Проектирование и расчёт вращающейся печи для производства портландцемента
Выполнила: студентка группы 12-18 «ХТ» Файзиева Д.
Проверил: Пулатов Г.
Введение
Слово "цемент" относится к собирательным понятиям -- он объединяет различные виды вяжущих материалов, полученных путем обжига некоторых горных пород и подвергнутых измельчению. Вяжущими их назвали за способность соединять (связывать) в единое целое как отдельные частицы мелких наполнителей, так и более крупные фрагменты.
В распоряжении древних прорабов пирамид, мавзолеев и прочих циклопических построек были только строительный гипс да воздушная известь, получаемые в результате обжигания гипсового камня и известняка. На протяжении нескольких тысячелетий бетоны и растворы на их основе были единственно известными вяжущими материалами (не считая глины), а кизяк да птичьи яйца -- первыми модифицирующими добавками. Огромный купол «Всем-богам-храма» (древнего римского Пантеона: 43 метра в пролете); растянувшаяся на 5000 км самая большая ограда в мире -- Великая Китайская стена; бетонная галерея легендарного лабиринта в древнем Египте; массивные культовые сооружения индусов -- все эти строительные шедевры создавались путем использования «прабабушек» и «прадедушек» современных цементов. Шло время, и уже другие вяжущие материалы, получаемые искусственным путем и способные при затворении (замешивании) водой превращаться в пластичную массу, отвердевая при этом не только на воздухе, но и в водной стихии, были созданы пытливыми умами человечества.
Цемент не является природным материалом. Его изготовление - процесс дорогостоящий и энергоемкий, однако результат стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в качестве составляющего компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные заводы, как правило, находятся сразу же на месте добычи сырьевых материалов для производства цемента.
В УЗБ же производство портландцемента было расширено лишь в конце XIX в. Над его созданием и совершенствованием много работал А. Р. Шуляченко, которого называют “отцом русского цементного производства”. Его заслуга состоит в том, что высококачественные отечественные портландцементы вытеснили цементы иностранного производства. В УЗБ первый завод по производству портландцемента был построен в 1856 г., а к началу 1-й Мировой войны уже работало 60 цементных заводов общей производительностью около 1,6 млн т цемента в год.
Глава 1. Технологические операции по подготовке сырья
1.1 Сырьевые материалы для производства цемента
1.1.1 Карбонатные породы
Они широко распространены в природе, что способствует развитию на их основе производства цемента. Из карбонатных пород используют известняк, мел, известняк-ракушечник, мрамор, известковый туф, мергели и др. Все эти породы содержат в основном углекислый кальцит CaCO3 . Известняки состоят из кристаллов кальцита различных размеров. Мел представляет собой рыхлую, слабо сцементированную породу с землистым илом. Качество карбонатного сырья зависит от его структуры, количества примесей, равномерности их распределения в массе сырья. Для производства цемента пригодны карбонатные породы при содержании 40-43,5 % CaО и 3,2-3,7 % MgO. Желательно, чтобы содержание Na2O и К 2О в сумме не превышало 1 %, а SO3 - 1,5-1,7 %. Более благоприятны породы с постоянным химическим составом и однородной мелкокристаллической структурой. полезны примеси тонкодисперсных глин и аморфного кремнезема при равномерном их распределении в карбонатной породе. Особым видом карбонатного сырья является мергель - переходная горная порода от известняков к глинам. Мергель представляет собой природную тонкодисперсную смесь осадочного происхождения глинисто-песчаных пород(20-50%) и углекислый кальция (50-80 %). В зависимости от содержания CaCO3 мергели подразделяются на песчаные, глинистые и известковые. Наиболее ценное сырье - известковый мергель, содержащий 75-80 % CaCO3 и 20-25 % глины. По химическому составу он близок к портландцементной сырьевой смеси. Такой состав сырья существенно упрощает технологию производства. Мергели, в которых содержание CaCO3 соответствует составу портландцементной сырьевой смеси, называют натуральной. От качества сырья зависят температура обжига, производительность печей и свойства конечного продукта. Чем выше плотность известняков, тем труднее идет процесс обжига. Свойства сырья влияют на выбор обжигового агрегата.
1.1.2 Глинистые породы
Глинистое сырье (глины, глинистый мергель, глинистый сланец, лесс и др.) необходимо для производства портландцемента. Глины имеют различный минералогический и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения. Минералогический состав глин представлен преимущественно водными алюмосиликатами и кварцем, химический состав глин характеризуется наличием трех оксидов, %: SiO2 -60-80, Al2O3 -5-20, Fe2O3- 3-15.
1.1.3 Корректирующие добавки
При особо благоприятном химическом составе сырьевых материалов портландцементная смесь требуемого состава может быть приготовлена только из двух компонентов - карбонатного и глинистого. Но в большинстве слуае6в получить заданную сырьевую смесь из двух компонентов почти не удается, поэтому применяют третий и даже четвертый компоненты - корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного из оксидов, недостающих в сырьевой смеси. В качестве железосодержащей добавки обычно используют пиритные огарки с сернокислотных заводов, реже - колошниковую пыль доменных печей. В качестве глиноземистой добавки применяют богатые глиноземом маложелезистые глины, бокситы. Кремнеземистой добавкой служат кварцевые пески, опоки, трепел. Содержание оксидов в корректирующих добавках должно быть, % : для железистых Fe2O3 - не менее 40; для кремнеземистых SiO2 - не менее 70; для глиноземистых Al2O3 - не менее 30. Наиболее широко используются железистые добавки. Бокситы также являются корректирующей добавкой при получении портландцементного клинкера. Боксит представляет собой гидроксид алюминия с примесями Fe2O3, SiO2, CaО, MgO и TiO2.
1.1.4 Активные минеральные добавки
К ним относятся природные или искусственные минеральные вещества, которые сами по себе вяжущими свойствами не обладают, но, будучи смешанными в тонкомолотом виде с известью, образуют при затворении водой тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой, а при смешивании с портландцементом повышают его водостойкость и антикоррозионные свойства. Введение активных минеральных добавок несколько снижает себестоимость цемента.
1.1.5 Техногенные продукты других отраслей промышленности
Наиболее широкое применение цементной промышленности нашли доменные и электротермофосфорные шлаки, топливные шлаки и золы, нефелиновый ( белитовый ) шлам, гипсосодержащие отходы. Использование шлаков на цементных заводах способствует решению проблемы обеспечения их сырьем на амортизационный срок. Нефелиновый (белитовый) шлам - отход комплексной переработки апатито - нефелиновых пород в глинозем, соду, поташ. Поскольку шлам прошел частичную термическую обработку, он состоит в основном из двухкальциевого силиката - минерала, входящего в состав портландцементного клинкера и способного к гидравлическому твердению. Гранулированные шлаки и нефелиновый шлам близки по составу портландцементной сырьевой шихте, поэтому могут использоваться не только как активные минеральные добавки, но и как компоненты портландцементной сырьевой смеси. Так как эти материалы уже прошли тепловую обработку, не содержат СаСО3 и включают ряд минералов, близких по составу минералам цементного клинкера, то обжиг шихт с наличием в их составе нефелинового шлама и шлака требует меньшего расхода топлива. Например, при использовании нефелинового шлама производительность вращающихся печей повышается примерно на 25 %, снижаются удельные расходы топлива на обжиг клинкера, электроэнергии и мелющих тел (приблизительно на 20 %). Но молотые шлаки и нефелиновый шлам вызывают загустение сырьевых цементных шламов. Повышенное содержание щелочей в нефелиновом шламе может снизить качество цемента.
Рис.1. Сырье для производства портландцемента
2. Основные технологические процессы получения сырья
2.1 Добыча и транспортировка сырья
Операции по добыче и транспортировке сырья - важнейшие технологические переделы производства. При производстве портландцемента доля затрат на добычу сырья составляет около 10 % общих расходов. В каждом отдельном случае способ добычи сырья должен быть тщательно обоснован, так как от этого зависят затраты и на последующие технологические операции. Выбору способа добычи предшествует анализ химического состава сырья. Добыча сырья производится открытым способом непосредственно с поверхности земли. Слой горной породы обычно закрыт слоем пустой породы, поэтому в комплекс горнодобывающих работ входит ее удаление - вскрышные работы. Конечная стоимость сырья в значительной степени зависит от затрат на вскрышные работы. Их осуществляют бульдозерами, экскаваторами и тд. Твердые и плотные горные породы (известняк) разрабатывают, как правило, взрывом. Буровзрывные работы обеспечивают как отделение породы от массива, так и дробление негабаритных кусков. Особенность таких работ на карьерах заводов цемента - относительно небольшие объемы ежедневной добычи и ограниченный допустимый размер кусков взорванной породы. Чаще применяют буровые машины ударно- канатного или вращательного бурения. Рыхлые и мягкие породы (мел, глина и др.) добывают без предварительной подготовки прямой экскавации одно- или многоковшовыми (роторными) экскаваторами, которые выполняют сразу две операции: отделение породы от пласта и погрузку готового сырья.
Для доставки сырья на завод обычно используют железнодорожный и автомобильный транспорт, воздушно- канатные дороги, ленточные конвейеры, гидротранспорт. Железнодорожный транспорт наиболее эффективно использовать в неглубоких карьерах с объемом перевозок сырья свыше 2 млн т/год при дальности транспортирования более 8 км. Преимущества данного вида транспорта :высокая производительность, надежность работы в любых условиях, низкий расход электроэнергии, большой срок службы подвижного состава; недостатки : высокие капитальные затраты на устройство железнодорожного пути и эксплуатационные расходы на его содержание и ремонт. Автомобильный транспорт целесообразно применять для транспортирования материалов при сложном рельефе поверхности, малых объемах перевозок и дальности транспортирования до 8 км. Мягкие, рыхлые и мелкокусковые породы доставляют на завод при расстоянии 1-6 км в благоприятных климатических условиях ленточными конвейерами. На цементных заводах с невысокой производительностью, расположенных в сильно пересеченной местности, а также на равнине при пересечении технологических путей от горных цехов автомобильными дорогами, железнодорожными путями и др. используют воздушно-канатные дороги. К их достоинствам относят независимость от рельефа местности, возможность полной автоматизации производственных процессов, малую трудоемкость обслуживания; к недостаткам - невысокую производительность и большие капитальные затраты.
2.2 Дробление
Дробление - это процесс механического измельчения твердых тел. Цель дробления - уменьшения размера кусков сырья до такой степени, при которой последующий помол осуществляется с наименьшими затратами электроэнергии. Измельчение материалов производят следующими способами: раздавливанием, раскалыванием, ударом, изломом, истиранием. Для дробления материалов применяют щековые, конусные, валковые и молотковые дробилки.
Выбор схемы дробления и типа дробильного оборудования зависит от свойств исходного сырья, мягкие породы ( мел, глина) дробят по одноступенчатой схеме в валковых дробилках до кусков размеров 200 мм. В них материал измельчают способом раздавливания между валками, вращающимися навстречу друг другу. При разных скоростях вращения валков имеет место и истирание материала. В зависимости от свойств исходного материала применяют гладкие, рифленые и зубчатые валки. Твердые породы (известняк, мрамор) дробят по двухступенчатой схеме (рис.2):1. На щековых дробилках до кусков размером 75- 200 мм. В таких дробилках используют способы раздавливания, раскалывания и частичного истирания материала. Преимущества дробилки данного типа являются простота, надежность, а также возможность переработки достаточно влажных материалов.2. На молотковых дробилках до кусков размером 8 - 10 мм. На данной дробилке измельчение производят ударом и частично истиранием.
2.3 Тонкое измельчение материалов (помол)
Основным агрегатом для тонкого измельчения и помола портландцементных сырьевых смесей является шаровая трубная мельница, отличающаяся простотой конструкции, надежностью и удобством эксплуатации, обеспечивающая высокую степень измельчения. Чтобы предохранить барабан и днище мельницы от преждевременного износа, их футеруют продольными и торцевыми стальными или чугунными плитами. Измельчение материала в шаровой мельнице осуществляется ударами свободно падающих мелющих тел. Существенный недостаток шаровых мельниц - низкая интенсивность движения мелющих тел. Так же при сухом помоле измельчаемый материал нагревается до температуры 100 - 2000 С, что ведет к повышению износа бронефутеровки, мелющих тел, а также может вызвать термическое разложение измельчаемых материалов. Для успешной работы мельниц сухого помола необходимо осуществлять вентиляцию мельничного пространства ( аспирацию). Скорость воздушного потока обеспечивается вентилятором, просасывающим воздух через мельницу и последующие очистные устройства. Холодный воздух, поступающий в мельницу, охлаждает футеровку корпуса, мелющие тела и измельчаемый материал. Проходя через мельницу, он увлекает мельчайшие частицы, предотвращая их налипание на мелющие тела. Благодаря аспирации производительность мельницы повышается на 20-25 %, уменьшается пылевыделение, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Диспергирование (понижение прочности на начальных стадиях) цементного клинкера осуществляется за счет применения интенсификаторов помола.
2.4 Мельницы самоизмельчения
Перспективное направление в развитии техники измельчения сырья -- применение каскадных мельниц, в которых помол материалов осуществляется без использования мелющих тел -- по принципу самоизмельчения. Мельница (рис. 3) представляет собой короткий полый вращающийся барабан большого диаметра, закрытый с двух сторон торцевыми стенками с полыми цапфами. Внутренняя полость барабана футерована бронеплитами с лопастями-подъемниками. Материал поступает в мельницу через цапфу 1, отбрасывается при вращении барабана к периферии на лопасти, поднимается последними и вновь падает вниз, ударяясь по пути о куски поступающего в мельницу материала и повторно о лопасти. Оптимальная степень заполнения таких мельниц материалом составляет 20...25 %. Помол в мельнице происходит за счет ударов материала о лопасти и соударения размалываемых кусков. Для усиления размалывающего действия в мельницу может быть загружено небольшое количество стальных шаров (5...6 % от внутреннего объема мельницы).