Производство цемента

- химический состав цемента  позволяет отнести его к морозоустойчивому  и коррозиеустойчивому;

- введение активной гидравлической  добавки (гранулированного доменного  шлака) препятствует выщелачиванию цемента и позволяет применять его в производстве бетонов, работающих под действием морских и грунтовых вод;

- однородность и высокая дисперсность  зернового состава цемента, полученного  в замкнутом цикле помола, строго  дозированный ввод добавок позволяют получить цементный камень одинаково плотный по всей глубине;

- это препятствует его разрушению  при попеременном замораживании  и оттаивании, при попадании в  микротрещины атмосферной влаги, агрессивных растворов органических  и минеральных соединений, морских и грунтовых вод;

- высокая степень измельчения  позволяет получить цемент с  более высокими прочностными  показателями в ранние сроки  твердения, с большим запасом  прочности в 28-суточном возрасте.

Портландцемент физико-механические свойства:

- удельная поверхность S = 350 м2/кг;

- объемный вес в рыхлом состоянии - 1050 кг/м3;

- сроки  схватывания: начало - 3 час., конец - 4.5 час.;

- прочность  при сжатии: в возрасте 2 суток - не  ниже 20 Мпа; в возрасте 28 суток - не  ниже 50 Мпа.

 

1.3 Глинозёмистый цемент

 

 

Глинозёмистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество; продукт тонкого измельчения клинкера получаемого обжигом (до плавления или спекания) сырьевой смеси состоящей из бокситов и известняков. Обжиг и плавление сырьевой смеси производят в доменных электрических вращающихся печах или в вагранках. По содержанию Al2O3 в готовом продукте различают обычный глинозёмистый цемент (до 55%) и высокоглинозёмистый цемент (до 70%). температура плавления сырьевой шихты обычного глинозёмистого цемента 1450-1480 С высокоглинозёмистого цемента - 1700-1750 С.

Глинозёмистый цемент характеризуется быстрым нарастанием прочности, высокой экзотермией при твердении, повышенной стойкостью против коррозии в сульфатных средах и высокой огнеупорностью. По сравнению с портландцементом глинозёмистый цемент обеспечивает получение бетонов и растворов большей плотности и водонепроницаемости.

Глиноземистые цементы выпускаются без добавок или с добавкой (до 2%) различных веществ, улучшающих свойства цемента и вводимых в его состав при помоле.Получать глиноземистый цемент методом спекания можно в кольцевых, камерных, туннельных и вращающихся печах и на спекательных решетках. Ведение обжига затрудняется недостаточным интервалом между температурами спекания и плавления сырьевой смеси, что приводит к образованию колец, сваров и приваров. Способ плавления при производстве глиноземистого цемента более распространен, что объясняется сравнительно низкими температурами плавления сырьевой шихты (1380-1600°С). При этом отпадает необходимость тонкого помола шихты. Получать глиноземистый цемент методом плавления можно в печах различного типа. Наиболее широко применяют для этой цели доменные и электрические печи. При получении глиноземистого цемента плавлением в восстановительной среде в электрической печи железо восстанавливается почти полностью, а кремний частично. Восстановленные кремний и железо образуют ферросилиций с 13-15% кремния.При плавке в доменных печах железо также восстанавливается почти полностью, кремний же - в незначительной степени. Восстановленные кремний и железо переходят в чугун. При доменной плавке в качестве сырьевых материалов применяют природные бокситы, известняк и железную стружку или скрап.

Для помола полученного материала применяют обычные в цементном производстве помольные агрегаты. При помоле плавленых глиноземистых цементов необходимо предварительное двойное дробление остывшего расплава, расход электроэнергии на помол при этом примерно вдвое больше, чем при помоле цементов, полученных способом спекания.

Глиноземные цементы, полученные методом электроплавки, имеют коричневый, черный или серый цвет, полученные способом спекания - коричневый, полученные доменной плавкой - светлый, голубовато-серый цвет.Удельный вес цемента - 3-3,3, объемный вес в рыхлом состоянии - около 1 100 кг/м3, в уплотненном путем вибрации состоянии - около 1700 кг/м3. Угол естественного откоса - 450-400.

Схема технологического контроля производства рассматриваемого материала зависит от выбранного способа производства. При получении цемента способом спекания она такая же, как и при получении портландцемента. При получении цемента способом доменной плавки контролируются состав сырья и шихты, поступающей в домну, состав выплавляемого шлака и чугуна, ход доменного процесса. При электроплавке контролируют качество сырья, состав шлака и ферросилиция, ведут наблюдение за работой электропечи.

При помоле глинозёмистого цемента осуществляется:

- систематический  контроль работы дробильных агрегатов и гранулометрического состава шлаков, поступающих на помол;

- поступление  в мельницу кусков шлака размером  более 20 мм не допустимо;

- правильное  шихтование различных сортов  шлака;

- тщательный  контроль за своевременной догрузкой и перегрузкой мельниц.

Определение сроков схватывания свежеразмолотого цемента и испытание на равномерность изменения объема не обязательны. Физико-механические испытания глиноземного цемента производят со следующими изменениями. Изготовленные для испытания образцы в формах первые 4 ч с момента изготовления хранят в воздушно-влажных условиях (например, в ванне с гидравлическим затвором) при температуре 20±3°С, после чего их вместе с формами погружают в воду и хранят в ней при той же температуре. Через 24±2 ч кубы и восьмерки извлекают из форм, часть испытывают, а остальные оставляют в воде до следующих испытаний.

 

 

1.4 Смешанные цементы

 

Смешанные цементы – это обобщенное название многочисленной группы цементов, главная отличительная особенность которых – наличие в составе двух веществ, обладающих гидратирующей способностью, отсюда и название. Получают смешанные цементы путем введения при помоле основного клинкера различных активных (обладающих способностью к гидратации) добавок. Процентное содержание активных наполнителей может находиться в пределах от 20 до 50 % от общей массы цемента. Это могут быть как природные вещества, например, осадочные или вулканические горные породы, или же искусственные вещества, такие, как отходы металлургической промышленности или шлаки. Во всех активных добавках содержится оксид кремния, который и придает веществу способность быстро схватываться и отвердевать при контакте с водой.

К наиболее распространенным в строительстве смешанным цементам принадлежат пуццолановые и шлаковые портландцементы, представленные марками 400 и 500. Эти цементы имеют низкую стоимость, по сравнению с обычными цементами портландами, отличаются высокой стойкостью к агрессивным средам, в том числе сульфатным, пониженной водопотребностью при изготовлении бетонов, а также выделяют мало тепла при отвердевании. Среди недостатков стоит отметить замедленный набор прочности в соответствии с маркой цемента и низкую сопротивляемость к термическим колебаниям.

 

 

1.5 Кислотоупорный цемент

 

Кислотоупорный цемент (его полное название - "Цемент кислотоупорный кварцевый кремнефтористый" ГОСТ 5050- 49) представляет собой смесь измельченных кварцевого песка и кремнефтористого натрия. Соотношение между песком и натрием зависит от химического состава песка. Общее содержание окиси кремния (SiО2) в готовом цементе должно быть не менее 92%.

Кислотоупорный цемент получают совместным помолом указанной выше смеси или тщательным смешением ее компонентов после их раздельного измельчения. Степень измельчения должна быть такой, чтобы остаток при просеивании измельченной массы через сито с 900 отв/см не превышал 0,5%, через сито с 4900 отв/см2 - 10% и через сито с 10 000 отв/см2 - 50%. Затворяют кислотоупорный цемент не водой, а жидким стеклом. Последнее применяют также в качестве вяжущего вещества в мастиках для облицовочных работ, его употребляют и в цементных водонепроницаемых и керосинонепроницаемых растворах.

Жидкое стекло (ГОСТ 962-41) представляет собой водный раствор силиката натрия. По химическому составу оно несколько отличается от обычного стекла и поэтому может растворяться в воде. Получают жидкое стекло растворением в автоклавах при давлении пара 3-5 ат. растворимого силиката натрия (ГОСТ 917-41), иначе называемого силикат-глыбой. Жидкое стекло имеет вид сиропообразной массы желтого или буровато-желтого цвета. Его удельный вес 1,43-1,55. В зависимости от того, какие материалы применяются для варки силиката натрия, жидкое стекло подразделяется на содовое, содово-сульфатное и сульфатное. Содовое стекло содержит наибольшее количество кремнезема, его удельный вес 1,50-1,55.

Качество жидкого стекла характеризуется его модулем, выражающим отношение содержащейся в стекле окиси кремния к окиси натрия. Значение модуля указывается в паспорте, сопровождающем каждую партию жидкого стекла; чем это значение больше, тем выше качество стекла. Перевозят жидкое стекло в деревянных или железных бочках, хранят в крытых помещениях.

Иногда на стройку поступает не жидкое стекло, а исходный продукт - силикат-глыба - в виде кусков разного размера синевато-зеленого или желтого цвета. Чтобы получить из них жидкое стекло, куски хорошо измельчают, потом измельченный материал засыпают в горячую воду и кипятят при непрерывном перемешивании до получения однородной массы. Для затворения кислотоупорного цемента жидкое стекло растворяют в воде до удельного веса 1,345. Модуль стекла должен быть в пределах 2,6-3,0. Твердение кислотоупорного цемента происходит благодаря образованию в нем и последующей кристаллизации геля крем-нефтористой кислоты. Согласно техническим условиям, схватывание цемента должно начинаться не ранее чем через 30 мин. после затворения и заканчиваться не позднее чем через 6 часов.

Кислотоупорный цемент применяют для обмазок и для крепления плиток при облицовке аппаратуры на химических заводах, на нем также приготовляют кислотостойкие растворы и бетоны. Перевозят и хранят этот цемент в бумажных мешках. В заключение необходимо подчеркнуть следующее: при работе с жидким стеклом важно помнить, что при длительном действии на затвердевшее жидкое стекло воды и растворов щелочей оно подвергается разрушению и вымывается.

 

В подавляющем большинстве случаев под цементом имеют в виду портландцемент и цементы на основе портландцементного клинкера. В конце ХХ века количество разновидностей цемента составляло около 30.

По прочности цемент делится на марки, которые определяются главным образом пределом прочности при сжатии половинок образцов-призм размером 40*40*160 мм, изготовленных из раствора цемента состава 1 к 3 с кварцевым песком. Марки выражаются в числах М100 — М600 (как правило с шагом 100 или 50) обозначающим прочность при сжатии соответственно в 100—600 кг/см2 (10—60 МПа). В настоящее время цемент марки М300 и менее не выпускается. Цемент с маркой 600 благодаря своей прочности называется «военным» или «фортификационным» и сто́ит заметно больше марки 500. Применяется для строительства военных объектов, таких как бункеры, ракетные шахты и т.д.

Так же по прочности в настоящее время цемент делится на классы. Основное отличие классов от марок состоит в том, что прочность выводится не как средний показатель, а требует не менее 95% обеспеченности (то есть 95 образцов из 100 должны соответствовать заявленному классу). Класс выражается в числах 30—60, которые обозначают прочность при сжатии (в МПа).

 

 

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ СЫРЬЯ

 

2.1 Сырьевые материалы для производства  цемента

 

2.1.1 Карбонатные породы

 

Они широко распространены в природе, что способствует развитию на их основе производства цемента. Из карбонатных пород используют известняк, мел, известняк-ракушечник, мрамор, известковый туф, мергели и др. Все эти породы содержат в основном углекислый кальцит CaCO3 . Известняки состоят из кристаллов кальцита различных размеров. Мел представляет собой рыхлую, слабо сцементированную породу с землистым илом. Качество карбонатного сырья зависит от его структуры, количества примесей, равномерности их распределения в массе сырья. Для производства цемента пригодны карбонатные породы при содержании 40-43,5 % CaО и 3,2-3,7 % MgO. Желательно, чтобы содержание Na2O и К 2О в сумме не превышало 1 %, а SO3 – 1,5-1,7 %. Более благоприятны породы с постоянным химическим составом и однородной мелкокристаллической структурой. полезны примеси тонкодисперсных глин и аморфного кремнезема при равномерном их распределении в карбонатной породе. Особым видом карбонатного сырья является мергель - переходная горная порода от известняков к глинам. Мергель представляет собой природную тонкодисперсную смесь осадочного происхождения глинисто-песчаных пород(20-50%) и углекислый кальция (50-80 %). В зависимости от содержания CaCO3 мергели подразделяются на песчаные, глинистые и известковые. Наиболее ценное сырье – известковый мергель, содержащий 75-80 % CaCO3 и 20-25 % глины. По химическому составу он близок к портландцементной сырьевой смеси. Такой состав сырья существенно упрощает технологию производства. Мергели, в которых содержание CaCO3 соответствует составу портландцементной сырьевой смеси, называют натуральной. От качества сырья зависят температура обжига, производительность печей и свойства конечного продукта. Чем выше плотность известняков, тем труднее идет процесс обжига. Свойства сырья влияют на выбор обжигового агрегата.

 

2.1.2 Глинистые породы

 

Глинистое сырье (глины, глинистый мергель, глинистый сланец, лесс и др.) необходимо для производства портландцемента. Глины имеют различный минералогический и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения. Минералогический состав глин представлен преимущественно водными алюмосиликатами и кварцем, химический состав глин характеризуется наличием трех оксидов, %: SiO2 -60-80, Al2O3 -5-20, Fe2O3- 3-15.

 

2.1.3 Корректирующие добавки

 

При особо благоприятном химическом составе сырьевых материалов портландцементная смесь требуемого состава может быть приготовлена только из двух компонентов – карбонатного и глинистого. Но в большинстве случаев получить заданную сырьевую смесь из двух компонентов почти не удается, поэтому применяют третий и даже четвертый компоненты - корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного из оксидов, недостающих в сырьевой смеси. В качестве железосодержащей добавки обычно используют пиритные огарки с сернокислотных заводов, реже – колошниковую пыль доменных печей. В качестве глиноземистой добавки применяют богатые глиноземом маложелезистые глины, бокситы. Кремнеземистой добавкой служат кварцевые пески, опоки, трепел. Содержание оксидов в корректирующих добавках должно быть, % : для железистых Fe2O3 – не менее 40; для кремнеземистых SiO2 - не менее 70; для глиноземистых Al2O3 - не менее 30. Наиболее широко используются железистые добавки. Бокситы также являются корректирующей добавкой при получении портландцементного клинкера. Боксит представляет собой гидроксид алюминия с примесями Fe2O3, SiO2, CaО, MgO и TiO2.

 

2.1.4 Активные минеральные добавки

 

К ним относятся природные или искусственные минеральные вещества, которые сами по себе вяжущими свойствами не обладают, но, будучи смешанными в тонкомолотом виде с известью, образуют при затворении водой тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой, а при смешивании с портландцементом повышают его водостойкость и антикоррозионные свойства. Введение активных минеральных добавок несколько снижает себестоимость цемента.

 

2.1.5 Техногенные продукты других  отраслей промышленности

 

Наиболее широкое применение в цементной промышленности нашли доменные и электротермофосфорные шлаки, топливные шлаки и золы, нефелиновый ( белитовый ) шлам, гипсосодержащие отходы. Использование шлаков на цементных заводах способствует решению проблемы обеспечения их сырьем на амортизационный срок. Нефелиновый (белитовый) шлам – отход комплексной переработки апатито – нефелиновых пород в глинозем, соду, поташ. Поскольку шлам прошел частичную термическую обработку, он состоит в основном из двухкальциевого силиката – минерала, входящего в состав портландцементного клинкера и способного к гидравлическому твердению. Гранулированные шлаки и нефелиновый шлам близки по составу портландцементной сырьевой шихте, поэтому могут использоваться не только как активные минеральные добавки, но и как компоненты портландцементной сырьевой смеси. Так как эти материалы уже прошли тепловую обработку, не содержат СаСО3 и включают ряд минералов, близких по составу минералам цементного клинкера, то обжиг шихт с наличием в их составе нефелинового шлама и шлака требует меньшего расхода топлива. Например, при использовании нефелинового шлама производительность вращающихся печей повышается примерно на 25 %, снижаются удельные расходы топлива на обжиг клинкера, электроэнергии и мелющих тел (приблизительно на 20 %). Но молотые шлаки и нефелиновый шлам вызывают загустение сырьевых цементных шламов. Повышенное содержание щелочей в нефелиновом шламе может снизить качество цемента.