Цех помола портландцементного клинкера

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет химической технологии и техники

Кафедра химической технологии вяжущих материалов

Специальность 1-48 01 04 Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий

Специализация 1-48 01 01 14 Химическая технология вяжущих материалов

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОЙ РАБОТЫ

по дисциплине «Химическая технология вяжущих веществ»

Тема «Цех помола портландцементного клинкера »

Исполнитель:

студентка 4 курса 7 группы Гвоздкова К.В.

Минск 2015

Реферат

КЛИНКЕР, ПОМОЛ, МЕЛЬНИЦА, ЦЕМЕНТ.

Целью данной курсовой работы является проведение литературного и патентного поиска по цеху помола портландцементного клинкера, разработка технологической схемы и аппаратурного оформления.

В курсовой работе представлен аналитический обзор по видам цемента и их составу, применяемому оборудованию для помола цемента. Приведен материальный баланс цеха помола портландцементного клинкера, расчет и подбор основного оборудования.

Показана перспективность использования в Республике Беларусь при производстве цементного клинкера двухшахтных шаровых мельниц, что способствует уменьшению энергозатрат на производстве и является достаточно доступным аппаратом.

Разработаны технологическая схема и аппаратурное оформление цеха помола портландцементного клинкера, качество которого соответствует требованиям, предъявляемым к сырью высшего сорта, что является залогом получения из него высококачественного бетона.

Введение

В настоящее время в РБ суммарная мощность цементных заводов составляет примерно 3703,4 тыс. тонн цемента в год, что является недостаточным для увеличивающегося с каждым годом строительства. Поэтому для полного удовлетворения строительной промышленности отечественным цементом производится наращивание производства важнейшего материала, т. е. цемента.

Цементная промышленность является составной частью тяжелой промышленности и определяет потенциал любого государства. Отрасль является основным поставщиком сырья для производства бетона и железобетона (свыше половины производимого цемента), который в свою очередь выступает основным конструкционным материалом в строительстве. Другими словами, это сектор, спрос, на продукцию которого прямо зависит от объемов жилищного и промышленного строительства.

В то же время цементная промышленность является одной из наиболее энергоемких. В связи с этим гораздо большую перспективу имеет сухой спо-

соб производства, поскольку расход условного топлива на заводах сухого способа производства цемента составляет 120-130 кг условного топлива, в то время как по мокрому способу производства цемента эта составляет 220-230 кг условного топлива, что практически в 2 раза больше.

Помол клинкера довольно энергоемкий процесс при получении цемента.

Для снижения энергозатрат при помоле пользуются различными вариантами, например: введение интенсификатора помола, переход на замкнутый цикл помола, модернизация мельницы и т. д.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Химический состав клинкера

Основными и обязательными оксидами в составе цементного клинкера являются СаО, Si0₂, А1₂0₃ и Fe₂O₃. Их содержание в клинкере составляет 95%. Кроме них, в зависимости от вида применяемого сырья , в клинкере есть в небольших количествах MgO, щелочи, Ti0₂, Mn₂0₃, S0₃, Р₂0₅. В обычном клинкере количество отдельных оксидов колеблется в таких пределах:

СаО - 63 - 66 %; MgO - 0,5 - 5 %;

Si0₂ - 21 - 24 %; S0₃ - 0,3 - 1 %;

А1₂0₃ - 4 - 8 %; Na₂0-K₂0 - 0,4-1 %;

Fe₂O₃ - 2 - 4 %; Ti0₂ - 0,2 - 0,5 %;

P₂O₅ - 0,l %.

O качестве клинкера в определенной степени можно судить по дан- ным его химического анализа. Химический анализ готового портланд- цемента не является показательным, так как введенные при помоле добавки изменяют его состав.

При анализе клинкера определяют не только общее количество отдельных оксидов, но и степень связывания СаО и Si0₂, т. е. узнают, сколько СаО и Si0₂ осталось в свободном состоянии.

Kaк уже указывалось, первым по содержанию и значению является СаО чем больше в цементе СаО, тем более высокопрочным и быстротвердедащим он будет. Однако обязательное условие получения высококачественного клинкера -- полное связывание СаО кислотными оксидами. СаО, остающийся в свободном состоянии, вызывает неравномерность изменения объема, поскольку при обжиге клинкера в результате высокой температуры он получается намертво обожженным и не гасится при затворении цемента водой, а гидратируется в уже затвердевшем цементе, вызывая появление опасных напряжений. Цементы с повытшенным содержанием СаО во время твердения выделяют большое количество теплоты, обладают пониженной водостойкостью.

Кремнезем -- одна из важнейших составных частей клинкера. Он связывает СаО в силикаты, способные к гидравлическому твердению. Увеличение содержания SiO₂ в клинкере ведет к замедлению схватывания и твердения. Однако цементы с повышенным содержанием SiO₂ обладают высокой прочностью в поздние сроки твердения. При их гидратации выделяется умеренное количество теплоты, они отличаются повышенными водо- и сульфатостойкостью.

Глинозем -- основной компонент алюминатов, повышение его содержания обусловливает быстрое схватывание и ускоренное твердение. Цементы с повышенным содержанием глинозема обладают низкими сульфато- и морозостойкостью.

Fe₂0₃ служит плавнем и улучшает спекание клинкера, а также является красящим оксидом. Цементы с высоким содержанием Fe₂0₃ и малым содёржанием глинозема характеризуются повышенной сульфатостойкостью. По скорости нарастания прочности такие цементы приближаются к высококремнеземистым.

MgO нежелательная примесь в клинкере. Источник этого оксида -- доломитизированные известняки. Поскольку клинкер обжигается при 1450 °С, значительное количество MgO при обычном химическом составе клинкера получается в виде намертво обожженного периклаза, который гидратируется в уже затвердевшем цементе, вызывая снижение прoчнocти и даже его разрушение. По ГОСТ 10178--76 портландцемент должен содержать не более 5 % MgO.

Ti0₂ - попадает в клинкер из глинистого сырья, его содержание в клинкере редко превышает 0,3 %. Этот оксид -- полезный компонент клинкера, способствует улучшению его кристаллизации. Как показали исследования, добавление в сырьевую смесь до 4 % Ti0₂ способствует повышению прочности, при этом Ti0₂ замещает эквивалентное количество кремнезема. Увеличение содержания Ti0₂ свыше 5 % ухудшает качество цемента.

Мn₂О₃ содержится в клинкере в заметных количествах лишь тогда, когда в сырьевую смесь вводят вместо глинистого компонента доменный шлак. Этот оксид замещает Fe₂0₃ в клинкерных минералах и существенно не влияет на свойства клинкера.

Cr₂0₃ также может попадать в клинкер при использовании в качестве сырья различных вторичных продуктов. В количестве 0,1--0,3 % он является легирующей добавкой, увеличивает скорость твердения в начальные сроки, в количестве 1--2 % -- замедляет интенсивность роста прочности.

Р₂О₅, как правило, содержится в сырьевых материалах немного. Исследования Л. Д. Ершова показали, что 0,2--0,3 % Р₂О₅ является легирующей добавкой, которая увеличивает прочность цемента в ранние сроки твердения. При повышенном содержании Р₂0₅ C₂S переходит в гидравлически менее активный и прочность цемента снижается. Кроме того, при количестве Р₂0₅ более 2 % в системе не кристаллизуется C₃S, а только C₂S [3].

Щелочи, как правило, попадают в цементный клинкер из глинистого сырья в виде полевых шпатов различной степени выветривания. Содержание калия в природных соединениях значительно выше, чем натрия, и, несмотря на то что соединения калия более летучи, в клинкере калия содержится в 2--3 раза больше, чем натрия. Значительное содержание щелочей в цементе отрицательно влияет на процессы гидратации, приводит к образованию выцветов на изделиях.

1.2 Клинкер и его размалываемость

Портландцементный клинкер представляет собой конгломерат минералов, образовавшийся в процессе обжига и скрепленный застывшей фазой. Химический и минералогический составы клинкера определяют размалываемость. Размалываемость может быть выражена количеством материала в граммах, размолотого за один оборот мельницы и прошедшего через сито с числом ячеек 6400 на 1 см² (сито № 70 по DIN 4188) цемента. Размалываемость клинкера находится в следующих пределах 0,67 - 1,41.

Химический состав портландцементного клинкера может колебаться в следующих пределах, % по массе:

СаО - 63 - 66 %; MgO - 0,5 - 5 %;

Si0₂ - 21 - 24 %; S0₃ - 0,3 - 1 %;

А1₂0₃ - 4 - 8 %; Na₂0-K₂0 - 0,4-1 %;

Fe₂O₃ - 2 - 4 %; Ti0₂ - 0,2 - 0,5 %;

P₂O₅ - 0,l %.

Минералогический состав портландцементного клинкера может быть таким, % по массе:

С₃S - 37 - 65 %;

C₂S - 10 - 37 %;

C₃A - 5 - 15 %;

C₄AF - 10 - 18 %.

На рисунке 1.1 показана связь между размалываемостью и силикатным модулем: при росте силикатного модуля размалываемость уменьшается.



Рисунок 1.1- Зависимость силикатного модуля от размалываемости

Размалываемость прямо пропорциональна процентному содержанию как А1₂0₃, так и Fe₂0₃. Существует связь между плотностью клинкера и его размалываемостью: с увеличением плотности размалываемость клинкера повышается. А также с ростом плотности цементной сырьевой смеси ее размалываемость ухудшается.

Высокое содержание C₂S ухудшает размалываемость клинкера, это связано с налипанием частиц на мелющие тела и с агрегацией.

Образование клинкерных минералов частично происходит в жидкой фазе. Доля жидкой фазы определяет их компактность и, следовательно, размалываемость. Чем больше жидкой фазы, тем труднее размолоть клинкер.

Исследования позволили установить влияние влажности размалываемого материала на энергозатраты при помоле до различной удельной поверхности по Блейну [11].

Рисунок 1.2 - Зависимость энергозатрат от влажности



Рисунок 1.3 - Зависимость влажности от размалываемости:

- поверхность по Блейну, 2900см²/ г;

- то же, 2700 см²/г;

- то же, 2500 см²/г;

На рисунке 1.2 показано влияние влажности клинкера на энергозатраты при помоле. Кривая 1 относится к клинкеру, содержащему 0,4% влаги, кривая 2 -- к тому же клинкеру влажностью 2,4%.

Как видно из рисунка, расход энергии на помол клинкера влажностью 2,4% до 10%-ного остатка на сите с числом ячеек 4900 на 1 см² примерно на 8 кВт-ч/т превышает расход энергии на помол клинкера влажностью 0,4%. Необходимо отметить, что высокая влажность питающего мельницу материала оказывает отрицательное влияние на процесс помола на всем его протяжении.

Дальнейшие исследования позволили установить влияние влажности размалываемого материала на энергозатраты при помоле до различной удельной поверхности по Блейну. Результаты, полученные в соответствии с рисунком 1.3, относятся к помолу железной руды различной влажности в однокамерной мельнице. Индекс размалываемости Бонда для такой руды равен 12,7 кВт-ч/кор.т. Повышение влажности загружаемого в мельницу материала с 1 до 2% при помоле до 2500 см²/г по Блейну требует повышения расхода энергии на 10%. При помоле до 2900 см²/г по Блейну расход энергии возрастает уже на 15%. Если при такой же удельной поверхности влажность возрастает с 1 до 3%, то прирост энергозатрат на помол составляет 26% [11].

Значительная часть подводимой энергии во всех измельчителях, особенно в шаровых мельницах, преобразуется в тепло, выделение тепла столь значительно, что размалываемый материал нагревается до температуры более 100°С. Нагрев размалываемого материала при сухом помоле цементной сырьевой смеси не оказывает неблагоприятного влияния. Химические свойства клинкера при этом не меняются. Однако такие добавки, как гипсовый камень, вводимые в цемент при помоле, чувствительны к повышению температуры. Дегидратация гипса начинается при температуре 105° С. При более высоких температурах в процессе помола происходит частичное выделение его кристаллизационной воды и гипс теряет способность регулировать схватывание цемента; такой цемент приобретает свойства так называемого ложного схватывания, или «быстряка», который после затворения водой тотчас же или через несколько минут превращается в твердую массу. Если ложное схватывание появляется оно может быть устранено повторным перемешиванием бетонной смеси без добавки воды, хотя это не так легко но удобоукладываемость будет повышена и бетон может быть уложен обычным способом, без потери прочности. Цемент, характеризующийся ложным схватыванием, следует оставить для более длительного хранения, в результате которого это явление обычно исчезает.

1.3 Способы помола цементного клинкера

В настоящее время основными агрегатами для помола клинкера являются двухкамерные мельницы 3,2 х 15 м производительностью 50 т/ч; 4 х 13,5 м производительностью до 100 т/ч и 4,5Ч16 м производительностью 145 т/ч.

Помол клинкера может производиться в открытом и замкнутом цикле. При помоле в открытом цикле нельзя достигнуть высокой удельной поверхности, энергозатраты на помол увеличиваются, так как в мельнице накапливается значительное количество тонких фракций. Готовый цемент имеет широкий диапазон крупности, что ухудшает его свойства. В открытом цикле цементы обычно измельчают до удельной поверхности не более 3000 смІ/г. Для достижения более высокой удельной поверхности необходимо в процессе помола отделять мелкие частички, т. е. применять замкнутый цикл помола. При этом измельчаемый материал проходит через сепаратор, где отделяется мелкая фракция, являющаяся готовым продуктом, а крупная фракция возвращается в мельницу. Благодаря своевременному удалению мелкой фракции из мельницы готовый продукт более однороден по гранулометрическому составу, содержит значительно меньше крупных фракций, которые остаются в цементном камне балластом и почти не влияют на прочность. Измельчение клинкера в замкнутом цикле можно осуществлять по двум схемам [3].

По первой схеме измельченный в трубной мельнице клинкер подают ковшовым элеватором и аэрожелобами в сепараторы, откуда крупка возвращается на домол в первую камеру мельницы, а готовый продукт поступает в силосы [6]. Эта схема проста и удобна в эксплуатации, ее можно быстро перевести на открытый цикл. Высокая дисперсность материала, направляемого в сепаратор, способствует повышению эффективности работы последнего, так как возрастает выход тонких фракций и повышается производительность установки. Недостаток установки -- повышенный расход электроэнергии из-за некоторого переизмельчения.

По второй схеме материал выгружают из первой или второй камеры элеватором, подают его в сепаратор, а крупку возвращают во вторую камеру. Недостаток схемы -- необходимость применения специальных мельниц, невозможность перехода на открытый цикл, усложнение условий эксплуатации. Однако эффективность помола по этой схеме выше, чем по первой.

Мельницы 4Ч13,5 и 4,5Ч16 м работают в замкнутом цикле с сепараторами по первой схеме. Помол по замкнутому циклу наиболее рационален для получения высокопрочных и быстротвердеющих цементов. Недостатком мельниц, работающих по замкнутому циклу, является сложность механического оборудования установок и частые поломки вспомогательных устройств [5].

При производстве смешанных цементов и для тонкого измельчения в открытом цикле можно применять двухстадийный помол. Для этого устанавливают две мельницы: в первой производится предварительный грубый помол, во второй -- тонкое измельчение. По предложению фирмы «Смидт» вторая мельница загружается цильпебсом размером 4--8 мм против 20--35 мм в обычных мельницах. При этом достигается такая же тонкость помола, как и в сепараторных мельницах при несколько меньших затратах электроэнергии.

На последних стадиях измельчения в мельнице развивается высокая температура (до 150--160 °С), вследствие чего производительность ее резко падает. Кроме того, высокая температура в мельнице способствует превращению гипса в полугидрат, что в дальнейшем отрицательно влияет на процесс схватывания цемента. Такой цемент приобретает способность «ложного» схватывания. Для снижения температуры и улучшения условий помола в последнюю камеру мельницы впрыскивают распыленную воздушно-водяную смесь, что повышает ее производительность на 10--18 %. Количество воды не должно превышать 1,5 % массы цемента. Устройство для подачи воды включается автоматически, если температура цемента, выходящего из мельницы, превысит 100--120 °С. Однако вводить воду в первую камеру не следует, так как резко снижается производительность мельницы. При достижении цементом удельной поверхности 3500--4000 смІ/г наблюдается агрегирование частичек, ухудшается перемешиваемость цемента при затворении и повышается водопотребность. Агрегирование резко снижается при применении ПАВ [3].

Адсорбция поверхностно-активных веществ может значительно понижать предел упругости, прочность и твердость, облегчать разрушение хрупких тел и увеличивать пластичность металлов. При деформации твердого тела в поверхностном слое развиваются клиновидные микротрещины, которые смыкаются после снятия нагрузки. Адсорбционные слои, мигрируя по поверхности, достигают их устья и препятствуют смыканию. Пленки жидкости между твердыми поверхностями оказывают на них расклинивающее действие, способствуя их расширению. Если поверхностная энергия снижается незначительно, наступает лишь эффект пластифицирования, если поверхностная энергия снижается в несколько раз охрупнение. а при дальнейшем ее снижении -- самопроизвольное диспергирование. Адсорбционные эффекты тем сильнее, чем выше дефектность структуры. На величину эффекта влияет физико-химическое взаимодействие между ПАВ и твердым телом. Эффективность ПАВ определяется также и их концентрацией. Оптимальная концентрация соответствует условиям образования мономолекулярного слоя, поэтому дозировка ПАВ должна быть очень невысокой (обычно десятые и даже сотые доли процента).

Некоторые добавки одновременно с интенсификацией помола положительно влияют на строительно-технические свойства цемента -- повышают морозостойкость, являются пластификаторами, гидрофобизаторами, хотя и могут снизить начальную прочность [4].

Наиболее широко в настоящее время применяются катионактивные соединения -- сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ), триэтаноламин (ТЭА), смесь СДБ и ТЭА в соотношении 1:1. При введении ТЭА в количестве 0,015--0,03 % массы клинкера производительность мельниц повышается на 15--35 %, удельный расход электроэнергии уменьшается на 10--35 % [12].

1.4 Интенсификаторы помола

Интенсификаторы помола представляют собой вещества, способствующие процессу измельчения в барабанных мельницах благодаря предохранению мелющих тел от налипания частиц и диспергированию размалываемого материала. Добавки, способствующие помолу цемента, не должны оказывать отрицательного влияния на его свойства [4].

Интенсификаторы помола можно добавлять к размалываемому материалу в твердом или жидком виде или подавать прямо в мельницу в дозируемом количестве.

Скорость подачи жидкости можно контролировать точнее, чем дозировку небольших количеств зернистых материалов. Интенсификаторы помола добавляют в количестве 0,006-- 0,08% массы клинкера.

Большинство интенсификаторов помола представляют собой вещества, которые сильно адсорбируются поверхностью размалываемых частиц, насыщая избыточный потенциал поверхности и предотвращая притяжение других частиц и образование агломератов [12].

Интенсификаторы помола предотвращают налипание частиц на мелющие тела и благодаря этому повышают производительность мельниц. Интенсификаторы помола снижают затраты энергии и самоокупаются. Диспергирование частиц, вызванное интенсификаторами помола, повышает производительность воздушных сепараторов, так как мелкие частицы не захватываются крупными. При этом снижается количество циркулирующего материала, и в результате больше мелких частиц сразу попадает в готовый продукт.

Интенсификаторы помола сами по себе не оказывают заметного влияния на прочность цемента. Они могут снизить начальную прочность, однако прочность в возрасте 28 сут остается близкой к нормальной.

Устранение избытка поверхностной энергии, вызывающего взаимное притяжение частиц, при использовании интенсификаторов помола улучшает текучесть цемента. Нормы ASTM на портландцемент допускают применение двух «стимуляторов» помола -- ТДА и 109-В. При помоле сырьевой смеси можно применять интенсификаторы помола, включающие уголь, графит, коллоидный уголь, кокс, канифоль, ворвань, стеараты и т. д.

Разжижители шлама оказывают благоприятное влияние на процесс мокрого помола; они предотвращают образование хлопьев и проявляют поверхностную активность.

Для помола цемента применяют следующие интенсификаторы: аминацетат, этиленгликоль, пропиленгликоль, этиленгликоль. При помоле с пропиленгликолем удельная поверхность цемента повышается на 800 см²/г по сравнению с помолом без интенсификаторов при равных затратах энергии [13].

1.5 Сравнительный анализ вертикальной валковой и шаровой мельниц

Около 110 лет назад датский инженер М. Дэвидсэн запатентовал во Франции новаторское открытие, которое представляло собой трубную мельницу, наполненную стальными шарами или кремневой галькой для тонкого помола песка или цемента. Компания FLSmidth приобрела права на его патент и начала продажи усовершенствованной версии этой мельницы по всему миру. Для цементной индустрии шаровая мельница являлась эпохальным прорывом, так как почти 80 лет она была наиболее распространена при помоле сырья и угля и по настоящее время все еще очень широко используется для помола цемента. За последние три десятилетия валковая вертикальная мельница стала основной мельницей для помола сырья. Ее эффективность в сочетании с возможностью сушить, размалывать и сортировать материал в одном агрегате дает ей неоспоримое преимущество над шаровой мельницей. Однако, несмотря на эти преимущества, применение валковой тарельчатой мельницы для помола цемента не так распространено.

Двухкамерная шаровая мельница с сепаратором повышенной эффективности, работающая в замкнутом цикле, все еще является наиболее предпочтительной для помола цемента, хотя валковая вертикальная мельница, увеличившая долю на рынке за последнее десятилетие, выступает как жизнеспособная альтернатива ей. Этой ситуации существует множество объяснений, основанных на цене и простоте эксплуатации, цене монтажа, цене и простоте обслуживания, качестве продукции, многофункциональности и т. д. На этих параметрах базируется приведенное ниже сравнение двух мельниц для помола цемента.

Процесс помола в вертикальной валковой и шаровой мельницах кардинально различается. В шаровой мельнице процесс измельчения происходит за счет удара и истирания. В вертикальной валковой мельнице при измельчении слой материала подвергается достаточно сильному давлению, что вызывает разрушение отдельных частиц, хотя большинство частиц в слое значительно меньше, чем его толщина.

Таким образом, необходимо чтобы между валками и столом валковой мельницы формировался стабильный и плотный слой, который способен выдерживать прилагаемое давление, без вытеснения материала из зоны раздавливания. Стабильного слоя при помоле сырья обычно легко достигнуть, используя валковую вертикальную мельницу с сепаратором повышенной эффективности. Однако при помоле цемента достигнуть стабильного слоя гораздо сложнее по следующим причинам:

- цемент измельчают значительно тоньше сырья;

- материал подается к мельнице для помола цемента обычно

абсолютно сухим и измельчается гораздо труднее, чем сырье;

- конечный продукт при помоле цемента регламентирован гораздо более строгими требованиями к распределению частиц по размеру.

Эта разница в помоле цемента и сырья является значительным препятствием для достижения хорошей работы при помоле цемента валковой мельницей. Однако сейчас существует так называемая мельница ОК (модель валковой тарельчатой мельницы, выпускаемая компанией FLSmidth). Она стала примером конструктивного решения для преодоления сложностей, связанных с окончательной стадией помола цементного клинкера и связанных с ним продуктов.

«ОК» мельница была разработана в Японии компаниями Onoda Cement Co., Onoda Engineering and Consulting Co. и Kobe Steel в начале 80-х гг. прошлого века. В 1993 г. компания F.L. Smidth-Fuller Engineering приобрела права на ее производство и продажу. Запатентованные конструкции валков и стола мельницы ОК привели к перевороту в отношении формирования стабильного слоя материала. На рисунке 1.4 показаны сферические валки мельницы ОК с пазами в середине [6].

Стол изогнут и тем самым формирует вместе с валками клинообразную зону сжатия и помола. Подобная конструкция с двумя выступами оптимальна для помола клинкера, т. к. она создает две отдельные зоны помола: с высоким и с низким давлением.

В зоне низкого давления под внутренним выступом материал перед помолом деаэрируется и уплотняется. Непосредственно помол происходит в зоне высокого давления под внешним выступом. Паз в центре валка облегчает деаэрацию материала, предотвращая его ожижение.

Улучшению работы и снижению вибрации мельницы ОК способствует сепаратор повышенной эффективности. Он снижает внутреннюю рециркуляцию тонкозернистого материала и соответственно увеличивает скорость подачи. Таким образом, материал, идущий на помол, становится более крупным и, следовательно, менее склонным к разжижению.

Рисунок 1.4 - Трехмерное изображение мельтельного кольца легко изм. выс., сегмент ограничиницы ОК

Назначение помольного агрегата заключается в том, чтобы получить тонину продукции, обеспечивающую нужную реакционную способность и, соответственно, прочность производимого цемента. Качество цемента обычно проверяется при помощи измерений по Блейну удельной поверхности или остатков на сите. Однако влияние мельничной системы на качество продукта сложнее, чем то, что отражается значением по Блейну или остатком на сите. Оно включает в себя следующие факторы:

- распределение частиц по размеру:

- степень дегидратации гипса, добавляемого в цемент;

- предварительную гидратацию и карбонизацию клинкера.

Валковую тарельчатую мельницу характеризует то, что за один проход между валками и столом материалу передается только небольшое количество энергии. В связи с этим требуется много проходов, чтобы передать требуемую удельную энергию материалу, что приводит к высокой внутренней циркуляции. Это, в случае если процесс сепарации эффективен, приводит к крутой кривой распределения гранулометрического состава частиц. В связи с этим появляется необходимость в принятии мер для уменьшения наклона кривой гранулометрического распределения частиц с целью достижения качества цемента, аналогичного производимому шаровыми мельницами. В ОК мельнице достижение этой цели осуществляется несколькими способами.

Для снижения внутренней циркуляции материала стол загнут вверх, что позволяет сохранять определенный минимум материала под валками. Также по периметру помольный стол оснащен регулируемым ограничивающим кольцом, рисунок 1.5. Чем выше ограничивающее кольцо, тем толще размалываемый слой материала и тем дольше он задерживается на столе. Таким образом, материал получит больше энергии перед тем, как покинуть стол, что приведет к снижению циркуляции материала через сепаратор и уменьшению наклона кривой гранулометрического состава.

Давление при помоле также влияет на гранулометрический состав частиц. Чем выше давление, тем интенсивнее помол за один проход материала, меньше рециркуляция и, соответственно, меньше наклон кривой гранулометрического состава.

Соотношение скорости воздушного потока и скорости сепаратора также влияет на гранулометрический состав частиц. В мельницах ОК стало возможно достигнуть гранулометрического става частиц цемента, аналогичного проводимому на шаровых мельницах. Однако следует заметить, что достижение широкого гранулометрического состава частиц имеет вою цену: снижается эффективность помола.

Во время помола вырабатывается тепло, и цемент нагревается. Температура цемента на выходе зависит от температуры материалов (особенно клинкера), подаваемых в мельницу, и особенностей помола. Обычно она колеблется в пределах от 90 до 120 °С. При такой температуре кристаллизационная вода гипса, добавляемого в цемент, будет частично потеряна, т. е. гипс будет дегидратирован. Дегидратация увеличивает растворяемость гипса, увеличивая его эффективность в качестве замедлителя реакции алюминатов в цементе и, тем самым, его эффективность в управлении сроками схватывания. Другим последствием этого является увеличение прочности цемента при его твердении. Однако слишком высокая доля дегидратированного гипса может привести к осаждению кристаллов гипса между частицами цемента и вызвать преждевременное (ложное) схватывание. Небольшая дегидратация гипса обычно полезна, но слишком сильная может привести к проблемам.

Поскольку в мельнице ОК энергозатраты меньше и время нахождения материала в ней короче, продукция не будет нагреваться так сильно, как в шаровой мельнице. Это означает, что в данном случае ожидается меньшая степень дегидратации гипса. Это не является проблемой в случае, если гипс достаточно химически активен для контроля реакций схватывания, что обычно имеет место. В случаях, когда это не так, необходимо принимать особые меры:

- добавление дополнительного гипса (если это возможно в пределах ограничений на S0₃);

- увеличение дегидратации гипса путем подачи дополнительного тепла в мельницу;

- добавление более химически активных видов гипса.

Для обеспечения достаточной дегидратации гипса конструкция валковой вертикальной мельницы предусматривает возможность подачи горячего газа с выхода обратно на вход, что позволяет поддерживать необходимую температуру в мельнице, рисунок 1.5. Если на вход подаются холодный клинкер или влажные добавки, то с помощью вспомогательного нагревателя можно добавить горячего воздуха. Если температура клинкера, подаваемого в мельницу, слишком высокая, то температурой управляют при помощи регулятора холодного воздуха, который может подать на вход охлажденный воздух или, в крайнем случае, воду.

Рисунок 1.5 - Карта технологического процесса современного завода, использующего вертикальную валковую мельницу для помола клинкера и шлака

Еще один химический аспект, который следует рассмотреть - это предварительная гидратация частиц цемента, которая может иметь место при помоле. Влага для предварительной гидратации может поступать из влаги, содержащейся в материалах, подающихся на вход, внутренних охлаждающих систем и/или от дегидратации гипса. Последний случай обычно становится проблемой при хранении горячего цемента в силосе. В случае превышения определенного уровня, предварительная гидратация цемента может привести к уменьшению его реакционной способности и соответственно к увеличению времени схватывания и снижению прочности, особенно в ранние сроки. Предварительная гидратация также может увеличить вероятность ложного схватывания цемента с высоким содержанием дегидратированного гипса.

Для сравнения продукции ОК и шаровой мельниц были отобраны и протестированы образцы цемента одинакового состава, произведенного на разных мельницах на заводах, которые имели в своем составе мельницы обоих типов. Шаровые мельницы, на которых производились испытания, работали в замкнутом цикле [11].

Сравнение говорит о том, что качество цемента, производимого на ОК мельнице, такое же, что и качество цемента, производимого на шаровой мельнице с современным сепаратором, работающей в замкнутом цикле. Для ОК мельниц характерен более низкий уровень дегидратации гипса в цементе и круче кривая гранулометрического состава, но цемент получается с очень схожими вяжущими свойствами. Основные выявленные различия обычно были вызваны факторами, не зависящими от мельниц, такими как пропорции компонентов в продукции.

Самое значительное преимущество валковой верикальной мельницы заключается в удельном расходе электроэнергии. Потребление электроэнергии мельницей ОК на 25-40% ниже шаровой. Преимущество ОК мельницы особенно четко выражено при тонком помоле и/или при добавлении шлака в цемент.

При помоле в шаровой мельнице обычного портландцемента с удельной поверхностью до 3600 см²/г по Блейну интенсификаторы помола обычно не требуются и даже могут не подходить из-за своей стоимости. Однако при помоле в вертикальной валковой мельнице для достижения эффективного процесса производства со стабильным слоем материала и низким уровнем вибрации обычно требуются интенсификаторы помола. При помоле с помощью валковой мельницы обычного портландцемента низкой тонины (около 3000 см²/г по Блейну) можно обойтись без интенсификаторов, но даже в этом случае их применение улучшает производительность и снижает потребление энергии. Опыт последних лет показал, что схожий с интенси-фикаторами помола эффект оказывает вода. Если условия (совокупность температуры клинкера, потребления энергии и температуры окружающей среды) позволяют впрыскивать воду в мельницу, то ею можно заменить часть интенсификаторов помола. Количество интенсификаторов, которое можно заменить водой, зависит от гранулометрии подаваемых материалов, их влажности и качества продукции [11].

Вертикальная валковая и шаровая мельницы представляют собой абсолютно разные технологии. В случае, если эксплуатационные параметры валковой мельницы правильно настроены, можно достигнуть практически одинаковых свойств цемента, которые удовлетворят потребителя, на обеих мельницах. Тем не менее, у каждой из мельниц есть свои преимущества.

У вертикальной валковой мельницы эффективность помола сочетается с возможностью молоть, сортировать и, при необходимости, сушить продукцию в одном агрегате. Это дает ей значительное преимущество перед шаровой мельницей. Валковая мельница более чувствительна к изменениям в качестве сырья и интенсивности подачи материала, в связи с чем шаровая мельница более проста в управлении. Шаровая мельница также более проста в техническом обслуживании.

Валковая мельница потребляет меньше электроэнергии. Интенсификаторы помола, стоимость топлива для генератора горячего воздуха и цена воды для охлаждения тоже влияют на производственные затраты, но в меньшей мере. Стоимость технического обслуживания практически одинакова для обеих мельниц и поэтому не является значимой при сравнении.

По сравнению с шаровой, вертикальная валковая мельница более многофункциональна. Она пригодна и легко настраиваема для широкого круга продукции. С другой стороны, производительность шаровой мельницы может быть увеличена при модернизации, что невозможно для вертикальной валковой мельницы. Несмотря на то, что стоимость монтажа и сооружений различна в зависимости от региона, общая стоимость вертикальной валковой мельницы обычно немного выше.

Для сравнительной оценки шаровой и валковой тарельчатой мельниц в области помола цемента необходимо учитывать достаточно большое количество факторов, хотя стоимость потребляемой электроэнергии и затраты на установку, наверное, являются наиболее важными. Значения этих факторов могут значительно различаться в зависимости от местоположения, поэтому невозможно сделать общеприменимое сравнение. Такое сравнение должно проводиться для каждого отдельного проекта с учетом местных условий и потребностей.

1.6 Выводы из обзора литературы

Проведенный анализ литературных и патентных источников по цеху помола клинкера позволяет сделать однозначный вывод, что в технически развитых странах стремительно развивается цементная промышленность,и с целью экономии ресурсов и энергии проводится маса мероприятий по модернизации и реструктуризации заводов. Помол клинкера является важной стадией в производстве цемента. Клинкер является только полуфабрикатом. Для того чтобы получить из него портландцемент, клинкер следует измельчить с добавкой гипса, а также с гидравлической добавкой, применяемой в большинстве случаев. Одно из важнейших требований к портландцементу - это определённая степень измельчения - тонкость помола. От него зависит прочность цемента, и скорость его твердения.

Расход электроэнергии на получение одного килограмма при измельчении клинкера с коэффициентом размолоспособности 1,0 составляет соответственно 32 - 36 кВт/ч. С повышением тонкости помола затрата электроэнергии возрастает в значительно большей степени, чем степень измельчения. Так, увеличение тонкости помола на 1 % (уменьшение остатка на сите) повышает расход электроэнергии на 4 -6 % и соответственно снижает производительность мельницы.

портландцемент клинкер мельница

2. Характеристика готовой продукции и области применения

Портландцемент - это гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчением клинкера с гипсом, а иногда и с добавками.

Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси определенного состава, обеспечивающего преобладание высокоосновны.х силикатов кальция.

Гипс в портландцемент вводят для регулирования сроков схватывания и повышения прочности. По ГОСТ 10178--76 различают портландцемент без добавок, портландцемент, с минеральными добавками и шлакопортландцемент. В портландцемент с минеральными добавками разрешается вводить доменные или электротермофосфорные шлаки в количестве до 20 %, активные добавки осадочного происхождения до 10 %, активные добавки вулканического происхождения до 15 % массы вяжущего.

При производстве портландцемента разрешается вводить не более 5 % добавок, ускоряющих твердение или повышают их прочность (кренты, сульфоалюминатные и сульфоферритные продукты, обожжентты: алуниты, каолины).

В настоящее время в практике мирового строительства портландцемент является основным материалом для производства бетона, железобетона и строительных растворов. Качество и свойства портландцемента в основном определяются составом и структурой клинкера. Вводимые добавки лишь в некоторой степени регулируют те или иные его свойства.

Шлакопортландцемент - это гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера и гранулированного доменного или электротермофосфорного шлака с добавлением небольшого количества гипса. Количество шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21 и не более 80 %. Количество гипса в пересчете на S0₃ не должно превышать 3,5 %.

Кроме рядового шлакопортландцемента выпускается быстротвердеющий шлакопортлаидцемент, количество шлака в котором должно быть в пределах 30 - 50%.

Качество гранулированных шлаков, применяемых для производства шлакопортландцемента, регламентирует ГОСТ 3476--74. Наиболее важной характеристикой шлака является коэффициент качества К.

Помимо требований к доменным гранулированным шлакам стандарт включает также требования к электротермофосфорным гранулированным шлакам, которые уже в настоящее время применяются в качестве добавки в портландцемент. В связи с тем, что эти шлаки содержат незначительное количество Al₂O₃ и MgO и не влияют на активность шлаков, коэффициент качества для характеристики этих шлаков не применяется. Качество этих шлаков оценивают по содержанию СаО (?43 %), Si0₂ (? 40 %), P₂0₅ (? 2,5 %).

На свойства шлакопортландцемента оказывает влияние и минералогический состав клинкера. По мнению В. И. Сатарина, О. П. Мчедлова-Петросяна и Н. И. Кочара, для получения шлакопортландцемента лучше всего применять слабоспеченный клинкер с повышенным содержанием (до 5--7 %) свободной извести. По данным В. А. Кинда и С. Д. Окорокова, желателен клинкер с повышенным содержанием минералов-силикатов и высоким КН.

3. Выбор и обоснование технологической схемы

Технологический процесс получения цемента состоит из следующих стадий:

1. Предварительное измельчение шлака на валковом прессе;

2. Совместный помол исходных материалов в трубной мельнице;

3. Сепарирование материала, полученного в трубной мельнице;

4. Аспирация запыленного воздуха.

Технологическая схема, включает трубную мельницу, валковый пресс, циркуляционный сепаратор, дозирующее, транспортирующее, аспирационное оборудование, а также средства контроля и управления процессом помола. В режиме замкнутого цикла она работает следующим образом: гранулированный шлак со склада, с помощью грейферного крана подается в бункер, а затем на валковый пресс где происходит его предварительное измельчения, так как шлак является трудноразмалываем материалом по сравнению с клинкером и гипсом.

Клинкер и гипс с объединенного склада 1 подается грейферным краном в бункера соответственно, откуда после весовых тарельчатых дозаторов в определенном соотношении поступают в загрузочное устройство трубной мельницы. Туда же на домол поступает шлак.

Размолотый в мельнице материал поступает в двухходовой переключатель, который при режиме замкнутого цикла подает его в аэрожелоб. С помощью элеватора материал подается на высоту, где он направляется в центробежный сепаратор с выносными циклонами. В результате классификации, осуществляемой сепаратором, материал разделяется на фракции. Крупная фракция из сепаратора направляют обратно на домол в мельницу, мелкая фракция (готовый продукт) из циклонов сепаратора подается в приемный бункер, откуда по мере накопления транспортируется в цементные силосы с помощью спаренного пневмокамерного насоса.

С целью интенсификации процесса помола и предотвращения налипания частиц на мелющие тела периодически при помощи расходомера в загрузочную цапфу мельницы с бака для хранения жидкостей подается ПАВ (мылонавт), которое доставляется на предприятие в цистернах с помощью автотранспорта.

Аспирационный запыленный воздух из сепаратора под действием разрежения, создаваемого вентилятором подается в рукавный фильтр, после чего сбрасывается в атмосферу. Уловленную пыль возвращают в бункер с цементом.

4. Материальный баланс производства

Расчет материального баланса цеха помола производится для клинкера следующего состава:

- клинкер - 75%;

- гипсовый камень - 5%;

- доменный гранулированный шлак - 20%;

- пылеунос - 1,5% от массы материала.

Производительность мельницы 60 т/ч.

Количество клинкера:

Технологические потери клинкера: ;

Количество гипса:

Технологические потери гипса:

Количество доменного шлака:

Технологические потери доменного гранулированного шлака:

Результаты сведены в таблицу.

Таблица 3.1 - Материальный баланс производства

Приход	Кол-во, кг	Расход	Кол-во, кг
1 Клинкер	45675	1 Цемент	60000
2 Гипс	30,45	2 Технологические потери в том числе:
3 Доменный гранулированный шлак	12180	2.1 Клинкер	675
		2.2 Гипс	45
		2.3 Цемент	180
Итого:	60900	Итого:	60900

5. Расчет основных параметров цементной мельницы

5.1 Предварительный выбор размеров мельницы

Рассчитаем основные параметры и режим работы двухкамерной шаровой мельницы производительностью 60 т/ч для помола портландцементного клинкера с остатком на сите 008 ? 10 %.

Диаметр барабана шаровой мельницы определим по формуле:

(5.1)

где К - поправочный коэффициент на тонкость помола, принимаем 1,00 [1];

g - удельная производительность, принимается 0,036 т/(кВт•ч);

Длину шаровой мельницы определим по формуле:

L = (4ч5)•D = 14,0 м (5.2)

Выбираем мельницу 4Ч13,5 м

5.2 Проверочный расчет мельницы

Для мельницы рассчитываем критическое и рабочее число оборотов:

(5.3)

n = (0,7ч0,71)•n_кр = 0,7•21,15 = 14,805 об/мин. (5.4)

Наибольший размер шаровой загрузки в зависимости от размеров кусков питания определим по формуле:

(5.5)

где d - наибольший размер кусков питания, мм, принимаем для клинкера наибольший размер кусков - 60 мм:

Массу мелющих тел, загруженных в мельницу, определим по формуле:

g = ((р?dІ)/4)•L•ц·г_нас, (5.6)

где d - внутренний диаметр мельницы, м;

L - длина мельницы, м;

ц - коэффициент заполнения мельницы мелющими телами;

г_нас - насыпная плотность мелющих тел т/мі

Насыпная плотность цильпебсов - 4,3 - 4,4 т/мі, принимаем 4,3 т/мі. Коэффициент заполнения мельницы мелющими телами: первая камера (шары) - 0,3 - 0,32, принимаем 0,31; вторая камера (цильпебс) - 0,23 - 0,27, принимаем 0,25:

ц _ср = (0,31+0,25)/2 = 0,28;

г_{нас. ср.} = (4,6+4,3)/2 = 4,45 т/мі;

g = ((3.14·4І)/4)·13,5·0,28·4,45 = 211,3 т.

Удельный расход мелющих тел и бронеплит на одну тонну размалываего материала определим по формуле:

Р = Р_э·(0,04/(К·g)), (5.7)

где Р_э - удельный расход мелющих тел или бронеплит для эталонного продукта, кг/т, принимаем для бронеплит - 0,12, а для мелющих тел - 0,8;

К - поправочный коэффициент на тонкость помола;

g - удельная производительность для материала:

Р_{мелющих тел} = 0,8·(0,04/(1·0,036)) = 0,89 кг/т;

Р_{бронеплит} = 0,12·(0,04/(1·0,036)) = 0,133 кг/т.

5.3 Размольная производительность мельницы

Производительность мельницы определим по формуле:

(5.8)

где V - внутренний обьем мельниц, мі;

G - масса мелющей загрузки, т;

g - удельная производительность, т/(кВт·ч);

К - поправочный коэффициент на тонкость помола;

з - коэффициент использования мощности, при однократном прохождении материала з = 1, а при замкнутой схеме з = 1,1ч1,3 [1]:

V = ((р·DІ)/4)·L = ((3,14·4І)/4)·13,5 = 169,6 мі;

Мощность электродвигателя для вращения мельницы определим по формуле:

(5.9)

где G - масса мелющих тел, т;

D - диаметр барабана мельницы, м;

n - число оборотов мельницы, об/мин;

- коэффициент повышения мощности двигателя с учетом пускового момента, принимаем 1,15, [1];

- механический коэффициент полезного действия мельницы, учитывающий потери на преодоление трения в подшипниках и приводе, принимаем 0,92, [1];

Рассчитаем производительность мельничного вентилятора по формуле:

V_мв = 2818·dІ·(1-ц)•W•К_n, (5.10)

где d - внутренний диаметр мельницы, м;

ц - коэффициент заполнения мельницы мелющими телами;

W - скорость вентилируемого воздуха, принимается 0,28, [1];

К_n - коэффициент подсоса воздуха, принимается 2,3, [1];

V_мв = 2818·16І·(1-0,28)•1•2,3 = 74665,73 мі/ч.

Техническая характеристика мельницы 4Ч13,5:

количество камер - 2 шт;

внутренний диаметр - 3,97 м;

скорость вращения мельницы - 14,805 об/мин;

мощность основного электродвигателя - 3128,3 кВт; масса мелющих тел - 211,3 т;

производительность - 100 т/ч.

6. Конструктивные расчеты мельницы

Масса загрузки равна сумме масс шаров и материала m, т,

(6.1)

где m_м - масса материала, т;

m_ш - масса шаров, т.

(6.2)

Сила тяжести массы загрузки G_з, Н

(6.3)

где k₂ - коэффициент, учитывающий, какая часть загрузки в каждый определенный момент движется по круговой траектории;

G_ш - сила тяжести шаров, Н;

G_м - сила тяжести измельчаемого материала, Н.

k₂= 0,55.

Центробежная сила инерции массы загрузки, движущейся по круговой траектории Р, Н рассчитывается по формуле:

(6.4)

где W - оптимальная угловая скорость барабана, рад/с.

6.5)

Точка приложения сил G_з и Р определяется приведенным радиусом загрузки R_o и углом =60⁰.

Равнодействующая сил G_з и Р определяется по формуле:

(6.6)

Равнодействующая сил Т и G_м определяется по формуле:

(9.7)

Угол между силами находим графически или по теории синусов.

Интенсивность распределенной нагрузки, действующей на корпус мельницы в плоскости равнодействующей q, Н/м определяется по формуле:

(6.8)



Максимальный изгибающий момент М_и, Н•м:

(6.9)

На участке от муфты до первого (со стороны муфты) подшипника действует полный крутящий момент М_кр Н•м, подводимый к барабану, который рассчитывается по формуле:

(6.10)

где N - мощность, подводимая к валу, кВт.

Вследствие трения в подшипнике крутящий момент М_т, Н•м:

(6.11)

где R_в - нагрузка на подшипник, Н;

- коэффициент трения в подшипнике;

r_ц - радиус цапфы, м.

Определяем нагрузку на подшипники по схеме указанной на рис. 8.1.



Рисунок 4.1 - Распределение нагрузки на подшипники

R_а+R_в=q, (9.12)

R_а=R_в, (9.13)

2•R_в=q

2•R_в=11•10⁴

R_в=5,5•10⁴ Н.

r_ц=0,2•D/2, (9.14)

r_ц=0,2•4/2=0,4 м.

R_в=3,135•10⁴ Н; =0,02 [Дуда]; r_ц=0,3 с вышеприведенных расчетов.

По длине корпуса крутящий момент изменяется по наклонной прямой. Наиболее опасное сечение будет в середине пролета, где приведенный момент М_пр, Н•м равен:

(6.15)

Определяем момент сопротивления сечения корпуса:

 (6.16)

где к - коэффициент, учитывающий ослабление сечения вырезами и отверстиями под болты;

D_н - наружный диаметр барабана, м;

D_в - внутренний диаметр барабана, м.

к=0,8.

Напряжение, возникающее в стенке барабана:

(6.17)

Предел выносливости для материала корпуса [_-1], МПа

[_-1]=0,435[], (6.18)

Материал барабана - сталь ВМ СтЗ сп, для которой при Т=100^оС, []=134 МПа.

[_-1]=0,435*134=58,29 МПа.

18,8<58,29

<[_-1]

Из приведенных расчетов видно, что барабан мельницы обладает достаточным запасом прочности.

Заключение

В курсовой работе был проведен анализ литературных и патентных источников, который показал, что наиболее целеобразно проводить помол цементного клинкера по замкнутому циклу, так как схема имеет безусловные преимущества перед схемой по открытому циклу.

Рассчитаны материальный баланс и основной аппарат, который представляет собой двухкамерную шаровую мельницу производительностью 60 т/ч для помола портландцементного клинкера с остатком на сите 008 ? 10 %.

В курсовой работе представлено описание видов цемента, технические требования к цементу. Произведен анализ обзора литературы и выбор рациональной технологической схемы производства. Представлен материальный баланс цеха, произведен подбор цементной мельницы 4Ч13,5м.

Список использованных источников литературы

1. П.В. Зозуля, Ю.В. Никифоров. Проектирование цементных заводов. М.: Изд-во «Синтез»,1995;

2. Дуда В. Цемент.- М.: Стройиздат, 1981;

3. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих веществ.- М.: Высшая школа, 1980;