Как получают цемент: состав, химическая формула и производство
Как и из чего делают цемент
Цемент считается распространенным скрепляющим материалом, а также используется в качестве вяжущего в большом количестве строительных растворов. Чаще всего для его изготовления используются карбонатно-силикатные горные породы. Полученный из этого сырья материал носит название портландцемента и занимает более 90% рынка. Но в состав входят и другие компоненты. Давайте разберем все типы сырья подробнее.
Сырье для изготовления цемента
Цемент получают из продуктов совместного обжига горных пород, клинкера. А его, в свою очередь, делают из глины и карбонатных камней.
В качестве карбонатных камней могут использоваться:
- белый мел, горная порода, состоящая из карбоната кальция с примесью магния;
- мергель — смесь природного происхождения, в которой около 75% кальцита и 25% силикатов;
- ракушечник, известняк;
- доломит, содержащий и кальциевый карбонат, и магниевые компоненты.
Что касается глины, то это могут быть глинистые сланцы, суглинки или лесс.
Также в состав цемента вводят легирующие добавки. Это могут быть кремний, глинозем или железо, отходы металлургических производств. Из смеси такого сырья получают цементный клинкер.
Как производят цементный клинкер
Это — прокаленный “щебень”, который получают при спекании 25% глины и 75% известняка при температуре в +14560 градусов. Клинкер производят в виде гранул диаметром от 10 до 60 мм. Затем его размалывают до тонкодисперсного порошка, добавляя сульфат кальция из гипса. Делают это специальными шаровыми мельницами. После этого речь идет уже о готовом цементе с определенными характеристиками.
Ключевые свойства цемента
К основным характеристикам вяжущего можно отнести:
- плотность; тонина помола, то есть размер частичек и способность порошка покрыть большую или меньшую площадь в один слой;
- водопотребность, то есть сколько влаги понадобится цементу для прохождения процесса гидратации и приобретения пластичности;
- морозостойкость, то есть сколько циклов замерзания и оттаивания выдержит материал;
- время схватывания готового раствора, которое может находиться в диапазоне от 1 до 10 часов и зависит от того, насколько густой раствор приготовлен;
- прочность, то есть устойчивость застывшего образца к разрушению.
В зависимости от характеристик разделяют разные марки цемента. Все они по-своему маркируются.
Марки цемента и его маркировка
Для определения марки цемента производят кубические испытательные образцы и проверяют их на сжатие. Каждый кубик разрушается при определенном давлении в кгс/м2, и эта величина соответствует марке. Например, цемент М300 выдержит нагрузку в 300 кгс/м2, а М500 — в 500.
Область использования материала также зависит от марок:
- М200 подходит для бетонных и штукатурных смесей;
- М300 применяется для изготовления бетонных растворов, в том числе, под фундаменты малоэтажных строений;
- М400 используется для железобетонных конструкций и сооружений;
Что касается маркировки, то в ней указывается не только прочность на сжатие, но и другие показатели, например:
- портландцемент маркируется как ПЦ, а если к нему прибавить 20% шлака, то получится шлакопортландцемент ШПЦ;
- пуццолановый цемент или ППЦ делается на основе вулканического сырья и применяется при бетонировании в обводненных условиях;
- сульфатостойкие и противокоррозионные цементы маркируются как СПЦ, ССПЦ или ССШПЦ;
- белый цемент обозначается как БЦ (для получения клинкера в этом случае используют светлый известняк и каолин, белую глину), а быстротвердеющий — Б;порошок; БЦ — белый цемент;
- гидрофобный цемент маркируется ГФ, пластифицированный — ПЛ;
- отдельно в маркировке указывается количество добавок: это маркируется буквой Д и цифрой (например, Д0 — цемент без добавок).
Также существует пять категорий цемента по способу изготовления и составу:
- I — это бездобавочный портландцемент, в составе которого от 95% до 100% клинкера;
- III — шлакопортландцемент, в котором добавлено от 36 до 65% шлаков;
- IV — пуццолановый цемент, где добавок не более 21-35%; V — композиционный порошок, в котором может быть до 11-30% шлака и столько же пуццолана.
Для каждого строительного объекта выбирается конкретный тип цемента, что позволяет обеспечить необходимые прочностные и другие характеристики.
Производство цемента — (Статья на ТВС)
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.
Производство цемента включает две ступени: первая — получение клинкера, вторая — доведение клинкера до порошкообразного состояния с добавлением к нему гипса или других добавок. Первый этап самый дорогостоящий, именно на него приходится 70% себестоимости цемента. А происходит это следующим образом: первая стадия — это добыча сырьевых материалов. Разработка известняковых месторождений ведется обычно сносом, т. е. часть горы «сносят вниз», открывая тем самым слой желтовато-зеленого известняка, который используется для производства цемента. Этот слой находится, как правило, на глубине до 10 м (до этой глубины он встречается четыре раза), и по толщине достигает 0,7 м.
Затем этот материал отправляется по транспортеру на измельчение до кусков равных 10 см в диаметре. После этого известняк подсушивается, и идет процесс помола и смешивания его с другими компонентами. Далее эта сырьевая смесь подвергается обжигу.
Так получают клинкер. Вторая стадия тоже состоит из нескольких этапов. Это: дробление клинкера, сушка минеральных добавок, дробление гипсового камня, помол клинкера совместно с гипсом и активными минеральными добавками. Однако надо учитывать, что сырьевой материал не бывает всегда одинаковым, да и физико-технические характеристики (такие как прочность, влажность и т. д.) у сырья различные.
Поэтому для каждого вида сырья был разработан свой способ производства. К тому же это помогает обеспечить хороший однородный помол и полное перемешивание компонентов. В цементной промышленности используют три способа производства, в основе которых лежат различные технологические приемы подготовки сырьевого материала: мокрый, сухой и комбинированный.
Мокрый способ производства используют при изготовлении цемента из мела (карбонатный компонент), глины (силикатный компонент) и железосодержащих добавок (конверторный шлам, железистый продукт, пиритные огарки). Влажность глины при этом не должна превышать 20%, а влажность мела — 29%.
Мокрым этот способ назван потому, что измельчение сырьевой смеси производится в водной среде, на выходе получается шихта в виде водной суспензии — шлама влажностью 30 — 50%. Далее шлам поступает в печь для обжига, диаметр которой достигает 7 м, а длина — 200 м и более. При обжиге из сырья выделяются углекислоты. После этого шарики-клинкеры, которые образуются на выходе из печи, растирают в тонкий порошок, который и является цементом.
Сухой способ заключается в том, что сырьевые материалы перед помолом или в его процессе высушиваются. И сырьевая шихта выходит в виде тонкоизмельченного сухого порошка.
Комбинированный способ, как уже следует из названия, предполагает использование и сухого и мокрого способа. Комбинированный способ имеет две разновидности. Первая предполагает, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, потом её обезвоживают на фильтрах до влажности 16 — 18% и отправляют в печи для обжига в виде полусухой массы.
Второй вариант приготовления является прямо противоположным первому: сначала используют сухой способ для изготовления сырьевой смеси, а затем, добавляя 10 -14% воды, гранулируют, размер гранул составляет 10 — 15 мм и подают на обжиг.
Процесс производства цемента
Для производства цемента необходимо добывать различные полезные ископаемые. Большую часть составляют известняк (содержащий минерал кальцит), глина и гипс. Геологическая служба США отмечает, что цементное сырье, особенно известняк, геологически широко распространено и (к счастью) в изобилии. Внутреннее производство цемента неуклонно растет: с 66,4 млн тонн в 2010 году до примерно 80,5 млн тонн портландцемента в 2014 году, согласно данным Геологической службы США за 2015 год о цементных и минеральных товарах. Общая стоимость реализации цемента составила около $8,9.миллиардов, большая часть которых была использована для производства бетона на сумму около 48 миллиардов долларов. В большинстве строительных проектов используется бетон в той или иной форме.
Существует более двадцати видов цемента, используемых для изготовления различных специальных бетонов, однако наиболее распространенным является портландцемент.
Производство цемента представляет собой сложный процесс, который начинается с добычи и последующего измельчения сырья, включающего известняк и глину, в мелкий порошок, называемый сырьевой мукой, который затем нагревается до температуры спекания до 1450 °C в цементной печи .
В этом процессе химические связи сырья разрушаются, а затем они рекомбинируются в новые соединения. Результат называется клинкером, который представляет собой округлые узелки диаметром от 1 мм до 25 мм. Клинкер измельчают в мелкий порошок на цементной мельнице и смешивают с гипсом для получения цемента. Затем порошкообразный цемент смешивают с водой и заполнителями для получения бетона, который используется в строительстве.
Качество клинкера зависит от состава сырья, который необходимо тщательно контролировать для обеспечения качества цемента. Избыток свободной извести, например, приводит к нежелательным эффектам, таким как увеличение объема, увеличение времени схватывания или снижение прочности. Можно использовать несколько лабораторных и онлайн-систем для обеспечения контроля процесса на каждом этапе процесса производства цемента, включая образование клинкера.
Для обеспечения контроля процесса можно использовать несколько лабораторных и онлайн-систем
Лабораторные рентгенофлуоресцентные (XRF) системы используются лабораториями контроля качества цемента для определения основных и второстепенных оксидов в клинкере, цементе и сырье, таком как известняк, песок и бокситы.
Прочтите Анализ клинкера и цемента с помощью последовательного спектрометра Thermo Scientific ARL OPTIM’X WDXRF, чтобы узнать, почему XRF является предпочтительным методом для элементного анализа в цементной промышленности. Комбинированные рентгенофлуоресцентные (XRF) и рентгеновские дифракционные (XRD) системы выполняют химический фазовый анализ для более полной характеристики образца. Фазовый анализ клинкера обеспечивает постоянное качество клинкера. Такое оборудование может быть оснащено несколькими монохроматорами XRF для анализа основных оксидов и системой компактной дифракции (XRD), которая позволяет измерять кварц в сырьевой муке, свободную известь (CaO) и фазы клинкера, а также кальцит (CaCO 9).0013 3 ) в цементе.
Прочтите Комбинированные приборы XRF/XRD могут обеспечить полный контроль качества клинкера и цемента , чтобы узнать больше о технологии, которая сочетает в себе преимущества как XRF, так и XRD.
Анализаторы поперечной ленты, основанные на технологии оперативного гамма-нейтронно-активационного анализа (PGNAA), устанавливаются непосредственно на конвейерную ленту для непрерывного измерения всего потока материала в режиме реального времени для устранения неполадок при контроле запасов перед смешиванием и управлении карьером, дозировании сырьевой смеси контроль и сортировка материалов.
Читать PGNAA улучшает процесс и контроль качества в производстве цемента , чтобы узнать, что делает PGNAA особенно подходящим для анализа цемента.
Точное производство цемента также зависит от систем конвейерных весов, которые контролируют производительность и запасы или регулируют выгрузку продукции, а также от металлодетекторов для защиты оборудования и обеспечения бесперебойной работы. Блок-схема процесса производства цемента показывает, где в процессе каждый тип технологии имеет значение.
ПРИМЕЧАНИЕ:
Нужны конвейерные весы для обработки сыпучих материалов? Чтобы помочь вам решить, какая система конвейерных весов лучше всего подходит для вашей горнодобывающей деятельности, мы описали варианты в удобном для чтения руководстве по выбору системы конвейерных весов, чтобы вы могли решить, какая система конвейерных весов подходит именно вам. Нажмите на изображение, взгляните на диаграмму и посмотрите, поможет ли она вам принять решение.
