§ 3. Принципы производства

Сырьевые материалы. Сырьевыми материалами для производства клинкера служат известняки с высоким содержанием углекислого кальция (мел, плотный известняк, мергели и др.) и глинистые породы (глины, глинистые сланцы), содержащие Si02, А12Оз и Fe203. В среднем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минерального сырья; примерное соотношение между карбонатным и глинистым составляющими сырьевой смеси 3:1 (т. е. берется около 75% известняка и 25% глины). В сырьевую смесь вводят добавки, корректирующие химический состав, регулирующие температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера. Например, количество Si02 повышают, добавляя в сырьевую смесь трепел, опоку. Добавление колчеданных огарков увеличивает содержание Fe203.

Для производства портландцемента все шире используют побочные продукты промышленности. Весьма ценным сырьем являются доменные шлаки, содержащие необходимые для получения клинкера составные части (СаО, Si02, А12Оз, Ре20з). Нефелиновый шлам, получающийся при производстве глинозема, содержит 25 — 30% Si02 и 50 — 55% СаО; достаточно к нему добавить 15 — 20% известняка, чтобы получить сырьевую смесь. Использование нефелинового шлама повышает производительность печей примерно на 20% и снижает расход топлива на 20 — 25%.

Основной и наиболее эффективный вид топлива — природный газ, отличающийся высокой теплотворной способностью. Сокращается применение мазута и твердого топлива, приготовляемого в специальных установках для сушки и помола угля (антрацита, каменного угля). Теплотворная способность твердого топлива ниже, чем газообразного; углевоздушные смеси подвержены взрывам; зольность углей 10 — 20%, и зола, попадая в обжигаемую сырьевую смесь, искажает расчетный минеральный состав клинкера. Стоимость топлива составляет до 25% себестоимости готового цемента, поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его экономии.

Подготовка сырья. Производство портландцемента — сложный технологический и энергоемкий процесс, включающий: 1) добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов, известняка и глины; 2) приготовление сырьевой смеси; 3) обжиг сырьевой смеси до спекания — получение клинкера; 4) помол клинкера с добавкой гипса — получение портландцемента; 5) магазинирование готового продукта. Обеспечению заданного состава и качества клинкера подчинены все технологические операции.

Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком измельчании и смешении взятых в установленном соотношении компонентов, что обеспечивает полноту прохождения химических реакций между ними и однородность клинкера. Приготовление сырьевой смеси осуществляется сухим, мокрым и комбинированным способами.

Сухой способ заключается в измельчении и тесном смешении сухих (или предварительно высушенных) сырьевых материалов, поэтому сырьевая смесь получается в виде минерального порошка, называемого сырьевой мукой. Тонкое совместное измельчение известняка и глины осуществляют в трубных (шаровых) мельницах, в которых совмещаются помол и сушка сырьевых материалов до остаточной влажности 1 — 2%.

Рис. 42. Технологическая схема сушки и помола сырьевых материалов (сухой способ) в мельницах с центробежными сепараторами: 1 — дозаторы; 2 — ленточный транспортер; 3 — рукавные фильтры; 4 — шлюзовой затвор; 5 — аэрожелоба; 6 — сепараторы; 7 — элеватор; 8 — циклоны; 9 — вентиляторы; 10 — шнеки; /1 — мельница; 12 — топка

На крупных предприятиях сырьевые мельницы работают по замкнутому циклу (рис. 42): установка производительностью до 100 т/ч включает сепараторы, отделяющие крупную фракцию сырьевой муки и возвращающую ее в мельницу для помола. Таким образом повышается тонкость помола сырьевой смеси и качество обжигаемого из нее клинкера.

Сырьевую муку направляют в силосы, в них корректируется состав сырья и создается запас, необходимый для бесперебойной работы печей. При сухом способе производства затраты тепла на обжиг клинкера в 1,5 — 2 раза меньше, чем при мокром способе. Ввиду технико-экономических преимуществ сухой способ производства цемента у нас быстро развивается. Сухой способ наиболее выгоден при использовании известняка и глины с невысокой влажностью (10 — 15%), однородного состава и физической структуры, когда можно получить гомогенную сырьевую муку при сухом помоле.

Мокрый способ приготовления сырьевой смеси применяют, если мягкое сырье имеет значительную влажность (мел, глины). Тонкое измельчение и смешение исходных материалов осуществляется в водной среде, поэтому сырьевая смесь получается в виде жидкотекучей массы — шлама с большим содержанием воды (35 — 45%). Используется способность мягких горных пород (глины и мела) легко распадаться в воде на мелкие частицы. Глина перерабатывается в водную суспензию в глиноболтушках. Иногда глина перерабатывается в шлам непосредственно в карьере, и далее полученный шлам надлежащего состава перекачивается на завод.

Второй компонент сырьевой смеси — известняк после дробления направляется на совместный помол с глиняным шламом в шаровую мельницу через весовые дозаторы непрерывного действия с автоматическим управлением, что позволяет выдерживать точное соотношение между компонентами сырьевой смеси (рис. 43).

Рис. 43. Схема помола сырьевых материалов по мокрому способу в открытом цикле:

1 — бункер известняка; 2 — бункер огарков; 3 — тарельчатый питатель и весоизмеритель; 4 — питатель глиняного шлама; 5 — ленточный транспортер; 6 — мельница; 7 — емкость перед насосом; в — насос; 9 — подача шлама в производство

Совместное измельчение известняка, глины и корректирующих добавок (например, пиритных огарков, содержащих РегОз) обеспечивает тщательное смешение исходных материалов и получение однородной сырьевой смеси. Помол сырья производят до остатка на сите № 008 не более 8 — 10%, следовательно, более 90% частиц смеси имеет размер менее 80 мкм. Из трубных мельниц известково-глиняный шлам перекачивают насосами в вертикальные или горизонтальные резервуары (шламбассейны), в них корректируют и усредняют химический состав шлама. Контроль состава сырьевой смеси теперь осуществляется с помощью автоматического рентгеноспектрометра с ежечасным определением содержания CaO, SiCb,. По данным анализа вычислительная машина рассчитывает дозировки сырьевых компонентов, исходя из получения сырьевой смеси заданного состава, а также соответствующий режим работы автоматических дозирующих устройств, что позволяет отказаться от корректирования при достаточном постоянстве состава смеси. Применение разжижителей шлама (добавок СДБ и др.) позволяет снизить влажность шлама, но не устраняет основной недостаток мокрого способа производства цемента — высокую энергоемкость процесса получения клинкера.

Применение «комбинированного способа» дает возможность на 20 — 30% снизить расход топлива по сравнению с мокрым способом. Сущность этого способа заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на специальных установках. Однако при этом возрастает расход электроэнергии, т. е. энергоемкость производства в целом остается высокой.

Обжиг. Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Шахтные печи применяют иногда только при сухом способе производства.

В зоне испарения происходит высушивание поступившего сырья при постепенном повышении температуры с 70 — 80°С (в конце этой зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы.

В зоне подогрева, которая следует за сушкой сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 до 700°С сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глинистых минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450 — 500°С) и образуется каолинитовый ангидрид Al203-2Si02 и другие подобные соединения. Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе производства занимают 50 — 60% длины печи (считая от холодного конца), при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.

В зоне кальцинирования (ее протяженность — 20 — 23% длины печи) температура обжигаемого материала поднимается с 700 до 1100°С, здесь завершается процесс диссоциации углекислых солей кальция и магния и появляется значительное количество свободной окиси кальция. Термическая диссоциация СаС03 — это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением тепла (1780 кДж на 1 кг СаСОз), поэтому потребление тепла в третьей зоне печи наибольшее. В этой же зоне происходит распад дегидратированных глинистых минералов на окислы SiCb, AI2O3, Fe203, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы ЗСаО-А1203, СаО-А1203 и частично 2CaO-Si02.

В зоне экзотермических реакций (1100 — 1250°С) проходят твердофазовые реакции образования ЗСаО-А1203; 4CaO-Al203-Fe203 и белита. Эти экзотермические реакции сопровождаются выделением большого количества тепла (до 420 кДж на 1 кг клинкера) и интенсивным повышением температуры материала (на 150 — 200°С) на сравнительно коротком участке печи (5 — 7% ее длины).

В зоне спекания (1300 — 1450 — 1300°С) температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения (1450°С), необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера — алита. В начале спекания, начиная с 1300°С, образуется расплав из относительно легкоплавких минералов 4СаО-А12Оз-Ре2Оз, а также MgO и легкоплавких примесей в количестве 20 — 30% объема обжигаемой массы. При повышении температуры до 1450°С в клинкерной жидкости растворяются 2CaO-Si02 и СаО и из них в расплаве происходит процесс образования алита 3CaO-Si02, проходящий почти до полного связывания окиси кальция (в клинкере СаОСВоб не более 0,5 — 1%).

В расплаве (по Бутту и Тимашеву) сначала образуются тетраэдры S1O44-, которые потом соединяются с ионами Са2+, образуя кристаллическую решетку трехкальциевого силиката. Алит плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из него в виде мелких кристаллов, что влечет растворение в расплаве новых порций

2CaO-Si02 и СаО. Процесс образования алита заканчивается за 15 — 20 мин пребывания материала в зоне спекания (ее протяженность 10 — 15% длины печи). Поскольку при вращении печи частично расплавленный материал непрерывно перекатывается, создаются условия для слипания мелких частичек в более крупные гранулы. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А1203, 4CaO-Al203-Fe203 и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения, следующей за спеканием.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С; здесь полностью формируется его структура и состав, включающий алит — C3S, белит — C2S, C3A, C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен — гранул («горошка») темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000 до 100 — 200°С в барабанных, рекуператорных и других холодильниках воздухом, идущим навстречу клинкеру или просасываемым через слой горячего клинкера. После этого клинкер выдерживается на складе 1 — 2 недели.

Помол. Помол клинкера в тонкий порошок производится преимущественно в трубных (шаровых) мельницах, работающих по открытому или замкнутому циклу. Трубная мельница представляет собой стальной барабан, облицованный внутри стальными броневыми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2 — 4 камеры (рис. 45).

Рис. 45. Многокамерная мельница для помола клинкера: 1 — загрузочное устройство; 2 — перегородка с решетками; 3 — стальной корпус; 4 — стальные плитки; 5 — выгрузочное устройство; 6 — двухступенчатый редуктор

Крупнейшими помольными агрегатами являются мельницы размером 3,95x11 м, производительностью 100 т/ч и размером 4,6Х 16,4 м, производительностью 135 т/ч.

Материал в трубных мельницах измельчается под действием загруженных в барабан мелющих тел — стальных шаров (в камерах грубого помола) и цилиндров (в камерах тонкого помола). При вращении мельницы мелющие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и истирая зерна материала.

При работе по открытому циклу мельница работает «на проход», т. е. материал (клинкер и добавки) непрерывно поступает со стороны камер грубого помола через полую ось, а измельченный материал выходит из камеры тонкого помола и далее транспортируется в силосы. Замкнутый цикл помола включает помольный агрегат и центробежный сепаратор, отделяющий крупные зерна, возвращаемые на домол (рис. 46), в результате чего достигается высокая тонкость помола.

Рис. 46. Схема размола клинкера по замкнутому циклу: а — с двумя мельницами: 1 — мельница грубого помола; 2 — элеватор; 3 — центробежный сепаратор; 4 — мельница тонкого помола; б — с одной мельницей: 1 — элеватор; 2 — сепаратор; 3 — мельница; 4 — крупка; 5 — готовый цемент

Помольные установки, работающие по замкнутому циклу, дают возможность тонко измельчить клинкер (до удельной поверхности 4000 — 5000 см2/г) и регулировать содержание в цементе частиц различного размера, что необходимо для получения быстротвердеющего и других специальных портландцементов. При помоле к клинкеру добавляют гипс (так, чтобы общее содержание S03 в цементе было не более 3,5%), служащий для замедления схватывания портландцемента.

Готовый портландцемент — очень тонкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета; по выходе из мельницы он имеет высокую температуру (80 — 120°С) и направляется пневматическим транспортом для хранения в силосы, которые обычно выполняются в виде железобетонных банок диаметром 8 — 15 м и высотой 25 — 30 м. Большие силосы вмешают 4000 — 10 000 т цемента.

Цемент в силосах выдерживают до его охлаждения и гашения остатков свободной окиси кальция, которое происходит под действием влаги воздуха. Из силосов цемент погружается в автоцементовозы, в вагоны-цементовозы или крытые железнодорожные вагоны. Часть цемента поступает на отвешивающие и упаковывающие машины и поставляется в мешках (по 50 кг цемента).

Рис. 47. Схема производства портландцемента по мокрому способу:1 — глина из карьера; 2 — подача воды; 3 — глиноболтушки; 4 — подача глиняной суспензии в сырьевую мельницу; 5 — известняк из карьера; в — дробилка; 7 — дозаторы; 8 — сырьевая трубная мельница; 9 — шламбассейны; 10 — дозатор шлама; 11 — вращающаяся печь; 12 — подача топлива; 13 — транспорт клинкера; 14 — склад клинкера; 15 — дробление и дозирование гипса; 16 — склад гипса; 17 — трубная мельница для

помола клинкера (с гипсом; 18 — пневматический насос; 19 — компрессор; 20 — склад (силоса) цемента; 21 — упаковка цемента

Схема производства портландцемента представлена на рис.47.