Цемент и его производство

Производство цемента: для изготовления цемента сначала добывают известняк и глину из карьеров. Известняк (приблизительно 75 % количества) измельчают и тщательно перемешивают с глиной (примерно 25 % смеси). Дозировка исходных материалов является чрезвычайно трудным процессом, так как содержание извести должно отвечать заданному количеству с точностью до 0,1 %.

Эти соотношения определяются в специальной литературе понятиями «известковый», «кремнистый» и «глиноземистый» модули. Поскольку химический состав исходных сырьевых материалов вследствие зависимости от геологического происхождения постоянно колеблется, легко понять, как сложно поддерживать постоянство модулей. На современных цементных заводах хорошо зарекомендовало себя управление с помощью ЭВМ в комбинации с автоматическими методами анализа.

Правильно составленный шлам, подготовленный в зависимости от избранной технологии (сухой или мокрый метод), вводится во вращающуюся печь (длиной до 200 м и диаметром до 2—7 м) и обжигается при температуре около 1450 °C — так называемой температуре спекания. При этой температуре материал начинает оплавляться (спекаться), он покидает печь в виде более или менее крупных комьев клинкера (называемого иногда и портландцементным клинкером). Происходит обжиг.

В результате этих реакций образуются клинкерные материалы. Полученный обжигом клинкер измельчается с небольшой добавкой гипса (максимум 6 %). Размер зерен цемента лежит в пределах от 1 до 100 мкм. Его лучше иллюстрировать понятием «удельная поверхность». Если просуммировать площадь поверхности зёрен в одном грамме цемента, то в зависимости от толщины помола цемента получатся значения от 2000 до 5000 см² (0,2—0,5 м²). Преобладающая часть цемента в специальных емкостях перевозится автомобильным или железнодорожным транспортом. Все перегрузки производятся пневматическим способом. Меньшая часть цементной продукции доставляется во влаго- и разрывостойких бумажных мешках. Хранится цемент на стройках преимущественно в силосах.

 

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА.
Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса. Клинкер получается результате обжига до спекания сырьевой смеси надлежащего состава, обеспечивающего преобладание в клинкере силикатов кальция. Гипс при помоле клинкера должен добавляться в таком количестве, чтобы содержание SО в портландцементе было не менее 1,5% и не более 3,5%. Каждый процент гипса (СаSО • 2Н О) вносит в цемент 0.47% SO .

Портландцемент может выпускаться без добавок или с активными минеральными добавками в количестве до 15% от веса цемента. Для придания цементу специальных свойств (пониженной водопотребности, повышенного воздухосодержания, гидрофобных свойств и т. д.) в цемент могут вводиться специальные добавки.


СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА.
Основными сырьевыми материалами для производства портландцемента являются широко распространенные в природе осадочные известняковые горные породы с высоким содержанием углекислого кальция (СаСО ) и глинистые породы с высоким содержанием кремнезёма (SiO ), глинозема (Al O )и окиси железа (Fe O ).

К известняковым породам, применяемым в цементной промышленности России, относятся известняки, мел, известковый туф, известняк-ракушечник и др. Все эти материалы представляют собой первый, так называемый известковый компонент сырьевой смеси.

К глинистым породам относится глина, глинистые сланцы, лёсс и др.; они составляют второй компонент сырьевой смеси – глинистый.

Решение вопроса о пригодности сырьевых материалов для изготовления портландцемента и о выборе способа производства принимается на основе всестороннего изучения химического и минералогического составов сырья и исследования его физико-механических свойств.

Наличие в известковом компоненте большого количества включений кварца или кремниевых прослоек осложняет и удорожает подготовку сырьевой смеси, а также неблагоприятно отражается на процессе обжига и качества цемента. Известняки с крупными кремниевыми включениями требуют предварительного обогащения.

Сырьевые материалы с высоким содержанием гипса или пирита для производства портландцемента не применяются, так как серного ангидрида в сырьевой смеси должно быть не больше 2%, с тем чтобы его содержание в клинкере не превышало 3%. Превышение этого предела может привести к получению цемента с неравномерным изменением объема в процессе его твердения.
Повышенное содержание щелочей в сырье нарушает нормальное ведение технологического процесса, в особенности при сухом способе производства, о чем подробно говорится ниже.

Кроме перечисленных выше природных сырьевых материалов, для изготовления портландцемента могут быть использованы отходы других отраслей промышленности: черной и цветной металлургии, газосланцевой промышленности, производства синтетического каучука и др. Так как эти отходы уже подвергались термической обработке, то применение их значительно улучшает технико-экономические показатели работы завода по сравнению с обычными сырьевыми материалами.

Активность минеральных добавок чаще всего оценивается по их способности поглощать известь из водного известкового раствора и набухать при этом. В качестве активных добавок могут быть использованы основные и кислые доменные шлаки коксовой плавки литейного, передельных. В последние годы установлена возможность применения для этой цели так же доменных шлаков специальных марганцевых чугунов.

Пригодность доменного шлака для использования в качестве активной добавки определяется его химическим и минералогическим составом, структурой и гидравлическими свойствами. Обычно используют гранулированные доменные шлаки, то есть шлаки, полученные путем искусственного быстрого охлаждения шлакового расплава, выходящего из доменной печи. Быстрое охлаждение придает шлаку гидравлические свойства. В состав доменных шлаков обычно входят окислы KО, SiO , Al O , MgO и Fe O сернистые соединения CaS, MnS и FeS.

СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА.
Существует несколько способов производства портландцемента:
1. сухой
2. мокрый
3. полусухой
4. комбинированный

Выбор способа производства зависит от особенностей приготовления сырьевой смеси. Два основных способа производства портландцемента – мокрый и сухой ; они различаются по характеру переработки сырьевых материалов, а так же по физическим свойствам сырьевой смеси, поступающей     на обжиг.

При производстве портландцемента мокрым способом применяют следующую технологическую схему. Поступающий из карьера твердый известняк с размерами кусков до 1 м подвергается двух- или трехстадийному дроблению в дробилках с доведением кусков до 8-10 мм. Поступающую из карьера 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. При использовании мягкого известкового компонента (мел, известковый туф и др.) технологическая схема меняется. Мел, раздробленный в вальцовых дробилках вместе с глиной, отмучивается в болтушках, а затем подвергается размолу в мельнице.

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. Полученный клинкер охлаждается в холодильниках, дробится и подается транспортерами в бункеры цементных мельниц для помола или же направляется на хранение механизированных в механизированный шихтовальный двор. Здесь складируются также гидравлические добавки и гипс, которые по мере надобности подаются в бункеры цементных мельниц для совместного помола с клинкером. Твердое топливо для обжига шлама поступает с шихтовальню двора в дробилку, затем в сепараторные мельницы для одновременной сушки и помола. Приготовленный угольный порошок поступает для сжигания в печь при использовании газообразного или жидкого топлива схема упрощается, так как в этом случае сооружение топливоподготовительного отделения не требуется.

Полученный портландцемент транспортируется из мельниц пневматическим путем в силосы для хранения. После определения качества цемента часть его поступает в упаковочную машину. Здесь он автоматически насыпается в бумажные мешки, которые затем отгружаются с завода железнодорожным, автомобильным или водным транспортом. Остальную часть цемента отправляют навалом в специальных железнодорожных вагонах или в контейнерах цементовозах.

При производстве портландцемента сухим способом применят следующую технологическую схему. Поступающие из карьера известняк и глину с низкой влажностью после дробления направляются в сырьевую сепараторную мельницу для одновременного помола и сушки. Полученная сухая сырьевая смесь транспортируется пневматическими установками к смесительным силосам, в которых перемешиваются сжатым воздухом и корректируются. При использовании пластичного глинистого компонента сырьевая мука из силосов направляется в смесительные шнеки, где увлажняется 8-10% воды. Затем эта масса поступает на грануляторы, куда одновременно подается добавочная вода. Здесь происходит образование прочных гранул с влажностью 12-14%, поступающих затем в печь на обжиг. При непластичном глинистом компоненте сырьевая мука транспортируется в питательные дозаторы печи непосредственно из смесительных силосов.

Сырьевая смесь может обжигаться в коротких вращающихся печах с запеченными установками различных конструкций или в длинных вращающихся печах. При обжиге в автоматических шахтных печах, на спекательных решетках и во вращающихся печах конвейерными кальцинаторами сырьевая смесь должна подаваться только в виде прочных гранул. Дальнейшие этапы технологической схемы такие же как и при получении цемента по мокрому способу.
При мокром способе легче получить однородную (гомогенизированную) сырьевую смесь. Поэтому при значительных колебаниях химического состава известнякового и глинистого компонента он чаще применяется. Этот способ используют и тогда, когда сырьевые материалы имеют высокую влажность, мягкую структуру и легко диспергируются водой. Наличие в глине посторонних примесей, для удаления которых необходимо отмучивание, также предопределяет выбор мокрого способа. Размол сырья в присутствии воды облегчается, и на измельчение расходуется меньше энергии. Недостаток мокрого способа – значительно больший расход топлива.

Сухой способ производства целесообразен при сырье с относительно меньшей влажностью и более однородным составом. Он же практикуется в случае, если в сырьевую смесь вместо глины вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании натуральных мергелей и тощих сортов каменного угля с малым содержанием летучих, сжигаемых в шахтных печах. Расход топлива при сухом способе во вращающихся печах гораздо меньше, чем при мокром. Поэтому доля сухого способа производства все возрастает и она должна в ближайшее время значительно увеличиться.

При изготовлении сырьевой смеси по любому способу необходимо стремится к наиболее тонкому помолу, теснейшему смещению сырьевых материалов и к возможно большей однородности сырьевой смеси. Все это гарантирует однородность выпускаемого продукта и является одним из необходимых условий нормальной эксплуатации завода. Резкие колебания химического состава сырьевой смеси нарушают ход производственного процесса. Высокая тонкость помола и совершенное смешение необходимы для того, чтобы химическое взаимодействие между отдельными составными частями сырьевой смеси прошло до конца и возможно в более короткий срок.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА.
Среди строительных материалов цементу принадлежит ведущее место. В современной строительной практике роль цемента в выпуске новых прогрессивных материалов и изделий для полносборного домостроения постоянно возрастает. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, жароизоляции и др. Крупными потребителями цемента являются нефтяная и газовая промышленность. Цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы.