Основы производства портландцемента

1. Основы производства портландцемента.

Портландцемент и его разновидности являются ос­новными вяжущими веществами в современном строи­тельстве.

Портландцементом называют гидравлическое вяжу­щее вещество, получаемое тонким помолом портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.

Портландцементный клинкер — продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.). При об­жиге обеспечивается преимущественное содержание в клинкере высокоосновных силикатов кальция.

Для регулирования сроков схватывания портландце­мента в клинкер при помоле вводят 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 др.

Исходным сырьем для производства портландцемента служат горные породы — мергели, известняковые (из­вестняки, мел, ракушечник, известковый туф и др.) и глинистые горные породы. С известняком в состав це­мента вносится основной оксид СаО; с глиной — оксиды кремния, алюминия, железа; с мергелем — все необходи­мые оксиды.

В природе редко встречаются горные породы, хими­ческий состав которых обеспечивал бы получение после обжига портландцементного клинкера необходимого ка­чества, поэтому сырьевую смесь составляют из двух или нескольких компонентов. Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полу­ченный при обжиге портландцементный клинкер имел сле­дующий химический состав: 63—68 % СаО; 4—8 % А12О3; 19—24 % SiO2; 2—6 % Fe2О3. Обычно сырьевая смесь со­стоит из 75—78 % известняка и 25—22 % глины.

Производство портландцемента состоит из следую­щих основных процессов: добычи сырья и подготовки сырьевой смеси, обжига смеси до спекания с получением клинкера, помола клинкера в тонкий порошок совмест­но с добавками.

Сырье для производства портландцемента добывают открытым способом в карьерах, расположенных, как правило, вблизи цементных заводов. Для доставки сырья используют рельсовые и подвесные дороги, автомобиль­ный транспорт и т. д.

В зависимости от свойства сырья и типа обжигатель­ных печей сырье к производству готовят мокрым или сухим способом. При мокром способе компоненты из­мельчают и смешивают в присутствии воды, и смесь в виде жидкой массы (шлама) обжигают; при сухом спо­собе сырьевые компоненты измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде.

Производство портландцемента мокрым способом (рис. 1). Мягкие горные породы (глину и мел), приме­няемые в качестве сырьевых компонентов предваритель­но дробят в валковых дробилках и измельчают в специ­альных бассейнах-болтушках в присутствии 36—42 % воды по массе. Суспензии глины и мела в заданных со­отношениях поступают в шаровые мельницы для тонко­го измельчения. Если в качестве известкового компонен­та применяют твердый известняк, то его подвергают двухстадийному дроблению на щековой и молотковой дробилках, а затем измельчают в шаровых мельницах совместно с глиняной суспензией, получаемой в болтуш­ках.

Шаровая многокамерная мельница — стальной ци­линдр длиной 8—15 м диаметром 1,8—3,5 м, внутренняя поверхность которого облицована стальными плитами. Мельница вращается на полых цапфах, через которые, с одной стороны, ее загружают, а с другой — разгружают. Смесь известняка, глины и воды проходит через все ка­меры мельницы и, измельчаясь под ударами стальных шаров и цилиндров, выходит из нее в виде сметанообразной массы — шлама.

Шлам перекачивают насосами в цилиндрические шламбассейны для корректировки его состава. При кор­ректировке устанавливают химический состав шлама (в основном определяют содержание углекислого кальция) и в соответствии с полученными данными добавляют к нему строго определенное количество шлама другого со­става (обогащенного или обедненного известняком). Скорректированный таким образом шлам перекачивают в шламбассейны для хранения. В этих бассейнах шлам  постоянно перемешивают. По мере необходимости шлам насосами по­дают на обжиг.

Рис. 1. Технологическая схема производства портландцемента мокрым спосо­бом

1 — приемный бункер для известняка; 2 — дробилка для известняка; 3 — ваго­нетка с глиной; 4 — дозатор для воды; 5 — бассейн-болтушка; 6 — сырьевая мельница; 7 — шламбассейны; 8 — вращающаяся печь; 9 — форсунка для по­дачи топлива в печь; 10 — склад клинкера; 11 — склад гипсового камня; 12 — дробилка для гипсового камня; 13 — шаровая мельница; 14 —силосы для це­мента; 15 — упаковочная машина; 16 — вагоны с цементом

Сырьевую смесь обжигают во вращающихся печах (рис. 2), пред­ставляющих собой сварной цилиндр диаметром 4—5 и длиной 150—185 м, футерованный изнутри огнеупор­ным материалом. Печь расположе­на под небольшим уклоном к гори­зонту и медленно вращается вокруг своей оси. Питатели-дозаторы пода-1 ют шлам в верхний конец печи. Вследствие вращения печи и накло­на ее к горизонту обжигаемый ма­териал перемещается к нижнему концу печи. Навстречу ему движут­ся горячие топочные газы, образо­вавшиеся при сгорании топлива (пы­левидный уголь, мазут, газ), пода­ваемого через форсунку в нижней части печи.

Шлам омывается горячими га­зами и подсушивается, образуя ко­мья. По мере продвижения материа­ла при 500—750 °С выгорают орга­нические вещества и начинается дегидратация — выделение химичес­ки связанной воды из глинистой со­ставляющей, сопровождаемая поте­рей пластичности и связующих свойств. Комья материала распада­ются в подвижный порошок. При 750—800 °С и выше в материале на­чинаются реакции в твердом состоя­нии между его составляющими. Их интенсивность возрастает с повыше­нием температуры. Происходит сцепление отдельных   частичек  порошка и образование гранул разного размера. При про­хождении зоны с температурой 900—1000 °С происходит диссоциация карбонатов кальция с выделением оксида кальция и углекислого газа, который уносится с продук­тами горения. Оксид кальция СаО вступает в химичес­кое взаимодействие с глиноземом, оксидом железа и кремнеземом. Реакции химического связывания СаО протекают в твердом состоянии достаточно интенсивно при 1200—1250°С, при этом образуются следующие хи­мические соединения: 2CaO·SiO2 (двухкальциевый си­ликат), ЗСаО·А12О3 (трехкальциевый алюминат) и 4СаО·Al2O3·Fe2O3 (четырехкальциевый алюмоферрит).- При температуре' свыше 1300°С ЗСаО·А12О3 и 4СаО·А12О3·Fe2O3 переходят в расплав, в котором частично раство­ряются СаО и 2CaO·SiO2 до насыщения раствора; в рас­творенном состоянии они реагируют между собой, обра­зуя трехкальциевый силикат 3CaO·SiO2 — основной ми­нерал портландцемента. Процесс образования трехкальциевого силиката, выделяющегося из жидкой фазы в ви­де кристаллов, способных расти, обычно происходит око­ло 1450 °С. При понижении температуры до 1300 °С жид­кая  фаза  застывает, процесс  спекания  заканчивается.

Рис. 2. Вращающаяся печь для обжига цемент­ного клинкера

1—дымосос; 2—питатель для подачи шлама; 8 — барабан; 4 — привод; 5 — форсунка подачи топлива; 6 — холодильник

Клинкер — гранулы серовато-зеленого цвета размером 15—25 мм для охлаждения до 80—100°С направляют в холодильник, откуда он поступает на склад, где его вы­держивают в течение 1—2 недель. В результате вылежи­вания содержащийся в клинкере в небольшом количе­стве свободный оксид кальция гасится влагой воздуха, а также уменьшается твердость зерен клинкера, что, в свою очередь, облегчает его помол и обеспечивает рав­номерность изменения объема цемента при твердении.

Клинкер измельчают в многокамерных шаровых мель­ницах. В процессе помола к нему добавляют 2—5 % гипсового камня для регулирования сроков схватывания портландцемента и различные, предусмотренные техно­логическим процессом, добавки. Из шаровых мельниц портландцемент пневмотранспортом подают в силосы— железобетонные башни цилиндрической формы емкостью до 6000 т каждая, где цемент перед отправкой потреби­телю выдерживается в течение 10—14 суток. За это время нагретый при помоле цемент охлаждается и оставшаяся в нем свободная известь гасится, что улучшает свойства цемента. Из силосов цемент поступает в упаковочные машины   для   расфасовки   в многослойные   бумажные мешки по 50 кг или направляется в специально обору­дованные средства железнодорожного, автомобильного или водного транспорта.

Сухой способ производства портландцемента приме­няют в том случае, когда сырьевыми материалами явля­ются мергели или смеси твердых известняков и глин влажностью 8—10%. По этому способу сырьевые мате­риалы после предварительного дробления и сушки сов­местно измельчают в шаровых мельницах. Сухую сырь­евую муку с остаточной влажностью 1—2 % гранулиру­ют в зерна размером 20—40 мм или формуют, добавляя молотый на механических прессах уголь в брикеты.

Гранулы обжигают в циклонных теплообменниках, конвейерных кальцинаторах, вращающихся печах, а брикеты — в шахтных. Дальнейшие производственные операции осуществляют в той же последовательности, что и при мокром способе.

При сухом способе на обжиг клинкера расходуется значительно меньше топлива, чем при мокром.

Наряду с рассмотренными выше основными способа­ми производства в последнее время применяют комби­нированный способ, совмещающий достоинства мокрого и сухого способов. Сущность его заключается в том, что сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, пос­ле чего шлам обезвоживают на специальных установках и в виде гранул, как и при сухом способе, обжигают во вращающихся печах.

2. Задача.

Образцы-балочки размером 30×20×20 мм, изготовленные из древесины имеют разрушающую нагрузку равную 700 Н. Определить предел прочности при сжатии при влажности 15%.

Решение:

Находим предел прочности для стандартной 12% влажности:

Отсюда выражаем R15:

Ответ: R15 = 1,56 МПа.

Содержание:

1. Основы производства портландцемента:

1.1. Портландцемент………………………………………………3

1.2. Поизводство портландцемента мокрым способом………....4

1.3 Сухой способ производства портландцемента………………7

  2. Задача………………………………………………………………….8

3. Список литературы…………………………………………………...9

3. Список литературы:

Попов Л. Н. «Строительные материалы и детали»;

Микульский В. В. «Строительные материалы».