Материал: Технология производства цемента

Из болтушки глиняный шлам перекачивают в мельницу, где измельчается известняк. Совместное измельчение двух компонентов позволяет получать более однородный сырьевой шлам [4].

В сырьевую мельницу известняк и глиняный шлам подают в строго определенном соотношении, соответствующем химическому составу клинкера. Однако даже при самой тщательной дозировке не удается получить из мельницы шлам необходимого химического состава. Причиной этого в основном служат колебания характеристики сырья в пределах месторождения [1].

Чтобы получить шлам строго заданного химического состава, его корректируют в специальных бассейнах. Для этого в одной или нескольких мельницах приготовляют шлам с заведомо низким или заведомо высоким титром (содержанием углекислого кальция СаСО3), и этот шлам в определенной пропорции добавляют в корректирующий шламовый бассейн.

Приготовленный таким образом шлам, представляющий собой сметанообразную массу с содержанием воды до 40%, насосами подают в расходный бачок печи, откуда равномерно сливают в печь [1].

Для обжига клинкера при мокром способе производства применяют только вращающиеся печи. Они представляют собой стальной барабан длиной до 150 - 185 м и диаметром 3,6 - 5 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом; производительность таких печей достигает 1000 - 2000 т клинкера в сутки [2].

Барабан печи устанавливают с наклоном в 3 - 4 градуса. Шлам загружают со стороны поднятого конца печи, а топливо в виде угольной пыли, газа или мазута вдувают в печь с противоположной стороны. В результате вращения наклонного барабана находящиеся в нем материалы непрерывно продвигаются к опущенному концу.

В области горения топлива развивается наиболее высокая температура до 1500 °С, что необходимо для взаимодействия окиси кальция, образовавшейся при разложении СаСО3, с окислами глины и получения клинкера [2].

Дымовые газы движутся вдоль всего барабана печи навстречу обжигаемому материалу. Встречая на пути холодные материалы, дымовые газы подогревают их, а сами охлаждаются. В результате, начиная от зоны обжига, температура вдоль печи снижается с 1500 до 150 - 200 °С.

Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом. Охлажденный клинкер отправляют на склад для магазинирования. Магазинирование это вылеживание (до 2 - 3 недель) с целью гашения свободной извести в клинкере влагой из воздуха и предупреждения этим неравномерности изменения объема цемента при его твердении [3].

Высоко организованный технологический процесс получения клинкера обеспечивает минимальное содержание свободной CaO в клинкере (менее 1%) и исключает этим необходимость его магазинирования. В этом случае клинкер из холодильника направляют непосредственно на помол.

Перед помолом клинкер дробят до зерен размером 8 - 10 мм, чтобы облегчить работу мельниц [3].

Измельчение клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками, если последние применяются. Совместный помол обеспечивает тщательное перемешивание между собой всех материалов, а высокая однородность цемента является важным фактором его качества [3].

Гидравлические добавки, будучи материалами сильно пористыми, имеют, как правило, высокую влажность (до 20 - 30% и более). Поэтому перед помолом их высушивают до влажности примерно 1%, предварительно раздробив до зерен крупностью 8 - 10 мм. Гипс только дробят, так как его вводят в незначительных количествах, и содержащаяся в нем влага легко испаряется теплом, образующимся при помоле цемента в результате ударов и истирания в мельнице мелющих тел [4].

Из мельницы цемент выходит с температурой до 100 °С и более. Для охлаждения, а также создания запаса его отправляют на склад. Для этой цели применяют силосные склады, оборудованные механическим (элеваторы, шнеки), пневматическим (пневматические насосы, аэрожелоба) или пневмомеханическим транспортом [4].

В качестве топлива завод использует уголь.

3.1 Сырьевые материалы для производства клинкера

Основными составляющими смеси являются карбонатные горные породы и глинистые породы с высоким содержанием кремнезема, а также содержащие кремнезем окислы железа [5].

Карбонатные породы в природе встречаются в виде известняков, мела, известкового туфа, известняка-ракушечника и мрамора. Все приведенные разновидности карбонатных пород находят применение в портландцементном производстве, за исключением мрамора [5].

Наиболее применимы известняки и мел, представляющие собой осадочные горные породы. Осадочное происхождение известняков и мела обусловливает разнообразие их химического состава и физических свойств.

Химически чистый углекислый кальций содержит 56% СаО и 44% СО2. Но таких известняков в природе нет. Наряду с СаСО3 природные известняки содержат кремнезем, глинозем, окиси железа, окись магния и др.

Плотность и прочность карбонатных пород колеблются в значительных пределах, от весьма плотных известняков с кристаллической структурой, прочностью 1500 - 2000 кгс/см2, до мягких, рыхлых пород - мела, способного размокать в воде [1].

Технические условия на карбонатные породы для производства портландцемента стандартом не установлены. На основании практического опыта карбонатные породы признаются удовлетворительного качества при следующем химическом составе:

СаО - в них должно содержаться не менее 40 - 43,5%;

MgO - не более 3,2 - 3,7% при содержании окиси магния в глинистом компоненте не более 1% или из расчета получения клинкера для портландцемента с содержанием MgO не более 5%. Количество SiО2; А12О3; Fе2O3 в сочетании с содержанием их в глинистом компоненте должно обеспечивать получение необходимых значений коэффициента насыщения, кремнеземного и глиноземного модулей в сырьевой смеси и клинкере. Желательно, чтобы сумма Na2O и К2O не превышала одного процента, а содержание SO3 было не больше 1,5 - 1,7 % .

Глинистые породы для цементного производства используют в виде легкоплавких глин, глинистого мергеля, глинистого сланца, лёсса.

Глины представляют собой тонкоразмельченные горные породы, легко размокающие при затворенни их водой. Легкоплавкие глины имеют разнообразный минералогический и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения. Нередко глины содержат значительное количество грубых включений обломков горных пород в виде песка, щебня и гальки, что вызывает необходимость их тщательного предварительного обогащения [2].

Минералогический состав глин представлен водными алюмосиликатами, например каолинитом (А12О3∙SiO2∙2Н2O), и кварцевыми соединениями, преимущественно в виде кварцевого леска. Химический состав легкоплавких глин характеризуется в основном тремя окислами: кремния (55 - 80%), алюминия (5 - 20%) и железа (3 - 16%). В небольшом количестве могут содержаться в глинах СаО и MgO, хотя в отдельных разновидностях глин содержание окиси кальция может достигать 25%, а окиси магния - 5% [3].

Присутствуют в глинах и растворимые соли, содержащие SО3, Na2О и К2О. Эти примеси, а также MgO являются нежелательными, и их содержание в глинах, используемых для производства портландцемента, должно быть по возможности минимальным.

3.2 Дробление сырьевых материалов

Дробление, т. е. первичное грубое измельчение сырьевых материалов, осуществляется на специальных дробильных установках, комплекс оборудования которых объединяется в соответствующие цехи или отделения цементного завода.

Схема дробления твердых материалов включает, как правило, промежуточное разделение дробленого продукта на фракции с последующим доизмельчением крупных кусков, а также отделение мелких зерен материала от сырья валового состава, поступающего с карьера. Среди крупных кусков всегда содержится мелочь, дробить которую совместно с крупными нет необходимости, поэтому перед подачей в дробилку эти мелкие куски отделяют на грохотах. Для этой цели применяют обычно колосниковые грохоты, выполняющие также роль питателей дробилки.

Кроме предварительного отделения мелких зерен, при дроблении твердых материалов применяют промежуточную сортировку - разделение дробленого продукта на фракции, для последующего доизмельчения крупной (некондиционной) продукции [4].

Измельчение мягких пластичных материалов производится за один прием без предварительного и промежуточного разделения.

Основным оборудованием дробильных установок, непосредственно осуществляющих измельчение, служит щековая дробилка (рис.3.2).

- рама, 2 - подшипники, 3 - эксцентриковый вал, 4 - маховик, 5 - подвижная щека, 6 - пружина, 7 - тяга, 8 - направляющие ползуна, 9 - ползун, 10 - сухарь, 11 - распорная плита, 12 - броневые плиты

Рис. 3.2 - Щековая дробилка

Для обеспечения бесперебойной работы ее перед дробилкой устраивается расходный бункер. В нем создается некоторый запас материалов на случай нарушения подачи их с карьера или склада. Устойчивость работы дробилки и ее производительность зависят от равномерности загрузки материалов в дробилку. Как недостаточная подача материалов, так и избыток их снижают производительность дробилки. В последнем случае образуется завал и возникает необходимость остановки дробилки для ее очистки. А это весьма трудоемкая операция, выполняемая вручную [5].

Равномерная и в строго определенном количестве подача материалов в дробилку осуществляется питателями, являющимися промежуточным технологическим звеном между приемным бункером и дробилкой.

Разделение (сортировка) исходного или дробленого продукта на фракции производится на грохотах, называемых также сортировками.

В качестве транспортирующих механизмов, осуществляющих передачу материалов от одного механизма к другому в процессе их передела, а также подающих готовый продукт в цех помола или на склад, в дробильных установках применяют ленточные транспортеры, а также элеваторы [5].

Таким образом, комплекс основного технологического и транспортного оборудования дробильных установок оказывается представленным дробилками, приемным бункером, питателями, транспортерами и элеваторами. Кроме этого, для дистанционного управления и контроля процесса дробления, а в отдельных звеньях технологического потока и его автоматизации дробильная установка снабжается специальной аппаратурой.

Дробление сухих твердых материалов сопровождается большим пылением. Для создания нормальных санитарно-гигиенических условий обслуживающему персоналу в дробильной установке предусматривается интенсивная вентиляция помещения и аспирация - местный отсос запыленного воздуха на отдельных участках технологического потока: от дробилок, узлов передачи материала с одного механизма на другой. Перед удалением в атмосферу аспирационный воздух очищают от пыли в фильтрах.

3.3 Помол сырьевых материалов

Тонкое измельчение сырьевых материалов называется помолом. Комплекс оборудования, участвующего в этой операции, объединяется в помольный цех завода. Этим оборудованием являются в первую очередь мельницы и механизмы, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу мельниц:

расходные бункера для создания некоторого запаса материала перед мельницей на случай нарушения подачи материалов в помольный цех;

питатели, обеспечивающие равномерное питание мельницы исходными материалами;

аспирационная установка с пылеочистительными аппаратами, способствующая повышению производительности мельницы;

сепараторы (классификаторы), устанавливаемые при мельницах, работающих в закрытом цикле, и служащие для отделения недоизмельченных зерен, подвергаемых затем вторичному размолу;

транспортирующие механизмы, подающие материал в расходные бункера, измельченный продукт от мельниц в сепараторы или на склад;

приборы автоматического регулирования процессом помола; вентиляционные устройства санитарно-технического назначения, аналогичные применяемым в дробильных установках.

Основным же технологическим агрегатом помольного цеха является мельница [5].

На заводе используют шаровые мельницы.

Измельчение материалов в шаровой мельнице происходит в результате ударного и истирающего действия мелющих тел - металлических шаров.

Шаровая мельница представляет собой строго горизонтальный стальной барабан 1 (рис. 3.3.), футерованный внутри плитами из твердой стали. Внутри барабана находятся мелющие тела - шары 5.

1 - барабан, 2 - подшипники, 3, 4 - цапфы, 5 - шары

Рис. 3.3 - Шаровая мельница

Барабан вращается в подшипниках 2. При вращении барабана шары под действием центробежной силы поднимаются вверх. Достигнув определенной точки, в которой вес шаров оказывается больше центробежной силы, они отрываются и падают, раздрабливая при ударе куски загруженного в мельницу материала. Вращение барабана вызывает также перекатывание мелющих тел относительно друг друга и тонкое истирание материала, попадающего между шарами [3].

Загружают материал в мельницу через полую цапфу 4, а разгружают - с противоположной стороны также через полую цапфу 3 или специальную решетку. Таким образом, шаровая мельница является непрерывно действующей машиной. Скорость загрузки материала в нее равна скорости разгрузки готового продукта [3].

В процессе перемещения вдоль барабана материал измельчается, и чем длиннее будет этот путь, тем тоньше окажется измельченным материал.

3.4 Обжиг клинкера

Обжиг - завершающая технологическая операция производства клинкера. В процессе обжига из сырьевой смеси определенного химического состава получают клинкер, состоящий из четырех основных клинкерных минералов.

В обычных условиях компоненты сырьевой смеси - известняк, глина и др. - инертны, т. е. они не вступают в реакцию один с другим. При нагревании они становятся активными и начинают взаимно проявлять реакционную способность. Объясняется это тем, что с повышением температуры энергия движущихся молекул твердых веществ становится столь значительной, что между ними возможен взаимный обмен молекулами и атомами с образованием нового соединения. Образование нового вещества в результате реакции двух или нескольких твердых веществ называют реакцией в твердых фазах [1].

Однако скорость химической реакции еще более возрастает, если часть материалов расплавляется, образуя жидкую фазу. Такое частичное плавление получило название спекания, а материал - спекшимся. Портландцементный клинкер обжигают до спекания.

Спекание, т. е. образование жидкой фазы, необходимо для более полного химического усвоения окиси кальция СаО кремнеземом SiО2 и получения при этом трехкальциевого силиката ЗСаО ∙SiО2.

Частичное плавление клинкерных сырьевых материалов начинается с температуры 1300 °С. Для ускорения реакции образования трехкальциевого силиката температуру обжига клинкера увеличивают до 1450 °С [1].

В качестве установок для получения клинкера могут быть использованы различные по своей конструкции и принципу действия тепловые агрегаты.

Однако в основном для этой цели применяют вращающиеся печи, в них получают примерно 95% клинкера от общего выпуска, 3,5% клинкера получают в шахтных печах и оставшиеся 1,5% - в тепловых агрегатах других систем - спекательных решетках, реакторах для обжига клинкера во взвешенном состоянии или в кипящем слое. Вращающиеся печи являются основным тепловым агрегатом как при мокром, так и при сухом способах производства клинкера [2].