Сравнение строительно-технических свойств размола цемента

Ответ: Обычно при переходе от шаровых мельниц к энергоэффективным вертикальным мельницам или пресс-валкам внимание обращают на уменьшение расхода энергии. При помоле клинкера следует также принимать во внимание и качество получаемого цемента.

В таблице представлены различные механизмы разрушения материала, используемые в указанных выше типах мельниц, влияние вида помола на гранулометрический состав получаемого цемента, его водопотребность, максимально достижимую тонкость помола и удельный расход энергии.

Таблица 1. Помол цемента в мельницах различного типа

	Механизм измельчения	Наклон кривой распределения грансостава (RRSB)	Водопотребность	Тонина помола по Блейну, см2/г	Удельный расход энергии
Шаровая мельница с сепаратором		Пологий	Меньше	> 5000	Выше
Вертикальная мельница		Крутой	Больше	~4500	Ниже
Пресс-валки		Крутой	Больше	~3500	Низкий

Измельчение в шаровых мельницах происходит в результате ударов мелющих шаров о час­тицы клинкера. В пресс-валках и вертикальных мельницах к измельчению приводит давление на материал между валками (пресс-валки) или между валком и плитой (вертикальная мельница). Эти различные механизмы измельчения определяют не только различную форму частиц, но и дают более широкое (шаровая мельница) или более узкое (вертикальная мельница, пресс-валки) распределение частиц по размерам. Таким образом, цемент, полученный помолом в шаровых мельницах, имел более низкую водопотребность по сравнению с цементом, полученным в вертикальных мельницах или пресс-валках. Это не играет роли при помоле сырья или шлака, однако при помоле цемента это важно. Его свойства зависят от распределения частиц по размерам и, следовательно, от технологии помола.

Первый опыт в этой области был получен после запуска первой вертикальной мельницы для помола клинкера в конце 80-х гг. на заводе Тeutonia, Германия (сегодня этот завод принадлежит компании Heidelberg Cement). За все прошедшие годы недостаток, заключающийся в сравнительно высокой водопотребности цемента, производимого на этой вертикальной мельнице, не был полностью устранен.

В 1990 году на заводе Laegerdorf, Германия, принадлежащем компании Holcim, была запланирована совместная установка (POLYCOM©) пресс-валков с сепаратором (предварительный помол) и шаровой мельницы, работающей в открытом цикле (окончательный помол) (рисунок) для обеспечения тонины помола > 5000 см2/г без риска для задаваемых условиями рынка пределов по водопотребности цемента. При производстве цемента типа CEM I 52.5 R пресс-валки используются для предварительного помола клинкера до тонины ~3500 см2/г с наименьшей возможной затратой энергии. Функция шаровой мельницы (максимальный размер шаров составляет 20 мм) заключается в том, чтобы обеспечить окончательную тонину помола ~5200 см2/г и расширить узкое распределение частиц материала по размерам, полученное при предварительном помоле в пресс-валках. Тем не менее, общий удельный расход энергии этой комбинированной системы (60–65 кВт·ч/т) обеспечивает выигрыш в затратах по сравнению с шаровой мельницей, работающей в замкнутом цикле (~100 кВт·ч/т). Цемент типа CEM I 42.5 R на заводе Laegerdorf получают как с помощью комбинированной системы пресс-валки + шаровая мельница (цементная мельница № 2), так и в классической шаровой мельнице, работающей в замкнутом цикле (цемент­ная мельница № 1). Водопотребность цемента, изготавливаемого с помощью обеих помольных систем, различается на приемлемую величину – всего 1–2%.

За последние несколько лет, несмотря на более высокое удельное энергопотребление шаровых мельниц, можно отметить некоторое оживление интереса к этому типу мельниц. Очевидно, что это происходит благодаря тому, что на рынке в большей степени требуется высококачественный цемент тонкого помола. Более того, особый акцент был сделан на высоком потенциале оптимизации шаровых мельниц с помощью тщательного подбора мелющих тел и других мероприятий. По заявлениям специалистов, можно ожидать дополнительного снижения расхода энергии на 10%. И последнее, но не менее важное обстоятельство: шаровые мельницы отличаются бесперебойной работой и простотой в обслуживании.

Когда ставится цель сокращения производственных издержек, перед выбором способа помола следует рассмотреть вопросы качества производимого цемента. Отдавайте себе полный отчет в том, как новая система помола повлияет на свойства продукта. Будут ли изменения характеристик приемлемы на рынке? Цемент какого качества будет пользоваться спросом в будущем?

Редакция журнала попросила д-ра Капана уточнить:
1. Какие марки цемента могут быть произведены посредством валковых мельниц, и какая наивысшая марка цемента?  Какие марки цемента могут быть произведены посредством шаровых мельниц, и какая наивысшая марка цемента? 

2. Когда Вы говорите об увеличенной водопотребности, какие цементы сравниваются – идентичные по марке или по тонине помола по Блейну, либо берется в расчет что-то иное?

Д-р Капан ответил следующее:
1. Ответ представлен в таблице, приведенной выше.
Только в шаровых мельницах можно получить цемент тонкого помола ( > 5000 см2/г по Блейну).

Вертикальные мельницы позволяют получить тонину помола до 4500 см2/г по Блейну, а пресс-валки – до 3500 см2/г по Блейну.

Как я упомянул ранее, для пресс-валков был разработан двухстадийный процесс помола: вначале осуществляется энергоэффективное измельчение на пресс-валках (до 3500 см2/г по Блейну), а затем – окончательный помол в шаровой мельнице, что позволяет расширить распределение частиц по размерам.

Мне неизвестны аналогичные комбинации для вертикальных мельниц. Они подходят для сушки и помола шлака.

На заводе Laegerdorf цементы CEM I и CEM II тонкого помола получают на энергоэффективной мельнице N2: пресс-валки (предварительный помол) + шаровая мельница (окончательный помол). Имеется точно установленное соотношение между тониной помола и выигрышем в энергии, получаемым в пресс-валках: чем выше тонина помола цемента, тем больше выигрыш в энергии. Таким образом, мы получаем цементы грубого помола (CEM I 32,5 R) исключительно в большой шаровой мельнице N1.

2. Я сравнил цементы, которые мы получаем на нашем заводе Laegerdorf с помощью двух мельничных систем (мельница N1 – большая шаровая мельница или мельничная сис­тема N2 – предварительный помол в пресс-валках + окончательный помол в небольшой шаровой мельнице). Тонина помола по Блейну одинакова.

Например, для CEM I 42,5 R она составляет 3150–3200 см2/г по Блейну.
Хотя мы и сделали более широким распределение частиц по их размерам, пропуская материал через пресс-валки и затем – через шаровую мельницу (система N2), тем не менее, наблюдается небольшая разница в водопотребности по сравнению с цементом CEM I 42,5 R, полученным в шаровой мельнице (мельница N1), заметная для некоторых критичных заказчиков:

мельница N1–24%;
мельница N2–25–25,5%.

Представьте разницу в водопотребности без расширения распределения частиц по их размерам при окончательном помоле в шаровой мельнице!

Моя рекомендация всем российским коллегам – не переоценивать вертикальные мельницы или пресс-валки. По моему мнению, современные шаровые мельницы, работающие в замкнутом цикле, имеют много преимуществ, несмотря на их более высокое потребление электроэнергии.

Ответ: В производстве цемента шаровые мельницы используются уже более 100 лет. Этот вид мельниц получил распространение благодаря своей надежности и полезным свойствам цемента, получаемого в этом агрегате. Вначале шаровые мельницы работали в открытом цикле, но позже для получения более качественного цемента стали применять сепараторы, которые работали в замкнутом цикле с мельницей. Основным недостатком шаровых мельниц является относительно высокое удельное потребление энергии. Кроме шаровых мельниц, сегодня для помола цемента используются агрегаты, в которых размалываемый материал подвергается высокому давлению рабочих органов – это вертикальные валковые мельницы (ВВМ) или пресс-валки высокого давления (ПВВД). Удельный расход энергии этих помольных систем сравнительно низок, однако цемент, полученный на мельницах этого типа, демонстрирует несколько другие свойства, касающиеся его гранулометрии.

Распределение частиц по размерам (гранулометрия) цемента и / или его компонентов оказывает существенное влияние на водопотребность, процесс схватывания и набор прочности цементом при изготовлении бетона. Гранулометрия получаемого продукта в значительной степени зависит от используемой системы помола.

При помоле цемента в шаровой мельнице образуется материал с относительно широкой гранулометрией. Обычно наклон кривых на гранулометрической диаграмме Розина-Раммлера находится в диапазоне от 0,8 до 1,0, если шаровая мельница работает в замкнутом цикле с сепаратором. Тонину помола можно отрегулировать как подачей свежего материала, так и подбором скорости подаваемого в сепаратор воздуха и его расходом. При работе шаровой мельницы в открытом цикле можно достичь наклона кривой гранулометрии от 0,8 до 0,9, причем изменение гранулометрии возможно только в относительно узких пределах (достичь его можно, например, варьируя состав мелющих тел). Требуемая тонина помола цемента может быть скорректирована загрузкой в аппарат свежего материала. В случае измельчения при высоком давлении рабочих органов – в случае использования вертикальных валковых мельниц (ВВМ) или пресс-валков высокого давления (ПВВД) – достигаемая гранулометрия будет значительно уже. Для указанных выше аппаратов можно достичь наклона кривой в диапазоне от 0,95 до 1,1 (ВВМ) или 1,1–1,25 (ПВВД).

При работе с цементом по реологическим причинам большая часть требуемой воды затворения смачивает частицы материала и заполняет пространство между этими частицами. Чтобы обеспечить удобоукладываемость бетонного раствора, количество вводимой воды должно быть достаточно для того, чтобы частицы могли совершать движение относительно друг друга. Особое влияние на водопотребность оказывает гранулометрический состав цемента. Таким образом, водопотребность цемента, полученного помолом в мельницах высокого давления, будет выше, поскольку у такого материала будет более узкая гранулометрия и на заполнение межзерновых пространств понадобится больше воды.
Меньшая часть воды для затворения бетонной смеси требуется для гидратации клинкерных фаз. Доля этой части возрастает с уменьшением размеров зерен цемента. Особенно это касается использования цемента, полученного измельчением в мельницах высокого давления, где может неудовлетворительно проходить дегидратация гипса вследствие пониженной температуры помола, когда для оптимизации содержания сульфатного агента следует использовать полугидрат или ангидрит. Особенно важен сульфатный компонент при использовании высокореактивного клинкера, поскольку он помогает избежать увеличения водопотребности.

Прочность бетона из цементов, имеющих одинаковую удельную поверхность, увеличивается, когда гранулометрия становится более узкой. Это вызывается увеличением числа полностью гидратированных мелких частиц в результате уменьшения среднего размера частиц (параметр положения). Этот параметр представляет мелкую фракцию, которая отвечает за прочность материала.

В заключение можно сказать следующее:

Если мы сравним два цемента одинакового состава с одинаковой удельной поверхностью частиц, которые были получены помолом в разных аппаратах (шаровой мельнице и помольной системе высокого давления), то цемент, полученный с помощью второй системы, имеет более узкую гранулометрию. Если оба эти цемента используются для приготовления идентичных бетонных смесей, то бетон на основе цемента из помольного аппарата высокого давления будет иметь более низкую подвижность бетонной смеси и худшую удобоукладываемость вследствие его более высокой водопотребности. Для этого бетона можно ожидать несколько более высокую конечную прочность. Соответствующей корректировкой состава бетонной смеси эти различия во многих случаях могут быть до некоторой степени компенсированы.

Ответ: В настоящее время традиционный помол в шаровых мельницах (ШМ) все в большей степени заменяют помолом в вертикальных валковых мельницах (ВВМ) и пресс-валках (ПВ). Это происходит благодаря значительно более низкому расходу энергии в этих аппаратах. В целом расход энергии в системах ВВМ и ПВ на одну треть меньше, чем в ШМ. В так называемых комбинированных системах помола, состоящих из ПВ и ШМ, расход энергии составляет от 70 до 80% от энергии, необходимой для помола в ШМ.

Однако гидравлические свойства получаемого продукта, в особенности водопотребность и удобоукладываемость / подвижность бетонной смеси или раствора могут быть разными по причинам, которые до конца не выяснены.

В таблице приведены сравнительные данные для различных систем помола, при этом расход энергии на помол и гидравлические свойства цемента, полученного в шаровой мельнице, приняты за 100% и, следовательно, показатели сравниваются со свойствами цемента, полученного в ШМ:

• традиционная система помола, в которой шаровая мельница работает в замк­нутом цикле с динамическим сепаратором;
• система с вертикальной валковой мельницей;
• система с пресс-валками и динамическим сепаратором;
• комбинированная система, состоящая из пресс-валков и шаровой мельницы с динамическим сепаратором.

Таблица 1. Показатели для различных систем помола

Свойства	Шаровая мельница	Вертикальная валковая мельница	Пресс-валки	Комбинированная система
Расход энергии на помол	100%	66%	63%	70–80%
Наклон кривой гранулометрии	1,1–1,2	1,0–1,1	0,8–1,0	1,0–1,2
Водопотребность	100%	До 110%	До 120%	100%
Удобоукладываемость / текучесть	100%	90–100%	60–90%	100%

         
Основную причину различия показателей (удобоукладываемость / текучесть) при использовании цемента, измельченного в разных системах, относят за счет наклона n кривой грансостава материала, даже несмотря на то, что тонина помола по Блейну одинакова. В общем кривая грансостава цемента, полученного с помощью шаровой мельницы, имеет меньший наклон, чем для цементов, полученных с помощью ВВМ или ПВ. Таким образом, наклон n кривой гранулометрии является основным показателем соотношения между мелкой, средней и крупной фракциями, что непосредственно влияет на такие гидравлические свойства раствора или бетона, как водопотребность и удобоукладываемость / текучесть.

Значение n цемента, полученного в ШМ, обычно находится в диапазоне от 1,1 до 1,2, в то время как цемент, полученый в ВВМ, дает от 1,0 до 1,1. Следовательно, водопотребность может быть выше (до 10%), а удобоукладываемость / текучесть могут быть на величину до 10% меньше по сравнению с цементом, полученным в ШМ. По этой причине разница свойств между этими двумя видами цемента может быть пренебрежимо мала и приемлема.

Помол цемента в аппарате ПВ с динамическим сепаратором часто дает более крутую кривую (величина n составляет от 0,8 до 1,0). Во многих случаях это приводит к появлению неприемлемых свойств цемента, в зависимости от его реакционной способности.

Водопотребность может повыситься на 20% по сравнению с этим показателем для цемента из ШМ, а удобоукладываемость / текучесть бетона или раствора может быть ниже приемлемого уровня. По этой причине помол цемента в аппарате ПВ с динамическим сепаратором не рекомендуется. Однако в случае современных систем, состоящих из ПВ и статического сепаратора, а также динамического сепаратора, можно избежать этой проблемы, применяя активный контроль наклона кривой гранулометрии, смешивая материалы из статического и динамического сепараторов.

Дальнейшим развитием является сочетание в одной системе энергоэффективной ПВ-составляющей и ШМ, что позволяет получать цемент с необходимыми свойствами. В этой так называемой системе смешанного помола в ПВ выполняется около 80% работы (затрачивается около 80% энергии), а в ШМ – остающиеся 20%. Гидравлические свойства получаемого цемента практически идентичны свойствам цемента, полученного в ШМ. Тем не менее, может быть достигнуто значительное снижение расхода энергии.

Была проведена серия испытаний и анализов с целью определить, имеют ли частицы цемента после помола в ПВ такие особенности микроструктуры, как микротрещины. Однако ни одно из выполненных исследований однозначно не подтвердило наличие таких особеннос­тей.
Проблематичные гидравлические свойства цемента не проявляются во всех случаях его применения и их нельзя обобщать, поскольку они в основном зависят от реакционной способности каждого клинкера. К сожалению, эти проблематичные изменения не определяются при расчете системы помола, поэтому к решению проблемы выбора системы помола рекомендуется индивидуальный подход.