Главная → Статьи

Помол цемента

Дробление клинкера

В то время как для подготовки сырьевой смеси необходимы две стадии дробления — первичное и вторичное, дробление клинкера осуществляется в виде одной операции и притом не всюду. Обычно клинкер, выходящий из вращающейся печи, имеет небольшие размеры, так что дробить его необязательно. Кроме того, при двухступенчатом размоле клинкера производится предварительное измельчение его.

Однако в последнее время все шире практикуется специальное дробление клинкера, которое да‘ет возможность питать мельницу более однородным по размеру материалом, повысить эффективность ее работы и свести до минимума колебания в тонкости помола и производительности мельницы. Не нуждаются в предварительном дроблении лишь такие клинкеры, которые отличаются высокой однородностью размеров частиц.

Но если дробление клинкера не всегда нужно, то предварительное измельчение его играет большую роль в технологии помола. Как и при помоле сырья, в данном случае применяются мельницы двух видов: шаровые и центробежные, которые имеют различные конструкции в зависимости от назначения. Одни типы мельниц для предварительного измельчения характеризуются малым расходом энергии, но дороги в эксплуатации; другие имеют высокую производительность при минимальных расходах на установку и занимают мало места; третьи отличаются хорошими механическими и эксплуатационными качествами, но не обеспечивают необходимого зернового состава измельченного клинкера, что может отразиться на качестве готового продукта — цемента.

При предварительном измельчении и окончательном размоле клинкера следует постоянно иметь в виду строительные свойства цемента. Этим размол клинкера отличается от помола сырьевых материалов. В данном случае требуется не просто размолоть клинкер до определенного размера, а получить продукт такого минералогического и зернового состава, чтобы были обеспечены требуемые химические и физические характеристики’ цемента. В связи с этим на некоторых заводах охотнее реконструируют старые, испытанные мельницы для предварительного измельчения клинкера, чем устанавливают новые, хотя расходы примерно одинаковы. На одном заводе, выпускающем быстротвердеющий портландцемент, было обнаружено, что при установке новой мельницы для предварительного измельчения качество цемента ухудшилось, хотя помол производился до такой же удельной поверхности, как и раньше.

Окончательный помол

Для окончательного помола цемента применяется в основном то же оборудование, что и для вторичного помола сырья, а именно: трубные и комбинированные мельницы разных размеров. Двухстадийный помол в трубных мельницах, рассмотренный выше, до сих пор еще является наиболее распространенной системой при помоле цемента. Эта система является очень гибкой и обеспечивает хороший зерновой состав готового продукта. При правильном разделении мельницы на отгтртьньтр камеры, соответствующем подборе мелющих тел и двойном измельчении (если это необходимо) достигается оптимальное соответствие между предварительным и окончательным помолом даже в тех случаях, когда выпускаются цементы с различной удельной поверхностью. При двухста-дийном помоле температура в мельнице, как правило, ниже при прочих равных условиях.

Чтобы обеспечить большую гибкость помольной системы, при применении многокамерных мельниц, все шире применяется воздушная сепарация. На рис. 24 показан типичный сепаратор, обычно применяемый на цементных заводах.

Воздушная сепарация дает возможность выпускать цементы с различной тонкостью помола или удельной поверхностью при постоянной загрузке и размерах мелющих тел. Кроме того, при помоле с сепаратором сравнительно горячий материал перемещается в системе с большой излучающей поверхностью, в результате чего существенно понижается его температура и улучшаются условия работы мельницы. На некоторых заводах для еще большего снижения температуры в системе применяют водяное или воздушное охлаждение мельниц и сепараторов.

Разделение мелющих тел в мельнице

Выше уже указывалось, что неправильная загрузка и сортировка мелющих тел отрицательно сказывается на эффективности помола. Портландцементный клинкер обладает большей твердостью, чем сырьевые материалы, и хуже размалывается, что оказывает большое влияние на эффективность работы мельницы. Кроме того, эти факторы влияют и на зерновой состав цемента, ухудшая некоторые физические свойства его.

Ситовой анализ этих проб показал, что шары размером от 2,5 до 3,75 см находятся преимущественно в разгрузочном конце мельницы, где измалываемые частицы имеют небольшие размеры, так что для эффективного измельчения их достаточно меньших шаров. В то же время эти последние находятся главным образом у загрузочного конца мельницы, где они не могут обеспечить хорошее измельчение более крупного материала. В результата производительность мельницы по сравнению с затрачиваемой на помол энергией недостаточна, а достигаемый прирост удельной поверхности по отношению к длине мельницы невелик (рис. 25). Как видно из этого рисунка, прирост удельной поверхности на последних трех метрах длины мельницы очень мал.

Установка перегородки на расстоянии 3 ж от разгрузочного конца, благодаря чему шары размером от 2,2 до 3,75 см оказались вблизи загрузочного конца, а шары меньшего размера — в секторе, прилегающем к разгрузочному концу, повысила производительность мельницы почти на 50%. Конечно, внутри образовавшихся двух камер происходила некоторая передвижка мелющих тел, но она оказывала значительно меньшее влияние на эффективность помола. Эта мельница была слишком коротка для установки второй перегородки, потому что перед каждой перегородкой и относящимся к ней ситом образуется «мертвое пространство», в котором работа измельчения не производится. Как показал опыт, это неработающее пространство может занимать до 60 см и больше в каждой камере, примыкающей к данной перегородке. Таким образом, увеличение числа перегородок может оказаться столь же вредным, как и неправильное распределение шаров.

В приведенном нами примере может возникнуть сомнение, нужны ли для данной мельницы шары таких больших размеров (3,25 см). Материалом, поступавшим на помол, был продукт, полученный из центробежной мельницы. Крупность его соответствовала 50% прохождения через сито 200 меш с незначительным остатком на сите 20 меш. Для этого материала было бы достаточно загрузить мельницу шарами размером от 1,25 до 1,9 см, причем разделение шаров значительно уменьшилось бы даже без перегородки, а производительность повысилась бы. Для дальнейшего уменьшения разделения шаров следовало бы при догрузке мельницы добавлять мелющие тела как можно ближе к загрузочному концу.

Разделение мелющих шаров можно полностью устранить, если придать мельнице коническую форму и уменьшить диаметр ее у разгрузочного конца. При правильной конструкции мельницы можно добиться того, чтобы шары большего размера оставались у входного конца, а шары меньшего размера — у выходного. Коническая мельница Гардинга, показанная на рис. 3, и мельница Кармена, футерованная ступенчатыми бронеплитами, иллюстрируют применение этого принципа. Увеличение объема пустот вследствие искусственной сортировки шаров может вызвать в конечном счете слишком быстрое прохождение клинкера через мельницу. Во избежание этого приходится устанавливать в разгрузочном конце мельницы специальные перегородки с меньшим живым сечением. Слишком быстрое прохождение клинкера отрицательно сказывается на производительности мельницы и качестве цемента.

В примере, изображенном на рис. 2, цемент, взятый из мельницы на расстоянии 3 м от выходного отверстия, мог иметь такую же прочность в раннем возрасте и такую же удобообрабатывае-мость, как и образец, взятый в течке мельницы.

Устранение самосортировки шаров и уменьшение их размеров в разгрузочном конце дают возможность значительно повысить показатели прочности и удобообрабатывае-мости цемента, отобранного не только на расстоянии 3 м от течки мельницы, но и гораздо дальше, при сравнительно небольшом увеличении удельной поверхности цемента и даже без всякого увеличения ее.

Это явление, называемое иногда «переизмельчением», можно наблюдать в небольших лабораторных мельницах. Оно характерно для мельниц с большим отношением длины к диаметру, даже когда в них не происходит разделения шаров и подбор шаров по размерам правилен. Можно полностью устранить такое переизмельчение, однако прочность цемента в раннем возрасте при этом иногда понижается, а удобообрабатываемость значительно ухудшается.

В связи с тем, что эффективность работы длинных трубных мельниц, если судить по стандартным определениям удельной поверхности цемента, несомненно недостаточна, среди цемент-ников наблюдается тенденция к установке коротких шаровых мельниц большого диаметра, работающих в замкнутом цикле при высокой циркулирующей загрузке (кратности циркуляции материала). В некоторых случаях цемент, получаемый в этих мельницах, ввиду устранения переизмельчения, содержит мало мелких частиц размером меньше 5 р.

Факторы размалываемасти клинкера

Размалываемость клинкера зависит от таких факторов, как: 1) химический состав, 2) режим обжига, 3) скорость охлаждения, 4) содержание влаги, 5) продолжительность и способ хранения, 6) температура в мельнице для окончательного помола. Регулирование этих факторов позволяет увеличить производительность и снизить расходы на помол, а также улучшить физические свойства цемента.

Гано первый показал, что степень размалываемости портланд-цементного клинкера зависит от его химического состава. В 1922 г. он установил замечательное совпадение между гидравлическим модулем клинкера и производительностью мельницы по готовому продукту. Недавно было установлено, что еще лучшим показателем степени размалываемости клнукера является содержание C3S. В тех случаях, когда содержание C3S остается в основном постоянным, а содержание C2S изменяется в заметных пределах, отношение C3S к C2S может лучше всего характеризовать размалываемость клинкера.

Недожженный клинкер обычно легче размалывается, так как содержит большое количество несвязанной извести, которая не требует длительного размола и дает много мелких частиц, определяющих высокую удельную поверхность такого цемента. Но недожженный клинкер дает цемент низкого качества, который не выдерживает автоклавного испытания.

Пережог клинкера встречается редко. Такой клинкер очень трудно молоть, а, кроме того, на обжиг его затрачивается излишнее топливо. Поэтому с пережогом клинкера ведется борьба. На многих заводах определяют вес литра клинкера с определенным максимальным размером зерен и по этому показателю судяг о степени обжига и содержании свободной извести. Зачастую между размалываемостью и весом литра клинкера наблюдается довольно четкая зависимость.

Скорость охлаждения клинкера существенно влияет на его размалываемость.

Это обстоятельство неоднократно отмечалось на цементных заводах, где устанавливались впервые холодильники.

При этом было замечено следующее:
1) очень быстрое воздушное охлаждение (закалка) горячего клинкера ухудшает его размалываемость; это показывает, что стекло, образующееся при быстром охлаждении, является прочным и трудно измалываемым материалом;
2) воздушное охлаждение клинкера со средней скоростью не оказывает или почти не оказывает влияния на его размалываемость;
3) медленное воздушное охлаждение клинкера, например в колосниковом переталкивающем холодильнике, может повысить степень размалываемости на 20%.

Очевидно, некоторую роль здесь играет температура клинкера» от которой начинается воздушная закалка, и последующая скорость охлаждения. Например, воздушная закалка клинкера, имевшего очень высокую температуру, придает ему повышенную твердость, что объясняется, по-видимому, образованием большого количества стекла. В то же время воздушная закалка клинкера с более низкой температурой улучшает его размалывае-мость. Это улучшение не зависит от понижения температуры в мельнице в связи с подачей более холодного клинкера, а объясняется исключительно изменением его свойств.

При водяной закалке клинкера также наблюдается некоторое повышение производительности мельницы, но оно не намного больше того, которое достигается при понижении температуры помола. Это свидетельствует о нецелесообразности водяного охлаждения клинкера. Высокая скорость охлаждения несомненно влияет на физическую структуру компонентов клинкера. Переохлаждение водой может настолько повысить содержание влаги в клинкере, что он станет слишком вязким и трудно размалываемым, в результате чего произойдет замазывание отверстий сит и перегородок, пылеуловителей и другого оборудования. Кроме того, замедлится прирост удельной поверхности вследствие уменьшения количества мелких фракций в цементе.

Известно, что отжиг (отпуск) не только изменяет структуру и прочностные свойства клинкера, но и влияет на степень его размалываемости. Клинкер, отожженный в определенных условиях, легче поддается размолу. Повышение размалываемости клинкера, хранившегося в горячем виде в кучах длительное время, частично объясняется отжигом. Вылеживание клинкера, содержащего негашеную свободную известь, также улучшает его размалываемость.

Обычно двухкальциевый силикат, независимо от способа охлаждения, присутствует в портландцементном клинкере в р-фор-ме. Переход p-фбрмы двухкальцневого силиката в Т-форм у во время вылеживания клинкера может вызвать расширение, сопровождающееся развитием внутренних напряжений в частицах клинкера. В результате этого происходит рассыпание клинкера в порошок. Внутренние напряжения не только обусловливают получение зерен клинкера меньших размеров, но и улучшают их размалываемость.

Однако вылеживание клинкера не всегда улучшает его качество. Длительное хранение во влажных условиях приводит к тому, что клинкер поглощает много воды и становится вязким. Повышенная вязкость и присутствие влаги ухудшают размалываемость клинкера. Если при помоле такого клинкера вводятся интенеификаторы, они должны содержать минимальное количество воды. В этом случае хорошие результаты дает вентиляция мельницы, позволяющая удалить испарившуюся влагу.

При оценке различных факторов, обусловливающих размалы-вамость клинкера, нужно иметь в виду, что повышенная температура в мельнице также отрицательно сказывается на ее производительности, как показывает график на рис. 27. Это влияние-повышенной температуры в мельнице на размалываемость клинкера не следует смешивать с тем действием, которое оказывают на него скорость и метод охлаждения.

С другой стороны, работа мельницы не будет достаточно эффективной при слишком низкой температуре помола. Для того,

чтобы мельница работала с максимальной эффективностью, температура в ней должна составлять от 93 до 120 °С. Лабораторные испытания показали, что максимальная температура не должна превышать 112 °С. Этот предел установлен для тех случаев, когда нужно предупредить ложное схватывание цемента в результате дегидратации гипса в мельнице.

Общеизвестно, что диаметр шаров должен быть пропорционален размерам частиц материала. Однако на практике это правило не всегда соблюдается. Обычно добавляют некоторый избыток крупных мелющих тел, чтобы компенсировать их износ. Другим фактором, влияющим на эффективность работы мельниц, являются электростатические явления, наблюдающиеся при помоле и послужившие основанием для применения различных интенсификаторов. Действие этих добавок, как полагают, выражается в том, что они изменяют поверхностный электростатический заряд частиц цемента и вызывают сухое их диспергирование.

На рис. 5 справа показан шар с налипшими на нем мелкими частицами цемента. Это налипание является результатом плохой работы мельницы и существенно ослабляет силу удара, а также истирающее действие шаров. Интенсификаторы помола прекращают налипание мелких фракций и тем самым повышают производительность мельниц. На рис. 6 слева виден шар, взятый из той мельницы после того, как она проработала сутки с интенсификатором. Интенсификаторы улучшают работу мельницы и тогда, когда в ней не наблюдаете налипания материала на шары. Но их интенсифицирующее действие в этом, случае оказывается менее эффективным, поскольку оно проявляется лишь в увеличении отношения удара к истиранию, а истирание при помоле менее-эффективно из-за большей потери энергии вследствие выделения тепла.

Воздушная сепарация

Применение воздушной сепарации при помоле портландцемента существенным образом отличается от использования ее в процессе подготовки сырья. В последнем случае задача сепарации состоит в том, чтобы по возможности удалить из процесса помола: 1) все слишком крупные частицы, остающиеся на ситах 100 или 200 меш, и 2) все слишком мелкие частицы, например, меньше 5 ц в диаметре. Для этих целей требуются высокоэффективные воздушные сепараторы, работающие с чрезвычайно большой циркуляционной загрузкой (т. е. с многократным возвратом материала в процесс помола). Удаление слишком крупных и слишком мелких частиц улучшает химические реакции, протекающие в твердом состоянии.

При размоле и классификации клинкера ставится совершенно иная задача. Считают, что небольшое количество крупных частиц в цементе желательно с точки зрения обеспечения правильного подбора зернового состава твердых компонентов бетона — от самых мелких частиц цемента через мелкий и крупный песок к самому крупному заполнителю. Точно так же необходимо и определенное количество очень мелких так называемых сверхтонких фракций, которые обусловливают развитие удобообрабаты-ваемости бетонной смеси и прочность в раннем возрасте твердеющего бетона. Так как удобообрабатываемость и прочность являются двумя важнейшими свойствами портландцементного бетона, присутствие в цементе определенного количества частиц размером меньше 5 ц имеет очень большое значение.

Мощные воздушные классификаторы, не возвращающие на домол вместе с крупкой более мелкие частицы, оказались бы невыгодными для помола цемента, так как не позволили бы молоть материал до размеров меньше 5 [л. Однако на деле воздушных классификаторов с такой эффективностью не существует. Все действующие на заводах классификаторы возвращают на домол не только крупку, но и некоторое количество готового тонкомолотого материала. Ввиду небольших размеров этих частиц дальнейшее измельчение их происходит главным образом в результате истирания, и полученная таким путем мелкая мука в значительной степени определяет быструю гидратацию цемента, от которой зависит удобообрабатываемость и прочность бетона в раннем возрасте. Следовательно, возврат некоторого количества мелких частиц на домол желателен. Другими словами, при помоле цемента целесообразнее применять менее мощные воздушные классификаторы, которые обеспечивают возврат значительного количества мелких частиц в мельницу на вторичный помол путем истирания.

Другим важным фактором, влияющим на зерновой состав и, следовательно, на качество цемента, является соответствие производительности или размеров воздушного классификатора и помольного агрегата. Классификатор недостаточных размеров будет работать как бы с перегрузкой при большом объеме поступающего материала с высокой тонкостью помола. Это дает возможность получить продукт высокого качества, но значительно понизит эффективность помола и увеличит производственные расходы. И наоборот, классификатор слишком больших размеров будет работать как бы с недогрузкой; если же увеличить нагрузку его до проектной, то тонкость помола материала, выходящего из мельницы, окажется недостаточной, и цемент будет иметь неправильный и нежелательный зерновой состав.

Конечно, неправильный зерновой состав цемента может явиться результатом слишком высокой циркулирующей загрузки. Однако вовсе не обязательно, чтобы при высокой циркулирующей загрузке получался цемент плохого качества. Если тонкость помола материала, выходящего из мельницы, достаточно высока, или, иными словами, если мельница хорошо поработала, цемент будет иметь хорошее качество даже при повышенной циркулирующей загрузке в системе. Тем не менее, практика показывает, что с увеличением циркулирующей загрузки в помольной системе получается такой цемент, который дает бетон с повышенной жесткостью и пониженной прочностью в раннем возрасте. Поэтому на многих цементных заводах предпочитают молоть цемент более тонко в замкнутом цикле, чтобы получить продукт хорошего качества.

С этой кажущейся аномалией связан и вопрос о точности определения удельной поверхности цемента. Например, при пользовании турбидиметром Вагнера принимают, что средний размер частиц, составляющих фракцию от 0 до 7,5 л равен 3,75 ц,. Но так как на долю этой фракции приходится почти 70% общей удельной поверхности цемента, то указанное допущение существенно влияет на точность результатов. Кривые зернового состава по данным, полученным при определении на гидрометре, показывают, что средний размер частиц этой фракции цемента составляет около 3,25 ц при помоле в открытом цикле и 4,25 ц при помоле в замкнутом цикле. Величина удельной поверхности цемента, рассчитанная на этой основе, показывает хорошее соответствие с показателями удобообрабатываемости и прочности в раннем возрасте.

Результаты определения удельной поверхности на приборах Ли—Нэрса или Блейна, очевидно более точно отражают фактическое содержание мелких фракций в цементе, так как они соответствуют показателям долговечности и начальной прочности. Еще лучшее соответствие наблюдается в том случае, когда в данные, полученные по методу прососа воздуха, вносится поправка на задержку воздуха в уплотненном слое цемента (метод Кейса), а также при дополнении показаний турбидиметра Вагнера данными о непрозрачности при 5 ц (метод Даля). В табл. 12 приводятся сравнительные данные о прочности цементов с различной удельной поверхностью, определенной по методам Вагнера, Блейна, Даля и Кейса.

При расчете циркулирующей загрузки в помольной системе, работающей в замкнутом цикле с сепаратором, обычно рекомендуется принимать за основу тонкость помола, соответствующую прохождению материала через сито 200 или 325 меш. В тех случаях, когда мы имеем дело с тонкомолотыми цементами, применение результатов ситового анализа может привести к ошибочным выводам, потому что данные о тонкости помола конечного продукта, материала, поступающего в сепаратор, и крупки, выходящей из сепаратора на вторичный помол, очень близки к 100%.

В этих случаях лучше пользоваться величинами удельной поверхности.

При помоле в замкнутом цикле обычно контролируют тонкость помола готового цемента или мелких фракций, выходящих из сепаратора. Пробы для контрольных определений отбираются через каждые 2 часа. Так как удельная поверхность мелких фракций из сепаратора зависит от количества и размеров частиц поступающего в сепаратор материала, а количество это в свою очередь зависит от тонкости помола продукта, выходящего из мельницы, пробы для контроля должны отбираться на выходе из мельницы, как при помоле в открытом цикле. Эта рекомендация основана на том, что помол материала происходит не в сепараторе, а в мельнице.

Ваш отзыв