«…Вопрос техники есть вопрос не о возможных способах действия, а о выгоднейших…»
Проф. В.Д. Мачинский
Проблема активации портландцемента с целью повышения его полезных свойств так же стара, как и сам портландцемент. И все же, несмотря на долгие годы теоретических изысканий и натурных опытов отработанной на сегодняшний день методики активации портландцемента, когда бы затраты на ее осуществление не превышали бы затрат на само его производство, не существует. Многочисленные публикации, эксплуатирующие тему увеличения активности портландцемента, в основной массе предлагают методы весьма далекие от реалий практического использования, как в части аппаратного обеспечения, так и в части экономической целесообразности предлагаемых работ. Вместе с тем увеличение активности, а в большинстве случаях просто доработка поступающего на предприятия портландцемента заводского изготовления для приведения его в соответствие с заявленной маркой, в наше время представляется особенно актуальной. Именно сейчас, когда объемы строительства стремительно растут, дефицит портландцемента ощущается особенно остро. В создавшейся ситуации, когда только для поверхностного удовлетворения постоянно растущего спроса, необходимо увеличить производство цемента с 45- 53 млн. тонн до 80- 90 млн. тонн, даже крупным потребителям приходиться мириться с зачастую крайне низкой изначальной активностью портландцемента и приобретать материал, единственное достоинство которого — наличие на складе.
Острый дефицит портландцемента, став настоящей проблемой современного строительства, приводит к тому, что крупные цементные заводы совершенно не заинтересованы в повышении качества выпускаемой продукции. Ажиотажный спрос обеспечивает отличный сбыт материала сомнительных достоинств и низкого качества. К тому же, многие цементные заводы на сегодняшний день попросту не в состоянии улучшить качество выпускаемой продукции, так как износ основных фондов на конец 1996 года составлял 57 %, а на начало 2006 года уже порядка 70%.
Сейчас ситуация медленно начала меняться, хотя говорить о том, что проблема технического перевооружения отечественных цементных заводов близка к разрешению, не приходиться. Так, по расчетам специалистов, для модернизации и строительства новых цементных заводов необходимы инвестиции в размере 5.1- 6.3 млрд. долларов. По данным различных источников, в случае задержки сроков технического переоснащения действующих предприятий цементной промышленности, дефицит цемента к 2010 году превысит 20 млн. тонн.
Подобные прогнозы заставляют серьезно задуматься о перспективах использования портландцемента в строительстве, да и самой себестоимости такого строительства. Если, в настоящее время при достаточно умеренном дефиците, качество цемента, в отдельных случаях, не выдерживает никакой критики, что же случиться когда потребность в данном материале многократно превысит предложение? При этом наращивание объемов производства материала низкого качества не может рассматриваться как выход из сложившейся ситуации. Повышение активности портландцемента позволяет более полно использовать потенциальные возможности вяжущего, и открывает широкие горизонты снижения расхода портландцемента при получении изделий, нормируемых показателей прочности, морозостойкости и т.д. Подобный подход, когда снижение дефицита портландцемента достигается не только благодаря увеличению объемов производства, а в большей степени за счет повышения качества выпускаемой продукции, сокращения потерь при хранении и транспортировки, должен быть признан единственно верным. Тем более что производство цемента не является безупречным в плане воздействия на окружающую среду. Обжиговая карбонатная технология производства портландцемента связанна с большими объемами выбросов в атмосферу СО2 , что входит в противоречие с международными программами защиты окружающей среды. Одного этого факта вполне достаточно чтобы понять, что проблема нехватки портландцемента требует комплексного решения, когда увеличение объемов производства должно сопровождаться и улучшением качества выпускаемой продукции.
Справедливости ради необходимо отметить, что производители цемента далеко не единственные виновники крайне не эффективного использования сырьевых и энергетических ресурсов в производстве вяжущих материалов. Свой вклад вносят и низкая культура использования цемента в отечественном строительстве, и снижение его активности при неправильном хранении и нехватка качественных заполнителей для бетона, что так же вызывает перерасход цемента.
И все же возвращаясь к вопросу качества отечественного портландцемента приходиться признать что сейчас, когда его нехватка ощущается особенно остро, а техническая вооруженность отечественных цементных заводов еще очень далека от мировых стандартов, было бы наивно надеяться на скорое повышение качества отечественного портландцемента. В этом случае центр тяжести решения данной проблемы, вполне может переместиться от крупных заводов-монополистов к предприятиям строительной отрасли, непосредственно занятым в производстве бетонных изделий и конструкций. Или иными словами, цементные заводы, выпускающие продукцию усредненной активности, могут рассматриваться скорее как поставщики сырья, а не готового продукта требуемых характеристик. В этом свете методика корректировки свойств портландцемента, в том числе и увеличения его активности, адресованная, прежде всего, предприятиям строительной отрасли средней и малой мощности, могла бы кардинально изменить существующую практику использования портландцемента.
Теоретически корректировка основных свойств портландцемента вполне возможна. На сегодняшний день накоплен богатый опыт увеличения активности портландцемента путем повышения дисперсности цементного порошка. Однако, несмотря на впечатляющие результаты лабораторных исследований, данная методика не нашла применения в производстве строительных материалов. Многочисленные попытки внедрения методики активации портландцемента непосредственно на местах его использования, не привели к желаемым результатам, эффект повышения вяжущих свойств портландцемента не покрывал расходов на ее осуществление. Поэтому, когда в начале данной статьи говорилось об отсутствии методики активации портландцемента, имелось в виду не отсутствие возможности активации в принципе, а отсутствие энергопродуктивного способа ее осуществления, когда затраты энергии были бы сопоставимы с полученными результатами. На сегодняшний день именно в этом несоответствии и кроется основная проблема активации портландцемента.
Впечатляющие результаты экспериментов так и не нашли применения на практике, защищенные диссертации и полученные ученые степени не в силах изменить сложившуюся ситуацию, потому что экономическая целесообразность была, есть и будет краеугольным камнем внедряемых в производство инновационных методов. Основной мерой всех технологических процессов всегда являлся не только сам полученный положительный эффект, но и затраты на его осуществление. Таким образом, загадка активации цемента, когда с одной стороны существующие методы позволяют увеличивать его марку с М 400 до М 600-700, а с другой стороны, предлагаемые методы в настоящее время не используются в производственной практике, объясняется очень просто.
Да, действительно, практические возможности повышения вяжущих свойств цемента существуют. Активация цемента в производстве бетонных изделий и конструкций, могла бы в некоторой степени снять проблему его нехватки, улучшить качества выпускаемой продукции, сделать возможным оперативную корректировку основных свойств вяжущих материалов. Однако, на сегодняшний день затраты на проведение активации портландцемента многократно превышают полученную экономическую выгоду от ее осуществления. Только экономической не эффективностью существующих методов активации, можно объяснить тот глубочайший кризис, в котором в настоящее время пребывает практика использования тонкомолотых вяжущих материалах повышенной активности.
Многочисленные попытки решить проблему получения высокодисперсных вяжущих материалов при снижении удельного расхода энергии, до настоящего времени не привели к успеху, в основном по причине изначально неверно выбранного как самого способа измельчения цементного зерна, так и конструкционно-технологических параметров оборудования.
Сегодня, когда высокая стоимость портландцемента заставляет пересмотреть устоявшуюся практику его использования, на страницах специализированных изданий, сайтах фирм производителей измельчительного оборудования, информационных форумах, тема увеличения активности вяжущих материалов приобретает особую актуальность. Зачастую, предлагаемые методы как относительно новые, так и имеющие многолетнюю историю, оказываются весьма далеки, и от возможности практической реализации, и от экономической целесообразности предлагаемых работ. И причина этого все та же, несоответствие полученных результатов и затраченной энергии. При этом, наиболее часто в обсуждении темы активации цемента упоминается методика увеличения дисперсности цементного порошка или дополнительного помола цемента заводского изготовления, которая объективно является наиболее апробированной как в лабораторных условиях, так и при массовом производстве портландцемента.
Однако, кажущаяся простота метода активации цемента, путем увеличения его дисперсности, таит множество подводных камней, более того, при всей доступности и техническом совершенстве данного метода он никогда и нигде не давал положительных результатов, за исключением лабораторных экспериментов, где экономическая составляющая активации цемента не учитывалась.
При этом помол клинкера является заключительной технологической операцией производства цемента, казалось бы, и его активация должна двигаться в направлении увеличения дисперсности порошка, однако это не так.
Производство больших объемов материала на цементном заводе и активация относительно небольших партий, как и получение порошков удельной поверхности до 3000 см2/г или более 4500 см2/г — это технологические операции, предъявляющие совершенно разные требования, как к самой модели разрушения цементного зерна, так и к измельчительному оборудованию, задействованному в работах по активации. Поэтому, и сам метод повышения активности путем увеличения дисперсности, как и измельчительное оборудование, традиционно используемое в производстве цемента, совершенно не подходит для его активации на предприятиях, занятых в производстве бетонных изделий и конструкций. Причина этого, казалось бы, парадоксального утверждения кроется в нелинейном увеличении расхода энергии, затрачиваемой на получение материалов различной дисперсности.
Все твердые материалы и цементный клинкер в том числе, характеризуются присущим им сопротивлением разрушению, причем на разных ступенях тонкого измельчения сопротивление разрушению различно. Существует общая закономерность, чем меньше размеры частицы, тем выше расход энергии, необходимой для ее разрушения. Так, при помоле цемента в шаровой мельнице до удельной поверхности 3000-3500 см2/г, ее прирост практически пропорционален затраченной работе (по закону Ритингера). Однако, при более высоких степенях измельчения, когда происходит агломерация тончайших частичек, дальнейший прирост удельной поверхности сопровождается повышенным расходом энергии.
Помимо увеличения расхода энергии, затрачиваемой непосредственно на разрушение цементных зерен, при их помоле выделяется значительное количество тепла, вызывающего нагрев и мелющих тел, и самого измельчаемого материла. Чем выше дисперсность получаемого продукта, тем выше и его нагрев при помоле. Увеличение температуры цементного клинкера при его измельчении, явление резко отрицательное, оказывающее влияние на энергопотребление, производительность и эффективность работы помольного агрегата. Так, по данным С. М. Рояка и В. 3. Пироцкого, на измельчение клинкера до удельной поверхности 2500 см2/г при температуре 40°С затрачивается около 24 кВт*ч/т, при 120° С — 34 кВт*ч/т и при 150°С — 39 кВт*ч/т. При тонкости помола до 3300 см2/г с увеличением температуры материала расход электроэнергии еще более повышается (до 130 кВт*ч/т при 150°С).
Таким образом, с точки зрения оптимального соотношения количества затрачиваемой энергии и дисперсности получаемого продукта показатель удельной поверхности на уровне 2800-3000 см2/г объективно является предпочтительным. К слову можно сказать, что отечественные цементные заводы, выпускающие продукцию достойного качества и дорожащие своей репутацией, домалывают цементный клинкер до означенной цифры и не более того. Происходит это потому, что даже с учетом увеличения активности цемента, повышения его марки, а, следовательно, и цены, дальнейший помол попросту экономически не выгоден. Сама возможность выпуска высокоактивного, быстротвердеющего цемента, удельная поверхность которого более 3500 см2/г подразумевает использование современного помольного и классифицирующего оборудования, применение технологической схемы замкнутого цикла помола клинкера, а значит серьезную модернизацию действующих цементных заводов. Иначе производство высокоактивного цемента попросту не может быть рентабельным.
Однако данный факт зачастую обходят своим вниманием сторонники метода активации портландцемента заводского изготовления путем его дополнительного помола. Но, если цементному заводу с его большими объемами выпускаемой продукции и агрегатами измельчения высокой мощности, штатом технологов и инженеров, производство высокоактивного портландцемента попросту экономически не выгодно, то, как предприятие средней мощности, с его ограниченными объемами перерабатываемого материала, сможет повысить активность портландцемента заводского изготовления, путем его дополнительного помола, удерживаясь при этом в рамках экономической целесообразности?
И все же способ повышения активности портландцемента, когда затраты на его осуществление относительно не велики существует — это метод селективной дезинтеграторной активации портландцемента.
В основе данного метода лежит комплексный подход как к вопросам выбора оптимальной модели разрушения цементного зерна, возможность корректировки гранулометрического состава цементного порошка и, наконец, аппаратное обеспечение, выполненное на основе промышленно выпускаемого технологического оборудования.
Для того чтобы разобраться с сутью предлагаемого метода активации портландцемента, прежде всего, необходимо понять какие факторы оказывают основное влияние на свойства минеральных вяжущих веществ, и с помощью какого оборудования данный метод может быть реализован на практике наиболее эффективно.
Хорошо известно, что многие свойства портландцемента, в том числе, его активность, скорость твердения и др., определяются не только химическим и минералогическим составом клинкера, но и в большой степени тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом и формой частичек порошка.
Цементный порошок в основном состоит из зерен размером от 5-10 до 30-40 мкм. Обычно тонкость помола портландцемента характеризуют остатками на ситах с размером ячеек в свету 0,2; 0,08, а иногда и 0,06 мм, а также удельной поверхностью порошка. Портландцемент рядового качества измельчают до остатка на сите № 008 5-8 % (по массе), цементы же быстротвердеющие — до остатка 2-4% и меньше. При этом удельная поверхность соответственно достигает 2500-3000 и 3500-4500 см2/г и более. Однако, зависимость между остатком на сите и показателем удельной поверхности цементного порошка достаточно условна. Более того, в случае если помол материала производился не на мельнице истирающего действия, в частности мельнице барабанной шаровой или вибрационной мельнице, а, например, с использованием измельчительного агрегата ударного действия, остаток на сите не имеет никакого отношения к удельной поверхности полученного материала. Соответственно, остаток на сите, как, строго говоря, и показатели удельной поверхности цементного порошка не могут рассматриваться как величины, способные дать реальную картину активности цемента. Можно только отметить, что дисперсность цементного порошка, его зерновой состав, форма зерна, в основном зависят от вида помольного агрегата, применения открытого или замкнутого цикла измельчения, формы и размера мелющих тел, скорости свободного удара при дезинтеграторном способе измельчения и т.д.
Подобные расхождения между реальным положением вещей и многолетней практикой определения качества цемента по его удельной поверхности и массовому остатку частиц размером более 80 мкм объясняется тем, что классическим агрегатом тонкого помола цементного клинкера является шаровая мельница. Поэтому методы определения ожидаемой активности цемента по его остатку на сите и строились исходя из особенности помола методом раздавливания-истирания. Но является ли данный метод измельчения действительно эффективным при активации ограниченных объемов цемента?
Рассматривая основные модели разрушения твердых тел, в том числе и цементного зерна, можно выделить два типа разрушающей деформации, которая и вызывает разделение объекта на отдельные элементы. Как при дроблении, так и при тонком измельчении куски или отдельные зерна материалов в различных механизмах разрушения подвергаются преимущественно действию сжимающих сил с двух сторон (например, в щековых, конусных и других подобных дробилках, барабанных шаровых и вибрационных мельницах) или с одной стороны (например, в мельницах струйных, дезинтеграторах или ударно-отражательных дробилках). В результате воздействия сжимающих сил в кусках и зернах материала возникают напряжения, приводящие, при достижении предельных значений, к разрыву, с образованием более мелких частиц. Объективно, для разрушения твердых тел деформация сдвига со смещением (действие сжимающих сил с одной стороны) является более предпочтительной, нежели деформация сжатия, осуществляемая в результате действия сжимающих сил с двух сторон. Это объясняется, прежде всего, тем, что большинство материалов, используемых в производстве минеральных вяжущих веществ, характеризуются прочностью на сжатие, в 6-12 раз превосходящей прочность на растяжение. Поэтому, при их измельчении с использованием помольных агрегатов, реализующих модель разрушения на основе деформации сжатия, энергии расходуется во много раз больше, чем необходимо по расчетам. Наиболее ярким представителем помольных механизмов двухстороннего нагружения, являются барабанные шаровые мельницы, а также мельницы вибрационные. Так вот, в шаровых мельницах на полезную работу измельчения расходуется не более 1,5-10 % всей подводимой энергии. Остальная часть энергии переходит в безвозвратно теряемое тепло или другими словами расходуется впустую. Но именно этот тип помольного оборудования в настоящее время наиболее широко используется в производстве цемента, как на этапе подготовки сырьевых компонентов, так и при окончательном помоле клинкера.
Но если шаровые мельницы реализуют явно не оптимальную модель разрушения, а их коэффициент полезного действия так вызывающе мал, чем же тогда можно объяснить тот факт что, данный тип помольного оборудования получил настолько широкое распространение. Ответ заключается в особой специфике производства цемента связанной с большими объемами перерабатываемых материалов. В данном случае выбор помольного агрегата в большой мере определяется необходимой дисперсностью продукта, а также надежностью и простотой обслуживания оборудования. И шаровые мельницы являются признанной классикой производства цемента, вовсе не из-за выдающихся показателей эффективности измельчения или оптимального расходования подводимой энергии, совсем наоборот. В настоящее время существуют помольные агрегаты, например мельницы ударного действия, в которых расход электроэнергии на единицу измельчаемого материала почти в два раза ниже по сравнению с барабанными шаровыми мельницами. Однако именно шаровые мельницы обеспечивают получение больших объемов тонкодисперсных материалов при достаточно высоких показателях технической надежности оборудования. В настоящее время никакое другое помольное оборудование не может конкурировать с шаровыми мельницами в деле переработки больших объемов материалов, и производственная практика это лишний раз подтверждает.
Но производство портландцемента, когда высокие затраты на его изготовление в некоторой степени компенсируются большими объемами производства, это не повышение активности ограниченных партий. Применение барабанных шаровых мельниц в производстве портландцемента это, прежде всего, пример удачного найденного баланса между дисперсностью продукта, расходом энергии и технической надежностью оборудования.
Экономическая эффективность применения агрегатов измельчения различной конструкции, прежде всего, зависит, от требуемой дисперсности продукта и затрат на ее достижение. И в случае, если активация портландцемента заводского изготовления проводиться на местах его непосредственного использования, например на предприятии по выпуску ЖБ изделий и конструкций, именно от правильно выбранного типа агрегата измельчения будет зависеть экономическая целесообразность работ по активации портландцемента. В этой связи обработка ограниченных объемов портландцемента с использованием помольного оборудования, реализующего модель разрушения - деформации сжатия, экономически бессмысленно. Иными словами, барабанные шаровые мельницы, традиционно используемые в производстве портландцемента для получения материала требуемой дисперсности, не могут быть использованы при его активации. Причина этого, снижение эффективности измельчения и повышение энергопотребления при попытках увеличить дисперсность продукта сверх определенного значения. Отсутствие действующих линий активации портландцемента (лабораторное оборудование производительностью 10- 500 кг/ч, в расчет не принимается) лишний раз подтверждает бесперспективность метода увеличения дисперсности цементного порошка путем его дополнительного помола в установках двухстороннего нагружения - шаровых мельницах.
Справедливости ради необходимо отметить, что пути повышения эффективности измельчения, увеличения производительности и снижения энергопотребления шаровых мельниц существуют, более того они достаточно давно и успешно используются в практике производства высокоактивного быстротвердеющего цемента.
Выше мы рассматривали особенности работы шаровых мельниц различного способа побуждения мелющих тел (мельницы барабанные и вибрационные), работающих в открытом цикле и осуществляющих помол материала «на проход». Шаровые мельницы с вибрационным побуждением мелющих тел, работающие по открытому циклу, в настоящее время наиболее часто рассматриваются как агрегаты активации портландцемента. Суть технологической схемы открытого цикла помола, заключается в том, что независимо от способа загрузки и выгрузки измельчаемого материала (мельницы непрерывного либо циклического действия) за один проход, обрабатываемый материал получает требуемую дисперсность.
Если в мельницу циклического действия загружается сырье, то после определенного времени обработки из мельницы разгружается готовый продукт. Так вот данная схема, так назойливо предлагаемая для активации портландцемента, в производстве цемента используется все реже, так как считается объективно устаревшей. Более того, получение высокодисперсного материала на шаровых мельницах открытого цикла, при сохранении какого либо намека на экономическую эффективность в принципе невозможно.
Обычно шаровые мельницы с открытым циклом измельчения применяют для помола клинкера до удельной поверхности 2500 реже до 3000 см2/г, в этом случае расход электроэнергии составляет 25-30 кВт*ч/т продукта. Для получения цемента с удельной поверхностью 3000-3500 см2/г и выше применяют обычно более экономичные мельницы, работающие в замкнутом цикле с воздушными классификаторами, одно- или двухкамерные. Чаще используют помольные установки с двухкамерными мельницами.
Принцип работы шаровой мельницы, работающей в замкнутом цикле следующий: измельченный в шаровой мельнице материал поступает в классификатор, где из него выделяются частицы тех размеров, какие требуются для готового продукта, а более крупные зерна направляются снова в мельницу на дополнительное измельчение. Таким образом, из материала непрерывно извлекаются наиболее дисперсные частички, которым особенно присуще свойство агрегироваться и прилипать к мелющим телам и стенкам мельницы, снижая, таким образом, эффективность помола. Благодаря извлечению высокодисперсных частиц, производительность помольных установок возрастает на 20-30 %, при этом удельный расход энергии снижается на 15-20 %.
На шаровых мельницах с классификатором создается возможность получать высокопрочные быстротвердеющие цементы с удельной поверхностью 3500-4500 см2/г и более, при пониженном содержании в них тончайших частиц, быстро теряющих активность. Кроме того, в шаровых мельницах с классификатором создаются предпосылки к лучшему охлаждению материала, что, как отмечалось выше, положительно сказывается на его измельчении.
Помольные комплексы, состоящие из агрегатов измельчения и классификации, характеризуются большой маневренностью в работе и позволяют выпускать цементы с различной тонкостью помола при постоянных загрузках и размерах мелющих тел, что совершенно недостижимо в мельницах с однократным прохождением материала. Требуемую тонкость помола устанавливают соответствующим регулированием работы классификатора. Недостаток этих установок - их большая сложность и стоимость по сравнению с мельницами, работающими по открытому циклу.
Липилин А.Б.
Коренюгина Н.В.
Векслер М.В.
Список литературы:
