Способы производства цемента

Изготовлением востребованного стройматериала занимаются специализированные заводы. Они используют разные способы производства цемента: мокрый, сухой, полусухой (смешанный или комбинированный). Выбор конкретного метода определяется с учетом мощности и оснащения предприятия, свойств и состава исходного сырья, а также требований к готовому продукту. Технологический процесс получения цемента состоит из нескольких основных этапов: добыча минералов, подготовка сырьевой массы, обжиг клинкера, измельчение и формирование цементного материала с заданными характеристиками.

Состав и виды цемента

Помимо измельченного клинкера и модификаторов, в состав цемента включен гипс. Его доля определяется сроки схватывания. При добавлении воды алюминат обеспечивает интенсивное образование твердой структуры. Чтобы этого не происходило, частицы гипса защищают крупицы алюмината, предотвращая мгновенное схватывание. Активные добавки и пластификаторы повышают свойства цементного материала, расширяя сферу его применения.

Наиболее распространенным видом является портландцемент с долей силиката кальция 80%. Его широко используют для строительных и ремонтных работ. Если требуется быстрое отвердение, например, при реставрации, можно заказать глиноземистый материал. Кислотоупорный цемент смесь с большой долей гидроксиликата натрия востребован при необходимости получения кислотостойкого бетона.

Подготовка сырья

Основой сырья для производства цемента являются мелкозернистая глина и известняк либо его разновидности. Минералы добывают в карьерах, недалеко от заводов. Для формирования определенного химического состава добавляют различные породы, камень, пирит, песок, другие компоненты. Сырьевую смесь создают из четырех оксидов:

• СаО — оксид кальция: мергель, мел, известняк.

• Si₂O₃ — оксид кремния: глина, шлаки, песок, сланцы.

• Al₂O₃ — оксид алюминия: бокситы, зола, глина.

• Fe₂O₃ — оксид железа: пирит, руда

Добыча минералов

Добыча твердого известняка происходит буровзрывным способом, а для мягкого мела или мергеля применяется экскавация. Измельчение минералов до фракций 8–10 мм перед началом производства цемента осуществляется непосредственно в карьере с использованием стационарных дробилок. Затем материал ленточным конвейером или трубчатым транспортером перемещается к месту складирования. Для определения химического состава сырья предусмотрены поточные анализаторы. Требуемое соотношение компонентов регулируется электронными дозаторами, обеспечивающими высокую точность.

Заводы, построенные в прошлом веке, выполняют дробление добытых минералов непосредственно на производстве. Доставка из карьеров осуществляется по железной дороге или специальными грузовиками. Погрузка известняка и других минералов на транспорт происходит грейферными кранами. Это существенно повышает стоимость производства по сравнению со складированием сырья ленточными конвейерами. Расходы на эксплуатацию и содержание спецтехники значительно выше чем, издержки на работу транспортеров.

Помол сырья при сухом способе

Заводы, использующие сухие способы производства цемента, измельчают сырье вертикальными мельницами повышенной мощности. Оборудование смонтировано из двух блоков. Внизу расположен вращающийся стол с роликами, измельчающими минералы. Сверху смонтирован сепаратор, обеспечивающий разделение помола на фракции — мелкие и грубые. Первые считаются готовым продуктом, а крупные направляются для дополнительного дробления. В мельницах также происходит сушка смеси до 0,5% с помощью газов, которые отводятся от печи.

Сухая смесь перемещается в силос для хранения перед обжигом. Предварительно происходит усреднение фракций под действием сжатого воздуха. Подача потока реализована через специальные проемы, предусмотренные в нижней части.

Подготовка сырья при мокром способе производства

Предприятия, применяющие смешанный или мокрый способ производства цемента, готовят сырье влажностью 35–40%. Для этого применяются мельницы самоизмельчения — гидрофолы. Насыщенный водою шлам проходит через вертикальный бассейн, Здесь выполняется регулировка химического состава.

После контроля пропорций материал поступает в горизонтальный резервуар. Для поддержания однородности в процессе хранения выполняется механическое перемешивание смеси путем воздействия струи сжатого воздуха. Поэтому, при производстве не происходит выпадение осадка и полная гомогенизация. В горизонтальной емкости также добавляются компоненты с неизменным составом химических элементов.

При смешанных способах производства цемента, влажный шлам дополнительно обезвоживается с применением пресс-фильтров. Влажность клинкера перед обжигом понижается до 10–18%. Преимущества мокрых технологий по сравнению с сухими способами в достижении высокой однородности массы и точности состава сырья.

Клинкерный материал

Ключевое условие производства качественного клинкера, независимо от используемого способа — правильная подготовка сырья. Базовыми показателями безупречности шлама, являются:

• Силикатный модуль: 2,2–2,8. Доля оксида кремния по сравнению с общим объемом оксида железа и алюминия. Повышение этого показателя при производстве цемента ухудшает эффективность обжига из-за недостатка жидкой фазы.

• Алюминатный модуль: 1,5–2,5. Доля оксида алюминия относительно объема оксида железа указывает на соотношение в шламе минералов, формирующих жидкую фазу.

• Коэффициент кремнеземности: 0,92–0,98. Показатель насыщенности известняка кремнеземом.

• Коэффициент однородности: не более 14 для сухого производства или менее 10 — для мокрого способа.

Обжиг клинкерного материала

Качество клинкера зависит от правильности обжига сырья в печах. Предприятия, использующие технологии сухого производства цемента, оснащены специальными печами. Конструкция таких агрегатов выполнена на базе двух камер: вертикальной — подготовительной и горизонтальной — термической. В первой смонтированы теплообменники циклонного типа и декарбонизаторы. В этой части выполняется дегидратация (уменьшение количества влаги), декарбонизация и другие технологические процессы по подготовке сырья.

После вертикальной камеры шлам поступает в горизонтальный отсек, разогретый до +1450 ⁰С. Затем, сформированный клинкер помещают в холодильный бокс, чтобы стабилизировать фазы путем резкого охлаждения.

Последующее остывание клинкерных минералов ниже +100 ⁰С происходит в холодильных боксах колосникового типа. В завершение этого этапа производства полученный цемент перемещают внутрь крытых силосов, обеспечивающих защиту от ультрафиолета, осадков, других агрессивных воздействий.

Заводы, использующие смешанный способ производства цемента, делают обжиг клинкера по идентичной схеме. Предприятия, применяющие мокрые технологии, оснащены печными агрегатами однокамерного типа, длина которых достигает 180 м. Большую часть пространства отведена под зону, где с помощью цепной завесы из сырья удаляется влага. Из-за обильных испарений энергопотребление такой печи на 30–40% выше по сравнения с оборудованием, которое используется для сухого производства.

Конструкция печей для обжига клинкера

Для минимизации теплопотерь, независимо от способа производства, внутренние поверхности печных камер футерованы огнеупорными кирпичами. Данное решение дополнительно снижает воздействие жара на металлическую оболочку. Конструкция камер выполнена в виде огромного цилиндра с небольшим наклоном, который вращается с темпом 3–4 витка за одну минуту. Благодаря этому, шлам постоянно перемешивается внутри камеры.

С учетом температуры пространство печи сформировано из пяти условных зон:

• 100 ⁰С. Дегидратация избыточной влаги из сырьевого шлама необходимо при мокром варианте производства цемента.

• 350–360 ⁰С. Удаление кристаллической влаги из глины.

• 650–950 ⁰С. Образование оксидов магния и кальция в результате распада карбоната магния и кальция.

• 1300–1450 ⁰С. Формирование клинкерных минералов из расплава сырьевой смеси.

• 1250 ⁰С. Стабилизация фаз путем резкого охлаждения.

Печные агрегаты комплектуются многофункциональными горелками, обеспечивающими возможность использования всевозможных видов топлива. Помимо газа, мазута, угля и другого природного горючего, при производстве цемента сжигают автомобильные шины, бытовые отходы, другое вторсырье.

Разновидности клинкерных минералов

Независимо от способа, в процессе обжига сырьевого шлама формируется несколько видов клинкерных минералов: алит, белит, алюминат, алюмоферрит и др. Их доля в готовом продукте определяет свойства конкретной марки цемента. Например:

• Алит — быстрое отвердение с повышенной прочностью.

• Белит — медленное отвердение цемента с набором хорошей прочности и повышением стойкости к разрушению.

• Алюминат — быстрое отвердение с повышенной прочностью и стойкостью к коррозии.

• Алюмоферрит — формирование темного оттенка цемента без влияния на прочностные характеристики.

Тонкости комбинированных способов производства цемента

Производство цемента таким способом предполагает симбиоз определенных этапов мокрой и сухой технологии. Обычно за основу берется первый метод, обеспечивающий лучшие характеристики однородности при подготовке сырьевой смеси. После формирования мокрого шлама удаляется избыточная влага в два этапа. Сначала сырье сушат до 15–20% с помощью специальных фильтров. На втором этапе материал смешивают с пылью, понижающей долю влаги до 12–14%.

Обжиг сырья выполняется с использованием «сухой» технологии. Остальные фазы производства цемента комбинированным вариантом идентичны «мокрой» схеме.

Завершающая фаза производства цемента

Завершающая фаза производства цемента — перемалывание клинкера с последующим смешиванием полученной массы с модификаторами и гипсом. Для помола используются мельницы двух видов: вертикальные и шаровые (трубные). Конструкция первых идентичная оборудованию для помола сырья при сухих способах производства.

Трубчатые (шаровые) агрегаты представляют собой металлические резервуары с отделкой внутренних поверхностей огнеупорными бронеплитами. Их конструкция выполнена по двухкамерной схеме. Пространство разделено диафрагмой, обеспечивающей регулируемую подачу сырья. Дополнительно, на выходе установлены ячеистые диафрагмы.

В первой камере происходит грубое измельчение под действием ударов металлических шаров различного диаметра по исходному материалу в процессе вращения мельничного агрегата. Во втором отсеке выполняется средний и тонкий помол путем истирания. Если при производстве цемента используются мельницы с одной камерой, сырье подается после грубого дробления с помощью роллер-пресса.

Бронеплиты обеспечивают не только защиту оболочки от разрушения, но и сортируют материал, поднимая крупные фракции вверх. В процессе многократного воздействия твердыми телами различных размеров происходит качественный помол.

На старых производствах готовый цемент, получаемый из мельниц, сразу отправляется в силосы для хранения и последующей реализации — отгрузки заказчикам. Современные предприятия оснащены установками замкнутого цикла. Они отличаются повышенной эффективностью, и комплектуются высокопроизводительными сепараторами. Они разделяют помол на две части. Мелкие крупицы перемещаются к месту хранения цемента, а грубые — возвращаются на повторное измельчение.

Хранение цемента

Хранение цемента перед отгрузкой заказчикам на современных заводах осуществляется в специальных силосах. Это огромные конструкции в виде обратного конуса. Такой способ хранения исключает накопление «мертвых» остатков цементного материала, что характерного для силосов старого образца. Внутреннее пространство силоса разделено на несколько вертикальных секций, что обеспечивает возможность хранения разных марок цемента одновременно.

Заключение

Наиболее эффективным способом производства цемента является использование сухой схемы. Достоинство этого варианта — низкая себестоимость из-за относительно небольшого расхода топлива и снижения выброса печных газов до 40% по сравнению с мокрым способом. Дополнительно, при «сухом» методе требуется в несколько раз меньше воды.