Przemiał surowca
Młyn surowy to sprzęt używany do mielenia surowców na „ surową mieszankę ” podczas produkcji cementu . Rawmix jest następnie podawany do pieca cementowego , który przekształca go w klinkier , który jest następnie mielony w celu wytworzenia cementu w cementowni . Etap mielenia surowca w procesie skutecznie określa chemię (a tym samym właściwości fizyczne) gotowego cementu i ma duży wpływ na wydajność całego procesu produkcyjnego.
Historia
Historia rozwoju technologii przemiału surowca określa wczesne dzieje technologii cementowania. Inne etapy produkcji cementu wykorzystywały istniejącą technologię na początku. Wczesne materiały hydrauliczne, takie jak wapno hydrauliczne , naturalne cementy i cement romański Parkera wszystkie były oparte na „naturalnych” surowcach, palonych „w stanie wykopanym”. Ponieważ te naturalne mieszanki minerałów występują rzadko, producenci byli zainteresowani stworzeniem drobnoziarnistej sztucznej mieszanki łatwo dostępnych minerałów, takich jak wapień i glina, które można by wykorzystać w ten sam sposób. Typowym problemem byłoby sporządzenie dokładnej mieszanki 75% kredy i 25% gliny i wypalenie jej w celu wytworzenia „sztucznego cementu”. Rozwój „mokrej” metody wytwarzania drobnoziarnistej gliny w ceramice przemysł zapewnił środki, aby to zrobić. Z tego powodu wczesny przemysł cementowy stosował „proces mokry”, w którym surowce mielone są razem z wodą, w celu wytworzenia zawiesiny zawierającej 20–50% wody. Zarówno Louis Vicat, jak i James Frost stosowali tę technikę na początku XIX wieku i pozostała ona jedynym sposobem wytwarzania surowej mieszanki do cementu portlandzkiego do 1890 r. Modyfikacją techniki stosowanej przez wczesny przemysł było „podwójne wypalanie”, w którym twardy wapień był wypalany i gaszony przed połączeniem z zawiesiną gliny. Ta technika pozwalała uniknąć szlifowania twardego kamienia i była stosowana między innymi przez Josepha Aspdina . Wczesna technologia mielenia była słaba, a wczesne zawiesiny były rzadkie i zawierały dużo wody. Zawiesinę pozostawiono następnie w dużych zbiornikach (tzw. gnojowicy) na kilka tygodni. Duże, niezmielone cząsteczki opadały na dno, a nadmiar wody unosił się do góry. Okresowo dekantowano wodę do uzyskania sztywnego placka o konsystencji gliny garncarskiej. Zostało to pokrojone, odrzucając gruboziarnisty materiał na dnie i spalone w piecu. Szlifowanie na mokro jest stosunkowo energooszczędne, więc kiedy pojawił się dobry sprzęt do mielenia na sucho, proces na mokro był nadal używany przez cały XX wiek, często przy użyciu sprzętu, który Josiah Wedgwood by rozpoznał.
Materiały szlifowane
Surowce są formułowane tak, aby zawierały prawidłowo zbilansowaną chemię do produkcji krzemianów wapnia ( alitu i belitu ) oraz topników ( glinianu i ferrytu ) w piecu. Dane analizy chemicznej w produkcji cementu są wyrażone w postaci tlenków, a najważniejszymi z nich w projektowaniu surowej mieszanki są SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 i CaO. W zasadzie każdy materiał, który może zawierać którykolwiek z tych tlenków, może być użyty jako składnik mieszanki surowej. Ponieważ głównym wymaganym tlenkiem jest CaO, jest to najbardziej rozpowszechniony składnik mieszanki surowej wapienia , podczas gdy inne są głównie dostarczane przez glinę lub łupek ilasty . Niewielkie korekty chemiczne są dokonywane przez mniejsze dodatki materiałów, takie jak te pokazane poniżej.
Typowe analizy chemiczne składników mieszanki surowej:
| Tlenek | Szary wapień | Biały wapień | Margiel | Glina | Piasek | Skala młyna | Kaolin | Boksyt | Popiół lotny |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO2 _ | 6.6 | 2.1 | 14.1 | 61,6 | 98,0 | 1.3 | 46.1 | 11.1 | 48.1 |
| Al2O3 _ _ _ | 1.5 | 0,3 | 3.3 | 17,5 | 0,9 | 1.2 | 38,5 | 54,4 | 26,5 |
| Fe 2 O 3 | 0,7 | 0,13 | 1.3 | 7,5 | 0,13 | 96,8 | 0,35 | 9.7 | 6 |
| CaO | 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 |
| Na 2 O | 0,07 | 0,02 | 0,07 | 0,5 | 0,02 | 0,11 | 0,01 | 0,05 | 0,3 |
| K 2 O | 0,27 | 0,08 | 0,43 | 1.9 | 0,37 | 0,05 | 0,09 | 0,05 | 1.3 |
| TiO2 _ | 0,06 | 0,02 | 0,15 | 0,8 | 0,06 | 0,30 | 0,9 | 2.1 | 1.5 |
| Mn2O3 _ _ _ | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,12 | 0 | 0,63 | 0 | 0,09 | 0,07 |
| LoI 950 | 40,0 | 42,7 | 35,8 | 6.8 | 0,3 | 0 | 13.7 | 20.8 | 9.1 |
Uwaga: LoI 950 to strata przy prażeniu w temperaturze 950 °C i przedstawia (w przybliżeniu) składniki utracone podczas obróbki w piecu. Składa się głównie z CO 2 z węglanów, H 2 O z hydratów iłów i węgla organicznego.
Z tych materiałów można było skomponować typowe surowce:
- Mieszanka 1: Cement ogólnego przeznaczenia: 88,0% szarego wapienia, 8,9% gliny, 2,2% piasku i 0,9% zgorzeliny.
- Mieszanka 2: Cement odporny na siarczany: 87,6% szarego wapienia, 5,2% gliny, 5,0% piasku i 2,2% zgorzeliny.
- Mieszanka 3: Biały cement : 82,3% białego wapienia, 6,8% kaolinu i 10,9% piasku.
Analizy chemiczne tych surowych mieszanek byłyby następujące:
| Tlenek | Mieszanka 1 | Wymieszaj 2 | Wymieszaj 3 |
|---|---|---|---|
| SiO2 _ | 13.46 | 13.91 | 15.55 |
| Al2O3 _ _ _ | 2.91 | 2.30 | 2,96 |
| Fe 2 O 3 | 2.16 | 3.14 | 0,14 |
| CaO | 42,69 | 42.47 | 44.23 |
| MgO | 1,86 | 1,82 | 0,67 |
| Na 2 O | 0,11 | 0,09 | 0,02 |
| K 2 O | 0,41 | 0,35 | 0,11 |
| TiO2 _ | 0,13 | 0,10 | 0,09 |
| Mn2O3 _ _ _ | 0,04 | 0,05 | 0,01 |
| LoI 950 | 35,8 | 35,4 | 36.1 |
Przedstawione surowce i mieszanki są tylko „typowe”: możliwe są znaczne różnice w zależności od dostępnych surowców.
Kontrola drobnych elementów
Oprócz głównych tlenków (CaO, SiO2 , Al2O3 i Fe2O3 ) drugorzędne tlenki są w najlepszym razie rozcieńczalnikami klinkieru i mogą być szkodliwe . Jednak surowce cementowe są w większości wydobywane ze skorupy ziemskiej i zawierają większość pierwiastków z układu okresowego pierwiastków w pewnej ilości. Dlatego producent dobiera materiały w taki sposób, aby zminimalizować lub utrzymać pod kontrolą szkodliwe działanie drobnych pierwiastków. Drobne elementy, które są często spotykane, to:
- Fluor jest korzystny dla procesu wypalania, ponieważ umożliwia tworzenie się alitu w niższej temperaturze. Jednak przy poziomach powyżej 0,25% w klinkierze następuje opóźniony i nieregularny czas wiązania cementu.
- Metale alkaliczne (głównie sód i potas ) powodują problemy w przetwarzaniu, ponieważ tworzą lotne sole w systemie pieca. Odparowują one w strefie wypalania pieca i ponownie skraplają się w chłodniejszych obszarach podgrzewacza, powodując zatory. Alkalia są również szkodliwe dla betonu, potencjalnie powodując alkaliczną reakcję krzemionki . Z tego powodu wiele norm ogranicza alkalia (zwykle wyrażane jako „całkowity równoważnik sody”, czyli Na 2 O + 0,658 K 2 O). Typowe limity specyfikacji mieszczą się w zakresie 0,5–0,8%.
- MgO powoduje problemy przy poziomach powyżej 2,5%. Niewielkie ilości są zatrzymywane w roztworze stałym w minerałach klinkieru, ale powyżej 2,5% „wolny” MgO występuje w klinkierze jako peryklaz . Może to powoli uwodnić się do Mg(OH) 2 wraz z ekspansją w stwardniałym betonie, powodując pękanie. Staranne przetwarzanie klinkieru w celu utrzymania peryklazy w formie mikrokrystalicznej pozwala na zarządzanie poziomami do 5% bez poważnych skutków. Wszystkie normy ograniczają MgO, typowe limity mieszczą się w przedziale 4-6%.
- P 2 O 5 na poziomach powyżej 0,5% zaczyna powodować powolne wiązanie i niską reaktywność klinkieru.
- Chlor wytwarza bardzo lotne sole i w konsekwencji blokuje podgrzewacz, a jego zawartość w surowej mieszance jest zwykle ograniczona do poniżej 0,1%.
- TiO 2 jest wszechobecny, ale rzadko występuje w ilościach (~1%), które mogą powodować problemy.
- Chrom może skończyć jako chromiany (Cr[VI]) w cemencie, zwłaszcza gdy klinkier zawiera dużo siarczanów. Chromiany powodują alergiczne kontaktowe zapalenie skóry u użytkowników cementu, dlatego zawartość Cr[VI] w cemencie jest w wielu normach ograniczona do 0,0002%. Typowe naturalne surowce zawierają około 0,01% Cr 2 O 3 i na tym poziomie można kontrolować powstawanie Cr[VI]. Chrom obecny w cemencie jako Cr[III] nie ma znaczenia.
- Mn 2 O 3 nie jest szkodliwy, działając jako substytut żelaza. Ale nadaje cementowi więcej koloru niż żelazo, a cementy o wysokiej zawartości Mn 2 O 3 (>1%) są prawie czarne.
- ZnO występuje w niektórych dodatkach do surowców (jak również w oponach używanych jako paliwo do pieców). Przy stężeniu powyżej 0,2% powoduje powolne wiązanie i niską reaktywność klinkieru.
- Stront i bar działają jako zamienniki wapnia i zaczynają zmniejszać reaktywność klinkieru dopiero na poziomie odpowiednio 1,5% i 0,2%.
- Toksyczne metale ciężkie : wśród nich niskie poziomy arsenu , selenu , kadmu , antymonu i wolframu nie stanowią problemu, ponieważ są one wchłaniane w podstawowej strukturze klinkieru jako aniony. Z drugiej strony rtęć , tal i ołów muszą być dokładnie kontrolowane, ponieważ mogą być emitowane jako lotne halogenki w spalinach z pieca.
Mokre młyny
Szlifowanie na mokro jest bardziej wydajne niż mielenie na sucho, ponieważ woda pokrywa nowo utworzone powierzchnie rozdrobnionych cząstek i zapobiega ponownemu zbrylaniu. Proces mieszania i homogenizacji surowca jest również znacznie łatwiejszy, gdy ma on postać zawiesiny. Wadą jest to, że woda z powstałej zawiesiny musi być później usuwana, a to zwykle wymaga dużo energii. Podczas gdy energia była tania, mielenie na mokro było powszechne, ale od 1970 roku sytuacja zmieniła się dramatycznie i obecnie rzadko instaluje się nową instalację do przetwarzania na mokro. Mielenie na mokro odbywa się na dwa różne sposoby: w młynach płuczkowych i młynach kulowych.
młyn
Jest to najwcześniejsza technologia mielenia surowców i była używana do mielenia miękkich materiałów, takich jak kreda i glina. Jest raczej podobny do robota kuchennego. Składa się z dużej misy (do 15 m średnicy), do której wraz ze strumieniem wody wsypuje się rozdrobniony (do 250 mm) surowiec. Materiał jest mieszany przez obracające się zestawy bron . Zewnętrzne ściany misy składają się z kratek lub perforowanych płyt, przez które może przechodzić drobny produkt. Rozdrabnianie jest w dużej mierze autogeniczne (tzn. odbywa się poprzez zderzenia brył surowca) i jest bardzo wydajne, wytwarzając mało ciepła odpadowego, pod warunkiem, że materiały są miękkie. Zwykle dwa lub trzy młyny płuczące są połączone szeregowo, przy czym są one wyposażone w kolejno mniejsze perforacje wylotowe. Cały system może produkować gnojowicę przy zużyciu zaledwie 5 kW·h energii elektrycznej na tonę suchej masy. Stosunkowo twarde minerały (takie jak krzemień) w mieszance są mniej lub bardziej nietknięte przez proces mielenia i osadzają się na dnie młyna, skąd są okresowo wykopywane.
Młyny kulowe i bębny myjące
Młyn kulowy umożliwia szlifowanie twardszych wapieni, które są bardziej powszechne niż kreda. Młyn kulowy składa się z poziomego cylindra, który obraca się wokół własnej osi. Mieści sferyczne, cylindryczne lub prętowe elementy mielące o wielkości 15–100 mm, które mogą być stalą lub różnymi materiałami ceramicznymi i zajmują 20–30% objętości młyna. Płaszcz młyna wyłożony jest stalowymi lub gumowymi płytami. Szlifowanie odbywa się poprzez uderzenie i ścieranie pomiędzy środkami mielącymi. Różne składniki mineralne surowej mieszanki są podawane do młyna ze stałą szybkością wraz z wodą, a szlam wypływa z wylotu. Bęben myjący ma podobną koncepcję, ale zawiera niewiele środków mielących lub nie zawiera ich wcale, ponieważ mielenie jest autogeniczne dzięki kaskadowemu działaniu większych kawałków surowca. Nadaje się do miękkich materiałów, a zwłaszcza do krzemienia kredowego, gdzie niezmielony krzemień działa jak środek ścierny.
Stopień rozdrobnienia i wilgotność gnojowicy
Istotne jest, aby duże cząstki (> 150 μm dla węglanu wapnia i > 45 μm dla kwarcu) zostały wyeliminowane z mieszanki surowcowej, aby ułatwić chemiczne połączenie w piecu. W przypadku zawiesin większe cząstki mogą być usuwane przez hydrocyklony lub urządzenia przesiewające. Wymagają one pewnej ilości energii, dostarczanej przez pompowanie pod wysokim ciśnieniem. Ten proces oraz przemieszczanie i mieszanie zawiesiny wymaga starannej kontroli lepkości zawiesiny. Oczywiście, rzadszą zawiesinę można łatwo uzyskać dodając więcej wody, ale kosztem dużego zużycia energii na jej późniejsze usuwanie. W praktyce gnojowica jest zatem tak gęsta, jak może obsłużyć sprzęt zakładu. Zawiesiny surowej mieszanki cementowej to tworzywa Bingham , które mogą również wykazywać właściwości tiksotropowe lub reopektyczne zachowanie. Energia potrzebna do pompowania zawiesiny z żądaną szybkością jest kontrolowana głównie przez granicę plastyczności zawiesiny , która z kolei zmienia się mniej więcej wykładniczo wraz ze stosunkiem substancji stałych do cieczy w zawiesinie. W praktyce deflokulanty w celu utrzymania pompowalności przy niskiej zawartości wilgoci. Powszechnie stosowane deflokulanty (w typowych dawkach 0,005–0,03%) to węglan sodu , krzemian sodu , polifosforany sodu i lignosulfoniany . W sprzyjających warunkach można otrzymać nadające się do pompowania zawiesiny zawierające mniej niż 25% wody.
Surowce często zawierają minerały o kontrastowej twardości, takie jak kalcyt i kwarc. Jednoczesne mielenie ich w młynie surowym jest nieefektywne, ponieważ energia mielenia jest preferencyjnie wykorzystywana do mielenia bardziej miękkiego materiału. Powoduje to dużą ilość zbyt drobnego miękkiego materiału, który „amortyzuje” szlifowanie twardszego minerału. Z tego powodu piasek jest czasami mielony oddzielnie, a następnie podawany do głównego młyna surowcowego w postaci drobnej zawiesiny.
Suche młyny
Suche młyny surowcowe są obecnie powszechnie instalowaną technologią, pozwalającą na minimalizację zużycia energii i emisji CO 2 . Na ogół surowce cementowe są głównie wydobywane, a zatem zawierają pewną ilość naturalnej wilgoci. Próba zmielenia mokrego materiału kończy się niepowodzeniem, ponieważ tworzy się trudny do usunięcia „błoto”. Z drugiej strony dużo łatwiej jest wysuszyć materiał drobnoziarnisty niż gruboziarnisty, ponieważ duże cząsteczki zatrzymują wilgoć głęboko w swojej strukturze. Dlatego zwykle suszy się i miel jednocześnie materiały w młynie surowcowym. Do dostarczania tego ciepła można zastosować piec na gorące powietrze, ale zwykle stosuje się gorące gazy odlotowe z pieca. Z tego powodu młyn surowy jest zwykle umieszczany w pobliżu podgrzewacza pieca. Rodzaje suchego surowca obejmują młyny kulowe, młyny walcowe i młyny młotkowe.
Młyny kulowe
Są one podobne do młynów cementowych , ale często z większym przepływem gazu. Temperatura gazu jest kontrolowana przez upust zimnego powietrza, aby zapewnić suchy produkt bez przegrzania młyna. Produkt przechodzi do separatora powietrza, który zawraca cząstki nadwymiarowe do wlotu młyna. Czasami młyn jest poprzedzony młynem młotkowym omiatanym gorącym powietrzem, który wykonuje większość suszenia i wytwarza paszę o wielkości milimetra dla młyna. Młyny kulowe są raczej nieefektywne i zwykle wymagają 10–20 kW·h energii elektrycznej do wytworzenia tony surowca. Młynek Aerofall jest czasami używany do wstępnego mielenia dużych mokrych pasz. Jest to krótki, półautogeniczny młynek o dużej średnicy, zazwyczaj zawierający 15% objętości bardzo dużych (130 mm) kul mielących. Posuw może mieć do 250 mm, a większe kawałki powodują większą część mielenia. Młyn jest przedmuchiwany powietrzem, a drobne cząstki są odprowadzane w strumieniu gazu. Kruszenie i suszenie są wydajne, ale produkt jest gruboziarnisty (około 100 µm) i zwykle jest ponownie mielony w osobnym młynie kulowym.
Młyny walcowe
Są to standardowe formy w nowoczesnych instalacjach, czasami nazywane pionowymi młynami wrzecionowymi . W typowym układzie materiał podawany jest na obrotowy stół, na który dociskane są stalowe rolki. Wysoka prędkość przepływu gorącego gazu jest utrzymywana w pobliżu naczynia, dzięki czemu drobne cząstki są usuwane natychmiast po ich wytworzeniu. Przepływ gazu przenosi drobne cząstki do zintegrowanego separatora powietrza, który zawraca większe cząstki na ścieżkę mielenia. Drobny materiał jest wymiatany w spalinach i wychwytywany przez cyklon, zanim zostanie przepompowany do magazynu. Pozostały zapylony gaz jest zwykle zawracany do głównego urządzenia do kontroli zapylenia pieca w celu oczyszczenia. Rozmiar paszy może wynosić do 100 mm. Młyny walcowe są wydajne, zużywają około połowy energii młyna kulowego i wydaje się, że nie ma ograniczeń co do dostępnego rozmiaru. Zainstalowano młyny walcowe o wydajności przekraczającej 800 ton na godzinę. W przeciwieństwie do młynów kulowych podawanie do młyna musi być regularne i nieprzerwane; w przeciwnym razie pojawią się szkodliwe wibracje rezonansowe.
Młyny młotkowe
Młyny młotkowe (lub „kruszarki suszące”) czyszczone gorącymi spalinami z pieca mają ograniczone zastosowanie tam, gdzie mielony jest miękki, mokry surowiec. Prosta konstrukcja oznacza, że może pracować w wyższej temperaturze niż inne młyny, co zapewnia wysoką wydajność suszenia. Jednak działanie mielące jest słabe, a produkt jest często ponownie mielony w młynie kulowym.