Rawmill - Rawmill
Un moulin à matières premières est l'équipement utilisé pour broyer les matières premières en « mélange brut » lors de la fabrication du ciment . Rawmix est ensuite acheminé vers un four à ciment , qui le transforme en clinker , qui est ensuite broyé pour fabriquer du ciment dans le broyeur à ciment . L'étape de broyage brut du procédé définit efficacement la chimie (et donc les propriétés physiques) du ciment fini, et a un effet important sur l'efficacité de l'ensemble du processus de fabrication.
Histoire
L'histoire du développement de la technologie de broyage des matières premières définit les débuts de la technologie du ciment. D'autres étapes de la fabrication du ciment utilisaient la technologie existante dans les premiers jours. Les premiers matériaux hydrauliques tels que les chaux hydrauliques , les ciments naturels et le ciment romain de Parker étaient tous à base de matières premières «naturelles», brûlées «telles que creusées». Étant donné que ces mélanges naturels de minéraux ne se produisent que rarement, les fabricants souhaitaient fabriquer un mélange artificiel à grain fin de minéraux facilement disponibles tels que le calcaire et l'argile qui pourraient être utilisés de la même manière. Un problème typique serait de faire un mélange intime de 75% de craie et 25% d'argile, et de le brûler pour produire un "ciment artificiel". Le développement de la méthode "humide" de production d'argile à grains fins dans l' industrie de la céramique a permis Pour cette raison, les premières industries du ciment utilisaient le "procédé humide", dans lequel les matières premières sont broyées avec de l'eau, pour produire une boue contenant 20 à 50% d'eau. Louis Vicat et James Frost ont tous deux utilisé cette technique au début du 19ème siècle, et il est resté le seul moyen de faire du mélange brut pour le ciment Portland jusqu'en 1890. Une modification de la technique utilisée par les débuts de l'industrie était la "double combustion", dans laquelle un calcaire dur serait brûlé et éteint avant de se combiner avec de la boue d'argile. Cette technique évitait le broyage de la pierre dure et était employée, entre autres, par Joseph Aspdin . La première technologie de broyage était médiocre et les premières boues étaient minces, avec une teneur élevée en eau. se tenir en grand réservoirs ("slurry-backs") pendant plusieurs semaines. Les grosses particules non broyées tomberaient vers le bas et l'excès d'eau montait vers le haut. L'eau a été périodiquement décantée jusqu'à ce qu'un gâteau rigide, de la consistance de l'argile de poterie, soit laissé. Cela a été coupé en tranches, jetant le matériau grossier au fond, et brûlé dans le four. Le broyage humide est relativement économe en énergie, et donc, lorsqu'un bon équipement de broyage à sec est devenu disponible, le processus humide a continué à être utilisé tout au long du 20e siècle, utilisant souvent un équipement que Josiah Wedgwood aurait reconnu.
Matériaux au sol
Les mélanges bruts sont formulés pour contenir une chimie correctement équilibrée pour la production de silicates de calcium ( alite et bélite ) et de fondants ( aluminate et ferrite ) dans le four. Les données d'analyse chimique dans la fabrication du ciment sont exprimées en termes d'oxydes, et les plus importants de ceux-ci dans la conception des mélanges bruts sont SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 et CaO. En principe, tout matériau qui peut contribuer à l'un de ces oxydes peut être utilisé comme composant de mélange brut. Le principal oxyde requis étant le CaO, le composant brut le plus répandu est le calcaire , tandis que les autres sont principalement constitués d' argile ou de schiste . Des ajustements mineurs à la chimie sont effectués par de plus petits ajouts de matériaux tels que ceux indiqués ci-dessous.
Analyses chimiques typiques des composants Rawmix:
| Oxyde | Calcaire gris | Calcaire blanc | Marne | Argile | Le sable | Millscale | Kaolin | Bauxite | Cendres volantes |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO 2 | 6,6 | 2,1 | 14,1 | 61,6 | 98,0 | 1.3 | 46,1 | 11,1 | 48,1 |
| Al 2 O 3 | 1,5 | 0,3 | 3,3 | 17,5 | 0,9 | 1.2 | 38,5 | 54,4 | 26,5 |
| Fe 2 O 3 | 0,7 | 0,13 | 1.3 | 7,5 | 0,13 | 96,8 | 0,35 | 9.7 | 6 |
| CaO | 48,4 | 53,7 | 43,8 | 1.1 | 0,1 | 0,3 | 0,3 | 0,6 | 4.7 |
| MgO | 2.0 | 0,8 | 0,7 | 1.1 | 0,0 | 0,6 | 0,1 | 0,1 | 1.2 |
| Na 2 O | 0,07 | 0,02 | 0,07 | 0,5 | 0,02 | 0,11 | 0,01 | 0,05 | 0,3 |
| K 2 O | 0,27 | 0,08 | 0,43 | 1,9 | 0,37 | 0,05 | 0,09 | 0,05 | 1.3 |
| TiO 2 | 0,06 | 0,02 | 0,15 | 0,8 | 0,06 | 0,30 | 0,9 | 2,1 | 1,5 |
| Mn 2 O 3 | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,12 | 0 | 0,63 | 0 | 0,09 | 0,07 |
| LoI 950 | 40,0 | 42,7 | 35,8 | 6,8 | 0,3 | 0 | 13,7 | 20,8 | 9,1 |
Remarque: La LoI 950 est la perte au feu à 950 ° C et représente (approximativement) les composants perdus pendant le traitement au four. Il se compose principalement de CO 2 des carbonates, de H 2 O des hydrates d'argile et de carbone organique.
En utilisant ces matériaux, des mélanges bruts typiques pourraient être composés:
- Mélange 1: Ciment à usage général: 88,0% de calcaire gris, 8,9% d'argile, 2,2% de sable et 0,9% d'écaille.
- Mélange 2: Ciment résistant aux sulfates: 87,6% de calcaire gris, 5,2% d'argile, 5,0% de sable et 2,2% d'écaille.
- Mélange 3: Ciment blanc : 82,3% de calcaire blanc, 6,8% de kaolin et 10,9% de sable.
Les analyses chimiques de ces mélanges bruts seraient:
| Oxyde | Mélanger 1 | Mélanger 2 | Mélanger 3 |
|---|---|---|---|
| SiO 2 | 13,46 | 13,91 | 15,55 |
| Al 2 O 3 | 2,91 | 2.30 | 2,96 |
| Fe 2 O 3 | 2,16 | 3.14 | 0,14 |
| CaO | 42,69 | 42,47 | 44,23 |
| MgO | 1,86 | 1,82 | 0,67 |
| Na 2 O | 0,11 | 0,09 | 0,02 |
| K 2 O | 0,41 | 0,35 | 0,11 |
| TiO 2 | 0,13 | 0,10 | 0,09 |
| Mn 2 O 3 | 0,04 | 0,05 | 0,01 |
| LoI 950 | 35,8 | 35,4 | 36,1 |
Les matières premières et mélanges présentés ne sont que «typiques»: des variations considérables sont possibles en fonction des matières premières disponibles.
Contrôle des éléments mineurs
Outre les oxydes majeurs (CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 et Fe 2 O 3 ), les oxydes mineurs sont, au mieux, des diluants du clinker, et peuvent être nuisibles. Cependant, les matières premières du ciment sont pour la plupart extraites de la croûte terrestre et contiennent la plupart des éléments du tableau périodique dans une certaine quantité. Le fabricant sélectionne donc les matériaux de manière à minimiser ou à maîtriser les effets délétères des éléments mineurs. Les éléments mineurs fréquemment rencontrés sont les suivants:
- Le fluor est bénéfique pour le procédé au four en ce qu'il permet à l'alite de se former à une température plus basse. Cependant, à des niveaux supérieurs à 0,25% dans le clinker, il en résulte un temps de prise du ciment retardé et erratique.
- Les métaux alcalins (principalement le sodium et le potassium ) posent des problèmes de traitement car ils forment des sels volatils dans le système de four. Ceux-ci s'évaporent dans la zone de combustion du four et se recondensent dans les régions plus froides du préchauffeur, provoquant des blocages. Les alcalis sont également nocifs pour le béton, provoquant potentiellement une réaction de silice alcaline . Pour cette raison, de nombreuses normes limitent les alcalis (généralement exprimés en «équivalent de soude total» qui est Na 2 O + 0,658 K 2 O). Les limites de spécification typiques sont comprises entre 0,5 et 0,8%.
- Le MgO cause des problèmes à des niveaux supérieurs à 2,5%. De petites quantités sont logées en solution solide dans les minéraux de clinker, mais au-dessus de 2,5%, du MgO «libre» existe dans le clinker sous forme de périclase . Cela peut s'hydrater lentement en Mg (OH) 2 avec une expansion dans le béton durci, provoquant des fissures. Un traitement minutieux du clinker pour conserver la périclase sous une forme microcristalline permet de gérer des niveaux jusqu'à 5% sans effet grave. Toutes les normes limitent le MgO, les limites typiques étant comprises entre 4 et 6%.
- Le P 2 O 5 à des niveaux supérieurs à 0,5% commence à provoquer une prise lente et une faible réactivité du clinker.
- Le chlore produit des sels très volatils et par conséquent des blocages du préchauffeur, et est généralement limité à moins de 0,1% dans le mélange brut.
- Le TiO 2 est omniprésent, mais il est rarement présent à des niveaux (~ 1%) qui pourraient causer des problèmes.
- Le chrome peut se transformer en chromates (Cr [VI]) dans le ciment, en particulier lorsque le clinker est riche en sulfate. Les chromates provoquent une dermatite de contact allergique chez les utilisateurs de ciment, et pour cette raison, la teneur en Cr [VI] du ciment est limitée dans de nombreuses normes à 0,0002%. Les mélanges bruts naturels typiques contiennent environ 0,01% de Cr 2 O 3 , et à ce niveau, la formation de Cr [VI] peut être contrôlée. Le chrome présent dans le ciment sous forme de Cr [III] est sans conséquence.
- Le Mn 2 O 3 n'est pas nocif car il remplace le fer. Mais il apporte plus de couleur au ciment que le fer, et les ciments à haute teneur en Mn 2 O 3 (> 1%) sont presque noirs.
- Le ZnO est présent dans certains additifs de mélange brut (ainsi que dans les pneus utilisés comme combustible de four). À des niveaux supérieurs à 0,2%, il provoque une prise lente et une faible réactivité du clinker.
- Le strontium et le baryum agissent comme des substituts du calcium et ne commencent à réduire la réactivité du clinker qu'à des niveaux de 1,5% et 0,2% respectivement.
- Métaux lourds toxiques : parmi ceux-ci, de faibles niveaux d' arsenic , de sélénium , de cadmium , d' antimoine et de tungstène ne sont pas un problème, car ils sont absorbés dans la structure de base du clinker sous forme d'anions. D'autre part, le mercure , le thallium et le plomb doivent être soigneusement contrôlés car ils peuvent être émis sous forme d'halogénures volatils dans les gaz d'échappement du four.
Moulins à eau humides
Le broyage humide est plus efficace que le broyage à sec car l'eau recouvre les surfaces nouvellement formées de particules cassées et empêche la réagglomération. Le processus de mélange et d'homogénéisation du mélange brut est également beaucoup plus facile lorsqu'il est sous forme de suspension. L'inconvénient est que l'eau dans la suspension résultante doit être éliminée ultérieurement, ce qui nécessite généralement beaucoup d'énergie. Alors que l'énergie était bon marché, le broyage humide était courant, mais depuis 1970, la situation a radicalement changé et une nouvelle usine de traitement par voie humide est désormais rarement installée. Le broyage humide est effectué par deux moyens distincts: les moulins à laver et les moulins à billes.
Moulin à laver
Il s'agit de la toute première technologie de broyage des matières premières et a été utilisé pour broyer des matériaux tendres tels que la craie et l'argile. C'est assez similaire à un robot culinaire. Il se compose d'une grande cuve (jusqu'à 15 m de diamètre) dans laquelle les matières premières broyées (jusqu'à moins de 250 mm) sont déversées avec un jet d'eau. Le matériau est agité par des ensembles rotatifs de herses . Les parois extérieures du bol sont constituées de grilles ou de plaques perforées à travers lesquelles peuvent passer les produits fins. Le broyage est largement autogène (c'est-à-dire qu'il a lieu par collision entre des morceaux de matière première), et est très efficace, produisant peu de chaleur résiduelle, à condition que les matériaux soient mous. Typiquement, deux ou trois moulins de lavage sont connectés en série, ceux-ci étant pourvus de perforations de sortie successivement plus petites. L'ensemble du système peut produire du lisier avec une dépense aussi faible que 5 kW · h d'électricité par tonne sèche. Les minéraux relativement durs (comme le silex) dans le mélange, sont plus ou moins intacts par le processus de broyage et se déposent dans la base du moulin, d'où ils sont périodiquement extraits.
Moulins à balles et tambours à laver
Le broyeur à boulets permet de broyer les calcaires plus durs qui sont plus courants que la craie. Un broyeur à boulets se compose d'un cylindre horizontal qui tourne sur son axe. Il contient des supports de broyage sphériques, cylindriques ou en forme de tige de 15 à 100 mm qui peuvent être de l'acier ou une variété de matériaux céramiques et occupent 20 à 30% du volume du broyeur. La coque du moulin est revêtue de plaques d'acier ou de caoutchouc. Le broyage est effectué par impact et attrition entre les supports de broyage. Les divers composants minéraux du mélange brut sont introduits dans le broyeur à un débit constant avec de l'eau, et la suspension s'écoule de l'extrémité de sortie. Le tambour de lavage a un concept similaire, mais contient peu ou pas de média de broyage, le broyage étant autogène, par l'action en cascade des plus gros morceaux de matière première. Il convient aux matériaux tendres, et en particulier à la craie silex, où le silex non broyé sert de média de broyage.
Finesse et teneur en humidité du lisier
Il est essentiel que les grosses particules (> 150 μm pour le carbonate de calcium et> 45 μm pour le quartz) soient éliminées du mélange brut, afin de faciliter la combinaison chimique dans le four. Dans le cas des boues, les particules plus grosses peuvent être éliminées par des hydrocyclones ou des dispositifs de tamisage. Celles-ci nécessitent une certaine quantité d'énergie, fournie par pompage haute pression. Ce processus, ainsi que le déplacement et le mélange de la suspension, nécessitent un contrôle minutieux de la viscosité de la suspension. Il est clair qu'une suspension plus fine est facilement obtenue en ajoutant plus d'eau, mais au détriment d'une consommation d'énergie élevée pour son élimination ultérieure. En pratique, le lisier est donc rendu aussi épais que l'équipement de l'usine peut le traiter. Les boues de ciment brut sont des plastiques Bingham qui peuvent également présenter un comportement thixotrope ou rhéopectique . L'énergie nécessaire pour pomper la suspension à une vitesse souhaitée est contrôlée principalement par la limite d'élasticité de la suspension , et celle-ci varie à son tour plus ou moins exponentiellement avec le rapport solides / liquide de la suspension. Dans la pratique, des défloculants sont souvent ajoutés afin de maintenir la pompabilité à de faibles teneurs en humidité. Défloculants de courants utilisés (à taux de dose typique de 0,005 à 0,03%) sont le carbonate de sodium , le silicate de sodium , des polyphosphates de sodium et les lignosulfonates . Dans des circonstances favorables, des boues pompables contenant moins de 25% d'eau peuvent être obtenues.
Les mélanges bruts contiennent souvent des minéraux de dureté contrastée, tels que la calcite et le quartz. Le broyage simultané de ceux-ci dans une usine de fabrication de matières premières est inefficace, car l'énergie de broyage est préférentiellement utilisée pour broyer le matériau plus mou. Il en résulte une grande quantité de matière molle excessivement fine, qui "amortit" le broyage du minéral plus dur. Pour cette raison, le sable est parfois broyé séparément, puis acheminé vers le moulin principal sous forme de bouillie fine.
Moulins à cru secs
Les broyeurs à sec sont la technologie courante installée aujourd'hui, permettant de minimiser la consommation d'énergie et les émissions de CO 2 . En général, les matières premières du ciment sont principalement extraites et contiennent donc une certaine quantité d'humidité naturelle. Tenter de broyer un matériau humide est infructueux car une «boue» insoluble se forme. D'un autre côté, il est beaucoup plus facile de sécher un matériau fin qu'un matériau grossier, car les grosses particules retiennent l'humidité profondément dans leur structure. Il est donc courant de sécher et de broyer simultanément les matières dans le moulin. Un four à air chaud peut être utilisé pour fournir cette chaleur, mais des gaz résiduaires chauds du four sont généralement utilisés. Pour cette raison, le moulin à cru est généralement placé à proximité du préchauffeur du four. Les types de broyeurs à sec comprennent les broyeurs à boulets, les broyeurs à rouleaux et les broyeurs à marteaux.
Broyeurs à boulets
Ceux-ci sont similaires aux broyeurs à ciment , mais souvent avec un débit de gaz plus important. La température du gaz est contrôlée par des purges d'air froid pour assurer un produit sec sans surchauffer le broyeur. Le produit passe dans un séparateur d'air, qui renvoie les particules surdimensionnées à l'entrée du broyeur. Parfois, le broyeur est précédé d'un broyeur à marteaux à air chaud qui effectue la majeure partie du séchage et produit une alimentation millimétrique pour le broyeur. Les broyeurs à boulets sont plutôt inefficaces et nécessitent généralement 10 à 20 kW · h d'énergie électrique pour produire une tonne de mélange brut. Le broyeur Aerofall est parfois utilisé pour le pré-broyage de grandes charges humides. Il s'agit d'un broyeur semi-autogène court et de grand diamètre, contenant typiquement 15% en volume de très grosses billes de broyage (130 mm). L'avance peut atteindre 250 mm et les gros morceaux produisent une grande partie de l'action de broyage. Le broyeur est balayé par l'air et les fines sont entraînées dans le courant de gaz. Le broyage et le séchage sont efficaces, mais le produit est grossier (environ 100 µm), et est généralement rebroyé dans un broyeur à boulets séparé.
Broyeurs à rouleaux
Il s'agit de la forme standard dans les installations modernes, parfois appelées broyeurs à broche verticale . Dans un agencement typique, le matériau est amené sur une table rotative, sur laquelle des rouleaux en acier s'enfoncent. Une vitesse élevée du flux de gaz chaud est maintenue près de la coupelle de sorte que les fines particules sont balayées dès qu'elles sont produites. Le flux de gaz transporte les fines dans un séparateur d'air intégré, qui renvoie les plus grosses particules vers le chemin de broyage. Le matériau fin est balayé dans les gaz d'échappement et capturé par un cyclone avant d'être pompé vers le stockage. Le gaz poussiéreux restant est généralement renvoyé vers l'équipement de contrôle de la poussière du four principal pour être nettoyé. La taille de l'alimentation peut aller jusqu'à 100 mm. Les broyeurs à rouleaux sont efficaces, utilisent environ la moitié de l'énergie d'un broyeur à boulets, et il semble qu'il n'y ait pas de limite à la taille disponible. Des laminoirs dont la production dépasse 800 tonnes par heure ont été installés. Contrairement aux broyeurs à boulets, l'alimentation du broyeur doit être régulière et ininterrompue; sinon, une vibration résonnante dommageable s'installe.
Broyeurs à marteaux
Les broyeurs à marteaux (ou " broyeurs déshydrateurs") balayés avec des gaz d'échappement de four chauds ont une application limitée lorsqu'une matière première molle et humide est broyée. La conception simple signifie qu'il peut fonctionner à une température plus élevée que les autres moulins, ce qui lui confère une capacité de séchage élevée. Cependant, l'action de broyage est médiocre et le produit est souvent rebroyé dans un broyeur à boulets.