ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ-ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΥ ΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΩΝ Καθηγητής: Τσακαλάκης Κώστας ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ Αθήνα, Μάϊος 2010

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ (2007) 2 Παρούσα κατάσταση 2 Οικονομική σημασία της τσιμεντοβιομηχανίας και της βιομηχανίας έτοιμου 5 σκυροδέματος 1. Ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών για την παραγωγή τσιμέντου 5 2. Ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών (αδρανών) για την παραγωγή 6 σκυροδέματος 3. Συνολική ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών για την παραγωγή 7 τσιμέντου και σκυροδέματος 4. Αξία παραγόμενων προϊόντων (τσιμέντο, σκυρόδεμα κλπ.) 7 1. Αξία εξαγόμενου τσιμέντου 7 2. Αξία παραγόμενου σκυροδέματος 7 3. Συνολικά έσοδα βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος 7 1. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΩΝ 9 ΤΥΠΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 1.1. ΣΤΟΧΟΙ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ 9 1.2. ΤΥΠΟΙ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΩΝ 10 2. ΤΣΙΜΕΝΤΟ 14 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 14 2.2. Η ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 15 Οι πρώτες ύλες 15 Προσδιορισμός της σύνθεσης του φορτίου, ανάμειξη (ομογενοποίηση) και ελάττωση μεγέθους (θραύση, λειοτρίβηση των πρώτων υλών) 16 2.3. ΟΙ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΕΣ ΚΑΜΙΝΟΙ 18 Οι τύποι των περιστροφικών καμίνων-μέθοδοι παραγωγής 21 Παρατηρήσεις επί της διεργασίας έψησης 32 Η ψύξη του κλίνκερ 33 2.4. Η ΑΛΕΣΗ ΤΟΥ ΚΛΙΝΚΕΡ 36 Συσχέτιση της αλεστικότητας του κλίνκερ με τις φυσικομηχανικές ιδιότητές του 45 2.5. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΗ ΚΑΜΙΝΟ 48 i

Ενεργειακές καταναλώσεις στην παραγωγή του κλίνκερ 48 Είδη καυσίμων της τσιμεντοβιομηχανίας 51 Εναλλακτικά καύσιμα (alternative fuels) 53 Ο μόνιμος άνθρακας 55 Η τέφρα της καύσης Ενσωμάτωση στο κλίνκερ - Επίδραση στην αναλογία των πρώτων υλών παραγωγής κλίνκερ 57 2.6. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΝΑΓΚΑΙΑΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΑΕΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ 58 ΚΑΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Εξισώσεις προσδιορισμού ελάχιστης ποσότητας αέρα καύσης 59 Έλεγχος των προτεινόμενων εξισώσεων προσδιορισμού ελάχιστης 60 παροχής αέρα καύσης, συναρτήσει των ιδιοτήτων του καυσίμου Προσδιορισμός της περίσσειας ή της έλλειψης αέρα στην κάμινο 61 Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) στα απαέρια της καμίνου 65 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) στα απαέρια της καμίνου 67 2.7. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΛΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΜΙΝΟ 68 3. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ TOY ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 72 3.1. Τσιμέντο Portland (OPC), Type I 72 3.2. Ιδιότητες των ενώσεων του κλίνκερ τσιμέντου 74 Γενικές παρατηρήσεις 74 Tricalcium silicate (C 3 S, Alite) 76 Dicalcium Silicate (C 2 S, Belite) 76 Tricalcium Aluminate (C 3 A) 77 Tetracalcium Aluminoferrite (C 4 AF, Ferrite) 78 Αλκάλια (Na 2 O + K 2 O) 79 3.3. Διαμόρφωση εξισώσεων Bogue 82 1. Γενικά 82 2. Οι εξισώσεις του Bogue για τα συστατικά του κλίνκερ 82 4. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΟΥ ΜΕΙΓΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΩΝ 87 ΥΛΩΝ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΚΛΙΝΚΕΡ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Εισαγωγή 87 4.1. Τύποι τσιμέντων σύμφωνα με το Αμερικανικό πρότυπο ASTM 88 4.2. Πρώτες ύλες τσιμέντου 92 4.3. Μέθοδος του συστήματος των γραμμικών εξισώσεων για τον προσδιορισμό 97 της αναλογίας των πρώτων υλών στην παραγωγή τσιμέντου 4.3.1. Ο ρόλος του αλγορίθμου ανάμειξης στο σύστημα ομογενοποίησης 97 πρώτων υλών παραγωγής τσιμέντου ii

4.3.2. Ποιοτικοί περιορισμοί της τροφοδοσίας παραγωγής τσιμέντου 97 4.4. Άλλες μέθοδοι προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών 100 4.4.1. Η μέθοδος Powell χωρίς περιορισμούς 101 4.4.2. Τροποποιημένη μέθοδος Powell με περιορισμούς 101 4.4.3. Ελαχιστοποίηση της συνάρτησης σφάλματος 101 5. ΕΝΥΔΑΤΩΣΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 103 5.1. Οι αντιδράσεις ενυδάτωσης 103 5.2. Τσιμέντα του Ευρωπαϊκού και Αμερικανικού προτύπου 110 5.3. Ιδιότητες των τσιμέντων 116 5.3.1. Κοκκομετρία ή λεπτότητα (Fineness) 116 5.3.2. Υγεία (Soundness) 118 5.3.3. Συνεκτικότητα ή Συνάφεια (Consistency) 119 5.3.4. Setting time (Χρόνος πήξης) 119 5.3.5. Αντοχή σε θλίψη (compressive strength) 121 5.3.6. Θερμότητα ενυδάτωσης (Heat of Hydration) 122 6. ΑΔΡΑΝΗ 124 6.1. Εισαγωγή 124 6.2. Διατάξεις και διαγράμματα ροής παραγωγής αδρανών υλικών 125 6.3. Ιδιότητες των αδρανών υλικών 130 1. Ανάλυση των ιδιοτήτων των αδρανών 130 2. Ειδικό βάρος αδρανών (bulk specific gravity) 132 1. Ειδικό βάρος χονδρομερών αδρανών και προσδιορισμός του 132 2. Ειδικό βάρος λεπτομερών αδρανών και προσδιορισμός του 133 3. Περιεχόμενη υγρασία (Moisture content) των αδρανών 134 4. Απορρόφηση και επιφανειακή υγρασία 135 6.4. Ταξινόμηση των φυσικών αδρανών 140 6.5. Δειγματοληψία 141 6.6. Σχήμα και υφή των τεμαχίων 142 6.7. Πρότυπα για το σχήμα και την επιφανειακή υφή των τεμαχίων 143 6.8. Έλεγχος καταλληλότητας αδρανών σύμφωνα με τα διάφορα πρότυπα 146 7. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΤΟΙΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ 150 7.1. Μέθοδοι παραγωγής και διαγράμματα ροής μονάδων παραγωγής 150 σκυροδέματος 7.2. Προσδιορισμός της σύνθεσης του σκυροδέματος - Εισαγωγή 154 Μέθοδοι προσδιορισμού της σύνθεσης του σκυροδέματος 154 7.3. Τα υλικά του σκυροδέματος 157 7.3.1. Τα αδρανή στην παραγωγή σκυροδέματος 157 Χονδρομερή αδρανή (περιορισμοί επιλογής μεγέθους) 158 iii

Λεπτομερή αδρανή 159 Επίδραση των λεπτομερών αδρανών στη σύνθεση αδρανών 160 σκυροδέματος Μέθοδοι προσδιορισμού των κατάλληλων κοκκομετρικών συνθέσεων 162 αδρανών 1. Διάγραμμα «δείκτη χονδρομερούς»/εργασιμότητας 163 2. Εξίσωση δύναμης με εκθέτη 0.45 (0.45 Power Curve) 165 3. Διάγραμμα παραμένοντος % (Percent Retained Chart) 166 Βέλτιστη σύνθεση αδρανών σκυροδέματος (Optimum Aggregate Blend) 170 1. Βέλτιστη κοκκομετρική σύνθεση αδρανών 170 2. Προσδιορισμός της βέλτιστης σύνθεσης αδρανών σκυροδέματος 170 7.3.2. Χημικά πρόσθετα και υποκατάστατα τσιμέντου στην παρασκευή 175 σκυροδέματος 7.3.2.1.Χημικά πρόσθετα 175 7.3.2.2. Υποκατάστατα (ποζολάνες, βιομηχανικά παραπροϊόντα κλπ.) 179 8. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΟΥ 181 ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ 8.1. Γενικά 181 8.2. Τεχνικές απαιτήσεις για τον προσδιορισμό της σύνθεσης του σκυροδέματος 187 8.2.1. Η αντοχή του σκυροδέματος 187 8.2.2. Οι συμπληρωματικές απαιτήσεις 187 8.3. Μεθοδολογία προσδιορισμού αναλογίας πρώτων υλών στο σκυρόδεμα 188 8.3.1. Προσδιορισμός της % περιεκτικότητας σκυροδέματος σε λεπτομερή 189 αδρανή (fine aggregate content) 8.4. Προσαρμογή των αποτελεσμάτων σε περίπτωση περιεχόμενης υγρασίας στα 189 αδρανή 8.5. Αριθμητικό παράδειγμα προσδιορισμού σύνθεσης πρώτων υλών σκυροδέματος 190 1. Χαρακτηριστικά του έργου (απαιτήσεις) 190 2. Προσδιορισμός της αναλογίας πρώτων υλών σκυροδέματος (Μέθοδος 191 απόλυτων όγκων) 9. ΓΡΗΓΟΡΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑ ΒΑΡΟΣ (%) ΣΥΣΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ 193 10. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΚΑΙ ΤΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ 195 11. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΜΕ ΤΣΙΜΕΝΤΟ, ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ ΚΑΙ ΑΔΡΑΝΗ) 202 Α. ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟΥ ΑΕΡΑ 202 iv

ΚΑΥΣΗΣ ΒΑΡΕΟΣ ΚΛΑΣΜΑΤΟΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ Β. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟ ΤΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΛΙΝΚΕΡ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ (ΣΥΝΔΕΕΤΑΙ ΜΕ ΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΩΝ) Γ. Η ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΕΛΛΗΝΙΚΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΚΑΙ Η ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΔΙΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥΣ Δ. ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΙΔΙΚΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ (BLAINE) ΣΤΗΝ ΑΛΕΣΗ ΚΛΙΝΚΕΡ ΣΕ ΣΦΑΙΡΟΜΥΛΟΥΣ Ε. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΥΜΒΑΤΙΚΗΣ ΛΕΙΟΤΡΙΒΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΛΕΣΗΣ ΚΛΙΝΚΕΡ 206 220 236 241 ΣΤ. ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 246 Ζ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΔΟΝΟΥΜΕΝΩΝ ΚΟΣΚΙΝΩΝ 257 Ζ.1. ΘΕΩΡΙΑ 257 Ζ.2. ΕΦΑΡΜΟΓΗ 264 Η. ΑΓΓΛΟΕΛΛΗΝΙΚΟ ΛΕΞΙΚΟ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΟΡΩΝ 271 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΒΙΒΛΙΑ ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ 278 278 278 v

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το βιβλίο αυτό είχε στόχο να καλύψει καταρχήν τις διδακτικές ανάγκες του μαθήματος «Τεχνολογία παραγωγής τσιμέντου και σκυροδέματος» του 8 ου εξαμήνου της Σχολής Μηχ. Μεταλλείων-Μεταλλουργών Ε.Μ.Π., μάθημα για το οποίο οι σπουδαστές της Σχολής μέχρι τώρα δείχνουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Όμως, με την πάροδο του χρόνου έγινε προσπάθεια απλουστευμένης, κατά το δυνατόν, αλληλοσύνδεσης των διαφόρων μεταλλευτικών-μεταλλουργικών διεργασιών (εξόρυξη, θραύση, λειοτρίβηση, άλεση, πυρομεταλλουργική κατεργασία των πρώτων υλών, χρήση ορυκτών και άλλων καυσίμων στην παραγωγή θερμότητας μέσα στην κάμινο), ώστε να γίνει κατανοητή η σημαντικότητά τους στην παραγωγή καλής ποιότητας κλίνκερτσιμέντου. Έχει καταβληθεί επίσης προσπάθεια να διαφανεί η δυνατότητα της σημαντικής συμβολής των αποφοίτων Μεταλλειολόγων-Μεταλλουργών στις παραπάνω διεργασίες. Είναι προφανές ότι το βιβλίο αυτό απευθύνεται ως βασικό βοήθημα και στις άλλες ειδικότητες τεχνικών, που δραστηριοποιούνται στη βιομηχανία τσιμέντου, αδρανών υλικών και σκυροδέματος, χωρίς βέβαια από μόνο του να επαρκεί στην κάλυψη όλων των αντικειμένων που πραγματεύεται. Αν, μέσα από το βοήθημα, γίνει αντιληπτό ότι η τσιμεντοβιομηχανία και κατ επέκταση οι μονάδες παραγωγής αδρανών υλικών και σκυροδέματος αποτελούν ένα από τους ζωτικούς χώρους δραστηριοποίησης και επαγγελματικής απασχόλησης των αποφοίτων της Σχολής και αν επίσης συμβάλει στην καλύτερη επιμόρφωσή τους στα παραπάνω αντικείμενα, τότε ένα σημαντικό μέρος του αρχικού στόχου θα έχει επιτευχθεί. Όμως, εναπόκειται στους ίδιους να πείσουν για τις δυνατότητές τους και να δώσουν το ιδιαίτερο στίγμα της εκπαίδευσής τους σ αυτό τον εξαιρετικά δυναμικό κλάδο της ελληνικής βιομηχανίας, ώστε, μέσα από τις σχετικές με τα αντικείμενα αυτά γνώσεις που αποκτούν κατά τη διάρκεια των σπουδών τους, να συμβάλουν στην ενίσχυση της θέσης του κλάδου μεταλλείας μεταλλουργίας στον τεχνικό κόσμο της χώρας. Στις διάφορες μέχρι τώρα ετήσιες αναθεωρήσεις, τόσο του περιεχομένου όσο και της δομής του κειμένου, έχει γίνει προσπάθεια διόρθωσης λαθών ή παραλείψεων που πάντοτε διαπιστώνονται. Όμως, επισημάνσεις αβλεψιών ή κάθε είδους υποδείξεις από τους αναγνώστες με στόχο βελτίωση του περιεχομένου και του κειμένου, είναι πάντα καλοδεχούμενες στο kostsakg@metal.ntua.gr. Αθήνα, Μάϊος 2010 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ (2007) Παρούσα κατάσταση Εργοστάσια τσιμέντου: Οκτώ (-8-) στην Ελλάδα και επτά (-7-) της εταιρείας ΤΙΤΑΝ Α.Ε. στο εξωτερικό 1. ΤΙΤΑΝ στην Ελλάδα (Καμάρι Βοιωτίας 1, Ελευσίνα 1, Θεσσαλονίκη 1, Δρέπανο Αχαϊας 1) + Εξωτερικό (U.S.A. 2, Αίγυπτος 2, Σκόπια 1, Βουλγαρία 1, Σερβία 1) 2. ΑΓΕΤ «ΗΡΑΚΛΗΣ» (Lafarge Group) στην Ελλάδα (Βόλος 1, Χαλκίδα 1, Μηλάκι Αλιβερίου 1) 3. Τσιμέντα «ΧΑΛΥΨ» (Italcementi Group) στην Ελλάδα (Ασπρόπυργος 1). Σχήμα 1. Κατανομή ελληνικών εργοστασίων παραγωγής τσιμέντου. 2

Σχήμα 2. Ετήσια παραγωγική ικανότητα ελληνικής τσιμεντοβιομηχανίας. Σχήμα 3. Eτήσια (2007) ελληνική παραγωγή τσιμέντου: 15.331.000 τόννους περίπου. 3

Σχήμα 4. Εξέλιξη πωλήσεων του παραγόμενου τσιμέντου στην Ελλάδα Η ετήσια παραγωγή της ελληνικής τσιμεντοβιομηχανίας ανήλθε το 2006 σε 16.1 εκατ. τόννους τσιμέντου. Το 35.8 % της παραγωγής (5.77 εκατ. τόννοι) εξάγεται σε χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, στις Η.Π.Α. και τις χώρες της Μ. Ανατολής και της Αφρικής, ενώ το 64.2 % (10.35 εκατ. τόννοι) διατίθεται στην ελληνική αγορά. Από το διατιθέμενο τσιμέντο στην ελληνική αγορά (Ι.Ο.Β.Ε, Ινστιτούτο Οικονομικών και Βιομηχανικών Ερευνών), ποσοστό 70% (7.25 εκατ. τόννοι περίπου) διατίθεται χύμα και 30% (3.1 εκατ. τόννοι περίπου) ενσακκισμένο. Το 80% (5.8 εκατ. τόννοι περίπου) του διατιθέμενου «χύμα» τσιμέντου στην ελληνική αγορά απορροφάται από τις εταιρείες παραγωγής έτοιμου σκυροδέματος και κονιαμάτων, το 12-15% από τις κατασκευαστικές εταιρείες και το 5-8% από τις μονάδες παραγωγής προϊόντων τσιμέντου. 4

Σχήμα 5. Εξέλιξη εξαγωγών ελληνικού τσιμέντου (1998-2007). Οικονομική σημασία της τσιμεντοβιομηχανίας και της βιομηχανίας έτοιμου σκυροδέματος (Δεδομένα παραγωγής Ένωσης Τσιμεντοβιομηχανιών 2006) 1. Ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών για την παραγωγή τσιμέντου Είναι γνωστό ότι για την παραγωγή 1 τόννου τσιμέντου απαιτούνται περίπου 1,6-1,65 τόννοι πρώτων υλών. Από αυτές το 75%, δηλ. περίπου, δηλαδή 0.75x1.65x16.1 εκατ. τόννοι = 19.92 x 10 6 τόννοι ετήσια, είναι ασβεστολιθικά πετρώματα που χρησιμοποιούνται στην Ελλάδα για την παραγωγή τσιμέντου και επίσης 4-4.5 x 10 6 τόννοι περίπου ετήσια είναι τα μη ασβεστολιθικά πετρώματα (αργιλοπυριτικά πετρώματα, χαλαζιακή άμμος, βωξίτες, ποζολάνες κλπ.). Οι πρώτες ύλες και τα προϊόντα (πεδία εφαρμογής) της τσιμεντοβιομηχανίας δίνονται στ Σχήμα 6. 5

Σχήμα 6. Πρώτες ύλες και προϊόντα (πεδία εφαρμογής) της βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος. 2. Ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών (αδρανών) για την παραγωγή σκυροδέματος Άν υποτεθεί ότι το 90-95% του διατιθέμενου τσιμέντου στην ελληνική αγορά δηλ. (0.90 x 10.35 εκατ. τόννοι 9.32 εκατ. τόννοι) χρησιμοποιείται για την παραγωγή σκυροδέματος και δεδομένου ότι για κάθε m 3 σκυροδέματος απαιτούνται περίπου 300 kg (0.3 t) τσιμέντου, τότε παράγονται: (9.32/0.3) x 10 6 = 31.07 x 10 6 m 3 σκυροδέματος Επειδή όμως για κάθε m 3 σκυροδέματος απαιτούνται επίσης περίπου 2 τόννοι αδρανών υλικών, τότε απαιτούνται επιπλέον 2 x 31.07 x 10 6 62.14 x 10 6 τόννοι αδρανών υλικών για σκυρόδεμα. Οι 62.14 x 10 6 τόννοι αδρανών υλικών προέρχονται από την κατεργασία (θραύση, ταξινόμηση-κοσκίνιση) ασβεστολιθικού πετρώματος που εξορύσσεται σε λατομεία (νταμάρια) με επιφανειακή εξόρυξη. Το ποσοστό του αξιοποιήσιμου υλικού (κατάλληλα κοκκομετρικά κλάσματα μετά τη θραύση και κοσκίνιση) ανέρχεται κατά μέγιστο ποσοστό περίπου στο 60-70% του εξορυσσόμενου, δηλαδή πρέπει να εξορυχθούν συνολικά τουλάχιστον: (62.14 x 10 6 /0.70) 88.8 x 10 6 τόννοι ασβεστολιθικού πετρώματος για την παραγωγή του σκυρόδεματος. 6

3. Συνολική ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών για την παραγωγή τσιμέντου και σκυροδέματος Οι συνολικοί τόννοι ασβεστολιθικού υλικού για τσιμέντο και σκυρόδεμα ετησίως είναι: (19.92 + 88.80) x10 6 108.72 x 10 6 τόννοι ασβεστολιθικών πετρωμάτων. Σύμφωνα με μέτριους υπολογισμούς, για λόγο αποκάλυψης (στείρα / ασβεστολιθικό υλικό) = 1:5, η ποσότητα αυτή προσαυξάνεται κατά 20%, δηλ. η συνολική ποσότητα εξορυσσόμενου υλικού ανέρχεται σε: (108.72 x 10 6 ) x 1.2 130.5 x 10 6 τόννοι ή περίπου 49.2x10 6 m 3 ασβεστολιθικών πετρωμάτων και υλικό αποκάλυψης (για ειδ.βάρος ασβεστολίθου 2.65 τόννοι/ m 3 ). Σ αυτήν την ποσότητα δεν έχουν ληφθεί υπόψη οι μη ασβεστολιθικές πρώτες ύλες στη βιομηχανία παραγωγής τσιμέντου, οι οποίες ανέρχονται σε 4-4.5 x 10 6 τόννους ή 1.8-2.0 x 10 6 m 3 για το τσιμέντο περίπου. 4. Αξία παραγόμενων προϊόντων (τσιμέντο, σκυρόδεμα κλπ.) 1. Αξία εξαγόμενου τσιμέντου Αν ληφθεί υπόψη ότι η τιμή του εξαγόμενου τσιμέντου είναι περίπου 70 /τόννο, τότε τα έσοδα από την πώληση του τσιμέντου ανέρχονται ετήσια σε: 5.77x10 6 τόννοι x 70 /τόννο = 404 εκατομμύρια ευρώ ετησίως ή 0.404 δις ευρώ ετησίως 2. Αξία παραγόμενου σκυροδέματος Η σημερινή μέση τιμή πώλησης του σκυροδέματος στην ελληνική αγορά (συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς στο έργο και του Φ.Π.Α) είναι 70 /m 3 περίπου. Άρα, τα άκαθάριστα έσοδα από την πώληση των 31.07x10 6 m 3 σκυροδέματος ανέρχονται σε: 31.07x10 6 m 3 σκυροδέματος x 70 /m 3 = 2175 x10 6 ετησίως (περίπου 2.18 δις ευρώ ετησίως) 3. Συνολικά έσοδα βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος 7

Οι συνολικές πωλήσεις τσιμέντου και σκυροδέματος αποφέρουν ακαθάριστα έσοδα (0.404+2.18) 2.6 δις ευρώ ετησίως περίπου. Αν ληφθούν δε υπόψη και τα προϊόντα τσιμέντου (προκατασκευασμένα στοιχεία, τσιμεντόλιθοι, έτοιμα κονιάματα κλπ.) που παράγονται, δεν απέχει πολύ από την πραγματικότητα αν λεχθεί ότι ο ετήσιος κύκλος εργασιών των βιομηχανιών τσιμέντου και σκυροδέματος ανέρχεται σε 3.5-4.0 δισεκατομμύρια ευρώ περίπου. Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι οι τομείς του τσιμέντου και του σκυροδέματος είναι από τους δυναμικότερους της ελληνικής βιομηχανίας με σημαντική συμμετοχή στο Α.Ε.Π. της χώρας Το μέλλον τους προβλέπεται αρκετά καλό και για τα επόμενα χρόνια, δεδομένης της αύξησης της παραγωγικής τους δυναμικότητας με την εξαγορά ομοειδών επιχειρήσεων του εξωτερικού, με την αύξηση διεθνώς του αριθμού των κέντρων διανομής των προϊόντων τους και τη γενικότερη κατάσταση της οικοδομικής - κατασκευαστικής δραστηριότητας της χώρας και της ευρύτερης γεωγραφικής περιοχής των Βαλκανίων. 8

1. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΩΝ ΤΥΠΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Σύμφωνα με απόφαση της ΕΕ, από 01/04/01 τα τσιμέντα που θα κυκλοφορούν σε όλες τις χώρες κράτη μέλη πρέπει να είναι πιστοποιημένα, να φέρουν σήμανση CΕ και να είναι σύμφωνα με τα νέα Ευρωπαϊκά Πρότυπα, τα οποία είναι: ΕΝ 197-1: Τσιμέντο Μέρος-1: «Σύνθεση, προδιαγραφές και κριτήρια συμμόρφωσης για κοινά τσιμέντα» και ΕΝ 197-2 : Τσιμέντο Μέρος-2 : «Αξιολόγηση συμμόρφωσης» Τα παραπάνω ευρωπαϊκά πρότυπα έχουν υιοθετηθεί και εφαρμόζονται στην Ελλάδα ως Ελληνικά Πρότυπα από τον ΕΛΟΤ (Ελληνικό Οργανισμό Τυποποίησης). Είναι γνωστά ως ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1 και ΕΛΟΤ ΕΝ 197-2 και κυκλοφορούν από τον Οκτώβριο 2000, αλλά τέθηκαν σε ισχύ με Υπουργική απόφαση (ΦΕΚ 917 Β / 17-07-01), η οποία προέβλεπε μεταβατική περίοδο μέχρι 31/12/01 για την προσαρμογή του κατασκευαστικού κλάδου σε αυτά. 1.1. ΣΤΟΧΟΙ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ Το τσιμέντο, όπως και τα άλλα δομικά υλικά, ως υλικό που διέπεται από την ευρωπαϊκή οδηγία CPD 89/106, λόγω της σπουδαιότητάς του για την ασφάλεια των δομικών κατασκευών, θα πρέπει να πληροί ορισμένες ελάχιστες απαιτήσεις, όσον αφορά στις ιδιότητες και στη σταθερότητα της ποιότητας παραγωγής του. Για τους παραπάνω λόγους η ποιότητα του τσιμέντου, σε αντίθεση με άλλα υλικά, ελέγχεται και πιστοποιείται με το αυστηρότερο σύστημα αξιολόγησης συμμόρφωσης από αναγνωρισμένο φορέα πιστοποίησης, με ανεξάρτητη εξωτερική δειγματοληψία. Κατά την σύνταξη των παραπάνω προτύπων συμπεριλήφθηκαν και κωδικοποιήθηκαν όλα τα κοινής αποδοχής και ευρείας χρήσης τσιμέντα, που παράγονται στις χώρες μέλη της ΕΕ, με στόχο τη δημιουργία κοινής ορολογίας για όλους τους μελετητές - χρήστες - κατασκευαστές δομικών έργων της ΕΕ. 9

1.2. ΤΥΠΟΙ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΩΝ Οι τύποι των τσιμέντων που παρασκευάζονται σε κάθε χώρα της Ευρωπαϊκής Ένωσης εξαρτώνται από τις διαθέσιμες πρώτες ύλες, όπως επίσης από τη ζήτηση κάθε τύπου τσιμέντου. Έτσι, ανάλογα με τις διαθέσιμες και χρησιμοποιούμενες πρώτες ύλες, δημιουργήθηκαν οι διάφοροι τύποι τσιμέντων που μπορούν να παραχθούν. Οι τύποι αυτοί είναι το κοινό τσιμέντο Portland, τα τσιμέντα με ποζολάνη, ιπτάμενη τέφρα (πυριτική ή ασβεστιτική), τσιμέντα με σκωρία υψικαμίνου, τσιμέντα με πυριτική παιπάλη, με ασβεστόλιθο κλπ. Γι' αυτό το λόγο, το πρότυπο προβλέπει μεγάλο αριθμό προϊόντων τσιμέντου (Πίνακας 5.1, σελ. 112), τα οποία, για προφανείς λόγους, όμως δεν κυκλοφορούν κατ' ανάγκη όλα σε κάθε χώρα μέλος. Στον Πίνακα δίνονται αναλυτικά, σύμφωνα με το πρότυπο, το είδος και το ποσοστό των συστατικών του τσιμέντου, τα οποία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή και καθορίζουν τα 27 διαφορετικά είδη τσιμέντων του Πίνακα. Όμως, το πρότυπο ΕΝ 197-1 προδιαγράφει σε γενική μορφή τους εξής πέντε (-5-) τύπους τσιμέντου (Πίνακας 1.1). Πίνακας 1.1. Βασικοί τύποι τσιμέντων ευρωπαϊκού προτύπου ΤΥΠΟΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ CEM I Κοινό τσιμέντο Portland CEM II Σύνθετο τσιμέντο Portland CEM III Σκωριοτσιμέντο CEM IV Ποζολανικό τσιμέντο CEM V Σύνθετο τσιμέντο Επίσης, το νέο πρότυπο προδιαγράφει και 6 κατηγορίες αντοχών, στις οποίες τα τσιμέντα κατατάσσονται ανάλογα με την αντοχή σε θλίψη κονιάματος πρότυπης σύνθεσης και τρόπου παρασκευής, σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 196-1 (Μέθοδοι δοκιμών τσιμέντου - Μέρος 1 : Προσδιορισμός αντοχών). Κάθε κατηγορία αντοχής ορίζεται από ένα κατώτερο και ένα ανώτερο όριο αντοχής. Το κατώτερο όριο αντοχής σε θλίψη (28 ημερών) χαρακτηρίζει τη συγκεκριμένη κατηγορία. Κάθε μία από τις παραπάνω κατηγορίες περιλαμβάνει δύο υποκατηγορίες πρώιμης αντοχής N και R (Πίνακας 1.2). 10

Πίνακας 1.2. Απαιτήσεις μηχανικές και φυσικές οριζόμενες ως χαρακτηριστικές τιμές Αντοχή σε θλίψη, MPa (N/mm 2 ) Κατηγορία Αρχικός χρόνος Διόγκωση Τυπική αντοχή αντοχής Αρχική αντοχή πήξης (Διαστολή) (όρια) 2 ημέρες 7 ημέρες 28 ημέρες min mm 32.5 N - 16.0 32.5 R 10.0-32.5 52.5 75 42.5 N 10.0-42.5 R 20.0-42.5 62.5 60 10 52.5 N 20.0-52.5 R 30.0-52.5-45 Η συμμόρφωση των τσιμέντων ως προς τα όρια αντοχών είναι στατιστική και περιγράφεται στο πρότυπο. Ο συμβολισμός των διαφόρων τσιμέντων, σύμφωνα με το πρότυπο EN 197-1, άρα και με το ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1 (Σχήμα 1.1), καθορίζεται από: τον κύριο τύπο τσιμέντου, το ποσοστό clinker που περιέχεται στο τσιμέντο, τον τύπο του δεύτερου κύριου συστατικού, την κατηγορία αντοχής, το επίπεδο της πρώιμης αντοχής. Σχήμα 1.1. Συμβολισμός των διαφόρων τύπων τσιμέντου του ευρωπαϊκού προτύπου. 11

Τα κύρια δευτερεύοντα συστατικά, που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή σύνθετων τσιμέντων και εμφανίζονται στον αναλυτικό πίνακα του ευρωπαϊκού προτύπου EN 197-1 (Πίνακας 5.1), δίνονται παρακάτω με το χαρακτηριστικό κεφαλαίο λατινικό γράμμα που αναφέρεται σε κάθε ένα από αυτά: S blastfurnace slag (σκωρία υψικαμίνων) D silica fume (ατμοί πυριτίας) P natural pozzolana (φυσική ποζολάνη) Q natural calcined pozzolana (φυσική ποζολάνη μετά από πύρωση) V siliceous fly ash (πυριτική ιπτάμενη τέφρα) W calcareous fly ash (ασβεστιτική ιπτάμενη τέφρα) L, LL limestone (ασβεστόλιθος) T burnt shale (τέφρα καύσης βιτουμενιούχων σχιστολίθων) M two or more of the above (μείγμα των παραπάνω). Οι διαφορές στις κατηγορίες αντοχών του Ελληνικού Κανονισμού (ΠΔ 244/80), που εφαρμόζονταν παλαιότερα, και του προτύπου ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1 δίνονται στον Πίνακα 1.3. Κατηγορία αντοχών Πίνακας 1.3. Διαφορές αντοχών ΠΔ 244/80 και ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1 ΠΔ 244/80 ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1 Όρια αντοχών, MPa (N/mm 2 ) Κατηγορία αντοχών Όρια αντοχών, MPa (N/mm 2 ) 35 25-45 32.5 32.5-52.5 45 35-55 42.5 42.5-62.5 55 45 52.5 52.5 Η ποσοστιαία % κατανομή των παραγόμενων (κατά τύπο) ευρωπαϊκών τσιμέντων δίνεται στο Σχήμα 1.2. Είναι φανερό ότι, μεγάλο μερίδιο της ευρωπαϊκής παραγωγής αφορά σε σύνθετα τσιμέντα (CEM II), κυρίως για περιβαλλοντικούς λόγους (μείωση των εκπεμπόμενων ποσοτήτων CO 2, αξιοποίηση των βιομηχανικών παραπροϊόντων). Οι ποσότητες αυτές CO 2 είναι πολύ σημαντικές στην περίπτωση της τσιμεντοβιομηχανίας και αφορούν: πρωτογενώς στην πύρωση (διάσπαση) του ασβεστολίθου και στην καύση ορυκτών καυσίμων στην κυρίως μεταλλουργική διεργασία και δευτερογενώς επίσης στην 12

καύση ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλίσκεται για την παραγωγή τσιμέντου. Σχήμα 1.2. Ποσοστιαία % κατανομή (κατά τύπο) των παραγόμενων ευρωπαϊκών τσιμέντων (Πηγή: CEMBUREAU, 2006). 13

2. ΤΣΙΜΕΝΤΟ 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το σκυρόδεμα είναι σήμερα το συνηθέστερο δομικό υλικό για τις κατασκευές κτιρίων και έργων κοινής ωφέλειας. Το τσιμέντο σε ανάμειξη με το νερό (τσιμεντόπαστα) είναι το συνδετικό υλικό, που χρησιμοποιείται στην παραγωγή του σκυροδέματος. Υπάρχουν πολλών ειδών (τύποι) τσιμέντα, με συνηθέστερο αυτό που καλείται κοινό τσιμέντο Portland (OPC, Ordinary Portland Cement). Το κοινό τσιμέντο είναι ένα γκρίζο λεπτομερές υλικό, που προκύπτει από τη λειοτρίβηση του κλίνκερ τσιμέντου. Ο λόγος τιμή (αξία) προς βάρος είναι πολύ μικρός για το τσιμέντο γεγονός που το κάνει να είναι πολύ ακριβό για μεταφορά σε μεγάλες αποστάσεις. Επίσης, επειδή οι πρώτες ύλες (θραυσμένος ασβεστόλιθος, αργιλικά πετρώματα, χαλαζιακά πετρώματα, σιδηρομετάλλευμα, βωξίτης) για την παραγωγή του τσιμέντου είναι ακόμη χαμηλότερης αξίας, για την ελαχιστοποίηση του κόστους μεταφοράς των πρώτων υλών οι μονάδες παραγωγής τσιμέντου χωροθετούνται πολύ κοντά στις πηγές πρώτων υλών (ιδιαίτερα κοντά στο λατομείο ασβεστολιθικού πετρώματος). Η μεγαλύτερη ποσότητα του παραγόμενου τσιμέντου, για τους παραπάνω λόγους, πρέπει να διατίθεται σε περιοχές και μονάδες παραγωγής σκυροδέματος σχετικώς κοντά στα εργοστάσια παραγωγής του. Εικόνα 2.1. Πρώτες ύλες, ενδιάμεσα προϊόντα και τελικό προϊόν στη διεργασία παραγωγής τσιμέντου. 14

2.2. Η ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Οι πρώτες ύλες Η σημαντικότερη πρώτη ύλη για την παραγωγή του κλίνκερ τσιμέντου είναι τα ασβεστολιθικά πετρώματα, που εξορύσσονται επιφανειακά κοντά στη μονάδα παραγωγής του τσιμέντου. Επειδή, ποσοστό περίπου 80% από τους 1.50-1.65 τόννους πρώτων υλών, που απαιτούνται για την παραγωγή 1 τόννου κλίνκερ, είναι ασβεστολιθικό υλικό, είναι προφανής η αναγκαιότητα γειτνίασης της θέσης εξόρυξης ασβεστολιθικών πετρωμάτων και της μονάδας παραγωγής κλίνκερ τσιμέντου. Ενδεικτικό ισοζύγιο πρώτων υλών και οι πρώτες ύλες, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή τσιμέντου, δίνονται στο Σχήμα 2.1 και στον Πίνακα 2.1. Σχήμα 2.1. Ισοζύγιο πρώτων υλών και προϊόντων στην παραγωγή 1 kg τσιμέντου. Το μείγμα των πρώτων υλών (θραυσμένος ασβεστόλιθος, αργιλικά πετρώματα, χαλαζιακά πετρώματα, σιδηρομετάλλευμα, βωξίτης, κ.α.) αναμειγνύονται σε κατάλληλη αναλογία και λειοτριβούνται (Σχήμα 2.1). Το λειοτριβημένο μείγμα («φαρίνα») υφίσταται πυρομεταλλουργική κατεργασία μέσα σε περιστροφική κάμινο (rotary kiln). 15

Στην περιστροφική κάμινο (Σχήματα 2.2 και 2.3), οι λειοτριβημένες πρώτες ύλες, με χρήση καυσίμων (φυσικό αέριο, πετρέλαιο, γαιάνθρακες ή και εναλλακτικά καύσιμα), θερμαίνονται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Έτσι, με φυσικοχημικές διεργασίες, μετατρέπονται σε ένα υλικό γκριζοπράσινου χρώματος μορφής σφαιριδίων διαμέτρου 10-25 mm (Εικόνα 2.2), το οποίο ονομάζεται κλίνκερ τσιμέντου. Πίνακας 2.1. Ενδεικτική σύνθεση (χημική σύσταση %) τριών πρώτων υλών (1, 2 και 3) για την παραγωγή τσιμέντου, [1] Χημική ένωση Στόχος, % κ.β. σύνθεση ξηρών πρώτων υλών παραγωγής κλίνκερ 1 Ασβεστόλιθος Πρώτες ύλες (ξηρό υλικό), % 2 Αργιλοπυριτικό υλικό 3 Χαλαζιακή άμμος SiO 2 14.35 4.83 65.0 91.58 21.8* Al 2 O 3 4.04 1.85 24.0 2.83 6.1* Fe 2 O 3 0.92 0.64 2.5 2.53 1.4* CaO 43.55 50.5 4.0 0.92 65.2* Ελεύθερη άσβεστος (CaO) Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συμμετοχή πρώτων υλών - - - - 1.0* 85.02 13.61 1.37 Κατά βάρος % περιεκτικότητα του παραγόμενου κλίνκερ (χωρίς ενσωμάτωση της τέφρας του καυσίμου) *Τιμές για χρήση στις εξισώσεις Bogue Αναγωγή % στο υπόλοιπο 65.78% του υλικού μετά την κλινκεροποίηση (34.22% CO 2 αντιστοιχεί σε 43.55% CaO) Προσδιορισμός της σύνθεσης του φορτίου, ανάμειξη (ομογενοποίηση) και ελάττωση μεγέθους (θραύση, λειοτρίβηση των πρώτων υλών) Οι ποσότητες των πρώτων υλών που θα χρησιμοποιηθούν εξαρτώνται από τις χημικές και ορυκτολογικές τους ιδιότητες και από τις ιδιότητες (απαιτήσεις) του κλίνκερ που θα παραχθεί. Μετά τον προσδιορισμό της κατάλληλης σύνθεσης του φορτίου, οι πρώτες ύλες (για ξηρή μέθοδο παραγωγής τσιμέντου) αναμειγνύονται κατάλληλα και ομογενοποιούνται για την παραγωγή ενός ομοιόμορφου μείγματος (φαρίνα) που θα υποστεί ελάττωση μεγέθους (λειοτρίβηση). Στο Σχήμα 2.2 δίνονται αναλογίες δεδομένων πρώτων υλών, μέση σύσταση της τροφοδοσίας και προϊόντων παραγωγής κλίνκερ κοινού τσιμέντου, όπου (S = SiO 2, A = Al 2 O 3, F = Fe 2 O 3 και C = CaO). Η καλή ανάμειξη εξασφαλίζει ομοιόμορφη κατανομή των πρώτων υλών στην τροφοδοσία του κυκλώματος θραύσης και λειοτρίβησης και οδηγεί στην παραγωγή κλίνκερ ομοιόμορφης ποιότητας. Οι αναλογίες των πρώτων υλών καθορίζονται με τη βοήθεια τριών δεικτών ποιότητας κλίνκερ και συγκεκριμένα του δείκτη κορεσμού σε άσβεστο LSF (Lime saturation factor), του πυριτικού δείκτη SR (Silica ratio) και του αργιλικού δείκτη AR (Alumina 16

ratio). Τα συνήθη όρια μεταβολής των δεικτών είναι 0.92-0.98 για τον LSF, 2.2-2.8 για τον SR και 1.2-2.0 για τον AR. Όπου: LSF 1.0(% CaO) 0.7(% SO3 ), 2.8(% SiO ) 1.2(% Al O ) 0.65(% Fe O ) 2 2 3 2 3 SR % Al 2 % SiO2 O % Fe O 3 2 3 και % Al2O AR % Fe O 2 3 3 Σχήμα 2.2. Αναλογίες δύο πρώτων υλών για την παραγωγή κοινού τύπου τσιμέντου [10]. 17

Η τέφρα ενσωματώνεται σε ποσοστό περίπου 70-80% στο κλίνκερ και επηρεάζει τις τιμές των LSF και SR του, οπότε πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στον προσδιορισμό της αναλογίας των πρώτων υλών της τροφοδοσίας (φαρίνα). Εικόνα 2.2. Σφαιρίδια (pellets) μεγέθους 15-25 mm του κλίνκερ τσιμέντου (προϊόν της διεργασίας πυροσυσσωμάτωσης στην περιστροφική κάμινο). 2.3. ΟΙ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΕΣ ΚΑΜΙΝΟΙ Οι περιστροφικές κάμινοι (Σχήμα 2.3) είναι ογκώδεις, κυλινδρικού σχήματος, κεκλιμένες κατασκευές, διαμέτρου 3.5-4.5 m και μήκους έως 200 m, επενδεδυμένες εσωτερικά με πυρίμαχη επένδυση (πυρίμαχα τούβλα), μέσα στις οποίες τροφοδοτείται η «φαρίνα». Οι διάφοροι τύποι περιστροφικών καμίνων βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας. Το μήκος των περιστροφικών καμίνων εξαρτάται από τη μέθοδο κατεργασίας (ξηρή, υγρή, ημι-ξηρή, ημι-υγρή κλπ.) των πρώτων υλών (φαρίνα) και τις πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις, όσον αφορά στην προθέρμανση της φαρίνας και στις διεργασίες πύρωσης του ασβεστολίθου. Κυμαίνεται δε κατά περίπτωση από 50-200m και δίνεται στο Σχήμα 2.6, ανάλογα με τη μέθοδο παραγωγής. Η ταχύτητα περιστροφής της καμίνου κυμαίνεται από 1-4 στροφές το λεπτό (rpm). Η περιστροφική κάμινος είναι ελαφρώς κεκλιμμένη προς την έξοδό της (άκρο αποκένωσης του κλίνκερ), για να ρέει (μετακινείται) το υλικό και να αποκενώνεται από το κατώτερο άκρο το προϊόν της (κλίνκερ). 18

Σχήμα 2.3. Απλοποιημένη απεικόνιση περιστροφικής καμίνου Ο χρόνος παραμονής του υλικού μέσα στην κάμινο μπορεί να φτάσει, από περίπου 20 min για καμίνους του τύπου προθέρμανσης-προπύρωσης (preheater-precalciner) της φαρίνας μέχρι 2 ώρες για καμίνους κατεργασίας «υγρής» φαρίνας (wet kilns). Στις μεθόδους preheater-precalciner, η φαρίνα παραμένει μέσα στον πύργο προθέρμανσηςπροπύρωσης (Σχήμα 2.8) από 20-90 s (δευτερόλεπτα). Οι διάφορες φάσεις (στάδια) κατεργασίας για την παραγωγή κλίνκερ στη διάταξη της καμίνου είναι οι εξής (Σχήμα 2.4): 1. Εξάτμιση του ελεύθερου (μη συνδεμένου) νερού 2. Απομάκρυνση του κρυσταλλικού νερού (συνδεδεμένο νερό) κυρίως από τα αργιλικά πετρώματα (πρώτες ύλες) 3. Διάσπαση (πύρωση) του ασβεστολίθου (CaCO 3 ) 4. Σχηματισμός των φάσεων του κλίνκερ τσιμέντου ενώσεις πυριτικού ασβεστίου (C 2 S, 2 CaO SiO 2 και C 3 S, 3 CaO SiO 2 ) αργιλικού ασβεστίου (C 3 Α, 3 CaO Al 2 O 3 ) αργιλοσιδηρούχου ασβεστίου (C 4 AF, 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 ) 5. Ψύξη του κλίνκερ (clinker) Στη συνέχεια, για την παραγωγή του κοινού τύπου τσιμέντου (OPC, ordinary Portland cement), ακολουθούνται οι παρακάτω διεργασίες (Σχήμα 2.5): 1. Ανάμειξη του κλίνκερ (95%) με γύψο ( 5%) και 2. Λεπτομερής λειοτρίβηση (άλεση) παραγωγή τσιμέντου 19

Σχήμα 2.4. Διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στη διάταξη της περιστροφικής καμίνου για την παραγωγή του κλίνκερ. Σχήμα 2.5. Συμβατικό κύκλωμα λειοτρίβησης (άλεσης) κλίνκερ για την παραγωγή τσιμέντου. 20

Οι τύποι των περιστροφικών καμίνων-μέθοδοι παραγωγής Οι διάφορες μέθοδοι και διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν με την πάροδο του χρόνου για την παραγωγή του κλίνκερ τσιμέντου φαίνονται στο Σχήμα 2.6. Σήμερα, για λόγους μείωσης της καταναλισκόμενης ενέργειας και του χρόνου παραμονής του υλικού, η κύρια μέθοδος παραγωγής κλίνκερ τσιμέντου είναι η ξηρή μέθοδος (Σχήμα 2.8) με προθέρμανση της φαρίνας και μερική διάσπαση (πύρωση) του ασβεστολίθου (Preheater-precalciner). Στα διάφορα στάδια της ξηρής αυτής κατεργασίας γίνονται οι παρακάτω διεργασίες: Σχήμα 2.6. Σχέση μεταξύ μεθόδου παραγωγής του κλίνκερ τσιμέντου και του μήκους της περιστροφικής καμίνου και κατανομή των ζωνών κατεργασίας μέσα στην κάμινο [37]. A Προθέρμανση της τροφοδοσίας (φαρίνα) και μερική διάσπαση (πύρωση) του ασβεστολίθου στον πύργο προθέρμανσης και πύρωσης από τα ανερχόμενα θερμά αέρια της καμίνου και από τα αέρια ψύξης του κλίνκερ (θερμοκρασίες 900-1000C) 21

B Σχηματισμός ενδιάμεσων φάσεων από την αντίδραση των πρώτων υλών μεταξύ τους μέσα στην κάμινο (θερμοκρασίες 1000-1200C) C Πυροσυσσωμάτωση και σχηματισμός σφαιριδίων κλίνκερ (θερμοκρασίες 1200-1450 C) μέσα στην κάμινο και κατόπιν ψύξη του κλίνκερ Το αναλυτικό διάγραμμα ροής των διεργασιών παραγωγής τσιμέντου παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.7. Σχήμα 2.7. Αναλυτικό διάγραμμα ροής διεργασιών παραγωγής τσιμέντου. 22

Στις καμίνους αυτού του τύπου (preheater-precalciner), η ξήρανση, η απομάκρυνση του συνδεδεμένου νερού στις πρώτες ύλες, η προθέρμανση στη θερμοκρασία πύρωσης και η μερική διάσπαση (πύρωση) του ασβεστολίθου γίνονται εκτός της περιστροφικής καμίνου στον πύργο προθέρμανσης και προ-πύρωσης (preheater/precalciner). Εξαρτάται από τον τύπο αυτών καμίνων (preheater ή precalciner) το ποσοστό % της διεργασίας πύρωσης (διάσπαση) του ασβεστολίθου που ολοκληρώνεται εκτός της καμίνου. Στις καμίνους τύπου preheater 30-40% της πύρωσης γίνεται εκτός της καμίνου, ενώ στις καμίνους τύπου precalciner 90-95%, αντιστοίχως. Αυτό τελικά καθορίζει και το μήκος που καταλαμβάνει η ζώνη πύρωσης και η ζώνη πυροσυσσωμάτωσης εντός της καμίνου, το οποίο διαμορφώνεται σε 60% και 35%, αντιστοίχως (Peray, 1986). Στις περιπτώσεις αυτές, είναι απαραίτητο (Σχήμα 2.8), μέρος (50-65%) του απαιτούμενου καυσίμου της διεργασίας να εισαχθεί στην περιοχή του προασβεστοποιητή του πύργου προθέρμανσης/πύρωσης της τροφοδοσίας με αντίστοιχη μείωση της ποσότητας του εισαγόμενου καυσίμου στην έξοδο της καμίνου. Σχήμα 2.8. Διάταξη ξηρής μεθόδου παραγωγής κλίνκερ με προθέρμανση της τροφοδοσίας και πύρωση του ασβεστολίθου (Preheater/Precalciner). 23

Το καύσιμο, που εισάγεται στον precalciner, καίεται με τη βοήθεια των θερμών αερίων που προέρχονται από την κάμινο ή από την ψύξη του κλίνκερ σε θερμοκρασίες χαμηλότερες και η διεργασία της καύσης έχει μεγάλη απόδοση. Το ομογενοποιημένο υλικό (φαρίνα) κινείται κατ άντιρροή με τα ανερχόμενα θερμά αέρια και παραμένει λίγα μόνο δευτερόλεπτα (20-90 s) στη θερμότερη περιοχή (θερμοκρασία 850-900C) του precalciner, η δε διάσπαση του ασβεστολίθου ολοκληρώνεται σε ποσοστό 90-95% πρό της εισαγωγής της φαρίνας στην περιστροφική κάμινο. Η τέφρα από το καύσιμο ενσωματώνεται ικανοποιητικά στη φαρίνα της τροφοδοσίας και τελικώς στο κλίνκερ. Στις διατάξεις αυτές διοχετεύεται μικρότερη ποσότητα καυσίμων/θερμότητας στην έξοδο της καμίνου, οπότε η προ-διάσπαση (precalcination) του ασβεστολίθου στον πύργο επιτρέπει την ταχύτερη διέλευση του υλικού μέσα από το κυρίως τμήμα της περιστροφικής καμίνου. Στο Σχήμα 2.9 δίνεται η κατανομή του χρόνου και η διακύμανση των θερμοκρασιών στις διάφορες ζώνες εντός της καμίνου. Σχήμα 2.9. Ξηρή μέθοδος παραγωγής κλίνκερ με προθέρμανση της τροφοδοσίας και πύρωση του ασβεστολίθου (Preheater/Precalciner)-Θερμοκρασιακό προφίλ και χρόνος παραμονής του υλικού σε κάθε περιοχή. Έτσι, επιτυγχάνεται μείωση του μήκους και της διαμέτρου της καμίνου όπως επίσης και του χρόνου παραμονής-κατεργασίας του υλικού, μείωση του κόστους επένδυσης και προκαλείται επιμήκυνση του χρόνου ζωής της πυρίμαχης επένδυσης (πυρίμαχα τούβλα). 24

Στη διάταξη αυτή, οι επικαθήσεις-εμφράξεις (Σχήμα 2.10), που συμβαίνουν από τη μεταφορά (μέσω των θερμών αερίων), την υγροποίηση και τη βαθμιαία στερεοποίηση των πτητικών ενώσεων (κυρίως χλωριούχων ενώσεων αλκαλίων) στις ψυχρότερες περιοχές, δηλαδή στις εσωτερικές επιφάνειες του preheater και precalciner, μειώνονται αντιστοίχως. Επίσης, οι ποσότητες των αερίων NO x, που παράγονται, είναι μικρότερες λόγω της χαμηλότερης θερμοκρασίας καύσης του καυσίμου, ενώ στη διάταξη precalciner είναι δυνατή η καύση καυσίμων υποδεέστερης θερμογόνου δύναμης. Στο Σχήμα 2.11 δίνεται διάγραμμα ξηρής μεθόδου παραγωγής κλίνκερ μόνο με προθέρμανση (preheating) της φαρίνας. Από το σχήμα διαπιστώνονται εύκολα οι διαφοροποιήσεις ως προς την προηγούμενη περίπτωση, δηλαδή της κατεργασίας φαρίνας με ταυτόχρονη προθέρμανση - πύρωση (Preheater/Precalciner) του ασβεστολίθου. Από τα Σχήματα 2.6 και 2.9 είναι φανερό ότι έχει επιτευχθεί σημαντική μείωση του χρόνου παραμονής της φαρίνας στην κάμινο από περίπου 40-45 min σε 20 min μόνο. Σχήμα 2.10. Επικαθήσεις χλωριούχων ενώσεων αλκαλίων στο σύστημα preheater/precalciner. Τελικώς, η χρησιμοποίηση σύγχρονων διατάξεων προθέρμανσης/πύρωσης έχει συμβάλει στη μείωση του συνολικού μήκους της όλης διάταξης και ο λόγος μήκος/διάμετρο έχει γίνει εφικτό να κυμαίνεται σήμερα από 14:1 έως και 11:1 με προφανείς θετικές επιπτώσεις στο κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας μιας τέτοιας διάταξης. 25

Σχήμα 2.11. Ξηρή μέθοδος παραγωγής κλίνκερ με προθέρμανση της τροφοδοσίας (Preheater)- Θερμοκρασιακό προφίλ και χρόνος κατεργασίας του υλικού. Άλλη μέθοδος παραγωγής είναι η γερμανική ημι-ξηρή (semi-dry) ή ημι-υγρή (semiwet) μέθοδος Lepol (Σχήμα 2.12), όπου εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν πρώτες ύλες με μεγάλο ποσοστό αρχικής υγρασίας, οι λειοτριβημένες εν υγρώ πρώτες ύλες μετατρέπονται πρώτα σε πολφό, κατόπιν υποβάλλονται σε πύκνωση και διήθηση και τα στερεά της διήθησης (filter cake) εισάγονται στην περιστροφική κάμινο ή σε άλλες περιπτώσεις υπό μορφή συσφαιρωμάτων (pellets), οπότε η μέθοδος αυτή χαρακτηρίζεται ως ημι-ξηρή/ημι-υγρή μέθοδος παραγωγής. Τα συσφαιρώματα προθερμαίνονται σε διάταξη τύπου εσχάρας (grate preheater) με τη βοήθεια των αερίων εξαγωγής της περιστροφικής καμίνου και κατόπιν αυτά εισάγονται στην περιστροφική κάμινο. 26

Σχήμα 2.12. Διάταξη ημι-ξηρής μεθόδου (semi-dry) Lepol παραγωγής τσιμέντου. Είναι προφανές ότι στην κάμινο τύπου Lepol η ξήρανση, η απομάκρυνση του συνδεδεμένου νερού στις πρώτες ύλες, η προθέρμανση στη θερμοκρασία πύρωσης και η μερική διάσπαση (πύρωση) του ασβεστολίθου γίνονται εκτός της περιστροφικής καμίνου. Μέσα στην περιστροφική κάμινο ολοκληρώνεται η πύρωση του ασβεστολίθου και επιτελούνται οι αντιδράσεις μετατροπής των πρώτων υλών σε κλίνκερ. Τα παραπάνω δεδομένα επηρεάζουν σημαντικά το μήκος της καμίνου που καταλαμβάνει κάθε ζώνη (Σχήμα 2.6). Στις καμίνους αυτής της αρχής λειτουργίας, η ζώνη πύρωσης καταλαμβάνει το 55% του μήκους της, ενώ η ζώνη πυροσυσσωμάτωσης το υπόλοιπο 45%. Οι φυσικοχημικές - ορυκτολογικές διεργασίες και μετατροπές, που λαμβάνουν χώραν μέσα στην περιστροφική κάμινο κατά τη διαδικασία προθέρμανσης, πύρωσης και έψησης της φαρίνας, απεικονίζονται στα Σχήματα 2.13 και 2.14 και αναλύονται παρακάτω. Προφανώς, αυτές αφορούν σε ξηρή μέθοδο κατεργασίας με προθέρμανση και πύρωση του ασβεστολίθου εντός του πύργου προθέρμανσης (preheater/precalciner). Α. Θερμοκρασιακή περιοχή 600-900C (Σχηματισμός οξειδίων) 1. Πύρωση ανθρακικών ενώσεων, σύμφωνα με την αντίδραση: 27

Προκειμένου για αργιλικές ενώσεις, η αντίδραση ξεκινά στους 600C Η θερμοκρασία του υλικού δεν αυξάνει, επειδή η αντίδραση είναι ενδόθερμη (393kcal/kg = 1632 MJ/t) 2. Οι αντιδράσεις, που λαμβάνουν χώρα μεταξύ των ελεύθερων οξειδίων και, είναι: Άλλες αντιδράσεις που γίνονται στους 800C: Κάποιες από αυτές είναι εξώθερμες, αλλά γίνονται ταυτόχρονα με την πύρωση των ανθρακικών ενώσεων 3. Παρουσία, το σχηματιζόμενο οδηγεί στην παραγωγή sulfoespurrite ( ) 4. Επίσης, μπορεί να σχηματιστεί carboespurrite Β. Θερμοκρασιακή περιοχή (900-1450C) 1. Περιοχή (900-1160C) 5. Οι αντιδράσεις των περιπτώσεων 2, 3 και 4 της προηγούμενης παραγράφου συνεχίζονται και επίσης σχηματίζονται, και 6. Στους 1160C, ξεκινά ο μαζικός σχηματισμός 7. Παρουσία φθορίου στις πρώτες ύλες, το αρχίζει να γίνεται σταθερή φάση 2. Περιοχή (1160-1338C) 8. Στους 1200C σχεδόν όλη η ποσότητα του έχει σχηματιστεί, το ελεύθερο και το έχουν εξαφανιστεί, και αρχίζει να εμφανίζεται υγρή φάση των και και ο σχηματισμός, που απαιτεί υψηλότερες θερμοκρασίες. 9. Στους 1250C το έχει μετασχηματιστεί σε και το είναι πλέον σταθερό 10. Στους 1338C, το και έχουν λειώσει πλήρως και έχει επιτευχθεί ευτηκτική ισορροπία με 54.8%, 22.7%, 16.5% και 6% 11. Η μορφή του (μετασχηματισμός-μετατροπή φάσης) 28

12. Παρουσία της υγρής φάσης, το συνεχίζει να παράγεται ως αποτέλεσμα αντίδρασης των και. 3. Περιοχή (1338-1450C) 13. Αν και έχει σχηματιστεί όλη η υγρή φάση στους 1450C, αυτή συνεχίζει να υπάρχει μέχρι την περιοχή της ζώνης σχηματισμού των σφαιριδίων του κλίνκερ, δηλαδή μέχρι τη θερμοκρασία 1230C (κατά την ψύξη του κλίνκερ). Η κύρια αντίδραση, που γίνεται γύρω από τη θερμοκρασία αυτή (1450C), είναι: Γ. Θερμοκρασιακή περιοχή (1450-1170C) 14. Περιοχή Ψύξης Οι φάσεις, εκτός του, που υπάρχουν στη θερμοκρασιακή περιοχή 1450-1230C τελικώς είναι: Υγρή φάση των και, και, αλλά πέραν της θερμοκρασίας των 1230C (σε συνθήκες ταχείας ψύξης) γίνεται κρυστάλλωση της υγρής φάσης (τήγμα) που περιέχει τις φάσεις των και, όπου δεσμεύονται επίσης MgO και CaO. Σε αναγωγικές συνθήκες παραγωγής κλίνκερ, οι φάσεις, που περιέχουν σίδηρο και θείο, επηρεάζονται σημαντικά. Ο τρισθενής σίδηρος (Fe +3 ) ανάγεται αρχικά σε δισθενή (Fe +2 ) και σε μερικές περιπτώσεις σε μεταλλικό σίδηρο (Fe), που έχει ως αποτέλεσμα την εξαφάνιση της φερριτικής φάσης (C 4 AF) και την αύξηση της περιεκτικότητας σε αλουμινούχα φάση (C 3 A) με ανάλογη επίπτωση στις ιδιότητες του κλίνκερ, ενώ το χρώμα του κλίνκερ μεταβάλλεται από γκρί σε καφέ. Το οξείδιο του δισθενούς σιδήρου FeO καταλήγει μαζί με το CaO στο στερεό διάλυμα ή αντικαθιστά το CaO στις διάφορες ενδιάμεσες φάσεις αυξάνοντας τη βασικότητα του μείγματος. 29

Σχήμα 2.13. Φυσικοχημικές-ορυκτολογικές διεργασίες για την παραγωγή κλίνκερ τσιμέντου [32]. Όμως στην περίπτωση αυτή, επειδή απουσιάζουν τα οξείδια του σιδήρου που δημιουργούν ευτηκτικό περιβάλλον, το σύστημα γίνεται πιο δύστηκτο και απαιτείται υψηλότερη θερμοκρασία έψησης (κλινκεροποίηση), η οποία όμως στη συνέχεια οδηγεί σε αύξηση του μεγέθους των κρυστάλλων του αλίτη και υποβάθμιση της ποιότητας του παραγόμενου τσιμέντου. Ο αλίτης όμως, που παράγεται σε αναγωγικό περιβάλλον και περιέχει FeO στη θέση του CaO, αποσυντίθεται πολύ εύκολα σε βελίτη και ελεύθερη άσβεστο (CaO free ), ιδιαιτέρως όταν το κλίνκερ ψύχεται αργά. Η επανοξείδωση του FeO σε Fe 2 O 3 (σε θερμοκρασίες κάτω από 1300C κατά την ψύξη του κλίνκερ), προκαλεί αποβολή του Fe 2 O 3 από το πλέγμα του αλίτη, ένωσή του με CaO του αλίτη και σχηματισμό μιας σύνθετης φάσης του τύπου (C 2 F C 2 S) στα όρια των κρυσταλλικών επιπέδων του αλίτη, γεγονός που μεταβάλλει τα ποσοστά των διαφόρων φάσεων στο κλίνκερ. 30

Σχήμα 2.14. Αναλυτική παρουσίαση των φυσικοχημικών-ορυκτολογικών διεργασιών για την παραγωγή κλίνκερ τσιμέντου, με τη θερμοκρασιακή εξέλιξη των αρχικών Π.Υ. και των δημιουργούμενων φάσεων [55]. Σχήμα 2.15. Βέλτιστα όρια μεταβολής των τιμών δεικτών ποιότητας κλίνκερ για εξασφάλιση κατάλληλων συνθηκών έψησης του κλίνκερ [55]. 31

Σχήμα 2.16. Βέλτιστη θερμοκρασιακή περιοχή έψησης της φαρίνας συναρτήσει της επιθυμητής περιεκτικότητας του παραγόμενου κλίνκερ σε ελεύθερη άσβεστο. Στο Σχήμα 2.15 δίδονται οι βέλτιστες συνθήκες έψησης του κλίνκερ, που αφορούν στα όρια μεταβολής των δεικτών LSF, SR και AR, όπως επίσης και οι επιπτώσεις τους στην προστασία της πυρίμαχης επένδυσης της καμίνου. Οι τιμές των δεικτών αυτών καθορίζουν τόσο την αναλογία των πρώτων υλών στη φαρίνα όσο και την εψησιμότητά της. Επίσης, στο Σχήμα 2.16 φαίνεται το ποσοστό % της ελεύθερης ασβέστου CaO free που θα έχει το προϊόν (κλίνκερ), ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας της περιστροφικής καμίνου. Παρατηρήσεις επί της διεργασίας έψησης Κατά την έψηση πρέπει να επικρατούν οξειδωτικές συνθήκες μέσα στην κάμινο Όσο λεπτότεροι είναι οι κόκκοι της φαρίνας (τροφοδοσία), τόσο ευκολότερα «ψήνονται» και πυροσυσσωματώνονται (αντιδρούν μεταξύ τους) οι πρώτες ύλες Υψηλή τιμή του δείκτη κορεσμού σε άσβεστο (LSF) έχει ως αποτέλεσμα δύσκολη εψησιμότητα της φαρίνας 32

Υψηλή τιμή στον αργιλικό δείκτη (SR) έχει ως αποτέλεσμα δύσκολη εψησιμότητα της φαρίνας εξαιτίας της χαμηλής περιεκτικότητας της υγρής φάσης και μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας στην άλεση Φαρίνες με τιμή αργιλικού δείκτη (AR) στην περιοχή του 1.4 ψήνονται ευκολότερα απ ό,τι στις περιπτώσεις χαμηλότερων ή υψηλότερων τιμών, επειδή σε χαμηλές θερμοκρασίες η ποσότητα της υγρής φάσης είναι μεγαλύτερη, λόγω της παρουσίας του Fe 2 O 3. Η παρουσία MgO στη φαρίνα μεταβάλλει ελαφρά τη βέλτιστη αυτή τιμή του AR = 1.4 Η ενδογενής δραστικότητα διαφόρων μορφών των πρώτων υλών της φαρίνας, π.χ. οι διάφορες φάσεις του πυριτικού επηρεάζουν την εψησιμότητα της φαρίνας. Η ψύξη του κλίνκερ Έχει διαπιστωθεί ότι ουσιαστικό ρόλο στην ποιότητα του κλίνκερ και στις ιδιότητες του παραγόμενου τσιμέντου παίζουν οι διεργασίες ψύξης του εξερχόμενου από την κάμινο κλίνκερ. Σημαντικό επίσης οικονομικό όφελος προσφέρει η αξιοποίηση ποσοστού 35% περίπου της απαγόμενης από το κλίνκερ θερμότητας, μέσω του αέρα ψύξης. Η θερμότητα που ανακτάται αξιοποιείται για την προθέρμανση της τροφοδοσίας των πρώτων υλών και για την έναυση του καυσίμου στον ασβεστοποιητή, συμβάλλοντας στην ενεργειακή βελτιστοποίηση της διεργασίας παραγωγής κλίνκερ (Σχήματα 2.8 και 2.11). Οι κύριοι τύποι ψυκτών κλίνκερ είναι τύπου κινούμενης εσχάρας, περιστροφικού ή πλανητικού τύπου. Το κλίνκερ που εξέρχεται από την περιστροφική κάμινο, διέρχεται, με τη βοήθεια κινούμενης διάτρητης εσχάρας, από θάλαμο (Σχήματα 2.17 και 2.18) και ψύχεται με τη βοήθεια αέρα που εμφυσάται από ανεμιστήρες. Με τη βοήθεια του αέρα ψύξης, μέρος της θερμότητας που περιέχει απάγεται από το κλίνκερ και θερμαίνει τον αέρα ψύξης, του οποίου μέρος ανακυκλώνεται και οδηγείται στον πύργο προθέρμανσης για αξιοποίηση της θερμότητάς του (Σχήμα 2.8). Όπως προαναφέρθηκε, οι ιδιότητες του παραγόμενου κλίνκερ εξαρτώνται κατά κύριο λόγο από την ταχύτητα δηλαδή από το ρυθμό ψύξης του κλίνκερ. Και τούτο, διότι ταχεία 33

ψύξη, λίγο πριν την έξοδο της καμίνου, αλλά ιδιαίτερα στους ψύκτες του κλίνκερ έχει σημαντική επίδραση στο μέγεθος των κρυστάλλων των φάσεων αλίτη και βελίτη που παράγονται. Το μέγεθος όμως των κρυστάλλων έχει μεγάλη σημασία για τις ιδιότητες του κλίνκερ και του τσιμέντου που θα παραχθεί από αυτό. Σχήμα 2.17. Διάταξη ψύξης κλίνκερ στην έξοδο της καμίνου. Σχήμα 2.18. Τρισδιάστατη απεικόνιση της διάταξης ψύξης κλίνκερ. 34

Έχει διαπιστωθεί ότι ταχεία ψύξη του κλίνκερ παράγει μικρούς κρυστάλλους αλίτη, επειδή δεν προλαβαίνουν, λόγω της αυξημένης ταχύτητας, να αναπτυχθούν σε μέγεθος. Επίσης, ο ρυθμός ψύξης έχει σημαντική επίδραση στην κατανομή, στο είδος και την «υγεία» των φάσεων του κλίνκερ, στα ποσοστά ασβέστου (CaO) και μαγνησίας (MgO), που δεσμεύονται στην υγρή φάση ή παραμένουν υπό μορφή ελεύθερης ασβέστου (CaO free ) και περίκλαστου (MgO) στο κλίνκερ και ως εκ τούτου εμφανίζονται αργότερα μετά την άλεση στο τσιμέντο. Είναι γνωστό επίσης ότι, σε υψηλές θερμοκρασίες κλινκεροποίησης (>1500 C), η μαγνησία (MgO) συγκεντρώνεται στην υγρή φάση μαζί με τις αλουμινούχες (C 3 A) και φερριτικές (C 4 AF) φάσεις. Σε συνθήκες λοιπόν ταχείας ψύξης, το MgO δεν προλαβαίνει να κρυσταλλωθεί και να αποβληθεί από το διάλυμα της υγρής φάσης και ενσωματώνεται σε αυτό. Έτσι, μικρή μόνο ποσότητα κρυστάλλων υπό μορφή περίκλαστου (MgO) εμφανίζεται στο κλίνκερ. Σε αντίθετη περίπτωση, δηλαδή σε συνθήκες αργής ψύξης του κλίνκερ, λαμβάνει χώρα σχεδόν ολοκληρωτική κρυστάλλωση των φάσεων C 3 A και C 4 AF σε μορφή χονδρών κόκκων, η οποία ακολουθείται από κρυστάλλωση και του MgO σε μορφή περίκλαστου. Στην περίπτωση αυτή, μόνο περίπου το 1.5% κ.β. της περιεχόμενης ποσότητας μαγνησίας παραμένει στο στερεοποιημένο διάλυμα, ενώ το υπόλοιπο κρυσταλλώνεται σε μορφή περίκλαστου στο κλίνκερ και κατά συνέπεια εμφανίζεται και στο παραγόμενο τσιμέντο, όπου και προκαλεί τα ανεπιθύμητα φαινόμενα διόγκωσης κατά την ενυδάτωση. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να έχει καταστροφικές συνέπειες στο σκυρόδεμα, όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Αυτό εξηγεί και την απαίτηση για περιεκτικότητα MgO στη φαρίνα μικρότερη από 6%, επειδή σε συνήθεις θερμοκρασίες κλινκεροποίησης <1450 C, η υπάρχουσα μαγνησία στην τροφοδοσία, λόγω υψηλού σημείου τήξης, δεν οδηγείται στην υγρή φάση, οπότε και εμφανίζεται υπό μορφή μικρών κρυστάλλων περίκλαστου στο κλίνκερ, ανεξάρτητα από την ταχύτητα ψύξης του κλίνκερ. Ανακεφαλαιώνοντας, πρέπει να τονιστεί ότι η ταχεία ψύξη προστατεύει το κλίνκερ ως εξής: Από τη δημιουργία ισορροπίας μεταξύ των διαφόρων φάσεων, δηλαδή παράγει διακεκριμένες φάσεις αλίτη, βελίτη και υαλώδη μορφή των αργιλικών και φερριτικών φάσεων με δέσμευση σ αυτή του μεγαλύτερου ποσοστού 35

της περιεχόμενης μαγνησίας. Δηλαδή η ταχεία ψύξη εμποδίζει την αλληλοδιάχυση μεταξύ των διαφόρων φάσεων, οπότε η υγρή φάση κρυσταλλώνεται χωρίς να αλληλεπιδρά με τις στερεές φάσεις (αλίτη, βελίτη). Επίσης, κατ αυτό τον τρόπο ελέγχεται η «δραστικότητα» της αργιλικής φάσης (C 3 A) που παραμένει στην υαλώδη φάση, φαινόμενο το οποίο έχει σημαντική επίπτωση στην ταχύτητα ενυδάτωσης και πήξης (setting) του τσιμέντου Με την αποτροπή διεξαγωγής της αντιστρεπτής αντίδρασης (alite resorption) C 3 S C 2 S + CaO free η οποία παράγει ελεύθερη άσβεστο και δευτερογενή βελίτη (C 2 S), μεταβάλλοντας με αυτό τον τρόπο την αναλογία μεταξύ των φάσεων αλίτη-βελίτη στο κλίνκερ και εμπλουτίζοντας το κλίνκερ με ανεπιθύμητο CaO free, άρα επιδρά στη συμπεριφορά του τσιμέντου κατά την άλεση και την ενυδάτωσή του Με την αποτροπή διεξαγωγής της αντίδρασης μετατροπής του γc 2 S σε βc 2 S, η οποία είναι μεν μια σαθρή φάση με «ευνοϊκά» μηχανικά χαρακτηριστικά για την άλεση του κλίνκερ, αλλά όμως δεν εμφανίζει καθόλου υδραυλικές ιδιότητες, κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου και αντοχές σε βάθος χρόνου 2.4. Η ΑΛΕΣΗ ΤΟΥ ΚΛΙΝΚΕΡ Οι ιδιότητες του τσιμέντου, όσο και η συμπεριφορά κατά τη χρήση του στην παραγωγή σκυροδέματος, εξαρτώνται, εκτός των άλλων σημαντικά και από τη λεπτότητά του δηλαδή από την κοκκομετρική του ανάλυση. Η λεπτότητα του τσιμέντου εκφράζεται από την τιμή του δείκτη Blaine, που δίνεται σε μονάδες cm 2 /g ή m 2 /kg και κυμαίνεται από 2800-6000 cm 2 /g, ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζεται. Η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται στην παραγωγή τσιμέντου κυμαίνεται από 100-110 kwh/tonne τσιμέντου (Σχήμα 2.19). Σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα, το 63.7% της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται στην παραγωγή τσιμέντου αφορά στις διεργασίες θραύσης, λειοτρίβησης και ξήρανσης των πρώτων υλών και επίσης στην άλεση του κλίνκερ και της γύψου. 36

Επίσης είναι γνωστό ότι η καταναλισκόμενη ενέργεια κατά τη λειοτρίβηση και την άλεση έχει σχέση με το μέγεθος της τροφοδοσίας (διαστάσεις των τεμαχίων κλίνκερ), με το μέγεθος του προϊόντος, με τα φυσικά χαρακτηριστικά του υλικού (σκληρότητα, δείκτης έργου, πυκνότητα), τα χαρακτηριστικά του μύλου (διαστάσεις, σχέση μήκους προς διάμετρο) και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του (συντελεστής πλήρωσης, σύνθεση του φορτίου). Είναι επίσης γνωστό ότι η ειδική επιφάνεια του τσιμέντου (λεπτότητα) εξαρτάται από το μέγεθος των τεμαχίων του προϊόντος. Κατανομή κατανάλωσης Η.Ε. στην παραγωγή τσιμέντου Κατανάλωση Η.Ε. σε kwh/t τσιμέντου 35 30 25 20 15 10 5 0 Θραύση-προομογενοποίηση Π.Υ. Αποκάλυψη & εξόρυξη πρώτων υλών 5 3,2 26,1 24,6 30 5,1 Λειοτρίβηση, ξήρανση Ανάμειξη, ομογενοποίηση Π.Υ. Παραγωγή κλίνκερ, ψύξη κλίνκερ Μεταφορά, ενσάκκιση, φόρτωση κ.α. Άλεση κλίνκερ-παραγωγή τσιμέντου Λειοτρίβηση άνθρακα 4,4 35 30 25 20 15 10 5 0 Ποσοστιαία % κατανάλωση Η.Ε. κατανάλωση Η.Ε. σε kwh Ποσοστιαία κατανάλωση Η.Ε. στην παραγωγή τσιμέντου Σχήμα 2.19. Κατανάλωση και ποσοστιαία κατανομή κατανάλωσης Η.Ε. στην παραγωγή τσιμέντου. Έχει διαπιστωθεί ότι η ειδική ενέργεια άλεσης είναι συνάρτηση της σκληρότητας του κλίνκερ (δείκτης έργου ή δείκτης Bond, Bond work index w i ), της λεπτότητας Blaine (κοκκομετρία) του τσιμέντου που θα παραχθεί και με πολύ καλή προσέγγιση, δίνεται από: E 10 1.7410 4 F Bl 0.035w 0.4714 i όπου Ε η ενέργεια άλεσης του κλίνκερ σε kwh/tonne, F Bl η λεπτότητα του τσιμέντου (Blaine) σε cm 2 /g και w i ο δείκτης έργου (work index) σε kwh/short ton. Στους συντελεστές της εξίσωσης έχει ενσωματωθεί ο συντελεστής μετατροπής 1 short ton (s.t.) = 0.907 tonne. 37