В зоне испарения происходит
высушивание поступившей сырьевой смеси
при постепенном повышении температуры
с 70 до 200 °С (в конце этой зоны), поэтому
первую зону называют еще зоной сушки.
Подсушенный материалкомкуется, при перекатывании
комья распадаются на более мелкие гранулы.
В зоне подогрева, которая
следует за зоной сушки сырья, при постепенном
нагревании сырья с 200 до 700 °С сгорают
находящиеся в нем органические примеси,
из глиняных минералов удаляется кристаллохимическая
вода (при 450 – 500 °С) и образуется безводный
каолинит А12Оз – SiO2. Подготовительные
зоны (испарения и подогрева) при мокром
способе производства занимают 50 – 60 %
длины печи (считая от холодного конца);
при сухом же способе подготовка сырья
сокращается за счет зоны испарения.
В зоне декарбонизиции (ее
протяженность 20 – 23 % длины печи) температура
обжигаемого материала поднимается с
700 до
1100 °С. Здесь завершается
процесс диссоциации карбонатных
солей кальция и магния и
появляется значительное количество
свободного оксида кальция. Термическая
диссоциация СаСОз – это эндотермический
процесс, идущий с большим поглощением
теплоты (1780 кДж на 1 кг СаСОз), поэтому потребление
теплоты в третьей зоне печи наибольшее.
В этой же зоне происходит распад дегидратированных глинистых
минералов на оксиды SiO2, А12Оз, F2O3, которые вступают
в химическое взаимодействие с СаО. В результате
этих реакций, происходящих в твердом
состоянии, образуются минералы ЗСаО·А12О3, СаО·А12О3 и частично
2CaO·SiO2.
В зоне экзотермических
реакций (1100 – 1250 °С) проходят твердофазовые реакции
образования ЗСаО·А12О3; 4CaO·Al2O3·Fe2O3 и белита. Эти
экзотермические реакции на сравнительно
коротком участке печи (5 – 7 % ее длины)
сопровождаются выделением большого количества
теплоты (до 420 кДж на 1 кг клинкера) и интенсивным
повышением температуры материала (на
150 – 200 °С).
В зоне спекания (1300
– 1450 – 1300 оС) температура
обжигаемого материала достигает наивысшего
значения (1450 °С), необходимого для частичного
плавления материала и образования главного
минерала клинкера – алита. В начале спекания,
начиная с 1300 °С, образуется расплав в
количестве 20 – 30 % объема обжигаемой массы
из относительно легкоплавких минералов ЗСаО·А12Оз, 4CaO·AI2O3·Fe2O3, а также MgO и
легкоплавких примесей. При повышении
температуры до 1450 °С в клинкерной жидкости
растворяются 2CaO·SiO2 и СаО и из них
в расплаве происходит образование алита ЗСаО·SiO2, проходящее
почти до полного связывания оксида кальция
(в клинкере СаОсвобне более
0,5 – 1 %). В расплаве сначала образуются
тетраэдры SiO44-, которые
потом соединяются с ионами Са2+, образуя
кристаллическую решетку трехкальциевого силиката. Алит плохо
растворяется в расплаве и вследствие
этого выделяется из него в виде мелких
кристаллов, что влечет дальнейшее растворение
в расплаве 2CaO·SiO2 и СаО. Процесс
образованияалита заканчивается за 15 –
20 мин пребывания материала в зоне спекания
(ее протяженность 10 – 15 % длины печи). Поскольку
при вращении печи частично расплавленный
материал непрерывно перекатывается,
мелкие частички слипаются в гранулы.
Понижение температуры с 1450 до 1300 °С вызывает
кристаллизацию из расплава ЗСаО·А12О3, 4CaO·Al2O3·Fe2O3 и MgO (в виде периклаза),
которая заканчивается в зоне охлаждения,
следующей за спеканием.
В зоне охлаждения температура
клинкера понижается с 1300 до 1000 °С; здесь
полностью формируются его структура
и состав, включающий алит С2S, белит C2S, C3A, C4AF, MgO (периклаз),
стекловидную фазу и второстепенные составляющие.
Цементный клинкер выходит из вращающейся печи
в виде мелких камнеподобных зерен — гранул
темно-серого или зеленовато-серого цвета.
По выходе из печи клинкер интенсивно
охлаждается с 1000 до 100 – 200 °С в колосниковых, рекуператорных и
других холодильниках воздухом, идущим
навстречу клинкеру или просасываемым
через слой горячего клинкера. После этого
клинкер выдерживается на складе одну-две
недели.
Из расходных силосов сырьевая
мука сначала поступает в систему циклонных
теплообменников, где, находясь во взвешенном
состоянии, нагревается движущимися навстречу
(снизу — вверх) отходящими газами и уже
горячей подается в декарбонизатор.
Помол клинкера в тонкий порошок
производится преимущественно в сепараторных
установках, работающих по открытому или
замкнутому циклу.
Трубная мельница представляет
собой барабан, облицованный внутри стальными
броневыми плитами и разделенный дырчатыми
перегородками на две – четыре камеры
(рис.21). Материал в трубных мельницах измельчается
под действием загруженных в барабан мелющих
тел – стальных шаров (в камерах грубого
помола) и цилиндров (камерах тонкого помола).
При вращении мельницы мелющие тела поднимаются
на некоторую высоту и падают, дробя и
истирая зерна материала.
При работе по отрытому циклу
мельница работает «на проход», т.е. материал
(клинкер и добавки) непрерывно поступает
со стороны камер грубого помола через
полую ось, а измельченный материал выходит
из камеры тонкого помола и далее транспортируется
в силосы.
Замкнутый цикл помола включает помольный
агрегат и центробежный сепаратор, отделяющий
крупные зерна, возвращаемые на домол (рис.21),
в результате чего достигается высокая
тонкость помола. Помольные установки,
работающие по замкнутому циклы, дают
возможность тонко измелчать клинкер и
регулировать в цементе содержание частиц
различного размера, что необходимо для
получения быстротвердеющего и других
специальных портландцементов. При помоле
к клинкеру добавляют гипс (так, чтобы
общее содержание SO3 в цементе
было не более 3,5 %) для замедления схватывания
портландцемента.
Рисунок - 21. Трубная многокамерная
мельница
1 – торцевое днище; 2 –
подшипник; 3 – загрузочная воронка;
4 – пустотелая цапфа; 5 – между
камерные перегородки; 6 – корпус;
7 – крышка; 8 – диафрагменная
перегородка; 9 – конус; 10 – торцевое
днище; 11 – лопасти; 12 – разгрузочный
конус; 13 – кожух; 14 – сито; 15 –
разгрузочный патрубок; 16 – разгрузочные
отверстия.
Рисунок - 22. Схема размола клинкера
по замкнутому циклу а – с двумя мельницами:
1 – мельница грубого помола; 2 – элеватор;
3 – центробежный сепаратор; 4 – мельница
тонкого помола; б – с одной мельницей:1—элеватор;
2 – сепаратор; 3 – мельница; 4 – крупка;
5 – готовый цемент.
Готовый портландцемент – очень
тонкий порошок темно – серого или зеленовато
– серого цвета; по выходе из мельницы
он имеет высокую температуру (80 – 120 °С)
и направляется пневматическим транспортом в
силосы, которые обычно выполняют в виде
железобетонных банок диаметром 8 – 15 м
и высотой 25 – 30 м. Большие силосы вмещают
4000 – 10000 т цемента. Цемент в силосах выдерживают
до его охлаждения и гашения остатков
свободного оксида кальция, которое происходит
под действием влаги воздуха. Из силосов
цемент погружают в автоцементовозы, в
вагоны-цементовозы или крытые железнодорожные
вагоны. Часть цемента поступает на отвешивающие
и упаковывающие машины и поставляется
в мешках (по 50 кг цемента).
Рисунок 23 - Схема производства
портландцемента по мокрому способу
1– глина из карьера; 2 – подача
воды; 3 – гдиноболтушки; 4– подача глиняной
суспензии в сырьевую мельницу; 5 – известняк
из карьера; 6 – дробилка; 7– дозаторы; 8 – сырьевая
трубная мельница; 9 – шлам-бассейны; 10 – дозатор
шлама; 11– вращающаяся печь; 12 – подача
топлива; 13 – транспортирование клинкера;
14 – склад клинкера; 15 – дробление и дозирование
гипса; 16 – склад гипса; 17 – трубная мельница
для помола клинкера (с гипсом); 18 – пневматический
насос; 19 – компрессор; 20 – склад (силоса)
цемента; 21 – упаковка цемента.
4.1. Классификация
металлургических процессов
Металлургия или
производство металлов является высокотемпературными
процессами.
Металлургия – это наука о промышленных
способах получения металлов.
Цель
металлургического производства – это получение
металлов из перерабатываемого сырья
в свободном состоянии или в виде химического
соединения.
Задача
металлургии – это получение
металлической продукции из руд и компонентов
и других видов металлосодержащего сырья.
Металлургия делится:
- пирометаллургические
процессы;
- гидрометаллургические
процессы.
Пирометаллургические
процессы проводятся при
высоких температурах чаще всего с полным
и реже частичным расплавлением материалов.
Гидрометаллургические
процессы – в водных средах
при температурах максимально до 300° С.
Иногда в отдельную
группу выделяют – электрометаллургические
процессы. Они могут быть, как пирометаллургическими,
так и гидрометаллургическими процессами.
Отличительная особенность этих процессов
является использование электроэнергии
в качестве движущей энергетической силы
для их протекания.
Пирометаллургические
процессы по характеру поведения
в процессе компонентов и их конечных
результатам можно разделить на три группы: обжиг, плавка, диссциляция.
Обжиг – металлургический
процесс, проводимый при высоких температурах
(500-1200° С) с целью изменения химического
состава перерабатываемого сырья. Все
обжиговые процессы, за исключением обжига
со спеканием, являются твердофазными.
Плавка – пирометаллургический
процесс, проводимый при тепмпературах,
обеспечивающих в большинстве случаев
полное расплавление перерабатываемого
материала. Различают две разновидности
плавок: рудные и рафинирование.
Рудные
плавки, в свою очередь
делятся на:
- восстановительную
плавку – цель получение металла
за счет восстановления его
оксидных соединений углеродистыми
восстановителями и перевода
пустой породы в шлак (применяется
при получении свинца, олова);
- плавку на
штейн – извлечение металла
в полупродукт, называемый штейном
(сплав сульфидов). (второй продукт
– шлак – оксидные компоненты)(применяется
при производстве меди, никеля);
- электролиз
расплавленных солей ведут при
воздействии постоянного тока
на расплавленную среду, состоящую
из оксидов или хлоридов. В
результате на катоде выделяет
металл, на аноде – газ.(применяется
при получении алюминия, магния
и других легких и редких
металлов)
- реакционная
плавка – основана на получении
металла за счет взаимодействия
его оксида и сульфида (примером
может быть получение металлической
меди и свинца).
Рафинировочные
плавки проводят с целью
очистки полученных металлов от примесей.
В основе их лежит различие в физико-химических
свойствах основного металла и металлов-примесей.
Существуют следующие разновидности:
- окислительное
(огневое) рафинирование – основано на разнице
в сродстве к кислороду основного металла
и примеси (при получении черновой меди);
- ликвационное
рафинирование - в основе лежит
принцип образования и разделения по плотности
двух фаз, одна из которых является рафинируемым
металлом (при получении с винца);
- сульфидирующее
рафинирование – применяется при
очистке металла от примесей, обладающих
повышенным сродством к сере (рафинирование
свинца от меди);
- хлорное
рафинирование – основано на различии
сродства металла и примесей к хлору.
Дистилляция – процесс испарения
вещества при температуре несколько выше
точки кипения, дающий возможность разделить
компоненты обрабатываемого материала
в зависимости от его летучести (применяется
при металлургии цинка и легких и редких
металлов).
Гидрометаллургические
процессы проводятся при
низких температурах на разделе чаще всего
твердой и жидкой фаз. Любой гидрометаллургический
процесс состоит из трех основных стадий:
выщелачивания, очистки растворов от примесей
и осаждении металла из раствора.
Современные металлургические
процессы получения металлов должны удовлетворять
следующим требованиям: