3. Технологія виготовлення портландцементу

Портландцемент є найважливішою в'яжучою речовиною. З виробництва і застосування він займає перше місце серед інших в'яжучих речовин. В 1990 р. виробництво портландцементу в СРСР дорівнювало 140...142 млн т, значно перевищуючи рівень виробництва цементу в інших країнах, в тому числі США.

Винахід портландцементу (1824 р.) пов'язаний з іменами Єгора Герасимовича Челієва — начальника майстерень військово-робітничої бригади і Джозефа Аспдіна — муляра з англійського міста Лідса.

Портландцемент — гідравлічна в'яжуча речовина, що твердне у воді і на повітрі. Його одержують тонким помолом опаленої до спікання сировинної суміші вапняку і глини, що забезпечує домінування в клінкері силікатів кальцію. Сировинна суміш, що спеклася у вигляді зерен розміром до 40 мм, називається клінкером, від якості його залежать найважливіші властивості цементу: міцність і швидкість її зростання, довговічність, стійкість у різноманітних експлуатаційних умовах.

Для регулювання термінів тужавлення в звичайних цементах марок 400...500 при помолі до клінкеру додають гіпс не менше 1,0 % і не більш 3,5 % від маси цементу в перерахунку на ангідрид сірчаної кислоти (SО₃), а в цементах високомарочних і швидкотверднучих — не менше 1,5 % і не більш 4,0 %. Портландцемент випускають без добавок або з активними мінеральними добавками.

Якість клінкеру залежить від його хімічного і мінерального складів. Для виробництва портландцементного клінкеру застосовують вапняк і глину. Вапняк в основному складається з двох оксидів: СаО і СО₂, а глина — з різноманітних мінералів, що містять в основному три оксиди: SiО₂, A1₂О₃ і Fe₂О₃. В процесі випалу сировинної суміші виділяється С0₂, а чотири оксиди СаО, SiО₂, A1₂О₃ і Fe₂О₃ утворюють клінкерні мінерали. Вміст оксидів у цементі приблизно такий, в %: 64...67— СаО, 21...24— SiО₂, 4...8— A1₂О₃, 2...4— Fe₂О₃.

Окрім означених основних оксидів, в портландцементному клінкері можуть бути присутні оксиди MgO, K₂О і Na₂О, що знижують якість цементу.

Портландцемент виготовляють на заводах з різноманітних видів природної сировини і за неоднаковою технологією виробництва, і відрізняється він як за хіміко-мінералогічним складом, так і за властивостями. Вимоги стандарту не відбивають повністю деяких важливих для будівництва властивостей цементу: стійкості цементного каменя в агресивних середовищах, морозостійкості, інтенсивності тепловиділення, деформативної спроможності і т. ін. Однак в цьому значну роль відіграє мінералогічний склад клінкеру, що має прямий зв'язок з основними фізико-механічними властивостями портландцементу і дозволяє розробляти портландцемент для бетону конкретних експлуатаційних умов.

Сировина для виробництва портландцементу повинна містити 75...78 % СаСО₃ і 22...25 % глини. Гірські породи, що задовольняють означені вимоги, в природі зустрічаються рідко. Тому для виробництва портландцементу поряд з вапняком і глиною слід застосовувати так звані наповнювачі, що коригують склад і містять значну кількість одного з оксидів, якого не вистачає в сировинній суміші. Так, недостатня кількість SiО₂ компенсується додаванням висококремнеземистих речовин (опоки, діатоміта, трепела). Збільшити вміст оксидів заліза можна шляхом додавання руди. Підвищення вмісту глинозему А1₂О₃ досягається доданням високоглиноземистої глини.

Крім того, цементна промисловість дедалі ширше починає використовувати побічні продукти, наприклад, відходи різних галузей промисловості — доменні шлаки, нефелиновий шлам (відходи виробництва глинозему) та ін. Використання в цементній промисловості побічних продуктів і відходів інших галузей — великий крок у розробці - маловідхідної технології, що сприяє охороні навколишнього середовища.

Як паливо застосовують природний газ, скорочується використання кам'яного вугілля і мазуту. Сьогодні вітчизняна цементна промисловість значною мірою працює на газоподібному паливі як найбільш ефективному.

Технологічний процес виробництва портландцементу складається з таких основних операцій: видобутку вапняку і глини, підготовки сировинних матеріалів і добавок, що коригують склад та властивості, приготування з них однорідної суміші заданого складу, випалу суміші і помолу клінкеру в тонкий порошок разом з гіпсом, а інколи з добавками.

Залежно від приготування сировинної суміші розрізняють два основних способи виробництва портландцементу: мокрий і сухий.

При мокрому способі сировинні матеріали подрібнюють і змішують у присутності води і суміш у вигляді шихти випалюють у печах, що обертаються.

При сухому способі матеріали подрібнюються, змішуються і випалюються в сухому вигляді.

Останнім часом дедалі ширше починає застосовуватися спосіб, що комбінує приготування сировинної суміші, при якому сировинну суміш підготовлюють за мокрим способом, після цього шихту висушують і з неї виробляють гранули, які випалюють за сухим способом.

Кожен із способів має свої позитивні і негативні сторони. У водному середовищі полегшується подрібнення матеріалів і швидко досягається однорідність суміші, але витрата палива на випал суміші в 1,5...2 рази більше, ніж при сухому способі. Розвиток сухого способу тривалий час обмежувався внаслідок низької якості клінкеру, що отримували. Однак успіхи в техніці помолу і гомогенізації сухих сумішей забезпечили якість портландцементу.

В теперішній час отримав розвиток сухий спосіб виробництва цементу з печами, обладнаними циклонними теплообмінниками і реакторами-декарбонізаторами. Продуктивність технологічної лінії з піччю 4,5 х 80 м циклонними теплообмінниками і реактором-декарбонізатором складає 3000 т клінкеру на добу. При цьому способі виробництва цементу витрата палива знижується на 30...40 % порівняно з мокрим, а металоємкість пічних агрегатів— в 2,5...3 рази.

За мокрим способом сировинні матеріали, що доставляються з кар'єру на завод у шматках, спочатку подрібнюють (до величини зерен не більше 5 мм). Тверді породи подрібнюють у дробарках, а більш м'які (глина, крейда) подрібнюють перемішуванням з водою в глинозмішувачах. Змішувач — це круглий залізобетонний резервуар діаметром 5...10 м і висотою 2,5...3,5 м, футерований чавунними плитами. Отримана в змішувачі шихта з вологістю близько 45 % випускається через отвір з сіткою і перекачується в трубний (шаровий) млин.

Млин, куди безупинно подається подрібнений вапняк, являє собою сталевий циліндр довжиною до 15 м, діаметром 2 м, що обертається на порожніх цапфах, через які у мілину з одного боку завантажують, а з другого боку— розвантажують. Всередині млин поділений перегородками з отворами і камерами. В першій і другій камерах є сталеві або чавунні кулі, а в третій — невеликі циліндрики. Через порожню цапфу шихта надходить у першу камеру трубного млина. При обертанні млина кулі під дією центрифугової сили і сили тертя притискаються до стін, піднімаються на деяку висоту і падають, розбиваючи і розтираючи зерна матеріалу. Трубні млини є безупинно діючим обладнанням. Тонкоподрібнений матеріал подається насосом в басейни у вигляді залізобетонних або сталевих резервуарів циліндричної форми. В них остаточно коригується хімічний склад шихти і створюється деякий запас для безперебійної роботи печей. З басейнів шихта надходить у бункери, а після цього рівномірно подається в піч, що обертається для випалу.

Піч — це довгий циліндр з листової сталі, облицьований всередині вогнетривким матеріалом. Довжина печей 150...185...230 м, діаметр 4...5...7 м. Барабан печі встановлений з нахилом 3,5...4 °С і обертається навколо своєї осі з частотою 0,5...4 хв^-1. Печі працюють за принципом протитечії, шихта завантажується з верхньої сторони печі і пересувається до нижнього кінця.

Паливо у вигляді газу або пилу кам'яного вугілля вдувається разом з повітрям з протилежного кінця печі і згорає, створюючи температуру 1500 °С. Димові гази видаляються з боку піднятого кінця печі. Шихта пересувається вздовж барабана, торкаючись гарячих газів, що йдуть їй назустріч, і поступово нагрівається.

Утворенню портландцементного клінкеру передує ряд фізико-хімічних процесів, що протікають у певних температурних інтервалах — технологічних зонах пічного агрегату печі, що обертається. При мокрому способі виробництва цементу по ходу матеріалу, що випалюється, умовно виділяють наступні зони: І — випаровування, II — підігріву і дегідратації, НІ — декарбонізації, IV — екзотермічних реакцій, V — спечення, VI — охолодження.