Технология производства портландцемента

ВВЕДЕНИЕ

 

21-й век является высокоиндустриальным  этапом в развитии технологий. Отдельной индустриальной отраслью  является строительная индустрия, высокий уровень которой позволяет  развиваться всем остальным технологическим  направлениям.

Конечной целью строительной индустрии является возведение зданий и сооружений.

 Одно из первых мест среди строительных материалов занимают вяжущие вещества, главным образом портландцемент. Портландцементом называют искусственные, порошкообразные вяжущие материалы, которые при взаимодействии с водой, с водными растворами солей или другими жидкостями образовывают пластичную массу, которая со временем затвердевает и превращается в прочное камневидное тело – цементный камень.

Основная тенденция технического развития цементной промышленности Казахстана – модернизация производства за счет внедрения сухого способа и уменьшения доли мокрого. Эту тенденцию подтверждает также опыт мировой цементной промышленности по внедрению печных систем с реакторами-декарбонизаторами различных типов, которыми оснащаются новые расширяемые и реконструируемые цементные заводы.

Среди строительных материалов портландцементу принадлежит ведущее место. В современной строительной практике портландцемент применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, и др. Цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы.

Портландцементный клинкер состоит из 64…67 % (по массе) из извести (СаО) и 33…36 % алюмосиликата. Самой массовой породой в природе, содержащей известь, являются карбонаты.

Запасы карбонатных пород на Земле практически неисчерпаемы. Они относятся к осадочным горным породам, которые покрывают Земной шар слоем 16…35 км и составляют около 10 % массы Земли. Количество карбонатов в осадочных породах до 45%. Состав карбонатов: карбонаты кальция и магния примерно по 30 %, доломиты – примерно 35 %, остальное – карбонаты железа, марганца, цинка и др. Однако, покрывая Землю непрерывным слоем, большая часть осадочных пород укрыта мировым океаном. Выход же карбонатов на континентальные поверхности планеты не везде доступен. Разрабатываются, как правило, те месторождения карбонатов, которые залегают недалеко от поверхности. Среди доступных месторождений основную массу составляют месторождения доломитов, которые имеются практически повсеместно, на втором месте карбонаты кальция и относительно небольшое количество доступных месторождений карбонатов магния. Основными потребителями карбонатов кальция являются (в порядке объемов потребления):

• цветная и черная металлургия (содержание СаО в породе не менее 51 %), до 65 %;

• химическая промышленность (наиболее чистые породы, содержание СаО

      53…55 %), 15 – 18 %);

• производство портландцемента (содержание СаО в породе не ниже 50 %), 12 –15 %;

• производство строительных материалов (содержание СаО в породе не ниже 45 %)   3 – 4 %;

• прочие (отделочные материалы, заполнитель в бетоны, щебень для дорог и др.) около 2 %.

Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используют следующие основные меры:

1) регулирование минерального  состава и структуры цементного  клинкера, оказывающего решающее  влияние на все строительно-технические  свойства цемента;

2. введение минеральных и органических добавок позволяющих направленно изменять свойства вяжущего, экономить клинкер, уменьшать расход цемента в бетоне;
3. оптимизацию тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на скорость твердения, активность, тепловыделение и другие свойства цемента.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ, СЫРЬЯ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Карбонатные породы широко распространены в природе, что способствует развитию на их основе производства цемента. Из карбонатных пород используют известняк, мел, известняк-ракушечник, мрамор, известковый туф, мергели, доломиты 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 К 2О 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.

Доломит — двойная углекислая соль магния и кальция (МgСОз-СаСОз)—слагает горные породы осадочного происхождения. Истинная плотность доломита 2,85— 1,95 г/см³. Обычно доломиты содержат около 20 % MgO, 30 % СаО и 45 % С0₂. В природе доломит встречается значительно чаще, чем магнезит.

Обжигая доломиты при разных температурах, можно изготовлять каустический доломит, состоящий из MgO и СаСОз и получаемый при 650—750 °С с последующим измельчением; доломитовый цемент, состоящий из MgO, СаО и СаСОз и получаемый при 750—850°С с последующим измельчением в тонкий порошок, он затворяется водой, а по показателям прочности при сжатии трамбованных образцов из раствора 1:3 через 28 сут твердения на воздухе характеризуется марками 25—50, а также доломитовую известь, состоящую из оксидов магния и кальция и получаемую при 900—950 °С. Доломит, обжигаемый до спекания при 1400—1500 °С, применяют в качестве огнеупорного материала. Он не взаимодействует с водой и поэтому не обладает вяжущими свойствами.

Каустический доломит должен содержать не менее 15 % MgO и не более 2,5 % СаО своб., а значение п. п. п. должно быть в пределах 30—35 %• Его качество определяется содержанием MgO и температурой обжига.

Производство каустического доломита принципиально не отличается от производства каустического магнезита. Доломит в заводских условиях обжигают при 650— 750 °С в шахтных печах с выносными топками и во вращающихся печах. При затворении каустического доломита растворами солей магния СаО реагирует с ними, образуя хлористый или сернокислый кальций, что отрицательно отражается на качестве затвердевшего каустического доломита.

Каустический доломит должен измельчаться до остатка на сите № 02 не более 5 %, а на сите № 008 не более 25 %. Его вяжущие свойства значительно улучшаются при более тонком помоле. Каустический доломит затворяют водными растворами солей хлористого и сернокислого магния обычно той же концентрации, что и каустический магнезит. Схватывание и твердение каустических доломита и магнезита обусловлены в основном гидратацией MgO и образованием оксихлорида магния или других основных солей.

Истинная плотность каустического доломита находится в пределах 2,78—2,85 г/см³. Ее повышение указывает на появление в каустическом доломите значительного количества свободного оксида кальция. Плотность в рыхлонасыпанном состоянии составляет в среднем 1050— 1100 кг/м³. Начало схватывания при комнатной температуре наступает через 3—10 ч, а конец через 8—20 ч после затворения.

Каустический доломит, обожженный при температуре ниже температуры диссоциации СаС0₃, характеризуется равномерным изменением объема. Неравномерность наблюдается лишь при наличии в нем 2—2,5 % свободного оксида кальция и при неправильно выбранном соотношении между MgO—MgCI₂ и водой. В этом случае появляются трещины и цементный камень разрушается.

Каустический доломит характеризуется меньшей прочностью, чем каустический магнезит. Образцы из трамбованного раствора состава 1:3 по массе на этом вяжущем через 28 сут воздушного твердения имеют предел прочности при сжатии 10—30 МПа. Затвердевший каустический доломит, как и магнезит, разрушается в воде вследствие вымывания из него растворимых солей MgCI₂ и др.

Каустический доломит наравне с каустическим магнезитом применяют для изготовления ксилолита, фибролита, теплоизоляционных материалов и т. п.

Глинистое сырье 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, Al₂O₃ -5-20, Fe₂O₃- 3-15.

Для изготовления портландцементного клинкера необходимы известняк, глина, гипс и доломит. Известняк, доломит  и глину добывают в карьере, после дробят, а глину вместе с дроблением сушат. После известняк, доломит и глину усредняют на складе.

 

Таблица 1 - Характеристика сырья для получения шлакопортландцемента

Вид сырья	Показатель		Размерность		Значение (норма)			Источник информации
1	2		3		4			5
Глина	Хим.состав: Al2O3                               SiO2                                CaO                            MgO                             Fe2O3                    Щелочи:                   5MgO                       0,ЗТiО2                    0,ЗР2О5    Минералогический состав:                Глинистые минералы            Кварц                   Полевой шпат Карбонаты      Оксиды                   Слюды               Хлориты Пироксены Примеси  Гранулометрический состав: Глинистые фракции                Песчаные фракции Пылеватые фракции               Свойства: Влагоемкость Набухание                Предел текучести Предел раскатывания №2          Степень пластичности Воздушная усадка      Общая усадка Водопоглощение после обжига при 1300оС Температура спекания Огнеупорность Растяжимость		%                                  %                                    %                                        %                                        % %                             %                             %                                                %                                         %                              %         %                          оС   %			4–8                                     21–24                     63–66                             5                                   2 – 4 0,5                                 0,1                                    0,1   30                                      50                              15                                     -                                      -                                 0,5                                  0,5                               0,5                                4,5   37-76                                                                      10-32 4,5-39                                                 36 8                                        45                                      25 45—25=20                      7,1-9,5                           13,2-16,5                         4,82                                                                           1250                       1580-1740                         14			[3]
Известняк (обычный)	Хим.состав: CaCO3          MgCO3                Средняя плотность		%                                       %                                    кг/м3			87-95                                   0-3                              2400-2700			[2]
Двуводный гипс	CaSO4 *2H2O		%			1,5-3,5			[3]
Доломит	Хим.состав:               СаО                          MgO                             CO₂		%                                      %                                     %			30,4                                 21,7                              47,9			[2]
ПЦ	Свойства ПЦ: начальная влажность требуемая влажность твердение                      В/Ц                пористость истинная плотность плотность в рыхл.сост. плотность в уплот.сост.               начало схватывания             конец схватывания   активность удельная поверхность морозосто-сть		%                            %                                                                                  сут                                   см3/г                                 г/см3                             кг/м3                                                          кг/м3                                  ч                                         ч                                                                                                                                                                                                                                                            МПа                   см2/г                                                                                        цикл			20 0,5-1 28                                0,35-0,65                  0,28                             2,8-3                     900-1200           1400-1700                        1,5-2                              12                             40-50                                3000                                 50-100

 

 

 

 

 

 

2 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

 

2.1 ВЫБОР  СПОСОБА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ  ПРОИЗВОДСТВА

          Технологический процесс получения  портландцемента на заводах  полным  производственным циклом (включая  получения клинкера) состоит из  следующих основных операций:

1. Изготовление портландцементного  клинкера;

2. Подготовка клинкера;

3. Получение портландцемента совместным помолом глины, доломита и известняка. 

Изготовление клинкера по сухому способу технически и экономически наиболее целесообразно в тех случаях, когда исходные сырьевые материалы характеризуются влажностью до 10-15 % а также относительной однородностью по химическому составу и физической структуре, что обеспечивает возможность получения гомогенной сырьевой муки при измельчении сухого сырья. При сухом способе затраты теплоты на обжиг клинкера достигают 3150—4190 кДж/кг, что значительно меньше затрат при производстве по мокрому способу (5900—6700 кДж/кг).                                                                  При сухом способе изготовления клинкера исходные материалы (известняк, глина и др.) после дробления подвергаются высушиванию и совместному помолу в шаровых и иных мельницах до остатка 6—10 % на сите № 008.

Добывают известняк, доломит и глину с учетом их свойств теми же приемами, какие используются при мокром способе производства. Последующая их переработка (дробление, измельчение, смешение компонентов) определяется спецификой сухого способа производства. Добытый известняк и доломит  подвергают одностадийному дроблению до кусков размером 1—3 см. Для этой цели на новых предприятиях часто используют передвижные механизмы, например, щековые дробилки соответствующей производительности. Полученную щебенку направляют на усреднительиый склад, где с помощью комплекса машин осуществляется первичная гомогенизация сырья. Добытую глину вначале также подвергают дроблению при одновременной сушке с последующей подачей полученного материала на усреднительиый склад для гомогенизации. С этих складов известняк, доломит  и глину направляют через автоматические дозаторы в требуемом соотношении по массе в барабанные мельницы, где осуществляются сушка и тонкий помол сырья. Для сушки в мельницы направляют дымовые газы, образующиеся во вращающихся печах при сжигании топлива. Барабанные 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 которые 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 (75—90 мг/м³).      На крупных предприятиях с производительностью одной технологической линии 3000 т клинкера в сутки устанавливают две барабанные мельницы размером 4,2х10 м, дающие 120—130 т/ч муки с остатком 10—12 % на сите №008. Сырьевая мука, получаемая в результате помола в мельницах того или иного типа, направляется на гомогенизацию и корректирование в специальные железобетонные силосы вместимостью до 500—2000 м³ (в зависимости от масштабов производства и однородности сырья). Чем неоднороднее сырье, тем меньше обычно вместимость отдельных силосов. Муку в них перемешивают сжатым воздухом,    вводимым через керамические пористые 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 сопровождается уменьшением насыпной плотности. Одновременно материал приобретает большую текучесть. После гомогенизации проверяют состав сырьевой муки по содержанию оксида кальция (титр муки). Оно соответствует требуемому. Поэтому смесь направляют на обжиг.                        При использовании способа непрерывной гомогенизации мука непрерывно подается на верх большого силоса, заполненного уже аэрированной и гомогенизированной смесью. Одновременно у днища силоса непрерывно отбирается готовый материал. Вместимость силоса принимается равной 8—10-кратной часовой производительности мельниц. Высота силосов в 1,5—2 раза больше их диаметра.