Современные технологии производства цемента

11 октября 2022

Цемент – материал, который участвует в строительстве каждого объекта. На сегодняшний день существует три основных метода производства портландцемента – мокрый, сухой и комбинированный. Компании – производители выбирают способ исходя из технологических, технических и экономических факторов.

Технологический процесс производства цемента состоит из трех основных стадий:

Механические процессы по добыче и переработке сырьевых материалов (измельчение, перемешивание, корректировка) с получением сырьевой смеси для ее последующего обжига.
Термический процесс обжига сырьевой смеси в печных агрегатах с получением клинкера – основного компонента для производства цемента.
Механический процесс совместного измельчения (или раздельного измельчения и последующего смешивания) клинкера, гипсосодержащего материала и минеральных добавок с получением различных типов цемента.

Первая стадия. Подготовка сырьевой смеси.

Известняк, его модификации (мел, мергель) и глина являются основой для производства цемента. В непосредственной близости от цементных заводов обычно расположены карьеры, где производитель добывает эти материалы. Для того, чтобы обеспечить требуемый химический состав сырья, используются также покупные материалы – песок, зола, бокситы, пирит и другие.

Сырьевая смесь состоит из четырех основных оксидов: кальция, алюминия, железа и кремния. Источниками этих оксидов служат:

СаО – известняк, мел, мергель;
Si₂O₃ – песок, глина, шлак, сланцы;
Al₂O₃ – глина, бокситы, зола;
Fe₂O₃ – пирит, железная руда.

Известняк добывается буровзрывным способом, более мягкие материалы (мел и мергель) – экскавацией. На современных цементных заводах дробление известняка происходит в карьере при помощи стационарных дробилок. Трубчатый транспортер протяженностью до 7 км при помощи ленточного конвейера доставляет материал на производственную площадку, где происходит его складирование штабелеукладчиком в различных направлениях с одновременным первичным усреднением. На выходе из карьера над транспортерной лентой установлен поточный анализатор, который определяет химический состав материала.

На современных производственных площадках высокая точность дозирования всех компонентов достигается весовым способом специализированными дозаторами.

На старых цементных заводах дробление известняка происходит на производственной площадке, куда его транспортируют автомобильный или железнодорожный транспорт. Для перемещения сырья в таких случаях используют грейферные краны, стоимость которых, а также затраты на эксплуатацию и обслуживание значительно выше, чем у ленточных конвейеров.

Следующий этап подготовки сырьевой смеси – помол. На современных заводов, работающих по сухому способу производства, помол осуществляется на вертикальных мельницах высокой производительности, которые состоят из двух частей. В нижней части, при помощи вращающегося стола и роликов под давлением, материал измельчается, а в верхней части расположен сепаратор, разделяющий материал на мелкую и грубую фракции. Грубая фракция направляется на дополнительный помол, а материал мелкой фракции считается готовым продуктом. Помимо измельчения, в сырьевой мельнице происходит сушка материала отходящими газами печи до влажности не более 0.5%.

Готовая к обжигу сырьевая смесь поступает и хранится в силосе, где также происходит усреднение смеси с помощью сжатого воздуха, поступающего через аэрационные окна, расположенные в нижней части.

На цементных заводах, мокрого и полумокрого способов производства, подготовка сырьевой смеси осуществляется в виде шлама с влажностью 35-40% с использованием гидрофола (мельницы самоизмельчения) и сырьевых мельниц. Готовый шлам различного качества поступает в вертикальные, а после, в горизонтальные шламовые бассейны, где корректируется до нужного химического состава. Усреднение готовой к обжигу смеси в горизонтальных шламовых бассейнах происходит за счет механического перемешивания и с помощью сжатого воздуха. Отличием полумокрого способа от мокрого является то, что перед обжигом происходит обезвоживание материала в пресс-фильтрах.

Качество сырьевой смеси играет важную роль и является определяющим для получения высококачественного клинкера и цемента. Основными показателями качества сырьевой смеси являются:

силикатный модуль – это отношение оксида кремния к сумме оксидов алюминия и железа, с ростом силикатного модуля ухудшается обжигаемость сырьевой смеси по причине снижения содержания жидкой фазы, находится в пределах 2.2-2.8;
алюминатный модуль – это отношение оксида алюминия к оксиду железа, определяет содержание жидкой фазы в процессе обжига, определяет соотношение минералов в клинкере, находится в пределах 1.5-2.5;
коэффициент насыщения кремнезема известью – определяет соотношение минералов в клинкере, находится в пределах 0.92-0.98;
коэффициент однородности сырьевой смеси – характеризует стабильность смеси по химическому составу, для сухого способа – не более 14, для мокрого – не более 10.

Вторая стадия. Обжиг.

Обжиг сырьевой смеси в печных агрегатах является важнейшим этапом производства цемента, определяющим качество клинкера. Современные заводы, производящие цемент сухим методом, используют для обжига печной агрегат, состоящий из двух основных частей. В вертикальной части находятся циклонные теплообменники с декарбонизатором, в которых происходит подготовка сырьевой смеси (дегидратация, декарбонизация) перед непосредственным поступлением в печь. В горизонтальной части находится печь высокотемпературного обжига 1450 ºС, где из расплава формируются основные клинкерные минералы. Здесь же расположен холодильник, в котором, в результате резкого охлаждения, происходит стабилизация клинкерных фаз.

Для полумокрого способа изготовления цемента процесс обжига идентичен вышеописанному, который используют заводы работающие по сухому методу. На цементных заводах, работающих по мокрому способу производства, печной агрегат состоит из одной большой печи, длинной до 180 метров. Значительную часть такой печи занимает зона с цепной завесой. В ней происходит удаление из материала большого количества свободной влаги, которая характерна для мокрого способа производства. Цепная завеса увеличивает интенсивность теплообмена между окружающей газовой средой и материалом.

Энергопотребление печных агрегатов современных заводов сухого способа производства на 30-40% ниже, чем заводов мокрого способа, за счет отсутствия необходимости испарения большого количества свободной влаги сырьевого шлама.

Высокотемпературная зона печи футеруется изнутри огнеупорным кирпичом для уменьшения теплопотерь в атмосферу и снижения температурного воздействия на металлическую обечайку печи. Печной агрегат имеет небольшой угол наклона и вращается со скоростью 3-4 оборота в минуту, за счет чего происходит перемещение материала внутри печи.

Печной агрегат для производства цемента можно условно разделить на несколько зон:

испарение свободной влаги (t 100 ºС) – характерна для печей мокрого способа производства;
дегидратация (t 350-650 ºС) - глина теряет кристаллизационную влагу;
декарбонизация (t 650-950 ºС) - процесс разложения карбоната кальция и магния с получением оксидов кальция и магния;
клинкерообразование (t 1300-1450 ºС) - из расплава формируются основные клинкерные минералы, которые определяют свойства цемента;
охлаждение (t 1250 ºС) - в результате резкого охлаждения происходит стабилизация клинкерных фаз.

Дальнейшее охлаждения клинкера до температуры 100 ºС происходит в колостниковом холодильнике, после чего он поступает на хранение в крытые силоса, которые защищают клинкер от атмосферных воздействий и сохраняют его высокое качество.

Для сжигания различных видов топлива в печи на цементных заводах используют многофункциональные горелки. Помимо природного топлива (газ, уголь, мазут) широко используются альтернативные виды топлива (бытовые отходы, материалы с очистных сооружений, резиновые покрышки и другие), доля которых с каждым годом увеличивается и в некоторых странах достигает 80%.

В результате процесса обжига сырьевой смеси формируются основные клинкерные минералы.

Клинкерные минералы определяют свойства цемента, а именно:

трехкальциевый силикат (алит) С₃S – главный компонент цемента, обеспечивает быструю кинетику набора прочности, высокую начальную и хорошую марочную прочность;
двухкальциевый силикат (алит) С₂S - обеспечивает медленную кинетику набора прочности, низкую начальную и хорошую прочность в длительные сроки твердения, трудноразмалываемый компонент;
трехкальциевый алюминат С₃А - обеспечивает быструю кинетику набора прочности, высокую начальную прочность, значительно влияет на свойства бетона (реология, коррозионная стойкость);
четырехкальциевый алюмоферрит С₄АF – практически не влияет на свойства, определяет цвет (чем больше его в составе цемента, тем темнее цвет).

Наряду с основными клинкерными минералами в составе клинкера также содержатся побочные компоненты, поступающие из сырьевых материалов (Mg, K, Na, Cl, SO₃) или из топлива (Fe₂O₃, P₂O₅, K, Na, Cl, SO₃). Их количество незначительно (3-6%), однако они влияют на:

гранулометрический состав клинкера и образование колец в печи;
блокировку проходимость циклонных теплообменников;
состав пыли печей;
выбросы в атмосферу;
качество цемента.

Щелочные оксиды калия и натрия оказывают существенное влияние на кинетику набора прочности цемента, существенно ее увеличивая в начальные сроки и снижая в марочном возрасте - 28 дней.

Третья стадия. Помол цемента.

Помол цемента – это механический процесс совместного измельчения (или раздельного измельчения и последующего смешивания) клинкера, гипсосодержащего материала и минеральных добавок с получением различных типов цемента. Помол цемента выполняется в цементных мельницах двух типов – вертикальной (подробная информация в разделе «Подготовка сырьевой смеси») и шаровой трубной мельнице. Шаровая мельница – это металлическая обечайка, футерованная изнутри бронеплитами для защиты корпуса мельницы от износа. Мельницы состоят из одной или двух камер.

Двухкамерные мельницы между собой разделены диафрагмой с регулируемой подачей материала. На выходе из мельницы также имеется диафрагма с ячейками оптимального размера. При использовании однокамерных мельниц дополнительно перед мельницей устанавливают роллер-пресс для предварительного измельчения материалов. Внутри мельницы находятся мелющие тела (шары разного диаметра), которые, при вращении мельницы, путем удара в первой камере и истирания во второй камере измельчают материал.

Бронеплиты, помимо защиты, также участвуют в процессе помола. В первой камере мельницы устанавливают бронеплиты-лифтеры, которые поднимают мелющие тела на определенную высоту. Также с помощью бронеплит происходит сортировка мелющих шаров по размеру за счет различной величины упругого отскока. Проходя по длине мельницы материал подвергается воздействию мелющих тел различного диаметра, за счет чего происходит его измельчение.
Если мельница работает по открытому циклу, без использования сепаратора, то материал, выходящий из мельницы, считается готовым продуктом и поступает на хранение в силос.

На современных цементных заводах все помольные установки работают по замкнутому циклу с использованием высокоэффективных сепараторов. Материал из мельницы поступает в сепаратор, который разделяет его на мелкую фракцию (готовый продукт) и грубую фракцию, которая направляется на дополнительный помол.

Замкнутый цикл помола позволяет получать цемент с оптимальным гранулометрическим составом, который повышает степень гидратации цемента и, как следствие, прочностные характеристики.

После сепаратора готовый цемент поступает на хранение в силос, где он находится до момента отгрузки потребителям. Конструкция современных силосов, а именно обратный конус в основании, позволяет избежать наличия большого количества мертвых остатков цемента, характерных для старых конструкций. Также современный силос имеет многосекционную структуру, что позволяет в одном силосе хранить большое количество различных типов цемента.

Обязательным компонентом при производстве цемента является гипс, который применяется для регулирования сроков схватывания цемента. Трехкальциевый алюминат С₃А является очень активным компонентом и при взаимодействии с водой происходит структурообразование с быстрой потерей подвижности цемента. Для того, чтобы этого не происходило, гипс формирует защитный слой вокруг С₃А и предотвращает быстрое схватывание цемента.

Есть несколько модификаций гипса, которые отличаются по своим свойствам, в частности по активности. Наиболее активной формой является полуводный гипс CaSO₄•0.5H₂O, далее следует двуводный гипс CaSO₄•2H₂O, наименее активная форма – ангидрит CaSO₄. В процессе помола при повышенной температуре в мельнице, более 70 ºС, двуводная форма гипса переходит в полуводную форму с негативным влиянием на реологические характеристики цемента и, как следствие, бетона и раствора (увеличивается водопотребность, снижается сохраняемость подвижности).

Существуют понятия быстрого и ложного схватывания цемента. Быстрое схватывание цемента происходит в случае недостаточного количества гипса, когда плотный защитный слой вокруг С₃А не может быть сформирован. Ложное схватывание цемента с потерей подвижности происходит в случае перехода двуводной формы гипса в полуводную форму при повышенной температуре в мельнице. После перемешивания в случае ложного схватывания подвижность восстанавливается. Если происходит быстрое схватывание цемента после перемешивания подвижность уже не восстанавливается.

Рассмотрев технологии и различия основных методов производства можно сказать, что сухой метод является самым современным. Цементные заводы LafargeHolcim ориентированы на производство сухим способом. Основным преимуществом этого метода является снижение расходов топлива, а также сокращение объема печных газов практически на 40 %, что в свою очередь снижает стоимость обеспыливания и предоставляет большие возможности по использованию теплоты отходящих газов для сушки сырья. К плюсам сухого способа производства цемента также можно отнести и более высокий съем клинкера с 1 м³ печного агрегата. При обжиге по сухому способу значительно сокращается расход пресной воды.