Cementové suroviny

Cementovými surovinami jsou různé horniny – uhličitan, jíl, síran křemičitý, které se používají k výrobě cementu. Světová produkce tohoto základního stavebního materiálu neustále roste a v současnosti se blíží 1 miliardě tun. Existuje mnoho různých druhů, jakostí a tříd cementu, které se liší svými vlastnostmi. Nejdůležitějším cementovým materiálem této rodiny je portlandský cement. Na přípravu 1 tuny jeho slínku (meziprodukt získaný vypálením jemně mleté ​​směsi minerální vsázky) se spotřebuje 1,7 – 2,1 tuny výchozích surovin – uhličitanu (vápenec, křída, opuka) a jílu (hlína, břidlice, blátokry). ) horská plemena smíšená v přesně definovaných poměrech. Podíl prvního je 75-82%, druhý – 18-25%.

Zpočátku se portlandský cement vyráběl z jílovitých vápenců, tzv. přírodních opuk, vyznačujících se pro cement téměř optimálním poměrem oxidu vápenatého a oxidu křemičitého. Taková ložiska jsou široce známá ve státě Ohio (USA), regionu Rugby-Leicester (Velká Británie) a regionu Novorossijsk (Rusko). Vyčerpání přírodních ložisek opuky a prudký nárůst poptávky po cementu však vedlo k tomu, že se pro výrobu portlandského cementu začaly používat jíly a vápence z různých ložisek.

Kvalita cementu je dána poměrem jeho hlavních složek slínku a přítomností kontaminantů a závisí na chemickém složení výchozí směsi uhličitanových a jílových hornin (náplně), jakož i na sádrovce a dalších přísadách přidaných do cementu. klinker. Obecnými požadavky na kvalitu cementářských surovin je jejich homogenita, stálé chemické složení a absence velkých inkluzí jiných hornin a minerálů.

Mezi ložisky karbonátových surovin pro cementářský průmysl mají největší význam tři geologické a průmyslové typy (Eremin, 2007):

Zdrojem jílových surovin jsou kromě opuků ložiska mořských jílů, jílovitých slínů, slínovců a jílovitých břidlic, reprezentovaná plošnými a čočkovitými ložisky.

Pro zlepšení jeho schopnosti hydratace se do cementu v malých množstvích přidávají vysokokřemičité horniny s aktivním oxidem křemičitým – diatomity, tripoly a opoka určitého chemického složení. Jako aktivní přísady se používají také vulkanické horniny opálově-cristobalitové řady: pucolán a stopy. Ložiska této suroviny jsou široce rozvinutá mezi mladými sedimentárními horninami v oblasti Volhy, Trans-Uralu a dalších regionů.

Sádra (až 3 %) se přidává do různých druhů cementu pro regulaci jeho vlastností. Hlavním geologickým a průmyslovým typem ložisek sádrovce a anhydritu jsou rozšířená čočkovitá a plošná ložiska ve vrstvách karbonátových a terigenních hornin – vápence, dolomity, jíly a opuky. Tato ložiska jsou rozšířena v různých regionech.

Hlavní požadavky na ložiska hornin používaných jako stavební materiály a jako suroviny pro jejich výrobu jsou: významná velikost, metoda otevřené těžby, poskytování schopnosti zpracovávat značné objemy horninového masivu, blízkost spotřebitelům, složitost surovin.

Cement je materiál, který se podílí na konstrukci každého objektu. Dnes existují tři hlavní způsoby výroby portlandského cementu – mokrý, suchý a kombinovaný. Výrobní podniky volí metodu na základě technologických, technických a ekonomických faktorů.

Technologický proces výroby cementu se skládá ze tří hlavních fází:

1. Mechanické procesy pro těžbu a zpracování surovin (mletí, míchání, úprava) k získání surovinové směsi pro její následné vypalování.
2. Tepelný proces spalování surovinové směsi v pecních jednotkách na výrobu slínku – hlavní složky pro výrobu cementu.
3. Mechanický proces společného mletí (nebo samostatné mletí a následné míchání) slínku, materiálu obsahujícího sádru a minerálních přísad za účelem výroby různých druhů cementu.

První etapa. Příprava surové směsi.

Vápenec, jeho modifikace (křída, opuka) a jíl jsou základem pro výrobu cementu. V těsné blízkosti cementáren jsou obvykle lomy, kde výrobce tyto materiály těží. Pro zajištění požadovaného chemického složení surovin se používají i nakupované suroviny – písek, popel, bauxit, pyrit a další.

Surovinová směs se skládá ze čtyř hlavních oxidů: vápníku, hliníku, železa a křemíku. Zdroje těchto oxidů jsou:

• CaO – vápenec, křída, opuka;
• Si₂O₃ – písek, hlína, struska, břidlice;
• Al₂O₃ – jíl, bauxit, popel;
• Fe₂O₃ – pyrit, železná ruda.

Vápenec se těží vrtáním a tryskáním, měkčí materiály (křída a opuka) těžbou. V moderních cementárnách se vápenec drtí v lomu pomocí stacionárních drtičů. Trubkový dopravník o délce až 7 km pomocí pásového dopravníku dopraví materiál na místo výroby, kde je skladován zakladačem v různých směrech se současným primárním průměrováním. Na výstupu z lomu je nad dopravním pásem instalován in-line analyzátor, který zjišťuje chemické složení materiálu.

V moderních výrobních závodech je dosahováno vysoké přesnosti dávkování všech složek hmotností pomocí specializovaných dávkovačů.

Ve starých cementárnách se vápenec drtí v místě výroby, kam se dopravuje po silnici nebo železnici. K přesunu surovin se v takových případech používají drapákové jeřáby, jejichž náklady, stejně jako náklady na provoz a údržbu, jsou mnohem vyšší než u pásových dopravníků.

Další fází přípravy surové směsi je mletí. V moderních továrnách suchou výrobní metodou se mletí provádí na vysoce výkonných vertikálních mlýnech, které se skládají ze dvou částí. Ve spodní části pomocí otočného stolu a válců pod tlakem dochází k drcení materiálu a v horní části je separátor, který rozděluje materiál na jemné a hrubé frakce. Hrubá frakce se posílá na další mletí a materiál jemné frakce se považuje za hotový produkt. Kromě mletí se v surovém mlýně materiál suší pomocí výfukových plynů z pece na obsah vlhkosti nejvýše 0.5 %.

Surovinová směs připravená k výpalu je dodávána a skladována v sile, kde se směs také homogenizuje pomocí stlačeného vzduchu vstupujícího provzdušňovacími okny umístěnými ve spodní části.

V cementárnách, mokrých a polomokrých výrobních metodách se příprava surovinové směsi provádí ve formě kalu o vlhkosti 35-40% pomocí hydrofolu (autogenní mlýnice) a surovinových mlýnů. Hotový kal různé kvality vstupuje do vertikálních a následně horizontálních kalových bazénů, kde se upravuje na požadované chemické složení. K homogenizaci směsi připravené k výpalu v horizontálních kalových bazénech dochází mechanickým mícháním a pomocí stlačeného vzduchu. Rozdíl mezi polomokrou metodou a mokrou metodou je v tom, že před vypálením je materiál dehydratován v lisovacích filtrech.

Kvalita surovinové směsi hraje důležitou roli a je rozhodující pro získání vysoce kvalitního slínku a cementu. Hlavní ukazatele kvality surové směsi jsou:

• silikátový modul je poměr oxidu křemičitého k součtu oxidů hliníku a železa s nárůstem silikátového modulu se zhoršuje hořlavost surové směsi v důsledku poklesu obsahu kapalné fáze; 2.2;
• hlinitanový modul je poměr oxidu hlinitého k oxidu železa, určuje obsah kapalné fáze během procesu výpalu, určuje poměr minerálů ve slínku, je v rozmezí 1.5-2.5;
• koeficient nasycení oxidu křemičitého vápnem – určuje poměr minerálních látek ve slínku, je v rozmezí 0.92-0.98;
• koeficient homogenity surovinové směsi – charakterizuje stabilitu směsi z hlediska chemického složení, pro suchou metodu – ne více než 14, pro mokrou metodu – ne více než 10.

Druhá fáze. Hořící.

Vypalování surovinové směsi v pecních jednotkách je nejdůležitější fází výroby cementu, která určuje kvalitu slínku. Moderní továrny vyrábějící cement suchou metodou využívají k výpalu pecní jednotku skládající se ze dvou hlavních částí. Ve vertikální části jsou umístěny cyklonové výměníky tepla s dekarbonizátorem, ve kterých se připravuje surovinová směs (dehydratace, dekarbonizace) před přímým vstupem do pece. V horizontální části je umístěna vysokoteplotní vypalovací pec 1450 ºС, kde z taveniny vznikají hlavní minerály slínku. K dispozici je také lednice, ve které se v důsledku náhlého ochlazení stabilizují fáze slínku.

U polomokrého způsobu výroby cementu je proces vypalování shodný s výše popsaným, který používají továrny používající suchý způsob. V cementárnách využívajících metodu mokré výroby se pecní jednotka skládá z jedné velké pece dlouhé až 180 metrů. Významnou část takové pece zabírá zóna s řetězovou clonou. Odstraňuje z materiálu velké množství volné vlhkosti, což je charakteristické pro mokrý způsob výroby. Řetězová clona zvyšuje intenzitu výměny tepla mezi okolním plynným médiem a materiálem.

Spotřeba energie pecních jednotek moderních suchých výrobních závodů je o 30-40 % nižší než u mokrých výrobních provozů, a to z důvodu absence potřeby odpařování velkého množství volné vlhkosti ze surovinového kalu.

Vysokoteplotní zóna pece je zevnitř vyzděna žáruvzdornými cihlami pro snížení tepelných ztrát do atmosféry a snížení vlivu teploty na kovový plášť pece. Jednotka pece má malý úhel sklonu a otáčí se rychlostí 3-4 otáčky za minutu, díky čemuž se materiál pohybuje uvnitř pece.

Jednotku pece na výrobu cementu lze rozdělit do několika zón:

• odpařování volné vlhkosti (t 100 ºС) – typické pro pece s mokrou výrobou;
• dehydratace (t 350-650 ºС) – jíl ztrácí krystalizační vlhkost;
• dekarbonizace (t 650-950 ºС) – proces rozkladu uhličitanu vápenatého a hořečnatého za vzniku oxidů vápníku a hořčíku;
• tvorba slínku (t 1300-1450 ºС) – hlavní slínkové minerály vznikají z taveniny, které určují vlastnosti cementu;
• chlazení (t 1250 ºС) – v důsledku prudkého ochlazení jsou fáze slínku stabilizovány.

K dalšímu ochlazení slínku na teplotu 100 ºС dochází v roštové chladničce, poté je skladován v krytých silech, která slínek chrání před atmosférickými vlivy a zachovávají jeho vysokou kvalitu.

Multifunkční hořáky se používají ke spalování různých druhů paliv v pecích v cementárnách. Kromě přírodních paliv (plyn, uhlí, topný olej) jsou hojně využívána alternativní paliva (odpad z domácností, materiály z čistíren odpadních vod, pryžové pneumatiky atd.), jejichž podíl se každým rokem zvyšuje a v některých zemích dosahuje 80 %.

V důsledku procesu výpalu surovinové směsi vznikají hlavní minerály slínku.

Minerály slínku určují vlastnosti cementu, a to:

• trikalciumsilikát (alit) C₃S je hlavní složkou cementu, poskytuje rychlou kinetiku nárůstu pevnosti, vysokou počáteční a dobrou pevnost;
• dikalciumsilikát (alit) C₂S—poskytuje pomalou kinetiku nárůstu pevnosti, nízkou počáteční pevnost a dobrou pevnost po dlouhou dobu vytvrzování, součást obtížně brousitelná;
• hlinitan vápenatý C₃A – zajišťuje rychlou kinetiku nárůstu pevnosti, vysokou počáteční pevnost, výrazně ovlivňuje vlastnosti betonu (reologie, korozní odolnost);
• tetrakalciumhlinitý ferit C₄AF – prakticky neovlivňuje vlastnosti, určuje barvu (čím více je v cementu, tím je barva tmavší).

Kromě hlavních minerálů slínku obsahuje slínek také vedlejší složky pocházející ze surovin (Mg, K, Na, Cl, SO₃) nebo z paliva (Fe₂O₃, P₂O₅, K, Na, Cl, SO₃). Jejich počet je nevýznamný (3–6 %), ale ovlivňují:

• granulometrické složení slínku a tvorba prstenců v peci;
• blokování průchodu cyklónových výměníků tepla;
• složení prachu z pece;
• emise do ovzduší;
• kvalita cementu.

Na kinetiku vývoje pevnosti cementu mají významný vliv alkalické oxidy draslíku a sodíku, které ji v počátečních fázích výrazně zvyšují a ve stáří 28 dnů snižují.

Třetí etapa. Broušení cementu.

Mletí cementu je mechanický proces společného mletí (nebo samostatného mletí a následného míchání) slínku, materiálu obsahujícího sádru a minerálních přísad za účelem výroby různých druhů cementu. Mletí cementu se provádí ve dvou typech cementářských mlýnů – vertikálním (podrobné informace v sekci „Příprava surové směsi“) a kulovém trubkovém mlýnu. Kulový mlýn je kovový plášť lemovaný zevnitř pancéřovými pláty, které chrání tělo mlýna před opotřebením. Mlýny se skládají z jedné nebo dvou komor.

Dvoukomorové mlýny jsou od sebe odděleny membránou s regulovatelným přívodem materiálu. Na výstupu z mlýna je také membrána s buňkami optimální velikosti. Při použití jednokomorových mlýnů je před mlýn dodatečně instalován válečkový lis pro předběžné mletí materiálů. Uvnitř mlýna jsou mlecí tělesa (koule různých průměrů), která při otáčení mlýna drtí materiál nárazem v první komoře a otěrem ve druhé komoře.

Pancéřové pláty se kromě ochrany podílejí i na procesu broušení. V první komoře mlýna jsou instalovány zvedáky pancéřových desek, které zvedají mlecí tělesa do určité výšky. Také pomocí pancéřových desek se mlecí koule třídí podle velikosti kvůli různým hodnotám elastického odskoku. Při průchodu po délce mlýna je materiál vystaven mlecím tělesům různých průměrů, díky čemuž dochází k jeho drcení.
Pokud mlýn pracuje v otevřeném cyklu, bez použití separátoru, pak je materiál opouštějící mlýn považován za hotový výrobek a je skladován v sile.

V moderních cementárnách pracují všechny mlýnice v uzavřeném cyklu s vysoce účinnými separátory. Materiál z mlýna vstupuje do separátoru, který jej rozdělí na jemnou frakci (hotový produkt) a hrubou frakci, která je odeslána k dodatečnému mletí.

Uzavřený mlecí cyklus umožňuje získat cement s optimálním granulometrickým složením, které zvyšuje stupeň hydratace cementu a v důsledku toho i pevnostní charakteristiky.

Po separátoru je hotový cement uložen do sila, kde zůstává až do expedice spotřebitelům. Konstrukce moderních sil, zejména reverzní kužel na dně, se vyhýbá velkému množství odumřelých zbytků cementu, které jsou charakteristické pro starší konstrukce. Moderní silo má také vícedílnou konstrukci, která umožňuje skladovat velké množství různých druhů cementu v jednom sile.

Nezbytnou složkou při výrobě cementu je sádra, která se používá k regulaci doby tuhnutí cementu. Hlinitan vápenatý C₃A je velmi aktivní složka a při interakci s vodou dochází k tvorbě struktury s rychlou ztrátou pohyblivosti cementu. Aby se tomu zabránilo, sádra vytváří kolem C ochrannou vrstvu₃A zabraňuje rychlému tuhnutí cementu.

Existuje několik modifikací sádry, které se liší svými vlastnostmi, zejména aktivitou. Nejaktivnější formou je polovodný sádrovec CaSO₄• 0.5H₂O, následovaný dihydrátem sádry CaSO₄• 2H₂O, nejméně aktivní formou je anhydrit CaSO₄. Během procesu mletí při zvýšených teplotách ve mlýně, více než 70 ºС, se dihydrátová forma sádry mění na polovodnou formu s negativním vlivem na reologické vlastnosti cementu a v důsledku toho i betonu a malty (potřeba vody zvyšuje, retence pohyblivosti se snižuje).

Existují koncepty rychlého a falešného tuhnutí cementu. K rychlému tuhnutí cementu dochází při nedostatečném množství sádry, kdy se vytvoří hustá ochranná vrstva kolem C₃Ale nelze jej vytvořit. K nesprávnému tuhnutí cementu se ztrátou pohyblivosti dochází, když se dihydrátová forma sádry za zvýšených teplot ve mlýně přemění na polovodnou formu. Po smíchání se v případě chybného nastavení pohyblivost obnoví. Pokud cement po smíchání rychle tuhne, pohyblivost již není obnovena.

Po zvážení technologií a rozdílů v hlavních výrobních metodách můžeme říci, že suchá metoda je nejmodernější. Cementárny LafargeHolcim jsou zaměřeny na suchou výrobu. Hlavní výhodou této metody je snížení spotřeby paliva a také snížení objemu pecních plynů o téměř 40 %, což následně snižuje náklady na odprašování a poskytuje větší možnosti využití tepla spalin pro sušení surovin. Mezi výhody suchého způsobu výroby cementu patří také vyšší úběr slínku z 1 m³ pecní jednotky. Při spalování suchým způsobem se výrazně snižuje spotřeba čerstvé vody.

Inovace a moderní technologie v silničním stavitelství