Тонкость помола

  Трубные шаровые мельницы с открытым циклом измельчения в производстве цемента применяют как для помола сырьевых материалов, так и для окончательного помола цементного клинкера.

  Длина шаровых мельниц, работающих по открытому циклу, в 4-5 раз превышает их диаметр. На цементных заводах применяют трубные мельницы размерами 4 х 13.5, 3.2 х 15, 2.6 х 13 метров и др. Их производительность при помоле цементного клинкера до остатка 8-10 % на сите № 008 достигает соответственно 90, 50, 25 т/ч. Такие мельницы приводятся во вращение двигателями соответственно 3200, 2000, 1000 кВт.

      Работая в режиме повышенного энергопотребления, имея впечатляющие габаритные размеры  и производительность, качество портландцемента, получаемого с использованием трубных  мельниц, оставляет желать лучшего. 

     Помол цементного клинкера до удельной поверхности 3000 см²/г является естественным пределом для трубных мельниц открытого цикла. Получение более высокодисперсного материала на данном оборудовании не имеет смысла по причине увеличения расхода энергии, необходимой для измельчения материала, повышения температуры измельчаемого материала (в некоторых случаях до 200°С, обычно до 120-150°С), большого количества переизмельченного материала, ускоренного износа мелющих тел (шаров), броневых плит. Более того, именно для шаровых мельниц открытого цикла характерен наибольший процент цементных зерен округленной формы, активность которых невелика.

  По этим причинам трубные мельницы открытого цикла, являясь, безусловно, устаревшим оборудованием на цементных заводах, имеющих возможность обновления технологического оборудования, заменяются шаровыми мельницами, работающими по замкнутому циклу.

  Для получения цемента с удельной поверхностью более 3000 см²/г и выше использование шаровых мельниц замкнутого цикла вполне оправдано, более того, именно данный метод производства высокомарочного портландцемента применяется на большинстве современных цементных заводов, в том числе и зарубежных.

                        Схема работы измельчительного оборудования, задействованного в замкнутом цикле производства цемента следующая. 

  Измельченный в шаровой мельнице материал поступает в сепаратор, где из него извлекается фракция тех размеров, какие требуются для готового продукта (например, частицы цемента размерами 0-40 мкм). Более крупные частицы направляются снова в шаровую мельницу для дополнительного измельчения. Таким образом, из основной массы измельчаемого материала непрерывно извлекаются частицы требуемого размера, что в значительной степени снижает опасность переизмельчения частиц, которые особенно склонны к агрегации и налипанию к мелющим телам и стенкам мельницы. Соответственно, именно использование шаровых мельниц и сепараторов, работающих в замкнутом цикле, создает возможность получения высокоактивного портландцемента в промышленных масштабах.

     В целом для метода помола цемента  в шаровых мельницах, работающих в замкнутом цикле, характерна большая  маневренность в работе, что позволяет  выпускать портландцемент с различной  тонкостью помола и, соответственно, активностью, что совершенно не достижимо  для шаровых мельниц, работающих в открытом цикле. Основными недостатками помола цементного клинкера по замкнутому циклу является большая сложность  и стоимость технологического оборудования, высокий расход электроэнергии, а  также возможность накопления трудно дробимых включений, не прошедших классификацию  и отправленных на повторный помол. Трудно дробимые включения накапливаются  в шаровой мельнице, что существенно  снижает практическую производительность помольного оборудования и требует  регулярного освобождения рабочей  камеры шаровой мельницы от накопившихся включений.

Активация цемента методом  ударной дезинтеграции [5, 6, 7]

     В мельницах истирающего действия на полезную работу измельчения расходуется  не более 1.5-10% всей подводимой энергии. Остальная часть энергии переходит  в безвозвратно теряемую и, что особенно не приятно, крайне вредную для условий  помола тепловую энергию.

  Нагревание мелющих тел и обрабатываемого материала отрицательно сказывается на производительности помольного оборудования.

  Так по данным С. М. Рояка и В. З. Пироцкого на измельчение цементного клинкера до удельной поверхности 2500 см²/г при температуре 40°С затрачивается около 24, при 120°С - 34, а при 150°С - 39 кВт·ч/т. При увеличении тонкости помола до 3300 см²/г с увеличением температуры до 150°С расход электроэнергии повышается до 130 кВт·ч/т.

  Крайне не рациональное расходование подводимой энергии, большой расход легированных сталей (материала мелющих тел и броневых плит) заставляет искать альтернативную замену агрегатам измельчения истирающего действия, новые способы измельчения и соответственно новые типы помольного оборудования.

  Основные усилия в решении вопроса по переносу центра тяжести со схем активации портландцемента методом истирающего измельчения должны быть направлены на переход к схемам, позволяющим реализовать принцип сверхтонкого дробления портландцемента или, иными словами, принципа ударной дезинтеграции.

     В шаровых и вибромельницах зерна  цементного клинкера подвергаются преимущественно  действию сжимающих сил с двух сторон (измельчение в щековых  дробилках, шаровых и вибромельницах) или с одной стороны (измельчение  в струйных мельницах, дезинтеграторах, дисмембраторах и роторных дробилках). В результате воздействия сжимающих  сил в кусках и зернах измельчаемого  материала возникают напряжения, приводящие к разрыву с образованием более мелких частиц.

  Так как материалы, используемые при производстве вяжущих веществ, характеризуются обычно прочностью на сжатие в 6-12 раз превосходящей прочность при растяжении (сдвиге), способ измельчения таких материалов методом сжатия, очевидно, не является оптимальным.

  Для того чтобы точнее представить действие сил, оказывающих основное влияние на процессы измельчения цементного зерна, прежде всего, необходимо разобраться с основными способами измельчения или, другими словами, наиболее часто используемыми «инструментами» измельчения твердых тел.

  Итак, по существу измельчение — это образование новых поверхностей. Таким образом, измельчение твердых материалов — это уменьшение их размеров путем механического воздействия. Под действием внешних сил в куске материала возникают трещины, приводящие к его распаду на части.

       Различные твердые материалы,  в зависимости от их физических  свойств, при измельчении в  одинаковых условиях с затратой  одинакового количества энергии  дают продукты, характеризующиеся  различной степенью дисперсности. Следовательно, разные материалы  обладают разной способностью  к измельчению. 

  Соответственно, для каждого вида материала существует наиболее рациональный способ его разрушения (измельчения), учитывающий индивидуальные физические свойства данного материала.

  Основными способами измельчения твердых тел являются раздавливание, удар, истирание. Для измельчения твердых тел главное значение имеют деформации сжатия и сдвига.

  Способ измельчения цементного клинкера действием сжимающих сил с двух сторон (деформация сжатия), реализуемый в шаровых мельницах и мельницах вибрационных, мы рассматривали в предыдущих главах.

  Теперь остановимся подробней на измельчении под действием сжимающих сил с одной стороны (деформация сдвига).

  Данный тип измельчения цементного клинкера характерен для агрегатов ударно - отражательного действия. Роторные дробилки, струйные мельницы, дезинтеграторы и дисмембраторы в основном реализуют именно этот тип измельчения твердых тел (хотя эффект взаимоизмельчения частиц при их движении в плотном потоке также имеет место).

  Для примера рассмотрим принцип действия наиболее распространенных в настоящее время агрегатов измельчения ударного действия: струйной мельницы и дезинтегратора.

  Итак, в струйной мельнице материал захватывается струей сжатого воздуха, газа, перегретого пара или их смеси, протекающей с большой скоростью. При этом в результате частых соударений, а также самоистирания происходит измельчение обрабатываемого материала. Для усиления эффекта измельчения на пути движения частиц устанавливаются преграды, о которые частицы ударяются и разрушаются.

     Исследования  Ю.И. Дешко, В.И. Акунова, В.Л. Панкратова и д.р. (НИИЦемент) показали, что при  измельчении цементного клинкера в  струйной мельнице получаются цементы, активность которых на 7.5-15 МПа выше активности цементов той же тонкости помола, но измельченных в шаровой  мельнице. Кроме того, цементы струйного  помола отличаются высокой скоростью  твердения и, следовательно, цементы  струйного помола переходят в  разряд высокопрочных и быстро твердеющих.

  Особенно эффективно получение с помощью струйных мельниц шлакопортландцемента марок 500 и 600. Это объясняется осколочной формой частиц с зазубренными острыми краями, способствующими более интенсивному их взаимодействию с водой.

  Итак, принцип измельчения цементного зерна струйной мельницей следующий: цементное зерно, разгоняемое воздушным потоком, разрушается при столкновении с другими частицами, а также при ударе о неподвижные преграды.

  Истирающее воздействие частиц, движущихся в плотном потоке, хотя и достаточно интенсивно, однако весьма скоротечно и не приводит к образованию округлых форм цементного зерна.

       Однако, струйным мельницам присущи  и серьезные недостатки, существенно  снижающие их практическую пригодность  в деле получения высокоактивного  портландцемента непосредственно  на предприятиях по выпуску  бетонных изделий. 

       Серьезные трудности проявляются  при попытке поднять производительность  струйных мельниц без изменения  тонины помола. Стоимость струйных  мельниц относительно их производительности  достаточно высока.

       КПД струйной мельницы низкий, а энергопотребление в пересчете  на единицу готового продукта, напротив, очень высокое. Добавьте  к этому быстрый износ деталей,  имеющих контакт с перерабатываемым  материалом, сложность обслуживания, большие операционные затраты  и станет понятно, почему струйные  мельницы весьма медленно внедряются  в производство строительных  материалов.

  В целом, струйные мельницы - достаточно молодой тип помольных агрегатов, которые в настоящее время находятся в стадии совершенствования.

     Способ  измельчения цементного зерна, реализованный  в дезинтеграторах, очень похож  на описанный выше. Однако, в отличие  от струйных мельниц, в дезинтеграторе разгоняются не частицы материала, а помольные стержни, пальцы-била, установленные на роторах, вращающихся  навстречу друг другу.

     Для дезинтеграторов также характерно получение частиц осколочной формы  с зазубренными краями. Истирающее взаимодействие частиц обрабатываемого  материала, как и в случае с  мельницами струйными, невелико по тем  же причинам.

     На  сегодняшний день именно ударная  дезинтеграция цементного клинкера позволяет реализовать на практике в промышленных масштабах наиболее эффективные приемы активации рассматриваемые  выше.

  Выход некоторых современных моделей дезинтеграторов на высокоскоростные (около 100 м/с) режимы ударного измельчения позволил вывести процессы активации портландцемента на качественно новый уровень. При этом активность портландцемента повышается наиболее рациональными методами: получение частиц цемента осколочной формы, повышение массовой доли частиц цемента размером 0-20 мкм, относительно небольшое увеличение удельной поверхности, практически полное отсутствие переизмельченного цементного зерна.

  Исследования, проведенные М.В. Векслером (МП «ТЕХПРИБОР») показали, что при измельчении цемента на дезинтеграторе со скоростью обработки 2 кг/с его активность повышается на 67 %.

  Применение дезинтегратора относительно небольшого помольного эффекта позволило разработать методику увеличения марочной прочности шлакопортландцемента производства ОАО «Липецкий цементный завод» с М 400 до М 550.

     В отличие от струйных мельниц, история  промышленного использования дезинтеграторов  в качестве агрегатов тонкого  дробления и помола насчитывает  более ста лет.

  На рисунке представлен дезинтегратор Кара, используемый в стекольном производстве для измельчения кварцевого песка.

  В настоящее время дезинтеграторы активно используются в различных областях производственной деятельности, в том числе и в строительстве при изготовлении силикальцитных изделий.