مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
سنگ آهک به عنوان یک گروه از سنگ های رسوبی است که از دو ماده ی معدنی آذرین تشکیل شده اند. این مواد آذرین، عبارتند از کلسیت و آراگونیت. هر دوی این مواد، در واقع کلسیم کربنات هستند اما ساختار کریستالی آنها، متفاوت می باشد. این مواد دارای ساختاری متفاوت نسبت به مرمر هستند (مرمر نیز از جنس کلسیم کربنات) است. اگر چه سنگ آهک یک سنگ است، این ماده معمولاً در صنعت به عنوان یک ماده ی معدنی، تلقی می شود.
فرایند تشکیل رسوبات سنگ آهک، می تواند به صورت زیر طبقه بندی شوند:
مواد معدنی:
رسوبات بدست آمد از آب دریا (سنگ آهک لیتوگرافی و oolitic و یا milliolitic)
رسوبات بدست آمده از آب دریاچه ها (مارل)
رسوبات بدست آمده از آب رودها و چشمه ها (تراورتن tufa alias)
رسوبات بدست آمده از آب زیرزمینی (استالاکتیت و استالاگمیت)
رسوبات بدست آمده از تبخیر آب های زیر سطحی و رسوبات حاصله از پدیده ی کاپیلاری یا مویینگی (کانکار (kankar))
آلی
مواد تجزیه شده از حیوانات دریایی (پوسته ی آهکی)
مواد تجزیه شده از باکتری ها (گچ)
سنگ آهک معدنی، بوسیله ی رسوب دهی شیمیایی، تشکیل می شود. سنگ آهک alias oolitic گرانوله، از دانه های سخت و سنگ آهک لیتوگرافی با دانه های هموژن و ریز، تشکیل شده اند. مارل و مارلیت یا سنگ مارل یک سنگ آهکی با سیلیس بالاست. تراورتن tufa alias در هند جزء مواد معدنی متداول نیست اما ذخایر بزرگی از این ماده در آمریکا یافت می شود. استالاکتیت و استالاگمیت نیز به عنوان قندیل های طبیعی هستند که اهمیت آنها بیشتر در جذب توریست می باشد. رسوبات بدست آمده از آب های زیر سطحی یا کانکار به صورت پوسته هایی در داخل زمین است که در مکان های خشک یافت می شود. البته این ماده معدنی، زیاد فراوان نیست. در تشکیل سنگ آهک آلی، برخی میکروارگانیزم های دریایی و باکتری ها، یافت می شوند و دخیل می باشند. بعد از مرگ این میکروارگانیزم ها، در واقع پوسته و بخش های مختلف بدن این موجودات، در اشکال مختلف مانند تپه، بسترهای ضخیم و بسترهای بسیار کم عمق، یافت می شوند. متداول ترین ذخایر مربوط به سنگ آهک آلی، که دارای قابلیت بهره برداری اقتصادی است، در واقع گچ (chalk) می باشد.
در طبیعت، سنگ آهک هیچگاه به حالت با خلوص بالا یافت نمی شود. این ماده معمولا به همراه رس و سایر ناخالصی ها، یافت می شود. ناخالصی های متداول این ماده، عبارتند از سیلیس، اکسید آهن، آلومینا، منیزیم کربنات، مواد کربن دار، گوگرد، مواد گوگرد دار و مواد قلیایی. به دلیل وجود ذخایر سطحی این ماده و وجود بسترهای آهکی قابل معدن کاری، این ماده ی معدنی، یک ماده ی معدنی ارزان قیمت و منبعی مناسب برای اکسید کلسیم، تلقی می شود.
تاریخچه
قدیمی ترین استفاده از آهک، به ساختمان سازی و آهکی کردن خاک، بر می گردد. در کشوری مانند هند، اگر چه فعالیت های ساختمان سازی مدت ها پیش، آغاز شده است و معابد بزرگی در دوران قدیم در این کشور، ساخته شده اند، آهک به عنوان یک ماده ی ساختمانی متداو در تولید ملات نبوده است. این مسأله حداقل تا قرن سوم پیش از میلاد، نمود دارد. دانشگاه معروف نالاندا و بسیاری از معابد در این کشور، با استفاده از ملات هایی مانند مخلوط پوسته ی برنج، شکر زرد و ... ساخته می شدند. اما آهک قطعاً بوسیله ی رومیان شناسایی و مورد استفاده قرار گرفته است. در این زمان از این ماده به عنوان یک سیمان هیدرولیک، یاد می شده است. در واقع مخلوطی از آهک، آب و توف آتشفشانی است که از بخش پزولای ایتالیا، استخراج می شده است، برای تولید این نوع سیمان، استفاده می شده است. مهم ترین استفاده ها از سنگ آهک، استفاده از آن در تولید اهک بوده است. این آهک در بسیاری از صنایع، کاربرد داشته است. در واقع سیمان پرتلند که سنگ بستر ساختمان سازی کنونی است، در سال 1824 و بوسیله ی انگلیسی ها، ابداع شد. این ماده با استفاده از گچ و گل و لایی تولید می شد که از رودخانه ی تایمز، بدست می آمد.
در کشوری مانند هند، علاوه بر سنگ آهک، کانکار نیز به طور گسترده استخراج می شده است و ذخایر این ماده، به طور فراوان در سطح زمین یافت می شده است. بعدها، شیل آهکی نیز در برخی نواحی کشف و مورد استفاده قرار گرفت. اما اولین کارخانه ی تولید سیمان پرتلند در هند، در سال 1875 تأسیس شد. این کارخانه در نزدیکی کلکته، تأسیس شد و مواد اولیه بوسیله ی کشتی به این ناحیه ارسال می شد. در سال 1904، از شیل آهکی به عنوان ماده ی اولیه در تولید سیمان پرتلند، استفاده شد. در سال 1950، حداقل 48 کارخانه ی سیمان تأسیس شد. با توجه به تخمین های غیر رسمی، تولید سالانه ی سنگ آهک و کانکار در هند و در سال 1925، در حدود 3 میلیون تن بوده است. این میزان در سال 1946 به 6.75 میلیون تن رسیده است. به هر حال، آمارهای رسمی نشاندهنده ی تولید 3.42 میلیون تن در سال 1947 بوده است. از آن زمان، رشد در زمینه ی استخراج سه ماده ی سنگ آهک، کانکار و شیل آهکی، به صورت زیر می باشد:
تا جایی که سیمان مد نظر باشد، تولید این ماده در سال 1920، به 92000 تن و در سال 1930، به 565000 تن رسیده است. این میزان تولید در سال 1950، به دو میلیون تن رسیده است. تولید این محصول در سال 1965، به 10.6 میلیون تن رسیده است. در سال 2002، میزان این تولید از 107 میلیون تن، فراتر رفته است.
معیار استفاده
خواص شیمیایی:
ترکیب و واکنش پذیری: سنگ آهک، شیل آهکی، کانکار، گچ و ...، در دمایی در حدود 800 تا 1000 درجه ی سانتیگراد، کلسینه می شود، در این حالت، دی اکسید کربن خارج شده و باقیمانده، توده ای از اکسید کلسیم یا " آهک ساده" است. چون این ماده با کلسیناسیون سریع در کوره، بوجود آمده است، به آن "آهک سریع" می گویند. آهک تولید شده از منابع مینرالی بسیار خالص، "آهک چرب" (fat lime) نامیده می شود. آهک دارای واکنش پذیری بالایی است و این فرایند بازگشت پذیر است. وقتی اکسید کلسیم در معرض هوا قرار گیرد، دوباره دی اکسید کربن و آب جذب کرده و با تولید حرارت قابل توجه، به کربنات کلسیم تبدیل می شود. این ماده ی تولید شده، که پودری سفید رنگ است، آهک شکفته (slaked lime) نامیده می شود. اما پیوند میان آهک و آب، قوی نیست و از این رو، در معرض هوای خشک، این آهک شکفته، می تواند دوباره آب خود را از دست دهد. اگر این آهک، با آب اضافی مخلوط شود، آهک شکفته به صورت محلولی در می آید که "شیر آهک" نامیده می شود. این شیر آهک را دوباره به کربنات تبدیل می کنند و سپس محلول را "کربنات کلسیم رسوب کرده" می نامند. این ماده، یک ماده ی شیمیایی خالص است.
پیوند شیمیایی: اکسید کلسیم واکنش پذیر به سهولت با سیلیس و آلومینا واکنش می دهد و ترکیبات با پیوند قوی ایجاد می کند.
حلالیت: کربنات کلسیم و اکسید آهک در آب نیشکر، حل نمی شوند.
ضدعفونی کنندگی: آهک می تواند میکروب ها و آفات را بکشد.
خواص فیزیکی:
سختی: برخلاف کلسیت کریستالی، سنگ آهک، پوسته های آهکی و ...، تماماً سنگ های رسوبی هستند. این مواد ریزدانه تا درشت دانه و هموژن هستند. درنتیجه، این مواد، به اندازه ی کافی سخت هستند که بتوان آنها را آسیاب کرد و به صورت توده ای در آیند. در واقع وقتی این توده ها، حرارت داده می شوند، به دلیل توده ای بودن، تجزیه نمی شوند.
رنگ: سنگ آهک خالص مانند کانکار و پوسته های آهکی، سفید رنگ هستند اما در طبیعت، این مواد به رنگ های مختلفی از جمله قرمز و سیاه نیز یافت می شوند. این رنگ به ناخالصی های موجود در این ماده، وابسته می باشد. به هر حال، گچ در طبیعت به شکل خالص وجود دارد و سفید رنگ است. هم "آهک سریع" و هم "آهک شکفته" سفید رنگ هستند.
دمای ذوب: دمای ذوب آهک در حدود 2000 درجه ی سانتیگراد می باشد.
دانسیته ی بالک: دانسیته ی بالک آهک شکفته، بسیار پایین است و نصف "آهک ساده یا سریع" است. این بدین معناست که اندازه ی ذرات این ماده کوچک است و از این رو، سرعت پراکنده شدن اهک شکفته نیز بالاست.
خواص چسبندگی: چسب یک ماده ی آلی یا غیر آلی است که قابلیت اتصال دو قطعه را فراهم می آورد. پودر سنگ آهک، دارای خاصیت چسبندگی خوبی است.
استفاده ها و ویژگی ها
برای تمام محصولات تولید شده از سنگ آهک و مینرال های مربوطه، آهک یک ماده ی اساسی محسوب می شود و از این رو، این مینرال ها، ابتدا بوسیله ی کلیسیناسیون، به آهک تبدیل می شوند. این تبدیل ممکن است به صورت مستقل و یا به عنوان بخشی از یک فرایند دیگر، انجام شود. استفاده های مهم از این مینرال ها و آهک، به صورت زیر می باشد:
سنگ آهک و مینرال های مربوطه
سیمان (تولید سیمان پرتلند، سیمان بلیتی، هیدرولیک و سیمان طبیعی، سیمان های با میزان آلومینای بالا، سیمان سفید و سیمان های پزولانی)
آهن
فولاد
شیشه
کودهای نیترو- آهکی
مواد شیمیایی سدیم دار
منیزیای بدست آمد از آب دریا
لعاب مورد استفاده در بدنه های سرامیکی
لاستیک
تولید آهک و محصولات مربوطه
آهک و محصولات مربوطه
آجرهای ماسه- آهکی
کاغذ
شکر
چرم
کلسیم کاربید
پودر مخصوص سفید کاری پارچه
پارچه و نساجی
تصفیه ی آب و فاضلاب
احیای خاک
تثبیت خاک و آسفالت
مواد آب بندی
پشم معدنی
در ادامه در مورد این کاربردها، صحبت خواهد شد.
سنگ آهک و مینرال های مربوطه
سیمان
مورد کلیدی در تعریف سیمان، فاکتور اشباع سیمان است. این فاکتور در واقع، نسبت CaO/(2.8SiO_2+1.18〖Al〗_2 O_3+0.65〖Fe〗_2 O_3 ) می باشد. استاندارد آهک نیز به صورت نسبت زیر نشان داده می شود: (CaO+0.75 MgO)/(2.8 SiO_2+1.18〖Al〗_2 O_3+0.65〖Fe〗_2 O_3)
سیمان پرتلند ساده یا OPC که در آن فاکتور اشباع برابر 0.90 یا مقدار بیشتری است.
سیمان بلیتی که در آن فاکتور اشباع بین 0.82-0.90 می باشد.
مواد هیدرولیک مورد استفاده در ملات ها که فاکتور اشباعی کمتر از 0.82 دارند.
انواع خاصی از سیمان ها برای اهداف خاص (سیمان هیدرولیک با میزان آلومینای بالا و سیمان های پزولانی)
سیمان پرتلند
ترکیب شیمیایی و خواص: این ماده ابتدا در سال 1824 وسیله ی Aspdin تولید شد. نام پرتلند از دلیل شباهت این ماده با سنگ طبیعی پرتلند، گرفته شده است که در نزدیک پرتلند انگلیس، وجود داشته است. این ماده ضرورتاً حاوی تری کلسیم آلومینو- سیلیکات، ژیپس (گچ) و اکسید آهن است. این ماده حاوی 60-70 % اکسید کلسیم، 20-25 % سیلیس، 5-10 % آلومینا، 4-6 % ژیپس و 1-2 % اکسید آهن است. وقتی این ماده با آب مخلوط می شود، این ترکیب با آب واکنش می دهد و سیمان به مخلوطی از کلسیم سیلیکات هیدراته، تترا- کلسیم آلومینات و آهک شکفته تبدیل می شود. تمام این ترکیبات، به شکل کریستال های سوزنی در می آیند و بعد از سفت شدن، مستحکم می شوند. در هنگام برخورد هوا با این ماده، آهک شکفته آب خود را از دست می دهد و با جذب دی اکسید کربن، به کربنات کلسیم تبدیل می شود. بنابراین، در این حالت، سیمان سفت می شود. اما گچ، موجب می شود تا جذب دی اکسید کربن کاهش یابد و از این رو، گیرش سیمان دیرتر انجام شود. این تغییر در گیرش سیمان بواسطه ی گچ، بواسطه ی فرایند بسیار پیچیده ای انجام می شود. در واقع این ماده با تری کلسیم آلومینات و آب واکنش می دهد و موجب تشکیل کلسیم سولفو- آلومینات هیدراته می شود. این ماده اترینجیت نامیده می شود. این اترینجیت به صورت لایه ای بر روی ذرات تری کلسیم آلومینات قرار می گیرد و از هیدراسیون سریع اکسید کلسیم، جلوگیری می کند. به تدریج، به دلیل ادامه یافتن واکنش، تترا- کلسیم سولفو- آلومینات یا به طور ساده تر، مونو سولفو- آلومینات تشکیل می شود که این ماده، یک ماده ی هیدراته ی پایدار است و اجازه ی هیدراسیون CaO را فراهم می آورد. اما این کاهش سرعت واکنش سخت شدن یا گیرش، موجب می شود تا زمان کافی برای جابجایی سیمان، وجود داشته باشد. در نهایت، وقتی سیمان خشک می شود، مخلوطی از مونو- کلسیم آلومینو- سیلیکات به همراه کربنات کلسیم تشکیل می شود. این ماده یک توده ی مستحکم ایجاد می کند.
فرایند تولید: برای تولید تری کلسیم آلومینو- سیلیکات، دو فرایند ممکن است مورد استفاده قرار گیرد. این مورد به نوع کوره وابسته می باشد. در این فرایند می توان از کوره های چرخنده و یا کوره ی عمودی ثابت، استفاده کرد. مواد اولیه ی ورودی به کوره، شامل سنگ آهک و یا برخی از مینرال های کلسیم کربنات، مواد رسی مانند خاک رس، لاتریت و ... و زغال سنگ، می باشد. برخی اوقات، اکسید آهن نیز باید در مواد اولیه وجود داشته باشد. این اکسید آهن می توان به صورت هماتیت به مواد اولیه افزوده شود. این ماده موجب می شود تا اکسیژن برای زغال سنگ، تأمین شود.
فرایند کوره ی دوار: در مورد فرایند کوره ی دوار، تمام این مواد اولیه، به صورت پودر و در اندازه ای زیر 60 میکرون، وارد سیکلون ها می شود و سپس وارد کوره می شود. فرایند می تواند به صورت تر یا خشک، انجام شود. البته امروزه، فرایند تر منسوخ شده است.
فرایند کوره ی عمودی ثابت: در مورد فرایند کوره ی عمودی ثابت، مواد اولیه ی آسیاب شده، ابتدا به صورت قرص در می آیند و سپس این قرص ها، به داخل کوره، شارژ می شود. در این حالت، هوا از بخش پایین کوره و قرص ها از بخش بالای کوره، وارد کوره می شود.
در این کوره، مواد در دمایی در گستره ی 1400- 1500 درجه، پخت می شوند و تری کلسیم آلومینو- سیلیکات به صورت گلوله هایی تشکیل می شود که کلینکر، نامیده می شود. این کلینکرها، سپس به همراه گچ، آسیاب می شود و سیمان تولید می شود.
گریدهای مختلف: بسته به کیفیت مربوط به مواد اولیه و پارامترهای فرایندی، ملات سخت شده از سیمان پرتلند، ممکن است دارای استحکام های مختلفی باشد. وقتی استحکام فشاری حداقل، برابر با 53 نیوتن بر میلیمتر مربع باشد، این گرید از سیمان، گرید 53 نامیده می شود. استحکام گرید 43، برابر با 43 نیوتن بر میلی متر مربع و استحکام گرید 33، برابر 33 نیوتن بر میلیمتر مربع است.
مشخصات: این ماده، محصولی است که از چندین ماده ی اولیه، ساخته شده است. از این رو، تدوین استانداردهایی در مورد سنگ آهک مصرفی، چیزی بیهوده است. در واقع باید کلیه ی مواد اولیه به گونه ای انتخاب شوند که ترکیب کلی سیمان، حفظ گردد. مهم ترین پارامترهای مربوط به مخلوط مواد اولیه، عبارتند از:
مدول سیلیس: نسبت سیلیس به مجموع مقادیر آلومینا و اکسید آهن، باید بین 2.0 تا 2.8 باشد.
مدول آهن: یعنی نسبت آلومینا به اکسید آهن، این نسبت باید بین 1.3 تا 1.8 باشد.
فاکتور اشباع آهک که در بخش های قبل در مورد آنها صحبت شد. این نسبت باید بین 0.90 تا 0.97 باشد.
این پارامترها، با توجه به استحکام و کیفیت مد نظر برای سیمان، تعیین می شود. سیمان یک کالای ارزان قیمت است و باید به صورت محلی تولید و مصرف شود. در واقع انتقال این ماده، هزینه های قابل توجهی دارد. انتخاب نوع ماده ی اولیه نیز با توجه به مواد موجود در منطقه، انجام می شود.
نوع تکنولوژی مورد استفاده برا تولید سیمان (کوره ی دوار یا کوره ی عمودی ثابت) بر روی میزان سیلیس موجود، اثرگذار است. در مورد کوره های دوار، مواد اولیه، به صورت مخلوطی آسیاب شده، وارد کوره می شوند. در حدود 75 % از خاکستر کوره که عمدتاً از جنس سیلیس است، از کوره خارج می شود و 25 % باقیمانده، وارد کلینکر می شود. بنابراین، برای مقادیر معین از خاکستر زغال سنگ، این تکنولوژی می تواند از سنگ آهکی استفاده کند که دارای نسبت سیلیس بالایی است. به عبارت دیگر، در کوره های عمودی، مواد اولیه به صورت قرص در می آیند و به کوره شارژ می شوند. بنابراین، هیچ شانسی برای خروج خاکستر (سیلیس) از کوره، وجود ندارد. تمام این خاکسترها وارد کلینکر می شود. برای مقادیر مشخص از خاکستر زغال سنگ، این فرایند نیازمند استفاده از سنگ آهک با میزان سیلیس کمتر است. به هر حال، شکل سیلیس موجود، دارای اثر قابل توجهی بر روی اقتصاد مربوط به تولید سیمان است. وقتی سیلیس به شکل سیلیکات در رس ها وجود داشته باشد، این مسئله مطلوب است، اما وجود سیلیس آزاد، اثر مضر بر روی فرایند سایش و افزایش هزینه های تولید دارد.
همانگونه که در اینجا، آهک مد نظر ماست، می توان از سنگ آهک و یا هر گونه مینرال مشابه، استفاده کرد. صنایع برخی از کشورها، مانند هند، تنها از سنگ آهک، بهره می برند. زیرا این ماده در این کشور، به وفور یافت می شود. کارخانه های ساحلی، همچنین از پوسته های آهکی استفاده می کنند اما معدن کاری این ماده، به دلیل معاهده ی مربوط به نواحی ساحلی، محدود می باشد. سنگ آهک تنها منبع اکسید کلسیم در این مخلوط است و از این رو، میزان اکسید کلسیم آن، بسیار مهم می باشد. علاوه بر این، مقادیر زیادتر از حد این ماده، موجب می شود تا میزان سیلیس، آلومینا و آهن کاهش یابد. اما استفاده ی بیش از حد از رس های با دانه بندی بسیار ریز، لاتریت و ...، موجب می شود مشکلاتی از جمله گرفتگی سیکلون ها، رخ دهد.
ادامه در مقاله ی بعدی....
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee
فرایند تشکیل رسوبات سنگ آهک، می تواند به صورت زیر طبقه بندی شوند:
مواد معدنی:
رسوبات بدست آمد از آب دریا (سنگ آهک لیتوگرافی و oolitic و یا milliolitic)
رسوبات بدست آمده از آب دریاچه ها (مارل)
رسوبات بدست آمده از آب رودها و چشمه ها (تراورتن tufa alias)
رسوبات بدست آمده از آب زیرزمینی (استالاکتیت و استالاگمیت)
رسوبات بدست آمده از تبخیر آب های زیر سطحی و رسوبات حاصله از پدیده ی کاپیلاری یا مویینگی (کانکار (kankar))
مواد تجزیه شده از حیوانات دریایی (پوسته ی آهکی)
مواد تجزیه شده از باکتری ها (گچ)
سنگ آهک معدنی، بوسیله ی رسوب دهی شیمیایی، تشکیل می شود. سنگ آهک alias oolitic گرانوله، از دانه های سخت و سنگ آهک لیتوگرافی با دانه های هموژن و ریز، تشکیل شده اند. مارل و مارلیت یا سنگ مارل یک سنگ آهکی با سیلیس بالاست. تراورتن tufa alias در هند جزء مواد معدنی متداول نیست اما ذخایر بزرگی از این ماده در آمریکا یافت می شود. استالاکتیت و استالاگمیت نیز به عنوان قندیل های طبیعی هستند که اهمیت آنها بیشتر در جذب توریست می باشد. رسوبات بدست آمده از آب های زیر سطحی یا کانکار به صورت پوسته هایی در داخل زمین است که در مکان های خشک یافت می شود. البته این ماده معدنی، زیاد فراوان نیست. در تشکیل سنگ آهک آلی، برخی میکروارگانیزم های دریایی و باکتری ها، یافت می شوند و دخیل می باشند. بعد از مرگ این میکروارگانیزم ها، در واقع پوسته و بخش های مختلف بدن این موجودات، در اشکال مختلف مانند تپه، بسترهای ضخیم و بسترهای بسیار کم عمق، یافت می شوند. متداول ترین ذخایر مربوط به سنگ آهک آلی، که دارای قابلیت بهره برداری اقتصادی است، در واقع گچ (chalk) می باشد.
در طبیعت، سنگ آهک هیچگاه به حالت با خلوص بالا یافت نمی شود. این ماده معمولا به همراه رس و سایر ناخالصی ها، یافت می شود. ناخالصی های متداول این ماده، عبارتند از سیلیس، اکسید آهن، آلومینا، منیزیم کربنات، مواد کربن دار، گوگرد، مواد گوگرد دار و مواد قلیایی. به دلیل وجود ذخایر سطحی این ماده و وجود بسترهای آهکی قابل معدن کاری، این ماده ی معدنی، یک ماده ی معدنی ارزان قیمت و منبعی مناسب برای اکسید کلسیم، تلقی می شود.
تاریخچه
قدیمی ترین استفاده از آهک، به ساختمان سازی و آهکی کردن خاک، بر می گردد. در کشوری مانند هند، اگر چه فعالیت های ساختمان سازی مدت ها پیش، آغاز شده است و معابد بزرگی در دوران قدیم در این کشور، ساخته شده اند، آهک به عنوان یک ماده ی ساختمانی متداو در تولید ملات نبوده است. این مسأله حداقل تا قرن سوم پیش از میلاد، نمود دارد. دانشگاه معروف نالاندا و بسیاری از معابد در این کشور، با استفاده از ملات هایی مانند مخلوط پوسته ی برنج، شکر زرد و ... ساخته می شدند. اما آهک قطعاً بوسیله ی رومیان شناسایی و مورد استفاده قرار گرفته است. در این زمان از این ماده به عنوان یک سیمان هیدرولیک، یاد می شده است. در واقع مخلوطی از آهک، آب و توف آتشفشانی است که از بخش پزولای ایتالیا، استخراج می شده است، برای تولید این نوع سیمان، استفاده می شده است. مهم ترین استفاده ها از سنگ آهک، استفاده از آن در تولید اهک بوده است. این آهک در بسیاری از صنایع، کاربرد داشته است. در واقع سیمان پرتلند که سنگ بستر ساختمان سازی کنونی است، در سال 1824 و بوسیله ی انگلیسی ها، ابداع شد. این ماده با استفاده از گچ و گل و لایی تولید می شد که از رودخانه ی تایمز، بدست می آمد.
در کشوری مانند هند، علاوه بر سنگ آهک، کانکار نیز به طور گسترده استخراج می شده است و ذخایر این ماده، به طور فراوان در سطح زمین یافت می شده است. بعدها، شیل آهکی نیز در برخی نواحی کشف و مورد استفاده قرار گرفت. اما اولین کارخانه ی تولید سیمان پرتلند در هند، در سال 1875 تأسیس شد. این کارخانه در نزدیکی کلکته، تأسیس شد و مواد اولیه بوسیله ی کشتی به این ناحیه ارسال می شد. در سال 1904، از شیل آهکی به عنوان ماده ی اولیه در تولید سیمان پرتلند، استفاده شد. در سال 1950، حداقل 48 کارخانه ی سیمان تأسیس شد. با توجه به تخمین های غیر رسمی، تولید سالانه ی سنگ آهک و کانکار در هند و در سال 1925، در حدود 3 میلیون تن بوده است. این میزان در سال 1946 به 6.75 میلیون تن رسیده است. به هر حال، آمارهای رسمی نشاندهنده ی تولید 3.42 میلیون تن در سال 1947 بوده است. از آن زمان، رشد در زمینه ی استخراج سه ماده ی سنگ آهک، کانکار و شیل آهکی، به صورت زیر می باشد:
تا جایی که سیمان مد نظر باشد، تولید این ماده در سال 1920، به 92000 تن و در سال 1930، به 565000 تن رسیده است. این میزان تولید در سال 1950، به دو میلیون تن رسیده است. تولید این محصول در سال 1965، به 10.6 میلیون تن رسیده است. در سال 2002، میزان این تولید از 107 میلیون تن، فراتر رفته است.
معیار استفاده
خواص شیمیایی:
ترکیب و واکنش پذیری: سنگ آهک، شیل آهکی، کانکار، گچ و ...، در دمایی در حدود 800 تا 1000 درجه ی سانتیگراد، کلسینه می شود، در این حالت، دی اکسید کربن خارج شده و باقیمانده، توده ای از اکسید کلسیم یا " آهک ساده" است. چون این ماده با کلسیناسیون سریع در کوره، بوجود آمده است، به آن "آهک سریع" می گویند. آهک تولید شده از منابع مینرالی بسیار خالص، "آهک چرب" (fat lime) نامیده می شود. آهک دارای واکنش پذیری بالایی است و این فرایند بازگشت پذیر است. وقتی اکسید کلسیم در معرض هوا قرار گیرد، دوباره دی اکسید کربن و آب جذب کرده و با تولید حرارت قابل توجه، به کربنات کلسیم تبدیل می شود. این ماده ی تولید شده، که پودری سفید رنگ است، آهک شکفته (slaked lime) نامیده می شود. اما پیوند میان آهک و آب، قوی نیست و از این رو، در معرض هوای خشک، این آهک شکفته، می تواند دوباره آب خود را از دست دهد. اگر این آهک، با آب اضافی مخلوط شود، آهک شکفته به صورت محلولی در می آید که "شیر آهک" نامیده می شود. این شیر آهک را دوباره به کربنات تبدیل می کنند و سپس محلول را "کربنات کلسیم رسوب کرده" می نامند. این ماده، یک ماده ی شیمیایی خالص است.
پیوند شیمیایی: اکسید کلسیم واکنش پذیر به سهولت با سیلیس و آلومینا واکنش می دهد و ترکیبات با پیوند قوی ایجاد می کند.
حلالیت: کربنات کلسیم و اکسید آهک در آب نیشکر، حل نمی شوند.
ضدعفونی کنندگی: آهک می تواند میکروب ها و آفات را بکشد.
خواص فیزیکی:
سختی: برخلاف کلسیت کریستالی، سنگ آهک، پوسته های آهکی و ...، تماماً سنگ های رسوبی هستند. این مواد ریزدانه تا درشت دانه و هموژن هستند. درنتیجه، این مواد، به اندازه ی کافی سخت هستند که بتوان آنها را آسیاب کرد و به صورت توده ای در آیند. در واقع وقتی این توده ها، حرارت داده می شوند، به دلیل توده ای بودن، تجزیه نمی شوند.
رنگ: سنگ آهک خالص مانند کانکار و پوسته های آهکی، سفید رنگ هستند اما در طبیعت، این مواد به رنگ های مختلفی از جمله قرمز و سیاه نیز یافت می شوند. این رنگ به ناخالصی های موجود در این ماده، وابسته می باشد. به هر حال، گچ در طبیعت به شکل خالص وجود دارد و سفید رنگ است. هم "آهک سریع" و هم "آهک شکفته" سفید رنگ هستند.
دمای ذوب: دمای ذوب آهک در حدود 2000 درجه ی سانتیگراد می باشد.
دانسیته ی بالک: دانسیته ی بالک آهک شکفته، بسیار پایین است و نصف "آهک ساده یا سریع" است. این بدین معناست که اندازه ی ذرات این ماده کوچک است و از این رو، سرعت پراکنده شدن اهک شکفته نیز بالاست.
خواص چسبندگی: چسب یک ماده ی آلی یا غیر آلی است که قابلیت اتصال دو قطعه را فراهم می آورد. پودر سنگ آهک، دارای خاصیت چسبندگی خوبی است.
استفاده ها و ویژگی ها
برای تمام محصولات تولید شده از سنگ آهک و مینرال های مربوطه، آهک یک ماده ی اساسی محسوب می شود و از این رو، این مینرال ها، ابتدا بوسیله ی کلیسیناسیون، به آهک تبدیل می شوند. این تبدیل ممکن است به صورت مستقل و یا به عنوان بخشی از یک فرایند دیگر، انجام شود. استفاده های مهم از این مینرال ها و آهک، به صورت زیر می باشد:
سنگ آهک و مینرال های مربوطه
سیمان (تولید سیمان پرتلند، سیمان بلیتی، هیدرولیک و سیمان طبیعی، سیمان های با میزان آلومینای بالا، سیمان سفید و سیمان های پزولانی)
آهن
فولاد
شیشه
کودهای نیترو- آهکی
مواد شیمیایی سدیم دار
منیزیای بدست آمد از آب دریا
لعاب مورد استفاده در بدنه های سرامیکی
لاستیک
تولید آهک و محصولات مربوطه
آهک و محصولات مربوطه
آجرهای ماسه- آهکی
کاغذ
شکر
چرم
کلسیم کاربید
پودر مخصوص سفید کاری پارچه
پارچه و نساجی
تصفیه ی آب و فاضلاب
احیای خاک
تثبیت خاک و آسفالت
مواد آب بندی
پشم معدنی
در ادامه در مورد این کاربردها، صحبت خواهد شد.
سنگ آهک و مینرال های مربوطه
سیمان
مورد کلیدی در تعریف سیمان، فاکتور اشباع سیمان است. این فاکتور در واقع، نسبت CaO/(2.8SiO_2+1.18〖Al〗_2 O_3+0.65〖Fe〗_2 O_3 ) می باشد. استاندارد آهک نیز به صورت نسبت زیر نشان داده می شود: (CaO+0.75 MgO)/(2.8 SiO_2+1.18〖Al〗_2 O_3+0.65〖Fe〗_2 O_3)
سیمان پرتلند ساده یا OPC که در آن فاکتور اشباع برابر 0.90 یا مقدار بیشتری است.
سیمان بلیتی که در آن فاکتور اشباع بین 0.82-0.90 می باشد.
مواد هیدرولیک مورد استفاده در ملات ها که فاکتور اشباعی کمتر از 0.82 دارند.
انواع خاصی از سیمان ها برای اهداف خاص (سیمان هیدرولیک با میزان آلومینای بالا و سیمان های پزولانی)
سیمان پرتلند
ترکیب شیمیایی و خواص: این ماده ابتدا در سال 1824 وسیله ی Aspdin تولید شد. نام پرتلند از دلیل شباهت این ماده با سنگ طبیعی پرتلند، گرفته شده است که در نزدیک پرتلند انگلیس، وجود داشته است. این ماده ضرورتاً حاوی تری کلسیم آلومینو- سیلیکات، ژیپس (گچ) و اکسید آهن است. این ماده حاوی 60-70 % اکسید کلسیم، 20-25 % سیلیس، 5-10 % آلومینا، 4-6 % ژیپس و 1-2 % اکسید آهن است. وقتی این ماده با آب مخلوط می شود، این ترکیب با آب واکنش می دهد و سیمان به مخلوطی از کلسیم سیلیکات هیدراته، تترا- کلسیم آلومینات و آهک شکفته تبدیل می شود. تمام این ترکیبات، به شکل کریستال های سوزنی در می آیند و بعد از سفت شدن، مستحکم می شوند. در هنگام برخورد هوا با این ماده، آهک شکفته آب خود را از دست می دهد و با جذب دی اکسید کربن، به کربنات کلسیم تبدیل می شود. بنابراین، در این حالت، سیمان سفت می شود. اما گچ، موجب می شود تا جذب دی اکسید کربن کاهش یابد و از این رو، گیرش سیمان دیرتر انجام شود. این تغییر در گیرش سیمان بواسطه ی گچ، بواسطه ی فرایند بسیار پیچیده ای انجام می شود. در واقع این ماده با تری کلسیم آلومینات و آب واکنش می دهد و موجب تشکیل کلسیم سولفو- آلومینات هیدراته می شود. این ماده اترینجیت نامیده می شود. این اترینجیت به صورت لایه ای بر روی ذرات تری کلسیم آلومینات قرار می گیرد و از هیدراسیون سریع اکسید کلسیم، جلوگیری می کند. به تدریج، به دلیل ادامه یافتن واکنش، تترا- کلسیم سولفو- آلومینات یا به طور ساده تر، مونو سولفو- آلومینات تشکیل می شود که این ماده، یک ماده ی هیدراته ی پایدار است و اجازه ی هیدراسیون CaO را فراهم می آورد. اما این کاهش سرعت واکنش سخت شدن یا گیرش، موجب می شود تا زمان کافی برای جابجایی سیمان، وجود داشته باشد. در نهایت، وقتی سیمان خشک می شود، مخلوطی از مونو- کلسیم آلومینو- سیلیکات به همراه کربنات کلسیم تشکیل می شود. این ماده یک توده ی مستحکم ایجاد می کند.
فرایند تولید: برای تولید تری کلسیم آلومینو- سیلیکات، دو فرایند ممکن است مورد استفاده قرار گیرد. این مورد به نوع کوره وابسته می باشد. در این فرایند می توان از کوره های چرخنده و یا کوره ی عمودی ثابت، استفاده کرد. مواد اولیه ی ورودی به کوره، شامل سنگ آهک و یا برخی از مینرال های کلسیم کربنات، مواد رسی مانند خاک رس، لاتریت و ... و زغال سنگ، می باشد. برخی اوقات، اکسید آهن نیز باید در مواد اولیه وجود داشته باشد. این اکسید آهن می توان به صورت هماتیت به مواد اولیه افزوده شود. این ماده موجب می شود تا اکسیژن برای زغال سنگ، تأمین شود.
فرایند کوره ی دوار: در مورد فرایند کوره ی دوار، تمام این مواد اولیه، به صورت پودر و در اندازه ای زیر 60 میکرون، وارد سیکلون ها می شود و سپس وارد کوره می شود. فرایند می تواند به صورت تر یا خشک، انجام شود. البته امروزه، فرایند تر منسوخ شده است.
فرایند کوره ی عمودی ثابت: در مورد فرایند کوره ی عمودی ثابت، مواد اولیه ی آسیاب شده، ابتدا به صورت قرص در می آیند و سپس این قرص ها، به داخل کوره، شارژ می شود. در این حالت، هوا از بخش پایین کوره و قرص ها از بخش بالای کوره، وارد کوره می شود.
در این کوره، مواد در دمایی در گستره ی 1400- 1500 درجه، پخت می شوند و تری کلسیم آلومینو- سیلیکات به صورت گلوله هایی تشکیل می شود که کلینکر، نامیده می شود. این کلینکرها، سپس به همراه گچ، آسیاب می شود و سیمان تولید می شود.
گریدهای مختلف: بسته به کیفیت مربوط به مواد اولیه و پارامترهای فرایندی، ملات سخت شده از سیمان پرتلند، ممکن است دارای استحکام های مختلفی باشد. وقتی استحکام فشاری حداقل، برابر با 53 نیوتن بر میلیمتر مربع باشد، این گرید از سیمان، گرید 53 نامیده می شود. استحکام گرید 43، برابر با 43 نیوتن بر میلی متر مربع و استحکام گرید 33، برابر 33 نیوتن بر میلیمتر مربع است.
مشخصات: این ماده، محصولی است که از چندین ماده ی اولیه، ساخته شده است. از این رو، تدوین استانداردهایی در مورد سنگ آهک مصرفی، چیزی بیهوده است. در واقع باید کلیه ی مواد اولیه به گونه ای انتخاب شوند که ترکیب کلی سیمان، حفظ گردد. مهم ترین پارامترهای مربوط به مخلوط مواد اولیه، عبارتند از:
مدول سیلیس: نسبت سیلیس به مجموع مقادیر آلومینا و اکسید آهن، باید بین 2.0 تا 2.8 باشد.
مدول آهن: یعنی نسبت آلومینا به اکسید آهن، این نسبت باید بین 1.3 تا 1.8 باشد.
فاکتور اشباع آهک که در بخش های قبل در مورد آنها صحبت شد. این نسبت باید بین 0.90 تا 0.97 باشد.
این پارامترها، با توجه به استحکام و کیفیت مد نظر برای سیمان، تعیین می شود. سیمان یک کالای ارزان قیمت است و باید به صورت محلی تولید و مصرف شود. در واقع انتقال این ماده، هزینه های قابل توجهی دارد. انتخاب نوع ماده ی اولیه نیز با توجه به مواد موجود در منطقه، انجام می شود.
نوع تکنولوژی مورد استفاده برا تولید سیمان (کوره ی دوار یا کوره ی عمودی ثابت) بر روی میزان سیلیس موجود، اثرگذار است. در مورد کوره های دوار، مواد اولیه، به صورت مخلوطی آسیاب شده، وارد کوره می شوند. در حدود 75 % از خاکستر کوره که عمدتاً از جنس سیلیس است، از کوره خارج می شود و 25 % باقیمانده، وارد کلینکر می شود. بنابراین، برای مقادیر معین از خاکستر زغال سنگ، این تکنولوژی می تواند از سنگ آهکی استفاده کند که دارای نسبت سیلیس بالایی است. به عبارت دیگر، در کوره های عمودی، مواد اولیه به صورت قرص در می آیند و به کوره شارژ می شوند. بنابراین، هیچ شانسی برای خروج خاکستر (سیلیس) از کوره، وجود ندارد. تمام این خاکسترها وارد کلینکر می شود. برای مقادیر مشخص از خاکستر زغال سنگ، این فرایند نیازمند استفاده از سنگ آهک با میزان سیلیس کمتر است. به هر حال، شکل سیلیس موجود، دارای اثر قابل توجهی بر روی اقتصاد مربوط به تولید سیمان است. وقتی سیلیس به شکل سیلیکات در رس ها وجود داشته باشد، این مسئله مطلوب است، اما وجود سیلیس آزاد، اثر مضر بر روی فرایند سایش و افزایش هزینه های تولید دارد.
همانگونه که در اینجا، آهک مد نظر ماست، می توان از سنگ آهک و یا هر گونه مینرال مشابه، استفاده کرد. صنایع برخی از کشورها، مانند هند، تنها از سنگ آهک، بهره می برند. زیرا این ماده در این کشور، به وفور یافت می شود. کارخانه های ساحلی، همچنین از پوسته های آهکی استفاده می کنند اما معدن کاری این ماده، به دلیل معاهده ی مربوط به نواحی ساحلی، محدود می باشد. سنگ آهک تنها منبع اکسید کلسیم در این مخلوط است و از این رو، میزان اکسید کلسیم آن، بسیار مهم می باشد. علاوه بر این، مقادیر زیادتر از حد این ماده، موجب می شود تا میزان سیلیس، آلومینا و آهن کاهش یابد. اما استفاده ی بیش از حد از رس های با دانه بندی بسیار ریز، لاتریت و ...، موجب می شود مشکلاتی از جمله گرفتگی سیکلون ها، رخ دهد.
ادامه در مقاله ی بعدی....
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee
