مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع: راسخون
منبع: راسخون
هدف از اين مقاله، توصيف جزئيات بسيار ريز در مورد انواع ادوات مورد استفاده براي تبديل سنگ آهك و رس به كلينكر و سپس تبديل كلينكر به سيمان پرتلند، نمي باشد. درواقع هدف از نگارش اين مقاله، ارئه ي يك تصور كلي در مورد نحوه ي توليد سيمان پرتلند مي باشد.
Vicat مي دانست كه مي تواند گل سفيد (chalk) را آسياب كند و با رس مورد استفاده قرار دهد اما اين روش تنها وقتي مورد استفاده قرار مي گرفت كه گل سفيد وجود داشته باشد. اين در حالي است كه روش دو مرحله اي قبلي مي توانست براي هر نوع سنگ آهكي مورد استفاده قرار گيرد. علاوه براين، به دليل اينكه او مي خواست تا از ايجاد نسبت دقيق بين مواد اوليه مورد استفاده در توليد آهك مصنوعي، اطمينان حاصل كند، او روش دو مرحله اي را ترجيح داد، در حالي كه Aspdin و Johnson فرايند پخت تك مرحله اي را ترجيح دادند.
اولين فرايند صنعتي توليد سيمان، فرايند طولاني بود و نيازمند كارگران فراواني داشت به نحوي كه سيمان پرتلند نمي توانست با آهك هاي هيدروليك و سيمان هاي طبيعي، رقابت كند. درانگليس، قيمت سيمان پرتلند، بالاتر از بهترين نوع از سيمان هاي طبيعي بود و درفرانسه اين قيمت 3 برابر قيمت آهك Le Teil بود (آهك Le Teil در آن زمان، اتصال دهنده ي مرجع بحساب مي آمد). اين افزايش هزينه تنها بوسيله ي برخي از مهندسين مورد قبول بود و آنها ترجيح مي دادند تا از سيمان پرتلند، به جاي ساير مواد بايندر، استفاده كنند. براي مثال، در سال 1838، مهندس انگليسي به نام Isambar K. Brunel براي ساخت يك تونل در زير رودخانه ي تايمز در انگليس، سيمان پرتلند را نسبت به سيمان طبيعي ترجيح داد. بعدها، فنداسيون مجسمه ي آزادي در نيويورك با استفاده از سيمان پرتلندي ساخته شد كه از شركت Dyckerhoff آلمان وارد شده بود. اين سيمان هاي پرتلند وارداتي به اين دليل نسبت به سيمان هاي طبيعي موجود در آمريكا، ترجيح داده شد كه داراي خواص يكنواخت تر و منظم تري بود. در آن زمان، حمل سيمان با استفاده از بشكه، گران قيمت نبود زيرا اين بشكه ها براي ايجاد تعادل در كشتي مورد استفاده قرار مي گرفتند (شكل 3).
براي ايجاد توانايي رقابت سيمان پرتلند با سيمان هاي طبيعي، اين ضروري بود تا يك فرايند هموژن سازي مؤثر توسعه يابد تا بوسيله ي آن بتوان مقادير قابل توجهي از مواد اوليه را مورد فرآوري قرار داد. بنابراين، اين ضروري است كه از آسياب كاري و هموژن سازي مواد اوليه شروع كنيم.
در ابتدا، هموژن سازي خوراك وارد شده به كوره با استفاده از فرايند تر انجام مي شد (شكل 4a). خوراكي كه بايد وارد كوره مي شد، با آب مخلوط مي شد. اين كار در داخل حوزچه هاي متلاطم انجام مي شود و با استفاده از اين كار، دوغابي از مواد اوليه تشكيل مي شد. اولين سري از حوزچه هاي مورد استفاده بوسيله ي شركت دوپانت و دمار در سال 1869 مورد استفاده قرار گرفت. دوغاب حاصله سپس به داخل يك حوزچه ي بزرگ وارد مي شد تا هموژن شود. در اين حوزچه، دوغاب به طور مداوم با استفاده از بازوهاي مكانيكي و خروج گاز از بخش زير حوزچه، به هم زده مي شد. تعداد اندكي از كارخانه هاي سيمان هنوز هم از روش تر استفاده مي كنند. براي كاهش ميزان آب مصرف شده براي توليد دوغاب، ضروري است كه از مواد پراكنده ساز (معمولا تركيبات سولفاته) استفاده شود. در واقع با استفاده از اين مواد، ميزان آب مصرف شده براي توليد دوغاب، كاهش مي يابد. بنابراين، مواد پراكنده ساز ميزان مصرف آب را تقريباً 28 تا 30 % كاهش مي دهد (شكل 4b).
فرايند تر يك فرايند غير پيوسته است. يكي از مزيت هاي اين روش، حفظ دقيق تركيب شيميايي خوراك خام پيش از ورود به كوره است. تا زماني كه هزينه هاي سوخت بالا نبود، اين مسئله مهم نبود كه چه ميزان انرژي براي تبخير آب مورد استفاده در اين فرايند، صرف مي شود، اما وضعيت با وقوع اولين بحران نفتي، به طور ناگهاني تغيير كرد. اين زماني بود كه فرآيند خشك مورد استفاده قرار گرفت (شكل 5a) و اين روش، روش هاي نيمه تر و تر را منسوخ كرد. فرايند هاي نيمه تر يا نيمه خشك (شكل 5b) ضرورتاً شامل گرانول سازي يا اكسترود كردن يك خمير داراي 35 %آب و كاهش ميزان آب و همچنين پيش گرم كردن آن مي باشد. هم اكنون استفاده از فرايند خشك، روز به روز در حال افزايش است اما اين ضروري است كه پيش از آسياب كردن مواد اوليه، فرايند هموژن سازي مؤثري انجام شود. اين هموژن سازي در سالن هاي بزرگ انجام مي شود (اشكال 6a و b و c). اين هموژن سازي اوليه بوسيله ي يك فرايند ثانويه ي هموژن سازي همراه مي شود كه بعد از آسياب كاري، بر روي خوراك كوره، انجام مي شود. خوراك اوليه در سيلوهاي بزرگ، هموژن مي شود. در اين سيلوها، حركت ذرات با استفاده از هواي خشك تحت فشار، ايجاد مي شود.
هر جا فرايند هموژن سازي مورد استفاده قرار گيرد، آسياب كاري خوراك خام ضروري است تا بدين وسيله، استحاله هاي شيميايي كه درطي پخت خوراك خام، رخ مي دهد، تسريع گردد.
پخت خوراك خام به آهستگي انجام مي شود اما نتايج آن قابل توجه است. در شروع كار، ابتدا كلينكر در كوره هاي عمودي پخت مي شد كه اين كوره ها شبيه كوره هاي آهك پزي (شكل 1 و 2). در سال 1924، Lafarge در يكي از كارخانه هايش، 42 كوره داشت. تعداد اين كوره ها در كارخانه ي Beffes اين شركت، 82 كوره بوده است.
اولين كوره ي دوار مشابه آن چيزي كه امروزه در كارخانه هاي سيمان مورد استفاده قرار مي گيرد، در سال 1895 در آمريكا ساخته شد. استفاده از كوره هاي دوار توانست تنها در 5 سال، ميزان توليد سيمان را 10 برابر كند. تكنولوژي اين كوره ها به سرعت در اروپا نيز گسترش يافت. 50 سال بعد، تكنولوژي پخت زياد تفاوتي نكرده است و تنها اندكي پيچيده تر شده است (شكل 7). هم اكنون، اين كوره ها به طور الكترونيك و كامپيوتري كنترل مي شود.
در طي دهه ي 1950، اولين پيش گرم كن ها وارد صنعت سيمان شد. دريك پيش گرم كن، خوراك خام به طور جزئي دي كربونيزه مي شود. اين دي كربونيزه شدن با استفاده از حركت خوراك خام از داخل يك سري سيكلون انجام مي شود. جريان هواي گرم كه از داخل اين سيكلون ها حركت مي كند، موجب پيش گرم شدن خوراك خام مي شوند. بعد از عبور خوراك خام از آخرين سيكلون، مواد اوليه به ميزان 40 % دكربونيزه شده است.
در نهايت، در طي دهه ي 1970، اولين پيش كلسينه كننده، توسعه يافت (شكل 8). امروزه، تقريباً در تمام كارخانه هاي سيمان، كوره هاي مدرن نصب شده است. با افزودن توان ورودي در بخش هاي پيش گرم، اين مسئله ممكن است كه دي كربونيزاسيوني تا حد 90 % در خوراك ايجاد شود. در نتيجه، طول كوره ي سيمان را مي توان قابل توجهي كاهش داد و در عوض قطر آن را افزايش داد. با اين كار، ميزان اتلاف حرارتي، كاهش مي يابد. هم اكنون، برخي از كوره هاي سيمان مي توانند روزانه 10 هزار تن كلينكر توليد كنند. اين مقدار از توليد بسيار بيشتر از مقدارتوليد سيمان بوسيله ي كوره ها ي عمودي اوليه اي است كه در بين سال هاي 1970 و 1880 مورد استفاده قرار مي گرفت.
براي تبديل كلينكر به سيمان پرتلند، تنها لازم است كلينكر توليد شده را آسياب كنيم و مقدار مناسبي كلسيم سولفات به آن اضافه كنيم. در ابتدا، آسياب كاري با استفاده از آسياب هاي سنگي ساخته شده از سنگ هاي سخت، انجام مي شد. آسياب هاي سنگي افقي معمولا براي اين كاراستفاده مي شده است. بعدها استفاده از آسياب هاي سنگي آونگي متداول شد و در نهايت، آسياب هاي گلوله اي جايگزين اين آسياب ها شد (شكل 9a و 9b).
اولين آسياب در سال 1892 در فرانسه و بوسيله ي Davidson طراحي شد. آستركاري اين آسياب از جنس كوارتز بود و كلينكر سيمان به همراه قلوه سنگ هاي ساحلي، به اين آسياب شارژ مي شد. در سال 1920 بود كه اولين آسياب گلوله اي فولادي براي آسياب كاري سيمان پرتلند، مورد استفاده قرار گرفت. توسعه ي اين تكنولوژي موجب افزايش ظرفيت توليد سيمان پرتلند شد. به هر حال، بازده انرژي آسياب هاي گلوله اي بسيار پايين بود. تنها 5 تا 10 % از انرژي مورد استفاده در اين آسياب ها مورد استفاده قرار مي گيرد و بقيه ي آن به حرارت و سروصدا تبديل مي شود. براي بهبود بازده انرژي سيستم آسياب كاري، ذرات با اندازه ي مناسب، بوسيله ي يك جداساز هوايي از آسياب خارج مي شود. اخيراً واحدهاي آسياب كاري با بازده بالا كه از تكنولوژي غلطك پرسي استفاده مي كنند، توسعه يافته اند (شكل 10). بعد از اولين مرحله از آسياب كاري با استفاده از غلطك هاي پرسي، درنهايت آسياب كاري در داخل آسياب هاي گلوله اي انجام مي شود ( شكل 9b).
همانگونه كه قبلاً گفته شد، سيستم هاي جداسازي بواسطه ي هوا، بسيار پيچيده شده اند و بازده آنها نيز افزايش يافته است به نحوي كه هيچ ذره ي سيماني بيش از 3 يا 4 مرتبه در داخل يك آسياب گلوله اي باقي نمي ماند و در نتيجه، توان خروجي اين واحدهاي آسياب كاري به طور قابل توجهي افزايش يافته است (شكل 11a و 11b).
در يك آسياب گلوله اي، آسياب كاري درداخل دو محفظه ي مجزا انجام مي شود (شكل 9a). بخش اول از گلوله هاي بزرگ پر شده است و بخش دوم از گلوله هاي ريزتر پر شده است. اين بخش ها بوسيله ي يك ديافراگم از هم جدا شده اند. براي بهبود بازده آسياب گلوله اي، مقادير اندكي از مواد شيميايي كمك آسياب كننده به داخل آسياب افزوده مي شود. در بهترين نوع از اين آسياب ها، افزايش در خروجي آسياب مي تواند تا 15 % افزايش داشته باشد. اين مسئله مشكلات مربوط به ذخيره سازي سيمان در سيلوها و يا در طي حمل و نقل را كاهش مي دهد. ذرات آسياب شده، بوسيله ي جريان هوا جداسازي مي شوند و به سيلوها انتقال مي يابند.
روش انتقال سيمان نيز در طي زمان تغيير كرده است. در ابتدا، سيمان در بشكه به فروش مي رسيد. يك بشكه سيمان از 170 كيلوگرم سيمان تشكيل شده بود. سيمان همچنين كيسه هاي كرباسي نيز به فروش مي رسيد. اين كيسه ها بعد از استفاده شدن سيمان داخلشان، به كارخانه بازگشت داده مي شدند (شكل 12). كمبود كيسه هاي كرباسي موجب شد تا آلمان ها مجبور شوند كيسه هاي كاغذي توليد كنند. در اين زمان، استفاده از كيسه هاي كاغذي در تمام جهان متداول شد (شكل 13 و 14). وزن متداول كيسه هاي سيمان برابر40 يا 50 كيلوگرم است اما هم اكنون سيمان در كيسه هاي 1 يا 2 تني نيز به فروش مي رسند.
وقتي سيمان به صورت توده اي به فروش برسد، اين مواد از طريق ريل راه آهن (شكل 15) يا بوسيله ي كاميون (شكل 16) منتقل مي شوند. انتقال توده اي اين مواد با استفاده از قايق نيز انجام مي شود (شكل 17). در هر مورد، عمليات هاي بارگيري و تخليه با استفاده از جريان هوا انجام مي شود. اخيرا، كشتي هاي بزرگ به وسايل انتقال پنيوماتيك مجهز شده اند.
در شكل 18، هزينه ي توليد سيمان پرتلند بوسيله ي كارهاي مختلفي كاهش يافته است. در اين شكل، اين مشاهده مي شود كه دو نوع هزينه ي مهم، هزينه هاي مالي و هزينه هاي مربوط به انرژي است. اين هزينه ها با هزينه هاي مربوط به دستمزدها و الكتريسيته نيز همراه است. هزينه ي مربوط به كاغذ مورد استفاده براي بسته بندي نيز دركشورهاي جهان سوم بالاست. علت اين مسئله اين است كه بيشتر سيمان توليد شده در داخل پاكت هاي كاغذي بسته بندي مي شود. به طور عكس، در كشورهايي مانند آمريكا و كانادا، هزينه هاي اين نوع از بسته بندي، كمتر از 5 % هزينه هاي كل توليد است.
شكل 19 به طور شماتيك چالش اقتصادي روبه رو با شركت هاي سيمان را نشان داده است. شركت هاي سيمان با چالش افزايش بهره وري، روبرو هستند: هزينه هاي توليد و بازاريابي بايد به حداقل رسيده و بدين وسيله، منفعت افزايش مي يابد.
آماده سازي خوراك مواد اوليه مي تواند به مراحل مختلفي تفكيك شود. استخراج مواد اوليه، آماده سازي، هموژن سازي مواد اوليه، آناليز آنها، تنظيم تركيب آنها و آسياب كاري مواد اوليه، پيش از ورود مواد اوليه به داخل كوره، از جمله ي اين مراحل مي باشند.
خوراك خام سپس تا دماي 1450 حرارت دهي مي شوند و كلينكر تشكيل مي شود. كلينكر با دماي 1450، سپس تا دماي 1350 كوئنچ مي شود تا كريستال هاي الايت () و بلايت () در شكل فعال خود، پايدار شوند. اين كلينكر سپس تا دماي 200 سرد مي شود. در طي اين فرايند سرد كردن، بيشتر حرارت از طريق سيستم هاي هوايي، بازگرداني مي شود و هواي گرم شده به داخل مشعل هاي كوره، وارد مي شود.
كلينكر حاصله سپس در سيلوهاي يا اتاق هاي خاص، ذخيره سازي مي شود. در برخي موارد، اين كلينكر مي تواند در فضاي باز نيز ذخيره سازي شود. پس از آن، كلينكر با افزودن مقدار مناسبي كلسيم سولفات، آسياب مي شود و سيمان پرتلند يا سيمان مخلوط بدست مي آيد. سيمان توليدي در داخل سيلوها ذخيره سازي مي شوند و در زمان مناسب به مراكز مصرف منتقل مي شوند.
گازهاي داغ مورد استفاده در پيش گرم ن ها، سنگ آهك را در بخش پيش كلسينه كننده، دي كربونيزه مي كند و هواي خارج شده در اين بخش ها، به بخش خنك كننده وارد مي شود. براي افزايش نرخ دي كربونيزاسيون، يك منبع يدكي از حرارت ضروري است.
قبل از آزاد شدن اين گازها در اتمسفر، گازها تا دماي 200 سرد مي شود و از ميان سيستم غبار گير عبور داده مي شود. اين سيستم ها عموماً از بخش هاي رسوب دهنده ي الكترواستاتيك استفاده مي كنند. ذرات جمع آوري شده بوسيله ي سيستم غبار گير، معمولاً غبار كوره ي سيمان (CKD) ناميده مي شود. گازهاي تميز شده بوسيله ي دودكش به داخل اتمسفر وارد مي شود. اين گازها عموما از دي اكسيد كربن، مقدار بخار آب، اكسيدهاي نيتروژن، و دي اكسيد گوگرد تشكيل شده اند.
توليد سيمان پرتلند نيازمند دو مرحله آسياب كاري است. آسياب كاري اوليه براي انجام واكنش هاي جامد/ جامدي كه در دماي 1450 رخ مي دهد، ضروري است و نتيجه، تشكيل الايت، بلايت و فازهاي بين شبكه اي است. آسياب كاري ثانويه براي فعال سازي كلينكر سيمان پرتلند مي باشد.
بهبودهاي مكانيكي با استفاده از كنترل هاي از راه دور و اتوماسيون سيستم ها، صورت مي گيرد. كنترل كارهاي انجام شده در كارخانه هاي سيمان، با استفاده از كامپيوتر انجام مي شود (شكل 20). علارغم تلاش هاي فراوان در زمينه ي بهبود بازده كارخانه هاي سيمان مدرن از طريق اتوماسيون آنها، اين مسئله بايد تذكر داده شود كه هنوز هم برخي از كارخانجات سيمان به صورتي دستي كنترل مي شوند. اين كارخانجات نيروي كار فراواني را نيز نياز دارد. در ادامه، ما جزئيات دو نوع كوره ي سيمان را توصيف خواهيم كرد: يكي كوره اي كه با پيش گرم كن كار مي كند و ديگري كوره اي كه با پيش كلسينه كننده، كار مي كند.
هم اكنون، برخي از كارخانجات سيمان از روش تر استفاده مي كنند در حالي كه اين نوع كارخانه ها اكنون در حال تغيير و استفاده از روش هاي ديگر است. علت اين مسئله، هزينه هاي سوخت بالا و توليد مقادير قابل توجهي از دي اكسيد كربن است. در زماني كه راهي ديكر براي توليد كلينكر، وجود نداشته باشد، اين روش هنوز استفاده مي شود مخصوصا در جاهايي كه منابع خاك سفيد در زير سطح استايي آب وجود داشته باشند. بازده انرژي فرايند تر، از نقطه نظر هزينه ها، مي تواند با استفاده از سوخت هاي جايگزين، بهبود يابد.
به دليل اينكه قيمت سيمان پرتلند بسيار بالا نيست، حمل و نقل مواد اوليه در مسافت هاي زياد، مقرون به صرفه نمي باشد. به دليل اينكه درصد آهك در سيمان پرتلند، حدود 65 % است، يك كارخانه ي سيمان همواره در نزديكي منابع سنگ آهك ساخته مي شوند. سنگ آهك ها و منابع آهكي مورد استفاده، بايد داراي تركيب شيميايي ثابتي باشند و ميزان شيل يا رس آنها نيز بايد ثابت باشد. مواد اوليه ي مورد استفاده در توليد سيمان پرتلند، مي تواند همچنين از مارل هاي رسي يا سنگ آهك هاي ناخالص تشكيل شده باشند كه تركيب شيميايي آنها بايد با تركيب شيميايي سيمان پرتلند، هماهنگي داشته باشد. تركيب شيميايي مواد اوليه اغلب با افزودن مقادير اندك از افزودني ها تصحيح مي شود. اين افزودني ها، موجب جبران 4 اكسيد اصلي مي شوند. البته، بسته به فرايند مورد استفاده (تر يا خشك)، فرايند هموژنيزاسيون متفاوت است اما همواره اين فرايند ضروري است.
وقتي اين قطعي شد كه يك منبع 50 ساله از مواد اوليه در يك مكان وجود دارد كه تركيب شيميايي آن نيز ثابت است، اولين مسئله نحوه ي هموژن سازي ماده ي اوليه است. با هموژن سازي خوراك وارد شده به كوره، خواص كلينكر ثابت مي شود. البته به دليل اينكه مواد اوليه مواد طبيعي غير فراوري شده هستند، بايد اطمينان حاصل شود كه مواد اوليه ي وارد شده به كوره، يكنواخت باشند زيرا وقتي اين مواد اوليه وارد كوره مي شوند، ديگر نمي توان بر روي فرايند توليد، اثري گذاشت. يعني بعد از ورود مواد اوليه به داخل كوره، ميزان انعطاف پذيري فرايند (تغيير تركيب شيميايي و اصلاح آن) كاهش مي يابد. در حال حاضر، اتاق هاي پيش هموژن سازي به طور گسترده مورد استفاده قرار مي گيرد. هنوز هم اين يك آرزوست كه بتوان تركيب شيميايي خوراك خام را بر روي خط كنترل نمود.
مواد اوليه ي استخراج شده از معدن به سنگ شكن هاي بزرگ انتقال مي يابند. اين سنگ شكن ها موارد را خردايش كرده و اندازه ي ذرات را به اندازه اي بين 80 تا 50 ميلي متر تبديل مي كنند. مواد خردايش يافته در اين بخش، در لايه اي به ضخامت 150 ميلي متر، پشته مي شوند. وقتي پشته سازي به پايان مي رسد، مواد خردايش يافته به صورت عمودي و بوسيله ي بيل مكانيكي در جهت عمود بر جهت پشته سازي، برداشت شده و براي ساخت يك پشته ي ديگر مورد استفاده قرار مي گيرد (شكل 6a، b و c). در حقيقت، يگ اتاق هموژن سازي از دو پشته ي مواد اوليه تشكيل شده است كه يكي در حال ساخت و ديگري كه داراي تركيب شيمايي مناسب است، به واحد سايش ارسال مي شود. مواد اصلاح كننده ي مختلفي (مانند اكسيد آهن، آلومينا و سيليس) براي تنظيم تركيب شيميايي مواد موجود در اين بخش، نياز است.
ريز بودن ذرات مواد اوليه، يك مسئله ي كليدي است زيرا ريز بودن موجب مخلوط شدن مناسب تر مواد اوليه مي شود و در نتيجه، خواص كلينكر حاصله، يكنواخت تر مي شود. مخصوصا ذرات كوارتز بايد به خوبي خرايش شوند (شكل 21) تا از ايجاد مقادير بيش ازحد بلايت در كلينكر نهايي، جلوگيري شود. به همين ترتيب، ذرات سنگ آهك بايد به خوبي نرم شوند تا از ايجاد خوشه هاي آهك آزاد در داخل سيمان، جلوگيري شود.
بعد از آسياب كاري، خوراك مواد خام در يك سيلو ذخيره سازي مي شوند و پيش از ورود به كوره يا بخش هاي پيش گرم كننده، در اين سيلو بوسيله ي جريان هوا، هموژن سازي مي شود. استفاده از فرايند خشك نياز دارد تا مواد اوليه بعد از عبور از اتاق هاي هموژن سازي، در داخل سيلوهاي ويژه، هموژن سازي شوند
در مورد فرايند تر، مواد اوليه ي آسياب شده با آب مخلوط مي شوند و بعد در داخل يك آسياب گلوله اي، آسياب مي شوند. خوراك خام سپس به داخل حوزچه هاي بزرگ فرستاده مي شود و با ايجاد فرايند اختلاط مكانيكي، عمليات هموژن سازي بر روي دوغاب مواد اوليه، انجام مي شود. ما بعدها انواع مختلف سيستم هاي آسياب كاري را مورد بررسي قرار خواهيم داد.
ميزان اكسيدهاي مختلف كنترل مي شود تا بدين وسيله، تركيب شيميايي براي توليد كلينكر، مناسب شود. البته اين نكته بايد تذكر داده شود كه استفاده از ماكزيمم مقدار آهك مفيد مي باشد البته بايد توجه داشت كه ميزان آهك از حدي نگذرد كه موجب تشكيل آهك اضافي شود. معمولا، كلينكر بعد از پخت، شامل 1 % آهك اضافي است. ميزان اكسيد كلسيم با استفاده از فاكتور اشباع آهك (LSF) كنترل مي شود:
از نقطه نظر تجربي، مقدار بهينه ي LSF بايد بين 95/0 تا 97/0 باشد تا بدين صورت، درصد آهك آزاد موجود در كلينكر 1 % باشد. يك مقدار آهك اضافي كم (5/0 %) در كلينكرهايي ايجاد مي شود كه بيش از حد پخت شده اند. در حالي كه ميزان آهك اضافي زيادتر (2 تا 3 %)، در كلينكرهايي ايجاد مي شود كه به درستي پخته نشده اند (اين بدين معناست كه كلينكر به خوبي فعال نشده است). با توجه به كارهاي انجام شده بوسيله ي Pliskin در سال 1993، سيمان پرتلند نوع 1 معمولا داراي LSF بين 90/0 تا 95/0 هستند.
مدول براي سيمان هاي پرتلند خاكستري معمولاً بين 2 تا 3 و براي سيمان پرتلند سفيد بين 4 تا 7 است. اين مدول به صورت زير تعريف مي شود:
براي ايجاد مقدار كافي از فاز مايع در حين كلينكرسازي، بايد شرايط تشكيل فراهم شود.
مدول آلومينو- فريت با توجه به نوع سيمان توليد شده، تغيير مي كند. اين مدول به صورت زير تعريف مي شود:
اين مدول حرارت هيدراسيون و مقاومت به مواد سولفاته را نيز تعيين مي كند. اين نسبت بسيار مهم مي باشد زيرا اين نسبت ويسكوزيته ي فاز بين شبكه اي را تعيين مي كند. اگر مدول AF كمتر از 64/0 باشد، نمي تواند تشكيل شود و كلينكر توليد شده با آن، داراي حرارت هيدراسيون بسيار پاييني است و همچنين مقاومت آن در برابر مواد سولفاته نيز بالاست. در كلينكر نوع 10، مدول AF بين 8/1 تا 8/2 است اما اين مدول در برخي موارد، نبايد از 3/1 كمتر و از 4 بالاتر باشد.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.
پيش زمينه ي تاريخي در زمينه ي توليد سيمان پرتلند
فرآوري مواد خام و تبديل آنها به سيمان پرتلند، سال هاي متمادي است كه مورد بررسي قرار گرفته است. براي مثال، براي آماده سازي آهك مصنوعي، Vicat از يك روش دو مرحله اي استفاده كرده است. او ابتدا آهك هيدراته را توليد و سپس آن را با رس مخلوط كرد و يك مخلوط هموژن بدست آورد. او اين مخلوط بدست آمده را به شكل كاسه در آورد. وقتي اين كاسه ها خشك شدند، آنها به داخل كوره هاي عمودي وارد شدند (اشكال 1 و 2) و مراحلي مشابه با مراحل مورد استفاده در توليد آهك، بر روي آنها انجام شد. براي جلوگيري كردن از اينكه كارگران دست هاي خود را با ذرات كوچك آهك بسوزانند، Vicat به آنها ظرف هايي از قير داد تا بتوانند با استفاده از قير، از دست هايشان محافظت كنند.
اولين فرايند صنعتي توليد سيمان، فرايند طولاني بود و نيازمند كارگران فراواني داشت به نحوي كه سيمان پرتلند نمي توانست با آهك هاي هيدروليك و سيمان هاي طبيعي، رقابت كند. درانگليس، قيمت سيمان پرتلند، بالاتر از بهترين نوع از سيمان هاي طبيعي بود و درفرانسه اين قيمت 3 برابر قيمت آهك Le Teil بود (آهك Le Teil در آن زمان، اتصال دهنده ي مرجع بحساب مي آمد). اين افزايش هزينه تنها بوسيله ي برخي از مهندسين مورد قبول بود و آنها ترجيح مي دادند تا از سيمان پرتلند، به جاي ساير مواد بايندر، استفاده كنند. براي مثال، در سال 1838، مهندس انگليسي به نام Isambar K. Brunel براي ساخت يك تونل در زير رودخانه ي تايمز در انگليس، سيمان پرتلند را نسبت به سيمان طبيعي ترجيح داد. بعدها، فنداسيون مجسمه ي آزادي در نيويورك با استفاده از سيمان پرتلندي ساخته شد كه از شركت Dyckerhoff آلمان وارد شده بود. اين سيمان هاي پرتلند وارداتي به اين دليل نسبت به سيمان هاي طبيعي موجود در آمريكا، ترجيح داده شد كه داراي خواص يكنواخت تر و منظم تري بود. در آن زمان، حمل سيمان با استفاده از بشكه، گران قيمت نبود زيرا اين بشكه ها براي ايجاد تعادل در كشتي مورد استفاده قرار مي گرفتند (شكل 3).
در ابتدا، هموژن سازي خوراك وارد شده به كوره با استفاده از فرايند تر انجام مي شد (شكل 4a). خوراكي كه بايد وارد كوره مي شد، با آب مخلوط مي شد. اين كار در داخل حوزچه هاي متلاطم انجام مي شود و با استفاده از اين كار، دوغابي از مواد اوليه تشكيل مي شد. اولين سري از حوزچه هاي مورد استفاده بوسيله ي شركت دوپانت و دمار در سال 1869 مورد استفاده قرار گرفت. دوغاب حاصله سپس به داخل يك حوزچه ي بزرگ وارد مي شد تا هموژن شود. در اين حوزچه، دوغاب به طور مداوم با استفاده از بازوهاي مكانيكي و خروج گاز از بخش زير حوزچه، به هم زده مي شد. تعداد اندكي از كارخانه هاي سيمان هنوز هم از روش تر استفاده مي كنند. براي كاهش ميزان آب مصرف شده براي توليد دوغاب، ضروري است كه از مواد پراكنده ساز (معمولا تركيبات سولفاته) استفاده شود. در واقع با استفاده از اين مواد، ميزان آب مصرف شده براي توليد دوغاب، كاهش مي يابد. بنابراين، مواد پراكنده ساز ميزان مصرف آب را تقريباً 28 تا 30 % كاهش مي دهد (شكل 4b).
پخت خوراك خام به آهستگي انجام مي شود اما نتايج آن قابل توجه است. در شروع كار، ابتدا كلينكر در كوره هاي عمودي پخت مي شد كه اين كوره ها شبيه كوره هاي آهك پزي (شكل 1 و 2). در سال 1924، Lafarge در يكي از كارخانه هايش، 42 كوره داشت. تعداد اين كوره ها در كارخانه ي Beffes اين شركت، 82 كوره بوده است.
اولين كوره ي دوار مشابه آن چيزي كه امروزه در كارخانه هاي سيمان مورد استفاده قرار مي گيرد، در سال 1895 در آمريكا ساخته شد. استفاده از كوره هاي دوار توانست تنها در 5 سال، ميزان توليد سيمان را 10 برابر كند. تكنولوژي اين كوره ها به سرعت در اروپا نيز گسترش يافت. 50 سال بعد، تكنولوژي پخت زياد تفاوتي نكرده است و تنها اندكي پيچيده تر شده است (شكل 7). هم اكنون، اين كوره ها به طور الكترونيك و كامپيوتري كنترل مي شود.
روش انتقال سيمان نيز در طي زمان تغيير كرده است. در ابتدا، سيمان در بشكه به فروش مي رسيد. يك بشكه سيمان از 170 كيلوگرم سيمان تشكيل شده بود. سيمان همچنين كيسه هاي كرباسي نيز به فروش مي رسيد. اين كيسه ها بعد از استفاده شدن سيمان داخلشان، به كارخانه بازگشت داده مي شدند (شكل 12). كمبود كيسه هاي كرباسي موجب شد تا آلمان ها مجبور شوند كيسه هاي كاغذي توليد كنند. در اين زمان، استفاده از كيسه هاي كاغذي در تمام جهان متداول شد (شكل 13 و 14). وزن متداول كيسه هاي سيمان برابر40 يا 50 كيلوگرم است اما هم اكنون سيمان در كيسه هاي 1 يا 2 تني نيز به فروش مي رسند.
در شكل 18، هزينه ي توليد سيمان پرتلند بوسيله ي كارهاي مختلفي كاهش يافته است. در اين شكل، اين مشاهده مي شود كه دو نوع هزينه ي مهم، هزينه هاي مالي و هزينه هاي مربوط به انرژي است. اين هزينه ها با هزينه هاي مربوط به دستمزدها و الكتريسيته نيز همراه است. هزينه ي مربوط به كاغذ مورد استفاده براي بسته بندي نيز دركشورهاي جهان سوم بالاست. علت اين مسئله اين است كه بيشتر سيمان توليد شده در داخل پاكت هاي كاغذي بسته بندي مي شود. به طور عكس، در كشورهايي مانند آمريكا و كانادا، هزينه هاي اين نوع از بسته بندي، كمتر از 5 % هزينه هاي كل توليد است.
شكل 19 به طور شماتيك چالش اقتصادي روبه رو با شركت هاي سيمان را نشان داده است. شركت هاي سيمان با چالش افزايش بهره وري، روبرو هستند: هزينه هاي توليد و بازاريابي بايد به حداقل رسيده و بدين وسيله، منفعت افزايش مي يابد.
فرايندهاي توليد
بعد از بررسي هاي تاريخي، ما به طور جزئي در مورد مراحل توليد سيمان پرتلند، صحبت مي كنيم. در كارخانه هاي مدرن، سيمان پرتلند در سه مرحله ي اصلي توليد مي شوند: اولين مرحله شامل آماده سازي خوراك مواد اوليه است. مرحله ي دوم، توليد كلينكر و مرحله ي سوم، آسياب كاري نهايي مخلوط كلينكر و كلسيم سولفات با استفاده از كمك آسياب كننده ها، است.آماده سازي خوراك مواد اوليه مي تواند به مراحل مختلفي تفكيك شود. استخراج مواد اوليه، آماده سازي، هموژن سازي مواد اوليه، آناليز آنها، تنظيم تركيب آنها و آسياب كاري مواد اوليه، پيش از ورود مواد اوليه به داخل كوره، از جمله ي اين مراحل مي باشند.
خوراك خام سپس تا دماي
1450 حرارت دهي مي شوند و كلينكر تشكيل مي شود. كلينكر با دماي 1450، سپس تا دماي 1350 كوئنچ مي شود تا كريستال هاي الايت (
) و بلايت (
) در شكل فعال خود، پايدار شوند. اين كلينكر سپس تا دماي 200 سرد مي شود. در طي اين فرايند سرد كردن، بيشتر حرارت از طريق سيستم هاي هوايي، بازگرداني مي شود و هواي گرم شده به داخل مشعل هاي كوره، وارد مي شود.كلينكر حاصله سپس در سيلوهاي يا اتاق هاي خاص، ذخيره سازي مي شود. در برخي موارد، اين كلينكر مي تواند در فضاي باز نيز ذخيره سازي شود. پس از آن، كلينكر با افزودن مقدار مناسبي كلسيم سولفات، آسياب مي شود و سيمان پرتلند يا سيمان مخلوط بدست مي آيد. سيمان توليدي در داخل سيلوها ذخيره سازي مي شوند و در زمان مناسب به مراكز مصرف منتقل مي شوند.
قبل از آزاد شدن اين گازها در اتمسفر، گازها تا دماي
200 سرد مي شود و از ميان سيستم غبار گير عبور داده مي شود. اين سيستم ها عموماً از بخش هاي رسوب دهنده ي الكترواستاتيك استفاده مي كنند. ذرات جمع آوري شده بوسيله ي سيستم غبار گير، معمولاً غبار كوره ي سيمان (CKD) ناميده مي شود. گازهاي تميز شده بوسيله ي دودكش به داخل اتمسفر وارد مي شود. اين گازها عموما از دي اكسيد كربن، مقدار بخار آب، اكسيدهاي نيتروژن، و دي اكسيد گوگرد تشكيل شده اند.توليد سيمان پرتلند نيازمند دو مرحله آسياب كاري است. آسياب كاري اوليه براي انجام واكنش هاي جامد/ جامدي كه در دماي
1450 رخ مي دهد، ضروري است و نتيجه، تشكيل الايت، بلايت و فازهاي بين شبكه اي است. آسياب كاري ثانويه براي فعال سازي كلينكر سيمان پرتلند مي باشد.بهبودهاي مكانيكي با استفاده از كنترل هاي از راه دور و اتوماسيون سيستم ها، صورت مي گيرد. كنترل كارهاي انجام شده در كارخانه هاي سيمان، با استفاده از كامپيوتر انجام مي شود (شكل 20). علارغم تلاش هاي فراوان در زمينه ي بهبود بازده كارخانه هاي سيمان مدرن از طريق اتوماسيون آنها، اين مسئله بايد تذكر داده شود كه هنوز هم برخي از كارخانجات سيمان به صورتي دستي كنترل مي شوند. اين كارخانجات نيروي كار فراواني را نيز نياز دارد. در ادامه، ما جزئيات دو نوع كوره ي سيمان را توصيف خواهيم كرد: يكي كوره اي كه با پيش گرم كن كار مي كند و ديگري كوره اي كه با پيش كلسينه كننده، كار مي كند.
هم اكنون، برخي از كارخانجات سيمان از روش تر استفاده مي كنند در حالي كه اين نوع كارخانه ها اكنون در حال تغيير و استفاده از روش هاي ديگر است. علت اين مسئله، هزينه هاي سوخت بالا و توليد مقادير قابل توجهي از دي اكسيد كربن است. در زماني كه راهي ديكر براي توليد كلينكر، وجود نداشته باشد، اين روش هنوز استفاده مي شود مخصوصا در جاهايي كه منابع خاك سفيد در زير سطح استايي آب وجود داشته باشند. بازده انرژي فرايند تر، از نقطه نظر هزينه ها، مي تواند با استفاده از سوخت هاي جايگزين، بهبود يابد.
انتخاب و آماده سازي مواد اوليه
ساخت كارخانه هاي مدرن سيمان موجب مي شوند تا بتوان توليد سيمان را به 1 ميليون تن در سال برسانيم. هزينه هاي ساخت اين كارخانه برابر با 200 ميليارد دلار مي شود. اين سرمايه گذاري در جايي مناسب است كه نتوان اين سرمايه گذاري را در جاهاي ديگر انجام داد. اين كارخانه ها بايد در مكان هايي ساخته شود كه منابع اوليه براي 50 سال وجود داشته باشند. همچنين بايد بازار محلي و يا بازار صادرات اين ماده فراهم باشد.به دليل اينكه قيمت سيمان پرتلند بسيار بالا نيست، حمل و نقل مواد اوليه در مسافت هاي زياد، مقرون به صرفه نمي باشد. به دليل اينكه درصد آهك در سيمان پرتلند، حدود 65 % است، يك كارخانه ي سيمان همواره در نزديكي منابع سنگ آهك ساخته مي شوند. سنگ آهك ها و منابع آهكي مورد استفاده، بايد داراي تركيب شيميايي ثابتي باشند و ميزان شيل يا رس آنها نيز بايد ثابت باشد. مواد اوليه ي مورد استفاده در توليد سيمان پرتلند، مي تواند همچنين از مارل هاي رسي يا سنگ آهك هاي ناخالص تشكيل شده باشند كه تركيب شيميايي آنها بايد با تركيب شيميايي سيمان پرتلند، هماهنگي داشته باشد. تركيب شيميايي مواد اوليه اغلب با افزودن مقادير اندك از افزودني ها تصحيح مي شود. اين افزودني ها، موجب جبران 4 اكسيد اصلي مي شوند. البته، بسته به فرايند مورد استفاده (تر يا خشك)، فرايند هموژنيزاسيون متفاوت است اما همواره اين فرايند ضروري است.
وقتي اين قطعي شد كه يك منبع 50 ساله از مواد اوليه در يك مكان وجود دارد كه تركيب شيميايي آن نيز ثابت است، اولين مسئله نحوه ي هموژن سازي ماده ي اوليه است. با هموژن سازي خوراك وارد شده به كوره، خواص كلينكر ثابت مي شود. البته به دليل اينكه مواد اوليه مواد طبيعي غير فراوري شده هستند، بايد اطمينان حاصل شود كه مواد اوليه ي وارد شده به كوره، يكنواخت باشند زيرا وقتي اين مواد اوليه وارد كوره مي شوند، ديگر نمي توان بر روي فرايند توليد، اثري گذاشت. يعني بعد از ورود مواد اوليه به داخل كوره، ميزان انعطاف پذيري فرايند (تغيير تركيب شيميايي و اصلاح آن) كاهش مي يابد. در حال حاضر، اتاق هاي پيش هموژن سازي به طور گسترده مورد استفاده قرار مي گيرد. هنوز هم اين يك آرزوست كه بتوان تركيب شيميايي خوراك خام را بر روي خط كنترل نمود.
مواد اوليه ي استخراج شده از معدن به سنگ شكن هاي بزرگ انتقال مي يابند. اين سنگ شكن ها موارد را خردايش كرده و اندازه ي ذرات را به اندازه اي بين 80 تا 50 ميلي متر تبديل مي كنند. مواد خردايش يافته در اين بخش، در لايه اي به ضخامت 150 ميلي متر، پشته مي شوند. وقتي پشته سازي به پايان مي رسد، مواد خردايش يافته به صورت عمودي و بوسيله ي بيل مكانيكي در جهت عمود بر جهت پشته سازي، برداشت شده و براي ساخت يك پشته ي ديگر مورد استفاده قرار مي گيرد (شكل 6a، b و c). در حقيقت، يگ اتاق هموژن سازي از دو پشته ي مواد اوليه تشكيل شده است كه يكي در حال ساخت و ديگري كه داراي تركيب شيمايي مناسب است، به واحد سايش ارسال مي شود. مواد اصلاح كننده ي مختلفي (مانند اكسيد آهن، آلومينا و سيليس) براي تنظيم تركيب شيميايي مواد موجود در اين بخش، نياز است.
بعد از آسياب كاري، خوراك مواد خام در يك سيلو ذخيره سازي مي شوند و پيش از ورود به كوره يا بخش هاي پيش گرم كننده، در اين سيلو بوسيله ي جريان هوا، هموژن سازي مي شود. استفاده از فرايند خشك نياز دارد تا مواد اوليه بعد از عبور از اتاق هاي هموژن سازي، در داخل سيلوهاي ويژه، هموژن سازي شوند
در مورد فرايند تر، مواد اوليه ي آسياب شده با آب مخلوط مي شوند و بعد در داخل يك آسياب گلوله اي، آسياب مي شوند. خوراك خام سپس به داخل حوزچه هاي بزرگ فرستاده مي شود و با ايجاد فرايند اختلاط مكانيكي، عمليات هموژن سازي بر روي دوغاب مواد اوليه، انجام مي شود. ما بعدها انواع مختلف سيستم هاي آسياب كاري را مورد بررسي قرار خواهيم داد.
ميزان اكسيدهاي مختلف كنترل مي شود تا بدين وسيله، تركيب شيميايي براي توليد كلينكر، مناسب شود. البته اين نكته بايد تذكر داده شود كه استفاده از ماكزيمم مقدار آهك مفيد مي باشد البته بايد توجه داشت كه ميزان آهك از حدي نگذرد كه موجب تشكيل آهك اضافي شود. معمولا، كلينكر بعد از پخت، شامل 1 % آهك اضافي است. ميزان اكسيد كلسيم با استفاده از فاكتور اشباع آهك (LSF) كنترل مي شود:
از نقطه نظر تجربي، مقدار بهينه ي LSF بايد بين 95/0 تا 97/0 باشد تا بدين صورت، درصد آهك آزاد موجود در كلينكر 1 % باشد. يك مقدار آهك اضافي كم (5/0 %) در كلينكرهايي ايجاد مي شود كه بيش از حد پخت شده اند. در حالي كه ميزان آهك اضافي زيادتر (2 تا 3 %)، در كلينكرهايي ايجاد مي شود كه به درستي پخته نشده اند (اين بدين معناست كه كلينكر به خوبي فعال نشده است). با توجه به كارهاي انجام شده بوسيله ي Pliskin در سال 1993، سيمان پرتلند نوع 1 معمولا داراي LSF بين 90/0 تا 95/0 هستند.
مدول براي سيمان هاي پرتلند خاكستري معمولاً بين 2 تا 3 و براي سيمان پرتلند سفيد بين 4 تا 7 است. اين مدول به صورت زير تعريف مي شود:
براي ايجاد مقدار كافي از فاز مايع در حين كلينكرسازي، بايد شرايط تشكيل
فراهم شود.مدول آلومينو- فريت با توجه به نوع سيمان توليد شده، تغيير مي كند. اين مدول به صورت زير تعريف مي شود:
اين مدول حرارت هيدراسيون و مقاومت به مواد سولفاته را نيز تعيين مي كند. اين نسبت بسيار مهم مي باشد زيرا اين نسبت ويسكوزيته ي فاز بين شبكه اي را تعيين مي كند. اگر مدول AF كمتر از 64/0 باشد،
نمي تواند تشكيل شود و كلينكر توليد شده با آن، داراي حرارت هيدراسيون بسيار پاييني است و همچنين مقاومت آن در برابر مواد سولفاته نيز بالاست. در كلينكر نوع 10، مدول AF بين 8/1 تا 8/2 است اما اين مدول در برخي موارد، نبايد از 3/1 كمتر و از 4 بالاتر باشد.استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.
/ج
