Råkvarn
En råkvarn är den utrustning som används för att mala råvaror till " råblandning " vid tillverkning av cement . Råblandningen matas sedan till en cementugn , som omvandlar den till klinker , som sedan mals till cement i cementbruket . Råmalningssteget i processen definierar effektivt den färdiga cementens kemi (och därför fysikaliska egenskaper) och har en stor effekt på effektiviteten i hela tillverkningsprocessen.
Historia
Historien om utvecklingen av tekniken för råmaterialslipning definierar cementteknologins tidiga historia. Andra stadier av cementtillverkning använde befintlig teknik i början. Tidiga hydrauliska material som hydrauliska kalker , naturliga cement och Parkers romerska cement var alla baserade på "naturliga" råvaror, brända "som grävt". Eftersom dessa naturliga blandningar av mineraler endast förekommer sällan, var tillverkarna intresserade av att göra en finkornig konstgjord blandning av lättillgängliga mineraler som kalksten och lera som kunde användas på samma sätt. Ett typiskt problem skulle vara att göra en intim blandning av 75 % krita och 25 % lera, och bränna denna för att få fram en ”konstgjord cement.” Utvecklingen av den ”våta” metoden för att tillverka finkornig lera i keramikindustrin gav en Av denna anledning använde den tidiga cementindustrin den "våta processen", där råvarorna mals tillsammans med vatten, för att producera en slurry som innehåller 20–50 % vatten. Både Louis Vicat och James Frost använde denna teknik i början av 1800-talet, och det förblev det enda sättet att göra råmix för Portlandcement fram till 1890. En modifiering av tekniken som användes av den tidiga industrin var "dubbelbränning", där en hård kalksten skulle brännas och släckas innan den kombinerades med lerslam. Denna teknik undvek slipning av hård sten och användes av bland andra Joseph Aspdin . Den tidiga malningstekniken var dålig och tidiga uppslamningar gjordes tunna, med hög vattenhalt. Uppslamningen tilläts sedan att stå i stora reservoarer ("slurry-backs") i flera veckor. Stora, oslipade partiklar skulle falla till botten och överskottsvatten steg till toppen. Vattnet dekanterades med jämna mellanrum tills en styv kaka, av konsistensen av keramiklera, fanns kvar. Detta skivades upp, kasserade det grova materialet i botten och brändes i ugnen. Våtslipning är förhållandevis energieffektivt, och så när bra torrslipningsutrustning blev tillgänglig fortsatte den våta processen att användas under hela 1900-talet, ofta med utrustning som Josiah Wedgwood skulle ha känt igen.
Material malda
Råblandningar är formulerade för att innehålla en korrekt balanserad kemi för produktion av kalciumsilikater ( alit och belit ) och flussmedel ( aluminat och ferrit ) i ugnen. Kemiska analysdata vid cementtillverkning uttrycks i termer av oxider, och de viktigaste av dessa i råmixdesign är SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 och CaO. I princip kan vilket material som helst som kan bidra med någon av dessa oxider användas som en råblandningskomponent. Eftersom den huvudsakliga oxiden som krävs är CaO, är den vanligaste råblandningskomponenten kalksten , medan de andra till största delen tillförs av lera eller skiffer . Mindre justeringar av kemin görs genom mindre tillägg av material som de som visas nedan.
Typiska kemiska analyser av råmixkomponenter:
| Oxid | Grå kalksten | Vit kalksten | Märgel | Lera | Sand | Millscale | Kaolin | Bauxit | Flygaska |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO 2 | 6.6 | 2.1 | 14.1 | 61,6 | 98,0 | 1.3 | 46,1 | 11.1 | 48,1 |
| Al2O3 _ _ _ | 1.5 | 0,3 | 3.3 | 17.5 | 0,9 | 1.2 | 38,5 | 54,4 | 26.5 |
| Fe 2 O 3 | 0,7 | 0,13 | 1.3 | 7.5 | 0,13 | 96,8 | 0,35 | 9.7 | 6 |
| CaO | 48,4 | 53,7 | 43,8 | 1.1 | 0,1 | 0,3 | 0,3 | 0,6 | 4.7 |
| MgO | 2.0 | 0,8 | 0,7 | 1.1 | 0,0 | 0,6 | 0,1 | 0,1 | 1.2 |
| Na2O _ _ | 0,07 | 0,02 | 0,07 | 0,5 | 0,02 | 0,11 | 0,01 | 0,05 | 0,3 |
| K 2 O | 0,27 | 0,08 | 0,43 | 1.9 | 0,37 | 0,05 | 0,09 | 0,05 | 1.3 |
| TiO 2 | 0,06 | 0,02 | 0,15 | 0,8 | 0,06 | 0,30 | 0,9 | 2.1 | 1.5 |
| Mn2O3 _ _ _ | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,12 | 0 | 0,63 | 0 | 0,09 | 0,07 |
| LoI 950 | 40,0 | 42,7 | 35,8 | 6.8 | 0,3 | 0 | 13.7 | 20.8 | 9.1 |
Obs: LoI 950 är förlusten vid antändning vid 950 °C, och representerar (ungefär) de komponenter som går förlorade under ugnsbearbetning. Den består huvudsakligen av CO 2 från karbonater, H 2 O från lerhydrater och organiskt kol.
Med hjälp av dessa material kan typiska råmixar komponeras:
- Blandning 1: Allmänt cement: 88,0 % grå kalksten, 8,9 % lera, 2,2 % sand och 0,9 % kvarnskala.
- Blandning 2: Sulfatbeständigt cement: 87,6 % grå kalksten, 5,2 % lera, 5,0 % sand och 2,2 % kvarnskala.
- Blandning 3: Vit cement : 82,3% vit kalksten, 6,8% kaolin och 10,9% sand.
De kemiska analyserna av dessa råblandningar skulle vara:
| Oxid | Blanda 1 | Blanda 2 | Blanda 3 |
|---|---|---|---|
| SiO 2 | 13.46 | 13,91 | 15.55 |
| Al2O3 _ _ _ | 2,91 | 2.30 | 2,96 |
| Fe 2 O 3 | 2.16 | 3.14 | 0,14 |
| CaO | 42,69 | 42,47 | 44,23 |
| MgO | 1,86 | 1,82 | 0,67 |
| Na2O _ _ | 0,11 | 0,09 | 0,02 |
| K 2 O | 0,41 | 0,35 | 0,11 |
| TiO 2 | 0,13 | 0,10 | 0,09 |
| Mn2O3 _ _ _ | 0,04 | 0,05 | 0,01 |
| LoI 950 | 35,8 | 35,4 | 36.1 |
De visade råvarorna och blandningarna är endast "typiska": avsevärda variationer är möjliga beroende på tillgängliga råvaror.
Kontroll av mindre element
Bortsett från de viktigaste oxiderna (CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 och Fe 2 O 3 ) är de mindre oxiderna i bästa fall utspädningsmedel i klinkern och kan vara skadliga. Cementråvaror är dock till största delen grävda från jordskorpan och innehåller de flesta grundämnen i det periodiska systemet i någon mängd. Tillverkaren väljer därför material så att de skadliga effekterna av mindre element minimeras eller hålls under kontroll. Mindre element som ofta påträffas är följande:
- Fluor är fördelaktigt för ugnsprocessen genom att det tillåter alite att bildas vid lägre temperatur. Men vid nivåer över 0,25 % i klinkern uppstår försenad och oregelbunden cementhärdningstid.
- Alkalimetaller (främst natrium och kalium ) orsakar bearbetningsproblem eftersom de bildar flyktiga salter i ugnssystemet. Dessa avdunstar i ugnsförbränningszonen och återkondenseras i de kallare delarna av förvärmaren, vilket orsakar blockeringar. Alkalier är också skadliga för betong, vilket kan orsaka alkaliska kiseldioxidreaktioner . Av denna anledning begränsar många standarder alkalier (typiskt uttryckt som "total ekvivalent soda" som är Na 2 O + 0,658 K 2 O). Typiska specifikationsgränser ligger inom intervallet 0,5–0,8 %.
- MgO orsakar problem vid nivåer över 2,5 %. Små mängder ryms i fast lösning i klinkermineralerna, men över 2,5 % finns "fritt" MgO i klinkern som periklas . Detta kan långsamt hydratiseras till Mg(OH) 2 med expansion i den härdade betongen, vilket orsakar sprickbildning. Noggrann bearbetning av klinkern för att hålla periklaset i en mikrokristallin form gör att nivåer upp till 5 % kan hanteras utan allvarlig effekt. Alla standarder begränsar MgO, typiska gränser ligger i intervallet 4-6%.
- P 2 O 5 vid nivåer över 0,5 % börjar orsaka långsam härdning och låg klinkerreaktivitet.
- Klor producerar mycket flyktiga salter och därav följande blockeringar av förvärmaren, och är vanligtvis begränsad till under 0,1 % i råblandning.
- TiO 2 är allestädes närvarande, men är sällan närvarande i nivåer (~1%) som kan orsaka problem.
- Krom kan sluta som kromater (Cr[VI]) i cement, särskilt när klinkern är rik på sulfat. Kromater orsakar allergisk kontaktdermatit hos cementanvändare, och av denna anledning begränsas cementhalten Cr[VI] i många standarder till 0,0002 %. Typiska naturliga råblandningar innehåller cirka 0,01 % Cr 2 O 3 , och på denna nivå kan Cr[VI]-bildning kontrolleras. Krom som finns i cementen som Cr[III] spelar ingen roll.
- Mn 2 O 3 är inte skadlig, fungerar som ett substitut för järn. Men det bidrar med mer färg till cementen än järn, och cement med hög Mn 2 O 3 (>1%) är nästan svarta.
- ZnO påträffas i vissa råblandningstillsatser (liksom däck som används som ugnsbränsle). Vid nivåer över 0,2 % orsakar det långsam härdning och låg klinkerreaktivitet.
- Strontium och barium fungerar som kalciumersättningar och börjar bara minska klinkerreaktiviteten vid nivåer på 1,5 % respektive 0,2 %.
- Giftiga tungmetaller : bland dessa är låga nivåer av arsenik , selen , kadmium , antimon och volfram inte ett problem, eftersom de absorberas i den grundläggande klinkerstrukturen som anjoner. Å andra sidan kvicksilver , tallium och bly kontrolleras noggrant eftersom de kan avges som flyktiga halogenider i ugnens avgaser.
Våta råkvarnar
Våtslipning är effektivare än torrslipning eftersom vatten täcker de nybildade ytorna av trasiga partiklar och förhindrar återagglomerering. Processen att blanda och homogenisera råmixen är också mycket lättare när den är i slurryform. Nackdelen är att vattnet i den resulterande slurryn måste avlägsnas i efterhand, och detta kräver vanligtvis mycket energi. Medan energin var billig var våtslipning vanligt, men sedan 1970 har situationen förändrats dramatiskt och ny våtprocessanläggning installeras nu sällan. Våtmalning utförs på två olika sätt: tvättkvarnar och kulkvarnar.
Tvättkvarn
Detta representerar den tidigaste råmalningstekniken och användes för att mala mjuka material som krita och lera. Det är ganska likt en matberedare. Den består av en stor skål (upp till 15 m i diameter) i vilken de krossade (till mindre än 250 mm) råvarorna tippas tillsammans med en ström av vatten. Materialet rörs om av roterande uppsättningar av harvar . Skålens ytterväggar består av galler eller perforerade plattor genom vilka fin produkt kan passera. Malning är till stor del autogen (dvs. den sker genom kollision mellan klumpar av råmaterial), och är mycket effektiv, producerar lite spillvärme, förutsatt att materialen är mjuka. Typiskt är två eller tre tvättkvarnar kopplade i serie, vilka är försedda med successivt mindre utloppsperforeringar. Hela systemet kan producera flytgödsel med en utgift på så lite som 5 kW·h el per torrt ton. Relativt hårda mineraler (som flinta) i blandningen är mer eller mindre orörda av malningsprocessen och lägger sig i botten av kvarnen, varifrån de periodvis grävs ut.
Kulkvarnar och tvättfat
Kulkvarnen tillåter malning av de hårdare kalkstenarna som är vanligare än krita . En kulkvarn består av en horisontell cylinder som roterar runt sin axel. Den rymmer sfäriska, cylindriska eller stavliknande slipmedier av storlek 15–100 mm som kan vara stål eller en mängd olika keramiska material och upptar 20–30 % av kvarnvolymen. Brukets skal är fodrat med stål- eller gummiplåtar. Slipning åstadkommes genom slag och nötning mellan slipmedierna. De olika mineralkomponenterna i råblandningen matas till kvarnen med konstant hastighet tillsammans med vatten, och slurryn rinner från utloppsänden. Tvätttrumman har ett liknande koncept, men innehåller lite eller inget slipmedium, eftersom malningen är autogen, genom kaskadverkan av de större råvarubitarna. Den är lämplig för mjuka material, och speciellt för flintig krita, där den oslipade flintan fungerar som slipmedel.
Slamfinhet och fukthalt
Det är viktigt att stora partiklar (> 150 μm för kalciumkarbonat och > 45 μm för kvarts) elimineras från råblandningen för att underlätta kemisk kombination i ugnen. När det gäller uppslamningar kan större partiklar avlägsnas med hydrocykloner eller siktanordningar. Dessa kräver en viss mängd energi, tillförd genom högtryckspumpning. Denna process och flyttningen och blandningen av slurryn kräver noggrann kontroll av slurryns viskositet. Det är uppenbart att en tunnare slurry lätt erhålls genom att tillsätta mer vatten, men på bekostnad av hög energiförbrukning för dess efterföljande avlägsnande. I praktiken görs slurryn därför så tjock som anläggningsutrustningen klarar av. Cementråblandningsslam är Bingham-plaster som också kan uppvisa tixotropt eller reopektiskt beteende. Energin som behövs för att pumpa slurry i önskad hastighet styrs huvudsakligen av slurryns sträckgräns , och denna varierar i sin tur mer eller mindre exponentiellt med slurryns fasta ämnen/vätska-förhållande. I praktiken avflockningsmedel för att bibehålla pumpbarheten vid låga fukthalter. Vanliga deflockuleringsmedel som används (vid typiska doshastigheter på 0,005–0,03%) är natriumkarbonat , natriumsilikat , natriumpolyfosfater och lignosulfonater . Under gynnsamma omständigheter kan pumpbar slurry med mindre än 25 % vatten erhållas.
Råblandningar innehåller ofta mineraler med kontrasterande hårdhet, såsom kalcit och kvarts. Samtidig malning av dessa i en råkvarn är ineffektiv, eftersom malningsenergin företrädesvis används för att mala det mjukare materialet. Detta resulterar i en stor mängd alltför fint mjukt material, som "dämpar" malningen av det hårdare mineralet. Av denna anledning mals ibland sand separat och matas sedan till huvudråkvarnen som en fin slurry.
Torra råkvarnar
Torra råvaror är den vanliga tekniken som installeras idag, vilket möjliggör minimering av energiförbrukning och CO 2 -utsläpp. I allmänhet bryts cementråvaror huvudsakligen och innehåller därför en viss mängd naturlig fukt. Att försöka mala ett vått material misslyckas eftersom en svårbehandlad "lera" bildas. Å andra sidan är det mycket lättare att torka ett fint material än ett grovt, eftersom stora partiklar håller fukt djupt i sin struktur. Det är därför vanligt att samtidigt torka och mala materialen i råkvarnen. En varmluftsugn kan användas för att tillföra denna värme, men vanligtvis används heta avgaser från ugnen. Av denna anledning placeras råkvarnen vanligtvis nära ugnsförvärmaren. Typer av torra råvaror inkluderar kulkvarnar, valskvarnar och hammarkvarnar.
Kulkvarnar
Dessa liknar cementbruk , men ofta med ett större gasflöde. Gastemperaturen styrs av kallluftsavtappningar för att säkerställa en torr produkt utan att överhetta kvarnen. Produkten passerar in i en luftseparator, som returnerar överdimensionerade partiklar till kvarnens inlopp. Ibland föregås kvarnen av en varmluftssvepad hammarkvarn som sköter det mesta av torkningen och producerar millimeterstort foder till kvarnen. Kulkvarnar är ganska ineffektiva och kräver vanligtvis 10–20 kW·h elkraft för att göra ett ton råmix. Aerofall-kvarnen används ibland för att förmala stora våta foder. Det är en kort halvautogen kvarn med stor diameter, som vanligtvis innehåller 15 volymprocent mycket stora (130 mm) slipkulor. Matningen kan vara upp till 250 mm, och de större bitarna producerar mycket av slipverkan. Bruket svepts i luft och de fina partiklarna förs bort i gasströmmen. Krossning och torkning är effektiv, men produkten är grov (cirka 100 µm), och mals vanligtvis om i en separat kulkvarn.
Valskvarnar
Dessa är standardformen i moderna installationer, ibland kallade vertikala spindelkvarnar . I ett typiskt arrangemang matas materialet på ett roterande bord, på vilket stålrullar pressar ner. En hög hastighet för het gasflöde upprätthålls nära skålen så att fina partiklar sopas bort så snart de produceras. Gasflödet för de fina partiklarna in i en inbyggd luftseparator, som återför större partiklar till malningsbanan. Det fina materialet sopas ut i avgaserna och fångas upp av en cyklon innan det pumpas till lager. Den återstående dammiga gasen återförs vanligtvis till ugnens huvuddammkontrollutrustning för rengöring. Matningsstorleken kan vara upp till 100 mm. Valskvarnar är effektiva och använder ungefär hälften av energin från en kulkvarn, och det verkar inte finnas någon gräns för den tillgängliga storleken. Valsverk med en effekt på över 800 ton per timme har installerats. Till skillnad från kulkvarnar måste matningen till kvarnen vara regelbunden och oavbruten; annars uppstår skadliga resonansvibrationer.
Hammarkvarnar
Hammarkvarnar (eller "krosstorkar") som sopas med heta ugnsavgaser har begränsad användning där en mjuk, våt råvara mals. Den enkla designen gör att den kan köras vid en högre temperatur än andra kvarnar, vilket ger den hög torkkapacitet. Men malningsverkan är dålig och produkten mals ofta om i en kulkvarn.