Технология производства цемента

Наиболее распространённый в мире портландцемент состоит из высокоосновных силикатов кальция.

Менее распространен и более дорог алюминатный (глинозёмистый) содержащий преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. На основе клинкера, а также на доменных гранулированных шлаков, с добавками изготовляется шлакопортландцемент, пуццолановый пластифицированный и гидрофобный портланцементы и др.

При применении цемент смешивают с водой (иногда с водными растворами хлористых и других солей) для получения цементного теста, а в большинстве случаев также и с заполнителями — песком и т.п. для получения раствора строительного и, кроме того с щебнем, гравием и т. п. для получения бетона. В других случаях цемент смешивают с водой, распушенным асбестом (при изготовлении асбестоцементных изделий), древесной стружкой (при изготовлении с фибролита) и т. д.

определение цемента

Цемент изготовляется на заводах цементной промышленности из минерального сырья (необходимого химического состава) дроблением, перемешиванием и тонким помолом, обжигом в печах до спекания (реже — до плавления) для получения цементного клинкера и тонкого помола клинкера в мельницах. При помоле клинкера обычно вводятся добавки, улучшающие свойства цемента или снижающие его стоимость. Простейшие виды цемента, например шлаковые, изготавливаются совместным тонким помолом 2—3 готовых компонентов (доменного шлака, извести, гипса и т. п.).

Для производства портландцементного клинкера сырье должно содержать приблизительного 75% углекислого кальция СаСО3, и 25% окислов Si02, АI20, и Fe2O3. В природе встречается известковый мергель, содержащий смесь этих веществ, но редко в необходимой пропорции, поэтому в сырьё добавляют другие горные породы.

сырье для производства

Чаще сырьём служит искусственная смесь ивестняка (или мела) и глины (или глинистого сланца) иногда сырьевая смесь содержит 3—4 компонента в том числе плавни (окислы железа, фтористый кальций) облегчающие спекание; вместо глины, целиком или частично, используют отходы промышленности (доменные шлаки золу горючих сланцев); для производства глиноземистого цемента сырьём служит смесь известняка и боксита.

В зависимости от характера сырья производство портландцементного клинкера ведётся сухим (с высушиванием сырья) или мокрым (с добавлением воды) способом.

Добытый в карьерах известняк (или мел) предварительно дробят обычно здесь же в карьере; глину на карьере или в цеху завода разбалтывают с водой в бассейнах-мешалках и перекачивают насосом по трубопроводу в сырьевое отделение завода.

оборудование для производства

Здесь известняк проходит более мелкое дробление, а мел разбалтывается с водой в бассейне-мешалке. Далее производится точная весовая дозировка известняка (мела) и глины и совместный помол их в трубных (шаровых) мельницах.

Полученный шлам (содержащий ок. 35% воды) поступает в бассейны или силосы, где он перемешивается и хранится; здесь же корректируется его состав. Шлам обжигается во вращающихся печах, представляющих собой длинные слегка наклонные барабаны, вращающиеся со скоростью 1—2 об/мин.

Шлам равномерно перекачивается в верхний конец печи. Современные печи имеют длину до 185 м, диаметр до 5,3 м, производительность до 75 т цементного клинкера в час. В нижний конец печи вдувается по трубе через форсунку топливо или угольный порошок, природный газ, мазут. В процессе обжига сырьё движется в печи вниз по уклону навстречу сжигаемому топливу. Внутри вращающаяся печь футерована огнеупорным кирпичом, в верхней части— шамотом, а в нижней, наиболее горячей части, где температуpa обжига клинкера, необходимая для спекания, составляет 1450°—1500°,— особо стойким хромомагнезитом; снаружи зона спекания часто охлаждается водой.

способы производства

При сухом способе производства сырьевая мука подаётся непосредственно во вращающуюся печь (более короткую, чем при мокром способе) или превращает сначала в специальном аппарате в гранулы, которые предварительно обжигаются (декарбонизируются) движущейся колосниковой решётке, а затем подают в печь для окончательного обжига и спекания. При другом варианте способа сырьевая мука (смешанная угольным порошком) брикетируется и подаётся для обжига в автоматические шахтные печи.

Во всех случаях обожжённый клинкер охлаждается в холодильниках, затем поступает на склад, где окончательно остывает, выдерживается и проверяется его качество.

После дробления клинкер и необходимые добавки поступают в трубные (шаровые) многокамерные мельницы (или в мельницы с сепараторами), где тонко размалываются. Обычная добавка (для замедления схватывания цемента) при помоле портландцементного клинкера — необожжённый гипс; для удешевления портландцемента средних марок вводят доменный гранулированный шлак, кварцевый песок или известняк.

состав цемента в процентах

При изготовлении пластифицированного цемента в мельницу вводят сульфитно-спиртовую барду, гидфобного цемента — мылонафт, асидол или окисленный петролатум. Из мельницы цемент транспортируется в силосы, где он остывает и выдерживается; проверяется его качество. Затем часть цемента поступает в упаквочное отделение для отправки потребителям в бумажных мешках, а другая часть отгружается в цементовозы.

По стандартам к цементу предъявляют требования в отношении состава, тонкости помола, сроков схватывания, равномерности изменения объёма, предела прочности при сжатии (эта величина, испытание и обычно через 28 дней твердения в нормальны: условиях, называется маркой цемента.), растяжении или изгибе, быстроты твердения.

Для производства сборных железобетонных конструкций и быстрого производства бетонных работ от цемента требуется высокая прочность, в короткие сроки (1—3 суток). Этим условиям удовлетворяет быстротвердеющий портландцемент.

процесс производства

По отношению к специальным цементам установлены ещё трбования:

  • сульфатостойкости (для возведения coopужений в морской и др. агрессивных водах),
  • малого тепловыделения (при строительстве массивных, например гидротехнических сооружений),
  • кислотостойкости,
  • повышенной пластичности цементного раствора (пластифицированный),
  • гидрофобности (гидрофобный цемент выдерживающий длительную транспортировку и хранение без потери активности),
  • безусадочности
  • расширения при твердении,
  • водонепроницаемости (водонепроницаемый безусадочный или расширяющийся),
  • особого цвета (белый и цветные).

Цементация (в строительстве) — закрепление грунтов, каменных и бетонных кладок цементом путем нагнетания в трещины, пустоты и поры жидкого цементного раствора или цементного молока примечается для создания противофильтрационных запас в основании гидротехнических сооружений, укрепления оснований различных сооружений, придания водонепроницаемости породам при горных работах, повышения монолитностикаменной и бетонной кладки и т.д.

Подготовка сырья. В зависимости от свойств сырья и типа печей, в которых намечено вести обжиг цемента (шахтные и вращающиеся), применяют два различных способа подготовки сырья: сухой и мокрый

Характеристика печей для обжига цемента

Обжиг сырьевой смеси ведется в печах двух систем: шахтных и вращающихся. В шахтные печи загружается сырье, подготовленное сухим способом, в виде камня соответствующего состава, брикетов или «шнуров», сформованных из сырьевой смеси.

Обжиг сырьевой смеси

Для обжига цементного сырья применяются более совершенные автоматические печи с искусственным дутьем воздуха.
В автоматических шахтных печах процессы загрузки и выгрузки материала механизированы, благодаря чему облегчается обслуживание печей. Печи имеют производительность до 80—140 г цементного клинкера в сутки.

Больше всего на крупных цементных заводах применяются вращающиеся печи, представляющие собой длинные, расположенные слегка наклонно цилиндры (барабаны), сваренные из толстой листовой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина печей от 40 до 150 м, диаметр 2,5—3,5 м (в зоне подготовки сырья до 4,5 м). Скорость вращения печей 1—2 об/мин.
В длинных печах лучше используется тепло, поэтому требуется меньший расход топлива для обжига цемента. Для улучшения теплообмена внутри печей, ближе к верхнему их концу, навешивают цепи, устраивают крестовины и т. п.

Сырье

Сырье в виде порошка (сухой способ) или в виде шлама (мокрый способ) загружается равномерно автоматическим питателем в печь с верхнего конца. Сырье занимает только часть печи по поперечному сечению и при ее вращении медленно движется к нижнему концу. Сюда через форсунку сжатым воздухом вдувается порошок каменного угля. На некоторых заводах применяют другие виды топлива: мазут (волжские заводы) и природный газ.

Топливо сгорает в виде длинного факела в нижней части печи; здесь и находится зона спекания цементного клинкера с наиболее высокой температурой. В этой зоне корпус печи снаружи охлаждается водой. Горячие газы идут навстречу сырью, подсушивают и нагревают его в верхней части печи, затем в средней ее части происходит декарбонизация известняка и, наконец, в нижней части соединение извести с глинистыми веществами (спекание);
Из печи обожженный клинкер поступает в холодильник, расположенный под печью, или в несколько холодильников, прикрепленных к барабану печи и вращающихся вместе с ней. В холодильник вдувается воздух, который нагревается за счет тепла остывающего клинкера и идет в печь для поддержания горения.

Ускорения спекания смеси

Для ускорения спекания в состав сырьевой смеси часто вводят небольшое количество плавикового шпата CaF2 или пиритных огарков, содержащих Fe2O3.

Вращающиеся печи выпускают более однородную продукцию, чем шахтные, так как обжиг в них протекает равномернее. Эти печи имеют высокую (зависящую от ее размеров, скорости вращения и мастерства машиниста печи) производительность — от 100 до 1000 т/сутки.

Температура спекания

Сырье обжигают до спекания материала, температура спекания составляет обычно около 1450°. В результате получается так называемый цементный клинкер твердый, камневиднцй, зеленовато-серого или темносерого цвета; из шахтных печей клинкер выходи в виде крупных кусков, а из вращающихся в виде мелких кусков — «горошка».

Клинкер подвергают тонкому помолу, предварительно выдержявая его на складе 1—2 недели. При этом свободная окись кальция, которая могла в небольшом количестве остаться в клинкере, частично гасится под действием влаги воздуха, и цемент, изготовленный из этого клинкера, приобретает свойство равномерно изменяться в объеме. Выдерживание клинкера уменьшает его твердость, чем облегчается помол; кроме того, замедляется схватывание цемента, что в известных пределах полезно.

Реакции происходящие при обжоге цемента

Состав портландцемента зависит от вида сырья и от химических реакций, происходящих при обжиге

По мере повышения температуры в обжигаемом сырье происходят следующие изменения при температуре до 105° испаряется свободная вода;

  1. при температуре до 750° отделяется вода, химически связанная в каолините, входящем в состав глины;
  2. при 800—910° разлагается углекислый кальций по реакции:

СаСО3=СаО + СО2

причем углекислый газ вместе с продуктами горения в трубу;

при температуре выше 1200° свободная окись кальция соединяется с глиноземом, окисью железа и кремнеземом; при этом по мере повышения температуры последовательно образуются клинкерные минералы: алюмоферриты кальция переменного состава хСаО • Аl2О3 • 2Fe2O3, трехкальциевый алюминат ЗСаО • А12О3, двухкальциевый силикат 2СаО • SiO2 и трехкальциевый силикат ЗСаО • SiO2 (последний рбразуется при 1450°).

Эти четыре соединения и являются основными составными частями цементного клинкера, но два последних (силикаты кальция) составляют 70—80% от веса клинкера.
Ориентировочное содержание различных соединений в портландцементе составляет (в %):

  • ЗСаО • SiO2 (сокращенное обозначение C3S) ... 37—60
  • 2CaO • SiO2 (сокращенное обозначение C2S) . . . 15—37
  • ЗСаО • Аl2Оз (сокращенное обозначение С3А) . . . 7—15
  • алюмоферриты кальция, главным образом 4CaO • Al2O3 • Fe2O3 (сокращенное обозначение C4AF)............................... 10—18

Последние два вещества являются плавнями, облегчающими спекание клинкера при обжиге.
В правильно приготовленном цементе не должно содержаться больше 0,5% свободной окиси кальция, так как пережженная СаО, так же как и MgO, очень медленно гасится, увеличиваясь в объеме и вызывая растрескивание затвердевшего цемента. Гашение окиси кальция и окиси магния особенно замедляется, если они заключены внутри клинкерных минералов.

Основное значение для цемента имеет трехкальциевый силикат так как он обычно содержится в наибольшем количестве и обладает свойствами быстро твердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Двухкальциевый силикат — медленно твердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Трехкальциевый алюминат и C4AF быстро твердеют, но имеют низкую прочность. Цементы высоких марок изготовляются с повышенным содержанием трехкальциевого силиката.

Профессором В. А. Киндом предложена характеристика химического состава цемента, названная им коэффициентом насыщения (Кн).

Коэффициент насыщения показывает, какая часть СаО может вступать в соединение с кремнеземом, образуя трехкальциевый силикат. При этом учитывается, что часть СаО должна пойти на соединение с глиноземом, окисью железа и серным ангидридом. На основании подсчета молекулярных весов легко убедиться, что после соединения с А12О3, Fe2O3 и SO3 останется следующее количество окиси кальция:
СаО -1,65Al2O3 - 0,35Fe2O3 - 0,7SO2.

Поэтому степень насыщения (Кн) кремнезема известью, способной вступить с ним в соединение, имеющее вид трехкальциевого силиката, может оыть выражена формулой:
К CaQ -1,65Al2O3 — 0.35Fe3O3—0,7SO3

Из общего содержания извести и кремнезема вычитают свободную СаО и свободный 2,8 SiO2.
Во всех приведенных выше формулах содержание окислов выражается в весовых процентах.
Искусственные минералы, содержащиеся в цементном клинкере, названы алитом, белитом и целитом — по первым буквам латинского алфавита — а, Ь, с.
Алит состоит главным образом из трехкальциевого силиката ЗСаО • SiOa и, следовательно, является наиболее ценной частью цемента. Цемент с высоким содержанием алита называется алитовым. Это — быстротвердеющий высокопрочный цемент.

Белит представляет собой главным образом двухкальциевый силикат 2СаО • SiO2. Цемент с высоким содержанием белита называется белитовым.
Целит — минерал переменного состава, колеблющегося от 2СаО • Fe2О3 до более сложного соединения хСаО • yА12О3 • zFe20'3.

ЕЩЕ СТАТЬИ ПО ТЕМЕ