Лекція 1.5. Технологія виробництва портландцементу

Сировина. При виробництві портландцементу застосовують різні сировинні матеріали, одні з яких йдуть безпосередньо на виробництво клінкеру, а інші - у вигляді добавок при його подрібненні (гіпс та мінеральні добавки).

Сировина для виробництва клінкеру:

- карбонатні гірські породи з високим вмістом вуглекислого кальцію;

- глинясті породи з вмістом кремнезему, глинозему та оксиду заліза.

В середньому, на виготовлення 1 т цементу потрібно 1,6 т вихідної сировини.

Карбонатні породи - вапняки, крейда та мергелі. Мергелі - природна суміш дрібних частинок вуглекислого кальцію та глинястих мінералів і тому являються дуже цінними матеріалами для виробництва портландцементу.

Глини являють собою тонкодисперсні осадові гірські породи, які легко перетворюються в суспензію, коли їх розвести водою. За хімічним складом глини представлені у вигляді водних алюмосилікатів та кварцового піску, кремнезем - 70-80 %, глинозем - 3-10 %, оксид заліза - 3-6 % та невеликої кількості карбонатів кальцію та магнію. В цементному виробництві також використовуються глинясті сланці та льоси.

Нефеліновий шлам отримують у вигляді відходів виробництва глинозему. Він містить 25-30 % SiO2, 2-5 % Al2O3, 3-5 % Fe2O3 50-58 % СaO та 3-8 % інших оксидів, в тому числі лугів 1,5-3 %. При такому вмісті окису кальцію до цього матеріалу достатньо добавити лише 15-20 % вапняку для отримання сировинної суміші, що використовується при виробництві портландцементу. Застосування нефелінового шламу також підвищує продуктивність печей на 15-20 % та зменшує витрату палива на 25 %.

Цінними також є доменні шлаки, що містять 40-50 % оксиду кальцію.

Оскільки не завжди вдається отримати клінкер необхідного хімічного та мінералогічного складу, змінюючи лише співвідношення між двома вихідними компонентами - вапняком та глиною, то застосовують корегуючі добавки, що вміщують значну кількість якого-небудь недостаючого оксиду клінкеру.

Для випалювання сировинних матеріалів в цементному виробництві застосовують тверде, рідке та газоподібне паливо. Вартість палива складає близько 40 % собівартості клінкеру та до 25 % собівартості готового цементу.

Як тверде паливо використовується кам'яне вугілля, коксовий дрібняк, напівантрацит, буре вугілля, горючі сланці. Питома теплота згорання твердого палива повинна бути в межах 34-41 МДж/кг. При використанні твердого палива на заводі будується вуглепідготовче відділення, де виконується сушіння і помел вугілля. Вартість такого відділення становить 15-20 % вартості всього цементного заводу.

Рідке паливо - мазут. Питома теплота згорання - 40-45 МДж/кг. Перед згоранням мазут підігрівають до температури 60-900С і подають під тиском 2-2,5 МПа через спеціальні форсунки. Витрат мазуту при випалюванні на 7-10 % вища ніж на твердому паливі. Зберігають в металевих резервуарах 1000-5000м3.

Газоподібне паливо - природний газ, суміш його з газом підземної газифікації вугілля, а також коксовий газ. Близько 60 % заводів працюють на газоподібному паливі. Питома теплота згорання природного газу становить 35-40 МДж. Температура факела газу на 70-1500С нижча ніж температура пиловугільного мазуту і витрата відповідно більша на 6-9%, ніж при використанні мазуту. Однак газ є найбільш технологічним серед усіх видів палива, оскільки вимагає найменших капітальних затрат і з газом у клінкер не вносяться побічні домішки та поліпшуються умови праці.

Виробництво цементу складається з двох технологічних операцій, до яких входять:

Видобування і транспортування сировини, її подрібнення і приготування шихти, випалювання шихти до отримання клінкеру.

Сушіння добавок і помел клінкеру з гіпсом і добавками (може проводитись на іншому підприємстві).

Допустимі коливання у вмісті окремих компонентів становить 0,1-0,2 %. При використанні природної, часто неоднорідної сировини такої точності можна досягнути лише при дуже ретельному перемішуванні високодисперсних компонентів.

Тому в цементній промисловості існують два основних способи виробництва - мокрий і сухий.

Мокрий спосіб.При мокрому способі виробництва сировину подрібнюють, додають 36-42 % води, усереднюють і добутий шлам випалюють в довгих обертових печах.

Сухий спосіб.При сухому способі сировину спочатку піддають попередньому висушуванню і потім подрібнюють. Сировинне борошно з вологістю 3,5-5 % перемішують і випалюють в коротких обертових печах з циклонними теплообмінниками.

На вибір технології впливають: склад і властивості сировини (вологість, однорідність, твердість, здатність диспергуватися в воді.

Може бути напівсухий спосіб виробництва - підготовку сировини проводять по мокрому способу, а потім, перед випалюванням, шлам зневоднюють.

Останнім часом все більше переваги віддається сухому способу - витрата тепла в них становить 3100-4000 кДж/кг клінкеру, а в довгих печах, що працюють за мокрим способом - 5300-6500 кДж/кг, відхідні пічні гази при сухому способі мають низьку вологість і можуть використовуватись для підсушування сировини. Окрім того, скорочується витрата прісної води, що в останні роки набуває важливого значення.

Хоча запиленість відпрацьованих газів вища при сухому способі, але їх кількість менша на 35-40 %, а отже витрати на обезпилювання приблизно однакові. В найближчому майбутньому буде розвиватися сухий спосіб виробництва цементу, що знижує витрату пального на 30-40 %, а металоємкість агрегатів у 2,5-3 рази.

Випалювання.Випалювання сировинної суміші - найважливіший технологічний процес. Під час випалювання відбуваються фізичні і фізико-хімічні перетворення шихти і утворюються зерна, що спеклися, розміром 2-3 см, мінералогічний склад яких різко відрізняється від складу вихідної сировини.

Схематично процес клінкероутворення полягає у взаємодії основного СаО та кислих оксидів Al2O3, Fe2O3, SiO2. Цій взаємодії, що частково здійснюється у твердій фазі і остаточно завершується при наявності розплаву, передує підготовчий період, під час якого випаровується адсорбційна вода, відбуваються перетворення та розщеплення окремих складових сировинної суміші.

Тільки в початковий період є різниця між змінами фізичних властивостей суміші, виготовлених за мокрим і за сухим способами. Проте після випаровування води із шламу в обох випадках відбуваються одні і ті ж процеси.

В довгих обертових печах і підготовчий період, і процес клінкероутворення відбуваються в одному агрегаті. У печах із зовнішніми теплообмінними пристроями (циклонами і шахтно-циклонними теплообмінниками, конвеєрними кальцинаторами) у короткій печі відбуваються реакції декарбонізації і клінкероутворення, а підготовчий період здійснюється в теплообмінних пристроях.

Довгу обертову піч (мокрий спосіб) можна умовно розділити на шість зон.

Перша зона (1/3 довжини) - зона підсушування. Тут із шламу видаляється вода і шлам гранулюється.

Далі - зона підігрівання, такої самої довжини. В цій зоні в основному відбуваються хімічні перетворення компонентів, втрата кристалізаційної води, вигорання органічних домішок. В кінці зони матеріал має 800-8500С.

У зоні кальцинування, що займає близько 20 % довжини печі температура піднімається до 11000С і тут практично завершується процес розкладання карбонатів, які починають дисоціювати вже в попередній зоні. Зона кальцинування є термічно найбільш напруженою, оскільки на розкладання 1 кг СаСО3 витрачається 1740 кДж теплоти.

За зоною кальцинування спостерігається коротка зона екзотермічних реакцій, що займає 5-7 % довжини печі. У цій зоні завершуються твердофазові реакції, що розпочалися в попередніх зонах. В кінці зони матеріал складається з C2S, C3A та C4AF та вільного вапна. Тут утворюється також невелика кількість C3S. В кінці зони з'являється рідка фаза, температура підвищується до 13000С. В зоні екзотермічних реакцій відбувається швидке підвищення температури матеріалу, оскільки на 1 кг клінкеру виділяється 4187 кДж теплоти. Тому різко підвищується світловипромінювання матеріалу і на межі із зоною кальцинування виникає світловий контраст, що дає змогу встановити розміщення зони екзотермічних реакцій у печі.

Зона спікання займає до 10-15 % довжини печі. У цій зоні температура підвищується від 1300 до 14500С, а потім знижується до 13000С. У цій зоні в розплав переходять алюмінати і алюмоферити, а також усі легкоплавкі домішки, а в твердому стані залишаються С2S та СаО, а також кристали C3S, що утворились на стадії твердофазового спікання. Кількість рідкої фази становить 15-30 %. У цій зоні утворюється основна маса аліту.

Рідкофазове спікання клінкеру можна умовно розділити на такі стадії:

а) стадія сполучення і перегрупування;

б) стадія розчинення і кристалізації;

в) стадія охолодження.

На стадії сполучення і перегрупування частки матеріалу, що випалюються, вступають у довільні контактні взаємодії і сполучаються одна з одною за рахунок досить високого поверхневого натягу розплаву. Від цієї стадії процесу залежить гранулометричний склад клінкеру. Оксиди, що сприяють зниженню поверхневого натягу (SO3 K2O Na2O Cr2O3), негативно впливають на агрегування та утворення обмазки в печі.

На стадії розчинення і кристалізації відбувається розчинення оксиду кальцію С2S у розплаві, їх взаємодія з утворенням С3S, а потім кристалізація аліту.

Останньою зоною в печі є зона охолодження, що займає 2-4 % довжини печі. На цій стадії, що є заключною стадією випалювання, відбувається фіксування в клінкері гідравлічно активних модифікацій клінкерних мінералів. Із розплаву першими викристалізовуються С3S і С2S, а алюмінати та алюмоферити, як більш легкоплавкі, кристалізуються при нижчій температурі. Режим охолодження впливає на структуру клінкеру, характер кристалізації і форму клінкерних мінералів, а також на склад скловидної фази. В ній температура знижується до 1100-10000С. Відбувається кристалізація розплаву, виділяються С3А, С4AF, MgO, частина розплаву, що не встигла закристалізуватись, застигає у вигляді скла.

Помел клінкеру.Для добування портландцементу клінкер піддають помелу сумісно з гіпсовим каменем (3-5 %) і гідравлічними або інертними добавки, які перед помолом висушують. Помел клінкеру є важливим технологічним процесом, одним із найбільш енергомістких у цементному виробництві.

Саме помел, звільнюючи поверхні, необхідні для гідратації клінкеру, надає кінцевому продукту здатності реагувати з водою, яка забезпечує активність і інтенсивність наростання міцності. Багато властивостей цементу залежать на тільки від фазового і хімічного складу клінкеру, а й від тонкості помелу.

Тонкість помелу портландцементу характеризується залишком на ситах з розміром 0,08 мм а іноді -0,06 мм. Точнішою є характеристика тонкості помелу за питомою поверхнею. Для цього використовується метод фільтрування повітря крізь шар спресованого порошку. Сучасні рядові цементи характеризуються питомою поверхнею близько 2800-3000 см2/г при залишку на ситі 0,08 мм (5-8 %). Швидкотвердні цементи мають більш питому поверхню - 3500 - 4500 (ПСХ і Блейн). Однак, коли питома поверхня досягає 7000 см2/г, спостерігається зниження міцності, що пояснюється вищою водопотребою тонкоподрібненого цементу.

Окрім питомої поверхні, на властивості цементу впливають гранулометричний склад порошку, умови подрібнення та форма зерен. Так, цементи з однаковою питомою поверхнею, але отримані в різних помельних установках показують різні властивості - це пояснюється різною формою зерен, що утворилися. При помелі у різних фракціях клінкеру вміст різних мінералів не однаковий. У дрібній фракції - менше 20 мкм звичайно більше С3S і С3A, а крупніші фракції збагачуються С2S та C4AF. Найбільшою мірою на міцність цементу впливає фракція 5-30 мкм. У звичайних цементах її вміст має становити 40-50 %, а у високоміцних і швидкотверднучих - до 70 %.

Фракція менше 5 мкм виявляє вирішальний вплив лише на міцність цементу в першу добу тверднення, а підвищення її кількості до 20-25 % призводить до переведення цементу в розряд особливо швидкотверднучих. Фракція 5-10 мкм впливає на міцність у три та семидобовому віці, а фракція 10-30 мкм - у місячному віці і вище. Фракції цементу понад 60 мкм практично є баластом.

Для помелу клінкеру з добавками та гіпсом застосовують попереднє подрібнення клінкеру до кусків 8-10 мм. Подрібнення виконується в трубних млинах 3,2х15 м, або 4х13,5 м і 4,5х16 м. Існують технологічні схеми помелу в два етапи - грубий та тонкий помел. На останніх стадіях подрібнення у млині розвивається температура до 150-1600С, внаслідок чого продуктивність різко падає. Окрім того, висока температура в млині сприяє пертворенню гіпсу на напівгідрат, що далі негативно впливає на процес тужавлення цементу. Такий цемент може заарктеризуватись терміном „хибного” тужавлення. З метою зниження температури та поліпшення умов помелу в останню камеру млина впорскують розпилену повітряно-водяну суміш, що підвищує його потужність на 10-18 %. Кількість води не повинна перевищувати 1,5 % від маси цементу. При помелі клінкеру до питомої поверхні 3500-4000 см2/г спостерігається агрегування частинок, чого можна уникнути при застосуванні ПАР.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Лекція 1.4. Портландцемент	\|	Тверднення портландцементу

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.015 сек.