Что такое цементный завод?

Дробильная  цементная мельница или  чистовая мельница  в Северной Америке ^[1] ) — это оборудование, используемое для измельчения твердого шаровидного клинкера из цементной печи в мелкий серый порошок, который и является цементом. Большая часть цемента в настоящее время измельчается в шаровых мельницах, а также в вертикальных валковых мельницах, которые более эффективны, чем шаровые мельницы.

История

Ранние гидравлические цементы, такие как цементы Джеймса Паркера, Джеймса Фроста и Джозефа Аспдина, были относительно мягкими и легко измельчались с помощью примитивной технологии того времени с использованием плоских жерновов. Появление портландцемента в 1840-х годах значительно усложнило помол, потому что клинкер, производимый в печи, часто такой же твердый, как материал жернова. Из-за этого цемент продолжали измельчать очень грубо (обычно 20% частиц диаметром более 100 мкм) до тех пор, пока не стала доступна более совершенная технология измельчения. Помимо производства нереакционноспособного цемента с медленным набором прочности, это усугубило проблему несостоятельности. Это позднее разрушительное расширение вызвано гидратацией крупных частиц оксида кальция. Тонкий помол уменьшает этот эффект, и ранние цементы должны были храниться в течение нескольких месяцев, чтобы дать время гидратации оксида кальция, прежде чем он был пригоден для продажи. Начиная с 1885 г. разработка специализированной стали привела к разработке новых форм измельчительного оборудования, и с этого момента типичная крупность цемента начала неуклонно расти. Постепенное уменьшение доли более крупных нереакционноспособных частиц цемента частично обусловило четырехкратное увеличение прочности портландцемента в двадцатом веке.^[2]  Недавняя история технологии была в основном связана с уменьшением потребления энергии в процессе измельчения.

Материалы грунт

Портландклинкер является основным компонентом большинства цементов. В портландцемент добавляют немного сульфата кальция (обычно 3-10%), чтобы замедлить гидратацию трехкальциевого алюмината. Сульфат кальция может состоять из природного гипса, ангидрита или синтетических отходов, таких как гипс обессеривания дымовых газов. Кроме того, может быть добавлено до 5% карбоната кальция и до 1% других минералов. Обычно добавляют определенное количество воды и небольшое количество органических добавок и усилителей производительности. «Смешанные цементы» и кладочные цементы могут включать большие добавки (до 40%) природных пуццоланов, летучей золы, известняка, микрокремнезема или метакаолина. В состав доменного шлакового цемента может входить до 70 % измельченного гранулированного доменного шлака. См. цемент. Гипс и карбонат кальция являются относительно мягкими минералами и быстро измельчаются до ультратонких частиц. Шлифовальные добавки обычно представляют собой химические вещества, добавляемые в количестве 0,01-0,03%, которые покрывают новообразованные поверхности измельченных минеральных частиц и предотвращают повторную агломерацию. ^[3]  Они включают 1,2-пропандиол, уксусную кислоту, триэтаноламин и лигносульфонаты.

Контроль температуры

Тепло, выделяющееся в процессе измельчения, приводит к тому, что гипс (CaSO ₄·2H ₂O) теряет воду, образуя бассанит (CaSO ₄·0,2-0,7H ₂O) или γ-ангидрит (CaSO ₄·~0,05H ₂O). Последние минералы быстро растворимы, и около 2% их в цементе необходимо для контроля гидратации трехкальциевого алюмината. Если образуется больше этого количества, то кристаллизация гипса при их повторной гидратации вызывает «ложное схватывание» – внезапное загустевание цементной смеси через несколько минут после затворения, которое при повторном замешивании утончается. Причиной этого является высокая температура измельчения. С другой стороны, при слишком низкой температуре помола имеется недостаточное количество быстрорастворимого сульфата, что вызывает «мгновенное схватывание» – необратимое загустевание смеси. Для получения оптимального количества быстрорастворимого сульфата требуется помол с температурой на выходе из мельницы в пределах нескольких градусов от 115 °С. Там, где система помола слишком горячая, некоторые производители используют 2,5% гипса и оставшийся сульфат кальция в качестве природного α-ангидрита (CaSO ₄). Полная дегидратация этой смеси дает оптимальный 2% γ-ангидрит. В случае некоторых эффективных современных мельниц вырабатывается недостаточно тепла. Это исправляется путем рециркуляции части горячего отработанного воздуха на вход мельницы.

Шаровые мельницы

Шаровая мельница представляет собой горизонтальный цилиндр, частично заполненный стальными шарами (или иногда другими формами), который вращается вокруг своей оси, придавая шарам кувыркающееся и каскадное действие. Материал, подаваемый через мельницу, дробится от удара и измельчается за счет истирания между шарами. Мелющие тела обычно изготавливаются из высокохромистой стали. Меньшие сорта иногда имеют цилиндрическую («гальку»), а не сферическую форму. Существует скорость вращения («критическая скорость»), при которой содержимое мельницы просто перелетало бы через крышу мельницы из-за центробежного действия. Критическая скорость (об/мин) определяется по формуле:  n _С = 42,29/√ г, где  г— внутренний диаметр в метрах. Шаровые мельницы обычно работают на скорости около 75% от критической, поэтому мельница диаметром 5 метров будет вращаться со скоростью около 14 об/мин.

Мельница обычно разделена как минимум на две камеры (хотя это зависит от размера подаваемого сырья — мельницы, включая валковый пресс, в основном однокамерные), что позволяет использовать мелющие тела разного размера. На входе используются большие шары для измельчения конкреций клинкера (диаметр которых может превышать 25 мм). Диаметр шара здесь находится в пределах 60–80 мм. В двухкамерной мельнице размер среды во второй камере обычно составляет 15–40 мм, хотя иногда встречаются среды размером до 5 мм. Как правило, размер среды должен соответствовать размеру измельчаемого материала: крупная среда не может производить сверхмелкие частицы, необходимые для готового цемента, а малая среда не может разбить крупные частицы клинкера. Когда-то использовались мельницы с четырьмя камерами, что позволяло точно разделять среды по размерам, но сейчас это становится редкостью. Альтернативами многокамерным мельницам являются:

• пары мельниц, работающих в тандеме, загруженных средами разного размера.
• использование альтернативной технологии (см. Вальцовые прессы ниже) для измельчения клинкера перед его тонким помолом в шаровой мельнице.

Через мельницу проходит поток воздуха. Это помогает поддерживать охлаждение мельницы и удаляет испаряющуюся влагу, которая в противном случае могла бы вызвать гидратацию и нарушить поток материала. Запыленный отработанный воздух очищают, как правило, с помощью рукавных фильтров.

Замкнутые системы

Эффективность начальных стадий измельчения в шаровой мельнице намного выше, чем при образовании сверхмелких частиц, поэтому шаровые мельницы работают наиболее эффективно, получая грубый продукт, от которого затем отделяются мелкие фракции, а крупная часть возвращаются на вход в мельницу. Доля материала на выходе из мельницы, возвращаемого на вход, может варьироваться от 10-30 % при измельчении обычного цемента до 85-95 % при измельчении цемента очень мелкого помола. Для эффективности системы важно, чтобы на вход возвращалось минимальное количество материала крупности готового продукта. Современные сепараторы способны производить очень точную «резку» по размеру и вносят значительный вклад в снижение потребления энергии, а также имеют дополнительное преимущество, состоящее в том, что они охлаждают как продукт, так и возвращаемый материал, минимизируя тем самым перегрев.

Эффективные системы с замкнутым циклом из-за жесткого контроля размера частиц позволяют получать цементы с относительно узким распределением частиц по размерам (т. е. при заданном среднем размере частиц в них меньше крупных и мелких частиц). Это выгодно тем, что максимизирует потенциал прочности клинкера, поскольку крупные частицы инертны. Как правило, в бетоне гидратируется только внешняя «оболочка» каждой частицы толщиной 7 мкм, поэтому любая частица диаметром более 14 мкм всегда оставляет непрореагировавшее ядро. Однако отсутствие ультрамелких частиц может быть недостатком. Эти частицы обычно заполняют промежутки между более крупными частицами в цементном тесте, а в случае их отсутствия дефицит восполняется за счет дополнительной воды, что приводит к снижению прочности. Это можно исправить, включив в цемент 5% карбоната кальция: этот мягкий минерал дает достаточное количество ультратонких частиц при первом проходе через мельницу.

 

Типичная потребляемая мощность мельницы для различных степеней помола. Фактические значения варьируются в зависимости от эффективности мельницы и твердости клинкера.

Энергопотребление и выход

Твердость клинкера

Твердость клинкера важна для энергозатрат процесса измельчения. Это зависит как от минерального состава клинкера, так и от его термической истории. Клинкерный минерал, который легче всего измельчать, - это алит, поэтому клинкеры с высоким содержанием алита снижают затраты на измельчение, хотя их производство в печи обходится дороже. Самым прочным минералом является белит, потому что он тверже и несколько пластичен, так что кристаллы имеют тенденцию сплющиваться, а не разрушаться при ударе в мельнице. Важен и режим обжига клинкера. Клинкер быстро обжигается при минимальной для комбинирования температуре, затем быстро охлаждается, содержит мелкие дефектные кристаллы, которые легко измельчаются. Эти кристаллы обычно также оптимальны по реакционной способности. С другой стороны, длительное горение при избыточной температуре и медленное охлаждение приводят к образованию крупных хорошо сформированных кристаллов, которые трудно измельчить и которые не вступают в реакцию. Эффект от такого клинкера может удвоить затраты на помол.

Вальцовые мельницы

Они использовались в течение многих лет для менее требовательного процесса помола сырья, но в последнее время валковые мельницы в сочетании с высокоэффективными сепараторами стали использоваться для помола цемента. При измельчении материал подвергается гораздо большей нагрузке, чем в шаровой мельнице, и поэтому он более эффективен. Потребление энергии обычно вдвое меньше, чем у шаровой мельницы. Однако узость гранулометрического состава цемента создает проблемы, и этот процесс еще не получил широкого распространения.

Валковые прессы высокого давления

Они состоят из пары роликов, расположенных на расстоянии 8–30 мм друг от друга и вращающихся в противоположных направлениях со скоростью поверхности около 0,9–1,8 м/ ^с . Подшипники роликов рассчитаны на давление 50 МПа и более. Слой материала, протянутого между валками, представляет собой плитообразную агломерацию сильно раздробленных частиц. Энергоэффективность этого процесса сравнительно высока. Были разработаны системы, в том числе деагломератор и сепаратор, которые будут подавать материал цементной крупности. Тем не менее, распределение частиц по размерам снова является проблемой, и валковые прессы в настоящее время становятся все более популярными в качестве процесса «предварительного измельчения», при котором цемент обрабатывается в однокамерной шаровой мельнице. Это обеспечивает хорошие характеристики цемента и снижает потребление энергии на 20-40% по сравнению со стандартной системой шаровой мельницы.

Мощность цементных заводов

Цементные мельницы на цементном заводе обычно рассчитаны на расход клинкера, значительно превышающий производительность заводских печей. Это по двум причинам:

• Размеры заводов позволяют справиться с пиками рыночного спроса на цемент. В странах с умеренным климатом спрос на цемент летом обычно намного выше, чем зимой. Излишки клинкера, произведенного зимой, отправляются на склад для подготовки к летнему пиковому спросу. По этой причине заводы с высоким сезонным спросом обычно имеют очень большие запасы клинкера.
• Цементные мельницы являются крупнейшим потребителем электроэнергии на цементном заводе, и, поскольку их можно легко запустить и остановить, часто выгодно эксплуатировать цементные мельницы только в периоды «непиковой нагрузки», когда доступна более дешевая электроэнергия. Это также выгодно для производителей электроэнергии, которые могут договариваться о ценах на электроэнергию с крупными потребителями, чтобы сбалансировать свои генерирующие мощности в течение 24 часов. Часто используются более сложные механизмы, такие как «распределение мощности». Это заключается в том, что производитель цемента закрывает завод в короткие сроки, когда поставщик электроэнергии ожидает критического пика спроса в обмен на благоприятные цены. Понятно, что для того, чтобы «наверстать упущенное» после таких перерывов, необходимо много избыточных мощностей по размолу цемента.

Контроль качества продукции

Помимо контроля температуры (упомянутого выше), основным требованием является получение стабильной крупности продукта. С самых ранних времен тонкость измерялась путем просеивания цемента. Поскольку цементы стали мельче, использование сит стало менее применимым, но количество, оставшееся на сите 45 мкм, по-прежнему измеряется, обычно с помощью воздушно-струйного или мокрого просеивания. Количество, проходящее через это сито (обычно 95% в современных цементах общего назначения), связано с общим потенциалом набора прочности цемента, поскольку более крупные частицы практически не вступают в реакцию.

Основной мерой крупности на сегодняшний день является удельная поверхность. Поскольку частицы цемента реагируют с водой на своей поверхности, удельная площадь поверхности напрямую связана с начальной реакционной способностью цемента. Регулируя тонкость помола, производство может производить целый ряд продуктов из одного клинкера. Для получения цемента с требуемыми стабильными ежедневными характеристиками необходим жесткий контроль тонкости помола, поэтому производятся круглосуточные измерения цемента по мере его производства, а скорость подачи мельницы и настройки сепаратора регулируются в соответствии с заданными параметрами. поддерживать постоянную удельную поверхность.

Более полную картину крупности дает анализ размера частиц, который дает меру количества присутствующих частиц каждого диапазона размеров от субмикрометра и выше. Раньше это был в основном исследовательский инструмент, но с появлением дешевых промышленных лазерных дифрактометров его использование для рутинного контроля становится все более частым. Это может быть настольный анализатор, на который загружаются автоматически собранные образцы в роботизированной лаборатории, или, что все чаще, инструменты, прикрепленные непосредственно к выходным каналам мельницы. В любом случае результаты могут быть переданы непосредственно в систему управления мельницей, что позволяет полностью автоматизировать контроль тонкости помола.

В дополнение к крупности необходимо контролировать добавленные в цемент материалы. В случае добавления гипса используемый материал часто бывает разного качества, и обычной практикой является регулярное измерение содержания сульфатов в цементе, как правило, с помощью рентгеновской флуоресценции, с использованием результатов для корректировки скорости подачи гипса. Опять же, этот процесс часто полностью автоматизирован. Аналогичные протоколы измерения и контроля применяются к другим добавляемым материалам, таким как известняк, шлак и летучая зола.

Mr. Nick Sun   [email protected]