Производство цемента для жаростойких бетонов - АР

Содержание

Реферат

1 Анализ существующих технологий производства вяжущего

1.1 Характеристика выпускаемого вяжущего

1.2 Характеристика сырьевых материалов для производства вяжущего

1.3 Выбор и обоснование технологии производства вяжущего

1.4 Новое в производстве вяжущего

2.Технологическая часть

2.1 Режим работы предприятия

2.2 Расчет производительности предприятия

2.3 Расчет состава сырьевой смеси

2.4 Расчет потребности предприятия в сырьевых материалах

2.5 Выбор технологического оборудования

2.6 Расчет складов сырьевых материалов и готовой продукции

2.7 Разработка технологии производства вяжущего

3. Контроль производства и качества выпускаемой продукции

4. Охрана труда на предприятии

Заключение

Список литературы

1 Анализ существующих технологий производства вяжущего

1.1 Характеристика выпускаемого вяжущего

Глиноземистый цемент — быстро твердеющее в воде и на воздухе высокопрочное вяжущее вещество, получаемое путем обжига до расплавления или спекания смеси материалов, богатых глиноземом, с известью или известняком и последующего тонкого измельчения продукта обжига. В отличие от портландцемента, клинкер которого состоит главным образом из силикатов кальция, глиноземистый цемент получают из шлака (расплава) или клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. Важнейшим минералом глиноземистого цемента является моноалюминат кальция (СаОА1203). В цементе содержатся обычно и минералы 12СаО 7А1203 (5СаО 3А1203), СаО А1203

В Российской Федерации в результате самостоятельных исследований, проведенных группой ученых, было разработано несколько способов получения глиноземистого цемента и изучены физико-химические процессы его производства и твердения. Результаты этих работ позволили организовать производство глиноземистого цемента способом доменной плавки и рационально применять его во многих областях строительной индустрии. Глиноземистый цемент используют также как важнейший компонент при производстве нескольких видов расширяющихся цементов.

Химический состав глиноземистых цементов разнообразен и зависит от состава исходных сырьевых материалов и технологии производства. Содержание важнейших окислов характеризуется большими колебаниями, %: Si02 — 5—10, А1203 — 35—50, Fe203 — 5—15 (включая закись железа), СаО — 35—45. Кроме того,, в нем обычно присутствует 1,5—2,5% ТiO2, 0,5—1,5% MgO, около 1% S03, 0,5—1% R20.

Химико-минералогический состав получаемого цемента. Моноалюминат кальция (СА) содержит 64,5% А1203 и 35,5% СаО, температура его плавления 1973 К. Он обладает способностью образовывать твердые растворы. При синтезировании спеканием в окислительной среде он способен вовлекать в кристаллическую решетку окислы железа, марганца, феррита и хромиты кальция и др. Полагают, что большая скорость твердения моноалюмината кальция обусловлена нерегулярной координацией атомов кальция с атомами кислорода, причем атомы алюминия и кислорода образуют деформированный тип структуры, характерной для тетраэдров А14.

Однокальциевый двухалюминат (СА2) содержит 78,4% AI2C3 и 21,6% СаО. Его состав точнее характеризуется формулой С3А5.

Плавится он инконгруэнтно при 1843 К с образованием расплава и А1203. Установлено существование СА2 в двух модификациях, причем неустойчивая модификация может образоваться при исключительно быстром охлаждении, поэтому ее не удалось обнаружить в глиноземистых цементах.

Однокальциевый шестиалюминат СА6 содержит 90,65% А1203 и 9,35% СаО. Это мало изученное соединение, найденное в плавленом корунде. В глиноземистом цементе присутствует также двухкальциевый силикат C2S. Большое влияние на качество цемента оказывает алюмосиликат кальция — геленит (C2AS), содержащий 37,2% А1203, 21,9% Si02 и 40,9% СаО. Геленит в кристаллическом виде не обладает гидравлической активностью, так что значительная часть глинозема не образует гидравлически активные алюминаты кальция, а связана в практически инертном соединении.

В глиноземистом цементе обычно содержатся железистые соединения, так как они присутствуют в исходном глиноземистом сырьевом компоненте.

Опыт производства и результаты широких исследований показали, что целесообразно либо снизить содержание оксидов железа в сырьевой шихте, либо полностью освободить цемент от железа, как это бывает при доменной плавке высокоглиноземистого шлака и чугуна. Это объясняется тем, что алюмоферриты кальция связывают некоторое количество глинозема и тем самым выводят его из наиболее гидравлически активных соединений — алюминатов кальция, что несколько снижает качество цемента. Кроме того, закись железа способна также связать глинозем в гидравлически инертную железистую шпинель FeO А1203. Она может участвовать и в образовании слабо гидравлического соединении 6СаО 4А1203 FeO Si02.

Оксид магния может образовать соединение в виде 6CaO4Al203MgOSi02. При большом содержании возникает гидравлически инертная магниевая шпинель, появляются также периклаз и окерманит (2СаО MgO 2SiO). Небольшие количества оксида магния несколько понижают температуру плавления и вязкость шлака. Считают, что содержание оксида магния в цементе должно быть ниже 2%. Диоксид титана практически всегда содержится в исходных сырьевых материалах. Установлено, что он образует преимущественно перовскит (СаОТiO2). Присутствие этого соединения в количестве до 3—4% положительно влияет на процесс. В исходных сырьевых материалах имеются обычно такие малые примеси, которые, как правило, отрицательно влияют на качество цемента. Это щелочи, фосфорный ангидрид (около 1%), окислы хрома, сера и ее соединения и др.

К особым свойствам относятся:

1. Быстрое нарастание прочности в раннем возрасте;

2. При твердении бетона на глиноземистом цементе выделяется большое количество тепла, что позволяет использовать эти бетоны при отрицательных температурах до 10 градусов без подогрева;

3. Глиноземистый цемент имеет повышенную плотность цементного камня, что определяет большую устойчивость бетона против всех видов агрессивных жидкостей и газов по сравнению с бетоном на портландцементе;

4. Глиноземистый цемент по сравнению с портландцементом является более огнестойким и термически устойчивым материалом. В смеси с огнеупорными заполнителями: шамотом, хромитовой рудой, магнезитом и др. глиноземистый цемент может быть использован для получения гидравлически твердеющих огнеупорных растворов и бетонов.

1.2 Характеристика сырьевых материалов для производства вяжущего

Сырьевые материалы. Важнейшим глиноземсодержащим сырьевым компонентом в производстве глиноземистого цемента являются сравнительно мало распространенные бокситы. Это дефицитное сырье, используемое главным образом для получения металлического алюминия. Боксит содержит гидраты глинозема в виде бемита, гидраргиллита и редко диаспора с примесями кремнезема, оксидов железа, магния, титана и др. Так, например, в бокситах некоторых месторождений содержатся бемит и диаспор, а также железо в виде гематита и кремнезем в виде кварца либо опала. Содержание глинозема в бокситах может достигать 70%.

Качество боксита характеризуется содержанием А1203 и коэффициентом качества — отношением количества глинозема по массе к соответствующему количеству окиси железа. Для производства глиноземистого цемента применяют бокситы, главным образом, марок Б2, Б-3 и Б-7 с коэффициентом качества соответственно 7, 5 и 5,6; содержание глинозема в них должно быть не менее 46 и 30%. Используют также бокситы марки Б-1 с коэффициентом качества 9, содержащие не менее 49% глинозема. Месторождения бокситов имеются в ряде районов Российской Федерации.

Количество оксида железа хотя и не регламентируется ГОСТом, но из изложенного выше видно, что оно исключительно важно для технологии производства глиноземистого цемента. В используемых у нас уральских бокситах содержание оксида железа достигает 28%. В последнее время начали применять отвальные шлаки алюминотермического производства ферросплавов, а также шлаки вторичной переплавки алюминия и его сплавов.

Для получения высокоглиноземистого и особо чистого высоко глиноземистого цементов применяют чистый глинозем разных марок. Известковым компонентом служат известняки и, в отдельных случаях, обожженная известь. Имеются патенты на комплексное производство глиноземистого цемента и серной кислоты, цемента и фосфора. В этих случаях вместо извести применяют гипс, фосфориты и др. При восстановительной плавке компонентом сырьевой шихты является также кокс, от которого, прежде всего, требуется возможно более низкое содержание кремнекислоты в зольной части.

В отличие от портландцемента при производстве глиноземистого цемента трудно выбрать универсальный способ расчета ожидаемого минералогического состава расплава или клинкера. Это объясняется тем, что минералогический состав клинкера глиноземистого цемента зависит от способа производства — плавления или спекания, характера среды обжига — окислительной или восстановительной, условий кристаллизации (от характера охлаждения), содержания в исходной сырьевой шихте оксида железа и образовавшихся после обжига и охлаждения железосодержащих соединений, вида и состава полученных твердых растворов и др.

Добавка – бой высокоглиноземистых изделий (кирпичи для футеровки печей).

1.3 Выбор и обоснование технологии производства вяжущего

Способы производства. Как уже было отмечено выше, есть два принципиально различных способа производства глиноземистого цемента — плавление шихты и спекание. При выборе того или иного способа нужно учитывать ряд факторов и, прежде всего, химический состав боксита определенной марки и в особенности содержание в нем кремнекислоты и окиси железа. На основе экспериментальных исследований определяют температуры спекания и плавления и интервал между ними, а также качество получаемого расплава либо клинкера. Технико-экономический анализ позволяет выявить, какой способ производства в данных условиях рациональнее. При этом учитывают наличие и стоимость электроэнергии, качество кокса и др.

Плавление. Глиноземистый цемент можно получать плавлением в ватержакетных печах (вагранках с водяным охлаждением). Боксит, известняк и кокс в установленном расчетном соотношении загружают в верхнюю часть печи. Подогретый в рекуператорах воздух вдувают через фурмы; образующийся внизу печи расплав при 1773—1873 К выпускается через летку; расплав металлического железа выпускается из печи отдельно. Проводились опыты по применению для этих печей воздуха, обогащенного кислородом. Производительность их достигала 50 т/сут при удельном расходе топлива около 500 кг на 1 т расплава.

Для этого производства необходимы высококачественные бокситы с малым содержанием кремнезема, так как восстановление кремнезема до кремния и получение одновременно кремнистого чугуна или ферросилиция происходят при высоких температурах, которые в этих печах создать трудно. Расплав (шлак) охлаждается в специальных изложницах и в охлажденном виде измельчается в дробилках и затем подвергается тонкому измельчению в многокамерных трубных мельницах.

Во Франции и Англии применяются мартеновские пламенные печи, снабженные вертикальной трубой, через которую в печь поступает сырьевая шихта. Печи работают на пылевидном топливе при горячем дутье. Шлак выпускается при 1823—1873 К. Производительность достигает 70 т/сут. Существует способ электроплавки глиноземистого цемента, при применении которого продукт не загрязняется кремнекислотой, содержащейся в золе кокса, поскольку одновременно выплавляется ферросилиций.

Есть опыт использования дуговых печей, работающих преимущественно на переменном токе. Для интенсификации процесса плавки сырьевые компоненты предварительно высушивали, измельчали и после тщательного смешивания брикетировали или гранулировали. Во избежание выбросов из печи, которые бывают из-за быстрого выделения воды и углекислоты из сырьевой шихты, предварительно прокаливают боксит и кальцинируют известняк. Производительность печей достигает 30—40 т/сут. Расход электроэнергии составляет около 4320—5040 МДж на 1 т продукта. И этих электропечах выплавляют качественный глиноземистый цемент из высококремнеземистых бокситов.

Благодаря высокой температуре в такой электропечи, достигающей 2273 К, и применению кокса в шихте кремнезем шихты восстанавливается до кремния и в результате взаимодействия с металлическим железом образуется ферросилиций. Так, например, при использовании боксита, содержащего 15—17% Si02, количество ее в цементе (расплаве) снижается до 6—8%. Количество ферросилиция с 13—15% Si составляет около 35% массы цемента. Весьма высок удельный расход электроэнергии, достигающий 900010 800 МДж на 1 т цемента.

Недостаток этого способа — ограниченный предел восстановимости кремнезема из-за образования значительных количеств карбида кальция, увеличивающихся с повышением температуры.

Глиноземистый цемент в США получают, сочетая процесс слабого спекания шихты во вращающейся печи с последующим расплавлением ее в ванной печи. Высказываются мнения о возможности плавления во вращающихся печах, но этот способ в промышленности не применяется.

Большое значение имеет способ доменной плавки чугуна и высокоглиноземистого шлака, успешно разработанный нашими учеными. За рубежом его называют "русским способом производства глиноземистого цемента". Организации производства этого цемента в Российской Федерации предшествовали широкие экспериментальные исследования, которые позволили установить рациональный состав доменной шихты, условия плавки и в особенности режим охлаждения выплавляемого шлака. Исследования строительно-технических свойств получаемого цемента и технико-экономические показатели его производства и применения свидетельствовали об эффективности этого способа. С 1936 г. его стали применять на Пашийском цементнометаллургическом, а затем на ВсрхнеСинечихинском заводах.

Железистый боксит, известняк, кокс и металлический скрап загружают в обычную доменную печь, из которой периодически на верхней летке выпускается высокоглиноземистый шлак, а на нижней — специальные виды чугунов, содержащие примеси титана, меди и других веществ, поступающих из боксита и скрапа. Температура шлака 1873—1973 К. Хотя при этой технологии продукт (высокоглиноземистый шлак) совсем не содержит железа, так как оно полностью перешло в чугун, он несколько обогащается кремнеземом за счет золы кокса. Выход шлака на 1 т чугуна заметно выше, чем при обычной плавке чугуна из железных руд.

Экспериментальные исследования, проведенные Уральским научно-исследовательским и проектным институтом строительных материалов в г. Челябинске, показали возможность получения плавленого глиноземистого и высокоглиноземистого шлаков (цементов) способом алюминотермии. Г.И. Золдату, А.А. Кондрашенкову удалось снизить содержание двуокиси кремния в металлургиеских шлаках и тем самым обогатить их глиноземом. Восстановление кремнезема при этом способе происходит по реакции

3Si02 + 4 А1 — 3Si + 2А1203.

В расплавленный доменный шлак при его выпуске из печи либо в шлаковозный ковш вводят термитную смесь, состоящую из железной руды и алюминия. Происходит реакция с большим выделением тепла, и температура шлака поднимается до 2273 К и выше. При введении 12—33% термитной смеси (от массы шлака) кремний переходит в ферросилиций и на дне осаждается металлический ферросиликоалюминиевый расплав. В доменном шлаке в результате восстановления содержание двуокиси кремния с 36,04% снижается до 6,48%, а глинозема повышается с 13,07 до 58,79%. Образцы шлаков в измельченном виде представляют собой глиноземистые цементы, отличающиеся, однако, от обычных пониженной прочностью в начальные сроки твердения.

Спекание. Исследованию процесса спекания глиноземистого цемента уделялось у нас в свое время большое внимание, потому что из-за сравнительно невысоких температур, обычно составляющих около 1473—1673 К, его можно вести в широко применяемых в промышленности обжигательных агрегатах.

Способ спекания во вращающихся и других печах при окислительном и восстановительном обжиге тщательно и глубоко исследовался, но не был внедрен в производство по ряду причин. Это, в частности, малый интервал между температурами спекания и плавления, что приводит к появлению колец и настылей в печи, а также необходимость применения высококачественных низкокремнеземистых и маложелезистых бокситов, необходимых для изготовления металлического алюминия. Экспериментальные исследования Южгипроцемента выявили возможность получения глиноземистого цемента на агломерационной ленте (спекательной решетке).

По проекту установки спекательной решетки УЗТМК218 полезной площадью 18 м2 при удельном съеме 0,46 т с 1 м2 полезной площади производительность решетки составит 65 тыс. т в год.

Особенностью этого процесса является быстрый обжиг клинкера. При скорости движения ленты 0,6 м/мин скорость обжига по сечению слоя шихты составляет 1—2 см/мин. Продолжительность обжига в зависимости от толщины слоя шихты 13—20 мин.

Сходящий с ленты горячий клинкер фракционируется путем рассева, причем фракции менее 15 мм возвращаются на ленту в виде подстилки под сырую шихту. Количество возврата 20—30%, удельный расход тепла 1100—1200 ккал/кг клинкера, тепловая мощность ленты 9106 ккал/ч.

Скорость охлаждения расплава (шлака) имеет большое значение, так как она существенно влияет на его кристаллическую структуру, отчего в значительной степени зависит качество цемента. Как известно, быстрое охлаждение горячих расплавов (например, доменных шлаков) для предупреждения их кристаллизации обычно существенно повышает их гидравлическую активность — в качестве добавки к цементу, а также способность твердеть самостоятельно. Предполагалось, что и высокоглиноземистые расплавы в стекловидном состоянии, быстро охлажденные, будут обладать более высокими вяжущими свойствами.

Однако оказалось, что характерные для глиноземистых цементов строительно-технические свойства и в первую очередь высокая начальная прочность проявляется только у равномерно закристаллизованных, т.е, медленно охлажденных цементов. Было установлено, что стекловидная фаза алюминатов кальция почти полностью теряет свою высокую активность. Можно считать, что кристаллические образования силикатов и алюминатов кальция, обладающие вяжущими свойствами, теряют их, если находятся в стекловидном состоянии.

Казалось бы, что высокоглиноземистые расплавы (шлаки) должны подвергаться медленному и равномерному охлаждению, чтобы более полно и равномерно кристаллизоваться. Однако при таком способе наряду с алюминатами кальция будет кристаллизоваться и геленит кальция — соединение, которое в кристаллическом состоянии инертно и приобретает гидравлическую активность только в виде стекловидной фазы. Поэтому возникла необходимость изыскать комбинированный способ охлаждения, при котором создавались бы условия для застывания геленита в виде стекла при кристаллизации алюминатов кальция. Этот способ предложен НИИцементом. Физико-химическая основа его такова. В системе СаО—А1203—Si02 есть поле устойчивости геленита, в котором обычно располагаются составы выпускаемого у нас в стране глиноземистого цемента.

Равновесная кристаллизация таких расплавов приводит к появлению в первую очередь геленита, кристаллизующегося при 1683—1793 К. После этого при более низких температурах кристаллизуются алюминаты кальция также в виде твердых растворов. Поэтому было предложено создавать такие условия, при которых расплав быстро проходил бы указанный температурный интервал за счет быстрого охлаждения. Это предупреждает кристаллизацию геленита и образование активного алюмосиликатного стекла при последующей по мере понижения температуры кристаллизации алюминатов кальция. Степень охлаждения при грануляции должна быть исключительно точной, чтобы не произошел переход алюминатов кальция в состав стекловидной фазы, что недопустимо.

Опыты показали, что спустя некоторое время после выпуска из домны расплав должен подвергаться не водной, а паровоздушной грануляции. Для этого грануляционную установку разместили на некотором расстоянии от летки домны. При этом способе удалось существенно повысить качество глиноземистого цемента, довести содержание в нем Si02 до 11 —13%. Исследование полученных шлаков под микроскопом показало, что поверхность образующихся гранул размером 20—30 мм состоит из стекла, а внутри они содержат хорошо закристаллизованные алюминаты кальция и эвтектические прорастания моноалюмината кальция и двухкальциевого силиката. Размалываемость быстро охлажденного шлака резко улучшается и соответственно повышается производительность цементных мельниц. Испытания опытных цементов показали, что прочность их увеличивается примерно в 1,5—2 раза по сравнению с прочностью цементов, полученных из расплавов медленного охлаждения.

Минералогический состав глиноземистых цементов весьма разнообразен и, как видно из изложенного, определяется многими производственными факторами. Часто слои одного и того же образца расплава имеют различный минералогический состав. Так, например, при обычном охлаждении расплава в изложницах поверхность, непосредственно прилегающая к ее стенкам, имеет стекловатую структуру, что объясняется более быстрым охлаждением. Внутренняя же часть материала оказывается закристаллизованной полностью. Поэтому определять фазовый состав глиноземистого цемента расчетным способом по данным химического анализа практически невозможно. Он устанавливается обычно при помощи петрографического или рентгеноструктурного метода.

цех.dwg