Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Составление материального баланса и расчет расхода сырьевых материалов на выпуск продукции

Содержание

Введение	4
1 Характеристика вяжущего вещества	6
Состав и свойства вяжущего вещества	6
Гидратация и твердение вяжущего вещества	8
1.3 Области применения вяжущего вещества	3
2 Сырьевые материалы	10
2.1 Обоснование выбора и характеристика сырьевых материалов	10
2.2 Расчет состава сырьевой смеси для получения цементного клинкера	12
3 Технологическая схема производства вяжущего	14
3.1 Обоснование выбора способа производства и технологической схемы	14
3.2 Структура и режим работы предприятия	16
3.3 Описание технологической схемы производства вяжущего вещества	17
3.4 Методы контроля сырья, технологического процесса и качества вяжущего	24
4 Составление материального баланса и расчет расхода сырьевых материалов на выпуск продукции	30
Заключение	39
Список литературы	40

Введение

Портландцемент является важнейшим вяжущим веществом. По производству и применению он занимает первое место среди всех других вяжущих веществ.

Изобретение ПЦ (1824 г.) связано с именами Егора Герасимовича Челиева – начальника мастерских военно-рабочей бригады Джозефа Аспдина – каменщика из английского города Лидса.

ПЦ – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее как в воде, так и на воздухе [1].

Цемент – широко распространенный материал, более дешевый, чем другие промышленные связующие, - жизненно необходим современному обществу [2].

Современная строительная техника базируется преимущественно на применении цементного бетона (железобетона) и растворов. Большое разнообразие строительных конструкций, особенности сооружения и существенные различия условий службы при различных видах агрессивных воздействий вызывали необходимость создания цемента со специальными техническими свойствами, которые могли бы использоваться при строительстве гидроэлектростанций, в транспортных сооружениях, при промышленном производстве обычных и преднапреженных железобетонных конструкций и т.д.

Организация производства специальных цементов оказалась возможной благодаря развитию науки о цементе и совершенствованию технологии его производства. Для создания технологии специальных цементов потребовалось выполнение больших и разносторонних научно-экпериментальных исследований; при этом часто возникали серьезные трудности, обусловленные ограниченными возможностями лабораторного моделирования природных переменных коррозионных факторов, воздействующих на сооружение.

Технический прогресс строительной индустрии, расширение фундаментальных знаний в области химии цемента, возросшая актуальность проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов – все это вызвало необходимость усиления научных работ по специальным цементам. В результате созданы специальные цементы, различающиеся по химическому и соответственно фазовому составу, ибо ни теоретические представления, ни опыт не дают пока оснований утверждать, что может быть создан универсальный цемент, который можно было бы применять в любых условиях [3].

В настоящее время в цементной промышленности Республики Казахстан работает пять цементных заводов. В Казахстане цемент производится энергоемким устаревшим «мокрым» способом. При данном способе производства расходы на энергию составляют до 40% себестоимости.

Цементная промышленность всегда идет во главе инвестиционного процесса ввиду, того, что цемент необходим для создания физической инфраструктуры развивающейся экономики. Возрождение промышленности начинается со строительства производственных объектов [4].

Цемент не является природным материалом. Его изготовление - процесс дорогостоящий и энергоемкий, однако результат стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в качестве составляющего компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные заводы, как правило, находятся сразу же на месте добычи сырьевых материалов для производства цемента.

Производство цемента включает две ступени: первая - получение клинкера, вторая - доведение клинкера до порошкообразного состояния с добавлением к нему гипса или других добавок. Первый этап самый дорогостоящий, именно на него приходится 70% себестоимости цемента. А происходит это следующим образом: первая стадия - это добыча сырьевых материалов. Вторая стадия тоже состоит из нескольких этапов. Это: дробление клинкера, сушка минеральных добавок, дробление гипсового камня, помол клинкера совместно с гипсом и активными минеральными добавками. Однако надо учитывать, что сырьевой материал не бывает всегда одинаковым, да и физико-технические характеристики (такие как прочность, влажность и т. д.) у сырья различные. Поэтому для каждого вида сырья был разработан свой способ производства. К тому же это помогает обеспечить хороший однородный помол и полное перемешивание компонентов.

Характеристика вяжущего вещества
Состав и свойства вяжущего вещества

Сульфатостойким портландцементом (СПЦ) называют ПЦ, изготовленный из клинкера, химический и минеральный состав которого нормирован по содержанию C₃S и C₃A. Он отличается пониженной экзотермией при твердении и высокой стойкостью при службе в минерализованных и пресных водах.

По ГОСТ 22266-76^* клинкер, применяемый для получения СПЦ, должен удовлетворять следующим требованиям: расчетное содержание трехкальциевого силиката не выше 50%, трехкальциевого алюмината не выше 5%, а суммарное содержание трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита не более 22% (таб.1)

СПЦ с минеральной добавкой производят М 400. В качестве добавки вводят 10-20% от массы цемента гранулированный доменный шлак или электротермофосфорный шлак или 5-10% АМД (кроме глиежа). Клинкер для производства этого цемента должен быть такого же минерального состава, что и СПЦ без минеральной добавки (таб.1) [5].

Таблица 1 – Характеристика цементов

Наименование, обозначение цемента

Вещественный состав, %

Фазовый состав, %

Тонкость

помола

Сроки

схватывания

ч-мин

Предел прочности,

МПа

(28 сут.)

клин-кер

двувод-ный

гипс

добав-ка

C₃S

C₂S

C₃A

C₃AF

остаток на сите № 008

S_удел.,

м²/кг

начало

конец

изгиб

сжатие

СПЦ

М 400

СШПЦ

М400

49,53

26,76

5,00

17,00

2,6

0-55

3-30

5,5

Гидратация и твердение вяжущего вещества

При затворении СПЦ водой образуется пластичное тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневидное состояние. В процессе твердения происходят сложные физико-химические процессы, являющиеся результатом взаимодействия клинкерных фаз и гипса с водой. Каждая фаза клинкера вступает в реакции гидратации, т.е. реакции, протекающие с присоединением воды, образуя новые соединения.

При взаимодействии трехкальциевого силиката (алита) с водой происходит одновременно его гидратация и гидролиз с выделением большого количества гидроксида кальция.

На гидратацию алюминатов и алюмоферритов кальция большое влияние оказывает гипс, вводимый в состав цемента как замедлитель схватывания. Вследствие слишком быстрой гидратации трехкальциевого алюмината измолотый клинкер при затворении водой схватывается в течении нескольких минут. Этот срок недостаточен для изготовления строительных растворов и бетонов. В присутствии 3…5% гипса образуется практически нерастворимое соединение – трисульфогидроалюминат кальция 3Ca·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O (эттрингит), который предотвращает дальнейшую быструю гидратацию C₃A за счет образования защитного слоя и замедляет первую стадию процесса твердения – схватывание цемента. Вместе с тем добавка гипса ускоряет процесс твердения цемента в первые сроки гидратации.

Превращение цемента в камневидное тело с высокой прогрессирующей во времени прочностью – сложный многофакторный процесс.

В первый период после добавления к цементу воды образуется раствор, который перенасыщен относительно гидроксида кальция и содержит ионы Ca²⁺, SO₄^2-, OH^-, Na⁺, K⁺. Из этого раствора в качестве первичных новообразований осаждаются гидросульфоалюминат и гидроксид кальция. На этом этапе упрочнения системы не происходит, гидратация минералов носит как бы скрытый характер.

Второй период гидратации (схватывание) начинается примерно через час с образования вначале очень тонкодисперсных кристаллов гидросиликатов кальция. Гидросиликаты кальция и гидросульфоалюминат растут в виде длинных волокон, проходящих через жидкую фазу в виде мостиков, заполняющих поры. Образуется пористая матрица, которая постепенно упрочняется и заполняется продуктами гидратации. Вследствие этого подвижность твердых частиц снижается и цементное тесто схватывается. Такая первая высокопористая с низкой прочностью структура, обусловливающая схватывание, состоит главным образом из продуктов взаимодействия с водой C₃A и гипса.

В течение третьего периода (твердения) поры постепенно заполняются продуктами гидратации клинкерных минералов. Уплотнение и упрочнение структуры цементного камня происходит в результате образования все большего количества гидросиликатов кальция.

В конечном счете, цементный камень представляет собой неоднородную систему – сложный конгломерат кристаллических и коллоидных гидратных образований, непрореагировавших остатков цементных зерен, тонкораспределенных воды и воздуха [1].

1.3 Области применения

СПЦ и СШПЦ целесообразно применять в тех случаях, когда одновременно требуется высокая стойкость против воздействия сульфатных вод и попеременного замораживания и оттаивания, высыхания и увлажнения в пресной и слабоминерализованной воде [6].

Высокая стойкость такого цемента в сульфатных водах обусловлена тем, что в затвердевшем состоянии он содержит пониженное количество высокоосновных гидроалюминатов кальция. Этим устраняется возможность образования значительного количества гидросульфоалюмината кальция трехсульфатной формы, вызывающего коррозию ПЦ камня. Развитие коррозионных процессов в затвердевшем СПЦ замедляется также вследствие ограниченного содержания в клинкере C₃S [5].

Сырьевые материалы

2.1 Обоснование выбора и характеристика сырьевых материалов

Клинкер для СПЦ должен содержать не более 50% C₃S, не выше 5% C₃A и не более 22% C₃A + C₄AF [6].

В СШПЦ ограничивается содержание в клинкере C₃A – до 8%, MgO – до 5% [1].

При производстве СПЦ и СШПЦ сырьем является цементный клинкер, фазовый состав которого нормирован по ГОСТу 22266-76^* (таб.2).

Таблица 2 – Характеристика сырьевых материалов

Наименова-ние

материалов

Химический состав, %

Естественная влажность,

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

CaO

MgO

SO₃

R₂O

п.п.п.

карбидная

известь-

пушонка

хвосты СМС железных руд

глинистые сланцы

3,0

44,5

59,3

2,5

11,4

16,3

0,5

17,9

4,5

63,2

13,2

10,4

0,5

4,8

2,7

0,3

1,2

0,3

2,5

29,7

4,5

6,5

2,1

1,5

2,1

Одни сырьевые материалы идут непосредственно на изготовление клинкера, другие же в виде добавок используются при его помоле (гипс и МД – гранулированный доменный шлак).

Карбидная известь-пушонка – техногенное сырье, побочный продукт переработки карбида кальция на ацетилен. Вследствие реакции карбида кальция CaC с водой выделяется тонкодисперсный осадок, который в основном представлен гидрооксидом кальция Ca(ОН)₂ [7]. Химический состав приведен в таблице 2.

Порошкообразная карбидная известь характеризуется голубоватым цветом, имеет запах аммиака. Кристаллы Ca(ОН)₂ представлены в виде пластинок размером до 0,2 мм.

Насыпная плотность карбидной извести 0,5 г/см³. Удельная плотность 200-230 м³/кг. Остаток на сите № 008 не более 1-5% [7].

Хвосты обогащения руд – отходы сухой магнитной сепарации. Хвосты СМС представляют собой щебневидный материал со средним размером зерен до 25 мм. Насыпная плотность отходов 1600-1800 кг/м³, истинная плотность тонкоизмельченных хвостов СМС 2800-3000 кг/м³. Твердость минералов, образующих хвосты СМС, составляет 2-7 по шкале Мооса.

Химический состав отходов обогащения руд (таб. 2) до 80-90% представлен основными клинкерообразующими оксидами при преимущественном содержании кремнезема [8].

Глинистые сланцы – продукт начальной стадии метаморфизма глинистых горных пород, характеризуются выраженной сланцеватостью и легко раскалываются на тонкие пластины. Не размокают в воде [7]. Химический состав приведен в таблице 2.

Для регулирования сроков схватывания цемента при помоле к клинкеру добавляют не менее 1,5 и не более 3,5% гипса от массы цемента в пересчете на ангидрид серной кислоты SO₃ [1].

Для производства СШПЦ в клинкер нормированного состава добавляют тонкоизмельченный гранулированный доменный шлак в количестве 21-60%.

Гранулированный доменный шлак – образуется в результате взаимодействия пустой породы руд, золы топлива и флюсов в процессе выплавки чугуна [7], который гранулируют, т.е. быстро охлаждают водой, паром или воздухом.

Шлаки содержат повышенное количество кремнезема и частично глинозема и меньше окиси кальция [5]. Гранулы шлака – зерна размером до10 мм с насыпной плотностью 0,5-0,8 г/см³.

2.2 Расчет состава сырьевой смеси для получения цементного клинкера

Расчет химического и вещественного состава сырьевой смеси, а также химического и фазового состава клинкера выполняют на ЭВМ [10].

Все результаты сведены в таблицу 4,5.

Таблица 4 – Результаты расчетов.

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

СаО

MgO

R₂O

SO₃

C₃S

C₂S

C₃A

C₄AF

CaSO₄

ппп

КН

Клинкер

20,31

6,74

7,49

60,79

2,34

1,25

0,74

49,53

26,76

5,00

17,00

1,71

0,86

1,97

1,06

Шихта

15,86

5,26

5,85

49,81

1,82

0,97

0,58

21,92

Таблица 5 – Результаты расчетов.

Наименование материалов	Соотношение
Наименование материалов	прокаливающих компонентов	сырьевых компонентов
Карбидная известь-пушонка	62,20	69,09
Хвосты СМС железных руд	37,48	30,65
Глинистые сланцы	0,31	0,26

Для нормированного состава клинкера предварительно рассчитывают содержание основных оксидов клинкера:

С=0,7369* C₃S+0,6512* C₂S+0,6227* C₃A+0,4616* C₄AF, (1)

S=0,2631* C₃S+0,348* C₂S, (2)

А=0,3773* C₃A+0,2098* C₄AF, (3)

F=0,3286* C₄AF, (4)

где C, S, A, F-содержание оксидов соответственно СаО, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, %;

C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF – рекомендуемое содержание фаз в клинкере, %.

С=0,7369* 49,53+0,6512* 26,76+0,6227* 5,00+0,4616* 17,00=65,88%

S=0,2631* 49,53+0,348* 26,76=22,64%

А=0,3773* 5,00+0,2098* 17,00=5,91%

F=0,3286* 17,00=5,57%

Расчет коэффициента насыщения (КН), кремнеземного (n) и глиноземного (р) модулей:

, (5)

, (6)

. (7)

=0,86

=1,97

=1,06

3 Технологическая схема производства вяжущего

3.1 Обоснование выбора способа производства и технологической схемы

Технология производства портландцемента включает ряд технологических операций, которые можно разделить на две основные группы. Первая — это операции по производству клинкера, вторая — измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с другими добавками, т. е. приготовление цемента. Получение клинкера — наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат. Доля клинкера в стоимости цемента достигает 70-80%. Производство клинкера состоит из добычи сырьевых материалов, дробления, помола и смешивания их в определенном соотношении, обжига сырьевой смеси и магазинирования клинкера.
Комплекс операций по получению из клинкера цемента включает следующие технологические процессы: дробление клинкера, сушку минеральных добавок, дробление гипсового камня, тонкое измельчение клинкера совместно с активными минеральными добавками и гипсом, складирование, упаковку и отправку цемента потребителю. Даже в пределах одного месторождения химико-минералогический состав сырья меняется в широких пределах. Поэтому получение сырьевой смеси постоянного состава — сложная задача. С другой стороны, перерабатываемое цементной промышленностью сырье отличается не только составом, но и физико-техническими свойствами (влажностью, прочностью и т. д.). Для каждого вида сырья должен быть выбран такой способ подготовки, который обеспечивал бы тонкое измельчение и равномерное перемешивание компонентов шихты с минимальными энергетическими затратами. Это послужило причиной появления в цементной промышленности трех способов производства, отличающихся технологическими приемами подготовки сырьевых смесей: мокрого, сухого и комбинированного.

При мокром способе тонкое измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде водной суспензии - шлама влажностью 30-50%. При сухом способе сырьевую шихту готовят в виде тонкоизмельченного сухого порошка, поэтому перед помолом или в процессе его сырьевые материалы высушивают. Комбинированный способ может базироваться как на мокром, так и на сухом способе приготовления шихты. В первом случае сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, а затем обезвоживают на фильтрах до влажности 16-18 % и подают на обжиг в печи в виде полусухой массы. Во втором варианте сырьевую смесь готовят по сухому способу, а затем гранулируют с добавкой 10—14 % воды и подают на обжиг в виде гранул диаметром 10—15 мм. Каждый способ производства может быть реализован в виде нескольких технологических схем, отличающихся как последовательностью операций, так и видом используемого оборудования. Выбор конкретной технологической схемы определяется свойствами перерабатываемого сырья (твердостью, однородностью, влажностью).

Изготовление клинкера по сухому способу технически и экономически наиболее целесообразно в тех случаях, когда исходные сырьевые материалы характеризуются:

- влажностью до 10-15%;

- относительной однородностью по химическому составу и физической структуре, что обеспечивает возможность получения гомогенной сырьевой муки при измельчении сухого сырья.

При сухом способе изготовления клинкера исходные материалы после дробления подвергаются высушиванию и совместному помолу в мельницах до остатка на сите № 008 5-8%. Обжигает сырьевую муку в коротких вращающихся печах с циклонными теплообменниками [5].

Производительность технологической линии с печью 4,5*80 с циклонными теплообменниками и реакторами-декорбанизаторами составляет 3000 тонн клинкера в сутки. При этом способе производства цемента расход топлива снижается на 30-40% по сравнению с мокрым, а металлоемкость печных агрегатов – в 2,5-3 раза [1].

Помол клинкера осуществляется в трубных мельницах, которые являются непрерывно действующим оборудованием.

Вентиляция достигается просасыванием через барабан воздуха со скоростью 0,5-0,7 м/сек. с помощью аспирационной установки, в состав которой входят вентилятор, циклоны, а также рукавные фильтры или электрофильтры. В последних улавливаются тонкие частички, присоединяемые обычно к общей массе продуктов.

Современные помольные установки оснащаются системами автоматического регулирования, которые обеспечивают непрерывную их работу и получение продукта с заданной степенью измельчения без участия человека. В последнее время начали применять системы автоматического регулирования работы мельниц, основанные на измерении удельной поверхности получаемого продукта [5].

3.2 Структура и режим работы предприятия

Режим работы устанавливают в соответствии с нормами технологического проектирования и определяют в зависимости от характера производства, мощности сырьевой базы и других факторов.

Расчет годового фонда времени работы технологического оборудования осуществляют по формуле:

, ч (8)

где Ср – расчетное количество рабочих суток в году;

Ч – количество рабочих часов в сутки;

Ки – коэффициент использования оборудования, равный 0,8-0,9 [10].

Принятый в курсовой работе режим работы цеха представлен в таблице 3.

Таблица 3 – Режим работы предприятия

Наимено-вание отделений, операций	Количество рабочих дней в году	Количество смен в сутки	Длитель-ность смены, ч.	Коэффициент использования оборудования	Годовой фонд рабочего времени, ч.
Карьер и дробильное отделение	260	2	16	0,8	3328
Цех обжига	365	3	24	0,8	7008
Цехи помола и готового продукта, сушильное отделение	365	3	24	0,8	7008

3.3 Описание технологической схемы производства вяжущего вещества

При сухом способе (рис.1) поступающие на завод сырьевые материалы в виде хвостов СМС железных руд и глинистых сланцев подвергаются дроблению в дробилках типа С-776 до зерен крупностью 2,5 мм [1]. Карбидную известь-пушонку высушивают в трубных мельницах.

Приготовленный дробленый 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 тонины, подсушивают за счет тепла отходящих газов извращающихся печей и подвергаются сепарации.