9.2.1. Виробництво цементу

Основними в’яжучими матеріалами в сучасному будівництві є портландцемент і його різновиди. Одержують цемент шляхом тонкого подрібнення портландцементного клінкера, гіпса і деяких добавок. Виробництво портландцементу складається з двох основних операцій: одержання клінкеру та його помел з відповідними добавками. Перша операція найбільш енергоємна і відповідальна, так як від якості клінкеру залежать основні якості цементних виробів.

Портландцементний клінкер складається з ряду штучних мінералів, що утворюються при його випалюванні. У відсотковому відношенні їх вміст в складі клінкеру становить: аліт – 40…65%, беліт – 15…40%, целітит – 15…35%.

Є три способи виготовлення цементу: сухий, мокрий і комбінований. Вибір способу залежить від особливостей приготування сировинної суміші. Сухий – передбачає виготовлення з попередньо висушених тонкомелених компонентів і випалювання їх до порошкоподібного стану. При мокрому способі тонке подрібнення і гомонізацію суміші здійснюють у водному середовищі. Одержана водна суспензія (шлам) спрямовується на випал. Комбінований – включає операцію з виготовлення сировинного борошна за мокрим способом з послідуючим зневодненням її на фільтрах до вологості не більше 18%. На випалювання подається напівсуха маса.

Кожний спосіб має свої переваги і недоліки. Найбільш розповсюджений мокрий спосіб, який відрізняється простотою подрібнення сировинних матеріалів та їх гомогенізацією. Крім того, він забезпечує кращі санітарно-гігієнічні умови роботи обслуговуючого персоналу. Але мокрий спосіб відрізняється великою електроємністю.

Сухий спосіб виготовлення клінкеру має суттєву перевагу за мокрий в тому, що витрати теплоти при обжизі зменшуються до 40%. Недоліком цього способу є ускладнення технології і збільшення технологічного обладнання. Але за сукупності техніко-економічних показників сухий спосіб виготовлення клінкеру економічніше мокрого. Тому в нашій державі передбачається більш широке втілення цього способу.

Мокрий спосіб виготовлення портландцементу складається з слідуючих операцій.

Сировина на завод доставляється звичайно великовантажним автотранспортом, хоча можливе використання стрічкових конвеєрів або гідротранспорту. Тверді породи спочатку подрібнюють в дробарках (двох або трьохстадійне подрібнення) до розмірів шматків 8…10 мм. М’які породи (глину і крейду) подрібнюють в дробарках до шматків розміром 100 мм, а потім розпускають в глино-бовтушках – залізобетонних круглих резервуарах діаметром до 10 м і висотою 2,5…3,5 м, які футеровані усередині чавунними плитами. В центрі бовтушки обертається хрестовина з причепленими до неї сталевими граблями для подрібнення глини. Технологічна схема виробництва портландцемента мокрим способом зображена на рис. 32.

Рис. 32. технологічна схема виробництва портландцемента мокрим способом:

1 – глиноболтушка; 2 – подача води; 3 – подача глини; 4 ‑ подача вапняку; 5 – дробарка; 6 – сировинний млин; 7 – шлам-басейни; 8 – обертальна піч; 9 – холодильник; 10 – подача вугільного пилу; 11 – елеватор для подачі вугілля; 12 – сушильний барабан для вугілля; 13 – склад вугілля; 14 – млин для вугілля; 15 – склад гіпсу; 16 – елеватор для подачі гіпсу із дробарки в бункер; 17 – склад клінкеру; 18 – трубчастий млин; 19 – силоси для цементу; 20 – упаковка цементу

Глину в бовтушку подають невеликими порціями разом з водою. Граблі розбивають великі шматки на зерна розміром не більше 3…5 мм, які легко розпускаються у воді. Одержаний шлам насосами перекачується у витратні бункера сировинного млину для помелу з подрібненим вапняком. Якщо в якості карбонатної сировини використовується крейда, то його спочатку (після подрібнення) разом з глиною розпускають в бовтушках, а потім домелюють в млинах. Крупні домішки збирають на дні резервуару і періодично видаляють.

Якість цементу залежить від хімічного складу сировинної суміші, яка йде на випалювання. Але за неоднорідністю сировини хімічний склад може змінюватись. Тому необхідно постійно слідкувати за хімічним складом шихти і корегувати його в процесі роботи. Це досягається застосуванням вертикальних і горизонтальних шлакобасейнів. Шлам з млину подається спочатку в перший вертикальний басейн. Шлам другого складу потрапляє в другий вертикальний басейн. Знаючи точний хімічний склад цих двох шламів, можна розрахувати необхідний склад шламу. Шляхом перекачування відповідних кількостей шламів з цих басейнів в третій – одержують шлам, який спрямовується на випал. При перекачуванні відкоригованого шламу у вертикальний басейн його аерують, перемішують струменем стисненого повітря. Перед подачею в піч шлам з вертикального басейну перекачують в горизонтальний, де його перемішують механічним способом.

Порційне корегування складу шламу – довготривала і трудомістка технологічна операція. До того ж цей процес періодичний. Більш перспективний є поточний спосіб виготовлення сировинного шламу.

Хімічний склад шламу постійно перевіряється автоматично працюючими пробовідбірниками і рентгенівським квантометром. Шлами з двох басейнів змішуються і потрапляють в третій – витратний, проходячи експрес-аналіз за допомогою складних електронних приладів.

При сухому способі виробництва корегування сировинної суміші виконують в силосах вертикального типу за допомогою стисненого повітря. Із силосів постійно відбираються проби для визначення хімічного складу. Над силосами розміщують ще дві ємкості з корегуючими сумішами (одна з вапняковим борошном, друга – з залізистим компонентом). При необхідності в силоси вводять ту або іншу добавку. В середньому весь процес усереднення триває близько 2 годин. Сировинну суміш, що надходить на силососи, виготовляють за одно- або двохстадійними схемами. Для цього використовують млини або з одночасною підсушкою, або з сепаруванням.

Випалюють сировинну суміш (шлак) в обертальних печах різної довжини і діаметру (рис. 33).

Топливо у вигляді газу або камінновугільного пилу вдувається в піч з нижнього кінця. Димові гази з температурою 150…200С видаляються з боку верхнього кінця і через трубу скидаються в атмосферу.

Рис. 33. Обертальна піч для одержання клінкеру:

1 – димосос; 2 – живитель шламу; 3 – барабан; 4 – привід; 5 – вентилятор для вдування палива; 6 – холодильник

Для утилізації теплоти газів, які скидаються, і підвищення рівня теплообміну між обпалювальним шламом та гарячими газами використовують різні теплообмінні пристрої. Так, в печах довжиною 185 м, які працюють за мокрим способом, застосовують фільтри-підігрівники, ланцюгові завіси і металеві теплообмінники. фільтри-підігрівники встановлюють в холодній частині печі на відстані 3…5 м від її початку. Вони знижують запиленість відхідних газів до 2…3% і зменшують втрати теплоти на 210 кДж/кг. Температура газів біля фільтрів повинна підтримуватись на рівні 200С, а вологість шламу на – 33...35%. підвищення температури газів і їх запиленості зверх норми веде до загуснення шламу.

На відстані 1 м від фільтру-підігрівника підвішують ланцюгові завіси, які акумулюють температуру газів і передають її шламу, прискорює тим самим процес сушіння. Із ланцюгової зони, яка має довжину 40…50 м шлам виходить у вигляді гранул.

При виробництві цементу сухим способом іноді застосовують короткі печі з циклонними або запічними теплообмінниками і конвеєрними кальцінаторами. На рисунку 34 зображена схема обертальної короткої печі з циклонними теплообмінниками.

Відкоригована сировинна суміш, проходячи двогілкову систему чотирьох ступеневих теплообмінників повністю висихає і частково декарбонізується (до 35...40%).

Запічні теплообмінники у вигляді концентраторів шламу або розпилювальних сушилок мають свої недоліки і переваги. Так, концентратори шламу збільшують продуктивність печі до 25%, а втрати теплоти знижуються на 15…20%. але застосування їх стримується значним пиловиділенням, та як деяка частина шламу переосушується і переноситься потоком гарячого газу, що вимагає встановлення пиловловлювальних систем. Розпилювальні сушилки із-за складності роботи форсунок, низького коефіцієнту паронапрузі, громіздкості конструкцій та складності в експлуатації не знайшли широкого розповсюдження.

Рис. 34. Обертальна піч з циклонними теплообмінниками:

1 – димовідсмоктувач; 2 – газохід; 3 – стічна труба; 4 – циклони; 5 – газоходи; 6 – подача сировинного борошна; 7 – з’єднальне ущільнення; 8 – обертальна піч; 9 – привід печі

Крім звичайного портландцементу є ще його різновиди. Це швидкотвердючий, особливо швидкотвердіючий, пуцолановий, сульфатостійкий цементи. Перші два види відрізняються від звичайного портландцементу інтенсивним набором міцності в перший період твердіння, що дуже важливо при виконанні ряду спеціальних робіт. Сульфатостійкий цемент при використанні в бетонах утворює вироби, які стійкі до агресивної дії вод, що містять сульфатний аніон .

Безклінкерні цементи

Доменні шлаки знаходять широке використання при виготовленні шлакових цементів. Використання доменних шлаків має велике народногосподарське значення, бо щорічно вони отримуються у великих кількостях – близько 0,6–0,7 т на 1 тонну чавуну. Доменні шлаки містять СаО, SiO₂, Fe₂O₃ (більше 90%). П.П. Будниковим та М.А. Матвєєвим встановлені способи найбільш ефективного використання доммених шлаків при одержанні з них шлакового безклінкерного цементу. Потрібно здійснювати тонкий помел гранульованого доменного шлаку, що підвищує міцність шлакового безклінкерного цементу та його хімічну активність. Найбільш ефективними активізаторами твердіння визнані: ангідрид, випалений при 750С, та доломіт, випалений при 1000–1100С. оптимальний склад шлакового цементу: 90% шлаку, 5% ангідриду, 5% доломіту. Його використовують при будівництві підземних, наземних бетонних та залізобетонних споруд і для будівельних розчинів. Існують такі цементи, як: сульфатно-шлакові, гіпсо-шлакові, шлаковий клінкерний і безклінкерний, вапняно-шлаковий, вапняний, вапняно-зольний, вапняно-огажний, вапняно-пуцолановий та інші. Між ними є невелика різниця у виробництві і використанні.

Недоліки при виробництві цементів: надто велика запиленість виробничих приміщень і прилеглої території.