4. Основы технологии производства минеральных вяжущих веществ

Строительными минеральными вяжущими веществами называются порошкообразные материалы, образующие при смешивании с водой пластично-вязкую и легко формируемую массу, которая в результате физико-химических процессов затвердевает и превращается в прочное камневидное тело (гипс, известь, жидкое стекло, цемент).

Неорганические вяжущие вещества разделяют на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие (известь воздушная, гипсовые вяжущие, жидкое стекло) твердеют и долго сохраняют прочность лишь в воздушной среде. Вяжущие вещества, способные твердеть и длительно сохранять или повышать прочность не только на воздухе, но еще лучше в воде, называются гидравлическими вяжущими (гидравлическая известь, портландцемент и его разновидности).

Технологический процесс производства различных видов минеральных вяжущих веществ принципиальных различий не имеет, его основные этапы:

- добыча сырья;

- подготовка сырьевых материалов и приготовление смеси;

- обжиг сырьевой смеси;

- помол.

Добычу ископаемых, как правило, осуществляют методом прямой экскавации. Сырье на завод доставляют железнодорожным, автомобильным транспортом, ленточными конвейерами или перекачивают по трубопроводам в виде шлама. Обязательной подготовительной операцией в производстве всех вяжущих является измельчение сырья. Дробление сырья производят в дробилках. Тонкое измельчение (помол) сырья производят мокрым и сухим способами в мельницах.

Основы технологии производства портландцемента. Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее на воздухе и в воде – представляет собой продукт тонкого измельчения цементного клинкера, который получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси известняка и глины. По производству и применению он занимает первое место среди всех других вяжущих.

Для получения портландцемента высокого качества необходимо, чтобы в сырьевой смеси содержание известняка (СаСО₃) составляло 75–78 %, глины – 22–25 %. Таким природным сырьем являются известковые мергели. Однако горные породы, удовлетворяющие указанным требованиям, в природе встречаются редко, поэтому цементные заводы обычно используют искусственные смеси из карбонатных пород (известняка, мела) и глины. Для понижения температуры спекания применяют специальные добавки. Цементная промышленность все шире использует отходы различных отраслей промышленности: доменные шлаки, нефелиновый шлак, золы и др.

В зависимости от метода приготовления сырьевой смеси различают мокрый и сухой способы производства портландцемента.

При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды до образования сметанообразной водной суспензии – шлама. Компоненты сырьевой шихты, способные распускаться в воде (глина, мел, мягкий мергель и другие породы), предварительно размучивают в специальных бассейнах-глиноболтушках, а затем направляют на помол в шаровые мельницы. Бассейны представляют собой бетонные резервуары диаметром 5–10 м и высотой 2,5–3,5 м, футерованные чугунными плитами и оборудованные устройствами для размешивания суспензии.

Твердые сырьевые материалы (известняк, мергель) размалывают в мельницах, представляющих собой стальной цилиндр, разделенный внутри на камеры дырчатыми перегородками. При вращении мельницы мелющие тела (металлические шары и цилиндрики) поднимаются на некоторую высоту и падают, разбивая и растирая зерна материала. Выходящий из мельницы сырьевой шлам в виде сметанообразной массы влажностью 30–38 % транспортируют насосом по трубам в шламбассейн, где тщательно усредняют и гомогенизируют, а затем подают на обжиг.

Обжиг сырьевой шихты производится в специальных вращающихся печах, футерованных внутри огнеупорным материалом. Длина печей – 95, 185, 230 м, диаметр – 5–7 м. Сырьевая смесь, поступающая в печь, медленно перемещаясь вдоль барабана, проходит шесть зон:

- в первой зоне при 150–200 °С происходит высушивание сырьевой смеси, подсушенный материал комкуется;

- в зоне подогрева (200–700 °С) происходит дальнейшее высушивание, выгорание органических примесей, начало дегидротации глины (удаление химически связанной воды), разрушение глинистых минералов;

- в третьей зоне декарбонизации (700–1100 °С) становится возможным взаимообмен ионами и атомами с образованием новых соединений (реакции в твердых фазах). При обжиге мергелистых известняков или искусственных смесей известняков и глины происходит распад дегидратированных глинистых минералов на оксиды SiO₂, A1₂O₃, Fe₂O₃, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО;

- в зоне экзотермических реакций (1100–1300 °С) идет процесс образования основных клинкерных минералов (2CaOSiO₂, 3СаОA1₂O₃, 4CaOA1₂O₃Fe₂O₃);

- в зоне спекания при температуре более 1300–1450 °С в образующейся жидкой фазе происходит образование главного минерала цементного клинкера – алита (3CaOSiO2);

- в зоне охлаждения раскаленный клинкер охлаждается в колосниковых холодильниках до температуры 50–200 °С и направляется на склад.

На складе вылеживается две недели. При этом свободная известь гасится влагой, содержащейся в воздухе, выделяется большое количество тепла и клинкер становится более рыхлым, что облегчает его помол. Измельчение клинкера (помол) производится в трубных многокамерных мельницах. Добавки измельчаются вместе с клинкером (совместный помол) или раздельно, а затем смешиваются с клинкерным материалом.

Сухой способ производства цемента отличается тем, что сырьевые материалы влажностью 10 % после предварительного дробления сразу измельчаются на шаровых мельницах. Полученные порошкообразные компоненты тщательно смешиваются в смесителях, и после корректирования и усреднения до заданного химического состава смесь подается во вращающуюся печь на обжиг.

Каждый из способов производства цемента имеет свои достоинства и недостатки. Так, при мокром способе в присутствии воды облегчается измельчение материалов, проще достигается однородность смеси, надежнее и удобнее транспортировка шлама, лучшие санитарно-гигиенические условия труда. Но при этом расход тепла на обжиг смеси на 30–40 % больше, чем при сухом способе, необходима бóльшая рабочая вместимость печи, так как в ней происходит испарение воды из шлама.

В мировой практике наметилась тенденция к переводу предприятий, работающих по мокрому способу производства цемента, на сухой. Основное преимущество этого способа – снижение расхода теплоты на обжиг клинкера (до 3,4–5 МДж/кг по сравнению с 5,8–6,7 МДж/кг при мокром способе). Однако усложняется оборудование, процесс корректировки состава шихты, повышается расход электроэнергии. Капитальные затраты на сооружение завода на 5–10 % меньше, чем завода той же мощности, работающего по мокрому способу; за счет экономии топлива снижаются на 2,5–5 % годовые эксплуатационные затраты.