СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА Российский патент 2010 года по МПК C04B7/00 B02C23/00 

Изобретение относится к способам получения цемента тонким измельчением клинкера и минеральных добавок и может широко использоваться на цементных заводах.

Известен способ получения цемента, включающий двухстадийный процесс переработки цементного клинкера с измельчением на второй стадии в мельнице, промежуточную и заключительную классификации (см. RU, патент 2033984, С04В 7/02, В02С 23/12, 1995 г.). Подобие с предлагаемым способом заключается в том, что с целью повышения производительности и снижения энергозатрат при получении цемента с частицами увеличенной активной поверхности клинкер также первоначально дробят с классификацией крупки, а затем домалывают с остальными материалами цемента в шаровой мельнице.

Недостатками этого способа являются невысокая эффективность мельницы (увеличение производительности на 10% с учетом энергозатрат на дробилку), загружаемой крупкой клинкера относительно грубого дробления одновременно с гипсом и другими мягкими материалами, препятствующими измельчению частиц клинкера крупнее 60 мкм, низкая степень гомогенности цементного порошка, получаемого послойным смешиванием продуктов промежуточной и заключительной классификаций, а также низкий уровень удельной поверхности - 4000 см²/г (ПСХ).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения шлакопортландцемента, включающий двухстадийный помол клинкера: сначала в коротких шаровых мельницах измалывается клинкер, а затем в обычных цементных мельницах предварительно измельченный клинкер домалывается совместно с доменным гранулированным шлаком и гипсом (см. Сатарин В.И. и др. Основы производства и некоторые вопросы твердения быстротвердеющего шлакопортландцемента и свойства специальных цементов, Стройиздат, 1967 г., стр.314-323). Общим техническим приемом с изобретенным способом является двухстадийная переработка основного компонента - клинкера, причем на первой стадии клинкер грубо размалывается обособленно от других материалов цемента с целью повышения эффективности его измельчения и, как следствие, для улучшения кинетики роста прочности цементного камня.

Недостатком этого способа являются ограниченность его применения из-за избирательности шлаков по твердости (например, кислые доменные гранулированные шлаки размалываются значительно труднее клинкера), ограниченного повышения марочной прочности цемента вследствие невысокой тонкости помола шлака (не более 3000 см²/г ПСХ), а также неблагоприятного гранулометрического состава клинкера, ухудшающего такие основные свойства цемента, как долговечность при хранении, водопотребность и морозостойкость: монослойный характер измельчения между шарами и бронеплитами обуславливает интенсивное истирание полезной фракции 10-40 мкм в «балластную» массу частиц размером мельче 5 мкм при сравнительно медленном измельчении бесполезных зерен крупнее 60 мкм, что особенно проявляется в присутствии повышенного количества мельчайших частиц клинкера, шлака и гипса.

Целью изобретения являются снижение энергозатрат путем оптимизации процессов измельчения разнотвердых материалов и повышение качества цементов за счет увеличения активной поверхности основных компонентов.

Это достигается тем, что в способе получения цемента, включающем двухстадийную переработку клинкера, на первой стадии в один или несколько этапов измельчают по отдельности все составляющие цемент материалы с целью их подготовки ко второй стадии, которая заключается в совместном домоле в шаровой мельнице открытого цикла, работающей при этом в экономичном режиме. Методы и степень измельчения каждого материала зависят от структурных характеристик (фазовый состав, микроструктура, твердость и др.) и их роли в процессе гидратации. Поэтому предлагается следующая схема подготовки полуфабрикатов:

- клинкер поэтапно дробится с промежуточной и заключительной классификацией в вертикальной роторной дробилке ударного типа на куски размером менее 5 мм, далее в дробилке струйного типа с вертикальным ударным валом до класса крупности - 1,0 мм, затем в горизонтальной шаровой дробилке до удельной поверхности 2000-3000 см²/г;

- доменный шлак тонко дробится в горизонтальной шаровой дробилке, работающей в закрытом цикле, до удельной поверхности не менее 1500 см²/г;

- золошлаки или зола уноса размалываются до 4000 см²/г и более тонко в роликовой мельнице;

- известняки и гипсовый камень измельчают в дробилке ударно-отражательного типа на куски мельче 5 мм.

На второй заключительной стадии подготовленные материалы подвергают одно- или двухстадийному помолу в шаровой одно- или двухкамерной мельнице открытого цикла. При одностадийном помоле происходит совместный помол материалов до значений удельной поверхности цемента 4000-5000 см²/г. Эффективность предлагаемой технологии повышается при новой более сложной схеме двухстадийного домола: трудноразмалываемые материалы, такие как клинкер и шлак, по завершению первой стадии подаются в центробежный (динамический) сепаратор на «предварительную» классификацию, где выделяется полезная фракция 0-40 мкм, которая далее направляется совместно с остальными компонентами во вторую камеру мельницы, а оставшиеся более крупные зерна клинкера и шлака размалываются последовательно в первой камере грубого помола и, наконец, во второй камере финишного помола цемента совместно с остальным материалом.

Сущность подготовительной стадии способа заключается в том, что многоэтапное дробление клинкера ударным, струйным и внутрислойнораздавливающим методами позволяет получить частицы преимущественно с осколочной дефектной конфигурацией. Применение промежуточных и заключительных классификаций на стадиях дробления обеспечивает увеличение производительности аппаратов на 20-30% и сохранение активной формы частиц при целевом гранулометрическом составе полуфабриката: минимальное содержание фракции - 10,0 мкм, переходящей при последующем домоле в балластную фракцию - 5,0 мкм, при невысокой (не более 10%) массовой доли частиц крупнее 60 мкм, которые трудно размалываются в шаровой мельнице. Каскадно работающие дробилки реализуют малоэнергоемкий принцип разрушения частиц путем создания напряжений разрыва за счет возникающих при односторонних ударах сил деформации сдвига, что предопределяет снижение расхода электроэнергии на предварительное тонкое измельчение клинкера. Дробленные частицы шлака также приобретают активную осколочную форму в результате внутрислойного раздавливания и ударного действия крупных шаров (диаметром до 170 мм). Проведенные исследования показали, что гидравлические свойства размалываемых шлаков соответствуют их удельной поверхности, причем граничное значение для предварительного тонкого измельчения составляет 1500 см²/г, что достигается с использованием заключительной классификации в воздушно-проходном сепараторе. Золошлаки и золы уноса обладают стекловидной структурой и недостаточно измельчаются при монослойном раздавливании в шаровой мельнице из-за упругости частиц класса - 3,0 мм. Поэтому в предлагаемом способе их механоактивируют раздавливанием и истиранием, в результате чего происходит увеличение активной поверхности, вскрытие реакционных слоев, разрушение внешней стекловидной пленки. Легко размалываемые вспомогательные компоненты и добавки, такие как известняк и гипс, измельчаются ударным методом и при этом приобретают «щебеночную» форму, что в совокупности облегчает последующий помол цемента в мельнице.

Сущность заключительной стадии помола цемента заключается в использовании ряда преимуществ шаровой мельницы открытого цикла как в отношении эксплуатационных характеристик, так и по качеству получаемого продукта. С одной стороны, при значительно меньшей загрузке мельницы открытого типа материалами и шарами, а также при правильно выбранных конструктивных и режимных параметрах домола предварительно измельченных компонентов и добавок (отношение длины к диаметру мельницы, размеры и количество мелющих шаров, типы бронеплит и межкамерной перегородки, скорость вращения мельницы, способ охлаждения и т.д.) снижаются затраты электроэнергии, количество выделяемого тепла, температура материала и, как следствие, устраняется замазывание рабочих поверхностей и уменьшается расход брони и шаров. С другой стороны, сокращается количество полуводного гипса в составе цемента, вызывающего ложное схватывание при гидратации, обеспечивается максимально однородность (высокая степень гомогенности) цементного порошка по сравнению с мельницами замкнутого цикла, достигается увеличение активной поверхности основных компонентов за счет высокой степени измельчения и развитой поверхности зерен. В совокупности это обуславливает улучшение основных характеристик качества цемента: водопотребность, прочность и, соответственно, морозостойкость.

Результаты исследований характеристик цементов, изготовленных известным и предлагаемым способами представлены в таблице 1 и 2.

Таблица 1 Составы и дисперсность цементов Способ получения цементов Состав цементов, % Удельная поверхность, см²/г по Блейну Гранулометрия, % класса крупности <5 мкм >40 мкм Известный Клинкер - 35
Шлак -41
Кварцевый песок - 20
Гипс - 4 3800 24,9 22,9 Предлагаемый Клинкер - 35
Шлак - 30
Золошлак - 10
Кварцевый песок - 20
Гипс - 5 4780 5,3 8,8

Таблица 2 Характеристики цементов (по ГОСТ 31108-2003) Способ получения цементов Нормальная густота, % Водоцементное отношение Прочность, МПА На сжатие На растяжение 2 суток 28 суток 2 суток 28 суток Известный 28 0,39 14,2 40,2 3,9 7,2 Предлагаемый 24 0,32 18,5 45,4 4,2 8,0

Разделение процессов тонкого дробления исходных материалов и окончательного помола цементного порошка позволило увеличить производительность мельницы на 18-22% при уменьшении удельного расхода электроэнергии на 24-29% и значительном повышении дисперсности и качества цемента.

Способ получения цемента включает двухстадийный процесс переработки цементного клинкера с измельчением на второй стадии совместно с остальными материалами цемента в мельнице открытого цикла. На первой стадии цементный клинкер поэтапно дробят сначала в вертикальной роторной дробилке с предварительной и заключительной классификацией посредством грохота на куски мельче 5 мм, далее в ударной дробилке с вертикальным валом и с встроенным классификатором до класса крупности - 1,0 мм, и, наконец, в горизонтальной шаровой дробилке с сепаратором для предварительной и заключительной классификации до удельной поверхности 2000-3000 см²/г по Блейну. Или клинкер совместно с кварцевым песком, взятым в соотношении от 1:1 до 1:0,5 дробят струйным методом в ударной дробилке с вертикальным валом. Другие компоненты цемента предварительно перерабатывают, доменный шлак тонко дробят в шаровой дробилке с сепаратором до удельной поверхности не менее 1500 см²/г по Блейну, золошлаки или золы уноса размалывают в роликовой мельнице до удельной поверхности не менее 4000 см²/г по Блейну, известняки и гипсовый камень дробят последовательно в щековой и ударно-отражательной дробилках на куски мельче 5 мм. На второй стадии помола все предварительно измельченные таким образом материалы совместно домалывают в шаровой мельнице открытого цикла до удельной поверхности цементного порошка 4000-5000 см²/г по Блейну. Для снижения энергозатрат на домол полуфабрикатов составляющих цемент материалов и улучшения гранулометрического состава получаемого цемента, на второй стадии способа могут использовать двухкамерную шаровую мельницу с центробежным сепаратором. Или домол трудноразмалываемых материалов могут осуществлять в короткой шаровой мельнице с промежуточной и заключительной классификацией, выделяя из полуфабрикатов и продукта помола фракцию 0-40 мкм и подавая ее на окончательный помол совместно с остальными материалами во вторую короткую шаровую мельницу, работающую в открытом цикле. Изобретение направлено на снижение энергозатрат путем оптимизации процессов измельчения разнотвердых материалов и повышение качества цементов за счет увеличения активной поверхности основных компонентов. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения цемента, включающий двухстадийный процесс переработки цементного клинкера с измельчением на второй стадии совместно с остальными материалами цемента в мельнице открытого цикла, отличающийся тем, что на первой стадии цементный клинкер поэтапно дробят сначала в вертикальной роторной дробилке с предварительной и заключительной классификацией посредством грохота на куски мельче 5 мм, далее в ударной дробилке с вертикальным валом и с встроенным классификатором до класса крупности - 1,0 мм, и, наконец, в горизонтальной шаровой дробилке с сепаратором для предварительной и заключительной классификации до удельной поверхности 2000-3000 см²/г по Блейну или клинкер совместно с кварцевым песком, взятым в соотношении от 1:1 до 1:0,5 дробят струйным методом в ударной дробилке с вертикальным валом, при этом другие компоненты цемента также предварительно перерабатывают, доменный шлак тонко дробят в шаровой дробилке с сепаратором до удельной поверхности не менее 1500 см²/г по Блейну, золошлаки или золы уноса размалывают в роликовой мельнице до удельной поверхности не менее 4000 см²/г по Блейну, известняки и гипсовый камень дробят последовательно в щековой и ударно-отражательной дробилках на куски мельче 5 мм, а на второй стадии помола все предварительно измельченные таким образом материалы совместно домалывают в шаровой мельнице открытого цикла до удельной поверхности цементного порошка 4000-5000 см²/г по Блейну.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для снижения энергозатрат на домол полуфабрикатов составляющих цемент материалов и улучшения гранулометрического состава получаемого цемента, на второй стадии способа используют двухкамерную шаровую мельницу с центробежным сепаратором, причем трудноразмалываемые материалы по завершению первой подготовительной стадии подают в центробежный сепаратор, где выделяется полезная фракция компонентов 40 мкм, которую далее направляют вместе с остальными полуфабрикатами во вторую камеру мельницы, а более крупный материал сепарирования подают в первую камеру мельницы и на последовательный домол в обоих камерах.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно измельченные на первой стадии процесса получения цемента трудноразмалываемые материалы, такие как клинкер, шлак и кварцевый песок, домалывают совместно до класса - 40,0 мкм в короткой шаровой мельнице с промежуточной и заключительной классификацией, выделяя из указанных полуфабрикатов и продукта помола фракцию 0-40 мкм и подавая ее на окончательный помол совместно с остальными материалами во вторую короткую шаровую мельницу, работающую в открытом цикле.