Производство портландцемента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Обоснование актуальности выбранной темы.

Цементная промышленность является одной из важнейших отраслей материального производства. Значение этой отрасли в народном хозяйстве определяется прежде всего ее неразрывной связью с ходом капитального строительства. Цемент - один из главнейших строительных материалов, предназначенных для изготовления бетонов, железобетонных изделий, а так же для скрепления отдельных деталей строительных конструкций, гидроизоляции и многих других целей.

Для строительных нужд вяжущие материалы стали использовать уже в глубокой древности. Первыми искусственными вяжущими веществами были гипс и известь, применявшиеся древними египтянами и греками при возведении монументальных сооружений, сохранившихся до наших дней.

В Англии в 1796 году было получено гидравлическое вяжущее вещество - романцемент - измельченный продукт обжига природных мергелей. Примерно до середины XIX века романцемент был основным вяжущим веществом, применяемым в гидротехническом строительстве. В 1824г. в Англии, а в 1825г. в России, независимо друг от друга, создали новый материал, который в результате своего внешнего сходства в затвердевшем виде с природным камнем, добываемым вблизи английского города Портленда, получил название портландцемент.

Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, гипса и некоторых добавок. Производство складывается из двух основных технологических процессов: получение клинкера и его помол с соответствующими добавками. Первый процесс наиболее энергоёмкий и ответственный, так как от качества клинкера зависят основные свойства цемента.

1. Характеристика выпускаемого вяжущего

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 %).

Обычный силикатный цемент, или портландцемент, получаемый совместным тонким измельчением клинкера и гипса, представляет собой зеленовато-серый порошок, который при смешивании с водой затвердевает на воздухе (или в воде) в камнеподобную массу. Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Он замедляет начало схватывания и повышает прочность цементного камня в ранние сроки.

К основным свойствам портландцемента (ГОСТ 10178--85) относятся тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность (марка): цемента. При необходимости оценивают и другие свойства: плотность и насыпную плотность, тепловыделение, стойкость в различных условиях среды и т. п.

 Тонкость помола -- один из факторов, определяющих быстроту твердения и прочность цементного камня. Обычный портландцемент измельчают довольно тонко -- остаток на сите № 008 (4900отв/см2) не должен превышать 15%, что соответствует удельной поверхности цемента 2500...3000 ем2/г.

Водопотребность портландцемента характеризуется количеством воды (% массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т.е. заранее заданной стандартной пластичности, определяемой погружением в тесто цилиндра пестика прибора Вика. Водопотребность зависит от минерального состава и тонкости помола цемента и колеблется в пределах 22...26 %.

Сроки схватывания и равномерность изменения объема цемента определяют на тесте нормальной густоты. Начало схватывания цементного теста должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания -- tie позднее 10 ч. Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем погружения иглы этого прибора в тесто нормальной густоты. Для получения нормальных сроков схватывания при помоле клинкера вводят добавку двуводного гипса, а в случае необходимости -- специальные добавки-- замедлители или ускорители схватывания.

Процесс твердения цементного камня сопровождается объемными деформациями: набуханием при твердении в воде, усадкой при твердении на воздухе. Эти неизбежные изменения объема учитываются в производстве строительных работ, предусматривая устройство усадочных швов. Неравномерное изменение объема цементного камня при твердении связано с наличием в клинкере свободных оксидов кальция и магния, которые при гидратации расширяются, вызывая местные деформации. По стандарту равномерность изменения объема определяют в образцах-лепешках, изготовленных из теста нормальной густоты, которые через 24 ч предварительного твердения кипятят 3 ч в воде. Лепешки не должны деформироваться, на них не допускаются радиальные трещины. Цемент, не обладающий равномерностью изменения объема, нельзя применять в строительстве.

Прочность портландцемента является главным свойством, характеризующим его качество. В зависимости от предела прочности при сжатии и с учетом предела прочности при изгибе стандартных образцов-балочек через 28 суток твердения портландцемент разделяют на марки: 400, 500, 550, 600.

Фактическую прочность, полученную при испытании на осевое сжатие половинок указанных образцов, называют активностью цемента.

Прочность цемента при нормальных условиях твердения наиболее интенсивно нарастает в первые 7 сут. твердения. Уже к 3 сут. она составляет 30....35 %, а к 7 сут. -- 60...70 % от марки цемента. В дальнейшем рост прочности замедляется, но продолжается длительное время (месяцы, годы), следуя зависимости, близкой к логарифмической.

2. Сырьевые материалы для производства вяжущего

Как видно из определения понятия «портландцемент», его основу составляет клинкер. Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования (замедления) сроков схватывания. Его содержание должно быть:

· В рядовых портландцементах - не менее 1% и не более 3,5%,

· В высокомарочных и быстротвердеющих портландцементах - не менее 1,5% и не более 4%

· В шлакопортландцементах - не менее 1% и не более 4%.

При этом возможно использование, как природного гипсового камня, так и промышленных отходов - фосфогипса и борогипса.

Наряду с бездобавочным портландцементом (ПЦ - Д0) выпускаются также два вида портландцементов с добавками - с содержанием добавок до 5% (ПЦ - Д5) и до 20% (ПЦ - Д20). Таким образом, ПЦ - Д0 состоит из двух компонентов - клинкера и гипса; ПЦ - Д5 может содержать до 5% минеральных добавок всех видов; ПЦ - Д20 может содержать до 20% доменных, электротермофосфорных гранулированных шлаков, глиежей, добавок вулканического происхождения или до 10% добавок осадочного происхождения. В ПЦ - Д5 и ПЦ - Д20 допускается замена части минеральных добавок специальными веществами, ускоряющими твердение и повышающими прочность без ухудшения других строительно - технических свойств. К ним относятся кренты, обожженные алуниты и др. Качество клинкера зависит от его химического и минералогического состава. Химический состав характеризуется содержанием в клинкере различных оксидов, а минералогический - количественным соотношением минералов, образующих в процессе обжига. Портландцементный клинкер состоит в основном из (мас. %):

Таблица 1.

Кроме того, в виде примесей могут присутствовать оксиды щелочных металлов, магния, титана и др.

CaO и SiO₂ обеспечивают образование в клинкере его главных составляющих - силикатов кальция, которые и определяют основные строительно - технические свойства цемента. Al₂O₃ и Fe₂O₃ обеспечивают появление при температуре обжига необходимого количества расплава, т. е. выступают в роли оксидов-плавней.

Перечисленные выше главные оксиды при обжиге взаимодействуют между собой, образуя клинкерные минералы. Портландцементный клинкер состоит из ряда кристаллических фаз, отличающихся друг от друга по химическому составу, и стекловидной фазой. Основными минералами клинкера являются алит 3CaO*SiO₂, (сокращенная запись - C₂S); белит - в-модификация 2CaO*SiO₂, (сокращенная запись C₃S); трехкальциевый алюминат - 3CaO*Al₂O₃ (сокращенная запись C₃А) и алюмоферрит кальция переменного состава от 8CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃ до феррита кальция 2CaO*Fe₂O₃ (сокращенная запись C₈A₃F-C₂F)

В клинкере также присутствует стеклофаза, которая имеет переменный состав и включает значительное количество Al₂O₃ и Fe₂O₃. Конкретный состав стекла и его количество зависят, прежде всего, от скорости охлаждения и состава сырьевой смеси клинкера.

Второстепенными минералами клинкера являются свободные (не вступившие во взаимодействие) оксиды кальция и магния. При высоком содержании в портландцементе свободной извести (CaO) она может вызывать растрескивание и даже разрушение затвердевшего камня. Современная технология обеспечивает выпуск клинкера с минимальным количеством свободной CaO (не более 0,5-1%). Действие свободного оксида магния при твердении портландцемента аналогично действию свободной извести. Содержание MgO в обычном клинкере ограничено 5%.

Таким образом, портландцементный клинкер представляет с собой гетерогенную систему, состоящую из нескольких фаз; даже индивидуальные измельчённые частицы являются гетерогенными, так как каждый из основных минералов неизменно присутствует в каждой частице.

Требуемый минералогический состав клинкера определяет в значительной степени технологические особенности производства портландцемента и его свойства. Для того чтобы получить клинкер с повышенным содержанием алита, необходимо применять более длительный и высокотемпературный обжиг.

Алит - важнейший минерал портландцементного клинкера, поскольку является основным носителем его вяжущих свойств. Он обуславливает возможность достижения высокой прочности в первые сроки твердения и определяет прочностные показатели в 28-суточном возрасте, т. е. в сроки, соответствующие марочным испытаниям. С увеличением содержания алита в клинкере в интервале от 40% до 70 % прочностные показатели цемента возрастают в линейной зависимости. При более длительном твердении (от 1 года и позже) важную роль в формировании прочности цементного камня играет двухкальциевый силикат. Он взаимодействует с водой более медленно, чем алит, и в ранние сроки твердения камень на основе C₂S имеет невысокую прочность. Со временем, однако, белит по скорости нарастания прочности сравнивается с алитом. Скорость взаимодействия минералов с водой определяется особенностями структуры. Структура кристаллов C₃S менее упорядочена, в то время как в кристаллах в- C₂S ионы расположены более плотно и силы связи в решетке выше.

Трехкальциевый алюминат активно участвует в процессе твердения особенно в начальный период. При повышении содержания алюмоферритов кальция цементы в начале твердеют медленно, но на длительных этапах твердения достигают высокой прочности.

Вяжущие свойства цемента зависят и от характера кристаллической структуры. наибольшую гидравлическую активность имеют клинкеры со средним размером кристаллов 20-40 мкм. За счет оптимизации структуры клинкера без изменения его фазового состава прочность цементного камня в марочные сроки может быть повышена на 8-10 МПа.

Регулирование минералогического состава и кристаллической структуры клинкера - важнейший технологический прием, обеспечивающий получение цементов с заданными свойствами. В последние годы ряд технологических мероприятий позволил повысить содержание в клинкере минералов с наиболее ценными строительно-техническими свойствами (C₃S и C₄AF) при одновременном снижении содержания белита и трехкальциевого алюмината.

3. Выбор и обоснование технологии производства вяжущего

В зависимости от технологических особенностей сырьевых смесей различают три способа производства портландцемента: мокрый, сухой и комбинированный.

При мокром способе производства измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде тонкой сметанообразной водной суспензии - шлама. При этом обжиг ведут в длинных вращающихся печах с внутренними теплообменниками.

При сухом способе сырьевую шихту готовят в виде тонко измельченного сухого порошка - сырьевой муки, поэтому перед помолом или в ходе сырьевые материалы высушивают. Обжигают сырьевую муку в коротких вращающихся печах с запечными теплообменниками.

При комбинированном способе производства сырьевую смесь готовят по технологии мокрого способа в виде шлама, а затем либо обезвоживают на фильтрах до влажности 16-18% и подают на обжиг в печь в виде полусухой массы, либо предварительно высушивают до низкой остаточной влажности и обжигают в виде сырьевой муки как при сухом способе. Одним из вариантов комбинированного способа является технологическая схема с обезвоживанием сырьевого шлама в распылительной сушилке.

Каждый из способов производства имеет свои преимущества и недостатки. Так, при мокром способе в присутствии воды облегчается измельчение материалов, проще достигается однородность смеси по химическому и минералогическому составу, надежнее и проще транспортировка шлама, условия труда с экологической точки зрения лучше. Однако при мокром способе расход топлива на обжиг на 30-40% больше, чем при сухом способе, необходимо использовать более длинные печи, так как значительная часть печного пространства выполняет функцию испарителя механически примешанной воды из шлама.

Основным преимуществом сухого способа производства является существенное снижение расхода теплоты на обжиг клинкера - до 3,4-4,2 кДЖ/кг по сравнению с 5,8-6,7 кДЖ/кг при мокром способе. Объем печных газов (при одинаковой производительности печей) при сухом способе производства снижается стоимость обеспыливания печных газов, имеются лучшие возможности для использования теплоты отходящих газов для сушки сырья, что позволяет снизить общий расход топлива, но при этом усложняется технологическая схема. Важнейшим преимуществом сухого способа возможность более высоких удельных съемов клинкера в печных агрегатах, что позволяет строить печи с производительностью до 6000-10000 т/сут. К недостаткам сухого способа следует отнести относительную сложность корректировки состава шихты, повышение расхода электроэнергии на помол сырья, а также увеличение количества единиц технологического оборудования и усложнение схемы производства. В целом по технико-экономическим показателям сухой способ превосходит мокрый. При использовании мощных высокопроизводительных печей он обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера примерно вдвое, рост годовой выработки на одного работающего примерно на 40%, уменьшение себестоимости продукции на 10% и снижение капиталовложений при строительстве заводов на 50%.

Комбинированный способ производства позволяет использовать преимущества подготовки сырьевой смеси по мокрому способу и одновременно снизить расход теплоты на обжиг. При этом способе примерно на 30% уменьшается расход топлива и примерно на 10% капитальные затраты по сравнению с мокрым способом, но на 15-20% повышается расход электроэнергии. Механическое удаление воды при фильтрации шламов значительно усложняет технологический процесс.

В данной работе выбран сухой способ производства портландцемента. На выбор повлияла возможность более высоких удельных съемов клинкера в печных агрегатах, что позволяет строить печи с производительностью до 6000-10000 т/сут.

портландцемент схватывание клинкер промышленный

4. Новое в производстве вяжущего

Способ производства портландцементного клинкера из промышленных отходов

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для получения портландцемента. Технический результат - уменьшение расхода энергии, повышение технико-экономических показателей, стабилизация состава клинкера. В способе производства портландцементного клинкера из промышленных отходов, включающем загрузку в плавильную камеру основы шихты - шлака, его расплавление, подачу на поверхность расплава добавки, сплавление шихты, слив полученного клинкера, в качестве шлака используют отвальный окисленный сталеплавильный шлак с основностью 2,5-3,5 и содержанием оксидов железа 20,0-30,0% от веса шлака, указанную подачу осуществляют непрерывно, в качестве добавки используют глиноземсодержащий отход и углеродистый восстановитель при следующем соотношении компонентов шихты, в вес.%: указанный шлак 90-95, глиноземсодержащий отход 4,0-8,0, углеродистый восстановитель 2,0-5,0, плавильную камеру используют гарнисажную, оборудованную топливокислородными горелками, слив клинкера осуществляют через летку, расположенную в боковой поверхности кожуха плавильной камеры на 1,0-1,8 м ниже уровня поверхности расплава, в ковш, где продувают его газообразным кислородом, корректируя содержание оксида трехвалентного железа, компоненты шихты перед загрузкой в указанную камеру подогревают теплом, снятым с кожуха плавильной камеры охлаждающим его жидкометаллическим теплоносителем, попутно получаемый при восстановлении углеродистым восстановителем избыточного количества оксидов железа в шлаке металл сливают из указанной камеры через придонную летку.

Размещено на Allbest.ru