Цементная мельница - Cement mill

Цементная мельница мощностью 10 МВт производительностью 270 тонн в час.

А цементная мельница (или же чистовая мельница в использовании в Северной Америке[1]) - это оборудование, используемое для измельчения твердых узлов с шаровидным графитом. клинкер от цементная печь в мелкий серый порошок, который цемент. Большая часть цемента в настоящее время измельчается в шаровые мельницы а также вертикальные валковые мельницы, которые более эффективны, чем шаровые мельницы.

История

Ранние гидравлические цементы, такие как Джеймс Паркер, Джеймс Фрост и Джозеф Аспдин были относительно мягкими и легко шлифовались по примитивным технологиям того времени с использованием плоских жернова. Появление портландцемент в 1840-х годах помол стал значительно труднее, потому что клинкер, производимый в печи, часто был таким же твердым, как и материал жернова. Из-за этого цемент продолжали очень сильно измельчать (обычно 20% с диаметром частиц более 100 мкм), пока не стала доступна более совершенная технология измельчения. Помимо получения нереактивного цемента с медленным ростом прочности, это усугубило проблему несостоятельности. Это позднее разрушительное расширение вызвано гидратацией крупных частиц оксид кальция. Тонкое измельчение снижает этот эффект, и первые цементы должны были храниться в течение нескольких месяцев, чтобы дать оксиду кальция время гидратироваться, прежде чем он будет пригоден для продажи. С 1885 года развитие специализированных стали привели к разработке новых форм помольного оборудования, и с этого момента типичная крупность цемента начала неуклонно расти. Постепенное уменьшение доли более крупных, нереакционноспособных частиц цемента частично объясняет четырехкратное увеличение прочности портландцемент в течение двадцатого века.[2] Новейшая история технологии в основном связана с уменьшением потребления энергии в процессе измельчения.

Материалы шлифованные

Портлендский клинкер является основным компонентом большинства цементов. В портландцементе немного сульфат кальция (обычно 3-10%) добавляется, чтобы замедлить гидратацию алюминат трикальция. Сульфат кальция может состоять из натуральных гипс, ангидрит, или синтетические отходы, такие как обессеривание дымовых газов гипс. Кроме того, до 5% карбонат кальция и может быть добавлено до 1% других минералов. Добавление определенного количества воды и небольших количеств органических шлифовальных добавок и улучшителей производительности является нормальным явлением. «Смешанные цементы» и кладочные цементы могут включать большие добавки (до 40%) натуральных пуццоланы, летучая зола, известняк, кремнеземный дым или же метакаолин. Цемент доменного шлака может содержать до 70% доменный гранулированный измельченный шлак. Видеть цемент. Гипс и карбонат кальция - относительно мягкие минералы, быстро измельчающиеся до ультратонких частиц. Добавки для шлифования обычно представляют собой химические вещества, добавляемые в количестве 0,01-0,03%, которые покрывают вновь образованные поверхности измельченных минеральных частиц и предотвращают повторную агломерацию.[3] Они включают 1,2-пропандиол, уксусная кислота, триэтаноламин и лигносульфонаты.

Контроль температуры

Тепло, выделяемое в процессе измельчения, вызывает образование гипса (CaSO4.2H2O) терять воду, образуя бассанит (CaSO40,2-0,7 ч2O) или γ-ангидрит (CaSO4. ~ 0,05 ч2О). Последние минералы быстро растворяются, и около 2% из них в цементе необходимо для контроля алюминат трикальция увлажнение. Если образуется больше этого количества, кристаллизация гипсов при их регидратации вызывает «ложное схватывание» - внезапное загустение цементной смеси через несколько минут после перемешивания, которая разжижается при повторном перемешивании. Это вызывает высокая температура измельчения. С другой стороны, если температура помола слишком низкая, быстрорастворимого сульфата недостаточно, и это вызывает «мгновенное схватывание» - необратимое затвердевание смеси. Для получения оптимального количества быстрорастворимого сульфата необходимо помол с температурой на выходе из мельницы в пределах нескольких градусов 115 ° C. Если система измельчения слишком горячая, некоторые производители используют 2,5% гипса, а оставшийся сульфат кальция в качестве природного α-ангидрита (CaSO4). Полная дегидратация этой смеси дает оптимальный 2% -ный γ-ангидрит. В некоторых эффективных современных мельницах вырабатывается недостаточно тепла. Это исправляется путем рециркуляции части горячего отработанного воздуха на вход мельницы.

Шаровые мельницы

Схема шаровой мельницы

А Шаровая мельница представляет собой горизонтальный цилиндр, частично заполненный стальными шариками (или, иногда, другой формы), который вращается вокруг своей оси, придавая шарикам опрокидывающееся и каскадное действие. Материал, подаваемый через мельницу, измельчается ударом и измельчается истиранием между шарами. Мелющие тела обычно изготавливаются из высокопрочной стали.хром стали. Более мелкие сорта иногда бывают цилиндрическими («гальки»), а не сферическими. Существует скорость вращения («критическая скорость»), при которой содержимое мельницы просто перемещается по крыше мельницы из-за центробежного действия. Критическая скорость (об / мин) определяется по формуле:пC = 42.29/√d, куда d - внутренний диаметр в метрах. Шаровые мельницы обычно работают со скоростью около 75% от критической скорости, поэтому мельница диаметром 5 метров будет вращаться со скоростью около 14 об / мин.

Мельница обычно делится, по крайней мере, на две камеры (хотя это зависит от размера подаваемого материала - мельницы, включая валковый пресс, в основном однокамерные), что позволяет использовать мелющие тела разных размеров. На входе используются большие шары для измельчения клубеньков клинкера (которые могут достигать диаметра более 25 мм). Диаметр шара здесь находится в пределах 60–80 мм. В двухкамерной мельнице размер среды во второй камере обычно составляет 15–40 мм, хотя иногда встречаются среды до 5 мм. Как правило, размер среды должен соответствовать размеру измельчаемого материала: крупная среда не может производить сверхмелкозернистые частицы, необходимые в готовом цементе, а мелкая среда не может разрушать крупные частицы клинкера. Когда-то использовались мельницы с четырьмя камерами, что позволяло жестко разделять материалы по размеру, но сейчас это становится редкостью. Альтернативами многокамерным мельницам являются:

  • пары мельниц, работающих в тандеме, загружены средами разного размера.
  • использование альтернативной технологии (см. «Валковые прессы» ниже) для измельчения клинкера перед тонким измельчением в шаровой мельнице.

Через мельницу пропускают поток воздуха. Это помогает поддерживать мельницу в прохладном состоянии и удаляет испаренную влагу, которая в противном случае могла бы вызвать гидратацию и нарушить поток материала. Пыльный отработанный воздух очищается обычно карманные фильтры.

Типовая схема мельницы / сепаратора

Замкнутые системы

Эффективность начальных стадий измельчения в шаровой мельнице намного выше, чем эффективность образования сверхмелкозернистых частиц, поэтому шаровые мельницы работают наиболее эффективно, производя крупнозернистый продукт, мелкие фракции которого затем отделяются, а крупная часть возвращается на вход мельницы. Доля материала на выходе из мельницы, возвращаемого на вход, может варьироваться от 10-30% при измельчении обычного цемента до 85-95% для чрезвычайно мелких цементных продуктов. Для эффективности системы важно, чтобы на вход возвращалось минимальное количество материала конечной крупности. Современные сепараторы способны производить «разрез» очень точного размера и вносить значительный вклад в снижение энергопотребления, а также имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они охлаждают как продукт, так и возвращаемый материал, тем самым сводя к минимуму перегрев.

Эффективные замкнутые системы из-за их жесткого контроля размера частиц позволяют получать цементы с относительно узким гранулометрический состав (т.е. для данного среднего размера частиц у них меньше крупных и мелких частиц). Это дает преимущество в том, что он максимизирует потенциал повышения прочности клинкера, поскольку крупные частицы инертны. Как показывает практика, в бетоне гидратируется только внешняя «оболочка» каждой частицы размером 7 мкм, поэтому любая частица диаметром более 14 мкм всегда оставляет непрореагировавшее ядро. Однако недостатком ультрамелких частиц может быть недостаток. Эти частицы обычно заполняют промежутки между более крупными частицами в цементном тесте, а в случае его отсутствия дефицит восполняется дополнительным количеством воды, что приводит к снижению прочности. Это можно исправить, добавив 5% карбонат кальция в цементе: этот мягкий минерал производит достаточно мелкие фракции при первом проходе через мельницу.

Типичное энергопотребление мельницы для различной степени измельчения. Фактические значения варьируются в зависимости от эффективности мельницы и твердости клинкера.

Энергопотребление и мощность

Твердость клинкера

Твердость клинкера важна для затрат энергии на процесс измельчения. Это зависит как от минерального состава клинкера, так и от его термической истории. Самый легкий клинкерный минерал - это алит, поэтому клинкеры с высоким содержанием алита сокращают затраты на измельчение, хотя их производство в печи обходится дороже. Самый твердый минерал - это белите, потому что он тверже и в некоторой степени пластичен, так что кристаллы имеют тенденцию сплющиваться, а не раскалываться при ударе в мельнице. Немаловажен и режим обжига клинкера. Клинкер быстро сгорает при минимальной температуре для соединения, затем быстро охлаждается, содержит мелкие дефектные кристаллы, которые легко измельчаются. Эти кристаллы обычно также оптимальны по реакционной способности. С другой стороны, длительное горение при повышенной температуре и медленное охлаждение приводят к образованию крупных кристаллов правильной формы, которые трудно измельчить и которые не вступают в реакцию. Эффект от такого клинкера может привести к удвоению затрат на измельчение.

Валковые мельницы

Они использовались в течение многих лет для менее требовательного процесса измельчения сырья, но недавно вальцовые мельницы в сочетании с высокоэффективными сепараторами стали использоваться для помола цемента. При измельчении используется гораздо большая нагрузка на материал, чем в шаровой мельнице, и поэтому он более эффективен. Потребление энергии обычно вдвое меньше, чем у шаровой мельницы. Однако узость гранулометрического состава цемента является проблематичной, и этот процесс еще не получил широкого распространения.

Валковые прессы высокого давления

Они состоят из пары роликов, расположенных на расстоянии 8–30 мм друг от друга и вращающихся в противоположных направлениях с поверхностной скоростью около 0,9 - 1,8 м.с.−1. Подшипники роликов рассчитаны на давление 50 МПа и более. Слой материала, протянутого между валками, выглядит как пластинчатая агломерация сильно раздробленных частиц. Энергоэффективность этого процесса сравнительно высока. Были спроектированы системы, включая деагломератор и сепаратор, которые будут доставлять материал крупности цемента. Однако гранулометрический состав снова является проблемой, и валковые прессы в настоящее время становятся все более популярными как процесс «предварительного измельчения», когда цемент обрабатывается в однокамерной шаровой мельнице. Это дает хорошие характеристики цемента и снижает потребление энергии на 20-40% по сравнению со стандартной системой шаровой мельницы.

Производительность цементных мельниц

Цементные мельницы на цементном заводе обычно рассчитаны на расход клинкера, значительно превышающий производительность печей завода. Это по двум причинам:

  • Размеры заводов соответствуют пиковому рыночному спросу на цемент. В странах с умеренным климатом спрос на цемент летом обычно намного выше, чем зимой. Избыток клинкера, произведенный зимой, отправляется на склад для подготовки к летним пикам спроса. По этой причине заводы с очень сезонным спросом обычно имеют очень большие склады клинкера.
  • Помол цемента является крупнейшим потребителем электроэнергии на цементном заводе, и, поскольку их можно легко запустить и остановить, часто бывает выгодно эксплуатировать цементные мельницы только в периоды "непиковой нагрузки", когда доступна более дешевая энергия. Это также благоприятно для производителей электроэнергии, которые могут договариваться о ценах на электроэнергию с основными потребителями, чтобы сбалансировать свои генерирующие мощности в течение 24 часов. Часто используются более сложные устройства, такие как "сброс мощности". Он заключается в том, что производитель цемента в короткие сроки останавливает завод, когда поставщик электроэнергии ожидает критического пика спроса в обмен на выгодные цены. Очевидно, что для того, чтобы «наверстать упущенное» после таких перерывов, требуется много избыточной мощности помола цемента.

Контроль качества продукции

Помимо контроля температуры (упомянутого выше), основным требованием является получение продукта постоянной тонкости. Издревле тонкость определялась по просеивание цемент. По мере того, как цемент становится мельче, использование сит становится менее применимым, но количество, остающееся на сите 45 мкм, по-прежнему измеряется, обычно с помощью воздушно-струйного или мокрого просеивания. Количество, прошедшее через это сито (обычно 95% в современных цементах общего назначения), связано с общим потенциалом повышения прочности цемента, поскольку более крупные частицы практически не реагируют.

Основным показателем тонкости помола сегодня является удельная поверхность. Поскольку частицы цемента реагируют с водой на своей поверхности, удельная поверхность напрямую связана с начальной реакционной способностью цемента. Регулируя степень помола, производство может производить целый ряд продуктов из одного клинкера. Для получения цемента с желаемой стабильной повседневной производительностью необходим жесткий контроль тонкости помола, поэтому круглосуточные измерения производятся на цементе по мере его производства, а скорости подачи мельницы и настройки сепаратора регулируются в соответствии с поддерживать постоянную удельную поверхность.

Более полную картину тонкости помола дает анализ размера частиц, что дает меру количества каждого имеющегося диапазона размеров от субмикрометра и выше. Раньше это был главным образом исследовательский инструмент, но с появлением дешевых промышленных лазерных дифракционных анализаторов его использование для повседневного контроля становится все более частым. Это может быть настольный анализатор, в который автоматически собираются образцы в роботизированной лаборатории, или, что все чаще, инструменты, прикрепленные непосредственно к выходным каналам мельницы. В любом случае результаты могут быть переданы непосредственно в систему управления мельницей, что позволяет полностью автоматизировать контроль тонкости помола.

В дополнение к тонкости помола необходимо контролировать добавление материалов в цемент. В случае добавления гипса используемый материал часто бывает разного качества, и обычной практикой является регулярное измерение содержания сульфата в цементе, обычно рентгеновская флуоресценция, используя результаты для регулировки скорости подачи гипса. Опять же, этот процесс часто полностью автоматизирован. Подобные протоколы измерения и контроля применяются к другим добавляемым материалам, таким как известняк, шлак и летучая зола.

Примечания и ссылки

  1. ^ Испанский: Молино де цементо, Французский: Broyeur de ciment, Немецкий: Zementmühle: другие языки соответствуют британскому употреблению
  2. ^ П. К. Хьюлетт (Эд)Химия цемента и бетона Ли: 4-е изд., Арнольд, 1998, ISBN  0-340-56589-6, стр.12
  3. ^ М. Вейбель; Р. К. Мишра (2014). «Всеобъемлющее понимание шлифовальных добавок». ZKG International. 6: 28–39. ISSN  0949-0205.