سيمان
مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون
منبع : راسخون
مقدمه:
سيمان يک ماده ي متداول در کشور ما محسوب مي گردد و کسي نيست که اين ماده را نشناسد ولي اطلاعات افراد در مورد اين ماده اندک است از اين رو،دراين مقاله تلاش شده است تا اطلاعاتي مناسب در مورد صنعت سيمان ارائه گردد. همچنين مطالب به نحوه اي بيان شده است تا عموم عزيزان بتوانند از آن استفاده کنند. اميدواريم که مطالعه ي اين مقاله باعث افزايش سطح اطلاعات خواننده باشد.
1. تعريف:
بنابر يک تعريف درگي سيمان گردي است نرم، جاذب آب و چسباننده خرده سنگ که اساساً مرکب است از ترکيبات پخته شده و گداخته شده ي اکسيد کلسيم با اکسيد سيلسيم، اکسيد آلومينيم و اکسيد آهن. ملات اين گرد قادر است به مرور در مجاورت هوا و يا در زير آب سخت شود،در زير آب ضمن داشتن ثبات حجم مقاومت خود را نيز حفظ مي نمايد. و در فاصله ي 28 روز در زير آب ماندن داراي حداقل مقاومت 250 کيلوگرم بر سانتيمتر مربع مي شود.
در رم قديم مخلوطي از خرده سنگ و آهک پخته درست مي کردند که از ترکيب اين مخلوط با آب،بتن حاصل مي شد و از اين بتن براي کارهاي ساختماني استفاده مي گرديد. اين نوع ساختمانها را (caementitium) opus مي ناميدند. به مرورکلمه ي cementum به مخلوط هاي مورد استفاده در اين نوع ساختمان سازي اطلاق گرديد. منظور از cementum نوع خاصي خرده سنگ است که وقتي پودر آنها با آهک مخلوط مي شد،مخلوط حاصله داراي خاصيت هيدروليکي بيشتر مي شد و به مرور در مجاورت هوا و در زير آب سخت مي گرديد و داراي مقاومت و سختي قابل توجهي مي شد. اين خرده سنگها از باقيمانده ي آتشفشان يعني خاکستر آتشفشان بودند و يا اينکه از خردکردن خرده آجرهاي توليد شده درکوره آجرپزي که در واقع همان خاک رس پخته است،بدست مي آمده اند.
2. تاريخچه
در سيرتحول ساخت سيمان،اهميت خاک رس در ترکيب مواد اوليه ي دانسته شد. و با توجه به نياز،سيمان هاي با کاربردهاي خاص و ويژه توليد شد. با توجه به اينکه مسائل مربوط به سير تحولات تاريخي سيمان گسترده است، آنها را بيان نمي کنيم و به سراغ سير تحول ادوات مورد استفاده در صنعت سيمان مي رويم:
1. 2. سير تحول روش هاي توليد
1) روش تر
2) روش خشک
در روش تر مواد اوليه به صورت دوغاب درآمده و دوغاب حاصل پس از آسياب شدن و رسيدن به خواص مطلوب به داخل کوره اي مي روند که در اين کوره ابتدا آب دوغاب خشک شده،سپس واکنش هاي مربوط به زنيترينگ انجام مي شود. البته لازم به توضيح است که در فرآيند تر معمولاً مواد خردايش يافته در تانکرهايي آب خور شده و کلاً خواص دوغاب پيش از مرحله ي پخت معين مي گردد.
در روش خشک مواد پس از خردايش و آسياب ابتدا پيشگرم شده،سپس به داخل کوره رفته که طول کوره ي پخت کلينکر در اين روش معمولاً بسيارکوتاه تر از حالت تر مي باشد. علت اين کوتاهي اين است که در روش خشک نياز به خشک کردن مواد خردايش يافته نيست.
توضيحات داده شده دربالا توضيحات مختصري در مورد فرآيند توليد سيمان بود. در قسمت هاي بعدي در مورد فرآيند توليد سيمان به صورت جزئي تر صحبت مي کنيم.
2. 2. سير تحول کوره ي پخت کلينکر
3. 2. سير تحول وسايل خردايش در کارخانجات سيمان
هدف اوليه توسعه ي روشهاي آسياب کردن بر محور توليد پودرهاي نرم تر و بالا بردن توان عملياتي تجهيزات متمرکز بود. مطابق با استاندارهاي موجود نرمي سيمان بايد به اندازه اي مي بود که درحين الک کردن با الکي با چشمه هايي به قطر 0.2 ميلي متر، مقدار باقيمانده ي روي الک از حداکثر 20% کمتر باشد. اين امر موجب شد تا تجهيزات آسياب با تجهيزات سردکننده که ازجمله معايب آنها استهلاک بيش از حد و بازده پايين آنها بود،تواماً به کار گرفته شد که در اين راه ظهور سيستم هاي جداکننده ي مکانيکي عمل کننده به کمک هوا در سال 1889 پيشرفت مهمي محسوب مي شد .
از جمله تجهيزاتي که بعدها جهت آسياب کردن مواد مورد استفاده قرار گرفتند مي توان به آسياب هاي لبه اي (Edge Mill)، که براي آسياب کردن مواد خام درحالت تر به کار مي رفت،انواع مختلف آسياب گلوله اي (Ball Mill) و آسياب گريفين (Griffinmill) که در آمريکا طراحي شده بود، اشاره کرد. در آسياب نوع گريفين آونگي وجود داشت که سر آن به شکل يک غلتک خردکننده طراحي شده بود و در طول رينگي فولادي مي چرخيد که در اين حالت عمل آسياب کردن با نيروي گريز از مرکز ناشي از چرخش آونگ انجام مي شد.
دستيابي به پودرهاي نرم تر با توان عملياتي قابل قبول در واقع با استفاده از آسياب لوله اي (tube mill) در صنعت سيمان آلمان و در سال 1892 ممکن گرديد. آسيابهاي لوله اي اوليه آسيابهاي تک محفظه اي (mill single chamber) بودند که قطرآنها 102 متر و طول آنها بين 6-5 متر و ظرفيت توليد آنها بالغ بر3 تن سيمان در ساعت بود. سيمان خروجي از اين نوع آسياب از چنان نرمي برخوردار بود که پس از الک کردن آن با الک به قطر 0.09 ميلي متر مقدار باقيمانده بر روي آن در حدود 15 درصد مي شد. ضمن اين که توان برق مصرفي آنها نيز حدوداً 20 کيلو وات ساعت بر واحد زمان [kwh A] بود. از سال 1920 انواع مختلف آسيابهاي لوله اي جايگزين ساير آسيابها جهت آسياب کردن مواد خام و سيمان گرديدند.
3. مواد اوليه در توليد سيمان
مهمترين مواد اوليه مورد استفاده در صنعت سيمان ترکيبات آهک است. مواد آهکي که در صنعت سيمان استفاده مي شود مينرالهاي حاوي کربنات کلسيم است که در بين اين مينرالها سنگ آهک مهمترين نوع مينرال است که در صنعت سيمان استفاده مي شود. و علاوه بر آن مواد آهکي مثل سنگ گچ، مارل، مواد آهکي و شنهاي دريايي و سنگهاي مرمريتي نيز استفاده مي شود. که اين سنگ هاي از نظر ترکيب شيميايي از کربنات کلسيم تشکيل شده است. و شکل اين مينرال ها کلسيت و آرگونيت حاوي مقادير متفاوتي ناخالصي از جمله کوارتز يا سيليس، خاک رس، فسفات، پريت (Fe S2)، ستريت (Fe CO3)، ژئوتيت (Fe oH)، رونوميت 2(CaMg (CO3، مگنيت، گچ (CaSo4. 2H2o)، فلوريت (CaF2) و... مي باشد.
سنگي آهک در کاخانه هاي سيمان بر مبناي منشأ تشکيل و انواع ناخالصي هاي موجود درآن طبقه بندي مي شود. چون منشأ تشکيل سنگ بر روي مينرالهاي موجود، درجه ي بلور شدن،اندازه ذرات، قدرت سيماني شدن، ميزان فشردگي و ناخالصي هاي موجود در سنگ تأثير داشته و همچنين تأثيرات عمده اي روي خواص فيزيکومکانکي، ميزان تجزيه پذيري، قدرت ترکيب سنگ با سايراجزاي سيمان، دارد. که اين خواص از اهميت خاصي بر روي فعاليت، واکنش پذيري و ميزان ترکيب پذيري ماده اوليه، درجه خردشوندگي و همچنين تأثيرات آن روي آسيابهاي سيمان دارد.
آسياب نشدن کامل مواد اوليه موجب واکشن ناقص اجزا شده که اين مسأله باعث تخريب بتن به خاطر تشکيل و وجود مواد ناخاسته در بتن مي گردد.
1. 3. مواد افزودني، مواد تسهيل کننده ي ترکيبات مورد استفاده در کارخانجات سيمان
براي توليد سيمان سفيد از افزودني کائولن سفيد با درصد آلوميناي بالا استفاده مي شود.
بوکسيت يکي از انواع رسهاست که ترکيب شيميايي آن داراي مقاديرمتفاوتي هيدروکسيد آلومينيوم است و همچنين مقادير متفاوتي مينرالهاي مختلف هيدراته ي آهن وجود دارد در صورتي که سنگ غني ازآلومينيوم باشد مينرالهاي موجود در آن را بوهميتا (Al2O3. 3H2O - لا) و يا دياسپور (Al2O3. H2O-×) و گپسيت (Al2O3. 3H2O) تشکيل مي دهد. که در توليد سيمان استفاده مي شود به عنوان مواد تسهيل کننده ترکيبات از سنگ معدنهاي غني از اورانيوم استفاده مي گردد.
ميزان استفاده از ترکيبات آلومينايي بين 5-10 درصد در کارخانه سيمان متغيراست و در صورتي که ازسنگ آهک خالص استفاده شود اين مقدار تا 25 درصد مي تواند افزايش يابد. علاوه براين ترکيبات مواد ديگري هم استفاده مي شود که عبارت است از: خاکستر آتش فشاني، باقي مانده سوختهاي زغال سنگ در نيروگاه ها،سرباره ذوب آهن و ضايعات کارخانه کاغذسازي.
علاوه بر ترکيبات شيميايي که لازم است با هم، هم خواني داشته باشند، مواد افزودني و مواد تسهيل کننده نيز بايد با هم، هم خواني داشته باشند.
4. فرآيند توليد سيمان
1. 4. خردايش مواد خام
سنگ شکنهاي مورد استفاده در صنعت سيمان عبارتند از:
1) سنگ شکن فکي
2) سنگ شکن مخروطي
3) سنگ شکن نوردي
مکانيزم سنگ شکن هاي بالا براساس اعمال فشار بر روي مواد اوليه است. که علاوه براين نوع سنگ شکن ها سنگ شکن هايي وجود دارند که اساس کارآنها ضربه است. اين نوع سنگ شکن ها عبارتند از:
1) سنگ شکن ضربه اي
2) سنگ شکن چکشي
از لحاظ بازده،بازده سنگ شکن چکشي از سه نوع فکي، مخروطي و نوردي بيشتر است. امروزه نيز به خاطر همين مسئله استفاده از اين نوع سنگ شکن در کارخانجات سيمان متداول گشته است. اين نوع سنگ شکن بسيارعظيم الجثه است. و داراي چکش هاي بسيار بزرگ است.
آسياب هاي مورد استفاده در کارخانجات سيمان دو نوع اند:
1) آسياب هاي گلوله اي
2) آسياب هاي لوله اي
اين آسياب ها همچنين براساس مسير پيمايش ماده نيز تقسيم بندي مي شوند که براين اساس به دو نوع سيستم تقسيم مي شوند:
1) سيستم باز
2) سيستم بسته
در مسير باز مواد فقط يک بار عبور مي کند اما در مسير بسته مواد پس از آسياب شدن و خردشدن از الکهاي با مش معين عبور کرده و موادي که بر روي الک باقي مي مانند دوباره به سنگ شکن باز مي گردد. البته اکثر آسياب ها معمولاً داراي سيستم بسته هستند.
البته آسياب ها را براساس خواص ديگر آنها نيز طبقه بندي مي کنند مثلاً براساس حالت مواد مورد خردايش قرار گرفته ولي با توجه به تحولات انجام شده در صنعت سيمان دنيا و تغيير روش ها از روش تر به روش خشک،اين تقسيم بندي ها و طبقه بندي ها منسوخ گشته است.
2. 4 خشک کردن مواد اوليه
براي خشک کردن مواد اوليه معمولاً از روشهاي مختلفي استفاده مي شود. براساس نحوه ي حرکت مواد اوليه و جريان هوا اين تقسيم بندي به صورت زير است:
1) خشک کن داراي جريان متقابل
2) خشک کن داراي جريان موازي
1. 2. 4. خشک کن داراي جريان متقابل
2. 2. 4. خشک کن داراي جريان موازي
3. 2. 4.مقايسه ي خشک کن داراي جريان موازي با نوع داراي جريان متقابل
3. 4. پيش گرم کردن مواد
جريان هوايي که از پايين وارد پيش گرم کن مي شود ذرات را به دو قسمت تقسيم مي کند. يکي از تقسيم بندي ها ذراتي هستند که نيروي اصطکاک آنها با هوا بيشتر از نيروي وزن آنهاست. که اين غلبه ي نيروي اصطکاک بر نيروي وزن باعث حرکت آنها به سمت بالاي سيکلون مي شود. و تقسيم بندي دوم ذرات درشت است که به پايين حرکت مي کنند پس در هر سيکلون از بالا به پايين ذرات درشت تر مي شوند.
معمولاً در کارخانجات سيمان بخش پيش گرم کن از 4 يا 5 سيکلون تشکيل شده است. که دماي ورودي به اين سيکلونها در حدود 1100 درجه سانتيگراد و هواي خروجي در حدود 330 درجه سانتيگراد است. ورود هوا بسيار گرم اين مطلب را متذکر مي شود که سيکلون ها در تماس با هواي 1100 درجه سانتيگراد را بايد با آجر نسوز عايق کاري کنيم.
با حرکت خوراک اوليه در طي اين سيکلون ها، دماي خوراک به حدود 800 درجه سانتيگراد مي رسد. ضمناً خوراک با طي سيکلون ها در زمان 25 ثانيه به انتها مي رسند.
ذرات بسيار ريز از بالاي سيکلون ها خارج گشته (بوسيله ي جريان هوا) وارد فيلترها مي شود. اين فيلترها از دو نوع فيلترهاي کيسه اي (بگ فيلتر) يا الکتروفيلتر هستند. در فيلترهاي کيسه اي جريان هوا وارد يک کيسه مي شود که در درون اين کيسه ذرات مواد باقي مانده و جريان هوا تصفيه مي گردد. در الکتروفيلتر نيز اعمال يک ميدان الکتريکي باعث جذب بار ذرات گشته و ذرات نهايتاً تجمع يافته و براساس افزايش وزن آنها،ذرات به پايين الکتروفيلتر مي ريزند. در کارخانجاتي که مي خواهند عمل فيلتراسيون هوا به شکلي کامل تر انجام شود،از دو نوع اين فيلترها به صورت سري استفاده مي کنند.
4. 4. کوره ي پخت کلينکر
بنابراينکه توليد کارخانه چه مقداري است و نياز به کلينکر در کارخانه چه مقدار است،سرعت چرخش کوره تغيير مي کند. هر چه سرعت کوره بيشتر شود مقدار کلينکر خروجي بيشتر مي شود. اين کوره داراي يک شيب ملايم است که هر چه اين شيب کمتر باشد ميزان انباشتگي مواد بيشتر مي شود. هرچه قطر کوره نيز بيشتر باشد،ميزان انباشتگي مواد بيشتر مي شود ولي بايد به اين نکته توجه کرد که تشکيل فازهاي مناسب در داخل کوره نيازمند انتقال گرماي معيني از سطح توده ي مواد داخل کوره به عمق آن است بنابراين توجه به تنظيم مشعل کوره و ميزان انباشتگي مواد اوليه امري حياتي است و بر روي خواص کلينکر توليدي اثر مي گذارد.
1. 4. 4. نحوه ي چينش آجرها
طول کوره ها 75 متر است که نحوه ي چينش آجرهاي آن از ابتدا (محل ورود مواد) تا انتها (محل خروج کلينکر) به صورت زير است:
1) در سه متر اوليه آجرهاي شاموتي که 70 درصد آلومينا دارند .
2) در 25 متر بعدي آجرهاي منيزيتي که 80 درصد آنها منيزيا است.
3) در 21 متر بعدي آجرهاي شاموتي با 70 درصد آلومينا .
4) در 26 متر آخر آجرهاي آلومينايي استفاده مي شود.
2. 4. 4. سوخت کوره ي پخت کلينکر
انتخاب سوخت براي فرآيند پخت کلينکر يک مسأله ي مهم است.اين مسأله با توجه به اقليم و موقعيت کشور انتخاب مي شود. در کشور ما نيز با توجه به وجود منابع عظيم گازطبيعي بهترين گزينه گازطبيعي است. مزاياي گازطبيعي علاوه بر هزينه ي کم براي کارخانجات داخلي،آلودگي کمتر نيز هست. ضمناً با استفاده از گازطبيعي احتمال ورود ناخالصي به خوراک کوره از سوخت هاي جايگزين وجود ندارد. اين مسأله بر روي خوردگي ديرگدازهاي کوره و کنترل فرآيند پخت کلينکر تأثير بسزايي دارد. و از ديدگاه بنده خوردگي ديرگدازها را کاهش داده و کنترل وضعيت فرايند پخت کلينکر را نيز آسان تر مي کند.
3. 4. 4. کوتينگ در کوره
وظايف کوتينگ در کوره:
1) حفاظت آجر نسوز در مقابل حرارت
2) حفاظت از آستر نسوز درمقابل حمله ي شيميايي ترکيبات کلينکر
3) بهبود يکنواختي کلينکر (فاز شيشه اي بوجود آمده بر روي سطح کلينکر مي نشيند و سطح کلنيکر را غير يکنواخت مي کند. با حرکت کلينکر بر روي کوتينگ،سطح کلينکر کاملاً گرد و يکنواخت مي شود.)
4) کاهش تشعشع حرارتي
5) حفاظت از بدنه کوره
کلنيکرتوليدي از انتهاي ديگر کوره خارج شده و به سرعت سرد مي شود اين سريع سردکردن بر خواص گيرش سيمان توليدي اثر مي گذارد. سپس کلينکر آسياب مي شود و به صورت يک پودر نرم درمي آيد. پودر حاصله بوسيله ي مواد افزوني معين مخلوط مي شود و به سمت مراکز مصرف فرستاده مي شود.
* استفاده ازمطالب اين مقاله با ذکر راسخون بلامانع مي باشد.
منبع :مرجع کامل تکنولوژي سيمان/مير مسعود معطر خرازي -تکنولوژي پخت سيمان / محمدرضا عزيزيان
/خ