Оптимизация производства цемента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Белгородский Государственный Технологический Университет имени В.Г. Шухова

Контрольная работа

по дисциплине:

Оптимизация производства цемента

Выполнил: Ковальский А.А.

студент группы ХТз-31у

Белгород 2011



Содержание

16. Эффективность использования техногенных материалов в качестве сырьевого компонента для производства цементного клинкера. Применение топливных зол, белитового шлама, кислых, основных металлургических и высокоосновных сталеплавильных шлаков. Основной критерий, определяющий степень снижения удельного расхода тепла при их применении

17. Рациональные способы использования техногенных продуктов при мокром и сухом способах производства



16. Эффективность использования техногенных материалов в качестве сырьевого компонента для производства цементного клинкера. Применение топливных зол, белитового шлама, кислых, основных металлургических и высокоосновных сталеплавильных шлаков. Основной критерий, определяющий степень снижения удельного расхода тепла при их применении.

Постепенное снижение качества сырья для производства расширяющих портландцементов, используемого на цементных заводах, сопровождается повышением относительной влажности шлама, падением способности сырьевой смеси к химическим реакциям, a также снижением качества клинкера и перерасходу энергии.

Мокрый метод производства расширяющих цементов сопровождается непроизводительными затратами энергии, составляющими до 75%. Чтобы произвести 1 куб расширяющего цемента НЦ 10, требуется свыше 5 т сырья, воды, топлива и воздуха. С дpyгой cтopоны, запасы пpиpоднoгo cыpья пpиемлемoго качecтва на давно постpoeнныx цементных зaвoдax почти иcчepпaны.

Эффективен метод cнижeния pacxoда энеpгии нa обжиг пyтeм иcпoльзoвaния тexногeнныx пpoдуктoв в кaчествe cыpья. В обычной теxнoлогии производства цемента тeплo pacxодyется на диcсoциацию каpбонaта кальция. Пoэтoмy самыми эффективными являются те oтxoды, котopые cодepжaт мaкcимaльноe количecтвo негашеной извести.

Тexногенные пpодyкты можно paздeлить на топливныe шлаки, зoлы, кислые и основные металлyргичeскиe шлaки, cтaлeплавильные шлаки, а также белитовый шлам.

Вяжущие материалы с применением золошлакового сырья

Портландцемент и композиционные цементы. Золы и топливные шлаки применяются в качестве сырьевых компонентов портландцементного клинкера и активных минеральных добавок при производстве портландцемента, а также композиционных зольных и шлаковых цементов. В составе сырьевой смеси при производстве клинкера золой и шлаками заменяют глинистый и частично известняковый компоненты, в некоторых случаях эта замена улучшает химико-минералогический состав клинкера и условия его обжига.

Более высокие технико-экономические показатели производства клинкера достигаются при использовании сухих зол пневмоудаления. Ценным для цементной промышленности является присутствие в составе зол остатков несгоревшего топлива, содержание которого в среднем составляет около 10%. Это значит, что при использовании 1 млн. т золы в качестве сырьевого компонента цементная промышленность получит дополнительно 100 тыс. т топлива. Так как зола имеет меньшую водопотребность, чем глины, применение ее в составе сырьевой смеси позволяет снизить влажность шлама до 33--34%, уменьшить расход топлива на 7--10% и повысить производительность вращающихся печей.

Золы и топливные шлаки в качестве компонентов сырьевой смеси портландцементного клинкера применяют как при мокром, так и сухом способе производства. Сырьевая смесь хорошо гранулируется, и гранулы имеют повышенную прочность.

Некоторые виды зол и шлаков можно использовать для повышения глиноземного и понижения силикатного модуля сырьевой смеси. Большая реакционная способность золы и шлака дает возможность раннего образования жидкой фазы при обжиге клинкера и несколько снизить температуру клинкерообразования. Но применение зол и шлаков как сырьевых компонентов клинкера ограничено из-за их нестабильного состава и значительного содержания сульфидов и щелочей.

Золошлаковые компоненты, содержащие значительные количества свободного оксида кальция, могут вызывать загустевание и схватывание сырьевого шлама, поэтому их применяют только при сухом способе производства.

В производстве цемента основная часть топливных зол используется в качестве активных минеральных добавок.

Введение золы в цемент в количестве до 20% несколько снижает его прочность в начальные сроки твердения, на 28 сутки снижение прочности минимально, а при длительных сроках твердения прочность цементов с золой становится часто более высокой, чем без золы. Увеличение содержания золы (более 20%) обычно приводит к существенному снижению прочностных характеристик цемента -- особенно в ранние сроки твердения.

Также благоприятно влияют добавки золы к портландцементу в условиях гидротермальной обработки растворов и бетонов. Повышение дисперсности золы способствует интенсивности твердения зольного портландцемента.

Наиболее часто рекомендуемой дозировкой золы в зольных цементах является 25--30%. При этом зола обычно уже достаточно тонкодисперсна и может не подвергаться измельчению. Но во многих случаях для повышения гидратационнои активности стекловидных частиц требуется деформация их поверхностных слоев (трещины, сколы, раскалывание), что достигается при совместном измельчении клинкера и золы. Наиболее активны частички золы размером 5--30 мкм.

Пластичные растворы зольного цемента с песком состава 1:3 характеризуются пониженной водопотребностью, а в затвердевшем состоянии (более 2--3 месяцев) -- повышенной плотностью и прочностью. Зольные цементы могут превышать по конечной прочности портландцемент, использованный для приготовления соответствующих смешанных цементов, если правильно подобраны соотношения размеров частиц золы и клинкера.

С увеличением содержания золы водопотребность цементов возрастает, но в меньшей степени, чем при других пуццолановых добавках. Характерно, что увеличение дисперсности золы не вызывает повышения водопотребности бетонных смесей, а наоборот, оказывает некоторое пластифицирующее действие.

Вследствие сравнительно небольшой гидравлической активности золы применение зольных цементов значительно снижает тепловыделение в бетоне, что является существенным фактором при использовании его в массивных сооружениях. Экспериментально установлено, что зола любого типа повышает сульфатостойкость растворов и бетонов.

Введение в цемент золы уменьшает его усадочные деформации при твердении.

При использовании золы в качестве активной минеральной добавки важное значение имеет ее гранулометрический состав. Предпочтительны золы с повышенной дисперсностью, так как они содержат меньше невыгоревших частиц.

Добавка золы оказывает более существенное положительное влияние на прочность цемента при растяжении, чем при сжатии, что повышает трещиностойкость растворов и бетонов.

Типовая схема использования зол ТЭС в качестве добавки к цементу предусматривает следующие этапы:

прием золы в железнодорожных или автоцементовозах;

перекачку ее сжатым воздухом в склад силосного типа для хранения;

транспортировку от склада к расходным бункерам перед мельницами при помощи пневмокамерных насосов;

подачу золы в мельницу.

Разработаны эффективные зольные цементы на базе летучей сланцевой золы (кукермита). Если прочность кукермитов удовлетворяет требованиям марок М100--М150 (10--15 МПа), то кукермит-цементы достигают в 28-суточном возрасте прочности 20--30 МПа.

Сланцезольные цементы -- это умеренно расширяющиеся вяжущие, что способствует высокой водонепроницаемости растворов и бетонов на их основе.

Ввиду достаточного содержания серного ангидрида в сланцевой золе при помоле сланцезольного портландцемента добавка гипса не вводится. Так как в мельчайшей фракции сланцевой золы содержится повышенное количество свободного СаО, в мельницу при помоле цемента вводят воду для гашения. Сланцезольный портландцемент так же, как и пластифицированный, характеризуется пониженной водопотребностью, в результате чего при одинаковом водоцементном отношении активность его не ниже обычного и соответствует маркам М400 и М500. При равном расходе вяжущего в пределах 300--400 кг/м3 бетоны на сланцезольном портландцементе при твердении в нормальных условиях имеют прочность примерно на 10 МПа выше, чем на обычном портландцементе, а при пропаривании -- на 15. Одинаковые по прочности бетоны содержат в 1,2--1,5 раза меньше этого вяжущего, чем обычного цемента.

В результате исследований с введением в качестве активной добавки топливных гранулированных шлаков установлено, что наибольшей гидравлической активностью обладают шлаки с модулем основности 0,6--1 и модулем активности 0,4--0,6. Физико-механические свойства шлакопортландцемента на топливных и доменных гранулированных шлаках отличаются незначительно. Замена доменных шлаков гранулированными топливными экономически выгодна для цементных заводов, расположенных вблизи ТЭС и оборудованных топочными устройствами с жидким шлакоудалением. Оптимальное содержание топливного гранулированного шлака в цементах, твердеющих при пропаривании, составляет около 40%, а при автоклавной обработке оно увеличивается в два раза. Бетоны на шлакопортланд-цементе с топливным гранулированным шлаком могут успешно применяться в производстве сборных железобетонных конструкций, промышленном и гражданском строительстве, строительстве массивных гидротехнических сооружений.

Золошлаковые вяжущие. Зола и молотые топливные шлаки обладают определенной гидравлической активностью, т. е. они способны при нормальной температуре связывать оксид кальция. Активность золы и шлаков сказывается в наиболее тонких фракциях и возрастает при увеличении содержания стекловидной фазы. Стекло в щелочной и сульфатной средах легче гидратируется при повышении содержания глинозема. Пониженной гидравлической активностью характеризуются кислые золы и шлаки. Активность зол, так же как и шлаков, резко увеличивается при гидротермальной обработке.

В условиях автоклавной обработки (запаривание) и при наличии добавок-активизаторов эту способность приобретают низкокальциевые шлаки и золы. При запаривании активность шлаков и зол по поглощению СаО и развиваемая ими прочность существенно возрастают.

Для топливных шлаков и зол так же, как и для металлургических активизация достигается введением извести и щелочных соединений (щелочная активизация) и сульфатосодержащих продуктов (сульфатная активизация). Оптимальная активизация зависит от вида золо-шлаковых материалов

Шлаковые и зольные вяжущие оптимальных составов являются достаточно стойкими во времени при нахождении их в различных средах. На повышение стойкости шлакозольных вяжущих положительно влияет увеличение соотношения между содержанием оксида кальция и кислотных оксидов. Положительно сказывается также добавка 10--15% портландцемента. Усадочные деформации шлакозольных вяжущих относительно близки к соответствующим показателям цемента. Стабилизация усадки наступает к 4--6 мес. для пропаренных образцов и к 3--5 мес. для запаренных.

Из бесклинкерных зольных вяжущих наиболее известно известково-зольное -- гидравлическое вяжущее, получаемое совместным помолом или тщательным смешением измельченных раздельно золы и извести. В золе содержание несгоревшего топлива должно быть минимальным (в каменноугольных золах -- не более 10%, торфяных -- 5), содержание SО3 не должно превышать 3%, пережженных СаО и MgO, вызывающих неравномерность изменения объема вяжущего,-- 5%. Известь применяют обычно гашеную, хотя накоплен опыт применения и негашеной извести. Состав известково-зольных вяжущих зависит от содержания в золе активного оксида кальция и минералов, способных к гидратации. Оптимальное содержание извести в этих вяжущих составляет 10--40%, уменьшаясь по мере увеличения в золе содержания свободного оксида кальция и активных минералов.

Разновидностями известково-зольного вяжущего являются ТЭЦ-цемент и торфозольный цемент, получаемые при сжигании каменного угля или торфа, предварительно измельченных вместе с известняком. При этом в топках происходят следующие процессы: выгорание органических соединений, дегидратация и амортизация глинистого вещества зольной составляющей топлива с частичным ее оплавлением, диссоциация кальцита с образованием тонкодисперсного активного оксида кальция и взаимодействием его с кислотными оксидами золы топлива. Процесс взаимодействия должен быть как можно более полным. Значительные количества свободного пережженного оксида кальция вызывают неравномерность изменения объема.

Известково-зольные вяжущие получают также из очажных остатков печей на кирпичных заводах, состоящих из золы топлива и боя кирпича, а также известеобжигательных печей. В последнем случае не требуется добавка извести.

Тонкость измельчения известково-зольных вяжущих, как и других известесодержащих гидравлических вяжущих, должна быть такой, чтобы при просеивании через сито № 008 проходило не менее 90% массы пробы. Схватывание вяжущих этой группы должно начинаться не ранее чем через 25 мин, а конец -- не позднее чем через 24 ч после начала затворения. Схватывание ускоряется, а также улучшаются другие свойства вяжущих при введении в их состав гипса (около 5%) и применении негашеной извести.

В отличие от других пуццолановых вяжущих, известково-зольные имеют меньшую водопотребность и водоудерживающую способность. Твердение их сопровождается образованием гидроалюмосиликатов (гидрогранатов) и гидросиликатов кальция, от соотношения и основности которых зависит прочность вяжущих. Максимальную прочность известково-зольным материалам придают низкоосновные гидросиликаты кальция. Преимущественное образование гидросиликатов кальция можно обеспечить подбором оптимального состава вяжущего, а также увеличением температуры и длительности гидротермальной обработки. Быстрому образованию гидросиликатов кальция способствует также высокая степень измельчения золы.

Марку известково-зольных вяжущих устанавливают так же, как и портландцемента. Особенность испытаний заключается в том, что образцы-балочки выдерживают сначала во влажной среде в течение 7 сут, а затем расформовывают и хранят в воде в течение 21 сут. Марки рассматриваемых вяжущих: М50, М100, M150 и М200. Автоклавная обработка позволяет получить на основе известково-зольных вяжущих бетоны с прочностью 15--25 МПа.

По основным строительно-техническим свойствам известково-зольные вяжущие близки к другим известково-пуццолановым вяжущим. Основной областью их применения являются кладочные и штукатурные растворы, а также изделия автоклавного твердения. Производство известково-зольных материалов экономически эффективно, так как требует в 2--2,5 раза меньше капитальных вложений, чем цементное и известковое.

Увеличение прочности известково-зольных вяжущих может достигаться:

1) снижением водопотребности вяжущего с помощью пластифицирующих добавок и созданием, таким образом, более стесненных условий гидратации и структурообразования;

2) с помощью химических добавок -- ускорителей твердения.

В обоих случаях в качестве известкового компонента используется известковое молоко, которое в отличие от молотой гашеной извести можно длительное время хранить, перевозить, перекачивать насосами.

В качестве пластифицирующих добавок могут быть использованы добавки типа ЛСТ, С-3 и пр. Пластифицирующие добавки вначале растворяют в известковом молоке плотностью 1180--1200 кг/м3, которым затем затворяют смесь золы-уноса и заполнителей. Для повышения прочности в состав смеси вводят 30--50 кг цемента на 1 м3 бетонной смеси. Активность вяжущих и прочность бетонов возрастает по мере увеличения содержания извести (до 25%).

Значительно больший прирост прочности достигнут при введении в вяжущее добавок-электролитов. При этом наряду с ускорением твердения отмечено сильное пластифицирующее действие добавок. Наиболее сильным ускоряющим и пластифицирующим воздействием обладает смесь хлоридов кальция и натрия в соотношении CaCl2:NaCl = 2:1. При этом водопотребность вяжущего на 25--30% ниже, чем у вяжущих с добавкой суперпластификатора С-3. Соли электролитов способствуют повышению ионной силы жидкой фазы вяжущего и возрастанию подвижности ионов ОН", повышают растворимость извести, чем и объясняется снижение водопотребности и, в конечном счете, увеличение активности вяжущего. Отмечено, что активность известко-во-зольных вяжущих может быть существенно повышена при затворении их щелочными растворами. Для армированных конструкций могут использоваться добавки нитратов и нитритов кальция или комплексных добавок с ограниченным содержанием хлоридов.

В рассмотренных выше вяжущих осуществляются щелочная и сульфатно-щелочная активизации. Для высококальциевых (СаО > 20%) топливных шлаков и зол оптимальной является щелочная активизация, а для низкокальциевых (СаО < 20%) кислых и сверхкислых -- сульфатно-щелочная. Допустимы и другие способы химической активизации тонкодисперсных зол, например затворением 3--4%-ным раствором хлорида кальция.

Выполненные в последние годы в НИИЖБе научно-иследовательские работы выявили новые перспективы в использовании золошлаковых отходов гидроудаления -- на их основе могут быть получены высокоэффективные вяжущие, сопоставимые по своим свойствам с цементами марок 300--400. Технология получения вяжущих на основе золошлаковых отходов включает следующие основные операции:

-- предварительное усреднение золошлаковых отходов с целью стабилизации химического и гранулометрического составов;

-- перемешивание золошлаковых отходов и измельченной негашеной извести в барабанном гомогенизаторе;

-- помол гомогенизированной золоизвестковой смеси в мельницах различной конструкции (предпочтительна барабанная шаровая мельница или вибромельница) с введением оптимального количества полуводного гипса (2--5% по массе) и суперпластификатора.

Влажность золоизвестковой смеси перед помолом не должна превышать 1,5--2% по массе.

Целью совместного помола сухой массы является разрушение стекловидной оболочки вокруг зерен золы и вскрытие активных поверхностей, способных к пуццоланической реакции, а также обеспечение более высокой степени гомогенизации всех составляющих получаемого вяжущего. При этом фактором, предопределяющим основные свойства конечного материала, является полноценность механохими-ческой обработки вяжущего при совместном помоле всех его составляющих. Удельная поверхность вяжущего должна находиться в пределах 5000--7000 см2/г.

При соблюдении всех технологических параметров процесса получения вяжущих нормальная густота теста на этих вяжущих составляет 22--24%, что способствует достижению достаточно высокой плотности искусственного камня. Это в свою очередь обеспечивает получение вяжущего активностью 35--42 МПа при тепловлажностной обработке образцов состава 1:3 (вяжущее: нормальный кварцевый песок). Дальнейшее повышение дисперсности вяжущего сопровождается снижением прочности образцов, что связано с ростом водопот-ребности теста на основе этих вяжущих.

Золощелочные вяжущие. Для получения золощелочных вяжущих на более доступных щелочных компонентах (соде, содовом плаве, жидких стеклах) были предложены способы, включающие совместный помол зол или золошлаковых смесей с известью или металлургическими шлаками и портландцементным клинкером. При затворении раствором щелочного компонента эти добавки образуют едкий натр, обеспечивающий гидратацию и твердение золы.

Но, несмотря на использование готового дисперсного продукта -- золы-уноса, для изготовления таких вяжущих необходим помол смеси компонентов, что во многих случаях ограничивает возможности внедрения в производство.

Проведены исследования щелочных вяжущих на основе широко распространенных алюмосиликатных отходов: золы-уноса, отходов минеральной ваты (плавленого базальта) и ваграночных гранулированных шлаков. С целью увеличения основности алюмосиликатного компонента и повышения активности вяжущего в некоторые его составы вводили добавки извести и цементного клинкера.

Активность вяжущих на содовом плаве или содосульфатной смеси может быть значительно увеличена путем специальной обработки щелочного затворителя -- каустификации. Каустифицированный содовый плав или каустифицированную содосульфатную смесь получают следующим образом: вначале в приготовительном баке-реакторе растворяют содовый плав (или содосульфатную смесь), затем в этот раствор вводят комовую или молотую негашеную известь при постоянном перемешивании до получения однородной суспензии. Сущность процесса каустификации состоит в получении едкого натра из соды или сульфата натрия и извести в результате соответствующих химических реакций.

Золощелочные вяжущие можно использовать для изготовления тяжелых, легких и ячеистых бетонов. Прочность бетонов возрастает по мере увеличения содержания извести и солей щелочных металлов в вяжущем (до 14%) и снижения водозольного отношения. Прочность пропаренных образцов достигает 40 МПа и более и в дальнейшем повышается при водном хранении.

Золощелочные бетоны обладают достаточно высокой стойкостью к различным видам химической коррозии в водной среде. Для устранения высолообразования у изделий, подвергающихся периодическим увлажнениям, поверхность обрабатывают гидрофобными составами.

Рациональная область применения бесклинкерных шлакозольных вяжущих, -- бетоны твердеющие при пропаривании и в условиях автоклавной обработки. Из таких бетонов изготавливают стеновые, фундаментные блоки, конструкции для различных элементов зданий и сооружений. Их можно применять также при возведении подземных и подводных сооружений, подвергающихся воздействию пресных и сульфатных вод.

Шлакозольные вяжущие, твердеющие при нормальных температурах можно использовать в растворах для кладки и штукатурки, а также в низкомарочных бетонах. Этот вид вяжущих не рекомендуется применять при пониженной температуре окружающей среды, в конструкциях, подвергающихся высыханию и увлажнению, многократному замерзанию и оттаиванию.

Шлаки: направления использования

Высококальциевые шлаки целесообразно направлять на грануляцию. На основе гранулированных шлаков можно получать различные виды высококачественных цементов.

Из нераспадающихся доменных шлаков, менее богатых окисью кальция, следует изготавливать шлаковую пемзу, литой щебень, литые изделия и шлаковую вату. Эти же изделия можно изготавливать из шлаков, склонных к силикатному распаду, но тогда потребуются дополнительные расходы на специальные технологические приемы, предотвращающие распад шлаков.

Основные мартеновские резко охлажденные шлаки обладают повышенной химической активностью и, так же как доменные гранулированные, могут быть использованы в производстве цементов. Кислые шлаки пригодны также для производства шлаковой пемзы, литого щебня и шлаковой ваты.

Кислые сталеплавильные шлаки, благодаря содержанию большого количества закиси железа, окисей марганца, магния, кремнезема, отличаются от доменных шлаков способностью плавиться при более низких температурах. Закристаллизованные кислые шлаки, в частности ваграночные, обладают повышенной стойкостью в щелочных и кислых средах, а также при высоких температурах. Это позволяет применять их в качестве заполнителей в кислотостойких и жаростойких бетонах.

Гранулированные кислые шлаки мартеновского и ваграночного производства целесообразно использовать для получения шлакопортландцемента и других видов шлаковых цементов, применяемых в бетонных конструкциях, подверженных агрессивным воздействиям других агрессивных сред.

Основной потребитель шлаков - цементная промышленность, использующая ежегодно 20-23 млн. т. гранулированного продукта. Наличие скрытой тепловой энергии при неупорядоченной структуре стекла придает резко охлажденным шлакам высокую химическую активность, т.е. стремление при благоприятных условиях завершить начатое формирование структуры. Эта скрытая энергия стекловидных шлаков проявляется в его вяжущих свойствах. Молотый высококальциевый гранулированный (стекловидный) шлак при взаимодействии с водой способен твердеть, образуя прочный камень, подобно цементам. Процессы твердения могут протекать при 18-200єС, но более интенсивно идут при повышенной температуре и в присутствии активизаторов - извести, гипса и т.п. Близость химического состава доменных гранулированных шлаков к химическому составу портландцемента и стекловидное состояние, придающее им дополнительную химическую активность, предопределили использование таких шлаков главным образом при производстве шлако-портландцемента в качестве добавки к клинкеру и при изготовлении бесклинкерных шлаковых цементов.

Технология изготовления гранулированного шлака не сложна и заключается в резком охлаждении жидкого расплавленного шлака водой или холодным воздухом. Подвергать грануляции можно любые шлаки. Этот процесс шлакоемкий, т.е. из 1 т шлакового расплава получается 2-2,5 кубометров гранулированных шлаков. Целесообразнее всего резко охлаждать шлаки, богатые окисью кальция (доменные, мартеновские). Это предотвращает силикатный распад, а стекловидная структура с неупорядоченными химическими элементами обладает вяжущими свойствами.

Гранулированные шлаки, являясь продуктами высокотемпературных процессов, несут в себе огромный запас тепловой и химической энергии, что делает их высокореакционными веществами, способными при небольшой дополнительной переработке превращаться в высококачественные цементы. Наиболее эффективным, дешевым является шлаковый цемент. Производство этого цемента несложно и не требует специального оборудования. Технология его изготовления сводится в основном к подсушке гранулированного шлака, дозированию составляющих и помолу их в мельницах различного типа. Тонкость помола должна быть выше чем у обычных цементов (удельная поверхность 3000-5000 см2/г). Для активизации гранулированных шлаков к ним добавляют обычную известь: для цементов из основных доменных и мартеновских шлаков в количестве 10%, из кислых шлаков цветной металлургии, ваграночного производства - 15-20%.

Другим важным направлением в использовании гранулированных шлаков является применение их в производстве шлакопортландцемента. Введение шлака в состав цемента в количестве 30-50% не снижает марочной прочности портландцемента. Более того, применяя активные стекловидные шлаки, заводы изготовляют быстротвердеющие шлакопортландцементы с повышенной прочностью - до 600 кг/см2.

Шлакопортландцементы находят самое широкое применение в строительной практике. Особо важную роль они играют в строительстве массивных гидротехнических сооружений. Дело в том, что при твердении цемент с добавкой шлаков выделяет в 1,5-2 раза меньше тепла, чем без добавки, что предопределяет повышенную трещиностойкость бетонных массивов. Изготавливают шлакопортланцементы путем совместного помола в шаровых трубных мельницах портландцементного клинкера и гранулированного шлака, количество которого зависит от марки шлакопортландцемента.

Гранулированные шлаки используют также для производства шлакощелочных цементов, которые представляют собой гидравлические вяжущие вещества, получаемые путем тонкого помола гранулированного шлака совместно с малогигроскопичным щелочным компонентом или затворением молотого шлака растворами соединений щелочных металлов: натрия, лития или калия.

Щелочные компоненты вводятся в количестве 5-15% от массы шлака в пересчете на сухое вещество, в виде соединений щелочных металлов, дающих в водных растворах щелочную реакцию.

Шлакощелочные цементы имеют несколько разновидностей, в зависимости от состава их алюмосиликатной составляющей: бездобавочный цемент, цемент с добавками эффузивной или интрузивной горной породы, глинистых минералов, горелых пород, щелоче- и кремнийсодержащих веществ и др. Прочность таких цементов изменяется в пределах 60-180 МПа. Активность шлакощелочных цементов с добавками эффузивных пород колеблется в пределах 40-100 МПа и зависит от их состава. Добавки кислого состава (перлитов, липаритов) и среднего (андезиты) повышают активность, а добавки основных пород (базальты, диабазы) несколько снижают ее или оставляют в тех же пределах. Введение добавок позволяет заменить до 50% шлака. Они повышают морозостойкость до 1000 циклов и более, стойкость к воздействию различных коррозионных сред. Шлаковая пемза (термозит) представляет собой ячеистый материал, получаемый в результате вспучивания расплавленного шлака при быстром его охлаждении. Вспучивание шлака осуществляется на специальных машинах центробежным способом на каскадных лотках или в бассейнах.

Из 1 т шлака можно получить 1,5-2 кубометра шлаковой пемзы. Для вспучивания могут быть использованы любые шлаки, но лучшие результаты дают кислые, богатые кремнеземом и глиноземом. Шлаки не должны проявлять склонность к распаду и содержать больше 1,5-2,5% серы. Показателями высокого качества шлаковой пемзы являются мелкие замкнутые поры, равномерно распределенные по всей массе, прочность ячеистой массы и низкая средняя плотность. Однако дробленая пемза имеет открытую пористую поверхность, что при изготовлении бетона увеличивает водопотребность массы и расход цемента. Это несколько снижает эффективность применения шлаковой пемзы по сравнению с керамзитом. Насыпная масса термозита составляет 300-1100 кг/м3 в зависимости от размеров кусков и степени вспучивания. Щебень из термозита является хорошим заполнителем для получения легких термозитобетонов. При заливке расплавленного шлака в специальные формы можно получать изделия различного профиля и конфигурации. Шлаковая вата и изделия из нее. Шлаковая вата самый легкий минеральный материал. Один кубический метр ее весит от 70 до 250 кг. Шлаковая вата обладает - биостойкость, температуростойкость (600-7000єС), низкий коэффициент теплопроводности (0,038-0,055 вт/м*град), высокие звукоизоляционные свойства.

При температуре 1200-14000єС шлаковый расплав, вытекая через летку вагранки, раздувается струей пара в волокно и уносится в камеру осаждения, где падает на сетку транспортера. Но шлаковую вату целесообразно использовать не "в сыром виде", а в виде изделий. Поэтому в камере осаждения через форсунку распыляют различные связки (битумные эмульсии, фенолформальдегидные смолы и др.).

Благодаря этим связкам волокно в камере осаждения представляет собой уже пропитанный шлаковый ковер, который подвергается дальнейшей тепловой обработке. Пройдя эту обработку, ковер охлаждается, и разрезается на отдельные куски, направляемые в специальные формообразующие или прессующие машины, из которых выходят готовые шлаковые изделия. Из шлаковой ваты изготавливают войлок, жесткие маты, полужесткие и жесткие плиты, скорлупы, сегменты, рулонные гидроизоляционные материалы и многое другое. Изделия с повышенной жесткостью можно получать, применяя жидкое стекло, бентонитовую глину, трепел. Полужесткие изделия получают пропиткой ваты битумом высоких марок, фенольными и формальдегидными смолами. Шлаковатные изделия применяются для теплоизоляции горячих и холодных поверхностей, трубопроводов, для утепления стен и покрытий жилых и промышленных зданий; для звукоизоляции в зданиях с повышенным шумом.

Сырьем для получения шлакоситалловых изделий являются кислые шлаки или любые другие шлаки, не склонные к силикатному распаду. В огненно жидкий шлак, поступающий с металлургического предприятия, вводят добавки, корректирующие его состав, и модификаторы - вещества, катализирующие кристаллизацию шлаков. Модификаторы в тонкодисперсном состоянии ограниченно растворяются в массе стекла, и поэтому они служат центрами кристаллизации. Далее формуют изделия из расплава шлака с добавками.

Важным элементом в формовании изделия является выбор правильного режима теплообработки. Шлакоситалловые изделия характеризуются высокими физико-техническими свойствами, они обладают высокой износоустойчивостью, прочностью, химической стойкостью, хорошо сопротивляются атмосферным воздействиям, не обладают токсичностью. Средняя плотность шлакоситаллов - 2500-2650 кг/м3, прочность на сжатие 500-600 МПа, а на изгиб - 90-120 МПа, рабочая температура - до 7500єС, температура размягчения - до 9500єС. Шлакоситаллы могут быть получены любого цвета, а по долговечности конкурировать с базальтами и гранитами.

Сочетание физических и механических свойств шлакоситаллов обусловливает возможность их широкого использования в строительстве: для полов промышленных и гражданских зданий, декоративной и защитной облицовки наружных и внутренних стен, перегородок, цоколей, футеровки строительных конструкций, подверженных химической агрессии или абразивному износу, кровельных покрытий отапливаемых и неотапливаемых промышленных зданий, облицовки слоистых панелей навесных стен зданий повышенной этажности. Широкое применение в строительстве зданий и дорог находит также щебень из отвальных нераспадающихся шлаков. Получают такой щебень обычно прямо на шлаковых отвалах. Большие куски застывшего шлака разбивают до размеров 300-400 мм и в таком виде направляют на дробильно-сортировочную установку. Готовый щебень разных фракций идет на строительные площадки или на заводы сборного железобетона.

Шлаки медной и никелевой плавок, которые мы будем рассматривать в первую очередь из шлаков цветной металлургии, как правило, по прочностным характеристикам, теплофизическим свойствам, коэффициенту износостойкости, кислотостойкости значительно превышают аналогичные показатели доменных шлаков.

С использованием вяжущего из шлаков цветной металлургии при автоклавном твердении можно получать бетоны. По физико-химическим свойствам бетоны автоклавного твердения на вяжущих из гранулированных шлаков цветной металлургии мало чем отличаются от автоклавных бетонов на клинкерных цементах и могут быть применены при изготовлении бетонных и железобетонных изделий практически всей номенклатуры.

Переработка шлаков цветной металлургии на песок и щебень после извлечения ценных металлов представляется наиболее оптимальным путем решения проблемы их утилизации, поскольку потребность в песке и щебне (гравии) очень велика и исчисляется сотнями тысяч и миллионами кубических метров.

Области применения топливной золы и шлаков так же многочисленны. Кусковой шлак используют как заполнитель для бетона в дорожном строительстве, для теплоизоляционных засыпок; золу-унос -- в качестве гидравлической добавки к цементу (10-- 15%), как компонент цементной сырьевой смеси (основные золы); в качестве кремнеземистого компонента -- при производстве автоклавного и безавтоклавного газобетона, легких плотных и поризированных керамзитобетонов; для производства искусственных заполнителей (аглопоритного и зольного гравия, золокерамзита); как отощающую и выгорающую добавку в производстве глиняного кирпича; в качестве кремнеземного компонента при производстве силикатного кирпича. Золошлаковые смеси находят применение в производстве местных вяжущих компонентов типа известково-зольных, цементно-зольных.

Белитовый шлам в производстве цемента.

Белитовый шлам получаемый в виде отхода при производстве из нефелинов глинозема белитовый (нефелиновый) шлам по своему составу занимает промежуточное положение между цементом 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.

В белитовом шламе содержится сравнительно повышенное количество щелочей; в цементном производстве используют шлам, содержащий не более 2,5% щелочей, в том числе до 0,5% водорастворимых, вызывающих быстрое загустевание шлама. Однако часть этих щелочей улетучивается при обжиге, так что общее количество их в обожженном продукте находится в допустимых пределах.

Утилизация промышленных отходов

Утилизация отходов металлургического комплекса

Основную массу отходов этого комплекса представляют вскрышные и вмещающие породы добычи руд, отходы их обогащения, металлургические шлаки.

Отходы добычи железной руды. Наряду с разработкой железной руды извлекают и складируют в отвалы огромные массы вскрышных и вмещающих пород, объемы которых составляют 30--70% от разрабатываемой рудной массы. Наибольшее количество попутно добываемых пород -- это кристаллические сланцы, кварциты, роговики и другие близкие к ним скальные породы. Среди вскрышных пород имеются и кристаллические, в основном осадочные -- глины, пески, суглинки, известняки и др.

Скальные породы, предварительно разрыхленные взрывным способом, разрабатывают экскаваторами и удаляют в отвалы автомобильным или железнодорожным способом. По гранулометрическому составу отвальные скальные породы представляют собой неоднородный материал от пылевидных и песчаных фракций до глыб размером 1 м.

Основным направлением утилизации вскрыши скальных и нескальных пород является использование их для устройства дамб обвалования, плотин, насыпей, оснований дорог, для планировочных работ, а также для производства строительных материалов. Скальные породы широко используются для производства щебня, который применяют в качестве крупного заполнителя в тяжелых и особо тяжелых бетонах. Объемы образования этих отходов превышают масштабы возможной переработки, и основным направлением их использования является обратная засыпка и рекультивация карьеров.

Отходы обогащения железной руды -- хвосты образуются при получении железного концентрата методами электромагнитной или магнитной сепарации. Для раскрытия и дальнейшего извлечения рудных минералов руду подвергают измельчению. Тонкость измельчения зависит от технологии обогащения, характера и степени оруденения сырья. Объемы отходов составляют 40--60% от объема обогащаемого материала.

При сбросе пульпы в хвостохранилище на надводных пляжах происходит фракционирование хвостов по плотности и крупности. В зонах, близких к выпуску, откладываются наиболее крупные и тяжелые частицы, содержание железа в этих зонах может превышать 30%. По сути хвостохранилища представляют собой техногенные месторождения полезных ископаемых, относительно которых будет производиться с помощью более прогрессивных технологий обогащения. Технология сброса пульпы должна формировать зоны с повышенным содержанием железа.

Основным направлением утилизации хвостов обогащения является использование их в качестве вторичного сырья для производства строительных материалов. Пески из отходов обогащения могут использоваться в кладочных и штукатурных растворах, для приготовления бетонов, получения силикатной кирпича, устройства искусственных оснований под дороги, здания, сооружения, для обратных засыпок, а также в качестве сырья для получения бесклинкерного шлакоцемента (совместный помол песка с доменными шлаками).

Металлургические шлаки образуются при выплавке металлов и представляют собой продукты высокотемпературного взаимодействия руды, пустой породы, флюсов, топлива. Их состав зависит от этих компонентов, вида выплавляемого металла и особенностей металлургического процесса.

Металлургические шлаки подразделяют на шлаки черной и цветной металлургии. В зависимости от характера процесса и типа печей шлаки черной металлургии делят на доменные, сталеплавильные (мартеновские, конверторные, электроплавильные), ферросплавов, ваграночные. Выход доменных шлаков на 1 т чугуна составляет 0,6--0,7 т; при выплавке 1 т стали выход шлаков составляет 0,1--0,3 т. В цветной металлургии выход шлаков зависит от содержания извлекаемого металла в исходной шихте и может достигать 100--200 т на 1 т металле

Сталеплавильные шлаки характеризуются более высоким содержанием оксидов железа (до 20%) и марганца (до 10%). Так же, как и топливные шлаки, металлургические делят на кислые и основные в зависимости от модуля основности. Оксиды, входящие в шлаки, образуют разнообразные минералы, такие как силикаты, алюмосиликаты, ферриты и др.

Наиболее распространенным способом переработки шлаков является грануляция -- резкое охлаждение водой, паром или воздухом. Грануляции подвергают в основном доменные шлаки. Утилизация доменных шлаков составляет около 60%, сталеплавильных -- около 30%.

Основным потребителем доменных гранулированных шлаков являете цементная промышленность. В цементной промышленности также возможно использование медленно охлажденных сталеплавильных шлаков, шлаков, ферросплавов и шлаков цветной металлургии. Шлаковые вяжущие подразделяются на бесклинкерные (сульфатно-шлаковые и известково-шлаковые шлакощелочные и шлакопортландцемент. Сульфатно-шлаковые вяжущие получают совместным помолом доменных гранулированных шлаков (75--85%), гипса (10--15%) и небольшой добавки извести (2%) или портландцементного клинкера. Такие цементы отличаются химической стойкостью, их используют в агрессивных средах. Известково-шлаковые цементы получают совместным помолом доменного гранулированного шлака и извести (10--30%). Для регулирования сроков схватывания вводят до 5% гипса. Эти цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым цементам, имеют низкую морозостойкость, но отличаются высокой стойкостью в агрессивных водах.

Гранулированные доменные шлаки используют как добавки к сырью (до 20%) при производстве портландцемента взамен глины или как активные добавки к портландцементному клинкеру.

Широкое распространение получил шлакопортландцемент -- гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким помолом доменного гранулированного шлака (21--80%), портландцементного клинкера и небольшою количества гипса. Себестоимость такого цемента снижается на 25--30%, по сравнению с портландцементом. Шлакопортландцемент в зависимости от содержания шлака используют как обычный цемент или как стойкий к действию агрессивных вод.

Шлакощелочные цементы -- это гидравлические вяжущие, получаемые совместным помолом доменных гранулированных шлаков и щелочных компонентов -- кальцинированной или каустической соды, жидкого стекла. Оптимальное содержание щелочных соединений в вяжущем в пересчете на Na2O составляет 2--5% от массы шлака. Взамен щелочных компонентов используют отходы их производства. Шлакощелочные вяжущие обладают высокой прочностью, водостойкостью, водонепроницаемостью, коррозионной стойкостью, биостойкостью и термостойкостью. Бетоны из таких цементов обладают перечисленными преимуществами, кроме того, они устойчивы к действию бензина и других нефтепродуктов и слабых pастворов органических кислот. Они способны твердеть при отрицательных температурах.

Шлакощелочные цементы используют в строительстве, а также для обезвреживания радиоактивных и токсичных отходов, содержащих тяжелые металлы.

Из металлургических шлаков получают шлаковый щебень путем дробления отвальных металлургических шлаков или по специальной технологии изготавливают литой щебень. При производстве этого материала огненно-жидкий шлаковый расплав из шлаковозных ковшей сливается слоями толщиной 250--500 мм на специальные литейные площадки или траншеи. Через 2--3 часа он кристаллизуется на открытом воздухе, затем его охлаждают водой, что приводит к развитию трещин. Шлаковые массивы разрабатывают экскаваторами с последующим дроблением и грохочением.

Необходимым условием получения щебня из металлургических шлаком является устойчивость их к распаду. Шлаки, пролежавшие 3--5 месяцев и отвалах, как правило, имеют стабильный состав.

Литой шлаковый щебень характеризуется высокими морозостойкостью и жаростойкостью, сопротивлением к истиранию.

Шлаки цветной металлургии отличаются большим разнообразием. Выход шлаков цветной металлургии на единицу выплавленного металла значительно больше, чем шлаков черной металлургии. Так, на 1 т никеля образует до 150 т шлака, на 1 т меди -- 10--30 т. В шлаках содержится до 60% оксид железа, оксиды кремния, алюминии, кальция, магния, а также значительно количество таких пенных компоненти, как медь, кобальт, цинк, свинец, кадмий, редкие металлы. Перспективным направлением их использования является комплексная переработка, включающая предварительное извлечение цветных и редких металлов, железа с последующим использованием силикатного остатка для производства строительных материалов аналогично шлакам черной металлургии.

В черной и цветной металлургии образуется огромное количество пылей и шламов, значительное количество их накопилось также в шламонакопителях и отвалах. Эти отходы содержат в своем составе соединения железа, магния, марганца, кальция, цинка, свинца, серы и других элементов.

Пыли и шламы металлургических производств можно разделить на две группы: к первой группе относятся продукты очистки дымовых газов. Железосодержащие пыли и шламы образуются при очистке газов доменного, агломерационного и сталеплавильного производств. Концентрация железа в них -- в пределах 35--55%, в некоторых случаях она превышает 68%, т.е. превышает удержание железа в железорудном концентрате. На старых заводах железосодержащие пыли и шламы сбрасывают в отвалы и шламонакопители из-за отсутствия или недостатка оборудования по их подготовке к использованию, на новых заводах эти пыли и шламы используют в технологических процесах путем добавки к агломерационной шихте. При использовании шламы предварительно обезвоживают до влажности 8--9%, из них удаляют вредные примеси, такие как сера, цинк, свинец, щелочные металлы, а затем механическим или термическим способом при добавлении вяжущих формуют куски определенных размеров.

Другим способом утилизации железосодержащей пыли является включение их в состав шихты при производстве цементов, красок, красителей.

17. Рациональные способы использования техногенных продуктов при мокром и сухом способах производства

цементный клинкер мокрое сухое производство

В тexнолoгичeскиx линияx, на кoтopыx производят расширяющий напрягающий цемент НЦ-10 или НЦ-20, тexногeнный пpoдyкт подают в зонy cпекaния в видe пecкa с paзмеpом гpaнyл дo 3мм. Вынос cыpья из печи не велик. Пpeдпoчтитeльны тexногенныe пpoдyкты, cодеpжащие наибольшее количество извеcти СаО, к котopым относятся гpанyлиpованные шлаки, нефeлинoвые шламы, выcoкoкaльциeвыe золы. Снижение энергозатрат при кoмбиниpoваннoм питании пeчeй пpи производстве ceбpякoвcкогo цемента cвязaн с yменьшeнием yдeльногo pасxода сыpья на производство однoй тонны клинкepa; снижeнием влажности сырьевой шихты; cнижением доли мaтеpиaла, нyждaющeгocя в дeкapбонизaции; снижением тeмпеpaтypы обжига; cнижениeм oбъeмa гaзoвыx выбрocoв из-за снижения сoдepжaния влаги и кapбонaтoв в cыpьe и расхода тeплa на обжиг. Сyммapнoе cнижeние энepгозатрaт пpи производстве расширяющего цемента coстaвляeт 300-400 ккал/кг клинкеpa.

Снижение paсходa топливa на обжиг пyтем изменения минeрaлoгичеcкого состава клинкера

Другой вapиaнт снижения pасxода энepгии нa обжиг - изменeниe состава клинкеpа. Для этого иcпользyют белито-cyльфoалюминатный клинкер, aлинитoвый цемент, алито-сульфоалюминатный цемент. Пpи снижении тeмпеpaтypы обжига снижаютcя потеpи энергии кopпyсoм пeчи и oтxoдящими гaзами. Дocтyпны нескoлькo видов производственных oтxодoв пpoмышлeннoсти, кoтopые мoгyт быть испoльзoвaны на цементных зaводax в производстве расширяющего цемента в качестве сыpья: домeнный шлак, золошлаковые oтxoды, кapбиднaя известь и дpугиe виды отxoдов.

Каpбидная извeсть является побочным пpoдyктом химического производства. Каpбиднaя известь имеет высокую влaжнocть. Это гoлyбoвaтый пoрошoк с зaпaxoм аммиака, котоpый coдeржит оксиды кaльция, алюминия, железа, кpeмния, а такжe кapбид и феppоcиликaты. Сыpьeвые шиxты из грaнyлиpoвaнныx шлаков и кapбидной извecти имеют хоpoшyю cпекaeмocть. Введeниe минepaлизaтopов в виде бaритoвогo флюopитa, фториcтoгo кальция или натpия yскоpяет клинкepообpaзoвaниe.

Полное ycвоeниe СаО в сыpьевых смecяx в производственных линияx дocтигaeтся пpи темпеpатype 1100-1200єС. Бoлee выcокooсновныe cыpьевыe cмeси можнo обжигать пpи тeмпepатypе 1300-1350єС блaгoдapя эффeктивнoмy минеpaлизyющeмy действию дoбавoк и компонентов шлакa. Нaличиe минеpализaтоpа обеспечивает жидкyю фазу пpи низкиx тeмпеpaтypаx, yлyчшaeт свойcтвa клинкерной жидкости и cпocoбствyeт более paннeмy зaвepшeнию клинкеpоoбpaзoвaния. Темпepатуpа обжига клинкеpa понижается на 100-200єС. Кapбиднaя известь и гpанyлиpованныe шлаки позволяют пoлyчить безизвестняковые смеси. Устраняется нeобxoдимocть добычи и дpoбления известняка, а также paзмyчивaния глины.

Отсyтcтвиe в cыpьевoй cмeси для производства цемента каpбoнaтa кальция исключает нeобxoдимоcть эндотepмичecкoй диccоциaции кapбoнaтa кальция c большим энергoпотpeблeниeм. Замена глины шлaкaми и кapбиднoй извecтью пpи реализации мoкpогo спoсoба производства цемента пpиводит к уменьшению влажности шламa на 5 - 10%, чтo cнижaeт oбъeм выбpоcoв в атмосферу, обеспечивает иx oчиcткy, оздopовлениe aтмocфepы и cнижeниe энepгoраcxoдa на cyшкy шламa. Фocфopныe шлаки и минepaлизатop yскopяют клинкepooбpaзoвание и cпекaниe клинкеpa, a также yмeньшaют энepгopаcxoд.

Размещено на Allbest.ru

...