Технологические линии производства цветного портландцемента

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……..…………………………………………………………………….3

Характеристика портландцемента с ПАВ……………………………………….5

Гидратация и твердение портландцемента с ПАВ……………………………...8

Области применения портландцемента с ПАВ…………………………………9

Обоснования выбора сырьевых материалов и их характеристика…………...10

Обоснование выбора способа производства и технологической схемы……..14

Структура и режим работы предприятия………………………………………19

Описание технологической схемы производства цемента с ПАВ…………...21

Составление материального баланса…………………………………………...29

Расчёт сырьевых материалов на выпуск заданного объёма продукции……..34

Методы контроля свойств сырья……………………………………………….35

Методы контроля технологического процесса………………………………...36

Методы контроля качества портландцемента с ПАВ………………………....37

Заключение……………………………………………………………………….39

Список литературы………………………………………………………………41

Приложение А - графическое изображение технологической схемы………..42

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Вяжущие вещества – важнейшая группа строительных материалов. Назначение вяжущих веществ - связать в монолитное целое все компоненты будущего изделия или конструкции. Различают два основных вида вяжущих материалов: твердеющие только на воздухе – воздушные, и материалы, на свойства которых после начала схватывания вода не может оказать отрицательного воздействия, а в некоторых случаях оказывает даже положительное воздействие, - гидравлические. К воздушным - относится глина, гипс и воздушная известь. К гидравлическим - гидравлическая известь и цементы. Данная работа посвящена именно цементу, а точнее его модификации – цветному портландцементу.

Цемент - наиболее распространенный вяжущий материал, позволяющий получать изделия и конструкции высочайшей прочности. Примерно 3000-4000 лет до н.э. были найдены способы получения искусственных вяжущих веществ путем обжига некоторых горных пород и тонкого измельчения продуктов этого обжига. Первые искусственные вяжущие вещества - строительный гипс, а затем и известь – были применены при строительстве уникальных сооружений: бетонной галереи легендарного лабиринта в древнем Египте (3600 год до н.э.), фундаментов древнейших сооружений в Мексике, Великой Китайской стены, римского Пантеона. В 1756 году англичанин Д. Смит обжигом известняка с глинистыми примесями получил водостойкое вяжущее, названное гидравлической известью. В 1796 году англичанином Д. Паркером был запатентован роман-цемент, способный твердеть как на воздухе, так и в воде. В наше время эти вяжущие утратили практическое значение, но до второй половины XIX в. они были основными материалами для строительства гидротехнических сооружений. Интенсивное развитие промышленности в России в XVIII в., когда было построено 3 тысячи промышленных предприятий, не считая горных заводов, потребовало систематизации накопленного опыта производства и применения вяжущих, создания более эффективных их видов. В 1807 году академик В.М. Севергин дал описание вяжущего вещества, получаемого обжигом мергеля с последующим размолом. Полученный продукт по качеству был лучше роман-цемента. В России цемент начали производить в прошлом столетии. В начале 20-х годов XIX в. Е. Челиев получил обжиговое вяжущее из смеси извести с глиной и опубликовал результаты своей работы в книге, изданной в Москве в 1825 г. В 1856 г. был пущен первый в России завод портландцемента, который расположился в г. Гроздеце, затем были построены заводы в Риге (1866), Щурове (1870), Пунане-Кунда (1871), Подольске (1874), Новороссийске (1882). Портландцемент - порошкообразный строительный вяжущий материал, который состоит из клинкера и, при необходимости, гипса или его производных и добавок. При взаимодействии с водой или другими жидкостями цемент образует пластичную массу (цементное тесто), которая, затвердевая, превращается в прочный и долговечный цементный камень [9].

 

Процесс спекания ведется в специальных печах. Портландцемент - уникальный в своём роде вяжущий материал. Существует множество разновидностей портландцемента: сульфатостойкий, напрягающий, тампонажный и другие. Объектом исследования данной курсовой работы стал Портландцемент с ПАВ.  [6].

 

Курсовая работа представлена в виде:

- пояснительной записки, в которой отражены основные характеристики, особенностями данного вида вяжущих материалов и их свойств; технологическая схема производства цветных цементов, расчётов (материальный баланс, расход сырьевых материалов и полуфабрикатов), а также рассматриваются области применения вяжущего в строительной отрасли;

- Графической части, на которой изображена собственно технологическая схема производства цветного портландцемента.

 

Цель курсовой работы – составление технологической линии производства цветного портландцемента.

Основные задачи курсовой работы:

- охарактеризовать состав, основные свойства и область применения вяжущего;

- обосновать выбор и охарактеризовать сырьевые материалы;

- обосновать выбор, описать и изобразить графически технологическую схему производства вяжущего;

- выполнить технологические расчёты;

 

При выполнении курсовой работы были использованы материалы лекционного курса, лабораторного практикума; учебная и методическая литература по данной дисциплине; а также другая справочная и нормативная литература.

 

1 СОСТАВ И СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА с ПАВ

1.1 Характеристика цветного портландцемента

Цемент - гидравлический вяжущий материал, который после смешения с водой  и предварительного затвердевания на воздухе продолжает сохранять и наращивать прочность в воде. [9]

Существует много подвидов цемента, которые отличаются друг от друга конечными свойствами, условиями производства и наличием в них различных видов добавок.

При изготовлении портландцемента стандарт допускает добавку к клинкеру активных минеральных (гидравлических) добавок в количестве, определяемом видом портландцемента и качеством добавки. Неотъемлемой частью портландцемента является добавка гипса; получение пластифицированного и гидрофобного портландцемента достигается добавкой поверхностно-активных веществ.  
Активные минеральные добавки подразделяются на природные и искусственные. В качестве последних применяются в основном доменные гранулированные шлаки, хотя не исключается возможность использования металлургических и топливных шлаков при соответствующем их химико-минералогическом составе. Природные активные минеральные добавки бывают: 
осадочного происхождения, образованные в результате осаждения из водоемов остатков некоторых растений или в результате природного обжига глинистых пород; 
вулканического происхождения, образовавшиеся в результате извержения магмы.  
В качестве добавок осадочного происхождения в цементном производстве применяются: диатомиты — состоящие преимущественно из скопления микроскопических панцирей диатомовых водорослей и содержащие главным образом кремнезем в аморфном состоянии; 
трепелы — состоящие из микроскопических округлых зерен и содержащие главным образом аморфный кремнезем. Трепелы и диатомиты по своим физическим свойствам сходны с глинами: они пластичны, вязки и легко размокают в воде; опоки — уплотненные диатомиты и трепелы; глиежи — горные породы, образовавшиеся в результате природного обжига глины при подземных пожарах в угольных пластах. 
Добавками вулканического происхождения являются: пески вулканические — представляющие собой рыхлые продукты извержения вулканов и содержащие в основном алюмосиликаты; 
туфы вулканические — уплотненные и сцементированные (склеенные) застывшей магмой вулканические пеплы; 
трассы — видоизмененные разновидности вулканических туфов; 
пемза — кремневидные породы, характеризующиеся пористым губчатым строением, называемые поэтому еще вспученным вулканическим стеклом. 
Назначение гидравлических добавок в портландцементе состоит в том, чтобы связать в нерастворимые соединения свободный гидрат окиси кальция, выделяющийся при твердении цемента. В соответствии с этим основным показателем качества гидравлической добавки является способность ее связывать Са(ОН)2. Эта способность добавки характеризуется ее активностью. За показатель активности гидравлической добавки принимается количество извести в миллиграммах, поглощаемой из известкового раствора одним граммем добавки в течение 30 суток.  
Добавки с меньшей активностью относятся к инертным. 
Методика определения активности добавок и технические требования к ним приведены в ГОСТ в качестве искусственных активных минеральных добавок цементная промышленность использует: доменные гранулированные шлаки (кислые и основные), представляющие собой силикатные расплавы, получаемые при выплавке чугуна и превращаемые в мелкозернистое состояние путем быстрого охлаждения;  
кремнеземистые отходы — вещества, богатые активным кремнеземом, получаемые при извлечении глинозема из глины при производстве алюминия (сиштоф); 
топливные золы и шлаки — остаточный продукт, образующийся при определенном температурном режиме сжигания некоторых видов топлива; по химическому составу он состоит из кислотных окислов (кремнезема, глинозема); 
обожженные глины — продукт искусственного обжига глинистых пород и самовозгорающихся в отвалах пустых шахтных пород (глинистые и углистые сланцы). 
Наряду с требованиями ГОСТ в отношении химического состава доменные гранулированные шлаки не должны содержать более 5% кусков шлака, не подвергшегося грануляции. Размер таких кусков не должен превышать 100 мм по наибольшему измерению. 
Поверхностно-активные добавки подразделяются на пластифицирующие и гидрофобизирующие. Их используют, как отмечалось, для изготовления соответственно пластифицированного и гидрофобного портландцементов. Однако эти добавки вводят также и во все другие разновидности портландцементов. При этом каждый цемент приобретает дополнительное название соответственно пластифицированный или гидрофобный. Например, пластифицированный дорожный портландцемент или гидрофобный сульфатостойкий портландцемент. 
Пластифицирующие поверхностно-активные добавки применяют в виде концентратов сульфитно-спиртовой барды (ССБ). Они образуются как отход при получении целлюлозы по сульфитному способу. В зависимости от состояния и соответственно содержания сухого вещества различают концентраты ССБ. жидкие ОКБЖ), содержание сухих веществ в которых не менее 50%, твердые (КБТ) —не менее 76% и порошкообразные (КБП) — не менее 87%.  
Оптимальное количество вводимой добавки в цемент находится в пределах 0,15—0,25% от веса цемента, считая на сухое вещество добавки.  
Гидрофобизирующие поверхностно-активные добавки применяют в виде асидола, асидол-мылонафта и мылонафта, являющихся нафтеновыми (нефтяными) кислотами, образующимися при переработке нефти. Кроме указанных веществ, применяют также олеиновую кислоту. Она содержится в животных жирах. Количество вводимой гидрофобизирующей добавки зависит от ее вида и состава цемента и устанавливается опытом. Обычно величина этой добавки находится в пределах от 0,06 до 0,30% от веса цемента, считая на сухое вещество добавки.  
Для лучшего распределения добавок в цементе их вводят в цементную мельницу в жидком виде. Для этой цели применяют специальные дозировочные механизмы. Если же добавки поступают на завод в виде пасты, например мылонафт, или в твердом состоянии, их растворяют в горячей воде. Следует помнить, что величина добавки рассчитывается на сухое вещество от веса цемента. Для этого необходимо знать концентрацию раствора, т. е. количество грам,мов твердого вещества, содержащегося в 1 л. раствора.

 

Таблица 1 – Характеристики марок портландцемента

Марка цемента	Предел прочности, МПа
	при изгибе	при сжатии
400	5,4	39,2
500	5,9	49,0
550	6,1	53,9

 

-вещественный состав: портландцементный клинкер(94%), добавка(2%), двуводный гипс(4%);

-фазовый состав: С3S, C2S, C3A, C4AF, в таблице 2 приведены химико-минералогические характеристики клинкера, используемого в данной работе.

Уравнения Богга для определения процентного содержания основных клинкерных минералов приводятся ниже. Для вычислений были приняты значения процентного содержания, которые предоставил цементный завод«Састобе-цемент».

 C3S = 4,07(СаО) - 7,6(Si02) - 6,72(А1203) - 1,43(Fe203) - 2,85(S03) = 265,771 – 161,12 – 39,648 – 7,436 – 0,855 = 56,712;

C2S = 2,87(Si02) — 0,754(3CaO*Si02) = 60,844 – 40,211 = 20,633;

C3A = 2,65(A1203) - 1,69(Fe203) = 15,635 – 8,788 = 6,847;

C4AF = 3,04(Fe203) = 15,808.

 

Таблица 2 – Химический и фазовый состав клинкера

CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	SO3	C3S	C2S	C3A	C4AF
65	22	5	0,5	5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5

 

Для проверки достоверности сложим получившиеся результаты по обоим показателям: Химическому и фазовому составу:

Из этого следует, что состав данной смеси рассчитан правильно, а из нормативных документов мы можем заметить, что полученный фазовый состав входит в диапазон допустимых значений для каждого из компонентов.

 

Показатели портландцемента по строительно-техническим свойствам. В таблице 3 представлены принятые в проекте данные.

 

Таблица 3 - Основные строительно-технические характеристики портландцемента

Марка портландцемента	Тонкость помола		Нормаль-ная густота, %	Сроки схватывания ч-мин		Предел прочности, МПа, в возрасте 28суток
	Остаток на сите № 008, %	Удельная Поверх-ность м2/кг		начало	конец	при изгибе	При сжатии
ПЦ 400 Д20	5	280	23,5	1	9	5,4	39,2

Данные подобраны в соответствии с нормативной литературой из известных пределов изменения показателей [1].

 

 

 

1.2 Гидратация и твердение портландцемента

Твердение портландцемента, т. е. его последовательное превращение после смешивания с водой (затворения) вначале в пластичное тесто, затем потеря тестом пластичности (схватывание) и его последующее твердение (формирование искусственного камня) является сложным и многостадийным физико-химическим процессом, основанным на химическом взаимодействии фазовых составляющих цемента и воды (гидратации цемента). В ходе гидратации цемента безводные клинкерные фазы - силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция превращаются в соответствующие кристаллогидраты - гидросиликаты, гидроалюминаты, гидроферриты кальция, гидроксид кальция. Например, гидратация основной фазы цветного портландцемента - алита, являющегося носителем основных свойств и определённым "символом" портландцемента, происходит по следующей условной схеме реакции гидролитического разложения:

  2Ca3SiO5 + 6Н2О → Ca3Si2O*3H2O + ЗСа(ОН)2.           (1)

   При обычных условиях твердения -70% C3S гидратируется за 28 сут., а полная гидратация этой фазовой составляющей цемента может наступить за 1 год и более. По аналогичной схеме гидратируется второй силикат портландцемента - белит, однако, его гидратация протекает медленнее (степень гидратации за 28 сут. -30%), и в результате гидролиза образуется меньшее количество гидроксида кальция. Продуктами реакций гидратации являются слабозакристаллизованные (почти аморфные) гидросиликаты кальция, обладающие свойствами геля, и гидроксид кальция. Гидросиликаты кальция (аморфные или слабозакристаллизованные), образующиеся при гидратации C2S и C3S, фактически не соответствуют какому-либо определённому соединению, а имеют обширную область составов, обозначаемую общим понятием - гель С-S-H. Поскольку цветной портландцемент полиминерален и, кроме силикатов кальция, содержит алюминатные, ферритные и сульфатные фазы, реальные продукты гидратации цемента ещё более сложны, они представляют собой тонкую смесь C-S-H геля с продуктами гидратации и взаимодействия алюминатных, ферритных и сульфатных фаз (фазы AFm и AFt). Иногда продукты гидратации цемента обобщают и называют цементным гелем, хотя фактически, кроме действительно слабозакристаллизованных (гелевидных) гидросиликатных и гидроалюминатных фаз, они включают достаточно крупные кристаллы портландита Са(ОН)2 [10]. Твердение портландцемента можно ускорить за счет повышения температуры окружающей среды и введения химических веществ — ускорителей твердения (хлористого кальция, хлористого натрия и др.) в количестве 1— 2 % по массе цемента.              Для повышения стойкости цементного камня в пресных водах рекомендуется вводить в портландцемент гидравлические добавки, которые связывают гидроксид кальция в малорастворимые соединения — гидросиликаты кальция. Коррозия второго вида происходит при действии на цементный камень бетона минерализованных вод, содержащих химические соединения, которые вступают в обменные реакции с составляющими цементного камня. Образующиеся при этом продукты реакции либо легко растворяются и уносятся водой, либо выделяются в виде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами.

Морская вода, вода соленых озер и лиманов, а также некоторые грунтовые воды, содержащие MgCl2, MgS04, NaCl и другие соли, разрушающе действуют на цементный камень. Так, при воздействии на  цементный камень вод, содержащих хлористый магний, последний взаимодействует с гидроксидом кальция цементного камня Mg(ОН)2.

 

1.3 Области применения  портландцемента

Монолитные и железобетонные конструкции, мостовые конструкции, опоры высоковольтных линий, дорожные и аэродромные покрытия, монолитные дома и железобетонные трубы – для большинства данных сооружений применяют бетон, который изготавливается именно из портландцемента. От обычного цемента портландцемент отличается даже внешним видом. Он обладает характеристиками вяжущего гидравлического вещества. На данный момент существует несколько видов портландцемента, именно от вида материала зависят преимущества и недостатки портландцемента.  

 

 

            Среди основных преимуществ материала следует выделить такие, как высокий уровень прочности, морозостойкости, водонепроницаемости. При строительстве гаражей, коттеджей и дач, малоэтажных построек чаще всего выбирают цемент 400, в составе которого есть минеральные добавки. Также он подходит для изготовления бетонов и кладочных растворов. Для возведения железобетонных и монолитных конструкций чаще всего используют цемент 400, но без добавок. Строительство фундаментов в сложных грунтах предполагает использование сульфатостойкого портландцемента с минеральными добавками, который также прекрасно подходит для использования в переменчивых средах, где наблюдается частое замораживание и оттаивание.[6].

 

2 СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1 Обоснование выбора и характеристика сырьевых материалов

 

Сырьевая смесь для получения портландцементного клинкера состоит, как правило, из трёх компонентов: карбонатный, алюмосиликатный и железосодержащий. В задании к курсовой работе указано два сырьевых компонента: известняк и зола ТЭС. Необходимо подобрать третий компонент данной системы.

Известняк является карбонатным компонентом, т.к. представлен минералом кальцитом CaСO3. Химический состав известняка представлен в таблице 4. Физико-механические свойства известняка характеризуются следующими показателями: объемная масса по лабораторным определениям изменяется от 2,49 до 2,69 г/см3, в полевых условиях составляет – 2,51 г/см3. Плотность известняка составляет 2,63 – 2,73 г/см3, водопоглощение – 0,1-2,1%, в среднем 0,060 %. Предел прочности известняка при сжатии в сухом состоянии колеблется от 529 до 1730 кгс/см2. К примеру, такая разновидность известняка, как нуммулитовый известняк, является одним из самых долговечных, сочетая высокую прочность и износостойкость. Он обладает прочной однородной объемно-монолитной структурой естественной цементации. Превосходно обрабатывается, шлифуется, полируется, держит кромку, допускает фигурную высечку самых тонких архитектурных форм и деталей. Диапазон его геометрических форм не ограничен стандартными типоразмерами. Этот компонент важен для цементного производства и заводы по производству портландцементов обычно располагаются вблизи месторождений карбонатного сырья. Химический состав известняков, используемых цементными заводами, характеризует высокое содержание СаО (47...55%). Допустимо применение пород, в которых СаО не менее 42% при работе на газе и мазуте и 44% СаО при работе на угольном топливе. Использование известняка при меньшем, чем указанные величины СаО, возможно при условии, если второй компонент вносит в сырьевую смесь недостающее количество оксида кальция. Ввиду близости ионных радиусов с ионом кальция (1,04Ả) в известняках могут содержаться примеси ионов Мn2+ (0,91), Fe2+ (0,80), Zn2+ (0,83) и Mg2+ (0,74). Допустимое содержание MgO - 3,2% [10].