|
В качестве сырья для цемента
используют известняк, к которому добавляют глину, кремнезем, окислы железа.
Приготовленную (увлажненную, сухую или полусухую) смесь обжигают при 1450 °С
и получают клинкер. Добавив небольшое количество гипса и подвергнув смесь
тонкому измельчению, получают цемент.
Различают три способа получения цемента: мокрый, сухой и
полусухой. Если в сырьевой порошок добавляют 30—40 % воды и готовят шихту в
виде пульпы, то такой способ называют мокрым. Получение цемента при
ограниченном введении воды считается полусухим, без добавления воды — сухим.
Сухим способом получают цемент во вращающихся печах с циклонными
теплообменниками.
Печи для обжига цементного клинкера делятся на шахтные и
вращающиеся. В нижней части шахтной печи цилиндрической формы выполнена
подина. Порошкообразный клинкер перед подачей в печь при добавлении
небольшого количества воды превращают в окатыши с использованием тарелочного
гранулятора. Приготовленные окатыши загружают в верхнюю часть печи. Топливом
служит высококачественный кокс или антрацит. Шахтная печь имеет сравнительно
высокий термический к. п. д., однако процесс обжига протекает неравномерно,
что снижает качество клинкера. В настоящее время шахтные печи почти не
применяются.
Вращающуюся печь изобрел англичанин Ф. Рэнсом в 1885 г. Это футерованный огнеупорами металлический цилиндр, опирающийся на роликовые опоры. Для
передвижения обжигаемого материала в печи ее устанавливают под углом 4—5 град
к горизонту. Печь вращается от электродвигателя. Горелки для сжигания топлива
вмонтированы в откатную головку. Головку устанавливают у горячего (нижнего)
конца печи. С противоположного, холодного (верхнего), конца продукты горения
топлива попадают в пылесборную камеру, где очищаются от пыли.
Сырьевая смесь, загружаемая с холодного конца, движется
при вращении печи навстречу продуктам горения топлива. Печь разделяется на
несколько технологических зон, в которых материал проходит различные стадии
обработки с последующим охлаждением.
Вращающиеся печи различаются по длине, способам утилизации
тепла и подогрева сырья.
В коротких вращающихся печах длиной 70— 80 м тепловые потери в результате выпуска высоконагретых отходящих газов достигали 50 %. В связи
с изобретением котла-утилизатора в конце 19 в. и
установкой его за печами тепло- потери резко снизились. Однако с появлением
более производительных печей короткие печи больше не строят.
Длинные (150—200 м) вращающиеся печи по сравнению с
короткими имеют большой термический к. п. д. Повышение теплоотдачи от газов
обжигаемому материалу достигается за счет оснащения печей.теплообменными
устройствами: жаропрочными цепными завесами, решетками, циклонами. В
результате использования тепла отходящих газов с температурой ~200 °С
увеличились объемы обжигаемого материала. Производительность таких печей
значительно возросла после ее автоматизации.
Сравнительно короткая вращающаяся печь Леполя соединена с
движущейся решеткой, на которой подсушиваются загружаемые окатыши влажностью
12—13 %, диаметром 6—20 мм. Сушка и частичная кальцинация окатышей происходит
вследствие теплообмена с отходящими печными газами. Обслуживание решетки
связано с большими расходами, поэтому наметилась тенденция к уменьшению ее
использования.
Вращающаяся печь SP с подвесным циклонным подогревателем
сырья в кипящем слое показана на 263. Особенностью этой системы является
эффективное использование тепла отходящих печных газов для подогрева
загружаемого сырья. Сырье подают в подогреватель, состоящий обычно из четырех
циклонов. Отходящие газы, движущиеся противотоком, контактируют с сырьем и
отдают ему часть своего тепла. Одновременно с этим происходит 40—50 %-ная
декарбонизация материала.
Вращающаяся печь NSP — усовершенствованная печь SP с
увеличенным диаметром корпуса и большей обжиговой производительностью за счет
присоединения нового вспомогательного устройства, которое устанавливают между
корпусом печи и подогревателем. Первую печь такого типа ввели в действие в 1971 г. Производительность печи NSP в 1,5—2 раза выше, чем печи SP. Четыре разновидности
вспомогательных устройств, работающих по принципу кипящего слоя, показаны на
264.
Благодаря присоединению нового вспомогательного устройства
удалось интенсифицировать нагрев до уровня, необходимого для проведения
реакций по декарбонизации до 85 % и выше. Таким образом, во вращающейся печи
протекают только реакции по обжигу и образованию клинкера, что облегчает
работу печи, исключает тепловые перегрузки и содействует продлению срока
службы футеровки. Преимущества печи наглядно показаны на 265.
Технологическая схема производства цементного клинкера
включает три этапа. Н а первом проводят подогрев порошкообразного сырья с 60
до 800 °С. На втором в связи с повышением температуры до 950 °С происходит
кальцинация шихты с поглощением тепла по следующей реакции: СаС03—> (СаО)
+ (СОа) (430—490 ккал/кг цементного клинкера). И, наконец, на третьем этапе
при нагреве с 950 до 1450 °С осуществляется обжиг со спеканием (с
образованием расплава).
Согласно традиционному методу (способ SP) на 40—45 % шихта
кальцинируется в подвесном циклонном подогревателе до поступления во
вращающуюся печь. Таким образом, в основном кальцинация заканчивается в печи.
Новый метод (способ NSP) предусматривает расширение
процесса кальцинации на этапе подогрева в результате подключения к подвесному
подогревателю дополнительного нагревательного устройства. При комбинированном
использовании двух подогревателей шихту кальцинируют до уровня 85—90 %, что
позволяет повысить производительность обжига во вращающейся печи.
|Вращающаяся печь по своей длине, начиная от холодного
конца, разделяется на несколько технологических зон: сушки и подогрева,
кальцинирования, спекания и охлаждения. В каждой из указанных зон
используются соответствующие условиям службы огнеупорные материалы. При этом
необходимо учитывать, что вращение печи происходит в нагретом состоянии,
поэтому ее футеровка более чувствительна к механическому и структурному
растрескиванию, чем в стационарной печи. Во всех
зонах на огнеупоры оказывает истирающее воздействие
перемещающийся вдоль печи материал. В холодном конце материалы не размягчены
и поэтому имеют неоплавлен- ные, с острыми гранями частицы, истирающие футерованный
слой. Особенно сильному износу подвергаются выступающие изделия (кирпичи),
которые кладут через определенные интервалы, чтобы улучшить перемешивание
сырья.
Зону сушки и подогрева футеруют в основном шамотными
изделиями с высоким сопротивлением износу (истиранию). В целях повышения
теплового к. п. д. печи применяют гакже теплоизоляционные материалы.
Для футеровки зоны кальцинирования используют главным
образом высокоглиноземистые изделия, устойчивые к температурному
растрескиванию. В крупногабаритных печах, в частности печах с
подогревателями, эту зону выкладывают основными изделиями.
Зона обжига подвергается' наибольшему термическому
воздействию. Рабочая температура в ней достигает (и превышает) 1600 °С.
Помимо истирания, футеровка обжиговой зоны подвергается химическому
воздействию. Поэтому здесь применяют высокоогнеупорные и химически неактивные
материалы. Эту зону футеруют высоко- обожженными магнезиальнохромитовыми
изделиями с прямой связью, а также магнезиальнохромитовыми изделиями на.
керамической связке, подвергнутыми обычному обжигу.
В современных печах с подогревателями доля
высокообожженных огнеупоров достигает 70 %. Процент применения обычных
магнезиальнохромитовых изделий имеет тенденцию к снижению в связи с новыми
более жесткими условиями (повышением температуры,'увеличением длины и
диаметра печи). Особенно тяжелы условия эксплуатации обжиговой зоны на
участке ближе к горелкам. Этот так называемый переходный участок подвергается
воздействию высоких температур в условиях изменяющейся газовой среды, что
приводит к нежелательным реакциям MgO-FeO
Mg0-Fe203, обусловливающим охрупчивание огнеупоров и
снижение срока их службы. В связи с этим принимаются меры по соответствующей
обработке сырья с целью упрочнения их структуры.
Кроме улучшенных магнезитохромитовых изделий с прямой
связью, для футеровки переходного участка используют также огнеупоры на
основе искусственной шпинели, более устойчивые к термическому растрескиванию.
Отсутствие в шпинель- ных огнеупорах железистых компонентов способствует продлению
срока службы футеровки переходного участка.
В зависимости от типа печной установки для зоны охлаждения
используют очень широкий ассортимент огнеупорных материалов, а именно:
магнезитохроми- товые, высокоглиноземистые, шамотные изделия, огнеупорные
бетоны, пластичные массы, а также ряд огнеупорных материалов на основе SiC.
Огнеупоры, используемые для футеровки зоны охлаждения, должны обладать
высоким уровнем устойчивости к термическому растрескиванию, истиранию и
оплавлению. У печи с большим диаметром эту зону выкладывают главным образом
из основных кирпичей. Для футерования выгрузочного окна используют изделия,
стойкие к действию термических и механических напряжений. Большой износ этого
участка вызывает необходимость разработки более износоустойчивых огнеупорных
материалов. Срок службы выгрузочного окна увеличивают, используя
неформованные огнеупоры (огнеупорные бетоны, набивные массы), что вызывает
необходимость улучшения крепежной арматуры.
Подогреватель футеруют шамотным кирпичом, наружную поверхность
— теплоизоляционным. Широко используют и огнеупорные бетоны.
Головка вращающейся печи расположена со стороны
выгрузочного окна. В головку вмонтированы горелки. Вследствие укрупнения
габаритов печей и увеличения количества обжигаемого клинкера температура в
головке печи повышается до 5*1500 °С, поэтому наряду с нормально обожженными
магнезитохромитовыми изделиями используют высокоглиноземистые огнеупорностью
1850 °С. Головку малогабаритных печей футеруют высокоглиноземистыми изделиями
огнеупорностью 1770— 1790 °С. Частично используют высокоглиноземистые
огнеупорные бетоны.
Холодильник, расположенный в нижней части выгрузочного
окна, предназначен Для быстрого охлаждения горячего клинкера, поступающего по
желобу на решетки, обдуваемые снизу холодным воздухомт-Желоб холодильника
футеруют высокоглиноземистыми изделиями огнеупорностью 1790—1880 °С.
Применяют также основные изделия и огнеупорные бетоны. Высокотемпературные
участки холодильника футе
руют высокоизносостойкими огнеупорными бетонами с высоким
содержанием глинозема и шамотными изделиями. Среднетемператураую зону и ниже
футеруют шамотными изделиями огнеупорностью 1710 °С.
Несмотря на увеличение диаметра корпуса вращающейся печи,
ее термический к. п. д. остается низким, а срок службы огнеупоров — коротким.
Использование подогревателей несколько снизило нагрузку на футеровку печи, но
основные проблемы остались. Имеется тенденция более широкого внедрения
шпиндельных огнеупоров для футеровки обжиговой зоны. Изучаются возможности
перехода с формованных изделий на неформованные огнеупорные материалы,
например при изготовлении футеровки подогревателя и холодильника. Актуальна
также проблема защиты корпуса печи с точки зрения уменьшения теплового
излучения. Эта проблема решается путем подбора огнеупоров с более низкой
теплопроводностью, а также за счет увеличенного применения огнеупорных
теплоизоляционных изделий.
|