Co je cementárna?

VSI  Cementový mlýn  (nebo  dokončovací mlýn  v Severní Americe ^[1] ) je zařízení používané k mletí tvrdého, nodulárního slínku z cementářské pece na jemný šedý prášek, kterým je cement. Většina cementu se v současnosti mele v kulových mlýnech a také vertikálních válcových mlýnech, které jsou účinnější než kulové mlýny.

Dějiny

Rané hydraulické cementy, jako byly cementy Jamese Parkera, Jamese Frosta a Josepha Aspdina, byly relativně měkké a snadno mleté ​​tehdejší primitivní technologií s použitím plochých mlýnských kamenů. Vznik portlandského cementu ve 40. letech 19. století značně ztížil mletí, protože slínek vyrobený v peci je často stejně tvrdý jako materiál mlýnského kamene. Z tohoto důvodu se cement nadále mlel velmi nahrubo (typicky 20 % nad 100 μm průměru částic), dokud nebyla k dispozici lepší technologie mletí. Kromě výroby nereaktivního cementu s pomalým růstem pevnosti to prohloubilo problém nepevnosti. Tato pozdní, rušivá expanze je způsobena hydratací velkých částic oxidu vápenatého. Jemné mletí tento efekt snižuje a rané cementy musely být skladovány několik měsíců, aby oxid vápenatý získal čas na hydrataci, než bude vhodný k prodeji. Od roku 1885 vedl vývoj specializované oceli k vývoji nových forem mlecího zařízení a od tohoto bodu začala typická jemnost cementu neustále stoupat. Progresivní snižování podílu větších, nereaktivních částic cementu bylo částečně zodpovědné za čtyřnásobné zvýšení pevnosti portlandského cementu během dvacátého století.^[2]  Nedávná historie technologie se zabývala především snižováním energetické náročnosti procesu broušení.

Materiály mleté

Portlandský slínek je hlavní složkou většiny cementů. Do portlandského cementu se přidává trochu síranu vápenatého (typicky 3-10 %), aby se zpomalila hydratace trikalciumhlinitanu. Síran vápenatý může sestávat z přírodní sádry, anhydritu nebo syntetických odpadů, jako je sádra z odsíření spalin. Kromě toho může být přidáno až 5 % uhličitanu vápenatého a až 1 % dalších minerálů. Je normální přidat určité množství vody a malá množství organických mlecích prostředků a látek zvyšujících výkon. „Smíšené cementy“ a Cementy pro zdivo mohou obsahovat velké přísady (až 40 %) přírodních pucolánů, popílku, vápence, křemičitého úletu nebo metakaolinu. Cement z vysokopecní strusky může obsahovat až 70 % mleté ​​granulované vysokopecní strusky. Viz cement. Sádra a uhličitan vápenatý jsou relativně měkké minerály a rychle se melou na ultrajemné částice. Brusné přísady jsou typicky chemikálie přidávané v množství 0,01-0,03 %, které pokrývají nově vytvořené povrchy rozbitých minerálních částic a zabraňují opětovné aglomeraci. ^[3]  Patří mezi ně 1,2-propandiol, kyselina octová, triethanolamin a lignosulfonáty.

Regulace teploty

Teplo generované při procesu mletí způsobuje, že sádra (CaSO ₄.2H ₂O) ztrácí vodu, tvoří se basanit (CaSO ₄.0,2-0,7H ₂O) nebo γ-anhydrit (CaSO ₄.~0,05H ₂O). Posledně jmenované minerály jsou rychle rozpustné a asi 2 % z nich v cementu je zapotřebí k řízení hydratace hlinitanu vápenatého. Pokud se vytvoří více než toto množství, krystalizace sádry při jejich rehydrataci způsobí „falešné tuhnutí“ – náhlé zhoustnutí cementové směsi několik minut po smíchání, která při opětovném promíchání řídne. To způsobuje vysoká teplota mletí. Na druhou stranu, pokud je teplota mletí příliš nízká, není k dispozici dostatek rychle rozpustného síranu, což způsobuje „blesk tuhnutí“ – nevratné ztuhnutí směsi. Získání optimálního množství rychle rozpustného síranu vyžaduje mletí s výstupní teplotou mlýna v rozmezí několika stupňů 115 °C. Tam, kde je mlecí systém příliš horký, používají někteří výrobci 2,5 % sádry a zbývající síran vápenatý jako přírodní α-anhydrit (CaSO ₄). Úplnou dehydratací této směsi se získá optimální 2% γ-anhydrit. V případě některých výkonných moderních mlýnů vzniká nedostatečné teplo. To je korigováno recirkulací části horkého odpadního vzduchu do vstupu mlýna.

Kulové mlýny[editovat]

Kulový mlýn je vodorovný válec částečně naplněný ocelovými kuličkami (nebo příležitostně jinými tvary), který se otáčí kolem své osy a uděluje kuličkám omílání a kaskádové působení. Materiál přiváděný do mlýna se drtí nárazem a drtí otěrem mezi kuličkami. Brusná média jsou obvykle vyrobena z vysoce chromové oceli. Menší stupně jsou příležitostně válcové ("pebs") spíše než kulové. Existuje rychlost rotace („kritická rychlost“), při které by obsah mlýna jednoduše přeletěl přes střechu mlýna kvůli odstředivému působení. Kritická rychlost (ot/min) je dána vztahem:  n _C  = 42,29/√ d , kde  d je vnitřní průměr v metrech. Kulové mlýny jsou běžně provozovány při přibližně 75 % kritické rychlosti, takže mlýn o průměru 5 metrů se bude otáčet rychlostí přibližně 14 otáček za minutu.

Mlýn je obvykle rozdělen na minimálně dvě komory (i když to závisí na velikosti vstupního vstupu – mlýny včetně válcového lisu jsou většinou jednokomorové), což umožňuje použití různých velikostí mlecích médií. Velké kuličky se používají na vstupu k drcení uzlů slínku (které mohou mít průměr přes 25 mm). Průměr kuličky je zde v rozmezí 60–80 mm. Ve dvoukomorovém mlýnu jsou média ve druhé komoře typicky v rozsahu 15–40 mm, i když se někdy vyskytují média až do 5 mm. Obecně platí, že velikost média musí odpovídat velikosti mletého materiálu: velká média nemohou produkovat ultrajemné částice požadované v hotovém cementu, ale malá média nemohou rozbít velké částice slínku. Kdysi se používaly mlýny s až čtyřmi komorami, které umožňovaly těsné oddělení velikostí médií, ale to se nyní stává vzácností. Alternativy k vícekomorovým mlýnům jsou:

• páry mlýnů, běžící v tandemu, naplněné médii různé velikosti.
• použití alternativní technologie (viz Válcové lisy níže) k drcení slínku před jemným mletím v kulovém mlýnu.

Mlýnem prochází proud vzduchu. To pomáhá udržovat mlýn chladný a odstraňuje odpařenou vlhkost, která by jinak způsobila hydrataci a narušila tok materiálu. Zaprášený odpadní vzduch se čistí, obvykle pomocí hadicových filtrů.

Systémy s uzavřeným okruhem[editovat]

Účinnost raných fází mletí v kulovém mlýnu je mnohem vyšší než u tvorby ultrajemných částic, takže kulové mlýny pracují nejúčinněji tím, že vytvářejí hrubý produkt, z něhož se pak oddělují jemné frakce a hrubá část se vrací do vtoku mlýna. Podíl materiálu na výstupu z mlýna vráceného do vstupu se může lišit od 10-30%, když se mele běžný cement, do 85-95% u extrémně jemných cementových produktů. Pro účinnost systému je důležité, aby se do vstupu vracelo minimální množství materiálu o jemnosti hotového výrobku. Moderní separátory jsou schopny zhotovit velmi přesný rozměrový „řez“ a významně přispívají ke snížení spotřeby energie a mají další výhodu v tom, že chladí jak produkt, tak vracený materiál, čímž minimalizují přehřívání.

Efektivní systémy s uzavřeným okruhem díky jejich těsné kontrole velikosti částic vedou k cementům s relativně úzkým rozdělením velikosti částic (tj. pro danou střední velikost částic mají méně velkých a malých částic). To je výhodné v tom, že to maximalizuje pevnostně-produkční potenciál slínku, protože velké částice jsou inertní. Obecně platí, že v betonu hydratuje pouze vnější 7 μm „slupka“ každé částice, takže jakákoli částice s průměrem nad 14 μm vždy zanechá nezreagované jádro. Nevýhodou však může být nedostatek ultrajemných částic. Tyto částice normálně zaplňují prostory mezi většími částicemi v cementové pastě, a pokud chybí, je nedostatek doplněn další vodou, což vede k nižší pevnosti. To lze napravit přidáním 5% uhličitanu vápenatého do cementu: tento měkký minerál vytváří při prvním průchodu mlýnem adekvátní ultrajemné.

 

Typická spotřeba energie mlýna pro různé stupně jemnosti. Skutečné hodnoty se liší podle účinnosti mlýnského systému a tvrdosti slínku.

Spotřeba a výdej energie

Tvrdost slínku

Tvrdost slínku je důležitá pro energetické náklady procesu mletí. Závisí to jak na minerálním složení slínku, tak na jeho tepelné historii. Nejsnáze mletým slínkovým minerálem je alit, takže vysoce alitové slínky snižují náklady na mletí, i když jejich výroba v peci je dražší. Nejhouževnatější minerál je belit, protože je tvrdší a poněkud plastický, takže krystaly mají tendenci se při nárazu do mlýna spíše zplošťovat, než rozbíjet. Důležitý je také způsob vypalování slínku. Slínek rychle vypálený při minimální teplotě pro kombinaci, poté rychle ochlazený, obsahuje malé, vadné krystaly, které se snadno melou. Tyto krystaly jsou obvykle také optimální pro reaktivitu. Na druhou stranu dlouhé hoření při nadměrné teplotě a pomalé chlazení vedou k velkým, dobře tvarovaným krystalům, které se obtížně brousí a nereagují. Účinek takového slínku může zdvojnásobit náklady na mletí.

Válcové mlýny

Ty se již řadu let používají pro méně náročný proces mletí surovin, ale v poslední době se pro mletí cementu používají válcové mlýny v kombinaci s vysoce účinnými separátory. Mlecí činnost zatěžuje materiál mnohem více než v kulovém mlýnu, a proto je účinnější. Spotřeba energie je obvykle poloviční ve srovnání s kulovým mlýnem. Avšak úzká distribuce velikosti částic cementu je problematická a tento proces se ještě musí široce přijmout.

Vysokotlaké válcové lisy

Ty se skládají z dvojice válců umístěných 8–30 mm od sebe a rotujících protiběžně s obvodovou rychlostí kolem 0,9 – 1,8 ms ⁻¹ . Ložiska válečků jsou navržena tak, aby dodávala tlak 50 MPa nebo více. Lůžko materiálu tažené mezi válci vystupuje jako deskovitá aglomerace vysoce rozbitých částic. Energetická účinnost tohoto procesu je poměrně vysoká. Byly navrženy systémy, včetně deaglomerátoru a separátoru, které budou dodávat materiál cementové jemnosti. Problémem je však opět distribuce velikosti částic a válcové lisy jsou nyní stále populárnější jako proces „předemletí“, kdy cement je hotov v jednokomorovém kulovém mlýnu. To poskytuje dobrý výkon cementu a snižuje spotřebu energie o 20–40 % ve srovnání se standardním systémem kulových mlýnů.

Kapacita cementáren

Cementové mlýny v cementárně jsou obvykle dimenzovány na spotřebu slínku podstatně větší, než je výkon pecí závodu. Je to ze dvou důvodů:

• Tyto mlýny jsou dimenzovány tak, aby zvládly špičky v tržní poptávce po cementu. V zemích mírného pásma je letní poptávka po cementu obvykle mnohem vyšší než v zimě. Přebytečný slínek vyrobený v zimě jde do skladu připravený na letní špičky poptávky. Z tohoto důvodu mají závody s vysoce sezónní poptávkou obvykle velmi velké sklady slínku.
• Mletí cementu je největším uživatelem elektrické energie v cementárně, a protože je lze snadno spustit a zastavit, často se vyplatí provozovat cementárny pouze v obdobích „mimo špičky“, kdy je k dispozici levnější energie. To je výhodné i pro výrobce elektřiny, kteří mohou sjednávat ceny elektřiny s velkými uživateli, aby vyrovnali svou výrobní kapacitu během 24 hodin. Často se používají sofistikovanější uspořádání, jako je „vypouštění energie“. To spočívá v tom, že výrobce cementu zavře závod v krátké době, když dodavatel elektřiny očekává kritický vrchol poptávky, výměnou za příznivé ceny. Je zřejmé, že k „dohnání“ po takových přerušeních je zapotřebí spousta přebytečné kapacity mletí cementu.

Kontrola kvality produktu

Kromě řízení teploty (uvedené výše) je hlavním požadavkem dosažení konzistentní jemnosti produktu. Od nejstarších dob se jemnost měřila proséváním cementu. Jak se cementy staly jemnějšími, je použití sít méně použitelné, ale množství zadržené na sítu 45 μm se stále měří, obvykle proséváním vzduchem nebo mokrým proséváním. Množství procházející tímto sítem (typicky 95 % u moderních cementů pro všeobecné použití) souvisí s celkovým potenciálem vývoje pevnosti cementu, protože větší částice jsou v podstatě nereaktivní.

Hlavním měřítkem jemnosti je dnes specifický povrch. Protože částice cementu na svém povrchu reagují s vodou, specifický povrch přímo souvisí s počáteční reaktivitou cementu. Úpravou jemnosti mletí může výroba z jednoho slínku vyrábět řadu výrobků. Přísná kontrola jemnosti je nezbytná pro získání cementu s požadovaným konzistentním každodenním výkonem, takže se na cementu při jeho výrobě provádějí nepřetržitá měření a rychlost posuvu mlýna a nastavení separátoru se přizpůsobí udržovat konstantní specifický povrch.

Komplexnější obrázek o jemnosti poskytuje analýza velikosti částic, která poskytuje míru množství každého přítomného rozsahu velikostí, od submikrometrů výše. Dříve to byl hlavně výzkumný nástroj, ale s příchodem levných, industrializovaných laserových difrakčních analyzátorů se jeho použití pro rutinní ovládání stává stále častějším. To může mít podobu stolního analyzátoru, do kterého se vkládají automaticky odebrané vzorky v robotizované laboratoři, nebo stále častěji nástroje připojené přímo k výstupním potrubím mlýna. V obou případech mohou být výsledky přiváděny přímo do řídicího systému mlýna, což umožňuje úplnou automatizaci řízení jemnosti.

Kromě jemnosti musí být kontrolovány přidané materiály v cementu. V případě přidávání sádry má použitý materiál často proměnlivou kvalitu a je běžnou praxí pravidelně měřit obsah síranů v cementu, typicky rentgenovou fluorescencí, s použitím výsledků k úpravě rychlosti dávkování sádry. Tento proces je opět často zcela automatizovaný. Podobné protokoly měření a kontroly jsou aplikovány na další přidané materiály, jako je vápenec, struska a popílek.

Mr. Nick Sun   [email protected]