Технология производства портландцемента мокрым способом

Минеральными вяжущими веществами называют тонкоизмельченные порошки, образующие при смешивании с водой пластичное тесто, под влиянием физико-химических процессов переходящее в камневидное состояние. Это свойство вяжущих веществ используют для приготовления на их основе растворов, бетонов, безобжиговых искусственных каменных материалов и изделий. Различают минеральные вяжущие вещества воздушные и гидравлические.

Портландцемент - это разновидность цемента, который представляет собой гидравлическое вяжущее вещество. Он состоит в большей степени из силиката кальция (белита и алита). Этот компонент достигает около 70-80% от общего состава. Этот вид цемента наиболее популярен во всем мире.

В состав портландцемента входит измельченный клинкер, гипс и, при необходимости, минеральные добавки. Эти компоненты обеспечивают ему быстрый процесс затвердевания в воде и на воздухе. Клинкер получается в специальных печах, где все составляющие компоненты проходят процесс обжига и плавления.

Когда процесс обжига завершен и клинкер полностью остыл, производят его тщательное измельчение. И далее добавляется гипс в определенном количестве, чтобы оксид серы в готовом продукте содержался в определенных пределах (1,5-3,5%).

Портландцементный клинкер - продукт спекания сырьевой смеси необходимого химического состава, обеспечивающего преобладание после обжига силикатов кальция, поэтому портландцемент также называют силикатным цементом.

Бездобавочный портландцемент общестроительного азначения является неотъемлемым материалом в любой строительной области. И его крупнейшими потребителями считается нефтяная и газовая промышленность. Материалы, которые из него изготавливаются, успешно заменяют дерево, камень, известь и прочие природные компоненты, имеющие ограниченное количество.

1. Общие положения

1.1 Характеристика выпускаемой продукции

Портландцементный клинкер - продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, которая содержит карбонатные горные породы с высоким содержанием углекислого кальция (известняки различного вида, мел, мергель) и глинистые породы (глины, сланцы), содержащие оксиды кремния, алюминия и железа. Соотношение между ними в сырьевой смеси выбирают расчетом для получения клинкера определенного химического состава. Ориентировочно смесь состоит из 75% известняка и 25% глины. Свойства портландцемента зависят главным образом от состава клинкера и степени его измельчения.

Для обеспечения нужного химического состава сырьевой смеси применяют корректирующие добавки, содержащие недостающие оксиды (кремнеземистые добавки (SiO2), кварцевые пески, трепел, железная руда, опока и др.). Все шире для изготовления ПЦ используют побочные продукты других производств: доменный шлак, нефелиновый шлам и т.п.

Портландцемент может так же выпускаться без добавок или с активными минеральными добавками в количестве до 15% от веса цемента. Для придания цементу специальных свойств (пониженной водопотребности, повышенного воздухосодержания, гидрофобных свойств и т.д.) в цемент могут вводиться специальные добавки.

Карбонатные породы

Чаще всего используют известняки и мел, осадочное происхождение которых обусловливает разнообразие их химического состава и физических свойств. Плотность и прочность карбонатных пород колеблются в значительных пределах: от плотных известняков до мягких, рыхлых пород мела, способного распускаться в воде.

Мел - известняковая горная осадочная порода, которая легко растирается. (CaCO3) Мел не растворяется в воде. В составе мела обычно находится незначительная примесь мельчайших зёрен кварца и микроскопические псевдоморфозы кальцита по ископаемым морским организмам (радиолярии и др.). Нередко встречаются крупные окаменелости мелового периода: белемниты, аммониты и др.

Его элементы относятся к семейству щелочноземельных металлов, которые составляют подгруппу периодической системы элементов. Мел как широко доступный наполнитель приобретает исключительно важное значение для многих производств. Отличительная особенность этого природного материала связана с тем, что он легко добывается и перерабатывается при относительно небольших издержках.

Известняк - осадочная порода, сложенная преимущественно карбонатом кальция - кальцитом. Благодаря широкому распространению, легкости обработки и химическим свойствам известняк добывается и используется в большей степени, чем другие породы, уступая только песчано-гравийным отложениям. Известняки бывают разных цветов, включая черный, но чаще всего встречаются породы белого, серого цвета или имеющие коричневатый оттенок. В соответствии со своим осадочным происхождением имеют слоистое строение [1].

Двойной карбонат кальция и магния - доломит - обычно содержится в переменных количествах, и возможны все переходы между известняком, доломитовым известняком и горной породой доломитом. В процессе отложения известняка водой привносятся также глинистые частицы, порода становится глинистой, стираются четкие границы между известняком, глинистым известняком и глинистым сланцем.

Существует много разновидностей известняка. Ракушечником называют скопления обломков раковин, сцементированных в ячеистый агрегат. Если раковины имеют микроскопическую величину, образуется слабосвязанная, мягкая, тонко крошащаяся, мажущая порода - мел. Оолитовый известняк состоит из мелких, размером с рыбьи икринки, сцементированных между собой шариков. Ядро каждого такого шарика-оолита может быть представлено песчинкой, обломком раковины или частицей какого-либо другого инородного материала. Если шарики более крупные, величиной с горошину, их называют пизолитами, а породу - пизолитовым известняком.

Глинистые породы

Глина - широко распространенная горная порода. Глина представляет собой горную породу, очень сложную и непостоянную как по составу входящих в нее минералов, так и по физическим и технологическим свойствам. Чрезвычайно разнообразны и условия образования глин. Свойства глин целиком зависят от их химического и минерального состава, а также от величины составляющих их частиц.

Чистые глины, т.е. не загрязненные различными примесями, представляют собой породы, состоящие из очень маленьких частиц (около 0,01 мм и меньше), причем эти частицы относятся к определенным минералам. Эти минералы являются сложными химическими соединениями, в состав которых входят алюминий, кремний и вода. В минералогии их называют водными алюмосиликатами.

Важнейшими свойствами глин являются:

- способность в смеси с водой образовывать тонкие «взвеси» (мутные лужи) и вязкое тесто;

способность набухать в воде;

пластичность глиняного теста, т.е. способность его принимать и сохранять любую форму в сыром виде; способность сохранять эту форму и после высыхания с уменьшением объема;

клейкость;

связующая способность;

водоупорность, т.е. способность после насыщения определенным количеством воды не пропускать через себя воду.

Гипсовый камень

Гипс - гипс это вяжущий стройматериал, добываемый путем переработки природного двуводного гипса (СаSO4•2H2O). Природный гипс также называют гипсовым камнем. Еще одним сырьем, из которого добывают гипс, выступает природный ангидрид (СaSО4), а также некоторые промышленные отходы. Их получают в процессе очистки при помощи известняка дымовых газов от оксидов серы. В результате получают сульфат кальция и фосфогипс.

Гипс в портландцемент добавляют для регулирования скорости схватывания. Клинкерный порошок без гипса при смешивании с водой быстро схватывается и затвердевает в цементный камень, который характеризуется пониженными техническими свойствами.

Если гипс нагреть до 120 -140°С, он теряет часть кристаллизационной воды и превращается в так называемый полугидрат, именуемый в строительной технике «алебастром», смешанный с водой, полугидрат образует тесто, быстро твердеющее за счет обратного перехода в гипс и применяемое для изготовления всякого рода слепков, хирургических повязок, в качестве замазки, штукатурного материала.

Добавки

Активные минеральные добавки (АМД) - это неорганические природные и искусственные материалы, обладающие гидравлическими и (или) пуццоланическими свойствами. При смешении в тонкоизмельченном виде с гидратной известью и гипсом при затворении водой они должны образовывать тесто, способное после предварительного твердения на воздухе продолжать твердеть под водой. Активные минеральные добавки вводят в состав цементов для улучшения их строительно-технических свойств.

Активные минеральные добавки подразделяются на природные и искусственные.

В качестве искусственных активных минеральных добавок используют:

- доменные гранулированные шлаки, которые состоят в основном из CaO, SiO2, A12O3 и MgO;

- кремнеземистые отходы - вещества, богатые активным кремнеземом, получаемые при извлечении глинозема, из глины при производстве алюминия;

- топливные золы и шлаки - остаточный продукт, образующийся при определенном температурном режиме сжигания некоторых видов топлива; он состоит из кислотных окислов (кремнезема, глинозема);

- обожженные глины - продукт искусственного обжига глинистых пород, а также самовозгорающиеся в отвалах пустые шахтные породы (глинистые и углекислые сланцы).

Природные активные минеральные добавки бывают осадочного и вулканического происхождения.

Осадочного происхождения, образованные в результате осаждения в водоемах остатков некоторых растений или в результате природного обжига глинистых пород:

- диатомиты - горные породы, состоящие преимущественно из скопления микроскопических панцирей диатомовых микроорганизмов и содержащие главным образом кремнезем в аморфном состоянии;

- опоки - уплотненные диатомиты и трепелы;

- трепелы - горные породы, состоящие из микроскопических округлых зерен и содержащие, главным образом, аморфный кремнезем;

Вулканического происхождения, образовавшиеся в результате извержения магмы:

- пеплы вулканические - представляющие собой рыхлые продукты извержения вулканов и содержащие в основном алюмосиликаты;

- туфы вулканические - уплотненные и сцементированные (склеенные) застывшей магмой вулканические пеплы;

- пемза - камневидные породы, характеризирующиеся пористым губчатым строением.

1.3 Расчет сырьевой смеси шихты и клинкера

Химический состав исходных сырьевых материалов

Клинкер - главный компонент цемента, получаемый в результате обжига до спекания сырьевой смеси, состоящей из природных горных пород - карбонатных (70 - 85%) и глинистых (25 - 20%) - и обеспечивающей в клинкере преобладание высокоосновных силикатов кальция.

Состав портландцементного клинкера характеризуется:

химическим составом клинкера;

химико-минералогическим составом клинкера.

Химический состав клинкера характеризуется содержанием оксидов:

СаО - 62-67%; SiO2 - 20-24%; Аl2О3 - 4 -7%; Fе2О3 - 2-5%; MgO - 0,35-4,5%, SO3 - 0,1 - 1,5%.

Химико-минералогический состав клинкера характеризуется содержанием оксидов и минералов его составляющих в процентах и выражается значениями коэффициента насыщения кремнезема SiO2 оксидом кальция СаО и модулями.

Химический состав исходных сырьевых материалов приведен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав исходных сырьевых материалов

Для пересчета на сумму, равную 100%, значения коэффициента k равен:

k₁ = k₂ =

Производим пересчет исходных материалов на 100%. Данные пересчета приведены в таблице 2.

Таблица 2. Данные пересчета исходных материалов на 100%

КН - показатель, характеризующий неполную насыщенность кремнезема оксидом кальция в процессе клинкерообразования. В данном курсовом проекте КН=0,9.

Силикатный модуль представляет собой отношение процентного содержания в клинкере оксида кремния к сумме процентного содержания оксидов алюминия и железа.

Глиноземный модуль показывает процентное отношение содержания глинозема к содержанию оксида железа.

Минералогический (фазовый) состав клинкера характеризуется следующими основными соединениями (минералами):

- трехкальциевый силикат (алит) 3СаО•SiO2 - 42-65%;

- двухкальциевый силикат (белит) 2СаО•SiO2 - 15-35%;

- трехкальциевый алюминат 3СаО•Al2O3 - 5-15%;

- четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO•Al2O3•Fe2О3 - 5-20%.

Коэффициент насыщения КН колеблется в пределах 0,80 - 0,95; силикатный (кремнеземный) модуль n - 1,7 - 3,5; глиноземный модуль (алюминатный) р - 1,0 - 3,0;

Х =

Х = 2,3275

Таким образом, на 1 в.ч. глины приходится 2,3275 в.ч. известняка. Сырьевая смесь будет состоять из 3,3275 в.ч. Получается, 69,95% будет 1-го компонента - известняка и 30,05% 2-го компонента - глины.

Рассчитываем химический состав сырьевой смеси и клинкера. Состав клинкера определяем путем пересчета состава сырьевой смеси на прокаленное вещество. В клинкере отсутствует потеря при прокаливании, для расчетов каждый оксид сырьевой смеси умножается на коэффициент пересчета.

КП.П.П. =

Таблица 3. Химический состав сырьевой смеси и клинкера, %

Для подтверждения правильности выполненных расчетов определяем величину КН, n и p модулей:

КН = = 0,9

n = = = 1,12

p = = = 2,29

Совпадение величины КН с заданной и величин n и р с допустимым пределом, подтверждает правильность расчетов.

Расчет минералогического состава клинкера

По полученным значениям основных оксидов клинкера рассчитываем примерный минералогический состав клинкера. Производим пересчет химического состава клинкера при условии, что сумма C+A+F+S=100%.

Найдем пересчетный коэффициент по формуле 2:

k1 = = 1,0087 (2)

Получаем:

CaO = 67,09*1, 0087 = 67,67

Al2O3=6,65*1, 0087 = 6,71

Fe2O3=2,91*1, 0087 = 2,94 SiO2=21,86*1,0087 = 22,05

Определяем содержание минералов в клинкере, %:

C3S=4,07C-7,6S-6,72A-1,42F=4,07*67,67-7,6*22,05-6,72*6,71-1,42*2,94 = 226,23

C2S=8,6S+5,07A+1,07F-3,07C=8,6*22,05+5,07*6,71+1,07*2,94-3,07*67,67 = 19,08

C3A=2,65A-1,70F=2,65*6,71-1,70*2,94 = 12,78

C4AF=3,04F=3,04*2,94 = 8,93

Количество жидкой фазы, образующейся при обжиге клинкера:

L=1,12C3A+1,35C4AF+MgO+SO3=1,12*12,78+1,35*8,93+0,78+ 0,17=27,31%

По содержанию C3S предполагаем, что марка портландцемента 600. Вводим до 5% добавок.

Чем выше содержание C3A, тем больше гипса будет в портландцементе. По содержанию C3A полагаем вводить 6% гипса.

2. Технологическая часть

Технологический процесс производства портландцемента включает следующие основные операции: добыча сырьевых материалов; приготовление сырьевой смеси; обжиг сырьевой смеси и получение клинкера; помол клинкера с добавками и получение цемента. Процесс приготовления сырьевой смеси включает операции дробления сырья, тонкого помола, усреднения и корректировки сырьевой смеси.

В зависимости от вида подготовки сырья к обжигу различают мокрый, сухой, полусухой и комбинированный способы производства портландцементного клинкера.

При мокром способе производства сырьевые материалы размалываются в воде, а усреднение и корректирование смеси производят с сырьевыми шламами, представляющими водную суспензию тонкодиспергированного сырья с влажностью 32-50%. Далее сырьевой шлам направляется на обжиг во вращающуюся печь.

При сухом способе шихту размалывают в тонкодисперсный порошок, а смешение, усреднение и корректирование производят со смесью в виде сырьевой муки. Далее сырьевая мука направляется на обжиг.

При комбинированном способе сырьевую смесь приготавливают по мокрому, либо по сухому способу. В первом случае сырьевой шлам направляют на обезвоживание в вакуум - фильтры или фильтры - прессы, получают корж или сухарь с остаточной влажностью 16-18% и направляют его на обжиг. Если смесь приготовлена по сухому способу, то сырьевую муку увлажняют до 12-15%, гранулируют и полученные гранулы направляют на обжиг.

В данном курсовом проекте рассмотрим мокрый способ производства, так как его важнейшими преимуществами являются: низкие затраты на размол сырья, печи мокрого способы просты и надежны в эксплуатации

Схема изготовления цемента мокрым методом

Начальной технологической операцией получения клинкера является измельчение сырьевых материалов.

Необходимость измельчения сырьевых материалов до весьма тонкого состояния определяется условиями образования однородного по составу клинкера из двух или нескольких сырьевых материалов. Химическое взаимодействие материалов при обжиге происходит вначале в твердом состоянии (в твердых фазах). Это такой вид химической реакции, когда новое вещество образуется в результате обмена атомами и молекулами двух соприкасающихся между собой веществ. Образование при этом новых веществ происходит на поверхности соприкасающихся между собой зерен исходных материалов. Следовательно, чем больше будет поверхность этих зерен и чем меньше сечение зерна, тем полнее произойдет реакция образования. новых веществ.

Куски исходных сырьевых материалов нередко имеют размеры в несколько десятков сантиметров. При существующей помольной технике получить из таких кусков материал в виде мельчайших зерен можно только за несколько приемов. Вначале куски подвергают грубому измельчению - дроблению, а затем тонкому - .помолу.

B зависимости от свойств исходных материалов в цементной промышленности тонкое измельчение производят в мельницах и в болтушках в присутствии большого количества 'воды. Мельницы применяют для измельчения твердых материалов (известняк, глинистые сланцы), а болтушки - для материалов, легко распускающихся вводе (мел, глина).

Из болтушки глиняный шлам перекачивают в мельницу, где измельчается известняк. Совместное измельчение двух компонентов позволяет получать более однородный сырьевой шлам.

В сырьевую мельницу известняк и глиняный шлам подают в строго определенном соотношении, соответствующем химическому составу клинкера. Однако даже при самой тщательной дозировке не удается получить из мельницы шлам необходимого химического состава. Причиной этого в основном служат колебания характеристики сырья в пределах месторождения.

Чтобы получить шлам строго заданного химического состава, его корректируют в специальных бассейнах. Для этого в одной или нескольких мельницах приготовляют шлам с заведомо низким или заведомо высоким титром (содержанием углекислого кальция СаСОз), и этот шлам в определенной пропорции добавляют в корректирующий шламовый бассейн.

Приготовленный таким образом шлам, представляющий собой сметанообразную массу с содержанием воды до 40%, насосами подают в.расходный банок печи, откуда равномерно сливают в печь.

Для обжига клинкера при мокром способе производства применяют только вращающиеся печи. Они представляют собой стальной барабан длиной до 150 - .185 м и диаметром 3,6-5 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом; производительность таких печей достигает 1000-2000 т клинкера в сутки.

Барабан печи устанавливают с наклоном в 3-4°. Шлам загружают со стороны поднятого конца печи, а топливо в виде угольной пыли, газа или мазута вдувают в печь с противоположной стороны. В результате вращения наклонного барабана находящиеся в нем материалы непрерывно продвигаются к олу - щенному концу. В области горения топлива развивается наиболее высокая температуры - до 1500° С, что необходимо для взаимодействия окиси кальция, образовавшейся при разложении СаС03, с окислами глины и получения клинкера.

Дымовые газы движутся вдоль всего барабана печи навстречу обжигаемому материалу. Встречая на пути холодные материалы, дымовые газы подогревают их, а сами охлаждаются. В результате, начиная от зоны обжига, температура вдоль печи снижается с 1500 до 150-200° С.

Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом. Охлажденный клинкер отправляют на склад для магазинирования. Магазини - рование - это вылеживание (до 2-, 3 недель) с целью гашения свободной извести в клинкере влагой из воздуха и предупреждения этим неравномерности изменения объема цемента лри его твердении.

Высоко организованный технологический процесс получения клинкера обеспечивает минимальное содержание свободной СаО в клинкере (менее 1%) и исключает этим необходимость его магазинирования. В этом случае клинкер из холодильника направляют непосредственно на помол.

Перед помолом клинкер дробят до зерен размером 8 - 10 мм, чтобы облегчить работу мельниц.

Измельчение клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками, если последние применяются. Совместный помол обеспечивает тщательное перемешивание между собой всех материалов, а высокая однородность цемента является важным фактором его качества.

Гидравлические добавки, будучи материалами сильно пористыми, имеют, как правило, высокую влажность (до 20-S0% и более). Поэтому перед помолом их высушивают до влажности примерно 1%, предварительно раздробив до зерен крупностью 8-10 мм. Гипс только дробят, так как его вводят в незначительных количествах, и содержащаяся в нем влага легко испаряется теплом, образующимся при помоле цемента в результате ударов и истирания в мельнице мелющих тел.

Из мельницы цемент выходит с температурой до 100° С и более. Для охлаждения, а также создания запаса его отправляют на склад. Для этой цели применяют силосные склады, оборудованные механическим (элеваторы, шнеки), пневматическим (пневматические насосы, аэрожелоба) или пневмомеханическим транспортом.

Отгружают цемент потребителю в таре - в многослойных бумажных мешках весом 50 кг - или навалом в контейнерах, автомобильных или железнодорожных цементовозах, в специально оборудованных судах. Каждая партия цемента снабжается паспортом.

Проект предусматривает мокрый способ производства цемента с использованием в качестве сырьевых материалов двух мягких (глина и мел) компонентов сырьевой смеси.

2.2 Режим работы завода