Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Цемент является продуктом тонкого помола цементного клинкера, получаемого в результате обжига (до полного спекания) природных мергелей или искусственных сырьевых смесей, составленных из известняков и глин. Цемент и его разновидности обладают высокими механическими свойствами и являются важнейшими вяжущими материалами, главными компонентами бетона и железобетона - основы современной строительной индустрии. Производство этих строительных материалов в нашей стране неуклонно возрастает на базе применения новейших технологий производства.

Цемент применяется для изготовления сборного и монолитного железобетона, строительных изделий и сооружений, легких и ячеистых пено- и газобетонов, получения цементных и смешанных строительных растворов, цементного фибролита.

К разновидностям цемента относятся следующие:

быстротвердеющий;

пластифицированный;

сульфатостойкий;

гидрофобный;

пуццолановый;

шлаковый;

глиноземистый;

и другие.

Таким образом, цель и задачи работы - определить потребительские свойства цементов, описать технологии производства цементов, дать характеристику сырья для их получения, основных стадии производства, привести блок-схему производства, выявить влияние технологии, сырья на качество цементов.

1. Применение цемента глиноземистого и высокоглиноземистого в сфере производства и потребления

Промышленность производит более 40 видов цемента, используемых в специальных целях. Основными разновидностями цемента являются быстротвердеющий, пластифицированный, сульфатостойкий, гидрофобный, белый и цветные, а также пуццолановый и шлаковый, глиноземистый и другие.

Глиноземистый цемент применяется:

- при ускоренном возведении или ремонте различных сооружений (когда выигрыш во времени имеет решающее значение);

- при возведении ответственных железобетонных конструкций промышленных сооружений и мостов;

- при сооружении шахт и другом подземном строительстве;

- при тампонировании трещин в породах;

- для футеровки нагревательных, обжиговых, термических и плавильных печей;

- в различных аварийных ситуациях.

Рекомендуется глиноземистый цемент применять для изготовления сборных железобетонных конструкций специального назначения на заводах и строительных площадках. Здесь данный цемент имеет то преимущество, что изделия могут выпускаться с завода уже через сутки после изготовления, а распалубка их может производиться через 12-16 часов. Причем отпадает необходимость в тепловлажностной обработке, что обычно требуется при применении портландцемента.

Глиноземистый цемент применяется для изготовления железобетонных сооружений, подвергающихся воздействию морских, сульфатных и других минерализованных вод (не допускается применение данного цемента в кислой и щелочной средах).

При возведении массивных сооружений, с применением глиноземистого цемента, внутри бетонного массива развиваются высокие температуры, достигающие 70 °С и выше. При таких температурах твердение протекает ненормально и прочность бетона внутри конструкций получается значительно ниже, чем в наружных слоях. В связи с этим рекомендуется применять глиноземистый цемент в конструкциях толщиной не более 1.0 метра.

Глиноземистый цемент совершенно незаменим при изготовлении огнеупорных изделий (кирпича, блоков, плит), являющихся футеровкой различных тепловых агрегатов, работающих при температурах до 1300 °С.

Прочность изделий из жаростойкого (жароупорного, огнеупорного) бетона зависит от количества вносимого цемента. Чем выше расход цемента, тем выше прочность изделий (класс). Однако при излишнем количестве цемента снижается огнеупорность. Коэффициент термического расширения увеличивается.

2. Классификационные признаки цемента глиноземистого и высокоглиноземистого

Цемент классифицируют по средней плотности, составу, назначению, происхождению.

По плотности различают цементы:

тяжелые -- 2200...2400 кг/м³;

легкие -- 500...2000 кг/м³;

особо легкие -- менее 500 кг/м³.

По гранулометрическому составу различают цементы:

крупнозернистые -- с крупным и мелким заполнителем (клинкер с песком);

мелкозернистые -- только с мелким заполнителем (доля песка больше доли клинкера);

беспесчаные -- только с крупным заполнителем, в состав не добавляют песок, входит только клинкер.

По назначению цементы разделяют на конструкционные и специальные. Конструкционные предназначены для бетонных и железобетонных несущих и ограждающих конструкций (фундаменты, колонны, перекрытия и др.). Они должны обеспечивать главным образом механические характеристики конструкций: прочность, жесткость, трещиностойкость и др. Специальные цементы предназначены для конструкций специального назначения.

К специальным видам цемента относятся:

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) -- портландцемент с минеральными добавками, отличающийся повышенной прочностью через 3 сут твердения. Его выпускают М400 и 500. БТЦ обладает более интенсивным, чем обычный, нарастанием прочности в начальный период твердения. Это достигается путем более тонкого помола цемента (до удельной поверхности 3500... 4000 см²/г), а также повышенным содержанием трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината (60...65%). В остальном свойства его не отличаются от свойств портландцемента. БТЦ применяют в производстве железобетонных конструкций, а также при зимних бетонных работах. Ввиду повышенного тепловыделения его не следует использовать в массивных конструкциях.

Сульфатостойкий портландцемент применяют для получения бетонов, работающих в минерализованных и пресных водах. Его получают из клинкера нормированного минералогического состава. Содержание СзЭ не более 50%, С₃А не более 5% и сумма СзА-С₄АР не более 22%. Введение инертных и активных минеральных добавок не допускается. Этот цемент, являясь по существу белитовым, обладает несколько замедленным твердением в начальные сроки и низким тепловыделением. Сульфатостойкий портландцемент выпускают М400. Остальные требования к нему предъявляются такие же, как и к портландцементу. Сульфатостойкий портландцемент используют для получения бетонов, находящихся в минерализованных и пресных водах.

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками выпускают М400 и 500. В качестве минеральной добавки вводят 10...20% от массы цемента гранулированный доменный шлак или электротермофосфорный шлак или 5... 10% активных минеральных добавок осадочного происхождения (кроме глиежа). Клинкер для производства этого цемента не должен содержать соответственно более 5% СзА и MgO, а сумма СзА и C4AF не должна превышать 22%.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент выпускают М300 и 400. Его получают путем совместного тонкого помола клинкера и гранулированного доменного шлака в количестве 21...60% и небольшого количества гипса. В этом цементе содержание в клинкере СзА ограничивается до 8%, MgO -- до 5%.

Пуццолановый портландцемент выпускают М300 и 400. Его получают путем совместного помола клинкера и 25...40% от массы цемента активных минеральных добавок и гипсового камня. Клинкер для пуццоланового цемента не должен содержать более 8% СзА и не более 5% MgO. В остальном свойства его не отличаются от свойств портландцемента.

Белый портландцемент получают из сырьевых материалов, имеющих минимальное содержание окрашивающих оксидов (железа, марганца, хрома). В качестве сырьевых материалов используют «чистые» известняки или мраморы и белые каолиновые глины, а в качестве топлива -- газ или мазут, не загрязняющие клинкер золой. Помол цемента производят более тонкий: остаток на сите с сеткой № 008 должен быть не более 12%. Основным свойством белого цемента, определяющим его качество как декоративного материала, является степень белизны. По этому показателю белый цемент разделяют на три сорта: I, II и III. По прочности белый цемент выпускают М400 и 500. Портландцемент высшей категории качества должен обладать стабильными показателями прочности при сжатии, коэффициент вариации прочности портландцемента М400 не более 5%, а М500 не более 3%. Начало схватывания белого цемента должно наступать не ранее 45 мин, конец -- не позднее 12 ч. Тонкость помола портландцемента должна быть такой, чтобы при просеивании сквозь сито с сеткой № 008 проходило не менее 88% массы просеиваемой пробы. Транспортируют и хранят белый цемент только в закрытой таре.

Цветные портландцементы получают путем совместного помола клинкера белого цемента со свето- и щелочестойкими минеральными красителями: охрой, железным суриком, ультрамарином, оксидом хрома, сажей. П.И. Боженов предложил для получения цветных цементов в процессе приготовления сырьевой смеси вводить оксиды некоторых металлов (0,05...1,0%). Эффективное окрашивание дают оксиды хрома (желто-зеленый цвет), марганца (голубой или бархатно-черный), кобальта (коричневый). При этом получают цементы клинкеров редких цветов, трудно достигаемых при смешивании с пигментами. Цветные цементы производят трех марок: 300, 400 и 500.

Белые и цветные цементы применяют для изготовления цветных бетонов, растворов отделочных смесей и цементных красок.

Тампонажный портландцемент изготовляют измельчением портландцементного клинкера, гипса с добавками или без них. Тампонажные цементы на основе портландцементного клинкера по вещественному составу в зависимости от содержания и вида добавок подразделяются на: тампонажный портландцемент бездобавочный, тампонажный портландцемент с минеральными добавками и тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими свойства цемента. Тампонажные цементы применяют для цементирования нефтяных газовых и специальных скважин. Тампонажный портландцемент бездобавочный применяют в условиях нормальных и умеренных температур (15...100°С) и нормальной плотности цементного теста (1650... 1950 кг/м³). Требования по устойчивости к воздействию агрессивных пластовых вод и объемным деформациям при твердении не предъявляются. К портландцементам с минеральными добавками или со специальными добавками, или в совокупности с минеральными и специальными добавками предъявляются требования по температуре применения, по средней плотности цементного теста и устойчивости тампонажного камня к агрессивности пластовых вод (сульфатная, кислая, углекислая, сероводородная, магнезиальная и полиминеральная).

Глиноземистый цемент гидравлическое вяжущее, предназначенное для изготовления быстротвердеющих строительных и жаростойких растворов и бетонов.

Глиноземистый цемент должен изготовляться в соответствии с ГОСТ 969-91 по технологическому регламенту производителя.

Содержание глинозема (Al₂O₃) в цементе должно быть не ниже 35 %.

По прочности на сжатие в возрасте 3-х суток цемент подразделяется на марки:

- 40;

- 50;

- 60.

В работе воспользуемся экономико-статистической классификацией, которая представлена в Общегосударственном Классификаторе промышленной и сельскохозяйственной продукции РБ. (ОКП РБ) Он входит в состав единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации РБ.

В ОКП РБ используют иерархический метод с шестью ступенями классификации и одной промежуточной ступенью.

Классификация по ОКП РБ

Секция D. Продукция перерабатывающей промышленности.

Подсекция DI. Прочие неметаллические минеральные изделия.

Раздел 26. Прочие неметаллические минеральные изделия.

Группа 26.2. Строительные материалы.

Класс 26.54. Цемент.

В международной практике широко используется Товарная Номенклатура Внешней Экономической Деятельности. (ТНВЭД). Структура ТНВЭД состоит из кодового обозначения товаров 9-ю цифровыми десятичными знаками из которых 1-6 - это уровни, соответствующие кодовому обозначению товаров по НГС, 7-8 разряды соответствуют кодовому обозначению товаров по КНЕС. 9-й уровень пока остается нулевым, он предназначен для определения национальных товаров.

Классификация по ТНВЭД

Раздел XIII. Изделия из камня, гипса, цемента, асбеста, слюды и из подобных материалов; керамические изделия; стекло и изделия из него.

Группа 62. Строительные материалы.

Позиция 62.15. Цемент.

3. Потребительские свойства цемента глиноземистого и высокоглиноземистого

Свойства цемента от их физических свойств и свойств материалов включенных в их состав:

· теплопроводность - способность удерживать тепло за счет свойств материала - цементы имеют низкую теплопроводность;

· твердость - способность неразрушаться под воздействием внешних сил - цемент в конструкции является довольно стойким материалом;

· прочность - способность неразрушаться под переменными нагрузками на изделие - также зависит от толщины изделия, изготовленного из цемента;

· химическая нейтральность - способность материала не окисляться под воздействием различных сред - все материалы из цемента выделяют окись кремния на поверхности под воздействием воздуха, на качество материала данное окисление вреда не приносит;

· устойчивость к воздействию агрессивных сред - способность материала воспрепятствовать воздействию атмосферных осадков, окисляющей возможности кислорода и другим, цементы чрезвычайно сильно устойчивы к воздействию агрессивных сред.

Рассмотрим подробнее потребительские свойства цемента:

Прочность цемента. Согласно ГОСТ 10178--85, прочность портландцемента характеризуют пределами прочности при сжатии и изгибе. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов балочек 40X40X160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из раствора состава 1:3 (по массе) с нормальным песком при водоцементном отношении 0,4 и испытанных через 28 сут; образцы в течение этого времени хранят во влажных условиях при температуре (20±2)°С. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут называется активностью цемента.

Влияние минералогического состава на прочность портландцемента. Процесс нарастания прочности клинкерных минералов портландцемента различен. Наиболее быстро набирает прочность трехкальциевый силикат: за 7 сут твердения он набирает около 70% от 28-суточной прочности, дальнейшее нарастание прочности у C3S значительно замедляется.

Тонкость помола. С увеличением тонкости помола прочность цемента возрастает. Средний размер зерен портландцемента, выпускаемого отечественными заводами, составляет примерно 40 мкм. Толщина гидратации зерен через 6... 12 мес твердения обычно не превышает 10...15 мкм. Таким образом, при обычном помоле портландцемента 30...40% клинкерной части его не участвует в твердении и формировании структуры камня. С увеличением тонкости помола цемента увеличивается степень гидратации цемента, возрастает содержание клеящих веществ -- гидратов минералов -- и повышается прочность цементного камня. Заводские цементы должны иметь тонкость помола, характеризуемую остатком на сите № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм) не более 15%. Обычно она равна 8...12%.

Тонкость помола цемента характеризуется также величиной удельной поверхности (м²/кг), суммарной поверхностью зерен (м²) в 1 кг цемента. Удельная поверхность заводских цементов составляет 250...300 м²/кг. В ряде случаев с целью повышения активности заводского цемента и для получения быстротвер-деющего цемента тонкость помола повышают. Условно считают, что прирост удельной поверхности цемента на каждые 100 м²/кг повышает его активность на 20...25%.

Увеличение удельной поверхности цемента более 300... 350 м²/кг связано со значительным снижением производительности мельниц; кроме того, такие цементы увеличивают водопотребность, растет тепловыделение, возрастают усадочные деформации.

Водопотребность цемента определяется количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения теста нормальной густоты. Водопотребность портландцемента 24...28%, при введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотребность повышается до 32...37%.

Влияние влажности и температуры среды. Твердение цементного камня и повышение его прочности могут продолжаться только при наличии в нем воды, так как твердение есть в первую очередь процесс гидратации.

Большое влияние на рост прочности цементного камня оказывают влажность и температура среды. Скорость химических реакций между клинкерными минералами и водой увеличивается с повышением температуры, а также значительно возрастает скорость уплотнения продуктов гидратации цемента. Твердение цементного камня на практике может происходить в широком диапазоне температур: нормальное твердение -- при температуре 15...20°С, пропаривание -- 8О...9О°С, автоклавная обработка -- до 170...200°С, давление пара -- до 0,8...1,2 МПа и твердение -- при отрицательной температуре. Наиболее быстрый рост прочности цементного камня происходит при пропаривании под давлением в автоклавах, при этом бетон через 4...6 ч приобретает марочную прочность.

В условиях пропаривания при нормальном давлении твердение бетона происходит примерно в 2 раза медленнее, чем в автоклавах. Бетоны, подвергнутые тепловлажностной обработке при температуре до 100°С, в большинстве случаев приобретают только 70% проектной прочности и лишь иногда достигают 100%. Дальнейший рост их прочности, как правило, не наблюдается.

Продолжительность хранения. Длительное хранение цемента даже в самых благоприятных условиях влечет за собой некоторую потерю его активности. После 3 мес хранения потеря активности цемента может достигать 20%, а через год -- 40%. Цементы более тонкого помола теряют больший процент активности, так как влага воздуха, соприкасаясь с цементом, вызывает преждевременную гидратацию цемента. Восстанавливать активность лежалого цемента можно вторичным помолом. Наиболее эффективен вибродомол цемента, в процессе которого повышается тонкость помола цемента, а также происходит обдирка гидратных и инертных оболочек с цементных зерен. Наиболее целесообразным методом предотвращения потери активности цемента является гидрофобизация.

Стойкость цементного камня. Бетон в инженерных сооружениях в процессе эксплуатации может быть подвержен агрессивному воздействию внешней среды: пресных и минерализованных вод, совместному действию воды и мороза, попеременному увлажнению и высушиванию. Среди компонентов бетона цементный камень наиболее подвержен развитию коррозионных процессов. Для того чтобы бетон стойко сопротивлялся агрессивному воздействию внешней среды, цементный камень должен быть коррозио-, морозо- и атмосферостойким.

Морозостойкость. Совместное попеременное действие воды и мороза влечет за собой разрушение бетонных сооружений. При отрицательных температурах вода, находящаяся в порах цементного камня, превращается в лед, который увеличивается в объеме примерно на 9% по сравнению с объемом воды. Лед давит на стенки пор и разрушает их.

Морозостойкость цементного камня зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента и водоцементного отношения. До определенной тонкости помола (5000... 6000 см²/г) морозостойкость цемента увеличивается, но при дальнейшем возрастании тонкости помола морозостойкость падает. Это объясняется пористой структурой новообразований цемента сверхтонкого измельчения.

Присутствие в цементе в значительном количестве активных минеральных добавок отрицательно влияет на морозостойкость цементного камня вследствие высокой пористости их и низкой морозостойкости продуктов взаимодействия добавок с компонентами цементного камня. Среди минералов клинкера наименее морозостойким является СзА, поэтому его содержание в цементе для морозостойких бетонов не должно превышать 5...7%.

Увеличение водоцементного отношения понижает морозостойкость цементного камня вследствие повышения его пористости. Таким образом, для увеличения морозостойкости бетона необходимо применять цементы с низким содержанием СзА, с минимальным содержанием активных минеральных добавок и использовать бетонные смеси с возможно меньшим водоцементным отношением, тщательно уплотняя смесь при укладке.

Значительно повышают морозостойкость бетона поверхностно-активные добавки (СДБ, мылонафт). Пластифицирующие добавки СДБ существенно снижают водопотребность бетонных смесей при сохранении заданной подвижности и тем самым уменьшают пористость цементного камня. Некоторые гидрофобизующие добавки обладают воздухововлекающей способностью (пузырьки воздуха в бетонной смеси амортизируют давление льда), повышают однородность структуры цементного камня (придают водоотталкивающие свойства) и гидрофобизуют стенки пор и капилляров, увеличивая тем самым сопротивляемость цементного камня действию воды.

Надо иметь в виду, что замораживание цементного камня в начальный период твердения является наиболее опасным, так как он еще не обладает достаточной прочностью и не может энергично сопротивляться действию льда.

4. Технология производства цемента глиноземистого и высокоглиноземистого и ее технико-экономическая оценка

Основным сырьем для производства цемента служат природные известковые мергели (смесь глины со значительным количеством карбонатов кальция и магния) или искуственные смеси материалов, содержащие известь и глину; последнюю можно заменить доменным шлаком, трепелом.

Для получения клинкера глиноземистого цемента в качестве главных компонентов сырьевой массы используют известняк СаС03 и породы, содержащие глинозем, например бокситы.

При сухом способе (существует еще мокрый), поступающие на завод сырьевые материалы в виде мергеля, известняка и глины подвергают дроблению в дробилках типа С-776 до зерен крупностью 2,5мм (глинистый материал дробят в агрегатах с одновременной его сушкой). Приготовленный дробленый сырьевой материал ленточными транспортерами подают на склад сырья, где сырьевые компоненты усредняют (с помощью усреднительных машин) до установленного норматива по химическому составу и подают далее в бункера мельниц. Из последних сырьевые компоненты вместе с добавками через дозаторы по массе поступают в приемные устройства помольных агрегатов, где их измельчают до требуемой толщины, подсушивают за счет тепла отходящих газов из вращающихся печей и подвергают сепарации.

Различают две схемы помола:

по открытому циклу;

по замкнутому циклу;

При открытом цикле (рис. 1а) материал проходит через мельницу однократно ; при замкнутом цикле (рис. 1б, в) часть материала -- крупные фракции -- вторично пропускают через мельницу для окончательного измельчения. Разделение измельченного продукта на фракции : грубую и мелкую называют сепарацией, а применяемые аппараты -- сепараторами.

Рис.1 Схема помола. а -- по открытому циклу; б, в -- по замкнутому циклу; 1 -- трубная мельница; 2 -- элеватор; 3 --сепаратор; ГП -- готовый продукт

Переход на замкнутый цикл связан со значительным повышением расхода энергии на вспомогательные операции, но это единственно реальный путь получения высокой тонкости помола сырья. В замкнутом цикле удаляются мельчайшие частицы, которые, налипая на мелющие тела, уменьшают их размалывающую способность.

Рис.2. Шаровая мельница замкнутого типа.

Технологические схемы помола по замкнутому циклу отличаются способами транспортирования измельченного продукта от мельницы к сепараторам:

пневматическим -- струей сушильного агента, просасываемого через мельницу;

механическим -- с помощью элеваторов.

Применяют и различные типы сепараторов:

воздушно-проходные;

центробежные.

Схемы, включающие мельницы с воздушно-проходными сепараторами, просты и работают при невысокой температуре газового потока, что дает возможность использовать отходящие газы вращающихся печей. Но они отличаются повышенным расходом энергии вследствие применения пневмотранспорта. В настоящее время чаще используют схемы с центробежными сепараторами и механическим транспортом измельченного продукта. В них объем сушильного агента может быть существенно ниже, а температура повышена до 600-650 С.

Измельченный в мельнице материал выгружают потоком газов через циклоны - разгружатели с помощью мельничного вентилятора. Далее мука поступает в корреляционные силосы, где она гомогенизируется и перегружается в расходные силосы. Измельченный в мельнице материал выгружают потоком газов через циклоны - разгружатели с помощью мельничного вентилятора. Далее мука поступает в корреляционные силосы, где она гомогенизируется и перегружается в расходные силосы. Корректирование и гомогенизацию сырьевой смеси производят для повышения эффективности печей и подачи на обжиг сырьевой смеси оптимального и постоянного химического состава. Возможны два варианта корректирования :

- порционное;

- поточное.

При порционном корректировании заранее готовят смесь (в нашем случае сухую) с заведомо более низким или более высоким содержанием CaCO₃ по сравнению с основной сырьевой смесью. Основную и корректирующие смеси подают в специальные емкости, и после установления состава каждой в определенном соотношении их направляют в третью емкость и перемешивают. На современных крупных заводах способ порционного корректирования связан с резким увеличением его длительности, объемов корректировочных емкостей, расхода электроэнергии. Это привело к переходу на поточную технологию приготовления сырьевых смесей, при которой их корректировку осуществляют непосредственно в процессе изготовления. При поточной технологии готовят две равноценные смеси, направляемые в отдельные емкости. После точного определения их характеристик сырьевые смеси подают в третью емкость в соотношении, обеспечивающем получение продукта заданного химического состава.

Поточное приготовление сырьевой смеси позволяет сократить длительность корректирования, снизить расход электроэнергии и капитальные затраты, но возможно оно только при выполнении обязательных условий (при подаче на помол сырьевых компонентов заданного химического состава; использования автоматических дозаторов; оперативном контроле и регулировании состава сырьевой смеси на всех стадиях ее приготовления).

После корректирования должна проводиться гомогенизация сырьевой смеси путем интенсивного ее перемешивания. Это очень важная технологическая операция. Расходы на нее составляют при производстве цемента 10-15 % всех расходов, занимая второе место после расходов на обжиг, а капитальные вложения, связанные с процессами переработки сырья; значительно превышают стоимость оборудования.

При переработке сухих цементных сырьевых смесей корректирования, гомогенизация и хранение порошкообразных сырьевых шихт происходят в железобетонных или металлических силосах с пневматическим перемешиванием емкостью до 2000 т. Воздух в силос подают снизу, через аэроплитки - керамические или из микропористых металлических сплавов. Сжатый воздух, проникая между зернами материала, переводит его в псевдотекучее состояние и облегчает перемешивание. Недостатками пневматического перемешивания порошкообразных сырьевых смесей являются:

- потребность в значительных объемах сжатого воздуха;

- недостаточная степень гомогенизации при больших количествах перемешиваемой сырьевой муки.

Последний недостаток особенно существен, поскольку рост производственной мощности цементных заводов неизбежно связан с увеличением вместимости силосов для хранения измельченного сырья.

На новых заводах корректирование сырьевой смеси происходит в двух ярусных силосах. В верхний ярус поступают исходные сырьевые смеси различного состава. После точного определения их характеристик они смешиваются в более крупных силосах нижнего яруса в заданном состоянии. Двух ярусное расположение силосов позволяет не только сократить их площадь и расходы на строительство, но и использовать своеобразный эффект гравитационного перемешивания в процессе разгрузки. Он обусловлен тем, что когда материал выгружают из силоса верхнего яруса в силос нижнего яруса, скорость его опускания больше в центре силоса и постепенно уменьшается в направлении к периферии, что заставляет горизонтальные слои материала разного уровня перемещаться к центру, где они одновременно извлекаются.

Технологическая схема поточного приготовления сырьевой смеси представлена на рис. 3. Поступающие с карьеров на завод известняк и глина после первой стадии дробления проходят через контрольные пункты определения химического состава. Результаты анализов, проводимые 1 раз в течение 1-2 ч, используются для первичного дозирования с точностью + 3-4%, т. е. относительно невысокой.



Рис 3. Технологическая схема поточного приготовления смеси по сухому способу: 1 -- карьер известняка; 2 -- карьер глины; 3 -- вагоны с огарками; 4 -- валковая дробилка; 5, 13, 16, 20, 24 -- контрольные станции определения химсостава; б -- щековая дробилка; 7 -- склад; 8, 10, 15, 23 -- дозаторы по массе; 9 -- бункера; // -- мельница «Аэрофол»; 12 -- циклон-разгружатель; 14 -- промежуточные силосы; 17 -- центробежный сепаратор; 18 -- бункер-весоизмеритель; 19 -- шаровая мельница; 21 -- гомогениззционный силос; 22 -- запасной силос.

Дозированные количества известняка и глины подаются в мельницу самоизмельчения. Сюда же поступают отходящие от печей горячие газы. Размолотая и высушенная смесь известняка с глиной поступает в циклон - разгрузитель, а затем в промежуточные силосы. После циклона - разгрузителя расположен контрольный пункт, осуществляющий отбор проб смеси и анализ на быстродействующем рентгеноспектральном анализаторе уже с частотой один раз в 5-10 мин. Размер промежуточного силоса выбирается таким образом, чтобы продолжительность его заполнения составляла 8-10 ч, что обеспечивает получение представительной информации для прогнозирования состава смеси, которая будет выходить из данного силоса при разгрузке. Из силосов сырьевая смесь поступает на дозаторы по массе, обеспечивающие точное заданное соотношение компонентов сырья перед домолом его в шаровой мельнице.

Грубо измолотую смесь готовят двух составов:

- высокую;

- низкую.

Это позволяет:

- предъявлять менее жесткие требования к первичному дозированию;

- осуществлять при вторичном дозировании оптимизацию химического состава сырьевой смеси путем маневрирования "высокими" и "низкими" силосами.

Ориентировочные значения соотношений известняка и глины в "высокой" и "низкой" смесях должны составлять соответственно 90:10 и 70:30 %.

Дозированная смесь " высоких " и " низких" материалов и огарков контролируется каждые 5-10 мин и подается элеватором в центробежный сепаратор. Здесь отделяются фракции тонкого помола, а крупка возвращается на домол в мельницу. В месте последующего объединения обоих потоков ставится снова контрольная станция. Объединенные потоки готовой сырьевой муки поступают в один двух ярусный гомогенезационный и запасной силосы, содержащие запас готовой муки на 1,5-2 сут.Выходящая из запасного силоса мука через дозаторы и контрольную станцию поступает на обжиг.

Обжиг клинкера при сухом способе производства осуществляется во вращающихся печах с циклонными теплообменниками, состоящими обычно из четырех последовательно соединенных циклонов, через которые направляются отходящие из печи газы; навстречу газам сверху вниз через циклоны поступает сухая измельченная сырьевая шихта; за 25-30 с она нагревается до 750-800С и декарбанизуется на 30-40%. Такая современная печь имеет производительность 3000 т/с при удельном расходе тепла 3,2 - 3,4 МДж/кг клинкера.

Обжиг цементно-сырьевой смеси протекает в определенных температурных границах - технологических зонах печного агрегата. Условно выделяют зоны:

- подогрева;

- декарбонизации;

- экзотермических реакций;

- спекания;

- охлаждения.

В зоне подогрева при температуре 200-700С выгорают органические примеси и начинаются процессы разложения глинистого компонента. В зоне декарбонизации при температуре 900-1200С протекает диссоциация карбонатов кальция и магния с образованием свободных CaO и MgO. Одновременно продолжается распад глинистых минералов. С ростом температуры происходит взаимный обмен между атомами и ионами вещества с образованием новых соединений: двукальциевый силикат ((белит), который медленно твердеет, при этом выделяет очень мало теплоты; продукт твердения в течение первого месяца обладает невысокой прочностью, но затем на протяжении нескольких лет при благоприятных условиях прочность его неуклонно возрастает); трехкальциевый алюминат ((целит), содержится в количестве 4-12%; при благоприятных условиях обжига образуется в виде кубических кристаллов; целит является причиной сульфатной коррозии цемента, поэтому его содержание в сульфатостойком цементе ограничено 5%);.четырехкальциевый алюмоферрит содержится в количестве 10-20%. Это алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера, представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, обычно ее состав близок к 4CaO*AL₂O₃*Fe₂O₃. По скорости гидратации этот минерал занимает как бы промежуточное положение между алитом и белитом и не оказывает определяющего значения на скорость твердения и тепловыведение цемента. При правильно рассчитанной и тщательно подготовленной и обожженной сырьевой смеси клинкер не должен содержать свободного оксида кальция CaO, так как пережженная при температуре около 1500С известь, так же как и магнезия MgO, очень медленно гасится, увеличиваясь в объеме, что может привести к растрескиванию уже затвердевшего бетона. В природе есть горная порода, обеспечивающая получение клинкера такого состава - мергель (тесная смесь известняка с глиной).

В зоне экзотермических реакций при температуре 1200-1300С процесс твердофазового спекания материала завершается. Содержание свободной извести резко уменьшается, но в смеси остается некоторое ее количество, необходимое для насыщения двукальциевого силиката до трехкальциевого.

В зоне спекания температура клинкера сравнительно медленно понижается с 1300 до 1000 С.

Границы зон во вращающейся печи достаточно условны и не являются стабильными. Меняя режим работы печи, можно смещать зоны и регулировать тем самым процесс обжига.

Вращающиеся печи (рис. 4), установленные под углом к горизонту 3-4 вращаются со скоростью 0,5-1,4мин^-1. Работает печь по принципу противотока. Сырьё поступает в печь с верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо - воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20-30м длины печи. Горячие газы, перемещаясь со скоростью 2-13м/с навстречу материалу, нагревают последний до требуемой температуры. Занятое материалом сечение во вращающихся печах составляет лишь 7-15 % объема, что является следствием высокого термического сопротивления движущегося слоя и объясняется малой теплопроводностью частиц обжигаемого материала и слабым перемешиванием их в слое.

Рис. 4. Вращающаяся печь: 1 -- дымосос; 2- питатель для подачи шлама; 3 -- барабан; 4 -- привод; 5-- вентилятор с форсункой для вдувания топлива; 6 -холодильник

В печах сухого способа часть физико-химических превращений происходит в запечных теплообменниках (например, циклонных). Во взвешенном состоянии в потоке горячих газов очень интенсивно ( за 25-30с ) происходит сушка и частичная ( до 20-35%) декарбонизация сырьевой смеси.

Техническим прогрессом является введение в систему циклонных теплообменников дополнительной диссоционной ступени реактора - декарбонизатора, в котором сжигается до 60% топлива, предназначенного для обжига клинкера. В реакторе - декарбонизаторе происходит на 85-90% разложение карбоната кальция, а остальные 10-15 % процесса диссоциации приходятся на долю вращающейся печи. Установка декарбонизатора позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объема печи в 2,5-3 раза, повысить производительность печей до 6000 -10000 т/сут, снизить удельный расход теплоты до 3,0 - 3,1 МДж/кг клинкера. Размеры установки невелики, и она может использоваться не только при строительстве новых заводов, но и при модернизации действующих печей с циклонными теплообменниками.

Декарбонизатор (рис. 5) представляет собой печь специальной конструкции с вихревой форсункой, где в вихревом потоке происходит сжигание топлива и декарбонизация сырьевой муки.

Полученный в печи раскалённый клинкер поступает в холодильник, где охлаждается движущимся ему навстречу холодным воздухом до 60-80 С. Далее клинкер подаётся на измельчение в сепараторную машину.

Тонкое измельчение клинкера с гипсом и активными минеральными добавками - завершающая технологическая операция производства цемента. Его основные свойства (прочность, скорость твердения и др.) определяются степенью измельчения.

Измельчение осуществляется под действием внешних сил, преодолевающих силы взаимного сцепления частиц минерала. Макро- и микро неоднородность кусков материала, агрегирование порошка, взаимодействие измельчаемого материала и измельчающих поверхностей предопределяет стадийность процесса.

Рис.5. Схема печной установки с выносным декарбонизатором (а) и выносными теплообменниками (б): 1 -- декарбоннзатор (кальцинатор); 2 -- топливные форсунки; 3 -- топливные насосы; 4 -- трубчатый подогреватель; 5 -- топливный бак; 6 -- вращающаяся печь; 7 -- пневмоподъем-ник; 8 -- дозаторы сырьевой муки; 9 -- бункера для сырьевых материалов; 10 -- разгрузитель сырьевой муки; //-- розжнговая труба; 12 -- циклоны теплообменника; 13 -- газоход; 14--- циклоны пылеочистки дымовых газов; 15 и /7 -- дымососы; 16 -- электрофильтр, /5 -- водяной насос; 19 -- переходной трубопровод; 20 -- вертикальный газоход; 21 -- трубопровод горячего воздуха из холодильника.

На кривой сопротивляемости размолу клинкера можно выделить три участка: грубого, среднего, тонкого измельчения. Удельная работа измельчения последовательно возрастает от первой к третьей стадии. На первой сопротивляемость размолу определяется пористостью материала, на второй -- микроструктурой и минералогическим составом вещества. На третьей стадии сопротивляемость размолу увеличивается с ростом удельной поверхности вследствие агрегации тонких частиц и их налипания на рабочие поверхности. По мере измельчения энергетические потенциалы частиц настолько возрастают, что происходит их агрегирование с уменьшением удельной поверхности. На третьей стадии измельчения большая часть энергии тратится не на измельчение продукта, а на разрушение вновь образующихся агломератов.

Размол цемента - наиболее энергоёмкая операция. На 1т клинкера расходуется 90-110МДж энергии. Это обусловливает стремление к уменьшению массы измельчаемого материала. Из него целесообразно предварительно выделять куски меньше того размера, до которого производится измельчение на данной стадии. В результате уменьшается расход энергии, повышается производительность мельницы,конечный продукт более однородный по размерам. Измельчение материала происходит в процессе перемещения вдоль мельничного барабана. Чем длиннее этот путь, тем больше степень измельчения. Мельницы должны иметь достаточную длину (10-14 м), которая обеспечивает необходимое время пребывания материала в мельнице и соответствующую тонкость помола.

Мельницы разделены дырчатыми перегородками на камеры (2, 3 и 4). В первую камеру поступают крупные куски, для разрушения которых необходима большая сила удара. Поэтому её загружают шарами большого диаметра -- 60-110мм, массой 5-6 кг. Во вторую камеру загружают шарами меньшего диаметра -- 30-60мм, потому что во вторую камеру материал поступает уже в виде крупки. В следующие камеры поступает тонко измельченный продукт, и его истирают, поэтому их загружают обычно стальными цилиндрами (цильпебсами), имеющими длину 25-40 мм и диаметр 16-25 мм.

Обязательное условие эффективной работы мельницы -- охлаждение мельничного пространства путем его аспирации (вентилирования).

Для интенсификации процесса помола рекомендуется применение специальных добавок (0,03 - 0,04 триэтаноламина и сульфитно - дрожжевой бражки (СДБ)).

Наиболее мощное помольное оборудование используют в цементной промышленности, как в открытом, так и в закрытом циклах.

На рис. 6 показана технологическая схема помола цемента на современном цементном заводе в открытом цикле. Клинкер, гипс и активные минеральные добавки со склада подаются в бункера и дозируются тарельчатыми питателями в мельницу. После измельчения цемент поступает в аспирационную шахту, а из неё в бункер цемента и далее на склад. Мельничное пространство аспирируется. Цемент, осаждённый в циклонах и электрофильтре, собирается шнеком и направляется в расходный бункер цемента. Главный недостаток измельчения в открытом цикле -- трудность получения материалов с удельной поверхностью ( до 4000-5000см/г ).

Рис. 6. Технологическая схема помола цемента в открытом цикле: 1 -- сборный шпек; 2 -- ячейковые разгружатели; 3 -- аспирациониый вентилятор; 4 --электрофильтр; 5 -- циклоны; 6 -- расходные бункера (добапок, клинкера, гипса); 7 -- тарельчатые питатели; 5 -- склад; 9 -- грейферный кран; 10 -- расходный бак для ПАВ; 11 -- перекачивающие насосы; 12 -- ковшовый питатель; 13 -- мельница; 14 -- аспирационная шахта; 15 -- редуктор; 16 -- электродвигатель; 17 -- шнек; 18 -- расходный бункер цемента; 19 -- пневмовинтовой насос

Внедрение замкнутого цикла помола обусловлено повышением требований к тонкости помола, которые не могли быть удовлетворены при работе на установках открытого цикла. Мельницы, работающие в замкнутом цикле, дают более однородный по размеру зёрен продукт, характеризуются большей удельной производительностью. В то же время мельницы замкнутого цикла требуют больших капитальных затрат.

В последнее время получает распространение короткая трубная мельница, обычно двухкамерная, работающая в замкнутом цикле с сепаратором.

Рис. 7. Блок-схема технологического процесса: 1 - дробление; 2 - сушка; 3 - упаковка.

5. НТД на цемент глиноземистый и высокоглиноземистый, нормируемые показатели качества в соответствии с требованиями стандартов

ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия

СТБ 4.212-96 Портландцемент М-500. Номенклатура показателей

СТБ 1112-98 Добавки для портландцемента. Общие технические требования

СТБ 1114-98 Вода для портландцемента и растворов. Технические условия

ГОСТ 28570-90 Портландцемент. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций

ГОСТ 30108-94 Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов

По «ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия» цементы следует изготовлять в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке.

По содержанию А1₂О₃ цементы подразделяют на виды:

- глиноземистый цемент (ГЦ);

- высокоглиноземистый цемент I (ВГЦ I);

- высокоглиноземистый цемент II (ВГЦ II);

- высокоглиноземистый цемент III (ВГЦ III).

По прочности при сжатии в возрасте 3 сут. цементы подразделяют на марки:

ГЦ--40, 50 и 60;

ВГЦ 1--35;

ВГЦ II -- 25 и 35;

ВГЦ III --25.

Содержание оксидов элементов в цементах должно соответствовать указанному в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Содержание оксидов элементов в цементах

	Содержание оксидов элементов, %
Вид цемента
	не менее	не более
ГЦ	35	-	-	-	-	-	-
ВГЦ I	60	32	1,0	3,0	1,5	2,0	0,05
ВГЦ II	70	28	1,0	1,5	1,0	2,0	0,05
ВГЦ III	80	18	0,5	0,5	0,5	0,5	0,05

Физико-механические показатели цементов должны соответствовать указанным в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Физико-механические показатели цементов

	Значение для цемента вида и марки
Наименование	ГЦ	ВГЦ I	ВГЦ II	ВГЦ III
показателя	40	50	60	35	25	35	25
1. Предел прочности при сжатии, МПа, не менее, в возрасте:
1 сут	22,5	27,4	32,4	-	-	-	-
3 сут	40,0	50,0	60,0	35,0	25,0	35,0	25,0
2. Тонкость помола:
остаток на сите с сеткой № 008 по ГОСТ 6613, % не более;	10	10	10	10	10	10	10
удельная поверхность, кв. м/кг, не менее	-	-	-	300	300	300	300
3. Сроки схватывания:
начало, мин, не ранее	45	45	45	30	30	30	30
конец, ч, не позднее	10	10	10	12	15	15	15
4. Огнеупорность, град. °С, не менее	-	-	-	1580	1670	1670	1750

Допускается введение в цементы технологических добавок, не ухудшающих их свойства: не более 2% массы глиноземистых цементов и не более 0,2 % массы высокоглиноземистых цементов. В случае поставки высокоглиноземистых цементов на экспорт введение технологических добавок оговаривается по соглашению сторон.

По «СТБ 4.212-96 Портландцемент М-500. Номенклатура показателей» качество цемента должно соответствовать требованиям настоящего стандарта и обеспечивать изготовление изделий и конструкций, удовлетворяющих требованиям нормативной и проектной документации на изделия и конструкции конкретных видов.

Теплопроводность в сухом состоянии цемента, к которым предъявляют требования по теплопроводности, должна удовлетворять требованиям нормативных документов и проектной документации на изделия и конструкции конкретных видов, а при отсутствии этих требований -- СНБ 2.04.01.

Класс цемента по прочности на сжатие, марку по средней плотности, морозостойкости, водонепроницаемости и значение теплопроводности в изделиях и конструкциях конкретных видов указывают в проектной документации на конструкции, а также в соответствующей нормативной документации на изделия. Значение отпускной прочности цемента изделий устанавливают в соответствии с требованиями ГОСТ 13015.0.

Удельная эффективная активность естественных радионуклидов цемента не должна превышать величин, установленных ГОСТ 30108.

В качестве вяжущих материалов следует применять цемент, шлакоцемент и их разновидности, соответствующие требованиям ГОСТ 10178 и другие виды цементов по нормативной документации в соответствии с областью их применения для изделий и конструкций конкретных видов.

Вид и марку цемента следует выбирать в соответствии с назначением изделий или конструкций, условиями их эксплуатации, требуемым классом бетона по прочности на сжатие, марками по морозостойкости и водонепроницаемости, величиной отпускной или передаточной прочности для сборных изделий и конструкций.

В качестве крупных и мелких заполнителей следует применять заполнители, удовлетворяющие требованиям соответствующих нормативных документов.

Допускается применение пористых заполнителей других видов, на которые имеется соответствующая нормативная документация.

Допускается применение крупных заполнителей в виде смеси двух фракций от 5 до 20 мм.

Наибольший размер зерен крупного пористого заполнителя должен быть не более 3/4 расстояния в свету между арматурными стержнями и не более 1 /3 толщины изделия или конструкции.

Выбор той или иной фракции пористого заполнителя и их соотношения при подборе состава бетона осуществляют с учетом требований настоящего стандарта по насыпной плотности и прочности крупного заполнителя.

Вода для приготовления цемента должна удовлетворять требованиям СТБ 1114.

6. Контроль качества цемента глиноземистого и высокоглиноземистого. НТД на правила приемки, испытания, хранения и эксплуатации товара

Методы контроля качества цемента по ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия

При изготовлении образцов высокоглиноземистых цементов для испытания на прочность водоцементное отношение подбирают таким, чтобы расплыв стандартного конуса был 105--110 мм;

Формы с образцами глиноземистых цементов хранят в течение 6±0,5 с. в воздушно-влажных условиях при относительной влажности воздуха не менее 90%, затем помещают в ванну с водой. Через 24±2 ч с момента изготовления формы извлекают из воды, образцы расформовывают, часть подвергают испытаниям, остальные помещают в ванну с водой и хранят в ней до установленного срока в испытания.

Химический состав определяют по ГОСТ 5382

Огнеупорность высокоглиноземистых цементов определяют по ГОСТ 4069. Пирометрические конусы, необходимые для проведения испытаний, изготавливают из цементного теста нормальной густоты. Тесто ручным уплотнением набивают в разборные металлические конусообразные формы и хранят их в камере воздушно-влажного хранения в течение 24 ч при температуре (20±2)°С и относительной влажности не менее 90%. После этого конусы освобождают от форм и проводят их испытания.

Правила приемки по ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия

Цементы принимают по ГОСТ 22236 со следующими дополнениями:

1) объем партии высокоглиноземистых цементов не должен превышать 75 т для заводов с годовым выпуском цемента до 5 тыс. т и вместимости одного силоса для заводов с годовым выпуском цемента св. 5 тыс. т.

2) партия цемента принимается и может быть отгружена, если результаты приемосдаточных испытаний по прочности, тонкости помола, срокам схватывания и химическому составу удовлетворяют требованиям ГОСТ 969-91 «Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия»

3) огнеупорность высокоглиноземистых цементов определяют не менее чем для 20% партии цемента

По ГОСТ 22236-86 «Цементы. Правила приемки» приемку цемента производят партиями. Каждая партия должна состоять из цемента одного наименования и марки, изготовленного одним предприятием и оформленного одним документом о качестве.

Объем партии, за исключением отгрузки в судах, не должен превышать вместимости одного силоса, но не более 4000 т. При отгрузке цемента в судах размер партии может превышать вместимость силоса и устанавливается по согласованию изготовителя с потребителем..

Отбор и подготовку проб для проведения приемки цемента изготовителем и проверки его качества потребителем осуществляют по СТ СЭВ 3477.

Приемку цемента техническим контролем предприятия-изготовителя, а, в случае введения на нем Государственной приемки продукции, также Госприемкой производят на основании данных производственною контроля и приемо-сдаточных испытаний.

Производственный контроль включает в себя периодические испытания сырья, полуфабрикатов и цемента, проводимые в объемах и в сроки, установленные действующей на предприятии технологической документацией, в том числе для цементов общестроительного назначения -- определение прочности цементов на изгиб и сжатие в 3-суточ-ном возрасте.

По данным производственного контроля назначают вид и марку партии цемента, гарантируемую изготовителем.

На основании средних результатов испытавши последних пяти партий цемента данного вида и марки при пропаривании или по результату испытаний данной партии определяют группу поставляемой партии цемента по эффективности пропаривания.

Приемо-сдаточные испытания включают испытания цемента каждой партии по всем показателям качества, предусмотренным нормативно-технической документацией (НТД) на цемент.

Партия цемента принимается и может быть отгружена, если результаты приемо-сдаточных испытаний по:

- виду и количеству введенных добавок;

- равномерности изменения объема;

- срокам схватывания;

- тонкости помола;

- содержанию ангидрида серной кислоты (SO₃);

- пластичности пластифицированных цементов и гидрофобное™ гидрофобных цементов;

- содержанию щелочных оксидов в цементах, для которых это требование установлено, удовлетворяют требованиям НТД на цемент конкретного вида.