Moderní technologie výroby cementu – Publikace na oficiálních stránkách Cementum

Cement je materiál, který se podílí na konstrukci každého objektu. Dnes existují tři hlavní způsoby výroby portlandského cementu – mokrý, suchý a kombinovaný. Výrobní podniky volí metodu na základě technologických, technických a ekonomických faktorů.

Technologický proces výroby cementu se skládá ze tří hlavních fází:

1. Mechanické procesy pro těžbu a zpracování surovin (mletí, míchání, úprava) k získání surovinové směsi pro její následné vypalování.
2. Tepelný proces spalování surovinové směsi v pecních jednotkách na výrobu slínku – hlavní složky pro výrobu cementu.
3. Mechanický proces společného mletí (nebo samostatné mletí a následné míchání) slínku, materiálu obsahujícího sádru a minerálních přísad za účelem výroby různých druhů cementu.

První etapa. Příprava surové směsi.

Vápenec, jeho modifikace (křída, opuka) a jíl jsou základem pro výrobu cementu. V těsné blízkosti cementáren jsou obvykle lomy, kde výrobce tyto materiály těží. Pro zajištění požadovaného chemického složení surovin se používají i nakupované suroviny – písek, popel, bauxit, pyrit a další.

Surovinová směs se skládá ze čtyř hlavních oxidů: vápníku, hliníku, železa a křemíku. Zdroje těchto oxidů jsou:

• CaO – vápenec, křída, opuka;
• Si₂O₃ – písek, hlína, struska, břidlice;
• Al₂O₃ – jíl, bauxit, popel;
• Fe₂O₃ – pyrit, železná ruda.

Vápenec se těží vrtáním a tryskáním, měkčí materiály (křída a opuka) těžbou. V moderních cementárnách se vápenec drtí v lomu pomocí stacionárních drtičů. Trubkový dopravník o délce až 7 km pomocí pásového dopravníku dopraví materiál na místo výroby, kde je skladován zakladačem v různých směrech se současným primárním průměrováním. Na výstupu z lomu je nad dopravním pásem instalován in-line analyzátor, který zjišťuje chemické složení materiálu.

V moderních výrobních závodech je dosahováno vysoké přesnosti dávkování všech složek hmotností pomocí specializovaných dávkovačů.

Ve starých cementárnách se vápenec drtí v místě výroby, kam se dopravuje po silnici nebo železnici. K přesunu surovin se v takových případech používají drapákové jeřáby, jejichž náklady, stejně jako náklady na provoz a údržbu, jsou mnohem vyšší než u pásových dopravníků.

Další fází přípravy surové směsi je mletí. V moderních továrnách suchou výrobní metodou se mletí provádí na vysoce výkonných vertikálních mlýnech, které se skládají ze dvou částí. Ve spodní části pomocí otočného stolu a válců pod tlakem dochází k drcení materiálu a v horní části je separátor, který rozděluje materiál na jemné a hrubé frakce. Hrubá frakce se posílá na další mletí a materiál jemné frakce se považuje za hotový produkt. Kromě mletí se v surovém mlýně materiál suší pomocí výfukových plynů z pece na obsah vlhkosti nejvýše 0.5 %.

Surovinová směs připravená k výpalu je dodávána a skladována v sile, kde se směs také homogenizuje pomocí stlačeného vzduchu vstupujícího provzdušňovacími okny umístěnými ve spodní části.

V cementárnách, mokrých a polomokrých výrobních metodách se příprava surovinové směsi provádí ve formě kalu o vlhkosti 35-40% pomocí hydrofolu (autogenní mlýnice) a surovinových mlýnů. Hotový kal různé kvality vstupuje do vertikálních a následně horizontálních kalových bazénů, kde se upravuje na požadované chemické složení. K homogenizaci směsi připravené k výpalu v horizontálních kalových bazénech dochází mechanickým mícháním a pomocí stlačeného vzduchu. Rozdíl mezi polomokrou metodou a mokrou metodou je v tom, že před vypálením je materiál dehydratován v lisovacích filtrech.

Kvalita surovinové směsi hraje důležitou roli a je rozhodující pro získání vysoce kvalitního slínku a cementu. Hlavní ukazatele kvality surové směsi jsou:

• silikátový modul je poměr oxidu křemičitého k součtu oxidů hliníku a železa s nárůstem silikátového modulu se zhoršuje hořlavost surové směsi v důsledku poklesu obsahu kapalné fáze; 2.2;
• hlinitanový modul je poměr oxidu hlinitého k oxidu železa, určuje obsah kapalné fáze během procesu výpalu, určuje poměr minerálů ve slínku, je v rozmezí 1.5-2.5;
• koeficient nasycení oxidu křemičitého vápnem – určuje poměr minerálních látek ve slínku, je v rozmezí 0.92-0.98;
• koeficient homogenity surovinové směsi – charakterizuje stabilitu směsi z hlediska chemického složení, pro suchou metodu – ne více než 14, pro mokrou metodu – ne více než 10.

Druhá fáze. Hořící.

Vypalování surovinové směsi v pecních jednotkách je nejdůležitější fází výroby cementu, která určuje kvalitu slínku. Moderní továrny vyrábějící cement suchou metodou využívají k výpalu pecní jednotku skládající se ze dvou hlavních částí. Ve vertikální části jsou umístěny cyklonové výměníky tepla s dekarbonizátorem, ve kterých se připravuje surovinová směs (dehydratace, dekarbonizace) před přímým vstupem do pece. V horizontální části je umístěna vysokoteplotní vypalovací pec 1450 ºС, kde z taveniny vznikají hlavní minerály slínku. K dispozici je také lednice, ve které se v důsledku náhlého ochlazení stabilizují fáze slínku.

U polomokrého způsobu výroby cementu je proces vypalování shodný s výše popsaným, který používají továrny používající suchý způsob. V cementárnách využívajících metodu mokré výroby se pecní jednotka skládá z jedné velké pece dlouhé až 180 metrů. Významnou část takové pece zabírá zóna s řetězovou clonou. Odstraňuje z materiálu velké množství volné vlhkosti, což je charakteristické pro mokrý způsob výroby. Řetězová clona zvyšuje intenzitu výměny tepla mezi okolním plynným médiem a materiálem.

Spotřeba energie pecních jednotek moderních suchých výrobních závodů je o 30-40 % nižší než u mokrých výrobních provozů, a to z důvodu absence potřeby odpařování velkého množství volné vlhkosti ze surovinového kalu.

Vysokoteplotní zóna pece je zevnitř vyzděna žáruvzdornými cihlami pro snížení tepelných ztrát do atmosféry a snížení vlivu teploty na kovový plášť pece. Jednotka pece má malý úhel sklonu a otáčí se rychlostí 3-4 otáčky za minutu, díky čemuž se materiál pohybuje uvnitř pece.

Jednotku pece na výrobu cementu lze rozdělit do několika zón:

• odpařování volné vlhkosti (t 100 ºС) – typické pro pece s mokrou výrobou;
• dehydratace (t 350-650 ºС) – jíl ztrácí krystalizační vlhkost;
• dekarbonizace (t 650-950 ºС) – proces rozkladu uhličitanu vápenatého a hořečnatého za vzniku oxidů vápníku a hořčíku;
• tvorba slínku (t 1300-1450 ºС) – hlavní slínkové minerály vznikají z taveniny, které určují vlastnosti cementu;
• chlazení (t 1250 ºС) – v důsledku prudkého ochlazení jsou fáze slínku stabilizovány.

K dalšímu ochlazení slínku na teplotu 100 ºС dochází v roštové chladničce, poté je skladován v krytých silech, která slínek chrání před atmosférickými vlivy a zachovávají jeho vysokou kvalitu.

Multifunkční hořáky se používají ke spalování různých druhů paliv v pecích v cementárnách. Kromě přírodních paliv (plyn, uhlí, topný olej) jsou hojně využívána alternativní paliva (odpad z domácností, materiály z čistíren odpadních vod, pryžové pneumatiky atd.), jejichž podíl se každým rokem zvyšuje a v některých zemích dosahuje 80 %.

V důsledku procesu výpalu surovinové směsi vznikají hlavní minerály slínku.

Minerály slínku určují vlastnosti cementu, a to:

• trikalciumsilikát (alit) C₃S je hlavní složkou cementu, poskytuje rychlou kinetiku nárůstu pevnosti, vysokou počáteční a dobrou pevnost;
• dikalciumsilikát (alit) C₂S—poskytuje pomalou kinetiku nárůstu pevnosti, nízkou počáteční pevnost a dobrou pevnost po dlouhou dobu vytvrzování, součást obtížně brousitelná;
• hlinitan vápenatý C₃A – zajišťuje rychlou kinetiku nárůstu pevnosti, vysokou počáteční pevnost, výrazně ovlivňuje vlastnosti betonu (reologie, korozní odolnost);
• tetrakalciumhlinitý ferit C₄AF – prakticky neovlivňuje vlastnosti, určuje barvu (čím více je v cementu, tím je barva tmavší).

Kromě hlavních minerálů slínku obsahuje slínek také vedlejší složky pocházející ze surovin (Mg, K, Na, Cl, SO₃) nebo z paliva (Fe₂O₃, P₂O₅, K, Na, Cl, SO₃). Jejich počet je nevýznamný (3–6 %), ale ovlivňují:

• granulometrické složení slínku a tvorba prstenců v peci;
• blokování průchodu cyklónových výměníků tepla;
• složení prachu z pece;
• emise do ovzduší;
• kvalita cementu.

Na kinetiku vývoje pevnosti cementu mají významný vliv alkalické oxidy draslíku a sodíku, které ji v počátečních fázích výrazně zvyšují a ve stáří 28 dnů snižují.

Třetí etapa. Broušení cementu.

Mletí cementu je mechanický proces společného mletí (nebo samostatného mletí a následného míchání) slínku, materiálu obsahujícího sádru a minerálních přísad za účelem výroby různých druhů cementu. Mletí cementu se provádí ve dvou typech cementářských mlýnů – vertikálním (podrobné informace v sekci „Příprava surové směsi“) a kulovém trubkovém mlýnu. Kulový mlýn je kovový plášť lemovaný zevnitř pancéřovými pláty, které chrání tělo mlýna před opotřebením. Mlýny se skládají z jedné nebo dvou komor.

Dvoukomorové mlýny jsou od sebe odděleny membránou s regulovatelným přívodem materiálu. Na výstupu z mlýna je také membrána s buňkami optimální velikosti. Při použití jednokomorových mlýnů je před mlýn dodatečně instalován válečkový lis pro předběžné mletí materiálů. Uvnitř mlýna jsou mlecí tělesa (koule různých průměrů), která při otáčení mlýna drtí materiál nárazem v první komoře a otěrem ve druhé komoře.

Pancéřové pláty se kromě ochrany podílejí i na procesu broušení. V první komoře mlýna jsou instalovány zvedáky pancéřových desek, které zvedají mlecí tělesa do určité výšky. Také pomocí pancéřových desek se mlecí koule třídí podle velikosti kvůli různým hodnotám elastického odskoku. Při průchodu po délce mlýna je materiál vystaven mlecím tělesům různých průměrů, díky čemuž dochází k jeho drcení.
Pokud mlýn pracuje v otevřeném cyklu, bez použití separátoru, pak je materiál opouštějící mlýn považován za hotový výrobek a je skladován v sile.

V moderních cementárnách pracují všechny mlýnice v uzavřeném cyklu s vysoce účinnými separátory. Materiál z mlýna vstupuje do separátoru, který jej rozdělí na jemnou frakci (hotový produkt) a hrubou frakci, která je odeslána k dodatečnému mletí.

Uzavřený mlecí cyklus umožňuje získat cement s optimálním granulometrickým složením, které zvyšuje stupeň hydratace cementu a v důsledku toho i pevnostní charakteristiky.

Po separátoru je hotový cement uložen do sila, kde zůstává až do expedice spotřebitelům. Konstrukce moderních sil, zejména reverzní kužel na dně, se vyhýbá velkému množství odumřelých zbytků cementu, které jsou charakteristické pro starší konstrukce. Moderní silo má také vícedílnou konstrukci, která umožňuje skladovat velké množství různých druhů cementu v jednom sile.

Nezbytnou složkou při výrobě cementu je sádra, která se používá k regulaci doby tuhnutí cementu. Hlinitan vápenatý C₃A je velmi aktivní složka a při interakci s vodou dochází k tvorbě struktury s rychlou ztrátou pohyblivosti cementu. Aby se tomu zabránilo, sádra vytváří kolem C ochrannou vrstvu₃A zabraňuje rychlému tuhnutí cementu.

Existuje několik modifikací sádry, které se liší svými vlastnostmi, zejména aktivitou. Nejaktivnější formou je polovodný sádrovec CaSO₄• 0.5H₂O, následovaný dihydrátem sádry CaSO₄• 2H₂O, nejméně aktivní formou je anhydrit CaSO₄. Během procesu mletí při zvýšených teplotách ve mlýně, více než 70 ºС, se dihydrátová forma sádry mění na polovodnou formu s negativním vlivem na reologické vlastnosti cementu a v důsledku toho i betonu a malty (potřeba vody zvyšuje, retence pohyblivosti se snižuje).

Existují koncepty rychlého a falešného tuhnutí cementu. K rychlému tuhnutí cementu dochází při nedostatečném množství sádry, kdy se vytvoří hustá ochranná vrstva kolem C₃Ale nelze jej vytvořit. K nesprávnému tuhnutí cementu se ztrátou pohyblivosti dochází, když se dihydrátová forma sádry za zvýšených teplot ve mlýně přemění na polovodnou formu. Po smíchání se v případě chybného nastavení pohyblivost obnoví. Pokud cement po smíchání rychle tuhne, pohyblivost již není obnovena.

Po zvážení technologií a rozdílů v hlavních výrobních metodách můžeme říci, že suchá metoda je nejmodernější. Cementárny LafargeHolcim jsou zaměřeny na suchou výrobu. Hlavní výhodou této metody je snížení spotřeby paliva a také snížení objemu pecních plynů o téměř 40 %, což následně snižuje náklady na odprašování a poskytuje větší možnosti využití tepla spalin pro sušení surovin. Mezi výhody suchého způsobu výroby cementu patří také vyšší úběr slínku z 1 m³ pecní jednotky. Při spalování suchým způsobem se výrazně snižuje spotřeba čerstvé vody.

Inovace a moderní technologie v silničním stavitelství

Cement je běžný stavební materiál, nejčastěji používaný jako pojivo ve stavebních směsích a roztocích. Je to jemný šedý prášek se zelenkavým nebo jiným nádechem. Cement a výrobky na jeho bázi tvoří po interakci s vodou plastickou hmotu, která se po vytvrzení přemění na umělý kámen.

Suroviny pro výrobu cementu

Surovinou pro výrobu cementu jsou horniny těžené povrchovou těžbou:

• Uhličitan – křída, vápenec, lasturový vápenec, dolomit, opuka, tuf. Vápenec se používá především v průmyslové výrobě. Přesné množství složky závisí na jejích vlastnostech a minerálním složení. Čím více látek s krystalickou strukturou hornina obsahuje, tím vyšší je bod tání.
• Hlína – jíl, břidlice, spraš, hlína, montmorillonit. Tato složka sedimentárního původu při kontaktu s vodou bobtná. Účelem použití jílových látek je zvýšení plasticity směsí a roztoků na bázi cementového pojiva.
• Přísady. Jejich seznam je určen v závislosti na vlastnostech, které je třeba získat. Obvykle přísady obsahují oxid hlinitý, železo, křemík. K jejich výrobě se využívají různé průmyslové odpady – prach z vysokých pecí a další.

Neexistuje jediný vzorec pro chemické složení cementu, protože výrobci nabízejí velké množství odrůd tohoto stavebního materiálu s různými výkonnostními charakteristikami.

Portlandský cement je ve stavebnictví nejrozšířenější – bez minerálních přísad a s minerálními přísadami.

Existují určitá omezení ohledně minimálních přípustných sloučenin, které tvoří portlandský cement:

Chemické složení v procentech některých druhů cementů

Chemické složení, %					Charakterizace
CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	Jiné oxidy
portlandský cement
63 . 66	21 . 24	4 . 8	2 . 4	3 . 5	Normální kalení
hlinitý cement
35 . 43	5 . 10	39 . 47	2 . 15	1,5 . 2,5	Rychlé tvrdnutí

Co je cementový slínek?

Hlavní složkou výroby cementu je slínek. Jedná se o meziprodukt získaný vypálením směsi vápence (křída, opuka nebo jiné horniny) v množství 75 % a 25 % jílu. Suroviny se roztaví a vytvoří granule. Slínek se mele a kombinuje s mletými přísadami.

Celý proces výroby cementového pojiva lze rozdělit do 3 fází:

• výroba slínku výpalem je hlavní proces, nejnákladnější a nejnáročnější na práci;
• mletí slínku, dokud se nevytvoří jemný prášek;
• míchání prášku slínku s práškovými přísadami.

Výroba slínku je rozdělena do následujících fází:

• dodávka surovin pro slínek do cementárny;
• mletí surovin;
• smíchání složek v poměrech uvedených v technické dokumentaci pro následné vypálení.

Technologie výroby cementu

Existuje několik technologií výroby cementu.

Konkrétní typ výroby je určen tím, z čeho je cement vyroben:

• Mokrý. Klinker se vyrábí z křídy, hlíny a vody. K rozdrceným přísadám se přidá voda. Mokrá směs (kal) se posílá k výpalu. Produkt získaný po vypálení se přepraví do chladničky. Po vychladnutí se rozdrtí a smíchá s přísadami pro získání potřebných vlastností pojiva. Tato technologie vyžaduje finanční náklady, proto výrobci používají především jiné. Pokud je však nutné získat cement s vynikajícími provozními vlastnostmi, používá se tato metoda, která umožňuje jemné nastavení složení suroviny. Složení se upravuje ve speciálních bazénech při teplotě 1000°C.
• Sucho. Všechny složky – vápenec, jíl, přísady jsou drceny v suché formě. Hotové prášky se mísí v uzavřených boxech za použití přívodu vzduchu. Tato technika je často používána výrobci kvůli její snadné implementaci a relativně nízké ceně. Při výrobě nevzniká vodní pára. Tato metoda vyžaduje malou spotřebu energie. Je optimální pro homogenní suroviny.
• Kombinované. Tato technologie kombinuje prvky suché a mokré metody. Jedna z těchto technologií je základní a druhá je doplňková. Pokud je hlavní metodou mokrá, tak se nejprve vyrobí surovinový kal, upraví se jeho složení, následně se odvodní a vypálí v peci určené pro suchou technologii.

Cement, bez ohledu na to, z čeho se skládá a jak je připraven, je skladován ve speciálních věžích – silech, ve kterých se díky ventilaci materiál nespéká a zachovává si své výkonnostní vlastnosti.

Cement je spotřebiteli dodáván volně ložený nebo balený v papírových pytlích.

Výroba cementu bez slínku

Surovinou pro cement bez slínku jsou vysokopecní nebo hydraulická struska, aktivátory a další doplňkové komponenty. Směs připravených složek odebraná v požadovaných poměrech se rozdrtí a rozemele na jemný stav. Cement bez slínku se vyznačuje:

• odolnost vůči různým vlivům prostředí;
• ekonomická výroba díky nízké spotřebě energie;
• recyklace odpadů z hutního a jiného průmyslu, která má pozitivní vliv na životní prostředí;
• různé barvy a vlastnosti konečného produktu, které lze získat bez změny hlavních fází technologického procesu a použití doplňkového zařízení.

Základní vybavení pro výrobu cementu

Při výrobě pojiv se používají následující hlavní typy zařízení:

• zařízení pro těžbu surovin a jejich dopravu do místa výroby;
• linka na drcení surovin;
• pece pro vysokoteplotní zpracování;
• linka na drcení vzniklého slínku, dávkování a míchání mletého slínku s přísadami;
• zařízení pro balení hotového výrobku do papírových pytlů.

<img src=”https://udarnik.spb.ru/images/new_articles/156_primenenie-tsementa-po-mark.jpg” />

Druhy cementů a oblasti jejich použití

Vyrábí se mnoho druhů pojiv s různými výkonnostními a dekorativními vlastnostmi. Hlavní typy:

• portlandský cement. Tento jemný šedý prášek se zelenkavým nádechem je nejběžnějším stavebním materiálem, široce používaným v individuální, rozsáhlé bytové a průmyslové výstavbě. Nelze použít samostatně. Působí jako složka stavebních směsí a roztoků. V kombinaci s pískem a drtí se používá při výrobě betonových směsí. Suché stavební směsi se vyrábějí z cementu a písku, prodávají se balené v pytlích, nebo z plastických cementopískových malt, dodávají se na stavbu ve formě připravené k použití. Plastifikační přísady regulují dobu tuhnutí roztoku a další vlastnosti konečného produktu.
• Odolný vůči sulfátům. Odolný vůči chemicky aktivnímu prostředí. Používá se pro betonování podzemních a podvodních staveb.
• Alumina. Do kompozice se přidává sádra a hlinitá struska, díky čemuž pojivo rychle tuhne a získává pevnost značky. Hlinitanový cement se používá při konstrukci konstrukcí pracujících v podmínkách vysoké vlhkosti.
• odolný vůči kyselinám. Při jeho výrobě se používá křemičitý písek a fluorid sodný. Míchací kapalinou není voda, ale tekuté sklo.
• Struskový portlandský cement. Do složení tohoto pojiva se přidávají struskové granule (přibližně 25 %). Materiál se používá ve výstavbě velkých rozměrů.

Autor: Andrey Vasiliev

• Stavitel s 20letou praxí
• Expert na rostlinu “Mladý Udarnik”

V roce 1998 absolvoval St. Petersburg State Polytechnic University, studoval na katedře stavebního inženýrství a aplikované ekologie.

Podílí se na vývoji a realizaci opatření k zamezení uvolňování nekvalitních výrobků.

Vypracovává návrhy na zlepšení výroby betonu a malt.