Что делают из цемента

Химический состав, свойства и порядок производства цемента

Без этого материала невозможно представить современную строительную площадку. Цемент уже более ста лет позволяет сооружать крепчайшие конструкции, его используют для проведения ремонтных работ, с его помощью выполняют отделку помещений, но при этом мало кто задумывается, из чего делают цемент.

Итак, что такое цемент? Этот материал представляет собой порошок, в основу которого входят неорганические соединения. Взаимодействуя с водой, этот порошок начинает твердеть и приобретать прочность монолитного, крепкого материала, заполняя заранее приготовленную форму.

Реакция происходит при обеспечении достаточной влажности. После набора прочности, конструкции из цемента могут служить длительное время без изменения основных свойств. Заводы, занимающиеся производством данного материала, стараются располагать в непосредственной близости к источнику добычи сырья, так как объемы переработки и перевозки материалов для изготовления цемента достаточно высоки.

Чтобы понять, из чего состоит цемент, достаточно показать химический состав цемента, самого используемого в строительстве, — портландцемент. Его изготавливают, применяя следующие пропорции:

• оксид кальция – не менее 60%;
• диоксид кремния – не менее 20%;
• глинозем – не менее 4%;
• оксид железа – не менее 2%;
• оксид магния – не менее 1%.

Формулы других видов цемента схожи, корректируется лишь количество каждого ингредиента.

Основные характеристики цемента

Строительные материалы, в том числе и цемент, чаще всего проверяют на соответствие следующим характеристикам:

• Прочность. Для проверки данной характеристики потребуется изготовить бетонный цилиндр, который впоследствии подвергают испытаниям на сжатие. Длительность воздействия на образец &mdsah; не менее 28 дней. Именно этот срок требуется для полного набора прочности материалу. После проверки и сравнения показателей в МПа, можно установить марку данного цемента, которые обозначаются: М200, М300, М400, М500, М600;

• Стойкость материала к воздействию коррозии. Находясь во влажной среде, бетонные конструкции, не обработанные специальными составами, подвергаются коррозии. Для устранения этого процесса рекомендуется использовать специальные добавки при формировании раствора для бетонирования. Тоже касается защиты от воздействия активных веществ и различной бытовой химии. Для работы в агрессивных средах и при повышенной влажности разработана специальная марка – пуццолановый цемент;
• Морозоустойчивость. Данная характеристика определяется в циклах заморозки и разморозки материала, при которых он способен сохранять свои изначальные свойства. При замерзании влаги в порах и микротрещинах бетонного основания происходит расширение, что влияет на качество бетона и приводит к его разрушению. Для усиления структуры бетона, необходимо использовать специальные присадки, которые позволяют бетону выдерживать резкие температурные перепады. Также присадки используются для организации работы в зимнее время;
• Водопотребность. Выражается в процентах по отношению к общему объему раствора требуемой пластичности. Максимальное значение водопотребности в портландцементе составляет 28%. Следует понимать, что смесь, которой требуется минимальное количество воды, дает более прочный и надежный бетон, а раствор, насыщенный водой, дает пористую структуру бетона, что характеризуется более низкой прочностью;
• Срок схватывания. Данный показатель важен для организации работ. Он не должен быть слишком длительным или коротким, чтобы не нарушать процесс выполнения заливки основания или кладки. Данная характеристика регулируется количеством гипса в сухой смеси. Если объем гипса выше – схватывание происходит быстрее, если ниже – медленнее. Оптимально процесс вставания цемента происходит в течение 10 часов, а начало схватывания находится в пределах 40-50 минут.

Типы продукции по сфере использования

Для проведения различных видов работ требуются определенные качества раствора. Широкое применение получил портландцемент, который может использоваться для производства большинства видов работ. Но для специальных условий требуются другие марки:

• Белый портландцемент. Данный материал отличает более тонкий помол и повышенное содержание гипса. Его применяют для оборудования наливных полов, так как белый цемент позволяет достичь высокого качества основания и привлекательного внешнего вида. При необходимости в состав цемента могут добавляться различные пигменты, что позволяет получать цветной раствор.
• Сульфатостойкий портландцемент. Предназначен для сооружения конструкций, подвергающихся многократным воздействиям агрессивной и влажной среды. Этот материал используют при изготовлении свай и быков для мостов.
• Шлаковый цемент. Используется для отливки конструкций и элементов, предназначенных для работы под водой или в земле.
• Пуццолановый цемент. Характеризуется отличным сопротивлением к воздействию пресных вод и используется для монтажа гидротехнических конструкций.
• Глиноземистый цемент. Данный материал применяется для возведения конструкций, работающих в морской воде, а также для производства ремонтных работ при отрицательных температурах.

Исходные материалы для приготовления

Размещение производства цемента стараются планировать рядом с основными запасами сырья. Сырьем являются природные горные породы, добываемые открытым способом. Итак, из чего производят цемент:

• Карбонатные породы. К ним относят: мел; ракушечник и прочие известняки; доломит; мергель. В промышленном производстве в основном применяются известняковые породы. Данный материал позволяет повысить эффективность взаимодействия в процессе обжига.
• Глинистые породы. К ним относят: глину; глинистые сланцы; суглинки; лесс. Данный материал необходим для обретения пластичности смеси и используется в основном при изготовлении цемента сухим способом.
• Добавки. Для получения определенных качеств цементного раствора, необходимо к основному составу добавлять вещества, которые способны корректировать свойства материала. К добавкам относят: глинозем; кремнезем; плавиковый шпат; апатиты.

Как готовят цемент на производстве

Основными веществами, из которых производят цемент, являются известняк и глина. Из этих двух составляющих специальным образом готовят клинкер, который впоследствии смешивается с прочими добавками, определяющими качество, марку и свойства раствора. Среди обязательных добавок присутствуют: гипс, доломит, цементит.

Этапы производства цемента.

В природе имеется клинкер в чистом виде — мергель, но из-за небольших запасов этого минерала, использовать его в промышленных масштабах не получается, поэтому отечественные и зарубежные производители готовят клинкер из традиционных материалов.

Мергель.

Производство цемента разбито на следующие этапы:

• Для подготовки клинкера необходимо тщательно смешать ингредиенты в специальных барабанах большой емкости.
• На следующем этапе подготовленная масса поступает в печь, где происходит обжиг в течение 3-4 часов при температуре близкой к полутора тысячам градусов. В результате образуется клинкер в виде небольших фракций (до 5 см в диаметре).

• Далее, полученные зерна клинкера измельчают в барабанах с использованием шаровых грохотов. В процессе обработки материала необходимо добиться порошкообразного состояния смеси.
• На заключительном этапе в готовый цемент добавляют необходимые присадки и отправляют на расфасовку по мешкам или хопрам.

Существует три способа изготовления цемента. Они различаются приемами обработки клинкера.

1. Мокрый способ. Выработка клинкера производится с использованием воды, мела и глины. В результате смешивания веществ в барабане образуется влажная масса – шихта. Ее отправляют на обжиг, после чего полученные гранулы измельчают и смешивают с необходимыми добавками. Данный метод считается довольно затратным, поэтому в настоящее время чаще используют другие способы.
2. Сухой способ. Позволяет сократить этап смешивания готовой смеси с добавками, так как весь процесс сводится к подготовке, дроблению и смешиванию уже готовых ингредиентов. Данная технология становится все более популярной, так как позволяет существенно сократить затраты на производство и конечную цену продукта.
3. Комбинированный способ. В данной технологии используются различные формы производства клинкера, сочетающие в себе этапы производства, применяемые при сухом и мокром способах.

Как сделать цемент в домашних условиях

Прежде всего стоит сразу уяснить, что качественного продукта в домашних или гаражных условиях получить не удастся. Мало знать, как самому сделать цемент, ведь кроме этого потребуется приобрести специальное оборудование, ну или приложить максимальные мускульные усилия, что в конечном итоге оказывается довольно затратным и утомительным. Гораздо легче приобрести готовое изделие в магазине.

Наиболее простым способом получить в домашних условиях раствор, пригодный для цементирования мелких трещин, является приготовление смеси на основе следующих ингредиентов: воды, водной извести и каменной золы. Эти вещества перемешивают до получения однородной, вязкой массы, которую необходимо сразу же использовать, так как срок хранения этого раствора составляет не более двух часов.

Прочие варианты самостоятельного изготовления цемента предусматривают наличие печи для обжига материала и мельницы для размалывания клинкера в порошок.

Как сделать цементный раствор

Для приготовления цементного раствора потребуется сам цемент, вода и заполнитель (для штукатурных и кладочных растворов используется речной или карьерный песок).

Соотношение ингредиентов в растворе зависит от применения данного материала, но в большинстве случаев рекомендуется использовать формулу: 3 части песка на 1 часть цемента. Вода добавляется исходя из потребности в получении более пластичного или вязкого раствора.

При желании получить конструкцию с более высокими прочностными характеристиками, увеличивают долю цемента. Правильно начинать приготовление раствора со смешивания сухих фракций, и только после получения однородной массы начинают заливать воду небольшими порциями, постепенно добиваясь требуемой консистенции.

Применение цемента всех видов: где используется, для чего нужен

Сегодня применение цемента достаточно широко – несмотря на появление новых строительных материалов, бетон на основе цементного вяжущего по-прежнему считается самым популярным, универсальным и предпочтительным во многих случаях вариантом. Цемент представляет собой порошкообразное вещество, относящееся к классу неорганических.

Цемент производят при помоле клинкера, который, в свою очередь, получают путем обжига при высоких температурах глины и извести, взятых в определенных пропорциях. К порошку могут добавляться различные минеральные вещества, пластификаторы для улучшения свойств и т.д. Цемент используют в виде вяжущего при замесе бетонных растворов разного типа и назначения.

Главная функция цемента – качественное скрепление конструктивных элементов создаваемых конструкций и возводимых зданий. Бетонные растворы используют для заливки полов и разных конструкционных элементов, монолитного строительства, производства тех или иных изделий и т.д.

• При затворении водой превращается в вязкую пасту.
• Цвет меняется со светло-серого на темный.
• Бетон быстро набирает твердость во влажной и теплой воздушной среде.

Смесь в течение 28 дней (как правило) набирает прочность и постепенно превращается в искусственный камень с очень высокими характеристиками прочности, стойкости. Свойства цемента могут быть разными, зависят от массы факторов: вида самого вяжущего, наличия добавок, особенностей и условий применения, соблюдения технологии замеса и укладки.

Дополнительные свойства могут обеспечиваться специальными добавками в составе порошка, объем которых производитель всегда указывает на упаковке в маркировке и описании.

Производство цемента

Все разновидности цемента производятся по одной технологии. Могут отличаться составляющие и их пропорции, добавляться какие-то минеральные и другие вещества в конце, но само производство всегда предполагает определенные этапы и действия. Все современные смеси составляются на базе портландцемента.

1. Получение первичного сырья: перемолотый известняк и глина смешиваются в шлам в пропорции 4:1.
2. В процессе обжига шлама при температуре +1500 градусов по Цельсию сырье спекают в твердую массу, которая называется клинкер.
3. Клинкер очень мелко смалывается до состояния порошка.

К клинкерному порошку добавляют минеральные присадки, гипс, чтобы получить цемент с нужными свойствами.

Состав

В составе цемента работают несколько составляющих на молекулярном уровне. Материал представляет собой тонкий порошок серого цвета, а вот компоненты в его химической формуле есть разные и отвечают за те или иные процессы в бетоне.

• Кальциевый оксид – в объеме около 67%.
• Кремниевый оксид – в объеме до 22%.
• Алюминиевые окиси – до 5%.
• Оксид железа – в объеме до 3%.
• Разного типа модифицирующие компоненты – максимум 3%.

• Разные виды глины (включая глинистый сланец и лесс).
• Мергель, известняк, мел, другие карбонатные породы.
• Минеральные присадки: кремнеземы, глиноземы, апатит, флюорит, плавиковый шпат, гипс, фосфогипс и т.д.

Прочность

Прочность является одним из самых важных свойств цемента, которое определяет сферу применения, предполагаемые нагрузки, технические характеристики конструкции из бетонного монолита. Нормативную прочность на сжатие цемент приобретает по прошествии 28 дней с момента затворения.

Прочность можно посмотреть по марке (самые популярные марки цемента М300, М400 и М500, указывают на прочность в кг/см2) и классу (указанным маркам соответствуют примерные показатели В20, В30 и В40). Приготовленный раствор твердеть начинает в течение 1-2 часов, завершается процесс минимум через 12 часов после укладки.

Далее появляется гидратационное тепло и бетон набирает прочность в течение 28 суток. При низких наружных температурах тепло позволяет цементу набрать полный цикл прочности, при высоких – может спровоцировать ускорение прохождения реакции, в результате чего распространяются трещины из-за появления температурных напряжений.

Виды цемента

Когда рассматривают цемент, виды указывают в достаточно большом количестве, но и они не исчерпывают все многообразие материалов, что можно создавать из вяжущего. Ведь при правильном подходе придавать цементу разные свойства можно, вводя в состав те или иные добавки. А ввиду того, что цемент используется в самых разных сферах и областях, вариантов приготовления смеси существует множество. Варьироваться состав порошка может также за счет особенностей сырья, добываемого в том или ином регионе.

Кроме того, на рынке можно найти много других составов, которые могут использоваться при выполнении определенных видов работ в тех или иных условиях, сферах.

Основные марки

Марки цемента обозначаются буквой М и цифрами от 25 до 1000. Самые распространенные марки – М100, М200, М300, М400 и М500. Остальные применяются для конкретных задач и намного реже. Самые универсальные и прочные марки цемента – М400 и М500. Как было указано выше, цифры рядом с индексом говорят о нагрузке в кг/см2, которую может выдержать застывший камень.

Марки ниже М100 и М200 применяются для штукатурки, кладки, выше М600 – для возведения объектов особого назначения (военных, бункеров, ракетных шахт и т.д.).

• ПЦ – портландцемент.
• ШПЦ – шлако-портландцемент.
• Б – быстротвердеющий состав.
• СС – вяжущее с сульфатостойкими свойствами.
• ПЛ – цемент уже с пластификатором в составе.
• Н – нормированный, цемент с подтвержденной прочностью.
• ВРЦ – водонепроницаемый цемент (применяется в возведении гидротехнических сооружений).

Также по ГОСТу 31108 указывают наличие добавок в порошке: I обозначает, что добавок нет; II – в цементе есть минеральные компоненты. Объем добавок обозначается буквами: А – 6-20% минкомпонентов, Б – 21-35%. Добавками могут выступать пуццолан, шлак, полимеры и т.д. Скорость твердения также обозначается буквами: Н – нормально твердеющее вяжущее, С – скорость средняя, Б – быстротвердеющие смеси.

Добавки в цементе также индексируются буквой Д и цифрами, отображающими процент содержания. Д0 – добавок нет, Д20 – в состав цемента включено 20% добавок, в результате чего вещество получается более пластичным. Общее правило такое: чем выше марка, тем больше прочность; чем выше процент добавок, тем эластичнее цемент (но при критичном содержании прочность может падать).

• М100, М200, М300 – производство разных элементов и изделий с нужными характеристиками.
• М400 – применяются при заливке сборного/монолитного железобетона.
• М500 – актуален для производства гидротехнических конструкций и плит, которые находятся в воде переменного уровня, для заливки бордюров и тротуаров, фундаментов всех видов.
• М600 – бетонирование сборных конструкций повышенного качества.
• М700 – работа с постройками, где отмечены высокие нагрузки и зоны напряжения.

Область применения

Область применения цемента напрямую зависит от его свойств и характеристик. В СНиПах и ГОСТах указаны все правила и особенности применения разных марок цемента с определенными техническими характеристиками в строительстве зданий, производстве изделий и т.д. Также влияют на выбор цемента условия его применения, поставленные задачи, особенности эксплуатации.

Из чего делают цемент: его состав и свойства

Цемент – распространенный строительный материал, используемый чаще всего в качестве вяжущего в строительных смесях и растворах. Представляет собой мелкодисперсный порошок серого цвета с зеленоватым или другим оттенком. После взаимодействия с водой цемент и продукты на его основе образуют пластичную массу, которая при твердении трансформируется в искусственный камень.

Сырье для изготовления цемента

Сырьем для производства цемента являются горные породы, добываемые открытым способом:

• Карбонатные – мел, известняки, известняки-ракушечники, доломит, мергель, туф. В промышленном производстве используются в основном известняки. Точное количество компонента зависит от его свойств и минерального состава. Чем больше в составе породы веществ с кристаллической структурой, тем выше температура плавления.
• Глинистые – глина, глинистые сланцы, лесс, суглинки, монтмориллонит. Этот компонент осадочного происхождения разбухает при контакте с водой. Цель применения глинистых веществ – повышение пластичности смесей и растворов на базе цементного вяжущего.
• Добавки. Их перечень определяется в зависимости от свойств, которые необходимо получить. Обычно добавки содержать глинозем, железо, кремний. Для их изготовления используют различные производственные отходы – доменную пыль и другие.

Единой формулы химического состава цемента не существует, так как производители предлагают большое количество разновидностей этого строительного материала с различными эксплуатационными характеристиками.

Наиболее распространен в строительстве портландцемент – без минеральных добавок и с минеральными добавками.

Существуют определенные ограничения по минимально допустимым ических соединений, из которых состоит портландцемент:

• CaO – 62%;
• SiO₂ – 20%;
• Al₂O₃ – 4%;
• Fe₂O₃ – 2%;
• MgO – 1%.

Химические составы в процентах некоторых типов цементов

Химический состав, %					Характеристика
CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	Другие оксиды
Портландцемент
63…66	21…24	4…8	2…4	3…5	Нормально твердеющий
Глиноземистый цемент
35…43	5…10	39…47	2…15	1,5…2,5	Быстро твердеющий

Что такое цементный клинкер?

Основной компонент производства цемента – клинкер. Это промежуточный полуфабрикат, получаемый обжигом смеси известняка (мела, мергеля или других пород) в количестве 75% и 25% глины. Сырьевые компоненты плавятся с образованием гранул. Клинкер перемалывают и соединяют с молотыми добавками.

Весь процесс изготовления цементного вяжущего можно условно разделить на 3 этапа:

• изготовление клинкера обжигом – основной процесс, наиболее затратный и трудоемкий;
• помол клинкера до образования тонкодисперсного порошка;
• смешивание клинкерного порошка с порошкообразными добавками.

Изготовление клинкера делится на следующие этапы:

• доставка сырья для клинкера на цементный завод;
• измельчение сырьевых компонентов;
• смешивание компонентов в пропорциях, указанных в техдокументации, для последующего обжига.

Технологии производства цемента

Существует несколько технологий производства цемента.

Конкретный вид производства определяется тем, из чего делают цемент:

• Мокрый. Клинкер изготавливается из мела, глины и воды. К измельченным компонентам добавляют воду. Влажную смесь (шлам) отправляют на обжиг. Полученный после обжига продукт транспортируют в холодильник. После охлаждения его измельчают, смешивают с добавками для получения необходимых свойств вяжущего. Эта технология требует финансовых затрат, поэтому производители в основном применяют другие. Но при необходимости получения цемента с прекрасными эксплуатационными свойствами применяют именно этот способ, позволяющий тонко корректировать состав сырья. Корректировка состава осуществляется в специальных бассейнах при температуре 1000°C.
• Сухой. Все компоненты – известняк, глина, добавки дробятся в сухом виде. Готовые порошки смешиваются в закрытых боксах с помощью подачи воздуха. Эта методика часто используется производителями, благодаря простоте реализации и относительно невысоким затратам. При производстве нет водяных испарений. Такой способ требует небольших затрат энергоносителей. Он оптимален для однородных сырьевых компонентов.
• Комбинированный. Эта технология сочетает элементы сухого и мокрого способов. Одна из этих технологий является основной, а вторая дополнительной. Если основной является мокрая методика, то сначала изготавливают сырьевой шлам, корректируют его состав, затем его обезвоживают и обжигают в печи, предназначенной для сухой технологии.

Цемент, независимо от того, из чего он состоит и каким способом приготовлен, складируется в специальных башнях – силосах, в которых, благодаря проветриванию, материал не слеживается, сохраняя рабочие характеристики.

К потребителю цемент поступает навалом или расфасованным в бумажные мешки.

Производство бесклинкерного цемента

Сырьем для бесклинкерного цемента являются доменный или гидравлические шлаки, активаторы и другие дополнительные компоненты. Смесь из подготовленных и взятых в нужных пропорциях компонентов, дробят и перемалывают до мелкодисперсного со стояния. Для бесклинкерного цемента характерны:

• устойчивость к различным воздействиям окружающей среды;
• экономичность производства, благодаря невысоким энергозатратам;
• утилизация отходов металлургических и других производств, что положительно влияет на состояние окружающей среды;
• различные цвета и свойства конечного продукта, которые можно получать без изменения основных этапов технологического процесса и привлечения дополнительного оборудования.

Основное оборудование для изготовления цемента

При производстве вяжущего используются следующие основные виды оборудования:

• техника для добычи сырья и его транспортировки к месту изготовления;
• линия дробления сырья;
• печи для высокотемпературной обработки;
• линия дробления полученного клинкера, дозирования и смешивания молотого клинкера с добавками;
• оборудование для фасовки готового продукта в бумажные мешки.

Типы цемента и сферы их использования

Выпускается множество разновидностей вяжущего с разными эксплуатационными и декоративными характеристиками. Основные виды:

• Портландцемент. Этот тонкодисперсный порошок серого цвета с зеленоватым оттенком является наиболее распространенным строительным материалом, широко используемым в индивидуальном, масштабном жилищном и промышленном строительстве. Отдельно не применяется. Выступает компонентом строительных смесей и растворов. В сочетании с песком и щебнем используется при производстве бетонных смесей. Из цемента и песка изготавливают сухие строительные смеси, поступающие в продажу фасованными в мешки, или пластичные цементно-песчаные растворы, доставляемые на строительную площадку в виде, готовом к применению. Пластифицирующие добавки регулируют время схватывания раствора и другие характеристики конечного продукта.
• Сульфатостойкий. Устойчив к химически активным средам. Применяется для бетонирования подземных и подводных конструкций.
• Глиноземный. В состав добавляют гипс и глиноземистый шлак, благодаря котором вяжущее быстро схватывается и приобретает марочную прочность. Глиноземный цемент используется при строительстве конструкций, работающих в условиях высокой влажности.
• Кислотоупорный. При его производстве используются кварцевый песок и кремнефтористый натрий. В качестве жидкости для затворения используется не вода, а жидкое стекло.
• Шлакопортландцемент. В состав этого вяжущего добавляют гранулы шлака (примерно 25%). Материал применяется в крупномасштабном строительстве.

• Строитель с 20-летним стажем
• Эксперт завода «Молодой Ударник»

В 1998 году окончил СПбГПУ, учился на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Занимается разработкой и внедрением мероприятий по предупреждению выпуска низкокачественной продукции.

Разрабатывает предложения по совершенствованию производства бетона и строительных растворов.

Из чего и как делают цемент

Цемент –незаменимый материал, без которого нельзя представить ни один строительный объект. Уникальность материала неоспорима, ведь так или иначе он участвует практически во всех строительных этапах. Современные комбинаты используют три базовых метода изготовления цемента, которые зависят от метода подготовки сырьевого материала к обжигу: мокрая технология, сухая и полумокрая (комбинированная). Как устроить производственную базу, зависит от возможностей каждой компании: технологических, технико-экономических.

Технология изготовления портландцемента делится на три ключевые стадии:

Механическая — отвечает за добычу, подготовку и переработку сырья, цель которой получить необходимую смесь для последующей термической обработки путём обжига. К таким операциям относятся измельчение, перемешивание и корректировка.

Стадия термической обработки отвечает за обжиг сырья в высокотемпературных печах, целью которой станет получение клинкера – базовой составляющей цемента.

Стадия помола и смешивания компонентов для получения сухой смеси, состоящей из нескольких компонентов: клинкера, гипсовых вяжущих веществ и активных минеральных добавок, которые будут влиять на тип цемента.

Первая стадия. Добыча и подготовка сырьевой смеси.

Основные компоненты портландцемента — это натуральное сырье: глина, известняк, мел. Из экономических соображений производственные узлы по возможности устанавливают недалеко от карьеров добычи этих материалов. Наряду с поставками из карьеров нередко приходится дополнительно обеспечивать производство сырьевыми компонентами от партнёров, чтобы гарантировать требуемое качество сырья по химическому составу. Так же дополнительные закупки проводят для обеспечения производства недостающими материалами, такими как гипс, зола, пирит, боксит и так далее.

Составляющие цемента можно разделить на 4 группы оксидов, каждая из которых по составу является соединением химического элемента с кислородом:

• оксид кальция (СаО), в эту группу входят глинисто-карбонатные горные породы, такие как известняк, мел или мергель;
• оксид кремния (Si₂O3), к ней относятся мелкозернистые осадочные горные породы, например, песок, глина, шлак, сланцы;
• оксид алюминия(Al₂O3) – бокситы;
• оксид железа(Fe₂O3) – железная руда.

Первая вторая. Сырьевая смесь и ее подготовка

Месторождения природного известняка разрабатывают открытым способом. Применяемый технологический метод зависит от оснащения карьера и типа известняковой породы. Для добычи горных пород используют взрывной, экскаваторный, комбайновый способы. Там же, в карьере на производственных узлах измельчают известняк, используя стационарные дробильные установки. Далее по ленточному конвейеру, протяжённость которого доходит до 7 км, материал доставляют до производственной площадки, где его укладывают штабелями в разных направлениях. На этапе дробления необходимо провести анализ твёрдой породы, для этого над конвейерным транспортёром устанавливают анализатор РФА. Установка определяет химический состав известняка для последующей корректировки.

Современные производственные площадки оснащены специальными дозаторами, чтобы с точностью вымерять весовое соотношение всех компонентов.

На устаревших цементных заводах процесс не настолько технологичный, что в результате приводит к повышению издержек. На таких заводах карьерный материал доставляют до производственных площадок на автомобильном или железнодорожном транспорте. Что в целом ухудшает экономические показатели производственного процесса. Вместо ленточных конвейеров применяют грейферные краны. Трудозатраты и время на производственный цикл увеличиваются, повышая себестоимость.

На этапе подготовки сырьё проходит еще одну стадию — помол. В зависимости от оснащённости производственной линии, используется технология сухого, мокрого или полумокрого помола. В первом случае технологическая линия оснащена мощными мельницами. Нижняя часть оборудования измельчает известняк, в верхней части происходит сепарирование на фракции. Грубую фракцию оставляют для вторичного измельчения, мелкую отправляют на следующую производственную стадию. В процессе помола сырьевая мука просушивается до состояния влажности — 0,5%.

До термической обработки сырьевую смесь хранят в специальных складах сыпучих материалов, где для усреднения концентрации сыпучих компонентов через люки аэрации подаётся сжатый воздух.

Для метода мокрого и комбинированного помола сырьевую смесь подготавливают в виде шлама, увлажняя его до 40%. Сырьевую муку перемалывают в мельницах, работающих по принципу самоизмельчения, типа гидрофол. Погруженный в барабанный отсек печи, шлам разрушается под действием вращательных движений посредством ударов друг о друга. Таким образом происходит одновременное дробление и помол известняка. Состав сырьевой смеси доводят до нужной формулы в специальных бассейнах. При такой технологии производства, как и при сухом методе, шлам усредняют путём воздействия сжатого воздуха, только делают это в шламовом бассейне. Полумокрый метод отличается от мокрого тем, что перед обжигом смесь пропускают через пресс-фильтр для её обезвоживания.

Чтобы получить клинкер высокого качества, используют первосортное сырьё, которое в дальнейшем определит качество цемента. При анализе сырьевой муки исследуют следующие модульные показатели:

Силикатный модуль – отношение грамм-молекул оксида кремния к числу грамм-молекул оксидов алюминия и железа. Чем выше силикатный модуль, тем хуже способность к обжигу у сырьевой смеси. Оптимальное соотношение измеряется в процентах и варьируется в пределах 2.2-2.8.

Глиноземный (алюминатный) модуль – соотношение грамм-молекул двух оксидов — алюминия и железа, для контроля состояния жидкой фазы клинкера на этапе обжига, также говорит о взаимосвязи минералов в материале, нормальный показатель 1.5-2.5%.

Говоря о влиянии модулей друг на друга, можно отметить, что если показатель алюминатного модуля высокий, а силикатного, наоборот, низкий, то цемент будет слишком быстро схватываться. Добавление гипса корректирует сроки твердения.

Коэффициент насыщения кремнезема известью (КН) – показывает неполноту насыщения кремнезёма оксидом кальция в процессе образования клинкера. Нормативный показатель находится в интервале от 0.92 до 1 %.

Коэффициент однородности сырьевой смеси – говорит о химическом составе и его стабильности. Для производства сухим способом показатель должен быть не больше 14, применение мокрого или комбинированного способов должно обеспечивать показатель не больше 10 %.

Третья стадия. Обжиг

Обжиг смеси и получение клинкера — самая важная стадия производственных процессов.

Эксплуатационные свойства цемента напрямую зависят от качества клинкера, температуры и времени обжигания. Дело в том, что в естественных условиях основные компоненты сырьевой смеси не вступают в химическую реакцию друг с другом, но процесс взаимодействия между глиной, известняком и другими компонентами запускается при нагревании.

Чаще всего промышленные предприятия оснащены печными агрегатами вращающегося типа. Основные составляющие агрегата – это печь, холодильник, топочные устройства, вентиляторы, дымососы, пылеулавливатели. Вращающиеся печи делятся на два типа – для сухого и мокрого способов производства.

Вращающийся барабан сварен из стальных обечаек, зона обжига барабанной печи облицована внутри огнеупорной футеровкой, за счет чего снижается температура воздействия на металлические сварные кольца. Барабан печи расположен под небольшим уклоном и совершает вращательные движения вокруг продольной оси с частотой от 0,5 до 4 оборотов в минуту, с учётом производительности агрегата.

Если сухой метод производства цемента сравнивать с мокрым, то он считается более технологичным, современным и экономичным. Печное оборудование потребляют энергии на 30-40% меньше за счет того, что отсутствует одна из рабочих фаз — необходимость в испарении влаги клинкера.

Печную установку можно поделить на температурные зоны с разной функциональностью:

В зоне сушки поддерживается температура до 200°С, здесь из шлама испаряется излишняя влага.

В зоне подогрева, где температура варьируется в пределах 200 — 650°С происходит процесс дегидратации, в результате чего глинистый компонент обезвоживается, выгорают органические примеси.

В зоне декарбонизации поддерживается температурный режим от 650 до 1000°С. Здесь из вещества удаляется углерод путём разложения карбонатов кальция и магния, которые под воздействием температур переходят в оксиды этих химических элементов — СаО и МgO.

В зоне спекания клинкера при диапазоне температур 1300-1450°С активируется движение молекул в сырьевых компонентах и в веществе формируются минералы, которые влияют на конечные эксплуатационные свойства цемента. Повышение температуры обжига повышает интенсивность всех физико-химических процессов, которые претерпевают компоненты клинкера.

• Клинкерные минералы, образовавшиеся при обжиге, определяют свойства будущего портландцемента и оказывают следующее влияние:
• Алит или трехкальциевый силикат (С₃S) – основной минерал портландцемента отвечает за ускоренный набор начальной и марочной прочности;
• Белит или двухкальциевый силиката (С₂S) – отвечает за медленный набор прочности, в течение длительных сроков затвердевания;
• трехкальциевый алюминат (С₃А) – наиболее активный минерал, не обладает высокой прочностью, но в значительной степени влияет на ускорение набора начальной прочности;
• четырехкальциевый алюмоферрит (С₄АF) – отличается умеренной скоростью твердения и средним тепловыделением, его влияние на физико-химические свойства портландцемента не столь значительны, но минерал определяет цвет цемента. Чем выше содержание, тем интенсивнее цвет.

Вместе с полезными минералами при нагревании в клинкере образуются нежелательные компоненты, в основном оксиды: магния, калия, натрия. Побочные продукты попадают в клинкер и в результате сгорания топлива, допустимое количество неблагоприятных веществ может отразиться на свойствах цемента и экологической атмосфере на предприятии, поэтому содержание таких элементов нормируется и контролируется.

Далее клинкерную массу охлаждают в холодильном отделении до 100°С. После охлаждения клинкер поступает в крытые хранилища для сыпучих веществ, ожидая дальнейшей переработки.

Четвертая стадия. Помол клинкера и добавок

Заключительная рабочая стадия получения готового цемента — размол клинкера совместно с добавками или по отдельности с последующим смешиванием. Процесс полностью механический, его проводят в мельничных установках закрытого или открытого типа. От помола сырьевых компонентов на стадии подготовки, этот процесс отличается тем, что клинкер значительно твёрже, к тому же конечная фракция цементного зерна должна иметь заданные критерии по составу и размеру. Конструкции клинкерных мельниц аналогичны тем, что применяют на стадии подготовки сырья.

Принцип работы помольного агрегата сводится к следующему:

• Клинкерный материал, обогащённый добавками транспортируется по ленте конвейера из силосов в мельницу.
• После помола материал высыпается в разгрузочную цапфу, затем поступает на элеватор. Цементную муку просеивают через сито с размером ячейки 0,08 мм, по процентному остатку определяют тонкость помола, остаток непросеянного цемента должен быть не более 15%.
• Элеватор переносит перемолотый клинкер в сепаратор центробежной силы, где разделяется на муку и крупу по размеру фракций. Тонкий помол считается готовым продуктом, крупу отправляют на вторичный помол в мельницу.
• Двухкамерные пневматические насосы переносят готовый цемент по трубопроводу на склад сыпучих материалов. Камеры работают попеременно. Если в правую поступает цемент, то из левой сжатым воздухом выталкивается пылевоздушная смесь. Для улучшения аэрации цементной муки в части усечённого конуса установлены пористые перегородки, через которые подается сжатый воздух. Камеры оснащены манометрами, что позволяет контролировать давление сжатого воздуха.

На современных технологических линиях помол осуществляют методом замкнутого цикла, что позволяет добиться высокого качества портландцемента со стабильными физико-химическими свойствами. При использовании такой схемы после сепаратора выходит цементная мука с заданными характеристиками. Это положительно влияет на энергосберегающий ресурс промышленного производства. Высокотехнологичные помольные агрегаты с автоматическим управлением оснащены контрольными измерителями.

Размолоспособность клинкера зависит не только от способа обжига, но и от состава клинкерных минералов. Клинкер, полученный в шахтной печи, имеет более пористую структуру и легче перемалывается. Коэффициент размолоспособности у такого клинкера 1,25. Коэффициент у клинкера, полученного во вращающейся печи равен 1. Чем выше этот показатель, тем выше КПД мельничного агрегата и ниже энергозатраты.

Некоторые производственные линии c мельницами открытого цикла не используют в схеме сепаратор. На таких линиях цемент отправляется в хранилище сразу после мельничного агрегата. Качество такого цемента ниже.

До отгрузки потребителю готовый цемент хранится на силосных складах. Конструктивно современные силосы устроены в виде обратного усечённого конуса из железобетона или металла.

Анализ применяемых технологий позволяет сделать вывод, что наиболее технологичным и современным считается сухой метод. Именно такие технологии использует LafargeHolcim на своих цементных заводах. Помимо получения продукции с высокими эксплуатационными характеристиками и физико-химическими свойствам, данный метод позволяет значительно снизить расходы потребляемого топлива, сократить не менее 40 % объема газовых выбросов печной переработки, сократить потребление пресной воды и при этом с 1 м³ печи получить большее количество клинкера.