시멘트 공장이란 무엇입니까?

A 시멘트 분쇄기  (또는  분쇄기  in North American usage^[1] ) is the equipment used to grind the hard, nodular clinker from the cement kiln into the fine grey powder that is cement. Most cement is currently ground in ball mills and also vertical roller mills which are more effective than ball mills.

역사

James Parker, James Frost 및 Joseph Aspdin과 같은 초기 수경 시멘트는 평평한 맷돌을 사용하는 당시의 원시 기술에 의해 비교적 부드럽고 쉽게 분쇄되었습니다. 1840년대 포틀랜드 시멘트의 등장으로 분쇄가 훨씬 더 어려워졌습니다. 가마에서 생산되는 클링커는 종종 맷돌 재료만큼 단단하기 때문입니다. 이 때문에 시멘트는 더 나은 연마 기술을 사용할 수 있을 때까지 계속해서 매우 거칠게(100μm 입자 직경 이상 20%) 연마되었습니다. 이것은 강도 성장이 느린 미반응 시멘트를 생산하는 것 외에도 불건전한 문제를 악화시켰습니다. 이 늦은 파괴적인 팽창은 산화칼슘의 큰 입자의 수화로 인해 발생합니다. 미세 분쇄는 이러한 효과를 감소시키며, 초기 시멘트는 판매에 적합하기 전에 산화칼슘이 수화될 시간을 주기 위해 몇 달 동안 저장해야 했습니다. 1885년 이후 특수강의 발달로 새로운 형태의 연마 장비가 개발되었으며, 이때부터 시멘트의 전형적인 입도가 꾸준히 상승하기 시작했습니다. 20세기 동안 포틀랜드 시멘트 강도의 4배 증가는 더 크고 비반응성인 시멘트 입자 비율의 점진적인 감소가 부분적으로 원인이 되었습니다.^[2]  최근 기술의 역사는 주로 연삭 공정의 에너지 소비를 줄이는 데 중점을 두었습니다.

재료 접지

포틀랜드 클링커는 대부분의 시멘트의 주성분입니다. 포틀랜드 시멘트에서는 트리칼슘 알루미네이트의 수화를 지연시키기 위해 약간의 황산칼슘(일반적으로 3-10%)이 첨가됩니다. 황산칼슘은 천연석고, 무수석고 또는 배가스 탈황석고와 같은 합성 폐기물로 구성될 수 있습니다. 또한 최대 5%의 탄산칼슘과 최대 1%의 기타 미네랄을 첨가할 수 있습니다. 일정량의 물과 소량의 유기 분쇄 보조제 및 성능 향상제를 첨가하는 것이 정상입니다. "혼합 시멘트" 및 석조 시멘트에는 천연 포졸란, 비산회, 석회석, 실리카흄 또는 메타카올린을 다량(최대 40%) 첨가할 수 있습니다. 고로 슬래그 시멘트는 최대 70%의 분쇄된 고로 슬래그를 포함할 수 있습니다. 시멘트를 참조하십시오. 석고와 탄산칼슘은 비교적 연한 광물로 빠르게 분쇄되어 초미립자로 됩니다. 연마 보조제는 일반적으로 부서진 광물 입자의 새로 형성된 표면을 코팅하고 재응집을 방지하는 0.01-0.03%의 비율로 첨가되는 화학 물질입니다. ^[3]  1,2-프로판디올, 아세트산, 트리에탄올아민 및 리그노술포네이트가 포함됩니다.

온도 제어

분쇄 과정에서 발생하는 열은 석고(CaSO ₄.2H ₂O)에서 수분을 잃게 하여 바사나이트(CaSO ₄.0.2-0.7H ₂O) 또는 γ-무수석고(CaSO ₄.~0.05H ₂O)를 형성합니다. 후자의 미네랄은 빠르게 용해되며 시멘트에서 이들 중 약 2%는 알루민산삼칼슘 수화를 조절하는 데 필요합니다. 이 양보다 많은 양이 형성되면 재수화 시 석고의 결정화로 인해 "거짓 경화"가 발생합니다. 즉, 혼합 후 몇 분 동안 시멘트 혼합물이 갑자기 두꺼워지다가 재혼합할 때 묽어집니다. 높은 밀링 온도가 원인입니다. 반면에 밀링 온도가 너무 낮으면 빠르게 용해되는 황산염이 충분하지 않아 혼합물이 비가역적으로 굳어지는 "플래시 세트"가 발생합니다. 빠르게 용해되는 황산염의 최적량을 얻으려면 115°C의 몇 도 내에서 분쇄기 출구 온도로 분쇄해야 합니다. 밀링 시스템이 너무 뜨거운 경우 일부 제조업체는 2.5% 석고와 나머지 황산칼슘을 천연 α-무수석고(CaSO ₄)로 사용합니다. 이 혼합물의 완전한 탈수는 최적의 2% γ-무수석고를 생성합니다. 일부 효율적인 현대식 공장의 경우 열이 충분하지 않습니다. 이것은 뜨거운 배기 공기의 일부를 밀 입구로 재순환시켜 수정됩니다.

볼 밀스[ 원본 편집]

볼 밀은 축에서 회전하는 강철 볼(또는 때때로 다른 모양)로 부분적으로 채워진 수평 실린더로 볼에 텀블링 및 계단식 동작을 부여합니다. 밀을 통해 공급된 재료는 충격에 의해 분쇄되고 볼 사이의 마찰에 의해 분쇄됩니다. 연삭 매체는 일반적으로 고크롬강으로 만들어집니다. 더 작은 등급은 때때로 구형이 아니라 원통형("페브")입니다. 원심력 작용으로 인해 압연기의 내용물이 압연기 지붕 위로 단순히 넘어가는 회전 속도("임계 속도")가 있습니다. 임계 속도(rpm)는  n _씨 = 42.29/√ 디여기서  디는 내부 직경(미터)입니다. 볼 밀은 일반적으로 임계 속도의 약 75%에서 작동하므로 직경 5m의 밀은 약 14rpm으로 회전합니다.

분쇄기는 일반적으로 최소 2개의 챔버로 나누어져(피드 입력 크기에 따라 다르지만 롤러 프레스를 포함한 분쇄기는 대부분 단일 챔버임) 다양한 크기의 연삭 매체를 사용할 수 있습니다. 클링커 결절(직경이 25mm 이상일 수 있음)을 부수기 위해 입구에서 큰 볼이 사용됩니다. 여기서 볼 직경은 60-80mm 범위입니다. 2챔버 압연기에서 두 번째 챔버의 매체는 일반적으로 15-40mm 범위에 있지만 때로는 5mm 이하의 매체가 발생하기도 합니다. 일반적으로 매체의 크기는 분쇄되는 재료의 크기와 일치해야 합니다. 큰 매체는 완성된 시멘트에 필요한 초미세 입자를 생성할 수 없지만 작은 매체는 큰 클링커 입자를 부수지 못합니다. 매체 크기를 엄격하게 분리할 수 있는 최대 4개의 챔버가 있는 분쇄기가 한때 사용되었지만 이제는 드물어지고 있습니다. 다중 챔버 분쇄기의 대안은 다음과 같습니다.

• 서로 다른 크기의 매체로 채워진 한 쌍의 밀.
• 볼 밀에서 미세 분쇄하기 전에 클링커를 분쇄하기 위한 대체 기술(아래 롤 프레스 참조)의 사용.

기류가 밀을 통과합니다. 이것은 밀을 시원하게 유지하는 데 도움이 되며, 그렇지 않으면 수화를 유발하고 재료 흐름을 방해할 수 있는 증발된 수분을 제거합니다. 먼지가 많은 배기 공기는 일반적으로 백 필터로 청소됩니다.

폐쇄 회로 시스템[편집]

볼밀은 초미세 입자 형성에 비해 초기 분쇄 효율이 훨씬 높기 때문에 볼밀은 조대 제품을 만든 후 미세 분획을 분리하고 조대 부분을 분리하는 방식으로 가장 효율적으로 작동합니다. 밀 입구로 반환됩니다. 유입구로 반환되는 공장 출구 재료의 비율은 일반 시멘트가 분쇄될 때 10-30%에서 극미세 시멘트 제품의 경우 85-95%까지 다양할 수 있습니다. 완제품 미세도의 재료를 최소한으로 투입구로 돌려보내는 것이 시스템 효율을 위해 중요하다. 최신 분리기는 매우 정확한 크기로 "절단"할 수 있으며 에너지 소비 감소에 크게 기여하며 제품과 반품된 재료를 모두 냉각시켜 과열을 최소화한다는 추가적인 이점이 있습니다.

엄격한 입자 크기 제어로 인해 효율적인 폐쇄 회로 시스템은 비교적 좁은 입자 크기 분포를 갖는 시멘트로 이어집니다(즉, 주어진 평균 입자 크기에 대해 크고 작은 입자가 더 적음). 이것은 큰 입자가 불활성이기 때문에 클링커의 강도 생성 잠재력을 최대화한다는 점에서 유리합니다. 경험에 따르면 각 입자의 외부 7μm "표피"만 콘크리트에서 수화되므로 직경이 14μm를 초과하는 입자는 항상 미반응 코어를 남깁니다. 그러나 초미세 입자가 부족하다는 단점이 있습니다. 이러한 입자는 일반적으로 시멘트 페이스트에서 더 큰 입자 사이의 공간을 채우고, 결핍된 경우 부족한 물이 여분의 물로 채워져 강도가 낮아집니다. 이것은 시멘트에 5% 탄산칼슘을 포함시켜 해결할 수 있습니다. 이 연질 광물은 분쇄기를 처음 통과할 때 적절한 초미립자를 생성합니다.

 

다양한 미세도에 대한 일반적인 분쇄기 전력 소비. 실제 값은 분쇄기 시스템 효율과 클링커 경도에 따라 다릅니다.

에너지 소비 및 출력

클링커 경도

클링커의 경도는 분쇄 공정의 에너지 비용에 중요합니다. 이는 클링커의 광물 구성과 열 이력에 따라 다릅니다. 가장 쉽게 분쇄되는 클링커 광물은 염석(alite)이므로 높은 염석 클링커는 가마에서 만드는 비용이 더 많이 들지만 분쇄 비용을 줄입니다. 가장 단단한 광물은 벨라이트(belite)인데, 그 이유는 더 단단하고 다소 플라스틱이어서 분쇄기에 충격을 가했을 때 결정이 부서지기보다 납작해지는 경향이 있기 때문입니다. 클링커의 연소 방식도 중요합니다. 클링커는 조합을 위한 최저 온도에서 빠르게 연소된 후 급속 냉각되며 쉽게 갈리는 작고 결함이 있는 결정을 포함합니다. 이러한 결정은 일반적으로 반응성에도 최적입니다. 반면에 과도한 온도에서 장시간 연소하고 천천히 냉각하면 분쇄하기 어렵고 반응성이 없는 크고 잘 형성된 결정이 생성됩니다. 이러한 클링커의 효과는 밀링 비용을 두 배로 늘릴 수 있습니다.

롤러 밀

이들은 덜 정밀한 원시 밀링 공정에 수년 동안 사용되었지만 최근에는 고효율 분리기와 함께 롤러 밀이 시멘트 분쇄에 사용되었습니다. 연삭 작업은 볼 밀보다 재료에 훨씬 더 큰 응력을 가하므로 더 효율적입니다. 에너지 소비는 일반적으로 볼 밀의 절반입니다. 그러나 시멘트의 입도분포가 협소하다는 문제가 있어 아직까지 공정이 폭넓게 수용되지 못하고 있다.

고압 롤 프레스

이들은 8-30mm 간격으로 설정되고 약 0.9-1.8ms- ^{1 의 표면 속도로 역회전하는 한 쌍의 롤러로 구성됩니다} . 롤러의 베어링은 50MPa 이상의 압력을 전달하도록 설계되었습니다. 롤러 사이에 끌어당겨진 재료 층은 매우 부서진 입자의 슬래브 같은 덩어리로 나타납니다. 이 공정의 에너지 효율은 비교적 높습니다. 시멘트 입자의 물질을 전달하는 탈응집기 및 분리기를 포함한 시스템이 설계되었습니다. 그러나 입자 크기 분포가 다시 문제이며 단일 챔버 볼 밀에서 시멘트를 마감하는 "사전 분쇄" 공정으로 롤 프레스가 점점 인기를 얻고 있습니다. 이것은 우수한 시멘트 성능을 제공하고 표준 볼 밀 시스템에 비해 에너지 소비를 20-40% 줄입니다.

시멘트 공장의 용량

시멘트 공장의 시멘트 공장은 일반적으로 공장 가마의 생산량보다 훨씬 더 많은 클링커 소비에 적합한 크기입니다. 이것은 두 가지 이유 때문입니다.

• 공장은 시멘트에 대한 시장 수요의 피크에 대처할 수 있는 크기입니다. 온대 국가에서 시멘트에 대한 여름 수요는 일반적으로 겨울보다 훨씬 높습니다. 겨울에 생산된 잉여 클링커는 여름 수요 피크에 대비하여 저장소에 보관됩니다. 이러한 이유로 계절적 수요가 많은 공장에는 일반적으로 매우 큰 클링커 매장이 있습니다.
• 시멘트 밀링은 시멘트 공장에서 가장 큰 전력 사용자이며 쉽게 시작 및 중지할 수 있기 때문에 더 저렴한 전력을 사용할 수 있는 "피크" 기간에만 시멘트 공장을 운영하는 것이 좋습니다. 이는 24시간 동안 발전 용량의 균형을 맞추기 위해 주요 사용자와 전력 가격을 협상할 수 있는 전력 생산자에게도 유리합니다. "파워 셰딩(power shedding)"과 같은 보다 정교한 장치가 종종 사용됩니다. 이는 시멘트 제조업체가 유리한 가격에 대한 대가로 전력 공급업체가 임계 수요 피크를 예상할 때 단기간에 공장을 폐쇄하는 것으로 구성됩니다. 분명히, 그러한 중단 후에 "따라잡기" 위해서는 과도한 시멘트 밀링 용량이 필요합니다.

제품 품질 관리

온도 제어(위에서 언급) 외에도 주요 요구 사항은 제품의 일관된 미세도를 얻는 것입니다. 초창기부터 시멘트를 체질하여 입도를 측정하였다. 시멘트가 미세해짐에 따라 체의 사용은 덜 적용되지만 45μm 체에 남아 있는 양은 여전히 ​​일반적으로 에어젯 체질 또는 습식 체질로 측정됩니다. 이 체를 통과하는 양(현대 범용 시멘트의 경우 일반적으로 95%)은 시멘트의 전체 강도 개발 잠재력과 관련이 있습니다. 왜냐하면 더 큰 입자는 본질적으로 반응성이 없기 때문입니다.

오늘날 섬도의 주요 척도는 비표면적입니다. 시멘트 입자는 표면에서 물과 반응하기 때문에 비표면적은 시멘트의 초기 반응성과 직접적인 관련이 있습니다. 분쇄도를 조정하여 단일 클링커에서 다양한 제품을 생산할 수 있습니다. 원하는 일관성 있는 일상적인 성능을 가진 시멘트를 얻으려면 미세도를 엄격하게 제어해야 하므로 시멘트가 생산될 때 시멘트에 대해 24시간 측정이 이루어지며 분쇄기 공급 속도와 분리기 설정이 다음과 같이 조정됩니다. 일정한 비표면을 유지하십시오.

입자 크기 분석을 통해 미세도에 대한 보다 포괄적인 그림을 얻을 수 있으며, 서브 마이크로미터 이상에서 존재하는 각 크기 범위의 양을 측정할 수 있습니다. 이것은 주로 연구 도구였습니다. 그러나 값싸고 산업화된 레이저 회절 분석기의 출현으로 일상적인 제어에 사용되는 빈도가 증가하고 있습니다. 이것은 로봇 실험실에서 자동으로 수집된 샘플과 함께 공급되는 탁상형 분석기의 형태를 취하거나 점점 더 일반적으로 공장의 출력 덕트에 직접 부착된 기기의 형태를 취할 수 있습니다. 두 경우 모두 결과를 분쇄기 제어 시스템에 직접 입력할 수 있으므로 미세도 제어를 완전히 자동화할 수 있습니다.

미세함 외에도 시멘트에 첨가되는 재료를 제어해야 합니다. 석고 첨가의 경우 사용되는 재료는 품질이 다양한 경우가 많으며 석고 공급 속도를 조정하기 위해 결과를 사용하여 일반적으로 X선 형광으로 시멘트의 황산염 함량을 정기적으로 측정하는 것이 일반적입니다. 다시 말하지만, 이 프로세스는 종종 완전히 자동화됩니다. 석회석, 슬래그 및 비산회와 같은 추가 재료에도 유사한 측정 및 제어 프로토콜이 적용됩니다.

Mr. Nick Sun   [email protected]