Технология производства цемента

Сырье для производства цемента

 

Один завод по производству цемента производит обработку порядка 10-20 тысяч тонн сырьевого материала за 24 часа. В производстве в основном используются мел, известь, мергель, сланец и глина, который транспортируются с карьера, который, как правило, локализуется в непосредственной близости к заводскому предприятию или входит в его структуру.

 

Добыча материала осуществляется горным и карьерным методами и зачастую – открыто. В процессе выполняются буровые работы, подрывные, экскавационные, производится транспортировка и дробление. Дробление может осуществляться в более чем 1 этап. Сразу после первого этапа дробления сырье направляется на предприятие для буферизации и последующей обработки. Прочие материалы (железные руды, шлаки, песок, боксит) доставляются из соседних регионов или производств.

 

Сырье подбирается таким образом, чтобы их химический состав мог гарантировать качество клинкера и возможность обжига.

 

В состав сырьевой смеси для производства портландцементного клинкера входят карбонатный, алюмосиликатный и корректирующий компоненты. Основа карбонатсодержащего компонента – мел, известь, мергель, алюмосиликатного – клина, шлак и зола, а корректирующего – железные добавки – шлак сталеплавильный и пиритный огарок.

 

Самые популярные материалы:

 

• Известь
• Мергель
• Глина
• Огарок
• Шлаки
• Щебень
• Шламы
• Золы

 

Карбонатная составляющая оценивается по концентрации карбоната кальция, которая в норме составляет не менее 76 процентов. В извести и меле карбоната кальция более 95 процентов, вплоть до 100. В мергелистом известняке – до 95 процентов, а в известняковом мергеле – от 75 до 90 процентов. В мергеле – от 40 до 75 процентов.

 

Мергель-натурал – это мергель, в котором карбоната кальция содержится порядка 76 процентов, а если добавить в него оксид железа, то получится высокореакционная смесь. Такое сырье понижает температуру спекания клинкера до 50-100 градусов и гарантирует повышенное качество, экономность, а также минимизирует объемы выброса в окружающую атмосферу токсичных газов.

 

Оценка алюмосиликатного компонента производится по трем критериям:

• Соотношение диоксида кремния и оксида алюминия
• Присутствие крупнокристаллического кварца
• Примеси

 

Показательное соотношение диоксида кремния и оксида алюминия находится в пределах 3,5-3,8. В случае, если этот показатель более 4, то для того, чтобы оптимизировать состав сырья, вводятся добавки с алюминием, когда этот параметр менее 3 – добавки с кремнеземом.

 

Железная добавка оценивается по соотношению оксида железа и диоксида кремния, а также по соотношению оксида железа и оксида алюминия. Эти параметры в норме составляют 0,4 и 2 соответственно.

 

Глина представляется глиняными минералами, кварцем. Содержатся щелочные минералы. Присутствие крупных кристаллов кварца – важная качественная характеристика глины, потому как повышение определенных величин нужна более высокая температура спекания клинкера, что повышает затраты топлива и объемы вредных выбросов в окружающую атмосферу. Соответственно, с целью избежать таких последствий, нужно снижать уровень крупнокристаллического кварца в сырье.

 

Доменный шлак – это стекло. В силу того, что шлак содержит большое количество оксида кальция, их использование приводит к снижению концентрации карбоната кальция в сырьевом материале, а значит, траты тепловой энергии для декарбонизации и эффекта клинкерообразования. Это также снижает объемы выброса продуктов горения и углекислоты в атмосферу. Соответственно, чем большее количество некарбонатного известняка в шлаках, тем более эффективны экономия топлива и минимизация загрязнения атмосферы.

Дополнительного эффекта в плане экологической безопасности можно добиться за счет применения белитового шлама как компонента, содержащего кальций.

 

При производстве белого цемента используется сырье высокой очистки, которое содержит оксид кальция, оксид кремния и оксид алюминия. Для этой цели подбирается сырье, содержащее минимальное количество железа, марганца и титана. Это, например, известь, белая глина, каолин, кварцевый песок, шпат. Оксид металла оказывает влияние на белизну цемента и определяет выбор в качестве сырья. Для повышения белизны клинкера для белого цемента применяют минерализаторы в небольшом объеме – до 3 процентов.

 

Описанные свойства сырья определяют картину технологических процессов во время производства, качество производства и влияние на окружающую атмосферу. Если соотношение диоксида кремния и оксида алюминия составляет 3,5-3,8, а содержание крупных кристаллов кварца ограничено, то создаются оптимальные условия для производства цемента высокого качества, а значит, для экономии топлива и огнеупоров.

 

Более всего примеси содержатся в алюмосиликатных компонентах сырья. Большинство из них – минерализаторы, которые повышают качественные характеристики клинкера. Прочие примеси, такие как калий, сера, натрий, хлор или кремний, влияют негативно на процессы обжига и снижают качество клинкера.

Ангидрид серной кислоты должен быть ограничен до 0,8 процента, потому как такие соединения при воздействии высоких температур улетучиваются, накапливаясь в печных зонах, а затем происходит их конденсация. Благодаря рециркуляции такие эти соединения увеличиваются более чем в два раза.

 

Щелочь и хлор, как правило, присутствуют во многих сырьевых продуктах, а затем перенаправляются и в клинкер. Как и сернистые или хлорные соединения, щелочная сырьевая смесь во время обжига также испаряет щелочные продукты, накапливая их в потоках газов и материала. Щелочь отрицательно влияет на процессы обжига клинкера, за счет изменения последовательности минераллообразования, ускоряется образование белита, меняются характеристики расплава и алитообразование замедляется.

 

Присутствие щелочи и серных соединений приводит к поломке процессов гранулообразования клинкера, вызывая клинкерное пыление и снижение его активности. Нарушение гранулирования клинкера приводит к неэффективному охлаждению в холодильном оборудовании, что приводит к увеличению топливных расходов. Также, щелочь в некоторых случаях может стать причиной нестабильности сроков схватывания при гидратации продукта, что приводит к выцвету и трещинам в бетоне.

 

В сырьевую массу вместе с известью и глиной имеет возможность попадать и оксид магния, в форме примесей доломита или магнезита. Наличие этих веществ может снижать вязкость клинкера. После обезвоживания оксида магния увеличивается объем, из-за чего прочность продукта снижается и часто приводит к разрушению. Для того, чтобы это предотвратить, концентрация оксида магния в сырье ограничена 3 процентами.

 

В форме родохрозита в глине и мергеле находится марганец. Этот компонент благоприятно сказывается на процессе минераообразования, ускоряя его. В результате снижается вязкость и улучшается кристаллизация. Наличие оксида марганца улучшает активность гидратации цемента.

 

Ангидрид фосфора иногда содержится в сырье только в виде случайной примеси и в самых малых количествах. Его наличие положительно влияет на активацию белитовой фазы. Повышение содержания фосфорного ангидрида в клинкере приводит к замедлению процессов затвердевания цемента.

 

Титановая двуокись обнаруживается в глине и мергеле в процентом соотношении до 0,5, часто в форме минерала рутила, ильменитов или перовскитов, попадая далее в клинкер. Присутствие титановой двуокиси в малом количестве достаточно полезно – это улучшает минеральную кристаллизацию клинкера. Стандартное количество двуокиси титана – не более 0,3 процента.

 

Оксид стронция присутствует в форме целестна и стронцианита, в качестве примесей извести, доломита, мергеля и глины. Находясь в сырье, это вещество может ускорять образование клинкера, понижать температуру образования расплава клинкера, а также регулировать активность гидратации цемента. Чем больше оксида стронция содержится, тем меньше прочность продукта.

 

Одним из самых нежелательных оксидов в сырье считается хромовый оксид. Это вещество является аллергеном. Наиболее вероятные источники – глина, мергель, боксит, огарок.

 

Сырье измельчается в мельницах или специальном дробильном оборудовании. Чаще всего используемое оборудование основывается на принципе давления или удара.

 

Виды цемента

 

Портланцемент быстрого затвердевания — цемент с добавками минералов, обладает молниеносным увеличением прочности за первый период затвердевания. Прочность такого цемента нормируется еще и в трех-суточном возрасте. Этот продукт используется при возведении железобетонных конструкций и производства изделий в условиях завода, а также быстрого строительства.

 

Портландцемент сульфатостойкий – такая характеристика обеспечена благодаря сниженному содержанию в клинкере кальция.

 

Цемент с поверхностными активными добавками – это цемент, в который для улучшения определнных качеств и свойств вводятся во время помола ПАДы, доля которых от всего цемента – 0,3. После абсорбции добавка организует защитную пленку, которая устраняет сцепку зерен. Такой бетон обладает интенсифицированной подвижностью.

 

Белый портландцемент – выделяется своим цветом. Сырье для того цемента, как правило, глина и известь, которые содержат минимум красящего оксида.

 

Цветной портландцемент – в этот цемент добавляются пигменты, количество которого находится в пределах: минеральный пигмент – до 10 процентов, органический – до 0,3 процента.

 

Портландцемент тампонажный – предназначен для осуществления тампонажа нефтяной и газовой скважин. Такой цемент должен быть текучим, независим от температур и давления, строго нормированный срок схватывания, прочность.

 

Портландцемент пуццолановый – получен путем помола портландцементого клинкера, обладающего минеральным, гипсовым составом. Сульфатоустойчив, устойчив в пресной воде. Недостаток этого продукта – низкая устойчивость к неблагоприятным температурным условиям, непригодность для низких температур.

 

Шлакопортландцемент – получен путем местного помола портрандцементоного клинкера, гипса и шлака. Доля шлаков – от 21 до 60 процентов. Такой цемент используется в строительстве гидротехнического плана, а также портов.

 

Известковошлаковый цемент – получен в ходе помола доменного шлака и извести (30 процентов от объема). Возможна гипсовая добавка и добавка портландцемента. Этот цемент долго твердеет и очень медленно схватывается. Устойчив в воде, однако на воздухе его качество снижается.

 

Глиноземистый цемент – не содержит гипсовых и минеральных добавок. Его качество прямо пропорционально концентрации оксида алюминия, который гарантирует стремительное затвердевание. Хорошо устойчив против сульфатов, хлора, углекислоты и прочих.

 

Технология производства серого цемента

 

В процессе производства цемента чаще сего применяются мокрый, сухой и комбинированный методы. Эти способы отличаются подходом к приготовлению сырья и методом обжига.

 

Cухой способ. Этот метод разработан в 1830 году и основное его преимущество – минимальные топливные расходы при производстве клинкера. До девяностых годов этот метод угнетался ввиду выраженного пылевого фактора. К концу 20 века в ходе модернизации оборудования для помола сырьевого материала с одномоментной сушкой, а также агрегатов, улавливающих пыль, этот способ распространился более широко как наиболее эффективный.

 

Мокрый способ. Эта технология существует еще с начала 20 века, а развитие ее производилось сугубо с применением модернизации технического оснащения. Этот метод подразумевает измельчение шлама до тонкости 85-90 процентов частиц с размером до 80 микрометров. Для того, чтобы минимизировать траты на электрическую энергию, добавляется вода. После помола сырье с влажностью до 42 процентов направляется в печь, где шлам сушится, производится декарбонизация, спекание и охлаждение. Теплоноситель – газ, температура факела до 2000 по Цельсию. Продукты горения направляются противотоком напротив движения материала.

 

Существует также полусухой способ. При этом методе сырье с влажностью до 18 процентов сушилось в специальных барабанах до уровня влажности менее 5 процентов, далее перемалывалось в мельницах шарового принципа и одновременно сушилось. Далее сырье идет на гранулирующее оборудование, куда происходит впрыск воды для выхода гранул, влажность которых должна составлять примерно 8 процентов. Полученные гранулы досушиваются, нагреваются и декарбонизируются, а затем осуществляется обжиг. Недостаток метода – значительные требования к прочности гранул.

 

Комбинированный способ. При комбинированном способе ход помола и гомогенизации сырьевого материала производится также, как и при мокром способе. Шлам направляется в прессфильтр, там он частично дегидратируется  механическим способом до влажности не более 22 процентов. Затем производится агломерация в специальных грануляторах или сушильном оборудовании, где придается размер и форма для дальнейшего обжига.

 

Технология производства белого цемента

 

Сырьевой материал при производстве белого цемента – известь, глина и песок с минимумом примесей. Обжиг сырья происходит на мазуте или газу. Чтобы облегчить обжиг в сырье добавляется минерализатор.

 

Для исключения попадания железа в продукт клинкер размалывается в мельнице, фарфоровыми или кремниевыми плитками. Смесь размалывается как можно тоньше. Также, в смесь вводятся вещества, улучшающие процесс обжига, а печи футеруются тальковым кирпичом.

 

Чтобы продукт был более отбеленным, клинкер отбеливается при быстром водяном охлаждении до 500 градусов по Цельсию. Затем его ограничивают от воды и сушат.

 

Отбеливание достигается еще и за счет отбеливания клинкера в специализированном отбеливателе. Здесь он подвергается действию бескислородной газовой среды и температуры до 1000 градусов, после чего он охлаждается до 200 градусов.

 

Еще один момент, благодаря которому достигается белизна – добавка в сырье хлористой соли. При ее соединении с окисью железа образуется летучее хлорное железо, которое удаляется вместе с газами.

 

Оборудование для производства цемента

 

Для того, чтобы оборудовать цех, потребуются:

 

• Дробильное оборудование (щековая/молотковая дробилки различной степени измельчения)
• Мельница
• Холодильное оборудование
• Пылевые фильтры
• Бак или шламбассейн
• Насосное оборудование
• Наклонная печь
• Конвейер
• Силос для цемента
• Бункер для печного газа
• Машина для упаковки продукта