Производство цемента: секреты технологии

Цемент является одним из важнейших строительных материалов, широко используемых при возведении различных сооружений. От качества цемента напрямую зависят прочностные характеристики бетона, растворов, а значит надежность и долговечность построенных объектов.

Процесс производства цемента достаточно сложен и включает в себя несколько этапов: добыча и подготовка сырья, приготовление сырьевой смеси, обжиг смеси для получения клинкера и помол клинкера. Существует несколько разновидностей технологического процесса, отличающихся способом приготовления сырьевой смеси. Рассмотрим подробнее основные операции производства цемента.

Промышленное производство цемента осуществляется на специализированных предприятиях - цементных заводах. Современные цементные заводы - это высокомеханизированные автоматизированные производства с проектной мощностью до нескольких миллионов тонн цемента в год.

Добыча сырья

Добыча сырья является первым и важным этапом в производстве цемента. От качества исходных материалов во многом зависят характеристики конечного продукта.

Основными компонентами для производства цементного клинкера служат известняк, глина и различные корректирующие добавки. Эти материалы добывают в специальных карьерах открытым способом.

Известняк используется как основной материал, обеспечивающий получение нужного химического состава. Он должен содержать не менее 75% карбоната кальция. Глину применяют для регулирования свойств сырьевой смеси. Она обеспечивает пластичность и облегчает спекание. В качестве корректирующих добавок используют бокситы, железную руду, песок.

После добычи сырьевые материалы подвергаются тщательному контролю и анализу. Определяют химический и минералогический состав, влажность, плотность и другие важные характеристики. Это необходимо для поддержания стабильного качества конечной продукции.

Технология производства цемента начинается с правильного подбора исходных компонентов, отвечающих всем требованиям. Поэтому добыче и подготовке сырья уделяют пристальное внимание.

Подготовка и измельчение сырья

После добычи сырьевые материалы для производства цемента требуют дополнительной подготовки перед использованием. Этот этап включает предварительное дробление, сушку, дозирование и тонкий помол компонентов.

• Известняк и глину, поступающие с карьера в кусках до 1200 мм, сначала дробят в щековых или конусных дробилках до фракции 8-20 мм. Затем проводят сушку в барабанных или решетчатых сушилках для снижения влажности до 1-2%.
• При мокром способе производства цемента глину дополнительно измельчают в болтушках или шаровых мельницах с добавлением воды. Получается глиняный шлам с влажностью 30-40%.
• При сухом способе сухие компоненты смешивают и направляют на тонкий совместный помол. Для этого используют шаровые, валковые, вибрационные мельницы.
• Размер частиц после помола должен быть около 80-100 мкм. Чем мельче измельчены компоненты, тем быстрее и полнее протекают реакции при последующем обжиге.
• Обеспечение строгого соотношения компонентов осуществляется дозаторами, которые подают точные количества каждого материала. Это важно для получения сырьевой смеси заданного химического состава.

Тщательная подготовка исходных материалов является залогом высокого качества производства цемента. От степени измельчения и однородности сырьевой смеси напрямую зависят характеристики готового цемента.

Приготовление сырьевой смеси

После измельчения и дозирования компонентов проводят их перемешивание для получения однородной сырьевой смеси требуемого химического состава. Этот процесс называется гомогенизацией:

1. При мокром способе производства цемента смешивание происходит непосредственно в шаровых мельницах. Измельченные материалы подают туда вместе с водой, получая шлам нужной консистенции.
2. При сухом способе используют специальные смесительные установки: лопастные, винтовые, барабанные. Они обеспечивают равномерное распределение компонентов и получение однородной сухой смеси.

Важнейшими параметрами сырьевой смеси являются:

• Химический состав
• Влажность
• Гранулометрический состав
• Температура

1. Химический состав определяет минералогический состав образующегося клинкера и качество цемента. Основные оксиды: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3. Их соотношение регулируют подбором и дозировкой сырья.
2. Влажность влияет на энергозатраты процесса обжига и качество клинкера. Для мокрого способа она составляет 30-40%, для сухого - менее 1%.
3. Гранулометрический состав характеризует степень измельчения частиц. Чем мельче помол, тем лучше взаимодействие компонентов при обжиге.
4. Температура сырьевой смеси влияет на вязкость и условия транспортировки в печи. Оптимальная температура - 20-30°C.

После перемешивания сырьевая смесь поступает в бункеры для кратковременного хранения и выравнивания потока перед подачей в обжиговые печи.

Тщательный контроль параметров и качества сырьевой шихты на этапе ее приготовления крайне важен для производства цемента. Это позволяет получить стабильные характеристики конечного продукта при минимальном расходе материальных и энергетических ресурсов.

Обжиг сырьевой смеси

Обжиг сырьевой смеси - один из важнейших этапов в технологии производства цемента. При высокой температуре происходят сложные физико-химические превращения, в результате которых получается цементный клинкер:

• Процесс обжига проводят в специальных вращающихся или шахтных печах при температуре 1450-1500°C. Время обжига составляет от 30 минут до нескольких часов.
• При нагревании до 300°C происходит высушивание и разложение гидроксидов. В интервале 600-900°C разлагаются карбонатные соединения с выделением CO2.
• Важнейшие реакции протекают в температурном диапазоне 1250-1450°C с образованием силикатов, алюминатов и ферритов кальция, которые и составляют клинкер.

В цементной промышленности применяют следующие виды печей:

• Вращающиеся печи
• Шахтные печи
• Вращающиеся трубчатые печи
• Печи с вибрационными теплообменниками

Наибольшее распространение получили вращающиеся печи длиной 60-150 м и диаметром до 6 м. Обжиг происходит при движении сырья противоположно потоку горячих газов.

В качестве топлива используют природный газ, мазут, каменный уголь. Выбор топлива влияет на технологию производства и конструкцию печи.

Контроль режима обжига ведут по температуре в разных зонах и составу отходящих газов. Это позволяет оптимизировать процесс для получения качественного клинкера при минимальном расходе топлива.

Помол клинкера

После обжига полученный клинкер имеет сравнительно низкую активность и не может применяться как вяжущий материал. Для придания ему необходимых свойств клинкер подвергают тонкому измельчению. Этот процесс называется помолом. Он является завершающей стадией технологии производства цемента.

В результате помола происходит:

1. Увеличение удельной поверхности частиц;
2. Активация поверхности;
3. Гомогенизация.

• Для помола используют шаровые, валковые или вибрационные мельницы. Процесс ведут в две-три стадии do достижения остатка на сите No008 порядка 1-5%.
• Одновременно с клинкером в мельницу подают небольшое количество гипса (3-5%). Это необходимо для регулирования сроков схватывания цемента.
• Тонкость помола и степень гомогенизации определяют качество готового цемента. Чем выше дисперсность, тем выше активность, прочность и долговечность цемента.
• Готовый цемент представляет собой однородный порошок серого цвета с размером частиц около 30 мкм. Его фасуют и отправляют на склад для отгрузки потребителям.
• Тщательный контроль тонкости помола позволяет оптимизировать производство цемента по энергозатратам и получать продукцию стабильно высокого качества.

Упаковка и отгрузка цемента

После помола и добавления необходимых добавок цемент готов к отгрузке потребителям. Для обеспечения сохранности качества продукции в процессе транспортировки и хранения цемент упаковывают в специальную тару.

Для упаковки цемента применяют:

• Бумажные мешки массой до 50 кг
• Полипропиленовые мешки массой до 50 кг
• Биг-бэги массой до 1,5 тонн
• Мягкие контейнеры объемом до 1 куб.м

Для отгрузки навалом используют:

• Силосы
• Цементовозы
• Железнодорожные цементовозы

Преимущества отгрузки цемента в мешках:

• Удобство транспортировки и хранения
• Защита от воздействия влаги и загрязнения
• Возможность доставки небольшими партиями

Преимущества отгрузки цемента навалом:

• Низкая себестоимость
• Высокая скорость погрузки/разгрузки
• Возможность отгрузки крупными партиями

Выбор способа транспортировки зависит от объемов поставки, удаленности потребителя, наличия специализированного транспорта и складов.

Упаковка и отгрузка является заключительным этапом производства цемента, от качества которого зависит сохранность свойств готовой продукции при хранении и транспортировке.

Автоматизация производства цемента

Современное высокотехнологичное производство цемента немыслимо без широкого применения средств автоматизации.

Автоматизированы следующие процессы:

• Дозирование сырьевых материалов
• Помол и смешивание компонентов
• Подача топлива в печь
• Контроль технологических параметров

Для автоматического управления используют промышленные контроллеры и АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом).

АСУТП позволяет в автоматическом режиме:

• Контролировать расход сырья, топлива, электроэнергии
• Поддерживать заданный температурный режим
• Отслеживать состав отходящих газов
• Оптимизировать технологический процесс

Применение АСУТП позволяет сократить брак продукции, снизить энергозатраты, повысить производительность труда. Внедрение автоматизированных систем учета и управления качеством продукции обеспечивает выпуск цемента гарантированного качества с минимальными отклонениями. Автоматизация процессов является важной составляющей современных ресурсо- и энергосберегающих технологий производства цемента.