СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ | |
| 1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ | |
| 1.1 Требования к сырьевым материалам | |
| 1.2 Характеристика шлакопортландцемента | |
| 2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ | |
| 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА | |
| 3.1 Анализ способов производства портландцемента | |
| 3.2 Расчет технологической схемы производства | |
| 4. ОРГАНИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОИЗВОДСТВА | |
| 4.1 Карты контроля | |
| 4.2 Паспорт качества | |
| ЗАКЛЮЧЕНИЕ | |
| СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ |
ВВЕДЕНИЕ
Слово "цемент" относится к собирательным понятиям — он объединяет различные виды вяжущих материалов, полученных путем обжига некоторых горных пород и подвергнутых измельчению. Вяжущими их назвали за способность соединять (связывать) в единое целое как отдельные частицы мелких наполнителей, так и более крупные фрагменты.
Минеральными вяжущими материалами называют порошкообразные вещества, образующие при смешивание с водой пластичную массу, затвердевающую со временем в камневидное тело. После затвердевания вяжущее вещество скрепляет в одно целое, т.е. как бы связывает между собой, камни либо зерна сыпучих материалов — песка, гравия, щебня.
Различают органические и минеральные (неорганические) вяжущие вещества. К органическим относятся битум, деготь, полимеры. Эти вещества переходят в рабочее состояние при нагреве либо растворении в органических растворителях. Минеральные вяжущие выпускают в виде тонких высокодисперсных порошков (цемента, гипсового вяжущего). Реже применяют вяжущие в виде высоковязких жидкостей (жидкого стекла, фосфатных вяжущих). На данный момент существует несколько разновидностей минеральных вяжущих:
-Гидравлические
-Воздушные
-Кислотоупорные
-Автоклавного твердения
Каждая из этих разновидностей включает в себя ряд вяжущих веществ, отличающихся составом и свойствами.
Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками. По вещественному составу (ГОСТ 10178 - 85) различают портландцемент без добавок, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент. Свойства портландцемента определяются, прежде всего, качеством клинкера. Вводимые в него добавки предназначены для их регулирования. Портландцемент и его разновидности являются основным материалом в строительстве. Его изготовление - процесс дорогостоящий и энергоемкий, однако результат стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в качестве составляющего компонента других строительных материалов. Он позволяет возводить бетонные и железобетонные конструкции самых разнообразных зданий и сооружений. Название «портландцемент» связано с географическим названием (Портланд — полуостров на юге Великобритании).Гигантские темпы строительства в России обусловили резкий рост производства.
Современная строительная техника предъявляет к вяжущим материалам новые высокие требования. Для производства железобетонных изделий и конструкций нужен быстротвердеющий портландцемент, для строительства бетонных дорог – цемент, обладающий повышенной деформативной способностью и морозостойкостью, для декоративных целей – белые и цветные, для ремонтных работ – расширяющиеся цементы. В настоящее время в нашей стране выпускается более 30 видов цементов. Одновременно повышается и качество цемента, растет его марка.
Целью данной работы является изучение технологии производства и показателей качества шлакопортландцемента.
ОБЩАЯ ЧАСТЬ
1.1 Требования к сырьевым материалам
Промышленность строительных материалов — одна из наиболее материалоемких отраслей экономики. Ежегодно добывается и перерабатывается более 2,5 млрд. тонн сырья. Качество сырьевой базы, правильный выбор состава шихты предопределяют качество вяжущего, производительность печей, расход топлива и т. д. При всем разнообразии используемого сырья материалы могут быть сведены в несколько групп.
Карбонатные породы. Они широко распространены в природе, что способствует развитию на их основе производства цемента. Из карбонатных пород используют известняк, мел, известняк-ракушечник, мрамор, известковый туф, мергели и др. Все эти породы содержат в основном углекислый кальцит CaCO3. Известняки состоят из кристаллов кальцита различных размеров. Мел представляет собой рыхлую, слабо сцементированную породу с землистым илом. Качество карбонатного сырья зависит от его структуры, количества примесей, равномерности их распределения в массе сырья. Для производства цемента пригодны карбонатные породы при содержании 40-43,5 % CaО и 3,2-3,7 % MgO. Желательно, чтобы содержание Na2O и К2О в сумме не превышало 1 %, а SO3 – 1,5-1,7 %. Более благоприятны породы с постоянным химическим составом и однородной мелкокристаллической структурой. Полезны примеси тонкодисперсных глин и аморфного кремнезема при равномерном их распределении в карбонатной породе. Особым видом карбонатного сырья является мергель - переходная горная порода от известняков к глинам. Мергель представляет собой природную тонкодисперсную смесь осадочного происхождения глинисто-песчаных пород(20-50%) и углекислый кальция (50-80 %). В зависимости от содержания CaCO3 мергели подразделяются на песчаные, глинистые и известковые. Наиболее ценное сырье – известковый мергель, содержащий 75-80 % CaCO3 и 20-25 % глины. По химическому составу он близок к портландцементной сырьевой смеси. Такой состав сырья существенно упрощает технологию производства. Мергели, в которых содержание CaCO3 соответствует составу портландцементной сырьевой смеси, называют натуральной. От качества сырья зависят температура обжига, производительность печей и свойства конечного продукта. Чем выше плотность известняков, тем труднее идет процесс обжига. Свойства сырья влияют на выбор обжигового агрегата.
Второй основной компонент портландцементных сырьевых смесей представляют собой осадочные землистые породы, состоящие из тонких частиц размером менее 0,001 мм. Характерный признак кристаллических решеток этих минералов - слоистое строение. Внутри слоев между ионами существует прочная ионная и ковалентная связь; а между ионами пакетов - связь слабая за счет остаточных сил. Особенности строения этих пакетов обусловливают способность глинистых минералов расщепляться на тонкие частицы, самопроизвольно диспергироваться в воде, набухать, поглощая между пакетами молекулы воды.
Глинистое сырье (глины, глинистый мергель, глинистый сланец, лёсс и др.) необходимо для производства портландцемента. Глины имеют различный минералогический и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения. Минералогический состав глин представлен преимущественно водными алюмосиликатами и кварцем, химический состав глин характеризуется наличием трех оксидов, %: SiO2 — 60...80, Аl2О3 — 5...20 и Fe2O3 — 3...15. В небольших количествах в глинах могут содержаться СаО и MgO в виде карбонатов. Щелочи (Na2O и К2О), а также MgO нежелательны, и их содержание в глинах, используемых для производства портландцемента, ограничивается. В процессе обжига труднее всего вступают во взаимодействие крупнокристаллический кварцевый песок, крупные частицы полевых шпатов и слюд, В связи с этим количество крупных частиц размером более 0,2 мм не должно превышать 10%.
Глинистые породы существенно отличаются друг от друга как по структуре, так и по физическим свойствам. Основной разновидностью этих пород является глина. Это осадочная горная порода, при смешивание с водой образует пластичное тело, которое после высыхания сохраняет свою форму.
Плотность глины 1,7-2,1 т/м3, естественная влажность 10-30%. Так же в цементной промышленности наряду с глиной широкое применение получили суглинки, лессы и глинистые сланцы. Суглинки-глинистые породы, содержащие в себе большое количество кварца. Лесс- землистая малопластичная порода, сложенная из слюд каолинита, кварца, кальцита, полевых шпатов. Глинистый сланец- продукт перекристаллизации глин, твёрдая камнеподобная глинистая порода. Он в отличие от других глинистых пород в воде не распускается.
Пригодность карбонатного и глинистого компонентов сырьевой смеси определяется по химическим и физическим свойствам, и может быть выявлено только при их взаимосвязи. Поэтому при анализе сырьевой базы для приготовления цемента, необходимо иметь конкретную характеристику всех компонентов.
При особо благоприятном химическом составе сырьевых материалов портландцементная смесь требуемого состава может быть приготовлена только из двух компонентов – карбонатного и глинистого. Но в большинстве случаев получить заданную сырьевую смесь из двух компонентов почти не удается, поэтому применяют третий и даже четвертый компоненты - корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного из оксидов, недостающих в сырьевой смеси. В качестве железосодержащей добавки обычно используют пиритные огарки с сернокислотных заводов, реже – колошниковую пыль доменных печей. В качестве глиноземистой добавки применяют богатые глиноземом маложелезистые глины, бокситы. Кремнеземистой добавкой служат кварцевые пески, опоки, трепел. Содержание оксидов в корректирующих добавках должно быть, %:
• для железистых Fe2O3 – не менее 40;
• для кремнеземистых SiO2 - не менее 70;
• для глиноземистых Al2O3 - не менее 30.
Наиболее широко используются железистые добавки. Бокситы также являются корректирующей добавкой при получении портландцементного клинкера. Боксит представляет собой гидроксид алюминия с примесями
Fe2O3, SiO2, CaО, MgO и TiO2.
К активные минеральным добавкам относятся природные или искусственные минеральные вещества, которые сами по себе вяжущими свойствами не обладают, но, будучи смешанными в тонкомолотом виде с известью, образуют при затворении водой тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой, а при смешивании с портландцементом повышают его водостойкость и антикоррозионные свойства. Введение активных минеральных добавок несколько снижает себестоимость цемента.
К техногенным продуктам других отраслей промышленности наиболее широкое применение цементной промышленности нашли доменные и электротермофосфорные шлаки, топливные шлаки и золы, нефелиновый (белитовый) шлам, гипсосодержащие отходы. Использование шлаков на цементных заводах способствует решению проблемы обеспечения их сырьем на амортизационный срок. Нефелиновый (белитовый) шлам – отход комплексной переработки апатито – нефелиновых пород в глинозем, соду, поташ. Поскольку шлам прошел частичную термическую обработку, он состоит в основном из двухкальциевого силиката – минерала, входящего в состав портландцементного клинкера и способного к гидравлическому твердению. Гранулированные шлаки и нефелиновый шлам близки по составу портландцементной сырьевой шихте, поэтому могут использоваться не только как активные минеральные добавки, но и как компоненты портландцементной сырьевой смеси. Так как эти материалы уже прошли тепловую обработку, не содержат СаСО3 и включают ряд минералов, близких по составу минералам цементного клинкера, то обжиг шихт с наличием в их составе нефелинового шлама и шлака требует меньшего расхода топлива. Например, при использовании нефелинового шлама производительность вращающихся печей повышается примерно на 25 %, снижаются удельные расходы топлива на обжиг клинкера, электроэнергии и мелющих тел (приблизительно на 20 %). Но молотые шлаки и нефелиновый шлам вызывают загустение сырьевых цементных шламов. Повышенное содержание щелочей в нефелиновом шламе может снизить качество цемента.
В конечном счете выбор компонентов сырьевой смеси и их соотношение определяется заданным составом портландцементного клинкера и содержанием в исходном сырье вредных примесей. Требования по ограничению их содержания в смеси строго регламентируются. Например: содержание P2O5 не должно превышать 0,3%, TiO2-1,3%. Ограничения содержания MgO и SO3 ведётся с учётом вида используемого топлива. Нарушение норм содержания данных элементов может стать причиной возникновения напряжений в цементном камне и его разрушения.
Доменные шлаки образуются при полном расплавлении исходных компонентов шихты руды и кокса в восстановительной среде. Выход доменных шлаков составляет 40 - 60 % массы чугуна. Минералогический состав шлаков представлен в основном силикатами и алюмосиликатами кальция. Оценку гидравлической активности доменных шлаков производят при помощи коэффициента качества, определяющего по формулам:
- при содержании MgO до 10%:
K=(%CaO + %Al2O3 + %MgO)/(%SiO2 + %TiO2); - при содержании MgO более 10%:
K=(%CaO + %Al2O3 + 10)/(%SiO2 + %TiO2 + (%MgO - 10)).
В зависимости от коэффициента качества доменные гранулированные шлаки подразделяют на три сорта со значениями К соответственно 1,65; 1,45 и 1,20.
1.2 Характеристика шлакопортландцемента
Шлакопортландцемент- это разновидность портландцемента с искусственными минеральными добавками, получаемый путём совместного или раздельного с последующим тщательным смешением помола клинкера, гипса и гранулированного шлака (доменного или электротермофосфорного). Шлакопортландцемент это такое же гидравлическое вяжущие вещество, способное твердеть как на воздухе, так и в воде. В соответствии с ГОСТ 10178-85 содержание шлака в ШПЦ должно быть не менее 20 и не более 80%, причём часть шлака (до 10 % массы цемента) может быть заменена другой минеральной добавкой. Гипс в шлакопортландцементе служит не только регулятором сроков схватывания, но и активатором твердения. Замедляя схватывание клинкера, он в то же время ускоряет твердение шлака. Повышение дозировки гипса обеспечивает рост прочности шлакопортландцемента. Содержание SO3 должно быть не менее 1% и не более 4%. Клинкер на заводе целесообразнее изготавливать с применением в качестве глинистого компонента гранулированного шлака. При этом схожесть состава доменного шлака и портландцемента позволяет получать смесь надлежащего качества при небольших добавках известняка. Это уменьшает количество топлива требуемое на диссоциацию карбоната кальция и в дальнейшем на обжиг цемента. Сырьевую смесь готовят тонким измельчением известняка и шлака. Для получения клинкера можно применять медленно охлаждённые доменные шлаки, но их дробление и помол требуют больших затрат энергии поэтому предпочтительней и экономичней использовать гранулированные шлаки. Перед изготовлением ШПЦ, шлаки сушат в сушильных барабанах, в них он нагревается до 600-7000 С, но не выше, потому что иначе он может расстекловываться, что вызывает уменьшение его гидравлической активности. Уже высушенный шлак, портландцементный клинкер и гипс дозируют и отправляют на помол. Для облегчения помола можно вводить специальные добавки в количестве до 1 % массы цемента. Измельчают шлакопортландцемнт до остатка на сите №008 менее 15%. Помол его можно осуществлять в одну или две стадии. При одностадийном помоле шлак, клинкер и гипс одновременно загружают в мельницу, а при двухстадийном вначале измельчают клинкер с гипсом, а затем в мельницу вводят шлак.В остальном производство и оборудование применяемой на них, подобны тем, что используются на заводах портландцемента. Шлакопортландцемент выпускают трех марок: М300, М400 и М500, а также быстротвердеющий шлакопортландцемент марки М400.
Процессы твердения ШПЦ более сложные, чем у ПЦ потому что в реакции участвуют оба компонента клинкер и шлак (гранулированный или электротермофосфорный).В качестве ускорителей твердения ШПЦ применяют СaCl2, Ca(NO3)2, BaCl2 и другие соли, повышающие скорость его твердения при нормальных и при пониженных температурах без выполнения специальных мероприятий(введения добавок, утепления поверхностей твердеющего бетона и т.д) не рекомендуется.
При производстве быстротвердеющего ШПЦ применяют клинкер с повышенным содержанием С3S (выше 60%) при содержании С3А 8-10%. Причём сумма С3S + С3А cоставляет 68-75%, содержание шлака в быстротвердеющем ШПЦ колеблется от 30 до 50%. Тонкость помола такого цемента составляет 7-10% остатка на сите №008, для чего помол в основном осуществляют в сепараторных мельницах.
Шлакопортландцемент в возрасте 28-60 суток твердеет медленнее, чем портландцемент. Однако в дальнейшем скорость твердения повышается, и к 6-12 месяцам прочность шлакопортландцемента приближается к прочности портландцемента иногда даже превышая её, это происходит в результате постепенной гидратации шлака, а также прочного сцепления образующихся кристаллогидратов с негидратированными зёрнами шлака и клинкера.
Данный цемент используют для бетонных конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных атмосферных и водных сред. Он широко применяется для изготовления сборного железобетона, имеющего гидротермальную обработку, на нем приготавливают также кладочные и штукатурные растворы. Материал имеет большую влагостойкость и устойчивость к сульфатной коррозии, но меньшую морозостойкость и более быструю, чем у портландцемента, потерю прочности при хранении. Применение шлака в качестве добавки при производстве шлакопортландцемента значительно снижает его себестоимость. Ежегодно выпускается больше 30 млн.т шлакопортландцемента, что составляет 23-25% от общего выпуска цемента в России.
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Клинкер – главный компонент цемента, получаемый в результате обжига до спекания сырьевой смеси, состоящей из природных горных пород – карбонатных (70-85%) и глинистых (20-25%) – и обеспечивающей в клинкере преобладание высокоосновных силикатов кальция.
Состав цементного клинкера характеризуется:
-химическим составом клинкера;
-химико-минералогическим составом клинкера.
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.
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; если кроме КН задаются еще величиной одного из модулей, то сырьевая должна состоять из трех компонентов и т.д. Т. е. из задания на данный курсовой проект следует, что сырьевая смесь будет состоять из 2-х компонентов (т. к. задан только коэффициент насыщения КН=0,88).
Химический состав исходных сырьевых материалов приведен в таблице 1.
Таблица 1 – Химический состав исходных сырьевых материалов
| Компонент | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | П.П.П. | Сумма |
| Известняк | 1,89 | 0,79 | 0,36 | 53,67 | 0,50 | 0,61 | 42,04 | 99,86 |
| Глина | 53,18 | 15,22 | 7,45 | 5,60 | 2,40 | 0,70 | 13,64 | 98,19 |
Для удобства расчетов и возможности контроля правильности вычислений химический состав сырьевых материалов, указанный в задание на курсовое проектирование в соответствии с районом проектирования завода, приводят к сумме, равной 100 %. Для этого умножают содержание каждого окисла на коэффициент k, определяемый путем деления 100 на сумму всех окислов.
| k1= | 100 / | =1,0014 | k2= | 100 / | =1,01843 | ||||
| 99,86 | 98,19 | ||||||||
Производим пересчет исходных материалов на 100 %. Данные пересчета приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Данные пересчета исходных материалов на 100%
| Компонент | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | П.П.П. | Сумма |
| Известняк | 1,89 | 0,79 | 0,36 | 53,75 | 0,50 | 0,61 | 42,10 | |
| Глина | 54,16 | 15,50 | 7,60 | 5,70 | 2,44 | 0,71 | 13,89 |
Определяем соотношение между двумя сырьевыми компонентами, задаваясь величиной коэффициента насыщения, указанной в задании КН=0,88.
Таким образом, на 1 весовую часть глины приходится 3,27 весовых частей известняка. Сырьевая смесь будет состоять из 4,27 весовых частей, при этом 76,58% будет 1-го компонента – известняка и 23,42% 2-го компонента – глины.
Рассчитываем химический состав сырьевой смеси и клинкера. Для пересчета химического состава клинкера необходимо учесть происходящее при обжиге выгорание органических примесей (ппп). Состав клинкера определяем путем пересчета состава сырьевой смеси на прокаленное вещество. Для удобства вычисления состава клинкера рекомендуется умножить количество каждого окисла на коэффициент α: Рассчитываем химический состав сырьевой смеси и клинкера. Состав клинкера вещество. В клинкере отсутствует потеря при прокаливании, для расчетов каждый оксид сырьевой смеси умножается на коэффициент пересчета.
Результаты заносят в таблицу 3.
Таблица 3 – Химический состав сырьевой смеси и клинкера, %
| Компоненты | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | П.П.П. | Сумма |
| Известняк | 1,44 | 0,60 | 0,27 | 41,15 | 0,38 | 0,46 | 32,23 | 76,58 |
| Глина | 12,68 | 3,63 | 1,77 | 1,33 | 0,57 | 0,16 | 3,25 | 23,42 |
| Состав сырьевой смеси | 14,13 | 4,23 | 2,05 | 42,49 | 0,95 | 0,63 | 35,49 | |
| Состав клинкера | 21,91 | 6,56 | 3,18 | 65,87 | 1,48 | 0,98 | - |
КН – показатель, характеризующий неполную насыщенность кремнезема оксидом кальция в процессе клинкерообразования. Коэффициент насыщения КН колеблется в пределах 0,80 – 0,95.
Силикатный модуль представляет собой отношение процентного содержания в клинкере оксида кремния к сумме процентного содержания оксидов алюминия и железа. Силикатный (кремнеземный) модуль в пределах n – 1,7 – 3,5.
Глиноземный модуль показывает процентное отношение содержания глинозема к содержанию оксида железа. Глиноземный модуль (алюминатный) составляет р – 1,0 – 3,0.
Для подтверждения правильности выполненных расчетов определяем величину КН, n и p модулей:
Совпадение величины КН с заданной и величин n и р с допустимым пределом, подтверждает правильность расчетов.
По полученным значениям основных оксидов клинкера рассчитываем примерный минералогический состав клинкера. Производим пересчет химического состава клинкера при условии, что сумма C+A+F+S=100%.
Найдем пересчетный коэффициент по формуле:
Получаем:
CaO = 65,87∙ 1,0252 = 67,52
Al2O3 =6,56 ∙ 1,0252 = 6,81
SiO2 = 21,91 ∙ 1,0252 =22,46
Fe2O3 = 3,18∙ 1,0252 = 3,26
Определяем содержание минералов в клинкере, %:
C3S=4,07C-7,6S-6,72A-1,42F=4,07·67,52-7,6·22,46-6,72·6,81-1,42·3,26=53,73
C2S=8,6S+5,07A+1,07F-3,07C=8,6·22,46+5,07·6,81+1,07·3,26-3,07·67,52=23,87
C3A=2,65A-1,70F=2,65·6,81-1,70·3,26=12,5
C4AF=3,04F=3,04·3,26=9,9
Количество жидкой фазы, образующейся при обжиге клинкера:
L=1,12C3A+1,35C4AF+MgO+SO3=1,12∙12,5+1,35∙9,9+1,48+0,98=29,76%
Вывод: в клинкере содержание минералов составляет 95-97% в данном случае 99,9, содержание C3S составляет 53,73 данный цемент может быть марки 400.
3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА
3.1 Анализ способов производства портландцемента
Процесс производства портландцемента складывается в основном из следующих основных операций: добычи сырьевых материалов; приготовления сырьевой смеси, состоящей из дробления, помола и усреднения ее состава; обжига сырьевой смеси (получение клинкера); помола клинкера в тонкий порошок.
В зависимости от вида подготовки сырья к обжигу различают мокрый, сухой и комбинированный способы производств портландцементного клинкера. При мокром способе производства измельчение сырьевых материалов, их перемешивание, усреднение и корректирование сырьевом смеси осуществляются в присутствии определенного количества воды, а при сухом способе все перечисленные операции выполняются с сухими материалами.
При комбинированном способе сырьевую смесь приготовляют по мокрому способу, затем ее максимально обезвоживают (фильтруют) на специальных установках и в виде полусухой массы обжигают в печи. Каждый из перечисленных способов имеет свои достоинства и недостатки.
Способ производства портландцемента выбирают в зависимости от технологических и технико-экономических факторов: свойств сырья, его однородности и влажности, наличия достаточной топливной базы и др.
При мокром способе производства тонкое измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде водной суспензии – шлама влажностью 30-50%. При сухом способе шихту готовят в виде тонкоизмельченного сухого порошка, поэтому перед помолом или в процессе его сырьевые материалы высушивают. Комбинированный способ производства может базироваться как на мокром, так и на сухом способе приготовления шихты. В первом случае сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, а затем обезвоживают на фильтрах до влажности 16-18% и подают на обжиг в печи в виде полусухой массы. Во втором случае сырьевую смесь готовят по сухому способу, а затем гранулируют с добавкой 10-14% воды и подают на обжиг в виде гранул. Каждый способ может быть реализован в виде нескольких технологических схем, отличающихся как последовательностью операций, так и видом используемого оборудования. Выбор конкретного варианта определяется свойствами перерабатываемого сырья (твердостью, однородностью, влажностью). При этом необходимо стремиться к получению продукции высокого качества с минимальными затратами сырьевых, энергетических и трудовых затрат.
Мокрый способ производства. При мокром способе производства сырьевые материалы измельчают и сырьевую смесь смешивают с водой. Получаемая сметанообразная масса — сырьевой шлам — содержит 32—45% воды.
В зависимости от физических свойств исходных сырьевых материалов и других факторов при получении портландцемента по мокрому способу применяют разные схемы производства, отличающиеся одна от другой способом приготовления сырьевой смеси.
На цементных заводах, работающих по мокрому способу, в качестве сырьевых материалов для производства портландцементного клинкера часто используют мягкий глинистый и твердый известняковый компоненты. В этом случае технологическая схема производства цемента, в которой приведены основные технологические переделы без указания дозировочных и транспортных устройств и другого вспомогательного оборудования, выглядит иначе.
Начальная технологическая операция получения клинкера — измельчение сырьевых материалов. При использовании в качестве известкового компонента мела его измельчают в болтушках или в мельнице самоизмельчения. Если применяют твердый известняк, то его дробят в одну-две стадии в щековых дробилках. Глиняный шлам, полученный в болтушках или других агрегатах, направляют в сырьевую мельницу, куда подается для измельчения и известняк. В мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Чтобы получить сырьевой шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах или в потоке.
Выходящий из мельниц сырьевой шлам в виде сметанообразной массы насосами подают в расходный бачок в печной цех на обжиг. Из бачка шлам равномерно сливается во вращающуюся печь. При мокром способе производства для обжига клинкера используют длинные вращающиеся печи со встроенными теплообменными устройствами. Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается холодным воздухом. Охлажденный клинкер отправляют на склад. В ряде случаев клинкер из холодильников направляют непосредственно на помол в цементные мельницы. Перед помолом клинкер дробят. Дробление клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками.
Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа (цементные силосы). Отгружают цемент потребителю либо в таре (бумажных мешках по 50 кг), либо навалом в автоцементовозах или в специальных железнодорожных вагонах.
Сухой способ производства. Последовательность технологических операций при сухом способе производства такая же, как и при мокром, однако на стадии подготовки сырьевых смесей имеются существенные отличия.
При сухом способе производства портландцемента выбор схемы зависит от физических и химических свойств сырья.
Схема производства портландцемента по сухому способу во вращающихся печах при использовании в качестве сырья известняка и глины складывается из следующих операций.
После выхода из дробилки известняк и глину высушивают до влажности примерно 1%, после чего измельчают в сырьевую муку. Помол и сушку сырьевой смеси целесообразно вести одновременно в одном аппарате — сепараторной мельнице. Этот способ более эффективен и применяется на большинстве новых заводов, работающих по сухому способу.
Сырьевую муку заданного химического состава получают путем дозирования сырьевых компонентов в мельницу с последующим усреднением и корректированием сырьевой шихты в специальных смесительных силосах, куда дополнительно подается сырьевая мука с заведомо низким или высоким титром (содержанием СаСОз).
Затем подготовленная сырьевая смесь поступает в систему циклонных теплообменников, состоящую из нескольких ступеней циклонов. Время пребывания смеси в циклонных теплообменниках не превышает 25—30 с. Из циклонов материал подается в печь, откуда клинкер пересыпается в холодильник. После охлаждения клинкер направляется на склад. Другие технологические операции при сухом способе производства — подготовка гидравлических добавок и гипса, помол цемента, его хранение и отправка потребителю — такие же, как и при мокром способе.
Комбинированный способ производства. При комбинированном способе производства сырьевая смесь в виде шлама, полученного по мокрому способу производства, подвергается обезвоживанию и грануляции, а затем обжигается в печах, работающих по сухому способу.
Основные технологические операции и последовательность их выполнения при комбинированном способе производства портландцемента следующие.
Выходящий из сырьевой мельницы шлам влажностью 35—40% после его корректирования поступает в вакуум-фильтр или пресс-фильтр, где он обезвоживается до влажности 16—20%. Образующийся при этом «сухарь» смешивается затем с пылью, уловленной электрофильтрами из дымовых газов печи; добавка пыли предотвращает слипание кусков «сухаря» и приводит к уменьшению влажности смеси до 12—14%. Приготовленная таким образом смесь поступает на обжиг, который осуществляется во вращающихся печах.
Все остальные операции производства портландцемента по комбинированному способу не отличаются от соответствующих операций при мокром способе производства.
При производстве портландцемента мокрым способом применяют следующую технологическую схему. Поступающий из карьера твердый известняк с размерами кусков до 1 м подвергается одно-, двух- или трехстадийному дроблению в дробилках с доведением кусков до 8–10 мм. Поступающую из карьера мягкую глину с размерами кусков до 500 мм измельчают в вальцовых дробилках до кусков размером 0–100 мм, а затем отмучивают в болтушках. Получаемый глиняный шлам с влажностью 60–70% подают в сырьевую мельницу, где он размалывается совместно с раздробленным известняком.
Полученный шлам, влажность которого находится в пределах 32–40%, центробежными насосами транспортируется в вертикальные шламовые бассейны, где он корректируется. Это необходимо для того, чтобы обеспечить постоянство заданного заводской лабораторией химического состава шлама. Откорректированный шлам поступает из вертикальных бассейнов в горизонтальные, где и хранится до подачи в печь для обжига. В вертикальных бассейнах шлам перемешивается сжатым воздухом, а в горизонтальных – механическим путем и сжатым воздухом. Перемешивание предотвращает возможность осаждения шлама и позволяет достичь полной его гомогенизации. При использовании сырьевых компонентов, имеющих постоянный химический состав, корректирование шлама производят не в вертикальных, а непосредственно в горизонтальных бассейнах большой емкости. Обжиг шлама на клинкер осуществляется во вращающихся печах, при сухом способе иногда используют шахтные печи. Они представляют собой стальной барабан, который состоит из обечаек, соединенных методом сварки или клепки, и имеет внутреннюю футеровку из огнеупорного материала. Профиль печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным с расширенными зонами. Расширение определенной зоны производят для увеличения продолжительности пребывания в ней обжигаемого материала.
Печь, установленная под углом 3…5 к горизонту, имеет частоту вращения
0,5…1,5 мин-1. Длина печи при мокром способе производства составляет 150185 м и более, а при сухом 75-100.Вращающиеся печи в основном работают по принципу противотока. Вращающуюся печь можно разделить на 5 рабо-
чих зон:
Зона испарения – Сырье поступает впечь с верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливно-воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20…30 м длины печи. Горячие газы, перемещаясь со скоростью 2…13 м/с навстречу материалу, сначала подогревают его до 100 °С, а в конце он приобретает температуру 200°С. В начале шлам разжижается и лишь к концу зоны загустевает. Длительность пребывания материала в печи зависит от ее частоты вращения и угла наклона, составляя, например, в печи размером 5 * 185 м около 2 ч.
Зона подогрева – здесь материал нагревается до температуры 200°С600°С. На этом этапе выгорают органические примеси и начинаются реакции. Происходит дегидратация и распад глинистых минералов, образование оксидов алюминия, кремния и железа, начинается частичное разложение карбонатов с образованием СаО и МgО. Печи оснащены цепными завесами, за счёт чего материал налипает на звенья, подсыхает и распадается на гранулы.
Зона кальцинирования – здесь протекает реакция разложения карбоната Са при температуре 900°С -1200°С.
СаО→ СаО+СО2↑
Эта зона печи требует наибольшего количества тепла. Обусловлено это тем что разложение карбоната кальция является эндотермической реакцией, идущей с большим поглощением тепла, примерно: 1780 кДж на 1 кг CaCO3.
Мощные вентиляторы удаляют СО2↑ из зоны обжига. На этом этапе раствором алюмината связывает всё большее количество СaO и образуется двух кальциевый алюминат(C2A) и фирит кальция.
Зона экзотермических реакций- здесь реакции образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция являются экзотермическими и поэтому их образование сопровождается значительным выделением тепла, что приводит к интенсивному повышению температуры материала(150-200°С). Соответстве