Produkcja cementu

Produkcja cementu
Materiały do zajęć konwersatoryjnych
poprzedzających wycieczkę techniczną do
Cementowni „Chełm”
Oprac. dr Bogusław Chmiel
dr Wiesław Grzegorczyk
Terminologia

MATERIAŁY WIĄŻĄCE - substancje (mineralne), które w stanie
sproszkowanym po zmieszaniu z cieczą (wodą) tworzą plastyczne,
łatwe do formowania masy, twardniejące i przechodzące po pewnym
czasie w ciało stałe, np. wapno, gips, cement.

ZAPRAWY (CERAMICZNE, BUDOWLANE) – mieszaniny zawierające
materiał wiążący, tworzące po zarobieniu z cieczą (wodą) plastyczne
zaczyny i przechodzące po upływie czasu ze stanu plastycznego w ciała
stałe.
Zaprawy stosowane są zarówno do spajania elementów (budowlanych,
konstrukcyjnych), jak i do ich wytwarzania (beton, żelbet, kształtki).
SKŁADNIKI ZAPRAW BUDOWLANYCH:

materiały wiążące – cement, gips, wapno,

wypełniacze
- kruszywa naturalne: piasek, żwir, otoczaki, tłuczeń,
- kruszywa sztuczne: żużel wielkopiecowy, gruz,

faza uplastyczniająca – woda.

pigmenty - substancje barwne, w stanie zdyspergowanym stosowane do wyrobu farb oraz barwienia tworzyw
Klasyfikacja materiałów wiążących (zapraw)
Kryterium klasyfikacji (1): warunki wiązania i twardnienia

powietrzne – wiążą i twardnieją oraz zachowują wytrzymałość tylko w
powietrzu (wapno, gips, zaprawy magnezowe),

hydrauliczne - wiążą i twardnieją w obecności wody; po stwardnieniu
odporne na działanie wody (cement ).
Kryterium klasyfikacji (2): skład chemiczny

wapniowe,

siarczanowe,

magnezowe,

Krzemianowe.
Kryterium klasyfikacji (3): sposób pozyskiwania

sztuczne,

naturalne,
Kryterium klasyfikacji (4): sposób otrzymywania:

wypalane,

spiekane,

topione,
Cement - definicje
Definicja technologiczna
 Cement - to hydrauliczny materiał wiążący,
otrzymywany z surowców mineralnych (margiel, wapień, glina)
poprzez wypalanie i następne zmielenie otrzymanego spieku.
Definicja chemiczna
 Cement - to złożone mieszaniny (roztwory stałe, kryształy
mieszane) krzemianów, tlenków prostych, podwójnych i potrójnych
oraz innych związków, głównie wapnia, glinu, krzemu i żelaza
Cementy – rodzaje (1)

romański – otrzymywany z margli (66 - 75% CaCO3), wytapiany w
temp. 1000 – 1100oC, CaO całkowicie związany z SiO2 oraz Al2O3 i
Fe2O3 występującymi w marglu.

portlandzki – otrzymywany z mieszaniny surowców: margle,
wapienie, gliny w proporcji zapewniającej prawie całkowite
związanie CaO; wytwarzany w zakresie temperatur 1250 - 1450oC.

hutniczy - otrzymywany przez zmielenie żużla wielkopiecowego,
(>40% CaO, 27 - 40% SiO2, 10 - 22% Al2O3). Z żużla wielkopiecowego najczęściej wytwarza się cementy mieszane z
cementem portlandzkim.
Cementy – rodzaje (2)

glinowy – otrzymywany z boksytu i wapienia (40% CaO, 10% SiO2, 40%
Al2O3, 10% Fe2O3) w proporcji zapewniającej powstanie słabo zasadowego
glinianu wapnia.

cementy pucolanowe -– grupa cementów produkowanych z tufów, trasów,
pumeksów, glin pucolanowych (skała wulkaniczna z Pozzuoli k.Neapolu)
(po wypaleniu w 500 - 600oC) - odporne na korozję chemiczną, twardnieją
powoli.

specjalne, z dodatkami nadającymi określone cechy, np. szybko
twardniejący (szczególnie przydatny do prac podwodnych),
niskokaloryczny (o niskim cieple hydratacji), biały (o małej zawartości
Fe2O3), ekspansywny (z dodatkami zwiększającymi objętość w reakcji z
wodą, np. CaO, MgO i CaSO4 * 1/2H2O).

magnezjowy (cement Sorela) - MgO+MgCl2 (5:1), dodatki korygujące:
MgSO4, CaCl2, wypełniacz (najczęściej wióry z drewna)
100% 0%
żużel
wielkopiecowy
tras pucolana
SiO2
50%
50%
cement hutniczy
cement portlandzki
z domieszką żużla
Al2O 3
gelenit (C2AS)
cement
portlandzki
100%
0%
100%
wapno
palone
50%
CaO
cement
glinowy
0%
Układ CaO – Al2O3 – SiO2 – diagram Rankina-Fereta
Cement portlandzki - produkcja
Wynalazca: Joseph Aspdin w 1824 r uzyskał patent na wyrób cementu. Nazwa pochodzi od koloru
otrzymanego cementu, który przypominał wynalazcy kolor skał w Portland.
Surowiec (wsad):
mączka mineralna o składzie gwarantującym całkowite
związanie CaO otrzymywana z:

wapienia: {CaCO3 (głównie kalcyt), CaCO3•MgCO3, domieszki SiO2, Al2O3
i Fe2O3 (pochodzące z iłów), oraz krzemianów wapniowego i magnezowego,
oraz glinokrzemianów}

gliny, wapienia marglistego – margla, iłołupka {skały bogate w materiał
ilasty (produkt wietrzenia glinokrzemianów – np. kaolinit) z domieszkami
węglanów wapnia i magnezu oraz SiO2}

Fe2O3 w postaci rudy żelaza (syderytu – FeCO3) i/lub żużli hutniczych

dodatków korekcyjnych, np. piasek kwarcowy, pył dymnicowy
(uzupełnienie ewentualnego niedoboru SiO2)
Cement portlandzki - produkcja
Skład wsadu winien spełniać wartości poniższych modułów:
Moduł hydrauliczny
Moduł krzemianowy
Moduł glinowy
CaO
MH =
= 1,9 - 2,9
SiO 2 + Al2O3 + Fe3O 4
MK
SiO 2
=
= 2,1 - 3,5
Al2O3 + Fe3O 4
Al2O3
MG =
= 1,0 - 2,8
Fe3O 4
Zawartości tlenków określone są ułamkiem masowym (%)
Przykładowe zestawy surowców do wypału klinkieru cementu
portlandzkiego
1
2
kreda
53,42%
margiel
46,58%
kamień wapienny
88,67%
iłołupek
10,06%
mułek żelazonośny
kamień wapienny
3
1,27%
87,23%
iłołupek
5,01%
mułek żelazonośny
7,76%
Proces technologiczny wytwarzania cementu portlandzkiego

przygotowanie surowców
- urabianie i rozdrabnianie surowców,
- przygotowanie wsadu (sporządzanie mączki – metoda „sucha”
lub szlamu – metoda „mokra”),

wypalanie (otrzymywanie klinkieru),

mielenie produktu wypału (klinkieru),

sporządzanie mieszanek handlowych.
kruszenie
(łamacz)
kru szenie
(łamacz)
szlamowanie
(szlamatory)
szlamo wanie
(szlamatory)
mielenie
(młyn y kulowe)
mieleni e
(mł yny kulo we)
wydobycie
kre dy
wydobycie
margla
surow iec żelazonośny
(np. syderyt)
kruszenie
(łamacz)
kruszenie
(łamacz)
miel enie
homogenizacja
na hałdzie
homogenizacja
na hałdzie
dozowanie
(zestawianie
składu)
dozowanie
(zestawianie
składu)
woda
korekcja
składu
(zbiorniki korekcyjne)
mielenie
(młyn y kulowe)
woda
komi n
py ły dymnicow e
(np. elektrowni)
komin
podgrzewanie
mączki piecowej
(cyklonowe
wymienniki ciepła)
o
liw
a
p
odpylanie
gazów
(ele ktrofiltr)
wypalanie
(piec obrotowy)
kalcynacja
(kalcynator)
odpylanie
gazów
(elektrofiltr)
pył lotny
wypalanie
(piec obrotowy)
w
o
c
ie
p
y
z
a
g
o
liw
a
p
powietrze
dozowanie
(zestawianie
składu)
mielenie,
homogenizacja
i suszenie
(suszarko-kruszarka)
dozowanie
mieszanie szlamu
(baseny szlamu)
o
liw
a
p
itz
w
p
e
c
rą
o
g
chłodzenie klinkieru
chłodzenie klinkieru
powietrze
gips
mielenie klinkieru
(młyny kulowe)
py ły dymnicowe
gips
magazynowanie
cementu
(silosy)
magazynowanie
cementu
(silosy)
pakowanie
(pakownia)
Schemat ideowy produkcji cementu metodą mokrą
mielenie klinkieru
(młyny kulowe)
pakowanie
(pakownia)
Schemat ideowy produkcji cementu metodą suchą
m
h
C
L
B
pyły dymnicowe
m
h
C
L
B
woda
surowiec żelazonośny
(np. syde ryt)
wydobycie
margla
y
z
a
e
c
rą
o
g
rz
to
n
y
lc
a
k
wydobycie
kredy
Przygotowanie surowców - urabianie (wydobycie)
Kopalnia margla - Rejowiec
Kopalnia kredy w Mielniku i Chełmie
Przygotowanie surowców – urabianie
Kopalnie margla
Chełm
Kopalnie kredy
Kopalnia wapienia
Kopalnie surowców dla przemysłu cementowego
Rozdrabnianie surowców (1)
Łamacz szczękowy: a) przekrój; b) schemat
Rozdrabnianie surowców (2)
a.
b.
Łamacz walcowy: a) przekrój,
b) schemat
Homogenizacja surowców – metoda „sucha”
Homogenizacja na hałdzie - sposób postępowania
Operacje rozdrabniania i homogenizacji surowców w metodzie „mokrej”
do wypalania
Operacje rozdrabnianie, homogenizacji i suszenia wsadu w metodzie „suchej”
Wentylator
Separator
kalcynator
Mączka do
wypalania
Surowce
z dozownika
Cyklonowe
wymienniki
ciepła
suszarko-kruszarka
Wypalanie (otrzymywanie klinkieru)
Piec cementowy
Rozkład temperatur w piecu obrotowym
- do 100 oC
1. strefa suszenia
2. strefa podgrzewania
ilastych
i
rozkładu
materiałów - 100-600 oC
3. strefa kalcynacji, czyli rozkładu węglanów
- 600-1250 oC
4. strefa spiekania
- 1250-1450-1250 oC
5. strefa chłodzenia
- 1250-800 oC
paliwo
powietrze
surowce
mineralne
temp. płomienia - 2000oC
600oC
800oC
o
masa minerałów - 1460 C
suszenie podgrzewanie
kalcynacja
50 - 230 m
spiekanie
Temperatura gazów i czas przebywania materiału i gazów w piecu cementowym.
Węzeł wypalania i chłodzenia klinkieru w metodzie „suchej”
Paliwo
kalcynator
Chłodnik
klinkieru
Piec obrotowy
Zużycie ciepła na wypał klinkieru w latach 1994-2005
Porównanie metod produkcji cementu (1)
Porównanie metod produkcji cementu (2)
rozdrabnianie głębokie
surowca
metoda mokra
metoda sucha
młyny kulowe – mielenie na
mokro
kruszarko-suszarka
homogenizacja
materiału
surowce: brak
mieszanina: baseny szlamu
korekcja składu –
sporządzanie
wsadu
zbiorniki korekcyjne szlamu
(kontrolowane zestawianie
składu szlamu ze zbiorników)
transport materiału
wsadowego
rozdrabnianie
i transportu
energochłonność
metody
surowce: homogenizacja na
pryzmie
mączka: wymienniki cyklon.
kontrolowane dozowanie
składników (wagi)
hydrauliczny
pneumatyczny
metoda łatwiejsza
zaleta!
trudniejsza; specjalne
rozwiązania skutecznej separacji
fazy nośnej (powietrza) wada !
duża (konieczność
odparowania wody wada !
energia jedynie na podgrzanie
surowców zaleta!
czasochłonność
duża
mała
gabaryty urządzeń
duże
małe
wydajność z jedn.
objętości instalacji
mała
duża
Porównanie metod produkcji cementu (3)
Schemat otrzymywania cementu metoda „suchą”
WENTYLATOR
ELEKTROFILTR
a
ow
c
e
i
ap
k
z
c
mą
m
h
C
L
B
pyły
dymnicowe
EKSHAUSTOR
SEPARATOR
y
pyłwęglow
CYKLONOWE
WYMIENNIKI
CIEPŁA
kreda
margiel
KALCYNATOR
syderyt
klinkier
SUSZARKOKRUSZARKA
PIEC OBROTOWY
powietrze
Schemat produkcji cementu metodą suchą (Cementownia "Chełm III")
Udział metody mokrej i suchej w produkcji klinkieru w Polsce
Mielenie klinkieru z dodatkami
do pakowania
gotowego produktu
klinkier, gips,
dodatki
Schemat funkcjonowania węzła otrzymywania gotowego cementu
Mielenie klinkieru z dodatkami
do pakowania
gotowego produktu
klinkier, gips,
dodatki
Możliwości odpylania gazów
Ludzki
wło s
Porównanie
wielkości
Widzialność:
Średnica [µ ]
10µ
50µ
Mikroskopem
Gołym oki em
10
100
1000
1µ
1
Ultramikrosko pem
0,1
Pył z odlewni
Źródła
pyłow
Zarodniki
Pył metalurgi czny
Bakterie
Dym brunatny
Alkalia, tlenki
Dymy salmiaku
Deszcz
Zakres
stosowani a
różnych
urządzeń
odpylajacych
Dym ze spalin
Mgła
Cyklony
Mycie mo kre
Filtry tkaninowe i papierowe
Filtry w orkowe
Elektrofiltry
0,01
gaz odpylony
d=0,4 do 0,6 D
20 45o
d=0, 2D
dr
D1
7
o
d
,3
0
=
h
D
=
h
D2
,5
0
=
h
gaz
zapylony
r
R
Elektrofiltr – zasada działania
WLOT GAZU
elektroda
zbierająca
cząsteczka
g azu
elektrod a
emisyjn a
elektrod a
emisyjn a
elektron
cząstka
pyłu
zjon izowana
cząsteczka gazu
e lektroda
zb ierająca
Schemat usuwania pyłów w elektrofiltrze
Pole elektryczne pomiędzy elektrodami
Elektrofiltr – widok ogólny
elektrody
emisyjne
wylot gazu
oczyszczonego
elektrody
zbiorcze
m
h
C
L
B
wlot gazu
zanieczyszczonego
usuwanie
pyłów
Elektrofiltr
Emisja pyłu z przemysłu cementowego w latach 1999-2005 Uzysk ciepła z paliw alternatywnych w przemyśle cementowym w Polsce
w latach 1997-2005 [%]
Składniki cementu:
alit Ca3SiO5 (3CaO•SiO2 – C3S), decyduje o szybkim wzroście
wytrzymałości początkowej i stopniowym wzroście wytrzymałości po
upływie czasu – najważniejszy składnik (zaw. >50%)
belit Ca4SiO4 (2CaO•SiO2 – C2S),
celit Ca3Al2O6 (3CaO٠Al2O3 – C3A) najszybciej reaguje z wodą
brownmilleryt - (Ca4Al2Fe2O10 – C4AF)
oraz inne:
C3S2 (rankinit), CS (wolastonit), C5A3, CA, C3A5, C2F,
Wiązanie cementu (1)
Wiązanie cementu polega na hydratacji składników cementu oraz reakcjach wtórnych
zainicjowanych hydratacją:
Celit – C3A (Ca3Al2O6; reaguje najszybciej)
3CaO·Al2O3 + 6H2O ⇒ 3CaO·Al2O3·6H2O
Belit – C2S (Ca2SiO4)
2CaO·SiO2 + H2O ⇒ 2CaO·SiO2·H2O
Alit – C3S (Ca3SiO5)
3CaO·SiO2 + 2H2O ⇒ 2CaO·SiO2·H2O + Ca(OH)2
Wodorotlenek wapnia reaguje z CO2
Ca(OH)2 + CO2 ⇒ CaCO3 + H2O
oraz z uwodnionym celitem
3CaO·Al2O3·6H2O + Ca(OH)2+ nH2O ⇒ 4CaO·Al2O3·12H2O
Brownmilleryt – C4AF (Ca4Al2Fe2O10)
4CaO·Al2O3·Fe2O3 + nH2O ⇒ 3CaO·Al2O3·mH2O + CaO·Fe2O3 + (n-m)H2O
Wiązanie cementu (2)
Regulacja czasu wiązania (przez dodatek gipsu) polega na reakcji
uwodnionych związków celitu z gipsem i tworzeniu soli Candlota:
3CaO·Al2O3·mH2O + 3CaSO4·2H2O ⇒ 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O
sól Candlota
Etapy wiązania cementu:
 rozpuszczenie w wodzie związków rozpuszczalnych,
 hydratacja składników z utworzeniem pierwotnej fazy w stanie
koloidalnym - powstawanie plastycznej masy,
 krystalizacja produktów hydratacji - twardnienie plastycznej masy
(wzrost i wzajemne przerastanie kryształów).
Wiązanie cementu (3)
Cementownia „Chełm III”
Cementownia „Chełm III”
Cementownia Ożarów