Производство портландцемента

Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра “Строительные материалы и изделия”

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По предмету “Вяжущие вещества”

На тему: Производство портландцемента

Выполнил: студент 3-го курса

гр. 112222 Астровский А.С.

Руководитель:

Доцент Дзабиева Л.Б.

Минск-2004

ВВЕДЕНИЕ

В связи с большим промышленным, военным и гражданским строительством в начале 19 в. велись работы над решением проблемы получения гидравлического вяжущего вещества из искусственной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины. Созданное новое вяжущее вещество было названо портландцементом, так как оно в затвердевшем виде по цвету и прочности сильно походило на портландский камень, добываемый вблизи города Портланд.

В 1825 г. в Москве была опубликована книга Егора Челиева под названием «Полное наставление, как изготавливать дешевый и лучший мергель или цемент, весьма прочный для подводных строений, как-то: каналов, мостов, плотин, подвалов, погребов и штукатурки каменных и деревянных строений». Егор Челиев описывает способ производства вяжущего из смеси извести или известковой штукатурки с глиной. Он считает необходимым обжиг смесей при белом калении до частичного расплавления компонентов в стекло, а также последующее измельчение полученного продукта и рекомендует при затворении вяжущего водой вводить небольшое количество гипса.

Изобретателем современного портландцемента часто считают англичанина Джозефа Аспдина. В 1824 г. он получил патент на изготовление вяжущего вещества из смеси извести с глиной обжигом ее до полного удаления углекислоты. Егор Челиев, понимавший значение обжига смеси исходных компонентов «добела», описал уже применявшийся метод изготовления гидравлического вяжущего, который был более совершенным, чем способ Джозефа Аспдина.

Поэтому основоположником производства портландцемента в нашей стране считают Е.Челиева. В России первый завод по производству портландцемента был построен в Петербурге в 1839г. Затем были основаны заводы в Риге (1866г.), Шурове (1870г.), Подольске (1879г.) Мощность первых заводов была не велика и составляла десятки тонн цемента в год. Современная строительная техника базируется преимущественно на применении цементного бетона и растворов.

Большое разнообразие строительных конструкций, особенности их сооружения и существенные различия условий службы при различных видах агрессивных воздействий вызвали необходимость создания цементов со специальными техническими свойствами. Они могли бы использоваться при строительстве гидроэлектростанций, в транспортных сооружениях, при промышленном производстве сборных, обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций, в строительстве морских и океанических сооружений, для автомобильных дорог и аэродромов, при бурении нефтяных и газовых скважин, для производства асбестоцементных изделий, огнеупорных бетонов и т.д. В 1962 г. по выпуску цемента СССР вышел на первое место в мире, опередив США.

Технический прогресс в строительной индустрии, расширение фундаментальных знаний в области химии цемента, возросшая актуальность проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов - все это вызвало необходимость усиления научных работ по специальным цементам, различающимся по химическому составу.

В настоящее время выпускаются разнообразные цементы: портландцемент, шлако-копортландцемент, пуццолановый портландцемент и др. Выпускается большое количество портландцемента марок 500-600 и выше, а также специальные цементы - сульфатостойкий, гидрофобный, пластифицированный, дорожный и др. Организовано производство шлакопортландцемента марок 500 и выше.

Разработка технологии производства и применения специальных портландцементов, обладающих стойкостью при действии морской и других видов минерализированных вод, была вызвана тем, что обычные портландцементы разрушались в этих условиях. Долголетние исследования позволили установить физико-химические процессы, вызывающие коррозию портландцемента. Эти работы послужили основанием выбора специального цемента, который получил название сульфатостойкого.

Сульфатостойким называют портландцемент, изготовляемый из клинкера, химический и минералогический состав которого нормирован по содержанию трехкальциевого алюмината и трехкальциевого силиката. Он отличается пониженной экзотермией и высокой стойкостью при службе в сульфатных водах.

Для изготовления клинкера сульфатостойкого цемента используют однородные по химическому составу сырьевые материалы, гарантирующие получение клинкера надлежащего химического и минералогического состава.

Сульфатостойкий портландцемент значительно превосходит по сульфатостойкости рядовые портландцементы, но уступает в этом отношении пуццолановым и шлаковым портландцементам, изготавливаемым на основе клинкера того же нормированного состава. Однако эти цементы менее морозостойки. Поэтому сульфатостойкий цемент целесообразнее применять в тех случаях, когда одновременно требуется высокая стойкость против воздействия сульфатных вод и попеременного замораживания и оттаивания, высыхания и увлажнения.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКЦИИ

Сульфатостойкий портландцемент - продукт, получаемый измельчением портландцементного клинкера, минералогический состав которого нормирован по содержанию трехкальциевого алюмината и трехкальцевого силиката. Он отличается пониженной экзотермией и высокой стойкостью при службе в сульфатостойких водах.

Сульфатостойкий портландцемент значительно превосходит по сульфатостойкости рядовые портландцементы, но уступает в этом отношении пуццолановым и шлаковым портландцементам, изготавливаемым на основе клинкера того же нормированного состава. Однако эти цементы менее морозостойки. Поэтому сульфатостойкий цемент целесообразнее применять в тех случаях, когда одновременно требуется высокая стойкость против воздействия сульфатных вод и попеременного замораживания и оттаивания, высыхания и увлажнения.

Сульфатостойкий портландцемент предназначен для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, наружных зон гидротехнических и др. сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии, при систематическом и многократном попеременном замораживании и оттаивании, либо увлажнении и высыхании. В отдельных случаях можно применять этот цемент вместо портландцемента с умеренной экзотермией в наружных зонах массивных гидротехнических сооружений.

По вещественному составу сульфатостойкие цементы подразделяют на виды:

- сульфатостойкий портландцемент;

- сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками;

- сульфатостойкий шлакопортландцемент;

- пуццолановый портландцемент;

Для изготовления клинкера сульфатостойкого цемента используют однородные по химическому составу сырьевые материалы, гарантирующие получение клинкера надлежащего химического и минералогического состава.

Клинкер, применяемый при производстве цементов, по расчетному минералогическому составу должен соответствовать требованиям, указанным в таблице 1.

Таблица 1.

Наименование показателя	Значение для клинкера, % по массе, по видам цемента
	Сульфатостойкий портландцемент	Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками	Сульфатостойкий шлакопортланд- цемент	Пуццолановый портландцемент
Содержание трехкальцевого силиката	50	Не нормируется
Содержание трехкальцевого алюмината	5	8
Сумма трехкальцевого алюмината и четырехкальцевого алюмоферрита	22	Не нормируется
Содержание оксида алюминия	5
Содержание оксида магния	5

Сроки схватывания сульфатостойких цементов в основном определяются качеством портландцементного клинкера и величиной добавки гипса. Стандартом предусмотрены одинаковые сроки схватывания, как для сульфатостойкого, так и для обычного портландцемента.

Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 минут, а конец - не позднее 10 часов от начала затворения водой.

Сроки схватывания сульфатостойкого портландцемента с увеличением тонкости его помола сокращаются.

Тонкость помола цемента определяется по остатку на сите с сеткой № 008 по ГОСТ 6613. Остаток на сите не должен быть более 15% от массы просеиваемой пробы.

Нормальная густота цементного геля сульфатостойкого портландцемента значительно выше, чем у портландцемента и составляет 24…28%.

Удельная поверхность сульфатостойких портландцементов составляет 2500-3000

Предел прочности цементов при сжатии должен быть не меньше величин, указанных в таблице 2.

Таблица 2.

Вид цемента	Марка цемента	Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут. (МПа)
Сульфатостойкий портландцемент	400	39,2
Сульфатостойкий портландцемент минеральными добавками	400 500	39,2 49,0
Сульфатостойкий шлакопортландцемент	400 500	29,4 39,2
Пуццолановый портландцемент	300 400	29,4 39,2

При повышенных температурах сульфатостойкие портландцементы схватываются и твердеют более интенсивно, чем портландцементы. Поэтому изделия и конструкции из бетона на этом цементе целесообразно подвергать термообработке с помощью пара или электричества при 80-100°С или запаривать в автоклавах при 175-200°С.

Пропаривание несколько улучшает, а запаривание в автоклаве значительно повышает сульфатостойкость.

Данные многочисленных исследований сульфатостойких портландцементов свидетельствуют о благоприятном влиянии тепловлажносной обработки на сульфатостойкость, так как автоклавной обработке гидроксид кальция цемента реагирует с кремнеземом, содержащимся в заполнителях; при карбонатном заполнителе тепловлажносная обработка не повышает сульфатостойкости.

Автоклавная обработка способствует также кристаллизации более стойких гидросиликатов кальция повышенной активности, а также образованию в результате гидратации клинкерного стекла гидрогранатов, отличающихся повышенной сульфатостойкостью.

При этом следует учитывать, что тепловлажносная обработка обычно не способствует повышению морозостойкости цементного камня.

Сульфатостойкие портландцементы обладают по сравнению с обычными повышенной сульфатостойкостью и пониженной экзотермией при замедленной интенсивности твердения в начальные сроки.

При разработке сульфатостойких портландцементов было выявлено влияние на стойкость цементных растворов, С₃А основности клинкера, C₄AF. Испытания проводились в 5%-ом растворе сульфата натрия.

Образцы на цементах с содержанием С₃А, равным 14-15%, полностью разрушились в первые два месяца нахождения в растворе сульфата натрия. Образцы на цементе с содержанием СзА, равным 8-9%, разрушились через 8-9 месяцев нахождения в агрессивной среде.

Хорошую сохранность через два года пребывания в среде сульфата натрия показали образцы на цементах с содержанием СзА, равным 3-5% .

Сульфатостойкий портландцемент характеризуется более низким выделением тепла при гидратации, и применяются, главным образом в массивных элементах гидротехнических сооружений, где требуется пониженная экзотермия.

Объем производства этих видов цемента ограничен в связи с тем, что большинстве цементных заводах нет глинистого компонента с низким содержанием глинозема, при котором в процессе обжига можно получить клинкер, содержащий менее 5% (ЗСаО•Al₂O₃).

Сложность задачи получения сульфатостойкого портландцемента состоит еще в том, что ограничивается и содержание (4СаО•Аl₂Оз•Fе₂0з), так что количество оксида железа в клинкере должно быть также умеренным.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Требования к сырьевым материалам

Для изготовления сульфатостойкого портландцемента с минеральными добавками применяют:

- портландцементный клинкер нормированного состава;

- гипсовый камень по ГОСТ 4013. Допускается применять другие материалы, содержащие сульфат кальция, по соответствующей нормативной документации;

Основными видами сырья, применяемого для производства портландцементного клинкера, являются известковые и глинистые породы. Используются и другие виды природного сырья, а также искусственные материалы, являющиеся отходами других отраслей промышленности.

Углекислый кальций СаСО₃ образует следующие виды известняковых горных пород, характеризующихся различной степенью цементации кристаллов: плотный известняк, известняк-ракушечник, землисто-рыхлый известняк или мел, известковый туф, алитовый известняк.

Известняк - основной вид карбонатного сырья при производстве портландцемента. К известнякам обычно относят породы осадочного происхождения.

Для производства портландцементного клинкера наиболее пригодные мергелистые известняки (известняки с примесью глинистых частиц) с невысоким пределом прочности при сжатии, не содержащие кремниевые включения.

Карбонатный компонент должен быть сложен тонкодисперсным кальцитом; включения трудно измалываемого крупнокристаллического кальцита недопустимы из-за слабой его реакционной способности при обжиге портландцементного клинкера.

Объемная масса плотных известняков достигает 2400-2700. Влажность этого материала колеблется в пределах 3 - 10 %. Известняк содержит до 90% и более углекислого кальция и небольшие количества кварцевого песка, глинистых минералов и др. По химическому составу этот материал характеризуется преимущественным содержанием окиси кальция (до 50 % и более), (до 40 % и более). Известняк содержит также небольшие количества кремнезема, глинозема и др. Содержание окиси кальция более 3-3,5% и серного ангидрита более 1,5-1,7 % недопустимо. Прочность на сжатие 250 - 300 МПа.

Глинистые породы - второй основной компонент портландцементных сырьевых смесей. Основой глин являются водные алюмосиликатные минералы.

Характерный признак кристаллических решеток всех глинистых материалов - слоистое строение. Это обуславливает способность глин расщепляться на тонкие частицы, самопроизвольно деспиргироваться в воде, набухать. Для цементного производства используют следующие виды глинистых пород: глину, суглинок, глинистые сланцы, лесс и лессовидные суглинки.

Глины - тонкодисперсные осадочные горные породы, образующие с водой пластичное тесто и сохраняющие после высыхания приданную им форму, состоящие из различных минералов: каолинита, гидрослюд и других гидроалюмосиликатов,

Глинистое сырье имеет разнообразный минералогический и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения. Химический состав глин характеризуется наличием трех оксидов - 60…80%, - 5…20%, - 3…15%. В небольших количествах в глинах могут содержаться и в виде углекислых солей. Присутствуют и растворимые соли содержащие . Эти примеси, а также нежелательны. Их содержание в глинах по возможности должно быть минимальным.

К химическому составу глинистых пород, используемых при производстве цемента, предъявляются следующие требования. Количество неограниченно. Допустимое содержание зависит от содержания его в известковом компоненте и ограничивается условием получения клинкера с содержанием не более 5%. Содержание в сумме не должно превышать 3-4%, а не более 1%.

Глинистые породы обеспечивают в сырьевой смеси необходимое количество и соотношение кислотных оксидов , ,

Глина должна иметь равномерную структуру, не содержать включений крупных зерен кварца других крупнообломочных пород, вызывающих затруднения при помоле и трудно осваиваемые при обжиге.

При обжиге труднее всего вступают во взаимодействие крупнокристаллический кварцевый песок, крупные частицы полевого шпата и слюд. В связи с этим количество крупных фракций более 0,2мм не должно превышать 10%.

Влажность глин колеблется в пределах 15 - 25 %. Объемная масса комовой глины 1800 - 2000. Плотность глин составляет 1,7-2,1. Глина содержит не менее 50% частиц размером 0,01мм, в том числе не менее 25-30% частиц размером 0,001мм.

Гипс при получении портландцемента вводится в клинкер в виде гипсового камня. Гипсовый камень - горная порода осадочного происхождения. Гипс в цемент вводят при помоле клинкера в количестве 3-5% для регулирования сроков схватывания цемента. Требования к качеству гипсового камня регулируются ГОСТ 4013-82. По содержание в предварительно высушенном веществе гипс подразделяется на сорта.

Табл.1

Сорт	Содержание в гипсовом камне %, не менее	Содержание в гипсоангидритовом камне, % не менее
	Гипса	Кристаллизационной воды	Гипса и ангидрита в пересчете на	Серного ангидрита
1 2 3 4	95 90 80 70	19,88 18,83 16,74 14,64	95 90 80 -	44,18 41,85 37,20 -

Содержание гипса в гипсовом камне определяется по кристаллизационной воде, а в гипсоангидритовом камне по SO₃.

Гипсовый и гипсоангидритовый камни применяют в зависимости от размера фракций:

60-300 мм гипсовый камень для производства гипсовых вяжущих;

0-60 мм гипсоангидрит и гипсовый камень для производства цемента;

Для фракции 60-300 мм содержание камня размером менее 60 мм не должно превышать 5%, а более 300 мм не более 15%, при этом максимальный размер камня не должен превышать 350 мм. Фракции размером 0-60 мм не должна содержать камня размером 0-5 мм более 30%

Для технологии производства важно, чтобы при мокром способе производства необходимая текучесть шлама достигалась при возможно меньшем содержании воды, и было в пределах 36 - 42 %.

Большое значение приобретает постоянство химического состава сырьевых материалов. Необходимо, чтобы сырьевая шихта, состоящая обычно из карбонатного и глинистого компонентов и корректирующей добавки, удовлетворяла принятым на данном заводе требованиям по значения коэффициента насыщения кремнезема известью, силикатного и кремнеземного модулей. Строго ограничивается содержание в шихте оксидов

магния, фосфорного ангидрита, щелочей, серного ангидрита, диоксида титана, оксидов марганца и хрома. Содержание каждого из этих оксидов в установленном количестве оказывает положительное действие на процесс обжига клинкера.

2.2 Технологическая схема производства и описание технологического процесса, включая график тепловой обработки

2.3 Описание технологического процесса

Производство портландцемента может быть разделено на два комплекса мероприятий. Первый из них включает изготовление клинкера, а второй - получение портландцемента измельчением клинкера совместно с гипсом.

Производство портландцемента состоит из следующих основных операций:

- добычи известняка (мела) и глины;

- подготовки сырьевых материалов и приготовления из них однородной смеси заданного состава;

- обжига сырьевой смеси до спекания с получения клинкера;

- помола клинкера в порошок с небольшим количеством гипса;

В качестве мела при производстве портландцемента используется мел Брянского месторождения, а в качестве глинистого сырья - глина того же месторождения. В качестве добавки, вводимой при помоле клинкера, применяется двуводный гипс.

Породы мела дробятся в одну стадию. Мел подается в молотковую дробилку, где он измельчается до кусков размером 10 мм. После дробления мел дозируется весовыми дозаторами и подается в шаровую мельницу для совместного помола с глинистым материалом.

Глина, в свою очередь, дробится в валковой дробилке и после перерабатывается в водную суспензию (шлам) в глиноболтушках. При этом получается суспензия с размером частиц до 3-5мм. После предварительной подготовки глина дозируется и подается в шаровую мельницу.

Так как в сульфатостойком портландцементе ограничено содержание оксида железа (до 5%), то в такой мельнице рекомендуется вместо стальных шаров применять кварцевые, а внутри мельницу футеровать кварцевыми бронеплитами. Поток сырьевых материалов в шаровой мельнице можно осуществлять по открытому и закрытому циклам.

В настоящее время для мокрого измельчения известняка совместно с глиной получили широкое распространение мельницы самоизмельчения “Гидрофол”.

При смешивании мела с глиной не всегда удается получить шлам требуемого химического состава из-за разнородности сырья, несовершенства дозирующих устройств и других факторов. В связи с этим возникает необходимость в систематическом контроле содержания компонентов в сырьевой смеси и, в случае отклонения от принятых величин, в корректировании состава шлама. Для этого в него вводят недостающий компонент в соответствующем количестве.

В зависимости от состава и однородности сырья, а также от качества выпускаемого цемента, сырьевую смесь корректируют по заданному содержанию в ней и по требуемому коэффициенту насыщения и одному из модулей. Корректирование и усреднение шламов осуществляется в шлам-бассейнах.

После корректирования шлам подается на обжиг. Обжиг тонкоизмельченной сырьевой смеси - важнейшая стадия технологии производства цемента. Для обжига сырьевой смеси применяются вращающиеся печи. Температура обжига смеси во вращающихся печах достигает 1500°С.

После печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается до температуры 150-200°С.

До помола клинкер подвергается маганизированию, которое заключается в том, что после обжига клинкер до трех и более суток хранится на складе, в результате чего клинкер остывает до температуры окружающей среды (ниже 30°С).

Кроме того, имеющаяся в клинкере негашеная известь, частично гасится парами воды при контакте с влажным воздухом; в клинкере заканчивается переход недостаточно стабилизированного минерала белита из в- в г- модификацию с увеличением объема, что растрескивание, а иногда и частичное рассыпание клинкерных зерен; может происходить частичная кристаллизация стекловидной фазы с ослаблением межкристаллических связей в зерне клинкера, вплоть до распада. Отмеченные эти превращения делают клинкер более рыхлым, что облегчает его помол в мельнице, увеличивая ее производительность и уменьшая удельный расход электроэнергии на производство цемента.

Многие свойства портландцемента определяются не только химическим и минералогическим составом клинкера, формой и размерами кристаллов алита, белита и др., но и в большей степени тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом и формой частичек порошка.

С увеличением тонкости помола цемента повышается его прочность и скорость твердения, но лишь до показателей удельной поверхности 7000-8000 см²/г. С этого предела обычно наблюдается ухудшение прочностных показателей.

Помол клинкера осуществляется в многокамерных шаровых мельницах, куда одновременно подается гипс. При помоле материалов наблюдается значительное выделение тепла, вызывающее нагрев мелющих тел и материала до температуры 120-150°С и более, что отрицательно сказывается на производительности помольных установок. По данным С.М. Рояка и В.З. Пироцкого, на измельчение клинкера до удельной поверхности 2500 см²/г при температуре 40°С затрачивается около 24 кВт ч/т, при температуре 120°С - 34 кВт ч/т и при 150°С - 39 кВт-ч/т. При тонкости помола до 3300 см²/г с увеличением температуры материала расход еще более повышается (до 130 кВт ч/т при 150°С). Это объясняется значительной агрегацией мелких частиц при повышенных температурах, вследствие испарения воды, адсорбированной частицами и препятствовавшей их слипанию. В связи с этим следует размалывать только холодный клинкер. Чтобы снизить температуру цемента и предотвратить слипание частиц в камеры мельницы впрыскивают распыленную воду в количестве 0,5-1% от массы цемента, при достижении цементом температуры выше 100-110°С.

Снизить температуру цемента можно также интенсивной аспирацией. При аспирации из мельницы удаляются наиболее тонкие фракции цемента. Большие объемы холодного воздуха (до 300см³ на 1т цемента), пропускаемые через мельницу, охлаждают футеровку корпуса, мелющие тела и цемент.

После помола клинкер идет на склад в цементные силосы и со склада отгружается потребителю.

2.4 Процессы, протекающие при обжиге клинкера во вращающихся печах

Обжиг сырьевой смеси, и получение клинкера сопровождается сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов спекшиеся зерна размером до 2-Зсм, состоящие в основном из минералов C₃S, в-C₂S, C₃A, C₄AF и стекловидной фазы.

Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси определяется температурой обжига. Условно вращающуюся печь можно разделить на следующие зоны:

зона сушки: шлам, попадая в печь, подвергается действию отходящих газов нагретых до высокой температуры (t=300-600°C). При этом происходит испарение воды, шлам загустевает. Когда значительная часть воды испарилась, образуются крупные комья, распадающиеся затем на мелкие частицы, вследствие ухудшения связующих свойств глиняного компонента. Процесс испарения из шлама воды длится примерно до температуры 200°С, так как влага, содержащаяся в тонких порах и капиллярах материала, испаряется медленно.

зона подогрева: в этой зоне материал нагревается до температуры t=500-600°C, при том происходит выгорание органических веществ и теряется вода, содержащаяся в минералах глинистого компонента. Потеря химически связанной воды (дегидратация) приводит к тому, что глинистый компонент теряет связующие свойства. При этом происходит частичное или полное разложение глинистых минералов на свободные оксиды SiO₂ и А1₂Оз, а также декарбонизация углекислого магния MgCO_3. Удаление воды приводит к потере пластичности глинистым материалом, рассыпается в порошок и поступает в зону декарбонизации.

В смеси начинаются реакции в твердом состоянии между его составляющими. При этом наблюдается сцепление отдельных частиц порошка и образование гранул различного размера.

зона декарбонизации: В этой зоне протекает процесс разложения углекислого кальция CаСОз. Здесь потребление тепла наибольшее, так как происходит эндотермическая реакция разложения СаСОз с образованием СаО и СО₂. В этой зоне возникают реакции между основным оксидом СаО и кислотными оксидами глинистого компонента А1₂О₃, SiO₂ и Fe₂O₃ c образованием CaO•SiO₂, СаО•А1₂О₃, СаО•Fе₂Оз. Температура обжигаемого материала в зоне декарбонизации колеблется в пределах 900 - 1200°С.

зона экзотермических реакций: В этой зоне взаимодействие между основными и кислотными оксидами протекает с большей скоростью вследствие более высокой температуры. Эти твердофазовые реакции осуществляются с выделением теплоты. При температуре 1200°С и более происходит насыщение образовавшихся ранее низкоосновных соединений до соответствующих клинкерных минералов: C₂S, C₃S, СзА, С₄АF. Реакция образования алюминатов, силикатов и алюмоферритов кальция является экзотермической, что приводит к повышению температуры материала на 200 - 250°С на коротком участке печи. При температуре 1300°С твердофазовые процессы образования минералов заканчиваются, и материал к этому времени состоит из образовавшихся соединений C₂S, C₃A, С₄АF, С₂F, СаО, MgO, C₁₂A₇.

-зона спекания: В этой зоне температура подымается до 1300-1500°С, происходит спекание материала, вследствие образования в нем расплава в количестве 30% . Оптимальная температура спекания зависит от свойств исходных материалов, наличия в них примесей, тонкости измельчения, однородности смеси.

После расплавления в зоне спекания части материала, и образования жидкой фазы в твердом состоянии остается главным образом только двухкальцевый силикат C₂S, который частично также растворяется в жидкой фазе. Соединяясь в расплавленном состоянии с оксидом кальция, C₂S образует C₃S, менее растворим в расплаве, чем C₂S и поэтому выкристаллизовывается из жидкой фазы. При этом количество СаО и C₂S в расплаве уменьшается, и в нем растворяются новые порции этих соединений, которые опять вступают в реакцию и т.д.

Образование C₃S в условиях обжига завершается за 25...30 мин. Увеличение продолжительность выдержки материала в зоне спекания с одной стороны способствует более полному усвоению СаО, а с другой стороны может вызвать чрезмерное укрупнение кристаллов алита, что скажется на качестве.

- зона охлаждения: В этой зоне температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С, в результате чего расплав кристаллизуется и из него выделяются минералы СзА, C₄AF, C₂S, MgO, С₃S, а часть жидкой фазы затвердевает в виде стекла.

2.5 Режим работы цеха

Режим работы цеха является основой для расчета производительности, потоков сырья, оборудования. Он определяет количество рабочих дней в году, количество смен работы в сутки и рабочих часов в смене.

Режим работы основных цехов и отделений в течение года:

карьер и дробильное отделение - 307 дней по 16 часа в сутки (4912);

отделение помола сырья - 307 дней по 24 часа в сутки (7368);

отделение помола цемента - 307 дней по 24 часа в сутки (7368);

цех обжига клинкера - 337 дней по 24 часа в сутки (8088);

силосно-упаковочное отделение - 365 дней по 24 часа в сутки (8760);

2.6 Расчет производительности цеха и потребности в сырье для выполнения производственной программы

2.6.1 Расчет состава двухкомпонентной шихты для получения портландцементного клинкера

Производим расчет состава двухкомпонентной сырьевой смеси, состоящей из мела и глины, химический состав которых приводится в таблице исходных данных.

Таблица 1

	SiO2	А1203	Fe203	СаО	MgO	SO3	n.n.n.	?
Мел	4,74	0,52	4,75	52,28	0,23	0,26	41,30	104,08
Глина	61,42	14,64	6,42	3,91	1,80	1,81	8,95	98,95

Изучив свойства портландцемента задаемся величиной коэффициента насыщения КН=0,87, исходя из того, что клинкер сульфатостойкого портландцемента должен содержать умеренное количество трехкальциевого силиката (до 50%).

Поскольку в справочных данных химическом составе пород данного месторождения сумма составляющих не равна 100%, необходимо привести ее к 100%, выполнив пересчет состава. Для этого содержание оксидов в первом компоненте надо умножить на коэффициент k₁=100/100.08=0.9607, во втором на k₂=100/98.95=1.0106

Химический состав исходных сырьевых материалов после пересчета на 100% представлен в табл.2

Таблица 2

	Si02	А1203	Fe203	СаО	MgO	SO3	n.n.n.	?
Известняк	4,55	0,53	4,56	50,22	0,22	0,25	39,68	100
Глина	51,07	14,79	6,49	3,95	1,83	1,83	9,04	100

Обозначим соотношение карбонатного компонента

Находим процентный состав шихты:

M+Г=100% M=100-Г 4,675Г=100-Г Г=17,6%

M/Г=4,675 И=4,675Г 5,675Г=100 И=82,4%

Химический состав сырьевой смеси и клинкера при найденном соотношении исходных компонентов представлен в табл.3

Таблица 3

Наименование компонентов	SiO2	А1203	Fe203	СаО	MgO	S03	n.n.n.	?
82,6 весовых частей мела	3,76	0,44	3,77	41,48	0,18	0,21	32,77	82,60
1 7,4 весовых частей глины	10,8	2,57	1,13	0,69	0,32	0,32	1,57	17,4
Сырьевая смесь	14,56	3,01	4,9	42,17	0,5	0,52	34,34	100
Клинкер	22,13	4,58	7,49	64,1	0,76	0,79	-	100

Химический состав клинкера при известном составе сырьевой смеси рассчитывают умножением процентного содержания каждого оксида смеси на коэффициент

Для проверки правильности расчета смеси вычисляют КН, который должен быть равен задорному т.е. КН=0,87

Величина КН для клинкера оказалась равной заданной, следовательно расчет выполнен правильно.

2.6.2 Составление материального баланса цементного завода

Исходные данные при расчете:

Способ производства - мокрый

Годовая производительность цеха - 600.000т. по клинкеру

Состав портландцемента:

Клинкер………………95%

Гипс…………………..5%

Состав сырьевой смеси:

Мел……..…………….82.6%

Глина………………....17.4%

Естественная влажность сырьевых материалов:

Мел…….……………..12%

Глина…………………10%

Гипс двуводный……..6%

Влажность шлама……36%

Потери при прокаливании сырьевой смеси -34.34%

Производственные потери:

Сырьевых материалов...2,5%

Клинкера……………….0,5%

Цемента………………...1%

Коэффициент использования вращающихся печей - 92%

Определяем производительность по цементу:

600000• (100/95) = 631579 т/год

где 95 - содержание клинкера в цементе,%

600000- годовая производительность цемента по клинкеру, т/год

При коэффициенте использования вращающихся печей - 0,92, печи работают в течении года

365•0,92=337сут или

337•24=8088ч.

Отсюда часовая производительность всех печей составит:

631579/8088=78,09т/ч

Следовательно, в данном расчете к установке принимаем две вращающиеся печи производительностью по 50т/ч.

Материальный баланс цеха обжига :

Производительность двух вращающихся печей:

50•2=100 т/ч

100•24=2400 т/сут

100•8088=808800 т/год

2.6.3 Расчет расхода сырьевых материалов

Расход сырьевых материалов составляет 100 т/ч

Теоретический удельный расход сухого сырья для производства клинкера определяют с учетом потерь при прокаливании:

100/(100-34,34)=1,52 т/т, клинкера

где 34,34 - потери при прокаливании сырьевой смеси.

Для обеспыливания отходящих газов вращающихся печей устанавливают электрофильтры, что дает возможность считать потери сырья с отходящими газами не более 1%.Тогда расход сухого сырья составит:

1.52•100•(100-1)=1.54 т/т, клинкера

1.54•100=154 т/ч

154•24=3696 т/сут

154•8088=1245552 т/год

Определяем расход отдельных компонентов сырьевой смеси:

Мела- 1.54•(82.6/100)=1,27 т/т, клинкера

1.27•100=127 т/ч

127•24=3048 т/сут

127•8088=1027176 т/год

Глины- 1,54•(17,4/100)=0,27 т/т, клинкера

0,27•100=27 т/ч

27•24=648 т/сут

27•8088=218376 т/год

С учетом естественной влажности расход сырьевых материалов соответственно составит:

Мела- 1,27•100•(100-12)=1,443 т/т

1,443•100=144,3 т/ч

144,3•24=3463,2 т/сут

144,3•8088=1167098,4 т/год

Глины- 0,28•100•(100-11)=0,315 т/т, клинкера

0,315•300=94,5 т/ч

94,5•24=2268 т/сут

94,5•8088=764316 т/год

2.6.4 Расчет расхода шлама

Часовой расход шлама рассчитывается по формуле:

Где А_{ш -} расход шлама, м³/ч

А_с - расход сухого сырья, т/ч

щ_ш - влажность шлама, %

г_ш - удельный вес шлама, т/м³

Тогда на печь необходимо подать шлама:

146,7•24=3520,8м³/сут

146,7•8088=1186509,6 м³/год

2.6.5 Материальный баланс отделения помола сырья

Из предыдущих расчетов следует, что отделение помола сырья, работающее с выходными днями (307 суток в году по три смены в сутки), должно обеспечить помол 1245552 т/г сухих сырьевых материалов.

Следовательно, должно быть измолото сырья

В сутки: 1245552/307=4057,17 т.

В час: 4057,17/24=169,05 т.

В том числе расход отдельных компонентов составит:

Мела-

В час………….169,05•(82,6/100)=139,63 т.

В сутки……….4057,17•(82,6/100)=3351,22 т.

В год………….1245552•(82,6/100)=1028825,9 т.

Глины-

В час………….169,05•(17,4/100)=19,41 т.

В сутки……….40,17•(17,4/100)=705,9 т.

В год………….1245552•(17,4/100)=216726,05 т.

Для образования шлама одновременно с исходными материалами в сырьевые мельницы подается вода. Потребность в воде определяется по формуле:

W_в=А_ш? г_ш - (А_с+ щ_м+ щ_г)

Где W_в - количество воды необходимое для приготовления шлама, м³/ч

А_ш - потребность в готовом шламе, м³/ч

А_с- потребность в сухом сырье, т/ч

г_ш- удельный вес шлама, т/м³

щ_г, щ_м- количество воды, поступающее соответственно с натуральным мелом и глиной.

На основании проведенных ранее расчетов:

А_ш=146,7м³/ч

А_с=154 т/ч

г_ш=1,64 т/м³

щ_м= 144,3- 127=17,3 т/ч

щ_г=30-27=3 т/ч

Подставляя эти данные в формулу, определяем количество воды на приготовление шлама:

W_в=146,7•1,64-(154+17,3+3)=240,59-174,3=66,29 т/ч

66,29•24=1590,96 т/сут

1590,96•307=488424, т/г

2.6.6 Материальный баланс карьера и дробильного отделения

Cогласно исходным данным потери сырья составляют 2.5%. Из них 1,5% - это потери на карьере и 1% - потери сырья с отходящими газами вращающихся печей.

Карьер, как и дробильное отделение, работает с выходными днями 307 суток в году по две смены в сутки: 307•16=4912 ч.

Для приготовления 808800 т/г клинкера необходимое количество сырьевых материалов, как было подсчитано выше, составляет:

Мела…………….1167098,4т/г

Глины……………242640 т/г

С учетом 1.5% потерь потребуется:

Мела-

1167098,4•(100+1,5)/100=1184604,5 т/г

1184604,5/307=3858,6 т/сут

3858,6 /16=241,2 т/ч

Глины-

242640•(100+1,5)/100=246279,6 т/г

246279,6 /307=802,2 т/сут

802,2/16=50,18 т/ч

Таким образом, производительность карьера должна обеспечить добычу, а дробильное отделение - следующее количество материалов:

	Мела	Глины
В год………………	1184604,5	246279,6
В сутки……………	3858,6	802,2
В час………………	241,2	50,18

2.6.7 Материальный баланс клинкерного склада и отделения помола цемента.

Из данных материального баланса цеха обжига следует, что в склад поступает клинкера:

В год………………100 т.

В сутки……………2400 т.

В час………………808800 т.

При хранении сыпучих материалов в складских помещениях неизбежны потери:

Клинкера……..0,5%

Гипса…………1%

Таким образом, в отделение помола цемента за год поступает клинкера

808800•(100-0,5)/100=804756 т.

При работе отделения помола цемента 307 суток в году по три смены в сутки (7368 ч. В год) необходимо клинкера:

В сутки………804756/307=2621,35 т.

В час…………804756/7368=109,22 т.

Введение гипса (5%) при помоле цемента, определяет потребность отделения помола клинкера в данном материале:

Гипса…………804756•5/(100-5)=42355,58 т/г.

42355,58 /307=137,96 т/сут.

42355,58 /7368=5,75 т/ч.

Из приведенных выше расчетов следует, что производительность отделения помола составляет:

804756+42355,58 = 847111,58 т/г.

2621,35+137,96 =2759,31 т/сут.

109,22 +5,75 =114,97 т/ч.

Аспирация цементных мельниц осуществляется с помощью электрофильтров. При этом потери цемента могут быть приняты порядка 0,5%.

Тогда действительная производительность помольного отделения составит:

847111,58•(100-0,5)/100=842876,02 т/г.

2759,31 •(100-0,5)/100=2745,51 т/сут.

114,97•(100-0,5)/100=114,39 т/ч.

Так как гипс поступает на помол без предварительной сушки, то должен быть учтен только 1% его потерь:

42355,58•(100-1)/100=42783,4 т/г.

Поступающий из вращающихся печей на склад клинкер поливают водой, при этом расход воды на поливку принимается равным 1% его потерь:

В год………………100•1/100=1 т.

В сутки……………2400•1/100=24 т.

В час………………808800•1/100=8088 т.

2.6.8 Материальный баланс силосно-упаковочного отделения

В соответствии с произведенными расчетами в силосно-упаковочное отделение поступает цемента:

В год………………842876,02 т/г

В сутки……………2745,51 т/сут.

В час………………114,39 т/ч

Учитывая потери цемента при упаковке и отгрузке порядка 0,5%, получим количество цемента, подлежащее отгрузке:

В год………………842876,02•(100-0,5)/100=838661,64т/г

В сутки……………838661,64•(100-0,5)/100=2297,7 т/сут

Поскольку суточная отгрузка зависит от количества и времени поступления транспорта под погрузку цемента, то отгрузка в среднем цемента в час не может быть определена.

2.7 Подбор и описание работы основного технологического оборудования

При подготовке сырьевой смеси применяют транспортирующие устройства, дробильное оборудование, оборудование для получения шлама, дозирующие устройства. Крупные каменные материалы с острыми гранями транспортируются при помощи пластинчатых конвейеров, а мягкие материалы с использованием ленточных конвейеров

Для дробления мела применяют молотковую дробилку. Молотковая дробилка предназначена для среднего дробления материала молотками (билами), закрепленных на быстровращающемся роторе. Молотковые дробилки позволяют измельчать материал до кусков размером 6-50 мм. Регулировать размер выходящего материала можно путем изменения зазоров в колосниковой решетке, установленной на выходной части дробилки.

Переработка мягких и пластичных материалов в щековых и молотковых дробилках вызывает значительные осложнения. Поэтому для измельчения глины применяют валковые дробилки

Валковые дробилки представляют собой станину, на которой устанавливаются два валка, вращающихся на встречу друг другу.

После измельчения в валковой дробилке глина подается в глинобалтушку, куда подается и вода. Глинобалтушка представляет собой емкость цилиндрической формы диаметром до 12м глубиной до 5 м. Глина, попадая в глинобалтушку, распускается в воде, в результате чего образуется суспензия с размерами частиц 3-5 мм.

Для бесперебойной работы дробилок питание их осуществляется из расходных бункеров, снабженных питателями, обеспечивающими непрерывную подачу материала в количестве, соответствующем производительности дробилок.

Предварительно подготовленные мел и глина направляются далее на совместный помол в шаровую мельницу через весовые дозаторы непрерывного действия с автоматическим управлением. Шаровая мельница предназначена для тонкого помола материалов способом удара или истирания. Шаровая мельница представляет собой цилиндрический барабан, внутренняя поверхность которого футерована бронеплитами, в который помещают мелющие тела (шары, цибельсы). Сущность дробления заключается в том, что материал попадая в мельницу, измельчается шарами, которые находятся внутри мельницы. Помол в шаровых мельницах может осуществляться по открытому или закрытому циклам.

Для корректирования шлама по химическому составу и для обеспечения необходимого количества шлама используют шламбассейны. Они представляют собой бассейны вертикального типа емкостью 400 - 1000 м³ , сооружающихся в случаях неоднородности исходного сырья и служат для усреднения шлама, что обеспечивает хорошую гомогенизацию шихты.

Для обжига сырьевой смеси применяют вращающиеся печи. Они состоят из корпуса, представляющего собой барабан длинной 150 - 185 м. и более диаметром 4 - 7 м., сваренного из стальных обечаек. Корпус устанавливается на фундаменте с уклоном по длине 3-4°. На нем закреплены бандажи, опирающиеся на роликовые опоры, а также венцовая шестерня, через которую печь приводится во вращение электродвигателем. Обычно скорость вращения находится в пределах 0,5 - 1,2 об/мин, причем она может изменяться. Приподнятая часть печи является холодным концом, входящим в пылеосадительную камеру через уплотняющее устройство, которое препятствует подсосу наружного воздуха. Для защиты от воздействия горячих и для уменьшения теплопотерь корпус печи изнутри футеруется. Огнеупорные материалы для этой цели выбирают с учетом температур газов в разных зонах печи, а также основности обжигаемого материала. Широко применяется шамотный и многошамотный кирпич, а также высокоглиноземистые и талькомагнезитовые огнеупоры.

Для зоны спекания преимущественно используют хромомагнезитовый, периклазошпинелидный и магнезитохромитовый кирпич.

В печной агрегат входят также шламовый питатель, пылеосадительная камера, электрофильтры для очистки дымовых газов от пыли, дымосос, горячая головка печи, колосниковый холодильник, предназначаемый для охлаждения клинкера. Одним из элементов печи являются встроенные в них теплообменники, предназначаемые для интенсификации процессов теплоотдачи от печных газов обжигаемому материалу. Вращающаяся печь работает по следующей схеме. Шлам из шламбассейна перекачивается насосом в распределительный бак, установленный над печью. Отсюда он через ковшовый питатель или специальный расходомер по трубе поступает в печь. С противоположной стороны в печь подается газ. Попадая в раскаленное пространство, газ воспламеняется и начинает гореть. Образующиеся дымовые газы проходят через всю печь, отдавая свое тепло обжигаемому материалу. По выходе из печи газы с температурой 150 - 200 °С направляются через пылеосадительную камеру в электрофильтр, где очищаются от пыли.

Шлам, проходя через печь и подвергаясь воздействию газов все более высокой температуры, претерпевает ряд физических и физико-химических превращений. Пройдя зону высших температур, клинкер начинает охлаждаться потоком более холодного воздуха, поступающего из холодильника. В колосниковом холодильнике клинкер окончательно охлаждается до температуры 30-50°С.

Для хранения клинкера после обжига используют силосный склад. Он представляет собой шесть - девять железобетонных цилиндров - силосов (на каждую печь) диаметром 12 - 18 м. и высотой 30 м. и более, сооруженных на общем основании и поднятых над цехом на колоннах так, что под их коническими днищами смонтированы дозаторы. При их помощи клинкер и гипс, хранящиеся в разных силосах, дозируются в определенном соотношении. Отдозированные клинкер и гипс подаются на ленточный конвейер, который транспортирует их в шаровую многокамерную мельницу на помол.

Силосные склады характеризуются рядом преимуществ (создание условий для полной автоматизации работы цеха помола цемента, улучшение условий труда, снижение запыленности в складах и в целом на территории завода), чем объясняется их применение на заводах. До совместного помола гипс хранится на складе, оснащенным мостовым грейферным краном, который подает его в расходный бункер. Мостовой грейферный кран перемещается вдоль склада по смонтированным на балках рельсовым путям, причем подвижная тележка крана вместимостью до 10 м³ и грузоподъемностью до 20 т. может перемещаться по мосту крана на всю длину складского помещения. Для помола клинкера используют установки с трубными шаровыми мельницами, работающими в открытом или закрытом циклах с классификацией измельченного материала в сепараторах. Размеры мельниц колеблется в следующих пределах: диаметр от 2 - 2,6 до 4 м., длинна от 10 до 15 м., а их производительность составляет 10-85 т/ч. Мельница по длине разделена на несколько камер межкамерными перегородками, жестко закрепленными на корпусе мельницы и препятствующими прохождению через них крупных кусков материала. Наличие перегородок позволяет задержать в камерах мелющие тела различных размеров и формы в зависимости от тонкости помола поступающего в камеру материала. Для прохождения материала в решетках имеются отверстия. Материал, двигаясь по мельнице, подвергается воздействию шарами сначала самого большого размера, затем меньшего и т.д. Материал проходит от перегородки к перегородке по мере измельчения, подходит к полой цапфе, через которую он выгружается на сито. Материал, прошедший через сито выгружается в бункер пневматического насоса. После помола готовый сульфатостойкий портландцемент транспортируется на склад готовой продукции, откуда он отправляется потребителям.

3. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

При большой насыщенности предприятий цементной промышленности сложными механизмами и установками при добыче и переработке сырья, по обжигу сырьевой смеси и измельчению клинкера, по перемещению, складированию и отгрузке огромных масс материалов, при наличии большого количества электродвигателей особое внимание должно уделяться при проектировании заводов и при их эксплуатации созданию благоприятных и безопасных условий для работы трудящихся. Охрана труда должна осуществляться в полном соответствии с "Правилами по технике безопасности и производственной санитарии на предприятиях цементной промышленности".

Поступающие на предприятие рабочие должны допускаться к работе только после обучения их безопасным приемам работы и инструктажа по техники безопасности. Ежеквартально должен проводиться дополнительный инструктаж и ежегодно повторное обучение по техники безопасности непосредственно на рабочем месте.

На действующих предприятиях необходимо оградить движущиеся части механизмов и двигателей, а также электроустановки, приямки, люки, площадки и т.д. Должны быть заземлены электродвигатели, а также разного вида электроаппаратура. Необходимо предусматривать соответствующие устройства и установки подъемно-транспортных механизмов для безопасного ведения работ. Из-за взрывоопасности установок по сушке и помолу материалов трубопроводы, сепараторы, бункера для хранения пыли должны оборудоваться предохранительными клапанами. Обслуживание дробилок, мельниц, печей, силосов, транспортирующих и погрузочно-разгрузочных механизмов должно осуществляться в соответствии с правилами безопасной работы у каждой установки.

Большое внимание следует уделять на предприятиях обеспыливанию воздуха и отходящих газов печей и сушильных установок с целью создания нормальных санитарно-гигиенических условий труда. В соответствии с санитарными нормами проектирования промышленных предприятий концентрация в воздухе помещений цементной и остальных видов пыли не должны превышать 0,04 мг/м³. Содержание в воздухе окиси углерода не допускается более 0,03 мг/м³, а сероводорода - более 0,02 мг/м³. В воздухе, выбрасываемом в атмосферу, концентрация пыли должна быть не более 0,06 г/м³. Практика показывает, что при правильной и внимательной эксплуатации пылеочистных систем содержание пыли в выбрасываемом воздухе составляет 0,04-0,06 г/м³.

...