Получение портландцемента

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

«ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Получение портландцемента

Ижевск 2006

Оглавление

Введение

I. Портландцемент и его применение

1. Сырьевые материалы

2. Способы производства

3. Мокрый способ производства портландцемента

II. Основные схемы помола, используемые в производстве цемента

Введение

В качестве сырья для производства портландцемента используется смесь из известняка и глины. В редких случаях используется горная порода мергель, представляющая собой природную смесь известняка и глины в соотношении необходимом для получения портландцемента.

В 19 веке англичанин Аспдин на дороге, проходящей по мергелю вблизи города Портленд, собрал дорожную пыль, сделал брикеты и обжог. Это и был первый портландцемент и под этим названием Аспдин его и запатентовал.

Цементные заводы имеют, как правило, собственные карьеры известняка и глины. Это позволяет выдерживать химический состав шихты с точностью до 0,1% , что очень важно для качества цемента.

Обжиг шихты приводится во вращающихся печах диаметром от 3,6 до 7м и длиной 100-150м. В зоне спекания поддерживается температура 1450С.

Продуктом спекания является клинкер, представляющий собой округлые гранулы диаметром 5-100мм.

Портландцементный клинкер состоит из четырех минералов:

1. трёхкальциевый силикат - 3CaO.SiO2 (C3S) 60-67%

2. двухкальциевый силикат - 2CaO.SiO2 (C2S) 12-20%

3. трехкальциевый алюминат - 3CaO.Al2O3 (C3A) 0-12%

4. четырёхкальциевый алюмоферрит - 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF) 0-17%

(здесь 2 - подстрочные цифры).

Причем если:

1. 0% С3А - получается сульфатостойкий цемент

2. 0% С4АF - получается белый цемент

Клинкер размалывается в шаровых мельницах до удельной поверхности 3000 см квадратных на 1грамм. При помоле обязательно добавляется 5% двуводного гипса. Гипс выполняет роль регулятора сроков схватывания.

Без гипса получается так называемый быстряк. Такой цемент схватывается мгновенно и из него невозможно приготовить тесто.

Все минералы клинкера взаимодействуют с водой с образованием новых соединений называемых гидратами. Гидраты образуют пространственную структуру, которая и создает цементный камень. Именно поэтому если при изготовлении пенобетона для приготовления смеси взять 400кг цемента получится пенобетон большей плотности!

I. Портландцемент и его применение

Среди строительных материалов цементу принадлежит ведущее место. В современной строительной практике роль цемента в выпуске новых прогрессивных материалов и изделий для полносборного домостроения постоянно возрастает. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, жароизоляции и др. Крупными потребителями цемента являются нефтяная и газовая промышленность. Цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы.

Портландцементом ГОСТ 10178 - 76 называется гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе и представляющее собой продукт тонкого помола клинкера, получаемого в результате обжига до спекания искусственной сырьевой смеси, состав которой обеспечивает преобладающее содержание в клинкере силикатов кальция (70 - 80 %).

Портландцемент по составу отличается от клинкера, так как при помоле к нему добавляют гипс, чтобы замедлить сроки схватывания и улучшить некоторые другие свойства. Содержание гипса ограничевается допустимым общим содержанием в портландцементе ангидрида серной кислоты (SO 3), которое на ГОСТ 10178 - 62 должно быть не менее 1,5 и не более 3,5%. Кроме того, допускается введение при помоле в состав портландцемента, без изменения его наименования, до 15% активных материальных добавок или гранулированных доменных шлаков. В состав портландцемента вводят и небольшое количество (до 1%) некоторых добавок для интенсификации процесса помола и улучшения отдельных свойств готового продукта. Однако свойства портландцемента при одной и той же удельной поверхности определяются главным образом составом клинкера, а не добавок; последние могут лишь несколько влиять на них.

Состав портландцемента клинкера характеризуется:

Содержанием отдельных окислов;

Соотношениями между главнейшими окислами, выражающимися различными коэффициентами и модулями, и

Содержанием клинкерообразующих соединений - клинкерных материалов.

1. Сырьевые материалы

Для получения портландцемента применяют, главным образом, карбонатные и глинистые породы. Кроме того, в качестве сырьевых материалов можно использовать и другие природные виды сырья, а также искусственные материалы, получаемые в виде отходов тех или иных производств. К ним основные и кислые доменные шлаки, отход, получаемый при производстве глинозема, белитовый (нефелиновый) шлам, отходы от переработки горючих сланцев, зола и др. Помимо основных сырьевых материалов в производстве портландцемента используют и различные корректирующие добавки.

Карбонатные породы.

Для производства портландцемента можно применять различные виды карбонатных пород, как - то: известняк, мел, известковый туф, известняк - ракушечник, мергелистый известняк, мергель и т. п. Во всех этих горных породах наряду с углекислым кальцием, главным образом в виде кальцита, желательно тонкодисперсного, могут содержаться примеси глинистых веществ, доломита, кремнезема, гипса и ряда других. Глину в производстве портландцемента всегда добавляют к известняку, поэтому примесь в нем глинистых веществ желательна. Примеси доломита и гипса в больших количествах вредны. Содержание MgO и SO3 в известковых породах должно быть ограничено. Кварцевые зерна затрудняют производственный процесс.

Глинистые породы.

Из глинистых пород используют обычно глину, суглинок, глинистый сланец, мергелистую глину, лесс, лессовидный суглинок. Глины характеризуются значительным содержанием тонких частиц размером менее 0,001 мм. Они состоят из глинистого вещества и примесей. Первое представляет собой либо один глинистый минерал (мономинеральные глины), либо смесь различных минералов (полиминеральные глины). Глинистое вещество - это восновном гидроалюмосиликаты m Al2O3 * n SiO2 * p H2O, где значения коэффициентов при окислах для отдельных глинистых минералов различны. В кристаллическую решетку гидроалюмосиликатов могут также входить K, Na, Mg, Ca, Fe. Известен ряд групп глинистых минералов: каолинитовая Al2O3 * 2SiO2 * 2H2O, галлуазитовая Al2O3 * 2SiO2 * 4H2O, монтмориллонитовая Al2O3 * 3 - 5 SiO2 * n H2O, монотермитовая 0,2 К2О * Al2O3 * 3SiO2 1,5H2O (вместо калия в монотермит могут входить Na, Mg, Ca), гидрослюды - в виде железистых соединений, кварца. Карбонатов кальция и магния, гипса, полевого шпата и ряда других веществ.

Сырьем для производства портландцемента служат различные виды глин, поскольку обычно используют глины, залегающие вблизи месторождения карбонатных материалов. Чаще других применяют гидрослюдистые и монтмориллонитовые глины, реже каолинитовые и др.

Глинистые породы содержат нужные производства портландцемента кислотные окислы SiO2, Al2O3 и Fe2O3, в известняках находится основной окисел СаО. Главным признаком пригодности глины для производства портландцемента, являются значения ее силикатного и глиноземного модулей, которые определяют величину этих модулей в портландцементе, так как карбонатный компонент сырьевой смеси обычно содержит немного глинистых примесей.

Карбонатное и глинистое (алюмосиликатное) сырье должно быть возможно более однородным по составу и структуре, не содержать включений крупных зерен кварца и других обломочных пород, затрудняющих помол сырья и трудно усваиваемых в процессе обжига.

Белитовый шлам.

Получаемый в виде отхода при производстве из нефелинов глинозема белитовый (нефелиновый) шлам по составу занимает промежуточное положение между портландцементом и основным доменным шлаком. Белитовый шлам полностью заменяет глинистый компонент и в значительной степени карбонатный. Он поступает на завод в тонкоизмельченном виде, что сокращает затраты на помол сырья. Белитовый шлам по сравнению с известняком представляет собой декарбонизированный материал, содержащий до 85% двухкальциевого силиката, что значительно облегчает обжиг, увеличивает производительность печей и снижает расход топлива.

Корректирующие добавки.

В качестве добавок, корректирующих значения силикатного и глиноземного модулей, применяют различные материалы. Чтобы увеличить содержание в сырьевой смеси Fe2O3, используют колчеданные огарки, колошниковую пыль, железную руду. Обе эти добавки богаты окисью железа. Для повышения содержания SiO2 употребляют трепел, диатомит, опоку, маршалит, кварцевый песок, а для повышения содержания Al2O3 - боксит и богатые глиноземом маложелезистые глины. Чаще всего используют железосодержащие корректирующие добавки.

2. Способы производства портландемента

Производство портландцемента складывается, в основном, из следующих операций: добычи сырья; приготовление сырьевой смеси, состоящего из дробления, помола и ее гомогенизации; обжига сырьевой смеси; помола обожженного продукта (клинкера) в тонкий порошок.

Существует два основных способа производства - мокрый и сухой. При мокром способе сырьевую смесь измельчают совместно с водой. Получаемая сметанообразная жидкость - шлам - содержит 32 - 45 % воды. По сухому способу сырьевые материалы предварительно высушивают, а затем совместно измельчают. Полученный тонкий порошок называют сырьевой мукой.

Приведем примерную схему производства портландцемента по мокрому способу из твердого материала - известняка - и мягкого - глины. В этой схеме, как и в помещенной далее, указаны только основные агрегаты, без дозировочных и транспортных устройств, и другого вспомогательного оборудования. В место устанавливаемой на новых заводах роторной мельницы на многих ранее построенных заводах применяют болтушку.

При трехкомпонентной сырьевой смеси корректирующую добавку дробят, после чего она попадает в бункер, откуда вместе с известняком поступает в мельницу. Глину до роторной мельницы или болтушки пропускают через валковую дробилку. Сырьевые материалы дозируют перед мельницей специальными питателями.

Если при производстве по мокрому способу сырьевую смесь составляют из одних твердых материалов - известняка, мергелей и глинистых сланцев, то их дробят в дробилках без добавки воды и размалывают совместно в мельнице, куда добавляют воду. В этом случае в схеме отсутствует роторная мельница или болтушка. При изготовлении портландцемента из одних мягких материалов (мела, глины, мягких мергелей) сырье измельчают в роторных мельницах, в болтушках или мельницах самоизмельчения “Гидрофол”, после чего дополнительно размалывают в шаровых мельницах. Воду добавляют на первой стадии процесса и материалы дозируют перед поступлением в болтушки.

Так как при соприкосновении мелкого порошка, образующегося при помоле, с влагой материала образуется пластичная масса, которая налипает на внутреннюю поверхность агрегата и препятствует дальнейшему помолу, то дробленные сырьевые материалы с естественной влажностью размалывать нельзя. Поэтому после выходы из дробилки сырьевые материалы высушивают и затем наплавляют в мельницу, где перемалывают в тонкий порошок. Однородные по физическим свойствам материалы можно дробить и сушить в одних и тех же аппаратах. В случае применения гранулированного шлака его подсушивают без предварительного дробления. Помол и сушку сырьевой смеси целесообразно вести одновременно в одном аппарате - мельнице.

При производстве портландцемента по сухому способу применяют не только вращающиеся печи с циклонными теплообменниками, но и вращающиеся печи, печи с конвейерными кальцинаторами, а также вращающиеся печи без запечных теплообменных устройств. Однако печи с циклонными теплообменниками более эффективны.

При сухом способе производства обжиг можно вести и в шахтных печах. Если в качестве сырья используют непластичный, глинистый компонент, то при сухом способе производства обжиг ведут только во вращающихся печах. При пластичном глинистом компоненте можно вести обжиг как во вращающихся, так и в шахтных печах. В последнем случае сырьевую смесь вначале увлажняют в смесительных шнеках водой до 8 - 10 %-ной влажности. Затем массу подают в грануляторы, где она вместе с дополнительно подводимой водой превращается в гранулы с влажностью

12 - 14 %. Эти гранулы и поступают в печь. Чаще топливо размалывается совместно с сырьевыми материалами, и сырьевая смесь, а также полученные из нее гранулы приобретают черный цвет.

При обжиге клинкера на газообразном или жидком топливе схема производства упрощается, так как отпадает необходимость в приготовлении угольного порошка. Мазут подвергается лишь подогреву.

Можно применять и комбинированный способ производства. При котором сырьевая смесь в виде шлама, полученного при обычном мокром способе производства, подвергается обезвоживанию и грануляции, а затем обжигается в печах, работающих по сухому способу.

При мокром способе легче получить однородную (гомогенизированную) сырьевую смесь. Поэтому при значительных колебаниях химического состава известнякового и глинистого компонента он чаще применяется. Этот способ используют и тогда, когда сырьевые материалы имеют высокую влажность, мягкую структуру и легко диспергируются водой. Наличие в глине посторонних примесей, для удаления которых необходимо отмучивание, также предопределяет выбор мокрого способа. Размол сырья в присутствии воды облегчается, и на измельчение расходуется меньше энергии. Недостаток мокрого способа - значительно больший расход топлива.

Сухой способ производства целесообразен при сырье с относительно меньшей влажностью и более однородным составом. Он же практикуется в случае, если в сырьевую смесь вместо глины вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании натуральных мергелей и тощих сортов каменного угля с малым содержанием летучих, сжигаемых в шахтных печах. Расход топлива при сухом способе во вращающихся печах гораздо меньше, чем при мокром. Поэтому доля сухого способа производства все возрастает и она должна в ближайшее время значительно увеличиться.

При изготовлении сырьевой смеси по любому способу необходимо стремится к наиболее тонкому помолу, теснейшему смещению сырьевых материалов и к возможно большей однородности сырьевой смеси. Все это гарантирует однородность выпускаемого продукта и является одним из необходимых условий нормальной эксплуатации завода. Резкие колебания химического состава сырьевой смеси нарушают ход производственного процесса. Высокая тонкость помола и совершенное смешение необходимы для того, чтобы химическое взаимодействие между отдельными составными частями сырьевой смеси прошло до конца и возможно в более короткий срок.

На цементных заводах, а также на заводах по производству других вяжущих материалов приходится перемещать от одного аппарата к другому большие массы кускового, порошкообразного и жидкого материала. Для их транспортирования применяют ковшовые элеваторы, шнеки, ленточные, пластинчатые и скребковые транспортеры, транспортные желоба, насосы, краны с грейферами. Для транспортирования порошкообразных материалов широко используют пневмовинтовые и камерные насосы, а также пневмотранспортные желоба.

Транспортирование шлама имеет ряд особенностей. Чтобы уменьшить расход топлива на обжиг, стремятся снизить влажность шлама, а чтобы улучшить его транспортабельность, необходимо увеличить содержание воды. По условиям транспортабельности шлам должен течь по желобу, имеющему уклон в 2 - 4%. Чем пластичнее сырьевые материалы, тем больше приходится добавлять воды для получения шлама нужной текучести. Обычно шлам транспортируется центробежными насосами.

При выпуске портландцемента обычных марок сырьевые материалы и клинкер размалывают до остатка на сите с сеткой № 008 порядка 8 - 10%. Для получения цемента более высоких марок материалы размалывают тоньше - до остатка на таком сите около 5% и даже меньше. Измельчать сырьевые материалы до получения тонкого порошка в одном аппарате невозможно. Поэтому сначала материал подвергают в дробилках двух - трехстадийному дроблению до величены кусков, не превышающей 8 - 25 мм, а затем измельчают на мельницах в тонкий порошок с размерами зерен в основном не более 0,08 - 0,1мм. Глину, поступающую из карьера в кусках размером до 500 мм, измельчают в валковых дробилках до кусков не больше 100 мм, а затем обрабатывают в роторных мельницах или в болтушках до получения глиняного шлама с влажностью 60 - 70%. Этот шлам и подают в сырьевую мельницу.

Удельный расход сырья зависит от его химического состава и зольности топлива и составляет 1,5 - 2,4 т на 1 т клинкера. Расход электроэнергии на 1 т выпускаемого цемента составляет 80 - 100 кВт ч.

ОБЕСПЫЛИВАНИЕ В ЦЕМЕНТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ.

Производство цемента связано со значительным пылевыделением. Больше всего пыли выделяется с отходящими из вращающихся печей газами. Наряду с этим пыль выделяется при дроблении, сушке и помоле сухого сырья, угля и клинкера, при охлаждении клинкера в холодильниках вращающихся печей, а также при упаковке и в процессе погрузочно - разгрузочных работ на складах сырья, угля, клинкера и добавок. Пылеобразование вызывает также большие потери в производстве и уменьшает срок службы вращающихся частей машины. Предельно допустимые концентрации пыли в воздухе рабочей зоны производственных помещений 4 - 10 мг/м3 в зависимости от вида пыли (цементная, угольная и т. д.) и содержания в ней SiO2. Концентрация пыли в газах и воздухе, выбрасываемых в атмосферу после очистки их в пылеулавливающих установках, не должна быть более 80 мг/м3. В населенных пунктах, находящихся в близи цементных заводах, запыленность воздуха не должна превышать 0,5 мг/м3.

Чтобы обеспылить заводские помещения, необходимо в первую очередь обеспечить полную герметизацию производственных агрегатов и транспортных устройств и создать, внутри аппаратов разрежение. Для уменьшения пылеобразования, кроме герметизации заводской аппаратуры, целесообразно уменьшать высоту падения пылящих материалов, увлажнять и охлаждать пересыпаемые и транспортируемые материалы. Все газы, отсасываемые дымососами из вращающихся печей и сушильных барабанов, а также воздух, отбираемый аспирационными установками, подаются в пылеуловительные устройства. Здесь из них выделяется пыль, которая возвращается в производство, а очищенные газы выбрасываются наружу. Запыленность газов, отходящих из вращающихся печей и сушильных барабанов и аспирируемого воздуха мельниц, составляет 10 - 100 г/м3 и выше.

Аспирационные установки ставят для каждого пылеобразующего агрегата. С вентилятором, отсасывающим запыленный воздух, они связаны газоходами. При аспирации мельниц аспирационная установка должна создавать соответствующее разрежение для просасывания воздуха через мельницу с нужной скоростью (примерно 2 м/с) и препятствовать попаданию пыли в помещение.

В соответствии с характером сил, осаждающих частицы пыли из газового потока, применяемые на цементных заводах пылеуловители разделяются на группы (таблица 1).

Таблица 1. Пылеуловители и область их применения

Оборудование	Область применения	Степень обеспыливания, %	Расходуемый напор, Па
Пылеосадительные камеры и аспирационные шахты	Вращающиеся печи, сушильные барабаны, мельница сухого помола	3 - 15	30 - 50
Циклоны	Мельницы сухого помола, сушильные барабаны, вращающиеся печи с концентраторами и циклонными теплообменниками, колосниковые холодильники, дробилки, конвееры	80 - 95	600 - 1450
Зернистые фильтры	Дробилки, конвееры, силосы, колосниковые холодильники	97 - 99,9	900 - 1100
Электрофильтры	Вращающиеся и шахтные печи, мельницы сухого помола, сушильные барабаны	85 - 99	100 - 400
Скруберы	Сушильные барабаны, дробилки	70 - 95	500 - 1000
Рукавные фильтры: С рукавами из натуральных и синтетических волокон С рукавами из стекловолокна	Вращающиеся печи, мельницы, колосниковые холодильники Мельницы, силосы, коррекционные бассейны, упаковочные машины	97 - 99,9 97 - 99.9	1200 - 1500 1200 - 1500

В качестве пылеуловительных аппаратов на цементных заводах обычно применяют пылеосадительные камеры, циклоны, рукавные фильтры и электрофильтры. Пылеосадительные камеры служат для обеспыливания газов, отходящих от вращающихся печей и сушильных барабанов. Для более интенсивного осаждения пыли к камерах устраивают перегородки. Степень очистки газов в пылеосадительных камерах невелика (3-15%).

Циклоны могут обеспыливать газы с температурой до 400 С. Степень очистки газов в них 80 - 95%. Циклоны полностью улавливают только крупные частицы пыли. Частицы размером менее 5мкм практически не улавливаются.

Батарейные циклоны представляют собой группу из большого (не менее25) числа циклонов малого диаметра. Запыленныйгаз последовательно проходит через все их секции. Степень очистки запыленного воздуха доходит до 95%. Циклоны и батарейные циклоны можно применять для обеспыливания газов, отходящих из вращающихся печей и сушильных барабанов, а также аспирируемого воздуха из мельниц и транспортного оборудования.

Преимущества рукавных фильтров заключается в высокой степени очистки воздуха (97-99.9%) и в простоте обслуживания. Их недостаток - большое гидравлическое сопротивление ткани, составляющее 600 - 1000 Па. Рукавные фильтры применяют для обеспыливания дробильных устройств, мельниц для помола сухого сырья или цемента, а также упаковочных машин и транспортного оборудования.

Принцип действия электрофильтров основан на использовании явления ионизации газа при воздействии коронного разряда электрического тока высокого напряжения.

В зависимости от направления движения газов электрофильтры бывают вертикальные и горизонтальные. Электрофильтры могут быть одно - или двухсекционными, которые состоят из двух соединенных и работающих параллельно электрофильтров. Возможно и большее число секций. Электрофильтры отличаются конструкцией осадительных (карманные, волнистые, игольчатые, и др.) электродов. Максимально допустимая температура газов в электрофильтре в зависимости от его конструкции 150 - 400 С.

Для снижения температуры поступающих в электрофильтр газов и увеличение влажности, что повышает эффективность очистки, применяют форсунки для тонкого распыления воды или скруббера, которые устанавливают перед электрофильтрами.

Степень очистки газов в электрофильтрах доходит до 85 - 99%. В них улавливают частицы пыли размером менее 10 мкм. Производительность электрофильтров до 500 тыс. м3/ч. Электрофильтры широко применяют в цементной промышленности. Это наиболее эффективные пылеулавливающие аппараты. Их можно использовать для обеспыливания отходящих газов вращающихся печей, сушильных барабанов и аспирируемого воздуха угольных, сырьевых и цементных мельниц.

Для индивидуальной защиты людей, обслуживающих обеспыливающие устройства, используют респираторы и ряд других средств.

ТОКСИЧНОСТЬ И ВЛИЯНИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.

Портландцемент: 62 - 76% СаО, 20 - 24% SiO2, 4 - 7% Аl2O3, 2 - 5% Fe2O3, 1,5 - 4% MgO.

Токсическое действие. Животные. После однократного введения в трахею белых крыс пыли цемента, содержащей 0,8 - 1,4% свободной SiO2, в легких через 1 - 3 месяца появляются узелковые и диффузные поражения; по истечении 6 месяцев эти изменения становятся менее выраженными, причем отмечается даже тенденция к обратному их развитию. Вдыхание пыли цемента (250 - 100мг/м3, 2 ч в день в течении 6 - 12 месяцев) вызывает умеренно выраженный медленно прогрессирующий узелковый пневмокониоз в сочетании с катаральным или гнойным бронхитом. Пролиферативные узелки в бронхах, легких и лимфо узлах ворот легких в сходных условиях эксперимента обнаружили Вишневский, Тарнопольская и др. У кроликов длительное вдыхание пыли цемента с содержанием SiO2 от 24,7 до 31,6% (6ч в день в течении 4 - 5 месяцев) приводит к развитию фиброзного процесса в легких и появлению признаков резорбтивного действия - похуданию, снижению содержания эритроцитов и гемоглобина, лейкоцитозу, нарушению процессов регенерации костной ткани. У животных выпадат шерсть и появляются гнойнички на коже. Полагают, что интенсивность изменений в легких зависит от содержании в пыли цемента связанной и свободной SiO2.

Об общетоксическом действии пыли портландцемента, введенной в трахею белых мышей, свидетельствует увеличение содержания гистамина и активности полиэстеразы и диаминооксидазы в крови, снижение общего колличества глутатнома и фагоцитарной активности лейкоцитов.

Человек. Рабочие цементных заводов, в т. ч. с небольшим стажем, жалуются на боль и тяжесть в груди, одышку, кашель сухость во рту, охриплость, понижение обоняния, носовые кровотечения. Случаи пневмокониоза, обычно доброкачественного, со скудной клинической симптоматикой описаны многими авторами. В зависимости от химического состава может развиваться либо типичный силикоз, либо междуточный склероз. В ряде случаев у рабочих обнаружены “камешки” (ринодиты) на задней стенке глотки, на мендалинах, гортани и полости носа, трещины и даже перфорация носовой перегородки. Выявлены также бронхиты, эмфизема и плевральные сращения, хронические воспалительные процессы в гайморовой полости и полипоз слизистой носа. Иногда наблюдается временная глухота. На рентгенограммах, даже у недавно работающих (1 - 4 года) молодых людей, заметно сужение зубных каналов. Отмечаются язвы желудка и двенадцатиперстной кишки, вызванные, по - видимому, специфическим воздействием цементной пыли на слизистую желудочно - кишечного тракта. В крови - полихромазия, базофильнозернистые эритроциты, повышенное содержание Са. Увеличение выведения Са с мочей ведет к повышению заболеваемости циститом.

Сенсибилизирующее свойства цемента связывают с наличием в нем соединений Cr (VI); этим объясняют случаи бронхиальной астмы и отека Квинке. Пыль, по - видимому, не оказывает неблагоприятного влияния на развитие туберкулезного процесса, что становится в связь с содержанием в цементе соединений Са.

Обнаружена зависимость между интенсивностью загрязнения атмосферы в районе цементного завода и болезнями дыхательной и пищеварительной систем у детей до 14 лет. У детей, живущих в радиусе 0,2 - 2км от завода, снижена возбудимость обонятельного анализатора, увеличена миграция и десквамация эпителия слизистой носа.

Действие на кожу и глаза. Кожные заболевания у рабочих тем тяжелее, чем больше к цементу примешано извести или чем выше содержание СаСО3. Заболевания способствуют условиям, вызывающие потоотделения. Наиболее характерны: “цементная чесотка”, язвы, “экзема каменщиков”. Чаше всего встречается цементная чесотка, выражающаяся в появлении мелких зудящих узелков на открытых участках кожи, в особенности в межпальцевых складках, на тыле кисти, на лице. Расчесы могут привести к образованию фурункулов и гнойников. На руках часто глубокие, плохо заживающие кровоточащие трещины. Иногда болезнь распространяется на кожу всего тела. Описан случай некроза кожи перед ней поверхности голеней у рабочего, стоявшего на коленях на влажном цементе. Дерматиты наблюдаются также за счет Са (ОН)2, вымывающейся из цемента при действии на него воды. У больных аллергическими дерматитами обнаружен С-реактивный белок в крови; выявлены нарушения углеродного обмена, антитоксической и пигментной функций печени.

При попадании в глаза пыль цемента вызывает конъюнктивит и даже омертвление отдельных участков соединительной оболочки с последующим образованием сращений. На роговице образуются помутнения, рубцы. В тяжелых случаях возможно пропадение глазного яблока.

Предельно допустимая концентрация для цемента и асбестоцемента 6мг/м3.

3. Мокрый способ производства портландцемента

Различают мокрый и сухой способы производства портландцемента. На современных мощных заводах применяют, как правило, мокрый способ, который позволяет получать портландцемент более высокого и однородного качества. Сырьевая шихта при производстве портландцемента состоит примерно из 75% известняка и 25% глины. Глину предварительно превращают в аппарате-болтушке 5 (рис. 1) в жидкий глиняный шлам, после чего подают в сырьевую мельницу 6, куда одновременно поступает дробленый известняк 2. После помола шлам направляется в шлам-бассейн 7, где происходит корректировка состава и постоянное его перемешивание. Из бассейна шлам поступает в обжигательную вращающуюся печь 8.



Рис. 1. Технологическая схема производства портландцемента по мокрому способу: 1 - подача известняка из карьера; 2 - дробилка для известняка; 3 - подача глины из карьера: 4 - подача воды; 5 - бассейн для размешивания глины; 6 - сырьевая мельница; 7 - шламбассейны; S - вращающаяся печь; 9 - холодильник; 10 - склад угля; 11 - элеватор для подачи угля из дробилки в бункер; 12 - сушильный барабан для угля; 13 - мельница для угля; 14 - насос для подачи угольной пыли; 15 - склад гипса; 16 - элеватор для подачи гипса из дробилки в бункер; 17 - склад клинкера; 18 - цементная мельница; 19 - силосы для цемента; 20 - упаковочная машина

Производительность этих печей при длине 150 м и диаметре 3,5 м до 1 000 г и более клинкера в сутки. Для повышения производительности вращающихся печей применяют разбрызгивание шлама при подаче его в печь, а для интенсификации процесса горения топлива и повышения температуры используют кислородное дутье. Печь установлена с некоторым наклоном, что обеспечивает при ее вращении медленное продвижение материала в сторону опущенного конца. Шлам подается со стороны поднятого конца печи, а топливо в виде пыли вдувается в печь с противоположной стороны, где и происходит его горение. Наиболее высокие температуры достигаются, конечно, вблизи зоны горения топлива (зона обжига). Удаление дымовых газов из печи производится с противоположного конца, в месте загрузки шлама. Следовательно, дымовые газы движутся вдоль всего барабана печи навстречу обжигаемому материалу. По мере продвижения дымовые газы постепенно охлаждаются, встречая на своем пути холодные сырьевые материалы. Поэтому, начиная от зоны обжига, температура вдоль печи уменьшается, снижаясь в месте подачи шлама до 100-150°, тогда как в зоне обжига температура достигает 1500°. Такая высокая температура необходима для энергичной реакции между окисью кальция и другими окислами. По мере продвижения сырьевых материалов в сторону высоких температур вначале происходит испарение воды из шлама, затем выгорают органические примеси, содержащиеся в сырье, а при температуре 1000-1100° происходит разложение известняка на окись кальция и углекислый газ. Газ улетучивается, а СаО начинает вступать в химическое взаимодействие с составляющими глины. При дальнейшем продвижении обжигаемого материала реакция между СаО и А12О3, SiO2 и Fe2O3 ускоряется вследствие повышения температуры и частичного их плавления (спекания). В зоне обжига реакции заканчиваются. В результате взаимодействия между СаО и составляющими глины Аl2О3, SiO2 и Fe2O3 в клинкере портландцемента образуются разнообразные по химическому составу соединения (минералы), важнейшими и основными среди которых являются четыре:

* трехкальциевый силикат - 3CaO-SiO2;

* двухкальциевый силикат - 2CaO-SiO2;

* трехкальпиевый алюминат - ЗСаО-Аl2O3;

* четырехкальциевый алюмоферрит - 4СаО * Аl2О3 * Fe2O3.

После зоны обжига клинкер в виде серых очень твердых спекшихся шариков поступает в холодильник 9 (рис.), где происходит его охлаждение движущимся навстречу клинкеру потоком холодного воздуха. Охлажденный клинкер направляется на склад. Кроме приведенных выше четырех соединений, в клинкере может также содержаться свободная известь СаО, не вступившая в химическое взаимодействие с глиной. Наличие в портландцементе свободной СаО очень вредно отражается на его свойствах: при затворении портландцемента водой известь начнет гаситься с увеличением в объеме и вызовет растрескивание затвердевших растворов или бетонов. Про такой цемент говорят, что он не обладает равномерностью изменения объема. Чтобы предупредить вредное влияние свободной извести, клинкер подвергают магазинированию - вылеживанию в течение 2-4 недель на складе. За этот период свободная известь гасится влагой из воздуха. После магазинирования клинкер подвергается помолу в шаровых мельницах. При помоле к клинкеру добавляют до 3% гипса и до 15% активных минеральных добавок (трепела, опоки) или до 10% инертных добавок (известняка, доломита).

Из мельниц цемент выходит с температурой нередко более 100°. Для охлаждения и вторичного вылеживания его направляют в силосы, откуда через 7-14 дней он отправляется на стройки навалом или в бумажных мешках весом по 50 кг.

II. Основные схемы помола, используемые в производстве цемента

Измельчение цементного клинкера на современных цементных заводах производится преимущественно с использованием шаровых мельниц.

В основном используются следующие технологические схемы: помол клинкера по открытому циклу и помол в замкнутом цикле с последующей классификацией получаемого материала.

Технологическая схема по открытому циклу объективно считается устаревшей, хотя на отечественных цементных заводах еще используется достаточно широко.

Трубные шаровые мельницы с открытым циклом измельчения в производстве цемента применяют как для помола сырьевых материалов, так и для окончательного помола цементного клинкера.

Длина шаровых мельниц, работающих по открытому циклу, в 4-5 раз превышает их диаметр. На цементных заводах применяют трубные мельницы размерами 4 х 13.5, 3.2 х 15, 2.6 х 13 метров и др. Их производительность при помоле цементного клинкера до остатка 8-10 % на сите № 008 достигает соответственно 90, 50, 25 т/ч. Такие мельницы приводятся во вращение двигателями соответственно 3200, 2000, 1000 кВт.

Работая в режиме повышенного энергопотребления, имея впечатляющие габаритные размеры и производительность, качество портландцемента, получаемого с использованием трубных мельниц, оставляет желать лучшего.

Помол цементного клинкера до удельной поверхности 3000 см²/г является естественным пределом для трубных мельниц открытого цикла. Получение более высокодисперсного материала на данном оборудовании не имеет смысла по причине увеличения расхода энергии, необходимой для измельчения материала, повышения температуры измельчаемого материала (в некоторых случаях до 200°С, обычно до 120-150°С), большого количества переизмельченного материала, ускоренного износа мелющих тел (шаров), броневых плит. Более того, именно для шаровых мельниц открытого цикла характерен наибольший процент цементных зерен округленной формы, активность которых невелика.

Измельчение цементного клинкера в шаровой мельнице работающей по открытому циклу

По этим причинам трубные мельницы открытого цикла, являясь, безусловно, устаревшим оборудованием на цементных заводах, имеющих возможность обновления технологического оборудования, заменяются шаровыми мельницами, работающими по замкнутому циклу.

Для получения цемента с удельной поверхностью более 3000 см²/г и выше использование шаровых мельниц замкнутого цикла вполне оправдано, более того, именно данный метод производства высокомарочного портландцемента применяется на большинстве современных цементных заводов, в том числе и зарубежных.

Схема работы измельчительного оборудования, задействованного в замкнутом цикле производства цемента следующая.

Измельчение цементного клинкера в шаровой мельнице работающей по закрытому циклу

Измельченный в шаровой мельнице материал поступает в сепаратор, где из него извлекается фракция тех размеров, какие требуются для готового продукта (например, частицы цемента размерами 0-40 мкм). Более крупные частицы направляются снова в шаровую мельницу для дополнительного измельчения. Таким образом, из основной массы измельчаемого материала непрерывно извлекаются частицы требуемого размера, что в значительной степени снижает опасность переизмельчения частиц, которые особенно склонны к агрегации и налипанию к мелющим телам и стенкам мельницы. Соответственно, именно использование шаровых мельниц и сепараторов, работающих в замкнутом цикле, создает возможность получения высокоактивного портландцемента в промышленных масштабах.

В целом для метода помола цемента в шаровых мельницах, работающих в замкнутом цикле, характерна большая маневренность в работе, что позволяет выпускать портландцемент с различной тонкостью помола и, соответственно, активностью, что совершенно не достижимо для шаровых мельниц, работающих в открытом цикле. Основными недостатками помола цементного клинкера по замкнутому циклу является большая сложность и стоимость технологического оборудования, высокий расход электроэнергии, а также возможность накопления трудно дробимых включений, не прошедших классификацию и отправленных на повторный помол. Трудно дробимые включения накапливаются в шаровой мельнице, что существенно снижает практическую производительность помольного оборудования и требует регулярного освобождения рабочей камеры шаровой мельницы от накопившихся включений.

Практика:

Рассматриваемые технологические схемы помола цементного клинкера, с успехом применяемые на современных цементных заводах для получения больших объемов материала усредненных показателей активности, мало подходят для решения задач активации портландцемента на предприятиях, выпускающих бетонные изделия. Малопригодными для использования в работах по активации портландцемента являются и вибромельницы.

В вибромельнице материал измельчается под действием вибрирующих мелющих тел. При этом зерна материала размерами не более 1-2 мм подвергаются отчасти дроблению, но преимущественно, как и в мельницах шаровых, истиранию между мелющими телами. Мелющие тела перемещаются друг относительно друга в результате колебаний корпуса мельницы (1500-3000 кол/мин).

Измельчение цементного клинкера в вибромельнице

В настоящее время вибромельницы используются для домола портландцемента или для измельчения других материалов.

Помимо основных недостатков, свойственных шаровым мельницам, вибромельницы отличаются гораздо меньшей производительностью и технической надежностью.

Способ измельчения материалов в шаровых мельницах и вибромельницах практически идентичен - это истирающее воздействие на обрабатываемый материал с частыми ударами малой энергонагруженности.

Основные различия между вибромельницами и мельницами шаровыми - это способ побуждения мелющих тел, отсюда и некоторые различия получаемых результатов. Однако, все выше сказанное о работе шаровых мельниц вполне применимо и к вибромельницам по причине совершенно аналогичного способа измельчения, реализуемого на данном типе оборудования.

Вибромельницы также могут работать как в открытом цикле производства цемента со всеми вытекающими последствиями, так и в замкнутом цикле с тем же набором необходимого технологического оборудования (классификаторами и т.д.). Соответственно, если нет принципиальных различий по способу измельчения цементного клинкера, более подробно останавливаться на некоторых технических особенностях вибромельниц не имеет смысла.

Высокая стоимость, повышенные режимы энергопотребления, сложность технического обслуживания практически полностью исключают возможность применения данного типа помольного оборудования на неспециализированных предприятиях строительной отрасли. Это заставляет искать иные, более экономически выгодные способы разрушения цементного клинкера, к которым можно отнести ударную дезинтеграцию, в основе которой лежит метод разрушения твердых материалов свободным ударом о подвижную либо неподвижную преграду.

Активация цемента методом ударной дезинтеграции

В мельницах истирающего действия на полезную работу измельчения расходуется не более 1.5-10% всей подводимой энергии. Остальная часть энергии переходит в безвозвратно теряемую и, что особенно не приятно, крайне вредную для условий помола тепловую энергию.

Нагревание мелющих тел и обрабатываемого материала отрицательно сказывается на производительности помольного оборудования.

Так по данным С. М. Рояка и В. З. Пироцкого на измельчение цементного клинкера до удельной поверхности 2500 см²/г при температуре 40°С затрачивается около 24, при 120°С - 34, а при 150°С - 39 кВт·ч/т. При увеличении тонкости помола до 3300 см²/г с увеличением температуры до 150°С расход электроэнергии повышается до 130 кВт·ч/т.

Крайне не рациональное расходование подводимой энергии, большой расход легированных сталей (материала мелющих тел и броневых плит) заставляет искать альтернативную замену агрегатам измельчения истирающего действия, новые способы измельчения и соответственно новые типы помольного оборудования.

Основные усилия в решении вопроса по переносу центра тяжести со схем активации портландцемента методом истирающего измельчения должны быть направлены на переход к схемам, позволяющим реализовать принцип сверхтонкого дробления портландцемента или, иными словами, принципа ударной дезинтеграции.

В шаровых и вибромельницах зерна цементного клинкера подвергаются преимущественно действию сжимающих сил с двух сторон (измельчение в щековых дробилках, шаровых и вибромельницах) или с одной стороны (измельчение в струйных мельницах, дезинтеграторах, дисмембраторах и роторных дробилках). В результате воздействия сжимающих сил в кусках и зернах измельчаемого материала возникают напряжения, приводящие к разрыву с образованием более мелких частиц.

Так как материалы, используемые при производстве вяжущих веществ, характеризуются обычно прочностью на сжатие в 6-12 раз превосходящей прочность при растяжении (сдвиге), способ измельчения таких материалов методом сжатия, очевидно, не является оптимальным.

Для того чтобы точнее представить действие сил, оказывающих основное влияние на процессы измельчения цементного зерна, прежде всего, необходимо разобраться с основными способами измельчения или, другими словами, наиболее часто используемыми «инструментами» измельчения твердых тел.

Итак, по существу измельчение - это образование новых поверхностей. Таким образом, измельчение твердых материалов - это уменьшение их размеров путем механического воздействия. Под действием внешних сил в куске материала возникают трещины, приводящие к его распаду на части.

Различные твердые материалы, в зависимости от их физических свойств, при измельчении в одинаковых условиях с затратой одинакового количества энергии дают продукты, характеризующиеся различной степенью дисперсности. Следовательно, разные материалы обладают разной способностью к измельчению.

Соответственно, для каждого вида материала существует наиболее рациональный способ его разрушения (измельчения), учитывающий индивидуальные физические свойства данного материала.

Основными способами измельчения твердых тел являются раздавливание, удар, истирание. Для измельчения твердых тел главное значение имеют деформации сжатия и сдвига.

Способ измельчения цементного клинкера действием сжимающих сил с двух сторон (деформация сжатия), реализуемый в шаровых мельницах и мельницах вибрационных, мы рассматривали в предыдущих главах.

Теперь остановимся подробней на измельчении под действием сжимающих сил с одной стороны (деформация сдвига).

Данный тип измельчения цементного клинкера характерен для агрегатов ударно - отражательного действия. Роторные дробилки, струйные мельницы, дезинтеграторы и дисмембраторы в основном реализуют именно этот тип измельчения твердых тел (хотя эффект взаимоизмельчения частиц при их движении в плотном потоке также имеет место).

Для примера рассмотрим принцип действия наиболее распространенных в настоящее время агрегатов измельчения ударного действия: струйной мельницы и дезинтегратора.

Итак, в струйной мельнице материал захватывается струей сжатого воздуха, газа, перегретого пара или их смеси, протекающей с большой скоростью. При этом в результате частых соударений, а также самоистирания происходит измельчение обрабатываемого материала. Для усиления эффекта измельчения на пути движения частиц устанавливаются преграды, о которые частицы ударяются и разрушаются.

Измельчение цементного клинкера в струйной мельнице

Исследования Ю.И. Дешко, В.И. Акунова, В.Л. Панкратова и д.р. (НИИЦемент) показали, что при измельчении цементного клинкера в струйной мельнице получаются цементы, активность которых на 7.5-15 МПа выше активности цементов той же тонкости помола, но измельченных в шаровой мельнице. Кроме того, цементы струйного помола отличаются высокой скоростью твердения и, следовательно, цементы струйного помола переходят в разряд высокопрочных и быстро твердеющих.

Особенно эффективно получение с помощью струйных мельниц шлакопортландцемента марок 500 и 600. Это объясняется осколочной формой частиц с зазубренными острыми краями, способствующими более интенсивному их взаимодействию с водой.

Итак, принцип измельчения цементного зерна струйной мельницей следующий: цементное зерно, разгоняемое воздушным потоком, разрушается при столкновении с другими частицами, а также при ударе о неподвижные преграды.

Истирающее воздействие частиц, движущихся в плотном потоке, хотя и достаточно интенсивно, однако весьма скоротечно и не приводит к образованию округлых форм цементного зерна.

Однако, струйным мельницам присущи и серьезные недостатки, существенно снижающие их практическую пригодность в деле получения высокоактивного портландцемента непосредственно на предприятиях по выпуску бетонных изделий.

Серьезные трудности проявляются при попытке поднять производительность струйных мельниц без изменения тонины помола. Стоимость струйных мельниц относительно их производительности достаточно высока.

КПД струйной мельницы низкий, а энергопотребление в пересчете на единицу готового продукта, напротив, очень высокое. Добавьте к этому быстрый износ деталей, имеющих контакт с перерабатываемым материалом, сложность обслуживания, большие операционные затраты и станет понятно, почему струйные мельницы весьма медленно внедряются в производство строительных материалов.

В целом, струйные мельницы - достаточно молодой тип помольных агрегатов, которые в настоящее время находятся в стадии совершенствования.

Способ измельчения цементного зерна, реализованный в дезинтеграторах, очень похож на описанный выше. Однако, в отличие от струйных мельниц, в дезинтеграторе разгоняются не частицы материала, а помольные стержни, пальцы-билы, установленные на роторах, вращающихся навстречу друг другу.

Для дезинтеграторов также характерно получение частиц осколочной формы с зазубренными краями. Истирающее взаимодействие частиц обрабатываемого материала, как и в случае с мельницами струйными, невелико по тем же причинам.

На сегодняшний день именно ударная дезинтеграция цементного клинкера позволяет реализовать на практике в промышленных масштабах наиболее эффективные приемы активации рассматриваемые выше.

Выход некоторых современных моделей дезинтеграторов на высокоскоростные (около 100 м/с) режимы ударного измельчения позволил вывести процессы активации портландцемента на качественно новый уровень. При этом активность портландцемента повышается наиболее рациональными методами: получение частиц цемента осколочной формы, повышение массовой доли частиц цемента размером 0-20 мкм, относительно небольшое увеличение удельной поверхности, практически полное отсутствие переизмельченного цементного зерна.

Исследования, проведенные М.В. Векслером (ИТП «ТехПрибор») показали, что при измельчении цемента на дезинтеграторе со скоростью обработки 2 кг/с его активность повышается на 67 %.

Применение дезинтегратора относительно небольшого помольного эффекта позволило разработать методику увеличения марочной прочности шлакопортландцемента производства ОАО «Липецкий цементный завод» с М 400 до М 550.

В отличие от струйных мельниц, история промышленного использования дезинтеграторов в качестве агрегатов тонкого дробления и помола насчитывает более ста лет.

На рисунке представлен дезинтегратор Кара, используемый в стекольном производстве для измельчения кварцевого песка.

Дезинтегратор Кара. 1896 г.

В настоящее время дезинтеграторы активно используются в различных областях производственной деятельности, в том числе и в строительстве при изготовлении силикальцитных изделий.

Конструкция дезинтегратора представляет собой два вращающихся в противоположных направлениях ротора, насаженных на отдельные соосные валы и заключённых в кожух.

Роторы расположены на одной геометрической оси, каждый с отдельным приводом. На дисках роторов по концентрическим окружностям расположены ряды стержней - пальцев-бил таким образом, что каждый ряд пальцев одного ротора свободно входит между двумя рядами пальцев другого.

Измельчение цементного клинкера в измельчителе - дезинтеграторе

Измельчаемый материал подаётся в центральную часть ротора и, перемещаясь к периферии, подвергается многократным ударам пальцев, вращающихся во встречных направлениях. Каждая частица соударяется с пальцами-билами, последовательно испытывая высокоэнергетические механические воздействия (удары), приводящие к быстрому разрушению материала и уменьшению тонины помола.

Частица цемента, извести либо иного сыпучего материала, коснувшись пальцев первого от центра ротора ряда, получает соответствующую этому ряду скорость и под действием центробежной силы выбрасывается с траектории первого ряда пальцев. Частица, имея одно направление с вектором скорости пальца, от которого она получила удар, пересекает траекторию второго ряда пальцев, движущихся в противоположном направлении. Получая удар от пальца второго ряда, частица отскакивает от него, меняя вектор скорости, и выбрасывается с траектории второго ряда пальцев дальше, пересекая траекторию третьего ряда. Такое переменно-противоположное движение зерен сыпучего материала (например, песка, цемента, извести и т.д.) и, соответственно, его измельчение продолжается до тех пор, пока зерно не будет выброшено из дезинтегратора.

Особенностью дезинтеграторного способа измельчения является разрушение материала в местах структурных дефектов, а также преимущественно осколочная форма частиц, что особенно актуально при активации портландцемента.

Также к несомненным преимуществам тонкого измельчения и помола на дезинтеграторе можно отнести небольшой процент переизмельченного материала, отсутствие хлопьев, сростков, комков и других новообразований, обычно возникающих при увеличении тонины помола, эффект самоочищения корзин от обрабатываемого материала, склонного к адгезии.