Вяжущие вещества. 2

1. Введение

Слово "цемент" относится  к собирательным понятиям — он объединяет различные виды вяжущих  материалов, полученных путем обжига некоторых горных пород и подвергнутых измельчению. Вяжущими их назвали за способность соединять (связывать) в единое целое как отдельные  частицы мелких наполнителей, так  и более крупные фрагменты.

В распоряжении древних прорабов пирамид, мавзолеев и прочих циклопических  построек были только строительный гипс да воздушная известь, получаемые в  результате обжигания гипсового  камня и известняка. На протяжении нескольких тысячелетий бетоны и  растворы на их основе были единственно  известными вяжущими материалами (не считая глины), а кизяк да птичьи яйца —  первыми модифицирующими добавками. Огромный купол «Всем-богам-храма» (древнего римского Пантеона: 43 метра в пролете); растянувшаяся на 5000 км самая большая ограда в мире — Великая Китайская стена; бетонная галерея легендарного лабиринта в древнем Египте; массивные культовые сооружения индусов — все эти строительные шедевры создавались путем использования «прабабушек» и «прадедушек» современных цементов. Шло время, и уже другие вяжущие материалы, получаемые искусственным путем и способные при затворении (замешивании) водой превращаться в пластичную массу, отвердевая при этом не только на воздухе, но и в водной стихии, были созданы пытливыми умами человечества.

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).

Отечественная цементная  промышленность практически начала создаваться после окончания  Великой Отечественной войны. Необходимость  восстановления народного хозяйства потребовала организации многотоннажного производства цемента в короткие сроки. Темпы прироста производства цемента за 1946—1950 гг. составили 40,6 %. Цементные заводы бывшего СССР восстанавливались и строились при использовании мокрого способа производства, т. к. в послевоенные годы технология сухого способа производства цемента еще только зарождалась. Основными печными агрегатами были вращающиеся печи размерами 3,6X150 и 4,0X150 м производительностью 550—600 т. кл./сут. За короткие сроки эти печи были установлены на таких заводах как Белгородский, Коркинский, Карагандинский, Себряковский, «Пролетарий», «Октябрь», Ангарский, Николаевский, «Пунане Кунда», Карадагский, Чимкентский и др.

В середине 50-х годов была разработана печь мокрого способа  производства 4,5X170 м производительностью 1200 т.кл./сут. Эта печь стала основным технологическим агрегатом при  строительстве новых и расширении действующих производств.

В качестве более высокопроизводительных агрегатов мокрого способа производства клинкера были разработаны вращающиеся  печи 5X185 и 5,6X185 м производительностью, соответственно, 1730 и 1820 тонн клинкера в сутки. В 1972 г. на Балаклейском цементном  заводе (Украина) была установлена самая  большая печь мокрого способа  производства 7X230 м производительностью 3000 тонн клинкера в сутки.

Развитие сухого способа  производства клинкера в России началось с реконструкции Спасского завода, на котором четыре вращающиеся печи 3,6X52,0 м и одна печь 3,6X59 м реконструированы путем установки запечных теплообменников. Производительность печей возросла до 23—25 т/ч, резко снизился расход топлива.

Далее, были разработаны  и установлены печи размером 4,0X60 м с запечными теплообменными устройствами. Однако доля сухого способа  производства цемента в СССР составляла все еще менее 10%.

Положение несколько улучшилось после разработки и пуска в  эксплуатацию технологических линий  сухого способа производства с печами размерами 7,0/6,4X95 м и запечной системой циклонных теплообменников. Эти  технологические линии построены  с учетом опыта проектирования и  эксплуатации заводов сухого способа  производства зарубежных фирм.

В 1986 г. на Криворожском цементном  заводе была введена в эксплуатацию печь сухого способа производства 4,5X80 м с запечной системой циклонных  теплообменников и декарбонизатором фирмы «Онода» (Япония). Производительность такой печи составляет 122—125 т кл./ч.

Технологические линии с  печью 4,5X80 м с циклонными теплообменниками и декарбонизатором стали, как правило, основным решением при реконструкции  и строительстве новых цементных  заводов.

В целях отработки технологии полумокрого способа производства цемента на Себряковском заводе была запроектирована и построена  экспериментальная технологическая  линия с подготовкой сырьевого  шлама по мокрому способу и  последующей его фильтрацией  с целью снижения влажности и  расхода тепла. Здесь была пущена в эксплуатацию вращающаяся печь 5,0X125 м, оборудованная двухступенчатым  циклонным теплообменником и  сушилкой-дробилкой, в которую направляется полученный на камерных прессфильтрах  кек с влажностью 19—20 %.

Основной тенденцией технического развития цементной промышленности является модернизация производства за счет внедрения сухого способа и уменьшения доли мокрого способа. Эту тенденцию подтверждает также опыт мировой цементной промышленности по внедрению печных систем с реакторами-декарбонизаторами различных типов, которыми оснащаются новые, расширяемые и реконструируемые цементные заводы.

Доля выпуска цемента  по сухому способу составляет в Японии, Испании и Германии — 100% Италии — 96%, США — более 60%, в странах Европы 75-4-97%.

В ближайшее десятилетие  трудно ожидать появления каких-либо принципиально новых способов обжига клинкера. Дальнейшее развитие получит существующая технология с применением декарбонизаторов с максимальной степенью декарбонизации материала, что позволит уменьшить геометрические размеры вращающихся печей, сочетаемых с декарбонизаторами, а также понизить содержание закиси азота в отходящих от печного агрегата газах.

Будет иметь место также  увеличение единичных мощностей  основного технологического оборудования и интенсификация систем дробления, гомогенизации и помола.

Однако не следует ожидать  применения печных агрегатов производительностью  более 5000-4-6000 т/с, т. к. чрезмерная концентрация производства цемента на одном предприятии может привести к увеличению дальности перевозок цемента и не позволит оперативно удовлетворять меняющиеся требования к ассортименту, кроме того простой такого агрегата будет приводить к большим потерям клинкера.

 

2. Характеристика  продукции.

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения  клинкера и необходимого количества гипса.

Клинкер получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси, состоящей  из известняка и глины, взятых в определенном соотношении. Клинкер является важнейшим  компонентом портландцемента. От его качества зависят основные свойства портландцемента: прочность и скорость ее нарастания во времени, сопротивление действию агрессивных сред. Знание состава клинкера позволяет в значительной степени предопределить качество портландцемента как вяжущего вещества. Изменяя состав клинкера, можно получать портландцементы с определенными физическими и механическими свойствами.

Добавка гипса (СаО4 • 2Н2О) необходима для замедления сроков схватывания портландцемента, так как измельченный клинкер после затворения водой схватывается (загустевает) в течение нескольких минут. Это затрудняет изготовление изделий и конструкций на таком быстросхватывающемся цементе. Гипс вводится в портландцемент с таким расчетом, чтобы общее содержание ангидрида серной кислоты SО3 в портландцементе было не менее 1,5 и не более 3,5% по весу. Более высокое содержание SО3 может вызвать разрушение конструкций, изготовленных из такого портландцемента.

Для улучшения строительных свойств портландцемента при  помоле смеси клинкера с гипсом в  нее вводят активные минеральные  добавки. Они повышают плотность, водостойкость  и солестойкость затвердевшего  портландцемента (цементного камня).

При твердении портландцемента  происходит выделение гидрата окиси  кальция Са (ОН)2 в свободном состоянии. Это вещество, имея относительно высокую растворимость, может вымываться из цементного камня, понижая этим его прочность и долговечность в водных условиях. В воздушно-сухих условиях в результате выщелачивания Са (ОН)2 на поверхности изделия появляются белые пятна, которые портят его внешний вид.

Гидравлические добавки  взаимодействуют с гидратом окиси  кальция, образуя нерастворимое  в воде соединение - гидросиликат кальция, и этим предотвращают вымывание  Са (ОН)2 из отвердевшего цемента.

Содержание активных минеральных  добавок в обыкновенном портландцементе  не должно превышать 15% по весу. Если гидравлические добавки вводятся в количестве, большем  чем 15%, то портландцемент приобретает  дополнительное название в зависимости  от вида добавки, а именно при введении природных добавок (трепела, диатомита, опоки и др.) - пуццолановый портландцемент, при использовании доменных гранулированных  шлаков - шлакопортландцемент. Эти цементы  обладают очень высокой водостойкостью и поэтому особенно ценны для  гидротехнических сооружений, однако они твердеют медленнее портландцемента  и имеют несколько пониженную прочность в ранние сроки твердения.

Клинкер представляет собой  очень твердые спекшиеся зерна. Поэтому для его измельчения  требуются значительные затраты  энергии. Чтобы облегчить помол  клинкера, в помольный агрегат  вводят добавки - интенсификаторы помола - уголь, сажу, три-этаноламин и др. Содержание этих добавок в цементе не должно превышать 1% от веса цемента.

Таким образом, портландцемент по своему составу представляет сложную  тщательно перемешанную однородную смесь измельченного клинкера, гипса, активных минеральных (гидравлических) добавок и интенсификаторов помола.

Сырьем для производства портландцементного клинкера служат природные  карбонатные (известняки, мел, мергели, известковые туфы и др.) и глинистые (глины, суглинки, лёсс, глинистые сланцы) породы, а также промышленные отходы и попутные продукты других отраслей (доменные шлаки, топливные золы, шлаки  ТЭС, нефелиновые шламы и др.).

Для приготовления сырьевой смеси заданного химического  состава используются различные  корректирующие добавки: железосодержащие (железные руды, пиритные (колчеданные) огарки, колошниковая пыль и др.), кремнеземсодержащие (трепелы, опоки, диатомиты, кварцевый  песок, маршалит) и глиноземсодержащие (высокоглиноземистые глины, бокситы).

Оценка пригодности горных пород в качестве цементного сырья  производится по химическому составу  и по физико-механическим свойствам (влажности, прочности, пластичности, размо-лоспособности, гранулометрическому составу, липкости, способности к размучиванию в  воде, фильтруемости (для шламов) и  др. свойствам).

К химическому составу  карбонатных пород предъявляются  следующие требования: содержание СаО  не менее 43,5%, содержание SiO2, А12О3, Fe2O3 должно обеспечивать необходимые значения коэффициента насыщения, силикатного и глиноземного модулей, ограничивается предельное содержание примесных оксидов MgO, SО3 и SiO2 (Na2O и К2О) и иона хлора, а также ТiO2 и P2O5. В глинистых породах содержание СаО не регламентируется, а содержание других оксидов должно находиться в пределах, обеспечивающих получение сырьевой смеси и клинкера, отвечающих по химическому составу требованиям обеспечивающих выпуск цемента в соответствии с ГОСТ 10178— 85.

 

3.Технологическая  часть.

Качество цементного клинкера может быть охарактеризовано:

- содержанием отдельных  окислов (химическим составом);

- численными значениями  модулей, выражающих соотношения  между количествами главнейших  окисло, взятыми в процентах;

- микроструктурой клинкера, размерами и конфигурацией кристаллов  минералов;

- содержанием основных  клинкерных минералов.

Характеристика клинкера по численным значениям модулей  дается на основании сведений о процентном содержании главных окислов в  составе клинкера.

Первоначально для характеристики состава клинкера пользовались одним  гидравлическим модулем (иначе называемым основным). Он выражает отношение количества связанной окиси кальция к  количеству кислотных окислов

ОМ(m)=

Значение основного модуля ОМ, обозначаемого также буквой m, у современных цементных клинкеров колеблется в пределах 1,7—2,4. Однако характеристика качества клинкера только по показателю гидравлического модуля оказалась недостаточной, что потребовало введения еще двух модулей - силикатного и глиноземного.

Силикатный или кремнеземный модуль СМ (или n) показывает отношение между количеством кремнезема, вступившего в реакцию с другими окислами, и суммарным содержанием в клинкере глинозема и окиси железа

СМ(n) =

СМ определяет в цементе  отношение между минералами-силикатами и минералами-плавнями (алюмоферритной и алюминатной составляющими  клинкера). Его численное значение для обычного портландцемента колеблется в пределах 1,7—3,5, а для сульфатостойкого повышается до 4 и более.

Глиноземный или алюминатный  модуль ГМ (или р) представляет собой  отношение содержания (%) глинозема  к содержанию (%) окиси железа:

ГМ (р) =

ГМ определяет в клинкере соотношение между трехкальциевым алюминатом и железосодержащими  соединениями. Значение этого модуля для обычных портландцементов находится  в пределах 1—2,5. При прочих равных условиях при повышенном СМ сырьевая смесь трудно спекается, а цемент медленно схватывается и твердеет, но обладает высокой прочностью в  отдаленные сроки. При малом значении ГМ портландцементы обладают повышенной стойкостью в минерализованных водах. Цементы с высоким ГМ быстро схватываются и твердеют, но имеют пониженную конечную прочность.

Кюль выдвинул понятие  об «идеальном» клинкере, характеризующемся  высокой прочностью и состоящем  только из таких высокоосновных соединений, как ЗСаО * SiO2, ЗСаО * А12O3 и 2СаO Fе2O3. Отношения по массе между главными окислами в таком случае должны определяться по формуле

СаО = СН(2,8 * SiO2+ 1,65 * А12O3 + 0,7 Fе2O3).

В этой формуле Кюль ввел коэффициент СH, называемый «степенью насыщения» окисью кальция кислотных окислов. Позднее советские исследователи В. А. Кинд и В. Н. Юнг, принимая, что при обжиге клинкера в первую очередь образуются С2S, СзА, С4AF и СаSO4 и лишь в последующем избыток окиси кальция начинает связываться с С2S, давая С3S, предложили свою формулу для оценки соотношения между главными окислами цементного клинкера:

КН =

Эта формула учитывает, что  в клинкере может оказаться в  несвязанном состоянии СаО, а также кремнезем. Коэффициент КН, называемый коэффициентом насыщения, показывает отношение количества окиси кальция в клинкере, фактически связанной с кремнеземом, к количеству ее, теоретически необходимому для немного связывания двуокиси кремния в трехкальциевый силикат.

При расчете сырьевых смесей пользуются упрощенной формулой коэффициента насыщения:

КН =  


Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема получения портландцемента по мокрому способу. 

3.1 Расчет состава сырьевой смеси.

Пусть для получения клинкера портландцемента необходимо рассчитать состав двухкомпонентной шихты, состоящей  из мела и глины, химический состав которых приведен в табл. 3.1.1.

Наименование материала

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

П. П.П.

∑

Мел

3,49

1,84

0.92

51,52

0.33

0,43

41.06

99.59

Глина

53,65

17,44

6,86

6,54

2,30

0,43

9,43

96.63


Таблица 3.1.1. – Химический состав компонентов шихты.

 

Величину коэффициента насыщения принимаем КН = 0,92.

Поскольку сумма составляющих не равна 100 %, необходимо привести ее к 100 %, выполнив пересчет состава. Для  этого содержание оксидов в первом компоненте надо умножить на коэффициент  K1 = 100/99,59 = 1,004, во втором на К2 = 100/96,63 = 1,035, Химический состав исходных сырьевых материалов после пересчета на 100% представим в табл. 3.1.2.

Наименование материала

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

П. П.П.

∑

Мел

3,50

1,85

0.92

51.74

0,33

0.43

41,23

100

Глина

55,51

18.05

7,10

6.67

2,38

0.43

9,76

100


Таблица 3.1.2. – Химический состав компонентов шихты, приведенный к 100%

 

Обозначим соотношение карбонатного компонента шихты к глинистому через х и выразим его из уравнения для КН, положив значение последнего равным 0,92.

 

 

 

Следовательно, на одну весовую  часть глины потребуется взять 4,28 частей мела, что соответствует  следующему процентному составу  шихты: мела - 81.06%, глины - 18,94 %.

Подсчитаем, какое количество оксидов будет внесено в шихту  каждым ее компонентом при рассчитанном процентном составе шихты, а также  суммарное содержание оксидов в  сырьевой смеси. Для этого содержание оксидов в каждом компоненте умножим на его процентную долю в шихте, а затем просуммируем. Результаты расчета в весовых частях (в.ч.) сведем в табл. 3.1.3.

Компоненты

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

п.п.п.

∑

81,06 в.ч. мела

2,84

1,50

0.75

41,94

0,26

0.35

33,42

81.06

18.94 в.ч. глины

10.51

3,43

1,34

1,28

0,45

0.08

1,85

18,94

100 в.ч.

13,35

4,93

2,09

43,22

0,71

0,43

35,27

100.00

сырьевая смесь

                

клинкер

20.62

7,62

3,23

66,77

1,10

0.66

-

100.00


Таблица 3.1.3 – Химический состав компонентов шихты и клинкера

 

Для проверки правильности произведенного расчета двухкомпонентной сырьевой смеси нужно убедиться, что величина коэффициента насыщения КН, если ее рассчитать для клинкера, полученного из предлагаемой шихты, окажется равной заданной величине КН = 0,92. Для этого необходимо вначале рассчитать химический состав клинкера. Поскольку клинкер получается спеканием сырьевых материалов, то потери при прокаливании (п.п.п.) в нем отсутствуют. Тогда химический состав клинкера рассчитаем из химического состава сырьевой смеси путем умножения процентного содержания в ней каждого оксида на коэффициент

 

 

В нашем случае  

 

Рассчитанный химический состав клинкера показываем в последней  строке табл. 3.1.3 и рассчитываем для него величину КН используя формулу:

КН =

 

Величина КН для клинкера оказалась равной заданной, следовательно, расчет выполнен правильно.

 

3.2. Расчет материального баланса цеха.

Годовая производительность 485000 т цемента.

Состав портландцемента:

    • клинкер 87 %,
    • гипс 3 %, АМД – 10 %.

Состав 2-х компонентной сырьевой смеси:

    • мел 81,06 %,
    • глина 18,94 %.

Естественная влажность  сырьевых материалов:

    • мел 5 %,
    • глина 15 %,
    • АМД (трепел) 20 %,
    • гипс 6 %.

Потери при прокаливании сырьевой смеси 35,27 % .

Производственные потери:

    • сырьевых материалов 2,5 %,
    • клинкера 0,5 %,
    • добавок (каждой) 1 %,
    • цемента 1 %.

Коэффициент использования вращающихся печей 0,92.

Режим работы основных подразделений  в течение года:

    • карьер и дробильное отделение 307 дней по 6 ч (4912 ч);
    • отделение помола сырья 307 дней по 24 ч (7368 ч);
    • цех обжига клинкера 337 дней по 24 ч (8088 ч);
    • отделение помола цемента 307 дней по 24 ч (7368 ч);
    • силосно-упаковочное отделение 365 дней по 24 ч (8760 ч).

Годовая производительность завода по клинкеру составит

 

где 87 – содержание клинкера в цементе, % .

При коэффициенте использования  вращающихся печей 0,92, печи работают в течение года 365·* 0,92 = 337 сут или 8088 ч. Отсюда часовая производительность всех печей составит

В табл. 3.2.1 приведена производительность вращающихся печей при мокром способе производства в зависимости от диаметра и длины.

Диаметр Ø, м

Длина l, м

Производительность П, т/ч

4,5

170

50

5,0

185

75

7,0

230

125


Таблица 3.2.1 – Характеристики вращающихся печей

 

Принимаем решение об установке вращающейся печей Ø 5 м, l = 185 м, П = 75 т/ч, производительность которой составит:

75·24 = 1800 т/сут,

75·8088= 606600 т/год.

 

Расчет расхода  сырьевых материалов

Печь работает на угольной пыли, после ее сгорания происходит присадка золы к сырьевой массе, что уменьшает расход сырьевых материалов. Пусть величина такой присадки составляет 4 %. Тогда расход сырьевых материалов надо считать не для производства 75 т/ч, а

 

Теоретический удельный расход сухого сырья для производства клинкера определяют с учетом потерь при прокаливании сырьевой смеси:

 

Для обеспыливания отходящих  газов вращающихся печей устанавливаются  электрофильтры, что позволяет считать  потери с отходящими газами не более 1 %.

При обжиге также учитываются  потери при декорбанизации мела равные 24%, что получено из расчетов приведенных  ниже:

MCaCO3→MCaO+CO2↑

   100         900-1000°C       56           44

CaCO3        →        CaO + CO2↑

 

Тогда расход сухого сырья  при расчетной производительности составит 1+24=25%:

1,54 * 100 /(100-25)=2.053 т/т клинкера,

а потребность в сырье  в единицу времени окажется равной:

2.053* 72 =147.816 т/ч;

147.816 * 24 =3547.584 т/сут.;

147.816 * 8088 = 1195535.808 т/год.

Далее, на основе общей потребности  в сырье рассчитывается расход отдельных компонентов сухой сырьевой смеси. Результаты вносим с таблицу 3.2.2.

Расход компонента

Компонент

Мел

Глина

На тонну клинкера, т/т

    

За час, т/ч

1,66*72=119,52

0,295*72=28,08

За сутки, т/сут

119,52*24=2868,48

28,08*24=673,92

За год, т/год

119,52*8088=966677,76

28.08*8088=227111,04


Таблица 3.2.2 – Результаты расчета расхода отдельных компонентов

Аналогичным образом выполняется  расчет расхода сырьевых материалов с учетом карьерной влажности W, результаты которого представлены в таблице 3.2.3. 

Расход компонента

Компонент

Мел

Глина

На тонну клинкера, т/т

 

 

За час, т/ч

1,743*72=125,496

0,4485*72=32,292

За сутки, т/сут

125,496*24=3011,904

32,292*24=775,008

За год, т/год

125,496*8088=1015011,648

32,292*8088=261177,696


Таблица 3.2.3 – Расчет расхода сырьевых материалов с учетом карьерной влажности W

 

Расчет расхода  шлама

Часовой расход шлама Аш рассчитывают по формуле:

 

где Аш – расход шлама, м3/ч;

Ас – расход сухого сырья, т/ч;

Wш – влажность шлама, %;

ρш – плотность шлама, т/м3.

Плотность шлама определяют интерполяцией по данным, приведенным  в табл. 3.2.4.

влажность шлама, %;

35

40

45

плотность шлама, т/м3

1,650

1,600

1,550


Таблица 3.2.4 – Зависимость плотности шлама от его влажности

Влажность шлама принимаем равной 36%, что при интерполяции дает ρш = 1,64 т/м3.

Тогда на печь необходимо подавать шлам в объеме:

 

·24 = 3379,92 м3/сут.,

·8088 = 1139033,04м3/год.

3.3 Материальный баланс отделения помола сырья.

Из рассчитанной выше потребности  в сухих сырьевых материалах 1195535.808 т/год при принятом режиме работы отделения 307 суток в год по 3 смены следует, что сухого сырья должно быть размолото

1195535.808 : 307 = 3894,25 т/сут

3894,25 : 24 = 162,26 т/ч.

При этом помол отдельных  компонентов составит следующие  объемы (табл. 3.2.5).

 

Объем помола

Компонент

Мел

Глина

За час, т/ч

    

За сутки, т/сут

    

За год, т/год

    

Вяжущие вещества. 2 📙 Курсовая → 🆔 59263

Вяжущие вещества. 2 📙 Курсовая → 🆔 59263