Цементная мельница

Цементный завод мощностью 10 МВт, производительностью 270 тонн в час.

Цементная мельница (или чистовая мельница в Северной Америке). ) — это оборудование, используемое для измельчения твердого шаровидного клинкера из цементной печи в мелкий серый порошок, который и есть цемент . Большую часть цемента в настоящее время измельчают в шаровых мельницах , а также в вертикальных валковых мельницах, которые более эффективны, чем шаровые мельницы.

История

Ранние гидравлические цементы, такие как цементы Джеймса Паркера , Джеймса Фроста и Джозефа Аспдина, были относительно мягкими и легко измельчались с помощью примитивной технологии того времени с использованием плоских жерновов . Появление портландцемента в 1840-х годах значительно усложнило измельчение, поскольку клинкер, производимый в печи, часто столь же тверд, как и материал жерновов. Из-за этого цемент продолжали измельчать очень грубо (обычно 20% частиц диаметром более 100 мкм), пока не стала доступна более совершенная технология измельчения. Помимо производства нереакционноспособного цемента с медленным ростом прочности, это усугубляло проблему несостоятельности. Это позднее разрушительное расширение вызвано гидратацией крупных частиц оксида кальция . Тонкое измельчение уменьшает этот эффект, и первые цементы приходилось хранить в течение нескольких месяцев, чтобы дать оксиду кальция время гидратироваться, прежде чем он станет пригодным для продажи. Начиная с 1885 года развитие специализированной стали привело к разработке новых форм шлифовального оборудования, и с этого момента типичная крупность цемента начала неуклонно расти. Постепенное уменьшение доли более крупных, нереакционноспособных частиц цемента частично привело к четырехкратному увеличению прочности цемента. Портландцемент в двадцатом веке. Недавняя история технологии была в основном связана с уменьшением энергопотребления в процессе измельчения.

Материалы грунтовые

Портландский клинкер является основным компонентом большинства цементов. В портландцемент добавляют немного сульфата кальция (обычно 3–10%), чтобы замедлить гидратацию алюмината трикальция . Сульфат кальция может состоять из природного гипса , ангидрита или синтетических отходов, таких как гипс десульфурации дымовых газов . Дополнительно можно добавлять до 5% карбоната кальция и до 1% других минералов. Добавление определенного количества воды и небольших количеств органических добавок и усилителей производительности является нормальным явлением. «Смешанные цементы» и каменные цементы могут включать большие добавки (до 40%) натуральных пуццоланов , летучей золы , известняка , микрокремнезема или метакаолина . Шлакодоменный цемент может включать до 70% молотого гранулированного доменного шлака . См . цемент . Гипс и карбонат кальция являются относительно мягкими минералами и быстро измельчаются до ультрамелких частиц. Вспомогательные средства для измельчения обычно представляют собой химические вещества, добавляемые в количестве 0,01–0,03%, которые покрывают новообразованные поверхности разбитых минеральных частиц и предотвращают повторную агломерацию. К ним относятся 1,2-пропандиол , уксусная кислота , триэтаноламин и лигносульфонаты .

Контроль температуры

Тепло, выделяющееся в процессе измельчения, приводит к тому, что гипс (CaSO ₄ ·2H ₂ O) теряет воду, образуя бассанит (CaSO ₄ ·0,2-0,7H ₂ O) или γ-ангидрит (CaSO ₄ ·~0,05H ₂ O). Последние минералы быстро растворимы, и около 2% из них в цементе необходимо для контроля гидратации алюмината трикальция . Если образуется больше этого количества, кристаллизация гипсов при их повторной гидратации вызывает «ложное схватывание» — внезапное загустение цементной смеси через несколько минут после замешивания, которая разжижается при повторном замешивании. Причиной этого является высокая температура фрезерования. С другой стороны, если температура помола слишком низкая, в наличии недостаточно быстрорастворимого сульфата, что вызывает «мгновенное схватывание» — необратимое затвердевание смеси. Для получения оптимального количества быстрорастворимого сульфата необходим помол с температурой на выходе из мельницы в пределах нескольких градусов от 115 °С. Если система измельчения слишком горячая, некоторые производители используют 2,5% гипса и оставшийся сульфат кальция в виде природного α-ангидрита (CaSO ₄ ). Полная дегидратация этой смеси дает оптимальные 2% γ-ангидрита. В случае некоторых эффективных современных мельниц выделяется недостаточно тепла. Это исправляется путем рециркуляции части горячего отработанного воздуха на вход в мельницу.

Шаровые Мельницы

Схема шаровой мельницы

Шаровая мельница представляет собой горизонтальный цилиндр, частично заполненный стальными шариками (а иногда и другими формами), который вращается вокруг своей оси, придавая шарам кувыркающееся и каскадное действие. Материал, подаваемый через мельницу, измельчается ударами и измельчается за счет истирания между шарами. Мелющие тела обычно изготавливаются из высокохромистой стали . Меньшие сорта иногда имеют цилиндрическую («гальку»), а не сферическую форму. Существует скорость вращения («критическая скорость»), при которой содержимое мельницы просто перекатывается через крышу мельницы под действием центробежного действия. Критическая скорость (об/мин) определяется по формуле: n _C = 42,29/ √ d , где d — внутренний диаметр в метрах. Шаровые мельницы обычно работают со скоростью около 75% от критической, поэтому мельница диаметром 5 метров будет вращаться со скоростью около 14 об/мин.

Мельница обычно разделена как минимум на две камеры (хотя это зависит от размера входного сырья - мельницы, включающие вальцовый пресс, в основном однокамерные), что позволяет использовать мелющие тела разных размеров. На входе используются крупные шары для дробления конкреций клинкера (диаметр которых может превышать 25 мм). Диаметр шариков здесь находится в пределах 60–80 мм. В двухкамерной мельнице размер среды во второй камере обычно находится в пределах 15–40 мм, хотя иногда встречаются среды размером до 5 мм. Как правило, размер частиц должен соответствовать размеру измельчаемого материала: крупные частицы не могут производить сверхмелкие частицы, необходимые для готового цемента, а мелкие частицы не могут разбивать крупные частицы клинкера. Когда-то использовались мельницы с четырьмя камерами, позволяющие четко разделять фракции по размерам, но сейчас это становится редкостью. Альтернативой многокамерным мельницам являются:

• пары мельниц, работающих в тандеме, загружаемых средами разного размера.
• использование альтернативной технологии (см. «Вальцовые прессы» ниже) для дробления клинкера перед тонким измельчением в шаровой мельнице.

Через мельницу пропускают поток воздуха. Это помогает поддерживать прохладу мельницы и выметать испаряющуюся влагу, которая в противном случае могла бы вызвать гидратацию и нарушить поток материала. Запыленный вытяжной воздух очищается, как правило, с помощью рукавных фильтров .

Типичная схема мельницы/сепаратора

Замкнутые системы

Эффективность ранних стадий измельчения в шаровой мельнице намного выше, чем эффективность образования сверхмелких частиц, поэтому шаровые мельницы работают наиболее эффективно, производя грубый продукт, мелкие фракции которого затем отделяются, а грубая часть возвращаются на вход в мельницу. Доля материала с выхода мельницы, возвращаемого на вход, может варьироваться от 10-30% при измельчении обычного цемента до 85-95% для очень мелких цементных изделий. Для эффективности системы важно, чтобы на вход возвращалось минимальное количество материала крупности готового продукта. Современные сепараторы способны производить очень точную нарезку по размеру и вносят значительный вклад в снижение энергопотребления, а также имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они охлаждают как продукт, так и возвращаемый материал, тем самым сводя к минимуму перегрев.

Эффективные системы замкнутого цикла из-за жесткого контроля размера частиц приводят к получению цементов с относительно узким гранулометрическим составом (т.е. при заданном среднем размере частиц они содержат меньше крупных и мелких частиц). Преимущество этого подхода состоит в том, что он максимизирует потенциал прочности клинкера, поскольку крупные частицы инертны. Как правило, в бетоне гидратируется только внешняя «оболочка» каждой частицы толщиной 7 мкм, поэтому любая частица диаметром более 14 мкм всегда оставляет непрореагировавшее ядро. Однако отсутствие ультрамелких частиц может быть недостатком. Эти частицы обычно заполняют промежутки между более крупными частицами в цементном тесте, а в случае их отсутствия дефицит восполняется дополнительной водой, что приводит к снижению прочности. Это можно исправить, добавив в цемент 5% карбоната кальция : этот мягкий минерал дает достаточное количество ультрамелких фракций при первом проходе через мельницу.

Типичное энергопотребление мельницы для различных степеней помола. Фактические значения варьируются в зависимости от эффективности системы мельницы и твердости клинкера.

Твердость клинкера

Твердость клинкера важна для энергозатрат процесса измельчения. Это зависит как от минерального состава клинкера, так и от его термической истории. Самый легко измельчаемый минерал клинкера — алит , поэтому клинкеры с высоким содержанием алита снижают затраты на помол, хотя их производство в печи обходится дороже. Самый прочный минерал — белит , потому что он тверже и несколько пластичен, поэтому кристаллы имеют тенденцию сплющиваться, а не разрушаться при ударе в мельнице. Важен также режим обжига клинкера. Клинкер быстро обжигается при минимальной для соединения температуре, затем быстро охлаждается, содержит мелкие дефектные кристаллы, которые легко измельчаются. Эти кристаллы обычно также оптимальны по реакционной способности. С другой стороны, длительное горение при избыточной температуре и медленное охлаждение приводят к образованию крупных кристаллов правильной формы, которые трудно измельчить и которые нереакционноспособны. Эффект от такого клинкера может привести к удвоению затрат на помол.

Валковые мельницы

Они использовались в течение многих лет для менее требовательного процесса помола сырья, но в последнее время для помола цемента стали использовать валковые мельницы в сочетании с высокоэффективными сепараторами. При измельчении материал подвергается гораздо большей нагрузке, чем в шаровой мельнице, и поэтому он более эффективен. Потребление энергии обычно вдвое меньше, чем у шаровой мельницы. Однако узость гранулометрического состава цемента является проблематичной, и этот процесс еще не получил широкого признания.

Валковые прессы высокого давления

Они состоят из пары роликов, расположенных на расстоянии 8–30 мм друг от друга и вращающихся в противоположных направлениях со скоростью поверхности около 0,9–1,8 м·с. ⁻¹ . Подшипники роликов рассчитаны на давление 50 МПа и более. Слой материала, протянутый между валками, представляет собой пластинчатую агломерацию сильно раздробленных частиц. Энергоэффективность . этого процесса сравнительно высока Были разработаны системы, включающие деагломератор и сепаратор, которые будут поставлять материал крупности цемента. Однако распределение частиц по размерам снова является проблемой, и в настоящее время все большую популярность приобретают валковые прессы в качестве процесса «предварительного измельчения», при котором цемент обрабатывается в однокамерной шаровой мельнице. Это обеспечивает хорошие характеристики цемента и снижает потребление энергии на 20-40% по сравнению со стандартной системой шаровой мельницы.

Производительность цементных заводов

Цементные мельницы на цементном заводе обычно рассчитаны на расход клинкера, значительно превышающий производительность печей завода. Это происходит по двум причинам:

• Размеры заводов позволяют справляться с пиками рыночного спроса на цемент. В странах с умеренным климатом спрос на цемент летом обычно значительно выше, чем зимой. Избыток клинкера, произведенного зимой, отправляется на хранение, чтобы подготовиться к летнему пику спроса. По этой причине заводы с высоким сезонным спросом обычно имеют очень большие склады клинкера.
• Цементные мельницы являются крупнейшим потребителем электроэнергии на цементном заводе, и, поскольку их можно легко запускать и останавливать, часто выгодно эксплуатировать цементные мельницы только в «непиковые» периоды, когда доступна более дешевая электроэнергия. Это также выгодно для производителей электроэнергии, которые могут договариваться о ценах на электроэнергию с основными потребителями, чтобы сбалансировать свои генерирующие мощности в течение 24 часов. Часто используются более сложные механизмы, такие как «отключение мощности». Речь идет о том, что производитель цемента в кратчайшие сроки закрывает завод, когда поставщик электроэнергии ожидает критического пика спроса, в обмен на выгодные цены. Очевидно, что для того, чтобы «наверстать упущенное» после таких перерывов, необходимы большие избыточные мощности по переработке цемента.

Контроль качества продукции

Помимо контроля температуры (упомянутого выше), основным требованием является получение продукта постоянной крупности. С древнейших времен крупность измеряли путем просеивания цемента . Поскольку цемент стал более мелким, использование сит становится менее применимым, но количество, удерживаемое на сите 45 мкм, по-прежнему измеряется, обычно с помощью воздушно-струйного или мокрого просеивания. Количество, прошедшее через это сито (обычно 95% в современных цементах общего назначения), связано с общим потенциалом набора прочности цемента, поскольку более крупные частицы по существу нереакционноспособны.

Главной мерой крупности сегодня является удельная поверхность . Поскольку частицы цемента реагируют с водой на своей поверхности, удельная площадь поверхности напрямую связана с начальной реакционной способностью цемента. Регулируя тонкость помола, производство может выпускать из одного клинкера целый ряд изделий. Для получения цемента с желаемыми стабильными ежедневными характеристиками необходим строгий контроль крупности, поэтому круглосуточно производятся измерения цемента по мере его производства, а скорость подачи мельницы и настройки сепаратора регулируются в соответствии с поддерживать постоянную удельную поверхность.

Более полную картину крупности дает анализ частиц по размерам , позволяющий определить количество присутствующих частиц каждого диапазона размеров, от субмикрометра и выше. Раньше это был в основном исследовательский инструмент, но с появлением дешевых промышленных лазерных дифракционных анализаторов его использование для повседневного контроля становится все более частым. Это может быть настольный анализатор, в который автоматически собираются образцы в роботизированной лаборатории, или, что все чаще, инструменты, подключаемые непосредственно к выходным каналам мельницы. В любом случае результаты могут быть переданы непосредственно в систему управления мельницей, что позволяет полностью автоматизировать контроль крупности.

Помимо крупности необходимо контролировать добавление материалов в цемент. В случае добавления гипса используемый материал часто бывает разного качества, и обычной практикой является регулярное измерение содержания сульфатов в цементе, обычно с помощью рентгеновской флуоресценции , и использование результатов для регулирования скорости подачи гипса. Опять же, этот процесс часто полностью автоматизирован. Аналогичные протоколы измерения и контроля применяются к другим добавляемым материалам, таким как известняк, шлак и летучая зола.

Дальнейшее чтение

• Тейлор, Гарри Ф.В. (1997). Цементная химия . Томас Телфорд. ISBN  978-0-7277-2592-9 .
• Питер Хьюлетт; Мартин Лиска (2019). Химия цемента и бетона Ли . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-08-100795-2 .