2.2 Характеристика основного оборудования
Основным оборудованием на производстве цемента является шаровая мельница и печь обжига.
1 – наклонная течка; 2 – загрузочная камера; 3 – вращающиеся барабан мельницы; 4 – броня; 5 – разгрузочная камера; 6 – привод.
Рисунок 2 – Схема шаровой мельницы
Шаровая мельница состоит из барабана, внутри барабан футеруется кремневыми камнями или стальными плитами и на 20 – 40% заполняется мелющими телами. При вращении барабана мелющие тела под действием центробежной силы прижимаются к стенке барабана и, поднявшись на некоторую высоту, падают, измельчая материал ударом и истиранием при перекатывании. В шаровых мельницах в качестве мелющих тел применяют стальные и керамические шары – первые с размером диаметра 30 – 175 мм, вторые – 65 – 100 мм; короткие стальные цилиндры – стержни с размером диаметра 20 – 80 мм; кубы; усеченные конусы и т.д. Для уменьшения износа стальных мелющих тел и футеровки барабана их изготовляют из марганцовистой стали или специальных чугунов.
По принципу действия шаровые мельницы делятся на мельницы периодического и непрерывного действия с измельчением материала сухим или мокрым способом.
При мокром способе измельчения частицы, измельченные до заданных размеров, удаляются из мельницы при непрерывном сливе воды.
Цилиндрические мельницы изготовляются с диаметром барабана от 1 до 2,4 м, с отношением длины к диаметру барабана в трубчатых мельницах Чем больше размер кусков исходного материала, тем больше должен быть диаметр барабана.
В трубчатой мельнице виду большой длины барабана достигается большая степень измельчения и получается более равномерный по крупности, чем в цилиндрических мельницах, готовый продукт, так как материал за время прохождения от загрузочной до загрузочной цапфы полностью измельчается. Трубчатая мельница заполняется шарами одного размера.
Степень измельчения на шаровых мельницах i=50÷100. Размер кусков исходного материала 25 – 65 мм.
Барабан шаровой мельницы изготовляется из котельной листовой стали сваркой или клепкой. Толщина листа δ берется в зависимости от диаметра барабана D: δ=(0,01 – 0,015) D см, где меньшее значение берется для цилиндрических мельниц, а большее – для трубчатых мельниц. Для мельниц с кремневыми мелющими телами толщина листа берется меньшей. Днища изготавливаются литыми.
Достоинства шаровых мельниц: высокая производительность; возможность измельчения разных материалов; однородность готового продукта; надежность и безопасность работы; простота в обслуживании. К недостаткам можно отнести: громоздкость и большой вес; большой удельный расход энергии; шум во время работы.
Технологическая схема производства различных силикатов, складывается из однотипных процессов и операций. К ним относятся чисто механические операций: дробление, размол, смешивание твердых материалов при подготовке сырьевой смеси и физико-химические процессы, происходящие при высокотемпературной обработке шихты, с образованием тех или иных минералов или смесей.
Обжиг сырьевой шихты и получение клинкера – наиболее важная стадия процесса производства цемента. Тонкоизмельченную и тщательно перемешанную сырьевую смесь соответствующего химического состава обжигают при температуре 1400 – 1500°С в печах обжига. Образующийся в результате обжига спекшийся камнеподобный продукт (клинкер) характеризуется сложным минералогическим составом и сложной микрокристаллической структурой.
Качество клинкера и свойства цемента зависят от физических свойств и химического состава обжигаемой сырьевой смеси, вида и качества топлива, температуры и продолжительности обжига, а также от скорости охлаждения клинкера.
Обжиг сырьевой шихты осуществляется в трех барабанных вращающихся печах. Стальной корпус печи внутри футерован огнеупорными материалами. Размеры печи Æ 3,6х120,4 м. Проектная производительность печи – 20 т/час клинкера.
1 – уплотнение холодного конца печи; 2 – фильтр-подогреватель шлама; 3 –гирляндная цепная завеса; 4 – теплообменные устройства; 5 – устройство для возврата пыли в печь; 6 – бандаж; 7 – зубчатый венец; 8 – пробоотборные лючки; 9 – приводной механизм; 10 – оболочка печи; 11– огнеупорная футеровка; 12 –устройство для охлаждения корпуса печи в зоне спекания; 13 – аэродинамическое уплотнение горячего конца; 14 – колосниковый холодильник; 15 – роликоопора; 16 – роликоопора с контрольными роликами; 17– роликоопора с предохранительными упорами; 18 – маслонасосы и фильтры охладители.
Рисунок 3 – Вращающаяся печь
В качестве топлива для обжига используется природный газ, который поступает от газо-распределительного устройства (ГРУ) по трубопроводу через гибкий переходник в корпус газовой горелки и, проходя через горелку, сгорает в печи. Газовый факел регулируется в печи с помощью изменения струи газа дросселирующим и завихряющим аппаратами горелки, положением горелки в печи. Смешение газа с воздухом происходит вне горелки. Для поддержания реакции горения топлива и регулировки формы факела используется первичный воздух, подаваемый вентиляторами.
Процесс должен проводиться в окислительной среде. Содержание в отходящих газах углекислого газа (СО2) должно находиться в пределах от 17 до 25%, содержание кислорода – от 1,0 до 2,0%. Отходящие газы после печи проходят через систему очистки от пыли в электрофильтре.
Печь установлена с уклоном 3,5º на роликовые опоры; частота вращения составляет 1,2 – 1,8 оборота в минуту.
Поступившая из сборного бассейна в ковшовый дозатор сырьевая шихта через шламовую трубу самотеком направляется в верхнюю загрузочную часть («холодный» конец) печи.
В результате вращения барабана, обжигаемый материал перемещается к нижней разгрузочной части («горячему» концу) печи. Топливо подается в барабан и сгорает со стороны «горячего» конца печи. Образующиеся при этом раскаленные дымовые газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу и нагревают его до 1400 – 1450оС, а сами охлаждаются. В печи обжига имеется цепная завеса, служащая теплообменником. Обожженный материал в виде клинкера выходит из барабана с температурой от 1000 до 1100оС и поступает в рекуператорные холодильники, где охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом до температуры 180 – 280оС.
В шихте при нагревании происходят физико-механические процессы: удаление влаги, декарбонизация известняка, химические реакции, как в твердом, так и в жидком состоянии, а также спекание.
Условно различают шесть температурных зон в печи обжига. Между зонами нет строгих границ, так как трудно установить температуру газа, материала и поверхности футеровки в отдельных зонах; протекающие реакции также частично перекрываются или идут параллельно.
По характеру процессов температурные зоны в печи называют:
I – зона испарения (сушка шихты) – температура до 200оС;
II – зона подогрева — температура в диапазоне 200 – 800оС;
III – зона декарбонизации (кальцинирования) – температура в диапазоне 800 – 1000оС;
IV – зона экзотермических реакций — температура в диапазоне 1000 – 1300оС;
V – зона спекания – температура в диапазоне 1300 – 1450оС;
VI – зона охлаждения – температура в диапазоне 1300 – 1000оС.
При нагревании шихта сначала несколько разжижается и становится более подвижной, затем вязкость увеличивается и происходит ее комкование, при дальнейшем нагревании комья распадаются на значительно более мелкие гранулы.
В зоне испарения I, находящейся в «холодной» части печи, поступающая сырьевая смесь подвергается действию нагретых до высокой температуры отходящих дымовых газов. В результате шихта нагревается, и из нее испаряется влага. Температура отходящих дымовых газов при этом снижается примерно с 800 – 1000 до 180 – 300оС.
Для утилизации теплоты отходящих газов и повышения степени теплообмена между материалом и горячими газами в зоне сушки размещено теплообменное устройство – цепная завеса, состоящая из цепей, подвешенных определенным способом.
Цепная завеса не только выполняет функцию теплообменника, значительно увеличивая поверхность теплопередачи в зоне сушки, но и оказывает влияние на образование и улавливание пыли.
В зоне подогрева II, высушенный материал, продвигаясь вдоль печи, подвергается воздействию более горячих газов и нагревается приблизительно до 600оС. В этой зоне наряду с подогревом, выгорают органические примеси, и теряется вода, содержащаяся в минералах глинистого компонента. Потеря химически связанной воды (дегидратация) приводит к тому, что глинистый компонент теряет связующие свойства. При этом происходит частичное или полное разложение глинистых минералов на свободные оксиды: SiO2 и Al2O3 , а также декарбонизация углекислого магния.
MgCO3→MgO + CO2.
В зоне декарбонизации III протекает процесс разложения карбоната кальция. Декарбонизация СаСО3 требует значительных затрат теплоты, поэтому подводимая теплота расходуется на протекание реакции, а не на нагревание материала, что и обуславливает медленный рост температуры сырьевой смеси в этой зоне.
CaCO3→CaO + CO2.
Одновременно с диссоциацией карбонатов идут твердофазные реакции между основным оксидом СаО и кислотными оксидами SiO2, Fe2O3, Al2O3.
В зоне экзотермических реакций IV, взаимодействие между основным и кислотными оксидами продвигающегося материала протекает с большой скоростью вследствие более высокой температуры. Эти твердофазовые реакции осуществляются с выделением теплоты (экзотермические реакции). При температуре 1200оС и выше – происходит насыщение образовавшихся ранее низкоосновных соединений до соответствующих клинкерных минералов. Все клинкерные минералы, кроме алита, образуются в результате твердофазовых взаимодействий. Однокальциевый силикат превращается в двухкальциевый силикат, 2СаО × SiO2 (С2S), однокальциевый алюминат – в трехкальциевый алюминат, 3СаО × Al2O3 (С3А), оксид железа – в 4СаО × Al2O3 × Fe2O3 (С4АF) или 2СаО× Fe2O3 (С2 F).
В результате бурного протекания этих реакций, сопровождающихся выделением большого количества теплоты, температура материала повышается на 200 – 250оС. При температуре 1300оС твердофазовые процессы образования минералов заканчиваются, и материал к этому моменту состоит из образовавшихся соединений С2S , С3А, С4АF, С2F, СаО, МgО и некоторых других соединений.
В зоне спекания V, материал частично плавится, т.е. спекается. Этот процесс начинается при температуре 1300оС, продолжается при дальнейшем повышении до 1400 – 1450оС и последующем охлаждении до 1300оС. После расплавления в зоне спекания части материала, и образования жидкой фазы, в твердом состоянии остаются главным образом только двухкальциевый силикат С2S (белит), который частично также растворяется в жидкой фазе. Соединяясь в расплавленном состоянии с оксидом кальция, С2S образует трехкальциевый силикат – С3S (алит). С3S менее растворим в расплаве, чем С2S, и, поэтому выкристаллизовывается из жидкой фазы. При этом количества СаО и С2S в расплаве уменьшаются, и в нем растворяются новые порции этих соединений, которые опять вступают в реакцию и т.д.
Образование алита в условиях обжига завершается за 25 – 30 мин. За это время почти весь свободный оксид кальция успевает раствориться в расплаве и принять участие в реакции образования трехкальциевого силиката, но часть двухкальциевого силиката остается непрореагировавшей.
Трехкальциевый силикат, 3СаО × SiO2, алит – главная составная часть портландцементного клинкера. Желательно, чтобы алит был представлен в клинкере в виде хорошо оформленных некрупных кристаллов. Это достигается при сравнительно быстром обжиге и быстром охлаждении клинкера. Из зоны спекания клинкер поступает в зону охлаждения печи.
В зоне охлаждения VI температура клинкера падает c 1300 до 1000 – 1100оС, в результате чего расплав кристаллизуется, и из него выделяются минералы: С3S, С2S , С3А, С4АF, МgО, а часть жидкой фазы затвердевает в виде стекла. Далее материал поступает в рекуператорные холодильники, где он охлаждается до 180 – 280оС.
Процесс охлаждения влияет на качество клинкера: при быстром охлаждении образуется мелкокристаллическая структура, которая способствует получению клинкера более высокой механической прочности.
К основным клинкерным фазам относятся: алит – С3S, белит – С2S и заполняющее пространство между ними промежуточное вещество. В составе алита имеются включения небольшого количества оксидов магния, алюминия, железа, щелочей и некоторых других соединений. Белит состоит в основном, из бета – модификации С2S и небольшого количества других модификаций С2S, оксидов магния, алюминия, железа, щелочей и некоторых других соединений. В промежуточное вещество входят минералы – алюминаты и алюмоферриты кальция, оставшиеся свободными СаО и МgО. В составе алюминатов и алюмоферритов кальция в твердом растворе могут находиться включения небольшого количества оксида магния, щелочей и некоторых других соединений. Содержание свободной окиси кальция в клинкере не должно быть больше 1%.
После охлаждения в рекуператорных холодильниках клинкер ковшовым конвейером отправляется на склад.
2.3 Материальный расчет процесса получения клинкера
Для получения расчета двухкомпонентной сырьевой смеси необходимо знать химический состав сырьевых компонентов и задаться величиной КН.
Химический состав сырьевых компонентов в процентном содержании представлен в таблице.
Расчет выполняется КН = 0,95.
Реакции горения горючих составляющих топлива:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O;
C2H6 + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2O;
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O;
C4H10 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O.
Расчет расхода воздуха при горении природного газа и объема образующихся дымовых газов, представляется в виде таблице (см. Табл. 2.6)
Таблица 2.7 — Тепловой баланс печи обжига клинкера на 1 час работы печи
Продолжение таблицы 2.7 — Тепловой баланс печи обжига клинкера на 1 час работы печи
2.5 Расчет печи для обжига цементного клинкера
Нагрузка на печь состоит из веса обечайки, колец жесткости, накладок, веса материала в печи.
2.6 Расчёт шаровой мельницы
В производстве цемента применяются шаровые мельницы с внутренним диаметром 2,2м и длиной 13м с центральным приводом. Расчет шаровой мельницы принятой длины и диаметра (в свету) сводится к определению скорости вращения мельницы, диаметра и массы загружаемых шаров, производительности мельницы по измельченному продукту, мощности электропровода и расхода электроэнергии на измельчение.
Вывод: был изучен процесс получения портландцемента по мокрому способу и описано основное технологическое оборудование. Были произведены расчеты материального баланса получения клинкера, где приход и расход сошлись, а также произведён расчёт печи для обжига цементного клинкера и шаровой мельницы.
Глава 3. Экономическая часть
3.1 Основное оборудование
Основные фонды – это средства труда, которые многократно участвуют в производственном процессе, сохраняя при этом свою натуральную формулу, постепенно изнашиваясь, переносят свою стоимость по частям на вновь создаваемую продукцию. К ним относят фонды со сроком службы более одного года и стоимостью более 100 минимальных месячных заработных плат. Основные фонды подразделяются на производственные и непроизводственные фонды.
Производственные фонды участвуют в процессе изготовления продукции или оказании услуг (станки, машины, приборы, передаточные устройства и т.д.).
Непроизводственные основные фонды не участвуют в процессе создания продукции (жилые дома, детские сады, клубы, стадионы, поликлиники, санатории и т. д.).
Выделяются следующие группы и подгруппы основных производственных фондов:
1) Здания (архитектурно-строительные объекты производственного назначения: корпуса цехов, складские помещения, производственные лаборатории и т.д.).
2) Сооружения (инженерно-строительные объекты, создающие условия для осуществления процесса производства: тоннели, эстакады, автомобильные дороги, дымовые трубы на отдельном фундаменте и т.д.).
3) Передаточные устройства (устройства для передачи электроэнергии, жидких и газообразных веществ: электросети, теплосети, газовые сети, трансмиссии и т.д.).
4) Машины и оборудование (силовые машины и оборудование, рабочие машины и оборудование, измерительные и регулирующие приборы и устройства, вычислительная техника, автоматические машины, прочие машины и оборудование и пр.).
5) Транспортные средства (тепловозы, вагоны, автомобили, мотоциклы, кары, тележки и т.д., кроме конвейеров и транспортеров, включаемых в состав производственного оборудования).
6) Инструмент (режущий, ударный, давящий, уплотняющий, а также различные приспособления для крепления, монтажа и т.д.), кроме специального инструмента и специальной оснастки.
7) Производственный инвентарь и принадлежности (предметы для облегчения выполнения производственных операций: рабочие столы, верстаки, ограждения, вентиляторы, тара, стеллажи и т.п.).
8) Хозяйственный инвентарь (предметы конторского и хозяйственного обеспечения: столы, шкафы, вешалки, пишущие машинки, сейфы, множительные аппараты и т.п.).
9) Прочие основные фонды. В состав этой группы включают библиотечные фонды, музейные ценности и т.д.
Удельный вес (в процентах) различных групп основных фондов в общей стоимости их на предприятии представляет структуру основных фондов. На предприятиях машиностроения в структуре основных фондов наибольший удельный вес занимают: машины и оборудование – в среднем около 50%, здания – около 37%.
В зависимости от степени непосредственного воздействия на предметы труда и производственную мощность предприятия основные производственные фонды подразделяют на активные и пассивные. К активной части основных фондов относят машины и оборудование, транспортные средства, инструменты. К пассивной части основных фондов относят все остальные группы основных фондов. Они создают условия для нормальной работы предприятия.
Стоимость технологического оборудования определяется на основании его количества и цены. Цены принимаются среднеотраслевые.
Проектируемое производство характеризуется наличием трубопроводов. В дипломном проекте их стоимость принимается по среднеотраслевому показателю 15% от стоимости оборудования:
Обеспечение нормального хода технологического процесса определяется контрольно-измерительными и регулирующими приборами. В проектируемом производстве их стоимость составляет 5% от итоговой стоимости оборудования:
На основании вышеизложенных расчетов определяется итоговая стоимость основных фондов.
Итоговая стоимость основных фондов представлена в таблице 3.2
Таблица 3.2- Итоговая стоимость основных фондов
Амортизация — это процесс переноса стоимости основных средств на стоимость готовой продукции, то есть денежная оценка износа основных средств.
Норма амортизации представляет собой установленный государством годовой процент погашения стоимости основных фондов и определяет сумму ежегодных амортизационных отчислений.
Амортизационные начисления образуют амортизационный фонд. Он расходуется на полное восстановление основных средств, то есть покупку или строительство новых.
Годовая сумма амортизационных отчислений определяется по формуле:
Расчет амортизационных отчислений представлен в таблице 3.3
Таблица 3.3- Расчет годовой суммы амортизации
Продолжение таблицы 3.3- Расчет годовой суммы амортизации
3.2 Расчет материальных затрат на производство
Сырье — это материал, предназначенный для дальнейшей обработки на производстве. По сути, именно с него начинается выпуск любой продукции. Переоценить роль исходного материала сложно, так как именно от этого зависит качество изделия. Сегодня существует огромное количество различных групп, подгрупп и видов сырья. Классификация сырья — это весьма условное понятие. Принято выделять две основные группы: промышленное и сельскохозяйственное. К промышленному относятся полезные ископаемые и энергоносители. Сельскохозяйственное сырье — это зерновые, молочные продукты, мясо, лекарственные растения. Разделить все виды сырья можно еще на две группы: оно может быть первичным (непосредственно добытым или собранным) и вторичным (в виде побочного продукта). Вторичная группа материалов широко используется в промышленности, что позволяет значительно сократить затраты. По происхождению все виды сырья можно разделить на 4 подгруппы:
1) Растительного происхождения (злаки, плодово — овощные культуры, травы).
2) Животного происхождения (молочные продукты, экскременты животных).
3) Минерального происхождения (природный газ, уголь).
4) Биосфера (вода и воздух).
Материальные затраты – это часть средств, которые тратят на производство услуг и товаров. В эту долю входят затраты на транспортировку, сырьё, обслуживание материалов, хранение, само производство, дальнейшую обработку и так далее до получения дохода и реализации. Материальные затраты составляют часть себестоимости готового продукта.
Стоимость материальных затрат на производство 360 000 тонн клинкера в год
Таблица 3.4 — Стоимость материальных затрат на производство 1 тонны готового продукта
Стоимость материальных затрат на производство 360 000 тонн клинкера в год будет равно: 309 047 400 рублей.