4.Tehnologia fabricării cimentului portland

prin procedeul uscat de fabricaţie

4.1. Prepararea amestecului de materii prime

4.1.1. Materii prime

Materiile prime folosite la fabricarea lianţilor anorganici se pot împărţi în două

mari categorii:

materii prime principale;

adaosuri.

4.1.1.1 Materiile prime principale

Rocile calcaroase sunt larg răspândite în natură, având o compoziţie chimică

variabilă. Principalul component este CaCO3, a cărui pondere minimă este de 70%.

Ca impurităţi, pot apare: argilă, dolomită, magnezită, cuarţ, feldspaţi.

Calcarele constituie materia primă pentru obţinerea cimentului portland (dar şi

a varului sau cimentului aluminos). Pentru fabricarea cimentului portland, proporţia

de impurităţi argiloase nu se limitează distinct, deoarece argila constituie a doua

materie primă principală pentru fabricarea cimentului. În acest caz, deosebit de

dăunătoare sunt impurităţile care conţin MgO şi SiO2 sub formă de cuarţ.

Pentru reactivitatea calcarelor prezintă interes compactitatea lor şi gradul de

cristalinitate al CaCO3. De regulă, ele conţin CaCO3 sub formă de calcit cristalizat în

sistem trigonal şi apar în natură sub diferite forme:

marmură – este un calcar foarte bine cristalizat, compact şi dur, cu o structură

microcristalină; este folosită ca atare în construcţii;

calcare compacte (sedimentare) constând din granule fine cu o structură

microcristalină, sunt frecvent utilizate în industria cimentului;

calcar oolitic s-a format prin precipitare chimică;

cretă, tufuri calcaroase.

Rezistenţa la compresiune a calcarelor variază de la 5 MPa - pentru cretă şi

tufuri calcaroase la 150 MPa - pentru calcare compacte.

Rocile argiloase sunt roci sedimentare cu un conţinut ridicat de dioxid de

siliciu şi oxid de aluminiu. Argilele folosite pentru fabricarea cimentului sunt argile

comune formate din amestecuri de minerale argiloase.

Argilele sunt roci în care mineralele aluminosilicatice se află în stare

polidispersă. Alături de compuşii valoroşi - aluminosilicaţi hidrataţi, în rocile

argiloase exista şi o serie de impurităţi ca: feldspat, mică, cuarţ, carbonaţi alcalino-

pământoşi, ghips, compuşi cu alcalii, compuşi cu fier, compuşi organici.

Feldspaţii şi mica aduc în sistem compuşi cu alcalii şi influenţează negativ atât

procesul de ardere, precum şi calitatea clincherului.

Cuarţul se găseşte în mineralele argiloase sub formă de nisip, îndeosebi în

fracţiunile grosiere ale argilei. Reactivitatea SiO2 din cuarţ este mult mai mică faţă de

cea a silicei din mineralele argiloase. In plus, el este mult mai dur decât mineralele

argiloase, motiv pentru care se aglomerează în fracţiunile grosiere, ceea ce

diminuează şi mai mult reactivitatea sa în timpul arderii clincherului portland.

Prezenţa sa determină o scădere a capacităţii de reacţie a argilei în timpul procesului

de ardere.

Carbonatul de calciu din argile nu afectează calitatea acestora, deoarece el

constituie unul din componenţii principali ai amestecului de materii prime pentru

obţinerea cimentului.

Carbonatul de magneziu este dăunător pentru calitatea clincherului, îndeosebi

atunci când este adus şi de calcar, depăşindu-se, pe ansamblu, un anumit conţinut de

MgO în clincher.

Ghipsul şi substanţele organice, în proporţiile în care pot fi aduse de argile, nu

determină influenţe negative.

Argilele sunt roci moi, care absorb cu multă uşurinţă apa, şi ca urmare, se

desfac uşor, prin deleiere. Umiditatea naturală a argilelor poate varia între 8 şi 25%,

în funcţie de natura lor, de compactitate, de condiţiile atmosferice.

Marnele sunt roci de tranziţie între calcare si argile. Ele conţin carbonat de

calciu şi minerale argiloase (hidrosilicaţi de aluminiu), în diferite proporţii. În funcţie

de compoziţie, ele pot fi compacte şi dure până la friabile. Umiditatea variază de la

câteva procente, până la 20%. Marnele constituie o materie primă foarte bună pentru

fabricarea cimentului portland, deoarece conţin deja un amestec de calcar şi argilă –

cele două materii prime principale pentru fabricarea cimentului portland. În tabelul

4.1. se dă o clasificare a rocilor având compoziţia cuprinsă între cea a calcarelor şi

cea a argilelor.

Tabelul 4.1. Compoziţia rocilor marnoase

Roca CaCO3 (%) Minerale argiloase (%)

Calcar 95-100 5-0

Calcar marnos 90-95 10-5

Marnă calcaroasă 70-90 30-10

Marnă 40-70 60-30

Marnă argiloasă 20-40 80-60

Argilă marnoasă 5-20 95-80

Argilă 0-5 100-95

Ghipsul este adaosul folosit în mod obligatoriu la măcinarea clincherului

portland, în scopul întârzierii prizei şi poate constitui un bun mineralizator pentru

arderea clincherului.

Ghipsul este o rocă naturală de natură sedimentară, rezultată prin precipitare,

din apele unor bazine marine sau lacustre, pe cale de dispariţie. Se găseşte în natură,

în stare compactă, microcristalină sau ca mase constituite din cristale mari.

Din punct de vedere chimic ghipsul este constituit în principal din sulfat de

calciu hidratat cu două molecule de apă - CaSO4.2H2O. Impurităţile cele mai

frecvente sunt argilele, nisipul şi calcarul.

4.1.1.2. Materii prime auxiliare (adaosuri)

Această categorie reprezintă materiile prime care intervin cu o pondere mică în

tehnologiile de fabricare a cimenturilor şi au scopul fie de a modifica anumite

caracteristici, fie de a favoriza unele procese. Din această categorie fac parte:

adaosuri de corecţie

adaosuri mineralizatoare

adaosuri la măcinare

Adaosuri de corecţie sunt materiale care se adaugă la prepararea amestecului

brut pentru fabricarea cimentului, în scopul corectării compoziţiei acestuia -

conţinutului în Fe2O3, Al2O3, SiO2. Se pot folosi în acest scop:

cenuşa de pirită, rezultată în procesul de ardere a piritei în industria acidului

sulfuric; ca urmare a conţinutului său ridicat în Fe2O3 se foloseşte pentru corectarea

conţinutului în acest oxid al amestecul brut;

diatomitul are un conţinut ridicat în SiO2 şi poate fi folosit pentru corectarea

conţinutului în acest oxid al amestecului brut.

Mineralizatorii sunt substanţe care se pot introduce în amestecul brut folosit la

obţinerea clincherului portland şi care, intervenind în diferite etape ale procesului de

clincherizare, accelerează desfăşurarea acestuia, influenţând în acelaşi timp şi

calitatea clincherului. Din această categorie fac parte floruri şi fluorosilicaţi alcalini şi

sulfaţi alcalino-pământoşi.

Adaosurile la măcinarea cimentului pot fi materiale cu proprietăţi cimentoide,

hidraulic active sau inerte.

Materialele cimentoide au capacitatea de a reacţiona lent cu apa şi de a forma,

după perioade îndelungate, structuri de întărire puţin rezistente. În prezenţa

cimentului portland, reacţia cu apa a acestor materiale este activată. Din această

categorie fac parte zgurile de furnal şi cenuşi de termocentrală mai bazice.

Adaosurile hidraulic active nu reacţionează cu apa dar reacţionează cu

Ca(OH)2, cu formarea unor hidrocompuşi capabili să dezvolte structuri de întărire.

Adaosurile hidraulic active pot fi naturale (diatomit, tufuri vulcanice, tripoli) sau

artificiale (cenuşă de termocentrală mai acidă, silice ultrafină, argile calcinate etc.)

Adaosurile inerte reprezintă materiale de compoziţie silicioasă, carbonată sau

aluminoasă, în stare fin măcinată, care nu reacţionează cu apa, iar în pasta de ciment

reacţia dintre componenţii acesteia şi adaosul inert are loc doar la interfaţă. Materiale

ca nisipul cuarţos, fin măcinat, se pot folosi în anumite proporţii mici, la măcinarea

cimentului portland, fără a-i afecta proprietăţile.

4.1.2. Stocarea, preomogenizarea şi uscarea materiilor prime

Prepararea amestecului brut în cazul procedeului uscat de fabricare a

cimentului presupune următoarele operaţii tehnologice:

mărunţirea materiilor prime - pentru a le aduce într-o stare granulometrică

corespunzătoare unei reactivităţi ridicate;

omogenizarea materiilor prime - amestecului brut, în particular, pentru a se ajunge

la un produs având o compoziţie impusă şi în acelaşi timp o bună uniformitate

compoziţională.

Ambele etape încep încă din carieră, prin dislocarea rocilor din zăcământ, o

primă concasare a acestora şi încărcarea lor în utilajele în care se face transportul

până la fabrică.

În fabrică, materiile prime se stochează în depozite pentru a asigura necesarul

de materii prime pentru o anumită perioadă de timp. În depozite se realizează

operaţiunea de preomogenizare a materiilor prime, pentru a preveni posibilele

fluctuaţii compoziţionale, determinate de natura zăcămintelor minerale din carieră, de

impurităţile pe care le pot include şi neuniformitatea distribuţiei acestora.

Preomogenizarea presupune formarea unor stive de mare volum, prin

depozitarea mai multor şarje de material care prezintă fluctuaţii compoziţionale.

Formarea stivelor, denumite şi paturi de preomogenizare, presupune

dispunerea succesivă de straturi de material, după diferite sisteme:

prin deplasarea longitudinală a benzii de alimentare (figura 4.1a), sistem indicat

pentru materiale cu granulaţie restrânsă;

prin deplasarea longitudinală şi transversală a benzii de alimentare (figura 4.1 b) sistem indicat pentru materiale cu

granulaţie mai largă.

Figura 4.1. Metode de distribuţie a materialului, în stive de preomogenizare:

a - pentru materiale microgranulare şi cu granulaţie restrânsă;

b - pentru materiale cu granule grosiere şi cu granulaţie mai largă

În cazul sistemului din figura 4.1a, are loc o anumită separare pe fracţiuni

granulometrice a materialului, respectiv granulele mai grosiere se separă la baza

stivei. Din această cauză acest sistem nu se foloseşte decât pentru materiale

concasate, cu granule de maximum 20 mm.

În cazul sistemului prezentat în figura 4.1b, tendinţa de separare a granulelor

mai grosiere se manifestă în cadul microstivelor individuale şi pe ansamblu

neomogenitatea materialului este mult mai mică. Această metodă de stivuire se

aplică, din aceast motiv, pentru materiale cu o granulaţie mult mai largă (granule cu

dimensiuni de până la 150 mm).

Următoarea operaţie care se aplică în cazul unor materii prime cu umiditate

mai ridicată, cum e cazul argilelor, zgurelor sau ghipsului, este uscarea. Uscarea

acestor materiale se face pentru a se evita lipirea materialului umed pe dispozitivele

care realizează concasarea sau măcinarea lui.

Pentru uscare se pot folosi uscătoare cu tambur rotativ sau instalaţii mai

complexe care realizează concomitent uscarea şi mărunţirea materialului - mori

uscătoare cu bile sau mori uscătoare cu ciocane.

4.1.3. Mărunţirea materiilor prime

Pentru a aduce materiile prime într-o stare de granulaţie care să le asigure o

bună reactivitate în timpul arderii, este necesară mărunţirea lor, care se poate realiza

în două etape: concasare şi măcinare fină.

Concasarea este operaţiunea prin care materiile prime se mărunţesc până la

dimensiuni maxime ale granulelor de 20-25 mm. Acest lucru se impune pentru a se

putea realiza ulterior măcinarea fină cu un randament mai mare.

Concasarea se poate realiza în una sau două trepte aceasta din urmă fiind

folosită în cazul materiilor prime dure:

pentru realizarea concasării într-o singură treaptă se pot folosi concasoare cu

ciocane (pentru roci mai dure) sau concasoare cu valţuri (pentru roci mai moi, mai

plastice);

pentru concasarea în două trepte, se folosesc concasoare cu fălci sau giratorii

(pentru concasarea primară) şi concasoare cu ciocane sau cu impact (pentru

concasarea secundară). Între cele două trepte de concasare sau la sfârşitul celei de-

a doua se realizează o separare granulometrică a materialului.

În figura 4.2 se prezintă două scheme de concasare în două trepte.

Măcinarea fină presupune aducerea materiilor prime de la dimensiuni ale

granulelor de 20-25 mm (cu cât ies din concasoare) la starea de pulberi fine, care

asigură o reactivitate adecvată în timpul arderii.

Această operaţie împreună cu măcinarea clincherului, necesită cel mai mare consum de energie electrică din

totalul operaţiunilor care se realizează în fluxul tehnologic de obţinere a cimentului portland. Din această cauză

cunoaşterea şi optimizarea factorilor care influenţează randamentul acestui proces este foarte importantă. Aceşti factori

vor fi prezentaţi pe larg în subcapitolul 4.3

Figura 4.2. Scheme de concasare în

două trepte:

a - cu sortare granulometrică după

fiecare treaptă de măcinare

b - cu sortare granulometrică după a

doua treaptă de măcinare

1 - concasor cu con, respectiv cu fălci;

2- ciur vibrator; 3 - concasor cu ciocane.

Utilajul cel mai frecvent folosit pentru realizarea măcinării fine este moara

tubulară cu corpuri de măcinare (de obicei, bile).

Morile tubulare cu bile pot funcţiona atât în circuit deschis în flux continuu sau

discontinuu, cât şi în circuit închis în flux continuu, într-o treaptă (figura 4.3 a) sau

mai multe (figura 4.3 b).

Morile tubulare sunt constituite din recipienţi cilindrici care au raportul

lungime/diametru cuprins între 2,5 şi 3,5. Lungimea morilor poate varia între 5 şi 16

m.

La măcinarea în circuit închis în două trepte, în prima treaptă se poate folosi o

moară de tip Aerofall (moară autogenă). Acest tip de mori au diametrul mai mare

decât lungimea (D/L = 2 - 5) şi mărunţirea primară a materialului se realizează ca

urmare a căderii bucăţilor mari şi lovirii acestora de pereţii morii care sunt prevăzuţi

cu nişte dispozitive numite deflegmatoare (figura 4.4).

a b

Figura 4.3. Scheme de măcinare în circuit închis:

a - într-un singur stadiu; b - în două stadii

1 - moară cu bile; 2 – separator

Figura 4.4. Moară Aerofall

În cazul morilor de tip Aerofall rolul corpurilor de măcinare este jucat de

granulele mai dure de material. Prin moară circulă un curent de aer care antrenează

doar particulele fine de material, care apoi sunt separate în instalaţii de tip ciclon.

1

2

1

1

2

Argilă

Calcar

Pentru a mări randamentul măcinării, se poate introduce în moară şi un volum

mic de bile (reprezentând 6-7% din volumul morii). Schemele de măcinare cu moară

autogenă presupun un consum mai redus de energie şi un randament tehnic mai

ridicat.

O tendinţă recentă în măcinarea fină a materiilor prime (dar şi a clincherului

sau combustibililor) constă în utilizarea morilor cu role de mare presiune. Aceste

mori realizează o mărunţire a materialului prin presarea acestuia cu ajutorul unor role

metalice. După cum se realizează această presare avem mai multe tipuri constructive

de mori:

rolele se mişcă circular pe un pat de material; în figura 4.5 se prezintă principiul

de funcţionare a unei astfel de mori, iar in figura 4.6 este prezentată schiţa unei

astfel de mori (moară tip Loesche); rolul rolei mici (sclav) este de a pregăti

stratul de material în vederea mărunţirii cu ajutorul celei de-a doua role (stăpân)

şi de a evita în acest fel producerea unor vibraţii periculoase;

prin trecerea materialului care trebuie mărunţit printre doua role (figura 4.7);

materialul este introdus într-un tambur în care există o rolă care realizează

măcinarea – mori de tip HOROMILL (figura 4.8)

Materialul poate fi astfel presat cu o forţă cuprinsă între 50-400 MPa, iar turtă

(cake) astfel rezultată poate conţină până la 40% granule cu diametrul mai mic de 90

m, în funcţie de aptitudinea la măcinare a materialului supus mărunţirii.

Materialului rezultat este apoi introdus într-o moară cu bile pentru a se realiza

dezaglomerarea turtei. Un flux tehnologic de măcinare în două trepte cu o moară

de mare presiune cu role şi moară cu bile este prezentat în figura 4.9.

Figura 4.5. Principiul de funcţionarea morii tip Loesche:

1-material supus măcinării; 2- rolă (sclav); 3 – rolă (stăpân); 4- material mărunţit

(turtă); 5 - masa de măcinare.

Figura 4.6. Schema de

principiu a unei mori

Loesche

1- rolă sclav (sclave);

2- rolă stăpân (master);

3- masa de măcinare

23

4

5

1

12

3

Figura 4.7. Principul de

funcţionare a unei prese

cu role de mate presiune

Figura 4.8. Moară de tip HOROMILL

1

2

3

F

Material

Alimentare La separator

Figura 4.9.

Flux tehnologic de măcinare în două trepte cu moară cu role de mare presiune şi moară cu bile. obligatoriu---- optional

Măcinarea materialelor (materii prime, clincher cu adaosuri, combustibili

solizi) în mori cu role de mare presiune conduce la o scădere importantă a energie

electrice consumate în procesul de măcinare (până la 50%).

În tabelul 4.2 se prezintă comparativ consumul specific de energie în cazul

măcinării în mori cu bile, mori cu role de mare presiune şi sistemul combinat (ambele

mori).

Tabelul 4.2. Consumul specific de energie şi puterea instalată pentru trei scheme de măcinare: A- moară cu bile; B- moară cu role de mare presiune; C- măcinare în două trepte cu moară cu role de mare presiune şi moară cu bile.

Schema A Schema B Schema C

Productivitate (t/h) 500 500 500

Consum specific de energie (kWh/t) 14,4 11,2 13,6

Putere instalata la moara cu bile (kW) 4800 - 1700

Putere instalată la moara cu role de

mare presiune (kW)

- 2800 2100

Din datele prezentate se poate observa că în cazul măcinării în mori cu role de

mare presiune consumul specific de energie este mai mic decât în cazul măcinării în

moara cu bile, pentru o productivitate egală (500 t/h). Puterea instalată în cazul

schemei de măcinare cu moara cu bile este aproape dublă faţă de cea în cazul morii

cu role de mare presiune. Pentru schema cu două trepte puterea instalată pentru

Alimentare

moara cu bile este mult mai mică (1700 kW) comparativ cu schema în care

funcţionează singură (4800 kW) ca urmare a faptului că în acest caz, în moara cu bile

se realizează doar dezaglomerarea turtei rezultate din moara cu role de mare presiune.

4.1.4. Omogenizarea şi corectarea amestecului brut

Omogenizarea amestecului brut este o operaţie specifică fabricării cimentului,

impusă de faptul că amestecul brut măcinat prezintă, de regulă, variaţii

compoziţionale în timp.

În mod curent omogenitatea amestecului brut se verifică prin două metode

chimice, de laborator – metoda calcimetrică şi metoda titrimetrică, ambele constând

în determinarea conţinutului de CaCO3 din făina brută

Amestecul brut se consideră omogen atunci când între valorile titrului

diferitelor probe nu apar diferenţe mai mari de + 0,5%, în cazul procedeului uscat de

obţinere a cimentului.

Pentru omogenizarea amestecurilor brute pulverulente (făina brută) se folosesc

metode de omogenizare pneumatică , care presupun utilizarea unor baterii de silozuri,

astfel dimensionate încât să asigure o capacitate de aproximativ 3..5 ori mai mare

decât necesarul de amestec brut, al fabricii, pentru 24 de ore de funcţionare.

Silozurile de omogenizare a făinii brute se construiesc din beton, având

secţiune pătrată sau, mai des, circulară. Pentru insuflarea de aer comprimat, care

realizează fluidizarea făinii brute şi omogenizarea ei, silozurile au baza realizată

dintr-un material poros. Se pot folosi diferite sisteme constructive, de insuflare a

aerului comprimat, de tipul celor prezentate în figura 4.10.

Figura 4.10. Scheme de insuflare a aerului comprimat în silozurile de

omogenizare: a - sistem SKET; b - sistem FULLER; c- sistem KLINGER;

d - sistem POLYSIUS

Sistemul SKET presupune împărţirea fundului silozului în cinci benzi, astfel

încât pentru aria suprafeţelor lor să fie satisfăcută relaţia:

S1 + S3+ S5 = S2 + S4 (4.14)

Într-o primă perioadă, aerul se insuflă prin benzile 1,3 şi 5 după care se insuflă

prin benzile 2 şi 4.

Sistemul FULLER presupune împărţirea fundului silozului în patru secţiuni

egale. Insuflarea de aer comprimat se face astfel încât în unul din sectoare presiunea

maximă se schimbă succesiv, după un anumit timp.

Sistemul KLINGER se aseamănă cu sistemul SEKT, numai că baza silozului

este împărţită în benzi circulare, concentrice.

Sistemul POLYSIUS reprezintă un sistem perfecţionat de insuflare, care

asigură, într-un timp scurt insuflarea, unui volum mare de aer raportat la suprafaţa

prin care se face insuflarea. În cazul acestui sistem, suprafaţa de insuflare este

împărţită în 12 sectoare egale, insuflarea de aer sub presiune făcându-se succesiv,

prin câte două sectoare aflate în poziţii opuse.

În figura 4.11. se prezintă o schemă de omogenizare a amestecului brut prin recirculare.

Figura 4.11. Schemă de

omogenizare cu

recircularea amestecului

brut.

În silozurile 1,2,3 se aduce făina brută de la moara în care s-a preparat şi se

omogenizează prin recirculare; în silozul 4 se introduc două amestecuri din silozurile

1, 2 sau 3, făcându-se astfel corecţia făinii brute, iar amestecul corectat se introduce

în silozul de păstrare (5), siloz din care se alimentează cuptorul de clincher. Pentru

silozurile care compun bateria (1-3) se asigură un regim alternativ de umplere/golire

care să asigure continuitatea funcţionării cuptorului. Existenţa mai multor astfel de

silozuri conferă o mobilitate mai mare fluxului tehnologic, în sensul că eventualele

perturbări în funcţionarea morilor sau a cuptoarelor nu se resimt asupra întregului

proces. În plus, în felul acesta este posibilă fabricarea concomitentă a unor clinchere

de calităţi diferite.

În funcţie de calitatea clincherului care se doreşte a se obţine şi în funcţie de

combustibilul utilizat la ardere, se poate face corectarea amestecului de materii prime.

4.2. Formarea clincherului de ciment portland

4.2.1. Procese fizico-chimice care au loc la arderea amestecului de materii

prime

În prezent, arderea clincherului portland se face practic exclusiv în cuptoare

rotative scurte, echipate cu sisteme de preîncălzire a materialului în suspensie de gaz

şi de regulă şi cu precalcinatoare. Consumul teoretic de căldură este de aproximativ

1800 kJ/kg clincher din care aproximativ 70% se consumă în procesul de

decarbonatare a calcarului.

Arderea clincherului parcurge următoarele etape:

1. încălzirea materialului;

2. deshidratarea mineralelor argiloase în jur de 450-500oC;

3. decarbonatarea carbonatului de magneziu, care începe la temperaturi de

aproximativ 650oC şi descompunerea carbonatului de calciu care începe la

temperaturi în jur de 850oC;

4. în intervalul de temperaturi 1000-1300oC au loc reacţii în fază solidă din care

rezultă minerale ca CaO.Al2O3, CaO.Fe2O3 şi 2CaO.SiO2; pe măsură ce

temperatura creşte bazicitatea acestor minerale creşte, formându-se compuşi ca

12CaO.7Al2O3 şi 2CaO.Fe2O3;

5. apariţia fazei lichide, la temperaturi mai mici cu 30-50oC decât temperatura

eutecticului sistemului cuaternar CaO - SiO2 - Al2O3 - Fe2O3 (1338oC), datorită

complexităţii compoziţionale a amestecului brut; apariţia fazei lichide determină

aglomerarea şi nodulizarea materialului şi creează condiţiile necesare formării

compuşilor bazici, specifici clincherului portland, în special a alitului dar şi a

aluminatului tricalcic şi a fazei feritice;

6. răcirea clincherului, iniţial cu viteză mai mică în cuptorul rotativ şi apoi cu viteză

mare, în instalaţii speciale numite răcitoare.

Primele trei procese au loc rapid, în câteva minute de la începerea operaţiei de

ardere. În instalaţiile prevăzute cu precalcinatoare, gradul de decarbonatare a

materialului atinge valori în jur de 95% (comparativ cu 45% în instalaţiile fără

precalcinator) când temperatura materialului este de 850-900oC. Timpul total de

ardere în instalaţiile moderne este de 30-40 minute, din care cea mai mare parte are

loc la temperaturi de peste 900oC.

Creşterea temperaturii în intervalul 1000-1300oC, când se desfăşoară reacţiile

în fază solidă, se face rapid. O dată cu apariţia fazei lichide la temperaturi în jur de

1300oC, începe procesul propriu-zis de clincherizare când are loc formarea alitului,

cel mai important compus din cimentul portland, concomitent cu densificarea

materialului.

Faza lichidă joacă două roluri, extrem de importante, în cadrul procesului de

formare a clincherului:

constituie mediu de difuzie pentru oxidul de calciu, care se dizolvă în topitură şi

difuzează până la interfaţa dintre granulele de silicat dicalcic şi faza lichidă (vezi

figura 4.12). Ulterior are loc saturarea silicatului dicalcic la silicat tricalcic, fenomen

ce conduce la scăderea cantităţii de CaO în topitura din vecinătatea granulei de C 2S şi

determină o creştere a vitezei procesului de dizolvare a granulelor de CaO.

Vâscozitatea topiturii are o mare importanţă pentru realizarea procesului de

clincherizare, condiţionând legarea CaO, prin intensitatea proceselor de difuzie pe

care le determină. Cu cât vâscozitatea fazei lichide este mai mică, cu atât procesele de

difuzie decurg mai intens şi cu atât mai rapid are loc legarea CaO;

determină, împreună cu mişcarea circulară a cuptorului rotativ, aglomerarea

materialului pulverulent cu formarea de noduli. Acest fenomen poartă numele de

nodulizare şi el influenţează atât desfăşurarea ulterioară a procesului de ardere şi

răcire a clincherului cât şi comportarea lui la măcinare; o aglomerare insuficientă

favorizează formarea de cantităţi mari de praf , deci modificarea condiţiilor de

transfer termic, îngreunează funcţionarea instalaţiilor de desprăfuire şi înrăutăţeşte

aptitudinea la măcinare.

Figura 4.12. Model al procesului de formare al C3S din C2S şi CaOa – granule de C2S şi CaO în topitură;b- formarea unui strat de C3S la suprafa;a granulelor de C2S.

4.2.2. Tipuri de instalaţii de ardere

În evoluţia instalaţiilor de ardere a clincherului s-au urmărit sistematic

următoarele aspecte:

a b

reducerea consumului de căldură prin trecerea de la procedeul umed la cel uscat şi

prin intensificarea transferului de căldură prin diferite modificări constructive ale

instalaţiei de ardere;

înlocuirea parţială a combustibililor superiori (gaz metan şi păcură) cu

combustibili solizi de putere calorifică mai mică sau chiar cu deşeuri cu o anumită

putere calorifică (de ex. cauciucuri uzate);

creşterea capacităţilor de producţie;

ameliorarea calităţii clincherelor şi a cimenturilor obţinute.

În prezent, arderea clincherelor se face practic numai în cuptoare cu tambur

rotativ echipate cu diferite sisteme de schimbătoare de căldură.

Cuptoarele moderne se compun din două sau trei agregate termice, care funcţionează în serie – figura 4.13.

Figura 4.13. Instalaţii de ardere a clincherului

P D C

R

D C

P

R

C

P

R

D

a

b

c

a) cuptor rotativ lung; b) cuptor rotativ scurt echipat cu cicloane schimbătoare de

căldură; c) cuptor rotativ scurt echipat cu cicloane schimbătoare de căldură şi

precalcinator;

P – preîncălzire; D – decarbonatare; C – clincherizare; R – răcire.

La cuptorul rotativ lung (figura 4.13.a), raportul lungime/diametru are valori de

30...45. S-au construit cuptoare având o lungime de 232 m, o capacitate de producţie

de 3800 t clincher pe zi şi un consum de căldură de 3600 kJ/kg clincher.

Cuptoarele rotative scurte au raportul lungime/diametru cuprins între 12 şi 22,

ele fiind echipate cu schimbătoare de căldură exterioare (figura 4.13.b). În prezent se

folosesc practic numai schimbătoare de căldură exterioare de tip ciclon, la care

materialul pulverulent se află în suspensie de gaz. O variantă mai modernă de

instalaţie pentru arderea clincherului conţine şi un precalcinator situat între turnul de

cicloane schimbătoare de căldură şi cuptorul rotativ (figura 4.13.c), în care se

realizează o decarbonatare avansată a calcarului.

Cuptorul rotativ propriu-zis este format dintr-un tambur metalic căptuşit cu

cărămizi refractare. Tamburul este înclinat faţă de orizontală cu 3-5% (înclinaţia mai

mare corespunde cuptoarelor cu diametru mai mic) şi se roteşte cu 1-1,5 rot/min (0,15

m/s viteză periferică). Antrenarea se face cu ajutorul unui motor electric cu reductor

şi o coroană dinţată, montată pe tambur. Susţinerea tamburului se face cu ajutorul

unor inele de sprijin care culisează pe role de sprijin.

Raportul între diametrul inelului şi cel al rolelor de sprijin are valori de 3,5-4.

Lăţimea rolelor trebuie să fie cu aproximativ 80 mm mai mare decât a inelului de

sprijin. La o montare corectă a rolelor, rotirea tamburului imprimă acestuia o mişcare

ascendentă, spre capătul rece al cuptorului, curmată de un limitator care acţionează

un sistem de ungere a rolelor şi tamburul alunecă spre partea inferioară. În felul

acesta se asigură o uzură uniformă a rolelor de sprijin.

Materialul supus arderii ocupă 5-10% din volumul util al cuptorului şi circulă

în contracurent cu gazele de ardere.

În domeniul temperaturilor ridicate, peste 900-1000°C, schimbul de căldură

se face în principal prin radiaţie (în proporţie de aproximativ 90%).

În condiţiile unei anumite temperaturi şi a unei anumite compoziţii a gazelor de

ardere, transferul termic prin radiaţie se poate intensifica prin creşterea grosimii

stratului de gaze. Acest lucru se poate realiza prin mărirea diametrului cuptorului, în

zonele cu temperaturi foarte ridicate.

Creşterea diametrului cuptorului determină însă o micşorare a durabilităţii

căptuşelii refractare. De aceea, această soluţie, este limitată până la o anumită

valoare.

În domeniul temperaturilor sub 1000oC, schimbul de căldură între agentul

termic şi material se face preponderent prin convecţie. Transferul de căldură prin

convecţie depinde de:

- viteza relativă a gazelor faţă de material;

- diferenţa de temperatură între gaze şi material;

- suprafaţa de contact gaz-material.

Pentru a menţine în limite rezonabile antrenarea particulelor fine de material

(formarea de praf), viteza gazelor la ieşirea din cuptor nu trebuie să depăşească 5-6

m/s, ceea ce limitează posibilitatea intensificării schimbului de căldură prin convecţie

pe această cale.

Creşterea diferenţei între temperatura gazelor de ardere şi a materialului atrage

după sine creşterea temperaturii gazelor la ieşirea din cuptor, cu consecinţe negative

asupra randamentului termic al instalaţiei de ardere. Deci doar creşterea suprafeţei de

contact gaz-material, adică o creştere a suprafeţei de schimb caloric, poate asigura în

condiţii avantajoase, o îmbunătăţire a transferului termic prin convecţie.

Creşterea suprafeţei de schimb caloric este posibilă prin montarea unor

dispozitive speciale de intensificare a transferului termic, aşa numitele schimbătoare

de căldură.

În prezent se folosesc numai schimbătoare de căldură cu materialul în

suspensie de gaz, tip ciclon (vezi figura 4.14). Ele sunt constituite dintr-un număr variabil de cicloane, care

constituie treptele schimbătorului de căldură şi pe care amestecul brut pulverulent le parcurge succesiv, alternativ în

echicurent şi respectiv contracurent cu gazele de ardere. În funcţie de numărul de cicloane şi de modul lor de amplasare

în turnul de cicloane, se disting mai multe tipuri de schimbătoare de căldură cu materialul în suspensie de gaz

(WEDAG, HUMBOLDT, POLYSIUS ş.a.)

Figura 4.14. Schimbător de căldură

cu materialul în suspensie de gaz, tip

HUMBOLD

În funcţie de temperaturile care se ating în diferitele trepte, materialul se

deshidratează, se decarbonatează parţial, după care intră în cuptor. Parcurgerea

turnului de cicloane de către materialul pulverulent se face în decurs de câteva

minute, temperatura materialului la intrarea în cuptorul rotativ este de aproximativ

900°C, iar temperatura gazelor la ieşirea din treapta superioară a schimbătorului de

căldură este de aproximativ 250°C. Aceste gaze, încărcate cu o oarecare cantitate de

praf, sunt folosite ca agent de uscare în instalaţiile de măcinare-uscare în circuit

închis a amestecului brut, după care sunt purificate în baterii de cicloane şi

electrofiltru şi evacuate în atmosferă. În felul acesta se asigură o valorificare

superioară a căldurii consumate pentru arderea clincherului.

Echiparea instalaţiilor de ardere cu turnuri de cicloane schimbătoare de căldură

prezintă următoarele avantaje:

- consumul specific de căldură la arderea clincherului este mai mic;

- există posibilitatea instalării unor capacităţi de producţie mai mari, deoarece la

acelaşi cuptor rotativ se pot monta două turnuri de cicloane schimbătoare de

căldură;

- pentru o aceiaşi capacitate de producţie se ocupă o suprafaţă construită mai mică

decât la alte sisteme de ardere;

- turnul de cicloane nu conţine piese metalice în mişcare, în contact cu materialul

pulverulent şi

- funcţionarea instalaţiei este sigură.

Ca principal dezavantaj trebuie menţionată sensibilitatea mare a instalaţiei

faţă de arderea unor amestecuri brute cu conţinut mai ridicat de substanţe volatile

(alcalii, SO3, clor).

Asemenea compuşi se volatilizează la temperaturi de aproximativ 1200oC, sunt

preluaţi de gazele de ardere care circulă în contracurent cu materialul şi sunt readuşi

în zonele mai reci, unde condensează pe particulele de material solid şi ajung cu

acestea, din nou, în zonele cu temperaturi ridicate unde se volatilizează. Se realizează

astfel, un circuit al substanţelor volatile în instalaţie şi are loc o acumulare a lor în

materialul aflat în zona corespunzătoare ultimei trepte de cicloane schimbătoare de

căldură şi în jgheabul de intrare a materialului în cuptor.

În aceste zone, la o temperatură a materialului de 700-800°C, substanţele

volatile se află într-o stare parţial sau total topită. Aceasta favorizează aglomerarea

materialului şi aderenţa sa la pereţii instalaţiei cu formarea unor inele care îngustează

progresiv secţiunea de trecere a materialului şi scad productivitatea instalaţiei.

Aceste dificultăţi pot fi eliminate prin alegerea judicioasă a materiilor prime,

având un conţinut cât mai mic de alcalii, sau printr-o soluţie constructivă - montarea

unui "by-pass", dispozitiv care preia o parte din gazele de ardere, încărcate cu

substanţe volatile şi le elimină din instalaţie. Această soluţie scumpeşte însă costul

instalaţiei şi implicit creşte preţul de cost al cimentului produs, motiv pentru care se

justifică numai la un conţinut substanţial de volatile (mai mare de 20 g/kg clincher).

O variantă modernă o constituie intercalarea între turnul de cicloane

schimbătoare de căldură şi cuptorul rotativ a unui precalcinator în care se arde o

parte din combustibil şi se realizează aproape total, decarbonatarea componentului

calcaros din amestecul brut. Deplasarea procesului de decarbonatare în afara

cuptorului rotativ nu are ca rezultat o intensificare a schimbului de căldură dar

determină micşorarea importantă a solicitării termice a cuptorului rotativ propriu-zis

şi, mai ales, a zonei de clincherizare.

Decarbonatarea este un proces puternic endoterm, iar deplasarea sa în afara

cuptorului rotativ permite reducerea cantităţii de combustibil injectat în zona de

clincherizare, deci reducerea încărcării termice urmată de creşterea duratei de viaţă a

căptuşelii refractare.

Echiparea instalaţiei de ardere cu un precalcinator prezintă următoarele

avantaje:

- pentru aceleaşi dimensiuni ale cuptorului rotativ, productivitatea instalaţiei poate

creşte de 2-2,5 ori;

- pierderile de căldură în exterior se micşorează deoarece aceleaşi pierderi se

raportează la o producţie mai mare;

- datorită încărcării termice mai reduse, căptuşeala refractară din zona de

clincherizare este mai puţin solicitată;

- funcţionarea întregii instalaţii este mai uniformă;

- nefiind necesare temperaturi foarte ridicate pentru decarbonatare, alimentarea

arzătorului din precalcinator se poate face cu un combustibil cu putere calorifică

mai mică, rezultând deci economie de combustibili superiori.

4.2.3. Răcirea clincherului

Modul în care se realizează răcirea clincherului are un rol esenţial în stabilirea

compoziţiei mineralogice şi fazale, precum şi a caracteristicilor sale textural-

morfologice.

Prin răcirea clincherului are loc un proces de solidificare, cu cristalizarea

mineralelor din topitura de clincher, aceasta solidificându-se la temperatura

eutecticului cuatrenar - 1338oC. În funcţie de viteza cu care se face răcirea - lentă sau

rapidă , solidificarea şi cristalizarea mineralelor are loc în condiţii de echilibru

respectiv neechilibru termodinamic. Prin calcule termodinamice s-a constatat că

pentru formarea unei cantităţi maxim posibile de alit, clincherele cu:

MAl mai mare decât 1,38 trebuiesc răcite rapid;

MAl mai mic decât 1,38 trebuiesc răcite lent.

Valoarea de 1,38 reprezintă raportul între cantitatea de alumină şi oxid de fier

corespunzătoare compoziţei eutecticului. Majoritatea clincherelor industriale au

valori mai mari de 1,38 ale modulului de alumină, din această cauză se impune ca

răcirea lor să se facă rapid.

Viteza de răcire influenţează totodată morfologia şi textura clincherelor. În

cazul unei răciri rapide cristalele (îndeosebi cele de alit) au dimensiuni mai mici, ceea

ce favorizează reactivitatea faţă de apă a acestor faze minerale.

Într-o primă etapă, clincherul se răceşte lent, în cuptorul rotativ, cu o viteză de

aproximativ 20oC/min., până la temperaturi de aproximativ 1250-1350oC - în cazul

folosirii ulterioare a răcitorului grătar sau până la 1000-1200oC - în cazul utilizării

răcitorului planetar. De la aceste temperaturi, se practică răcirea rapidă a clincherului,

în răcitoare, care după caracteristicile constructive pot fi:

răcitoare de tip tambur rotativ;

răcitoare planetare;

răcitoare tip grătar.

În toate cazurile, aerul de răcire este folosit ca aer de combustie secundar, ceea

ce îmbunătăţeşte randamentul termic al instalaţiei de ardere.

Răcitoarele de tip tambur (figura 4.15) au un randament termic scăzut

comparativ cu răcitoarele de tip grătar. Aceste tipuri de răcitoare sunt nesatisfăcătoare

pentru cuptoarele de mare capacitate, iar utilizarea lor se recomandă doar pentru

capacităţi de până la 1000 t clincher pe zi.

Figura 4.15.

Schema unui

răcitor cu

tambur rotativ

independent.

Răcitoarele planetare (figura 4.16) au o suprafaţă de răcire mai mare, prin

repartizarea materialului pe mai mulţi tamburi cilindrici, cu diametru relativ mic, care

fac corp comun cu cuptorul şi se rotesc odată cu acesta. Se pot folosesc, în funcţie de

diametrul cuptorului, 8-12 tuburi cilindrice, având raportul L/D cuprins între 5 şi 10.

Asemenea răcitoare sunt utilizabile la cuptoarele de capacitate mare. Zona de

îmbinare cuptor-răcitor se realizează din oţeluri refractare speciale, de calitate

superioară. Pentru a micşora uzura mantalei cuptorului, în zona de îmbinare cu

răcitorul, tuburile răcitoare se pot monta în prelungirea tamburului cuptorului, astfel

încât tamburii răcitorului să se poată sprijini cu ambele capete pe tamburul

cuptorului.

Figura 4.16.

Răcitor

planetar

Răcitoarele grătar (figura 4.17) asigură o viteza mai mare de răcire, datorită

unui schimb de căldură convectiv intens, asigurat de un curent de aer rece, care trece

prin stratul granular de clincher evacuat din cuptor. Grătarul este format din plăci fixe

şi plăci mobile. Avansarea clincherului este asigurată de mişcarea de “înainte-înapoi”

excentrică a plăcilor mobile, caracterizată de o accelerare mai mare în sensul de

avansare a clincherului. În primul compartiment se insuflă aer rece pentru a realiza o

răcire rapidă a clincherului de la temperaturi ridicate, în al doilea compartiment se

insuflă aer de răcire recirculat (preluat din coş), pentru a obţine o încălzire cât mai

avansată a aerului folosit pentru combustie, iar în al treilea compartiment se insuflă

din nou aer rece din atmosferă, pentru o răcire cât mai avansată a clincherului.

Aceste răcitoare asigură cel mai mare randament termic - 65-70%, ele pot fi folosite

la cuptoare de mare şi foarte mare capacitate, rezultând un clincher de foarte bună

calitate, cu aptitudine la măcinare mare.

Principalele dezavantaje ale răcitoarelor grătar (comparativ cu cele rotative sau

planetare) sunt:

consum mare de energie pentru deplasarea clincherului;

dependenţa gradului de răcire a clincherului de grosimea stratului de clincher pe

grătar;

emisie mare de praf în timpul funcţionării;

uzura avansată a plăcilor mobile ale grătarului care sunt în contact cu clincherul

abraziv la o temperatură ridicată;

complexitate constructivă mare, multe piese în mişcare în contact cu clincherul

fierbinte;

deservirea trebuie asigurată de către oameni bine calificaţi.

Figura 4.17. Răcitor

tip grătar cu

împingere

4.2.4. Căptuşeala refractară a cuptoarelor de clincher

Căptuşeala refractară a cuptoarelor de clincher este realizată din cărămizi

refractare şi are drept scop izolarea termică a cuptorului (conductivitatea termică a

refractarelor este sensibil mai mică decât cea a tolei din oţel), ca şi protejarea

mantalei metalice a cuptorului faţă de solicitări determinate de:

acţiunea termică a materialului şi a gazelor de ardere;

acţiunea mecanică şi chimică a materialului din cuptor.

În timpul funcţionării cuptorului, căptuşeala refractară este supusă la solicitări

termice, mecanice şi chimice, care provoacă uzura sa. Cheltuielile ocazionate de

întreţinerea şi înlocuirea căptuşelii refractare reprezintă aproximativ 2% din preţul de

cost al cimentului portland.

În cuptor, materialul se deplasează atât longitudinal cât şi transversal, datorită

înclinării şi rotirii cuptorului. Ca urmare, au loc variaţii de temperatură a căptuşelii

refractare, atât pe lungimea cuptorului cât şi datorită contactului intermitent a

căptuşelii refractare, cu materialul şi cu gazele. La contactul cu materialul,

temperatura va fi mai mică iar la contactul cu gazele de ardere temperatura va fi mai

ridicată. În consecinţă, materialul refractar, trebuie ales astfel încât să reziste bine la

solicitările termice, determinate de variaţii de temperatură, cât şi la solicitări

mecanice şi chimice.

Solicitările mecanice ale căptuşelii refractare sunt provocate de:

greutatea proprie a cuptorului, care poate provoca tendinţa de ovalizare a secţiunii,

mai accentuată în zonele cu temperaturi mai ridicate, precum şi deformaţii

longitudinale ( flambaj);

o acţiune abrazivă determinată de deplasarea materialului în cuptor.

Tendinţa de ovalizare a secţiunii poate fi evitată, sau cel puţin diminuată,

printr-o centrare iniţială riguroasă a tolei cuptorului şi prin rotirea sa continuă, chiar

şi în perioadele de reparaţii (când rotirea se realizează cu viteză foarte mică).

Deformaţiile longitudinale pot fi evitate printr-o amplasare şi întreţinere

corespunzătoare a rolelor de sprijin ale cuptorului.

Uzura prin abraziune este exercitată în principal de granulele de clincher, deci

ar putea fi mai importantă în zona de clincherizare. În această zonă, însă, se manifestă

acţiunea protectoare a stratului de lipitură, pe care îl formează faza lichidă, pe

suprafaţa căptuşelii refractare.

Durata de viaţă a căptuşelii refractare este influenţată de rigiditatea tamburului,

apreciată prin raportul între grosimea tolei (h) şi diametrul cuptorului (2r). Pentru

valoarea acestui raport se recomandă valori cuprinse între 0,006 şi 0,01.

Solicitările termice ale căptuşelii refractare sunt provocate de:

temperatura ridicată a materialului şi a gazelor de ardere;

variaţia periodică a temperaturii căptuşelii în timpul unei rotaţii, când ea vine în

contact alternativ cu materialul, respectiv cu gazele de ardere.

Aceste solicitări se manifestă diferit ca intensitate, în diferitele zone ale

cuptorului. Astfel, solicitarea provocată de contactul alternativ al căptuşelii cu

materialul şi cu gazele, la rotirea cuptorului este mai accentuată în zona de

decarbonatare, când temperatura căptuşelii refractare poate varia cu peste 200°C.

Aceste variaţii de temperatură se propagă în interiorul cărămizilor refractare pe o

adâncime de 20-25 mm. În zona de clincherizare, temperatura exterioară a mantalei

cuptorului este de 350-400°C, astfel încât gradientul termic din grosimea cărămizii

refractare este de mare. În funcţie de coeficientul de dilataţie termică a refractarelor,

aceste variaţii de temperatură pot da naştere la tensiuni mecanice, periculoase.

Aceste variaţii de temperatură sunt accentuate în condiţiile unei funcţionări

neuniforme a cuptorului cu opriri şi porniri repetate, a unei alimentări neuniforme cu

făină brută sau ale unor variaţii în caracteristicile flăcării arzătorului.

Durabilitatea căptuşelii refractare este influenţată de calitatea şi orientarea

arzătorului. Se recomandă ca flacăra să fie paralelă cu axul cuptorului sau uşor

înclinată spre stratul de clincher.

Reducerea încărcării termice din zona de decarbonatare, prin deplasarea practic

totală a decarbonatării din cuptorul rotativ în precalcinator, concomitent cu arderea

unei părţi din combustibil în precalcinator, are un efect pozitiv pronunţat asupra

durabilităţii căptuşelii refractare.

Solicitările de natură chimică se manifestă cu precădere în zona de

clincherizare şi se datoresc apariţei fazei lichide. Aceasta, având un caracter

pronunţat bazic şi o fluiditate destul de mare, difuzează în cărămizile refractare,

interacţionând chimic cu acestea. Pe suprafaţa căptuşelii se formează un strat de

topitură (de ordinul câtorva mm), foarte aderent. Pe acest strat aderă granulele de

clincher, care se topesc parţial la contactul cu gazele de ardere. În acest fel se

formează un strat protector a cărui grosime creşte până la o limită determinată de

echilibrul dintre forţele de adeziune şi cele gravitaţionale. Grosimea optimă a

stratului de protecţie în zona de clincherizare este de aproximativ 0,2 m. Dacă această

grosime este mai mare de 0,5 m se produc perturbări în funcţionarea cuptorului,

datorită îngustării secţiunii zonei de clincherizare. La desprinderea inelelor de lipitură

- prin cădere sub propria greutate sau prin îndepărtare cu mijloace mecanice, se

produce deteriorarea căptuşelii refractare, fie mecanic fie datorită şocului termic la

care este expusă prin îndepărtarea stratului protector.

Pentru căptuşirea zonei de clincherizare se pot folosi cu bune rezultate

refractare magnezitice şi cromomagnezitice, iar pentru zonele de temperatură mai

joasă, în care solicitările termice sunt mai mici, iar solicitarea chimică lipseşte, se pot

folosi:

cărămizi refractare aluminoase - în zona de decarbonatare;

refractare de şamotă - în zona de decarbonatare şi preîncălzire.

Pentru întreţinerea căptuşelii refractare, când, în urma uzurii, grosimea

cărămizilor şi blocurilor refractare s-a redus cu aproximativ 50 mm, se recomandă

acoperirea acesteia cu un mortar refractar, cu condiţia ca acesta să fie compatibil cu

caracteristicile chimice şi termice ale cărămizilor refractare.

4.3. Măcinarea cimentului portland. Factori de influenţă

Clincherul este transportat în depozitul de clincher, unde se păstrează o

perioadă de timp, înainte de măcinare. O astfel de păstrare este impusă de

următoarele considerente:

asigurarea continuităţii procesului de fabricaţie;

răcirea clincherului înainte de măcinare, la o temperatură care să nu afecteze

funcţionarea morii şi calitatea cimentului.

La alimentarea în moară, clincherul nu trebuie să aibă temperaturi mai mari de

50oC, deoarece în caz contrar, ghipsul folosit ca adaos la măcinare se poate deshidrata

parţial, imprimând cimentului aşa-numita "priză-falsă". Nu este indicată o păstrare

prelungită a clincherului, mai ales în condiţii necorespunzătoare (mediu umed),

deoarece poate determina o hidratare superficială a unor constituenţi mineralogici

mai activi, ceea ce poate conduce la o încetinire a prizei cimentului şi o diminuare a

rezistenţelor sale mecanice.

Măcinarea clincherului (şi a materiilor prime) este un proces puternic

energofag. Pentru exemplificare se prezintă în tabelul 4.4. consumul de energie

electrică în diverse etape ale fluxului de fabricaţie a cimentului.

Tabelul 4.4. Consumul de energie electrică în diferitele etape ale procesului de obţinere a cimentului portland

Proces Energie electricăconsumată (%)

Extragerea şi transportul materiilor prime 5Măcinarea materiilor prime 24Omogenizarea materiilor prime 6Arderea făinii brute şi răcirea clincherului*) 22Măcinarea clincherului (cu adaosuri) 38Transportul, însăcuirea şi livrarea 5

*) În această etapă se consumă o mare cantitate de energie calorică (în procesul de ardere a făinii

brute)

În cazul măcinării în mori cu bile, randamentul procesului de măcinare este

deosebit de redus, deoarece doar o mică parte din energia consumată pentru măcinare

serveşte la desfacerea forţelor de legătură din şi dintre particule, restul fiind

consumată pentru învingerea forţelor de frecare din instalaţie; aceasta se transformă

în căldură.

Randamentul procesului de măcinare a cimentului (ca şi a amestecului brut)

este influenţat de două categorii de factori:

factori constructivi şi de funcţionare a instalaţiei;

factori dependenţi de caracteristicile materialelor care se macină.

Din prima categorie fac parte, în cazul morilor tubulare cu bile:

diametrul morii;

turaţia morii;

gradul de umplere cu material şi corpuri de măcinare a morii.

Productivitatea morii depinde de diametrul morii într-o măsură mai mare

decât puterea consumată:

- productivitatea este proporţională cu D2,7;

- puterea consumată este proporţională cu D2,5.

Deci, cu acelaşi consum de energie necesar pentru obţinerea unui material cu o

anumită fineţe, cantitatea de material care se macină este cu atât mai mare cu cât

diametrul morii este mai mare.

Creşterea turaţiei morii până la o anumită valoare, favorizează o măcinare mai

uşoară. S-a constat că turaţia optimă a morii reprezintă aproximativ 75% din turaţia

critică. Turaţia critică este turaţia la care, forţa centrifugă devine egală cu forţa

gravitaţională, motiv pentru care corpurile de măcinare nu se mai desprind de pereţii

morii şi efectul de măcinare este neglijabil.

Influenţa turaţiei morii asupra suprafeţei specifice (fineţii) a materialului, în

condiţiile unui grad de încărcare identic, este prezentată în figura 4.18.

Figura 4.18.

Variaţia suprafeţei

specifice nou create cu

turaţia morii, restul

condiţiilor rămânând

constante.

Gradul de umplere a morii cu material şi corpuri de măcinare constituie un

factor important de influenţă asupra randamentului măcinarii. Randamentul măcinării

este optim pentru un grad de umplere cu corpuri de măcinare de aproximativ 50% din

volumul util al morii.

Pe măsură ce bilele se uzează, ele trebuie înlocuite cu altele noi. Acest lucru

este deosebit de important pentru bilele mari din prima cameră a morii tubulare, în

care măcinarea se realizează în principal prin lovire, iar uzura acestora determină

scăderea intensităţii impactului bile-material.

În camera a doua a morii, în care se realizează măcinarea fină, în principal prin

frecare între material şi corpurile de măcinare, dimensiunile acestora trebuie să fie

cât mai mici pentru a realiza o suprafaţă de frecare cât mai mare. Pentru a menţine

uzura corpurilor de măcinare în limite acceptabile, dimensiunile acestora nu trebuie

să fie mai mici de 12 mm. În această parte a morii se pot folosi cu bune rezultate

cilpepsuri, care au o formă bi-tronconică şi deci o suprafaţă de frecare mai mare decât

bilele sferice.

Între greutatea corpurilor de măcinare şi aceea a materialului supus măcinării,

se stabileşte un raport optim, rezultat din considerarea cantităţii de material capabilă

să umple golurile dintre corpurile de măcinare. În cazul măcinării cu bile sferice,

acest raport gravimetric trebuie să fie 0,11...0,13.

Ssp (cm2/g)

n/ncr750 120

Sistemul de măcinare ales – în circuit închis sau deschis influenţează

randamentul măcinării, în sensul că, la măcinarea în circuit închis, îndepărtarea

continuă a materialului ajuns la fineţea dorită, îmbunătăţeşte eficienţa măcinării.

Din categoria factorilor dependenţi de material fac parte:

aptitudinea la măcinare a materialului;

umiditatea materialului supus măcinării;

prezenţa unor aditivi de măcinare (numai în cazul măcinării cimentului portland).

dimensiunile iniţiale şi fineţea de măcinare impusă materialului rezultat.

Aptitudinea la măcinare a celor mai utilizate materiale folosite la fabricarea

cimenturilor portland unitare şi mixte scade în seria:

Cretă şi tuf calcaros marne compacte calcar microcristalin clincher

(alitic > belitic) zgure

Deci clincherul are o aptitudine la măcinare mică. Aceasta este corelată cu

compoziţia sa mineralogică şi fazală:

clincherele mai slab arse, cu un conţinut mai mic de fază vitroasă, se macină mai

uşor;

clincherele cu un conţinut mare de alit se macină mai uşor decât cele care conţin

mai mult belit.

Umiditatea materialelor favorizează aglomerarea materialelor, înrăutăţind prin

aceasta comportarea lor la măcinare. Se impune ca umiditatea diferiţilor componenţi

din moară să nu depăşească următoarele limite:

2% pentru zgură;

0,5% pentru clincher;

10% pentru ghips;

15% pentru argilă la măcinarea amestecului brut în mori uscătoare.

Este recomandabil ca dimensiunea iniţială a materialelor supuse măcinării să

nu depăşească 25 mm. Cu cât fineţea de măcinare impusă este mai mare, cu atât

consumul de energie va fi mai mare şi randamentul măcinării mai scăzut.

Prezenţa unor aditivi tensioactivi (în proporţii mici - sub 0,1%) poate

determina o creştere a aptitudinii la măcinare a materialului. Aceşti aditivi se adsorb

la suprafaţa particulelor de material supus măcinării şi în microfisurile superficiale şi

determină o slăbire a rezistenţei granulelor, o diminuare a forţelor de coeziune care

acţionează între feţele opuse ale microfisurilor. În prezenţa unor astfel de aditivi, se

constată şi o frânare a fenomenului de aglomerare a granulelor de material şi de

aderare a acestora la blindajul sau încărcatura de bile a morii.

4.4. Însilozarea şi livrarea cimentului

După măcinare, cimentul portland se depozitează în silozuri, pentru o anumită

perioadă, înainte de livrare. Silozurile de depozitare sunt confecţionate din beton, şi

dimensionate astfel încât să asigure depozitarea cimentului produs, pentru o perioadă

de cel puţin 7 zile, pentru a asigura timpul minim necesar efectuării unor analize

impuse prin standarde şi pentru a se evita întreruperea fabricării cimentului atunci

când intervin stagnări în livrarea cimentului. Silozurile au, de regulă, secţiune

circulară cu diametrul de până la 20 m şi o înălţime de până la 40 m.

Pentru a se evita aglomerarea cimentului şi a se asigura evacuarea sa uşoară

din silozuri, acestea sunt prevăzute la partea inferioară, cu sisteme de afânare

pneumatică (plăci poroase prin care se insuflă aer sub presiune).Pentru evitarea

fenomenului de hidratare parţială a cimentului sub acţiunea umidităţii atmosferice,

silozurile de ciment trebuie să fie etanşe.

Livrarea cimentului se poate face în vrac sau ambalat în saci.

Livrarea în saci este destinată micilor consumatori şi este avantajoasă pentru

transportul maritim al cimentului, când sacii se peletează în baloturi mari, care se

încarcă cu macarale în calele vapoarelor.

Ambalarea în saci se face cu instalaţi speciale de însăcuire, care constau din

sisteme de transport ale cimentului şi maşina propriu-zisă de însăcuit.

Instalaţia de însăcuire prezentată în figura 4.19 are următoarea funcţionare: cimentul este adus prin conducta

(12) în buncărul (1) , de unde este trecut în alimentatorul (2) al maşinii de însăcuit, care alimentează sacii (3). Aceştia

sunt cântăriţi pe cântarul (4). Instalaţia este prevăzută cu dispozitive speciale de desprăfuire (6,7). Maşina de însăcuit

poate avea între 4 şi 12 "guri".

Figura 4.19. Instalaţie de

înscăcuire a cimentului

Livrarea în vrac este mai economică şi se practică pentru marii consumatori

(şantiere).

Se folosesc, în acest scop, recipiente pneumatice etanşe, montate pe vagoane sau

autocamioane ( figura 4.20).

Figura 4.20. Recipient pneumatic

pentru transportul în vrac al

cimentului.

Descărcarea cimentului din recipient presupune aducerea acestuia într-o stare

asemănătoare unui fluid, prin admisia de aer sub presiune, prin conducta de la baza

recipientului. Ca urmare, cimentul va curge prin conductele de evacuare, realizându-

se astfel rapid golirea recipientului.