Производство портландцемента

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.