Среди наиболее употребляемых ресурсов на земле цемент и бетон занимают второе место после воды. В среднем каждый год на одного человека приходится до одной тонны цемента. Данный материал находит широкое применение в качестве вяжущего компонента при получении бетона, железобетона и различных строительных растворов. Спрос на цемент при строительстве новых зданий и сооружений, а также их ремонте и реконструкции остается стабильно высоким.

Технологический процесс получения цемента включает в себя несколько этапов и заканчивается помолом клинкера с добавкой гипса. Тонкость помола является очень важной характеристикой для цемента, так как именно она определяет количество материала, способного к гидратации. От нее также зависит скорость гидратации и нарастания прочности. Процессы измельчения являются энергозатратными. На них расходуется до 20% от электроэнергии, генерируемой во всем мире. Одновременно около 70% энергозатрат при получении цемента приходится на помол клинкера. Исходя из этого, важные задачи цементной промышленности на современном этапе ее развития можно сформулировать следующим образом:

1. Повышение тонкости помола сырьевых материалов.
2. Внедрение надежного и простого в эксплуатации измельчающего оборудования.
3. Снижение энергоемкости процесса измельчения.

Применение шаровой мельницы для помола цемента

Принцип действия шаровых мельниц прост. В состав таких устройств входит барабан и мелющие тела (стержни, шары  и т.п.). Материал, который необходимо измельчить, помещается в барабан. Барабан начинает вращаться. При этом и мелющие тела, и материал сначала начинают движение по круговой траектории вместе с барабаном, а потом в некоторый момент времени падают вниз. Измельчение материала достигается за счет истирания (частицы материала и мелющие тела перемещаются относительно друг друга) и удара. Наиболее частое применение шаровых мельниц на цементных заводах – это измельчение исходного сырья и тонкий помол цемента.

Широкое распространение шаровых мельниц в процессах измельчения цемента обусловлено несколькими факторами, среди которых стоит выделить относительно простую конструкцию и большую производительность. Однако, такие устройства не лишены недостатков. Так, установлено, что на выполнение непосредственно измельчения идет только от 2 до 20% потребляемой электроэнергии. Остальная же ее часть тратиться на преодоление сил трения, вибрации, звуковые колебания и выделяется в виде тепла. Шаровые мельницы также очень материалоемки, что обусловлено быстрым износом рабочих элементов. Кроме того, такое оборудование характеризуется высоким уровнем шума.

Существует ли оборудование, способное в ближайшее время заменить шаровые мельницы в процессах измельчения цемента? В этой статье мы рассмотрим один из возможных вариантов – применение аппаратов с вихревым слоем ферромагнитных частиц.

Принцип действия аппарата вихревого слоя

Аппарат вихревого слоя в некотором роде напоминает шаровую мельницу, но в целом это устройство с принципиально иным действием на обрабатываемое вещество. Первая схожесть – это наличие  рабочей камеры, в которой происходит измельчение. Но если в шаровой мельнице барабан подвижен, то рабочая камера аппарата вихревого слоя неподвижна, меньше в размерах и обязательно изготавливается из немагнитного материала. Вторая схожесть – это наличие рабочих элементов (имеют цилиндрическую форму и изготавливаются из ферромагнитного материала). Но если в случае шаровой мельницы рабочие элементы движутся в результате движения барабана, то в аппаратах вихревого слоя рабочие элементы начинают перемещение по сложным траекториям под воздействием вращающегося электромагнитного поля. Данное поле создается внутри рабочей камеры при помощи обмоток. Фактически, конструкция аппарата вихревого слоя напоминает конструкцию асинхронного двигателя с извлеченным ротором, вместо которого помещается труба (рабочая камера).

Первичное электромагнитное поле, создаваемое внешним источником электроэнергии, взаимодействует с полями ферромагнитных частиц, в результате чего возникает ряд дополнительных эффектов, благоприятно сказывающихся на обрабатываемом веществе (цементе):

• прямое воздействие частиц на вещество;
• магнитострикция (механострикция);
• электрофизические явления и др.

Удельная мощность данных эффектов настолько велика, что позволяет не только измельчать и активировать цемент, но и интенсифицировать данные процессы. Каждая ферромагнитная частица является как измельчителем, так и мешалкой. Двигаясь по сложным траекториям, рабочие элементы полностью перекрывают весь объем рабочей камеры – это еще одно важное отличие аппарата вихревого слоя от шаровой мельницы. Если в других мельницах обработка может длиться десятки минут и часы, то в аппаратах с вихревым слоем ферромагнитных частиц она занимает секунды или считанные минуты.

На эффективность процесса измельчения и активации материалов в установках с вихревым слоем оказывают влияние следующие параметры и характеристики:

• напряженность и скорость вращения магнитного поля;
• объем рабочей камеры;
• коэффициенты заполнения рабочей камеры ферромагнитными частицами и материалом;
• отношение длины ферромагнитной частицы к ее диаметру и др.

Оптимизация перечисленных параметров и характеристик может осуществляться опытным путем в зависимости от вида обрабатываемого материала.

Сравнение характеристик аппарата вихревого слоя и шаровой мельницы

Сравнение характеристик шаровых мельниц и аппаратов вихревого слоя ферромагнитных частиц показывает следующее. Аппараты вихревого слоя выигрывают у шаровых мельниц в ряде параметров. В частности, аппараты вихревого слоя являются многофункциональными устройствами. В отличие от шаровых мельниц они могут проводить ультратонкий помол цемента без снижения коэффициента полезного действия, а также дополнительно активировать обрабатываемые вещества за счет воздействия электромагнитного поля. При этом все необходимые процессы протекают намного быстрее. Например, увеличение удельной поверхности с 2800 до 6800 см2/г достигается уже после 120 секунд обработки цемента в аппарате. Работает аппарат, в отличие от шаровой мельницы, практически бесшумно. Активировать цемент можно и без использования ферромагнитных частиц простым просыпанием через рабочую камеру.  В этом случае производительность процесса будет в несколько раз выше.

Кратковременная обработка цемента в аппарате вихревого слоя обеспечивает сокращение срока твердения бетонов в естественных условиях, уменьшение расхода цемента или повышение марки бетона, достижение высокой пластичности смесей. Использование активированного цемента во всех цементосодержащих композициях обеспечивает высокие физико-механические и специфические свойства изделий.

Аппарат вихревого слоя также позволяет омагничивать воду для затворения бетонных смесей. Затворения цемента омагниченной водой приводит к значительному повышению прочности камня. При затворении обычной водой имеется значительный индукционный период выкристаллизовывания цемента; в случае же затворения омагниченной водой пластическая прочность начинает активно расти почти сразу же после затворения.

Ну и, пожалуй, одно из самых важных преимуществ аппаратов вихревого слоя – это более высокая энергоэффективность. Удельные энергозатраты на одну тонну измельченного цемента в разы меньше, чем у шаровой мельницы.

Сравнительная характеристика аппаратов вихревого слоя и шаровых мельниц как измельчителей цемента

Наименование показателя	Шаровая мельница	Аппарат вихревого слоя
Способ воздействия на измельчаемый материал	истирание, удар	вращающееся электромагнитное поле, прямое воздействие ферромагнитных частиц, магнитострикция и др.
Возможные способы измельчения	мокрый, сухой	мокрый, сухой
Удельная поверхность цемента, см2/г	до 5000	до 8000 и более
Ориентировочные удельные энергозатраты при доизмельчении, кВт·ч/т (в зависимости от необходимой тонкости помола)	40-70	4-10

Таким образом, аппараты вихревого слоя ферромагнитных частиц в качестве измельчающих устройств позволяют три основные задачи, стоящие на современном этапе пере цементной промышленностью: повысить тонкость помола цемента и снизить энергоемкость процесса измельчения, оставаясь при этом надежными и простыми в эксплуатации.