Современные технологии производства цемента
Как делают цемент? Есть три основных метода производства портландцемента — мокрый, сухой и комбинированный. Производители выбирают способ, исходя из технологических, технических и экономических факторов.
Основные этапы технологи изготовления цемента:
- Механические процессы по добыче и переработке сырьевых материалов. Это измельчение, перемешивание, корректировка. В результате мы получаем сырьевую смесь для последующего обжига. Это либо мука, либо шлам — мука в воде.
- Термический процесс — обжиг сырьевой смеси в печных агрегатах. После этого, в результате химических процессов, мы получаем клинкер — основной компонент для производства цемента.
- Механический процесс измельчения клинкера, гипсосодержащего материала и минеральных добавок. Измельчение составляющих может быть как совместным, то есть они загружаются в мельницу одновременно, так и раздельным с последующим смешиванием. В итоге мы получаем цементы с разными свойствами.
Первый этап — подготовка сырьевой смеси
По химическому составу сырьевая смесь для производства цемента 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
Добыча сырья
Основа для производства цемента состоит, в первую очередь, из известняка, его модификаций — мела или мергеля, а также глины. Заводы по производству цемента, как правило, строятся рядом с карьерами, где и добывают эти материалы. Известняк добывается буровзрывным способом, более мягкие материалы — мел и мергель — экскавацией.
На старых цементных заводах дробление известняка происходит уже на производственной площадке, куда его привозят автомобилями или по железной дороге. А для погрузки сырья используют грейферные краны.
Дробление известняка на современных цементных заводах происходит еще в карьере на стационарных дробилках. На выходе из карьера над транспортерной лентой установлен поточный анализатор, который определяет химический состав материала. Это позволяет корректировать добычу в разных точках карьера таким образом, чтобы добиваться оптимального состава сырья.
Далее 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.
Чтобы обеспечить необходимый химический состав сырья для цемента, производитель дополнительно к известняку и глине закупает также песок, золу, бокситы, пирит и другие материалы.
Помол сырья
Следующий этап подготовки сырьевой смеси — помол. Современные заводы работают по сухому способу производства. Помол сырья происходит в вертикальных мельницах высокой производительности. Они состоят из двух частей. В нижней части мельницы при помощи вращающегося стола и роликов материал измельчается под давлением. В верхней части мельницы расположен сепаратор. Он разделяет 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 в силос и хранится там. Также в силосе с помощью сжатого воздуха, поступающего через аэрационные окна, происходит усреднение смеси по составу.
Есть цементные заводы, где продукт производится мокрым и полумокрым способом. Сырьевую смесь подготавливают в виде шлама, влажность которого 35-40%. Для измельчения используют гидрофол — это мельницы самоизмельчения, а также сырьевые мельницы. 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.
В отличие от мокрого способа производства, при полумокром перед обжигом происходит обезвоживание материала в пресс-фильтрах.
Контроль качества
Характеристики сырьевой смеси играет важную роль и является определяющим для получения цемента высокого качества. Поэтому крайне важно проводить контроль на всех этапах производства сырья. 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 из-за снижения содержания жидкой фазы. В норме силикатный модуль должен быть в пределах 2.2-2.8.
- алюминатный модуль — это отношение оксида алюминия к оксиду железа. Он определяет содержание жидкой фазы в процессе обжига, определяет соотношение минералов в клинкере. В норме находится в пределах 1.5-2.5.
- коэффициент насыщения кремнезема известью. Он определяет соотношение минералов в клинкере. В норме должен быть в пределах 0.92-0.98.
- коэффициент однородности сырьевой смеси — характеризует стабильность смеси по химическому составу. Для сухого способа показатель не должен превышать 14, для мокрого — не более 10.
Второй этап — обжиг
Обжиг сырья — важнейший этап производства цемента, определяющий качество клинкера. Если цемент производится сухим методом, для обжига используют печной агрегат, состоящий из двух основных частей. В вертикальной части находятся циклонные теплообменники с декарбонизатором, в которых происходит подготовка сырьевой смеси — дегидратация и декарбонизация. В горизонтальной части находится печь высокотемпературного обжига. Температура факела в печи 2000 ºС, а температура материала в зоне спекания — 1450 ºС. Там из расплава формируются основные клинкерные минералы. Здесь же расположен холодильник, в котором, в результате резкого охлаждения, происходит стабилизация клинкерных фаз.
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.
При мокром способе 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.
При сухом способе производства энергопотребление печных агрегатов на 30-40% ниже, чем при мокром, поскольку нет необходимости в испарении большого количества свободной влаги из сырьевого шлама.
| Зоны печного агрегата для производства цемента | ||
|---|---|---|
| 1 | t 100 °C | Испарение свободной влаги. Эта зона характерна для печей мокрого способа производства. |
| 2 | t 350–650 °C | Дегидратация. Глина теряет кристаллизационную влагу. |
| 3 | t 650–950 °C | Декарбонизация. Процесс разложения карбоната кальция и магния с получением оксидов кальция и магния. |
| 4 | t 1300–1450 °C | Клинкерообразование. Из расплава формируются основные клинкерные минералы, которые определяют свойства цемента. |
| 5 | t 1250 °C | Охлаждение. В результате резкого охлаждения происходит стабилизация клинкерных фаз. |
Дальнейшее охлаждения клинкера до температуры 100 ºС происходит в колосниковом холодильнике, после чего он поступает на хранение в крытые силоса, которые защищают клинкер от атмосферных воздействий и сохраняют его высокое качество.
Альтернативное топливо
Для сжигания различных видов топлива в печи на цементных заводах используют многофункциональные горелки. Помимо природного топлива — газ, уголь, мазут, — широко используются альтернативные виды топлива. Это могут быть бытовые отходы, материалы с очистных сооружений, резиновые покрышки. Доля альтернативного топлива с каждым годом увеличивается и в некоторых странах достигает 80%.
В результате процесса обжига сырьевой смеси формируются основные клинкерные минералы.
| Название минерала | Символ | Химический состав | Содержание | Свойства цемента, определяемые минералами |
|---|---|---|---|---|
| Алит (силикат) |
|
|
|
Главный компонент цемента. Обеспечивает быструю кинетику набора прочности, высокую начальную и хорошую марочную прочность. |
| Белит (силикат) |
|
|
|
Обеспечивает медленную кинетику набора прочности, низкую начальную и хорошую прочность в длительные сроки твердения. Трудноразмалываемый компонент. |
| Алюминат |
|
|
|
Обеспечивает быструю кинетику набора прочности, высокую начальную прочность, значительно влияет на свойства бетона — реология, коррозионная стойкость. |
| Алюмоферрит |
|
|
|
Практически не влияет на свойства цемента, но определяет его цвет. Чем больше алюмоферрита в составе цемента, тем темнее цвет продукта. |
Наряду с основными 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, около 3-6%, однако они влияют на:
- гранулометрический состав клинкера и образование локальных спекшихся колец (наростов) 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.
Третий этап — помол цемента
Цемент состоит из клинкера, гипсосодержащего материала и минеральных добавок. Все эти составляющие можно измельчать вместе, а можно по отдельности. Отсюда и две технологии помола: совместный помол и раздельный помол. Системы раздельного помола обеспечивают более высокую гибкость по сравнению с совместным помолом и позволяют точно настраивать параметры цемента. Так можно регулировать скорость и продолжительность набора прочности, улучшать реологические свойства цементосодержащих продуктов (перекачиваемость, гомогенность смесей, снижение усадок и т.д.), регулировать водопотребность, устойчивость к агрессивным средам.
Помол цемента может выполняться как в вертикальной мельнице, так и в шаровой трубной мельнице. Шаровая мельница — это металлическая обечайка, футерованная изнутри бронеплитами для защиты корпуса от износа.
Мельницы могут состоять из одной или двух камер. Если камера одна, то дополнительно перед мельницей устанавливают роллер-пресс для предварительного измельчения материалов. Двухкамерные мельницы между собой разделены диафрагмой с регулируемой подачей материала. И на выходе из мельницы тоже диафрагма с ячейками оптимального размера.
Внутри двухкамерной мельницы находятся мелющие тела — это шары разного диаметра. При вращении мельницы они измельчают компоненты цемента. В первой камере шары крупные. Мельница вращается, шары поднимаются, падают и разбивают материал. Во второй камере мельницы шары мельче. Они просто скатываются друг по другу и истирают материал. Проходя по всей длине мельницы материал подвергается воздействию мелющих тел различного диаметра, за счет чего происходит его измельчение.
Бронеплиты, помимо защиты корпуса, участвуют и в процессе помола. В первой камере мельницы устанавливают бронеплиты-лифтеры. Они поднимают мелющие тела на определенную высоту, с которой они затем падают. Еще с помощью бронеплит происходит сортировка мелющих шаров по размеру за счет различной величины упругого отскока.
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 — это 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.
