Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Как уже отмечалось, для помола клинкера с добавками применяют почти исключительно шаровые мельницы производительностью до 50—100 т/ч и более. Клинкер размалывают по открытому или замкнутому циклу с применением одностадийного, а иногда и двухстадийкого измельчения.

Длина шаровых мельниц, работающих по открытому циклу и называемых трубными, в несколько раз превышает их диаметр (в 4—5 раз). На заводах применяют мельницы размерами 4X13,5, 3,2X15, 2,6X13 м и др. Их производительность при помоле клинкера до остатка 8—10% на сите № 008 достигает соответственно 90, 50, 25 т/ч. Первые две мельницы могут переключаться также на работу в замкнутом цикле с сепаратором. Приводятся они во вращение двигателями мощностью соответственно 3200, 2000 и 1000 кВт. Трубные мельницы разделяют по длине дырчатыми перегородками на две, три и более камер.

В многокамерные мельницы загружают шары нескольких размеров и цильпебс (цилиндрики) одного или двух размеров. При этом необходимо соответствие между удельной поверхностью мелющих тел и размалываемого материала во всех камерах. В первую камеру, где дробятся крупные зерна, помещают обычно более крупные стальные шары диаметром 60—120 мм (в зависимости от размера зерен поступающего клинкера). Вторую камеру заполняют шарами размером 40—60 мм, а третью — мелкими шарами 20—30 мм или цильпебсом размером 20—25 мм.

Большое влияние на производительность мельниц оказывает степень заполнения камер мелющими телами. Обычно камеру грубого измельчения заполняют на 26— 32, среднего — на 26—30 и тонкого — на 24—30 %. Однако правильность подбора мелющих тел и степень наполнения при помоле тех или иных материалов должны проверяться по эффективности работы мельницы (часовая производительность ее при заданной тонкости помола и удельный расход электроэнергии). Рациональность ассортимента мелющих тел и степени заполнения контролируют по диаграммам помола ( 32), которые строят по результатам просеивания проб, отобранных вдоль камер мельницы, через сита № 008, 021, 05, а также более крупные. Расход мелющих тел при помоле известняка и клинкера вращающихся печей составляет ориентировочно 0,8 кг на 1 т продукта.

В шаровых мельницах с гладкими бронеплитами, загруженных шарами различного диаметра, мелющие тела во время работы расслаиваются тем больше, чем больше разница диаметров шаров. При этом более крупные шары скапливаются обычно у выходного конца той или иной камеры. Чтобы предотвратить это, мельницы футеруют сортирующими броневыми плитами. В этом случае барабан делят обычно на две камеры, причем камеры грубого и среднего измельчения объединяют в одну и загружают ее шарами различного диаметра. Сортирующие броневые плиты имеют ступенчатый профиль, благодаря чему внутри мельницы образуются конические кольца с углом подъема в сторону разгрузки материала, зависящим от диаметра шаров. Сортирующая конусно-ступенчатая футеровка обеспечивает непрерывную классификацию мелющих тел по длине мельницы, а также необходимую пропорциональность между размером мелющих тел и частицами измельчаемого материала. Для этой же цели используют бронефутеровку так называемого спирального типа.

В СССР применяют преимущественно конусно-ступенчатую кулачковую футеровку из специальной хромо-марганцевой стали. Расход такого металла составляет около 13 г на 1 т цемента при сроке службы более 4 лет.

Расход же обычной марганцовистой стали при гладкой футеровке достигает 100 г/т при сроке службы до 8—9 мес. Применение рациональных видов бронефуте-ровки позволяет увеличить производительность мельниц на 15—20%.

Значительное распространение получает резиновая футеровка мельниц. Ее стойкость против истирания в 3—4 раза выше по сравнению с футеровкой из марганцевой стали. При этом значительно уменьшается шум

При помоле материалов наблюдается значительное выделение теплоты, вызывающее    нагревание мелющих тел и материала до 120—150 °С и более, что резко отрицательно сказывается на производительности помольных установок. По данным С. М. Рояка и В. 3. Пироцкого, на   измельчение    клинкера   -до  удельной    поверхности 2500 см2/г при температуре 40 °С затрачивается   около 24, при 120°С —34 и при  150°—39 кВт-ч/т. При тонкости помола до 3300 см2/г с увеличением температуры материала расход электроэнергии еще более повышается (до 130 кВт-ч/т при 150°С). Это объясняется значительной агрегацией наиболее тонких частиц при   повышенных температурах вследствие испарения воды, адсорбированной частицами и препятствовавшей   их слипанию. В связи с этим размалывать следует    только холодный клинкер. Кроме того,    большое    значение приобретают приемы, способствующие уменьшению температуры материала при его измельчении. Для этого применяют вентиляцию мельниц, а   также   впрыскивают   в них   воду. Иногда используют и орошение водой корпуса мельницы снаружи.

Вентиляция достигается просасьтванием через барабан воздуха со скоростью 0,5—0,7 м/с с помощью аспирационной установки, в состав которой входят вентилятор, циклоны, а также рукавные фильтры или электрофильтр. В последних улавливаются тонкие частички, присоединяемые обычно к общей массе продукта.

Большой эффект дает и впрыскивание воды в последнюю камеру мельницы в количестве 1—2 % массы цемента. Это позволяет повысить производительность мельницы на 10%, снизить   температуру   со    150—200   до 120 °С и повысить степень очистки аспирационного воздуха.

Вода, вводимая в распыленном состоянии, способствует не только значительному снижению температуры материала, но и резко уменьшает агрегацию его частичек и их налипание на мелющие тела. Поэтому целесообразно направлять на помол материал с влажностью около 1—1,5 %. Более высокое содержание влаги уменьшает подвижность цемента, замедляет процесс измельчения, а иногда приводит к замазыванию решеток. Повышение температуры материала в мельнице до 100°С и более способствует испарению из него воды и увеличению склонности сухих частичек к агрегации.

Положительно влияет на процесс измельчения введение в материал интенсификаторов помола в виде поверхностно-активных веществ (ПАВ): СДБ, мылонафта, петррлатума, триэтаноламина, контакта Петрова, угля и некоторых других веществ. Они повышают эффективность измельчения клинкера, так как понижают его сопротивляемость помолу, а также способствуют уменьшению агрегации частичек материала и их налипанию на мелющие тела. Это объясняется, по-видимому, тем, что указанные вещества адсорбируются активными участками частичек. Различные добавки вводят в количестве 0,02—0,5 % массы цемента.

По данным С. М. Рояка и других, наиболее сильно действующими интенсификаторами являются триэтаноламин и его смесь с ССБ (1:1 по массе). Их вводят в первую камеру мельницы в количестве 0,01—0,03 % в виде тонкораспыленного водного раствора, что способствует увеличению производительности мельницы в среднем на 15 %.

По данным кафедры химической технологии Киевского ПТИ, добавка при помоле адипината натрия (отхода капролактамового производства) в количестве 0,1— 0,2 % дает прирост удельной поверхности на 25—30 % и повышает морозостойкость цемента. По ГОСТ 10178—76 (с изм.), для интенсификации процесса помола допускается введение специальных добавок, не ухудшающих качество цемента, в количестве не более 1 % его массы.

Оптимальное количество вводимого в мельницу интенсификатора зависит от свойств его и измельчаемого материала, а также от условий введения его в камеру, Устанавливают его опытным путем.

Трубные мельницы с открытым циклом измельчения применяют для помола сырьевых материалов, а также клинкера. При помоле до удельной поверхности 2800— 3000 см2/г расход электроэнергии достигает 25—30 кВтХ Хч/Т продукта. На  33 показана схема помольной установки с двухкамерной шаровой мельницей, работающей по открытому циклу при помоле клинкера вместе с опокой и гипсом.

Для получения цемента с удельной поверхностью 3000—3500 см2/г и выше применяют обычно более экономичные мельницы, работающие в замкнутом цикле с воздушными сепараторами, одно- и двухкамерные. Чаще используют помольные установки с двухкамерными мельницами.

Измельченный в мельнице материал поступает в сепаратор, где из него выделяются фракции тех размеров, какие требуются для готового продукта, а более крупные частицы направляются снова в мельницу на дополнительное измельчение. Таким образом, из материала непрерывно извлекаются наиболее дисперсные частички, которым особенно присуще свойство агрегироваться и прилипать к мелющим   телам   и стенкам    мельницы.

Благодаря этому производительность помольных установок возрастает на 10—20 %.

На помольных установках с сепараторами создается возможность получать высокопрочные быстротвердеющие цементы с удельной поверхностью до 3500—> 4000 см2/г и более при пониженном содержании в них тончайших частиц, быстро теряющих активность. Кроме того, в мельничных установках с сепараторами создаются предпосылки к лучшему охлаждению материала (на 25—35 °С), что положительно сказывается на его измельчении. Эти установки характеризуются большой маневренностью в работе и позволяют выпускать цементы с различной тонкостью помола при постоянных загрузках и размерах мелющих тел. Это недостижимо в мельницах с однократным прохождением материала. Требуемую тонкость помола устанавливают соответствующим регулированием работы сепаратора (скорость воздушных потоков и др.). Недостаток этих установок — их большая сложность и стоимость по сравнению с мельницами, работающими по открытому циклу.

Измельченный материал из мельницы в сепаратор подают элеваторами (ковшовыми и др.) или пневматическим транспортом. В первом случае применяют так называемые сепараторы с замкнутой циркуляцией воздуха, а во втором — сепараторы с проточной вентиляцией воздуха. В них воздух с измельченным материалом просасывается вентилятором из мельницы в сепаратор, где из потока выделяются крупные частицы, направляемые на дополнительный помол в мельницу. Мелкие же фракции выносятся воздушным потоком из сепаратора и осаждаются в циклонах и фильтрах того или иного вида (матерчатых или электрофильтрах) в виде готового продукта.

При помоле цемента применяют в основном установки, работающие по схеме мельница — ковшовый элеватор— сепаратор с замкнутой циркуляцией воздуха. Характеризуются они относительной простотой конструкции и пониженным расходом электроэнергии.

Существует несколько схем измельчения материалов в двухкамерных мельницах с сепараторами. Различаются они тем, что отделяемые в сепараторе крупные фракции направляются в ту или иную камеру.

Достаточно часто используется схема, при .которой материал, пройдя все камеры, поступает в один или два сепаратора, откуда грубые фракции направляются на дополнительное измельчение в первую камеру, а тонкие — на склад. На некоторых заводах это практикуется при выпуске быстротвердеющего цемента (с использованием сепаратора) или обыкновенного цемента (при работе мельницы на проход без сепаратора).

Применяется также схема, по которой материал в мельницах с центральной разгрузкой проходит первую камеру и затем направляется в сепараторы. Отсюда крупные фракции идут на дополнительное измельчение во вторую камеру, а далее в элеватор и сепараторы.

Исследования показывают, что эффективность помола клинкера, оцениваемая по оптимальному гранулометрическому составу порошка и минимальному удельному расходу электроэнергии, тем выше, чем быстрее и полнее выделяются из материала наиболее тонкие фракции, затрудняющие процесс измельчения. Для реализации этого положения предложены различные варианты помольных установок, оснащенных сепараторами. В частности, применяют агрегаты, состоящие из двух мельниц и сепаратора. В первой однокамерной мельнице осуществляется грубый помол    клинкера до   удельной поверхности 800—1000 см2/г. Из нее материал направляется в сепаратор, где выделяется до 25—30 % тонких фракций в виде готового продукта. Крупные же фракции из сепаратора поступают на окончательное измельчение во вторую мельницу, работающую в замкнутом цикле со своим сепаратором.

Более совершенна установка с одной мельницей, имеющей две камеры, работающие независимо друг от друга и снабженные каждая своей группой сепараторов. Материал после начального измельчения в первой камере подают в сепаратор, где выделяются частички крупнее 80—90 мкм. Их направляют обратно в первую камеру. Частички мельче 80—90 мкм направляют во второй сепаратор, где выделяются фракции крупнее 30 мкм, поступающие на дополнительное измельчение во вторую камеру мельницы. После этого материал из второй камеры идет также во второй сепаратор. Фракции 0—30 мкм из этого сепаратора направляют в третий сепаратор, в котором выделяется готовый продукт, а более крупные фракции возвращают во второй сепаратор. Такая достаточно сложная схема сепарирования измельчаемого материала создает возможность получать цементы с удельной поверхностью 3500—5000 см2/г при расходах электроэнергии в 1,5—2 раза меньше по сравнению с расходами при обычных сепараторных мельницах.

Современные помольные установки оснащают систе

мами автоматического регулирования, обеспечивающими

непрерывную их работу и получение продукта с задан

ной степенью измельчения без участия человека. Приме

няются системы автоматического регулирования работы

мельниц, основанные на измерении удельной поверхно

сти получаемого продукта или на зависимости частоты

акустического спектра шума у первой камеры мельницы

От ее загрузки материалом. При использовании этих си

стем производительность мельниц возрастает, а расход

электроэнергии уменьшается на 10 %. Качество цемента

при этом улучшается.

За рубежом распространены системы автоматического регулирования загрузки многокамерных мельниц, основанные на учете не частоты акустического спектра, а его интенсивности.

Имеются также помольные установки, в которых с помощью автоматических систем точно регулируется питание мельниц заданным количеством материалов, направляемых на измельчение. Управление механизмами и контроль за их работой должны быть вынесены из помольных отделений и сосредоточены на едином пульте с использованием телевизионных устройств.

При мокром помоле сырьевых смесей производительность трубных мельниц повышается примерно в 1,5 раза.

Эффективность работы помольной установки можно оценивать и по полученной удельной поверхности порошка в расчете на 1 кВт-ч, затраченной на измельчение электроэнергии. Полагают, что при помоле клинкеров (до 3000 см2/г) при затрате 1 кВт-ч электроэнергии необходимо получать продукт с удельной, поверхностью не менее 100-106 см2/г. При получении цементов марок 300— 400 удельный расход электроэнергии равен 21—32 к'ВтХ Хч/т, а цемента марок 600 и 500—соответственно 52 и 43 кВт-ч/т.

Измельчение клинкера и других материалов в шаровых мельницах связано со значительным расходом металла в результате износа мелющих тел, бронеплит и межкамерных перегородок. При, производстве цемента этот расход в среднем достигает 1—1,2 кг на 1 т цемента (из них около 150 г приходится на бронеплиты). Применение сталей высокой твердости позволяет снизить этот расход в 5—10 раз, что дает значительный экономический эффект.

Убыль мелющих тел вследствие износа восполняется их догрузкой через определенные промежутки времени (через 150—200 ч работы мельницы). Через 1500— 2000 ч мелющие тела полностью выгружают из мельницы, затем ее загружают вновь шарами и цильпебсом, подобранными по размерам в требуемом количестве.

При грубом и тонком измельчении куски и зерна материалов в различных механизмах подвергаются преимущественно действию сжимающих сил с двух сторон (в щековых, молотковых и других подобных дробилках, шаровых и.других мельницах) или с одной стороны (в ударно-отражательных дробилках). В результате воздействия сжимающих сил в кусках и зернах материала возникают растягивающие напряжения, приводящие при достижении предельных значений к разрыву с образованием более мелких частиц. Но так как материалы, измельчаемые при производстве вяжущих веществ, характеризуются обычно прочностью на сжатие, в 6—12 раз превосходящей прочность при растяжении, то при их измельчении в перечисленных механизмах расходуется энергии во много раз больше, чем необходимо по теоретическим расчетам. В частности, в шаровых мельницах на полезную работу измельчения расходуется не более 1,5—10 % энергии, практически затрачиваемой при помоле. Остальная часть энергии переходит в безвозвратно теряемую теплоту. Это вызывает необходимость разработки улучшенных конструкций шаровых и подобных мельниц, а также изыскания новых способов и аппаратов для измельчения. К этой же области относится и создание вибрационных и струйных мельниц.

В вибрационных мельницах материал измельчается под действием частых ударов вибрирующих мелющих тел. При этом зерна материала размером не более 1— 2 мм подвергаются отчасти дроблению, но преимущественно истираются между мелющими телами, перемещающимися относительно друг друга в результате колебаний корпуса мельницы (1500—3000 кол/мин). В настоящее время созданы вибромельницы объемом 200, 400 и '750 л. Их используют иногда для домола портландцемента или для измельчения других материалов. Однако  в производстве цемента их не применяют вследствие низкой производительности (500—600 кг/ч) и большой затраты электроэнергии.

В струйной мельнице материал захватывается струей сжатого воздуха, газа, перегретого пара или их смеси, протекающей с большой скоростью. При этом в результате соударения зерен, взвешенных в газовом потоке, а также истирания происходит их измельчение. Для усиления эффекта измельчения на пути движения взвешенных частиц устанавливают преграды, о которые частицы ударяются.

Исследования Ю. И. Дешко, В. И. Акуиова, В. Л. Панкратова и др. (НИИЦемент) показали, что при измельчении клинкера в струйной мельнице получаются цементы, активность которых на 7,5—15 МПа выше активности цементов той же тонкости помола, но измельченных в шаровой мельнице. Кроме того, цементы струйного помола отличаются высокой скоростью твердения и, следовательно, переходят в разряд высокопрочных и быстротвердеющих. Особенно эффективно получение с помощью струйной мельницы шлакопортлаидцемента марок 500 и 600. Это авторы объясняют осколочной формой частичек с зазубренными острыми краями, благоприятствующей интенсивному их взаимодействию с водой.

По расчетам Гипроцемента, стоимость измельчения клинкера в струйной мельнице производительностью 100 т/ч с приводом от теплового двигателя—0,75 руб/т, а с электроприводом—1,37 руб/т. Стоимость измельчения в шаровой мельнице при прочих равных условиях равна 1,3 руб/т. Струйные мельницы находятся в стадии совершенствования.

В заключение следует указать, что большое уменьшение затрат энергии могут дать лишь те способы, при которых материалы измельчались бы под влиянием прямых разрывающих воздействий на них (а не в результате первоначальных сжимающих сил).