Предприятия по производству портландцемента

Лекция 12.

Общие сведения

Портландцемент - это главный представитель группы гидравлических вяжущих материалов, используемых для изготовления бетонов и растворов. Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество приобретаемого тонким помолом цементного клинкера совместно с гипсом и при необходимости с другими добавками.

Клинкер - это полуфабрикат для изготовления портландцемента. Внешне он напоминает речной гравий. Крупность зерен клинкера составляет 5 -60мм и более. Клинкер является продуктом спекания однородной смеси соответствующего химического состава обеспечивающего преобладание минералов силикатов кальция.

Гипс (гипсовый камень - Са8О4ь2И20) вводится при помоле для регулирования сроков схватывания цемента. Он замедляет начало и ускоряет конец схватывания. Количество гипса в цементе составляет примерно 3, 5... 4% в пересчете на Б03. Гипс увеличивает также прочность цемента. Кроме гипса в портландцемент вводятся активные минеральные добавки. Минеральные добавки снижают стоимость цемента улучшают ряд свойств особенно водостойкость. Если доменные шлаки вводятся в количестве 36-80 %, то получают шлакопортландцемент. Другие минеральные добавки в количестве 21-55 % образуют пуццолановые цементы. Кроме активных минеральных добавок вводят ​ ​ специальные добавки для регулирования свойств цемента (не более 5 %). В количестве до 0.3% вводят пластификаторы гидрофобизирующие добавки; 1... 2 % электролиты - ускорители твердения и другие.

Различные условия эксплуатации цементов в конструкциях и сооружениях обусловливают и различные требования к их свойствам. Это способствовало тому, что в промышленности разработана технология различных видов цемента в зависимости от назначения и условий эксплуатации. Их можно разделить на цементы общестроительного назначения и специальные цементы. Для каждого вида цемента являются технические условия. На цементы общестроительного назначения на Украине действует ДСТУ БВ 2.7-46-96. Цементы общестроительного назначения используются во всех отраслях строительства. Это наиболее распространенные виды цементов.

По вещественному составу и прочности на сжатие в 28 - суточном возрасте они подразделяются на следующие типы и марки:

Тип I - портландцемент (от 0 до 5 % минеральных добавок), марки 300, 400, 500, 550, 600;

Тип II - портландцемент с добавками (от 6 до 35 % минеральных добавок), марки 300, 400, 500;

Тип III - шлакопортландцемент ШПЦ (от 36 до 80 % доменного гранулированного шлака), марки 300, 400, 500;

Тип ИУ - ​ ​ пуццолановый цемент (от 21 до 55 % минеральных добавок), марки 300, 400, 500;

Тип В - композиционные цементы (от 36 до 80 % минеральных добавок), марки 300, 400, 500.

По прочности в раннем возрасте (после двух или семи суток твердения) цементы марок 400 и 500 делятся на два вида: цементы с обычной ранней прочностью и цементы с высокой прочностью в раннем возрасте (быстротвердеющие).

По ГОСТу, действовавшего до введения ДСТУ, для обычных цементов прочность не нормировалась через 2 суток и 7 суток. Для быстротвердеющего прочность нормировалась через трое суток: для цемента марки 400 не менее 25 МПа, марки 500 - не менее 30 МПа.

При производстве цемента общестроительного назначения используют портландцементный клинкер, химический состав которого соответствует технологическим регламентам. На каждом предприятии для конкретного вида и марки цемента устанавливается соответствующий химико - минералогический состав клинкера.

Для цементов общестроительного назначения обычно:

С3Б - 50... 60 %, С2Б - 20... 30%, С3А - 6... 12%, С4ЛБ - 10... 20%.

Для быстротвердеющих цементов увеличивается содержание С3Б и С3А. Для цементов высоких марок особенно важно содержание С3Б (до 65 % С3Б может содержать цемент марки 600). Массовая доля МgО в клинкере не должна превышать 5%. Это связано с вредным воздействием Мg0 на равномерность изменения объема цементного камня. Для отдельных предприятий по перечню, установленным концерном " Укрцемент ", в связи с особенностями химического состава сырья, используемого допускается содержание в клинкере 5... 6 % Мg0 при условии обеспечения равномерности изменения объема при испытании в автоклаве.

Портландцемент I типа вмещает 95-100 % клинкера без учета добавки гипса, вводят для регулирования сроков схватывания. Можно вводить до 5 % дополнительных компонентов (технологические добавки: для интенсификации помола клинкера, ускорители твердения, пластифицирующие и другие добавки, регуляторы свойств цемента). Этот цемент используется в наиболее ответственных случаях (для возведения бетонных дорог, изготовления железобетонных труб, шпал, линий электропередач и т. д.). Его особенность - высокая морозостойкость, трещиностойкость.

Наиболее распространенными в строительстве являются цементы с добавками. В зависимости от вида добавки цементы подразделяются на цементы с добавкой шлака (Ш), пуццоланы (П), золы уноса (С), известняка (В) и композиционные (К) - в этот цемент вводят две или более добавки.

Добавка известняка неактивна минеральной добавкой, она не взаимодействует с Са (ОН) 2, но взаимодействует с С3А и образует комплексные соединения - гидро - карбоалюминаты, также ускоряет кристаллизацию гидратных новообразований.

Цементы II- го типа делится на группы. Это касается цементов с добавкой шлака и композиционных (делятся на группы А и Б). Портландцемент с добавкой шлака группы А содержит 6... 20% шлака (доменного гранулированного), а группы Б - 21... 35% шлака. Ранее разрешалось по действию ГОСТу только до 20 % шлака. Если вводится в эту композицию пуццоланы или известняк, то их количество не может превышать 20 %.

В цементы II- го типа разрешается вводить не более 10 % пуццолановых добавок осадочного происхождения, добавки золы до 20%. Наиболее эффективная добавка доменного шлака. Добавки повышают чувствительность цемента к температурным факторам. При снижении температуры цементы с добавками твердеют медленнее (особенно пуццолановый).

Шлакопортландцементы (ШПЦ) и пуццолановый цементы соответствии III- го и IV - го типов содержат повышенное количество доменного гранулированного шла ку и пуццоланы. Они делятся на две группы - А и Б. Группа Б имеет повышенное содержание добавок. В ШПЦ группы А - вводят 36... 65 % шлака, а в группе Б - 66... 80 %. Кроме того, разрешается вводить до 5 % дополнительных компонентов. Пуцолановые цементы группы А содержат 21... 35% пуццолановый добавки, включая и золу уноса, в цементы группы Б входит в 55 % пуццолановых добавок, включая золу.

В композиционные цементы типа В рядом с другими минеральными добавками обязательно вводится шлак. Цементы группы А содержат 36... 60% композиций различных добавок, группы Б - 61... 80 %. Добавка шлака в цементах группы А составляет 18... 40%, в группе Б - 41... 60 %.

Допускается введение в цемент при его помоле специальных пластифицирующих и гидрофобизирующих поверхностно активных добавок в количестве не более 0, 3 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество добавки. Для интенсификации помола цемента разрешается вводить технологические добавки (каменный уголь, различные ПАВ), не ухудшающие качество цемента, в количестве не более 1 %, в ​ ​ том числе органических - не более 0, 15 %.

Действие ПАВ как интенсификаторов помола цемента базируется на так называемом эффекте Ребиндера. Согласно этого эффекта при помоле материала сначала образуются микротрещины, в них адсорбируются ЮАР снижающие прочность материала (имеют расклинивающего действие). Такие добавки повышают производительность мельниц до 20 %, или при постоянной производительности повышают тонкость помола.

Кроме прочности цемента, которая определяется при нормальных условиях твердения, на цементном заводе определяют активность цемента при пропаривании. При этом используют такие же образцы как обычно - призмы (40 * 40 * 160 мм). Температура пропаривания 80 ° С, режим пропаривания (2 +3 +6 +2): 2 час. - Предварительное выдерживание образцов; 3 - продолжительность подъема температуры; 6

- Изотермическое выдерживание; 2 - охлаждение. Прочность при пропаривании дает представление об эффективности цемента в производстве сборного железобетона. Неэффективны при пропаривании есть цементы с повышенным содержанием алюминатов, с неоптимальной тонкостью помола. Цементы, содержащие шлак или пуццолановый добавки надо пропаривать при максимально высокой температуре (90... 95 ° С). Цементы, которые эффективны при пропаривании показывают прочность после пропаривания до 30 МПа.

Начало схватывания всех типов цемента марок 300, 400, 500 должно наступать не ранее 60 минут, марок 550 и 600 - не ранее 45 минут, а конец не позднее 10 часов от начала затворения. Технология бетонных работ показала, что все технологические операции завершаются, как правило, на про тяге одного часа от начала затворения. Для марок 550 и 600 в связи с тем, что они имеют повышенное количество активных минералов и тонкость помола, начало схватывания наступает быстрее, не ранее чем через 45 минут.

Качество цемента тем выше, чем короче интервал между началом и концом схватывания. После окончания схватывания нежелательны технологические вмешательства, так как они приводят к снижению прочности затвердевшего бетона. Изготовитель должен испытывать цемент также на наличие признаков ложного схватывания равномерно по мере отгрузки, но не менее 20 % отгруженных партий.

Тонкость помола должна быть такой, чтобы при просеивании его сквозь сито № 0, 08 проходило не менее 85 % массы пробы.

Дополнительные требования предъявляются для бетонов дорожных и аэродромных покрытий, железобетонных напорных и безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек опор высоковольтных линий электропередачи. Для такого бетона должен поставляться цемент, который изготовляется на основе клинкера нормированного состава с содержанием С3А в количестве не более 8 % по массе. Это ограничение обусловлено требованиями высокой морозостойкости бетона. Для этих изделий по согласованию с потребителем желательно поставлять такие виды цемента:

- УЦИ - 400- Н, УЦИ -500- Н без добавок, для всех изделий (Н - нормированный состав, прежде всего нормируется С3А);

- УЦИ -500- H с содержанием добавок до 5 % - для труб, шпал, опор, мостовых конструкций (для напорных труб должен поставляться цемент I- й или II- й группы по эффективности пропаривания);

- ПЦ ИИ/А-Ш-400-Н и ПЦ ИИ/А-Ш-500-Н - для бетонов дорожных и аэродромных покрытий при использовании добавки гранулированного шлака в киль кости не более 15 %.

Для бетонов дорожных и аэродромных покрытий начало схватывания цемента должно наступать не ранее 2 часов, для труб - не ранее 2: 00 15 минут от начала замешивания.

Удельная поверхность портландцемента с добавкой шлака для аэродромных и дорожных покрытий должна быть не менее 280 м / кг.

Подвижность цементно -песчаного раствора при испытании обычного цемента составляет 106... 115 мм, пластифицированного - не ниже 135 мм при В / Ц = 0, 4.

Гидрофобный цемент не должен впитывать в себя воду в течение 5 минут с момента нанесения капли воды на поверхность слоя цемента.

Потери при прокаливании цемента I типа и шлакопортландцемента III- го типа не должны превышать 5 % по массе. Нормируется также нерастворимый остаток, для этих цементов: он не должен превышать 5 % (залы шок, при химическом анализе не растворился в НСИ, например зерна кварца).

Для регулирования сроков схватывания в цемент вводят гипс. Его содержание нормируется в пересчете на БО3.

Вместе с сырьем в цемент могут попадать хлористые соли. Они оказывают коррозионного действия на арматуру в бетоне, на металлическое оборудование. Поэтому производитель цемента должен проводить периодическое определение содержания хлоридов в цементах всех видов и марок не менее одного раза в месяц. Количество хлоридов не должна превышать 0, 5... 1, 0 % от массы цемента. Если производится предварительно напряженный железобетон, то содержание хлоридов вообще не допускается.

Содержание щелочных оксидов (Ка2О + К2О) в пересчете на № 2О (Ка2О +

0, 658 К2О) в цементе, который предназначен для изготовления массивных бетонных и железобетонных сооружений с использованием реакционно способного заполнителя, устанавливается по согласованию с потребителем. Он, как правило, не должен превышать 0, 6 %.

16.2. Способы производства портландцементов

Различают два основных способа получения клинкера - мокрый и сухой. При мокром способе сырьевая смесь готовится и выжигается в виде водной суспензии - шлама влажностью 35... 42%. Сухой способ предусматривает высушивания материалов к их совместного измельчения. Сырьевая смесь при сухом способе поступает на обжиг в порошкообразном или гранулированном состоянии.

Во многих странах, как и в Украине, наиболее распространенным является мокрый способ производства клинкера, при котором достигается высокая однородность сырьевой смеси, повышает качество клинкера. Вместе с тем при сухом способе производства расхода теплоты в 1, 5.3 раза ниже чем при мокром и могут достигать около 3000 кДж / кг. В настоящее время благодаря разработке эффективного оборудования для переработки сухих смесей и их обжига сухой способ получает более широкое распространение.

Преимущества мокрого и сухого способов производства объединяются при комбинированном способе, когда сырьевая смесь готовится сначала в виде шлама, а затем обезвоживается и подается на обжиг.

Исходя из многообразия сырьевых материалов, применяются соответствующие технологические схемы переработки сырьевых материалов для сухого мокрого или комбинированного способа производства клинкера. Мягкие материалы - мел и глину перерабатывают в глинобетономешалках, мельницах самопомола и других измельчителях - с последующим помолом в трубных шаровых мельницах. Твердые материалы - известняк, сланцы предварительно измельчаются в щековых, конусных, молотковых, ударно - отражательных, роторных дробилках с последующим помолом в трубных шаровых мельницах. По сухому способу сырьевые компоненты обезвоживают предварительно в сушилках или перерабатывают в мельницах - сушилках. Комбинированный способ предусматривает изготовление шлама его обезвоживание и обжиг коржа. Помол сырьевых компонентов выполняют как в открытом цикле, так и с промежуточной классификации с применением для мокрого способа дуговых сит, грохотал, гидроциклонов, а для сухой - сепараторов.

16.4. Основные подразделения предприятия по производству портландцемента

К основным подразделений производства портландцемента относятся склады сырья, цех измельчения сырья, помольных цех сырья, цех помола клинкера, цех обжига портландцементного сырьевой шихты, отделение аспирации и обеспыливания, склады готовой продукции.

16.4.1. склады сырья

Склады цементного производства можно разделить на несколько характерных групп в зависимости от принадлежности к тому или иному технологического передела или от физического состояния хранимых:

1. Склады кусковых материалов (сырьевых материалов, гидравлических и

корректирующих добавок, гипса, клинкера, твердого топлива);

2. Склады сырьевой шихты;

3. Склады цемента;

4. Склады вспомогательных материалов.

Если состав связан с приемом навалочных грузов, поступающих по железной дороге, то он может иметь следующие приемные устройства: эстакады для разгрузки железнодорожных вагонов, приемные бункеры различных типов ….

В качестве вспомогательных разгрузочных устройств могут применяться платформоразгружатели (для разгрузки платформ), рихлящие машины (для смерзающихся), зачистные вибропустановки, люкозакрыватели.

К устройству и организации работы складов предъявляются следующие требования:

- Все работы по выгрузке, погрузке и штабелевки материала на складе должны быть полностью механизированы;

- Производительность устанавливаемых на складе механизмов должна соответствовать производительности агрегатов, обслуживаемых и превышать ее на 10-20 %;

- Организация ремонта средств механизации должна предусматривать возможность непрерывной подачи материалов со склада (за счет резервных механизмов и т. п.);

- Средства механизации складов должны иметь высокую степень надежности в работе, должны быть удобными и безопасными в управлении;

- Капиталовложения на сооружение состава и расходы, связанные с его эксплуатацией, должны быть минимальными;

- Должна предусматриваться возможность дальнейшего расширения состава. Большая емкость склада вызывает потребность в использовании устройств механизации складов с большим пролетом (крупным транспортным полем). Для этого на складах устанавливают мостовые перегружатели.

16.4.2. Цех измельчения сырья

Основными факторами, определяющими выбор схемы измельчения сырьевых материалов, является их физические свойства, а также размеры кусков, поступающих на дробление. Оптимальная степень предварительного измельчения сырьевых материалов зависит от их розмолопригодности. Чем хуже размалываются сырьевые материалы, тем в меньших размеров куска нужно их измельчать. Дробление материалов может производиться в одну, две или три стадии.

Основными типами дробильных устройств для измельчения твердых пород известняков имеются конусные, щековые и молотковые дробилки.

Для особо твердых кристаллических пород применяется трехстадийное дроблиние: на первой стадии - конусные или щековые, второй - одно-или двухроторные молотковые и третий - однороторные молотковые дробилки.

Дробление твердых кристаллических пород известняков в большинстве случаев применяется в двухстадийных в дробилках тяжелых типов: на первой стадии - конусные или щековые и на второй - одно-или двухроторные молотковые дробилки.

Дробление влажных пород известняков средней твердости выполняется на

первой стадии в щековых и на второй - в самоочищующихся дробилках. Помол мягких нерозмулюючихся в воде пород выполняется в одну стадию в самоочищающихся дробилках.

Сухой помол сырья выполняется в большинстве случаев в мельницах, работающих по замкнутому циклу, с одновременным сушкой. Для сушки используют тепло отходящих газов вращающихся печей.

16.4.4. Цех помола клинкера

Помол клинкера может проектироваться как по открытому, так и по замкнутому циклу с применением центробежных сепараторов.

Помол по замкнутому циклу по сравнению с помолом по открытому циклу эффективнее в тех случаях, когда необходимо получить цемент с высокой удельной поверхностью или цементы различной тонкости помола, а также компоненты, измельчаются, сильно отличаются по помолоспособности.

Запас производительности мельниц при помоле клинкера определяется для каждого завода отдельно в зависимости от его мощности, ассортимента выпускаемой продукции и количества вводимых добавок при помоле.

При получении цемента с удельной поверхностью 2500... 2800 см / г помол по замкнутому циклу не имеет значительных преимуществ по сравнению с открытым циклом. Цементы с более высокой удельной поверхностью получают помолом по замкнутому циклу с центробежными сепараторами. Цементы с удельной поверхностью выше 3500 см / г получать помолом по открытому циклу неэффективно.

Для мельниц размером 3, 2 * 15 м с промежуточным выгрузкой принята схема с одним элеватором и двумя сепараторами (рис. 16.9). По этой схеме материал с обеих камер транспортируется сепараторов одним элеватором. Крупные фракции возвращаются на домел во вторую и частично в первую камеру. Мелкие фракции из сепараторов и перехвачен пыль представляют собой готовый цемент. Предполагается также возможность работы мельницы и по открытому циклу.

16.4.5. Цех обжига портландцементного сырьевой шихты

Выжигание - главная технологическая операция в производственном цикле изготовления цементного клинкера, осуществляемая как правило во вращающихся печах (рис. 16.11). При обжиге проходят сложные физико-химические процессы результате которых сырьевая смесь превращается в клинкерные гранулы. Выжигание - наиболее энергоемкая операция. При мокром способе на выпаливание расходуется 5-7 тыс. Дж / ​ ​ кг при сухом способе расхода топлива и теплоты в 1, 5... 2 раза ниже чем при мокром способе.

16.4.6. Отделение аспирации и обеспыливания

Обеспыливание отходящих газов и аспирационного воздуха при производстве цемента предусматривает уменьшение загрязнения пылью как воздушных бассейнов населенных мест, так и воздуха производственных помещений, а также возвращение пыли, перехваченного из отходящих газов и аспирационного воздуха в производство или использование их для других нужд народного хозяйства.

Основным способом очистки отходящих газов вращающихся печей от пыли является электрический - применение электрофильтров разных типов. Очистка аспирационного воздуха выполняется как электрофильтрами, так и рукавными фильтрами.

Для обеспечения необходимой степени очистки отходящих газов и аспирацийного воздуха, запыленность которого после очистки должна обеспечивать санитарные нормы, применяют одно -, двух - и трехступенчатые схемы пылеулавливающих установок.