При получении портландцемента во вращающихся печах декарбонизация известняка происходит
Обновлено: 14.05.2024
Схема производства портландцемента по сухому способу в механизированных шахтных печах; схема производства портландцемента по сухому способу во вращающихся печах
Процесс производства портландцемента складывается в основном из следующих основных операций: добычи сырьевых материалов; приготовления сырьевой смеси, состоящей из дробления, помола и усреднения ее состава; обжига сырьевой смеси (получение клинкера); помола клинкера в тонкий порошок.
В зависимости от вида подготовки сырья к обжигу различают мокрый, сухой и комбинированный способы производств портландцементного клинкера. При мокром способе производства измельчение сырьевых материалов, их перемешивание, усреднение и корректирование сырьевом смеси осуществляются в присутствии определенного количества воды, а при сухом способе все перечисленные операции выполняются с сухими материалами.
При комбинированном способе сырьевую смесь приготовляют по мокрому способу, затем ее максимально обезвоживают (фильтруют) на специальных установках и в виде полусухой массы обжигают в печи. Каждый из перечисленных способов имеет свои достоинства и недостатки.
Способ производства портландцемента выбирают в зависимости от технологических и технико-экономических факторов: свойств сырья, его однородности и влажности, наличия достаточной топливной базы и др.
Мокрый способ производства. При мокром способе производства сырьевые материалы измельчают и сырьевую смесь смешивают с водой. Получаемая сметанообразная масса — сырьевой шлам — содержит 32—45% воды.
В зависимости от физических свойств исходных сырьевых материалов и других факторов при получении портландцемента по мокрому способу применяют разные схемы производства (рис. 1) отличающиеся одна от другой способом приготовления сырьевой смеси.
На цементных заводах, работающих по мокрому способу, в качестве сырьевых материалов для производства портландцементно-го клинкера часто используют мягкий глинистый и твердый известняковый компоненты. В этом случае технологическая схема производства цемента, в которой приведены основные технологические переделы без указания дозировочных и транспортных устройств и другого вспомогательного оборудования, выглядит следующим образом .
Начальная технологическая операция получения клинкера — измельчение сырьевых материалов. При использовании в качестве известкового компонента мела его измельчают в болтушках или в мельнице самоизмельчення. Если применяют твердый известняк, то его дробят в одну-две стадии в щековых дробилках. Глиняный шлам, полученный в болтушках или других агрегатах, направляют в сырьевую мельницу, куда подается для измельчения и известняк. В мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Чтобы получить сырьевой шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах или в потоке.
Выходящий из мельниц сырьевой шлам в виде сметанообразной массы насосами подают в расходный бачок в печной цех на обжиг. Из бачка шлам равномерно сливается во вращающуюся печь. При мокром способе производства для обжига клинкера используют длинные вращающиеся печи со встроенными теплообменными устройствами.
Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается холодным воздухом. Охлажденный клинкер отправляют на склад. В ряде случаев клинкер из холодильников направляют непосредственно на помол в цементные мельницы. Перед помолом клинкер дробят. Дробление клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками.
Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа (цементные силосы). Отгружают цемент потребителю либо в таре (бумажных мешках по 50 кг), либо навалом в автоцементовозах или в специальных железнодорожных вагонах.
Сухой способ производства. При сухом способе производства портландцемента выбор схемы зависит от физических и химических свойств сырья.
Схема производства портландцемента по сухому способу во вращающихся печах при использовании в качестве сырья известняка и глины приведена на рис. 2. Производство портландцементно-го клинкера в этом случае складывается из следующих операций.
После выхода из дробилки известняк и глину высушивают до влажности примерно 1%, после чего измельчают в сырьевую муку. Помол и сушку сырьевой смеси целесообразно вести одновременно в одном аппарате — сепараторной мельнице. Этот способ более эффективен и применяется на большинстве новых заводов, работающих по сухому способу.
Сырьевую муку заданного химического состава получают путем дозирования сырьевых компонентов в мельницу с последующим усреднением и корректированием сырьевой шихты в специальных смесительных силосах, куда дополнительно подается сырьевая мука с заведомо низким или высоким титром (содержанием СаСОз).
Затем подготовленная сырьевая смесь поступает в систему циклонных теплообменников, состоящую из нескольких ступеней циклонов. Время пребывания смеси в циклонных теплообменниках не превышает 25—30 с. Из циклонов материал подается в печь, откуда клинкер пересыпается в холодильник. После охлаждения клинкер направляется на склад. Другие технологические операции при сухом способе производства — подготовка гидравлических добавок и гипса, помол цемента, его хранение и отправка потребителю — такие же, как и при мокром способе.
Рис. 2. Технологическая схема производства цемента по сухому способу: 1— экскаватор. 2 — самоходкая дробилка, 3 — штабелеукладчик, 4 — роторная машина, 5 — кран-перегружатель, 6 — вагоноопрокидыватель, 7—приемные бункера сырья, 8 —дозирующее и транспортирующее устройство. 9 — мельница предварительного измельчения «Аэрофол». 10 — сепаратор, 11 — трубная мельница. 12
топка. 13 — циклон, 14 — мельничный вентилятор, 15 — кондиционер, 16 — электрофильтр. 17 — аспнирационный вентилятор, 1В — дымовая труба, 19— механизм уборки пшш. 20 — пневмокамерные насосы, 11- корректирующие снлосы, 22—расходные силосы, 23 —расходный бункер постоянного уровня, 24 —весовой дозатор (расходомер). 25 — пневмоподъемник. 26 —рукавный фильтр, г/ — циклонные теплообменники, 28 — вращающаяся печь. 23 — колосниковый холодильник, 30 — вентилятор острого дутья, 31 — вентилятор двоякого прососа, 32 — вентилятор общего дутья, 33 — дробилка клинкере, 34— конвейер клинкере, 35 — силосы, 36 — регулировочный шиб«р. 57 — приемный бункер, Зе
питатель-дозатор, 39 — дробилка, 40 —сушильная установка, 41 — дымосос, 42 — вентилятор, 43 — весовой дозатор. 44 —кои-веяер. 45— трубная мелышца, 46 — элеватор, 47 —сепаратор. 48 — рукавный фильтр, 49-вагон-цемеитовоз, 50 — автодемстговсз, 51 —весы, 52—цементный силос.
Комбинированный способ производства. При комбинированном способе производства сырьевая смесь в виде шлама, полученного по мокрому способу производства, подвергается обезвоживанию и грануляции, а затем обжигается в печах, работающих по сухому способу.
Основные технологические операции и последовательность их выполнения при комбинированном способе производства портландцемента следующие.
Выходящий из сырьевой мельницы шлам влажностью 35—40% после его корректирования поступает в вакуум-фильтр или пресс-фильтр, где он обезвоживается до влажности 16—20%. Образующийся при этом «сухарь» смешивается затем с пылью, уловленной электрофильтрами из дымовых газов печи; добавка пыли предотвращает слипание кусков «сухаря» и приводит к уменьшению влажности смеси до 12—14%. Приготовленная таким образом смесь поступает на обжиг, который осуществляется во вращающихся печах.
Все остальные операции производства портландцемента по комбинированному способу не отличаются от соответствующих операций при мокром способе производства.
Технологии и способы производства цемента
При производстве цемента в современных условиях существуют несколько технологий и способов:
- мокрый способ;
- сухой способ;
- полусухой;
- комбинированный.
Наиболее распространенными являются сухой и мокрый способы производства цемента. Вкратце суть технологии получения цемента можно представить с помощью следующей схемы.
Способы производства цемента
Мокрый способ производства цемента
Мокрый способ производства цемента
Продуктом этого процесса является глиняно-известняковый шлам с влажностью 40%, который направляется в шламовый бассейн, где происходит окончательная корректировка рецептуры под контролем лаборатории.
После этого шлам направляется на обжиг, который производится в специальных вращающихся печах. В результате получается клинкер, который после охлаждения подается на мельницы для измельчения.
Измельченная масса, которую уже можно назвать цементом, поступает в бункеры хранения, где лаборанты отбирают пробы и подтверждают марку цемента.
После этого цемент подается на фасовочные автоматы, где упаковывается в бумажные мешки весом по 40-50 кг и складируется для последующей отгрузки потребителям. Основная масса цемента доставляется потребителям навалом в специальных цементовозах или железнодорожных вагонах.
Сухой способ производства цемента
Сухой способ производства цемента
Совершенно другая технология применяется при производстве цемента сухим способом.
Поступающая из карьера глина и известняк подаются в дробилки, откуда, после предварительного измельчения, попадает в сепараторную мельницу. Там смесь подвергается сразу нескольким процессам: тонкий помол, смешивание и сушка. Далее смесь поступает в смесительные установки, где происходит окончательная корректировка состава сырья.
Далее масса поступает в специальные шнековые смесители, где происходит ее дополнительное увлажнение до 10%. Полученное сырье направляют на обжиг.
Дальнейшие процессы аналогичны технологии производства цемента мокрым способом.
Сравнение двух способов производства.
Наибольшее распространение получил мокрый способ, так как он позволяет наиболее точно получить гомогенизированную сырьевую массу. Единственным недостатком такого способа является большой расход топлива.
Сухой способ получил распространение в тех районах, где в сырьевой массе преобладает доменный шлак вместо глины, где используются некоторые сорта каменного угля — мергели. При сухом способе расход топлива не такой большой, как при мокром, поэтому такой способ получения цемента набирает популярность.
Технология получения, свойства, применение портландцемента (ПЦ).
⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒
Портландцемент есть гидравлическое вяжущее вещество — продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания сырьевой смеси, состоящей в основном из известняка (75-78 %) и глины (25-22 %).
Получение Важнейшими технологическими операциями при получении портландцемента являются:а) приготовление сырьевой смеси;б) превращение ее путем высокотемпературного обжига в клинкер;в) магазинирование и помол клинкера в тонкий порошок с добавкой природного гипса.
Сырьевую смесь готовят мокрым или сухим способом. В первом случае смешение и измельчение сырьевых материалов производят с добавкой значительного количества воды; получающаяся смесь имеет вид сметанообразной жидкости, называемой шламом. При сухом способе сырьевые материалы перед смешением и измельчением подвергают высушиванию.
Таким образом основным компонентом портландцемента является портландцементный клинкер, содержащийся в готовом продукте в количестве от 95 до 97% по весу.
Сырьевые материалы мергель, глинистые породы, корректирующие добавки отходы производства
Свойства Среди цементов на основе портландцементного клинкера портландцемент, не содержащий добавок, обладает самой большой плотностью. Чем тоньше помол цемента, тем выше скорость его схватывания и твердения, а также выше прочность в начальные сроки твердения. Водопотребность портландцемента относительно невелика и составляет 24—28 % воды (для получения теста нормальной густоты). начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее чем через 45 мин, а конец схватывания — не позднее чем через 10 ч от начала затворения. Наиболее быстрый рост прочности портландцемента наблюдается в течение первого месяца твердения. В дальнейшем прочность повышается медленно.. Растворы и бетоны на портландцементе при хранении на воздухе дают усадку (уменьшение объема), а при хранении в воде – набухание (увеличение объема). Разрушение бетона при многократном попеременном замораживании и оттаивании объясняется тем, что вода при переходе в лед увеличивается в объеме примерно на 9 %. Это постепенно ведет к образованию и накоплению небольших трещин и в конечном результате приводит к разрушению бетона.
Применение Портландцемент широко применяется для монолитного и сборного бетона и железобетона. Его можно применять в надземных, подземных и подводных частях сооружений, в том числе и подверженных многократному попеременному воздействию воды и мороза. Применяют портландцемент также для высокопрочных растворов (например, в армоцементных конструкциях). Добавки к портландцементу извести и глины пластифицируют растворные смеси, повышая их удобоукладываемость, однако, прочность раствора несколько снижается.
Минералогический состав ПЦ, его влияние на свойства вяжущего и готового изделия.
Вяжущие свойства ПЦ обусловлены свойствами и содержанием искусственных минералов, составляющих клинкер и степенью измельчения цемента. В составе клинкера выделяют четыре основных минерала, имеющих кристаллическое строение: алит, белит, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит. Алит — основной минерал ПЦ клинкера. Содержание в клинкере- 45 …65% (т.е. наибольшее). Алит обладает высокой гидравлической активностью. Алит быстро твердеет и набирает высокую прочность.
Белит — второй по важности и содержанию силикатный минерал клинкера (20 …30%). Он медленно набирает прочность, но при длительном твердении в благоприятных условиях его прочность весьма высока. Суммарное содержание алита и белита в клинкере портландцемента может доходить до 80%, что дает основание называть его силикатным цементом.
Трехкальциевого алюмината в портландцементе содержится 4… 12%. Самый активный из клинкерных минералов. Однако продукт его гидратации имеет повышенную пористость, низкую прочность и долговечность. Быстрое взаимодействие с водой вызывает преждевременное схватывание цементного теста.
Четырехкальциевого алюмоферрита в портландцементе содержится 10…20%. По скорости твердения занимает промежуточное положение между алитом и белитом, но не обладает высокой прочностью.Кроме того, в составе клинкера в небольшом количестве имеется стекловидная фаза, состоящая в основном из CaO, A12O3, Fe2O3, MgO, Na2O, K2O, а также свободные MgO и СаО. Содержание свободных оксидов магния и кальция в виде пережога в клинкере не должно превышать соответственно 5 и 1 %. Эти ограничения должны исключить опасность неравномерного изменения объема при твердении цемента.
Показатели качества ПЦ.
Качество цемента оценивают по основным и рекомендуемым показателям. Основные: химический и минеральный состав, предел прочности на сжатие, равномерность изменения в объёме цементного камня, активность цемента, нормальная густота цементного теста. Рекомендуемые: сроки схватывания, тонкость помола, коррозионная стойкость, содержание свободной окиси Ca, огнеупорность. При соответствии всех показателей требованиям ГОСТа цементу присваивают марку.
1.Нормальная густота цементного теста выражает процентное содержание воды по отношению к цементу, необходимое для придания тесту определенной степени пластичности. Водопотребность цемента зависит от тонкости помола, минералогического состава и др. Для полной гидратации минералов портландцемента необходимо около 22% воды от массы цемента. Нормальная густота цементного теста находится в пределах 22…28%. Уменьшение водопотребности цемента улучшает его качество.
2. От тонкости помола зависит прочность, сроки схватывания и интенсивность твердения. Тонкий помол цементов улучшает их качество, однако слишком тонкий помол может привести к отрицательным воздействиям (возрастает водопотребность и усадка, снижается прочность). Для качественных цементов остаток на сите №008 должен быть не более15 %.
3.Сроки схватывания отражают процесс гидратации цемента и начальный период формирования структуры. Скорость схватывания цемента зависит от минерального состава, тонкости помола, количества воды затворения, температуры. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания ¾ не позднее 10 часов. 4. Содержание свободных СаО и МgО в цементе не должно превышать соответственно 1 и 5%. Если в составе цемента содержатся свободные оксиды кальция и магния сверх нормы, то такие цементы неравномерно изменяют объём при твердении,
5. Прочность ¾ основное свойство, характеризующее качество любого цемента. Для её оценки используют стандартную характеристику ¾ марку. При определении марки учитывают предел прочности при сжатии и при изгибе. Действительный предел прочности при сжатии цементных образцов, испытанных в возрасте 28 сут, называют активностью цемента.
6) Взаимодействие портландцемента с водой приводит к образованию новых гидративных веществ, обусловливающих схватывание и твердение теста, растворной или бетонной смеси. Состав ценообразований зависит от химического и минерального составов цементов, а также от ряда других факторов и в первую очередь от температуры, при которой взаимодействуют компоненты. Наиболее быстрый рост прочности ПЦ наблюдается в течение первого месяца твердения, в дальнейшем прочность повышается очень медленно. Скорость твердения ПЦ зависит от тонкости помола, минерального состава, температуры. Понижение температуры замедляет твердение цементных растворов и бетонов, в связи с этим при укладке бетона в зимнее время принимают цементы высоких марок( 500 и >). Не следует допускать замораживания бетона в раннем возрасте, т.к. при оттаивании цем. камень не наберет необходимой прочности. Помимо температуры значительное влияние на рост прочности оказывает влажность. При твердении ускоряет гидратацию клинкерных формирований и кристаллизацию продуктов твердения. Прочность при твердении возрастает очень быстро. 10 часов пропаривания достаточно для получения бетонных изделий с 70% отпускной прочностью. Дальнейшее твердение пропаренного бетона протекает достаточно медленно и к 28 дневному сроку составляет 80-85% той прочности, которую принимает бетон к 28 суткам твердения.
Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость оценивают по коэффициенту фильтрации Кф (м2/ч), который равен количеству воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 м2 площади испытуемого материала при постоянном давлении. Чем ниже Кф, тем выше марка по водонепроницаемости.
Воздухостойкость – способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Природные и искусственные хрупкие каменные материалы (бетон, керамика), сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются вследствие возникновения растягивающих напряжений. В подобных условиях работают дорожные покрытия, надводные части гидротехнических сооружений.
Коррозионная стойкость цемента обуславливает его способность противостоять практически любому агрессивному воздействию внешней среды. Одним из видов цемента, который характеризуется повышенной коррозионной стойкостью, является пуццолановый цемент. Используют пуццолановый цемент для возведения подземных и подводных сооружений.
Термостойкость – способность материала выдерживать без разрушений определенное количество резких колебаний температуры.
Ползучестью называется свойство цементного камня или бетона необратимо деформироваться под влиянием длительно действующих в них напряжений, возникающих при действии внешних нагрузок, а также усадки, температурного и других факторов.
Цементы на основе портландцементного клинкера
Общая характеристика и классификация портландцемента.Портландцементом называется порошкообразное гидравлическое вяжущее вещество получаемое обжигом смеси известняка и глины и некоторых других материалов с последующим тонким измельчением с гипсом а иногда и со специальными добавками.
Спекшаяся смесь известняка и глины называется клинкером. Для его изготовления кроме глины и известняка могут быть использованы мел, шлаки и другие материалы. При этом 70–80 % должны составлять высокоосновные силикаты кальция.
Клинкерный порошок быстро схватывается. Поэтому для замедления сроков схватывания при помоле клинкера вводится двуводный гипс.
Свойства портландцементов зависят в основном от качества клинкера. Для их регулирования вводятся добавки.
На основе портландцементного клинкера, нормируя его минералогический состав и вводя различные добавки, получают портландцемент и его разновидности.
По ГОСТ 10178–85 общестроительные портландцементы классифицируются на следующие типы и виды.
– портландцемент (без минеральных добавок);
– портландцемент с добавками (активными минеральными добавками не
– шлакопортландцемент (с добавками гранулированного шлака более 20 %), Портландцемент с добавками и шлакопортландцемент выпускаются быстротвердеющими.
Все общестроительные портландцементы могут улучшаться введением пластифицирующих или гидрофобизирующих поверхностно активных добавок.
По специальным свойствам портландцементы подразделяются на сульфатостойкие, расширяющиеся и для производства отделочных изделий, для строительных растворов и др.
Основным составляющим портландцемента является клинкер. От его качества и в первую очередь от химического и минералогического состава зависят свойства цемента. Добавки лишь регулируют свойства.
Химический состав клинкера характеризуется содержанием основных оксидов в следующих количествах, %:
| Оксид кальция CaO………. | 63–67 | Оксиды щелочных металлов | |
| Кремнезем SiO2…………. | 19–24 | Na2О+K2O. | 0,4––1,0 |
| Глинозем Al2O2…………… | 4–7 | Оксид хрома и оксид титана | |
| Оксид железа Fe2O3………. | 2–6 | TiO2+Cr2O3………. | 0,2–0,5 |
| Оксид магния MgO………. | < 5 | Фосфорный ангидрид P2O5 | 0,1–0,3 |
| Сернистый ангидрид SO3. | 0,3–0,1 |
Минералогический состав клинкера. Перечисленные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде твердых растворов. Силикаты – преимущественно в виде кристаллов, между которыми размещается промежуточное вещество, состоящее из алюминатов и алюмоферритов кальция в кристаллическом и аморфном виде (рисунок 3.5).
Кроме перечисленных в клин-кере имеется небольшое коли-чество других минералов: алю-минатов, алюмоферритов и фер-ритов кальция, а также оксида кальция СаО в количестве 0,5–1 % и оксида магния MgO – до 5% в свободном состоянии, щелочных оксидов Na2O + K2O – до 1 %.
Свойства портландцементов оценивают по минералогическому составу клинкера.
Алит C3S состоит из кристаллов размером 3–20 мкм, быстро твердеет, много выделяет тепла и имеет высокую прочность.
Белит C2S состоит из плотных округлых кристаллов размером 20–50 мкм. Он медленно твердеет и достигает высокой прочности через длительное время. Мало выделяет тепла.
Целит C4АF по скорости гидратации занимает промежуточное положение между алитом и белитом , твердеет медленней, чем алит, и быстрее, чем, белит.
Портландцементы с высоким содержанием в клинкере минерала С3S и умеренным содержанием минерала C3А быстро твердеют, такой состав характерен для быстротвердеющих портландцементов. Цементы с повышенным содержанием в клинкере минералов C2S и C4AF твердеют медленно и мало выделяют тепла. Это низкотермичные портландцементы.
Повышенное содержание в клинкере минерала C3А позволяет получить быстросхватывающиеся и твердеющие в ранние сроки цементы. Однако они имеют пониженную морозостойкость и сульфатостойкость.
Сырьевые материалы и технология изготовления портландцементов.Производство портландцементов включает изготовление клинкера, измельчение его совместно с гипсом, активными минеральными и другими добавками. Добавки могут и не вводиться. Сырьем для получения клинкера служат карбонатные и глинистые горные породы. Могут применятся вторичные ресурсы, корректирующие добавки и другие материалы. Соотношение между карбонатными и глинистыми породами принимается 3:1.
Из карбонатных пород используется известняк, мел, мергели. Известняк и мел состоят в основном из углекислого кальция CaCO3. С ними в клинкер вводится оксид кальция CaO.
Из глинистых пород применяются чаще всего глины, реже -- глинистые сланцы и лессы. С ними вводится кремнезем SiO2, глинозем Al2О3 и оксид железа Fe2O3.
Мергели представляют собой природную смесь углекислого кальция и глинистых минералов. При содержании в мергелях CaCO3 в количестве, соответствующем искусственно составленной сырьевой смеси, их называют натуральными.
Из вторичных ресурсов для изготовления клинкера используется нефелиновый шлам, получаемый при производстве глинозема. Имеется опыт применения доменных, мартеновских, цветной металлургии и топливных шлаков, что позволяет повысить производительность печей.
Если в сырьевой шихте не хватает какого-либо оксида, то дополнительно вводятся корректирующие добавки. Недостаток SiO2 компенсируется введением трепела, опоки, диатомита, кварцевого песка, Fe2O3 – введением колчеданных огарков или железной руды.
Добавкой, замедляющей сроки схватывания цемента, является природный двуводный гипс, который вводится до 3,5 % в пересчете на SO3.
Активные минеральные добавки в составе портландцементов улучшают их свойства. При смешивании с водой и воздушной известью они твердеют на воздухе и продолжают твердеть в воде. Содержащийся в большинстве из них активный кремнезем связывает известь в гидросиликат кальция, глинозем с водой и известью образует гидроалюминат кальция, которые обладают гидравлическими свойствами.
Добавки, введенные в портландцемент, связывают образующуюся при твердении известь в нерастворимые соединения и повышают его водостойкость и сульфатостойкость. Они бывают природные и искусственные. Природные подразделяются на материалы осадочного и вулканического происхождения.
К осадочным относят: диатомит, трепел, опоки, которые близки по химическому составу и состоят из 70–90 % аморфного кремнезема, 3–10 глинозема, 1–3 – оксида кальция и 1–3 % оксидов щелочных металлов; глиежи – обожженные глины, образовавшиейся в результате самовозгорания угля под землей и по химическому составу подобны глинам.
К материалам вулканического происхождения относят вулканические пеплы, туфы, пемзы, трассы. По химическому составу они состоят из 70–90 % кремнезема, 2–4 % – оксида кальция и магния, 3-8 % оксидов щелочных металлов; по фазовому составу – из 50–80 % стекла и 20–50 % кристаллических силикатов, алюмосиликатов и их гидратов.
К искусственным добавкам относят кремнеземистые отходы, получаемые при извлечении глинозема из глины; глинит, цемянки; пылевидные отходы обжига керамзита и аглопорита, представляющие обоженную глину; топливные шлаки и золы, являющиеся минеральными отходами сжигания угля, сланцев, торфа; золы-уноса – пылевидные отходы от сжигания некоторых видов топлива, улавливаемые электрофильтрами.
Шлаки представляют собой побочные продукты, получаемые при плавке черных, цветных металлов, сжигании твердых видов топлива, при переработке фосфатного сырья. В цементной промышленности применяются в основном гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки, реже шлаки сталеплавильные, цветной металлургии и ферросплавов.
Доменные шлакиобразуются при выплавке чугунаиз железной руды. На 1 т чугуна приходится 0,5–0,7 т шлака. Состоят они в основном из CaO, SiO2, Al2O3 и MgO. После быстрого охлаждения (грануляции) шлаки затвердевают в стекло и после тонкого измельчения способны взаимодействовать с водой как портландцементы.
Степень гидравлической активности шлаков зависит от основного модуля, который определяется как отношение в процентах основных оксидов к кислотным:
Гидравлическая активность шлаков повышается при увеличении ОМ.
Электротермофосфорные шлаки получают при электрохимической переработке фосфоритов и апатитов при температуре 1450–1500 о С. На 1 т фосфора приходится 10–12 т шлака. Он состоит на 80–85 % из оксидов кальция и кремнезема. При грануляции приобретает способность к гидратному твердению. В цементном производстве он заменяет доменные шлаки.
Производство портландцемента включает следующие операции: добычу известняка, глины, гипса, при необходимости корректирующих добавок, подготовку сырьевых материалов, их обжиг до спекания для получения клинкера, помол клинкера в порошок совместно с гипсом и при необходимости с добавками. Наиболее ответственный процесс – получение клинкера с заданным минералогическим составом.
В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси: мокрый, сухой и смешанный. Наиболее экономичным является сухой способ. На получение 1 т клинкера по этому способу расходуется 130–165 кг условного топлива. Менее эффективен мокрый способ, при котором расходуется 230 кг условного топлива.
Мокрый способ производства клинкера.Этот способ целесообразно применять при использовании мягкого и влажного сырья. Измельчение и смешивание известняка или мела и глины осуществляют в воде. Жидкотекучая масса с влажностью 35–45 % называется шламом.
Глину перерабатывают в водную суспензию в глиноболтушках и подают совместно с дробленным известняком или мелом и корректирующими добавками в шаровую мельницу, где производится смешивание и помол. Далее известняково-глиняный шлам подается в резервуары для хранения.
При комбинированном способепереработка сырья осуществляется по мокрому способу. Перед обжигом шлам обезвоживается центрифугированием, сгущением в циклонах, фильтрацией до влажности 16–18 %, что позволяет уменьшиь расход топлива на 20–30 %.
Обжиг сырьевой смеси при мокром и комбинированных способах производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Длина печей 150–230 м, диаметр 5–7 м. Располагаются они с уклоном. Работают по принципу противотока. С верхнего конца поступает шлам. С нижнего подается топливо – газ, мазут или молотый уголь, которые сгорают в виде 20–30 –метрового факела, создавая температуру до 1450 о С.
Cырье в печи, которая вращается со скоростью 1–2 об/мин, движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя зоны с различными температурами. Условно выделяют шесть зон: 1 – испарения, 2 – подогрева и дегидратации, 3 – декарбонизации, 4 – экзотермических реакций, 5 –– спекания, 6 – охлаждения.
В зоне испарения при температуре от 70 до 200 о С происходит удаление свободной воды, материал комкуется, а затем распадается на более мелкие частицы.
В зоне подогрева и дегидратации при температуре от 200 до 700 о С выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O и других глинистых минералов. Образуется каолинитовый ангидрид Al2O3 · 2SiO2.
В зоне декарбонизации в интервале температур 900–1200 о С происходит диссоциация углекислого кальция CaCO3 с образованием свободного оксида кальция CaO и продолжается разложение глинистых минералов на оксиды SiO2, Al2O3 и Fe2O3. Происходит также образование новых соединений: 2CaO · SiO2(C2S), CaO · Al2O3(CA) и 2CaO · Fe2O3(C2F).
В зоне экзотермических реакций при температуре 1200–1300 о С происходит ускорение реакций в твердом состоянии с выделением теплоты. Материал в основном состоит из C2S, C3A, C4AF и небольшого количества CaO в свободном состоянии.
В зоне спекания при температуре 1350–1450–1300 о С образуется 20–30 % расплава. В него вначале переходят C3A, C4AF, CaO и MgO, а потом и С2S. Затем С2S вступает во взаимодействие с CaO, и образуется основной минерал цементного клинкера C3S. Он плохо растворяется в расплаве и выделяется в виде кристаллов. При понижении температуры до 1300 о С жидкая фаза затвердевает, образуя кристаллы C3A, C4AF, и MgO и частично – стекла. Этот процесс продолжается и в следующей зоне.
В зоне охлаждения при температуре 1300–1000 о С заканчиваются все процессы и формируется состав клинкера из кристаллов C3S, C2S, C3A, C4AF, MgO, CaO и стекловидной фазы, состоящей из C3A и C4AF.
Затем клинкер охлаждается до температуры 100–200 о С и выдерживается на складе около двух недель. Внешне он представляет собой камневидные зерна размером до 40 мм.
Сухой способ производства клинкера.Сухой способ приготовления клинкера применяется при влажности сырьевых материалов до 10–15 %. Исходные материалы – известняк и глина – дробятся, а затем загружаются в мельницы шаровые, валковые или мельницы самоизмельчения “Аэрофол”, где совмещается измельчение и сушка отходящими газами. Просушивание сырья может выполняться в дробилках.
Полученная сырьевая мука вначале подвергается предварительной тепловой обработке при температуре до 800–850 о С в циклонных теплообменниках, а дальше–в специальных реакторах при температуре 920–950 о С. В них происходит декарбонизация до 85–90 %. Обжигают сырьевую муку при температуре 1450 о С в коротких вращающихся печах, где завершаются процессы клинкерообразования.
Вынос процесса декарбонизации из вращающейся печи в специальный реактор дает большой экономический эффект. Удельная производительность печей повышается вдвое.
Схема печного агрегата для обжига клинкера с циклонным теплообменником и кальцинатором приведены на рисунке 3.6.
Помол портландцементов. Портландцемент представляет собой темно-серый или зеленовато-серый порошок, состоящий из зерен размером от 5–10 до 30–40 мкм с удельной поверхностью зерен чаще всего от 2800 до 5000 см 2 /г. Такое измельчение клинкера совместно с гипсом и активными минеральными добавками осуществляется в шаровых (трубных) мельницах. Мельница представляет собой барабан размером 3,95х11; 4,6х16,4 м и др., разделенный дырчатыми перегородками на две–четыре камеры, каждая из которых заполняется стальными шарами определенных размеров, а последняя – цилиндрами. При вращении шары и цилиндры падают, истирая поступающие материалы. На выходе из мельницы портландцемент имеет температуру 80–120 о С. Для охлаждения, а также гашения остатков несвязанного оксида кальция цемент выдерживают в силосах вместимостью 4–10 тысяч т.
Портландцемент отгружают потребителю в упаковке или без упаковки в вагонах-цементовозах или автоцементовозах. Упаковывают в бумажные пятислойные или шестислойные мешки, массой не более 51 кг, мягкие контейнеры с водонепроницаемыми вкладышами.
Для мелкой расфасовки применяют полиэтиленовые банки, пакеты. Возможна другая упаковка, обеспечивающая сохранность цемента.
Не допускается смешивание цемента различных типов, видов и марок, нельзя цемент увлажнять.
Твердение портландцементов.При смешивании портландцемента с водой вначале образуется пластичное тесто, которое постепенно густеет и превращается в камневидное тело. Эти изменения происходят при взаимодействии клинкерных минералов с водой и образовании новых соединений в результате реакций:
Молотый клинкер схватывается в течение нескольких минут. Растворные и бетонные смеси на нем нежизнеспособны. Это происходит из-за быстрой гидратации трехкальциевого алюмината. Для замедления сроков схватывания вводится сульфат кальция, чаще всего в виде двуводного гипса, который взаимодействует с трехкальциевым гидроалюминатом и образует комплексное соединение – трехкальциевый гидросульфоалюминат (эттрингит).
Это соединение располагается в виде защитного слоя и замедляет схватывание на 3–5 ч. Кроме того, гипс ускоряет твердение цемента в начальный период.
Активные минеральные добавки несколько изменяют характер твердения портландцементов. Их действие более полно проявляется в цементах с повышенным содержанием добавок – пуццолановых портландцементах и шлакопортландцементах. При введении добавок осадочного происхождения кроме гидратации минералов клинкера происходит взаимодействие продуктов гидратации и, в первую очередь, гидроксида кальция Ca(OH)2 с активной составляющей добавок – амфорфным кремнеземом SiO2 с образованием водостойкого гидросиликата кальция CaO · SiO2 · H2O. При взаимодействии гидроалюминатов и SiO2 образуется гидрогранаты типа 3CaO · Al2O3 · nSiO2(6-2n) · H2O.
При твердении портландцементов с добавками доменных или электротермофосфорных гранулированных шлаков вначале происходит гидратация и гидролиз клинкерных минералов. Ионы Сa 2+ , OH - , а также SO4 2- в растворе создают среду, вызывающую щелочное и сульфатное возбуждение зерен шлака, которые вовлекаются в гидратацию. Гидроксид кальция связывается шлаковыми минералами. Преобладающими минералами становятся CaO · SiO2 · H2O, 2CaO · Al2O3 · 8H2O, 2CaO · Al2O3 · SiO2 · 8H2O.
Теория твердения портландцемента была изложена в 1923 году А.А. Байковым и в дальнейшем развита П.А. Ребиндером, А.К. Шейкиным и др. По современным представлениям процесс твердения происходит следующим образом.
В первый период, при смешивании цемента с водой, образуется насыщенный раствор, содержащий ионы Ca 2+ , SO4 2- , OH - , K + . Из него осаждается гидросульфоалюминат и гидроксид кальция.
Во второй период образуются тонкодисперсные кристаллы гидросиликатов кальция. Они растут в виде длинных волокон и вместе с гидросульфоалюминатом образуют рыхлую матрицу. Подвижность смеси уменьшается, происходит схватывание.
В третий период гелеобразные новообразования перекристаллизовываются, увеличивается количество гидросиликатов, поры заполняются продуктами гидратации, цементный камень превращается в кристаллический сросток, повышается прочность и плотность цементного камня.
Затвердевший цементный камень состоит: из кристаллических и коллоидных гидратных веществ; не до конца гидратированных зерен цемента; пор, заполненных воздухом и химически несвязанной воды.
Кристаллические и коллоидные гидратные вещества влияют на свойство цементного камня – деформативность, стойкость при замораживании и оттаивании, увлажнении и высушивании. Их соотношения корректируются подбором минералогического состава клинкера.
Негидратированная часть клинкерных зерен со временем уменьшается. Гидратные новообразования заполняют поры цементного камня. Плотность и прочность цементного камня повышается. Поры в цементном камне состоят из пор геля размером менее 0.1 мкм, капиллярных пор размером от 0,1 до 10 мкм, распложенных между частицами геля, воздушных пор, образованных вовлеченным воздухом при перемешивании, в результате контракции, или введения воздухововлекающих или газообразующих добавок.
На формирование пор в цементном камне влияет вода. Воду в цементном тесте и камне разделяют на химически связанную, адсорбционно связанную воду, связанную капиллярными силами и воду свободную. Адсорбционно связанная и капиллярная вода удаляются высушиванием при 105–110 о С. Свободная вода в крупных пустотах удерживается механически и удаляется центрифугированнием, высушиванием.
Для получения пластичного цементного теста берется 40–60 % воды. Для гидратации требуется 24–26 %; воды. Остальная вода образует поры и каппиляры, что уменьшает прочность, водонепроницаемость и морозостойкость камня.
Вода в капиллярах и крупных порах содержит гидроксиды кальция, натрия, калия и др., что создает щелочность с рН = 12…13. В железобетоне на поверхности арматурной стали образуется защитная пленка из Fe2(OH)3, предохраняющая металл от коррозии. Происходит пассивирование железа. Нижняя граница действия Ca(OH)2 соответствует рН = 12, при меньшем рН опасность коррозии возрастает. Снижает щелочность до рН = 9 карбонизация Ca(OH)2 углекислотой воздуха Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O. В железобетоне плотный слой бетона толщиной 1,5–2,0 см и более препятствует проникновению CO2 вглубь и защищает арматуру от коррозии.
CРОЧНО ПОМОГИТЕ, ТЕСТ.
При получении портландцемента во вращающихся печах в зоне охлаждения температура падает:
до 1000 °С.
Неорганическими вяжущими строительными материалами называют:
неорганические порошкообразные соединения (кислоты, основания, соли, оксиды), способные взаимодействовать с водой;
неорганические порошкообразные материалы, способные при смешивании с водой образовывать пластичную массу, со временем затвердевающую в прочное камне-видное тело;
природные материалы, способные взаимодействовать с водой;
природные материалы, не способные взаимодействовать с водой;
К воздушным вяжущим относятся:
портландцемент.
При получении портландцемента во вращающихся печах трехкальциевый алюминат образуется:
только в расплаве при температуре 1200-1300 °С;
в твердой фазе в температурной зоне 700–1100 °С;
при охлаждении от 1450 до 1000 °С;
при разложении трехкальциевого силиката.
При получении портландцемента во вращающихся печах в зоне спекания:
происходит частичное плавление обжигаемой смеси;
образуется трехкальциевый алюминат.
Вариант 1
Технологический процесс производства портландцемента включает:
обжиг сырьевой смеси
карбонизацию
Твердение ангидритового вяжущего ускоряется в присутствии:
SiO2.
Строительный гипс отличается от высокопрочного
цветом.
Основным компонентом сырья для получения воздушной извести является:
сульфат кальция.
При получении портландцемента во вращающихся печах декарбонизация известняка происходит в температурной зоне:
1000–1200 °С.
Минералы воздушных вяжущих веществ по сравнению с продуктами их твердения:
менее растворимы в воде;
более растворимы в воде;
растворимость примерно одинакова.
Гидравлические вяжущие вещества твердеют и сохраняют прочность:
только на воздухе;
и на воздухе, и в воде;
начинают твердеть на воздухе и продолжают набирать прочность под водой.
Гидравлические вяжущие вещества можно применять:
только в наземных сооружениях;
только в подземных гидротехнических сооружениях, подверженных действию воды;
как в наземных, так и в подземных гидротехнических сооружениях, подверженных действию воды.
Для получения портландцемента используют
мергель
К гидравлическим вяжущим относятся:
глиноземистый цемент
Цементное тесто – это:
смесь цемента с водой;
смесь цемента, воды и мелкого наполнителя;
отвердевший строительный раствор;
смесь цемента, воды и крупного наполнителя
В состав известкового теста входит как основной компонент:
сульфат кальция.
Вещества, замедляющие схватывание, используют при применении:
эстрих-гипса;
Эстрих-гипс получают из:
ангидрита.
Сырьевые материалы, используемые для получения портландцемента:
подвергаются предварительному обжигу
смешивают в определенном соотношении;
нельзя длительно хранить на воздухе.
При получении портландцемента во вращающихся печах топливо подается
со стороны поднятого конца печи
со стороны опущенного конца печи
по всей длине печи
в среднюю часть печи
Вариант 1
После охлаждения клинкер портландцемента:
смешивают с водой;
размалывают с добавлением гипса и других минераль-ных добавок;
обрабатывают известковым раствором;
расфасовывают в бумажные мешки.
При получении портландцемента во вращающихся печах зоне экзотермических реакций соответствуют температуры:
200–700 °С.
Декарбонизация известняка протекает по реакции:
СаО + СО2 = СаСО3
СаСО3 = СаО + СО2;
Са(ОН)2 = СаО + Н2О;
СаО + Н2О = Са(ОН)2.
При получении портландцемента во вращающихся печах при постепенном повышении температуры от 70 до 200 °С происходит:
взаимодействие сырьевой смеси с водой;
гидролиз компонентов сырьевой смеси;
испарение химически несвязанной воды;
испарение химически связанной воды
При получении портландцемента во вращающихся печах в зоне экзотермических реакций не образуется:
4СаО·Al2O3·Fe2O3.
При получении портландцемента во вращающихся печах в зоне подогрева в интервале температур 100–500 °С:
Читайте также: