Moderní technologie výroby cementu – Publikace na oficiálních stránkách Cementum

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

Výroba portlandského cementu spočívá v extrakci cementářských surovin, jejich drcení a jemném mletí, přípravě homogenní surovinové směsi daného složení, jejím vypalování až do slinování, mletí vzniklého slínku spolu s malým množstvím sádry a přísad na jemný prášek – cement. Surovinová směs se získává společným nebo odděleným mletím dvou nebo více složek a jejich následným důkladným promícháním, homogenizací, zprůměrováním a úpravou na dané složení v suchém stavu nebo za přítomnosti vody.

V závislosti na způsobu přípravy směsi surovin existují dva hlavní způsoby výroby: mokrý způsob výroby cementu и suchý způsob výroby cementu. Méně běžné než dva výše uvedené způsoby kombinovaný způsob výroby cementu.

Pro volbu způsobu výroby mají velký význam fyzikální a chemické vlastnosti surovin – stálost chemického složení surovinových složek, schopnost filtrace kalu a granulovatelnosti surovinové směsi, pevnost a tepelná odolnost granulí atd.

Suchý způsob výroby cementu
Při suchém způsobu výroby se drcené suroviny suší a jemně melou. Výsledná surová mouka se po úpravě a zprůměrování na dané chemické složení vypaluje v rotačních nebo šachtových pecích. Schémata výroby portlandského cementu metodou suché výroby v šachtových a rotačních pecích jsou uvedena níže.

Schéma výroby portlandského cementu suchou metodou v mechanizovaných šachtových pecích

Schéma výroby portlandského cementu suchou metodou v rotačních pecích

Při suchém způsobu výroby cementu se spotřebuje na vypálení slínku 750 až 1200 kcal/kg slínku, při mokrém způsobu výroby od 1200 do 1600 i více kcal/kg slínku Suchý způsob výroby je ekonomicky výhodný, když suroviny mají nízkou vlhkost a pokud možno homogenní chemické složení a v důsledku toho je celková spotřeba tepla na sušení surovin a vypalování slínku nižší než spotřeba tepla na vypalování těchto materiálů mokrým způsobem výroby. Bylo zjištěno, že je ekonomicky výhodné používat suchou metodu při obsahu vlhkosti suroviny do 12 %.

Mokrá metoda výroby cementu
Při mokrém způsobu výroby se pevné suroviny — vápenec, opuka, břidlice — po rozdrcení za přítomnosti vody v mlýnech jemně melou a tvoří krémovou hmotu — kal. Měkké suroviny – křída, hlína atd. – se po předběžném rozdrcení vsypou do rmutu, kde po smíchání s vodou vytvoří homogenní kal. V případě potřeby se kaše křídy a hlíny jemně rozdrtí v mlýnech, přivedou do bazénů, kde se upraví a zprůměrují na dané chemické složení a poté se hotový kal posílá do pece k vypálení.

Schéma výroby portlandského cementu mokrou metodou v rotačních pecích

Kombinovaný způsob výroby cementu
Kombinovaná výrobní metoda spočívá v tom, že suroviny jsou zpracovávány za mokra na kal a poté odvodňovány v kalových filtrech na obsah zbytkové vlhkosti 16-19 % před vstupem do pece. Filtrovaný „kraker“ se mísí s prachem shromážděným z pecních plynů, aby se zabránilo slepování „krakeru“. Směs krekrů a prachu se kypří a přivádí s obsahem vlhkosti 12-13 % do pece. Součástí kombinované výroby je i výpal surového kalu v rotačních pecích vybavených koncentrátory. Kal se suší ve vypalovacích koncentrátorech s výfukovými plyny rotačních pecí na zbytkovou vlhkost 6-10 % a poté vstupuje téměř suchý do pece k vypálení.

Schéma výroby portlandského cementu kombinovanou metodou v rotačních pecích

Zdroj: „Příručka výroby cementu“ pod. vyd. I.I. cholin.
Státní nakladatelství literatury o stavebnictví, architektuře a stavebních materiálech,
M. 1963 s. 267-272

Populární články

• Přehled největších metalurgických závodů v Rusku
• Prefabrikované stavby z prefabrikovaného železobetonu
• Ocelové plechy (ocelový plech)
• Příprava podkladu pro parkety
• Vady dřeva
• Rozdíly mezi borovicovým a smrkovým dřevem.
• Co je to překližka?
• Třídy cementu, GOST, hlavní rozdíly
• Parapety v nestandardních řešeních
• Metody výroby cementu