Курсовая работа на тему Цех по производству портландцементного клинкера по мокрому способу

Содержание

Реферат 3

Введение 4

1. Обзор литературных и патентных источников 6

1.1 Сырьевые материалы 6

1.1.1 Карбонатные пароды 7

1.1.2 Глинистые пароды 9

1.1.3 Корректирующие добавки 10

1.1.4 Побочные продукты других производств, применяемых на цементных заводах 12

1.2 Оборудование для производства цемента 13

1.3 Технологии и схемы производства цемента 24

2. Обоснование выбора технологии производства и ее описание 31

3. Характеристика исходного сырья и готовой продукции 38

4. Расчет материальных потоков и составление материального баланса 45

5.Составление теплового баланса 48

Заключение 52

Список использованных источников 53

Реферат

Расчетно-пояснительная записка 53 с., 16 рис., 8 ист., 4 таб.

ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ ЦЕМЕНТ ВРАЩАЮЩАЯСЯ ПЕЧЬ ГИДРОФОЛ

КАРБОНАТНЫЕ ПАРОДЫ ГЛИНИСТЫЕ ПАРОДЫ ДРОБИЛКИ МЕЛЬНИЦА

ХОЛОДИЛЬНИК ДЕКАРБОНИЗАЦИЯ МЕЛ ГЛИНА ПИРИТНЫЕ ОГАРКИ

КЛИНКЕР АЛИТ БЕЛИТ СИЛОС ШЛАМБАССЕЙН ШЛАМ ПИТАТЕЛИ

Целью работы является разработка производства цемента по мокрому способу. Расчетно-пояснительная записка содержит пять разделов.

В первом разделе отражен обзор литературных и патентных источников. Приведена подробная информация о сырьевых материалах, оборудовании, а также схемах и технологиях производства цемента.

Во втором разделе дано обоснование выбора технологии и подробное ее описание.

В третьем разделе приведена характеристика исходного сырья и готовой продукции, их свойств.

В четвертом разделе произведен расчет материальных потоков и составлен материальный баланс процесса.

В пятом разделе произведён теплотехнический расчёт вращающейся печи мокрого способа производства цементного клинкера.

Введение

Цемент – один из важнейших строительных материалов, предназначенных для изготовления бетонов и строительных растворов, скрепления отдельных элементов (деталей) строительных конструкций, гидроизоляции и др.

Цемент представляет собой гидравлический вяжущий материал, который после смешения с водой и предварительного затвердения на воздухе продолжает сохранять и наращивать прочность в воде.

Для строительных нужд вяжущие материалы стали использовать уже в глубокой древности. Первыми искусственными вяжущими веществами были гипс и известь, применявшиеся древними египтянами и греками при возведении монументальных сооружений, частично сохранившихся до наших дней. Позднее в качестве вяжущих веществ использовались известковые растворы с добавкой измельченных вулканических пород (в Древнем Риме) или слабообожженного кирпича-цемянки (в Киевской Руси), придававших им способность твердеть в воде.

В Англии в 1796 г. было получено гидравлическое вяжущее вещество – романцемент – измельченный продукт обжига природных мергелей. Примерно до середины XIX в. романцемент был основным вяжущим, применяемым в гидротехническом строительстве. В начале XIX в. независимо друг от друга Е. Г. Челиев в России и Д. Аспдин в Англии работали над решением проблемы получения гидравлического вяжущего вещества из искусственной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины. Созданное новое вяжущее вещество было названо портландцементом, так как оно в затвердевшем виде по цвету и прочности сильно походило на портландский камень, добываемый вблизи г. Портленда.

Современная строительная техника предъявляет все новые и новые требования к вяжущим материалам. С целью удовлетворения разнообразных потребностей строительства в нашей стране разработаны составы и технология получения специальных видов цементов: быстротвердеющего и особо быстротвердегощего портландцементов, используемых для изготовления железобетонных строительных деталей и конструкций, портландцемента для массивных монолитных бетонных сооружений, дорожный и тампонажный портландцементы, белый и цветные цементы для декоративных целей и другие виды вяжущих материалов специального назначения.

Наряду с расширением ассортимента развивается и культура производства портландцемента, совершенствуется оборудование цементных заводов, увеличивается объем производства.

Цементная промышленность в настоящее время вступила в такой этап развития, когда техническое совершенствование производства, рост выпуска цемента, повышение технико-экономических показателей отрасли должно в основном осуществляться путем реконструкции и технического перевооружения действующих цементных заводов. Предусматривается развитие ускоренными темпами производства цемента сухим способом на основе новейшей технологии.

Цементная промышленность в настоящее время высокомеханизированная отрасль народного хозяйства. На многих заводах непрерывно модернизируется технологическое оборудование, возрастает единичная мощность производственных агрегатов и заводов в целом, внедряются автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Так, на современных заводах устанавливают вращающиеся печи размером 5×185 и 7X230 м для мокрого способа производства и вращающиеся печи 6,4/7X95 м с циклонными теплообменниками для сухого способа производства; введены в эксплуатацию первая технологическая линия мощностью 3000 т/сут с циклонными теплообменниками и декарбоннзатором, мельницы мокрого самоизмельчения производительностью до 600 т/ч, трубные сепараторные мельницы размером 4X13,5 м, автоматизированная система управления технологическими процессами «Цемент-1», функционирующая совместно с рентгеновским квантометром и ЭВМ. Распространяется применение мельниц самоизмельчения типа «Гидрофол». Все более широко используют в производстве различные интенсификаторы технологических процессов: плавиковый шпат, фосфогипс, триэтаноламин, сульфитно-дрожжевая барда, ЛСТМ-1, ЛСТМ-2.

1 Обзор литературных и патентных источников

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного размола портландцементного клинкера и гипса, который добавляют для регулирования сроков схватывания.

Клинкер — главный компонент цемента — получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси, состоящей из природных горных пород — карбонатных (75…80%) и глинистых (25…20%) — и обеспечивающей в клинкере преобладание высокоосновных силикатов кальция.

В качестве сырьевых компонентов применяют также промышленные отходы (нефелиновые шламы, доменные шлаки и др.), заменяющие глинистую и частично карбонатную или только глинистую составляющую сырьевой смеси.

Изменяя состав клинкера, можно получать цементы с разнообразными физическими и химическими свойствами. Изготавливают свыше 30 видов и разновидностей цементов – портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, гидрофобный, пластифицированный, сульфатостойкий, тампонажный, цветной и т. д.

1.1​ Сырьевые материалы

Для производства цемента могут применяться как природные вещества, так и промышленные продукты. Исходными материалами служат минералы, содержащие главные составные части цемента: CaO, SiO2 , Al2O3 и Fe2O3. Соотношение между ними колеблется в относительно узких пределах и обусловливается требуемыми свойствами выпускаемого цемента. Цементная сырьевая смесь должна иметь постоянные модули и коэффициент насыщения.

В зависимости от преобладания того или иного оксида сырьё можно разделить на три группы:

1) сырье, где преобладает CaO, — известковый или карбонатный компонент;

2) сырье, где преобладают алюмосиликаты, — глинистый компонент;

3) корректирующие добавки, с которыми смесь вводится в тот или иной недостающий компонент.

Общим требованием ко всей сырьевой смеси является постоянство состава и содержание минимального количества нежелательных примесей, в частности гипса и других сульфатов, соединений магния (магнезит, доломит), щелочесо —

держащих соединений (полевые шпаты и т.п.).

Двумя основными компонентами сырьевой смеси, как правило, служат известняк и глина или известняк и мергель.

1.1.1​ Карбонатные пароды

Карбонатные и карбонатно-глинистые породы служат поставщиками в сырьевую смесь главным образом оксида кальция. В качестве карбонатных пород используют известняк, мел, мрамор, известняк-ракушечник, известковый туф, мергель и др., в качестве карбонатно-глинистых пород —мергели. Содержание CaO в карбонатном сырье колеблется от 44 до 56, а в мергелях-натуралах – от 40 до 44 %. Наилучшим карбонатным сырьем для цементной промышленности является мел, а также карбонатные породы с однородной аморфной или мелкокристаллической структурой. Нежелательно применять сильно доломитизированные и загипсован- ные известняки. Наименее желательны для цементной промышленности извест -няки с явно выраженной кристаллической структурой (мраморы), а также окремненные известняки.

По физическим свойствам карбонатные породы делятся на мягкие, размучи -ваемые водой; мягкие и средней твердости, не размучиваемые водой; плотные.

Содержание карбонатного компонента в цементной сырьевой смеси обычно достигает 76 – 80%. Поэтому химические и физические свойства этого компонента оказывают решающее влияние на выбор технологии производства цемента и производственных агрегатов.

Карбонат кальция CaCO3 широко распространен в природе. Для производства цемента пригоден карбонат кальция всех геологических формаций. Наиболее чистыми формами известняка являются известковый шпат (кальцит) и арагонит. Известковый шпат имеет гексагональную кристаллическую структуру, а арагонит– ромбическую. Плотность известкового шпата равна 2,7, а арагонита– 2,95 т/м3. Макрозернистой разновидностью известкового шпата является мрамор. Однако использовать мрамор для производства цемента неэкономично, так как при его измельчении резко увеличивается расход электроэнергии и ухудшается спекаемость клинкера.

Известняк—основной вид карбонатного сырья при производстве портландцемента. К известнякам обычно относят породы осадочного происхождения, которые состоят из углекислого кальция СаСОз (не менее 50%) с примесью глинистого материала, доломита, кремнезема, оксидов железа и др. Известняк с примесью глинистых частиц называется мергелистым, с примесью доломита— доломитизированным, с примесью песчаных частиц — песчанистым.

Углекислый кальций СаСОз образует следующие виды известняковых горных пород: зернисто-кристаллический известняк или мрамор; плотный известняк; землисто-рыхлый известняк или мел; известковый туф; известняк-ракушечник; олитовый известняк.

Плотные известняки, широко распространенные, часто имеют мелкокристаллическую структуру. Плотность известняков 2700-2760 кг/м3; прочность на сжатие до 250-300 МПа; влажность 1-6%, твердость известняка находится в интервале от 1,8 до 3,0 по шкале твердости Мооса, а плотность – в интервале от 2,6 до 2,8 т/м3. Наиболее чистый известняк имеет белый цвет. Чаще всего в известняке содержатся примеси глинистых веществ и соединений железа, которые и определяют его цвет.

Известняк имеет в основном мелкозернистую кристаллическую структуру. Твердость известняка определяется его геологическим возрастом: чем древнее геологическая формация, тем, как правило тверже известняк.

Известняки с мажущимися включениями – маложелательное сырье, так как его переработка, особенно в осенне-зимний период, крайне затрудняется из-за смерзаемости и налипания. При измельчении такого сырья в результате различной размалываемости трудно добиться стабильности состава шихты. Обычно оно перерабатывается мокрым способом.

Плотные известняки имеют низкую карьерную влажность ( от нескольких долей до 5 – 6 %).

Для производства портландцементного клинкера наиболее .пригодны мергелистые известняки с невысоким пределом прочности при сжатии, не содержащие кремниевых включений.

С точки зрения геологии мел является относительно молодой осадочной породой, образовавшейся в меловый период. В противоположность известняку мел имеет более рыхлую, землистую структуру; это свойство позволяет отнести мел к сырью, как бы специально предназначенному для мокрого способа произ –водства цемента. Поскольку добыча мела производится без взрывных работ и, кроме того, мел не требует дробления, применения такого сырья значительно снижает стоимость производства цемента. Обычно содержание карбоната кальция в меле составляет 98 – 99 % при незначительных примесях SiO2 , Al2O3 и MgCO3.

Мел относится к мягким, размучиваемым водой породам. Он имеет относительно большую карьерную влажность (от 15 – 20 до 30, а иногда до 37 %), легко разрабатывается в карьерах, может подаваться на завод гидротранспортом, не требует для измельчения большого расхода электроэнергии, но вызывает повышенный расход топлива при обжиге. Недостатком этого вида сырья является то, что в осенне-зимний период оно смерзается и залипает, затрудняя транспортировку всеми видами транспорта, за исключением гидравлического.

Известняк с примесями кремнезема и глинистых веществ, а также оксида железа называют мергелем. Мергели представляют собой переходную ступень к глинам. Благодаря широкому распространению мергели часто служат сырьем для производства цемента.

В геологическом отношении мергели относятся к осадочным породам, образовавшимся при одновременном осаждении карбоната кальция и глинистых веществ. Твердость мергеля ниже твердости известняка; чем больше глинистых веществ содержится в мергеле, тем ниже его твердость. Иногда в мергеле также содержатся битумные составляющие. Цвет мергеля зависит от глинистых веществ и меняется от желтого до серо-черного. Мергели являются прекрасным сырьем для производства цемента, так как представляет собой однородную смесь карбонатной и глинистой составляющих.

Мергель обладает такими же свойствами, что и мел: относится к мягким, размучиваемым водой породам. Он имеет относительно большую карьерную влажность (от 15 – 20 до 30, а иногда до 37 %), легко разрабатывается в карьерах, может подаваться на завод гидротранспортом, не требует для измельчения большого расхода электроэнергии, но вызывает повышенный расход топлива при обжиге. Недостатком этого вида сырья является то, что в осенне-зимний период оно смерзается и залипает, затрудняя транспортировку всеми видами транспорта, за исключением гидравлического.

1.1.2​ Глинистые породы

Другим важным сырьем для производства цемента является глина. Глины в основном представляют собой продукты выветривания щелочных и щелочноземельных алюмосиликатов, таких как полевые шпаты и слюды.

Глины характеризуются высоким содержанием тонких (менее 0,005 мм) фракций, при смешивании с водой образуют пластичное тесто.

В составе глин различают глинистую и неглинистую части, органический материал, обменные ионы и соли. Глинистая часть представлена гидросиликатами алюминия. Часть алюминия в некоторых глинистых минералах замещена магнием. Глинистые минералы характеризуются высокой дисперсностью, но все же имеют кристаллическое строение.

Глинистые минералы подразделяются на следующие основные группы: каолинитовую, галлуазитовую, монтмориллонитовую и гидрослюдистую. В природе чаще встречаются полиминеральные глины.

В зависимости от гранулометрического состава глинистые породы делятся на собственно глины, содержащие примерно 50 % частичек менее 0,01 мм, в том числе около 25 % частичек менее 0,001 мм, и числом пластичности более 17; суглинки, содержащие 30 – 40 % частичек менее 0,01 мм, в том числе 10 – 25 % частичек менее 0,001 мм, и числом пластичности 7 – 17; лессы – рыхлые породы, состоящие в основном из частичек размером 0,01 – 0,05 мм обладающие большой пористостью и низкой пластичностью.

Для , цементного производства применяют следующие виды глинистых пород: глину, суглинок, глинистый сланец, лёсс и лёссовидные суглинки.

Глины — тонкодисперсные осадочные горные породы, состоящие из различных минералов: каолинита, монтмориллонита, гидрослюд и других гпдроалюмосиликатов. Глина при увлажнении разбухает и приобретает пластичность.

Суглинок — глина, содержащая повышенное количество песчаных и пылеватых частиц.

Глинистые сланцы — твердые плотные горные породы с ориентированным расположением слагающих минералов, тонкослоистой структурой и хорошо выраженной способностью раскалываться на тонкие пластинки. Глинистые сланцы по сравнению с глиной характеризуются меньшей влажностью, более постоянным составом и не смерзаются зимой при хранении на складах.

Лёсс — пористая тонкозернистая рыхлая горная порода, состоящая из очень тонких пылевидных частиц кварца, полевого шпата, глинистых материалов и некоторых других силикатов. Он содержит значительное количество карбоната кальция. Пористость лёсса 48…50%, пластичность его невелика.

Лёссовидный суглинок — суглинок, переходный по своим свойствам к лёссу.

Глинистые породы обеспечивают в сырьевой смеси необходимое количество и соотношение кислотных оксидов: SiO2, AL2O3, Fe2O3.

К химическому составу глинистых пород, используемых при производстве цемента, предъявляются следующие требования. Количество СаО неограничено. Допустимое содержание MgO зависит от содержания его в известковом компоненте и ограничивается условием получения клинкера с содержанием MgO не более 5%. Содержание Na2O, К2О в сумме не должно превышать 3…4%, a SO3 не более 1%.

1.1.3​ Корректирующие добавки

Корректирующие добавки вводят в цементную сырьевую смесь в тех случаях, когда ее химический состав не отвечает установленным требованиям. Так, например, в качестве железосодержащей добавки обычно применяют пиритные огарки с сернокислотных заводов. Глиноземистой добавкой служат богатые глиноземом маложелезистые глины, боксит, реже каолин, а кремнеземистой— кварцевые пески, опоки, трепелы.

Для снижения влажности (разжижения) шлама используют жидкие концентраты сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ).

Активные минеральные добавки —это природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с гидратной известью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и в воде. Количество вводимых в цемент активных минеральных добавок может достигать 80% массы цемента.

Природными активными минеральными добавками служат горные породы: осадочного происхождения— диатомит, трепел, опока и глиежи; вулканического происхождения — пеплы, туфы, пемзы, витрофиры, трассы, порфироиды.

К искусственным активным минеральным добавкам относят:

-доменные гранулированные шлаки, получаемые при выплавке чугуна и превращаемые в мелкозернистое состояние путем быстрого их охлаждения;

-топливные шлаки, золошлаковые смеси, золы уноса — отходы, образующиеся при сжигании твердого топлива.

Активные минеральные добавки должны отвечать следующим техническим требованиям:

-обеспечивать конец схватывания теста, приготовленного на основе добавки, гидратной извести и гипсового камня, не позднее 7 сут после затворения;

-обеспечивать водостойкость образца из того же теста в течение не менее 3 сут после помещения схватившегося образца в воду;

-содержание гидрата окиси кальция в жидкой фазе, которая находится в контакте с цементом, приготовленном на основе добавки, клинкера и гипсового камня, должно быть ниже состояния насыщения на величину не менее чем 0,5 миллимоль/л;

-предел прочности образцов-балочек из теста, приготовленного на основе искусственных добавок, гидратной извести и гипсового камня, после пропаривания должен быть не менее 1 МПа при изгибе и 3 МПа при сжатии.

Гипс при получении портландцемента вводится в клинкер в виде гипсового камня. Гипсовый камень CaSO4-2H2O — горная порода осадочного происхождения—добавляют в количестве 3-5% при помоле клинкера для регулирования сроков схватывания цемента. Требования к качеству гипсового камня регламентируются. Содержание CaSO4·2H2O в предварительно высушенном веществе должно составлять для гипса 1-го сорта — не менее 95%, для гипса 2-го сорта — не менее 90%, для гипса 4-го , сорта — не ниже 70%.

При помоле цемента вместо гипса применяют также фосфогипс, борогипс и фторогипс.

Кроме выше перечисленных материалов, в последние годы в производстве вяжущих успешно применяются добавки, ускоряющие или облегчающие протекание отдельных технологических процессов, называемые интенсификаторами. Наиболее широко применяются:

— добавки, облегчающие помол сырьевых смесей и готовых вяжущих материалов. К ним относятся препараты на основе аминов и гликолей – триэтаноламин, этиленгликоль, пропиленгликоль, полигликоль. Эти добавки представляют собой ПАВ, которые, адсорбируясь на поверхности размалываемых зерен, снижают прочность и избыточный потенциал поверхности, чем предотвращают притяжение частиц друг к другу и образование агломератов. При помоле клинкера вводится аминов 0,01 – 0,04 мас.%, а гликолей 0,03 – 0,1 мас.%;

— добавки, снижающие влажность сырьевого шлама и повышающие его текучесть. Для повышения текучести шлама в него можно вводить некоторые ионы, способствующие снижению рыхлости диффузного слоя и выделению из него капельно-жидкой воды. К таким ионам относятся Na+ и РО43-. Ион Na+ вводится в виде растворимых натриевых солей – чаще всего это сода и растворимое стекло. Однако наибольший эффект достигается при одновременном введении Na+ и РО43-.

Для разжижения шламов также используют ПАВ типа ССБ и СДБ. Сульфитно- дрожжевая бражка (СДБ) является отходом производства целлюлозы сульфитным методом. В состав СДБ входят кальциевые или натриевые соли лигносульфоновых кислот, редуцирующие минеральные вещества и вода. Действие ПАВ на шламы состоит в том, что они покрывают поверхность слоем полярных молекул, а это повышает их гидрофильность и облегчает скольжение. В шлам вводят 0,1 – 0,5 % массы сухого вещества.

— добавки, интенсифицирующие обжиг сырьевых смесей. Введенные вместе с сырьем, они снижают температуру спекания и ускоряют процесс клинкерообразования. В качестве таких добавок на цементных заводах применяют колчеданные огарки, флюорит.

Введение в сырьевую смесь 20 – 30% СаСl2 позволяет снизить на 200 – 300 ºС температуру обжига клинкера с образованием в нем особого клинкерного минерала алинита.

1.1.3. Побочные продукты других производств, применяемых на цементных заводах

В качестве сырьевых материалов на некоторых цементных заводах используют отходы различных отраслей промышленности. Наиболее широко применяют доменные шлаки и нефелиновый шлам.

Доменные шлаки представляют собой силикатные и алюмосиликатные расплавы, получающиеся при выплавке чугуна. Благодаря химическому составу (SiO2-38–40 %; Al2O3 – 5 – 14 %; CaO – 43 – 44 %) шлаки могут использоваться вместо глинистого и части карбонатного компонентов. Поскольку некоторые шлаки содержат относительно небольшое количество глинозема (5 – 7 %), то в шихту желательно вводить также добавку, корректирующую силикатный модуль. Расход топлива на обжиг сырьевой смеси на основе шлаков несколько уменьшается по сравнению с расходом топлива на обжиг карбонатно-глинистой сырьевой смеси. Шлаки также используются и как добавка к клинкеру при помоле рядовых портландцементов и шлакопортландцементов.

Нефелиновый (белитовый) шлам — отход производства оксида алюминия из нефелинов, сиенита и других горных пород—в основном (80-85%) состоит из белита 2CaO·SiO2, который полностью заменяет глинистый компонент в сырьевой смеси и примерно на 50% известняковый. При использовании белитового шлама в сырьевую смесь обычно вводят одновременно две корректирующие добавки: глиноземистую и железистую. Недостаток нефелинового шлама — наличие повышенного содержания щелочей. Химический состав шлама, %: SiO2 — 26 – 30; Al2O3 – 2,2 – 6,5; Fe2O3 – 2,1 – 5,5; МgО – 0,2 – 1,8; CaO – 52 – 56; Na2O – 1 – 2,5. Шлам состоит на 80 % из β-С2S и его гидратов, а также CaCO3, алюмината натрия, водорастворимых силикатов натрия и калия. Расход белитового шлама на 1 т клинкера составляет 0,5 – 0,6 т. При производстве клинкера из белитового шлама снижается расход топлива и увеличивается производительность печей.

Огромным, но мало используемым источником сырья являются топливные золы и шлаки. Химический состав зол и шлаков весьма различен и зависит от состава. Большинство зол и шлаков содержит значительное количество оксидов железа и алюминия. В некоторых золах есть много CaO. Золы могут использоваться без дополнительного помола, что сокращает расход электроэнергии на помол сырья. Препятствует широкому применению зол и шлаков на цементных заводах принятый на большинстве предприятий мокрый способ золоудаления.

Также могут использоваться монокальциевый шлам, красный шлам, перспективным является использование отходов углеобогащения.

Минерализаторы — вещества, которые активно участвуют в образовании клинкерных минералов при обжиге и сами частично входят в их состав. В качестве минерализаторов в цементной промышленности используют фосфогипс, плавиковый шпат, кремне-фтористый натрий Na2SiF6, апатит Ca5(PO4)3F, гипс и др.

Фосфогипс — побочный продукт производства фосфорной кислоты, флотационного апатитового концентрата или флотационного фосфата. Фосфогипс в основном состоит из двуводного сульфата кальция CaSO4·2H2O и содержит примеси пятиоксида фосфора, некоторое количество кремнезема и полуторные оксиды АL2Оз и Fe2O3. В цементной промышленности фосфогипс применяют как интенсификатор процесса обжига, а также вместо гипса при помоле цемента.

Плавиковый шпат CaF2 (флюорит)—минерал, содержащий 48,8% F и 51,2% Са. В производстве цемента плавиковый шпат используют, с примесями; при этом CaF2 должно быть не менее 65%.

1.2​ Оборудование для производства цемента

Процесс производства цемента включает следующие стадии:

— добыча сырьевых материалов;

— измельчение (грубое и тонкое);

— дозировка;

— смешивание;

— корректировка;

— гомогенизация смеси;

— обжиг;

— охлаждение клинкера;

— помол.

Цементный сырьевой материал, добытый в карьере, должен быть измельчен перед дальнейшей обработкой. Дробление сырья производится в дробилках и мельницах. Процесс измельчения включает в себя дробление и помол. Дробление представляет собой измельчение сырья до крупнозернистого состояния, а помол – до мелкозернистого.

Имеется множество приемов и способов для правильного выбора дробильного оборудования; при этом очень часто решающую роль играют накопленный опыт и точные знания о возможностях использования этого оборудования.

Дробильно-помольное оборудование классифицируется следующим образом:

— машины для крупного дробления (дробилки) с использованием давления:

а) щековые дробилки;

б) конусные дробилки;

в) валковые дробилки;

— дробилки для ударного измельчения:

а) молотковые дробилки (одно- и двухроторные);

б) дробилки ударно-отражательного действия;

-оборудование для тонкого измельчения с использованием удара (мельницы):

а) шаровые мельницы;

б) трубные мельницы;

в) многокамерны мельницы;

— мельницы, работающие под давлением:

а) кольцевые шаровые мельницы;

б) роликовые мельницы, называемые также валковыми, в которых давление создается пружинами или валками, прижатыми гидравлическим способом к помольной чаше.

По способу прохождения материала различают следующие процессы:

— процессы дробления:

а) дробление с однократным проходом (материал проходит через дробилку только один раз);

б) дробление в замкнутом цикле (слишком крупные зерна снова попадают в дробилку для измельчения до требуемой величины зерен);

— процессы помола:

а) однократный помол (размалываемый материал проходит через мельницу только один раз; такой способ измельчения называют также помолом в открытом цикле);

б) помол в замкнутом цикле (крупные зерна, отделенные от мелких механическим или пневматическим способом, снова возвращаются в мельницу и проходят через нее два раза и более, пока не будет достигнут требуемый размер зерен.

В валковых дробилках загружаемый материал попадает в зазор между вращающимися валками и дробиться под давлением этих валков. Конечная крупность зерен дробленого материала зависит от расстояния между валками. В зависимости от вида материала могут применяться валки с гладкой, ребристой или зубчатой поверхностью.

Щековые дробилки служат для дробления сырьевых материалов между двумя периодически сближающимися щеками. На цементных заводах в эксплуатации находятся в основном щековые дробилки с простым и сложным движением щеки.

В щековой, дробилке с простым движением щеки (рис. 1,)

Рис. 1. Схема щековой дробилки с простым движением щеки

1, 2 – щеки, 3 —ось подвески щеки, 4 -эксцентриковый вал, 5-шатун.

6 – шарнирные соединения, 7 — механизм изменения ширины разгрузочной щели,

8 – пружина, 9, 10. 12 — распорные плиты,11 — тяга замыкающего устройства

подвижная щека 2 жестко посажена на оси 3, которая свободно опирается на горизонтально расположенные подшипники. При этом каждая точка щеки 2,расположенная ниже оси качения, описывает дугу окружности, периодически то приближаясь к неподвижной щеке, то удаляясь от нее. Куски материала, поступая сверху через приемное отверстие, раздавливаются при приближении подвижной щеки к неподвижной и при отходе щеки 2 в первоначальное положение проваливаются через нижнюю выходную щель. Изменяя размер этой щели, можно регулировать крупность дробленого продукта .Дробилки СМД-117 с простым движением щеки применяют на современных высокопроизводительных цементных заводах, работающих на твердом сырье.

Также шитоко используются валковые дробилки.

Одноступенчатая валковая дробилка

Рис. 2

1 – валок; 2 – рама дробилки; 3 – пружины; 4 – шкив; 5 – шестерня.

На рис. 2 показаны конструкция и принцип действия валковой дробилки. Валок 1 жестко закреплен на раме дробилки 2, а другой валок может перемещаться в горизонтальном направлении под действием пружин 3. Упругие пружины предохраняют валок от разрушения при попадании недробимого материала (зубьев ковша экскаватора, стальных предметов и т. д.). Для предотвращения трения материала о валки в процессе дробления оба валка имеют одинаковую частоту вращения. Двигатель через клиноременной шкив 4 и шестерню 5 приводит в действие жестко закрепленный валок и затем с помощью зубчатой пары вращает подвижный валок. Существуют также конструкции, в которых каждый валок приводится в действие своим двигателем. Степень измельчения при применении одной пары валков составляет от 5 до 7.

Для получения более высокой степени измельчения без использования двух отдельных дробилок применяют валковые дробилки с двумя парами валков, установленных один над другим. При этом верхняя пара валков служит для первичного дробления, а нижняя пара – для вторичного. В особых случаях для дробления материалов применяют также трехступенчатые валковые дробилки.

На рис. 3 схематично показана конструкция двухступенчатой валковой дробилки, а на рис. 4 – трехступенчатой.

Двухступенчатая валковая дробилка

Рис. 3

Трехступенчатая валковая дробилка

Рис. 4

Молотковые дробилки нашли широкое применение в цементной промышленности. Они используются для дробления твердого известняка и известняка средней твердости, а иногда – для дробления мергеля. Зависимости от вида дробимого материала степень измельчения в молотковых дробилках составляет от 40 до 60. Высокая степень измельчения в молотковых дробилках иногда позволяет обойтись без применения многоступенчатых установок. Выпускают два типа молотковых дробилок – однороторные и двухроторные. На рис. 5 оказана схема однороторной дробилки, а на рис. 6 – двухроторной.

Однороторная молотковая дробилка

Рис. 5

В дробилках обоих типов загружаемый материал вначале подвергается первичному дроблению ударными молотками и проходит через загрузочную решетку. Затем на стержнях нижней колосниковой решетки материал подвергается вторичному дроблению. Наличие двух решеток позволяет считать эти дробилки двухступенчатыми. Расстояние между стержнями решетки определяет крупность измельченного материала. Крупность зерен равна примерно половине расстояния между стержнями решетки. Обычно зазор между стержнями нижней решетки равен 25 – 30 мм. При повышенной влажности загружаемого материала зазор между стержнями увеличивается до 60 мм. В зависимости от назначения материала зазор между решетками может достигать 200 мм. При влажном и клейком материале для решетки применяются стержни треугольного сечения, в остальных случаях – трапециидального.

В современных моделях молотковых дробилок не устанавливают первичных решеток, так как они часто засоряются.

Двухроторная молотковая дробилка

Рис. 6

Ударное воздействие молотков на дробимый материал не равномерно. Неравномерность нагрузок на дробилку и двигатель привода выравнивают с помощью массивных маховиков. Обычно в двухроторных дробилках каждый ротор приводится в действие собственным двигателем.

После дробления и помола сырьевые материалы направляются для приготовления сырьевой смеси. Для приготовления сырьевой смеси по мокрому способу, которая представляет собой шлам влажностью 40 %, на первой стадии применяют два основных агрегата: болтушку и аппарат самоизмельчения – гидрофол. Их применят для помола и роспуска в воде глины и мела или известняка.

Устройство болтушек. Глиноболтушка (рис. 7) представляет собой железобетонный бассейн 1, выполненный в форме неправильного семигранника. В центре бассейна расположен бетонный фундамент 12, который служит опорой для вращающейся части болтушки.

Одна из стенок бассейна, образующая с другой стенкой прямой угол, имеет отверстие 2для выпуска готового шлама. Через это отверстие шлам попадает в канал, откуда он транспортируется далее центробежными шламнасосами.

Рис.7 Глиноболтушка

} — бассейн, 2 — выходное отверстие, 3 — мост, 4 — редуктор, 5 — электродвигатель, вертикальная ось, 7 —приводная опора,8—ведомая шестерня, 9 — опорный круг,10 —по воротная рама, 11 — бороны,12 — фундамент, 13— стержень, 14 — клин

Выходное отверстие 2 болтушки оборудовано выпускной решеткой, состоящей из четырех кассет, которые выполнены с продольными щелями и отверстиями. Ось 6вмонтирована в стальную ступицу, которая забетонирована и закреплена в фундаменте 12болтами. На свободный конец оси на подшипниках качения насажен опорный круг 9, к которому болтами крепится ведомая шестерня 8 и поворотная рама 10 с двумя боронами11, подвешенными на цепях. На боронах установлены регулируемые по высоте стержни13, на нижние части которых насажены клинья 14. Чтобы предохранить клинья от ис​тирания, их поверхности наплавляют твердым сплавом.

Болтушка снабжена сдвоенным приводом, смонтированным на опорах 7. Опоры установлены на жестком стальном мосту 3, который опирается на стенки бассейна. Каждый привод состоит из электродвигателя 5, редуктора 4, втулочной пальцевой муфты, промежуточного вала и цилиндрической шестерни.

Основной недостаток болтушек состоит в том, что для их установки необходимы значительные производственные площадки. Более удобное и высокопроизводительное размучивающее оборудование— мельницы самоизмельчения «Гидрофол».

Мельница «Гидрофол» (рис. 8) представляет собой короткий полый барабан 3,который опирается на два цапфовых подшипника 11. Внутренняя полость барабана футерована броневыми плитами 4 из износостойкого материала. Броневые плиты отливаются с подъемными ребрами (лифтерами 13), которые служат подъемниками для измельчаемых материалов.

К фланцам торцовых стенок барабана, снабженных двумя рядами кольцевых плит конического сечения, присоединены загрузочная 2 и разгрузочная 5 опорные цапфы. Со стороны разгрузки расположена выходная классифицирующая решетка 12,через ко​торую проходит готовый шлам. Готовый шлам ковшами подается в разгрузочную горловину 10. Для выделения крупных частиц из шлама разгрузочное устройство оснащено двойным коническим ситом с отверстиями размером 10 и 40 мм, называемым бутарой 7.

Устройство мельницы Гидрофол».

Рис. 8. Мельница самоизмельчения «Гидрофол»:

1, 10 — горловины, 2,5 — цапфы, 3 — барабан, 4 — броневые плиты, 6 — шестерня,

7 — бутара, 8 — электродвигатель, 9 — редуктор. II — подшипники. 12 — решетка,

13 — лифтеры, 14 — втулка

Мельница вращается с помощью зубчатой венцовой шестерни 6 от редуктора 9 и электродвигателя 8. Мельница кроме главного привода снабжена вспомогательным для медленного вращения барабана-при ремонте. Материал загружается в мельницу через горловину и втулку 14 полой цапфы. В барабане материал лифтерами 13-поднимается, а затем падает с большой высоты, измельчаясь при ударах кусков один о другой и о броневые плиты 4.

Преимущества мельницы «Гидрофол» — высокая производительность, простота конструкции и обслуживания, небольшая частота вращения рабочих органов, низкая удельная затрата электроэнергии.

Вторая стадия приготовления шлама состоит в совместном измельчении пиритных огарок с водной суспензией глины и мела или известняка. Суспензия дозируется в мельницу. Сюда же дозируются пиритные огарки и вода при необходимости. Корпус мельницы представляет собой цилиндр, закрытый с двух сторон торцовыми стенками. С одной стороны установлена полая цапфа, а с другой стороны вмонтирован патрубок для выгрузки шлама. Как правило, используются двухкамерные мельницы. Впервой камере для помола используются шары, а во второй – цильбепсы.

Шлам, доведенный до требуемой тонины, при помощи шламового насоса перекачивается в вертикальный, а затем в горизонтальный шлам-бассейны. После этого шлам поступает во вращающуюся печь на обжиг.

Вращающаяся печь (рис. 1.10) представляет собой горизонтальный барабан, установленный под углом 3 — 4°. Скорость вращения составляет 1 – 1,5 об/мин.

Вращающуюся печь можно условно разделить на 6 зон:

1)​ зона сушки;

2)​ зона подогрева;

3)​ зона декарбонизации (кальцинирования);

4)​ зона экзотермических реакций;

5)​ зона спекания;

6)​ зона охлаждения.

Вращающаяся печь

Рис. 9

В зоне сушки происходит удаление механической влаги при нагревании материала от температуры окружающей среды до температуры 150° С. Для интенсификации процесса сушки в этой зоне предусмотрены теплообменные устройства. Как правило, это цепные завесы. Их использование позволяет увеличить поверхность теплообмена. На выходе из зоны цепных завес материал должен иметь влажность 8 – 12 %, так как при этой влажности практически все вещества способны к гранулированию.

Размер зоны цепных завес подбирается экспериментально. Если длина зоны цепных завес большая, то увеличивается пылеунос, то есть закатывание гранул происходит в середине зоны, а потом разбиваются. Если же длина зоны цепных завес недостаточная, то материал покидает зону с влажностью, большей 8 – 12 %. Это замедляет сушку и сдвигает ее в зону подогрева.

На входе в зону сушки температура материала составляет 150°С, а на выходе — 800°С. При нагревании материала происходит выгорание органических примесей, при температуре 550 — 650°С происходит разложение карбоната магния, происходит удаление кристаллизационной воды из глинистых минералов. При температуре 600 — 900°С происходит разложение глинистых минералов на оксиды. Существует несколько гипотез разложения глинистых минералов:

1) Al2O3·2 SiO2 · 2Н2О → Al2O3·2 SiO2 + Н2О;

Al2O3·2 SiO2 → Al2O3 + 2 SiO2 ;

2) Al2O3·2 SiO2 · 2Н2О → Al2O3· SiO2 + SiO2+ Н2О;

Al2O3· SiO2 → Al2O3 + SiO2 .

В конце этой зоны начинает разлагаться карбонат кальция.

На входе в зону декарбонизации температура материала составляет 800°С, а на выходе — 1100°С. В этой зоне происходит непосредственно процесс разложения карбоната кальция, заканчиваются процессы разложения глинистых минералов. В конце зоны начинают протекать твердофазные реакции – образование белита:

2CaO + SiO2 → 2 CaO · SiO2 .

Также происходит реакция насыщения Al2O3 CaO:

Al2O3 + CaO → CaO · Al2O3 ;

CaO · Al2O3 + CaO → 3CaO · 5Al2O3 и др.

В зоне экзотермических реакций начальная температура материала составляет 1100°С, а конечная — 1300°С. В этой зоне протекают реакции с выделением теплоты, то есть экзотермические реакции:

— наиболее интенсивное образование белита;

— дальнейшее насыщение алюмината:

3CaO · 5Al2O3 + CaO → 3CaO · Al2O3 ;

— идет образование четырехкальциевого алюмоферита:

4CaO + Al2O3 + Fe2O3 → 4CaO · Al2O3· Fe2O3.

В этой зоне при температуре 1300°С возможно образование локальных эвтектик, то есть точечное образование расплава. А, следовательно, будет образовываться алит:

2CaO · SiO2 + CaO → 3CaO · SiO2.

В зоне спекания температурный интервал составляет 1300 — 1300°С, но наблюдается температурный максимум 1450°С.

В зоне спекания образуется расплав, в которой происходит образование алита: в жидкой фазе (расплаве) происходит растворение белита, который в жидкой фазе насыщается CaO с образованием 3CaO · SiO2.растворимость алита ниже, чем белита. В результате чего происходит его кристаллизация.

В зоне охлаждение температура материала снижается с 1300 до 1100°С. Зону охлаждения специально не проектируют. Она образуется в результате того, что дымовые газы подаются противотоком, которые образуются в результате сгорания топлива. Для подачи в печь топлива предусмотрены горелки, которые монтируются не с торца печи, а заходят в печь. Именно это расстояние – от торца печи до факела горелки – и есть зона охлаждения.

Дальше, после печи, полученный клинкер направляется на охлаждение в холодильники. Охлаждение должно быть очень быстрым и резким, так как при медленном охлаждении могут протекать следующие негативные процессы:

— явление силикатного расплава:

3CaO · Al2O3 → 2CaO · SiO2 + CaO;

— модификационный переход алита:

β — 3CaO · Al2O3 → γ — 3CaO · Al2O3.

Для охлаждения клинкера используют следующие основные типы холодильников:

— барабанный;

— рекуператорный (планетарный);

— колосниковый;

— шахтный.

Барабанный холодильник относится к самому старому и широко используемому типу клинкерных холодильников (рис. 10). Он состоит из вращающегося цилиндра, следующего за печью. Вращающиеся печи длиной 60 – 90 м оборудованы барабанными холодильниками диаметром от 2 до 5 м, длиной от 20 до 50 м. Обычно барабанный холодильник имеет наклон к горизонтали 3-4°. Холодильник и вращающаяся печь наклонены в разные стороны, что позволяет разместить холодильник под вращающейся печью. Холодильник опирается на два бандажа и имеет независимый от вращающейся печи привод с зубчатым венцом и шестерней. Частота вращения барабанных холодильников достигает 8 об/мин. Около 70% длины барабанного холодильника зафутеровано огнеупорным кирпичом. Барабанные холодильники имеют подъемные планки или пересыпные лопасти из огнеупорных материалов или термостойких сталей. Благодаря разрежению во вращающейся печи холодный воздух всасывается через открытый конец барабанного холодильника. Воздух проходит через холодильник противотоком движению клинкера. На входе в печь температура воздуха составляет 400 – 750 °С.

Клинкер из вращающейся печи при температуре 1300 – 1350°С через разгрузочную шахту попадает в барабанный холодильник, выходя из которого имеет температуру 150 – 300°С.

Барабанный холодильник

Рис. 10

Производительность барабанных холодильников составляет 2,5 – 3,5 т/(м3·сут). Наличие пересыпных лопастей, способствующих подъему и перемешиванию материала в барабанном холодильнике, позволяет повысить степень заполнения холодильника практически до наблюдаемой во вращающейся печи. К недостаткам этого типа холодильников относится недостаточное охлаждение и низкая производительность.

Также для охлаждения используются планетарные холодильники. Планетарный холодильник (рис. 12 и 13) состоит из нескольких, обычно 8 – 12, сварных металлических цилиндров (труб), установленных в виде венца по окружности горячего конца вращающейся печи и формирующих ее внешнюю часть. Планетарные холодильники не имеют собственного привода и вращаются вместе с печью. Каждый из них (рекуператор) на участке, составляющем до 25% полной длины, футерован огнеупорами. Остальная часть для интенсивного теплообмена оборудована цепными завесами или подъемными устройствами. Через отверстия в корпусе печи клинкер поступает в планетарные холодильники. Охлаждение осуществляется противотоком. Весь охлаждающий воздух подается в печь и идет на горение топлива. Клинкер в планетарном холодильнике обычно движется параллельно перемещению клинкера во вращающейся печи. Однако имеются планетарные холодильники, способные перемещать клинкер в противоположном направлении.

К достоинствам планетарных холодильников относится отсутствие специального привода для его вращения. Также достоинством является то, что не требуется пылеулавливание, и то, что воздух, подаваемый на горение, имеет высокую температуру. Недостатком является высокая нагрузка на горячий конец печи и трудность прикрепления рекуператоров к печи.

Продольный разрез вращающейся печи с планетарным холодильником

Рис. 11

После охлаждения клинкер направляют на помол в трубную мельницу. Клинкер должен подаваться на помол с температурой не более 70°С, так как при помоле механическая энергия переходит в тепловую, то есть в мельнице сырьевая смесь нагревается и происходит дегидратация, что может привести к ложному схватыванию цемента.

Для снижения энергозатрат при помоле клинкера в мельницу вводят добавки-интенсификаторы помола, как правило, ПАВ. Кроме того, в мельницу производят впрыск воды для снижения пыления и температуры

На тонину помола влияет несколько факторов:

— минералогический состав клинкера;

— конфигурация бронеплит и форма мелющих тел;

— режим помола;

— отношение длины мельницы к ее диаметру;

— степень заполнения мельницы мелющими телами.

После помола цемент направляется в силоса готовой продукции, а затем к потребителю.

1.3​ Технологии и схемы производства цемента

Процесс получения портландцемента можно разделить на два этапа – приготовление клинкера и получение из клинкера цемента путем совместного помола его с гипсом, активными минеральными и другими добавками (если они используются).

Основная задача в производстве цемента – получение клинкера строго определенного минералогического состава, что зависит от состава и качества сырья, соотношения между компонентами, однородности сырьевой смеси, режима обжига и охлаждения клинкера. Получение клинкера – наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат.

Сырьевая смесь для производства цементного клинкера должна содержать 75– 78% кальциевого и 22 – 25% глинистого вещества, а также 2 – 4% оксида железа. Горные породы, удовлетворяющие этим требованиям, в природе встречаются редко. Для получения клинкера заданного состава в сырьевую смесь вводят различные корректирующие добавки.

Существуют три способа производства цемента – мокрый, сухой и комбинированный.

Мокрый способ целесообразно применять, если в глине имеются посторонние примеси при значительных колебаниях химического состава сырья и его высокой влажности. К недостаткам этого способа относится высокий расход топлива на обжиг – в 1,5 – 2 раза больший, чем при сухом.

На рис. 1.15 приведена технологическая схема получения цемента по мокрому способу при использовании мягких легко размучивающихся горных пород. Мел и глина, измельченные и размученные в мельницах «Гидрофол», перекачиваются в виде шлама с влажностью 36 – 55% в многокамерную шаровую мельницу. Материалы измельчаются до остатка 3% на сите 0,2 – 0,5 и 3,5 – 12% на сите 008. Одновременно с мелом и глиной в мельницу подаются корректирующие добавки. Полученный тонкоизмельченный шлам поступает в вертикальные шламбассейны, которые представляют собой железобетонные или металлические цилиндры вместимостью до 1600 м3.

Из вертикальных шламбассейнов отбирают пробы шлама для определения химического состава, который контролируют количественным содержанием в нем карбонатом кальция. Если состав шлама не отвечает заданному и отклоняется от него в ту или иную сторону, то его корректируют путем смешивания с ранее подготовленным шламом. Смешивание производится в таком количественном соотношении, чтобы состав смеси полностью соответствовал заданному. Обычно содержание карбоната кальция в шламе составляет 75 – 78%. Отклонение от него допускается не более 0,1%. Откорректированный шлам хранится в горизонтальных шламбассейнах. Из них шлам перекачивают мощными насосами в распределительный бачок, установленный над печью. Из бачка шлам поступает в печь на обжиг.

Выходящий из печи клинкер интенсивно охлаждается в колосниковом холодильнике и поступает на клинкерный склад, где выдерживается 3 – 4 недели. Здесь создается промежуточный запас клинкера, обеспечивающий бесперебойную работу завода. Кроме того, в клинкере при вылеживании совершается в естественных условиях ряд физико-химических процессов, способствующих повышению качества и стабилизации свойств цемента, поэтому выдерживание клинкера на складе представляет собой отдельную технологическую операцию. При выдерживании происходит гашение атмосферной влагой несвязанного оксида кальция. Одновременно с этим стекловидная часть клинкера кристаллизуется, двухкальциевый силикат из β- модификации частично превращается в γ-форму. Все это приводит к стабилизации состава клинкера, некоторому разрыхлению его и облегчению последующего помола. Помимо клинкера, на клинкерных складах хранятся предварительно раздробленные минеральные добавки, которые вводят в состав цемента при помоле клинкера.

Технологическая схема получения цемента по мокрому способу

Рис. 12

1 – щековая дробилка; 2 – молотковая дробилка; 3 – склад сырья; 4 – мельница Гидрофол; 5 – мельница мокрого помола; 6 – вертикальный шламбассейн; 7 – горизонтальный шламбассейн; 8 – вращающаяся печь; 9 – холодильник; 10 – клинкерный склад; 11 – мельница; 12 – силос цемента.

Открытые клинкерные склады оборудованы мостовыми кранами с грейферными захватами, с помощью которых клинкер и минеральные добавки подают в расходные бункера цементных мельниц.

В силосных складах составляющие цемента поступают на сборный ленточный конвейер, который доставляет их к мельницам. Питание шаровых мельниц осуществляется с помощью тарельчатых дозаторов, установленных под расходным бункером возле каждой мельницы. Одновременно с размалываемыми материалами в мельницы подают интенсификаторы помола.

Влажность размалываемых материалов не должна превышать у клинкера – 0,3%, у минеральных добавок – 2, у гипса – 10%. При необходимости минеральные добавки перед помолом высушиваются.

Тонкость помола оказывает существенное влияние на свойства цемента. Чем тоньше размолот клинкер, тем быстрее схватывается и твердеет цемент и выше его прочность в начальные сроки твердения.

Тонкость помола должна быть такой, чтобы при просеивании не менее 85% цемента свободно проходило через сито 008. При этом удельная поверхность цемента не должна быть меньше 2500 – 3000 см2/г и превышать 7000 см2/г. Из шаровых мельниц цемент пневмотранспортом загружают в силоса. Вместимость силосов 2500 0 10000т, а иногда и более. Силоса оборудованы пневматическими устройствами для рыхления и гомогенизации цемента при хранении.

Цемент упаковывается в мешки специальными машинами, производительность которых 120 т/ч. Каждая партия его снабжается паспортом, в нем указываются масса, марка, название цемента.

Сухой способ рационально применять при использовании сырья однородного состава с небольшой влажностью, натуральных мергелей и замене глины гранулированным доменным шлаком.

При производстве цемента по сухому способу сырьевые материалы в зависимости от твердости измельчают в дробилках различной конструкции до кусков размером 25 – 30 мм и, если влажность их превышает 8%, подсушивают в прямоточных сушильных барабанах (рис. 1.16). Подсушенные материалы в требуемых соотношениях поступают в мельницу сухого помола, где производятся их сушка и тонкое измельчение. Размолотая сырьевая мука подается в гомогенизационные силоса, над которыми расположены бункеры тонкоизмельченных корректирующих добавок. В этих силосах сырьевая мука тщательно перемешивается и корректируется.

Технологическая схема получения цемента по сухому способу

Рис. 13

1 – бункер известняка; 2 – щековая дробилка; 3 – молотковая дробилка; 4 – бункер глины; 5 – валковая дробилка; 6 – объединенный склад сырья; 7 – мельница аэрофол; 8 – циклон-осадитель; 9 – промежуточный силос; 10 – сепаратор; 11 – мельница; 12 – гомогенизацинный силос; 13 – запасной силос; 14 – печь с циклонным теплообменниками; 15 – холодильник; 16 – склад клинкера и добавок; 17 – мельница; 18 – цементный силос.

Из гомогенизационных силосов сырьевая мука поступает в расходные силоса и далее в циклонные теплообменники вращающейся печи. Полученный клинкер после выдерживания измельчается вместе с добавками и поступает в силоса цемента.

Комбинированный способ производства цементного клинкера позволяет использовать преимущества подготовки сырьевой смеси по мокрому способу и одновременно снизить расходы теплоты на обжиг.

При комбинированном способе подготовки сырьевые материалы дробятся на куски размером 8 – 25 мм и поступают на тонкое измельчение в мельницу мокрого помола. Сырьевой шлам корректируется по той же схеме, что и при мокром способе производства, и поступает в вакуум-фильтры. Здесь он обезвоживается до 16 – 18% и транспортируется на обжиг в виде полусухой массы.

Достоинства и недостатки способов производства цемента сведены в табл. 1.

Таблица 1.
Мокрый способ

Сухой способ

Комбинированный способ

Достоинства

Высокое качество цемента, лучшие санитарно-гигиенические условия труда

Низкие энергозатраты (в 1,5 раза ниже, чем при мокром), меньший объём дымовых газов

Затраты на топливо меньше, чем по мокрому; высокое качество цемента

Недостатки

Высокий расход топлива

Повышенный пылеунос, большие капитальные затраты на строительство, низкое качество цемента, большое количество оборудования

Невысокая прочность гранул приводит к повышенному пылеуносу, грамоздкость технологической схемы, сложность оборудования для обжига

Обзор патентных источников представлен в таблице 2

Таблица 2.

Название

Автор(ы)

Формула изобретения

Способ сжигания изношенных автопокрышек

Устин В.Ф., Барон В.А., Платонов В.С.

Способ сжигания изношенных автопокрышек во вращающейся печи путем подачи их внутрь корпуса печи через патрубок в зону высоких температурна слой обжигаемого материала отличается тем, что покрышки подают таким образом, чтобы они попадали на участок пересечения динамического и статического откосов обжигаемого материала.

Сырьевая смесь для пролучения портландцементного клинкера

Клепиков Г.Я., Ярыгин Л.А.

Сырьевая смесь для пролучения портландцементного клинкера, включающая глинистый и известняковый компоненты, огарки и добавку отличается тем, что она содержит в качестве добавки “Мицезол” – отход производства пеницилина и стрептоцина состава, мас.%: протеин – 3,5 – 4, зола 15 – 27, вода 60 – 75, углеводы и липиды – остальное, при следующем соотношении компонентов смеси, мас.%:

-​ глинистый компонент 16 – 21;

-​ огарки 1,5 – 2;

-​ “Мицезол” 1 – 12;

-​ известковый компонент – остальное.

Вращающаяся печь для обработки материалов

Староверов А.А., Тесля В.Г., Горшков Н.И.

1.​ Вращающаяся печь для обработки материалов, содержащая соеденительную шахту с барабанным холодильником и камеру в шахте с устройством для подачиматериала в холодильник отличается тем, что камера выполнена в виде расширенной части соеденительной шахты под вращающейся печью, против которой установлена поперек шахты наклонная подина, и площадка под шахтой для подачи материала в холодтльник, при этом в камеру подведен трубопровод. Соединенный с нагнетателем воздуха.

2.​ Вращающаяся печь по п.1 отличается тем, что боковвые стенки соеденительной шахты в нижней части выполнены наклонными и основания их расположены под боковыми краями плодадки для

Продолжение табл.1.2.
для подачи материала в холодильник.

3. Вращающаяся печь по п.п.1 и 2 отличается тем, что площадка для подачи метериала в холодильник выполнена в виде тележки, соединенной тягой с кривошипно-шатунным механизмом привода.

Камплексная добавка

Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Герчин Д.В, Шагин В.Ю., Сычева А.М., Титова Т.С., Темников Ю.Н.

Комплексная добавка, содержащая хромат калия K2CrO4 и железо отличается тем, что она содержит вышеуказанные компоненты при следующем соотношении, масс.%:

— хромат калия 61 – 75;

— железо 25 – 39.

Камплексная добавка

Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Герчин Д.В, Шагин В.Ю., Шагина Н.Н., Комохов П.Г., Огнев М.Г., Саиойлов А.А.

Камплексная добавка, включающая метилцеллюлозу и белоксодержащий продукт отличается тем, что в качестве белкосодержащего продукта она содержит ржаную муку при следующих соотношении компонентов, мас.%:

-​ метилцеллюлоза 28 – 32;

-​ белоксодержащий продукт 68 – 72.

Камплексная добавка

Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Герчин Д.В, Шагин В.Ю., Шагина Н.Н., Комохов П.Г., Огнев М.Г., Саиойлов А.А., Алиев Р.Р., Чернаков В.А., Гельман В.А.

Камплексная добавка, включающая амилозу и пластификатор отличается тем, что она содержит пластификатор С-3 при следующем соотношении компонетов, мас.%:

-​ пластификатор С-3 48 – 52;

-​ амилоза 48 – 52.

Сырьевая смесь для пролучения портландцементного клинкера

Штернфельд В.Д., Чумарин Б.А., Погорелов С.А., Савин А.П., Гурьев А.Г.

Сырьевая смесь для пролучения портландцементного клинкера включающая карьонатный компонент, доменный шлак, алюмосиликатный компонент, сталеплавильный шлак отличается тем, что в качестве алюмосиликатного компонента она содержит глину, а в качестве сталеплавильного шлака – конвертерныый шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбонатный компонент 65 – 79; доменный шлак 1 – 14,2; глина 5 – 18; конвертерный шлак 5 – 8.

2 Обоснование выбора технологии производства и ее описание

Процесс производства портландцемента состоит из следующих основных технологических операций: добычи сырьевых материалов; приготовления сырьевой смеси, обжига сырьевой смеси и получения цементного клинкера; помола клинкера в тонкий порошок с небольшим количеством некоторых добавок. В зависимости от физических свойств сырья различают мокрый, сухой и комбинированный способы производства портландцементного клинкера.

При мокром способе производства измельчение сырьевых материалов, их перемешивание, усреднение и корректирование сырьевой смеси осуществляются в присутствии определенного количества воды, а при сухом способе все перечисленные операции выполняются с сухими материалами. Мокрый способ приготовления сырьевой смеси применяют, когда физические свойства сырьевых компонентов (пластичной глины, известняка, мела с высокой влажностью и т. д.) не позволяют организовать экономичный технологический процесс производства сырьевой смеси по сухому способу производства. При комбинированном способе сырьевую смесь при​готовляют по мокрому способу, затем ее максимально обезвоживают (фильтруют) на специальных установках и в виде полусухой массы обжигают в печи. Наиболее широкое распространение получил мокрый способ, затем сухой и после комбинированный.

В нашей республике всего один завод работает по сухому способу – г.Костюковичи. Все остальные предприятия работают по мокрому способу, самые крупные «Красносельскстройматериалы» и «Кричевский цементный завод».

Каждый из перечисленных способов имеет свои достоинства и недостатки:

При сухом способе производства достоинством являются низкие энергозатраты (в 4,5 раза меньше, чем при мокром и комбинированном способах), расход тепла на стадии обжига ниже в 1,5 – 2 раза, чем при мокром способе и требуется меньшее количество дымовых газов. Недостатков гораздо больше, чем достоинств: повышенный пылеунос, большие капитальные затраты на строительство, большие размеры оборудования, что усложняет технологическую схему, качество цемента низкое. Сухой способ рационально применять при использовании сырья однородного состава с небольшой влажностью, натуральных мергелей и замене глины гранулированным доменным шлаком.

При мокром способе производства получают цемент лучшего качества, так как достигается высокая гомогенность системы, также создаются лучшие санитарно-гигиенические условия труда, так как ниже пылеунос и запыленность. Главным и единственным недостатком является высокий расход топлива.

Мокрый способ целесообразно применять, если в глине имеются посторонние примеси при значительных колебаниях химического состава сырья и его высокой влажности. Также при производстве цемента по мокрому способу более эффективен помол, чем при сухом.

При комбинированном способе производства затраты на топливо меньше, чем при мокром способе, высокое качество цемента, но невысокая прочность гранул приводит к повышенному пылеуносу, также недостатком является громоздкость оборудования, что усложняет технологическую схему.

На цементных заводах, работающих по мокрому способу, в качестве сырьевых материалов для производства портландцементного клинкера обычно используют мягкий глинистый и твердый известняковый компоненты. В этом случае технологическая схема производства цемента выглядит следующим образом:

Начальной технологической операцией получения клинкера является измельчение сырьевых материалов. Необходимость тонкого измельчения сырьевых материалов определяется тем, что однородный по составу клинкер можно получить лишь из хорошо перемешанной сырьевой смеси, состоящей из мельчайших частичек ее компонентов. Куски исходных сырьевых материалов нередко имеют размеры до 1200 мм. Получить из таких кусков материал в виде мельчайших зерен можно только за несколько приемов. Вначале куски подвергаются грубому измельчению, дроблению, а затем тонкому помолу. Для грубого измельчения материалов применяют различные дробилки, а тонкое измельчение в зависимости от свойств исходных материалов производят в мельницах или в болтушках в присутствии большого количества воды.
При использовании в качестве известкового компонента мела, его измельчают в болтушках. Если применяют твердый глинистый компонент, то после дробления его направляют в мельницу. Из болтушки глиняный шлам перекачивают в мельницу, где измельчается известняк. Совместное измельчение двух компонентов позволяет получать более однородный по составу сырьевой шлам.
В сырьевую мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Однако даже при самой тщательной дозировке исходных материалов не удается получить из мельницы шлам необходимого химического состава из-за колебаний химического состава сырья одного и того же месторождения. Чтобы получить шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах.
Для этого в одной или нескольких мельницах приготовляют шлам с заведомо низким или высоким содержанием CаCO3 (называемым титром) и этот шлам в определенной пропорции добавляют в корректирующий шламовый бассейн.
Приготовленный таким образом шлам, представляющий собой сметанообразную массу с содержанием воды до 35-45%, насосами подают в расходный бачок, откуда равномерно сливают в печь. Для обжига клинкера при мокром способе производства используют вращающиеся печи. Они представляют собой стальной барабан длиной до 150-230 м и диаметром до 7 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом; производительность таких печей достигает 1000-3000 т клинкера в сутки. Барабан печи устанавливают с уклоном 3-40 гр. Шлам подают с холодного конца печи, а топливо в виде газа, угольный пыли или мазута вдувают в печь с противоположной стороны (горячего конца). В результате вращения наклонного барабана находящиеся в нем материалы продвигаются по печи в сторону ее горячего конца. В области горения топлива развивается наиболее высокая температура: материала — до 1500ºС, газов — до 1700ºС, и завершаются химические реакции, приводящие к образованию клинкера.
Дымовые газы движутся вдоль барабана печи навстречу обжигаемому материалу. Встречая на пути холодные материалы, дымовые газы подогревают их, а сами охлаждаются. В результате, начиная от зоны обжига, температура газа вдоль печи снижается с 1700 до 150-200ºС. Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом.
Охлажденный клинкер отправляют на склад. В ряде случаев клинкер из холодильника направляют непосредственно на помол в цементные мельницы.
Перед помолом клинкер дробят до зерен размером 8-10 мм, чтобы облегчить работу мельниц. Измельчение клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками. Совместный помол обеспечивает тщательное перемешивание всех материалов, а высокая однородность цемента является одной из важных гарантий его качества.
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 незначительном количестве и содержащаяся в нем влага легко испаряется за счет тепла, выделяющегося в мельнице в результате соударений и истирания мелющих тел друг с другом и с размалываемым материалом. Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа, оборудованный механическим (элеваторы, винтовые конвейеры), пневматическим (пневматические насосы, аэрожелоба) или пневмомеханическим транспортом. Отгружают цемент потребителю либо в таре — в многослойных бумажных мешках по 50 кг, либо навалом в контейнерах, автомобильных или железнодорожных цементовозах, в специально оборудованных судах. Каждая партия цемента снабжается паспортом.
Для выполнения всех технологических операций производства портландцемента применяется разнообразное оборудование — дробилки, мельницы, печи и т.д., которое объединяется в поточную линию. Схема расположения агрегатов представлена на генеральном плане цементного завода, работающего на пластичных сырьевых материалах и газообразном топливе.

Производство портландцементного клинкера по сухому способу складывается из следующих операций:
Известняк и глину предварительно дробят, затем высушивают до влажности примерно 1% и измельчают в сырьевую муку. Сушат известняк и глину либо раздельно, используя для этой цели сушильные барабаны или другие тепловые аппараты, либо совместно в сырьевых сепараторных мельницах, в которых одновременно осуществляются помол и сушка материалов. Для получения сырьевой муки определенного химического состава мельниц ее направляют сначала в смесительные, а затем в корректирующие силосы, куда дополнительно подается сырьевая мука с заведомо низким или высоким титром (содержанием CаCO3). В силосах мука перемешивается сжатым воздухом. Подготовленная сырьевая смесь поступает в систему циклонных теплообменников, состоящую из нескольких (обычно четырех) степеней циклонов, соединенных между собой и с короткой (40-70 м) вращающейся печью газоходами. Проходя последовательно через все циклоны, сырьевая мука нагревается движущимися ей навстречу дымовыми газами, выходящими из печи. Время пребывания смеси в циклонных теплообменниках не превышает 25-30 с. Несмотря на это, сырьевая мука не только успевает нагреться до температуры 700-800 С, но и полностью дегидратируется и частично (на 20-25%) декарбонизируется. Из циклонов материал поступает в печь, где происходят дальнейшие реакции образования цементного клинкера. Из печи клинкер пересыпается в холодильник, и после охлаждения направляется на клинкерный склад.
Другие технологические операции при сухом способе производства — подготовка гидравлических добавок и гипса, помол цемента, его хранение и отправка потребителю — такие же, как и при мокром способе.

Комбинированный способ производства портландцемента заключается в подготовке сырьевых материалов по мокрому способу, а обжиге смеси — по схеме полусухого. Основные технологические операции и последовательность их выполнения при комбинированном способе получения клинкера следующие:

Приготовленный в сырьевой мельнице шлам влажностью 35-45% после его корректировки поступает в дисковый или барабанный вакуумфильтр, где он обезвоживается до влажности 16-20%. Образующийся при этом .сухарь. смешивается затем с пылью, уловленной электрофильтрами из дымовых газов печи; добавка пыли предотвращает слипание «сухаря» и снижает остаточную влажность в нем до 12-14%. Приготовленная таким образом сырьевая смесь поступает на обжиг, который может осуществляться в печах полусухого способа производства.
Остальные операции производства портландцемента по комбинированному способу не отличаются от соответствующих стадий мокрого способа производства.

Рассмотрев достоинства и недостатки всех способов производства портландцемента,а также с учетом предложенных нам сырьевых материалов для производства цемента (мел, глина и пиритные огарки) я пришла к выводу, что наиболее целесообразно в данном случае применить мокрый способ получения цемента:

Технологическая схема получения цемента по мокрому способу

Рис. 14

1 – щековая дробилка; 2 – молотковая дробилка; 3 – склад сырья; 4 – мельница Гидрофол; 5 – мельница мокрого помола; 6 – вертикальный шламбассейн; 7 – горизонтальный шламбассейн; 8 – вращающаяся печь; 9 – холодильник; 10 – клинкерный склад; 11 – мельница; 12 – силос цемента.

Мел и глина, измельченные и размученные в мельницах Гидрофол, перекачиваются в виде шлама с влажностью 36 – 55% в многокамерную шаровую мельницу. Материалы измельчаются до остатка 3% на сите 0,2 – 0,5 и 3,5 – 12% на сите 008. Одновременно с мелом и глиной в мельницу подаются корректирующие добавки. Полученный тонкоизмельченный шлам поступает в вертикальные шламбассейны, которые представляют собой железобетонные или металлические цилиндры вместимостью до 1600 м3.

Из вертикальных шламбассейнов отбирают пробы шлама для определения химического состава, который контролируют количественным содержанием в нем карбонатом кальция. Если состав шлама не отвечает заданному и отклоняется от него в ту или иную сторону, то его корректируют путем смешивания с ранее подготовленным шламом. Смешивание производится в таком количественном соотношении, чтобы состав смеси полностью соответствовал заданному. Обычно содержание карбоната кальция в шламе составляет 75 – 78%. Отклонение от него допускается не более 0,1%. Откорректированный шлам хранится в горизонтальных шламбассейнах. Из них шлам перекачивают мощными насосами в распределительный бачок, установленный над печью. Из бачка шлам поступает в печь на обжиг.

Выходящий из печи клинкер интенсивно охлаждается в колосниковом холодильнике и поступает на клинкерный склад, где выдерживается 3 – 4 недели. Здесь создается промежуточный запас клинкера, обеспечивающий бесперебойную работу завода. Кроме того, в клинкере при вылеживании совершается в естественных условиях ряд физико-химических процессов, способствующих повышению качества и стабилизации свойств цемента, поэтому выдерживание клинкера на складе представляет собой отдельную технологическую операцию. При выдерживании происходит гашение атмосферной влагой несвязанного оксида кальция. Одновременно с этим стекловидная часть клинкера кристаллизуется, двухкальциевый силикат из β- модификации частично превращается в γ-форму. Все это приводит к стабилизации состава клинкера, некоторому разрыхлению его и облегчению последующего помола. Помимо клинкера, на клинкерных складах хранятся предварительно раздробленные минеральные добавки, которые вводят в состав цемента при помоле клинкера.

Открытые клинкерные склады оборудованы мостовыми кранами с грейферными захватами, с помощью которых клинкер и минеральные добавки подают в расходные бункера цементных мельниц.

В силосных складах составляющие цемента поступают на сборный ленточный конвейер, который доставляет их к мельницам. Питание шаровых мельниц осуществляется с помощью тарельчатых дозаторов, установленных под расходным бункером возле каждой мельницы. Одновременно с размалываемыми материалами в мельницы подают интенсификаторы помола.

Тонкость помола оказывает существенное влияние на свойства цемента. Чем тоньше размолот клинкер, тем быстрее схватывается и твердеет цемент и выше его прочность в начальные сроки твердения.

После помола цемент упаковывается в мешки специальными машинами, производительность которых 120 т/ч. Каждая партия его снабжается паспортом, в нем указываются масса, марка, название цемента.

3 Характеристика исходного сырья и готовой продукции

Для производства портландцемента будем использовать такие сырьевые материалы: в качестве карбонатного компонента – мел, глинистого – глину, корректирующих добавок – пиритные огарки.

Мел – органогенная порода морского происхождения. Он представляет собой плотный полуземлистый известняк белого, реже желтого цвета. Отличается чистотой состава, состоит иногда почти исключительно из CaCO3. Характеризуется отсутствием вкуса и запаха. Различают несколько модификаций: кальцит и арагонит.

Кальцит большей частью бесцветен или молочно-белый. Благодаря примесям может быть окрашен в светло розовые, голубые, желтые и другие тона. Блеск стеклянный. Твердость 3.

Арагонит характеризуется белым, желтовато-белым цветом, иногда серым, светло-зеленым или с фиолетовым оттенком. Кристаллы часто водяно-прозрачны и бесцветны. Блеск стеклянный, в изломе – жирный.

Мел вступает в химические реакции с кислотами:

CaCO3 + Н2SO4 → CaSO4 + Н2О + CO2;

CaCO3 + НCl → CaCl + Н2О + CO2.

С другими классами веществ мел не вступает в реакцию, так как он является нерастворимой солью.

С точки зрения геологии мел является относительно молодой осадочной породой, образовавшейся в меловый период. Мел имеет рыхлую, землистую структуру Обычно содержание карбоната кальция в меле составляет 98 – 99 % при незначительных примесях SiO2 , Al2O3 и MgCO3.

Глина относится к коллоидно-осадочным горным породам. Глинистые породы состоят из частиц размером 0,01 – 0,001 мм. Состав обычно смешанный, реже с преобладанием одного минерала. К главным минералам относятся каолинит, монтмориллонит, галлуазит и гидрослюды. Цвет белый или весьма бледных оттенков.

Состав глины, масс.%: SiO2-65,4%; Al2O3-15,5%; Fe2O3-8,5%; CaO-1,5%; MgO-2,5%; п.п.п.-6,0%.

Пиритные огарки относятся к железистым корректирующим добавкам. Они образуются при сжигании серного колчедана Fe2S и являются отходом сернокислотного производства.Суммарное содержание оксидов железа в огарках (в пересчете на Fe2O3) составляет 56 – 77 %, в виде примесей входят SiO2 (9 – 22%), Al2O3 (1 – 18 %), CaO (0,8 – 5 %), SO3 (1 – 11 %).

Нам для производства цемента предложены сырьевые материалы следующего состава:

​ мел: SiO2 — 3,80%;

Al2O3 – 1,00%;

Fe2O3 – 0,55%;

CaO – 52,30%;

МgО – 0,45%;

SO3 – 0,15 %;

ппп – 40,10 %;

​ глина: SiO2 — 69,8 %;

Al2O3 – 12,30%;

Fe2O3 – 7,60%;

CaO – 1,85%;

МgО – 1,90%;

SO3 – 0,12 %;

ппп – 8,15 %;

​ пиритные огарки: SiO2 — 15,61%;

Al2O3 – 5,47%;

SO3 – 2,06 %;

Fe2O3 – 75,08%.

CaO – 1,67%

Клинкер – это продукт обжига до полного спекания при температуре 1450 – 1550 ºС однородной сырьевой смеси, состоящей из карбонатных пород, глины и добавок. Клинкер характеризуется фазовым составом. Основными фазами портландцементного клинкера являются алит (C3S), белит (C2S) , трехкальциевый алюминат (СзА) и алюмоферрит (C4AF). Они представляют собой не чистые минералы, а твердые растворы, состав и строение которых зависят от состава сырьевой смеси, тонкости помола, режима термической обработки и многих других факторов.

При кристаллизации основных фаз из расплава, содержащего боль​шое количество элементов (до 10-15), образуются неравновесные твер​дые растворы. Второстепенные элементы неравномерно распределяются между отдельными фазами. Наименьшее количество примесей содержит алит, наибольшее — алюмоферрит. Каждой из фаз, за исключением алюмоферрита, присущ сложный полиморфизм. Посторонние ионы вхо​дят в решетку кристалла, обеспечивают стабилизацию формы, которая в отсутствие примесей была бы стабильной только в ограниченном ин​тервале температур. Наличие примесей в минералах обусловливает возникновение дефектов. К таким дефектам относятся электронно-ды​рочные, образующиеся при гетеровалентном изоморфизме, дефекты на​пряжения, возникающие при резком охлаждении.

Фаза алита. Алит является твердым раствором наиболее насыщенно​го известью соединения в системе СаО — SiО2. Чистый С3S плавится инконгруэнтно при 2070 ºС. Ниже температуры 1250 ºС С3S нестабилен и разлагается на СаО и 2СаО·Si02.

Проекция двух слоев структуры СзS вдоль оси у

Рис.15

Алит является твердым раствором, содержащим ионы Mg2+, АlЗ+ , Fe3+ и некоторые другие. Количество MgO в алите зависит от температуры и не превышает 2,2 %. Mg2+всегда замещает Са2+ в октаэдрических позициях.

Предельное содержание Аl2Оз в алите — до 1,7 %. Если концен​трация А12Оз невелика, то ионы Аl+ замещают ионы Si4+ и для обеспе​чения электронейтральности один из четырех ионов Аl+ размещается в октаэдрической пустоте решетки.

Фаза белита. Чистый двухкальциевый силикат существует в пяти модификациях, интервалы стабильности некоторых из них при наг​реве и охлаждении не совпадают. При охлаждении из расплава при тем​пературе 2130 ºС кристаллизуется α-C2S, который при 1425 ± 10 ºС переходит в αН -C2S. Переход αН -C2S в αL-форму осуществляется при 1160 ± 10 ºС. В интервале температур 680-630 ºС αL-форма превращается в β-C2S, который ниже 500 ºС переходит в γ-С2S. При нагреве свыше 700 ºС γ-С2S переходит в αL-форму. Одни модификации могут превращаться в другие с разрушением и без разрушения первичных связей. С разрушением пер​вичных связей (реконструктивный тип превращений) осуществляются переходы β — в γ — и γ — в αL. Превращения αН ↔ αL сопровождаются смещением атомов кальция. Они являются необ​ратимыми и протекают медленно при атмосферном давлении, сопровож​даясь большим изменением объема (до 13 %).Превращение αН ↔ αL обратимое. αН и αL по структуре очень близки между собой. Для перехода одной моди​фикации в другую достаточно небольшого смещения атомов кальция без разрыва первичных связей. Превращению αL↔β соот​ветствует значительно больший тепловой эффект, что связано с измене​нием числа связей Са — О из-за изменения координационного числа атомов кальция.

Переход α ↔ αН является быстрым и обратимым. Он сопровожда​ется большим тепловым эффектом и характеризуется вращением половины тетраэдров [Si04]4-. При нормальной температуре может существо​вать не только низкотемпературная γ форма, но и высокотемпературные формы в стабилизированном состоянии, за исключением αН.

Высокотемпературные формы α-С2S и αL -C2S встречаются в шлаках. Известны также природные минералы 6редигит аналогичный αL -C2S, и ларни, аналогичный β -C2S.

На рис. 3.2 изображены схематические строения структуры C2S.

Схематическое изображение структуры C2S

а) б)

в)

Рис. 16

а) — α-С2S; б) — αН- C2S; в) — β -C2S.

Для технологии вяжущих важными являются β — и γ – C2S. β — C2S. При медленном охлаждении β — C2S переходит в γ – C2S. Этот переход сопровождается саморассыпанием, так как объем γ – C2S примерно на 12 % пре​вышает объем β — C2S. Этот переход крайне нежелателен, поскольку γ – C2S при обычных усло​виях гидравлическими свойствами не обладает.

Алюминатная фаза. Трехкальциевый алюминат и четырёхкальциевый алюмоферрит содержатся в кликере в веществе, заполняющем промежутки между зёрнами алита и белита. Различают «тёмное» промежуточное вещество, состоящее из С3А, и «светлое» промежуточное вещество, представляющее собой С4АF.

СзА, или трехкальциевый алюминат, в чистом виде не имеет полиморфных превращений. Плавится С3А при 1542 ºС. В структуре С3А 8 шестичленных колец из тетраэд​ров [Al04]5- связаны атомами Са.

В С3А может растворяться значительное количество примесей, в частности Fe2O3 до 4,5 %, MgO до 2,5 %, а также Na20, К2О и др.

Алюмоферриты кальция являются не хими​ческим соединением, а твердым раствором в системе СаО — Al2O3 — ​Fе2Оз

В клинкере алюмоферритная фаза имеет переменный состав, но со​отношение между отдельными компонентами в большинстве случаев близко к С4АF.

С3А совместно с С4АF могут выделяться не только в виде кристаллов, но и входить в состав клинкерного стекла, количество которого может достигать 10-20 %.

Алюмоферриты обладают сравнительно короткими сроками схва​тывания, гидратируются медленно. Имеются сведения, что C6AF2 гид​ратируется быстрее, чем С4АF. В присутствии ионов Сг3+ гидравличе​ская активность алюмоферритов повышается.

Клинкер характеризуется тремя модулями:

-​ гидравлическим, или основным: m = CaO/(SiO2 + Al2O3+Fe2O3);

-​ кремнеземистым, или силикатным: n = SiO2/(Al2O3+Fe2O3);

-​ глиноземистым, или алюминатным: р = Al2O3/ Fe2O3.

Обычно значения модулей колеблются в следующих пределах: m = 1,9-2,4; n = 1,7-3,5; р = 1-3.

В данном случае силикатный модуль n = 2,3, а глиноземистый модуль р = 1,2.

Также клинкер характеризуется коэффициентом насыщения. Коэффициент насыщения представляет собой отношение количества оксида кальция, остающегося после полного насыщения АI2О3 Fе2О3 и SО3 до С3А, С4АF и СS, к количеству оксида кальция, необходимому для полного насыщения кремнезема до С3S:

КН = ((CaOобщ-CaOсв )–1,65Al2O3-0,35Fe2O3–0,7SO3)/2,8(SiO2общ — SiO2св).

Для получаемого клинкера коэффициент насыщения КН=0,91.

Готовая продукция характеризуется следующими свойствами: плотность и объемная масса, водопотребность и нормальная густота, сроки схватывания, равномерность изменения объема, прочность цемента, усадка и набухание и т.д.

Плотность цемента обычно колеблется в пределах 3,0-3,2 г/см3. Она зависит от минералогического состава клинкера и вида гидравлической добавки.

Объемная масса цемента в рыхлом состоянии составляет 900-1100ºС, а в уплотненном — 1400-1700 кг/см3.

По сравнению с другими вяжущими материалами цемент обладает наиболее низкой водопотребностью. Водопотребность портландцемента сравнительно невелика: для получения теста нормальной густоты требуется 24…28% воды от массы взятого цемента. Водопотребность различных портландцементов зависит от их минералогического состава, тонкости помола, присутствия активных минеральных добавок или шлаков и некоторых других факторов. Чем ниже водопотребность, тем выше качество цемента. Уменьшить водо​потребность и увеличить пластичность портландцемента можно путем введения пластифицирующих органических и неорганиче​ских поверхностно-активных веществ, например сульфитно-дрож​жевой бражки.

Ценность цемента как строительного материала определяется, в первую очередь, его механической прочностью в затвердевшем виде. Прочность — способность материалов сопротивляться внутрен​ним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность цемента зависит от его способности затвердевать при смешивании с водой в прочное камневидное тело. По прочно​сти портландцемент подразделяется на пять марок: 300, 400, 500, 550, 600. Марка цемента определяется пре​делом прочности при изгибе образцов-балочек размером 40Х40Х Х160 мм и пределом прочности при сжатии их половинок. Образцы-балочки изготовляют из цементно-песчаного раствора пластич​ной консистенции состава 1:3 согласно ГОСТ 310.4—81 и испы​тывают через 28 сут с момента изготовления. Предел прочности (активность цемента) выражается в МПа и для марок 300, 400, 500, 550, 600 соответственно составляет при сжатии 30, 40, 50, 55 и 60 МПа и при изгибе —4,5; 5,5; 6,0; 6,2; 6,5 МПа. На прочность цемента влияют многочисленные факторы, важнейшими из которых являются минералогический состав и структура клинкера, тонкость помола цемента, водоцементное отношение, срок хранения, условия твердения (температура и влажность).

Морозостойкость цементных растворов и бетонов — способность сопротивляться переменному их замораживанию и оттаиванию в пресной или морской воде. Вода при замерзании превращается в лед, при этом она увеличивается в объеме примерно на 9%. Это создает давление на стенки пор, нарушает структуру рас​твора пли бетона и в конечном результате приводит к его разру​шению.

При снижении содержании в клинкере трехкальциевого алюми​ната и повышении активности (прочности) цемента морозостойкость цементных растворов и бетонов увеличивается. Чтобы повысить морозостойкость, применяют воздухововлекающие добавки

Сроки схватывания цемента — время, в течение которого плас​тичная масса (цементное тесто) теряет свою пластичность и пре​вращается в камневидное тело, не имеющее еще достаточной проч​ности.

Сроки схватывания портландцемента определяют при испыта​нии теста нормальной густоты. Нормальная густота цементного теста характеризуется количеством воды затворения, выражен​ным в процентах от массы цемента. Начало схватывания портландцемента должно насту​пать не ранее 45 мин, а конец — не позднее 10 ч от начала затво​рения его водой. По согласованию с потребителем допускаются другие сроки схватывания. Если цемент схватывается быстро, то прежде чем его успевают использовать, он уже превращается в кам​невидное тело. При медленном схватывании цемента замедляются темпы строительства.

Для получения цемента со стандартными сроками схватывания при помоле цемента вводят гипс в количестве, обеспечивающем содержание ангидрида серной кислоты SO3 в цементе не более 3,5%. Добавка большего количества гипса вызывает ускорение процесса схватывания цемента, что нежелательно. Кроме того, при взаимодействии с водой и содержащимся в цементе трехкаль-циевым алюминатом ЗСаО-А12Оз гипс образует после схватывания такое количество гидросульфоалюмината кальция, которое может вызвать появление трещин. При слишком малом содержании SO3 цемент остается быстросхваты-вающимся.

Цементный камень не обладает постоянством объема: при высокой влажности он несколько набухает, а, высыхая, дает усадку. Но эти изменения незначительны и на нерав​номерность изменения объема не влияют. Равномерность изменения объема портландцемента определяют при испытании образцов кипячением в воде. Неравномерность из​менения объема, приводящая цементный камень к разрушению, может быть вызвана повышенным содержанием в цементе свобод​ных оксидов кальция СаО, магния MgO и гипса. СаО и MgO, взаимодействуя с водой, образуют Са(ОН)2 и Mg(OH)2, при этом они увеличиваются в объеме и вызывают тем самым внутренние растягивающие напряжения в цементном камне. Это явление при​водит к образованию трещин и разрушению изделий из цемента (бетона).

Если цемент после вылеживания не обладает равномерностью изменения объема, то его нельзя применять в строительстве, так как в бетоне могут появиться вредные напряжения и он разру​шится.

Цементный камень набухает при хранении в воде, причем линейные деформации состав​ляют 0,1-0,3 мм/м. Через несколько лет на​бухание стабилизируется. Если же образец высушивают, то он дает усадку. Усадка обрат​но пропорционально зависит от влажности окружающей среды. Однако, как прави​ло, усадку определяют при относительной влажности 50-50 %.

Ползучестью называется свойство цементного камня или бетона необратимо деформироваться под влиянием длительно действующих в них напряжений, возникающих вследствие внешних на​грузок.

Ползучесть обычно определяют как разность между полной дефор​мацией и суммой мгновенной начальной деформации в момент за​гружения и усадки, которая устанавливается на ненагруженных образцах-близнецах.

Портландцемент используют главным образом для изготовления бетонных и железобетонных конструкций в надземных, подземных и подводных сооружениях. Портландцемент марки 400 рекомендуется использовать для мо​нолитных бетонных и железобетонных деталей, портландцемент марок 500, 550 и 600 – для высокопрочных сборных обычных и предварительно напряжённых железобетонных конструкций, а также для монолитных железобетонных сооружений.

4 Расчет материальных потоков и составление материального баланса

Для проведения материальных расчётов составим материальные балансы прландцеменого шлама, поступающего на обжиг, и пртландцементного клинкера.

Содержание основных оксидов в клинкере, шламе и сырьевых материалах (глине, меле, пиритных огарках) приведено в таблице № 3

Таблица №3 ─ Содержание основных оксидов

Оксиды

В клинкере

В

шламе

В

меле

В

глине

В пиритных огарках

CaO

С

C0

C1=52,3

C2=1,85

C3=1,67

SiO2

S

S0

S1=3,8

S2=69,80

Al2O3

A

A0

A1=1,00

A2=12,3

A3=5,47

Fe2O3

F

F0

F1=0,55

F2=7,6

F3=75,08

ппп

ппп

Ппп0

Ппп1=40,10

Ппп2=8,15

Ппп3=0,00

MgO

M

M0

M1=0,45

M2=1,9

M3=0,00

SO3

S’

S’0

S’1=0,15

S’2=0,12

S’3=2,06

Принимаем коэффициенты насыщения КН=0,87 и глинозёмистый модуль р=1,1.

Для расчёта принимаем весовые соотношения: 1:2:3=X:Y:1

A1=C1-2,8*KH*S1-1.65*A1-F1*0 (1)

A1=52,3-2,8*0,87*3,8-1.65*1,00-0,55*0,35=41,44

B1=C2-2,8*KH*S2-1.65*A2-F2*0,35 (2)

B1=1,85-2,8*0,87*69,8-1.65*12,3-7,6*0,35= — 191,14

C1=2,8*KH*S3+1.65*A3+F3*0,35-C3 (3)

C1=2,8*0,87*15,61+1.65*5,47+75,08*0,35-1,67=71,659

A2=p*F1-A1 (4)

A2=1,1*0,55-1=-0,395

B2=p*F2-A2 (5)

B2=1,1*7,6-12,3=-3,94

C2=A3-p*F3 (6)

C2=5,47-1,1*75,88=-77,99

(7)

(8)

Мел: (9)

Глина: (10)

Пиритные огарки: : (11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

Материальный баланс вращающей печи составляем на 1кг клинкера.

Теоретический расход сухого сырья :

(17)

Расход сухого сырья с учётом безвозвратного пылеуноса Wcc:

, (18)

где Qун=3 – пылеунос печи, %

Расход шлама Wcw:

, (19)

где W=38% — влажность шлама,%

Выход физический влаги из сырья Wwф:

(20)

Сведём полученные данные в таблицу №4:

Таблица№4 ─ материальный баланс печи

Приход

кг

Расход

кг

Шлам влажный, в т.ч.

2,01

1.​ Клинкер в т.ч.
Мел, в т.ч.:

0,73

CaO

0,38

CaO

0,21

SiO2

0,43

SiO2

0,24

Al2O3

0,08

Al2O3

0,044

Fe2O3

0,08

Fe2O3

0,043

примеси

0,025

ппп

0,18

2. ппп

0,341

примеси

0,13

3. Вода (пар)

0,64

Глина, в т.ч.:

0,59

4. Пылеунос

0,04

CaO

0,17
SiO2

0,19
Al2O3

0,035
Fe2O3

0,034
ппп

0,15
примеси

0,01
Пиритные огарки, в т.ч.:

0,045
CaO

0,013
SiO2

0,015
Al2O3

0,027
Fe2O3

0,026
примеси

0,0004
Вода

0,64
Итого:

2,01
2,016

Невязка баланса:

5 Структура теплового баланса вращающейся печи

Тепловой баланс вращающейся печи составляется на 1 кг клинкера и на часовую производительность.

1 Приход теплоты:

1.​ Химическая теплота топлива q1n, кДж/кг

, (1.1)

где xT’ – расход топлива на обжиг 1 кг клинкера, кг (м3). В качестве топлива используем высокопарафиновый мазут, т.к. при использовании жидкого топлива упрощается технологический процесс, так как отпадает необходимость в расходе энергии на сушку и помол твёрдого топлива.

кДж/кг

2.​ Физическая теплота топлива q2n, кДж/кг

(1.2)

где сТ – теплоёмкость топлива, кДж/(кг*К)( кДж/(м3*К)); tT — температура топлива, ºС.

кДж/кг

3.​ Теплота подогретого в холодильнике вторичного воздуха, поступающего на горение, q3n, кДж/кг:

, (1.3)

где К – доля первичного воздуха в общем объёме воздуха, поступающего на горение; Lα’ – объём воздуха, необходимый для сжигания 1 кг (1 м3) топлива, м3; св’, tвтв– соответственно теплоёмкость, кДж/(м3*К), и температура, ºС, вторичного воздуха.

, кДж/кг

4.​ Теплота первичного воздуха, поступающего на горение, q4n, кДж/кг:

(1.4)

где св’n и tвп – соответственно теплоёмкость, кДж/(м3*К), и температура, ºС, первичного воздуха.

5.​ Теплота сырьевого шлама q5n, кДж/кг

(1.5)

где Gсух и ссух – соответственно масса, кг/кг клинкера, и теплоёмкость, кДж/(кг*К), сухой части шлама; W и cвл — соответственно масса, кг/кг клинкера,

и теплоёмкость, кДж/(кг*К), влаги шлама; tшл — температура шлама, ºС.

6.​ Теплота пылеуноса, поступающего из холодильника, q6n, кДж/кг

(1.6)

где Gп – масса пылеуноса, поступающего из холодильника, кг/кг клинкера; сп и tп — соответственно теплоёмкость, кДж/(м3*К), и температура, ºС, пылеуноса.

(1.7)

, (1.8)

где Кун – запыленность вторичного воздуха, поступающего из холодильника (принимается 0,008 – 0,012 кг/м3).

7.​ Теплота экзотермических реакций q7n, кДж/кг

(1.9)

где С3S, C2S, C3A, C4AF – содержание в клинкере соответствующих минералов, %

8.​ Теплота подсасываемого воздуха q8n, кДж/кг

(1.10)

где Кпр – подсос воздуха через неплотности у головки печи, % от общего расхода воздуха на горение топлива в печи (принимается 4 – 6%).

2 Расход теплоты:

1.​ Теплота, расходуемая на испарение влаги и перегрев водяного пара, q1р, кДж/кг

(2.1)

где qисп – теплота испарения воды, кДж/кг; св.п. – удельная теплоёмкость водяного пара, кДж/(кг*К); tо.г. – температура отходящих газов, ºС

2.​ Теплота, расходуемая на разложение глинистых минералов, q2р, кДж/кг,

(2.2)

где qдегкаол – теплота разложения 1 моля каолинита кДж/кг; Gкаол — масса каолинита, кг; M(каол) – молярная масса каолинита, кг/моль.

3.​ Теплота, расходуемая на декорбанизацию CaCO3 и MgCO3, q3р, кДж/кг,

(2.3)

где qдекCaCO3 и qдекMgCO3 – теплоты разложения 1 моля CaCO3 и MgCO3соответственно, кДж; GCaCO3 и GMgCO3 — массы CaCO3 и MgCO3, кг; М(CaCO3) иМ(MgCO3) – молярные массы, кг/моль.

4.​ Теплота, поступающего в холодильник клинкера q4р, кДж/кг,

(2.4)

где скл — теплоёмкость клинкера, кДж/(кг*К), при температуре tкл , ºС,

кДж/(кг*К)

5.​ Теплота выходящих из печи дымовых газов (кроме теплоты испарённой влаги) q5р, кДж/кг,

(2.5)

де Vα – объём продуктов горения при сжигании 1 кг топлива, м3; с’п.г. – теплоёмкость продуктов горения, кДж/(кг*К), при tо.г.; VCO2 – объём CO2, образующийся при декарбонизации сырьевой смеси, м3; c’CO2 — теплоёмкость CO2, кДж/(кг*К), при tо.г.;.; VH2O – объём водяного пара, образующийся при дегидратации каолинита, м3; c’H2O – теплоёмкость водяного пара, кДж/(кг*К), при tо.г

6.​ Теплота пылеуноса из печи q6р, кДж/кг,

(2)

где Gун и сун – соответственно масса, кг/кг клинкера, и теплоёмкость, кДж/(кг*К), пылеуноса.

7.​ Теплота, расходуемая на образование жидкой фазы в зоне спекания, q7р, кДж/кг, (принимается по справочным данным), q7р =209 кДж/кг.

8.​ Потери теплоты в окружающую среду q8р кДж/кг(в нашем случае, при мокром способе производства находятся в пределах (0,10-0,15)q1n

(2.7)

Приравнивая статьи прихода и расхода теплового баланса, находят расход топлива на 1 кг клинкера X’T, кг (м3), затем расход теплоты q, кДж, и условного топлива В, кг усл.т.

Тепловой КПД печи

(2.8)

Технологический КПД

(2.9)

 

Заключение

В результате выполнения курсовой работы проведен материальный и теплотехнический расчёт вращающейся печи получения портландцементного клинкера по мокрому способу, описано сырьё и получаемая продукция. Также приведена подробная характеристика всех способов производства цемента. На этом основании сделан вывод о том, что мокрый способ является оптимальным, т.к. получаемый цемент обладает лучшим качеством, по сравнению с другими способами производства , также создаются лучшие санитарно-гигиенические условия труда, так как ниже пылеунос и запыленность. Главным и единственным недостатком является высокий расход топлива. Но т.к. в нашей стране в настоящее время наблюдается напряжённая обстановка с энергоресурсами все предприятия производящие портландцемент стремятся перевести на сухой способ производства.