Производство портландцемента

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 Чалиева 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 Чалиев 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 Чалиев, 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.Чалиева.

В России первый завод по производству портландцемента был построен в Петербурге в 1839г. Затем были основаны заводы в Риге (1866г.), Широве (1870г.), Подольске (1879гю). 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, которые могли бы использоваться при строительстве гидроэлектростанций, в транспортных сооружениях, при промышленном производстве сборных, обычных и преднапряженных 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, в том числе портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент и др. Выпускается большое количество портландцемента марок 500-600 и выше, а также специальные цементы - сульфатостойкий, гидрофобный, пластифицированный, дорожный и др. Организованно 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 трехкальцевого алюмината и трехкальцевого силиката. Он отличается пониженной экзотермией и высокой стойкостью при службе в сульфатостойких водах.

1. Характеристика продукции

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

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками 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 с минеральными добавками предназначен для изготовления бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических и др. сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии. 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 1.1.

Таблица 1.1

Наименование показателяЗначение для клинкера, % по массе, не более, по видам цементаСульфатостойкий портландцементСульфатостойкий портландцемент с минеральными добавкамиСульфатостойкий шлакопортланд-цементПуццолановый портландцементСодержание трехкальцевого силиката 50Не нормируетсяСодержание трехкальцевого алюмината 58Сумма трехкальцевого алюмината и четырехкальцевого алюмоферрита22Не нормируетсяСодержание оксида алюминия 5Содержание оксида магния 5

Содержание добавок в цементе в зависимости от их вида должно соответствовать указанному в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Вид цементаСодержание добавокГранулометрического доменного шлака, электротермофосфорного шлакаПуццоланыСульфатостойкий портландцементНе допускаетсяСульфатостойкий портландцемент минеральными добавкамиСв. 10 и не более 20Сульфатостойкий шлакопортландцементСв. 40 и не более 60-Пуццолановый портландцемент-Св. 20 и не более 40

По согласованию с потребителем при помоле сульфатостойких цементов в их состав может быть введена пластифицирующая или гидрофобизирующая поверхносно-активная добавка в количестве до 0,3% массы цемента (в пересчете на сухое вещество).

Введение в сульфатостойкий портландцемент добавок повышает морозостойкость сооружений, работающих в суровых условиях цикличного замораживания и оттаивания в агрессивной среде в результате повышения плотности бетона, снижения его водопотребности и дополнительного воздухововлечения.

Эффективность применения технологических добавок, а также отсутствие отрицательного их влияния на свойства бетона должны быть подтверждены результатами испытаний бетона и цемента.

Предел прочности цементов при сжатии должен быть не меньше величин, указанных в таблице 1.3.

Таблица 1.3.

Вид цементаМарка цементаПредел прочности при сжатии в возрасте 28 сут. (МПа)Сульфатостойкий портландцемент40039,2Сульфатостойкий портландцемент минеральными добавками400 50039,2 49,0 Сульфатостойкий шлакопортландцемент400 50029,4 39,2Пуццолановый портландцемент300 40029,4 39,2

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

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками характеризуется более быстрым набором прочности, так прочность при сжатии сульфатостойкого портландцемента через 28 суток составляет 40 МПа, а сульфатостойкого портландцемента с минеральными добавками через 28 суток составляет 40 - 50 МПа.

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками весьма чувствителен к температурным условиям их твердения. При температурах около 10-12°С процессы схватывания и твердения значительно замедляются, а при температуре ниже 5°С они почти прекращаются. Наоборот, 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, однако, 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.

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% . Сложность задачи получения сульфатостойкого портландцемента состоит еще в том, что ограничивается и содержание , так что количество оксида железа в клинкере должно быть также умеренным.

2. Технологическая часть

.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;

доменный граншлак;

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

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. 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. 2.1

СортСодержание в гипсовом камне %, не менееСодержание в гипсоангидритовом камне, % не менееГипса Кристаллизационной водыГипса и ангидрита в пересчете на Серного ангидрита 1 2 3 495 90 80 7019,88 18,83 16,74 14,6495 90 80 -44,18 41,85 37,20 -

Гипсовый и гипсоангидритовый камни применяют в зависимости от размера фракций:

-300 мм гипсовый камень для производства гипсовых вяжущих;

-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%

В качестве минеральной добавки вводимой сульфатостойкий портландцемент при помоле клинкера используем доменный граншлак. Обычно в состав доменных шлаков входят окислы и сернистые соединения , а иногда и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие окислы, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются и отчасти , суммарное содержание которых достигает 90-95%.

По химическому составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема и частично глинозема и меньше окиси кальция.

Доменные шлаки, предназначенные для производства сульфатостойкого портландцемента, должны гранулироваться. Грануляция шлака осуществляется быстрым охлаждением его водой, паром или воздухом.

Влажность шлака, получаемого по мокрому способу грануляции, составляет 20 - 30%.

Оценка гидравлических свойств доменного гранулированного шлака определяется при помощи коэффициента качества (К), который определяется по формулам:

при содержании окиси магния до 10 %:

;

при содержании окиси магния более 10 %:

В зависимости от коэффициента качества и химического состава доменные гранулированные шлаки подразделяются на три сорта, указанные в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Наименование показателейНормы для сортов1-го2-го3-гоКоэффициент качества, не менее1,651,451,20Содержание окиси алюминия (Аl2О3), %, не менее8,07,5Не нормируетсяСодержание окиси магния (MgO), %, не более15,015,015,0Содержание двуокиси титана (TiO2), %, не более4,04,04,0Содержание закиси марганца (МnO), %, не более2,03,04,0

Доменные гранулированные шлаки по своему химическому составу должны удовлетворять следующим требованиям:

содержание двуокиси кремния (SiO2), %, не менее 38

содержание суммы окиси кальция (СаО) и окиси магния (MgO), %, не менее 43

содержание пятиокиси фосфора (P2O5), %, не более 2,5

Количество камневидных кусков шлака (не подвергшихся грануляции) в партии не должно быть более 5 % по весу. Размеры таких кусков не должны превышать 100 мм по наибольшему измерению.

Кроме того по ГОСТ 22266-94 содержание оксида алюминия в сульфатостойких портландцементах с минеральными добавками не должно быть больше 8%.

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

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 и глины;

Рис. 1

- 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 и активной минеральной добавки;

В качестве известняка при производстве портландцемента используется известняк Акмянского месторождения, а в качестве глинистого сырья - глина того же месторождения. В качестве добавки, вводимой при помоле клинкера, применяется двуводный гипс и доменный граншлак.

Твердые породы известняка дробятся в две стадии. На первой стадии дробления известняк подается в щековую дробилку, где он измельчается до кусков размером 100 мм. На второй стадии дробления известняк подвергаются более тонкому измельчению в молотковой дробилке до кусков размером 10 мм. После дробления известняк дозируется весовыми дозаторами и подается в шаровую 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 с минеральными добавками 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 известняка 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 ?- 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. С этого предела обычно наблюдается ухудшение прочностных показателей.

Помол клинкера осуществляется в многокамерных шаровых мельницах, куда одновременно подается гипс и активная минеральная добавка. 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 при температуре 40°С затрачивается около 24 , при температуре 120°С - 34 и при 150°С - 39. При тонкости помола до 3300 с увеличением температуры материала расход еще более повышается (до 130 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 300 на 1т цемента), пропускаемые через мельницу, охлаждают футеровку корпуса, мелющие тела и цемент.

После помола цемент поступает в силоса. Хранение горячего цемента в силосах может вызвать следующие нежелательные явления:

цемент может слежаться;

в силосах могут начаться реакции гидратации;

такой цемент при затворении водой дает ложное схватывание;

при затаривании горячего цемента мешки часто рвутся;

Чтобы не допустить такого явления устанавливают холодильники.

После охлаждения цемент идет на склад в цементные силосы и со склада отгружается потребителю.

График тепловой обработки

На рисунке показано распределение температуры материала и газового потока по длине барабана вращающейся печи, работающей по мокрому способу производства.

Ломаный характер кривой температуры материала показывает, что при нагревании сырьевой смеси в ней происходят различные физико-химические процессы, в одних случаях тормозящих нагревание (пологие участки), а в других - способствующие резкому нагреванию (крутые участки).

.3 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);

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

.4.1 Расчет состава двухкомпонентной шихты для получения портландцементного клинкера

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

Таблица 2.3

Известняк3,190,750,5651,911,560,4141,4599,83Глина47,1712,846,839,943,850,1414,7695,53

Изучив свойства сульфатостойкого портландцемента с минеральными добавками портландцемента задаемся величиной коэффициента насыщения КН=0,87, исходя из того, что клинкер сульфатостойкого портландцемента должен содержать умеренное количество трехкальцевого силиката.

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, во втором на

Химический состав исходных сырьевых материалов после пересчета на 100% представлен в табл.2.4

Таблица 2.4

Известняк3,1950,7510,561521,5630,4141,52100Глина49,37813,447,1510,4054,030,14715,45100

Обозначим соотношение карбонатного компонента шихты к глинистому через X и выразим его из уравнения для КН.

;

Находим процентный состав шихты:

И+Г=100% И=100-Г 3,145Г=100-Г Г=24,13%

И=3,145Г 4,145Г=100 И=75,87%

Химический состав сырьевой смеси и клинкера при найденном соотношении исходных компонентов представлен в табл. 2.5

Таблица 2.5

Наименование компонентов75,87 весовых част.известняка2,4250,570,42739,451,1860,31231,575,8724,13 весовых частей глины11,913,241,7252,520,9720,0353,72824,13Сырьевая смесь14,3353,812,15241,972,1580,34735,228100Клинкер22,1335,883,3264,83,330,537-100

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.

.4.2 Составление материального баланса цементного завода

Исходные данные при расчете:

Способ производства - мокрый

Годовая производительность завода - 1800000 т/г по клинкеру.

Состав портландцемента:

клинкер ………………………80%

гипс …………………………...5%

доменный граншлак………….15%

Состав сырьевой смеси:

известняк …………………….75,87%

глина …………………………24,13%

Естественная влажность сырьевых материалов

известняк …………………….6%

глина …………………………15%

гипс двуводный ……………..6%

доменный граншлак…………20%

влажность шлама ……..……..36%

Потери при прокалывании сырьевой смеси - 35,228%

Производственные потери:

Сырьевых материалов ………2,5%

Клинкера ……………………..0,5%

Добавки……………………….1%

Цемента ………………………1%

Коэффициент использования вращающихся печей - 0,92

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

сут, или

ч.

Отсюда часовая производительность всех печей составит:

Следовательно, в данном расчете к установке принимаем три вращающиеся печи производительностью по 75 .

Материальный баланс цеха обжига:

Производительность трех вращающихся печей:

·3=225 ;

·24=5400;

·8088=1819800 ;

Расчет расхода сырьевых материалов.

Расход сырьевых материалов составляет 225 .

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

где 35,228 - потери при прокалывании 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:

,56·225=351

·24=8424

·8088=2838888

Определяем расход отдельных компонентов сырьевой смеси:

известняка -

,56

,18·225=265,5

,5·24=6372

,5·8088=2147364

глины -

,376·225=84,6

,6·24=2030,4

,6·8088=684244,8

С учетом естественной влажности расход сырьевых материалов соответственно составит:

известняка -

,25·225=281,25

,25·24=6750

,25·8088=2274750

глины -

,432·225=97,2

,2·24=2332,8

,2·8088=786153,6

Расчет расхода шлама.

Часовой расход шлама рассчитывается по формуле:

Где - расход шлама;

- расход сухого сырья;

- влажность шлама; %

- плотность шлама;

Тогда на печь необходимо подать шлама:

,4·24=8025,6

,4·8088=2704627,2

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 2838888 сухих сырьевых материалов.

Следовательно, должно быть измолото сырья

в сутки: 2838888307=9247,19 т.

в час: 9247,1924=385,3 т.

В том числе расход отдельных компонентов составит:

известняка -

в час………………… т.

в сутки…………… т.

в год……………… т.

глины -

в час…………………. т.

в сутки……………. т.

в год………………. т.

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

где W-количество воды, необходимое для приготовления шлама;

- потребность в готовом шламе;

- потребность в сухом сырье;

- плотность шлама;

-количество воды, поступающее соответственно с натуральным известняком и глиной;

На основании проведенных ранее расчетов:

=334,4

=351

=1,64

Подставляя эти данные в формулу, определяем воды на приготовление шлама:=334,4·1,64-(351+15,75+12,6)=169,066

,066·24=4057,58

,58·307=1245678,3

Материальный баланс карьера и дробильного отделения.

Согласно 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:

·16=4912 ч.

Для производства 1819800 клинкера необходимое количество сырьевых материалов, как было подсчитано выше, составляет:

Известняка…………2274750

Глины………………786153,6

С учетом 1,5% потерь потребуется:

Известняка -

,25:307=7520,75

,75:16=470

глины -

,9:307=2599,17

,17:16=162,4

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

ИзвестнякаГлины

в год…………………….2308871,25797945,9

в сутки…………………..7520,752599,17

в час……………………..470162,4

Материальный баланс клинкерного склада и отделения помола цемента.

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

в час…………… 225 т.

в сутки………… 5400 т.

в год…………… 2838888 т.

При хранении сыпучих материалов в складских помещениях неизбежны потери:

клинкера………….0,5%

гипса………………1,0%

граншлака…………1,0%

Таким образом, в отделение помола цемента за год поступает клинкера

т.

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

в сутки……………2824693,56:307=9201 т.

в час………………2824693,56:7368=383,4 т.

Введение при помоле цемента гипса (5%) доменного граншлака (15%) определяет потребность отделения помола клинкера в этих материалах:

Гипса……………..

,3:307=575,1

,3:7368=23,96

Шлак………………

:307=845,7

:7368=35,2

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

,56+529630+176543,3=3530866,86

+845,7+575,1=10621,8

,4+35,2+23,96=442,56

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

Тогда действительная производительность помольного отделения составит:

Если учесть, что на помол шлак поступает после предварительной сушки и потери его на складе примерно 1%, то количество шлака, поступающего на склад за год, должно быть:

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

Поступающий из вращающихся печей на склад клинкер поливают водой, при этом расход воды на поливку принимается равным 1% от веса клинкера, т.е.

В час ………….. т.

В сутки……….. т.

В год ………….. т.

Материальный баланс силосно-упаковочного отделения

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

В год……………..3513212,5

В сутки…………...10568,69

В час……………..440,3

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

В год……………...3513212,5 т.

в сутки..3478168,2:365=9529,2 т.

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

.5 Подбор и описание работы основного технологического оборудования

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 , причем она может изменятся. 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.

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 2-3см, состоящие в основном из минералов , , , 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°C , 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 этом 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 и , а также декарбонизация углекислого магния . Удаление воды приводит к потере пластичности глинистым материалом, рассыпается в порошок и поступает в зону декорбанизации.

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

зона декорбанизации: В этой зоне протекает процесс разложения углекислого кальция . Здесь потребление тепла наибольшее, так как происходит эндотермическая реакция разложения с образованием и . В этой зоне возникают реакции между основным оксидом и кислотными оксидами глинистого компонента , и с образованием , , . Температура обжигаемого материала в зоне декарбонизации колеблется в пределах 900 - 1200°C.

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°C и более происходит насыщение образовавшихся ранее низкоосновных соединений до

соответствующих клинкерных минералов: , , , . 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°C твердофазовые процессы образования минералов заканчиваются, и материал к этому времени состоит из образовавшихся соединений , , , , ,, .

зона спекания: В этой зоне температура подымается до 1300-1500°C, 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 , который частично также растворяется в жидкой фазе. Соединяясь в расплавленном состоянии с оксидом кальция, образует . менее растворим в расплаве, чем и поэтому выкристаллизовывается из жидкой фазы. При этом количество и в расплаве уменьшается, и в нем растворяются новые порции этих соединений, которые опять вступают в реакцию и т.д.

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

Для ускорения клинкерообразования, особенно при изготовлении клинкеров с высоким содержанием , используют специальные добавки - минерализаторы: , кремнефтористый натрий или , , гипс. Минерализаторы каталитически влияют на образование и , понижают температуру спекания на 150°С, что приводит к экономии. Количество вводимых минерализаторов составляет 1% от массы.

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

Для хранения клинкера после обжига используют силосный склад, который 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 помощи которых клинкер и гипс, хранящиеся в разных силосах, дозируются в определенном соотношении. Отдозированые клинкер, доменный граншлак и гипс подаются на ленточный конвейер, который транспортирует их в шаровую многокамерную мельницу на помол.

сульфатостойкий портландцемент клинкер

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 . Содержание в воздухе окиси углерода не допускается более 0,03 , а сероводорода - более 0,02 . В воздухе, выбрасываемом в атмосферу, концентрация пыли должна быть не более 0,06 . Практика показывает, что при правильной и внимательной эксплуатации пылеочистных систем содержание пыли в выбрасываемом воздухе составляет 0,04 - 0,06 .

Для создания нормальных условий труда все помещения цементных заводов должны обеспечиваться системами исскуственной и естественной вентиляции. Этому в большой мере способствует герметизация тех мест, где происходит пылевыделение, а также отсос воздуха из бункеров, течек, дробильно-помольных механизмов и т. д. В зависимости от мощности и величины различных механизмов и интенсивности пылевыделения рекомендуются следующие объемы отсасываемого воздуха:

При отборе воздуха от:

Щековых и молотковых дробилок 4000 - 8000

Элеваторов………………………... 1200 - 2700

Бункеров…………………………… 500 - 1000

Мест перегрузки материалов…….. 300 - 500

Упаковочных машин……………… 5000

Очистка воздуха, отбираемого из цементных мельниц, производится с помощью рукавных или электрофильтров. В том и другом случае при значительной концентрации пыли в аспирируемом воздухе необходимо устанавливать перед ними циклоны. При этом важно не допускать просасывание через 1 ткани фильтров более 60-70 воздуха в 1 ч.

Для очистки воздуха, отсасываемого из камер сырьевых мельниц, обычно устанавливают циклон и электрофильтр, соединенные последовательно.

Воздух из сепаратора мельниц и головок элеваторов для очистки пропускается через рукавный фильтр.

Отходящие газы вращающихся печей подвергаются очистке для предотвращения загрязнения воздушного бассейна и территории, окружающей завод. Для этого устанавливают электрофильтры. Если же отходящие газы содержат значительное количество пыли (более 25 - 30). То их сначала пропускают батарею циклонов.

Шум, возникающий при работе многих механизмов на цементных заводах, характеризуется зачастую высокой интенсивностью, превышающей допустимую норму (90 ДБ). К числу мероприятий по снижению шума у рабочих мест относят установку мельниц и дробилок на специальные шумопоглащающие фундаменты, применение демпфирующих прокладок между внутренней стенкой мелющих барабанов и бронеплитами, замену в сырьевых шаровых мельницах стальных плит резиновыми. При этом звуковое давление снижается на 5 - 12 ДБ. Укрытие мельниц и дробилок шумоизолирующими кожухами, облицовка источников шума звукоизолирующими материалами также дает хороший эффект, снижает уровень шума на 10 - 12 ДБ.

Литература

1. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества - М.: Стройиздат, 1986г.

. Колбасов В.М. Технология вяжущих минералов - М.: Стройиздат, 1987г.

. Алексеев Б.В. Производство цемента - М.: Стройиздат, 1985г.

. Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы - М.: Стройиздат, 1983г.

.Симонович Р.Г., Марцинкевич В.М. Методические указания по курсовому проектированию курса Вяжущие вещества - М.: 1984г.

. Дзабиева Л.Б. Технологические расчеты сырьевых смесей в производстве вяжущих веществ - М.: 1998г.

. ГОСТ 22266-94 Сульфатостойкий портландцемент

. Пособие к Ведомственным нормам (ВНТП 06-86) технологического проектирования цементных заводов, работающих по сухому способу производства. - М.: 1987г.