Как делается цемент: полный цикл производства цементного завода

Понимание того, как производится цемент, позволяет оценить сложность этого строительного материала. В основе процесса лежит превращение природных минералов в тонкодисперсный порошок, который при контакте с водой превращается в прочный камень.

Ниже мы разберем, как делают цемент на заводе, пройдя по всем этапам технологической цепочки.

Основные способы производства цемента

В современной промышленности выделяют три основных способа производства цемента, которые различаются методом подготовки сырья:

1. Сухой способ: самый популярный и энергоэффективный. Сырье высушивается до влажности примерно 1 % и измельчается в «сырьевую муку».
2. Мокрый способ: используется, если сырье имеет высокую влажность (например, мел и глина). Компоненты смешиваются с водой, образуя шлам влажностью 30–50 %.
3. Комбинированный способ: сочетает элементы обоих методов для оптимизации затрат.

Как производится цемент

Весь процесс изготовления цемента можно разделить на 5 ключевых этапов:

1. Добыча и подготовка компонентов

В качестве сырья для производства цемента в основном используются известняк (основной материал, обеспечивающий CaO), глинистые материалы (обеспечивающие SiO₂, Al₂O₃ и небольшое количество Fe₂O₃), корректирующее сырье (для восполнения некоторых недостающих компонентов) и вспомогательное сырье (например, вещества для измельчения) и т. д. Как правило, на известняк приходится 80 % сырья для производства цемента, и он является основным материалом для цементной промышленности.

Цементные заводы обычно строятся рядом с известняковым карьером, чтобы добытый известняк можно было доставлять на завод напрямую ленточным конвейером или другими системами транспортировки. Если расстояние между карьером и цементным заводом слишком велико для использования конвейеров, известняк придется перевозить грузовиками, что означает более высокие транспортные расходы и неудобства. 

Небольшое расстояние между цементным заводом и карьером позволяет сэкономить на транспортных расходах и топливе, а также делает процесс производства цемента экономически выгодным.

Помимо известняка, в процессе производства цемента используются и другие сырьевые материалы, такие как глина, зола, железная руда и уголь. Потребность в этих сырьевых материалах для производства цемента относительно невелика, поэтому их можно просто закупать у поставщика.

Перед транспортировкой на цементный завод сырье измельчается на дробилке в карьере на более мелкие куски. По сравнению с крупными кусками, сырье в виде мелких кусков легче загружать и транспортировать, а также удобнее для последующей переработки.

2. Помол и дозирование

Образцы известняка из карьера сначала отправляются в лабораторию цементного завода, где их тестируют и анализируют для определения пропорций. Правильное дозирование известняка и других сырьевых материалов является необходимой работой перед началом помола. 

Дозировка цементного сырья не всегда одинакова, она определяется в зависимости от конкретной ситуации. Пропорции сырья для цемента разных спецификаций также различаются. В целом, пропорции компонентов в цементном сырье составляют:

• 67–75 % известняка,
• 10–15 % глины,
• 0,5–1,5 % железной руды,
• и 8,5–11 % угля.

На цементном заводе все сырье смешивается и дополнительно измельчается в более мелкие куски в виде порошкообразной массы с помощью вертикальных валковых мельниц или дробилок.

3. Обжиг

После измельчения в мельнице сырьевая мука готова к поступлению в предварительный подогреватель. Циклонный теплообменник является одним из основных элементов оборудования для производства цемента сухим способом и представляет собой ряд вертикальных циклонов, расположенных в несколько этапов. Внутри циклонов сырьевая мука смешивается с отходящими газами, выходящим из вращающейся печи, и происходит теплообмен с ней в виде суспензии. Процесс предварительного подогрева суспензии помогает цементным заводам экономить энергию и снижать загрязнение окружающей среды.

Обжиг — это ключевой этап сухого процесса производства цемента. Обжиг предварительно нагретой сырьевой смеси происходит во вращающейся печи цементного завода. Вращающаяся печь — это огромная вращающаяся печь, в которой сырьевая смесь нагревается до 1 450 °C и превращается в клинкер.

Высокая температура во вращающейся печи инициирует ряд химических реакций между соединениями кальция и диоксида кремния, которые в конечном итоге превращают сырьевую смесь в цементный клинкер.

Источником тепла в вращающейся печи является пламя горелки, расположенной на передней части печи. Используя природный газ или уголь в качестве топлива, горелка выбрасывает высокотемпературное пламя для обжига сырьевой смеси. После обжига цементный клинкер поступает в холодильник для охлаждения.

4. Охлаждение и финальный помол

Горячий клинкер, выходящий из вращающейся печи, охлаждается в колосниковом холодильнике с помощью принудительной подачи воздуха, который отводится из атмосферы вентиляторами колосниковой системы охлаждения. Температура клинкера после охлаждения снижается с 1350–1450 °C до 120 °C. Охлажденный клинкер затем транспортируется конвейерами непосредственно в силосы или бункеры для хранения и последующего измельчения в цемент. Горячий воздух из холодильника рециркулируется обратно во вращающуюся печь для повторного использования, что дополнительно снижает энергопотребление цементного завода.

Охлажденный клинкер затем подается в цементные мельницы для окончательного измельчения. В настоящее время многие заводы предпочитают использовать шаровые мельницы для измельчения цемента, поскольку этот тип мельниц обеспечивает мелкозернистую структуру частиц продукта и прост в эксплуатации.

Шаровая мельница для цемента представляет собой горизонтальный цилиндр, заполненный стальными шарами или другими мелющими элементами. Внутри цилиндра стальные шары вращаются и перекатываются, измельчая клинкер в очень мелкий порошок, который является продуктом производства цемента. В процессе измельчения в смесь добавляется небольшое количество гипса для регулирования времени схватывания цемента.

5. Хранение и отгрузка

Полученный цемент транспортируется в цементные хранилища. Далее упаковывается в мешки или отправляется клиентам насыпью грузовиками или железнодорожными вагонами. Наиболее распространенными машинами для упаковки цемента являются ротационные упаковщики, которые позволяют быстро упаковывать цемент в больших количествах.

Сегодня заводы стремятся к сухому способу производства цемента, так как он требует в два раза меньше топлива, чем мокрый. Независимо от метода, современный процесс изготовления цемента — это полностью автоматизированная система, где лаборатория проверяет качество на каждом шаге.