Производство минеральных вяжущих материалов

                                                Введение 
 

     Промышленность  вяжущих материалов играет важную роль в создании материально-технической  базы государства, обеспечении дальнейшего  роста материального и культурного  уровня жизни народа, успешной реализации программы строительных работ. От темпов роста выпуска вяжущих материалов зависят масштабы капитального строительства, его экономичность и технический уровень.

     Применение  вяжущие веществ не ограничивается их использованием в строительстве. Без них не может существовать ни одна область техники. Первым вяжущим веществом, которым пользовался человек, была природная необожженная глина. Однако со временем из-за слабых вяжущих её свойств и малой стойкости во влажных условиях глина перестала удовлетворять требованиям строителей. Ещё за 2400 – 3000 лет до н.э. были найдены способы получения искусственных вяжущих путем обжига некоторых горных пород и тонкого измельчения продуктов этого обжига.

       Первые искусственные вяжущие – строительный гипс, известь – были применены при строительстве уникальных сооружений: бетонной галереи легендарного лабиринта в Древнем Египте (3600 г до н.э.), фундаментов древнейших сооружений в Мексике, Великой Китайской стены. [1]

     Современная строительная техника предъявляет  к вяжущим материалам новые высокие требования. Для производства железобетонных изделий и конструкций необходимы различные цементы (быстротвердеющий, декоративный, расширяющийся и т.д.). [4]

     Цементная промышленность как составная часть  тяжелой промышленности – одна из важнейших отраслей материального производства. Основными направлениями экономического и социального развития Казахстана предусмотрены увеличение выпуска портландцемента и расширение производства высокомарочных, многокомпонентных и специальных цементов. Намечено увеличить производство высокопроизводительных автоматизированных линий для получения цемента сухим способом, ускорить разработку энергосберегающих технологий в производстве цемента. Ведется большая работа по расширению ассортимента и повышению качества цемента, а также по применению отходов других отраслей промышленности и природных материалов в качестве добавок при производстве многокомпонентных и специальных цементов, совершенствуются способы производства портландцемента. [2]

     Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и гранулированного доменного или электротермофосфорного шлака. Количество шлака в шлакопортландцементе должно быть свыше 20 и не более 80 %. Допускается замена части шлака активными минеральными добавками (не более 10 %). Гипс в шлакопортландцементе служит не только регулятором сроков схватывания, но и активизатором твердения. Замедляя схватывание клинкера, он в то же время ускоряет твердение шлака. Повышение дозировки гипса обеспечивает рост прочности шлакопортландцемента. Содержание S0₃ в шлакопортландцементе должно быть не менее 1 и не более 4 %. Себестоимость шлакопортландцемента снижается за счет замены части клинкера необжигаемым специально материалом — гранулированным шлаком, что сокращает затраты на добычу и подготовку сырья, уменьшает расход топлива и электроэнергии на 1 т продукта. По уровню общих затрат на производство шлакопортландцсмент на 15...20 % эффективнее портландцемента.

     По срокам схватывания к шлакопортландцементу предъявляют те же требования, что и к портландцементу. Однако, как правило, шлакопортландцемент схватывается несколько медленнее, чем портландцемент. Введение гипса в шлакопортландцемент, замедляя схватывание клинкера, значительно ускоряет схватывание шлакопортландцемента, возбуждая гидравлическую активность шлака. По прочности (ГОСТ 10178—95) шлакопортландемент разделяется на марки 300, 400 и 500. Обычный шлакопортландцемент характеризуется относительно медленным нарастанием прочности в ранние сроки твердения. Но в более поздние сроки твердения, когда в реакцию вступает основная масса шлака, прочность его возрастает и даже превосходит прочность портландцемента той же марки. Для шлакопортландцемента характерен высокий темп нарастания прочности при тепловлажностной обработке, причем в отличие от портландцемента прочность пропаренных образцов в возрасте 28 сут превышает прочность образцов естественного твердения в 1,5—2 раза. При пониженных температурах (2—7 °С) обычный шлакопортландцемент твердеет значительно медленнее, чем портландцемент. Введение шлака в портландцементный клинкер с повышенным содержанием свободного СаО устраняет неравномерность изменения объема. Шлакопортландцемент менее чувствителен и к повышенным дозировкам гипса. Усадочные деформации шлакопортландцемента примерно такие же, как и обычного портландцемента, и зависят в основном от минералогического состава клинкера. Шлакопортландцемент при твердении выделяет мало Са (ОН)₂ и поэтому характеризуется повышенной жаростойкостью. Он может выдержать длительный нагрев при 600—800 °С. По морозостойкости шлакопортландцемент уступает портландцементу. Он обычно выдерживает до 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания, поэтому его не следует применять в зоне переменного увлажнения. Особенностью шлакопортландцемента является то, что пропаренные изделия на его основе имеют более высокую морозостойкость, чем непропаренные.       Шлакопортландцемент отличается повышенной стойкостью против многих агрессивных сред, в частности против мягких и сульфатных вод. В этом он значительно превосходит портландцемент. Повышенная стойкость шлакопортландцемента в мягких водах объясняется образованием при его твердении преимущественно низкоосновных соединений. Повышенная сульфатостойкость также связана с понижением количества Са(ОН)₃, что уменьшает возможность образования эттрингита, вызывающего вредные деформации. Шлакопортландцемент также значительно более стойкий против щелочной коррозии, т. е. против коррозии, вызываемой взаимодействием щелочей цемента с активным заполнителем. Количество щелочей в цементе в этом случае может достигать 2 %.

     Шлакопортландцемент можно использовать для бетонных и железобетонных конструкций, наземных, подводных и подземных сооружений. Особенно эффективно его применение в гидротехническом строительстве (морском и речном). Вследствие пониженного тепловыделения и повышенной жаростойкости его предпочитают портландцементу при изготовлении массивных сооружений, а также конструкций горячих цехов. Не рекомендуется применять шлакопортландцемент в зоне переменного уровня воды, а также в строительстве при низких температурах без искусственного обогрева.

       Простота технологии, возможность использования отходом промышленности, экономичность производства, ценные строительные строительные свойства обеспечивают его широкое распространение. Кроме того, использование шлаков способствует решению важной социальной задачи охране окружающей среды, поскольку сокращаются полезные и пощади, занимаемые отвалами шлака. [5] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        1 Номенклатура выпускаемой продукции 

     На  проектируемом заводе в г. Косогорске, производительностью 2 млн. т/год, планируется  выпуск шлакопортландцемента марки 400.

     КН = 1,03;  n =2,2; р = 1,5.

     Истинная плотность шлакопортландцемента колеблется в пределах 2,8—3,0 г/см³, уменьшаясь по мере увеличения дозировки шлака. Насыпная плотность в рыхлом состоянии 900—1200, а в уплотненном — 1400—1700 кг/м³. Водопотребность шлакопортландцемента несколько меньше, чем портландцемента, а водоотделение — несколько больше. С увеличением удельной поверхности водоотделение уменьшается. Сроки схватывания по ГОСТ 10178-85: начало должно наступать не ранее чем через 45 мин, а конец - не позднее чем через 10 ч с момента затворения. 
 

     2   Характеристика сырьевых материалов 
 

     Цементная промышленность – одна из наиболее материалоемких отраслей народного  хозяйства. Рост выпуска цемента  связан с увеличением расхода  сырья, а, следовательно, и затрат на его добычу. Поэтому необходимо обеспечить максимальную отдачу от каждой тонны сырья, материалов и топлива, бережно относиться к природным богатствам. [3]

     Общим требованием ко всем компонентам  сырьевой смеси является постоянство  состава и содержание минимального количества нежелательных примесей, в частности гипса и других сульфатов, соединений магния (магнезит, доломит), щелочесодержащих соединений (полевые шпаты и т.п.). 

     2.1 Известняк 

     Порода осадочного происхождения, состоящая главным образом из кальцита обычно с примесью глинистого материала, доломита, кремнезема, окислов железа и др. 

     По  величине зерен известняки подразделяют на грубозернистые, крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые, тонкозернистые. Размеры  их зерен составляют соответственно: 2 – 1; 1 – 0,5; 0,5 – 0,25; 0,25 – 0,1; 0,1 – 0,01 мм.

     Плотные известняки имеют низкую карьерную  влажность (до 5-6 %).  Средняя плотность  известняков 2400 – 2700 кг/м³.

     Естественная  влажность – 1,7 %. 
 
 

Таблица 2.1 – Химический состав известняка Косогорского месторождения 

     2.2 Шлак 

     Доменные  шлаки имеют наибольшее значение.

     Наиболее  благоприятным составом является расплав, содержащий      42—52 % основных (СаО + MgO + МnО) и 46—55 % кислых оксидов (Si0₂ + А1₂0₃). Чем больше в коксе серы, тем больше должно быть в расплаве СаО. Четыре оксида: СаО, Si0₂, А1₂0₃ и MgO составляют около 95 % валового состава шлака, МnО содержится от 2 до 4 %, оксидов железа не более 1 %. Различные оксиды, входящие в состав шлака, по-разному влияют на его свойства. СаО в количестве от 30 до 50 % повышает гидравлическую активность шлаков и снижает вязкость расплава. Но если количество СаО превышает 49—50 %, шлаки рассыпаются из-за перехода β-C₂S в γ-C₂S при охлаждении. А1₂0₃ содержится в количестве 6—15 %, он также способствует повышению активности шлаков, особенно в присутствии СаО. MgO входит в те же соединения, что и СаО. При увеличении содержания МgO до 18 % заметно снижается активность шлака. Повышение содержания MgO свыше 18 % может вызвать неравномерность изменения объема цемента. Si0₂ (28—38 %) — компонент шлака, необходимый для образования силикатных и алюмосиликатных соединений. Если содержится много Si0₂, гидравлические свойства шлака резко ухудшаются, а вязкость расплава повышается. МnО снижает вязкость расплава и повышает его кристаллизационную способность. В небольшом количестве (до 2—3 %) он почти не влияет на гидравлическую активность шлака. Железо обычно присутствует в виде FeO в количестве        1—3 %, на гидравлические свойства шлаков не влияет, но снижает темпераратуру появления расплава и его вязкость. Сера, как правило, находится в виде сульфидов кальция, железа, марганца. Присутствие сульфида кальция положительно влияет на гидравлические свойства. Ti0₂ обычно содержится в незначительных количествах и на свойства шлаков не влияет. [6]  

Таблица 2.2 – Химический состав шлака 

     2.3 Колошниковая пыль  

     Мелкозернистый материал, выносимый из доменной печи через колошники с отходящими газами. Состоит в основном из пылевидной руды, флюса и части несгоревшего топлива. Содержание железа в колошниковой пыли  47 – 73 %. Применяют при производстве портландцементного клинкера как корректирующую добавку для снижения глиноземистого и силикатного модулей. 

Таблица 2.3 – Химический состав колошниковой пыли 

     2.4 Гипс 

     Горная  порода осадочного происхождения, состоящая в основном из минерала гипса.

     Гипс  добавляется в количестве 3 – 5 % при  помоле клинкера для регулирования  сроков схватывания цемента. 

     2.5 Топливо  

     Топливо в цементной промышленности играет большую роль, т.к. основным технологическим процессом в изготовлении цементного клинкера является его обжиг. Стоимость топлива составляет до 40 % стоимости клинкера и до 25 % стоимости цемента.

     В качестве газообразного топлива  применяем природный газ Косогорского месторождения. Газ на завод подают из магистральных газопроводов, где поддерживается давление 0,6 МПа. В заводском газораспределительном пункте давление газа снижают до 0,25 – 0,30 МПа.      С таким давлением газ транспортируют к местам его потребления. Для сжигания газа  используют газовые горелки различных конструкций.

     Теплотворная  способность природного газа Косогорского месторождения  8100 Вт/кг. 
 

     3 Расчет состава сырьевой шихты 
 

     Соотношение между сырьевыми материалами  при производстве портландцемента  рассчитывают исходя из состава этих материалов и заданной характеристикой клинкера. На проектируемом заводе в г. Косогорске используем трехкомпонентную сырьевую смесь без учета присадки золы топлива. Расчет производим по КН и одному из модулей. При использовании железистой добавки (колошниковая пыль) применяем глиноземный модуль (р). Расчет сырьевой шихты производим по методике С.Д. Окорокова.  

       ПЦ -400,  г. Косогорск, КН = 1,03;  р = 1,5.

Таблица 3.1-Химический состав исходных сырьевых материалов: 

     1) Обозначаем соотношение компонентов в шихте как Х : У : 1 и определим Х и У по КН и р: 

     a₁ = (2,8КНS₁ + 1,65А₁ + 0,35F₁) – C₁;                                                 (3.1.1)   

     a₁ = (2,8ּ1,03ּ1,44 + 1,65ּ0,38 +  0,35ּ0,42) – 54,22 = -49,293 

     b₁ = (2,8КНS₂ + 1,65А₂ + 0,35F₂) – C₂;                                                (3.1.2)    

     b₁ = (2,8ּ1,03ּ36,9+ 1,65ּ8,91 + 0,35ּ0,58) – 44,83 = 76,495 

     с₁ = С₃ - (2,8КНS₃ + 1,65А₃ + 0,35F₃);                                                (3.1.3)    

     с₁ = 6,7 - (2,8ּ1,03ּ14,34+ 1,65ּ3,01+ 0,35ּ59,31) = - 60,383 

     а₂ = р(A₁  + F₁) – S₁;                                                                              (3.1.4)    

     а₂ = 1,5(0,38 + 0,42) – 1,44 = -0,24 

     b₂  = р(A₂ + F₂) – S₂;                                                                              (3.1.5)   

     b₂  = 1,5(8,91 + 0,58) – 36,9 = - 22,665 

     с₂ = S₃ - р(A₃ + F₃).                                                                                (3.1.6)  

     с₂ = 14,34 – 1,5(3,01 + 59,31) = -79,14

            с₁b₂ - с₂b₁                    а₁с₂ - а₂с₁

     х = -------------- ;           у = --------------.                                                  (3.1.7)

            a₁b₂ - а₂b₁                    a₁b₂ - а₂b₁ 

            (-60,383) ּ (-22,665) – (- 79,14) ּ (76,495)       7422,394

     х = ------------------------------------------------------ = ------------- = 6,536

           (-49,293)ּ (-22,665) – (-0,24) ּ (76,495)             1135,585 
 

             (-49,293) ּ (-79,14) – (-0,24) ּ (-60,383)        3886,548

     у = ---------------------------------------------------- = -------------- = 3,423

             (-49,293)ּ (-22,665) – (-0,24) ּ (76,495)       1135,585

     2) Состав сырьевой шихты в процентах рассчитывается по формулам: 

                                           100х         100 ּ 6,536         653,6

      первого компонента =---------- = ------------------- = ---------- =59,64 %  (3.1.8) 

                                        х+у+1    6,536+3,423+1   10,959 

                                           100у          100ּ3,423

     второго компонента = ------------ =  --------------  = 31,24 %                  (3.1.9)                     

                                        х + у + 1     10,959 

                                          100          100

    третьего компонента = ----------- = --------- = 9,12 %                            (3.1.10)                   

                                      х + у + 1    10,959 

Таблица 3.2 - Химический состав сырьевой шихты и клинкера 

     3) Определяем коэффициент пересчета на прокаленное вещество: 

                   100             100

     К= -------------- = --------- = 1,3563

              100- п.п.п.     73,73 

     4) Определяем расход сухого сырья на 1 т сухой сырьевой смеси:

     Известняк                  59,64 ^. 10 = 596,4 кг

     Шлак                           31,24 ^. 10 = 312,4 кг

     Колошниковая  пыль   9,12 ^. 10 = 91,2 кг

                                       ---------------------------

                                            Итого:   1000 кг

     5) Определяем расход сырья с естественной влажностью на 1 т сырьевой смеси : 

     Известняк                         596,4/(1-0,069) = 596,4/0,931 = 641 кг

     Шлак                                 312,4/(1-0,13) = 312,4/0,87 = 359 кг

     Колошниковая  пыль       91кг 

     6) Определяем расход сырья на 1 т клинкера: 

     а) расход сухого сырья: 

     (100/(100 - п.п.п.)) ^. 1000 = 1,3563ּ1000 = 1356,3 кг, из них 

     Известняк                     1356,3ּ0,5964 = 808,9 кг

     Шлак                             1356,3ּ0,3124 = 423,7 кг

     Колошниковая  пыль   1356,3ּ0,0912 = 123,7 кг

                                         -----------------------------------

                                         Итого:           1356,3  кг  

     б) расход сырья с естественной влажностью: 

     Известняк                        808,9/0,931 = 868,9 кг

     Шлак                                423,7/087 = 487 кг

     Колошниковая  пыль      123,7 кг

                                          ---------------------------------

                                           Итого:      1479,6 кг. 

     7) Определение коэффициента насыщения (КН), силикатного (n) и глиноземистого (р) модулей для сырьевой смеси: 

     Определяем (КН), который должен быть равен заданному: 
 

               C - 1,65Al₂O₃ - 0,35Fe₂O₃        46,951 – 1,65ּ3,285 – 0,35ּ5,839

     КН = -------------------------------- = ------------------------------------------  = 1,03

                             2,8 SiO₂                               2,8 ּ 13,698 
 

     определяем  силикатный и глиноземистый модули: 

                  SiO₂                    13,698                            

     n = ------------------- = ------------------ = 1,53                       

           Al₂O₃ + Fe₂O₃      3,285+5,839                       

                 Al₂O₃         3,285

     р =   ------------ = ---------- = 0,563

               Fe₂O₃        5,839 

     8) Сопоставляем модули клинкера и сырьевой смеси 

     Вывод: В результате расчета сырьевой шихты получилось, что оба модуля (n и p) меньше заданных. в этом случае для корректирования необходимо ввести кремнеземистую добавку. 
 

     4 Технологическая часть 
 

     4.1 Выбор и обоснование способа производства 

     Производство  портландцемента – сложный технологический  процесс добычи и доставки на завод  сырьевых материалов (шлака и известняка), приготовление сырьевой смеси (дробление, помол и усреднение её состава), обжига сырьевой смеси до спекания (получение клинкера), помол клинкера с гипсом (получение портландцемента).