Способы производства. Как уже было отмечено выше, есть два принципиально различных способа производства глиноземистого цемента -- плавление шихты и спекание. При выборе того или иного способа нужно учитывать ряд факторов и, прежде всего, химический состав боксита определенной марки и в особенности содержание в нем кремнекислоты и окиси железа. На основе экспериментальных исследований определяют температуры спекания и плавления и интервал между ними, а также качество получаемого расплава либо клинкера. Технико-экономический анализ позволяет выявить, какой способ производства в данных условиях рациональнее. При этом учитывают наличие и стоимость электроэнергии, качество кокса и др.

Плавление. Глиноземистый цемент можно получать плавлением в ватержакетных печах (вагранках с водяным охлаждением). Боксит, известняк и кокс в установленном расчетном соотношении загружают в верхнюю часть печи. Подогретый в рекуператорах воздух вдувают через фурмы; образующийся внизу печи расплав при 1773--1873 К выпускается через летку; расплав металлического железа выпускается из печи отдельно. Проводились опыты по применению для этих печей воздуха, обогащенного кислородом. Производительность их достигала 50 т/сут при удельном расходе топлива около 500 кг на 1 т расплава.

Для этого производства необходимы высококачественные бокситы с малым содержанием кремнезема, так как восстановление кремнезема до кремния и получение одновременно кремнистого чугуна или ферросилиция происходят при высоких температурах, которые в этих печах создать трудно. Расплав (шлак) охлаждается в специальных изложницах и в охлажденном виде измельчается в дробилках и затем подвергается тонкому измельчению в многокамерных трубных мельницах.

Во Франции и Англии применяются мартеновские пламенные печи, снабженные вертикальной трубой, через которую в печь поступает сырьевая шихта. Печи работают на пылевидном топливе при горячем дутье. Шлак выпускается при 1823--1873 К. Производительность достигает 70 т/сут. Существует способ электроплавки глиноземистого цемента, при применении которого продукт не загрязняется кремнекислотой, содержащейся в золе кокса, поскольку одновременно выплавляется ферросилиций.

Есть опыт использования дуговых печей, работающих преимущественно на переменном токе. Для интенсификации процесса плавки сырьевые компоненты предварительно высушивали, измельчали и после тщательного смешивания брикетировали или гранулировали. Во избежание выбросов из печи, которые бывают из-за быстрого выделения воды и углекислоты из сырьевой шихты, предварительно прокаливают боксит и кальцинируют известняк. Производительность печей достигает 30--40 т/сут. Расход электроэнергии составляет около 4320--5040 МДж на 1 т продукта. И этих электропечах выплавляют качественный глиноземистый цемент из высококремнеземистых бокситов.

Благодаря высокой температуре в такой электропечи, достигающей 2273 К, и применению кокса в шихте кремнезем шихты восстанавливается до кремния и в результате взаимодействия с металлическим железом образуется ферросилиций. Так, например, при использовании боксита, содержащего 15--17% Si0₂, количество ее в цементе (расплаве) снижается до 6--8%. Количество ферросилиция с 13--15% Si составляет около 35% массы цемента. Весьма высок удельный расход электроэнергии, достигающий 9000-10 800 МДж на 1 т цемента.

Недостаток этого способа -- ограниченный предел восстановимости кремнезема из-за образования значительных количеств карбида кальция, увеличивающихся с повышением температуры.

Глиноземистый цемент в США получают, сочетая процесс слабого спекания шихты во вращающейся печи с последующим расплавлением ее в ванной печи. Высказываются мнения о возможности плавления во вращающихся печах, но этот способ в промышленности не применяется.

Большое значение имеет способ доменной плавки чугуна и высокоглиноземистого шлака, успешно разработанный нашими учеными. За рубежом его называют "русским способом производства глиноземистого цемента". Организации производства этого цемента в Российской Федерации предшествовали широкие экспериментальные исследования, которые позволили установить рациональный состав доменной шихты, условия плавки и в особенности режим охлаждения выплавляемого шлака. Исследования строительно-технических свойств получаемого цемента и технико-экономические показатели его производства и применения свидетельствовали об эффективности этого способа. С 1936 г. его стали применять на Пашийском цементно-металлургическом, а затем на Всрх-не-Синечихинском заводах.

Железистый боксит, известняк, кокс и металлический скрап загружают в обычную доменную печь, из которой периодически на верхней летке выпускается высокоглиноземистый шлак, а на нижней -- специальные виды чугунов, содержащие примеси титана, меди и других веществ, поступающих из боксита и скрапа. Температура шлака 1873--1973 К. Хотя при этой технологии продукт (высокоглиноземистый шлак) совсем не содержит железа, так как оно полностью перешло в чугун, он несколько обогащается кремнеземом за счет золы кокса. Выход шлака на 1 т чугуна заметно выше, чем при обычной плавке чугуна из железных руд.

Экспериментальные исследования, проведенные Уральским научно-исследовательским и проектным институтом строительных материалов в г. Челябинске, показали возможность получения плавленого глиноземистого и высокоглиноземистого шлаков (цементов) способом алюминотермии. Г.И. Золдату, А.А. Кондрашенкову удалось снизить содержание двуокиси кремния в металлургиеских шлаках и тем самым обогатить их глиноземом. Восстановление кремнезема при этом способе происходит по реакции

3Si0₂ + 4 А1 -- 3Si + 2А1₂0₃.

В расплавленный доменный шлак при его выпуске из печи либо в шлаковозный ковш вводят термитную смесь, состоящую из железной руды и алюминия. Происходит реакция с большим выделением тепла, и температура шлака поднимается до 2273 К и выше. При введении 12--33% термитной смеси (от массы шлака) кремний переходит в ферросилиций и на дне осаждается металлический ферросиликоалюминиевый расплав. В доменном шлаке в результате восстановления содержание двуокиси кремния с 36,04% снижается до 6,48%, а глинозема повышается с 13,07 до 58,79%. Образцы шлаков в измельченном виде представляют собой глиноземистые цементы, отличающиеся, однако, от обычных пониженной прочностью в начальные сроки твердения.

Спекание. Исследованию процесса спекания глиноземистого цемента уделялось у нас в свое время большое внимание, потому что из-за сравнительно невысоких температур, обычно составляющих около 1473--1673 К, его можно вести в широко применяемых в промышленности обжигательных агрегатах.

Способ спекания во вращающихся и других печах при окислительном и восстановительном обжиге тщательно и глубоко исследовался, но не был внедрен в производство по ряду причин. Это, в частности, малый интервал между температурами спекания и плавления, что приводит к появлению колец и настылей в печи, а также необходимость применения высококачественных низкокремнеземистых и маложелезистых бокситов, необходимых для изготовления металлического алюминия. Экспериментальные исследования Южгипроцемента выявили возможность получения глиноземистого цемента на агломерационной ленте (спекательной решетке).

По проекту установки спекательной решетки УЗТМ-К-2-18 полезной площадью 18 м² при удельном съеме 0,46 т с 1 м² полезной площади производительность решетки составит 65 тыс. т в год.

Особенностью этого процесса является быстрый обжиг клинкера. При скорости движения ленты 0,6 м/мин скорость обжига по сечению слоя шихты составляет 1--2 см/мин. Продолжительность обжига в зависимости от толщины слоя шихты 13--20 мин.

Сходящий с ленты горячий клинкер фракционируется путем рассева, причем фракции менее 15 мм возвращаются на ленту в виде подстилки под сырую шихту. Количество возврата 20--30%, удельный расход тепла 1100--1200 ккал/кг клинкера, тепловая мощность ленты 910⁶ ккал/ч.

Скорость охлаждения расплава (шлака) имеет большое значение, так как она существенно влияет на его кристаллическую структуру, отчего в значительной степени зависит качество цемента. Как известно, быстрое охлаждение горячих расплавов (например, доменных шлаков) для предупреждения их кристаллизации обычно существенно повышает их гидравлическую активность -- в качестве добавки к цементу, а также способность твердеть самостоятельно. Предполагалось, что и высокоглиноземистые расплавы в стекловидном состоянии, быстро охлажденные, будут обладать более высокими вяжущими свойствами.

Однако оказалось, что характерные для глиноземистых цементов строительно-технические свойства и в первую очередь высокая начальная прочность проявляется только у равномерно закристаллизованных, т.е, медленно охлажденных цементов. Было установлено, что стекловидная фаза алюминатов кальция почти полностью теряет свою высокую активность. Можно считать, что кристаллические образования силикатов и алюминатов кальция, обладающие вяжущими свойствами, теряют их, если находятся в стекловидном состоянии.

Казалось бы, что высокоглиноземистые расплавы (шлаки) должны подвергаться медленному и равномерному охлаждению, чтобы более полно и равномерно кристаллизоваться. Однако при таком способе наряду с алюминатами кальция будет кристаллизоваться и геленит кальция -- соединение, которое в кристаллическом состоянии инертно и приобретает гидравлическую активность только в виде стекловидной фазы. Поэтому возникла необходимость изыскать комбинированный способ охлаждения, при котором создавались бы условия для застывания геленита в виде стекла при кристаллизации алюминатов кальция. Этот способ предложен НИИцементом. Физико-химическая основа его такова. В системе СаО--А1₂0₃--Si0₂ есть поле устойчивости геленита, в котором обычно располагаются составы выпускаемого у нас в стране глиноземистого цемента.

Равновесная кристаллизация таких расплавов приводит к появлению в первую очередь геленита, кристаллизующегося при 1683--1793 К. После этого при более низких температурах кристаллизуются алюминаты кальция также в виде твердых растворов. Поэтому было предложено создавать такие условия, при которых расплав быстро проходил бы указанный температурный интервал за счет быстрого охлаждения. Это предупреждает кристаллизацию геленита и образование активного алюмосиликатного стекла при последующей по мере понижения температуры кристаллизации алюминатов кальция. Степень охлаждения при грануляции должна быть исключительно точной, чтобы не произошел переход алюминатов кальция в состав стекловидной фазы, что недопустимо.

Опыты показали, что спустя некоторое время после выпуска из домны расплав должен подвергаться не водной, а паровоздушной грануляции. Для этого грануляционную установку разместили на некотором расстоянии от летки домны. При этом способе удалось существенно повысить качество глиноземистого цемента, довести содержание в нем Si0₂ до 11 --13%. Исследование полученных шлаков под микроскопом показало, что поверхность образующихся гранул размером 20--30 мм состоит из стекла, а внутри они содержат хорошо закристаллизованные алюминаты кальция и эвтектические прорастания моноалюмината кальция и двухкальциевого силиката. Размалываемость быстро охлажденного шлака резко улучшается и соответственно повышается производительность цементных мельниц. Испытания опытных цементов показали, что прочность их увеличивается примерно в 1,5--2 раза по сравнению с прочностью цементов, полученных из расплавов медленного охлаждения.

Минералогический состав глиноземистых цементов весьма разнообразен и, как видно из изложенного, определяется многими производственными факторами. Часто слои одного и того же образца расплава имеют различный минералогический состав. Так, например, при обычном охлаждении расплава в изложницах поверхность, непосредственно прилегающая к ее стенкам, имеет стекловатую структуру, что объясняется более быстрым охлаждением. Внутренняя же часть материала оказывается закристаллизованной полностью. Поэтому определять фазовый состав глиноземистого цемента расчетным способом по данным химического анализа практически невозможно. Он устанавливается обычно при помощи петрографического или рентгеноструктурного метода.

Сухой способ приготовления

Каждый компонент сырьевой шихты, поступающий со склада, конвейерами направляется в бункера, снабженные затворами и весовыми дозаторами, и далее к конвейерам, доставляющим их в загрузочную воронку мельницы.

В отделении для помола сырья установлены две сырьевые мельницы размером 4,2х10 м. Каждая мельница имеет камеру подсушки и одну размольную камеру. Производительность мельницы составляет 130 т в час сухой сырьевой смеси. При влажности шихты, не превышающей 8%, мельница работает с подводом сушильного горячего газа от запечных теплообменников. При большей влажности сырья устанавливают топочное устройство, из которого в мельницу дополнительно подают газ, температура которого выше, чем газа, поступающего от циклонных теплообменников.

Каждая мельница работает по схеме пневматической разгрузки с воздушно проходным сепаратором. Крупка, отвеянная сепаратором, возвращается в мельницу на домол, готовый продукт через циклоны, аэрожелоба и расходомер поступает в силосы сухой сырьевой муки оборудованные системой смесительной аэрации.

Из силосов сырьевая мука по аэрожелобам ленточными питателями направляется в теплообменники, где нагревается газами, выходящими из печи, до 700--760°С и частично (до 20%) декарбонизуется, после чего самотеком поступает во вращающуюся печь.

При нормальном режиме работы газы, отходящие из теплообменников, направляются дымососом в сырьевые мельницы, из которых дымососом подаются в электрофильтр на обеспыливание и затем дымососом эвакуируются в дымовую трубу. Температура выходящих из мельницы газов 200--250°С. Но если мельница не работает и газы поступают из циклонных теплообменников в электрофильтр с температурой 325--350°С, то в скрубберном устройстве газохода включается подача распыленной воды для охлаждения газов до требуемой температуры.

В зависимости от свойств подаваемого сырья часовая производительность вращающейся печи диаметром 6,4 м (в зоне загрузки диаметр ее составляет 7 м), длиной 95 м достигает по клинкеру 125--146 т. Процесс обжига отличается от описанного тем, что дегидратация сырья и частично декарбонизация перенесены в зону запечных теплообменников, вследствие чего печь получается короче по сравнению с печью соответствующей производительности, работающей по мокрому способу.

Выданный печью клинкер охлаждается в холодильнике производительностью до 150 т/ч, из которого пластинчатым конвейером подается в силосы.

Со склада клинкер и добавки (гипс и шлак) дозаторами выдаются на конвейер, подающий смесь в загрузочные устройства мельниц для помола цемента.

Аспирационный воздух, удаляемый из холодильника и цементных силосов, обеспыливается соответственно в фильтрах.

В рассматриваемой технологической линии на помоле цемента работают две мельницы размером 4X13,5 м производительностью по 130 т каждая. Помольный агрегат включает (помимо мельницы) центробежные сепараторы, элеватор и аэрожелоба. Аспирационный воздух из мельницы проходит шахту, циклоны, фильтр и дымососом направляется в атмосферу. Готовый цемент насосами подается в силосы.

Мокрый способ производства

При использовании наиболее распространенных видов сырья (твердого карбонатного и мягкого глинистого) производство портландцемента осуществляется по следующей технологической схеме. Поступающий с карьера известняк подвергают двух- или трехступенчатому дроблению до зерен размером 8...10 мм, а затем направляют в мельницу. Поступающую с карьера глину измельчают в валковых 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 последнее время для предварительного измельчения материалов широко применяют мельницы самоизмельчения типа «Гидрофол».

Для эффективной эксплуатации печей необходимо подавать на обжиг сырьевую смесь оптимального и постоянного состава. От этого зависят производительность печи, удельный расход теплоты на обжиг, срок службы футеровки, качество цемента. В процессе приготовления шихты возникают неизбежные колебания ее состава из-за неоднородности сырья, а также погрешностей дозирования, поэтому перед обжигом состав сырьевой смеси необходимо откорректировать. Различают корректирование порционное и поточное. При порционном корректировании шлам центробежными насосами перекачивают в вертикальные бассейны, где его состав корректируют путем добавления шламов с большим или меньшим содержанием компонентов. Откорректированный шлам поступает из вертикальных бассейнов в горизонтальные и хранится там до подачи в печь на обжиг.

При поточном корректировании готовят два шлама, отличающихся составом и коэффициентом насыщения. Корректирование состава достигается смешением их в необходимом соотношении в₍ горизонтальных шлам-бассейнах большей вместимости. Готовый шлам интенсивно перемешивают при помощи сжатого воздуха. Поточное корректирование широко применяют на современных мощных цементных заводах. Оно позволяет сократить расходы на Строительство, снизить расход электроэнергии, однако требует более строгого соблюдения технологического режима, оперативного, и надежного контроля всех этапов процесса.

После проверки соответствия состава шлама заданным показа-, телям его подают на обжиг во вращающуюся печь. Полученный клинкер охлаждают в охладителе и подают на склад, где создается его запас, обеспечивающий бесперебойную работу завода. Вместе с. тем выдерживание клинкера на складе повышает качество цемента. На складе хранят также гипс и активные минеральные добавки. Эти компоненты предварительно должны быть подготовлены к помолу. Активные минеральные добавки высушивают до влажности не более 1%, гипс подвергают дроблению. Совместный тонкий размол клинкера, гипса и активных минеральных добавок в шаровых (трубных) мельницах обеспечивает получение цемента высокого качества. Из мельниц цемент поступает в склады силосного типа. Отгружают цемент либо навалом (в автомобильных и железнодорожных цементовозах, специализированных судах), либо в таре -- многослойных бумажных мешках.

В настоящее время по мокрому способу производства выпускается 87 % клинкера. Это обусловлено тем, что в присутствии воды упрощается процесс измельчения материалов, легче достигается однородность смеси, надежнее и удобнее транспортировать шлам, лучше санитарно-гигиенические условия труда. Однако введение в шлам значительного количества воды (30...50 % массы шлама) ведет к резкому повышению расхода теплоты на ее испарение (5,8... 6,7 МДж/кг клинкера), что на 30...40 % больше, чем при сухом способе производства. Кроме того, при мокром способе производства возрастают габариты и металлоемкость печей, поскольку значительная часть их выполняет функции испарителя воды из шлама. Использовать мокрый способ целесообразно лишь при высокой влажности сырья. В данном курсовом проекте использован сухой способ производства цемента.

1.4 Новое в производстве вяжущего

Таблица. В ходе выполнения курсового проекта был произведен патентный поиск с глубиной 10 лет. Были найдены следующие решения.