СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Приготовление сырьевой шихты

Сырьевые материалы. Основными видами сырья, применяемого для производства портландцементного клинкера, являются известковые, мергелистые и глини­стые породы [115]. Используются и другие виды при­родного сырья, а также искусственные материалы, яв­ляющиеся отходами (попутными продуктами) других отраслей промышленности. Это сырье может быть при­менено и при комплексном производстве портландце­мента и других важных промышленных продуктов.

Для получения сырьевой шихты необходимого хими­ческого состава пригодны в небольшом количестве так называемые «корректирующие добавки», представляю­щие собой искусственные либо естественные материалы, используют и активные минеральные добавки, в том числе гранулированные доменные шлаки для получения портландцемента, пуццолановых и щлакопортландцемен - тов.

Требования к составу и физической структуре сырь­евых материалов могут быть примерно следующими [80]. Карбонатный компонент должен быть сложен тонкодис­персным кальцитом; включения трудно измалываемого крупнокристаллического кальцита недопустимы из-за слабой его реакционной способности при обжиге цемент­ного клинкера. Глинистый компонент также должен иметь равномерную структуру, не содержать включений крупных зерен кварца и других крупнообломочных пород, вызывающих затруднения при помоле и трудно осваи­ваемых при обжиге.

Для технологии производства весьма важно, чтобы при мокром способе производства необходимая текучесть сырьевой шихты (шлама) достигалась при возможно меньшем содержании воды, обычно в пределах 36—42%. Однако некоторые разновидности мела и в особенности мергелей вызывают существенное повышение влажности шлама до 50—52% из-за присутствия монтмориллонита, например, в амвросиевских мергелях.

Большое значение приобретает постоянство химиче­ского состава сырьевых материалов. Необходимо, чтобы сырьевая шихта, составляемая обычно из карбонатного и глинистого компонентов и корректирующей добавки, удовлетворяла принятым на данном заводе требованиям по значениям коэффициента насыщения кремнезема из­вестью, силикатного и глиноземного модулей. Строго ограничивается содержание в шихте оксидов магния, фосфорного ангидрида, щелочей, серного ангидрида, диоксида титана, оксидов марганца и хрома. Содержа­ние каждого из этих оксидов в установленном количестве оказывает положительное действие на процессы обжига клинкера [30].

Наряду с основными видами сырья, такими как глины и известняки, большое значение приобретают доменные шлаки, представляющие собой силикаты и алюмоспли - катные расплавы, получающиеся при выплавке чугуна в доменных печах; они обычно гранулируются путем бы­строго охлаждения водой либо совместным действиесм воздуха и воды (см. гл. 8 — Шлаковые цементы). Приме­нение гранулированных доменных шлаков в качестве сырьевого компонента для получения клинкера возможно однако лишь при сухом способе производства, когда нет взаимодействия его с водой при помоле и хранении, вы­зывающего загустевание (схватывание) шлама. В состав сырьевой шихты вводят и электротермофоофорные шлаки. Они отличаются от обычных доменных шлаков содержанием до 3% фтора и 3% пентаксида фосфора, причем фосфор несколько ограничивает применение шлака в сырьевой смеси.

Нефелиновый (б е л и т о в ы й) шлам. При ком­плексной переработке нефелинов, в результате которой выпускаются глинозем (перерабатываемый в дальней­шем в металлический алюминий), сода и другие виды ще­лочей, получается нефелиновый шлам, из которого и из­готовляют портландцемент. Минерал нефелин представ­ляет собой алюмосиликат натрия. Обычно он загрязнен примесями и содержит в избытке кремнекислоту; его химический состав близок к формуле

П (Na, К)2О• А1203■ 2Si02• mSi02.

Нефелин получают в виде хвостов при обогащении апатитовых руд Хибинского месторождения (Кольский полуостров); эти хвосты, в свою очередь, обогащаются, причем выход нефелинового концентрата превышает 50%. Технология комплексной переработки нефелино­вого концентрата заключается в следующем. Концентрат в смеси с известняком обжигается во вращающихся пе­чах при температуре около 1573 К, при этом получается спек, состоящий из (3-двухкальциевого силиката и твер­дого его раствора (в количестве около 30%) и щелочных алюминатов. Спек подвергается выщелачиванию, ще­лочные растворы алюминатов отделяются от осадка, ко­торый после промывки представляет собой довольно грубую суспензию, называемую нефелиновым шла­мом [13].

В настоящее время его получают на трех заводах; химический состав шлама находится, примерно, в сле­дующих пределах (%): Si02 = 29—30, А1203 = 2-4, ,Fe203 = 2,5—3,8, СаО = 55—58, R20 = 1,8-2,3. Он со­держит примерно 80% |3-двухкальциевого силиката, ко­торый частично гидратирован; в нем имеются небольшие количества трехкальциевого гидроалюмината, алюмоси­ликатов кальция и натрия, а также карбоната каль­ция [28].

Белитовый шлам транспортируется в цементный цех с влажностью 38—40%; содержащаяся в нем твердая фаза очень легко осаждается и способна схватываться, поэтому необходимо непрерывно его перемешивать с по­мощью сжатого воздуха и механических мешалок. Кроме этого, весьма нежелательно повышенное содер­жание в нем до 2,5% щелочей и из них до 1% — раство­римых; для получения сырьевой шихты необходимого хи­мического юостава приходится для повышения содержа­ния в клинкере глинозема добавлять боксит.

Сырьевая шихта для получения цементного клинкера содержит, примерно, (в расчете на сухое вещество) 43 % белитового шлама, 53% известняка, 4,5% боксита и 1,5% железистых огарков. Влажность шихты понижена и со­ставляет около 30%. Готовят ее по обычной схеме мокрым тонким измельчением указанных компонентов и после корректирования до заданного химического сос­тава обжигают во вращающихся печах. При этом про­изводительность печей повышается, примерно, на 30% и соответственно понижается удельный расход топлива 'на обжиг.

Исследования С. М. Рояка и Л. А. Кройчука пока­зали, что при приготовлении сырьевой шихты можно от­казаться от применения дефицитного боксита путем вве­дения в состав шихты 0,5% фтористого кальция — эф­фективного минерализатора обжига. Завадские опыты показали, что сырьевая шихта может состоять из 50% белитового шлама и, примерно, 50% известняка без до - •бавок.

Комплексное производство глинозема, содопродуктов И цемента организовано на Волховском, Пикалевском и Ачинском заводах. Организуется такое производство и на ряде других заводов.

Корректирующие добавки. Для получения сырьевой шихты заданного химического состава приме­няют так называемые корректирующие добавки. Обычно для облегчения процесса сиекания клинкера стремятся понизить глиноземный модуль, повышая содержание ок­сида железа. Железистыми добавками служат колче­данные огарки, отходы производства серной кислоты, ко­лошниковая пыль, образующаяся в доменном процессе выплавки чугуна. Содержание оксида железа в колче­данных огарках составляет 70—72% при 1,5% глино­зема, а в колошниковой пыли — около 50% Fe203 и при­мерно 5% А1203.

Для повышения силикатного модуля применяют трепел, опоку, маршалит, кварцевый песок и др. Увели­чения глиноземного модуля лостигают применением бок­ситов, зол некоторых видов твердого топлива и др.

Способы приготовления сырьевой шихты. Добыча сырьевых компонентов на карьерах цементных заводов производится открытым способом. Твердые породы из­вестняка дробятся в мощных стационарных и передвиж­ных дробилках, мягкие — мел, глина, подвергаются предварительному измельчению в специальных агрега­тах комбинированного дробления. При неоднородных физико-химических свойствах сырьевых компонентов не­обходимо обеспечить их усреднение и поточность процес­са, для чего создаются специально оборудованные много - секционные склады, па которых складируют сырьевые компоненты по характерному качественному показа­телю. Усреднительные склады бывают разной мощ­ности до 30 и более тыс. т. Ускоренные методы анализа сырья с применением автоматизации способствуют ста­билизации качества сырьевой шихты. В цементной про­мышленности в основном применяют мокрый и сухой способы производства; небольшая доля приходится на комбинированный способ.

Мокрый способ. При этом способе возможны раз­личные схемы приготовления шихты в зависимости от физико-химических свойств сырьевых компонентов. Дробление известняка производится в две стадии с ис­пользованием для первичного дробления щековых или мощных конусных дробилок. Для мягких сырьевых ком­понентов применяют валковые дробилки разной кон­струкции, бесшаровые мельницы. Дозирование и сме­шение сырьевых компонентов осуществляют в сырьевых мельницах с сепарацией материалов в гидроциклонах и дуговых классификаторах. Создаются необходимые за­пасы полученного шлама, содержащего примерно 36— 40% воды, который подвергается корректированию и усреднению пневматическим способом до достижения за­данного химического состава.

Процесс измельчения в присутствии воды заметно облегчается в связи с тем, что вода, по П. А. Ребиндеру, является понизителем твердости и способствует ускоре­нию процесса диспергирования твердых материалов.

Для помола мягкого сырья при мокром способе су­щественное распространение получили бесшаровые мельницы самоизмельчения «Гидрофолл» МБ—70—23 с рабочим объемом 80 м3. Они эффективно эксплуатиру­ются на многих цементных заводах и применяются для предварительного измельчения мокрым способом мяг­кого цементного сырья. При вращении мельницы за счет возникающих центробежных сил материал поднимается на значительную высоту и, падая, измельчается за счет истирания и удара о лежащие ниже куски. В этих мель­ницах совмещаются процессы дробления и измельчения. Удельный расход электроэнергии составляет около 1 кВт-ч на 1 т готового продукта в расчете на сухое ве­щество. Производительность их достигает 300—500 т/ч при влажности измельченного продукта 30—50%. НИИ - цемент предложил реконструировать мельницу, чтобы избежать залипания глиной барабана-мельницы путем устройства в выходной цапфе камеры со стержневой за­грузкой. В итоге повысилось качество шлама и возросла производительность мельницы.

Практическое значение приобрело применение до­бавок поверхностно-активных веществ, электролитов, либо их композиции для снижения влажности шлама при сохранении необходимой его текучести или вязкости. Снижение содержания воды в шламе на 1 % в пределах 35—40% приводит к повышению производительности вращающихся печей на 1 —1,5% и снижению удельного расхода тепла примерно на 1%). Для этой цели приме­няют сульфитно-дрожжевую бражку, соду, щелочные вытяжки торфа либо бурого угля, разные виды фос­фатов натрия и др. Для снижения влажности шлама на одном зарубежном заводе применяли вдувание отходя­щих, богатых содержанием углекислоты, газов враща­ющихся печей; значительную роль играло, по-видимому, наличие в этих газах не только С02, но и возогнаиных щелочей.

По-видимому, процессы Воздействия на структурно- механические свойства сырьевых шламов базируются на явлениях ионного обмена, которые характерны для гли­нистых минералов. Как известно, глинистые суспензии представляют собой по существу коллоидные системы; они способны к обменным реакциям, сорбции воды и ха­рактеризуются электрокинетическими явлениями. В коллоидной системе, состоящей из твердой фазы, взве­шенной в жидкости, поверхностно-активные вещества ад­сорбируются преимущественно на поверхности отдель­ных частиц.

Полагают, что вокруг зерен известняка, либо мела, образуются структурированные диффузные оболочки из коллоидных глинистых частиц, которые прочно удержи­ваются силами адгезии на поверхности этих зерен. Диф­фузные оболочки коагуляционной структуры способны удерживать в своих ячейках значительное количество воды. Прочность и подвижность таких структур зависит от толщины глинистых прослоек в местах контактов, числа контактов в единице объема и физико-химических свойств глины. Так как эти явления проявляются у раз­ных шламов в разной степени, в зависимости от физико - химических свойств составляющих их компонентов, удельной поверхности, химического состава воды и др., действие добавок-разжижителей оказывается избира­тельным. Поэтому для каждого вида шлама приходится экспериментально подбирать наиболее эффективный разжижитель. Больше всего применяется добавка 0,3— 0,5% сульфитно-дрожжевой бражки, снижающая в не­которых шлам ах влажность на 3—4% (абсолютных).

Практическое значение начинают приобретать угле - щел очные и торфощелочные добавки, получаемые путем обработки бурого угля или торфа щелочью преимущест­венно в виде соды. Они могут снизить влажность мело- глиняного шлама на 6—7% (абсолютных). Эффективны­ми оказались сульфатный шлам лигнина, водный ней­трализованный гудрон, триполифосфат, гексамета - фосфат и другие фосфорные соли натрия; их применение лимитируется однако (сравнительной их дороговизной и необходимостью применять воду с мальм содержанием гипса и других солей в воде. Многие виды разжижителей обладают свойством повышать вязкость шлама через двое-трое суток хранения. Поэтому при подборе вида разжижителя особое внимание уделяется испытанию

Шлама, содержащего добавку, на длительность сохране­ния текучести.

Сложившееся у нас преобладание мокрого способа производства явилось следствием ряда технических и экономических факторов. Высокий расход топлива на обжиг клинкера окупается сравнительно высокой про­изводительностью печных агрегатов, лучшей гомогени­зацией сырьевой смеси, несомненным упрощением ее при­готовления, сравнительной простотой технологии. Боль­шое значение имеет возможность интенсификации про­цесса обжига за счет совершенствования тепло - и мас - сообмена в зонах подогрева и дегидратации сырьевой шихты путем устройства различных теплообмениых устройств, таких, как цепные завесы, теплообменники различной конструкции, фильтры-подогреватели и др. [152].

Сухой способ. Несмотря на многие достоинства мок­рого способа и постоянно вносимые в него технические усовершенствования, он не может конкурировать с сухим. Решающим в новой технике обжига - клинкера по сухому способу является сочетание вращающихся печей с цик­лонными теплообменниками и декарбонизаторами, что обеспечивает снижение удельного расхода тепла при об­жиге клинкера на 40—50% [20]. В условиях необходи­мости экономии топливно-энергетических ресурсов боль­шое значение имеет ориентация нашей цементной про­мышленности на расширение сухого способа производ­ства. Этот способ получил значительное распространение в некоторых развитых капиталистических странах и со­ставляет (%): в ФРГ —97, Японии — 98, Франции — 85, Италии — 90.

При сухом способе дробленые сырьевые материалы высушиваются и измельчаются в специальных помоль­ных агрегатах; корректируют и усредняют полученную сырьевую муку до заданного химического состава пере­мешиванием в специальных силосах большой вмести­мости. Для этой цели, так же как и для транспортирова­ния муки, применяют специальные пневматические вин­товые или камерные насосы. На мощных цементных за­водах начали применять новые схемы подготовки сырья с установкой перед помолыю-сушильньг. ми агрегатами мощ­ных сушилок размерами 5Х17 м производительностью до 700 т/ч при исходной влажности сырья 16% и конечной — 8%. Возможно совмещение процессов сушки сырьевой шихты с дроблением в ударных и других одно - и двухро - торных дробилках с обогреванием горячими газами, благодаря чему значительно уменьшается нагрузка сырьевых мельниц. Примерный расход электроэнергии в таких дробилках составляет 2—4 кВт-ч/т.

В ряде европейских стран, в США и Японии для по­мола мягких видов сырья применяют валковые мельницы разной конструкции производительностью 300 т/ч и выше. Валковые мельницы по принципу действия анало­гичны обычным бегунам, измельчение в которых про­исходит под действием собственной массы катков. Из­мельчение материала в такой мельнице осуществляется за счет его раздавливания между вогнутой поверхностью вращающейся опорной чаши и катящимися по ней пре­имущественно тремя валками. Валковые мельницы ра­ботают в замкнутом цикле с сепараторами, которые уста­навливают вне корпуса мельницы или встраивают в верхнюю часть кожуха. В установках с валковыми мель­ницами благодаря высокой кратности циркуляции мате­риала можно использовать в большом объеме отходящие печные газы и измельчать сырье влажностью до 8%. Для обработки сырья повышенной влажности устанавливают дополнительные топки. При применении этих мельниц можно исключить одну стадию дробления. Тонкость по­мола регулируется скоростью воздушного потока с по­мощью дымососа. Топкий продукт, уносимый отходящим воздухом (газами), поступает в пылеосадитель.

По зарубежным данным одна четырехвалковая мель­ница благодаря различной частоте вращения каждой пары валков позволяет осуществлять в одном агрегате грубый и тонкий помол. При диаметре тарелки 4,6 м и массе двух пар валков 54 т частота ее вращения состав­ляет 25,4 мин^1. Производительность мельницы 220 т/ч При тонкости помола, характеризуемой остатком на сите, 0,09 мм, и исходной влажности материала — 11,5%. Удельный расход электроэнергии, включая весь процесс от забора материала из штабеля до загрузки сырьевой муки в силос с учетом работы электрофильтра и других пылеосадителей, составляет 14,3 кВт-ч на 1т сырьевой муки. Сырьевая смесь в мельнице сушится за счет тепла отходящих печных газов. Работа мельницы автоматизи­рована.

Для предварительного измельчения и сушки сырьевых материалов применяют также барабанные мельницы самоизмельчения типа «Аэрофолл». На торцевых стенках мельницы расположены дефлекторы, ускоряющие из­мельчение и препятствующие агрегации продукта; через эти - мельницы можно пропускать большое количество го­рячих газов, отходящих из других установок. Большую часть полезного объема мельницы занимает загруженный материал, в мельницу добавляют небольшое количество мелющих тел. Измельченный продукт выносится из мельницы в потоке газов и поступает в осадительную ка­меру, где улавливается и осаждается крупка; затем он направляется в два параллельных циклона, служащих для осаждения тонких фракций материала. Мельница «Аэрофолл» обладает высокой производительностью по помолу и сушке. Диаметр корпуса - мельницы 6—9 м при отношении диаметра к длине от 3:1 до 4:1. Корпус мель­ницы вращается со скоростью, составляющей 85—90% от - критической. Для измельчения и сушки мела на це­ментном заводе в Гавре (Франция) применяют мель­ницу «Аэрофолл» размером 8,6X1.93 м с массой 400 т. В мельницу подается мел с размером кусков до 400 мм при влажности до 22%. Для повышения эффективности измельчения в нее загружают стальные шары, занимаю­щие 6% ее объема. Частота вращения мельницы 12,4 мин-1 от электродвигателя 1300 кВт. Производитель­ность мельницы составляет 230 т/ч при влажности муки 0,5%.

Комбинированный способ применяется для обезвожи­вания сырьевого шлама способом фильтрации. Осущест­вляется он в вакуум-фильтрах либо в фильтр-прессах до получения так называемых - коржей с остаточной влаж­ностью 18—20% [131]. Дальнейшая обработка коржа Для подготовки его к подаче во вращающуюся печь про­изводится по разным схемам. При этом способе повы­шается производительность печи с заметным снижением удельного расхода тепла па обжиг клинкера.