مواد معدنی گروه سنگ آهک (2)

به هر حال، برخی مواد، از جمله مواد مضر برای فرایند محسوب می شود. اگر این مواد در سیمان، وجود داشته باشند، کارایی سیمان، افت می کند. در صورت وجود این مواد در هر ماده ی اولیه، باید آن را محدود کرد. از جمله مواد مضر در این فرایند می توان به مواد سولفیدی، اکسید منیزیم، فسفر، اکسید منگنز و سدیم کربنات یا سدیم اکسید اشاره کرد.
برخلاف ژیپس که به کلینکر سرد افزوده می شود و از لحاظ شیمیایی، بعد از هیدراسیون با آن واکنش می دهد، مواد سولفاتی و سولفیدی که در داخل سنگ آهک، وجود دارند، در دمای بالا با ماده ی اولیه واکنش می دهند و موجب تشکیل کلسیم- سولفو آلومینات می شوند. این کلسیم- سولفو- آلومینات ماده ای مضر تلقی می شود.
همانگونه که در اینجا، اکسید منیزیم، مد نظر ماست، این فهمیده شده است که این اکسید با سنگ آهک، قرابت دارد و از این رو، اکسید کلسیم با نرخ آهسته تری نسبت به اکسید کلسیم، شکفته می شود. اکسید منیزیم نسبتاً خشک، به داخل سیمان اعمال شده وارد می شود و وقتی این ماده شکفته می شود، انبساط حجمی آن، که در حدود 120 % حجمی است، موجب ایجاد ترک هایی بر روی بخش سیمان کاری شده، می شود. در واقع در بیشتر کشورها، میزان مجاز اکسید منیزیم موجود در سنگ آهک، باید کمتر از 2.5 % باشد.
مواد فسفردار، موجب می شوند تا زمان گیرش سیمان به بیش از چند روز برسد و از این رو، این مسئله نامطلوب است. اکسید منگنز موجود در سیمان، موجب می شود تا ساختار سیمانی اکسید شده و تخریب شود. سدیم کربنات نیز با سیلیس در دمای کلینکرسازی، واکنش می دهد و موجب تشکیل سدیم سیلیکات می شود. بنابراین، این ماده موجب تهی شدن ماده ی اولیه از سیلیس می شود. علاوه بر این، سدیم سیلیکاتی که در آب محلول است، در ملات باقی می ماند و در حین خشک شدن، کریستال های ضعیفی، تشکیل می شود.
سیمان بلیتی
برلیت یک ماده ی معدنی با فرمول دی کلسیم سیلیکات است و سیمان های بلیتی، در واقع ماده ای است که با آب واکنش می دهد و موجب تشکیل کلسیم سیلیکا هیداته می شود.
توده ی هیدراته ی تشکیل شده، به صورت کریستال های سوزنی شکل، تشکیل می شود و موجب ایجاد استحکام می شود. سیمان بلیتی، به دلیل ایجاد استحکام تأخیری در آن، شاخص می باشد. کلینکر بلیت، می تتواند از مارل آهکی تولید می شود که حاوی 20-26 % اکسید آهک است. فاکتور اشباع این ماده، بین 0.82 تا 0.90 است.
سیمان سفید
فرایند تولید این ماده، مشابه با سیمان پرتلند است با این تفاوت که مواد اولیه ی وارد شده به کوره، متفاوت می باشد. در مورد سیمان سفید، مواد اولیه، حاوی سنگ آهک با آلومینای بالا و ماسه ی سیلیسی خالص می باشد. سیمان سفید از 65 % اکسید کلسیم، 24 % سیلیس و تنها 5.9 % آلومینا، تشکیل شده است. این ماده از 46 % دی کلسیم سیلیکات، 33 % تری کلسیم سیلیکات و تنها 14 % تری کلسیم آلومینات، تشکیل شده است. البته مقادیر اندکی ژیپس خالص نیز به منظور کاهش نرخ گیرش، به این ماده، افزوده می شود.
مشخصات: به طور ایده آل، سنگ آهک و سیلیس، باید خالص و سفید رنگ باشند. در عمل، از سنگ آهک محتوی حداقل 48 % اکسید کلسیم، ماکزیمم 1 % آلومینا و 1 % اکسید اهن، استفاده می شود. آلومینا، یک ماده ی مضر در تولید این ماده ی باشد زیرا این ماده در ایجاد سیمان اثری ندارد. اکسید آهن، دارای اثرات رنگی بر روی سیمان می باشد. در کل، میزان مدول سیلیس در این نوع از سیمان، باید بالا باشد.
سیمان های طبیعی یا هیدرولیکی
واژه ی هیدرولیک، به معنای اهکی است که دارای قابلیت گیرش در زمان مخلوط شدن با آب، را داراست. واژه ی طبیعی، در اینجا، به معنای سیمانی است که از مواد طبیعی تهیه شده است و در تولید آن، از فرایند حرارت دهی، استفاده نشده است. این مواد در واقع سیمان نیستند اما مواد هیدرولیکی محسوب می شوند که برای آماده سازی ملات، مناسب اند. این مواد در یونان باستان، مورد استفاده قرار گرفته است.
سیمان های با آلومینای بالا
اجزای اصلی مربوط به سیمان های با آلومینای بالا، در واقع مونو- کلسیم آلومینات است. در نتیجه، مقدار آلومینا در این سیمان ها، بسیار بالاست. در حالی که میزان اکسید کلسیم و سیلیس موجود در این سیمان ها، پایین است و به ترتیب در حدود 30 الی 40 % و 5 الی 10 % می باشد. وقتی این سیمان ها، با آب مخلوط می شوند، مونو کلسیم آلومینات موجود در سیمان با آلومینای بالا، با آن واکنش می دهد و دی کلسیم آلومینات تشکیل می شود. خواص این سیمان ها، عبارتست از گیرش سریع، استحکام بالا که تنها بعد از 24 ساعت، ایجاد می شود. قابلیت تحمل دماهای بالا، حتی تا دمای 1200 درجه ی سانتیگراد. دو نوع سیمان با آلومینای بالا وجود دارد: 1) سیمان های با آهن بالا و 2) سیمان های با آلومینای کم.
1) سیمان های با آهن بالا: این سیمان ها، بعد از گیرش، به سرعت سخت می شوند و در برابر خوردگی با عوامل شیمیایی نیز مقاومت دارند. این ماده با ذوب مخلوطی از آهن، بوکسیت با آهن بالا و کک تولید می شود. در واقع محصولات ذوب شده ی موجود در یک کوره ی عمودی، به صورت شمش در می آید و آسیاب می شود. آهن موجود در این سیمان ها، در فرایند سخت شدن، شرکت می کنند. خاصیت سخت شدن سریع، مقاومت در برابر آب دریا و آبهای زیرزمینی حاوی مواد سولفاتی و عدم نفوذپذیری، موجب می شود تا این سیمان برای استفاده در منابع آب و پی ساختمان ها، مناسب باشد. همچنین از این سیمان در ساخت لوله های عبور آب، مجاری فاضلاب و ... مناسب می باشند.
2) سیمان های با آهن کم: برای تولید این نوع از سیمان های با آلومینای بالا، گچ یا سنگ آهک، به صورت پودری در می آید و با بوکسیت پودری، مخلوط می شود. ماده ی حاصله، در داخل کوره ی قوس الکتریکی، ذوب می شود. این ماده، دیرگدازی بیشتری نسبت به نوع با اهن بالا، دارد اما سختی کمتری دارد.
هر دوی این سیمان ها، برای صنعت دیرگداز و آسترکاری، مناسب هستند.
سیمان های پزولانی
این سیمان ها، به سیمان های چاه نفت، معروف هستند. علت این نامگذاری استفاده ی قابل توجه از این سیمان ها، در چاه های نفت می باشد. این سیمان ها هم در کاربردهای ساحلی و هم فراساحلی، کاربرد دارند. کلسیم هیدروکسید با میکروسیلیس ناشی از ضایعات صنایع واکنش داده می شود و ماده ای ساخته می شود که خواص پزولانی دارد. در حضور آب، این ماده کلسیم آلومینیوم هیدرات تشکیل می دهد که یک ماده ی متراکم با تخلخل پایین و خواص شبه سیمانی در دمای اتاق است. علاوه بر این، به دلیل طبیعت اسیدی این پزولان ها، این مواد، دارای مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند. برای ایجاد این خاصیت، میکروسیلیس با سیمان پرتلند معمولی، مخلوط می شود تا سیمان پرتلند پزولانی تشکیل شود. این سیمان ها، برای ساخت دیواره های زیر آب و در دیواره ی چاه های نفت، کاربرد دارد.
آهن
آهک در تولید آهن اسفنجی و در کوره ی بلند، استفاده می شود. هدف استفاده از این ماده، به صورت زیر می باشد:
1) این ماده به صورت فلاکس عمل می کند و موجب کاهش دمای ذوب مربوط به بار و در نتیجه، کاهش مقدار کک مورد نیاز، می شود.
2) این ماده با سیلیس و آلومینای مربوط به سنگ آهن، ترکیب می شود و یک ترکیب پیچیده با فرمول کلسیم آلومینیوم سیلیکات تولید می کند که در واقع، به صورت سرباره، در می آید.
در اینجا، سنگ آهک، مورد استفاده قرار می گیرد نه آهک. علت این مسئله این است که در هر مورد، سنگ آهک، در داخل کوره ی بلند، کلسینه می شود و از این رو، دیگر نیازی به کلسینه کردن آن و پرداخت هزینه ی بیشتر نیست.
آهن می تواند به شکل آهن اسفنجی و یا به صورت آهن بریکت داغ (HBI) تولید شود. در فرایندهای بر پایه ی زغال سنگ، زغال سنگ و آهک به داخل کوره ی دوار وارد می شود و در دمایی در حدود 1100 درجه ی سانتیگراد، حرارت داده می شود.
ویژگی ها:
1) آهن اسفنجی: استحکام سنگ آهک، یکی از موارد مهم است به نحوی که در واقع تنش های ایجاد شده در حین انتقال ماده در کوره ی بلند، بوسیله ی این ماده، تحمل می شود. خرد شدن مواد اولیه موجب می شود تا گردو غباری ایجاد شود که موجب بسته شدن خروجی های هوا می شود.
در اینجا، سیلیس و آلومینا، به دلایل زیر، مضر می باشند.
1) هدف از افزودن سنگ آهک، حذف ناخالصی هایی است که در سنگ آهن، وجود دارد. وجود این دو ماده در سنگ آهک، موجب می شود تا ناخالصی های موجود در شارژ بیشتر شود و مقادیری از آهک، با واکنش با ناخالصی، مصرف شود. این مسئله، موجب می شود تا حجم سرباره بیشتر شود.
2) سنگ آهک، در دمایی در کوره بلند، کلسینه می شود که بتواند موجب ایجاد توده ای متخلخل شود. این تخلخل ها، ناحیه ی سطحی بزرگی را برای انجام واکنش در داخل کوره، فراهم می آورد. به هر حال، اگر سیلیس و آلومینا وجود داشته باشند، این مواد فوراً با آهک ترکیب می شوند و کلسیم آلومینیوم سیلیکات، تشکیل می شود که این ماده، موجب بسته شدن تخلخل ها، می شود؛ بنابراین، واکنش پذیری آهک، افت می کند.
3) از بین این دو ناخالصی، آلومینا مضرتر است. زیرا دمای ذوب بالاتری دارد و نیازمند حرارت بیشتری برای ذوب شدن، دارد. ذوب شدن ناقص آلومینا، منجر به ایجاد یک سرباره ی با ویسکوزیته ی بالاتر می شود. به هر حال، اگر شارژ کوره محتوی مواد فسفردار زیادی باشد، حجم بزرگی از سرباره، ایجاد می شود که حذف آنها، سخت است. در واقع، حجم بالای سرباره، در واقع نیازمند نسبت سیلیس به آلومینای بالاتری است و برخی از تولیدکننده ها، کوارتزیت و بوکسیت به شارژ کوره اضافه می کنند. این در حالی است که سایر تولیدکننده ها، استفاده از سنگ آهک با سیلیس بالا را ترجیح می دهند و همچنین مقادیر اندکی کوارتزیت نیز به شارژ اضافه می کنند.
منیزیا در تشکیل سرباره کمک نمی کند بنابراین، وجود این ماده در سنگ آهک، نامناسب است.
مواد فسفردار نیز در محصول نهایی باقی می مانند و موجب بروز مشکلاتی از جمله تردی می شود. مواد گوگرد دار نیز ممکن است در فولاد باقی بمانند و موجب بروز ترک در لبه های فولاد در زمان نورد، شود. هر دوی این عناصر، در صورت وجود در سنگ آهک، مضر می باشند. زیرا حذف آنها از سرباره، مشکل است. این عناصر به سمت مرز میان سرباره و آهن مذاب، قرار می گیرند. با افزایش حجم سرباره و میزان بازی بودن آن، حذف این عناصر، به صورت جزئی انجام می شود و از این رو، مقداری از این عناصر مشکل آفرین، وارد آهن مذاب و در نتیجه وارد آهن می شوند.
بار قلیایی ، اثر نامطلوبی بر روی واکنش های انجام شده در داخل کوره ی بلند، ندارد. مواد قلیایی (سدیم اکسید و کلسیم اکسید) با سیلیس واکنش می دهند و سیلیکات های سبکی تولید می کنند که بر روی سرباره ی مذاب، قرار می گیرند. در این حالت میزان سیلیس موجود در سرباره کاهش می یابد و این مسئله بر روی تشکیل یک سرباره ی مؤثر اثر نامطلوب دارد. میزان این مواد قلیایی در سنگ آهک، باید کمتر از 0.4 % باشد.
به طور ایده آل، میزان آهک بیشتر در سنگ آهک، موجب می شود تا کارایی کوره بهبود یابد و بهره وری آن افزایش یابد. اما حجم های بزرگ از سنگ آهک، در کوره ی بلند، استفاده می شود (تقریباً 1.4 تن برای هر تن آهن اسفنجی). بنابراین، کارخانه های موجود در بیشتر کشورها، تلاش می کنند تا از سنگ آهک محتوی اکسید آهن بالاتر، استفاده کنند. صرفنظر از دلایل اقتصادی، دلایل فنی وجود دارد که تولیدکننده ها، ترجیح می دهند تا از سنگ آهک محتوی اکسید آهن، پایین، استفاده کنند. وقتی شارژ کوره ی بلند، محتوی مواد فسفردار یا گوگرد دار بالاست، حجم بالایی از سرباره، تشکیل می شود و از این رو، باید نسبت بین سیلیس و آلومینا، بالا باشد. برخی از کارخانه ها، برای تعدیل شرایط، از کوارتزیت یا بوکسیت، استفاده می کنند. این در حالی است که کارخانه های دیگر، از سنگ آهک با سیلیس بالا و مقدار اندکی کوارتزیت، بهره می برند. سیلیس پایین، در واقع به معنای وجود اکسید کلسیم بالاست و برعکس.
تولید آهن اسفنجی: در این روش، سنگ معدن آهن در حالت جامد، کاهش می یابد و هیچ تشکیل سرباره ای مشاهده نمی شود. در این حالت، وجود ناخالصی آهک، اثر قابل توجهی در تولید آهن ندارد. نقش آهک در این فرایند، کاهش دمای ذوب شارژ ماده ی اولیه اس.
فولاد
در ذوب فولاد (SMS)، نقش سنگ آهک، عمدتا: 1) ایجاد عامل فلاکس و کمک به تغییر در مذاب، 2) خنثی کردن خاصیت اسیدی مذاب که بوسیله ی حضور ناخالصی هایی مانند سیلیس، آلومینا و سایر مواد، ایجاد می شود. 3) بهم زدن مذاب در داخل کوره ی بستر باز که در واقع "جوشش آهک" نامیده می شود. این مسئله به دلیل خروج گاز دی اکسید کربن، ایجاد می شود. 4) حذف مواد فسفردار و گوگرد دار. فولاد ضرورتاً یک آلیاژ پالایش یافته از آهن و کربن است که میزان کربن آن کمتر از آهن خام، است. بنابراین، فولادسازی در اصل، شامل حذف عناصری همچون فسفر و گوگرد می باشد. این عناصر در حین تولید آهن، در داخل سرباره حل نمی شود. برای فولادسازی، آهن، کک و سنگ آهک در داخل بستر کوره قرار داده می شود و تا دمای 1800 درجه ی سانتیگراد، حرارت داده می شود. فسفر و گوگرد اکسید می شوند و این اکسیدها، با سنگ آهک واکنش می دهد و موجب تشکیل سرباره می شود. این سرباره سبک تر بوده و بر روی مذاب فولاد، قرار می گیرد. عناصر ناخواسته، از مذاب فلزی، به داخل سرباره، وارد می شود. حذف این مواد، بوسیله ی شرایط قلیایی ایجاد شده بوسیله ی سنگ آهک، تسهیل می شود.
در کوره ی L-D، اکسیژن خالص به جای هوا به داخل واکنش دمیده می شود و از این رو، زمان فولادسازی، کاهش می یابد. برای بهبود بیشتر بازده، در برخی فرایندها، پودر سنگ آهک، با اکسیژن مخلوط می شود و سپس به داخل کوره، تزریق می شود.
در مورد شار کوره ی قوس الکتریکی مورد استفاده در فولاد سازی، استفاده از آهن اسفنجی و سنگ آهک، ضروری نیست. زیرا: دمای قوس بسیار بالاست و نیازی به وجود عامل فلاکس، وجود ندارد. و همچنین آهن اسنفجی حاوی 85 % آهن فلزی خالص است و بقیه ی این میزان، را سیلیس، آلومینا، فسفر و مواد دیگر تشکیل داده است که باید حذف شود.
به منظور پایان یافتن فرایند، آهک هیدراته یا سریع، که دارای یون های اکسیژن آزاد است، برای پاک کردن سرباره، مورد استفاده قرار می گیرد. در این حالت، سرباره ضخیم می شود و بدین نحو، از انتقال یون های اکسیژن از حمام، جلوگیری می شود. بنابراین، فسفر و گوگرد، در داخل سرباره به دام می افتند و بدین صورت، از مذاب حذف می شوند. فعالیت اکسیژن در داخل حمام به گونه ای است که حالت کاهشی دارد و علت این مسئله، در واقع وجود کربن و سیلیکون است و بنابراین، اکسیژن اضافی در صورتی مناسب است که مقدار گوگرد و فسفر بالا باشد.
ویژگی ها: عملکرد افزایشی آهک، در واقع خنثی کردن خاصیت اسیدی مذاب موجود در کوره می باشد. در این حالت، حذف فسفر و گوگرد از سرباره، تسهیل می شود. برای استفاده از سنگ آهک در فولاد سازی با کوره ی قلب باز (OH)، سیلیس، آلومینا، فسفر و گوگرد، از جمله عوامل مضر تلقی می شوند. علت این مسئله، همان دلایلی است که در مورد آهن خام، بدان اشاره شد. در اینجا، مقادیر بالای اکسید کلسیم برای خنثی سازی مؤثر خاصیت اسیدی، ضروری است. مقادیر بالای اکسید کلسیم، به معنای این است که مقادیر کمتری از سیلیس، آلومینا و اکسید منیزیم در داخل مخلوط است.
کربنات سدیم، یک ماده ی بازی قوی است و برای افزایش خاصیت بازی حمام مناسب است. در واقع با افزایش خاصیت بازی، فسفر و گوگرد از مخلوط خارج می شود. اما سدیم کربنات موجب افزایش خوردگی آستر دیرگداز می شود.
در مورد فرایند L-D، واکنش ها در کوره، باید سریع و کامل انجام شود. بنابراین، سنگ آهک با خلوص بسیار بالا که تا 53 % اکسید کلسیم دارد، بیشتر بوسیله ی تولیدکننده ها، مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده دارای مقادیر اندکی ناخالصی اکسید منیزیم، اکسید سیلیکون و آلومیناست. در فرایند L-D که در آن، از تزریق با فشار بالای سنگ آهک پودری، استفاده می شود، سیلیس به طور خاص، مضر می باشد زیرا این ماده موجب افزایش هزینه های آسیاب کاری می شود. در برخی از کشورهای پیشرفته، آهک به جای سنگ آهک، مورد استفاده قرار می گیرد. در هر دو فرایند L.D و OH، مواد قلیایی بسیار مضر هستند و بیش از 0.1 % از این مواد نباید در مخلوط وجود داشته باشد. مواد قلیایی هیچ اثر نامطلوبی بر روی واکنش های انجام شده در داخل کوره، ندارد وتنها موجب خوردگی آستر دیرگداز می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع:
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee