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.

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.

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.

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.

Портландцементная шихта включает карбонатный и глинистый компоненты в соотношениях 75-80% и 25-20%, соответственно. Кроме того, в её состав обычно входят корректирующие добавки:

• железосодержащие (огарки, колошниковая пыль);
• глиноземистые (бокситы);
• кремнезёмистые (кварцевый песок, опока).

Их вводят для обеспечения заданного соотношения оксидов в сырьевой смеси, что способствует получению клинкера с необходимым минералогическим составом. Количество корректирующих добавок обычно не превышает 5%, поэтому они существенно не влияют на основные физические свойства сырьевых смесей. Отсюда следует, что выбор способа производства будет определяться видом и свойствами карбонатного (известняк, мел, известковый туф, известняк– ракушечник, высокоосновный мергель и пр.) и глинистого (глины, глинистые сланцы, лёсс и пр.) сырья. Разные породы существенно отличаются друг от друга по плотности, твёрдости, влажности и однородности состава.

Мокрый способ может оказаться более выгодным при мягких, пластичных, хорошо размучивающихся сырьевых материалах, обладающих обычно высокой влажностью (20-30% и более). Такое сырьё легко диспергируется в водной среде в болтушках и мельницах-мешалках, в результате чего достигается экономия электроэнергии. Мокрый способ более целесообразен и при естественной влажности сырья более 18%, поскольку в этом случае при сухом способе требуются высокие затраты на предварительную подсушку сырьевых материалов.

При наличии твердых сырьевых компонентов умеренной влажности (известняка, глинистого мергеля), которые могут быть измельчены только в мельницах, производство портландцемента может быть организовано по сухому способу. Сухой способ целесообразен также при ограниченной топливной базе в районе завода и высокой стоимости топлива.

Преимущества и недостатки мокрого способа производства:

Преимущества:

1. Затраты на размол сырья в присутствии воды значительно ниже. Ряд сырьевых материалов (мел, глина) обладают способностью легко размучиваться в воде. В процессе помола сырья пленки воды оказывают расклинивающее действие в микротрещинах диспергируемого материала.
2. Транспортировка, усреднение и корректировка сырьевого шлама осуществляются легче, чем сырьевой муки.
3. При мокром способе образуется меньшее количество пыли (меньше затраты на пылеулавливание).
4. Печи мокрого способа просты и надежны в эксплуатации, имеют высокий коэффициент использования.
5. Возможность хорошей гомогенизации шлама (эксплуатационные свойства печей позволяют использовать сырье пестрого химического состава).

Недостатки:

1. Высокий удельный расход тепла на обжиг клинкера. Сырьевой шлам для обеспечения его гидротранспорта должен иметь влажность 34-42%. Для нагревания и испарения такого количества воды требуется 1800-2200 кДж/кг клинкера тепла или 30-35% теплового баланса печи. Вследствие этого длинные вращающиеся печи мокрого способа на половину своей длины работают как сушильные агрегаты. Поэтому эффективность работы таких печей низкая.
2. Низкая производительность печей.
3. Низкая производительность труда, большие эксплуатационные затраты, высокая себестоимость продукции.

Преимущества и недостатки сухого способа производства:

Преимущества:

1. Низкие затраты топлива при обжиге клинкера.
2. Ниже объем отходящих из печи газов на 30-40%.
3. Использование тепла отходящих газов на сушку сырьевых материалов.
4. Высокая производительность печных агрегатов и помольных установок.
5. Не используется при приготовлении сырья вода.

Недостатки:

1. Повышенные затраты электроэнергии на 1 тонну цемента из-за большого числа воздуходувок, вентиляторов, сепараторов и пр.

На каждом цементном заводе минералогический состав клинкера зависит от сырьевых компонентов, особенностей технологии и необходимости оптимизации технологических параметров получения клинкера.

Содержание основных клинкерных минералов в общестроительном цементе колеблется в следующих пределах:

Клинкер, к минералогическому и химическому составам которого установлены требования нормативным документом, относится к клинкерам нормированного состава.

На основе клинкера с нормированным минералогическим составом выпускают сульфатостойкие цементы (ГОСТ 22266), цементы для производства бетонов, использующихся в создании покрытий и оснований автомобильных дорог (ГОСТ 33174), а также в строительстве аэродромных покрытий, мостовых конструкций, железобетонных изделий, в том числе железобетонных труб, шпал, опор линий электропередачи, бордюрного камня  (ГОСТ Р 55224).

Требования к минералогическому составу указанных цементов относятся в основном к содержанию C₃Aи обусловлены низкими противостоянием гидроалюминатов кальция в агрессивных средах и низкой морозостойкостью. Чем ниже содержание в сульфатостойком цементе C₃A, тем выше стойкость бетона на основе данного цемента в агрессивной среде.

Продукты гидратации C₃Sнаоборот повышают стойкость бетонов к морозным воздействиям, поэтому в стандарте на цемент для дорожных покрытий нормируется нижняя граница его содержания.

Основные клинкерные минералы – это кальциевые соли слабых кислот (кремневой, алюминиевой и железной). В составе клинкерных минералов Alи Fe обладают амфотерными свойствами.

Минералы силикаты – трехкальциевый силикат 3CaO·SiO₂ (С₃S) и двухкальциевый силикат 3CaO·SiO₂ (С₂S).

Минералы - плавни – трехкальциевый алюминат 3CaO·Al₂O₃ (C₃A) и четырехкальциевый алюмоферрит 3CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃ (C₄AF).

В силикатной промышленности для удобства написания формул приняты сокращенные обозначения: СаО – С; SiO₂ - S; Al₂O₃ – А; Fe₂O₃ - F.

Различают расчетный минералогический состав и фактический (фазовый) состав клинкера.

Расчетный минералогический состав предполагает образование соединений в соответствии с формулами трекальциевого силиката 3CaO·SiO₂ (С₃S); двухкальциевого силиката 3CaO·SiO₂ (С₂S), трехкальциевого алюмината 3CaO·Al₂O₃ (C₃A) и четырехкальциевого алюмоферрита 3CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃  (C₄AF). Расчет проводится по результатам химического анализа клинкера, определяющим содержание отдельных оксидов по формулам Богга:

3СаО·SiO₂=4.07(CaO-CaO_св) – 7,6(SiO_2- SiO_2св)-6,7 Al₂O₃-1.42Fe₂O₃

 2 СаО⋅SiO₂=8.6 SiO₂ +5.07 Al₂O₃+1.07 Fe₂O₃ – 3.07 CaO

3СаО· Al₂O₃ =2.65(Al₂O₃-0.64 Fe₂O₃)

4СаО·Al₂O₃ Fe₂O₃=3.04 Fe₂O₃

R₂O=Na₂O+0.65K₂O

Фактический (фазовый) состав клинкера рассматривают как фазы и соединения переменного состава. Состав алита и белита рассматривают с позиций образования твердых растворов. Так при кристаллизации трехкальциевого силиката мольное отношение СаО/SiO₂ может достигать 3,13. А при кристаллизации двухкальциевого силиката СаО/SiO₂>2,4.  Кроме этого в кристаллическую решетку этих соединений могут внедряться примесные элементы, такие как Mg, Na, Fe, Al,

Поэтому, фазу трехкальциевого силиката с примесями MgOи Al₂O₃ называют алитом.

Для двухкальциевого силиката характерен полиморфизм в зависимости от температуры устойчивости и примесных оксидов, входящих в решетку. Фазы, которые входят в состав клинкера (α-C₂Sи β- C₂S) называют белитом.

Установлены фазы C₃A, которые кристаллизуются в кубической и орторомбической форме. Эти фазы определяют скорость образования эттрингита и тем самым, скорость потери подвижности и совместимость цемента с пластифицирующими добавками, вводимыми в бетонные смеси.

Минерал C₄AF (браунмиллерит) один из составов серии твердых растворов алюминатов в ферритах.  Состав алюмоферритной фазы в клинкере определяется режимом охлаждения клинкера и отношением Al₂O₃/Fe₂O₃. В промышленных клинкерах у алюмоферритной фазы соотношение Al₂O₃/Fe₂O₃ колеблется в пределах от 2,2 до 2,3 и имеет состав, находящийся в пределах C₆AF₂- C₆A₂F. Алюмоферритная фаза промышленных клинкеров может содержать до 3 мас.% K₂O, 4% MgOи 7% SiO₂.

Фактический минералогический состав клинкера зависит от:

1. сырьевых компонентов и наличия примесных оксидов в составе сырьевой шихты;
2. коэффициента насыщения КН и модульных характеристик;
3. способа производства (мокрый, сухой, комбинированный);
4. тонкости помола сырьевых компонентов;
5. режима обжига и охлаждения клинкера.

Фактический минералогический (фазовый) состав определяют методами:

• петрографического анализа (микроструктура клинкера, размеры и форма кристаллов алита и белита, пористость, расположение кристаллов);
• рентгенофазового анализа (фазовый качественный состав);
• дифракционным методом (фазовый количественный состав).

Примеры определения фазового состава:

1. Петрографический метод – подсчет количества зерен алита и белита;

2. Фазовый состав клинкера по результатам рентгенофазового метода (качественный метод);

3. Фазовый состав клинкера по результатам дифракционного анализа (количественный метод).

Следует отметить, что в паспорте качества, который выдается на каждую партию цемента, указывается расчетный минералогический состав.

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.