|
Производство вяжущих веществ (за
исключением «пушонки») невозможно без тонкого измельчения материалов, в
значительной степени предопределяющего свойства вяжущих веществ. Измельчению
подвергаются продукты обжига в чистом виде или с различными добавками. Одни
добавки регулируют сроки схватывания, другие — облегчают помол или придают
вяжущему специальные свойства. Вводят и добавки-наполнители.
Тонкость помола вяжущих характеризуется остатками в
процентах по массе на ситах с размерами ячеек в свету 0,2 и 0,08 мм. Этн сита имеют номера 02 и 008. Можно судить о тонкости измельчения вяжущих по удельной
поверхности порошка (см2/г). Определяют удельную поверхность на приборах
конструкции В. В. Товарова, ПСХ, Ф. Ли, Р. Блейна и рассчитывают с помощью
специальных формул.
Тонкость помола гипсового вяжущего характеризуется
остатком на сите № 02 не более 10—12 %. Негашеная известь измельчается более
тонко. Остаток ее на сите № 02 близок к нулю, а на сите № 008 составляет 4—6
% • Это соответствует удельной поверхности 3500— 5000 см2/г. Портландцементы
измельчают до тонкости порошка, остаток которого на сите № 008 8—10 %. Для
быстротвердеющих цементов остаток «4 %. Удельная поверхность при этом равна
3500—4500см2/г и более.
Степень измельчения (тонкость помола)—одна из основных
характеристик вяжущего. При этом следует учитывать гранулометрический состав
и форму отдельных частиц порошка. На рост прочности цемента, например, в
первые сутки твердения решающее значение оказывают частицы размером 0—5мкм. В
3- и 7-суточном возрасте на прочность влияет фракция цемента 5—Юмкм, а
фракция 10—20 мкм предопределяет прочность в 28-су- точном возрасте и более.
Наиболее рациональным гранулометрическим составом, с точки
зрения скорости твердения и равномерного набора прочности, принято считать
следующий: частиц менее 5 мкм — не более 20%, 5—20 мкм — 40—45 %, 20—40 мкм
—20—25 %; крупнее 40 мкм —15—20%.
Вяжущие с большей удельной поверхностью быстрее твердеют и
приобретают большую прочность. Однако чрезмерное измельчение может снизить
прочностные качества. Портландцемент с удельной поверхностью более 7000—8000см2/г
имеет меньшие прочность и морозостойкость. Объясняется это повышенной
водопотребностью тонкомолотых цементов, что сопровождается не только
снижением прочности, но и увеличением усадочных деформаций. Ускорение сроков
схватывания и твердения тонкоизмельченных цементов увеличивает
тепловыделение, что не всегда желательно. Эти цементы в большей степени
подвержены падению активности при хранении, так как интенсивно поглощают
влагу и углекислоту из окружающей атмосферы. Чрезмерное измельчение нередко
приводит к агрегированию мельчайших частиц.
Измельчают вяжущие обычно в трубных мельницах. Помол —
энергоемкая технологическая операция. Расход электроэнергии на 1 т
размолотого материала, кВт-ч: для мела и глины 9—14; известняка 15—20;
кварцевого песка 43; трепела и опоки 19; гранулированного доменного шлака 31;
гипса 15—20; извести 15—25; клинкера вращающихся печей 35—40; клинкера
шахтных печей 19—21. На тонкое измельчение цемента тратится примерно 60 %
всей электроэнергии, расходуемой на его производство.
Между длительностью измельчения и тонкостью помола не
существует прямой зависимости. С определенного момента продолжительность
измельчения не дает заметного увеличения тонкости помола, а расход
электроэнергии начинает опережать прирост измельчения. Уменьшение остатка на
сите № 008 с 8—12 % на каждый 1 % сопровождается увеличением расхода
электроэнергии на 4—6 %, а производительность мельницы снижается на 3—5 %.
Поэтому тонкость помола портландцемента ограничивают остатком на сите № 008
не более 8— 12 %.
С точки зрения технико-экономических показателей тонкость
помола целесообразно повышать путем использования более эффективных помольных
агрегатов, совершенных технологических схем и специальных добавок,
интенсифицирующих помол. К таким добавкам относятся СДБ, петролатум,
мылонафт, триэтаноламин, уголь и другие вещества- Вводят их в количестве
0,5—0,02 % по массе цемента.
Удельный расход электроэнергии и эффективность работы
мельниц зависят не только от тонкости измельчения, но и от
физико-механических свойств размалываемых материалов, крупности загружаемых в
мельницу кусков, влажности материала, температуры и других факторов.
Подвергаемые измельчению продукты обжига характеризуются
разной микроструктурой,которая, в своюоче- редь, зависит от режима обжига и
охлаждения. Эти материалы отличаются не только повышенной твердостью, но и
хрупкостью. Предел прочности при растяжении у них примерно в 4 раза ниже
предела прочности при сжатии. Из-за различия в микроструктуре и прочности
такие материалы требуют разного количества энергии на измельчение, т. е.
размалываемость у них различная.
Для оценки способности материалов к измельчению используют
коэффициент размалываемости К' K = tK Дм, где — время, затрачиваемое на
измельчение кварца до определенной тонкости помола; /м — время, затрачиваемое
на измельчение испытываемого материала до той же тонкости помола в той же
помольной установке. Коэффициент размалываемости клинкера вращающихся печей
равен 0,67—1,41.
При измельчении вяжущих веществ размалываемость материалов
принято оценивать по отношению к клинкеру, коэффициент размалываемости
которого принимают за единицу. В этом случае коэффициент размалываемости
кварцевого песка 0,6—0,7; гранулированного шлака — 0,8—1,1; известняка —
1,2—1,8; опоки — 1,3—1,4. Материал с высоким коэффициентом размалываемости
измельчается быстрее и с меньшими энергозатратами, а производительность
мельницы выше.
Степень и время измельчения материала зависят также от
крупности кусков, поступающих в мельницу. Уменьшение диаметра кусков
значительно сокращает время помола и расход электроэнергии. Так, при переходе
на помол с фракции 25 мм на 10 мм производительность мельницы увеличивается
на 25 %. Наиболее рационален переход на помол крупки диаметром 3—5 мм, при
этом производительность мельниц возрастает почти на 40 %.
Для получения материала нужной крупности вначале
используют дробилки, затем шаровые мельницы больших диаметров, а также
стержневые мельницы без мелющих тел (самоизмельчения). Такое двухстадийное
измельчение позволяет получать тонкий порошок с наименьшими энергозатратами.
Помол по такой схеме будет более экономичным только при правильном назначении
размера кусков, выходящих из мельницы (дробилки) первой ступени. Установлена
определенная крупность дробления для каждого вида мельниц, соответствующая минимальному
расходу энергии на дробление и помол.
На размалываемость клинкера оказывают влияние скорость его
охлаждения и температура, с которой он подается на помол. Быстроохлажденный
клинкер размалывается труднее, так как в нем много клинкерного стекла, как и
клинкер с повышенным содержанием двух- кальциевого силиката, у которого менее
хрупкие кристаллы.
При помоле вследствие трения большого количества мелющих
тел в мельнице резко повышается температура, что отрицательно сказывается на
производительности помольной установки. При этом возрастает расход
электроэнергии. Так, при помоле клинкера до удельной поверхности 2500см2/г
при 40 °С затрачивается 24 кВт-ч/т, а при 150°С — 39 кВт -ч/т. Снизить
температуру внутри мельницы можно впрыскиванием в последнюю камеру 0,5—1 %
воды по массе цемента. Кроме того, эффективным приемом снижения температуры в
мельнице служит интенсивная аспирация (просасывание воздуха через мельницу).
Для этого достаточно около 300м3 воздуха на 1 т цемента. Аспирация не только
снижает температуру, но и способствует извлечению тонких фракций
измельчаемого материала из мельницы, что увеличивает ее производительность.
Мельчайшие частицы склонны к налипанию на мелющие тела
(шары и цильпебсы), а также к агрегированию вследствие электростатических и
поверхностных явлений. Образование тонких слоев цементной пыли на мелющих
телах резко снижает процесс измельчения. Уменьшить образование экранирующих
пленок из мельчайших частиц на шарах и цильпебсах и предотвратить их
агрегирование можно увеличением электропроводности воздушной среды в
мельнице. Для этого на помол следует направлять не абсолютно сухие смеси, а с
влажностью 1 —1,25 %. Одновременно с распыляющей водой вводят электролиты или
органические кислоты. Полезно применение ПАВ, так как они предотвращают
налипание пыли на мелющие тела, уменьшают агрегирование частиц, и увеличивают
текучесть материала в мельнице.
Конструктивные особенности и схемы работы мельниц. Для
измельчения вяжущих веществ применяют несколько типов мельниц: шаровые и
трубные, шахтные и вибрационные, стержневые и самоизмельчения, роликовые и
центробежные и т. д. Они отличаются конструктивными особенностями, различными
технико-экономическими показателями и назначением.
Наиболее распространены трубные мельницы. Материал в них
измельчается под действием мелющих тел. Эти мельницы достаточно просты по
конструкции и надежны в эксплуатации. Их широко применяют при измельчении
клинкера, гипса, извести, бесклинкерных и высокообжиговых вяжущих ( 2.2).
Горизонтально установленный стальной барабан, футерованный
изнутри бронеплитами, загружается на 25— 30 % по объему металлическими шарами
и цилиндриками (цильпебсами). При вращении шары и цилиндрики разрушают
материал, превращая куски в порошок. Изменяя скорость вращения барабана
мельницы, можно регулировать режим ее работы. При малой скорости мельница
работает в каскадном, а при большой — в водопадном режимах.
При каскадном режиме мелющие тела перекатываются и
материал измельчается в результате раздавливающих и перетирающих усилий. При
больших скоростях вращения барабана мельницы шары поднимаются вместе с
корпусом барабана до определенной высоты и падают вниз, а куски материала
измельчаются под действием ударных усилий.
В трубных мельницах измельчение происходит как за
счет дробления (раздавливания) свободно падающих мелющих
тел, так и за счет истирания.
Для предохранения корпуса от преждевременного износа и
интенсификации помола внутреннюю поверхность мельницы покрывают (футеруют)
стальными и чугунными плитами, имеющими различную конфигурацию. Крепят плиты
к корпусу с помощью болтов.
Как было отмечено, измельчение материала зависит от высоты
подъема шаров. Изменяя конструкцию броне- плит, можно при одной и той же
скорости вращения барабана добиться увеличения высоты подъема шаров. Для
этого гладкие бронеплиты заменяют на ступенчатые, волнистые, каблучковые и
т.д. ( 2.3). Наиболее эффективны каблучковые бронеплиты. Использование их
вместо гладких плит позволяет увеличить производительность мельницы на 20 %
при снижении расхода электроэнергии. В некоторых случаях используют резиновую
футеровку. Это снижает массу футеровки и шум при помоле, но резко увеличивает
износостойкость футеровки. Изнашивается не только футеровка, но и сами
мелющие тела, перегрузку и сортировку которых необходимо производить через
1800—2000 ч работы мельницы.
Разрушение материала, а затем его тонкое измельчение
происходит под действием ударов мелющих тел. На первом этапе необходимо
разрушить крупные и твердые куски. Для этого целесообразно дробление
материала крупными мелющими телами — шарами. Более мелкие частицы не требуют
воздействия крупных шаров, для них необходимо большее число ударов, поэтому
мелющие тела должны быть меньшего размера. И наконец, для получения тонкого
порошка мелкую крупку следует истирать. Эту задачу решают использованием
цильпебсов.
В связи с этим внутренний объем мельницы разделяют
дырчатыми перегородками на два, три и четыре отсека. Каждый отсек (камеру)
загружают мелющими телами строго определенного размера. Первая по ходу
продвижения материала камера заполняется крупными шарами диаметром 60—120 мм
(в зависимости от крупности размалываемого материала). Вторая камера
загружается шарами диаметром 40—60 мм; третья — шарами диаметром 20—30 мм или
цильпебсами 20—25 мм; четвертая — мелкими цилиндриками 15—20 мм. Масса шаров
в мельнице составляет около 80 % всей массы мелющих тел. Однако эффективность
помола зависит не только от массы мелющих тел, но и от правильного
соотношения их, и от степени заполнения ими объема отдельных камер мельницы.
Камера грубого измельчения должна заполняться по объему на
30—35 %; среднего измельчения — на 25—30 и тонкого — на 24—30 %.
Для лучшего заполнения объема камеры в нее загружают шары
(цильпебсы), несколько различающиеся по диаметру. Во время работы мельницы
мелющие тела рассредоточиваются по длине в зависимости от размеров. Более
крупные перемещаются к выходному концу, а это противоречит главному условию —
крупные шары должны располагаться у входного конца- Исправляют этот
недостаток применением бронеплит ступенчатого профиля. Бронеплиты такой
конфигурации распределяют мелющие тела так, что крупные шары оказываются у
входа, а мел
кие — у выхода камеры (мельницы). Этот прием увеличивает
производительность мельницы на 5—7 %•
При работе шаровых и трубных мельниц энергия мелющих тел,
масса которых достигает порой 100 т и более, переходит в основном в теплоту
(до 90 %). Разогрев мельницы и материала отрицательно сказывается на
производительности. И только в случае мокрого помола, когда теплота
отбирается водой, присутствующей в мельнице, снижения производительности не
наблюдается.
Просасывание холодного воздуха через мельницу, а также
впрыскивание воды в последнюю камеру ие только интенсифицируют процесс
помола, но и способствует созданию в помольном отделении нормальных
санитарно-гигиенических условий: снижается температура, уменьшается
запыленность воздушного пространства цеха.
Производительность трубной мельницы зависит от многих
факторов: твердости и влажности материала, размера загружаемых кусков,
степени заполнения объема мельничного пространства материалом, ассортимента
мелющих тел и степени заполнения ими объема мельницы, температуры и
интенсивности аспирации, частоты вращения барабана,типа бронеплит,
адсорбционных свойств среды и т. д.
Схемы измельчения. Измельчение материалов производят по
открытому и замкнутому циклу, по сухому и мокрому способу, совмещают помол с
одновременном сушкой материала в мельнице. Тонкое измельчение по открытому
способу предусматривает однократное прохождение материала через мельницу, а
по замкнутому — сепарацию порошка и возвращение на домол крупных частиц. В
настоящее время более распространен открытый способ измельчения из-за
простоты помольной уста-
новки, ее надежности в эксплуатации и возможности автоматизации
всего процесса измельчения.
Помол гипса, извести или бесклинкерных вяжущих по
открытому циклу проводят в одно- или двухкамерных мельницах, а клинкера — в
многокамерных. Открытый цикл успешно используют и при мокром помоле. Мокрым
способом обычно измельчают материалы с высокой естественной влажностью,
мягкие и легко распускаемые в воде (мел, глина и др.). Для этого используют
болтушки, мельницы: «Гидрофол», трубные. установка по приготовлению шлама.
Глиняная масса из глиноболтушки 1 подается насосом 2 в гидроциклон 3, где
тонкодисперсная фракция, не требующая измельчения, по трубопроводу 5
поступает в приемник 6. Крупная же фракция из гидроциклона проходит в
мельницу 4, а после помола — в приемник 6, откуда насосом 7 по трубопроводам
направляется в шламовые бассейны.
По технологической схеме сухого помола портландцемента по
открытому циклу ( 2.5) предварительно раздробленные клинкер, гипс и активная
минеральная добавка поступают в расходные бункера перед мельницей. При
необходимости добавку предварительно сушат в сушильном барабане до влажности
1—2 %. После дозирования тарельчатыми питателями компоненты сырьевой смеси
направляются в мельницу. Тонкая фракция порошка через пылеосадительную
систему (циклоны, электрофильтр) поступает в расходный бункер цемента 18.
Основная же масса цемента, пройдя аспирационную шахту 14, попадает в
расходный бункер, откуда пневмовин- товым насосом по системе трубопроводов
подается на склад готовой продукции в силосы.
Привлекая своей простотой, помольные установки такого типа
не позволяют получать продукт с однородными по размеру частицами. Клинкер,
гипс и минеральная добавка различны по прочности и размалываемости. Поэтому в
конечном продукте эти компоненты имеют различную тонкость помола. Это
обстоятельство особенно проявляется при получении высокомарочных и
быстротвер- деющих цементов, имеющих удельную поверхность более 3500 см2/г.
При работе мельницы по открытому способу получение цемента с удельной
поверхностью 4000— 5000см2/г сопровождается резким снижением
производительности.
Чрезмерное измельчение более мягких компонентов и
налипание их на мелющие тела не только снижает производительность мельницы,
но и затрудняет измельчение клинкерных частиц, а также увеличивает расход
электроэнергии. Исключить эти негативные явления можно использованием
мельниц, работающих по замкнутому циклу с сепаратором ( 2.6). Клинкер, гипс и
добавка из бункеров 1 по конвейеру 2 поступают в двухкамерную трубную
мельницу 3. Измельченный в первой камере материал через разгрузочное
устройство аэрожелобом 16, элеватором 8 и желобами 7 подается в сепараторы 6.
После разделения крупные частицы с помощью аэрожелобов 4, 5 и 15 поступают в
мельницу на вторичное доиз- мельчение. Тонкие же фракции из сепараторов по
аэрожелобу 13 попадают в пневмонагнетатель 14 и далее по системе
трубопроводов на склад. Аспирационный воздух через шахту 9, циклоны 12,
электрофильтр 11 и вентилятор 10 выбрасывается в атмосферу. Задержанные в
циклонах и электрофильтре тонкие частицы цемента направляются в
пневмонагнетатель. Установка может работать и в открытом цикле. Тогда часть
материала, пройдя первую и вторую камеры, попадает в пневмонагнетатель 14, а
часть его, пройдя пылеосадительную систему и пневматический нагнетатель 14,
подается на склад.
Трубные мельницы отличаются низким коэффициентом
полезного действия (5—10 %). Энергия в них расходуется неэффективно.
Заслуживают внимания мельницы, в которых совмещены
дробление и помол. Измельчение материала в них происходит не за счет энергии
мелющих тел, а путем самоизмельчения ( 2-7). При вращении барабана куски
ударяются друг о друга, о зубцы и бронеплиты, дробятся и измельчаются.
Желательно внутрь барабана вводить стальные шары (не более 6 % внутреннего
объема мельницы). Вращается барабан с большой скоростью. Диаметр мельницы 7—9
м, а отношение длины к диаметру примерно 0,3. В такой барабан можно загружать
куски большого диаметра. Для известняка, например, размер кусков может быть
350—450 мм, а для мела — 500— 580 мм. Работает мельница в замкнутом цикле с
воздушно-проходным сепаратором. Если материал имеет влажность 10—12 %, то
вместо воздуха в мельницу подают горячие газы. По сравнению с шаровыми
трубными мельницами себестоимость помола меньше на 20—25 %.
Мельницы самоизмельчения можно использовать для сухого
помола («Аэрофол») и для мокрого («Гидрофол»). Недостаток этих мельниц —
невозможность получения порошка тонкого помола при переработке твердого
сырья.
Для измельчения твердых пород на цементных заводах успешно
используют валковые мельницы- Мягкие, слабые и породы средней прочности
измельчают в роли- ково-маятниковых мельницах. Роликово-маятниковые мельницы
экономичнее трубных. В них можно измельчать даже влажный (до 15 %) материал.
Существенным преимуществом этих мельниц является то, что в них можно
загружать куски размером до 125 мм. Эти мельницы компактны и уровень шума от
них меньше, чем от шаровых. Однако роликовые мельницы более капиталоемки
вследствие быстрого износа роликов.
В промышленности вяжущих материалов широкое применение
получили шахтные мельницы ( 2.8). Их часто используют при помоле извести и
гипса. В последнем случае гипсовый камень одновременно подсушивается горячими
газами с температурой до 400°С. Гипс в виде крупки 5—30 мм через загрузочное
устройство, расположенное выше камеры измельчения /, попадает на ротор с
билами 5, где происходит помол. Вал 6 вращается со скоростью « 1000 об/мин.
Горячие газы из топок варочных котлов, проходя через патрубки 3 и боковые
каналы 2, подхватывают мелкие частицы и уносят их в верх шахты 4 — в циклоны.
Скорость потока газов 4—6 м/с. Крупные частицы, которые не уносятся газами,
измельчаются до более мелких размеров.
Измельчение материала (цемента грубого помола и других
порошков) до высоких показателей удельной поверхности осуществляют в
вибромельницах. Но вибромельницы периодического действия малы по объему.
Производительность их не превышает 600 кг/ч при большом потреблении
электроэнергии. Эти обстоятельства препятствуют их широкому распространению.
Представляют интерес противоструйные мельницы ( 2.9).
Измельчение в них осуществляется без мелющих тел вследствие соударения частиц
во встречных вихревых потоках. Материал из бункера 2 попадает в разгонные
трубки, подхватывается сжатым воздухом, подаваемым по трубкам 3 к 10, и
выносится в помольную камеру 5. Происходит интенсивное измельчение и тонкие
частицы в потоке воздуха выносятся по трубе 6 в сепаратор.
Струйные мельницы практически не пылят и бесшумны.
Отсутствие мелющих тел и вращающихся деталей обеспечивает высокую
эксплуатационную надежность этих мельниц.
|