Контроль реакции прокаливания определяет стабильность работы печи. Из опыта, накопленного с различными типами печей с декарбонизаторами, следует, что существует взаимосвязь между различиями в степени обжига и временем пребывания материала в системе предварительного обжига. Системы с более коротким временем пребывания твердых частиц, как правило, демонстрируют большие колебания прокаливания.

Основные конфигурации систем предварительного обжига связаны с потоком вторичного и третичного воздуха из печи и охладителя соответственно в систему предварительного обжига. Различные конфигурации действующих установок можно резюмировать следующим образом:

I. Вторичный воздух для сжигания из печи полностью поступает в камеру декарбонизатора без какого-либо отдельного канала третичного воздуха от клинкерного холодильника. Таким образом, этот тип декарбонизатора работает с газом для сжигания, обедненным кислородом (10-14%), и подходит только для подачи топлива в меньшем количестве (20-30%).

II. Печные газы не проходят через предварительный декарбонизатор, который использует только горячий третичный воздух из клинкерного холодильника. Печные газы смешиваются с продуктом предварительного обжига перед поступлением в циклон подогревателя.

Это сгорание в декарбонизаторе осуществляется горячим воздухом, содержащим 21% кислорода. Доля топлива в декарбонизаторе может находиться в диапазоне 50-65% от общего расхода топлива на обжиг клинкера.

III. Третичный воздух из клинкерного холодильника и печные газы смешиваются перед декарбонизатором, а затем добавляются к потоку, поступающему в систему. При необходимости эта конфигурация может также предусматривать байпас для печных газов.

IV. При наличии двух потоков циклонных теплообменников для печи, в один поток подаются печные газы, а в другой - газы из декарбонизатора. Третичный воздух из клинкерного холодильника подает воздух для горения в декарбонизатор.

Не вдаваясь в детали конструкции, можно в целом выделить два типа декарбонизаторов: линейные кальцинаторы (ILC) и кальцинаторы отдельной линии (SLC). Основное различие заключается в том, что в ILC печные газы проходят через предварительный кальцинатор, а в SLC - нет.

Другим важным аспектом работы предварительного обжига является температура третичного воздуха. Чем выше температура, тем ниже потребление тепла и стабильнее система обжига. Таким образом, системы печей с декарбонизаторами тесно связаны с конструкцией и эффективностью работы клинкерного холодильника.

Множество вариантов конструкции систем циклонных теплообменников и декарбонизаторов направлены на достижение следующих целей:

• Удовлетворение противоречивых требований по минимизации температуры и уровня кислорода, и полное выгорание топлива;
• Снижение тепловой нагрузки во вращающейся печи;
• Достижение контролируемой степени декарбонизации;
• Сокращение выбросов NOx;
• Использование альтернативных или трудносгораемых видов топлива.

Что касается вышеуказанных целей, и, в частности, последних двух, цементная промышленность разработала конструкции систем для снижения выбросов NOx и для сжигания различных видов топлива в предкальцинаторе.

В результате конструктивных усовершенствований циклонов предварительного нагрева эффективность разделения материала возросла, а перепад давления на циклонный теплообменник существенно уменьшился. Падение давления в циклонах было уменьшено за счет обеспечения больших впускных отверстий, больших выпускных отверстий и наклонных входных полок, а также за счет устранения любых внутренних горизонтальных поверхностей. Разработка высокоэффективных циклонов с низким перепадом давления позволила установить дополнительные ступени теплообменных циклонов для снижения температуры выходящего газа и достижения экономии топлива при незначительном увеличении стоимости установки.

Отходящие из вращающейся печи газы с температурой 900-1000 С по газоходу движутся в циклонный теплообменник IV ступени, а затем последовательно проходят циклонные теплообменники III, II и I ступеней, пылеулавливающее устройство и дымососом через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Время пребывания материала в подогревателе составляет примерно 30 с, а в печи - около 40 мин. Печь вращается со скоростью два оборота в минуту, а перепад давления в циклонном теплообменнике составляет 300-600 мм воды.

Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, и при этом нагревается. На выходе из циклона IV ступени материал имеет температуру 700-800 С, затем он подаётся во вращающуюся печь для дальнейшего обжига.

Время пребывания частиц сырьевой муки в циклонном теплообменнике не превышает 25-30 с, и за это очень короткое время материал нагревается, полностью дегидратируется глинистая составляющая сырьевой смеси, а также на 25-30% успевает пройти декарбонизация карбонатной породы. Таким образом, в циклонном теплообменнике осуществляются процессы, которые соответствуют зоне подогрева и частично зоне кальцинирования. При этом процесс теплообмена на 80 % осуществляется в газоходах и только 20 % приходится на долю циклонов.

Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками имеют высокие технико-экономические показатели, длительный срок службы, просты по конструкции и надёжны в эксплуатации (отсутствие движущихся элементов), они отличаются высоким коэффициентом использования. Основным недостатком данного теплообменного устройства является большая высота циклонной башни — 50-60 м.

Учитывая разницу температур и характер твердофазовых реакций до этой стадии, наиболее энергоэффективным решением для процесса клинкерообразования было разделение на две подсистемы: подсистему предварительного нагрева и частичной декарбонизации в режиме воздушной суспензии частиц, и подсистему спекания клинкера в присутствии жидкой среды.

Наиболее современными являются технологии, основанные на трёхступенчатом обжиге, которые позволяют направлять в обжиговую печь материал, который декарбонизирован почти полностью. Для интенсификации процесса диссоциации CaСО3 между запечным теплообменником и печью устанавливается специальный реактор – диссоционная ступень (декарбонизатор или кальцинатор), представляющая собой печь специальной конструкции с вихревой форсункой, где происходит сжигание топлива и декарбонизация сырьевой муки в вихревом потоке.

Реализация этих подсистем дала возможность генерировать и поглощать более 60% общего подводимого тепла в зоне прокаливания, где потребление тепла было высоким из-за эндотермической природы реакции декарбонизации. Сгорание топлива и, в еще большей степени, время пребывания твердых частиц зависят от режима газового потока. Расчетное время пребывания газа в различных конструкциях варьируется от 1,4–1,7 секунды в системах с отдельным декарбонизатором и до 4-5 секунд в расширенной системе воздуховодов. Некоторые декарбонизаторы для предварительного прокаливания материала сконструированы с закрученным или циклоническим движением газового потока внутри них, что обеспечивает твердым частицам относительно более длительное время пребывания.

Современные системы печей предварительного нагрева и декарбонизации рассчитаны на удаление СО2 из карбоната кальция (не менее 85% материала).

Степень прокаливания материала в декарбонизаторе зависит от:

• температуры газового потока в реакторе;
• времени пребывания материала;
• разделения газа и твердых частиц;
• эффекта циркуляции твердых частиц;
• кинетики декарбонизации известняка, обусловленную морфологией и химическим составом карбоната кальция.

Температура материала на входе в реактор составляет 720-750 С. В результате сгорания дополнительного количества топлива температура газового потока повышается до 1000-1050 С, а материал нагревается до температуры 920-950 С. Каждая частица материала находится в системе «циклонный теплообменник — декарбонизатор» всего 70-75 с, но на выходе из нее степень декарбонизации составляет 85-95%.

Установка диссоционной ступени позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объёма печи в 2,5-3 раза, в результате печь диаметром 5-5,5 м имеет производительность 6000-8000 т/сут, а удельный расход теплоты снижается до 3-3,1 кДж/кг клинкера. Размеры реактора невелики, он может быть использован не только при строительстве новых линий, но и при модернизации уже существующих коротких вращающихся печей с циклонными теплообменниками.

Различие в производительности печей обусловлены типом циклонных теплообменников (в основном количество ступеней и диаметром циклонов) и типом декарбонизатора.

Печи сухого способа производства примерно в два раза короче печей мокрого способа при равной или даже большей производительности. Современные мощные печи этого способа имеют размеры: 6,4/7,0×95 м, 5×75 м и производительность 25 т/ч и 75 т/ч соответственно. Уменьшение длины печи связано с двумя основными факторами: во-первых, в печах сухого способа в принципе отсутствует зона сушки, во-вторых, часть процессов выносится из печи в запечные теплообменные устройства (циклонные теплообменники, реактор-декарбонизатор или кальцинатор).

В ряде стран Западной Европы и Японии, ввиду большого расхода топлива мокрый способ полностью отсутствует, все 100% цемента выпускается по экономичному сухому способу. В США, Канаде, многих странах превалирует сухой способ, по которому работают 60-80% заводов.

В печах сухого способа выделяют все зоны тепловых преобразований материала как в печах мокрого способа, кроме зоны сушки.

Эффективное использование теплоты во вращающихся печах возможно только при установке системы внутрипечных и запечных теплообменных устройств. Внутрипечные теплообменные устройства имеют развитую поверхность, которая либо всё время покрыта материалом, непосредственно соприкасающимся с газами, либо работает как регенератор, воспринимаю теплоту от газов и передавая ее материалу. Эти устройства увеличивают поверхность теплообмена между газами и материалами также потому, что, уменьшая скорость движения материала, повышают коэффициент заполнения печи.

В основу конструкций печей сухого способа производства с циклонными теплообменниками положен принцип эффективного теплообмена между отходящими из печи дымовыми газами и частицами сырьевой муки, находящимися во взвешенном состоянии. Уменьшение размера частиц обжигаемого материала и увеличение его удельной поверхности, а также максимальное использование всей поверхности частиц для контакта с теплоносителем интенсифицируют теплообмен между ними. Этот способ передачи теплоты обеспечивает быстроту и равномерность нагрева и поэтому весьма эффективен. Во взвешенном состоянии при достижении температуры диссоциации декарбонизация СаСО3 протекает также гораздо быстрее, чем при обжиге шихты в слое. Но все процессы, связанные с непосредственным контактом частиц-реагентов между собой (твёрдофазовые реакции, спекание), наоборот, замедляются.

Самые первые вращающиеся печи работали с 4-мя ступенями циклонных теплообменников.

Нумерация циклонов начинается сверху по направлению движения материала сверху вниз. Сырьевая мука в системе циклонных теплообменников движется навстречу отходящих из вращающейся печи газов температурой 900 - 1100 С. Средняя скорость движения газов в газоходах составляет 15 - 20 м/с, что значительно выше скорости движения частиц сырьевой муки. Сырьевая мука поступает в газоход между верхними I и II ступенями циклонов, увлекается газовым потоком и переносится в циклонный теплообменник I ступени. Поскольку диаметр циклона намного больше диаметра газохода, скорость газового потока резко снижается, и частицы выпадают из него. Осевший в циклоне материал через затвор - мигалку поступает в газоход, соединяющий II и III ступени, а из него выносится газами в циклон II ступени. В дальнейшем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, начиная относительно холодной (I) и кончая горячей (IV). В то же время, по мере повышения температуры газов и материала свойства последнего изменяются, и изменяются более радикально с появлением жидкой фазы внутри печи. Диаграмма температур материала и отходящих газов в процессе обжига клинкера демонстрирует , что наибольшая разница температур между газами и материалом существует на стадии обжига во вращающейся печи.

В зависимости от характера физико-химических процессов, происходящих при нагревании сырьевого материала, печь по длине условно разделяют на 6 технологических зон.

Нумерация зон идет от холодного конца к горячему по ходу продвижения материала.

I. Зона сушки занимает 20 – 25% длины печи. В этой зоне испаряется физическая влага из шлама. Температура материала повышается от 15 – 20 °C до 170 – 200 °C. Температура газов снижается с 800 – 900 °С до 180 – 250 °С. Скорость движения жидкого шлама 4 – 6 м/мин, на участке подсушенного материала 0,8 – 1,5 м/мин. Скорость газов 7 – 8 м/с. Для интенсификации теплообмена в этой зоне устанавливают цепные завесы. При достижении определенной вязкости шлама в цепной завесе начинают образовываться гранулы. Эта зона носит название зоны критической влажности. Материал, выходящий из цепной завесы, должен иметь температуру 90 – 110 C и влажность 8 – 10%, так как при более низкой влажности резко усиливается пылеобразование и рециркуляция материала вследствие разрушения гранул. Цепная завеса занимает 18 – 20% длины печи.

Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов, имеющих значительную температуру (300-900 С). При этом начинается энергичное испарение воды, сопровождаемое постепенным загустеванием шлама. В дальнейшем, когда значительная часть воды уже испарилась, образуются крупные комья, которые затем распадаются на более мелкие частицы вследствие ухудшения связующих свойств глиняного компонента, а также разрыхляющего воздействия цепей.

II. Зона подогрева и дегидратации занимает 25 – 30% длины печи. При последующем движении по длине печи материал попадает в область более высоких температур. В этой зоне удаляется химически связанная (гидратная) влага из глинистого компонента. Реакция сопровождается поглощением теплоты q1 = 7880 кДж/кг гидратной влаги:

Al2O3·2SiO2·2H2O = Al2O3·2SiO2 + 2H2O – q1.

Температура газов на входе в зону 1100 – 1200 С. Материал нагревается до 550 – 800 С. Скорость движения материала 2 – 4 м/мин. Скорость газов до 13 м/с. В этой зоне устанавливают металлические теплообменники из жаропрочной стали.

При 400-500 С в материале выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита и других глинистых минералов с образованием каолинитового ангидрида. Удаление из глины гидратной воды сопровождается потерей пластичности и связующих свойств, что приводит к распаду образовавшихся ранее комьев материала в подвижный порошок.

III. Зона кальцинирования (декарбонизации) занимает 22 – 30% длины печи. В этой зоне протекают процессы разложения карбонатов магния и кальция.

Материал нагревается до 950 – 1100 °С. Температура газов на входе в зону 1500 – 1600 °С. Скорость движения материала 3 – 6 м/мин, газов до 16 м/с.

При 750-800°С и выше в материале начинаются реакции в твёрдом состоянии между его составляющими. Вначале они едва заметны, однако с повышением температуры материала до 1000°С и более интенсивность их резко возрастает. При 800°С в результате взаимодействия между компонентами, находящимися в твёрдой фазе, начинается сцепление отдельных частичек порошка и образование гранул разного размера. Повышению интенсивности реакций в твёрдом состоянии способствует тонкое измельчение материала и тесное смешение компонентов. При реакциях в твёрдом состоянии между карбонатом кальция и продуктами распада глинистых минералов начинают образовываться клинкерные минералы β-2СаО·Si02, СаО·А1203 и 2СаО·Fe2Os.

При 900-1000°С резко усиливается разложение карбоната кальция с образованием свободного оксида кальция СаО (своб.) и углекислого газа С02. В этой зоне печи потребление теплоты наибольшее. Это обусловлено тем, что разложение СаС03 является эндотермической реакцией, идущей с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаС03).

На участке вращающейся печи, где температура материала достигает 1000-1100 С и где основная масса СаС03 уже превратилась в СаО (своб.) и частично в C2S, СА и C2F (конец зоны кальцинирования), резко возрастает интенсивность реакций в твёрдом состоянии.

Вращающаяся печь работает по принципу противотока - материала и горячих газов движутся навстречу друг другу.  Выделяют горячий и холодный конец печи.  Холодный конец печи 8 приподнят и входит в пыльную камеру 6, с торца печи по шламопроводу  5 подается жидкий сырьевой шлам.  С горячего конца по форсунке 10  подается топливо, которое сжигается непосредственно в печи. При вращении материал продвигается по печи от холодного конца к горячему. Горячие газы после сжигания топлива носят название отходящие газы, за счет создания разряжения дымососом 2 в пространстве печи продвигаются с горячего конца в холодный конец.

Отходящие из печи газы после очистки в электрофильтрах 3 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 1. Готовый клинкер из вращающейся печи поступает в холодильник 11, где осуществляется его охлаждение до ~70 С дутьевым воздухом от вентиляторов 14, 15. За счет возвратно-поступательного движения колосников решеток 12 и 13, клинкер транспортируется к разгрузочной части холодильника, далее в дробилку 16 и транспортер 17. Часть воздуха, нагретого клинкером в процессе его охлаждения до ~ 450 С, возвращается в печь в качестве вторичного рекуперационного воздуха, необходимого для горения топлива. Количество вторичного воздуха, засасываемого в печь, регулируется печным дымососом 2. Избыточный воздух из холодильника с температурой ~120 С после очистки в пылеулавливателе 18 удаляется вентилятором 19 и выбрасывается в атмосферу.

Получение клинкера сопровождаются сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются спёкшиеся зёрна, состоящие в основном из минералов C₃S, (3-C₂S, С₃А, C₄AF) и стекловидной фазы. Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси, определяется температурой обжига. При этом необходимо обеспечить условия, способствующие получению клинкера с монадобластической микроструктурой, характеризующейся равномерным распределением в его объёме хорошо закристаллизованных алита и белита. Этому способствует повышенный коэффициент насыщения сырьевой смеси и оптимальная продолжительность выдержки клинкера в зоне высоких температур.

Назначение огнеупорной футеровки - изолировать стальной корпус от высоких температур внутри печи и защитить его от коррозионных свойств обрабатываемого материала, а также защита корпуса печи от истирающего воздействия обжигаемого материала.

Она может состоять из огнеупорного кирпича или литого огнеупорного бетона, или может отсутствовать в зонах печи, температура которых ниже приблизительно 250 °C. Выбор огнеупорного материала зависит от температуры внутри печи и химической природы обрабатываемого материала. В некоторых процессах, таких как производство цемента, срок службы огнеупора продлевается за счет сохранения покрытия из обрабатываемого материала на огнеупорной поверхности. 

Толщина футеровки обычно составляет от 80 до 300 мм. Типичный огнеупор способен поддерживать перепад температур между его горячей и холодной поверхностями до 1000 C. Температура корпуса должна поддерживаться ниже 350 C, чтобы защитить сталь от повреждений, а непрерывные инфракрасные сканеры используются для раннего предупреждения о "горячих точках", указывающих на разрушение огнеупора.

Факторы, влияющие на стойкость футеровки:

Высокая стойкость футеровок обеспечивается за счет создания обмазки из обжигаемого материала на поверхности кирпича. Для обеспечения образования обмазки на футеровке важное значение имеет содержание в нем низкоплавких оксидов Al₂O₃ и  Fe₂O₃.

Содержание Al₂O₃  и Fe₂O₃  в сырьевой смеси обеспечивает получение вязкой жидкой фазы, которая легко прилипает к футеровке (оптимальное содержание в материале Al₂O₃ = 3,5 - 3,7%, Fe₂O₃ = 2.6 – 2.9 %).

Содержание тугоплавкого материала SiO₂ в составе глинистых минералов не оказывает никакого влияния, т. к. при t 500 С происходит разложение минералов глины с образованием аморфных оксидов и аморфного SiO₂, который легко вступает в реакцию с оксидом кальция. Если же в материале имеется SiO2 в формекварца крупнокристаллического, который плохо вступает в реакции минералообразования, то требуется повышенная температура обжига, что снижает стойкость футеровки.

Коэффициент насыщения должен находиться в оптимальном интервале (КН=0,91).  При увеличении КН спекание сырья затрудняется и требуется более высокая температура в печи, что снижает стойкость футеровки. При пониженном КН<0,91 образуется легкоспекаемая сырьевая смесь, поэтому уменьшается длина зоны спекания и появляется избыточная жидкая фаза, что требует более стабильного режима обжига. Перегрев приводит к тому, что расплавляется обмазка, а небольшое снижение температуры может привести к выпуску брака. Поэтому в этих условиях часто возникает колебание температуры футеровки, что приводит к сколу кирпича и его разрушению.

Значение силикатного модуля тоже должно находиться в оптимальном интервале  n=2,3.

Примеси в сырьевой смеси Na₂O, K₂O=1%, MgO=2,5%  повышает стойкость футеровки.

Основные способы повышения стойкости футеровки:

1. использование качественного огнеупора;
2. качественное выполнение футеровочных работ;
3. оптимальный состав обжигаемого материала;
4. исключение резких теплосмен огнеупорной футеровки в печи;
5. оптимальный режим горения топлива (рациональный факел);
6. соблюдение рационального режима розжига печи.

Теплообменные устройства предназначены для снижения расхода топлива и должны обеспечивать:

• интенсивный теплообмен межу материалом и газовым потоком;
• рациональное продвижение материала на различных участках;
• образование и сохранение гранул материала;
• предотвращение образования колец в печи;
• пониженное сопротивление газовому потоку;
• низкий пылеунос.

После частичного высыхания шлама и достижения критической влажности материал ссыпается с цепей, при этом обеспечивается регенеративный теплообмен, когда цепь нагревается в газовом потоке в верхнем положении и отдает тепло материалу при погружении в него.

В качестве оценочных критериев цепных теплообменников применяют:

1. Способ навески: гирляндная, свободновисящая, комбинированная, коврик, шторка;
2. Длина цепной завесы;
3. Масса цепной завесы;
4. Удельная масса цепной завесы – отношение массы цепей  к массе клинкера за час;
5. Поверхность цепной завесы;
6. Удельная поверхность цепной завесы – отношение поверхности цепей к массе клинкера за час;
7. Коэффициент плотности завесы – отношение поверхности цепей к поверхности футеровки;
8. Длина цепи;
9. Просвет под цепями;
10. Вид цепей: круглозвенные, овальные;
11. Диаметр звена цепи D_ц, мм;
12. Диаметр прута цепи d_ц, мм;
13. Масса 1 м цепей, кг/м;
14. Поверхность 1 м цепей, м²/м.

При подборе схемы цепную завесу в зависимости от свойств материала делят на 3 участка: текучего, вязко-пластичного и сыпучего состояния. Первый участок в основном выполняет функцию фильтра подогревателя, т.е. улавливает пыль из газового потока и поэтому здесь следует создавать уплотненную навеску. На втором участке для снижения газодинамического сопротивления завесы и предотвращения образования колец необходимо ускорять движение материала и поэтому навешивать тяжелые крупнозвенные цепи с d_ц≈30 мм и D_ц≥ 120 мм под небольшим углом (45-50 градусов) к оси печи. На третьем участке в области сыпучего материала для интенсификации теплообмена и увеличения срока службы цепей следует замедлять его движение путем увеличения угла линии навески до 70 градусов и создания подпора материала с помощью «шторок». Это обусловлено тем, что в области регенеративного теплообмена при малом слое и времени пребывания цепи в нем она не успевает отдать необходимое тепло материалу и перегревается в газовом потоке. Если же шлам не склонен к образованию гранул, то из-за пониженного теплообмена в свободной части печи, на участке от цепей до зоны спекания можно нагреть его не на ~1200 С, как в предыдущем случае, а всего на ~900 С.

Преимущество гирляндной завесы заключается в более интенсивном теплообмене, пониженном расходе цепей и способности формировать гранулы. Недостатком является ограниченный коэффициент плотности (k_F ≤ 4), сложность навески и эксплуатации. При обрыве нескольких концов цепи спутываются, образуют комья и вследствие того, что они не опускаются в материал, исключаются из теплообмена. Преимущество свободновисящей завесы заключается в простоте навески, возможности создавать большую плотность, пониженном газодинамическом сопротивлении и возможности регулировать скорость движения материала в ней. Недостатками являются пониженный теплообмен, большая масса и предотвращение грануляции материала.

Подготовка сырьевой смеси начинается с дробления сырьевых материалов. Мягкое сырьё проходит стадии дробления и измельчения в мельницах «Гидрофол». Окончательное измельчение производится в трубных шаровых мельницах. Влажность сырьевого шлама колеблется от 36% до 45% и зависит от водоудерживающей способности и способности к размучиванию мела и глины.

 На заводах мокрого способа применяют два метода приготовления сырьевого шлама: порционный и полупоточный.

При порционном методе шлам готовится небольшими порциями от 300 до 800 м³, которые направляются в разные шламовые бассейны. Порции шлама отличаются по содержанию в нем карбонатной и глинистой  породы (так называемым титром шлама). После определения в лаборатории химического состава шламов (титров), рассчитывают пропорции, в которых они сливаются в третий бассейн.

Полупоточный способ приготовления сырьевого шлама заключается в корректировании состава шлама, который поступает в шламбассейн большой емкости, по мере его наработки с учетом его химического состава.

При сухом способе дробленые сырьевые материалы высушиваются и измельчаются в специальных помоль­ных агрегатах. Современные передвижные дробилки, устанавливаемые на карьерах, могут совмещать первую и вторую стадии дробления, измельчая материал до крупности 25 мм. Далее сырьевые компоненты поступают на усреднительный склад шатрового или продольного типа. Усреднение химического состава поступающих на склад материалов происходит вследствие того, что сам материал при загрузке укладывается в штабель послойно, а при разгрузке отбирается из штабеля вразрез слоями.

Отдельные компоненты после предвари­тельной гомогенизации дозируются в соответствии с проектным химическим составом сырьевой смеси и подаются к сырьевой мельнице через питающие бункеры и весовые ленточные дозаторы. Химический анализ сырьевой смеси, выходящей из мельницы, позволяет судить о необходимости корректирования ее состава. Окончательный помол и сушка выполняются в сушилке-дробилке при использовании более влажного и мягкого сырья.

Валковые мельницы ра­ботают в замкнутом цикле с сепараторами, которые встраивают в верхнюю часть кожуха. В установках с валковыми мель­ницами благодаря высокой кратности циркуляции мате­риала можно использовать в большом объеме отходящие печные газы и измельчать сырье влажностью до 30% с дополнительной подачей горячих газов.

Измельченный продукт выносится из мельницы в потоке газов и поступает в осадительную ка­меру, где улавливается и осаждается крупка; затем он направляется в два параллельных циклона, служащих для осаждения тонких фракций материала.

 Окончательное усреднение сырьевой муки происходит в смесительных силосах различной конструкции. Поочередная подача сжатого воздуха под аэрируемое днище силоса, разделенное на квадранты, создает условия для эффективного перемешивания муки.

Наблюдения за соответствием технологических процессов нормативным параметрам приготовления сырьевой смеси осуществляется с помощью системы контроля на каждом переделе. Лаборатории с помощью современных анализаторов (например, RFA) могут быстро обнаруживать изменения в составе сырьевой смеси и управлять ими, регулируя дозировку компонентов.

Эффективное усреднение обеспечивает стабильность параметров сырьевой смеси перед процессом обжига и высокое качество клинкера.

Минеральное  сырье для цемента должно давать оксиды, необходимые для клинкера. Отдельные сырьевые материалы обычно содержат более одного оксида. Первичное сырье - это материал, который всегда используется в относительно больших количествах конкретным заводом.

 Для устранения незначительных недостатков в одном или нескольких оксидах в первичном сырье могут быть добавлены вспомогательные вещества или “корректирующие добавки”, как правило, высокой чистоты.

При оценке качества сырьевых компонентов учитывается не только потенциальный вклад каждого материала в содержание основных оксидов (CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃), но и содержание нежелательных микроэлементов. Такие оксиды называются второстепенными или примесными.

Большая часть сырья для производства клинкера поступает из открытых карьеров. Запасы основного сырья должны быть достаточными по крайней мере для 50-летней эксплуатации цементного завода. При выборе места строительства цементного завода обязательно учитывают расположение месторождения карбонатного сырья и глинистого сырья. Транспортировка основных сырьевых материалов на большие расстояния (более нескольких километров), как правило, исключается.

Цементное сырье геохимически безвредно, поэтому такие методы, как кислотный дренаж выработанных карьеров, как правило, не применяется. В целом, проблемы с добычей цементного сырья в основном связаны с шумом, вибрацией и пылью от взрывных работ (обычно не выполняемых ежедневно) и транспортировочного оборудования (в основном, для перевозки на короткие расстояния), а также с эстетическими соображениями.

Способ добычи определяется в основном физическими свойствами сырья и глубиной его залегания. Твёрдые породы добывают преимущественно с помощью буровзрывных работ, а мягкие - прямой экскавацией. Прямая экскавация как способ разработки карьера более проста, безопасна и особенно эффективна в случае использования мощных роторных экскаваторов.

Обжиг цементного клинкера по мокрому способу производится в длинных вращающихся печах с отношением длины к диаметру L/D≈ 37.

Схема вращающейся печи мокрого способа производства:

1 - дымосос; 2 - электрофильтр; 3 - шлампитатель; 4 - теплообменные устройства в виде цепных завес; 5 - бандаж; 6 - корпус печи; 7 - привод печи; 8 - роликоопора; 9 - горелка для подачи топлива; 10 - колосниковый клинкерный холодильник.

Наибольшее распространение в последние десятилетия прошлого столетия получили вращающиеся печи диаметр 5 м и длиной 185 м с колосниковым холодильником «Волга-75» производительностью 72-75 т/ч при условном расходе топлива 201 кг/т клинкера. В настоящее время в цементном промышленности РФ эксплуатируются вращающиеся печи мокрого способа следующих типоразмеров:

Вращающиеся печи мокрого способа эксплуатируются длительное время от 30 до 60 лет. Они практически не подвергаются модернизации и обновлению.

Первый завод по сухому способу  в СССР был построен в  1957г. с вращающейся печью 3,6/51,9 с циклонными теплообменниками и производительностью клинкера 139 т/ч.

Различие в производительности печей обусловлены типом циклонных теплообменников (в основном количеством ступеней и диаметром циклонов) и типом декарбонизатора.

Участие в конференции

Компания «Полипласт Новомосковск» приняла участие в межведомственной научно-практической конференции «Импортозамещение материалов, оборудования и технологий в области общегражданского и транспортного строительства»

/ic.pics.livejournal.com/polyplast_nov/92290931/2720/2720_original.jpg" target="_blank">https://ic.pics.livejournal.com/polyplast_nov/92290931/2720/2720_original.jpg 1280w" />

20-21 сентября 2022 года в Москве в очном формате сразу на двух площадках: в здании РСПП и в здании МАДИ прошла межведомственная научно-практическая конференция «Импортозамещение материалов, оборудования и технологий в области общегражданского и транспортного строительства».

Соорганизаторами конференции выступили: Комитет РСПП по промышленной политике и техническому регулированию, учебный центр ЧУДПО «ЦИВССМ», Ассоциация производителей и потребителей асфальтобетонных смесей РОСАСФАЛЬТ и Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет.

Участники конференции обсудили разноплановые вопросы импортозамещения на предприятиях транспортного, промышленного и гражданского строительства в текущих условиях.

Одной из целей конференции стало определение видов химической продукции, необходимой для производства материалов, применяемых в транспортном, промышленном и гражданском строительстве, требующих организации производств на территории Российской Федерации.

/ic.pics.livejournal.com/polyplast_nov/92290931/2839/2839_original.jpg" target="_blank">https://ic.pics.livejournal.com/polyplast_nov/92290931/2839/2839_original.jpg 1280w" />

Компания «Полипласт» представила свой импортозамещающий потенциал в области специализированной химической продукции, выступив с докладом на тему: «Высокотехнологичная строительная химия отечественного производства».

Ирина Владимировна Вовк рассказала аудитории о предложениях компании «Полипласт» для строительной отрасли-цементной, гипсовой и огнеупорной промышленности, производства сухих строительных смесей и лакокрасочных материалов. Особое внимание было уделено добавкам для бетонов широкого спектра применения: от рядовых до бетонов дорожных и аэродромных покрытий, транспортного строительства.

Информация сопровождалась конкретными примерами. Также были озвучены пути получения всего комплекса услуг, начиная с проверки возможности использования материалов в начатом проекте до получения карт подбора бетона и внедрения на площадке заказчика.

На 2022 г в Российской Федерации производство цемента осуществляется на 57 цементных предприятиях полного цикла производства.

Крупные цементные Холдинги:

• АО «ЕВРОЦЕМЕНТ групп» (16 цементных заводов);
• LAFARGEHOLCIM (4 цементных заводов);
• Сибирский цемент (5 цементных заводов);
• Востокцемент (3 цементных заводов);
• Газметаллпроект (2 цементных завода);
• BUZZIUNICEM(2 цементных завода);
• AKKERMAN(2 цементных завода);
• Группа СМИКОМ (2 цементных завода);
• ЦБ РФ (2 цементных завода);
• Отдельные «независимые» цементные корпорации (16 цементных заводов).

Проектные мощности цементных предприятий РФ и выпуск цемента по годам, млн тонн в год:

Изменения доли цемента, выпущенного по технологиям мокрого, сухого и комбинированного способом за последние годы:

Сырьевые материалы для производства портландцементного клинкера делятся на:

• Карбонатные;
• глинистые  породы;
• корректирующие добавки.

В силикатной промышленности (цементной, стекольной, керамической) принято характеризовать материалы, сырье, полуфабрикаты и конечный продукт содержанием оксидов, мас.% – СаО, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ и пр.

Фото предоставил сайт www.taxi-pesok.ru

Карбонатное сырье представлено природными карбонатными породами:

• известняки;
• мела;
• мергелистый известняк;
• известняки-ракушечники.

Карбонатное цементное сырье содержит основный минерал – карбонат кальция СаСО₃. Применимость карбонатной породы в производстве клинкера оценивается содержанием основного оксида СаО (не менее 45 мас.%) и минимальным содержанием MgO (не более 2,95%).

Глинистое сырье представлено:

• Глинами;
• глинистым сланцем;
• лёссом;
• лёссовидным суглинком.

Эти сырьевые компоненты представлены природными глинистыми минералами, в состав которых входят основные оксиды SiO₂ и Al₂O₃. К второстепенным оксидам в составе глин относят содержание щелочных оксидов калия K₂O и натрия Na₂O. Содержание щелочных оксидов принято обозначать R₂O в пересчете на Na₂O не более 3 мас.% . Ангидрида серной кислоты SO₃ из природных сульфатов не должно быть более 1 мас.%, а P₂O₅ не более 0,4 мас.%.

Корректирующие добавки вносят в состав сырьевой смеси недостающие основные оксиды. Это кремнесодержащие добавки SiO₂ (опока, трепел, кварцевый песок), алюминий содержащие добавки Al₂O₃ (бокситовые глины), и наиболее распространенные железосодержащие добавки Fe₂O₃ в виде отходов металлургической промышленности. Содержание основных оксидов в корректирующей добавке должно обеспечивать нехватку данного оксида в составе сырьевой смеси.

 Для производства 1 т цементного клинкера – полупродукта, получаемого при обжиге тонкоизмельчённой смеси известняка с глиной– расходуется 1,7-2,1 т основного минерального сырья средней влажности, причём 75-82% составляет карбонатный компонент, 18-25% глинистый.

На территории Российской Федерации цемент производится тремя способами, которые отличаются методологией подготовки сырьевых компонентов перед обжигом и строением печного отделения. Продукт, получаемый обжигом до спекания или плавления сырье­вой смеси надлежащего состава и содержащий главным образом высокоосновные силикаты и (или) высоко- или низкоосновные алюминаты кальция называется портландцементый клинкер или просто клинкер.

Мокрый способ наиболее старый способ производства клинкера, когда самые большие затруднения были при помоле и гомогенизации сырьевых компонентов. При мокром способе все основные сырьевые компоненты измельчаются в присутствии воды, корректировка и гомогенизация производится в шламовых бассейнах большого объема с помощью механических мешалок. Тонкоизмельченный материал с водой называется сырьевой шлам. Влажность шлама зависит от свойств сырьевых компонентов и колеблется на разных цементных предприятиях от 30 до 43%. В среднем для получения 1 тонны клинкера расходуется 1 тонна воды. Далее сырьевой шлам подается на обжиг в длинные вращающиеся печи длиной от 150 до 185 м и диаметром от 4 до 5 м. Обжиг ведется при температуре 1400-1450⁰С. В результате получается промежуточный продукт – клинкер. Далее клинкер совместно с природным гипсовым камнем и минеральными добавками измельчается в трубных шаровых мельницах до удельной поверхности 300-380 м²/кг.

Сухой способ: все сырьевые компоненты одновременно измельчаются и высушиваются. Тонкоизмельченный порошок из смеси компонентов называется сырьевой мукой. Сырьевая мука гомогенизируется в силосах сырьевой муки с помощью сжатого воздуха. Обжиг клинкера проводится в коротких вращающихся печах, оснащенных циклонными теплообменниками и декарбонизатором.  Далее помол цемента проводится в трубных шаровых мельницах замкнутого цикла с сепарированием, т.е. отделением крупных частиц и возвратом их повторно на помол. Это позволяет регулировать распределение частиц по размерам и добиваться заданного гранулометрического состава цементного порошка и управлять качеством цемента.

Комбинированный способ производства клинкера осуществляется на трех технологических линиях:

• АО «Себряковцемент»;
• ПАО «Мордовцемент»;
• ООО «Холсим.

На этих линиях подготовка сырья к обжигу ведется по мокрому способу, далее шлам частично обезвоживается на пресс-фильтрах до влажности 19-22%. Влажные коржи попадают в сушилку-дробилку, после сушки влажность сырьевой муки достигает до 1-1,5%. Далее сырьевая мука попадает в короткую печь с циклонными теплообменниками и декарбонизатором.

Внедрение вращающейся печи в конце девятнадцатого века позволило изготавливать однородный продукт, температура которого была достаточно высокой, чтобы обеспечить образование основного клинкерного минерала – алита. В течение двадцатого века природа продукта относительно мало изменилась с точки зрения его общего химического и минерального состава, но были достигнуты значительные успехи в технологии производства, что привело к повышению энергоэффективности, улучшению контроля качества, снижению воздействия на окружающую среду и снижению трудоемкости.

Следует отметить, что внедрение технологии вращающихся печей в начале двадцатого века совпало с публикацией стандартов на цемент в Великобритании и США. Оба стандарта требовали, чтобы прочность брикета цементного теста достигала минимальных значений через 7 и 28 дней.

Контроль состава клинкера продвинулся от объемных пропорций, полученных методом проб и ошибок в конце девятнадцатого века, к точному контролю с использованием методов быстрой рентгенофлуоресценции. Непрерывное совершенствование методов производства и контроль качества в сочетании с давлением рыночной конкуренции привели к четырехкратному увеличению 28-дневной прочности, обеспечиваемой типичным европейским портландцементом в 28 дней с конца девятнадцатого века.

Материалы, которые планируются к опубликованию на данном канале, относятся к производству портландцемента и его использования в качестве основного материала в бетонах и растворах.

Знания и передовой опыт в области производства постоянно меняются. За это время сменилась нормативная база на цементы, изменились методы испытаний и требования к качеству продукции. Появились современные методы, которые позволяют исследовать материалы на наноуровне, расширяют наше понимание процессов. Появился новый класс материалов на основе цементов – сухие строительные смеси. Синтезированы новые виды органических добавок, способных изменять свойства цементных смесей и конечного продукта – бетона.

Все это предопределяет необходимость обновления и использования современной информации в данной отрасли.

Наша цель – кратко изложить основные знания о цементах, технологии получения, а главное – особенностей применения данного материала в составе бетона.