Производство портландцемента

Производство портландцемента

Введение

Цемент играл ключевую роль как строительный материал повсеместно на протяжении всей истории развития цивилизации. В Европе использование цемента и бетона при возведении больших общественных зданий прослеживается от древних времен до наших дней. Портландцемент был запатентован в 1824 году и к концу 19-ого века бетон, основанный на портландцементе, высоко ценился как строительный материал на территории Европы. Производство цемента - главный минеральный продукт промышленности.

Цемент - связующее вещество в форме порошка, который отвердевает, будучи смешанным с водой. Цемент используется для производства бетона, представляющего собой совокупность цемента, инертных материалов и воды. Бетон - материал, используемый для строительства дорог, мостов, гаваней, жилых зданий, школ, больниц и т.д. Использование цемента внесло свой вклад в благосостояние общества и повышение экономических стандартов. По европейским стандартам для обычного проектирования используется список, включающий 27 различных видов цемента. Цементная промышленность - энергоемкая промышленность, в которой расходы на энергоносители составляют 30-40 % издержек производства. Цементная промышленность вносит значительный вклад в местную и региональную экономические системы благодаря широкому географическому распространению заводов, главным образом расположенных в сельских районах.

Цементная промышленность - одна из старейших в России отраслей промышленного производства.

Строят жилье в России все больше с каждым годом. А вслед за строителями дела все лучше идут у производителей стройматериалов. Производство цемента выросло в июне 2014 года к июню 2013 года на 3,7% до 7,5 млн. тонн. А рост производства главного стройматериала в I полугодии 2014 года к I полугодию 2013 года составил уже 6% (31,8 млн тонн), сообщают аналитики "СМПРО".

В 2014 году в России произвели цемента порядка 68 млн. тон.

Современная тенденция такова, что сейчас в производстве российского цемента отдается предпочтение энергоемкому мокрому методу изготовления. Во всероссийских масштабах, доля производства этим методом 85%. Однако производство этого цемента нельзя назвать самым экономически выгодным. Более высокую экономическую эффективность продемонстрировал сухой метод производства. Именно его используют приблизительно 20% цементных заводов страны.

Спрос на цемент стимулировала интенсивная деятельность строительных компаний. По данным Росстата, в первом полугодии 2014 года было введено в эксплуатацию 29,4 млн. кв. м жилья. Это на 30,2% больше, чем в аналогичном периоде 2013 года. В прошлом году к концу июня рост составил всего 7,5%.

"Существенную поддержку всей строительной индустрии мог оказать сегмент индивидуального жилищного строительства и сегмент ремонтно-строительных работ. Возможно, что в ряде регионов такие показатели могут объясняться эффектом "низкой базы". В целом показатели работы строительной отрасли в 2014 году выше показателей 2013 года", - отмечает Дмитрий Баранов, ведущий эксперт УК "Финам Менеджмент".

Рост потребления цемента в июне 2014 года к июню 2013 года составил 4,1% (7,8 млн. тонн). Потребление в I полугодии 2014 года к I полугодию 2013 года выросло на 5,5% до 33,2 млн тонн. Наибольший прирост потребления показали Центральный (8,5%) и Приволжский (13,4%) федеральные округа. Наибольшее падение - в Южном федеральном округе (-21,8%).

На отрасль существенно повлиял сезонный фактор. Пик спроса на рынке стройматериалов традиционно приходится на лето. Вслед за спросом растет и стоимость стройматериала. Так, цены производителей цемента (без НДС и доставки) в июне 2014 года по отношению к маю 2014 года увеличились на 1,3% до 2828 руб./т. Цены приобретения (с НДС и доставкой) выросли на 1,7% до 3874 руб./т.

Рассматривая производство цемента в России, наибольшая концентрация заводов наблюдается в Европейской части страны, следует отметить крайнюю неоднородность распределения производственных мощностей по территории государства.

В последнее время спрос на цементную продукцию вырос, однако цемент производится не в достаточном количестве. Каждый год дефицит на цемент растет на 2,5-3,5 млн. тонн. А это в свою очередь приводит к притоку инвестиции из-за рубежа. Так как российские предприятия используют в основном мокрый способ производства цемента, а он является одним из дорогостоящих, то это ведет к росту цен на цемент. На многих цементных заводах износ оборудования составляет 70%, поэтому требуется переоборудование, которое занимает примерно от 2 до 3 лет, проведение такого мероприятия может способствовать дополнительному росту дефицита цемента, следовательно, будет проведено импортирование из-за рубежа. Основными импортерами цемента являются Белоруссия, Украина и страны Прибалтики.

В последние годы список импортеров расширился, Россия начала импорт цемента из Китая, Турции, Египта, Греции и других стран. Китая одним из мировых экспортеров на его долю приходится 45% мирового экспорта, поэтому для России в будущем он может стать главным поставщиком цемента. Единственный недостаток в таком сотрудничестве - это дороговизна доставки.

1. Характеристика выпускаемой продукции

Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками. По составу различают портландцемент без добавок, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент. В портландцемент с минеральными добавками разрешается вводить гранулированные доменные шлаки в количестве до 20% массы вяжущего, активные добавки осадочного происхождения не более 10%. При производстве цемента для интенсификации процесса помола допускается введение специальных добавок в количестве до 1% массы вяжущего.

Свойства портландцемента определяются, прежде всего, качеством клинкера. Вводимые в него добавки предназначены для их регулирования. К основным свойствам портландцемента относятся средняя плотность, истинная плотность, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, тепловыделение, равномерность изменения объема и прочность. Средняя плотность портландцемента в рыхлом состоянии равна 1000...1100 кг/м³, в уплотненном - 1400...1700 кг/м³. Истинная плотность составляет 3050...3150 кг/м. Тонкость помола определяется остатком на сите № 008 (размер ячейки в свету - 0,08 мм) не более 15% от общей навески или удельной поверхностью - площадью поверхности зерен (в квадратных сантиметрах) в 3 г цемента. Удельная поверхность портландцемента должна быть 2500...3000 см /г. С увеличением тонкости помола цемента до 4000...4500 см²/г возрастает скорость твердения и повышается прочность цементного камня.

Водопотребность определяется количеством воды (в процентах), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т.е. заданной стандартной пластичности. Нормальной густотой цементного теста считается его консистенция, при которой пестик стандартного прибора не доходит до пластинки на 5...7 мм, что составляет 22...28% воды от массы цемента. Повышение водопотребности плохо сказывается на свойствах цемента: уменьшаются прочность и морозостойкость, увеличиваются усадочные деформации и т.д. Снижают водопотребность цемента добавки-пластификаторы.

Схватывание - процесс перехода цементного теста из пластичного состояния в твердое (за счет увеличения количества кристаллов в ходе гидратации). Для цемента важны характеристики начала и конца сроков схватывания. Начало сроков схватывания - время в течение, которого необходимо приготовить бетон, раствор, доставить его на стройплощадку и уложить в форму. Конец сроков схватывания - определяет время, после которого необходимо проводить обработку поверхности. Схватывание цемента регулируются на цементных заводах добавкой гипса при помоле портландцементного клинкера. Сроки схватывания зависят от температуры бетонирования. При 20°С схватывание наступает через 1,5-2,5 часа. При температуре 10°С сроки схватывания удлиняются. Также они зависят от температуры самой бетонной смеси. Если в бетон попадает горячий цемент (свыше 60°С) используется накаленный на солнце щебень, песок, используется горячая вода, что приведет к проблемам схватывания. В зимний период если температура окажется ниже 5°С, а температура воздуха ниже 0°С, то бетонная смесь может замерзнуть. Регулирование сроков схватывания можно добавлением химических добавок (замедлителей или ускорителей).

Тепловыделение при твердении цемента происходит длительное время, поэтому сильный разогрев бетона и раствора не происходит. Если же объем укладываемого в конструкцию бетона велик (например, при возведении плотин или массивных фундаментов), то разогрев достигает 80°С, что опасно: бетон растрескивается, разрушается. Равномерность изменения объема цемента при твердении - признак его высокого качества. При твердении на воздухе цемент уменьшается в объеме - дает усадку. Линейная воздушная усадка цемента достигает 1 мм/м. При твердении в воде, особенно в начале твердения, цемент увеличивается в объеме - набухает. Линейное набухание его достигает 0,5 мм/м. В конце твердения цемент даже в воде уменьшается в объеме.

Наиболее важной характеристикой цементов является предел прочности при сжатии. В зависимости от прочности на сжатие цементы делятся на марки. Наиболее распространенная марка цемента в строительстве - 400. Определить марку цемента можно в строго лабораторных условиях при соблюдении всех требований ДСТУ. Для определения марки цемента необходимо приготовить цементно-песчаный раствор с соотношением по массе 1:3 и отношением воды к цементу (В/Ц) равным около 0,4. Данный раствор необходимо уложить в формочки и уплотнить. После 1 суток хранения в специальной влажной камере балочки расформировывают и кладут на дальнейшее хранение в воду. Через 28 суток балочки необходимо извлечь и испытать на прессе. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток покажет марку цемента. Для марки цемента 400 - это означает, что прочность призмы на сжатие должна быть не менее 400 кгс/см². Если фактическая прочность (активность цемента) - 460 кгс/см², то это тоже марка 400, только с запасом прочности. Существуют марки - 300, 400, 500 и 600. На цементе более высокой марки можно сделать более прочный бетон, но также на цементе марки 400 можно сделать бетон марки 500 и выше, а на цементе марки 500 бетон марки 300. Важно установить оптимальный расход цемента, соотношение заполнителей и запроектировать наиболее экономичный состав бетона.

Цемент маркируется по двум характеристикам - это способность выдерживать определенную нагрузку и процентное соотношение к общему объему цемента различных добавок. Первый параметр обозначается буквами М или ПЦ со стоящей рядом цифрой. Цифра будет указывать максимальные прочностные качества цемента. Например, маркировка М 500 указывает, что данный вид цемента способен выдержать нагрузку в 500 кг/см. Наиболее популярны цементы с маркировкой от 350 до 500, однако встречаются и цементы с отметкой 700. Второй параметр цемента, отраженной в его маркировке, является процентное содержание добавок. Оно обозначается буквой Д. Например, цемент с маркировкой Д20 будет содержать 20% добавок.

Эта характеристика важна потому, что процент добавок влияет на пластичность и прочность цемента. Если цемент обладает какими-либо дополнительными специфическими свойствами, то на это указывают специальные обозначения. Как уже было сказано выше, самыми популярными марками цемента являются марки от 350 до 500. Рассмотрим основные характеристики и применение некоторых из них. Марка цемента М (ПЦ) 400 - Д20 указывает на то, что этот вид цемента обладает повышенной морозостойкостью и водостойкостью.

Основная сфера применения такого цемента - строительство (сюда входит как жилищное, так и промышленное, сельскохозяйственное). Его используют при изготовлении сборного железобетона, стеновых перекрытий, фундамента и т. д. Практически аналогичными свойствами и сферой применения обладает цемент марки М 500 - Д20, помимо хорошей водостойкости и морозостойкости данный вид цемента обладает пониженной сопротивляемостью коррозийным воздействиям. Его применяют, как и цемент марки ПЦ 400 - Д20 для строительства, а так же он подходит для штукатурных, кладочных и других ремонтно-строительных работ и изготовления различных строительных растворов. Цемент марки М 500 - Д0 введенный в состав бетона, придает последнему такие характеристики, как: повышенная морозостойкость, водостойкость, долговечность. Он незаменим в промышленном строительстве, особенно при выполнении аварийных и восстановительных работ.

При строительстве сооружений, так или иначе связанных с воздействием пресной или минерализованной водой, надо использовать цемент марки ПЦ (М) 400 - Д0. Без него не обойтись при изготовлении бетонных конструкций с применением термовлажностной обработки. Так же этот цемент хорош для изготовления бетонных и строительных растворов. Ещё одной важной характеристикой цемента является его время твердения. Этот процесс проходит в несколько этапов: первый - схватывание (начало твердения) цемента. Он занимает 40 - 50 минут. Второй - конец твердения. Он наступает через 10 - 12 часов.

Марка цемента ЦЕМ II/А-Г представляет собой портландцемент с добавлением минеральных добавок, а именно глиежа в количестве до 15% от массы цемента. ЦЕМ II/А-Г является усовершенствованным аналогом марки портландцемента ПЦ 400-Д20. Ниже приведен сравнительный анализ основных требований стандартов.

Таблица 1. Сравнительная характеристика требований стандартов к портландцементу ЦЕМ II/А-Г и ПЦ 400-Д20.

Классификация цементов - по ГОСТ 30515 и настоящему стандарту.

По вещественному составу, приведенному в таблице 1, цементы подразделяют на пять типов:

ЦЕМ I - портландцемент;-ЦЕМ II - портландцемент с минеральными добавками;-ЦЕМ III - шлакопортландцемент;-ЦЕМ IV - пуццолановый цемент;-ЦЕМ V - композиционный цемент.

Примечание - Цемент типа ЦЕМ I не содержит минеральных добавок в качестве основного компонента.

По содержанию портландцементного клинкера и добавок цементы типов ЦЕМ II-ЦЕМ V подразделяют на подтипы А и В.4.4 По прочности на сжатие в возрасте 28 сут цементы подразделяют на классы: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

По прочности на сжатие в возрасте 2 (7) сут (скорости твердения) каждый класс цементов, кроме класса 22,5, подразделяют на два подкласса: Н (нормальнотвердеющий) и Б (быстротвердеющий) в соответствии с таблицей 2.

Условное обозначение цементов должно состоять из:

наименования цемента по таблице 1;

сокращенного обозначения цемента, включающего обозначение типа и подтипа цемента и вида добавки, по таблице 1;

класса прочности по 4.4;

обозначения подкласса по 4.5;

обозначения настоящего стандарта.

Примеры условных обозначений: 1 Портландцемент класса 42,5 быстротвердеющий:

Портландцемент ЦЕМ I 42,5Б ГОСТ 31108-2003.

Портландцемент со шлаком (Ш) от 21% до 35%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий:

Портландцемент со шлаком ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н ГОСТ 31108-2003.

Портландцемент с известняком (И) от 6% до 20%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий:  Портландцемент с известняком ЦЕМ II/А-И 32,5Н ГОСТ 31108-2003.

Композиционный портландцемент с суммарным содержанием доменного гранулированного шлака (Ш), золы-уноса (З) и известняка (И) от 6% до 20%, класса прочности 32,5, быстротвердеющий:

Композиционный портландцемент ЦЕМ II/А-К(Ш-З-И) 32,5Б ГОСТ 31108-2003.

Шлакопортландцемент с содержанием доменного гранулированного шлака от 36% до 65%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий:

Шлакопортландцемент ЦЕМ III/A 32,5H ГОСТ 31108-2003.

Пуццолановый цемент с суммарным содержанием пуццоланы (П), золы-уноса (З) и микрокремнезема (МК) от 21% до 35%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий:

Пуццолановый цемент ЦЕМ IV/A (П-З-МК) 32,5Н ГОСТ 31108-2003.

Композиционный цемент с содержанием доменного гранулированного шлака (Ш) от 11% до 30% и золы-уноса (З) от 11% до 30%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий:

Композиционный цемент ЦЕМ V/A(Ш-З) 32,5H ГОСТ 31108-2003.

Минеральная добавка - наполнитель известняк, применяемая в производстве данного цемента снижает расход вяжущего вещества в растворах и бетонах, повышает их плотность. Область применения ЦЕМ II/А-И направлена на производство монолитных, бетонных и железобетонных конструкций в промышленном и гражданском строительстве, как вяжущее для приготовления кладочных растворов, штукатурок и бетона.

Вещественный состав цементов должен соответствовать значениям, указанным в таблице1.  5.1.2 Требования к физико-механическим свойствам цементов приведены в таблице 2.

Таблица 2 

Требования к химическим показателям цементов приведены в таблице 3.

Таблица 3 В процентах массы цемента

Удельная эффективная активность естественных радионуклидов в цементе не должна быть более 370 Бк/кг.

)Выбор сырьевых материалов и их характеристика.

Для получения портландцементного клинкера требуемого состава сырьевую смесь составляют из нескольких компонентов. Основные компоненты: известковый, состоящий преимущественно из углекислого кальция (карбонатная окислов порода), и глинистый, содержащий большое количество кислотных SiO₂ и А1₂О₃. В некоторых случаях, когда имеется возможность, два основных компонента заменяют одним мергелем, представляющим собой природную смесь глинистых веществ и СаСО₃ в необходимом для производства клинкера соотношении. Иногда вместо природного глинистого компонента используют отходы (шлаки, золы, нефелиновый шлам и др.) различных отраслей промышленности, имеющие подходящий состав.

Для регулирования содержания в смеси того или иного окисла в нее вводят корректирующие добавки. Если в сырьевой смеси недостает кремнезема, добавляют трепел, песок, опоку, диатомит и другие вещества с высоким содержанием SiO₂; при недостатке глинозема (А1₂О₃) применяют бокситы, алюминиевые шлаки или глину с высоким содержанием А1₂О₃ недостаток окиси железа компенсируют добавкой железной руды, колчеданных огарков, колошниковой пыли.Пригодность сырьевых материалов для производства портландцементного клинкера устанавливают на основании их технологического изучения и технико-экономического анализа вопросов, вытекающих из организации цементного производства в данном районе (способ производства, вид топлива, качество цемента).

Карбонатные породы. Карбонатные породы образовались в основном из остатков животного мира, осевших на дне водоемов, а также из химических осадков углекислого кальция. Они встречаются в природе в виде известняков, мела, известнякового туфа, известняка-ракушечника и мрамора. Все разновидности карбонатных пород находят применение в производстве портландцемента, за исключением мрамора. Чаще всего используют известняки и мел, осадочное происхождение которых обусловливает разнообразие их химического состава и физических свойств.

Глинистые породы. Для цементного производства используют следующие виды этих пород: легкоплавкие глины, глинистый мергель, глинистый сланец, лёсс. Глины представляют собой тонкодисперсные горные породы, легко распускающиеся в воде. Глины имеют разнообразный минералогический и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения.

В тех случаях, когда глины содержат значительное количество грубых включений, обломков горных пород, их необходимо предварительно обогащать. Минералогический состав глин представлен различными гидроалюмосиликатами, из которых наиболее часто встречаются каолинит, монтмориллонит и гидрослюды. Обычно глины содержат в виде примеси кварцевый песок.

Для портландцемента марки ЦЕМ II/А-Г (содержание глиежа - 15%) добавкой служит глиеж.

Глиеж - глина, обожженная при подземных пожарах в угольных пластах. Используется в производстве силикатных цементов, в состав которых вводится до 50% глиежа. Для образования глиежа требуется наличие в горящих горных породах глинистых составляющих. На практике используется глиеж, у которого содержание глины не менее 50 процентов. Глиеж - [сокращение слов «глины естественно жженые»] - название, применяемое в Средней Азии к горелым породам юрского возраста, пригодным в качестве естественного клинкера для производства цемент

Существуют также переходные образования между известняками и песчаниками. Природный мел также представляет собой известняк, состоящий на 96-99% из СаСО3. Изменение известняка под влиянием процессов метаморфизма приводит к образованию мрамора. Переходные разности называются мраморизованными известняками. Характер и степень зернистости известняк различны; иногда в известняке наблюдается хорошо выраженная слоистость. По структурным признакам известняк разделяются на кристаллические, органогенные, обломочные и со смешанной структурой. Чистые известняки - белого или светло-серого цвета, примеси органических веществ окрашивают известняки в чёрный и тёмно-серый цвета, а окислы железа - в жёлтый, коричневый и красный. По происхождению различают: органогенные известняки, образующиеся за счёт накопления органических остатков (ракушечники, шламовые и рифовые известняк); хемогенные известняки, возникающие в результате осаждения кальцита из растворов; обломочные известняки, образующиеся за счёт накопления обломков - продуктов разрушения более древних известняков. Большинство известняков формировалось в мелководных морских бассейнах путём накопления органических остатков, при одновременном химическом осаждении кальцита, реже - в водоёмах суши. Известняк залегают в виде пластов, мощностью несколько сотен, а иногда и тыс. м.

Залежи известняков встречаются среди отложений всех геологических систем - от докембрийских до антропогеновых. Известняк используются во многих отраслях народного хозяйства: в чёрной металлургии (в качестве флюса), в промышленности вяжущих стройматериалов - для изготовления портландцемента, в химической промышленности - при производстве соды, карбида кальция, минеральных удобрений и др.; в сахароварении - для очистки свекловичных соков; в стекольной промышленности для придания стеклу термической стойкости, механической прочности и устойчивости против воздействия химических реагентов и выветривания. Кроме того, известняк используются в полиграфической промышленности, в жилищном, дорожном и промышленном строительстве (бут, щебень, камень для кладки стен, облицовочный и декоративный камень и т. п.).

Доломитизированные известняки - известняки, содержащие MgO от 4 до 17%.

Доломиты - при возрастании содержания магния доломитизированные известняки через ряд промежуточных разновидностей переходят в доломиты.

Мергели - известняки, содержащие от 25 до 50% глинистых частиц, называются мергелям. Существуют также переходные образования между известняками и песчаниками.

Мраморизованные известняки - изменение известников под влиянием процессов метаморфизма приводит к образованию мрамора. Переходные разности называются мраморизованными известняками.

По происхождению известняки подразделяются на:

Органогенные известняки - образующиеся за счёт накопления органических остатков (ракушечники, шламовые и рифовые);

Хемогенные известняки - возникающие в результате осаждения кальцита из растворов;

Обломочные известняки - образующиеся за счёт накопления обломков - продуктов разрушения более древних известняков.

По структурным признакам известняки делятся на плотные, пористые, мраморовидные и землистые.

Плотные известняки состоят отчасти из крайне мелких зерен известкового шпата, но большей частью из обломков известковых раковин и панцирей различных организмов.

Обычно плотные известняки окрашены в желтоватые, бурые и серые цвета и встречаются во всех геологических образованиях, часто в виде мощных отложений. Плотные известняки используются при изготовлении плит для наружной и внутренней облицовки. К ним относятся, в частности, знаменитые мячковские, коробчеевские и ковровские известняки, из которых русские архитекторы возводили чудеса белокаменного зодчества.

Пористые известняки - известковый туф, травертин, ракушечники и другие породы. В них нередко заключены остатки растений, раковины моллюсков и тому подобное.

Мраморовидные или кристаллические известняки - различные виды мрамора, мраморизованные известняки.

Землистые известняки - мел.

В зависимости от строения и характера зернистости известняки делят на:

Оолитовые известняки - грубозернистая структура с кальцитовыми образованиями, круглые зерна концентрически скорлуповатого строения, более или менее плотно сцементированные;

Пизолитовые известняки - зерна достигают величины горошины и состоят из арагонита. (Также называются гороховый камень).

Характер и степень зернистости известняков могут значительно различаться. Иногда в известняках наблюдается хорошо выраженная слоистость.

Известняки с малым количеством примесей имеют обычно белый или светло-серый цвет. Примеси органических веществ окрашивают известняки в чёрные и тёмно-серые цвета, а окислы железа - в жёлтые, коричневые и красные оттенки.

Основные минералы клинкера: алит, белит, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит.

)Алит(45-60%) 3CaO×SiO₂ (или C₃S) - самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45-60%. Он быстро твердеет и набирает высокую прочность, интенсивно выделяет тепло. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2-4%) MgO, Al₂O₃, P₂O₅, Cr₂O₃ и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства минерала.

) Белит 2СаО*SiO₂ (или C₂S) - второй по важности и содержанию (20-30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента; обладает малым тепловыделением. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор бета-двухкальциевого силиката (бета-С₂S) и небольшого количества (1-3%) Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, Cr₂O₃. Содержание минералов-силикатов в клинкере портландцемента в сумме составляет около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет технические свойства портландцемента. Остальные 25% составляет промежуточное вещество, заполняющее объем между кристаллами алита и белита. Промежуточное вещество состоит из кристаллов трехкальциевого алюмината С₃А, алюмоферрита кальция C₄AF, стекла и второстепенных минералов 12СаО*7Аl₂O₃ и др.

) Трехкальциевый алюминат C₃A содержится в клинкере в количестве 4-12% и при благоприятных условиях обжига получается в виде кубических кристаллов размером до 10-15 мкм; образует твердые растворы сложного состава. Он очень быстро гидратируется и твердеет, но имеет небольшую прочность и наибольшую интенсивность тепловыделения. Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание С₃А ограничено 5%.

) Четырехкальциевый алюмоферрит C₄AF в клинкере содержится в количестве 10-20%. Алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, в клинкерах обычных портландцементов ее состав близок к 4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃. По скорости гидратации минерал занимает как бы промежуточное положение между алитом и белитом, поэтому он не оказывает определяющего влияния на скорость твердения и тепловыделение при гидратации портландцемента.

2. Выбор способа и описание технологического процесса

Производство портландцемента включает ряд технологических операций, которые можно разделить на две основные группы. Первая - это операции по производству клинкера, вторая - измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с другими добавками, т. е. приготовление портландцемента. Получение клинкера - наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат. Доля клинкера в стоимости портландцемента достигает 70-80%.

Производство клинкера состоит из добычи сырьевых материалов, дробления, помола и смешивания их в определенном соотношении, обжига сырьевой. Комплекс операций по получению из клинкера портландцемента включает следующие технологические процессы: дробление клинкера, сушку минеральных добавок, дробление гипсового камня, тонкое измельчение клинкера совместно с активными минеральными добавками и гипсом, складирование, упаковку и отправку цемента потребителю. Даже в пределах одного месторождения химико-минералогический состав сырья меняется в широких пределах. Поэтому получение сырьевой смеси постоянного состава - сложная задача. С другой стороны, перерабатываемое цементной промышленностью сырье отличается не только составом, но и физико-техническими свойствами (влажностью, прочностью и т. д.).

Сырьем для получения клинкера служат карбонатные горные породы с высоким содержанием углекислого кальция (известняки различного вида, мел, мергель) и глинистые породы (глины, сланцы), содержащие оксиды кремния, алюминия и железа. Соотношение между ними в сырьевой смеси выбирают расчетом для получения клинкера определенного химического состава. Ориентировочно смесь состоит из 75 % известняка и 25 % глины. При необходимости в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки, содержащие недостающие оксиды (трепел, железная руда и др.). Все шире для изготовления ПЦ используют побочные продукты других производств: доменный шлак, нефелиновый шлам и т.п.

Для каждого вида сырья должен быть выбран такой способ подготовки, который обеспечивал бы тонкое измельчение и равномерное перемешивание компонентов шихты с минимальными энергетическими затратами. Это послужило причиной появления в цементной промышленности трех способов производства, отличающихся технологическими приемами подготовки сырьевых смесей: мокрого, сухого и комбинированного.

Добыча известняка. Известняковые породы обычно залегают под слоем пустой породы (вскрыши), толщина которого может достигать 3-5 м и более. Для ее удаления применяют экскаваторы разных типов, бульдозеры. При гидромеханическом способе грунт размывают струей воды, подаваемой гидромонитором под давлением 1,5-2 МПа. Высокоэффективны разработка вскрышных пород с помощью роторных экскаваторов и их удаление в отработанные части карьеров ленточными конвейерами.

Взорванную породу кусками размером до 1 м, а иногда до 1,5-2 м в поперечнике грузят на транспортные средства и отправляют на завод. Более крупные глыбы дробят пневматическими перфораторами. В качестве транспортных средств используют самоопрокидывающиеся платформы (думпкары) на 90-100 т, автосамосвалы или подвесные канатные дороги.

Начальная технологическая операция получения клинкера- измельчение сырьевых материалов. Глина со склада 10 ссыпается в бункер, под которым находится вагонетка 3. Наполненная глиной вагонетка подъемником 4 подается в бункер 11, расположенный над сушильным барабаном 12, и посредством питательной тарелки 8 направляется в сушильный прямоточный барабан. Для обеспыливания сушильного барабана установлены электрофильтр и циклон.

Высушенная глина передается на склад 13, откуда грейферным краном 14 доставляется в бункер 15 , установленный над мельницей 19. Известняк и глина подаются из соответствующих бункеров посредством дозирующих тарельчатых питателей 17 в шнек 16, которым смесь направляется в бункер 18, установленный над цементной мельницей. Таким образом, над мельницей имеются два бункера 15 и 18, один из которых (15) со смесью, а другой (18) с добавкой (глиеж). Посредством дозирующих тарельчатых питателей эти материалы подаются в двухкамерную мельницу 19, где размалываются до прохождения через сито № 90 не менее 90%.

Измельченный материал из мельницы в сепаратор 20 подается элеватором 21. Применяем сепаратор с замкнутой циркуляцией воздуха. В них воздух вместе с измельченным материалом просасывается вентилятором из мельницы в сепаратор, где из потока выделяются крупные частицы, направляемые на дополнительный помол в мельницу. Мелкие же фракции выносятся воздушным потоком из сепаратора и осаждаются в циклонах 24 и фильтрах 25 в виде готового продукта и отправляются в силосы для хранения.

. Контроль производства

Получать цемент высокого качества на современных заводах можно, только строго соблюдая все технологические требования и правила и осуществляя производственный цикл при установленных оптимальных режимах работы всех механизмов и установок. Большое значение при этом имеют контроль производства, в процессе которого определяют качество исходных материалов и соответствие их свойств требованиям норм и технических условий; выявляют свойства материалов и полуфабрикатов на всех стадиях производства и устанавливают их соответствие тем показателям, которые обеспечивают получение продукции требуемого качества; наблюдают за работой приборов, механизмов и установок в заданных оптимальных режимах, обеспечивающих качественную переработку материалов при наилучших технико-экономических показателях; определяют свойства получаемого цемента и их соответствие требованиям стандарта.

Контролировать производство нужно систематически на всех стадиях с помощью современных методов и приборов, обеспечивающих точность и возможность автоматизации контрольных операций. Быстрое вмешательство в ход производственных процессов позволяет устранять отклонения от заданных режимов и параметров и оптимизировать их.

Действенность производственного контроля зависит от правильного выбора мест отбора проб и определения технологических параметров (температура, влажность, подвижность смесей и т. д.); соответствия свойств пробы свойствам материала, а также от периодичности отбора проб и их величины.

В настоящее время созданы способы автоматического отбора проб материалов в процессе их переработки. Частота операций отбора проб и величина последних зависят от степени однородности материалов, размера потока, гранулометрии (при кусковых материалах) и других условий. Отбор и подготовка проб проводятся по стандартной методике.

Исходные материалы контролируют по химическому составу, содержанию СаСОз (титр) в известняке и влажности сырья.

В сырьевом отделении проверяют состав смесей, тонкость их измельчения, влажность, текучесть и однородность титра. При производстве цементов становится обычным также контроль содержания в сырьевых смесях СаО, Si0₂, A1₂0₃, Fe₂0₃. Химический анализ клинкера и цемента производится по ГОСТ 5382-73.

Качество клинкера определяют часто по его насыпной плотности, которая при правильном составе сырьевой смеси и надлежащем обжиге во вращающейся печи (мокрый способ) колеблется обычно в пределах 1550-1650 г/л.

Определяют также количество СаО, которое не должно превышать 1 % для обычного клинкера и 0,2- 0,3 % для быстротвердеющего.

Контроль при помоле клинкера с добавками сводится к проверке соотношения по массе между клинкером, гипсом и другими компонентами, соответствия степени измельчения цемента нормативам, контролю температуры клинкера и получаемого продукта и к другим определениям. Цемент должен быть принят ОТК завода по ГОСТ 22236-76 (с изм.).

. Охрана труда на цементном заводе

При большой насыщенности предприятий цементной промышленности сложными механизмами и установками по добыче и переработке сырья, обжигу сырьевых смесей и измельчению клинкера, перемещению, складированию и отгрузке огромных масс материалов, наличию большого количества электродвигателей особое внимание при проектировании заводов и их эксплуатации должно уделяться созданию благоприятных и безопасных условий для работы трудящихся, Охрану труда следует осуществлять в полном соответствии с «Правилами по технике безопасности и производственной санитарии на предприятиях цементной промышленности».

Поступающие на предприятия рабочие должны допускаться к работе только после обучения их безопасным приемам работы и инструктажа по технике безопасности. Ежеквартально необходимо проводить дополнительный инструктаж и ежегодно повторное обучение по технике безопасности непосредственно на рабочем месте.

На действующих предприятиях необходимо оградить движущиеся части всех механизмов и двигателей, а также электроустановки, приямки, люки, площадки и т. п. Должны быть заземлены электродвигатели и электрическая аппаратура. Установки по приготовлению угольной пыли должны работать под разрежением. Температура аэроугольной смеси при выходе из мельницы не должна превышать для тощих углей 100, подмосковных--80, длиннопламенных и бурых - 70 °.           

Нельзя подсушивать пыль до влажности ниже гигроскопической.

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 обеспыливанию воздуха и отходящих газов печей и сушильных установок для создания нормальных санитарно-гигиенических условий труда. В соответствии с санитарными нормами проектирования промышленных предприятий концентрация в воздухе помещений цементной и остальных видов пыли не должна превышать 0,04 мг/м³.

Содержание в воздухе СО не допускается более 0,03, сероводорода - более 0,02 мг/м³. В воздухе, выбрасываемом в атмосферу, концентрация пыли не должна быть более 0,06 г/м³. При нормальной эксплуатации пылеочистных систем содержание пыли в выбрасываемом воздухе составляет 0,04- 0,06 г/м³.

Для создания нормальных условий труда все помещения цементных заводов надо обеспечивать системами искусственной и естественной вентиляции. Этому в большой мере способствует герметизация тех мест, где происходит пылевыделение, а также отсос воздуха из бункеров, течек, дробильно-помольных механизмов, элеваторов и т. д.

Воздух, отбираемый из цементных мельниц, очищают с помощью рукавных или электрофильтров. Перед ними при значительной концентрации пыли в аспирируемом воздухе необходимо устанавливать циклоны. Важно не допускать просасывание через 1 м² ткани фильтров более 60-70 м³ 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 цементных печей необходимо очищать для предотвращения загрязнения окружающей среды. Для этого устанавливают электрофильтры. Если же отходящие газы содержат значительное количество пыли (более 25-30 г/м³), то их сначала пропускают через батарею циклонов.

Шум, возникающий при работе многих механизмов на цементных заводах, характеризуется зачастую высокой интенсивностью, превышающей допустимую норму (90 дБ). Особенно неблагоприятны в этом отношении условия работы персонала в помещениях молотковых дробилок, сырьевых и цементных мельниц, компрессоров, где уровень звукового давления достигает 95-105 дБ, а иногда и более. К числу мероприятий по снижению шума у рабочих мест относят применение демпфирующих прокладок между внутренней стенкой мельничных барабанов и бронефутеровочными плитами, 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 звукопоглощающими материалами также дает хороший эффект (снижение на 10-12 дБ).

) Охрана окружающей среды

Для цементной промышленности предусмотрены нормы допустимого загрязнения воздуха, однако соблюдению этих норм уделяется мало внимания. Достижение уровня предельно допустимых концентраций пыли 250 кг/м^З в настоящее время, по мнению многих специалистов, маловероятно. Проблема осложняется не только наличием морально устаревшего технологического оборудования, но и рядом факторов, отрицательно сказывающихся на производстве.

Другая опасность связана с губительным воздействием, оказываемым на окружающую среду при разработке известняковых карьеров.

Все меры для снижения количества выбросов вредных веществ в окружающую среду при производстве цемента можно разделить на первичные и специальные.

Первичные меры заключаются в оптимизации процесса обжига и охлаждения портландцементного клинкера. Кроме снижения затрат тепла на обжиг, оптимизация процесса обжига и охлаждения всегда приводит к уменьшению количества выбросов NO₂ и S0₂, а также пыли. Оптимизация процесса обжига и охлаждения портландцементного клинкера включает такие мероприятия, как повышение однородности состава сырья, повышение точности дозировки топлива, регулирование газодинамического режима работы печи и холодильника, использование компьютерной системы управления печью. К первичным мерам следует также отнести рациональный выбор технологического топлива и вида сырьевых материалов, используемых для получения портландцементного клинкера.

Специальные меры принимаются для снижения количества выбросов конкретного продукта в окружающую среду.

Главными источниками пыли на цементных заводах обычно являются вращающиеся печи, клинкерные холодильники, цементные и сырьевые мельницы. В качестве основного метода снижения пылевыбросов из этих агрегатов рекомендуется широкое применение современных электростатических и рукавных фильтров.

Оба типа фильтров имеют высокую эффективность и позволяют снизить концентрацию пыли на выходе до 5-50 мг/нм³, однако при высоких температурах обеспыливаемых газов требуют установки специальных башен для их кондиционирования и охлаждения. Отмечено, что эффективность электростатических фильтров несколько снижается при повышении содержания СО в газах, пусках и остановках, изменениях режимов работы печей. Рукавные фильтры при своевременном обслуживании более стабильны в работе, менее чувствительны к изменениям режимов работы оборудования. В то же время использованные фильтрующие элементы представляют собой отход, утилизация которого регламентирована специальными правилами и требует определенных затрат.

5. Технологические расчёты

Расчет состава сырьевой смеси

Принимаем меньший по массе компонент (глинистый) за единицу, а больший компонент (карбонатный) выражаем через “X” частей этого компонента на 1 мас. часть. При этом состав смеси может быть выражен как Х+1 мас. частей.

Таблица 1Сокращенные обозначения главных окислов

Получаем расчетную формулу для определения соотношения между карбонатным (первым) и глинистым (вторым) компонентами:

                    (1)

Х= =3,191

Содержание 1-го и 2-го компонентов сырьевой шихты в процентах определяем по формулам:

( компонент-мел) ,                                  (2)

 (глинистый компонент) ,                              (3)

где Х, 1 - количество частей 1-го и 2-го компонентов, найденные в п.7.1.2.

 =  = 76,1%

 =  = 23,9%

Определяем химический состав сырьевой смеси и клинкера. Для этого надо все численные значения химического состава каждого компонента умножить на коэффициент пересчета:

,                                             (4)

где а - процентное содержание каждого из компонентов сырьевой смеси, найденное в п. 7.1.3.

Результаты подсчетов сводятся в табл. 2, где все цифровые данные суммируются по вертикали (это дает химический состав смеси) и горизонтали, что позволяет проверить правильность расчетов.

Таблица 2. Химический состав сырьевой смеси и клинкера

Расчет предполагаемого химического состава портландцементного клинкера производится пересчетом химического состава сырьевой смеси по формуле:

 ,                                       (5)

где - численное значение соответствующего окисла в сырьевой смеси, найденное в п. 7.1.4;

М - численное содержание окисла в клинкере;

Ппп - потери при прокаливании сырьевой шихты в процентах.

Результаты расчетов приводятся в табл. 2.

М==21,25      М==77,64

М==8,45     М==1,06

М==2,69    М==1,28

Расчет нормативного расхода сырья (для производства 1 т клинкера)

,                                      (1)

где А_с - удельный расход сырьевой смеси (сухого сырья) на 1 т клинкера, кг;

ппп - потери при прокаливании сырьевой смеси сухой, % (из табл. 2, п.7.1.4.).

А_с==1570 кг

Удельный расход каждого из компонентов сырьевой смеси по сухому веществу определяется по формулам:

,                                     (2)

,                                             (3)

где а^/, a^// - процентное содержание 1-го, 2-го компонента в сухой сырьевой смеси;

А^/_c, A^//_c - удельный расход на 1 т клинкера 1-го и 2-го компонентов, кг.

А'_с== 1194,8 кг

А''_с==375,23 кг

Теоретический удельный расход компонентов сырьевой смеси в состоянии естественной влажности по формулам:

 ,                                          (4)

,                                        (5)

где В^/_в, В^//_в - удельный расход 1-го и 2-го компонентов сырьевой смеси в состоянии естественной влажности на 1 т клинкера, кг;

А^/_c, A^//_c - удельный расход 1-го и 2-го компонентов сырьевой смеси по сухому веществу на 1 т клинкера, найденное по формулам 2, 3 ( п.7.2.1.).

W^/, W^// - содержание естественной влаги в 1-ом и 2-ом компонентах сырьевой смеси, % (задается при расчете).

В'_с== 1284,7 кг

В''_с== 507,1 кг

Общий удельный расход сырья в состоянии естественной влажности определяется по формуле:

В_в = В^/_в + В^//_в,                                         (6)

В_в = 1791,8 кг

Расход каждого из компонентов сырьевой смеси в состоянии естественной влажности с учетом производственных потерь на 1 т клинкера устанавливают, пользуясь формулами:

 ,                                    (7)

 ,                                            (8)

где В^/_н, В^//_н - производственные нормы расхода 1-го и 2-го компонентов сырьевой смеси на 1 т клинкера, кг;

В^/_в, В^//_в - удельный расход 1-го и 2-го компонентов сырьевой смеси в состоянии естественной влажности на 1 т клинкера, кг;^/, p^// - производственные потери 1-го и 2-го компонентов сырьевой смеси, %.

В'_н== 1317,64 кг

В''_н== 509,65 кг

Общий удельный расход сырья (В_н) определяется по формуле:

                                      (9)

В_н= 1826,6 кг       

Потери составят:

В_н-В_в= 1826,6-1791,8=34,8 кг                                       (10)

На основании проведенных расчетов составляется материальный баланс производства 1 т клинкера, в приходной части которого указывают

производственные нормы расхода каждого из компонентов сырьевой смеси, а в расходной части - масса получаемого клинкера и потерь, имеющих место при переработке сырья.

Таблица 3. Материальный баланс производства 1 тонны вяжущего

Определение потребности цеха в сырье

Режим работы цеха

Режим работы цеха определяется в зависимости от характера производства и в соответствии с нормами технологического проектирования. Цех обжига, как правило, работает в три смены по непрерывной неделе. Цех подготовки сырья (дробления или помола) чаще всего работает в 2 смены по режиму прерывной недели.

В этом случае необходимо предусмотреть дополнительные складские помещения и бункеры для создания запаса подготовленных материалов и полуфабрикатов.

При расчете годового фонда времени работы технологического оборудования необходимо учитывать коэффициент его использования (К_и) в зависимости от остановки на капитальный и текущий ремонт. К_и принимается равным 0,80-0,95 [7,8]. В дальнейшем эти коэффициенты уточняются по отдельным видам оборудования.

Производительность цеха по готовой продукции определяется по формулам:

 ,                                                             (1)

где - заданная годовая производительность цеха, т;

 - расчетное количество рабочих суток в году;

.

 ,                                                            (2)

где п - число смен;

 ,                                                              (3)

где  - годовой фонд рабочего времени.

П_сут==2884 т/сут

П_смен== 962 т/смен

П_час== 120 т/час

По каталогу выбираем вращающиеся печи размером 4,5х170 м с проектной производительностью 50 т/ч каждая.

Таблица 4. Потребность цеха в сырье

Расчет и выбор оборудования цеха подготовки сырья

Шламбассейны - при мокром способе производства для обеспечения непрерывной работы обжигательных печей в отделении шламбассейнов устанавливают непрерывный режим работы в три смены независимо от режима работы других отделений сырьевого цеха.

Для определения необходимого количества шламбассейнов требуется рассчитать расход шлама по формуле:

,                                   (1)

где А_ш - расход шлама на 1 т клинкера, м³;

А_с - удельный расход сухой сырьевой шихты на 1 т клинкера (см. п. 7.2.1.);

W - влажность шлама, % (известно из задания или принимается по таблице-приложению);

γ_о - средняя плотность шлама, кг/м³ (см. приложение).

А_ш== 1,84 м³

Емкость горизонтальных шламбассейнов должна обеспечить запас откорректированного шлама в количестве, необходимом для непрерывной работы обжигательных печей в течение 2,5 суток. Потребная емкость горизонтальных шламбассейнов определяется по формуле:

,                                     (2)

где V_потр - потребная емкость горизонтальных шламбассейнов, м³;

П_год - годовая производительность цеха обжига, т/год;

А_ш - расход шлама для получения 1 т клинкера, м³;

К_и - коэффициент использования печей (0,9-0,95).

V_потр== 13195,6 м³

В зависимости от рассчитанного V_потр выбираем к установке 2 горизонтальных шламбассейна емкостью 8000 м³ каждый.

Оборудование для помола и дробления сырья - расчет потребной часовой производительности дробильного отделения осуществляется, исходя из проектной часовой производительности цеха обжига с учетом числа смен работы дробилок в сутки по формуле:

,                                         (3)

где П_потр - потребная часовая производительность дробильного отделения, т/ч;

 П - проектная часовая производительность цеха обжига, т/ч;

В_с - расход сырья с учетом естественной влажности и производственных потерь, в тоннах на 1 т клинкера;

К_см - коэффициент сменности, выражаемый дробью, числитель которой равен числу смен работы обжигательных печей, т.е. трем, в знаменатель - числу смен работы дробильного отделения.

П_потр=120*1,8266*1,5= 328,8 т/ч

.        Рассчитать потребную производительность дробильного отделения по дроблению компонента мела и глинистого компонента.

П_{потр др мел комп}=120*1,31764*1,5= 237,2 т/ч

П_{потр др глин комп}= 120*0,50965 *1,5= 91,7 т/ч

.        Рассчитать потребную часовую производительность отделения сырьевых мельниц для помола сырьевой смеси, если часовая производительность цеха обжига составляет 120 т/ч. На изготовление 1 т клинкера требуется 1570т сухой сырьевой смеси (А_с). Отделение сырьевых мельниц работает по непрерывному режиму в 3 смены.

П_{потр отд сырьевых мельниц}=120*1,8266*1,5= 328,8 т/ч

Определив потребную часовую производительность дробилок и сырьевых мельниц, выбираем необходимое число единиц оборудования.

Техническая характеристика выбранного оборудования приводится в ведомости в виде таблицы.

Таблица 5. Ведомость оборудования цеха

портландцемент экономический вяжущий

Расчет потребности цеха в электроэнергии