Технология гидравлических вяжущих веществ портландцемент

Портландцемент – гидравлическое вяжущее, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса.

Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция.

Для регулирования (замедления) сроков схватывания при помоле клинкера вводится от 1 до 4,5 % гипса.

В соответствии с ГОСТ 10178-85 предусматривается выпуск 3-х разновидностей ПЦ: ДО – без добавок; Д5 – с введением до 5 % активных минеральных добавок всех видов; Д20 – свыше 5 %, но не более 20 % добавок.

Сырьем, для производства цемента является цементный клинкер, основными оксидами которого, служат СаО; SiO₂; Al₂O₃; Fe₂O₃.

В зависимости от преобладания того или иного оксида используемое для производсва клинкера сырье можно разделить на три группы:

• с преобладанием карбонатного компонента СаО;

• с преобладанием алюмосиликатов-глинистого компонента;

• корректирующие добавки, восполняющие недостаток в сырьевой смеси того или иного оксида.

Карбонатный компонент – карбонатные порода: известняк, мел, ракушечник, известковый туф, мрамор, мергели – особенно известковый мергель, близкий по химическому составу к портландцементной сырьевой смеси ( 75-80 % СаСО₃ и 20-25 % глины).

Глинистый компонент – горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов каолинитовой, монтмориллонитовой, галлуазитовой групп и группы гидрослюд. Применяют: легкоплавные глины, глинистый сланец и мергель, лёсс и др.

Корректирующие добавки. Поскольку природное сырье не удовлетворяет требованиям химического состава сырьевой шихты для производства клинкера, то вводят третий или даже четвертый компонент – корректирующие добавки, чтобы обеспечить содержание в сырьевой смеси недостающие оксиды. Такими добавками являются: пиритные огарки, боксит, кварцевые пески, опока.

Химико-минералогический состав клинкера

Оксиды: СаО – 64-67 %; SiO₂ – 21-25 %; Al₂O₃ – 4-8 %; Fe₂O₃ – 2-4 % , щелочи в виде примесей MgO; TiO₂ и др.

Перечисленные оксиды при обжиге взаимодействуя между собой, образуют основные клинкерные минералы:

• 3 СаО*SiO₂ трехкальцевый силикат (алит) - 45-60 %. Самый важный минерал. Определяет скорость твердения, прочность и др. свойства ПЦ; С₃S;

• 2CaO* SiO₂ двухкальцевый силикат (белит) – 20-30 %. Второй по важности. Медленно твердеет, но со временем догоняет алит по прочности С₂S;

• 3 СаО*Al₂O₃ трехкальцевый алюминат 4-12 %. Очень быстро гидратирует и твердеет, но имеет небольшую прочность. Является причиной сульфатной коррозии бетона. В сульфатостойком ПЦ содержание ограничено 5 % С₃А;

• 4СаО* Al₂O₃* Fe₂O₃ (С₄АF) четырехкальцевый алюмоферрит 10-20 %;

• клинкерное стекло 5-15 %.

Способы производства портландцемента

Производство ПЦ состоит из двух стадий:

• операции по получению клинкера;

• операции по измельчению клинкера совместно с гипсом, и при необходимости, с активными минеральными добавками, т.е. собственно приготовление ПЦ.

а) Технологические операции производства клинкера:

• добыча сырьевых материалов;

• дробление;

• приготовление сырьевой смеси заданного состава;

• обжига сырьевой смеси до получения клинкера и его магазинирование.

б) Технологические операции производства ПЦ:

• дробление клинкера;

• подготовка минеральных добавок (дробление, сушка);

• дробление гипсового камня;

• помол клинкера с минеральными добавками и гипсом;

• складирование и упаковка.

В цементной промышленности существует 3 способа производства клинкера:

мокрый, сухой и комбинированный. Выбор способа производства зависит от вида сырья и должен обеспечивать тонкое измельчение и равномерное перемешивание сырьевых компонентов.

При мокром способе сырьевая смесь готовится в виде шликера влажностью 30-50 %.

При сухом способе сырьевую смесь (шихту) готовят в виде порошка и подают на обжиг.

При комбинированном способе шлам обезвоживают на фильтрах или в распылительных сушилках до 16-18 % влажности (1-ый вариант), или готовят смесь по сухому способу, а затем гранулируют с добавкой 10-14 % воды и подают на обжиг в виде гранул диаметром 10-15 мм (2-ом вариант).

1. Дробление сырья (пункта).

Выбор схемы дробления и типа дробильного оборудования зависят от свойств исходного сырья. Мягкие породы (мел, глина) дробят по одноступенчатой схеме в валковых дробилках до кусков размером 200 мм. Твердые породы (известняк) дробят по двухступенчатой схеме. 1-ая стадия – на щековых дробилках, до кусков размером 75-200 мм. 2-ая стадия – на молотковых дробилках, до кусков размером 8-10 мм.

2. Тонкое измельчение (помол).

Эта операция при подготовке сырьевых компонентов для производства клинкера может осуществляться сухим или мокрым способами. Основным агрегатом для измельчения являются шаровые (трубные) мельницы. В настоящее время процессы сушки и помола совмещаются в одном агрегате, если влажность сырья не превышает 10 %.

Сухой способ измельчения материалов повышенной влажности (до 20 – 25%) стал возможен при использовании мельниц самоизмельчения «Аэрофол». Измельчение основано на соударении кусков материала друг о друга и взаимном истирании. При работе мельницы через полую загрузочную цапфу подается энергоноситель и сырьё, а через разгрузочную цапфу отбирают измельченный продукт и отработанный энергоноситель.

В качестве сушильного агента (энергоносителя) используют отходящие газы вращающих печей.

Различают 2 схемы помола:

• п о открытому (а) и

• по замкнутому (б) циклам.

1. Трубная мельница.

2. Элеватор.

3. Сепаратор

ГП — готовый продукт.

Разделение измельченного продукта на фракции (грубую и мелкую) называют сепарацией, а применяемые аппарат – сепараторами.

Переход на замкнутый цикл увеличивает производительность мельниц, т.к. из неё удаляются мелкие частицы, налипающие на мелющие тела, которые уменьшают их размалывающую способность.

Мокрый способ измельчения применяют при переработке мягких пород (мел, глина), имеющих высокую влажность. Эти породы легко дисперируются в воде и образуют водные суспензии – шламы. Размучивание ведут в специальных аппаратах – болтушках. Одновременно с механическим измельчением материал подвергается обогащению, т.к. в водной среде из него выделяются тяжелые примеси (песок), оседающий на дно. Однако, размучивание в болтушках не обеспечивает полного измельчения, поэтому материал требует домола в трубных мельницах с шаровой, стержневой или комбинированной загрузкой мелющих тел.

Более эффективными являются роторные мельницы или мельницы-мешалки, в которых материал измельчается в водной среде при вращении ротора с билами со скоростью 300-400 об/мин.

Использование мельниц самоизмельчения «Гидрофол» позволяет совместить среднее, тонкое, а также предварительное измельчение в одном аппарате.

Однако этот тип мельниц не обеспечивает полного размола, поэтому материал подают на доизмельчение в шаровую мельницу.

Корректирование и гомогенизацию сырьевой смеси производят для повышения эффективности работы печей и оптимизации химического состава сырьевой смеси.

Существуют два варианта корректирования: порционное и поточное. После корректирования производится операция по гомогенизации состава сырьевой смеси, т.е. добиваются однородности по физическим показателям и химсоставу. Осуществляется этот процесс путем интенсивного перемешивания.

При мокром способе производства гомогенизацию шихты организают в шламбассейнах вертикального (диаметром 5 – 8 м. и высотой 12-15 м.) и горизонтального (d = 25 – 50м; H = 6 – 7м, емкость 3000 – 6000м³) типов. Перемешивание в вертикальных бассейнах осуществляется сжатым воздухом, а в горизонтальном – крановыми мешалками и сжатым воздухом. Количество бассейнов 8 -14 шт.

При сухом способе производства корректирование, гомогенизация и хранение сухой шихты организовано в силосах с пневматическим перемешиванием, емкостью до 2000т. Воздух в силос подают снизу, через аэроплитки – плитки керамические или из микропористых металлических сплавов. Перемешивание порошкообразной шихты происходит за счет псевдоожижения. Недостаток силосов такого типа – недостаточная степень гомогенизации при больших количествах сырьевой муки; неполное использование объема силосов; значительная потребность в объемах сжатого воздуха.

Более прогрессивным является корректирование смесей в двух-ярусных силосах. В верхний ярус силоса подают исходные сырьевые смеси различного состава. Их перемешивание осуществляется в силосах нижнего яруса за счет эффекта гравитационного перемешивания в процессе разгрузки, обусловленного разностью скоростей опускания горизонтальных слоев материала от периферии к центру.