Производство портландцемента

Содержание  пояснительной записки

Введение…………………………………………………………………………….2

1. Характеристика  сырьевых материалов…………………………………………3

  1.1. Характеристика  карбонатных пород……………………………………….4

  1.2. Характеристика  глинистых пород………………………………………….5

  1.3. Характеристика  минеральных добавок……………………………………6

  1.4. Характеристика  гипсосодержащих пород…………………………………7

  1.5. Характеристика  гидрофобных добавок……………………………………7

2. Химический  и минералогический состав клинкера…………………………...8

  2.1 Химический  состав клинкера……………………………………………….8

  2.2. Минеральный  состав клинкера……………………………………………10

3. Расчет состава  сырьевой смеси и клинкера…………………………………...12

  3.1. Расчет  смеси………………………………………………………………...13

4. Описание технологических  способов производства гидрофобного  портландцемента………………………………………………………………..…16

  4.1. Мокрый  способ производства клинкера………………………………….17

  4.2. Сухой  способ производства клинкера…………………………………....25

  4.3. Комбинированный  способ производства клинкера  ……………………..28

5. Выбор способа  производства ………………………………………………….29

6. Подбор основного  технологического оборудования  и расчет материального баланса……………………………………………………………………………...30

7. Составление  карт операционного контроля  процесса производства портландцемента  и его разновидностей……………………………………...….36

Список литературы……………………………………………………………......38

ВВЕДЕНИЕ.

Цемент — это важнейший строительный материал. В строительной практике он применяется уже около 160 лет. Крупные научные открытия, послужившие основой создания новых видов цемента и улучшения качества существующих, относятся к последним четырем десятилетиям, причем большинство из них принадлежит советским ученым.

Среди строительных материалов цементу принадлежит  ведущее место. В современной  строительной практике роль цемента  в выпуске новых прогрессивных  материалов и изделий для полносборного  домостроения постоянно возрастает. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных  материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, жароизоляции и  др. Крупными потребителями цемента  являются нефтяная и газовая промышленность. Цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы  успешно заменяют в строительстве  дефицитную древесину, кирпич, известь  и другие традиционные материалы.

Гидрофобный портландцемент производится по той же технологии, что и обычный портландцемент, при той же дозировке гипса, но с использованием специальной гидрофобизирующей  добавки, которая и придает гидрофобному портландцементу необходимые свойства.

Основное отличие  гидрофобных портландцементов –  их низкая гигроскопичность, низкий уровень  поглощения паров воды из воздуха. Именно благодаря этому свойству гидрофобные  портландцементы могут храниться  в течение полугода в насыщенной влагой среде и увеличиться в  массе всего на каких-то 2-3 процента. В то время, как обычный портландцемент при тех же условиях может увеличиться  в своей массе на 10-15 процентов. Наиболее же гидрофобными портландцементами  являются пуццолановые и шлаковые портландцементы, гидрофобизированные добавкой мылонафта  или олеиновой кислотой.

Еще несколько  отличительных черт присущих гидрофобным  портландцементам:

• они не слеживаются при хранении и не образуют комков, остаются очень долго сыпучими. Соответственно, гидрофобные портландцементы могут активно использоваться и в тех случаях, когда требуется их длительное хранение или перевозка на дальние расстояния, особенно, если это транспортировка по рекам и морю;
• способен придавать цементным и бетонным смесям повышенную подвижность, удобен при укладывании, а также придает растворам и бетонам, достигшим состояния затвердения, повышенную морозостойкость;
• экономен, так как для получения тех же результатов требуют меньшего количества портландцементного порошка. А их повышенная пластичность позволяет сократить расход портландцемента в бетонах на 8—10 процентов и дополнительно уменьшить расход извести в портландцементных растворах;
• применяют  для облицовки и штукатурки зданий, так как он предотвращает образование выцветов на поверхности штукатурки;
• использовать при изготовлении бетонов для дорожного, аэродромного строительства и строительства гидротехнических сооружении.

1. Характеристика сырьевых  материалов

Портландцементом  называют гидравлическое вяжущее вещество, в состав которого преобладают силикаты кальция (70 – 80 %). Портландцемент – основное вяжущее в современном строительстве – является продуктом тонкого измельчения клинкера с добавкой гипса (3 – 5 %).

При производстве портландцемента применяют разнообразные  материалы, одни из которых идут непосредственно  на изготовления клинкера, другие же в  виде добавок  используются при его  помоле (гипс и минеральные добавки).

Сырьевая смесь  для производства портландцемента состоит из известняка (75%) и глины (25%). В качестве сырья можно использовать мел, мергель, глинистые сланцы и отходы различных производств (доменные шлаки, нефелиновый шлам и т.п.)

Пригодность сырьевых материалов для производства портландцемента  устанавливают на основании их всестороннего  изучения.

Для обеспечения  нужного химического состава  сырьевой смеси применяют корректирующие добавки: железосодержащие (Fe₂O₃); пиритные (колчеданные) огарки, колошниковую пыль, железную руду и отходы ее обогащения; глиноземистые добавки (содержание Al₂O₃); каолин, бокситы богатые глиноземом глины; кремнеземистые добавки (SiO₂); кварцевые пески, опоку, трепел.

Для производства портландцемента используют также  побочные продукты промышленности. Например доменные шлаки, содержащие необходимые  для получения клинкера оксиды (CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃), золы нефелиновый шлам и др.

Нефелиновый шлам, образующийся при производстве глинозема, содержит 25 – 30%  SiO₂ и 50 – 55%  CaO, поэтому для получения сырьевой смеси необходимого состава к нему добавляют 10 – 20% известняка. Использование нефелинового шлама повышает производительность печей примерно на 20% и снижает расход топлива на 20 – 25%.

Гидрофобный портландцемент отличается от обыкновенного содержанием специальной гидрофобной добавки. Изготовляют его совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и гидрофобной добавки. Портландцемент становится гидрофобным, одновременно сохраняя все остальные присущие цементам свойства, если в его состав введено оптимальное количество гидрофобной добавки. Оптимальное же количество гидрофобной добавки зависит от химико-минералогического состава клинкера, свойств и количества активных минеральных или инертных добавок, тонкости помола цемента и вида самой гидрофобной добавки.  
 
Следует иметь в виду, что при недостаточном количестве вводимой гидрофобной добавки цемент (качество которого практически не ухудшается) не будет обладать гидрофобностью. При введении же излишнего количества гидрофобной добавки растворы будут характеризоваться повышенной пористостью, так как в них вовлекается увеличенное количество воздуха. Как следствие этого — прочность их уменьшится.

В гидрофобный  портландцемент разрешается вводить  активные минеральные или инертные добавки тех же разновидностей и  в том же количестве, что и в  портландцемент. Непременным условием изготовления этого цемента является точное дозирование гидрофобной  добавки. Предварительно опытным путем  с учетом качества используемых на заводе клинкера и минеральных добавок устанавливают то количество гидрофобной добавки, которое необходимо ввести в цемент при его помоле.

1. Характеристика  карбонатных пород

Они широко распространены в природе, что способствует развитию на их основе производства вяжущих  материалов. Из карбонатных пород  используют известняк, мел, известняк  – ракушечник, известковый туф  и др. Все эти породы содержат в основном углекислый кальций CaCO₃.

Известняки состоят  из кристаллов кальцита различных размеров. Средняя плотность плотных известняков  достигает 2400 – 2700 кг/м³ , а меловых пород – 1500 – 2000 кг/м³ ; влажность этих материалов соответственно от 3 до 10 % и 15 – 30%.

Карбонатные породы – основной вид сырья при производстве портландцемента. Качество карбонатной  породы зависит от его структуры, количества примесей и равномерности  их распределения в массе сырья  и определяется видом изготавливаемого вяжущего.

Известняки и  мел содержат до 90% и более углекислого  кальция и небольшие количества кварцевого песка, глинистых минералов  и др. Химический состав этих материалов характеризуется преимущественным содержанием оксида кальция ( до 50% и  более) и CO₂ ( до 40% и более). Они содержат также небольшие количества кремнезема, глинозема и др. Содержание серного ангидрида более 1 – 1,3% недопустимо. Согласно ГОСТ 10178-76 содержание MgO в клинкере не должно превышать 5%. Чтобы обеспечить это условие, суммарное содержание MgO в смеси должно быть не более 3-3,5%. Такое ограничение вызвано тем, что окись магния, находящаяся в клинкере в виде минерала периклаза, в процессе твердения цемента гидратируется медленно, с увеличением в объёме, что с течением времени при большом содержании MgO в цементе может привести к разрушению раствора и бетона.

При разработки технологической схемы производства портландцемента, прежде всего, учитывают химический и петрографический состав, а также физические свойства и влажность карбонатных пород.

Наличие в известковом  компоненте большого количества включений  кварца или кремниевых прослоек осложняет  и удорожает подготовку сырьевой смеси, а так же неблагоприятно отражается на процессе обжига и качества цемента. Известняки с крупными кремниевыми  включениями требуют предварительного обогащения.

В зависимости  от качества сырья меняются температура  обжига, производительность печей и  свойства конечного продукта. Чем  выше плотность известняков, тем  труднее идет процесс обжига.

Особым видом  карбонатного сырья является мергель. Это переходная горная порода от известняков  к глинам. Мергель представляет собой  тонкодисперсную смесь осадочного происхождения из 20 – 50% глинопесчаных  веществ и 50 – 80% углекислого кальция. В зависимости от содержания углекислого  кальция (CaCO₃) мергели подразделяются на песчаные, глинистые и известняковые. Наиболее ценное сырье – известковый мергель, содержащий 75 – 80% CaCO₃ и 20 – 25% глины. По химическому составу он близок к портландцементной сырьевой смеси, что упрощает технологию производства. Мергели, в которых содержание CaCO₃ соответствует составу портландцементной смеси, называют натуральными. Подобно известнякам и мелу мергели могут резко различаться по физическим свойствам: одни имеют плотную структуру и прочны, другие как и мел мягки, рыхлы и влагоемки. Средняя плотность мергелей 2200 – 2500 кг/м³, а влажность – 5 – 20%.

2. Характеристика  глинистых пород

Глины представляют собой тонкодисперсные осадочные  горные породы и легко дают суспензии при разбалтывании с водой. Характерный признак кристаллической решетки этих минералов – слоистое строение. Глины сильно различаются по минеральному и гранулометрическому составу часто в пределах одного месторождения. Нередко они содержат значительное количество включений в виде песка и гравия, что вызывает необходимость их предварительного обогащения.

По минеральному составу глины характеризуются  преимущественным содержанием водных алюмосиликатов и кварцевого песка. Химический состав глин характеризуется  наличием трех оксидов:

- SiO₂ – 60 – 80%

- Al₂O₃ – 5 - 20%

-Fe₂O₃ – 3 -15%

Иногда в глинах присутствуют соединения, содержащие SO₃, Na₂O и K₂O. Включения веществ с этими оксидами, а также MgO нежелательны и их количество должно быть минимальным. Влажность глин колеблется в пределах 15 – 20%. Средняя плотность комовой глины 1800 – 2000 кг/м³. В процесс обжига труднее всего вступают во взаимодействие крупнокристаллический кварцевый песок, крупные частицы полевых шпатов и слюд.

В цементном  производстве используются также глинистые  сланцы и лессы. Сланцы характеризуются  слоистостью и значительной прочностью.

3. Характеристика  минеральных добавок

Наряду с обычным  портландцементом (без добавок), обозначаемым индексом ПЦ Д0, выпускают два вида портландцемента с минеральными добавками, обозначаемые индексами  ПЦ Д5 и ПЦ Д20. В первый допускается  введение дополнительно до 5% активных минеральных добавок, а во второй - свыше 5%, но не более 10% добавок осадочного происхождения, или до 20% добавок  вулканического происхождения, глинежей, гранулированных доменных и электротермофосфорных шлаков.

К активным минеральным добавкам относятся природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с воздушной известью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой. Основное назначение минеральных добавок – связать известь в нерастворимые, способные к водному твердению вещества и повысить водостойкость вяжущего.

Различают активные минеральные добавки: природные  и искусственные. Природные бывают двух видов – осадочные и вулканические. Осадочные породы содержат в основном активный кремнезем (диатомиты, трепел, опока, глиежи – естественно обожженные глинистые породы). Вулканические породы (пепел, туф, пемза, трассы) содержат в основном алюмосиликаты.

В качестве искусственных  активных минеральных добавок используют побочные продукты и отходы промышленности: быстро охлажденные гранулированные  доменные и электротермофосфорные  шлаки, топливные золы и шлаки, нефелиновый (белитовый) шлам (побочный продукт  производства глинозема, состоящий  в основном из двухкальциевого силиката),обожженные при температуре до 800 ̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊̊С глины (глиниты, цемянка) и др.

В отличие от природных минеральных добавок  искусственные обладают слабовыраженными собственными вяжущими свойствами, что  связано с наличием в их составе  соединений, способных к твердению  в воде. Возможно применение и некоторых  других естественных и искусственных  минеральных добавок к цементам, но в каждом случае необходимо предварительное  проведение специальных исследований.

Минеральная добавка  считается активной, если она обеспечивает схватывание теста, приготовленного  на основе добавки и гидратной  известию не позднее 7 суток после  затворения и обеспечивает водостойкость  образца из того же теста в течении  не менее 3 суток после окончания  схватывания.

4. Характеристика гипсосодержащих пород

Такие породы в  основном являются сырьем для производства гипсовых вяжущих, но также применяются  как добавка к цементу с  целью регулирования сроков схватывания. Применяют природный двуводный  гипс и природный ангидрит (CaSO₄). Двуводный гипс хорошо распространен в природе. Обычно он содержит примеси других минералов – известняка, доломита, глин. Во многих месторождениях гипсовый камень залегает вместе с ангидритом. Гипс и ангидрит – минералы кристаллического строения. Твердость, определяемая по шкале Мооса: ангидрита – 3-3,5; гипса- 1,5. Большое значение имеет характер кристаллизации двуводного гипса. Мелкокристаллический гипс обезвоживается быстрее и при более низкой температуре.

5. Характеристика  гидрофобных добавок

К гидрофобным  добавкам: мылонафт, асидол, синтетические  жирные кислоты, петролатум и другие гидрофобизирующие поверхностно – активные добавки.

Молекулы гидрофобизирующих  веществ имеют асимметрично-полярное строение и состоит из полярной группы ( например, COOH или COONa) и неполярной (углеводородного радикала). Эти молекулы в процессе помола абсорбируются на поверхности цементных зерен, ориентируясь полярной группой к поверхности цементного зерна, а углеводородным радикалом наружу, придавая цементу гидрофобное (водоотталкивающие) свойства. Поэтому гидрофобный цемент, в отличии от обычного портландцемента, при длительном хранении даже в очень влажных условиях сохраняет свою активность. Адсорбированные на поверхности цементных зерен весьма тонкие (практически в одну молекулу) гидрофобные пленки в процессе перемешивания смесей легко снимаются и не препятствуют нормальному течению процессов твердения цемента. Оставаясь в смеси, гидрофобизирующие вещества адсорбируются на поверхности новообразований, оказывая смазывающее действие и уменьшая трение между частицами смеси, вследствие чего повышается пластичность и однородность. В затвердевшем цементном камне эти вещества располагаются на поверхности пор и капилляров камня и способствуют уменьшению водопоглощения  и капиллярного подсоса.

Благодаря указанным  свойствам бетоны и растворы на гидрофобном  цементе имеют более высокую водо- и морозостойкость и водонепроницаемость в сравнении с бетонами на обычном цементе.

Требования стандарта  к гидрофобному портландцементу  остаются теми же, что и к обыкновенному, но, кроме того, гидрофобный цемент должен обладать специальным свойством - он не должен впитывать в себя воду в течение 5 мин.

2. Химический и минералогический состав клинкера

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким измельчением клинкера и гипса.

Портландцементный клинкер обычно получают в виде спекшихся мелких и более крупных гранул и кусков размером до 10 – 20 или до 50 – 60 мм (в зависимости от типа печи), в результате обжига до спекания сырьевой смеси состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция.

По микроструктуре клинкер, получаемый спеканием, представляет собой сложную тонкозернистую смесь  многих кристаллических фаз и  небольшого количества стекловидной фазы.

Качество клинкера зависит от его химического и  минералогического состава. Химический состав характеризуется содержанием различных оксидов, а минералогический – количественным соотношением минералов, образующихся  в процессе обжига.

2.1 Химический состав  клинкера

Химический  состав клинкера колеблется в сравнительно широких пределах. Главные оксиды цементного клинкера  - оксид кальция CaO, двуоксид кремния SiO₂, оксиды алюминия Al₂O₃, железа Fe₂O₃, суммарное содержание которых – 95 – 97%. Кроме них в состав клинкера в виде различных соединений в небольших количествах могут входить оксид магния MgO, серный ангидрид SO₃, двуоксид титана TiO₂, оксиды хрома Cr₂O₃, марганца  Mn₂O₃, щелочи Na₂O и K₂O, фосфорный ангидрид P₂O₃ и др. Содержание этих оксидов в клинкере колеблется в следующих пределах, %:

CaO – 62-67;      Al₂O₃ – 4-7;     MgO – 0,35-4,5;       Na₂O+K₂O – 0,4-1;    P₂O₅ – 0,1-0,3

SiO₂ – 20-24;      Fe₂O₃ – 2-5;     SiO₃ – 0,1-1,5;         TiO₂+Cr₂O₃ – 0,2-0,5; SO₃ – 0,3-1

Химический анализ клинкера проводят по методике, регламентированной ГОСТ 5382 – 73. При этом определяют обычно процентное содержание оксида кальция, как связанного, так и находящегося в свободном состоянии; двуокида кремния SiO₂; полуторных оксидов Fe₂O₃ и Al₂O₃; оксида магния MgO; серного ангидрида SO₃; оксида щелочных металлов Na₂O, K₂O, а также P₂O₅, Mn₂O₃, TiO₂, Cr₂O₃, нерастворимого осадка и п.п.п.

Повышенное содержание оксида кальция (при условии обязательного связывания в химические соединения с кислотными оксидами) обуславливает обычно повышенную скорость твердения портландцемента, его высокую конечную прочность, но несколько пониженную водостойкость. Цементы с повышенным содержанием кремнезема в составе клинкерной части характерезуется повышенной скоростью твердения в начальные сроки при достаточно интенсивном нарастании прочности в длительные сроки. Они отличаются повышенной водо- и сульфатостойкостью.

При повышенном содержании Al₂O₃, а следовательно, и алюминатов цементы приобретают способность к ускоренному твердению в начальные сроки. Повышение количества глинозема придает цементам меньшую водо-, сульфато-, и морозостойкость.

Соединение оксида железа способствуют снижению температуры  спекания клинкера. Цементы, богатые  Fe₂O₃ при низком содержании глинозема ведут себя аналогично высококремнеземистым. Относительно медленно схватываясь и твердея в начальные сроки, они в дальнейшем достигают высокой прочности. Цементы с повышенным количеством оксида железа отличаются стойкостью к действию сульфатных вод.

Повышенное содержание в клинкере MgO вызывает неравномерность изменения объема цемента при твердении. По ГОСТ 10178 , MgOв клинкере должно быть не больше 5%.

Ангидрид серной кислоты SO₃ в виде гипса необходим для регуляции сроков схватывания портландцемента, его содержание ограничивается пределами 1,5 – 3,5%. Более высокое содержание SO₃ может вызвать неравномерное изменение объема цемента в следствии образования гидротрисульфоалюмината кальция.

Двуоксид титана TiO₂ входит в клинкер с глинистым компонентом сырьевой смеси в количестве 0,1 – 0,5%, что способствует лучшей кристаллизации клинкерных минералов. При содержании 2 – 4%  TiO₂ замещая часть кремнезема,способствует повышению прочности цемента, а при большем содержании снижает ее. Количество Mn₂O₃ в клинкере обычно не превышает 1-2% и существенно не влияет на физико – механические свойства цемента.

Фосфорный ангидрид P₂O₅ и оксид хрома Cr₂O₃ в небольшом количестве (0,1 – 0,3%) оказывают легирующее действие на клинкер, увеличивая интенсивность твердения в первые сроки и повышая его конечную прочность. При большем их количестве (1 – 2% ) скорость твердения цемента замедляется, а прочность снижается.

Щелочи Na₂O+K₂O обычно присутствуют в клинкере в количестве до 0,5 – 1%, причем содержание K₂O, как правило, в несколько раз больше, чем Na₂O. Если щелочей более 1%, то они вызывают непостоянство сроков схватывания цементов и образование выцветов на поверхности растворов или бетонов. Щелочные соединения могут являться также причиной опасных деформаций в гидротехнических бетонах на заполнителях, содержащие кремнистые сланцы, опаловые и другие аморфные видоизменения кремнезема.

Прокаливанием проб цементов при 1000-1200 ̊ С в процессе химического анализа определяют п.п.п. Они имеют большое практическое значение для характеристики готового портландцемента, чем клинкера, так как свидетельствуют о сроке хранения вяжущего, вызвавшем частичную гидратацию клинкерных минералов и переход свободного CaO в Ca(OH)₂.

2.2 Минеральный состав  клинкера

В клинкере обычного состава главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде минералов кристаллической структуры, часть их входит в стекловидную фазу.

Рассмотрение  шлифов цементного клинкера под микроскопом  показывает, что он состоит преимущественно  из кристаллов минералов-силикатов, между  которыми размещается так называемое промежуточное вещество. Последнее  включает алюминаты и алюмоферриты кальция в кристаллическом виде, а также стекловидную фазу. Основными минералами цементного клинкера являются: алит, белит, трехкальциевый алюминат, четырехкальциевый алюмоферрит (см. табл.1). 

Таблица 1

Основные  минералы цементного клинкера

Трехкальциевый  силикат (алит) – Главный минерал цементного клинкера – обладает большой активностью в реакции с водой, особенно в начальные сроки (величина тепловыделения к трем суткам достигает примерно 2/3 от тепловыделения при полной гидратации). Алит быстро твердеет и набирает высокую прочность. Именно он определяет набор прочности в 28 суточном возрасте.

Двухкальциевый  силикат (белит) – значительно менее активен, чем алит. Тепловыделение белита при полной гидратации примерно в два раза меньше, чем у алита, и к третьим суткам составляет 10% от тепловыделения при полной гидратации. Твердение происходит медленно. К месячному сроку продукт его твердения обладает сравнительно невысокой прочностью, но при длительном твердении (несколько лет) в благоприятных условиях ( при положительной температуре и влажной среде) его прочность неуклонно возрастает. Преимущественно в цементе находится в β-модификации.