ในการผลิตซีเมนต์โรงบดวัตถุดิบเป็นอุปกรณ์อุตสาหกรรมประเภทหนึ่งที่ใช้ในการบด บดละเอียด และกำหนดสัดส่วนวัตถุดิบให้เป็นส่วนผสมที่สม่ำเสมอที่เรียกว่าวัตถุดิบบด (หรือวัตถุดิบผสม ) ซึ่งต่อมาจะถูกนำไปแปรรูปในเตาเผาซีเมนต์เพื่อผลิตคลินเกอร์จากนั้นจึงนำไปบดเพื่อทำซีเมนต์ใน โรง บดซีเมนต์^{[ 1 ]}

ขั้นตอนการบดวัตถุดิบเป็นตัวกำหนดองค์ประกอบทางเคมี (และคุณสมบัติทางกายภาพ) ของซีเมนต์สำเร็จรูป และมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของกระบวนการผลิตทั้งหมด

ประวัติการพัฒนาเทคโนโลยีการบดวัตถุดิบกำหนดประวัติศาสตร์ยุคแรกของเทคโนโลยีการผลิตซีเมนต์ ขั้นตอนอื่นๆ ของการผลิตซีเมนต์ใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วในยุคแรก วัสดุไฮดรอลิกในยุคแรก เช่นปูนขาวไฮดรอ ลิ กซีเมนต์ธรรมชาติและซีเมนต์โรมันของพาร์เกอร์ ล้วนใช้ "วัตถุดิบธรรมชาติ" ที่ขุดได้และนำมาเผา เนื่องจากแร่ธาตุธรรมชาติเหล่านี้เกิดขึ้นได้ยาก ผู้ผลิตจึงสนใจที่จะสร้างส่วนผสมเทียมที่มีอนุภาคละเอียดจากแร่ธาตุที่หาได้ง่าย เช่น หินปูนและดินเหนียว ที่สามารถนำมาใช้ในลักษณะเดียวกันได้ ปัญหาทั่วไปคือการผสมชอล์ก 75% กับดินเหนียว 25% ให้เข้ากันอย่างดี แล้วนำไปเผาเพื่อผลิต "ซีเมนต์เทียม" การพัฒนาวิธีการผลิตดินเหนียวที่มีอนุภาคละเอียดแบบ "เปียก" ใน อุตสาหกรรม เซรามิกทำให้สามารถทำเช่นนั้นได้ ด้วยเหตุนี้ อุตสาหกรรมซีเมนต์ในยุคแรกจึงใช้ "กระบวนการเปียก" ซึ่งวัตถุดิบจะถูกบดรวมกับน้ำเพื่อผลิตสารละลายข้นที่มีน้ำ 20-50% ทั้งหลุยส์ วิแคตและเจมส์ ฟรอสต์ต่างใช้เทคนิคนี้ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 และยังคงเป็นวิธีเดียวในการผลิตส่วนผสมดิบสำหรับปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์จนถึงปี 1890 มีการดัดแปลงเทคนิคที่ใช้ในอุตสาหกรรมยุคแรกๆ คือ "การเผาสองครั้ง" ซึ่งจะนำหินปูนแข็งมาเผาและทำให้สุกก่อนที่จะผสมกับดินเหนียวเหลว เทคนิคนี้หลีกเลี่ยงการบดหินแข็ง และถูกนำไปใช้โดยโจเซฟ แอสปดิน และคนอื่นๆ เทคโนโลยีการบดในยุคแรกๆ นั้นไม่ดีนัก และส่วนผสมเหลวในยุคแรกๆ จึงมีความเหลวและมีปริมาณน้ำสูง จากนั้นจึงปล่อยให้ส่วนผสมเหลวนั้นตั้งทิ้งไว้ในอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ ("อ่างเก็บน้ำเหลว") เป็นเวลาหลายสัปดาห์ อนุภาคขนาดใหญ่ที่ไม่ถูกบดจะตกลงไปที่ด้านล่าง และน้ำส่วนเกินจะลอยขึ้นด้านบน จะมีการเทน้ำออกเป็นระยะๆ จนกระทั่งเหลือเป็นก้อนแข็งๆ ที่มีความหนาแน่นเหมือนดินเหนียวสำหรับทำเครื่องปั้นดินเผา จากนั้นจึงหั่นเป็นชิ้นๆ โดยทิ้งวัสดุหยาบที่อยู่ด้านล่าง และนำไปเผาในเตาเผา การบดแบบเปียกนั้นประหยัดพลังงานมากกว่าเมื่อเทียบกับวิธีอื่น ดังนั้นเมื่อมีอุปกรณ์บดแบบแห้งที่ดีออกมา การบดแบบเปียกจึงยังคงถูกนำมาใช้ต่อไปตลอดศตวรรษที่ 20 โดยมักใช้อุปกรณ์ที่โจไซอาห์ เวดจ์วูดน่าจะรู้จักดี

ส่วนผสมดิบได้รับการคิดค้นสูตรเพื่อให้มีองค์ประกอบทางเคมีที่สมดุลอย่างเหมาะสมสำหรับการผลิตแคลเซียมซิลิเกต ( อะไลต์และเบไลต์ ) และสารช่วยหลอมละลาย ( อะลูมิเนตและเฟอร์ไรต์ ) ในเตาเผา ข้อมูลการวิเคราะห์ทางเคมีในการผลิตซีเมนต์จะแสดงในรูปของออกไซด์ และออกไซด์ที่สำคัญที่สุดในการออกแบบส่วนผสมดิบ ได้แก่ SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ ที่สามารถให้สารประกอบออกไซด์เหล่านี้ ได้ก็สามารถใช้เป็นส่วนประกอบของส่วนผสมดิบได้ เนื่องจากออกไซด์หลักที่ต้องการคือ CaO ดังนั้นส่วนประกอบของส่วนผสมดิบที่พบมากที่สุดคือหินปูนในขณะที่ส่วนประกอบอื่นๆ ส่วนใหญ่มาจากดินเหนียวหรือหินดินดานการปรับเปลี่ยนทางเคมีเล็กน้อยทำได้โดยการเติมวัสดุในปริมาณเล็กน้อยดังที่แสดงไว้ด้านล่าง

การวิเคราะห์ทางเคมีของส่วนประกอบวัตถุดิบผสมทั่วไป:

หมายเหตุ: LoI คือค่าการสูญเสียจากการเผาไหม้ที่อุณหภูมิ 950  °C ซึ่งแสดงถึงส่วนประกอบที่สูญเสียไปโดยประมาณในระหว่างกระบวนการเผาในเตาเผา โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วย CO2 คาร์บอเนต, H2O ไฮเดรตของดินเหนียว และคาร์บอนอินทรีย์

โดยใช้วัตถุดิบเหล่านี้ สามารถประกอบเป็นส่วนผสมดิบทั่วไปได้ดังนี้:

• ส่วนผสมที่ 1: ปูนซีเมนต์อเนกประสงค์: หินปูนสีเทา 88.0%, ดินเหนียว 8.9%, ทราย 2.2% และตะกรันจากโรงสี 0.9%
• ส่วนผสมที่ 2: ซีเมนต์ทนซัลเฟต: หินปูนสีเทา 87.6%, ดินเหนียว 5.2%, ทราย 5.0% และตะกรันจากโรงงาน 2.2%
• ส่วนผสมที่ 3: ปูนซีเมนต์ขาว : หินปูนขาว 82.3%, ดินขาว 6.8% และทราย 10.9%

ผลการวิเคราะห์ทางเคมีของวัตถุดิบผสมเหล่านี้จะเป็นดังนี้:

วัตถุดิบและส่วนผสมที่แสดงไว้เป็นเพียง "ตัวอย่างทั่วไป" เท่านั้น อาจมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากขึ้นอยู่กับวัตถุดิบที่มีอยู่

นอกเหนือจากออกไซด์หลัก (CaO, SiO2 Al2O3 Fe2O3 ) แล้ว ออกไซด์รองอื่นๆ นั้นอย่าง ที่สุดก็เป็นเพียงสารเจือจางของค ลิการผลิตซีเมนต์ส่วนใหญ่ขุดได้จากเปลือกโลกและประกอบด้วยธาตุส่วนใหญ่ในตารางธาตุในปริมาณหนึ่ง ดังนั้นผู้ผลิตจึงเลือกวัตถุดิบเพื่อให้ผลกระทบที่เป็นอันตรายของธาตุรองลดลงหรืออยู่ภายใต้การควบคุม ธาตุรองที่พบได้บ่อยมีดังต่อไปนี้:

• ฟลูออรีนมีประโยชน์ต่อกระบวนการเผาในเตาเผา เนื่องจากช่วยให้เกิดอะไลต์ที่อุณหภูมิต่ำลง อย่างไรก็ตาม หากมีปริมาณฟลูออรีนในปูนเม็ดเกิน 0.25% จะส่งผลให้เวลาการแข็งตัวของซีเมนต์ล่าช้าและไม่สม่ำเสมอ
• โลหะอัลคาไล (โดยเฉพาะโซเดียมและโพแทสเซียม ) ก่อให้เกิดปัญหาในกระบวนการผลิต เนื่องจากโลหะเหล่านี้ก่อตัวเป็นเกลือระเหยในระบบเตาเผา เกลือเหล่านี้จะระเหยในบริเวณการเผาไหม้ของเตาเผาและควบแน่นอีกครั้งในบริเวณที่เย็นกว่าของเครื่องอุ่นก่อนการเผา ทำให้เกิดการอุดตัน นอกจากนี้ โลหะอัลคาไลยังเป็นอันตรายต่อคอนกรีต โดยอาจก่อให้เกิดปฏิกิริยาอัลคาไล-ซิลิกาได้ ด้วยเหตุนี้ มาตรฐานหลายฉบับจึงจำกัดปริมาณโลหะอัลคาไล (โดยทั่วไปจะแสดงเป็น "ปริมาณโซดาเทียบเท่าทั้งหมด" ซึ่งคือ Na₂O 0.658 K₂O ขีดจำกัดตามข้อกำหนดทั่วไปอยู่ในช่วง 0.5–0.8%
• แมกนีเซียมออกไซด์ ( MgO ) ก่อให้เกิดปัญหาเมื่อมีปริมาณเกิน 2.5% ในปริมาณเล็กน้อยจะละลายอยู่ในแร่ธาตุของปูนเม็ด แต่เมื่อเกิน 2.5% แมกนีเซียมออกไซด์ "อิสระ" จะอยู่ในรูปของเพริคลาสในปูนเม็ด ซึ่งสามารถค่อยๆ เกิดปฏิกิริยาไฮ เดรชั่นกลายเป็นแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ (Mg(OH)เมื่อคอนกรีตแข็งตัวและเกิดการขยายตัว ทำให้เกิดรอยแตกร้าว การควบคุมกระบวนการผลิตปูนเม็ดอย่างระมัดระวังเพื่อให้เพริคลาสอยู่ในรูปผลึกขนาดเล็กช่วยให้สามารถจัดการกับปริมาณ MgO ได้ถึง 5% โดยไม่เกิดผลกระทบร้ายแรง มาตรฐานทั้งหมดกำหนดขีดจำกัดของ MgO โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 4-6%
• P2O5 ในระดับ สูงกว่า 0.5% จะเริ่มทำให้การแข็งตัวช้าลงและปฏิกิริยาของคลินเกอร์ลด
• คลอรีนก่อให้เกิดเกลือระเหยง่ายและทำให้เกิดการอุดตันในเครื่องทำความร้อนล่วงหน้า ดังนั้นโดยทั่วไปจึงจำกัดปริมาณคลอรีนในส่วนผสมดิบไว้ที่ต่ำกว่า 0.1%
• ออกไซด์ (TiO2 ) พบได้ทั่วไป แต่พบได้น้อยมากในระดับที่อาจก่อให้เกิดปัญหา (~1%)
• โครเมียมอาจเปลี่ยนไปเป็นโครเมต (Cr[VI]) ในซีเมนต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคลินเกอร์มีซัลเฟตสูง โครเมตทำให้เกิดอาการแพ้สัมผัสในผู้ใช้ซีเมนต์ และด้วยเหตุนี้ ปริมาณ Cr[VI] ในซีเมนต์จึงถูกจำกัดไว้ในมาตรฐานหลายฉบับไว้ที่ 0.0002% ส่วนผสมดิบตามธรรมชาติทั่วไปมี Cr₂O₃ ประมาณ 0.01%ระดับนี้ การเกิด Cr[VI] สามารถควบคุมได้ โครเมียมที่อยู่ในซีเมนต์ในรูป Cr[III] นั้นไม่มีผลกระทบใดๆ
• แมงกานีส ( Mn₂O₃ เป็นอันตราย แต่ทำหน้าที่เป็นสารทดแทนเหล็ก อย่างไรก็ตาม มันทำให้ซีเมนต์มีสีเข้มกว่าเหล็ก และซีเมนต์ที่มีแมงกานีสสูง > %) จะมีสีดำเกือบสนิท
• ZnOพบได้ในสารเติมแต่งในส่วนผสมวัตถุดิบบางชนิด (รวมถึงยางรถยนต์ที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในเตาเผา) หากมีปริมาณเกิน 0.2% จะทำให้การแข็งตัวช้าและปฏิกิริยาของปูนเม็ดต่ำ
• สตรอนเทียมและแบเรียมทำหน้าที่แทนแคลเซียม และจะเริ่มลดปฏิกิริยาของคลินเกอร์เมื่อมีความเข้มข้นถึง 1.5% และ 0.2% ตามลำดับ
• โลหะหนักที่เป็นพิษ : ในจำนวนนี้สารหนูซีลีเนียมแคดเมียมแอนติโมนีและทังสเตน ในปริมาณน้อย ไม่เป็นปัญหา เพราะจะถูกดูดซับเข้าไปในโครงสร้างพื้นฐานของคลินเกอร์ในรูปของแอนไอออน ในทางกลับกันปรอทแทลเลียมและตะกั่วต้องควบคุมอย่างระมัดระวัง เพราะสามารถถูกปล่อยออกมาในรูปของเฮไลด์ระเหยได้ในไอเสียของเตาเผา

การบดแบบเปียกมีประสิทธิภาพมากกว่าการบดแบบแห้ง เพราะน้ำจะเคลือบผิวหน้าของอนุภาคที่แตกตัวใหม่และป้องกันการจับตัวเป็นก้อนอีกครั้ง กระบวนการผสมและทำให้ส่วนผสมดิบเป็นเนื้อเดียวกันก็ง่ายขึ้นมากเมื่ออยู่ในรูปของสารละลายข้น ข้อเสียคือต้องกำจัดน้ำออกจากสารละลายข้นที่ได้ในภายหลัง ซึ่งโดยปกติแล้วต้องใช้พลังงานมาก ในขณะที่พลังงานมีราคาถูก การบดแบบเปียกจึงเป็นเรื่องปกติ แต่ตั้งแต่ปี 1970 สถานการณ์ได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก และปัจจุบันแทบจะไม่มีการติดตั้งโรงงานบดแบบเปียกแห่งใหม่แล้ว การบดแบบเปียกทำได้โดยสองวิธีที่แตกต่างกัน คือ เครื่องบดแบบล้าง (washmills) และเครื่องบดแบบลูกบอล (ballmills)

ความละเอียดของสารละลายและปริมาณความชื้น

จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องกำจัด อนุภาคขนาดใหญ่ (>  150 ไมโครเมตรสำหรับแคลเซียมคาร์บอเนต และ > 45 ไมโครเมตรสำหรับควอตซ์) ออกจากส่วนผสมดิบ เพื่ออำนวยความสะดวกในการผสมทางเคมีในเตาเผา ในกรณีของสารละลายข้น อนุภาคขนาดใหญ่สามารถกำจัดได้โดยใช้ ไฮโดรไซโคลนหรืออุปกรณ์ร่อน ซึ่งต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่งที่ได้จากการสูบน้ำแรงดันสูง กระบวนการนี้ รวมถึงการเคลื่อนย้ายและการผสมสารละลายข้น จำเป็นต้องมีการควบคุมความหนืดของสารละลายข้นอย่างระมัดระวัง เห็นได้ชัดว่า การทำให้สารละลายข้นน้อยลงทำได้ง่ายโดยการเติมน้ำเพิ่ม แต่ต้องแลกมาด้วยการใช้พลังงานสูงในการกำจัดออกในภายหลัง ในทางปฏิบัติ สารละลายข้นจึงถูกทำให้ข้นที่สุดเท่าที่อุปกรณ์ของโรงงานจะสามารถรองรับได้ สารละลายข้นของส่วนผสมดิบซีเมนต์เป็นพลาสติกบิงแฮมซึ่งอาจแสดงพฤติกรรมแบบทิกโซโทรปิกหรือรีโอเพกติก ได้เช่นกัน พลังงานที่จำเป็นในการสูบสารละลายข้นในอัตราที่ต้องการนั้นถูกควบคุมโดยหลักๆ จากความเค้นครา ของสารละลายข้น ซึ่งความเค้นครานี้จะแปรผันไปตามอัตราส่วนของของแข็งต่อของเหลวในสารละลายข้นในลักษณะแบบเลขชี้กำลัง ในทางปฏิบัติ มักมีการเติม สารลดการจับตัวเป็นก้อนเพื่อรักษาความสามารถในการสูบจ่ายที่ความชื้นต่ำ สารลดการจับตัวเป็นก้อนที่ใช้กันทั่วไป (ในอัตราส่วนการใช้ทั่วไป 0.005–0.03%) ได้แก่โซเดียมคาร์บอเนตโซเดียมซิลิเกตโซเดียมโพลีฟอสเฟตและลิกโนซัลโฟเนตภายใต้สภาวะที่เหมาะสม สามารถผลิตสารละลายข้นที่สามารถสูบจ่ายได้โดยมีน้ำน้อยกว่า 25% 

ส่วนผสมดิบมักประกอบด้วยแร่ธาตุที่มีความแข็งต่างกัน เช่น แคลไซต์และควอตซ์ การบดแร่ธาตุเหล่านี้พร้อมกันในเครื่องบดดิบนั้นไม่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากพลังงานในการบดจะถูกใช้ไปกับการบดวัสดุที่อ่อนกว่าเป็นหลัก ส่งผลให้มีวัสดุอ่อนที่มีขนาดเล็กมากและละเอียดเกินไป ซึ่งจะไป "รองรับ" การบดแร่ธาตุที่แข็งกว่า ด้วยเหตุนี้ บางครั้งจึงมีการบดทรายแยกต่างหาก แล้วจึงป้อนเข้าสู่เครื่องบดดิบหลักในรูปของสารละลายละเอียด

โรงบดวัตถุดิบแบบแห้งเป็นเทคโนโลยีมาตรฐานที่ติดตั้งในปัจจุบัน ช่วยลดการใช้พลังงานและการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทั่วไปแล้ว วัตถุดิบสำหรับทำซีเมนต์ส่วนใหญ่ได้มาจากเหมืองหิน จึงมีปริมาณความชื้นตามธรรมชาติอยู่บ้าง การพยายามบดวัสดุที่เปียกชื้นนั้นทำได้ยาก เพราะจะเกิดเป็น "โคลน" ที่ไม่สามารถบดได้ ในทางกลับกัน การทำให้วัสดุละเอียดแห้งนั้นง่ายกว่าวัสดุหยาบมาก เพราะอนุภาคขนาดใหญ่จะกักเก็บความชื้นไว้ลึกในโครงสร้าง ดังนั้นจึงมักทำการอบแห้งและบดวัสดุไปพร้อมกันในโรงบดวัตถุดิบ อาจใช้เตาลมร้อนในการให้ความร้อน แต่โดยปกติจะใช้ก๊าซเสียร้อนจากเตาเผาซีเมนต์ ด้วยเหตุนี้ โรงบดวัตถุดิบจึงมักตั้งอยู่ใกล้กับเครื่องอุ่นก่อนเผาของเตาเผาซีเมนต์ ประเภทของโรงบดวัตถุดิบแบบแห้ง ได้แก่ โรงบดลูกบอล โรงบดลูกกลิ้ง และโรงบดค้อน