Введение
Цементами называют искусственные, порошкообразные вяжущие материалы, которые при взаимодействии с водой, с водными растворами солей или другими жидкостями образовывают пластичную массу, которая со временем затвердевает и превращается в прочное камневидное тело – цементный камень.
Первым природным вяжущим была глина. Глина и жирная земля после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность. Однако в виду низких потребительских качеств данных материалов (с использованием глины возводились постройки, не требующие значительной прочности) – люди занимались поиском более совершенных вяжущих.
Известь является древнейшим искусственным минеральным вяжущим веществом после гипса, есть сведения, что египтяне использовали смешанные известково-гипсовые растворы при строительстве пирамид. Однако гипс долгое время не терял своих позиций – вследствии меньшей энергоёмкости при производстве, в том же Египте топливо было чрезвычайно дефицитным.
Впервые широко известь стала применяться в Греции для облицовочных работ и в гидротехнических сооружениях
Римляне развили строительное искусство, оставив после себя знаменитые памятники древнего мира. Римляне так же составили первые рекомендации по изготовлению и применению известковых растворов.
В Англии в 1796 году Джеймсом Паркером было получено гидравлическое вяжущее вещество – романцемент – измельченный продукт обжига природных мергелей. Примерно до середины XIX века романцемент был основным вяжущим веществом, применяемым в гидротехническом строительстве.
В Росси изобретателеп цемента считается военный инженер Егор Челиев. В 1822 г. в Петербурге вышла книга Е.Г. Челиева «Трактат об искусстве приготовлять хорошие строительные растворы», а в 1825 году книга «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мергель или цемент, весьма прочный для подводных строений».
В 1824 году Джозеф Aспдин, британский каменщик, получил патент на «Усовершенствованный способ производства искусственного камня», который он создал на собственной кухне. Aспдин назвал полученный продукт – портландцементом, потому что при производстве он использовал камни с карьера, который находился на острове Портланд.
Среди строительных материалов цементу принадлежит ведущее место. В современной строительной практике цемент применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, и др. Цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы. Наша страна занимает ведущее место в мире по производству цемента, строительной извести, сборного железобетона, листовых асбестоцементных изделий и труб, оконного стекла.
Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используют следующие основные меры:
1) регулирование минерального состава и структуры цементного клинкера, оказывающего решающее влияние на все строительно-технические свойства цемента;
2) введение минеральных и органических добавок позволяющих направленно изменять свойства вяжущего, экономить клинкер, уменьшать расход цемента в бетоне;
3) оптимизацию тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на скорость твердения, активность, тепловыделение и другие свойства цемента.
1. Расчет состава сырьевой шихты и клинкера
Химический состав исходного материала, %
Компонент
Естеств. влажность
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
Ппп
Сумма
Известняк
13,4
7,57
1,94
1,14
47,41
1,68
0,58
39,03
99,35
Глина
20,1
49,74
15,08
4,55
10,14
3,89
0,28
12,78
96,46
k1 =100/99,35=1,0065;
k2 =100/96,46=1,0367
nизв= SiO2/ (Al2O3+ Fe2O3)= 7,57/ (1,94+1,14)= 2,46
nглина= SiO2/ (Al2O3+ Fe2O3) =49,74/ (15,08+4,55)= 2,53
ризв= Al2O3/ Fe2O3 =1,94/1,14= 1,7
рглина= Al2O3/ Fe2O3= 15,08/4,55= 3,31
Перерасчет сырьевой смеси на 100%
Компонент
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
Ппп
Сумма
Известняк
7,62
1,95
1,15
47,72
1,69
0,58
39,28
100,00
Глина
51,56
15,63
4,72
10,51
4,03
0,29
13,25
100,00
Определяем соотношение между двумя сырьевыми компонентами, задаваясь величиной КН:
2,8*S2*KH+1,65*A2+0,35*F2-C2 2,8*51,56 *0,86+1,65*15,63+0,35*4,72–10,51
C1-2,8*S1*KH – 1,65*A1-0,35*F1 47,72–2,8*7,62*0,86–1,65*1,95–0,35*1,15
=84,56%
6,48 – 100% Известняк: 5,48*100%
5,48-х% 6,48
Глина: 100% – 84,56% = 15,44%
Известняк
Глина
В долях
1
5,48
В процентах
84,56
15,44
Химический состав сырьевой смеси и клинкера
Компонент
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
Ппп
Сумма
Известняк,
84,56 вес. ч.
6,44
1,65
0,97
40,35
1,43
0,49
33,23
84,56
Глина,
15,44 вес. ч.
7,96
2,41
0,73
1,62
0,63
0,04
2,05
15,44
Состав сырьевой смеси, %
14,4
4,06
1,7
41,97
2,06
0,53
35,27
100,00
Состав клинкера, %
22,25
6,27
2,63
64,84
3,18
0,82
-
100,00
Z= 100/ (100 – п.п.п)= 100/ (100–35,27)= 1,54487
Коэффициент насыщения
=0,86
KH=
= CaO – 1,65*Al2O3-0,35*Fe2O3 64,84–1,65*6,27–0,35*2,63
2,8*SiO2 2,8*22,25
Силикатный модуль
= 2,50
=
n = SiO2 22,25
Al2O3+ Fe2O3 6,27+2,63
Глиноземный модуль
= 2,38
=
p = Al2O3 6,27
Fe2O3 2,63
2. Виды портландцемента
Портландцемент
Портландцемент и его разновидности являются основными вяжущими веществами в строительстве. Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом портландцемнтного клинкера с гипсом, а также со специальными добавками.
Порталандцементный клинкер – продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых материалов (мергеля, доменного шлака и прочие). При обжиге обеспечивается преимущественное содержание в клинкере высокоосновных силикатов кальция. Для регулирования сроков схватывания портландцемента в клинкер при помоле добавляют двуводный гипс в количестве 1,5–3,5% (по массе цемента в пересчете на SO3).
По составу различают: портландцемент без добавок; портландцемент с минеральными добавками; шлакопортландцемент и другие.
Белый портландцемент
Обыкновенный портландцемент имеет зеленовато-серый цвет из-за относительно высокого содержания в нем окрашивающих окислов: окиси железа и окиси марганца. Клинкер же, не содержащий этих окислов или содержащий их в незначительном количестве имеет белый цвет. Это достигается применением соответствующего сырья – белых частиц глин, каолинов и известняков с минимальным содержанием указанных окислов.
Белый портландцемент в отличие от обыкновенного имеет повышенный силикатный модуль (3,0–3,8) и высокий глиноземистый модуль (10 и более), а коэффициент насыщения низкий – 0,80–0,87. Обжиг клинкера белого портландцемента производится при более высокой температуре 1600–1650 0С, в связи с чем производительность печей снижается, а стоимость цемента увеличивается. Белый портландцемент делится на марки 300,400 и 500, а по степени белизны подразделяется на три сорта: высший, БЦ-1 и БЦ-2. Остальные свойства как у обычного портландцемента.
Цветной портландцемент
Цветной портландцемент изготовляют совместным тонким измельчением белого маложелезистого или цветного клинкера, активной минеральной добавки (белого диатомита), красящей добавки (пигмента) и гипса. Цветные клинкеры получают, вводя в сырьевые смеси минеральные красители: мумию или сурик (красный пигмент), умбру (коричневый), охру (желтый), окись хрома (зеленый), сажу (черный), ультрамарин (синий). Красящие пигменты для цветных цементов должны обладать большой красящей способностью, высокой стойкостью к щелочам (в частности, к Са(ОН)2, образующемуся при твердении цемента), солнечному свету и атмосферным воздействиям, не должны содержать вредных примесей и растворимых солей.
Сульфатостойкие портландцементы
Такие портландцементы изготовляют на основе клинкера нормированного минерального состава и применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, обладающих коррозионной стойкостью при воздействии сред, агрессивных по содержанию в них сульфатов.
Одним из основных путей получения сульфатостойкого цемента является уменьшение содержания в клинкере трехкальциевого алюмината не Сульфатостойкий портландцемент предназначается для изготовления бетонов, подвергающихся действию сульфатной коррозии и для бетонов повышенной морозостойкости.
Пуццолановый портландцемент
Пуццолановый цемент собирательное название группы цементов в состав которых входит не менее 20% активных минеральных добавок.
В современном строительстве основной вид пуццоланового цемента – пуццолановый портландцемент получаемый совместным помолом портландцементного клинкера (60–80%) активной минеральной добавки (20–40%) и небольшого количества гипса. От обычного портландцемента он отличается повышенной коррозионной стойкостью (особенно в мягких и сульфатных водах) меньшей скоростью твердения и пониженной морозостойкостью. Пуццолановый цемент применяют в основном для получения бетонов используемых в подводных и подземных сооружениях.
Пластифицированный портландцемент
Пластифицированный портландцемент изготовляют путем введения при помоле клинкера около 0,15–0,25% сульфитно-дрожжевой бражки (в расчете на сухое вещество). Оптимальное содержание добавки для данного цемента устанавливается опытным путем и зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента и содержания в нем гидравлических добавок. Он отличается от обычного портландцемента способностью придавать растворным и бетонным смесям повышенную подвижность.
Пластифицирующий эффект используется для уменьшения водоцементного отношения и повышения плотности, морозостойкости и водонепроницаемости бетона. Если же сохранить В/Ц, то можно снизить расход цемента (примерно на 10–15%) без ухудшения качества бетона.
Пластифицированные портландцементы рекомендуются для бетонных и железобетонных конструкций и сооружений, подвергающихся систематическому замерзанию и оттаиванию или увлажнению в пресной воде и высыханию.
Гидрофобный портландцемент
Гидрофобный портландцемент изготовляют, вводя в мельницу при помоле клинкера 0,1–0,2% мылонафта, асидола, синтетических жирных кислот, их кубовых остатков и других гидрофобизующих добавок. Эти вещества, адсорбируясь на частицах цемента, понижают его гигроскопичность, поэтому гидрофобный цемент при хранении даже в очень влажных условиях не портится, т.е. не комкуется и сохраняет свою активность. В связи с этим гидрофобные портландцементы рекомендуется поставлять в районы с высокой влажностью воздуха, а также в тех случаях, когда неизбежно длительное хранение цемента.
При изготовлении бетонных смесей, когда происходит смешивание гидрофобного цемента с заполнителями и водой, целостность адсорбционных пленок на частицах цемента нарушается, и он нормально реагирует с водой. Гидрофобизующие вещества, введенные при помоле клинкера, действуют и как пластификаторы, т.е. пластифицируют бетонные смеси. Такие вещества сохраняются в отвердевших материалах, существенно повышая их водо- и морозостойкость и увеличивая сопротивляемость агрессивным воздействиям среды.
Тампонажный портландцемент
Тампонажный портландцемент изготовляют измельчением клинкера, гипса и добавок. Он предназначен для цементирования нефтяных и газовых скважин. Цемент для холодных скважин испытывают при температуре 22±2 °С, для горячих скважин – при 75±3 °С. Предусматривается выпуск специальных разновидностей тампонажного портландцемента: утяжеленного, песчанистого, солестойкого низкогигроскопичного.
Быстротвердеющий портландцемент
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обычного более быстрым нарастанием прочности: через 3 суток твердения его прочность на сжатие не менее 25 – 28 МПа, т.е. более половины его марочной 28-суточной прочности (40 и 50 МПа). БТЦ получают совместным тонким измельчением специального портландцементного клинкера и гипса. При помоле допускается введение не более 10% активных минеральных добавок осадочного происхождения и не более 15% доменных и электротермофосфорных гранулированных шлаков, глиежей.
В настоящее время БТЦ – основной вид вяжущего для изготовления сборного железобетона. Применение БТЦ в заводском производстве железобетонных конструкций позволяет снизить расход цемента в бетоне на 10 – 15%, ускорить тепловую обработку при меньших энергозатратах, увеличить оборот металлических форм и тем самым сэкономить металл.
Разновидностью быстротвердеющего портландцемента является особо быстротвердеющий портландцемент (ОБТЦ). Получают ОБТЦ так же, как и БТЦ Особо быстротвердеющий портландцемент марки 600 должен в односуточном возрасте иметь предел прочности при сжатии 20–25 МПа, а в трехсуточном – 30–35 МПа.
Шлакопортландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гранулированным доменным и электротермофосфорным шлаком, а также с двуводным гипсом. Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента порошок портландцемента иногда размалывают с гранулированным шлаком. Шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21% и не более 80% по массе (ГОСТ 10178 -85). Гипс вводят в шлакопортландцемент для регулирования сроков схватывания, а также в качестве активизатора твердения шлака.
По своим физико–механическим свойствам шлакопортландцемент близок к обычному портландцементу, но выгодно отличается от него более низкой стоимостью. При прочих равных условиях стоимость его на 10 – 15% ниже стоимости портландцемента.
Схематически твердение шлакопортландцемента можно себе представить как результат ряда процессов, протекающих одновременно, а именно:
гидролиза и гидратации клинкерных минералов;
взаимодействие гидрата окиси кальция с глиноземом и кремнеземом, находящимися в шлаковом стекле, с образованием гидросиликатов, гидроалюминатов, а также гидросиликоалюминатов кальция;
взаимодействие трехкальциевого гидроалюмината кальция клинкера с сульфатом кальция с образованием гидросульфоалюмината кальция.
Шлакопортландцемент твердеет несколько медленнее, чем портландцемент, в особенности при пониженных положительных температурах. Это объясняется значительным содержанием шлака. Однако при тончайшем помоле, в особенности двухступенчатом, и содержании шлака около 30–35% скорость твердения шлакопортландцемента такая же.
B зависимости от прочности на сжатие шлакопортландцемент выпускают четырех марок: 300, 400, 500 и 600.
Вследствие меньшего содержания гидрата окиси кальция продукты гидрации шлакопортландцемента более устойчивы, что обусловливает повышенные солестойкость и водостойкость.
По морозостойкости шлакопортландцемент уступает портландцементу в различной степени в зависимости от содержания в нем шлака и химико-минералогического состава исходного клинкера.
Шлакопортландцемент характеризуется пониженным или умеренным тепловыделением при твердении, а также меньшими объемными деформациями в растворе и бетоне – усадкой (на воздухе) и набуханием (в воде).
Строительно-технические свойства шлакопортландцемента обусловливают и области его практического применения – те же, что и портландцемента аналогичных марок. Его целесообразно использовать для производства монолитных и сборных железобетонных конструкций и деталей, в особенности с применением тепловлажностной обработки, а также для изготовления строительных растворов. Шлакопортландцемент предназначен в основном для бетонных и железобетонных наземных, а также подземных и подводных конструкций, подвергающихся воздействию пресных, а также минерализированных вод с учетом норм агрессивности воды – среды.
Вследствие пониженного тепловыделения при твердении и малой усадки шлакопортландцемента его можно весьма эффективно применять для внутримассивного бетона гидротехнических сооружений. В силу пониженной морозостойкости шлакопортландцемента его нельзя применять для бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.
Для бетона дорожных и аэродромных покрытий, железобетонных напорных и безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек опор высоковольтных линий электропередач, контактной сети железнодорожного транспорта и освещения следует поставлять цемент, изготовляемый на основе клинкера нормированного состава с содержанием трехкальциевого алюмината (С3А) в количестве не более 8% по массе.
Начало схватывания портландцемента для бетона дорожных и аэродромных покрытий должно наступать не ранее 2 ч, портландцемента для труб – не ранее 2 ч 15 мин от начала затворения цемента. Удельная поверхность должна быть не менее 280 м2/кг.
3. Характеристика сырьевых материалов
Известняк
Для производства портландцемента можно применять различные виды карбонатных пород: известняк, мел, известковый туф, известняк–ракушечник, мергелистый известняк, мергель и т.п. Углекислый кальций в известняках представлен минералом кальцитом. Кальцит имеет твердость 3. Известняки – осадочные породы. По происхождению различают известняки органогенные – продукты деятельности микроорганизмов, химические – полученные осаждением из растворов и обломочные – продукты переотложения разрушенных известковых пород. Известняки содержат примесные минералы – алюмосиликатные минералы глин, примеси кварца, халцедона, опала, окиси железа, пирита (FeS2), гипса, фосфорита (апатита), барита (BaSO4). Известняки обычно загрязнены карбонатом магния, который образует с карбонатом кальция двойную соль – доломит. Примеси в известняках находятся в виде самостоятельных соединений, и известняк представляет собою механическую смесь минералов (кроме MgCO3). При содержании глинистых минералов до 30% известняк называют глинистым, при содержании более 30% – мергелем.
По физическим свойствам различают кристаллический известняк (мрамор), плотные известняки, землисто-рыхлые известняки или мелы. Кроме того, встречаются известковый туф, известняк-ракушечник. Мрамор – плотная порода (продукт перекристаллизации известняков) с объемной массой 2650–2900 кг/м3 и прочностью 50 – 200 МПа. Плотные известняки имеют объемную массу 2200–2600 кг/м3 и прочность 8–200 МПа. Мел сложен из частиц скрытокристаллической структуры с размером частиц менее 0,1 мим.
Глинистые породы
Из глинистых пород используют обычно глину, суглинок, глинистый сланец, мергелистую глину, лесс, лессовидный суглинок. Основой глины являются водные алюмосиликатные минералы в виде тонких частиц (К глинистым минералам относится каолинит – слоистый минерал состава Al2O3·2SiO2·2H2O, в глинах он присутствует в виде частиц размером 0,3–0,4 мкм; монтмориллонит – слоистый минерал состава Al2O3·2SiO2·2H2O, в котором в твердом растворе находится до 5% Fe2O3, 4 – 9% MgO, до 3,5% СаО. Бентонитовые глины состоят из очень тонких частиц (~ 2·10-9 м) монтмориллонита. Гидрослюды – минералы, близкие по составу и структуре к монтмориллонитам, однако в состав последних входят щелочные ионы, содержание которых может достигнуть 4 – 10%. Аргиллиты – твердые породы, продукт дегидратации, прессования и перекристаллизации глин. Сланцы – скальная порода, продукт перекристаллизации глин. Лесс – землистая порода, сложенная из слюд, каолинита, полевых шпатов, кальцита, кварца. Суглинки – глины, содержащие значительное количество кварца (до 40%).
Глинистые породы содержат нужные для производства портландцемента кислотные окислы SiO2, Al2O3 и Fe2O3, в известняках находится основной окисел СаО. Главным признаком пригодности глины для производства портландцемента, являются значения ее силикатного и глиноземного модулей, которые определяют величину этих модулей в портландцементе, так как карбонатный компонент сырьевой смеси обычно содержит немного глинистых примесей.
Карбонатное и глинистое (алюмосиликатное) сырье должно быть возможно более однородным по составу и структуре, не содержать включений крупных зерен кварца и других обломочных пород, затрудняющих помол сырья и трудно усваиваемых в процессе обжига.
Доменные шлаки
Железные руды наряду с оксидами железа содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемых в совокупности пустой породой. Некоторые из них (соединения фосфора и серы) вредно отражаются на качестве чугуна. Неорганические примеси есть и в топливе, загружаемом в домну для плавления руды. Поэтому в процессе доменного производства необходимо не только восстановить из оксидов железо, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.
Так как пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой, то для ее удаления в шихту вводят специальные добавки – плавни (флюсы), способные образовывать с ней легкоплавкие соединения. В качестве плавней применяют обычно карбонатные породы – известняк, доломит и т.п.
В процессе плавки карбонаты вступают в химическое взаимодействие с компонентами пустой породы и минеральной части топлива, причем образуются легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При 1400–1500 °С эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося вследствие меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи. При выплавке 1 т чугуна на коксе в среднем получается 0,5–0,7 т шлака.
Химический состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна.
Обычно в состав доменных шлаков входят оксиды CaO, Si02, А1203, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS, а иногда Ti02 и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие оксиды, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются CaO, Si02, A1203 и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90–95%.
По химическому составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема, частично глинозема и меньше оксида кальция.
Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Он замедляет начало схватывания и повышает прочность цементного камня в ранние сроки. Количество гипса в цементе нормируется по содержанию SO3. В обычных цементах оно должно быть не менее 1,0 и не более 3,5%, а в высокопрочных и быстротвердеющих – не менее 1,5 и не более 4,0%.
4. Способы производства портландцементов
В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: мокрый (помол и смешение сырья осуществляются в водной среде), сухой (материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде) и комбинированный.
Каждый из этих способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов, при их совместном помоле быстро достигается высокая однородность смеси, но расход топлива на обжиг сырьевой смеси при мокром способе в 1,5–2 раза больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастают размеры обычных вращающихся печей при обжиге в них мокрой сырьевой смеси, так как эти тепловые агрегаты в значительной мере выполняют функции испарителей воды.
Сухой способ, несмотря на его технико-экономические преимущества по сравнению с мокрым, длительное время ограниченно применялся вследствие пониженного качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике тонкого измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили возможность получения высококачественных портландцементов и по сухому способу. Это предопределило рост производства цемента по этому способу.
Сущность комбинированного способа заключается в том, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу, затем шлам обезвоживается на пресс-фильтрах, просушивается, гранулируется и направляется в печь, при этом влажность гранул 16–20%. Комбинированный способ по ряду данных почти на 20–30% снижает расход топлива по сравнению с мокрым способом, но при этом возрастают трудоемкость производства и расход электроэнергии.
При производстве портландцемента мокрым способом применяют следующую технологическую схему. Поступающий из карьера твердый известняк с размерами кусков до 1 м подвергается одно-, двух- или трехстадийному дроблению в дробилках с доведением кусков до 8–10 мм. Поступающую из карьера мягкую глину с размерами кусков до 500 мм измельчают в вальцовых дробилках до кусков размером 0–100 мм, а затем отмучивают в болтушках. Получаемый глиняный шлам с влажностью 60–70% подают в сырьевую мельницу, где он размалывается совместно с раздробленным известняком.
Полученный шлам, влажность которого находится в пределах 32–40%, центробежными насосами транспортируется в вертикальные шламовые бассейны, где он корректируется. Это необходимо для того, чтобы обеспечить постоянство заданного заводской лабораторией химического состава шлама. Откорректированный шлам поступает из вертикальных бассейнов в горизонтальные, где и хранится до подачи в печь для обжига. В вертикальных бассейнах шлам перемешивается сжатым воздухом, а в горизонтальных – механическим путем и сжатым воздухом. Перемешивание предотвращает возможность осаждения шлама и позволяет достичь полной его гомогенизации. При использовании сырьевых компонентов, имеющих постоянный химический состав, корректирование шлама производят не в вертикальных, а непосредственно в горизонтальных бассейнах большой емкости. Обжиг шлама на клинкер осуществляется во вращающихся печах. Они представляют собой стальной барабан, который состоит из обечаек, соединенных методом сварки или клепки, и имеет внутреннюю футеровку из огнеупорного материала. Профиль печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным с расширенными зонами. Расширение определенной зоны производят для увеличения продолжительности пребывания в ней обжигаемого материала.
Печь, установленная под углом 3…4 к горизонту, имеет частоту вращения 0,5…1,5 мин-1. Вращающиеся печи в основном работают по принципу противотока. Вращающуюся печь можно разделить на 5 рабочих зон:
Зона испарения – Сырье поступает в печь с верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливно-воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20…30 м длины печи. Горячие газы, перемещаясь со скоростью 2…13 м/с навстречу материалу, сначала подогревают его до 100 °С, а в конце он приобретает температуру 200°С. В начале шлам разжижается, затем комкуется. Печи оснащены цепными завесами засчет чего материал налипает на звенья, подсыхает и распадается на гранулы. Длительность пребывания материала в печи зависит от ее частоты вращения и угла наклона, составляя, например, в печи размером 5 * 185 м около 2 ч.
Зона подогрева – здесь материал нагревается до температуры 500°С-600°С. На этом этапе выгорают органические примеси и начинаются реакции. Происходит дегидратация глиняных минералов и образование оксидов алюминия, кремния и железа, начинается частичное разложение карбонатов с образованием СаО и МgО.
Зона кальценирования – здесь протекает реакция разложения карбоната Са при температуре 900°С -1200°С.
СаО® СаО+СО2
Мощные вентиляторы удаляют СО2 из зоны обжига. На этом этапе начинают образовываться соединения типа СаО*Аl2О3, появляется небольшое количество белита 2СаО*SiO2, оксиды СаО, Fe2O3, SiO2 находятся в активном состоянии.
Зона экзотермических реакций – реакции происходят при температуре 1200°С – 1300°С и с выделением тепла 100 ккал. В этой зоне происходит образование двухкальциевого силиката (белита) 2СаО*SiO2, однокальциевый алюминат насыщается известью до образования трехкальциевого алюмината 3саО* Аl2О3, образуется четырехкальциевый алюмоферрит (целит) 4СаО*Аl2О3*, Fe2O3. В большом количестве содержится свободная известь. Образование минералов происходит в твердо-фазовом состоянии.
Зона спекания (зона усвоения извести) – при температуре 1300°С – 1450°С происходит частичное плавление материала с образованием жидкой фазы. Чтобы поучить качественный клинкер материал должен находиться в зоне определенное время 6–30 мин (время зависит от размера гранул). За это время 3саО* Аl2О3 и 4СаО*Аl2О3*, Fe2O переходит в расплав 2СаО*SiO2. В результате происходит взаимодействие белита 2СаО*SiO2 с СаО и образуется алит 3СаО*SiO2. Процесс его образования постепенно замедляется и известь нацело практически не связывается. Содержание свободных оксидов кальция около 1%, т. к. будет иметь место запоздалая гидратация обожжённой извести при которой цемент характеризуется неравномерным изменением объёма.
Зона охлаждения- с температурой 1100°С – 1200°С клинкер выходит из печи, после чего сразу попадает в холодильник. В холодильнике клинкер подвергается резкому охлаждению для:
1) Сохранения жидкой фазы в стекловидном состоянии, которая является более реакционноспособной.
2) Сохранения мелкокристаллического строения остальных клинкерных минералов.
3) Для помола клинкера его температура должна быть 45°С – 50°С для предотвращения износа мельниц.
После обжига и охлаждения клинкер направляется на склад для магазинирования – вылеживания с целью гашения свободной извести, при этом клинкер может специально обрызгиваться водой. При этом он становится более рыхлым, облегчается помол и уменьшаются сроки схватывания. Полученный клинкер дозируется и отправляется в цементную мельницу. На механизированном шихтовальном дворе складируются также гидравлические добавки и гипс, которые по мере надобности подаются в бункеры цементных мельниц для совместного помола с клинкером.
Полученный портландцемент транспортируется из мельниц пневматическим путем в силосы для хранения. После определения качества цемента часть его поступает в упаковочную машину. Здесь он автоматически насыпается в бумажные мешки, которые затем отгружаются с завода железнодорожным, автомобильным или водным транспортом. Остальную часть цемента отправляют навалом в специальных железнодорожных вагонах или в контейнерах цементовозах.
5. Расчет производительности и определение годового фонда рабочего времени основных технологических цехов
Расчет производительности основных цехов начинается с определения годового фонда рабочего времени.
Расчетный годовой режим работы цехов определяется по формуле:
Тгод=(Nгод – Nпр – Nвых)*Тсут,
где Nгод – количество календарных дней в году, 365;
Nпр – количество праздничных дней в году, 12;
Nвых – количество выходных дней в году, 100;
Тсут – суточный фонд рабочего времени.
Таблица 5.1 Основные режимы работы цехов
№
Наименование цеха
Суточный фонд рабочего времени, ч
Тгод, ч
1
Складское хозяйство
16
4048
2
Цех дробления
16
4048
3
Цех сушки
24
6072
4
Цех обжига
24
8040
5
Цех помола клинкера
24
6072
Расчет производительности технологической линии начинается с основного оборудования. Производительность вычисляется по формуле:
Пгод = Пчас * Тгод * n * Кисп,
где Пчас – часовая производительность основного оборудования, 80;
n – количество единиц оборудования, 2;
Кисп – коэффициент использования оборудования, 0,95.
Пгод =80*6072*2*0,95= 922944 т/г.
7. Подбор основного технологического оборудования
Расчет производительности производят на каждой технологической операции, данные приводят в сводной ведомости Табл. 5.2
Таблица 5.2
№
Наименование оборудования
Годовой
фонд
рабочего
времени,
Тгод, ч
Потребная
производительность, т/ч
Часовая
Суточная
Годовая
Линия известняка
1
Экскаватор
4048
147,16
2354,56
595705
2
Ж/Д транспорт
4048
147,01
2352,21
595110
3
Бункер известняка
4048
146,87
2349,87
594516
4
Мостовой грейферный кран
4048
146,72
2347,52
593922
5
Щековая дробилка
4048
146,57
2345,17
593328
6
Элеватор
4048
146,43
2342,83
592736
7
Питатель
6072
97,52
2340,49
592143
Линия глины
8
Экскаватор
4048
26,87
429,92
108771
9
Ж/Д транспорт
4048
26,84
429,50
108663
10
Склад глины
4048
26,82
429,07
108554
11
Ленточный транспортер
4048
26,79
428,64
108446
12
Глиноболтушка
4048
26,76
428,21
108337
13
Питатель пластинчатый
4048
26,74
427,78
108229
14
Питатель
6072
17,81
427,36
108121
Линия помола сырья
сырья
15
Шаровая мельница
6072
192,02
4608,46
1165941
16
Питатель
6072
191,06
4585,53
1160140
Линия обжига
17
Ленточный транспортер
8040
144,15
3459,64
1158981
18
Вертик. шламбассейн
8040
144,01
3456,19
1157823
19
Горизонт. шламбассейн
8040
143,86
3452,74
1156667
20
Вращающаяся печь
8040
143,72
3449,29
1155511
21
Холодильник колосниковый
8040
75,14
1803,34
604120
22
Дозатор клинкера
6072
99,39
2385,44
603516
Линия шлака
тшса
23
Ж/Д транспорт
4048
75,06
1200,98
303849
24
Прирельсовый склад
4048
74,99
1199,78
303545
25
Ленточный транспортер
6072
49,94
1198,58
303242
27
Валковая дробилка
6072
49,89
1197,39
302939
28
Сушильный барабан
6072
49,84
1196,19
302637
29
Ленточный транспортер
6072
45,92
1102,07
278825
30
Дисковый питатель
6072
45,87
1100,97
278546
Линия гипса
31
Экскаватор
4048
11,54
184,60
46703
32
Ж/Д транспорт
4048
11,53
184,41
46657
33
Прирельсовый склад
4048
11,52
184,23
46610
34
Ленточный транспортер
4048
11,50
184,05
46564
35
Валковая дробилка
4048
11,49
,
183,86
46517
36
Тарельчатый питатель
4048
11,48
183,68
46471
37
Весовой дозатор
6072
7,65
183,49
46424
Линия помола цемента
38
Шаровая мельница
6072
152
3648
922944
39
Пневматический насос
6072
151,85
3644,35
922021
40
Силос
4048
227,54
3640,71
921099
Склад готовой продукции
41
Весовой дозатор
4048
90,93
1454,83
368072
42
Упаковочная машина
4048
90,84
1453,37
367703
43
Автотранспорт
4048
136,53
2184,42
552659
Список литературы
1. Сулименко Л.М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе: Учеб. для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2000 – 303 с., ил.
2. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Минеральные вяжущие вещества». Эталон пояснительной записки. - Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2004
3. ГОСТ 10178–85 (2002) «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия»
4. www.bibliotekar.ru
5. www.rim-beton.ru-cement