Основы производства портландцемента.

Гидравлическиминазывают вяжущие вещества, которые после затворения водой и предварительного твердения в среде влажного воздуха продолжают твердеть в воде, набирая прочность значительно большую, чем на воздухе.

К ним относятся: портландцемент и его разновидности: шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент, глиноземистый цемент, расширяющийся портландцемент и его разновидности, а также романцемент, гидравлическая известь, известково-шлаковые, известково-зольные, шлако-щелочные вяжущие.

Портландцемент - наиболее распространенный вид цемента. Получают его тонким измельчением клинкера с обязательной добавкой гипса (1,5 - 3,5 % от массы цемента в пересчете на S0₃); гипс вводят для регулирования сроков схватывания. Допускается введение в смесь активных минеральных добавок (до 20 %).

Производство портландцемента

Изобретение портландцемента связывают с именами Джозефа Аспдина и российского военного техника Егора Герасимовича Челиева. Каменщику из английского города Лидса Дж. Аспдину в декабре 1824 г. был выдан патент на изготовление вяжущего вещества путем обжига смеси извести с глиной. За сходство по цвету с естественным камнем из каменоломен близ города Портленда Дж. Аспдин назвал это вяжущее портландцементом.

Сырьевыми материалами для изготовления портландцемент-ного клинкера служат карбонатные и глинистые горные породы. Главное химическое соединение карбонатных пород (известняка, мела) - карбонат кальция СаСОэ. Глинистые породы (в основном глины) содержат различные алюмосиликаты типа А1203 • wSi02 • /?Н20. Для получения клинкера исходные сырьевые материалы берут примерно в соотношении 1: 3, т. е. на 1 мае. ч. глины должно приходиться 3 мае. ч известняка. Близок к этому составу мергель - осадочная горная порода, представляющая собой смесь известняка с глиной. В сырьевую смесь вводят корректирующие добавки. Недостаток кремнезема компенсируют введением диатомита, трепела, опоки; содержание оксидов железа увеличивают добавкой руды или колчеданных огарков.

Производство портландцемента включает следующие технологические операции: приготовление сырьевой смеси, ее обжиг и получение клинкера, помол клинкера с добавкой гипса (36).

В зависимости от методов приготовления смеси различают мокрый и сухой способы производства цемента. При мокром способе сырье смешивают и измельчают в присутствии воды. Затем смесь в виде шлама, содержащего 40...50 % воды, обжигают во вращающихся печах. При сухом способе сырьевые материалы высушивают, измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде (влажность - 1...2 %).

При мокром способе достигается высокая однородность смеси, однако затраты топлива на обжиг в 1,5...2 раза выше, чем при сухом.

Подготовленную к обжигу сырьевую смесь подают во вращающуюся печь (37), представляющую собой стальную обечайку длиной 150 или 185 м и диаметром 4 или 5 м. Изнутри труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3...4°) уклоном к горизонту и вращается (1...2 об/мин), благодаря чему сырьевая смесь постепенно перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига - 1450 °С. При таких высоких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся в результате разложения известняка, взаимодействует с кислотными оксидами Si02, A1203 и Fe203, образующимися при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер - пористые гранулы серого цвета.

В настоящее время наиболее распространен сухой способ производства цемента. В конечном итоге качество портландцемента зависит от тщательности подготовки сырья, условий обжига, режима охлаждения и его химического и минералогического составов.

Основными минералами портландцементного клинкера являются:

алит - трехкальциевый силикат ЗСаО - Si02 (или сокращенно C3S) - содержится в количестве 45...65 %. Это - самый важный минерал клинкера, определяющий время твердения, прочность и другие свойства портландцемента;

белит - двухкалъциевый силикат 2СаО • Si02 (или C2S) - содержится в количестве 20...35 %. Он медленно твердеет, при этом выделяется очень мало теплоты;

целит - трехкалъциевый алюминат ЗСаО - А1203 (или С3А) -содержится в количестве 4... 12 %. Он очень быстро гидратиру-ется и твердеет, выделяя большое количество теплоты, но имеет небольшую прочность и малую стойкость против воздействия сернокислых соединений;

четырехкадъциевый алюмоферрит (браунмиллерит) 4СаО • • А1203 • Fe203 (или C4AF) - содержится в количестве 10...20 %, по времени гидратации занимает промежуточное положение между алитом и белитом, обладает средней прочностью.

Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом (1,5...3,5 % в расчете на S03 природного гипса CaS04 - 2Н20) и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минералогического состава и тонкости помола клинкера.

Производство портландцемента может быть разделено на два комплекса операций: изготовление клинкера и получение портландцемента измельчением клинкера совместно с гипсом, активными минеральными и другими добавками (если они используются).

Получение клинкера — наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат. Удельная стоимость клинкера достигает 70—80 % общей стоимости портландцемента.

Производство портландцемента состоит из следующих основных операций: добычи известняка и глины (если необходимо, то и корректирующих добавок); подготовки сырьевых материалов и приготовления из них однородной смеси заданного состава; обжига сырьевой смеси материалов до спекания с получением клинкера; помола клинкера в порошок с небольшим количеством гипса, а иногда и добавок.

Основной задачей является получение клинкера с заданным фазовым (минеральным) составом, что зависит от состава и качества сырья, выбранного соотношения между исходными материалами, требуемой дисперсности и однородности сырьевой смеси и правильного режима обжига и охлаждения клинкера.

В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: мокрый (помол и смешение сырья осуществляются в водной среде), сухой (материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде) и комбинированный.

Каждый из этих способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов, при их совместном помоле быстро достигается высокая однородность смеси, но расход топлива на обжиг сырьевой смеси при мокром способе в 1,5—2 раза больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастают размеры обычных вращающихся печей при обжиге в них мокрой сырьевой смеси, так как эти тепловые агрегаты в значительной мере выполняют функции испарителей воды.

Сухой способ, несмотря на его технико-экономические преимущества по сравнению с мокрым, длительное время ограниченно применялся вследствие пониженного качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике тонкого измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили возможность получения высококачественных портландцементов и по сухому способу. Это предопределило рост производства цемента по этому способу.

Сущность комбинированного способа заключается в том, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу, затем шлам обезвоживается на специальных установках и направляется в печь. Комбинированный способ по ряду данных почти на 20—30 % снижает расход топлива по сравнению с мокрым способом, но при этом возрастают трудоемкость производства и расход электроэнергии.

В СССР и США преобладает производство цемента по мокрому способу. Сухой способ широко используется в Японии, ФРГ, Италии. В 70-е годы в нашей стране началось интенсивное развитие производства портландцемента по сухому способу.

37. Сырьевые смеси, требования к сырьевым материалам. Понятие 2-х,3-х и4-х компонентной смеси.

При производстве портландцемента применяют разнообразные материалы, одни из которых идут непосредственно на изготовление клинкера, другие же в виде добавок используются при его помоле (гипс и минеральные добавки).

Сырьевыми материалами для производства клинкера служат карбонатные горные породы с высоким содержанием углекислого кальция и глинистые породы, содержащие кремнезем, глинозем и оксид железа. В среднем на изготовление 1 т цемента требуется до 1,6 т исходного сырья.

Наряду с материалами природного происхождения цементная промышленность во всеувеличивающемся объеме использует побочные продукты (отходы) разных отраслей промышленности, например доменные шлаки, золы, нефелиновый шлам и др. Имеется также опыт комплексного производства портландцемента и сернистого газа из смесей гипса или ангидрита (сернокислого кальция) с глиной.

Пригодность сырьевых материалов для производства портландцемента устанавливают на основании их всестороннего изучения.

В производстве портландцемента наиболее широко используют известняки и мел, а также мергели. Средняя плотность плотных известняков достигает 2400— 2700, а меловых пород—1500—2000 кг/м3. Влажность этих материалов соответственно 2—6 и 15—30%. Известняки и мел содержат до 90 % и более углекислого кальция и небольшие количества кварцевого песка, глинистых минералов и др. Химический состав этих материалов характеризуется преимущественным содержанием оксида кальция (до 50 % и более) и ССЬ (до 40 % и Со лее). Они содержат также небольшие количества кремнезема, глинозема и др. Содержание MgO более 3— 3,5 % и серного ангидрида более 1—1,3 % недопустимо.

При разработке технологической схемы производства портландцемента прежде всего учитывают химический и петрографический состав, а также физические свойства и влажность карбонатных пород.

Мергели — природная смесь мельчайших частиц углекислого кальция и глинистых минералов, являются ценным сырьем. По содержанию CaO, SiCb, R2O3 в расчете на прокаленное вещество они близки к клинкеру. Мергели, в которых содержание СаСОз соответствует содержанию его в искусственно составленной сырьевой смеси, называют натуральными. Подобно известнякам и мелу мергели могут резко различаться по физическим свойствам: одни имеют плотную структуру и прочны, другие как и мел мягки, рыхлы и влагоемки. Средняя плотность мергелей 2200—2500 кг/м3, а влажность — 5—20

Глины представляют собой тонкодисперсные осадочные горные породы и легко дают суспензии при разбалтывании с водой. Глины сильно различаются по минеральному и гранулометрическому составу часто в пределах даже одного месторождения. Нередко они содержат значительное количество включений в виде песка и гравия, что вызывает необходимость их предварительного обогащения.

По минеральному составу глины характеризуются преимущественным содержанием водных алюмосиликатов и кварцевого песка. Легкоплавкие глины состоят в основном из кремнезема (70—80%), глинозема (3— 10 %), оксида железа (3—6 %) и небольшого количества карбонатов кальция и магния. В отдельных случаях содержание оксида кальция может достигать 10—25 %, а оксида магния — 3—5 %. Иногда в глинах присутствуют соединения, содержащие S03, Na20 и КэО. Включения веществ с этими оксидами, а также MgO нежелательны и их количество должно быть минимальным. Влажность глин колеблется в пределах 15—25 %. Средняя плотность комовой глины 1800—2000 кг/м3.

В цементном производстве используются также глинистые сланцы и лессы. Сланцы характеризуются слоистостью и значительной прочностью.

Исследования, проведенные в Киевском политехническом институте под руководством А. А. Пащенко, установили целесообразность применения базальтов в качестве глинистого компонента. При этом обеспечивается пониженная энергоемкость при обжиге и помоле клинкера, пониженное тепловыделение цемента и повышенная его сульфатостойкость.

По данным этих же исследователей, рационально использование «красного шлама», получаемого при производстве глинозема из бокситов и содержащего до 60 % полуторных оксидов. Нефелиновый шлам — отход производства глинозема. В нем содержится 25—30 % Si02, 2— 5 % А1203, 3—5 % Fe203) 50—58 % СаО и 3—8 % других оксидов, в частности щелочей (1,5—3 %). При таком содержании СаО к этому материалу достаточно добавить лишь 15—20 % известняка для получения сырьевой смеси, используемой в производстве портландцемента. Применение нефелинового шлама увеличивает производительность печей на 20—30 % и уменьшает расход топлива на 25 %.

Доменные шлаки, содержащие до 40—50 % СаО, также весьма ценны в производстве портландцемента. Пока их применяют в недостаточном количестве на нескольких цементных заводах, в то время как на их базе возможна организация крупных производств портландцемента.

Поскольку не всегда удается получить клинкер требуемого химического и минерального состава, изменяя только соотношение между двумя исходными компонентами— известняком и глиной, то применяют корректирующие добавки, содержащие значительное количество какого-либо из недостающих оксидов клинкера. Например, содержание Si02 увеличивают добавкой высококремнеземистых веществ (трепела, опоки, диатомита или других пород). Недостаточное количество в сырьевой смеси оксида железа компенсируется добавкой колчеданных огарков или железной руды.