые сланцы относятся к породам метаморфическим (видоизмененным). Образовались они в результате видоизменения глин под действием большого давления, которое возникает при перемещении верхних слоев земной коры в более глубокие.
Промышленные отходы. В качестве сырьевых компонентов на некоторых цементных заводах используются отходы различных отраслей промышленности. Наиболее широко применяют доменные шлаки и нефелиновый шлам, представляющий собой отход глиноземного производства.
Нефелиновый шлам состоит из 80-85% тонкодисперсного частично гидратированного двухкальциевого силиката. Состав шлама доводят до состава портландцементной сырьевой смеси.
Недостатками шлама являются повышенное содержание щелочей и необходимость использования двух корректирующих добавок для повышения содержания АО3 и Fe2O3 в сырьевой смеси.
Минерализаторы. Минерализаторами называются вещества, которые активно участвуют в образовании клинкерных минералов при обжиге и сами частично входят в их состав.
При использовании минерализаторов повышается реакционная способность портландцементной сырьевой смеси и создаются благоприятные условия для образования двухкальциевого и трехкальциевого силикатов.
Введение небольших количеств (0,5-1%) этих химических веществ в портландцементную сырьевую смесь способствует снижению требуемой температуры клинкерообразования, а соответствующим подбором этих соединений можно регулировать минералогический состав клинкера и, следовательно, свойства будущего цемента.
2.2 Добавки к клинкеру необходимые при изготовлении портландцемента
При изготовлении портландцемента стандарт допускает добавку к клинкеру активных минеральных (гидравлических) добавок в количестве, определяемом видом портландцемента и качеством добавки.
Неотъемлемой частью портландцемента является добавка гипса; получение пластифицированного и гидрофобного портландцемента достигается добавкой поверхностно-активных веществ.
Активные минеральные добавки подразделяются на природные и искусственные.
Природные активные минеральные добавки бывают:
ь осадочного происхождения, образованные в результате осаждения в водоемах остатков некоторых растений или в результате природного обжига глинистых пород (диатомиты, трепелы, опоки);
ь вулканического происхождения, образовавшиеся в результате извержения магмы (пеплы вулканические, туфы вулканические, пемза) .
Назначение активных минеральных добавок в портландцементе состоит в том, чтобы связать в нерастворимые в воде соединения свободный гидрат окиси кальция, выделяющийся при твердении цемента.
В соответствии с этим основным показателем качества гидравлической добавки является способность ее связывать Са(ОН)2. Эта способность добавки характеризуется ее активностью.
В качестве искусственных активных минеральных добавокиспользуют:доменные гранулированные шлаки;кремнеземистые; топливные золы и шлаки; обожженные глины.
Гипс. Гипс как добавка к клинкеру при получении портландцемента вводится в виде гипсового камня. По химическому составу он представлен в основном двуводным сернокислым кальцием CaSO4-2H2O.
Поверхностно-активные добавки. Поверхностно-активные добавки подразделяются на пластифицирующие и гидрофобизующие. Их используют, как отмечалось, для изготовления соответственно пластифицированного и гидрофобного портландцементов.
Однако эти добавки вводят также и во все другие разновидности портландцементов. При этом каждый цемент приобретает дополнительное название, соответственно пластифицированный или гидрофобный. Например, пластифицированный дорожный портландцемент или гидрофобный сульфатостойкий портландцемент.
Пластифицирующие поверхностно-активные добавки применяют в виде концентратов сульфитно-спиртовой барды (ССБ). Они образуются как отход при получении целлюлозы по сульфитному способу. Оптимальное количество вводимой добавки в цемент находится в пределах 0,15-0,25% от массы цемента, считая на сухое вещество добавки.
Гидрофобизующие поверхностно-активные добавки применяют в виде асидола, асидол-мылонафта и мылонафта, являющихся нафтеновыми (нефтяными) кислотами, образующимися при переработке нефти.
Кроме указанных веществ, применяют также олеиновую кислоту. Она содержится в животных жирах.
Количество вводимой гидрофобизующей добавки зависит от ее вида и состава цемента и устанавливается опытом. Обычно величина этой добавки находится в пределах от 0,06 до 0,30% от массы цемента, считая на сухое вещество добавки.
Для лучшего распределения добавок в цементе их вводят в цементную мельницу в жидком виде. Для этой цели применяют специальные дозировочные механизмы. Если же добавки поступают ил завод в виде пасты, например мылонафт, или в твердом состоя их растворяют и горячей коде.
3. Добыча и доставка на завод основных сырьевых материалов
Месторождения сырья в цементной промышленности чаще всего разрабатываются открытым способом, при котором добыча ведется непосредственно с поверхности земли.
Залежи известняка располагаются обычно под слоем вскрышной (пустой) породы, высота которой может достигать 5 и более метров. Вскрышу, которая чаще всего сложена из землистых пород, удаляют экскаваторами, бульдозерами, а также в случае очень мягких, легко размываемых пород, используют гидромеханический способ. Обычно вскрышные работы производят на 6-10 месяцев раньше работ по добыче сырья.
Способ добычи зависит от физико-механических свойств сырья. Мягкие нескальные породы добывают при помощи экскаваторов, которые также используются для погрузки на транспортные средства скального сырья, измельченного взрывом.
Способы доставки добытого сырья на завод зависят от его свойств, способа добычи, рельефа местности, расстояния от карьера до завода и других факторов.
Когда мягкие породы добывают гидромеханическим способом, приготовляют сырьевой шлам в карьере, используется гидротранспорт. При сильно пересеченной местности между карьером и заводом рекомендуется транспортировать сырье с помощью воздушно-канатных дорог. Если карьер расположен на расстоянии менее 8 км от завода, рационально использовать автомобильный транспорт, или расстояние больше 10 км сырьё транспортируют по железной дороге, при расстоянии до 6-8 км применяют ленточные транспортеры.
4. Разгрузка и хранение сырьевых материалов
Бесперебойная работа основных технологических цехов цементного завода обеспечивается созданием па территории завода запасов сырьевых материалов.
Разгружают сырьевые материалы с помощью различных средств механизации: кранов, оборудованных грейферными ковшами, специальных разгрузочных механизмов, скреперов, бульдозеров, разгрузочных эстакад. Выбор механизмов и схемы организации разгрузочно-погрузочных работ и складских операций определяется величиной грузопотока и видами транспортных средств доставки грузов.
На цементных заводах большой мощности для разгрузки сыпучих материалов с открытых транспортных средств применяют разгрузчики. Материал с их помощью сгребают или захватывают и затем передают на систему ленточных конвейеров, укладывающих его в штабель.
С открытых платформ материал разгружают скребковым разгрузчиком. Платформа медленно продвигается над приемным бункером и одновременно с нее в бункер сгребается материал при помощи скребка, совершающего возвратно-поступательное движение. Из приемного бункера материалы посредством одного или системы ленточных конвейеров передаются на склад.
При очень больших грузопотоках применяют стационарные опрокидыватели вагонов. При опрокидывании вагона материал ссыпается в приемный бункер, откуда затем подается на склад. Склады обычно организуют общими бункерами, но обеспечивающими раздельное хранение всех сырьевых материалов не только по их видам, но и по качеству. В некоторых случаях гипс и гидравлические добавки хранят отдельно. Как правило, твердое и жидкое топливо размещают на специальных складах.
Склад сырьевых материалов представляет собой железобетонную эстакаду шириной до 30 м и длиной, определяемой потребной емкостью склада. По эстакаде перемещается мостовой кран, оборудованный грейферным ковшом. Кран захватывает материал и перемещает его в соответствующий отсек склада. Краном также подают материал па переработку. Для защиты от атмосферных осадков склады делают закрытыми.
На многих цементных заводах устраивают силосные склады, на которых хранят дробленые и Сухие материалы (клинкер, добавки, гипс). Силосы, представляющие собой вертикальные железобетонные емкости круглого сечения, разгружают весовыми дозаторами. Материал из силосов подается непосредственно в мельницу. Для силосных складов требуются небольшие производственные площадки, они отличаются высокой степенью механизации и позволяют автоматизировать все транспортные операции.
5. Технология производства цемента, схемы
Процесс производства портландцемента складывается из следующих основных технологических операций:
1) добыча сырьевых материалов и доставка их на завод;
2) дробление и помол сырьевых материалов;
3) приготовление и корректирование сырьевой смеси;
4) обжиг смеси (получение клинкера);
5) помол клинкера с добавками (получение цемента).
В зависимости от вида подготовки сырья на обжиг различают
При мокром способе производства помол сырьевых материалов, их смешивание и корректирование сырьевой смеси осуществляются в присутствии определенного количества воды, а при сухом способе все перечисленные операции производятся с сухими материалами. В некоторых случаях сухую сырьевую смесь гранулируют, добавляя при грануляции необходимое для образования прочных гранул количество воды. Такой способ производства портландцементного клинкера называется полусухим.
Каждый из этих способов имеет достоинства и недостатки. Например, в присутствии воды облегчается измельчение материалов и проще достигается однородность смеси, но расход тепла на обжиг сырьевой смеси при мокром способе на 30-40% больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастает необходимый объем печи при обжиге мокрой сырьевой смеси (шлама), так как значительная часть ее выполняет функции испарителя воды.
На рисунке 2 представлена общая схема производства портландцемента.
Рис.2 Общая схема производства цемента
Сущность комбинированного способа заключается в том, что сырьевую смесь приготовляют по мокрому способу, а затем ее максимально обезвоживают (фильтруют) на специальных установках и в виде полусухой массы обжигают в печи.
Выбор способов производства портландцементного клинкера определяется рядом факторов технологического и технико-экономического характера: свойствами сырья, его однородностью и влажностью, наличием достаточной топливной базы в районе строительства и др.
5.1 Мокрый способ производства
На цементных заводах, работающих по мокрому способу, в качестве сырьевых материалов для производства портландцементного клинкера обычно используют мягкий глинистый и твердый известняковый компоненты. Технологическая схема производства цемента мокрым способом представлена на схеме 1.
Начальной технологической операцией получения клинкера является измельчение сырьевых материалов. Необходимость тонкого измельчения сырьевых материалов определяется тем, что однородный по составу клинкер можно получить лишь из хорошо перемешанной сырьевой смеси, состоящей из мельчайших частичек ее компонентов.
При использовании в качестве известкового компонента мела, его измельчают в болтушках. Если применяют твердый глинистый компонент, то после дробления его направляют в мельницу.
Из болтушки глиняный шлам перекачивают в мельницу, где измельчается известняк. Совместное измельчение двух компонентов позволяет получать более однородный по составу сырьевой шлам.
В сырьевую мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Однако даже при самой тщательной дозировке исходных материалов не удается получить из мельницы шлам необходимого химического состава из-за колебаний химического состава сырья одного и того же месторождения. Чтобы получить шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах.
Схема 1. Мокрый способ производства портландцемента
Для этого в одной или нескольких мельницах приготовляют шлам с заведомо низким или высоким содержанием CаCO3 (называемым титром) и этот шлам в определенной пропорции добавляют в корректирующий шламовый бассейн.
Приготовленный таким образом шлам, представляющий собой сметанообразную массу с содержанием воды до 35-45%, насосами подают в расходный бачок, откуда равномерно сливают в печь.
Для обжига клинкера при мокром способе производства используют вращающиеся печи (рис. 3). Они представляют собой стальной барабан длиной до 150-230 м и диаметром до 7 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом; производительность таких печей достигает 1000-3000 т клинкера в сутки.
Рис.3 Вращающаяся печь
Дымовые газы движутся вдоль барабана печи навстречу обжигаемому материалу. Встречая на пути холодные материалы, дымовые газы подогревают их, а сами охлаждаются. В результате, начиная от зоны обжига, температура газа вдоль печи снижается с 1700 до 150-200 0 С.
Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом.
Охлажденный клинкер отправляют на склад. В ряде случаев клинкер из холодильника направляют непосредственно на помол в цементные мельницы.
Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа, оборудованный механическим (элеваторы, винтовые конвейеры), пневматическим (пневматические насосы, аэрожелоба) или пневмомеханическим транспортом.
5.2 Сухой способ производства
Производство портландцементного клинкера по сухому способу складывается из следующих операций (схема 2):
Схема 2. Сухой способ производства портландцемента
Известняк и глину предварительно дробят, затем высушивают до влажности примерно 1% и измельчают в сырьевую муку. Сушат известняк и глину либо раздельно, используя для этой цели сушильные барабаны или другие тепловые аппараты, либо совместно в сырьевых сепараторных мельницах, в которых одновременно осуществляются помол и сушка материалов. Последний способ более эффективен и применяется на большинстве новых заводов, работающих по сухому способу.
Для получения сырьевой муки определенного химического состава мельниц ее направляют сначала в смесительные, а затем в корректирующие силосы, куда дополнительно подается сырьевая мука с заведомо низким или высоким титром (содержанием CаCO3). В силосах мука перемешивается сжатым воздухом.
Подготовленная сырьевая смесь поступает в систему циклонных теплообменников, состоящую из нескольких (обычно четырех) степеней циклонов, соединенных между собой и с короткой (40-70 м) вращающейся печью газоходами. Проходя последовательно через все циклоны, сырьевая мука нагревается движущимися ей навстречу дымовыми газами, выходящими из печи. Время пребывания смеси в циклонных теплообменниках не превышает 25-30 с. Несмотря на это, сырьевая мука не только успевает нагреться до температуры 700-800 С, но и полностью дегидратируется и частично (на 20-25%) декарбонизируется. Из циклонов материал поступает в печь, где происходят дальнейшие реакции образования цементного клинкера. Из печи клинкер пересыпается в холодильник, и после охлаждения направляется на клинкерный склад.
5.3 Полусухой способ производства
Схема получения портландцементного клинкера при полусухом способе производства состоит из следующих операций (схема 3):
Схема 3. Полусухой способ получения портландцемента
Приготовление сырьевой муки в этом случае производится как и при сухом способе производства. Полученная мука проходит стадию грануляции в барабанных или тарельчатых грануляторах, и в виде гранул размером 10-20 мм и влажностью 11-16% поступает на обжиг.
Гранулированную сырьевую смесь обжигают в коротких вращающихся печах, оборудованных конвейерными кальцинаторами (эти установки для получения клинкера называют печами Леполь).
Гранулы или брикеты поступают в шахтную печь сверху, нагреваются горячими дымовыми газами и за счет сгорания запрессованных в них частичек угля. Образовавшийся клинкер выгружается внизу шахты и направляется на склад.
Остальные операции производства портландцемента не отличаются от соответствующих стадий мокрого способа производства.
5.4 Комбинированный способ производства
Схема 3. Комбинированный способ получения портландцемента
Приготовленная таким образом сырьевая смесь поступает на обжиг, который может осуществляться в печах полусухого способа производства.
Остальные операции производства портландцемента по комбинированному способу не отличаются от соответствующих стадий мокрого способа производства.
6. Хранение и упаковка
Стандартная конструкция представляет собой металлический цилиндр, закрытый сверху крышкой с вентиляционными отверстиями и фильтрами, заканчивающийся снизу конусом с отверстием и установленным в нем шиберным затвором для выдачи цемента. Устанавливается вертикально на опорах.
Цементные силосы являются составной частью склада цемента. При хранении цемента в силосах происходит его охлаждение до 30-50 0 С. При хранении гасится свободная известь, что улучшает свойства цемента, кроме того, хранение вызывает замедление сроков схватывания цемента. Период выдерживания цемента в силосах используется для определения лабораторной марки цемента. Силосы также являются промежуточным буферным складом, обеспечивающим непрерывную работу завода при периодичности отгрузки.
С целью снижения капитальных затрат и удешевления строительства наблюдается тенденция к переходу на строительство силосов большого диаметра.
Выгрузку цемента ведут или с выпускных устройств, расположенных сбоку, в этом случае железнодорожные пути располагают рядом с силосами, или из днищ. В последнем случае железнодорожные пути проходят между колонн. Для погрузки цемента навалом в автомашины устраивают специальные выносные бункеры, куда цемент транспортируют пневматическими насосами
Упаковку цемента в мешки ведут специальные упаковочные машины штуцерные и карусельные. Штуцерные машины имеют небольшую производительность 35-50 т/ч (700-1200 мешков в час). Карусельные машины изготовляют 5, 6, 10, 12 и 14-сосковыми. 12-сосковые упаковывают до 90 т/ч, 14-сосковые до 120 т/ч. Установка карусельной машины позволяет отказаться от строительства склада тарированного цемента и вести погрузку прямо от машины в вагоны.
Цемент из силосов аэрожелобами (рис. 4) и элеваторами, а иногда пневмонасосами подается в бункер упаковочных машин или в специальную камеру для уплотнения цемента.
Рис. 4 Аэрожелоб.
Уплотнение цемента позволяет применять более короткие мешки, а самое главное, мешки настолько плотно заполняются цементом, что разрывы мешков при транспортировке почти полностью устраняются. Перед подачей в бункер упаковочной машины или камеру для уплотнения цемент проходит просеивающий шнек, отделяющий посторонние предметы. Мешки с цементом подают на транспортер, направляющий их к погрузочной платформе, на которой установлен второй распределительный транспортер.
Для снижения потерь цемента при транспортировке широко используются специальные цементовозы. Цементовозы оборудованы устройствами для пневматической выгрузки цемента. Применение специализированных вагонов и машин-цементовозов позволяет снизить потери при погрузке и транспортировке до 0,5%.
Среди строительных материалов цементу принадлежит ведущее место. В современной строительной практике роль цемента в выпуске новых прогрессивных материалов и изделий для полносборного домостроения постоянно возрастает.
Портландцемент используют во всех областях стройиндустрии для приготовления цементных и бетонных растворов, сухих строительных смесей, для производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций, а также в производстве асбестоцементных изделий. Портландцемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы.
Без цемента не обходится ни одно строительство, а это лучший показатель его высоких эксплуатационных характеристик.
Сырьевые материалы для производства портландцемента.
Основными сырьевыми материалами для производства портландцемента являются широко распространенные в природе осадочные известняковые горные породы с высоким содержанием углекислого кальция (СаСО ) и глинистые породы с высоким содержанием кремнезёма (SiO ), глинозема (Al O )и окиси железа (Fe O ).
К известняковым породам, применяемым в цементной промышленности России, относятся известняки, мел, известковый туф, известняк-ракушечник и др. Все эти материалы представляют собой первый, так называемый известковый компонент сырьевой смеси.
К глинистым породам относится глина, глинистые сланцы, лёсс и др.; они составляют второй компонент сырьевой смеси – глинистый.
Решение вопроса о пригодности сырьевых материалов для изготовления портландцемента и о выборе способа производства принимается на основе всестороннего изучения химического и минералогического составов сырья и исследования его физико-механических свойств.
Наличие в известковом компоненте большого количества включений кварца или кремниевых прослоек осложняет и удорожает подготовку сырьевой смеси, а так же неблагоприятно отражается на процессе обжига и качества цемента. Известняки с крупными кремниевыми включениями требуют предварительного обогащения.
Сырьевые материалы с высоким содержанием гипса или пирита для производства портландцемента не применяются, так как серного ангидрида в сырьевой смеси должно быть не больше 2%, с тем чтобы его содержание в клинкере не превышало 3%. Превышение этого предела может привести к получению цемента с неравномерным изменением объема в процессе его твердения.
В 1958г. Был введен в эксплуатацию Ангарский цементный завод, который в качестве известкового компонента использовал в первые годы его работы магнезиальный мраморовидный кристаллический известняк, в качестве глинистого компонента – золу газогенераторной станции химического завода и глинистые отходы, скопившиеся в террикониках при добыче черемховского угля. Из этого сырья получался клинкер с содержанием MgO, весьма жесткие автоклавные испытания цемента на равномерность изменения объема дали положительные результаты. Это первый завод в Советском Союзе, который выпускал в течение ряда лет портландцемент с повышенным содержанием MgO.
До последнего времени считалось, что содержание в клинкере фосфорного ангидрида PO не должно превышать одного процента, так как предполагалось, что он отрицательно влияет на прочностные характеристики цемента. Однако исследованиями русских ученых Н. А. Торопова, А.И. Борисенко, английского ученого Р.У. Нерса и других установлено, что при правильном подборе минералогического состава клинкера содержание P O в нем может достигать без ухудшения свойств цемента 2-2.5%, а при особенно благоприятных условиях - и более. Минералогический состав клинкера должен быть рассчитан таким образом, чтобы весь P O вошел в состав твердого раствора с C S. Необходимо добиться отсутствия в клинкере Р О в виде растворимых в воде фосфатов, сильно замедляющих процесс твердения цемента и снижающих его механическую прочность.
Источником щелочей в клинкере являются обычно глинистые материалы, содержащие остатки полевого шпата, слюды, иллиты, и др. Применение глинистых материалов с высоким содержанием щелочей не желательно, так как использование для изготовление бетона цемента с повышенном количеством щелочей (Na O и K O) в сочетании с заполнителями, имеющими аморфные видоизменения кремнезёма, может привести через известный период времени к разрушению бетонных сооружений.
К наиболее реакционноспособным горным породам и минералам относятся опал, халцедон, андезит, риолит, тридимит, а так же кристобалит, кварцевое стекло и некоторые филлиты. При использовании подобных заполнителей суммарное содержание щелочей в цементе ( в пересчете на Na O) не должно превышать 0.6%.
Повышенное содержание щелочей в сырье нарушает нормальное ведение технологического процесса, в особенности при сухом способе производства, о чем подробно говорится ниже.
Кроме перечисленных выше природных сырьевых материалов, для изготовления портландцемента могут быть использованы отходы других отраслей промышленности: черной и цветной металлургии, газосланцевой промышленности, производства синтетического каучука и др. Так как эти отходы уже подвергались термической обработке, то применение их значительно улучшает технико-экономические показатели работы завода по сравнению с обычными сырьевыми материалами.
Крупными научными исследованиями, проведенными институтами БАМИ, Гипроцемент, Гипрохим и др., установлены возможность и условия использования следующих отходов:
нефелинового или белитового шлама – отхода, получаемого при производстве глинозема из нефелитовых концентратов;
кислого гранулированного доменного шлака, отхода черной металлургии;
сланцевого кокса – отхода газосланцевых заводов, перерабатывающих горючие сланцы на газ;
газогенераторной золы – отхода газогенераторной станции, перерабатывающей горючие сланцы на жидкие продукты перегонки;
газогенераторной золы – отхода газогенераторной станции, перерабатывающих твердое топливо на ряд химических продуктов.
Сырьевая смесь надлежащего химического состава может быть получена из двух компонентов – известкового и глинистого – лишь при особо благоприятном их составе и высокой однородности.
Последнее время в связи с повышением требований к качеству цемента и с увеличением удельного веса высокомарочных цементов заводы всё чаще работают с применением трехкомпанентной и даже четырехкомпанентной смеси. В этом случае сырьевую смесь для получения клинкера заданного минералогического состава вводят в так называемые корректирующие добавки.
Для повышения содержания в сырьевой смеси окислов железа в неё вводят различные железосодержащие добавки: пиритные огарки (отходы сернокислого производства), колошниковую пыль (отход металлургического производства), железную руду и т. п. При получении клинкеров из отходов алюминиевой промышленности для повышения содержания окиси алюминия вводят бокситы.
Активность минеральных добавок чаще всего оценивается по их способности поглощать известь из водного известкового раствора и набухать при этом. В качестве активных добавок могут быть использованы основные и кислые доменные шлаки коксовой плавки литейного, передельных. В последние годы установлена возможность применения для этой цели так же доменных шлаков специальных марганцевых чугунов.
Пригодность доменного шлака для использования в качестве активной добавки определяется его химическим и минералогическим составом, структурой и гидравлическими свойствами. Обычно используют гранулированные доменные шлаки, то есть шлаки, полученные путем искусственного быстрого охлаждения шлакового расплава, выходящего из доменной печи. Быстрое охлаждение придает шлаку гидравлические свойства. В состав доменных шлаков обычно входят окислы KО, SiO , Al O , MgO и Fe O сернистые соединения CaS, MnS и FeS.
Читайте также: