Реферат Производство портландцемента
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Содержание пояснительной записки
Введение…………………………………………………………………………….2
1. Характеристика сырьевых материалов…………………………………………3
1.1. Характеристика карбонатных пород……………………………………….4
1.2. Характеристика глинистых пород………………………………………….5
1.3. Характеристика минеральных добавок……………………………………6
1.4. Характеристика гипсосодержащих пород…………………………………7
1.5. Характеристика гидрофобных добавок……………………………………7
2. Химический и минералогический состав клинкера…………………………...8
2.1 Химический состав клинкера……………………………………………….8
2.2. Минеральный состав клинкера……………………………………………10
3. Расчет состава сырьевой смеси и клинкера…………………………………...12
3.1. Расчет смеси………………………………………………………………...13
4. Описание технологических способов производства гидрофобного портландцемента………………………………………………………………..…16
4.1. Мокрый способ производства клинкера………………………………….17
4.2. Сухой способ производства клинкера…………………………………....25
4.3. Комбинированный способ производства клинкера ……………………..28
5. Выбор способа производства ………………………………………………….29
6. Подбор основного технологического оборудования и расчет материального баланса……………………………………………………………………………...30
7. Составление карт операционного контроля процесса производства портландцемента и его разновидностей……………………………………...….36
Список литературы……………………………………………………………......38
ВВЕДЕНИЕ.
Цемент — это важнейший строительный материал. В строительной практике он применяется уже около 160 лет. Крупные научные открытия, послужившие основой создания новых видов цемента и улучшения качества существующих, относятся к последним четырем десятилетиям, причем большинство из них принадлежит советским ученым.
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. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, жароизоляции и др. Крупными потребителями цемента являются нефтяная и газовая промышленность. Цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы.
Гидрофобный портландцемент производится по той же технологии, что и обычный портландцемент, при той же дозировке гипса, но с использованием специальной гидрофобизирующей добавки, которая и придает гидрофобному портландцементу необходимые свойства.
Основное отличие гидрофобных портландцементов – их низкая гигроскопичность, низкий уровень поглощения паров воды из воздуха. Именно благодаря этому свойству гидрофобные портландцементы могут храниться в течение полугода в насыщенной влагой среде и увеличиться в массе всего на каких-то 2-3 процента. В то время, как обычный портландцемент при тех же условиях может увеличиться в своей массе на 10-15 процентов. Наиболее же гидрофобными портландцементами являются пуццолановые и шлаковые портландцементы, гидрофобизированные добавкой мылонафта или олеиновой кислотой.
Еще несколько отличительных черт присущих гидрофобным портландцементам:
они не слеживаются при хранении и не образуют комков, остаются очень долго сыпучими. Соответственно, гидрофобные портландцементы могут активно использоваться и в тех случаях, когда требуется их длительное хранение или перевозка на дальние расстояния, особенно, если это транспортировка по рекам и морю;
способен придавать цементным и бетонным смесям повышенную подвижность, удобен при укладывании, а также придает растворам и бетонам, достигшим состояния затвердения, повышенную морозостойкость;
экономен, так как для получения тех же результатов требуют меньшего количества портландцементного порошка. А их повышенная пластичность позволяет сократить расход портландцемента в бетонах на 8—10 процентов и дополнительно уменьшить расход извести в портландцементных растворах;
применяют для облицовки и штукатурки зданий, так как он предотвращает образование выцветов на поверхности штукатурки;
использовать при изготовлении бетонов для дорожного, аэродромного строительства и строительства гидротехнических сооружении.
1. Характеристика сырьевых материалов
Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в состав которого преобладают силикаты кальция (70 – 80 %). Портландцемент – основное вяжущее в современном строительстве – является продуктом тонкого измельчения клинкера с добавкой гипса (3 – 5 %).
При производстве портландцемента применяют разнообразные материалы, одни из которых идут непосредственно на изготовления клинкера, другие же в виде добавок используются при его помоле (гипс и минеральные добавки).
Сырьевая смесь для производства портландцемента состоит из известняка (75%) и глины (25%). В качестве сырья можно использовать мел, мергель, глинистые сланцы и отходы различных производств (доменные шлаки, нефелиновый шлам и т.п.)
Пригодность сырьевых материалов для производства портландцемента устанавливают на основании их всестороннего изучения.
Для обеспечения нужного химического состава сырьевой смеси применяют корректирующие добавки: железосодержащие (Fe2O3); пиритные (колчеданные) огарки, колошниковую пыль, железную руду и отходы ее обогащения; глиноземистые добавки (содержание Al2O3); каолин, бокситы богатые глиноземом глины; кремнеземистые добавки (SiO2); кварцевые пески, опоку, трепел.
Для производства портландцемента используют также побочные продукты промышленности. Например доменные шлаки, содержащие необходимые для получения клинкера оксиды (CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3), золы нефелиновый шлам и др.
Нефелиновый шлам, образующийся при производстве глинозема, содержит 25 – 30% SiO2 и 50 – 55% CaO, поэтому для получения сырьевой смеси необходимого состава к нему добавляют 10 – 20% известняка. Использование нефелинового шлама
повышает производительность печей примерно на 20% и снижает расход топлива на 20 – 25%.
Гидрофобный портландцемент отличается от обыкновенного содержанием специальной гидрофобной добавки. Изготовляют его совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и гидрофобной добавки. Портландцемент становится гидрофобным, одновременно сохра
няя все остальные присущие цементам свойства, если в его состав введено оптимальное количество гидрофобной добавки. Оптимальное же количество гидрофобной добавки зависит от химико-минералогического состава клинкера, свойств и количества активных минераль
ных или инертных добавок, тонкости помола цемента и вида самой гидрофобной добавки.
Следует иметь в виду, что при недостаточном количестве вводи
мой гидрофобной добавки цемент (качество которого практически не ухудшается) не будет обладать гидрофобностью. При введении же излишнего количества гидрофобной добавки растворы будут характеризоваться повышенной пористостью, так как в них вовлекает
ся увеличенное количество воздуха. Как следствие этого — прочность их уменьшится.
В гидрофобный портландцемент разрешается вводить активные минеральные или инертные добавки тех же разновидностей и в том же количестве, что и в портландцемент. Непременным условием изготовления этого цемента является точное дозирование гидрофобной добавки. Предварительно опытным путем с учетом качества используемых на заводе клинкера и мине
ральных добавок устанавливают то количество гидрофобной добав
ки, которое необходимо ввести в цемент при его помоле.
Характеристика карбонатных пород
Они широко распространены в природе, что способствует развитию на их основе производства вяжущих материалов. Из карбонатных пород используют известняк, мел, известняк – ракушечник, известковый туф и др. Все эти породы содержат в основном углекислый кальций CaCO3.
Известняки состоят из кристаллов кальцита различных размеров. Средняя плотность плотных известняков достигает 2400 – 2700 кг/м3 , а меловых пород – 1500 – 2000 кг/м3 ; влажность этих материалов соответственно от 3 до 10 % и 15 – 30%.
Карбонатные породы – основной вид сырья при производстве портландцемента. Качество карбонатной породы зависит от его структуры, количества примесей и равномерности их распределения в массе сырья и определяется видом изготавливаемого вяжущего.
Известняки и мел содержат до 90% и более углекислого кальция и небольшие количества кварцевого песка, глинистых минералов и др. Химический состав этих материалов характеризуется преимущественным содержанием оксида кальция ( до 50% и более) и CO2 ( до 40% и более). Они содержат также небольшие количества кремнезема, глинозема и др. Содержание серного ангидрида более 1 – 1,3% недопустимо. Согласно ГОСТ 10178-76 содержание MgO в клинкере не должно превышать 5%. Чтобы обеспечить это условие, суммарное содержание MgO в смеси должно быть не более 3-3,5%. Такое ограничение вызвано тем, что окись магния, находящаяся в клинкере в виде минерала периклаза, в процессе твердения цемента гидратируется медленно, с увеличением в объёме, что с течением времени при большом содержании MgO в цементе может привести к разрушению раствора и бетона.
При разработки технологической схемы производства портландцемента, прежде всего, учитывают химический и петрографический состав, а также физические свойства и влажность карбонатных пород.
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.
В зависимости от качества сырья меняются температура обжига, производительность печей и свойства конечного продукта. Чем выше плотность известняков, тем труднее идет процесс обжига.
Особым видом карбонатного сырья является мергель. Это переходная горная порода от известняков к глинам. Мергель представляет собой тонкодисперсную смесь осадочного происхождения из 20 – 50% глинопесчаных веществ и 50 – 80% углекислого кальция. В зависимости от содержания углекислого кальция (CaCO3) мергели подразделяются на песчаные, глинистые и известняковые. Наиболее ценное сырье – известковый мергель, содержащий 75 – 80% CaCO3 и 20 – 25% глины. По химическому составу он близок к портландцементной сырьевой смеси, что упрощает технологию производства. Мергели, в которых содержание CaCO3 соответствует составу портландцементной смеси, называют натуральными. Подобно известнякам и мелу мергели могут резко различаться по физическим свойствам: одни имеют плотную структуру и прочны, другие как и мел мягки, рыхлы и влагоемки. Средняя плотность мергелей 2200 – 2500 кг/м3, а влажность – 5 – 20%.
Характеристика глинистых пород
Глины представляют собой тонкодисперсные осадочные горные породы и легко дают суспензии при разбалтывании с водой. Характерный признак кристаллической
решетки этих минералов – слоистое строение. Глины сильно различаются по минеральному и гранулометрическому составу часто в пределах одного месторождения. Нередко они содержат значительное количество включений в виде песка и гравия, что вызывает необходимость их предварительного обогащения.
По минеральному составу глины характеризуются преимущественным содержанием водных алюмосиликатов и кварцевого песка. Химический состав глин характеризуется наличием трех оксидов:
- SiO2 – 60 – 80%
- Al2O3 – 5 - 20%
-Fe2O3 – 3 -15%
Иногда в глинах присутствуют соединения, содержащие SO3, Na2O и K2O. Включения веществ с этими оксидами, а также MgO нежелательны и их количество должно быть минимальным. Влажность глин колеблется в пределах 15 – 20%. Средняя плотность комовой глины 1800 – 2000 кг/м3. В процесс обжига труднее всего вступают во взаимодействие крупнокристаллический кварцевый песок, крупные частицы полевых шпатов и слюд.
В цементном производстве используются также глинистые сланцы и лессы. Сланцы характеризуются слоистостью и значительной прочностью.
Характеристика минеральных добавок
Наряду с обычным портландцементом (без добавок), обозначаемым индексом ПЦ Д0, выпускают два вида портландцемента с минеральными добавками, обозначаемые индексами ПЦ Д5 и ПЦ Д20. В первый допускается введение дополнительно до 5% активных минеральных добавок, а во второй - свыше 5%, но не более 10% добавок осадочного происхождения, или до 20% добавок вулканического происхождения, глинежей, гранулированных доменных и электротермофосфорных шлаков.
К активным минеральным добавкам относятся природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с воздушной известью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой. Основное назначение минеральных добавок – связать известь в нерастворимые, способные к водному твердению вещества и повысить водостойкость вяжущего.
Различают активные минеральные добавки: природные и искусственные. Природные бывают двух видов – осадочные и вулканические. Осадочные породы содержат в основном активный кремнезем (диатомиты, трепел, опока, глиежи –
естественно обожженные глинистые породы). Вулканические породы (пепел, туф, пемза, трассы) содержат в основном алюмосиликаты.
В качестве искусственных активных минеральных добавок используют побочные продукты и отходы промышленности: быстро охлажденные гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки, топливные золы и шлаки, нефелиновый (белитовый) шлам (побочный продукт производства глинозема, состоящий в основном из двухкальциевого силиката),обожженные при температуре до 800 ̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊С глины (глиниты, цемянка) и др.
В отличие от природных минеральных добавок искусственные обладают слабовыраженными собственными вяжущими свойствами, что связано с наличием в их составе соединений, способных к твердению в воде. Возможно применение и некоторых других естественных и искусственных минеральных добавок к цементам, но в каждом случае необходимо предварительное проведение специальных исследований.
Минеральная добавка считается активной, если она обеспечивает схватывание теста, приготовленного на основе добавки и гидратной известию не позднее 7 суток после затворения и обеспечивает водостойкость образца из того же теста в течении не менее 3 суток после окончания схватывания.
Характеристика гипсосодержащих пород
Такие породы в основном являются сырьем для производства гипсовых вяжущих, но также применяются как добавка к цементу с целью регулирования сроков схватывания. Применяют природный двуводный гипс и природный ангидрит (CaSO4). Двуводный гипс хорошо распространен в природе. Обычно он содержит примеси других минералов – известняка, доломита, глин. Во многих месторождениях гипсовый камень залегает вместе с ангидритом. Гипс и ангидрит – минералы кристаллического строения. Твердость, определяемая по шкале Мооса: ангидрита – 3-3,5; гипса- 1,5. Большое значение имеет характер кристаллизации двуводного гипса. Мелкокристаллический гипс обезвоживается быстрее и при более низкой температуре.
Характеристика гидрофобных добавок
К гидрофобным добавкам: мылонафт, асидол, синтетические жирные кислоты, петролатум и другие гидрофобизирующие поверхностно – активные добавки.
Молекулы гидрофобизирующих веществ имеют асимметрично-полярное строение и состоит из полярной группы ( например, COOH или COONa) и неполярной (углеводородного радикала). Эти молекулы в процессе помола абсорбируются на поверхности цементных зерен, ориентируясь полярной группой к поверхности цементного зерна, а углеводородным радикалом наружу, придавая цементу
гидрофобное (водоотталкивающие) свойства. Поэтому гидрофобный цемент, в отличии от обычного портландцемента, при длительном хранении даже в очень влажных условиях сохраняет свою активность. Адсорбированные на поверхности цементных зерен весьма тонкие (практически в одну молекулу) гидрофобные пленки в процессе перемешивания смесей легко снимаются и не препятствуют нормальному течению процессов твердения цемента. Оставаясь в смеси, гидрофобизирующие вещества адсорбируются на поверхности новообразований, оказывая смазывающее действие и уменьшая трение между частицами смеси, вследствие чего повышается пластичность и однородность. В затвердевшем цементном камне эти вещества располагаются на поверхности пор и капилляров камня и способствуют уменьшению водопоглощения и капиллярного подсоса.
Благодаря указанным свойствам бетоны и растворы на гидрофобном цементе имеют более высокую водо- и морозостойкость и водонепроницаемость в сравнении с бетонами на обычном цементе.
Требования стандарта к гидрофобному портландцементу остаются теми же, что и к обыкновенному, но, кроме того, гидрофобный цемент должен обладать специальным свойством - он не должен впитывать в себя воду в течение 5 мин.
2. Химический и минералогический состав клинкера
Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким измельчением клинкера и гипса.
Портландцементный клинкер обычно получают в виде спекшихся мелких и более крупных гранул и кусков размером до 10 – 20 или до 50 – 60 мм (в зависимости от типа печи), в результате обжига до спекания сырьевой смеси состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция.
По микроструктуре клинкер, получаемый спеканием, представляет собой сложную тонкозернистую смесь многих кристаллических фаз и небольшого количества стекловидной фазы.
Качество клинкера зависит от его химического и минералогического состава. Химический состав характеризуется содержанием различных оксидов, а минералогический – количественным соотношением минералов, образующихся в процессе обжига.
2.1 Химический состав клинкера
Химический состав клинкера колеблется в сравнительно широких пределах. Главные оксиды цементного клинкера - оксид кальция CaO, двуоксид кремния SiO2, оксиды алюминия Al2O3, железа Fe2O3, суммарное содержание которых – 95 – 97%. Кроме них в состав клинкера в виде различных соединений в небольших
количествах могут входить оксид магния MgO, серный ангидрид SO3, двуоксид титана TiO2, оксиды хрома Cr2O3, марганца Mn2O3, щелочи Na2O и K2O, фосфорный ангидрид P2O3 и др. Содержание этих оксидов в клинкере колеблется в следующих пределах, %:
CaO – 62-67; Al2O3 – 4-7; MgO – 0,35-4,5; Na2O+K2O – 0,4-1; P2O5 – 0,1-0,3
SiO2 – 20-24; Fe2O3 – 2-5; SiO3 – 0,1-1,5; TiO
2+Cr2O3 – 0,2-0,5; SO3 – 0,3-1
Химический анализ клинкера проводят по методике, регламентированной ГОСТ 5382 – 73. При этом определяют обычно процентное содержание оксида кальция, как связанного, так и находящегося в свободном состоянии; двуокида кремния SiO2; полуторных оксидов Fe2O3 и Al2O3; оксида магния MgO; серного ангидрида SO3; оксида щелочных металлов Na2O, K2O, а также P2O5, Mn2O3, TiO2, Cr2O3, нерастворимого осадка и п.п.п.
Повышенное содержание оксида кальция (при условии обязательного связывания в химические соединения с кислотными оксидами) обуславливает обычно повышенную скорость твердения портландцемента, его высокую конечную прочность, но несколько пониженную водостойкость. Цементы с повышенным содержанием кремнезема в составе клинкерной части характерезуется повышенной скоростью твердения в начальные сроки при достаточно интенсивном нарастании прочности в длительные сроки. Они отличаются повышенной водо- и сульфатостойкостью.
При повышенном содержании Al2O3, а следовательно, и алюминатов цементы приобретают способность к ускоренному твердению в начальные сроки. Повышение количества глинозема придает цементам меньшую водо-, сульфато-, и морозостойкость.
Соединение оксида железа способствуют снижению температуры спекания клинкера. Цементы, богатые Fe2O3 при низком содержании глинозема ведут себя аналогично высококремнеземистым. Относительно медленно схватываясь и твердея в начальные сроки, они в дальнейшем достигают высокой прочности. Цементы с повышенным количеством оксида железа отличаются стойкостью к действию сульфатных вод.
Повышенное содержание в клинкере MgO вызывает неравномерность изменения объема цемента при твердении. По ГОСТ 10178 , MgOв клинкере должно быть не больше 5%.
Ангидрид серной кислоты SO3 в виде гипса необходим для регуляции сроков схватывания портландцемента, его содержание ограничивается пределами 1,5 –
3,5%. Более высокое содержание SO3 может вызвать неравномерное изменение объема цемента в следствии образования гидротрисульфоалюмината кальция.
Двуоксид титана TiO
2 входит в клинкер с глинистым компонентом сырьевой смеси в количестве 0,1 – 0,5%, что способствует лучшей кристаллизации клинкерных минералов. При содержании 2 – 4% TiO
2 замещая часть кремнезема,способствует повышению прочности цемента, а при большем содержании снижает ее. Количество Mn2O3 в клинкере обычно не превышает 1-2% и существенно не влияет на физико – механические свойства цемента.
Фосфорный ангидрид P2O5 и оксид хрома Cr2O3 в небольшом количестве (0,1 – 0,3%) оказывают легирующее действие на клинкер, увеличивая интенсивность твердения в первые сроки и повышая его конечную прочность. При большем их количестве (1 – 2% ) скорость твердения цемента замедляется, а прочность снижается.
Щелочи Na2O+K2O обычно присутствуют в клинкере в количестве до 0,5 – 1%, причем содержание K2O, как правило, в несколько раз больше, чем Na2O. Если щелочей более 1%, то они вызывают непостоянство сроков схватывания цементов и образование выцветов на поверхности растворов или бетонов. Щелочные соединения могут являться также причиной опасных деформаций в гидротехнических бетонах на заполнителях, содержащие кремнистые сланцы, опаловые и другие аморфные видоизменения кремнезема.
Прокаливанием проб цементов при 1000-1200 ̊ С в процессе химического анализа определяют п.п.п. Они имеют большое практическое значение для характеристики готового портландцемента, чем клинкера, так как свидетельствуют о сроке хранения вяжущего, вызвавшем частичную гидратацию клинкерных минералов и переход свободного CaO в Ca(OH)2.
2.2 Минеральный состав клинкера
В клинкере обычного состава главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде минералов кристаллической структуры, часть их входит в стекловидную фазу.
Рассмотрение шлифов цементного клинкера под микроскопом показывает, что он состоит преимущественно из кристаллов минералов-силикатов, между которыми размещается так называемое промежуточное вещество. Последнее включает алюминаты и алюмоферриты кальция в кристаллическом виде, а также стекловидную фазу. Основными минералами цементного клинкера являются: алит, белит, трехкальциевый алюминат, четырехкальциевый алюмоферрит (см. табл.1).
Таблица 1
Основные минералы цементного клинкера
Наименование
Химическая формула
Сокращенная формула
Содержание
Алит (трехкальциевый силикат)
3CaO∙SiO2
C3S
50 – 65
Белит (двухкальциевый силикат)
2CaO∙SiO2
C2S
20 – 30
Трехкальциевый алюминат
3CaO∙ Al2O3
C3А
4 – 14
Целит (четырехкальциевый алюмоферрит)
4CaO∙ Al2O3∙ Fe2O3
C4AF
10 - 20
Трехкальциевый силикат (алит) – Главный минерал цементного клинкера – обладает большой активностью в реакции с водой, особенно в начальные сроки (величина тепловыделения к трем суткам достигает примерно 2/3 от тепловыделения при полной гидратации). Алит быстро твердеет и набирает высокую прочность. Именно он определяет набор прочности в 28 суточном возрасте.
Двухкальциевый силикат (белит) – значительно менее активен, чем алит. Тепловыделение белита при полной гидратации примерно в два раза меньше, чем у алита, и к третьим суткам составляет 10% от тепловыделения при полной гидратации. Твердение происходит медленно. К месячному сроку продукт его твердения обладает сравнительно невысокой прочностью, но при длительном твердении (несколько лет) в благоприятных условиях ( при положительной температуре и влажной среде) его прочность неуклонно возрастает. Преимущественно в цементе находится в β-модификации.
Трехкальциевый алюминат – самый активный клинкерный минерал, отличающийся быстрым взаимодействием с водой. Его тепловыделение при полной гидратации почти в два раза больше, чем у алита, а за трое суток составляет не менее 80% от общего тепловыделения. Однако продукт его твердения имеет повышенную пористость, низкие прочность и долговечность. Быстрое твердение C3А вызывает раннее структурообразование в цементном тесте и сильно ускоряет сроки схватывания (всего за несколько минут). Если не ввести добавку гипса, то получится цемент «быстряк», бетонные смеси на котором из – за преждевременного схватывания не успевают хорошо перемешать и уложить в форму.
Четырехкальциевый алюмоферрит – характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым силикатами. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки ниже, чем у алита, и несколько выше, чем у белита.
Располагая данными о минеральном составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее предопределить основные свойства цемента и особенности его твердения в различных условиях эксплуатации (рис.1).
Рис.1.Наростание прочности минералов
клинкера портландцемента:1- C3S;
2- C4AF; 3- C2S; 4- C3А.
3. Расчет состава сырьевой смеси и клинкера
Состав портландцементного клинкера характеризуется:
Химическим составом клинкера;
Химико-минералогическим составом клинкера.
Химический состав характеризуется содержанием оксидов: CaO – 62-67%; SiO2 – 20-24%; Al2O3 – 4-7%; Fe2O3 – 2-5%; MgO – 0,35-4,5%; SO3 – 0,3-1% . В состав также входят примеси Na2O, K2O, TiO
2, S.
Химико-минералогический состав клинкера характеризуется содержанием оксидов и минералов его составляющих в процентах и выражается значениями коэффициента насыщения кремнезема SiO2 оксидом кальция CaO и модулями.
Коэффициент насыщения КН колеблется в пределах 0,80 – 0,95; силикатный (кремнеземный) модуль n – 1,7-3,5; глиноземный модуль (алюминатный) p – 1,0-3,0; гидравлический модуль m – 1,9-2,4.
Величина КН и модулей определяются по следующим формулам:
КН=CaO-1,65Al2O3-0,3Fe2O32,8SiO2 ; n=SiO2Al2O3+ Fe2O3 ;
m=CaOобщ- CaOсв(SiOобщ- SiOсв)+ Al2O3+ Fe2O3 ; p=Al2O3Fe2O3
где CaO; Al2O3; Fe2O3; SiO2 и т.д. – содержание окислов в портландцементном клинкере, %;
КН – показатель, характеризующий неполную насыщенность кремнезема оксидом кальция в процессе клинкерообразования. КН представляет собой отношение
количества оксида кальция, остающегося после полного насыщения глинозема, и оксида железа соответственно до 3CaO∙ Al2O3 и 4CaO∙ Al2O3∙ Fe2O3 к такому количеству оксида кальция, которое необходимо для полного насыщения кремнезема до 3CaO∙SiO2.
Силикатный модуль представляет собой отношение процентного содержания в клинкере оксида кремния к сумме процентного содержания оксидов алюминия и железа.
Глиноземный модуль показывает процентное отношение содержания глинозема к содержанию оксида железа.
Гидравлический модуль представляет собой отношение весового процентного содержания окиси кальция к суммарному процентному содержанию кислотных оксидов.
Минералогический (фазовый) состав клинкера характеризуется следующими основными соединениями (минералами), %: 3CaO∙SiO2 ; 2CaO∙SiO2; 3CaO∙ Al2O3; 4CaO∙ Al2O3∙ Fe2O3.
Наиболее распространен способ расчета сырьевой смеси по значениям КН и модулей.
Число сырьевых компонентов должно быть на единицу больше числа заданных характеристик. Поэтому если задаются только величиной КН, то сырьевая смесь составляется из двух компонентов (например, мел и глина); если кроме КН задаются еще величиной одного из модулей (глиноземного или силикатного), то сырьевая должна состоять из трех компонентов и т.д.
Для удобства расчетов и возможности контроля правильности вычислений химический состав сырьевых материалов, приводят к сумме, равной 100%.
Все вычисления при расчете сырьевой смеси ведут с точностью до 0,001%. В расчетных формулах приняты условные сокращения CaO – C, SiO2 – S, Al2O3 – A, Fe2O3 – F, причем содержание окислов в каждом из сырьевых компонентов обозначено буквами с индексом, показывающим принадлежность окислов к тому или иному компоненту. Содержание окислов в готовом продукте обозначено буквами без индекса, а в сырьевой смеси – буквами с индексом 0.
3.1. Расчет смеси
Нам задан химический состав обоих исходных материалов, приведенный в табл.2. Задана величина КН = 0,93.
Если принять, что в сырьевой смеси на 1 весовую часть первого приходится х весовых частей второго, можно написать равенства:
C0=xC1+C2x+1; F0=xF1+F2x+1; A0=xA1+A2x+1; S0=xS1+S2x+1.
Подставляя указанные значения C0, F0, A0 и S0 в упрощенную формулу КН, принятую для расчета сырьевой смеси, получим
КН=C0-(1,65A0-0,35F0)2,8S0
решая это уравнения относительно х, получим расчетную формулу для определения соотношения между первым и вторым компонентами:
х=2,8S2∙КН+1,65A2+0,35F2-C2C1-2,8S1∙КН-1,65A1-0,35F1.
В упрощенной формуле КН отсутствуют поправки на свободную окись кальция и свободный кремнезем, так как невозможно точно предугадать их содержание в клинкере. Необходимо стремиться к тому, чтобы при обжиге клинкера CaO и кремнезем полностью связывались в клинкерные минералы. В упрощенной формуле не учитывается также количество окиси кальция, связанной серным ангидритом, так как часть серы, присутствующая в сырье в виде сульфидных соединений, выгорает и окисляется, а серный ангидрид, сернокислых соединений вследствие диссоциации при обжиге CaO и SiO2, можно определить только после обжига.
Таблица 2
Химический состав исходных материалов, %
Компоненты
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
ппп
Сумма
Известняк
4,69
0,92
0,84
50,54
1,09
0,18
41,47
99,73
Глина
61,81
17,54
7,10
1,27
1,92
0,58
6,24
96,46
ппп – потери при прокаливании. Это органические примеси, выгорающие при обжиге сырьевой смеси портландцемента.
Для пересчета содержания химического состава сырьевых компонентов на сумму, равную 100%, находим значения коэффициента k:
k1= 10099,73 =1,0027; k2= 10096,46 =1,0367
Производим пересчет компонентов с учетом полученных коэффициентов. Данные пересчета приводятся в табл.3
Таблица 3
Химический состав сырья в пересчете на 100%
Компоненты
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
ппп
Сумма
Известняк
4,70
0,92
0,84
50,68
1,11
0,18
41,58
100
Глина
64,08
18,18
7,36
1,32
1,98
0,6
6,50
100
Определяем соотношения между двумя сырьевыми компонентами, задаваясь величиной КН:
х = 2,8∙64,08∙0,93+1,65∙18,18+0,35∙7,36-1,3250,68-2,8∙4,70∙0,93-1,65∙0,92-0,35∙0,84=198,1236,64 = 5,4071
Таким образом, на одну весовую часть глины приходится 5,407 весовых частей известняка. Сырьевая смесь будет состоять из 6,407 весовых частей, то есть содержание известняка в смеси – 84,39%, а глины – 15,61.
Производим расчет химического состава сырьевой смеси в весовых частях. Для этого умножим каждое значение данное в табл.3 на процентное содержание соответствующего элемента. Для известняка – 0,8439; для глины – 0,1561. Конечные значения приведены в табл.4.
Таблица 4
Химический состав сырьевой смеси, %
Компоненты
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
ппп
Сумма
Известняк
3,97
0,78
0,71
42,76
0,93
0,15
35,09
84,39
Глина
10,00
2,84
1,15
0,21
0,31
0,09
1,01
15,61
Состав сырьевой смеси
13,97
3,62
1,86
42,97
1,24
0,24
36,1
100
Рассчитаем химический состав клинкера. Состав клинкера определяется путем перерасчета состава сырьевой смеси на прокаленное вещество. Для этого умножаем количество каждого окисла на коэффициент z. Данные вычислений приведены в табл.5.
Z=100100-ппп=100100-36,1=1,5650
Таблица 5
Химический состав клинкера, %
Компоненты
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
ппп
Сумма
Состав кликера
21,86
5,67
2,91
67,25
1,94
0,38
-
100
Для подтверждения правильности выполненных расчетов определяем величину КН, n и p модулей:
КН=67,25-1,65∙5,67-0,35∙2,912,8∙21,86=0,93
n=21,865,67+2,91=2,56; p=5,672,91=1,95;
1,7≤n≤3,5; 1
≤p≤3.
Совпадение величины КН с заданной и величин n и p с допустимым пределом, подтверждает правильность расчетов.
4. Описание технологических способов производства гидрофобного портландцемента
Производство портландцемента – сложный технологический и энергоемкий процесс, который можно разделить на два комплекса операций: изготовление клинкера и получение портландцемента измельчением клинкера совместно с гипсом, активными минеральными и другими добавками (если они используются).
Производство портландцемента состоит из следующих основных операций:
добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов, известняка и глины (если необходимо, то и корректирующих добавок);
подготовка сырьевых материалов и приготовления из них однородной смеси заданного состава;
обжига сырьевой смеси материалов до спекания с получением клинкера;
помол клинкера в порошок с небольшим количеством гипса, а также добавок.
Основной задачей является получение клинкера с заданным фазовым (минеральным) составом, что зависит от состава и качества сырья, выбранного соотношения между исходными материалами, требуемой дисперсности и однородности сырьевой смеси и правильного режима обжига и охлаждения клинкера.
В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси из основных материалов:
мокрый (помол и смешения сырья осуществляется в водной среде);
сухой (материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде);
комбинированный.
4.1. Мокрый способ производства клинкера
Технологическая схема производства портландцемента по мокрому способу представлена на рис.2.
Рис.2. Принципиальная технологическая схема получения портландцемента мокрым способом.
Добыча и транспортирование известняка и глины, приготовление сырьевой смеси. Площадку для строительства цементного завода выбирают, как правило, вблизи месторождений (или размещения) основных исходных материалов – карбонатного и глинистого компонентов. Это делается с целью уменьшить расходы на транспорт и довести до минимума запасы, а следовательно, и емкости складов сырья на площадке завода.
Добыча известняка. Известняковые породы обычно залегают под слоем пустой породы (вскрыши), толщина которого может достигать 3 – 5 м и более. Для ее удаления применяют экскаваторы разных типов, бульдозеры. При гидромеханическом способе грунт размывают струей воды, подаваемой гидромонитором под давлением 1,5 – 2 МПа. Высокоэффективны разработка вскрышных пород с помощью роторных экскаваторов и их удаление в отработанные части карьеров ленточными конвейерами.
Взорванную породу кусками до 1 – 2м в поперечнике грузят на транспортные средства и отправляют на завод. Более крупные глыбы дробят пневматическими
перфораторами. В качестве транспортных средств используют самоопрокидывающиеся платформы (думпкары), автосамосвалы или подвесные канатные дороги.
На заводах известняк подвергается двухступенчатому дроблению и помолу с глинистым компонентом.
В последние годы организация добычи и первичной переработки сырья для производства цемента претерпевает большие изменения. Так, для рыхлых скальных пород вместо взрывов начинают применять специальные рыхлители, навешиваемые на мощные тягачи или пневмоколесные погрузчики горной породы, масса которых в 6 – 8 раз меньше, чем элеваторов, при одинаковой вместимости ковша. Обладая большей мобильностью, они способны быстро перемещать добытую горную массу к дробильным установкам, находящимся в карьерах. При этом удельные затраты на оборудование сокращаются примерно в два раза.
Высокой экономической эффективностью характеризуется организация дробления известняка, а также переработка мела, мергелей и глин непосредственно на карьерах с подачей на завод известнякового щебня ленточными конвейерами длиной до 5 – 8 км.
Еще более эффективно применение на карьерах вместо стационарных передвижных (самоходных) дробильных агрегатов производительностью до 400 – 1000 т/ч.
Имеются также примеры переработки известняков в шлам (иногда вместе с глиной, что особенно целесообразно) укрупненным измельчением их в стержневых мельницах. Шлам в этом случае направляется на завод в соответствующие емкости с помощью гидротранспорта.
Добычу глины, мела и мягких мергелей ведут экскаваторами одноковшовыми или многоковшовыми. Транспортируют эти материалы также, как и известняк, на заводы, где перерабатывают в водные суспензии (шлам). На старых заводах для этой цели применяют глиноболтушки – круглый или многогранный бассейн, дно и стенки которого футеруются чугунными плитами. В центре бассейна на фундаменте устанавливают вертикальный вал с крестовинами, на которые подвешивают стальные грабли. Вал приводится во вращение электродвигателем. Материалы после предварительного измельчения в дробилках до кусков размером не более 20 см разбалтывают с водой, образуется суспензия с частицами до 3— 5 мм. Крупные куски и примеси (песок, галька и т. п.), оседающие на дно, периодически удаляют. Полученный шлам насосами перекачивают в запасные бассейны, откуда он поступает на тонкое измельчение в мельницы совместно с другими компонентами сырьевой смеси.
Более эффективно использование роторных мельниц и мельниц самоизмельчения материала «Гидрофол» с каскадным пересыпанием его кусков в водной среде.
Обычно на территории завода создаются запасы известняков и глинистого сырья, что требует сооружения соответствующих хранилищ.
Приготовление сырьевой смеси включает: дробление известняка, глины и добавок, дозирование, совместный тонкий помол и смешение компонентов, корректирование состава полученной смеси (шлама) и ее хранение.
В производстве портландцемента по мокрому способу сырье размалывают в мельницах со значительным количеством воды — мокрый помол (обычно при содержании воды до 36—42 % массы сухого вещества).
Измельчение подаваемого в мельницу материала в один рабочий цикл до требуемой дисперсности называется одноступенчатым. При измельчении «на проход» получают материал в готовом виде (измельчение по открытому циклу). Применяют также измельчение по замкнутому циклу: материал, выходящий из мельницы, разделяется (классифицируется) на готовый продукт и «возврат», идущий в ту же мельницу на дальнейшее измельчение до требуемой дисперсности.
При двух- или трехступенчатом измельчении исходный материал подвергают дроблению или помолу последовательно в двух или трех машинах. При этом из измельчаемого материала после каждой ступени соответствующими аппаратами (грохотами, сепараторами, гидроциклонами и др.) может быть извлечен продукт с необходимой степенью дисперсности.
Материалы, подвергаемые измельчению, часто различаются по влажности, прочности, твердости, вязкости и т. п. Эти свойства предопределяют выбор механизмов для грубого и тонкого измельчения.
Сырье измельчают до степени, характеризуемой обычно остатком на сите № 008 не более 5—10 %. Для этого материалы в виде крупных кусков и глыб вначале дробят в соответствующих дробилках, а затем подвергают тонкому помолу в мельницах (шаровых, молотковых и др.). Стоимость помола в мельницах выше стоимости дробления, поэтому экономично направлять в них материал с возможно малыми размерами частиц. С другой стороны, стоимость дробления увеличивается с уменьшением крупности выдаваемого продукта, поэтому для дробильно-помольной установки существует оптимальная степень дробления, при которой стоимость дробления и помола минимальна. На дробление экономически целесообразно направлять материал в виде возможно более крупных кусков и глыб. Но их предельный размер определяется размером и производительностью дробилок,
устанавливаемых, в свою очередь, на основании потребности предприятия в измельченном продукте в смену.
Чтобы добиться измельчения материала до нужных размеров, применяют трех- или двухстадийную схему измельчения. Для первичного дробления известняков используют щековые и конусные дробилки.
Так как в горной массе, получаемой буровзрывным способом, содержится до 20—30 % относительно мелкого материала, то рационально выделять его перед первой стадией дробления на колосниковом грохоте и направлять сразу на вторую стадию дробления.
Щековые дробилки в цементной промышленности применяют для дробления материалов большой и средней прочности, в частности известняков, мергелей, гипса и др.
На второй стадии дробления могут быть использованы как молотковые, так и конусные дробилки. Предпочтение отдают молотковым, так как они могут давать материал в кусках, размер которых меньше в два раза и более размера выпускной щели. Конусные дробилки, в которых материалы измельчаются раздавливанием и изломом, используют для дробления твердых и очень твердых материалов с коэффициентом дробления 15—20. Недостатки дробилок — значительные размеры по высоте, а также более сложная, чем у щековых дробилок, конструкция.
Выпускают одно- и двухроторные молотковые дробилки с коэффициентом дробления соответственно 10—15 и 20—25. Их используют для измельчения известняков, мергелей, глинистых сланцев, угля, гипса до кусков с предельным размером 6—50 мм.
На третьей стадии дробления можно устанавливать короткоконусные, а также молотковые и ударно-отражательные дробилки с шириной выпускной щели 10—12 мм. При тонком дроблении производительность этих дробилок относительно уменьшается, что делает целесообразным предварительное грохочение. В этом случае материал, получаемый из молотковых дробилок на второй стадии измельчения, содержит 30—40 % готового продукта (мельче 10 мм). Конусные дробилки, устанавливаемые на третьей стадии, должны, работать только в замкнутом цикле с применением грохотов соответствующей производительности.
В настоящее время значительно распространено дробление известняков в две стадии с установкой для первичного дробления молотковых дробилок (в том числе и ударно-отражательных), пригодных для измельчения глыб размером 1200—2000 мм до продукта с размером зерен 0—25 мм. Обычно влажные, липкие материалы перерабатывают в две стадии. На первой стадии используют щечно-валковые или
щековые дробилки, на второй — молотковые с подвижными стенками (самоочищающиеся).
В технике дробления явно наметилась тенденция к сокращению числа стадий дробления и получению материала с возможно малой крупностью частиц для снижения стоимости последующего помола.
Дробленый известняковый щебень (или крупка) направляется далее на совместный помол с глиняным шламом в шаровую мельницу через весовые дозаторы непрерывного действия с автоматическим управлением, что обусловлено необходимостью строго выдерживать соотношение по массе между компонентами.
Применение автоматического дозирования по массе для питания шаровых мельниц еще не обеспечивает получения продукта со строго заданной степенью измельчения. Это зависит от твердости материала, которая может меняться, от размера поступающих на измельчение кусков, их влажности и других факторов.
В настоящее время применяют автоматическое регулирование процесса измельчения непосредственно по тонкости помола, но пользуются еще и косвенным параметром для регулирования работы мельницы — степенью загрузки первой камеры мельницы измельчаемым материалом: чем больше она загружена, тем грубее помол. Регулируя питание мельницы, в определенной мере можно добиться стабильности измельчения.
Совместное измельчение известняка и глины в присутствии воды обеспечивает тщательное перемешивание исходных материалов. С этой же целью вместе с ними измельчают и корректирующие добавки (например, огарки), если заведомо известно, что химический состав двух исходных компонентов не позволяет получить клинкер заданного минерального состава. В производстве применяют и двухкамерные мельницы, причем первую камеру загружают стержнями, а вторую — шарами. В этом случае мельница выдает шлам с требуемой дисперсностью материала (8—10 % на сите №008). По ряду данных такие мельницы производительнее обычных трубных на 10—15%.
Корректирование состава шлама. При смешивании известняка с глиной не всегда удается сразу получить шлам требуемого химического состава в следствии разновидности сырья, несовершенства дозирующих устройств и других факторов. В связи с этим возникает необходимость в систематическом контроле содержания компонентов в сырьевой смеси и в случае отклонения от принятых значений в корректировании состава шлама. Для этого в него водят недостающий компонент в соответствующем количестве.
В зависимости от состава и однородности сырья, а также от состава и качества выпускаемого цемента, сырьевую смесь корректируют по заданному содержанию в ней углекислого кальция (по титру), а также по требуемому коэффициенту насыщения и одному из модулей.
Корректируют и усредняют шламы в вертикальных и горизонтальных резервуарах (шламбассейнах). Наиболее прост способ корректирования по содержанию углекислого кальция в смеси карбонатного и глинистого компонентов. Шлам признают пригодным для обжига, если его титр соответствуют заданному. Необходимость корректирования шлама может возникнуть также и при недостаточном или избыточном содержании других компонентов (SiO2, Fe2O3).
Бассейн вертикального типа сооружают при значительной неоднородности исходного сырья. Они служат для усреднения шлама в относительно небольшом объеме, что обеспечивает быструю и хорошую гомогенизацию смеси. Перемешивания в вертикальных бассейнах пневматическое. Полученный усредненный шлам сливаю в горизонтальные бассейны.
На ряде заводов контролируют состав шлама, ежечасно определяя содержание CaO, SiO2, Fe2O3, Al2O3 с помощью автоматического рентгеноспектрометра.
По результатам анализа вычислительная машина рассчитывает новые соотношения между сырьевыми компонентами, а также показатели дозирующих устройств для правильного питания сырьевых мельниц и получения шлама заданного состава.
Важной характеристикой шлама является также его текучесть, зависящая от свойств исходных материалов, содержанием в нем воды. Шлам должен обладать такой текучестью при минимальном содержании воды, при котором обеспечивалось бы нормальное протекание его по шламопроводам в печь для обжига. Снижения водосодержания в шламе с помощью разжижителей способствует значительной экономии топлива на обжиг клинкера и повышению производительности печных установок.
Для контроля уровня шлама в бассейнах используют различные сигнализаторы уровня, а также следующие уровнемеры – электроконтактные, мембранные, радиоактивные.
Обжиг сырьевой смеси. Вращающаяся печь (рис.2), в которой осуществляется обжиг сырьевой смеси, представляет собой сварной стальной барабан длиной 95 – 185 – 230 м, а диаметром 5- 7 м, футерованный изнутри огнеупорными материалами. Барабан уложен на роликах под углом 3 - 4̊ к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси (1-2 об/мин). Благодаря этому сырьевая смесь, загруженная в верхнюю часть печи, постепенно перемещается к нижнему концу, куда вдувают
топливо, продукты горения которого направляются навстречу сырьевой смеси и обжигают ее.
Характер процессов протекающих при обжиге сырьевой смеси, приготовленной сухим или мокрым способами, по существу, одинаков и определяется температурой нагревания материала в печи. Длина печи зависит от способа производства. Так, печи, работаюие по сухому способу, имеют длину 95 м. При этом производительность такой печи диаметром 7 м составляет 3000 т/сут. На предприятиях, работающих по мокрому способу, применяют печи 7 ×230 м производительностью 3000 т/сут.
Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье в виде порошка (сухой способ) или шлама (мокрый способ) подается в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо, сгорающее в виде 20 -30 метрового факела. Сырье занимает лишь часть поперечного сечения печи, при вращении ее медленно движется навстречу горячим газам к нижнему концу, проходя различные температурные зоны.
В зоне испарения, начиная с поступления смеси в печь, происходит высушивания сырьевой смеси при постепенном повышении температуры с 70 – 200 ̊ С (в конце этой зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, а при вращении печи комья распадаются на более мелкие гранулы.
В зоне подогрева при постепенном повышении температуры от 200 – 700 ̊ С сгорают находящиеся в сырьевой смеси органические примеси, удаляется кристаллохимическая вода (при 450 – 500 ̊ С) и образуется безводный каолинит Al2O3∙2SiO2.
Зона (испарения и нагрева) при мокром способе занимают 50 -60% длины печи (считая от холодного конца); при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.
В зоне декарбонизации ( ее протяженность 20 -23% длины печи) температура обжигаемого материала поднимается с 700 – 1100 ̊ С. Здесь завершается процесс диссоциации карбонатных солей кальция и магния и появляется значительное количество свободного оксида кальция. Термическая диссоциация CaCO3, а CaO+CO2 – это эндотермический процесс, протекающий с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг CaCO3). В этой же зоне происходит распад дегидратированных глинистых минералов на оксиды SiO2, Al2O3, Fe2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с CaO. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы 3CaO∙Al2O3, CaO∙Al2O3 и частично 2CaO∙Al2O3.
В зоне экзотермических реакций (1100 – 1250 ̊ С) происходят твердофазовые реакции образования 3CaO∙Al2O3, 4CaO∙Al2O3∙Fe 2O3 и белита C2S. Эти экзотермические реакции на сравнительно коротком участке печи (5- 7% ее длины) сопровождаются выделением большого количества теплоты и повышением температуры материала на 150 – 200 ̊ С .
В зоне спекания (1300 - 1450 ̊ С) температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения (1450 ̊ С), необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера – алита. В начальный период спекания, начиная с 1300 ̊ С, образуется расплав в количестве 20 - 30% объема обжигаемой массы из относительно легкоплавкого материалов 3CaO∙Al2O3, 4CaO∙Al2O3∙Fe 2O3 , а также MgO и легкоплавких примесей. При повышении температуры 1450 ̊ С на зернах клинкера появляется жидкая фаза, в которой растворяются 2CaO∙ SiO2 и CaO. Процесс образования алита заканчивается за 15- 20 мин пребывания материала в зоне спекания (ее протяженность 10- 15% длины печи). Поскольку при вращении печи частично расплавленный материал непрерывно перекатывается, мелкие частицы слипаются в гранулы. Понижение температуры с 1450 до 1300 ̊ С вызывает кристаллизацию из расплава C3A, C4AF и MgO ( в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения, следующей за спеканием.
В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000 ̊ С; здесь полностью формируется структура и состав клинкера: C3S, C2S, C3A, C4AF, MgO, стекловидная фаза и второстепенные составляющие.
Цементный клинкер при выходе из вращающейся печи в виде камнеподобных зерен – гранул темно – серого или зеленовато – серого цвета интенсивно охлаждается с 1000 до 100 – 200 ̊ С в колосниковых, рекуператорных и других холодильниках воздухом, идущем на встречу клинкеру. Быстрое охлаждение клинкера необходимо для предотвращения образования в нем крупных кристаллов и сохранения стекловидной фазы. После этого клинкер выдерживают на складе 1 – 2 недели. Известно, что во время его хранения свободный оксид кальция, иногда содержащийся в материале, гасится влагой воздуха.
После выдержки на складе клинкер превращают в цемент путем помола его с природным двуводным гипсом и добавками в тонкий порошок. Гипсовый камень в количестве 1- 4% массы цемента добавляют при помоле с целью регулирования сроков схватывания цемента. Добавки вводят путем аэрозольного впрыскивания (т.к. они в основном жидкие) в помольную камеру мельницы. Готовый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее на строительные объекты.
4.2. Сухой способ производства клинкера
Принципиальная технологическая схема получения портландцемента сухим способом представлена на рис.3.
Рис.3. Принципиальная технологическая схема получения портландцемента сухим способом.
Изготовление клинкера по сухому способу технически и экономически наиболее целесообразно в тех случаях, когда исходные сырьевые материалы характеризуются низкой влажностью, а также относительной однородностью по химическому составу и физической структуре, что обеспечивает возможность получения гомогенной сырьевой муки при измельчении сухого сырья.
Измельчение материалов в мельницах может производиться при влажности сырья не более 1%. В природе сырья с такой влажностью практически нет, поэтому обязательная операция сухого способа производства – сушка. Желательно совмещать процесс сушки с размолом сырьевых компонентов. Помол осуществляют до остатка на сите 6-10% на сите № 008.
Обжигают сырьевую муку в коротких вращающихся печах с предварительной тепловой обработкой ее в циклонных теплообменниках, в которых отходящими из печей газами материал нагревается до 800 – 850 ̊ С с частичной декарбонизацией его (на 30 – 40% ) или в циклонных теплообменниках и далее в специальных реакторах, в которых температура муки повышается до 920 - 950 ̊ С, а декарбонизация
материала перед его поступлением в печь достигает 85 – 90%. Такой эффект получается за счет сжигания в реакторах дополнительного небольшого количества топлива. Тепловую обработку сырьевой муки производят также в конвейерных кальцинаторах за счет теплоты отходящих из печей газов (печи «Леполь»).Кроме того, сырьевую муку в виде гранул можно обжигать в автоматических шахтных печах. В зависимости от способа обжига сырьевой муки схемы производства несколько различаются.
Подготовка сырья и его обжиг во вращающихся печах с теплообменниками, декарбонизаторами и кальцинаторами. Добывают известняк и глину с учетом их свойств. Последующая их переработка (дробление, измельчение, смешение компонентов) определяется спецификой сухого способа производства. Добытый известняк сначала подвергают двухстадийному, а иногда одностадийному дроблению до кусков 1 – 3 см. Для этих целей на новых предприятиях часто используют передвижные механизмы, например молотковые дробилки соответствующей производительности. Полученную щебенку направляют на усредненный склад, где с помощью комплекса машин осуществляется первичная гомогенизация сырья. Добытую глины вначале также подвергают дроблению при одновременной сушке с последующей подачей полученного материала на усреднительный склад для гомогенизации. С этих складов известняк и глину направляют через автоматические дозаторы в требуемом соотношении по массе в шаровые мельницы, где осуществляется сушка и тонкий помол сырья. Для сушки в мельницы направляют дымовые газы, образующиеся во вращающихся печах при сжигании топлива. Шаровые мельницы часто работают в замкнутом цикле с сепараторами (проходными или центробежными). Из мельниц мука в виде пылегазовой смеси направляется в осадительные циклоны, а затем в горизонтальные электрофильтры, в которых выделяется твердая фаза. Иногда для оптимизации работы оборудования в линии устанавливаются охладители газов, в которых в необходимом количестве пульверизируется вода. При этом температура газов, поступающих в электрофильтры, должна держаться на уровне 120 – 140 ̊ С. В этих условиях остаточное содержание пыли в газах, выбрасываемых в атмосферу, доводится до санитарных норм.
На крупных предприятиях с производительностью одной технологической линии 3000 т клинкера в сутки устанавливают две шаровые мельницы размером 4,2 х 10м, дающие 120 -130 т/ч муки с остатком 10 – 12% на сите №008.
Возрастающие требования к экономии расхода топлива вынуждают перерабатывать по сухому способу материалы со все более высокой влажностью. С другой стороны такие материалы характеризуются пониженной плотностью и соответственно прочностью. Предварительное измельчение таких материалов целесообразно
осуществлять в мельницах самоизмельчения типа «Аэрофол», сырьевые материалы в котором измельчаются под действием падающих кусков самого материала. Эти мельницы применяются для измельчения сырья с влажностью до 20%, а по ряду данных и с большей влажностью. Сырье загружают кусками размером до 30- 50 см. В мельницу подают горячие газы, которые сушат материал до влажности 0,5 – 1%.Эти газы выносят измельченный продукт, который затем выделяется из потока в проходных сепараторах и циклонах, причем более крупные частицы возвращаются на домол. Однако полностью высушиться сырье при этом не успевает, по этому иногда устанавливают обыкновенную шаровую мельницу для домола материала и получения однородной сырьевой смеси.
Расход электроэнергии на помол материалов в бесшаровых мельницах уменьшается по сравнению с расходами на помол в трубных мельницах примерно на 25%.
Сырьевая мука, получаемая в результате помола в мельницах того или иного типа, направляется на гомогенизацию и корректирование в специальные железобетонные силосы (размер зависит от масштаба производства и однородности сырья). Чем неоднороднее сырье, тем меньше обычно вместимость отдельных силосов. Мука в них перемещается сжатым воздухом, вводимым через керамические простые плитки, укладываемые на днище силосов. Иногда вместо керамических применяют специальные металлические плитки или даже перфорированные трубы, покрытые тканью. Воздушные струи, проникающие в муку, аэрируют ее, что соправождается уменьшением насыпной плотности. Одновременно материал приобретает большую текучесть.
После гомогенизации проверяют состав сырьевой муки по содержанию оксида кальция (титр муки). Если она соответствует требуемому, то смесь направляют на обжиг. Если же выявляются отклонения, то муку из двух силосов направляют в трети в таком соотношении, чтобы получить смесь требуемого состава. После заполнения общего силоса материалы в нем тщательно перемешивают до полной однородности. Вместимость силоса принимается равной 8 – 10-кратной часовой производительности мельниц. Высота силосов в 1,5 – 2 раза больше их диаметра.
Для перемешивания применяют обычно воздух, очищенный от масла и паров воды. Силосы снабжают также устройствами для обеспыливания отработанного воздуха и удаления воздуха из готовой муки. Затем готовая сырьевая мука поступает на обжиг во вращающуюся печь с предварительной тепловой обработкой ее в циклонных теплообменниках. Полученный клинкер после охлаждения в холодильниках того или иного типа направляют на склад, а затем перерабатывают в цемент.
Как уже указывалось, сырьевую муку при сухом способе можно обжигать во вращающихся печах, работающих в сочетании с конвейерными кальцинаторами
(печи «Леполь»), а также в шахтных. В том и другом случаях муку гранулируют от 5 – 10 до 20 – 30 мм. В настоящее время для этой цели используют тарельчатые грануляторы.
Вращающиеся печи с кальцинаторами, часто работающие с пониженными коэффициентами использования по времени и плохо поддающиеся автоматизации, переводятся на работу с теплообменниками, что сокращает расходы топлива и электроэнергии и повышает производительность печей.
Обжиг в шахтных печах. Шахтные печи рассчитаны на производительность 150 – 250 т клинкера в сутки. Процесс обжига в современных печах полностью автоматизирован. В печи обжигается сырьевая мука, смешанная с топливной крупкой и подвергнутая грануляции.
При обжиге материала в шахтных печах сырьевые гранулы сначала подвергаются сушке отходящими дымовыми газами, а затем по мере перемещения их вниз в зону более высоких температур подвергается нагреванию до 400 – 500 ̊ С в них проходит дегидратация глинистых минералов. В это время начинается горение топлива (антрацита, кокса), находящегося в гранулах. Это резко повышает температуру материала, что сопровождается декарбонизацией известняка и выделением CO2.
Образовавшийся клинкер в нижней части печи интенсивно охлаждается. Затем его выгружают и направляют, как обычно, на склад и помол.
Разрабатываются также новые способы обжига сырьевых смесей, в частности в «кипящем» слое. Сущность этого способа заключается в том, что через слой мелкозернистой или гранулированной сырьевой смеси просасываются снизу вверх горячие газы, при которой гранулы находятся в непрерывном возвратно – поступательном движении (в «кипящем» состоянии). При этом происходит интенсивный теплообмен между газами с температурой 1350 – 1450 ̊ С и материалом.
Добыча и транспортирование известняка и глины, приготовление сырьевой смеси. Площадку для строительства цементного завода выбирают, как правило, вблизи месторождений (или размещения) основных исходных материалов – карбонатного и глинистого компонентов. Это делается с целью уменьшить расходы на транспорт и довести до минимума запасы, а следовательно, и емкости складов сырья на площадке завода.
4.3. Комбинированный способ производства клинкера
Наиболее перспективная технологическая схема комбинированного способа производства, базирующаяся на приготовлении сырьевой смеси мокрым способом (рис.4). Она включает две дополнительные операции. Фильтрация шлама в пресс -
фильтрах обеспечивает снижение его влажности от 40…50 до 18…22%, а агломерация коржа в грануляторах или дробилках – сушилках способствует приданию его размеров и формы, удобных для обжига. Комбинированный способ производства позволяет использовать преимущества подготовки сырьевой смеси по мокрому способу и одновременно снизить расход теплоты на обжиг. При этом почти на 30% уменьшается расход топлива и примерно на 10% - капитальные затараты по сравнению с мокрым способом, но на 15…20% повышается расход электроэнергии. Механическое удаление воды из шламов посредством фильтрации значительно усложняет технологический процесс.
Рис.4. Принципиальная технологическая схема получения портландцемента комбинированным способом.5. Выбор способа производства
Выбор способа производства является важнейшим моментам, определяющим возможность нормальной эксплуатации завода и высокие технико-экономические показатели его работы.
Основным фактором, определяющим выбор способа производства, являются физико-химические свойства сырьевых материалов. При выборе технологической схемы производства цемента необходимо заранее провести анализ исходного сырья и выбрать тот способ производства, который обеспечил бы тонкое измельчение и равномерное перемешивание компонентов с минимальными энергетическими затратами.
При мокром способе легче получить однородную (гомогенизированную) сырьевую смесь. Поэтому при значительных колебаниях химического состава известнякового и глинистого компонента он чаще применяется. Этот способ используют и тогда, когда сырьевые материалы имеют высокую влажность, мягкую структуру и легко диспергируются водой. Наличие в глине посторонних примесей, для удаления которых необходимо отмучивание, также предопределяет выбор мокрого способа. Размол сырья в присутствии воды облегчается, и на измельчение расходуется меньше энергии. Недостаток мокрого способа – значительно больший расход топлива.
Сухой способ производства целесообразен при сырье с относительно меньшей влажностью и более однородным составом. Он же практикуется в случае, если в сырьевую смесь вместо глины вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании натуральных мергелей и тощих сортов каменного угля с малым содержанием летучих, сжигаемых в шахтных печах. Расход топлива при сухом способе во вращающихся печах гораздо меньше, чем при мокром. Поэтому доля сухого способа производства все возрастает и она должна в ближайшее время значительно увеличиться.
При изготовлении сырьевой смеси по любому способу необходимо стремится к наиболее тонкому помолу, теснейшему смещению сырьевых материалов и к возможно большей однородности сырьевой смеси. Все это гарантирует однородность выпускаемого продукта и является одним из необходимых условий нормальной эксплуатации завода. Резкие колебания химического состава сырьевой смеси нарушают ход производственного процесса. Высокая тонкость помола и совершенное смешение необходимы для того, чтобы химическое взаимодействие между отдельными составными частями сырьевой смеси прошло до конца и возможно в более короткий срок.
Из данных видов производства портландцемента, нам больше подходит мокрый способ производства.
6. Подбор основного технологического оборудования и расчет материального баланса
Начинается расчет производительности основных цехов начинается с определения годового фонда рабочего времени. Справочные данные для расчета приведены в табл.6
Расчетный годовой режим работы цехов определяется по формуле:
Тгод=(Nгод- Nпр- Nвых)∙Тсут
Тгод=(365-12-100).24=6072
где Nгод-количество календарных дней в году (Nгод=365 дней)
Nпр- количество праздничных дней в году (Nпр=12 дней)
Nвых- количество выходных дней в году (Nвых=100 дней)
Тсут – суточный фонд рабочего времени (в зависимости от вида цеха)
Тгод (помола) – 6072; Тгод (сушки) – 6072;
Тгод (склад) – 4048; Тгод (прочие цеха) – 4048.
Тгод (обжига) – 8280;
Таблица 6
Основные режимы работы цехов
№
Наименование цеха
Режим работы
Суточный фонд рабочего времени,т
1
Цех помола
По прерывной рабочей неделе, в 3 смены
24
2
Цех сушки
По прерывной рабочей неделе, в 3 смены
24
3
Цех обжига
По непрерывной рабочей неделе с плановой остановкой на ремонт на 20 суток в году.
24
4
Складское хозяйство
По прерывной рабочей неделе, в 2 смены
16
5
Прочие хозяйства
По прерывной рабочей неделе, в 2 смены
16
Условно разбивают её на отдельные цеха после принятия технологической схемы производства. Условное деление на цеха начинается и заканчивается операцией транспортирования или дозирования.
В технологической цепочке каждый элементный цикл сопровождают потери, подразделяющиеся на механические и технологические.
Механические потери рассчитываются по каждому технологическому переделу, процент потерь принимается ориентировочно в пределах, указанных в табл.7.
Таблица 7
Процент механических потерь для основных технологических операций
№
Наименование технологического оборудования
Потери,%
1
Вращающиеся печи для обжига клинкера
0,5-1,5
2
Сушильные барабаны
0,5-1,0
3
Мельницы всех типов
0,3-0,6
4
Дробилки, бункеры, автотранспорт
0,1-0,2
5
Склады различного типа
0,1-0,5
6
Дозаторы, питатели, транспортеры, элеваторы
0,1-0,2
7
Остальное оборудование
0,1-0,2
Технологические потери присутствуют лишь на отдельных переделах, в данном проекте рассчитываются технологические потери при операциях сушки (влажность) и обжига (влажность шлама, потери при прокаливании –ппп). Эти потери связаны с изменением массы за счет химических реакций.
С основного оборудования начинается расчет производительности технологической линии. Производительность вычисляется по формуле:
Пгод=Пчас∙Тгод∙n∙Кисп
Пгод=110.6072.2.0,95=1269048 т/год,
где Пчас-часовая производительность основного оборудования;
n-количество единиц оборудования;
Кисп-коэффициент использования оборудования, 0,95.
Расчет производительности производят на каждой технологической операции, данные приводят в ведомости (табл.8).
Таблица 8
Ведомость оборудования
№
Наименование оборудования
Годовой фонд рабочий времени, Тгод,ч
Потребная производительность, т/ч
часовая
суточная
годовая
Известняк
1
Экскаватор
4048
277,14
4434,30
1121877,74
2
Автотранспорт
4048
276,87
4429,87
1120756,98
3
Склад
4048
276,59
4425,44
1119637,34
4
Ленточный транспортер
4048
276,04
4416,61
1117402,53
5
Щековая дробилка
4048
275,76
4412,20
1116286,24
6
Ленточный транспортер
4048
275,21
4403,39
1114058,12
7
Бункер
4048
274,94
4398,99
1112945,17
8
Дозатор
6072
182,93
4390,21
1110723,72
9
Ленточный транспортер
6072
182,56
4381,44
1108506,71
Глина
1
Экскаватор
4048
51,26
820,16
207518,80
2
Автотранспорт
4048
51,21
819,36
207311,49
3
Склад
4048
51,16
818,56
207104,38
4
Ленточный транспортер
4048
51,06
816,96
206691
5
Глиноболтушка
4048
51,01
816,16
206484,51
6
Ленточный транспортер
4048
50,91
814,56
206072,37
7
Бункер
4048
50,86
813,76
205866,5
8
Дозатор
6072
33,84
812,16
205455,59
9
Ленточный транспортер
6072
33,77
810,48
205045,5
Опока
1
Автотранспорт
4048
41,35
661,6
167378,61
2
Склад
4048
41,31
660,96
167211,40
3
Ленточный транспортер
4048
41,22
659,52
166877,64
4
Бункер
4048
41,18
658,88
166710,93
5
Дозатор
4048
41,10
657,6
166378,17
6
Молотковая дробилка
4048
41,02
640,32
166046,08
7
Ленточный транспортер
4048
40,94
655
165714,65
8
Бункер
4048
40,90
654,32
165549,10
9
Дозатор
6072
27,20
653,04
165218,66
10
Сушильный барабан
6072
27,16
651,84
164888,89
11
Мостовой грейферный кран
6072
21,11
506,64
128178,55
12
Бункер
6072
21,09
506,16
128050,50
13
Дозатор
6072
21,05
505,2
127794,91
14
Ленточный транспортер
6072
21
504
127539,83
Гипс
1
Автотранспорт
4048
15,99
255,84
64732,83
2
Склад
4048
15,98
255,68
64668,16
3
Ленточный транспортер
4048
15,94
255,1
64539,08
4
Бункер
4048
15,93
254,84
64474,60
5
Дозатор
4048
15,90
254,33
64345,91
6
Щековая дробилка
4048
15,86
253,82
64217,47
7
Ленточный транспортер
4048
15,83
253,31
64089,29
8
Бункер
4048
15,82
253,06
64025,26
9
Дозатор
6072
10,52
252,56
63897,46
10
Ленточный транспортер
6072
10,5
252
63769,92
ПАВ
1
Автотранспорт
4048
0,633
10,13
2563,57
2
Емкость для добавки
4048
0,632
10,11
2561,01
3
Смеситель
4048
0,631
10,1
2555,90
4
Ленточный транспортер
4048
0,63
10,08
2550,80
Сырьевая смесь
1
Мельница помола
6072
337,68
8104,32
2050374,96
2
Вертикальный шламбассейн
6072
336,33
8071,92
2042206,13
3
Горизонтальный шламбассейн
6072
336
8064
2040165,96
4
Дозатор
8280
246,15
5907,6
2038127,83
5
Обжиговая печь
8280
245,90
5901,6
2036091,74
6
Колосниковый холодильник
8280
131,53
3156,72
1089128,03
7
Ленточный транспортер
8280
131,27
3150,59
1086954,12
8
Бункер
8280
131,14
3147,36
1085868,25
9
Дозатор
6072
178,48
4283,52
1083700,85
10
Ленточный транспортер
6072
178,12
4274,88
1081537,77
Цемент
1
Шаровая мельница
6072
209
5016
1269048
2
Ленточный транспортер
4048
312,25
4996
1263992,03
3
Склад
4048
311,63
4986,08
1261469,09
Далее производят подбор соответствующего строительного оборудования по каталогам. Количество каждого вида оборудования определяется по формуле
N=ПчасПпотр ∙ Кисп
где Пчас-потребная часовая производительность;
Ппотр –паспортная производительность выбранного по каталогу оборудования
Кисп-коэффициент использования оборудования, который вычисляется по формуле
Кисп=ПпотрПчас
Надо стремиться к тому чтобы коэффициент использования основного оборудования был равен Кисп=0,80-0,95; вспомогательного – не ниже 0,40-0,60.
Данные расчета приводятся в табличной форме (табл.9).
Таблица 9
Ведомость оборудования
№
Наименование оборудование
Тип
Количество единиц оборудования
Основная техническая характеристика
Размеры,м
Мощность двигателя, кВт
Ппотр
Ппасп
Кисп
1
Транспортер
2
Щековая дробилка
3
Молотковая дробилка
4
Глиноболтушка
5
Колосниковый холодильник
6
Дозатор
7
Шаровая мельница
8
Мельница «Гидрофол»
9
Вращающаяся печь
10
Сушильный барабан
11
Фасовщик
12
Список используемой литературы:
А.В. Волженский «Минеральные вяжущие вещества» 1986
Л.М. Сулименко «Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе» «Высшая школа» 2000
«Строительное материаловедение» под обей редакцией профессора, доктора технических наук В.А. Невского
И.А Рыбьев «Строительное материаловедение» «Высшая школа» 2002
Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Минеральные вяжущие вещества» Е.А. Шляхова
52
