Серед найбільш уживаних ресурсів на Землі цемент і бетон посідають друге місце після води. В середньому щороку на одного жителя припадає до однієї тонни цементу. Цей матеріал широко застосовується як в’язкий компонент при виготовленні бетону, залізобетону та різних будівельних розчинів. Попит на цемент у будівництві нових будівель і споруд, а також їх ремонті та реконструкції залишається стабільно високим.

Технологічний процес виробництва цементу включає кілька етапів і завершується помелом клінкеру з додаванням гіпсу. Тонкість помелу є дуже важливою характеристикою для цементу, адже саме вона визначає кількість матеріалу, здатного до гідратації. Від неї також залежить швидкість гідратації та наростання міцності. Процеси подрібнення є енергоємними. На них витрачається до 20% від електроенергії, виробленої у світі. Одночасно близько 70% енергозатрат при виробництві цементу припадає на помел клінкеру. Виходячи з цього, важливі завдання цементної промисловості на сучасному етапі її розвитку можна сформулювати так:

• Підвищення тонкості помелу сировинних матеріалів.

• Впровадження надійного та простого в експлуатації подрібнювального обладнання.

• Зниження енергоємності процесу подрібнення.

Застосування шарового млина для помелу цементу

Принцип дії шарових млинів простий. До складу таких пристроїв входить барабан і мелючі тіла (стержні, шари тощо). Матеріал, який потрібно подрібнити, поміщається у барабан. Барабан починає обертатися. При цьому і мелючі тіла, і матеріал спочатку рухаються по коловій траєкторії разом з барабаном, а потім у певний момент падають вниз. Подрібнення матеріалу досягається за рахунок стирання (частинки матеріалу і мелючі тіла рухаються відносно один одного) та удару. Найчастіше шарові млини на цементних заводах застосовують для подрібнення вихідної сировини та тонкого помелу цементу.

Широке розповсюдження шарових млинів у процесах подрібнення цементу зумовлене кількома факторами, серед яких варто виділити відносно просту конструкцію та високу продуктивність. Однак такі пристрої не позбавлені недоліків. Так, встановлено, що на саме подрібнення витрачається лише від 2 до 20% споживаної електроенергії. Решта ж її частина витрачається на подолання сил тертя, вібрації, звукові коливання та виділяється у вигляді тепла. Шарові млини також дуже матеріаломісткі через швидкий знос робочих елементів. Крім того, таке обладнання характеризується високим рівнем шуму.

Чи існує обладнання, здатне найближчим часом замінити шарові млини у процесах подрібнення цементу? У цій статті розглянемо один із можливих варіантів — застосування апаратів з вихровим шаром ферромагнітних частинок.

Принцип дії апарата вихрового шару

Апарат вихрового шару певною мірою нагадує шаровий млин, але загалом це пристрій з принципово іншим впливом на оброблювану речовину. Перша схожість — наявність робочої камери, у якій відбувається подрібнення. Але якщо в шаровій млині барабан рухомий, то робоча камера апарата вихрового шару нерухома, менша за розміром і обов’язково виготовлена з немагнітного матеріалу. Друга схожість — наявність робочих елементів (циліндричної форми з ферромагнітного матеріалу). Але якщо в шаровому млині робочі елементи рухаються через рух барабана, то в апаратах вихрового шару робочі елементи починають рух по складних траєкторіях під впливом обертового електромагнітного поля. Це поле створюється всередині робочої камери за допомогою обмоток. Фактично конструкція апарата вихрового шару нагадує конструкцію асинхронного двигуна без ротора, замість якого розташована труба (робоча камера).

Первинне електромагнітне поле, створене зовнішнім джерелом електроенергії, взаємодіє з полями ферромагнітних частинок, у результаті чого виникає ряд додаткових ефектів, що позитивно впливають на оброблювану речовину (цемент):

• прямий вплив частинок на речовину;

• магнітострикція (механострикція);

• електрофізичні явища та ін.

Питома потужність цих ефектів настільки велика, що дозволяє не лише подрібнювати і активувати цемент, а й інтенсифікувати ці процеси. Кожна ферромагнітна частинка є одночасно і подрібнювачем, і мішалкою. Рухаючись по складних траєкторіях, робочі елементи повністю заповнюють весь об’єм робочої камери — це ще одна важлива відмінність апарата вихрового шару від шарового млина. Якщо в інших млинах обробка може тривати десятки хвилин або годин, то в апаратах з вихровим шаром ферромагнітних частинок вона займає секунди або лічені хвилини.

На ефективність процесу подрібнення та активації матеріалів у установках з вихровим шаром впливають такі параметри і характеристики:

• напруженість і швидкість обертання магнітного поля;

• об’єм робочої камери;

• коефіцієнти заповнення робочої камери ферромагнітними частинками і матеріалом;

• відношення довжини ферромагнітної частинки до її діаметра тощо.

Оптимізація цих параметрів може здійснюватися експериментальним шляхом залежно від виду оброблюваного матеріалу.

Порівняння характеристик апарата вихрового шару і шарового млина

Порівняння характеристик шарових млинів і апаратів вихрового шару ферромагнітних частинок показує наступне: апарати вихрового шару перевершують шарові млини за низкою параметрів. Зокрема, апарати вихрового шару є багатофункціональними пристроями. На відміну від шарових млинів вони можуть виконувати ультратонкий помел цементу без зниження коефіцієнта корисної дії, а також додатково активувати оброблювані речовини за рахунок впливу електромагнітного поля. При цьому всі необхідні процеси протікають значно швидше. Наприклад, збільшення питомої поверхні з 2800 до 6800 см²/г досягається вже після 120 секунд обробки цементу в апараті. Апарат працює, на відміну від шарового млина, практично безшумно. Активувати цемент можна й без використання ферромагнітних частинок — просто просипаючи його через робочу камеру. У цьому випадку продуктивність процесу буде у кілька разів вищою.

Короткочасна обробка цементу в апараті вихрового шару забезпечує скорочення терміну твердіння бетонів у природних умовах, зменшення витрати цементу або підвищення марки бетону, досягнення високої пластичності сумішей. Використання активованого цементу у всіх цементовмісних композиціях забезпечує високі фізико-механічні та специфічні властивості виробів.

Апарат вихрового шару також дозволяє намагнічувати воду для замішування бетонних сумішей. Замішування цементу намагніченою водою призводить до значного підвищення міцності каменю. При замішуванні звичайною водою існує значний індукційний період кристалізації цементу; у випадку ж замішування намагніченою водою пластична міцність починає активно зростати майже одразу після замішування.

І, мабуть, одна з найважливіших переваг апаратів вихрового шару — це вища енергоефективність. Питомі енергозатрати на одну тонну подрібненого цементу у кілька разів менші, ніж у шарового млина.

Порівняльна характеристика апаратів вихрового шару і шарових млинів як подрібнювачів цементу

Таким чином, апарати вихрового шару ферромагнітних частинок як подрібнювальні пристрої дозволяють вирішити три основні завдання, які стоять на сучасному етапі розвитку цементної промисловості: підвищити тонкість помелу цементу, знизити енергоємність процесу подрібнення, залишаючись при цьому надійними та простими в експлуатації.