Цементная мельница (или финишная мельница в североамериканском использовании [1] ) — это оборудование, используемое для измельчения твердого, комковатого клинкера из цементной печи в мелкий серый порошок, который является цементом . Большая часть цемента в настоящее время измельчается в шаровых мельницах , а также в вертикальных валковых мельницах, которые более эффективны, чем шаровые мельницы.
Ранние гидравлические цементы, такие как цементы Джеймса Паркера , Джеймса Фроста и Джозефа Аспдина, были относительно мягкими и легко измельчались примитивной технологией того времени с использованием плоских жерновов . Появление портландцемента в 1840-х годах значительно затруднило измельчение, поскольку клинкер, производимый печью, часто был таким же твердым, как и материал жерновов. Из-за этого цемент продолжали измельчать очень грубо (обычно 20% более диаметра частиц 100 мкм), пока не стали доступны более совершенные технологии измельчения. Помимо производства нереактивного цемента с медленным ростом прочности, это усугубило проблему несостоятельности. Это позднее, разрушительное расширение вызвано гидратацией крупных частиц оксида кальция . Тонкое измельчение уменьшает этот эффект, и ранние цементы приходилось хранить в течение нескольких месяцев, чтобы дать оксиду кальция время гидратироваться, прежде чем он станет пригодным для продажи. Начиная с 1885 года, развитие специализированной стали привело к разработке новых форм шлифовального оборудования, и с этого момента типичная тонкость помола цемента начала неуклонно расти. Постепенное снижение доли более крупных, нереакционноспособных частиц цемента частично ответственно за четырехкратное увеличение прочности портландцемента в течение двадцатого века. [2] Недавняя история технологии была в основном связана с сокращением потребления энергии в процессе шлифования.
Портландский клинкер является основным компонентом большинства цементов. В портландцемент добавляется немного сульфата кальция (обычно 3-10%) для замедления гидратации трикальциевого алюмината . Сульфат кальция может состоять из природного гипса , ангидрида или синтетических отходов, таких как гипс для десульфурации дымовых газов . Кроме того, может быть добавлено до 5% карбоната кальция и до 1% других минералов. Нормально добавлять определенное количество воды и небольшие количества органических шлифовальных добавок и усилителей производительности. «Смешанные цементы» и кладочные цементы могут включать большие добавки (до 40%) природных пуццоланов , летучей золы , известняка , кремнеземной пыли или метакаолина . Шлаковый цемент доменной печи может включать до 70% измельченного гранулированного доменного шлака . См. цемент . Гипс и карбонат кальция являются относительно мягкими минералами и быстро измельчаются до сверхтонких частиц. Добавки для измельчения обычно представляют собой химикаты, добавляемые в количестве 0,01–0,03%, которые покрывают новообразованные поверхности измельченных минеральных частиц и предотвращают повторную агломерацию. [3] К ним относятся 1,2-пропандиол , уксусная кислота , триэтаноламин и лигносульфонаты .
Тепло , выделяющееся в процессе измельчения, заставляет гипс (CaSO4.2H2O ) терять воду, образуя бассанит (CaSO4.0.2-0.7H2O ) или γ-ангидрит (CaSO4 . ~ 0.05H2O ) . Последние минералы быстро растворяются, и для контроля гидратации трикальцийалюмината требуется около 2% из них в цементе . Если образуется больше этого количества, кристаллизация гипса при их повторной гидратации вызывает «ложное схватывание» — внезапное загустение цементной смеси через несколько минут после смешивания, которая разжижается при повторном смешивании. Это вызывает высокая температура помола. С другой стороны, если температура помола слишком низкая, доступно недостаточно быстрорастворимого сульфата, и это вызывает «мгновенное схватывание» — необратимое затвердевание смеси. Для получения оптимального количества быстрорастворимого сульфата требуется помол при температуре на выходе из мельницы в пределах нескольких градусов от 115 °C. Если система измельчения слишком горячая, некоторые производители используют 2,5% гипса, а оставшийся сульфат кальция — природный α-ангидрит (CaSO4 ) . Полная дегидратация этой смеси дает оптимальный 2% γ-ангидрит. В случае некоторых эффективных современных мельниц вырабатывается недостаточно тепла. Это исправляется путем рециркуляции части горячего отработанного воздуха на входе мельницы.
Шаровая мельница представляет собой горизонтальный цилиндр, частично заполненный стальными шарами (или иногда другими формами), который вращается вокруг своей оси, придавая шарам опрокидывающее и каскадное действие. Материал, подаваемый через мельницу, дробится ударом и измельчается путем трения между шарами. Мелющие тела обычно изготавливаются из высокохромистой стали . Более мелкие сорта иногда имеют цилиндрическую («пэбс»), а не сферическую форму. Существует скорость вращения («критическая скорость»), при которой содержимое мельницы просто скатывается по крыше мельницы из-за центробежного действия. Критическая скорость (об/мин) определяется по формуле: n C = 42,29/ √ d , где d — внутренний диаметр в метрах. Шаровые мельницы обычно работают примерно на 75% от критической скорости, поэтому мельница диаметром 5 метров будет вращаться со скоростью около 14 об/мин.
Мельница обычно разделена как минимум на две камеры (хотя это зависит от размера исходного сырья — мельницы, включая роликовый пресс, в основном однокамерные), что позволяет использовать различные размеры мелющих тел. На входе используются большие шары для дробления клинкерных конкреций (которые могут быть более 25 мм в диаметре). Диаметр шаров здесь находится в диапазоне 60–80 мм. В двухкамерной мельнице среда во второй камере обычно находится в диапазоне 15–40 мм, хотя иногда встречаются среды размером до 5 мм. Как правило, размер среды должен соответствовать размеру измельчаемого материала: большая среда не может производить сверхтонкие частицы, необходимые в готовом цементе, а маленькая среда не может измельчать крупные частицы клинкера. Когда-то использовались мельницы с четырьмя камерами, что позволяло плотно разделять размеры сред, но сейчас это становится редкостью. Альтернативами многокамерным мельницам являются:
Через мельницу проходит поток воздуха. Это помогает поддерживать мельницу в прохладном состоянии и выметает испарившуюся влагу, которая в противном случае могла бы вызвать гидратацию и нарушить поток материала. Пыльный отработанный воздух очищается, как правило, с помощью рукавных фильтров .
Эффективность ранних стадий измельчения в шаровой мельнице намного выше, чем при образовании сверхтонких частиц, поэтому шаровые мельницы работают наиболее эффективно, производя грубый продукт, мелкие фракции которого затем отделяются, а грубая часть возвращается на вход мельницы. Доля материала на выходе мельницы, возвращаемого на вход, может варьироваться от 10-30% при измельчении обычного цемента до 85-95% для особо тонких цементных продуктов. Для эффективности системы важно, чтобы на вход возвращалось минимальное количество материала с тонкостью готового продукта. Современные сепараторы способны производить очень точную «нарезку» и вносят значительный вклад в снижение энергопотребления, а также имеют дополнительное преимущество в том, что они охлаждают как продукт, так и возвращаемый материал, тем самым сводя к минимуму перегрев.
Эффективные системы замкнутого цикла, благодаря жесткому контролю размера частиц, приводят к цементам с относительно узким распределением размеров частиц (т. е. для заданного среднего размера частиц они имеют меньше крупных и мелких частиц). Это преимущество в том, что оно максимизирует потенциал прочности клинкера, поскольку крупные частицы инертны. Как правило, только внешняя 7 мкм «кожица» каждой частицы гидратируется в бетоне, поэтому любая частица диаметром более 14 мкм всегда оставляет непрореагировавшее ядро. Однако отсутствие сверхтонких частиц может быть недостатком. Эти частицы обычно заполняют пространство между более крупными частицами в цементном тесте, и при их отсутствии дефицит восполняется дополнительной водой, что приводит к снижению прочности. Это можно исправить, включив в цемент 5% карбоната кальция : этот мягкий минерал производит достаточно сверхтонких частиц при первом проходе через мельницу.
Твердость клинкера важна для энергозатрат процесса измельчения. Она зависит как от минерального состава клинкера, так и от его термической истории. Самый легко измельчаемый клинкерный минерал — алит , поэтому клинкеры с высоким содержанием алита снижают затраты на измельчение, хотя их изготовление в печи обходится дороже. Самый прочный минерал — белит , потому что он тверже и несколько пластичен, поэтому кристаллы имеют тенденцию расплющиваться, а не разбиваться при ударе в мельнице. Режим обжига клинкера также важен. Клинкер, быстро обожженный при минимальной температуре для объединения, а затем быстро охлажденный, содержит мелкие дефектные кристаллы, которые легко измельчаются. Эти кристаллы обычно также оптимальны для реакционной способности. С другой стороны, длительное обжигание при избыточной температуре и медленное охлаждение приводят к крупным, хорошо сформированным кристаллам, которые трудно измельчать и которые не являются реакционноспособными. Эффект такого клинкера может заключаться в удвоении затрат на измельчение.
Они использовались в течение многих лет для менее точного процесса измельчения сырья, но в последнее время валковые мельницы в сочетании с высокоэффективными сепараторами используются для измельчения цемента. Действие измельчения использует гораздо большую нагрузку на материал, чем в шаровой мельнице, и поэтому является более эффективным. Потребление энергии обычно вдвое меньше, чем у шаровой мельницы. Однако узкое распределение размеров частиц цемента является проблематичным, и этот процесс еще не получил широкого распространения.
Они состоят из пары роликов, установленных на расстоянии 8–30 мм друг от друга и вращающихся в противоположных направлениях со скоростью поверхности около 0,9 - 1,8 м·с −1 . Подшипники роликов рассчитаны на давление 50 МПа или более. Слой материала, протянутый между роликами, появляется в виде пластинчатой агломерации сильно раздробленных частиц. Энергоэффективность этого процесса сравнительно высока. Были разработаны системы, включающие деагломератор и сепаратор, которые будут поставлять материал с тонкостью цемента. Однако распределение размеров частиц снова является проблемой, и валковые прессы в настоящее время становятся все более популярными в качестве процесса «предварительного измельчения», при этом цемент обрабатывается в однокамерной шаровой мельнице. Это обеспечивает хорошую производительность цемента и снижает потребление энергии на 20–40 % по сравнению со стандартной системой шаровой мельницы.
Цементные мельницы на цементном заводе обычно рассчитаны на потребление клинкера, значительно превышающее производительность печей завода. Это происходит по двум причинам:
Помимо контроля температуры (упомянутого выше), основным требованием является получение постоянной тонкости помола продукта. С самых ранних времен тонкость измерялась путем просеивания цемента. По мере того, как цементы становились тоньше, использование сит стало менее применимым, но количество, удерживаемое на сите 45 мкм, по-прежнему измеряется, обычно путем просеивания струей воздуха или мокрого просеивания. Количество, проходящее через это сито (обычно 95% в современных цементах общего назначения), связано с общим потенциалом развития прочности цемента, поскольку более крупные частицы по существу нереакционноспособны.
Сегодня основной мерой тонкости является удельная поверхность . Поскольку частицы цемента реагируют с водой на своей поверхности, удельная площадь поверхности напрямую связана с начальной реакционной способностью цемента. Регулируя тонкость помола, производитель может производить ряд продуктов из одного клинкера. Жесткий контроль тонкости необходим для получения цемента с желаемой постоянной ежедневной производительностью, поэтому круглосуточные измерения проводятся на цементе по мере его производства, а скорости подачи мельницы и настройки сепаратора регулируются для поддержания постоянной удельной поверхности.
Более полную картину тонкости дает анализ размера частиц , дающий меру количества каждого диапазона размеров, от субмикрометра и выше. Раньше это был в основном исследовательский инструмент, но с появлением дешевых промышленных лазерных дифракционных анализаторов его использование для рутинного контроля становится все более частым. Это может быть настольный анализатор, снабжаемый автоматически собранными образцами в роботизированной лаборатории, или, все чаще, приборы, присоединенные непосредственно к выходным каналам мельницы. В любом случае результаты могут быть напрямую введены в систему управления мельницей, что позволяет полностью автоматизировать контроль тонкости.
Помимо тонкости, необходимо контролировать добавленные материалы в цемент. В случае добавления гипса используемый материал часто имеет переменное качество, и обычной практикой является регулярное измерение содержания сульфата в цементе, как правило, с помощью рентгеновской флуоресценции , используя результаты для корректировки скорости подачи гипса. Опять же, этот процесс часто полностью автоматизирован. Аналогичные протоколы измерения и контроля применяются к другим добавляемым материалам, таким как известняк, шлак и летучая зола.