Конспекты лекций «Технология силикатных и строительных материалов»
Сырье и технология изготовления портландцемента
жүктеу/скачать 1,83 Mb.
|
| 10.1 Сырье и технология изготовления портландцемента
Портландцемент – гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5...3 %). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок. Основные операции при получении портландцемента: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол его совместно с добавками. Клинкер имеет следующий химический состав(%): СаО – 62...68, SiO2 – 18...26, А12О3 – 4...9, Fе2О3 – 2...6. Чаще используют известняк и глину в соотношении 3:1. В сырьевую смесь вводят корректирующие добавки и промышленные отходы, обеспечивающие требуемый состав клинкера. Тщательно подготовленную сырьевую смесь (рис.8.1.) подают на обжиг во вращающуюся печь, диаметром до 7 м и длиной до 185м. Изнутри печь выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3...4˚) углом к горизонту и вращается (0,8...1,3 мин-1), благодаря этому сырьевая смесь 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 оксидами SiO2, А12О3 и Fе2О3, образующимися при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют портландцементный клинкер – плотные твердые гранулы серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала (табл. 1.) и небольшое количество стеклообразного вещества. Таблица 10.1- Минеральный состав портландцементного клинкера
Примечание: В скобках сокращенное обозначение клинкерных минералов Портландцементный клинкер (на 60…80%) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент называют силикатным цементом. Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера. При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает, поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах, а транспортируют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах. В зависимости от технологических особенностей приготовления сырьевых смесей различают три способа производства портландцемента:, мокрый, сухой и комбинированный. При мокром способе производства измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде тонкодисперсной сметанообразной водной суспензии — шлама. Обжиг ведут в длинных вращающихся печах с внутрипечными теплообменниками. При сухом способе сырьевую шихту готовят в виде тонко измельченного сухого порошка — сырьевой муки, поэтому перед помолом или в ходе его сырьевые материалы высушивают. Обжигают сырьевую муку в коротких вращающихся печах с запечными теплообменниками. При комбинированном способе производства сырьевую смесь готовят по технологии мокрого способа в виде шлама, а затем обезвоживают на фильтрах до влажности 16—18% и тонко измельчают в дробилках-сушилках. Каждый из способов производства имеет свои преимущества и недостатки. Так, при мокром способе в присутствии воды облегчается измельчение материалов, легче достигается однородность смеси, надежнее и проще транспортировка шлама, лучше условия труда. Однако при этом способе расход топлива на обжиг на 30—40% больше, чем при сухом способе. Кроме того, необходимо использовать более габаритные и соответственно металлоемкие печи, так как значительная часть печного пространства выполняет функцию испарителя механически примешанной воды из шлама. Основное преимущество сухого способа производства — существенное снижение расхода теплоты на обжиг клинкера — до 3,4— 4,2 кДж/кг по сравнению с 5,8—6,7 кДж/кг при мокром способе. Объем печных газов (при одинаковой производительности печей) при сухом способе на 35—40% меньше, чем при мокром. При сухом способе производства снижается стоимость обеспыливания печных газов, имеются лучшие возможности для использования теплоты отходящих газов для сушки сырья, что позволяет снизить общий расход топлива, но при этом усложняется технологическая схема. Важнейшее преимущество сухого способа производства возможность получения более высоких удельных съемов клинкера в печных агрегатах, что позволяет использовать печи производительностью до 6000—10000 т/сут. К недостаткам этого способа следует отнести относительную сложность корректировки состава шихты, повышение расхода электроэнергии, а также увеличение количества единиц технологического оборудования и усложнение схемы производства. Одним из важнейших условий при компоновке основных агрегатов при проектировании заводов сухого способа является стремление к наиболее полному использованию теплоты отходящих газов, так как только в этом случае данный способ является эффективным. В целом по технико-экономическим показателям сухой способ превосходит мокрый. При использовании мощных высокопроизводительных печей он обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера примерно вдвое, рост годовой выработки на одного работающего примерно на 40%, уменьшение на 10% себестоимости продукции. Важнейшими условиями, определяющим выбор способа производства, являются: состав и свойства сырьевых материалов (однородность, влажность, гранулируемость, твердость, размачиваемость и др.), факторы, которые влияют на выбор способа приготовления однородной по составу шихты, обеспечивающей получение клинкера надлежащего качества; следует учесть, что в настоящее время высококачественный клинкер можно получить как мокрым, так и сухим способом; расходы топлива и энергии, в значительной части обусловливаемые отмеченными выше свойствами сырьевых материалов и в меньшей степени принятым технологическим процессом; капитальные и эксплуатационные затраты, величина которых в основном также определяется принятым технологическим процессом; надежность работы оборудования, позволяющая применить автоматизацию и трудоемкость обслуживания, ремонта и т.п. Производство клинкера – наиболее сложный и энергоемкий процесс, требуемый больших капитальных и эксплуатационных затрат. Получение портландцементного клинкера состоит из следующих технологических операций: добыча сырьевых материалов, дробление, помола и смешивание их в определенном количественном соотношении и обжига сырьевой смеси. Комплекс технологических операций по получению портландцемента из клинкера включает дробление клинкера, гипса и минеральных добавок, сушку добавок, помол клинкера совместно с активными минеральными добавками и гипсом, складирование, упаковку и отправку цемента потребителю. Перерабатываемое в цементной промышленности сырье отличается как составом, так и физико-техническими свойствами. Для каждого вида сырья должен быть выбран такой способ подготовки, который обеспечивал бы тонкое измельчение и равномерное перемешивание компонентов с минимальными энергетическими затратами. В зависимости от способа подготовки сырьевых смесей различают мокрый, сухой и комбинированные способы производства клинкера. При мокром способе производства тонкое измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде водной суспензии – шлама влажностью 30-50%. При сухом способе шихту готовят в виде тонкоизмельченного порошка, поэтому перед помолом или в процессе его сырьевые материалы высушивают. Комбинированный способ производства может базироваться как на мокром, так и на сухом способе приготовления шихты. В первом случае сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, а затем обезвоживают на фильтрах до влажности 16 …18% и подают на обжиг в печи в виде полусухой массы. Во втором случае сырьевую смесь готовят по сухому способу, а затем гранулируют с добавкой 10..14% воды и подают на обжиг в виде гранул. Обращая внимание на исходные данные курсового проекта (Wизвестняка = 3%) выбран сухой способ производства. Принципиальная технологическая схема получения портландцемента сухим способом представлена на рисунке 1. Измельчение материалов в мельницах может производиться при влажности сырья не более 1%. В природе сырья с такой влажностью практически нет. Желательно совмещать процесс сушки с размолом сырьевых компонентов. Это эффективное решение нашло применение на большинстве новых заводах, работающих по сухому способу производства. В шаровой мельнице совмещены процессы сушки, тонкого измельчения и перемешивания компонентов сырьевой смеси. Из мельницы сырьевая смесь выходит в виде тонкодисперсного порошка – сырьевой муки. Сырьевая мука поступает в железобетонные силосы, где производится корректирование ее состава до заданных параметров и гомогенизация путем перемешивания при помощи сжатого воздуха. Готовая сырьевая мука поступает на обжиг во вращающиеся печи с запечными теплообменниками и т.д. Поступающий с карьера известняк подвергают двух- или трех- ступенчатому дроблению до зерен размером 8…10 мм, а затем направляют в мельницу. Поступающую с карьера глину измельчают в дробилках, а затем размучивают в мельницах – мешалках или болтушках. Это сокращает расход энергии на тонкое измельчение. Окончательное тонкое измельчение компонентов и получение однородной смеси известняка, глиняного шлама и корректирующих добавок происходит в шаровых мельницах. В процессе приготовления шихты возникают колебания ее состава из-за неоднородности сырья, а также погрешностей дозирования, поэтому перед обжигом состав сырьевой смеси необходимо откорректировать. При порционном корректировании шлам центробежными насосами перекачивают в вертикальные бассейны, где корректируют его состав путем добавления шламов с большим или меньшим содержанием компонентов. Откорректированный шлам поступает из вертикальных бассейнов в горизонтальные, и храниться там до подачи в печь на обжиг. При поточном корректировании готовят два шлама, отличающихся по составу и коэффициенту насыщения. Корректирование состава достигается смешением их в необходимом соотношении в горизонтальных шламбассейнах большей вместимости. Готовый шлам интенсивно перемешивают при помощи сжатого воздуха. Затем поступает на обжиг. Обжиг шлама осуществляется во вращающихся печах с внутри печными теплообменниками. В качестве теплообменников применяют фильтры подогреватели. При температуре 1300…1500 градусов материал спекается и образуется клинкерные зерна. Далее клинкер охлаждается потоками холодного воздуха- это осуществляется в холодильниках. Охлажденный клинкер попадает на колосниковый грохот, а затем в дробилку и в бункер. Измельченный клинкер передается на силосный склад, во время его хранения или магнизирования свободный оксид кальция в клинкере гасится влагой воздуха. Время хранения клинкера на складе составляет 10…14 суток. Добыча известняка. Известняковые породы обычно залегают под слоем пустой породы, толщина которого может достигать 3—5 м и более. Для ее удаления применяют экскаваторы разных типов, бульдозеры. При гидромеханическом способе грунт размывают струей воды, подаваемой гидромонитором под давлением 1,5—2 МПа. Высокоэффективны разработка вскрышных пород с помощью роторных экскаваторов и их удаление в отработанные части карьеров ленточными конвейерами. Взорванную породу кусками размером до 1м, а иногда до 1,5—2 м в поперечнике грузят на транспортные средства и отправляют на завод. Более крупные глыбы дробят пневматическими перфораторами. В качестве транспортных средств используют самоопрокидывающиеся платформы на 90—100 т, автосамосвалы или подвесные канатные дороги. В последние годы организация добычи и первичной переработки сырья для производства цемента претерпевает большие изменения. Так, для рыхления скальных пород вместо взрывов начинают применять специальные рыхлители, навешиваемые на мощные тягачи или пневмоколесные погрузчики горной породы, масса которых в 6—8 раз меньше, чем экскаваторов, при одинаковой вместимости ковша. Обладая большой мобильностью, они способны быстро перемещать добытую горную массу к дробильным установкам, находящимся в карьерах. При этом удельные затраты на оборудование сокращаются примерно в два раза. Высокой экономической эффективностью характеризуется организация дробления известняка, а также переработка мела, мергелей и глин непосредственно на карьерах с подачей на завод известнякового щебня ленточными конвейерами длиной до 5—8 км. Еще более эффективно применение на карьерах вместо стационарных передвижных (самоходных) дробильных агрегатов производительностью до 400—1000 т/ч. Добыча глины. Добычу глины ведут экскаваторами одноковшовыми или многоковшовыми. Транспортируют эти материалы так же, как и известняк, на заводы. Добытый известняк вначале подвергают двухстадийному, а иногда одностадийному дроблению до кусков размером 1—3 см. Для этой цели на новых предприятиях часто используют передвижные механизмы, например молотковые дробилки соответствующей производительности. Полученную щебенку направляют на усреднительный склад, где с помощью комплекса машин осуществляется первичная гомогенизация сырья. Добытую глину вначале также подвергают дроблению при одновременной сушке с последующей подачей полученного материала на усреднительный склад для гомогенизации. С этих складов известняк и глину направляют через автоматические дозаторы в требуемом соотношении по массе в шаровые мельницы, где осуществляются сушка и тонкий помол сырья. Для сушки в мельницы направляют дымовые газы, образующиеся во вращающихся печах при сжигании топлива. Шаровые мельницы часто работают в замкнутом цикле с сепараторами (проходными или центробежными). Из мельниц мука в виде пылегазовой смеси направляется в осадительные циклоны, а затем в горизонтальные электрофильтры, в которых выделяется твердая фаза. Иногда для оптимизации работы оборудования в линии устанавливаются охладители газов, в которые в необходимом количестве пульверизируется вода. При этом температура газов, поступающих в электрофильтры, должна держаться на уровне 120—140 °С. В этих условиях остаточное содержание пыли в газах, выбрасываемых в атмосферу, доводится до санитарных норм (75—90мг/м3). На крупных предприятиях с производительностью одной технологической линии 3000 т клинкера в сутки устанавливают две шаровые мельницы размером 4,2×10 м, дающие 120—130 т/ч муки с остатком 10—12 % на сите № 008. В настоящее время все шире начинают применять каскадные мельницы без мелющих тел типа «Аэрофол», сырьевые материалы в которых измельчаются под действием падающих кусков самого материала. Эти мельницы применяют для измельчения сырья с влажностью до 20%, а по ряду данных и с большей влажностью. Сырье загружают кусками размером до 30—50 см. В мельницу подают горячие; газы, которые сушат материал до влажности 0,5— 1%. Эти же газы выносят измельченный продукт, который затем выделяется из потока в проходных сепараторах и циклонах, причем более крупные частицы возвращаются на домол. Иногда после такой мельницы устанавливают обыкновенную шаровую мельницу для домола материала. Расход электроэнергии на помол материалов в бесшаровых мельницах уменьшается по сравнению с расходами на помол в трубных мельницах примерно на 25 %. Производительность таких мельниц 250—300 т/ч и более. Сырьевая мука, получаемая в результате помола в мельницах того или иного типа, направляется на гомогенизацию и корректирование в специальные железобетонные силосы вместимостью до 500—2000 м3 (в зависимости от масштабов производства и однородности сырья). Чем неоднороднее сырье, тем меньше обычно вместимость отдельных силосов. Муку в них перемешивают сжатым воздухом, вводимым через керамические пористые плитки, укладываемые на днище силосов. Иногда вместо керамических применяют специальные металлические плитки или даже перфорированные трубы, покрытые тканью. Воздушные струи, проникающие в муку, аэрируют ее, что сопровождается уменьшением насыпной плотности. Одновременно материал приобретает большую текучесть. После гомогенизации проверяют состав сырьевой муки по содержанию оксида кальция (титр муки). Если оно соответствует требуемому, то смесь направляют на обжиг. Если же выявляется отклонение, то, муку из двух силосов направляют в третий в таком соотношении, чтобы получить смесь требуемого состава. После заполнения общего силоса материалы в нем тщательно перемешивают до полной однородности. При использовании способа непрерывной гомогенизации мука непрерывно подается наверх большого силоса, заполненного уже аэрированной и гомогенизированной смесью. Одновременно у днища силоса непрерывно отбирается готовый материал. Вместимость силоса, принимается равной 8—10-ти кратной часовой производительности мельниц. Высота силосов в 1,5—2 раза больше их диаметра. Для перемешивания применяют обычно воздух, очищенный от масла и паров воды, под давлением до 0,15— 0,2 МПа. Через 1 м2 пористых плиток подается в 1 мин около 2 м3 воздуха. Затраты электроэнергии на гомогенизацию составляют 0,4—0,6 кВт·ч на 1 т муки; общий расход энергии на всю установку (подача материала в силосы, его выгрузка и перемешивание) 2,2—2,5 кВт·ч/т. В месте выхода готовой муки из силосов устанавливают пробоотборники, автоматически отбирающие пробы массой 10—15 г/т материала. Силосы снабжают также устройствами для обеспыливания отработанного воздуха и удаления воздуха из готовой муки. В тех случаях, когда муку обжигают во вращающихся печах, снабженных циклонными теплообменниками, сухую, смесь из силосов с помощью пневмонасосов того или иного типа направляют в приемный бункер печной установки. Отсюда элеватором подают на ленточный конвейер – дозатор, его в газоход батарейного циклона. 3десь он подхватывается отходящими газами и проходит ряд других циклонов после чего и поступает в печь 10. Во время перемещения по газоходам и циклонам сырьевая мука постепенно нагревается и поступает в циклон с температурой 800—850 °С частично (на 30—40 %) декарбонизированной. Нагревается мука в газовом потоке, циклонных теплообменников очень интенсивно. Циклоны изнутри футеруют огнеупорами. Газы через систему циклонов движутся под действием дымососа. Отработанные газы с температурой 200—300 °С очищаются от пыли в электрофильтрах или же сначала используются для сушки муки. Обжиг сырьевой смеси при сухом способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Шахтные печи применяют иногда только при сухом способе производства. Вращающаяся печь представляет собой длинный, расположенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из листовой стали с огнеупорной футеровкой внутри (рисунок 1). Длина печей 95-185-230м, диаметр 5-7м. Горячие газы поступают навстречу сырью. Сырье занимает только часть печи по поперечному сечению, и при ее вращении со скоростью 1-2 об/мин медленно движется к нижнему концу, проходя различные температурные зоны. В зоне испарения происходит высушивание поступившего сырья при постепенном повышении температуры с 70-80°С (в конце этой зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы. В зоне подогрева, которая следует за сушкой сырья, при постепенном нагревании сырья с 200°С до 700°С, сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глинистых минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450-500°С) и образуется каолинитовый ангидрит А12О3·2SiO2 и другие подобные соединения. В зоне кальцинирования температура обжигаемого материала поднимается с 700°С до 1100°С, здесь завершается процесс диссоциации углекислых солей кальция и магния и появляется значительное количество) свободного оксида кальция. В этой же зоне происходит распад дегидратированных глинистых минералов на оксиды SiO2, А12О3, Fе2О3, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы ЗСаО·А12О3, СаО·А12О3 и частично 2СаО·SiO2 – белита. В зоне экзотермических реакций (1100-1250°С) проходят твердо-фазовые реакции образования ЗСаО·А12О3; 4СаО·А12О3Fе2О3 и белита. В зоне спекания (1300-1450°С) температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения, необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера – алита 3СаО·SiO2 почти до полного связывания оксида кальция (в клинкере СаОсвобод не более 0,5-1%). В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300°С до 1000°С; здесь полностью формируется его структура и состав. Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен-гранул ("горошка") темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000°С до 100-200°С. После этого клинкер выдерживается на складе 1-2 недели. В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300°С до 1000°С; здесь полностью формируется его структура и состав. Помол клинкера с добавками в тонкий порошок производится преимущественно в трубных (шаровых) мельницах. Трубная мельница представляет собой стальной барабан, облицованный внутри стальными броневыми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2 – 4 камеры. Крупнейшими помольными агрегатами являются мельницы размером 3,95×11 м, производительностью 100 т/ч и размером 4,6×16,4 м, производительностью 135 т/ч. Материал в трубных мельницах измельчается под действием загруженных в барабан мелющих тел - стальных шаров (в камерах грубого помола) и цилиндров (в камерах тонкого помола). При вращении мельницы мелющие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и истирая зерна материала. Различают две схемы помола: по открытому (рисунок 2) и замкнутому циклам. Второй предпочтителен в тех случаях, когда необходимо получить вяжущие с высокой удельной поверхностью или измельчаемые компоненты различаются по размалываемости. Внедрение в производство мельниц, в которых осуществляется помол по замкнутому циклу, обусловлено в основном повышением требований к тонкости помола, которые не могли быть удовлетворены при работе на установках открытого цикла. Тонкий помол на таких установках связан с резким уменьшением их производительности. В мельницах, работающих по замкнутому циклу, не только повышается тонкость измельчения, но и обеспечивается увеличение удельной производительности, снижение температуры выходящего продукта, уменьшение расхода мелющих тел. Применение замкнутого цикла целёсообразно еще и потому, что измельчаемая шихта, как правило, состоит из компонентов различной размолоспособности. В открытом цикле легко размалываемые компоненты переизмельчаются, в замкнутом они, размалываются по одинаковой тонкости. Своевременное удаление из мельницы мелких зёрен предотвращает их переизмельчение, на которое затрачивается большое количество энергии. Следует, однако, учесть, что переход на замкнутый цикл связан со значительным повышением расхода энергии на вспомогательные операции, усложнением конструкции и условий эксплуатации мельницы. Литература Артамонов М.В., Асланова М.С. и др. Химическая технология стекла и ситаллов: Х 46. Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1983. Будников П.П., Бережной Л.С. и др. Технология керамики и огнеупоров. Учебник для химико-технологических институтов. М.: Стройиздат, 1955. Грушко И.М., Королев И.В. и др. Дорожно-строительные материалы. Учебник для автомобильно – дорожных институтов. М.: Транспорт, 1983. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы.: Учебник – М.: Стройиздат, 1986. Домокеев А.Г. Строительные материалы. Учебник для строительных вузов. – 2-е издание. – М.: Высшая школа, 1989. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия. – М.: Высшая школа, 1983. Неназашвили И.Х. Строительные материалы, изделия и конструкции.: Справочник. – М.: Высшая школа, 1990. Попов Л.Н. Лабораторные испытания строительных материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1984. Рис.10.2- Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом Рис.10.3- Технологическая схема производства портландцемента сухым способом жүктеу/скачать 1,83 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|