Сырьевая мельница

Валковая мельница среднего размера сухим способом

Сырьевая мельница – это оборудование, используемое для измельчения сырья в « сырьевую смесь » при производстве цемента . Затем сырьевая смесь подается в цементную печь , где она превращается в клинкер , который затем измельчается для производства цемента на цементной мельнице . Стадия измельчения сырья эффективно определяет химический состав (и, следовательно, физические свойства) готового цемента и оказывает большое влияние на эффективность всего производственного процесса.

История

История развития технологии измельчения сырья определяет раннюю историю технологии цемента. На других этапах производства цемента использовались существующие технологии того времени. Ранние гидравлические материалы, такие как гидравлическая известь , природный цемент и Паркера, римский цемент были основаны на «натуральном» сырье, сжигаемом «в момент выкапывания». Поскольку эти природные смеси минералов встречаются редко, производители были заинтересованы в создании мелкозернистой искусственной смеси легкодоступных минералов, таких как известняк и глина, которую можно было бы использовать таким же образом. Типичная проблема заключалась в том, чтобы приготовить однородную смесь из 75% мела и 25% глины и обжечь ее для получения «искусственного цемента». Развитие «мокрого» метода производства мелкозернистой глины в керамической промышленности дало возможность По этой причине на заре цементной промышленности использовался «мокрый процесс», при котором сырье измельчалось вместе с водой для получения суспензии, содержащей 20–50% воды. Луи Вика и Джеймс Фрост использовали эту технику в начале 19 века, и до 1890 года она оставалась единственным способом изготовления сырой смеси для портландцемента. Модификацией технологии, использовавшейся в ранней промышленности, было «двойное обжиг», при котором твердый известняк обжигался и гасился перед соединением с глиняным раствором. Эта техника позволяла избежать шлифования твердого камня и использовалась, в частности, Джозефом Аспдином . Ранняя технология измельчения была плохой, и первые суспензии делались тонкими и имели высокое содержание воды. Затем суспензию оставляли стоять в больших резервуарах («отстойниках») в течение нескольких недель. Крупные неразмолотые частицы падали на дно, а лишняя вода поднималась наверх. Воду периодически сливали до тех пор, пока не оставалась твердая лепешка консистенции гончарной глины. Его разрезали, оставляя грубый материал внизу, и сжигали в печи. Мокрое измельчение сравнительно энергоэффективно, и поэтому, когда стало доступно хорошее оборудование для сухого измельчения, мокрый процесс продолжал использоваться на протяжении всего 20-го века, часто с использованием оборудования, которое Джозайя Веджвуд бы это понял.

Материалы грунтовые

Сырьевые смеси составлены таким образом, чтобы содержать правильно сбалансированный химический состав для производства силикатов кальция ( алита и белита ) и флюсов ( алюмината и феррита ) в печи. Данные химического анализа при производстве цемента выражаются в единицах оксидов, и наиболее важными из них при разработке сырьевых смесей являются SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ и CaO. В принципе, любой материал, который может содержать любой из этих оксидов, может быть использован в качестве компонента сырьевой смеси. Поскольку основным требуемым оксидом является CaO, наиболее распространенным компонентом сырьевой смеси является известняк , а остальные в основном представлены глиной или сланцем . Незначительные изменения в химическом составе вносятся за счет небольших добавок материалов, подобных показанным ниже.

Типичные химические анализы компонентов сырьевой смеси:

Окись	Серый известняк	Белый известняк	Марл	Глина	Песок	Миллскейл	Каолин	Боксит	Летучая зола
SiO ₂	6.6	2.1	14.1	61.6	98.0	1.3	46.1	11.1	48.1
Al₂O_Al2O3	1.5	0.3	3.3	17.5	0.9	1.2	38.5	54.4	26.5
Fe₂O_Fe2O3	0.7	0.13	1.3	7.5	0.13	96.8	0.35	9.7	6
Высокий	48.4	53.7	43.8	1.1	0.1	0.3	0.3	0.6	4.7
MgO	2.0	0.8	0.7	1.1	0.0	0.6	0.1	0.1	1.2
Na₂Na2O	0.07	0.02	0.07	0.5	0.02	0.11	0.01	0.05	0.3
К ₂ О	0.27	0.08	0.43	1.9	0.37	0.05	0.09	0.05	1.3
ТиО ₂	0.06	0.02	0.15	0.8	0.06	0.30	0.9	2.1	1.5
Mn₂O_Mn2O3	0.03	0.01	0.02	0.12	0	0.63	0	0.09	0.07
ЛИ ₉₅₀	40.0	42.7	35.8	6.8	0.3	0	13.7	20.8	9.1

Примечание. LoI ₉₅₀ представляет собой потери при прокаливании при температуре 950 °C и представляет (приблизительно) потери компонентов во время обработки в печи. Он состоит в основном из CO ₂ из карбонатов, H ₂ O из гидратов глин и органического углерода.

Используя эти материалы, можно составить типичные сырьевые смеси:

Смесь 1: Цемент общего назначения: 88,0% серый известняк, 8,9% глина, 2,2% песок и 0,9% окалина.
Смесь 2: Сульфатостойкий цемент: 87,6% серый известняк, 5,2% глина, 5,0% песок и 2,2% окалина.
Смесь 3: Белый цемент : 82,3% белого известняка, 6,8% каолина и 10,9% песка.

Химический анализ этих сырьевых смесей будет следующим:

Окись	Микс 1	Микс 2	Микс 3
SiO ₂	13.46	13.91	15.55
Al₂O_Al2O3	2.91	2.30	2.96
Fe₂O_Fe2O3	2.16	3.14	0.14
Высокий	42.69	42.47	44.23
MgO	1.86	1.82	0.67
Na₂Na2O	0.11	0.09	0.02
К ₂ О	0.41	0.35	0.11
ТиО ₂	0.13	0.10	0.09
Mn₂O_Mn2O3	0.04	0.05	0.01
ЛИ ₉₅₀	35.8	35.4	36.1

Представленное сырье и смеси являются «типичными»: в зависимости от доступного сырья возможны значительные изменения.

Контроль второстепенных элементов

Помимо основных оксидов (CaO, SiO ₂ , Al ₂ O ₃ и Fe ₂ O ₃ ), второстепенные оксиды в лучшем случае являются разбавителями клинкера и могут быть вредными. Однако цементное сырье по большей части добывается из земной коры и содержит большинство элементов таблицы Менделеева в том или ином количестве . Поэтому производитель выбирает материалы так, чтобы вредное воздействие второстепенных элементов было сведено к минимуму или взято под контроль. Второстепенные элементы, которые часто встречаются, следующие:

Фтор полезен для обжига в печи, поскольку позволяет алиту образовываться при более низкой температуре. Однако при уровнях выше 0,25% в клинкере происходит замедленное и неравномерное время схватывания цемента.
Щелочные металлы (в первую очередь натрий и калий ) вызывают проблемы при переработке, поскольку они образуют летучие соли в печи. Они испаряются в зоне горения печи и повторно конденсируются в более холодных областях подогревателя, вызывая засоры. Щелочи также вредны для бетона, потенциально вызывая щелочно-кремнеземную реакцию . По этой причине многие стандарты ограничивают содержание щелочей (обычно выражаемое как «общий эквивалент соды», который равен Na ₂ O + 0,658 K ₂ O). Типичные пределы спецификации находятся в диапазоне 0,5–0,8%.
MgO вызывает проблемы при уровне более 2,5%. Небольшие количества находятся в твердом растворе в минералах клинкера, но более 2,5% «свободный» MgO существует в клинкере в виде периклаза . Он может медленно гидратироваться до Mg(OH) ₂ при расширении затвердевшего бетона, вызывая растрескивание. Тщательная обработка клинкера для сохранения периклаза в микрокристаллической форме позволяет контролировать уровень содержания до 5% без серьезного эффекта. Все стандарты ограничивают содержание MgO, типичные пределы находятся в диапазоне 4–6%.
P ₂ O ₅ при уровне выше 0,5% начинает вызывать медленное схватывание и низкую реакционную способность клинкера.
Хлор образует очень летучие соли и, как следствие, блокирует подогреватель, и его содержание в сырьевой смеси обычно не превышает 0,1%.
TiO ₂ встречается повсеместно, но редко присутствует в количествах (~1%), которые могут вызвать проблемы.
Хром может попасть в цемент в виде хроматов (Cr[VI]), особенно если в клинкере много сульфатов. Хроматы вызывают аллергический контактный дерматит у пользователей цемента, и по этой причине содержание Cr[VI] в цементе ограничено во многих стандартах до 0,0002%. Типичные природные сырьевые смеси содержат около 0,01% Cr ₂ O ₃ , и на этом уровне образование Cr[VI] можно контролировать. Хром, присутствующий в цементе в виде Cr[III], не имеет значения.
Mn ₂ O ₃ не является вредным и действует как заменитель железа. Но оно придает цементу больший цвет, чем железо, а цементы с высоким содержанием Mn ₂ O ₃ (>1%) имеют почти черный цвет.
ZnO встречается в некоторых добавках к сырьевым смесям (а также в шинах, используемых в качестве топлива для печей). При уровнях выше 0,2% он вызывает медленное схватывание и низкую реакционную способность клинкера.
Стронций и барий действуют как заменители кальция и начинают снижать реакционную способность клинкера только на уровнях 1,5% и 0,2% соответственно.
Токсичные тяжелые металлы : среди них низкие уровни мышьяка , селена , кадмия , сурьмы и вольфрама не являются проблемой, поскольку они поглощаются основной структурой клинкера в виде анионов. С другой стороны, ртуть , таллий и свинец , поскольку они могут выделяться в виде летучих галогенидов с выхлопными газами печи. необходимо тщательно контролировать

Мокрые сырьевые мельницы

Мокрое измельчение более эффективно, чем сухое, поскольку вода покрывает вновь образовавшиеся поверхности разбитых частиц и предотвращает повторную агломерацию. Процесс смешивания и гомогенизации сырьевой смеси также намного проще, если она находится в виде жидкого раствора. Недостаток заключается в том, что воду из полученной суспензии впоследствии приходится удалять, а это обычно требует много энергии. Хотя энергия была дешевой, мокрое измельчение было обычным явлением, но с 1970 года ситуация резко изменилась, и новые установки мокрого измельчения теперь устанавливаются редко. Мокрое измельчение осуществляется двумя различными способами: в моечных мельницах и шаровых мельницах.

Стиральная мельница

Это самая ранняя технология измельчения сырья, которая использовалась для измельчения мягких материалов, таких как мел и глина. Он очень похож на кухонный комбайн. Он представляет собой большую чашу (диаметром до 15 м), в которую вместе со струей воды сбрасывается измельченное (до 250 мм) сырье. Материал перемешивается вращающимися наборами борон . Наружные стенки чаши состоят из решеток или перфорированных пластин, через которые может проходить мелкий продукт. Измельчение в основном самогенное (т.е. оно происходит путем столкновения между кусками сырья) и очень эффективное, с выделением небольшого количества отходящего тепла при условии, что материалы мягкие. Обычно две или три моечные машины соединены последовательно, причем они снабжены выпускными отверстиями последовательного уменьшения. Вся система может производить навозную жижу с затратой всего лишь 5 кВт·ч электроэнергии на тонну сухого материала. Относительно твердые минералы (например, кремень) в смеси более или менее не затрагиваются процессом измельчения и оседают в основании мельницы, откуда их периодически выкапывают.

Шаровые мельницы и стиральные барабаны

Шаровая мельница позволяет измельчать более твердые известняки, которые встречаются чаще, чем мел. Шаровая мельница представляет собой горизонтальный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси. В нем содержатся сферические, цилиндрические или стержневые мелющие тела размером 15–100 мм, которые могут быть сталью или различными керамическими материалами, и занимают 20–30% объема мельницы. Корпус мельницы футеруется стальными или резиновыми пластинами. Измельчение осуществляется за счет ударов и истирания между мелющими телами. Различные минеральные компоненты сырьевой смеси подаются в мельницу с постоянной скоростью вместе с водой, а суспензия выходит из выпускного конца. Промывной барабан имеет аналогичную концепцию, но содержит мало мелющих тел или вообще не содержит их, поскольку измельчение происходит самогенно за счет каскадного действия более крупных кусков сырья. Он подходит для мягких материалов, особенно для кремнистого мела, где нешлифованный кремень действует как шлифовальный материал.

Крупность навоза и содержание влаги

Резервуар для хранения навоза емкостью 1500 м³, смешанный и предотвращающий осаждение с помощью вращающегося рычага, нагнетающего сжатый воздух.

Очень важно удалять из сырьевой смеси крупные частицы (> 150 мкм для карбоната кальция и > 45 мкм для кварца), чтобы облегчить химическое соединение в печи. В случае суспензий более крупные частицы можно удалить с помощью гидроциклонов или просеивающих устройств. Для этого требуется определенное количество энергии, подаваемой за счет накачки под высоким давлением. Этот процесс, а также перемещение и смешивание суспензии требуют тщательного контроля вязкости суспензии. Понятно, что более жидкую суспензию легко получить добавлением большего количества воды, но за счет больших затрат энергии на ее последующее удаление. На практике суспензия изготавливается настолько густой, насколько может выдержать заводское оборудование. Растворы цементных сырьевых смесей представляют собой пластики Бингама , которые также могут проявлять тиксотропные или реопектические свойства. суспензии Энергия, необходимая для перекачивания суспензии с желаемой скоростью, контролируется главным образом пределом текучести , а он, в свою очередь, изменяется более или менее экспоненциально в зависимости от соотношения твердых частиц и жидкости в суспензии. На практике дефлокулянты часто добавляют для сохранения прокачиваемости при низком содержании влаги. Обычно используемые дефлокулянты (при типичных дозировках 0,005–0,03%) представляют собой карбонат натрия , силикат натрия , полифосфаты натрия и лигносульфонаты . При благоприятных обстоятельствах можно получить перекачиваемые суспензии с содержанием воды менее 25%.

Сырьевые смеси часто содержат минералы разной твердости, такие как кальцит и кварц. Одновременное измельчение их в сырьевой мельнице неэффективно, поскольку энергия измельчения преимущественно используется для измельчения более мягкого материала. В результате образуется большое количество чрезмерно мелкого мягкого материала, который «смягчает» измельчение более твердого минерала. По этой причине песок иногда измельчают отдельно, а затем в виде мелкодисперсной суспензии подают на главную сырьевую мельницу.

Сухие сырьевые мельницы

Шаровая мельница сухого процесса с пневматическим очисткой

Сухие сырьевые мельницы являются обычной технологией, применяемой сегодня, позволяющей минимизировать потребление энергии и _{CO 2} выбросы . Как правило, цементное сырье добывается в основном из карьеров и поэтому содержит определенное количество естественной влаги. Попытка измельчить влажный материал не увенчалась успехом, поскольку образуется трудноуправляемая «грязь». С другой стороны, мелкий материал сушить гораздо легче, чем грубый, поскольку крупные частицы удерживают влагу глубоко в своей структуре. Поэтому обычно материалы одновременно сушат и измельчают на сырьевой мельнице. Для подачи этого тепла можно использовать печь с горячим воздухом, но обычно используются горячие отходящие газы печи. По этой причине сырьевую мельницу обычно размещают рядом с подогревателем печи. Типы сухих сырьевых мельниц включают шаровые мельницы, валковые мельницы и молотковые мельницы.

Шаровые мельницы

Они похожи на цементные мельницы , но часто с большим потоком газа. Температура газа контролируется отбором холодного воздуха, чтобы обеспечить сухость продукта без перегрева мельницы. Продукт поступает в воздушный сепаратор, который возвращает негабаритные частицы на вход в мельницу. Иногда мельнице предшествует молотковая мельница с горячим воздухом, которая выполняет большую часть сушки и производит сырье миллиметрового размера для мельницы. Шаровые мельницы довольно неэффективны и обычно требуют 10–20 кВт·ч электроэнергии для производства тонны сырьевой смеси. Мельница Aerofall иногда используется для предварительного измельчения крупных влажных кормов. Это короткая полуавтогенная мельница большого диаметра, обычно содержащая 15% по объему очень крупных (130 мм) мелющих шаров. Подача может достигать 250 мм, а более крупные куски производят большую часть измельчения. Мельница продувается воздухом, и мелочь уносится потоком газа. Дробление и сушка эффективны, но продукт крупный (около 100 мкм), и его обычно повторно измельчают в отдельной шаровой мельнице.

Валковые мельницы

Это стандартная форма современных установок, иногда называемых вертикальными шпиндельными фрезерными станками . В типичном варианте материал подается на вращающийся стол, на который прижимают стальные ролики. Вблизи тарелки поддерживается высокая скорость потока горячего газа, так что мелкие частицы сметаются сразу же после их образования. Поток газа переносит мелочь во встроенный воздушный сепаратор, который возвращает более крупные частицы на путь измельчения. Мелкий материал вымывается выхлопными газами и улавливается циклоном перед перекачкой в хранилище. Оставшийся запыленный газ обычно возвращается в основное оборудование печи для очистки от пыли. Размер подачи может достигать 100 мм. Валковые мельницы эффективны: они используют примерно половину энергии шаровых мельниц, и, похоже, нет ограничений на их размер. Установлены валковые мельницы производительностью более 800 тонн в час. В отличие от шаровых мельниц подача в мельницу должна быть регулярной и бесперебойной; в противном случае возникает разрушительная резонансная вибрация.

Молотковые мельницы

Молотковые мельницы (или «дробилки-сушилки») с обдувкой горячими выхлопными газами имеют ограниченное применение при измельчении мягкого влажного сырья. Простая конструкция означает, что она может работать при более высокой температуре, чем другие мельницы, что обеспечивает высокую производительность сушки. Однако измельчающее действие оставляет желать лучшего, и продукт часто повторно измельчают в шаровой мельнице.

Примечания и ссылки