Виробництво цементу

У статті розглянуто виробництво, мабуть, найпопулярнішого будівельного матеріалу - виробництво цементу. Саме цей матеріал застосовується в більшості будівельних робіт і, звичайно, при виробництві бетону на бетонних заводах.

Промисловий процес виготовлення цементу має на увазі два різновиди сировини - вапняк, який видобувають на глибинах до 10 метрів, а також глиноземна сировина. Дозуючи певний сировинний матеріал у затверджених пропорціях, отримують конкретну марку цементу з певними властивостями за допомогою додавання різних добавок і присадок.

Цементом прийнято називати певну порошкоподібну групу речовин, що паралельно мають в'язкість і здатність в умовах змішування з водним розчином, а в рідкісних випадках з водним розчином солей, створювати пластичну консистенцію, а згодом при висиханні - перетворюватися на каменеподібний матеріал. Слід зазначити, що цей процес немає зворотного ходу. Цемент використовують при виробництві інших будматеріалів як складової (бетон, залізобетон, будсуміші і т.д.). Визначальна характеристика цементу – міцність, що не піддається дії часу.

Щодо кількості видів цементу – список великий. Найбільш популярний портландцемент, у якому частку силікатів кальцію припадає 70-80% від загальної маси. Цей різновид цементу отримав назву від однойменного англійського острова Portland, оскільки його забарвлення схоже з каменем, що видобувається на цьому острові. Візуально Portland цемент – це порошкоподібна речовина зеленувато-сірого кольору, що істотно не відрізняється від стандартного цементу.

Лідер світового ринку з виробництва цементу - Китай. На сьогоднішній день в умовах вітчизняного ринку невеликіпідприємства зупиняються, а повноцінними гравцями ринку стають великі компанії, здатні використовувати енергозберігаючі технології, знижуючи витрати на виробництво великих обсягів.

Сировина, призначена для виробництва цементу, піддається високотехнологічній обробці за дуже високих температур – початкова сировина досягає повної або часткової стадії плавлення. Подібний продукт, отриманий в результаті випалу, прийнято називати клінкером (переклад – застигла лава). До складу клінкеру входять чотири мінерали: аліт (3-хкальцієвий силікат); біліт (2-хкальцієвий силікат); 4-хкальцієвий алюмоферит; 3-х кальцієвий алюмінат. Всі клінкерні мінерали мають свої індивідуальні властивості, що впливають на характеристики фінішного продукту – присутність аліту збільшує міцність та швидкість твердіння маси (цементу). 3-хкальцієвий силікат утворює високомарочний портландцемент. Знаючи мінералогічний склад Portland-цементного клінкеру і враховуючи властивості складових мінералів, можна вже попередньо точно мати уявлення про основні характеристики Portland цементу та нюанси процесу твердіння у різних ситуаціях.

Стадії виробництва цементу

Процес виробництва цементу включає низку технологічних стадій:

процес виробництва клінкеру
дроблення клінкеру у поєднанні з гіпсом та іншими добавками – у результаті – цемент.

Процедура випалу вихідного матеріалу (шихти) та фінішне створення клінкеру складається з великої кількості стадій. Головні з них:

Процес сушіння вихідного матеріалу.
Процес розпаду компонентів вихідної сировини. В умовах високих температур вапняк розкладається на вуглекислий газ та вапняки. Глина ж розкладається наалюміній оксид кремнію
Процес екзотермічних реакцій. Для цих процесів характерне виділення тепла – відбувається додаткове прогрівання маси, в якій відбуваються реакції
Процес спікання маси. Ця стадія дуже важлива у зв'язку з тим, що у момент зв'язування цієї стадії відбувається формування майбутньої структури клінкеру. Одночасно на цій стадії відбувається зв'язування вільного вапна
Процедура охолодження. Цей процес необхідно здійснювати різко

У всі застосовувані технології виробництва цементу обов'язково включені перелічені вище стадії - різниця можлива лише в способах приготування шихти.

У разі використання мокрої сировини або неоднорідної за складом рекомендується застосування мокрого способу створення клінкеру - вихідна сировина розбавляється водою до консистенції сметани, подрібнюють і далі йде випалення. Цей спосіб вимагає використання великих енерговитрат, оскільки введена в шихту вода повинна бути видалена шляхом випаровування. На сьогоднішній день на вітчизняному ринку у виробництві цементу переважає мокрий метод (87%), але починається широке застосування у цементному виробництві сухого методу. Якщо вихідна сировина суха і однорідна за своїм складом, раціональніше застосувати сухий метод - процес сушіння і доробки відбувається в сухому вигляді. В даному випадку енерговитрати значно менші, ніж при мокрому способі, але постає питання кондиційності вихідної сировини. При стрімкому зростанні цін на енергоносії сухий метод став витісняти мокрий, через його оптимальність.

У певних ситуаціях суха сировинна суміш гранулюється із додаванням води. Подібний метод називають напівсухим.

Комбінований метод грунтується і сухому і мокрому. У разі застосування сухогометоду, сировинна суміш готується сухим, потім гранулюється за допомогою додавання води. Далі подають на випалення. При мокрому способі – суміш готується за мокрим методом як шлам, далі зневоднюють, а вже потім наполовину суху суміш – на випал.

Для глиноземистого цементу характерне велике входження алюмінату кальцію. Головний – однокалієвий алюмінат. Для отримання стандартної якості глиноземистого цементу використовують боксити, а для виробництва чистого ВГЦ застосовується чистий окис алюмінію. Поряд із бокситами можливе використання бокситових залізних руд з додаванням вапняку, а також можливий залізний брухт.

Отримання клінкеру під час виробництва цементу

Процес спікання дуже нагадує технологію виробництва Portland-цементного клінкеру, тільки застосовувані температури нижче. Отримання високоякісного клінкеру можливе лише із застосуванням способу плавлення – витрати на спосіб спікання нижче. Хоча обидва способи мають свої плюси та мінуси, тому в кожному окремому випадку необхідно аналізувати переваги та недоліки. На світовій арені перевагу надають способу плавлення. Технологія виробництва глиноземистого цементу складна, тому його виробляє невелика кількість підприємств: Україна – "Пашийський металургійно-цементний завод", Уралцемент.

Крім традиційних способів, пов'язаних із низкою недоліків, існує альтернативна технологія створення безклінкерного цементу. При цьому способі з технологічного процесу виділяється етап прожарювання клінкеру при високій температурі, яка реалізується в дуже дорогих барабанних печах, що супроводжується величезними фінансовими витратами. Альтернативний метод значною мірою скорочує енерговитрати – майже 33 разу знижується собівартість продукції.

Виробництво безклінкерного цементу

Виробництво безклінкерного цементу на базі гідравлічного шлаку має 3 стадії:

процес плавлення вихідної сировини для отримання шлаку
процес охолодження та помол

При різкому охолодженні отримують шлак з високою потенційною здатністю реакції. Виготовляють цемент змішуючи три компоненти: сухий і гранульований шлак; додатковий матеріал як порошку; активізатор у малій кількості (2-5% від маси).

Безклінкерний цемент отримують ще переробляючи гранульовані доменні шлаки, що є відходами металургійного виробництва. Головними етапами під час виробництва цементу зі шлаків є: помел шлаку, процес додавання лужної субстанції. На підприємствах країни накопичуються величезні запаси металургійних шлаків. Одним словом – є численні джерела сировини для альтернативного виробництва.

Безклінкерний цемент виготовляють на базі нефелінового шламу. Цей цемент – продукт переробки елеолітових (нефелінових) концентратів. Нефеліновий цемент характеризується невеликим тепловиділенням, повільним збільшенням міцності.