ایده هاایده های صنعتی

طرح توجیهی و فرآیند تولید سیمان

سفارش طرح توجیهی

معرفی سیمان

بیش از 165 سال از شروع مصرف انبوه سیمان پرتلند میگذرد و هم اکنون بصورت یکی از مهمترین مصالح ساختمانی درآمده است. تولید و مصرف جهانی این فرآورده در سال 1986 از مرز یک میلیارد تن گذشت و در سال 2006 رقم 2 میلیارد تن را پشت سر خواهد گذاشت. این ارقام به مفهوم اینست که سیمان به عنوان یک کالای صنعتی بالاترین رقم تولید را در میان تمام کالاهای صنعتی دیگر دار است و جالب اینکه سیمان اولین کالای صنعتی استاندارد شده آن هم در 126 سال پیش است.

در تعریف سیمان گفته شد که کلمه سیمان یعنی چسب و منظور از سیمان در مصالح ساختمانی چسبی است که در اثر ترکیب با آب قادر به چسباندن ذرات شن و ماسه (سنگدانه) است و پس از سفت و سخت شدن، در آب حل نمیشود. به همین خاطر به این سیمان، سیمان هیدرولیک گفته میشود و اساساً از اکسید کلسیم تشکیل شده است و این اکسید با اکسیدهای سلیسم، آلومینیوم و آهن ترکیب میشود و ترکیبات مینرالی یا فازهایی با خاصیت سیمانی را به وجود می آورد.

آشنایی بشر با ملاتها یا مصالحی که خاصیت هیدرولیکی (میل ترکیبی با آب) دارند، یا به عبارت دیگر ملاتهای آبی که پس از سخت شدن در آب حل نمیشوند، سابقه چند هزار ساله دارد، اما از حدود 210 سال پیش بود که بررسی های علمی و سیستماتیک روی اینگونه ملاتها و عوامل اصلی سیمانی بودن آنها شروع شد.

در ابتدای کار از کوره هایی مشابه کوره های آهک پزی برای تولید سیمان استفاده میشد و به دلیل استقبال زیاد از این کالای معجزه گر، در اواخر قرن نوزدهم کوره های دوار ابداع شد و هم اکنون تکنولوژی به حدی است که با حداقل ممکن انرژی مصرفی و نیروی انسانی کوره هایی با ظرفیت 10000 تن در روز عرضه می شود.

مطالب پیشنهادی: طرح توجیهی تولید و فرآوری سیمان سفید پرتلند

33510d34 e18e 40d9 aaae f7232c9b41f1 300x250 - طرح توجیهی و فرآیند تولید سیمان

طرح توجیهی و فرآیند تولید سیمان

بررسی مواد اولیه برای تولید سیمان

مواد اصلی به منظور تولید سیمان عبارتند از سنگ آهک و خاک رس (سیلس و آلومین) که در طبیعت به وفور یافت می شوند ولی به شکلی نیستند که بتوان مستقیماٌ در تولید سیمان از آنها استفاده نمود. سنگهای آهکی بیش از 75 درصد CaCO3 و سنگهای آهکی همراه با خاک رس بین 75 -40 درصد CaCO3 و خاک- های آهکی کمتر از40 درصد CaCO3 دارند و از مخلوط این مواد میتوان مخلوط لازم را برای تهیه سیمان به دست آورد.

  • آهک زنده یا اکسید کلسیم (CaO)

    آهک از مهمترین و اصلی ترین مواد مورد استفاده در ساخت سیمان است، اکسید کلسیم از پختن سنگ آهک یا کربنات کلسیم در حرارت حدود هزار درجه سانتیگراد به دست میآید. این عمل به طور جداگانه صورت نمی گیرد، بلکه در فرآیند تولید سیمان و در موقع حرارت دادن پودر مخلوط آهک و خاک رس ابتدا ذرات آهک (کربنات کلسیم) در حرارت حدود 1000 درجه سانتیگراد پخته شده و تبدیل به اکسید کلسیم و یا آهک زنده میشود. در این گرما آب شیمیایی خاک رس نیز از آن جدا میشود. در درجه حرارت بیشتر از 1000 درجه سانتیگراد، اکسید کلسیم (آهک زنده) با اکسیدهای سیلسیم، آلومینیوم و آهن ترکیب شده و فازهای سیمان تشکیل میشوند.

  • سیلیس (SiO2)

    این ماده که در اغلب سنگهای طبیعی یافت میشود یکی از مواد اصلی در ساخت سیمان پرتلند است. وقتی سیلیس حرارت داده میشود در ساختمان کریستالی آن یک سری تغییرات به وجود میآید. در کوره سیمان در حدود 1400 درجه سانتیگراد سیلیس با آهک ترکیب میشود و دو کلسیم و سه کلسیم سیلیکات تشکیل میشود. خاک رس معمولی دارای مقادیر زیادی سیلیس است. میزان سیلیس مورد نیاز 17 تا 26 درصد وزن سیمان است و چنانچه نتوان این مقادیر را با استفاده از خاک رس معمولی فراهم نمود، میتوان آن را با استفاده از سایر منابع تامین کرد.

  • آلومینا (Al2O3)

    آلومینا، همان اکسید آلومینیوم خالص است که مقادیر زیادی از آن در خاک رس وجود دارد. خالصترین نوع خاک رس، کائولینیت است که در آن آلومینا حدود 40 درصد وزن مولکولی کل این ماده را دارد. آلومینا در سیمان اثر کمک ذوب و در هنگام پخت سیمان، درجه حرارت پخت مواد خام را کاهش میدهد. از نظر شیمی سیمان، در اثر حرارت داخل کوره دوار، با آهک ترکیب شده و تشکیل سه کلسیم آلومینات را میدهد. وجود این اکسید مرکب در داخل سیمان تولیدی، باعث میشود سیمان زودگیرتر شود و در هنگام ترکیب سیمان با آب حرارت بیشتری ایجاد گردد. ملات سیمانی که اکسید سه کلسیم آلومینات کمتر از 5 درصد باشد، در برابر آب دریا و سایر آب های سولفاتدار مقاوم است و تخریب نمیشود.

  • اکسید آهن (Fe2O3)

    اکسید فریک نیز همانند آلومینا در پخت سیمان نقش کمک ذوب را دارد و باعث کاهش درجه حرارت پخت مواد خام در داخل کوره میشود. این اکسید در داخل کوره و در هنگام پخت، به همراه آلومینا با آهک ترکیب شده و تشکیل اکسید مرکب چهار کلسیم آلومینو فریت را میدهد. اکسید آهن زیاد گیرش سیمان را کندتر و رنگ سیمان را نیزه تیره میکند، به همین دلیل برای ساخت سیمان سفید از این اکسید استفاده نمیشود. اکسید آهن جزء اصلی تشکیل دهنده اغلب سنگ آهنها است، از این رو، اکسید فریک کم و بیش در اغلب کانیها خصوصاٌ خاک رس، و در اغلب مواد اولیه ساخت سیمان به طور اجتباب ناپذیر وجود دارد. در سیمان پرتلند تولیدی نیز اکسید مرکب آن به وجود میآید که رنگ سیمان را تیره میکند. سیمان سفید فاقد اکسید آهن است. به علاوه تولید سیمان فاقد اکسید آهن (سیمان سفید) مشکلاتی را به وجود آورده و هزینه تولید افزایش مییابد.

  • اکسید منیزیم(MgO)

    این اکسید در فرآیند پخت، نقش کمک ذوب را ایفا مینماید و نباید از مقدار معینی (5 درصد) بیشتر باشد، زیرا با سایرترکیبات سیمان ترکیب و وارد فازهای سیمانی نمیشود و آزاد در سیمان باقی میماند. نظر به اینکه MgO پس از گرفتن ملات سیمان خیلی به کندی با آب ترکیب گشته و شکفته میشود و این شکفتگی منجر به انبساط حجمی میگردد. در نتیجه ترکهای موئی در ملات سیمان و بتن ایجاد میشود که در طول زمان باعث تخریب آنها میگردد. از این رو MgO در سیمان نباید بیشتر از 5 %وزنی آن باشد. شایان ذکر است که کلینکرسیمان یک ماده هیدرولیکی است که حداقل دوسوم آن از کلسیم سیلیکات C2S یا C3S وبقیه شامل C3aو C4AFو سایر ترکیبات میباشد. ضمناً نسبت CaO به SiO2 باید حداقل 2 باشد.

  • قلیائی ها

    سدیم و پتاسیم درسیمان نقش روانساز دارند، اگر مقدار آنها در سیمان زیاد باشد، تنظیم گیرش مختل میگردد، بدین جهت مجموع این دو عنصر نباید از 1 درصد وزن آن بیشتر گردد. مقدار کلر در کلیه سیمانها به جهت نقش تخریبی آن در بتن، بایستی کمتر از 10/0 درصد وزنی آنها باشد. مقدار قابل قبول انیدارید سولفوریک (SO3)درسیمان پرتلند و در سیمانهای روبارهای و پوزولانی بستگی به میزان سطح مخصوص (بلین) آنها دارد. اگر سطح مخصوص آنها بین 2000 الی 4000 سانتیمتر مربع بر گرم باشد 5/3 درصد وزنی سیمان است و اگر چنانچه سطح ویژه سیمانها بیش از4000 سانتیمتر مربع گردد، چهار درصد وزنی سیمان است. ضمناٌ خاطر نشان میگردد که سنگ آهن (Fe2O3) به عنوان کمک ذوب به مواد اولیه افزوده می گردد.

بررسی مشخصات شیمیایی و فیزیکی سیمان

همانطور که قبلاً گفته شد سیمان پودری است جاذب آب و چسباننده خرده سنگ (شن و ماسه) که از ترکیب و پختن و گداختن اکسید کلسیم با کسیدهائی نظیر اکسید آلومینیوم، سیلسیم، آهن، منیزیم و … بدست میآید. با توجه به این تعریف و با توجه به انتظارتی که از جنبه فیزیکی و کاربردی از سیمان و بتن حاصله مورد نیاز است، ایجاب میگردد که انواع و اقسام سیمانها با خصوصیات کاربردی متفاوت ساخته شود. به عنوان مثال سیمان نوع یک یا سیمان معمولی دارای کاربرد در ساختمان سازی معمولی است.

در ساختمان سدهای عظیم واسکله ها که هر آن مورد تهاجم املاح موجود در آب میباشند، مصرف این نوع سیمان مصلحت نیست و از این رو از سیمان مخصوص یا سیمان دارای مقاومت شیمیایی بالا استفاده میشود. این سیمان علاوه بر دارا بودن مشخصات عمومی سیمانها دارای مشخصه مقاومت شیمیایی در مقابل سولفاتها و مواد قلیائی موجود در آب و خاک نیز می باشد. با ذکر مجدد این که انواع گوناگون سیمان وجود دارد، به نوعی دیگر که به نام سیمان چاه نفت معروف است و مورد کاربرد در حفاری چاههای نفت دارد، اشاره میشود.

این سیمان علاوه بر دارا بودن مشخصه های عمومی سیمانها و مقاومت لازم در مقابل سولفاتها و قلیائیها دارای خصوصیات لازم جهت کاربرد در اعماق زمین که درجه حرارت و فشار بیش از حد متعارف است نیز میباشد. خوشبختانه با توجه به قدمت هقتاد و پنج ساله صنعت سیمان در ایران، هم اکنون کارخانجات سیمان ایران دارای قابلیت و تجربه لازم برای ساخت انواع سیمانها هستند.

اجزاء اصلی تشکیل دهنده ترکیب سیمان عبارتند از اکسید کلسیم، اکسید سیلسیم، اکسید آلومینیوم، اکسید آهن همچنین، اکسید منیزیم، اکسید پتاسیم و اکسید سدیم نیز در سیمان وجود دارند که مجموعاٌ درصد وزنی این اکسیدهای فرعی کمتر از 5 درصد است. به خاطر وجود درجه حرارت بالا در منطقه پخت کوره، بخشی از این مواد به صورت مذاب در میآیند و درنتیجه در چنین محیطی اکسیدهای مذکور با یکدیگر ترکیب میگردند و ترکیبات چند تائی (چند اکسیدی) که موسوم به مینرال یا فازهای سیمان هستند پدید میآید. البته آنچه که از کوره خارج میشود جسم تیره رنگ دانه دانه ایست که موسوم به کیلنکر میباشد و اجزاء مینرال تشکیل دهنده آن عبارتند از:

  1. سه کلسم سیلیکات 3CaO.SiO2 یا آلیت
  2. دو کلسیم سیلیکات 3CaO.SiO2 یا بلیت
  3. سه کلسیم آلومینات 3Al2O3. CaO یا آلومینات
  4. چهار کلسیم آلومینو فریت 4CaO.Al2O3.Fe2O3 یا فریت

همراه با مینرالهای اصلی فوق ترکیبات دیگری نظیر TiO2 و MgO و Na2O و K2O برخی اکسیدهای دیگر به مقدار جزئی وجود دارند که به صورت محلول جامد در شبکه کریستالی مینرالها (فازهای) فوق جای گرفتهاند. خواص سیمان ناشی از ترکیب خواص اجزاء تشکیل دهنده آنست، ولی عمده خواص آن مربوط به ترکیب موسوم به آلیت یا سه کلسیم سیلیکات میباشد. وجود ترکیباتی نظیر قلیائیها، آهک ترکیب نشده، اکسید منیزیم و امثال آن، غالباٌ منشا اثرات منفی روی خواص سیمان هستند.

از جهتی وجود اینگونه ترکیبات باعث میشود که نقطه ذوب و پخت مواد خام سیمان پائین بیاید ودر نتیجه عمل پختن با سهولت بیشتری صورت گیرد. از جهت دیگر، اینگونه ترکیبات دارای میل ترکیبی زیاد با آب می باشند و افزایش حجم پیدا میکنند. بهمین خاطر وجود آنها باعث پائین آمدن مقاومت شیمیائی سیمان میگردد. در سطور بعد برخی خواص فازهای سیمان ذکر این نکته لازم است که به خاطر اختصار و سهولت بیان و نوشتن، اکسیدها و فازهای تشکیل دهنده سیمان را بصورت زیر نمایش میدهند.

CaO = C, SiO2 = S, Al2O3 = A, Fe2O3 = Fe

ترکیبات اصلی سیمان پرتلند شامل: سه کلسیم سیلیکات C3S ، دو کلسیم سلیکات C 2S ، سه کلسیم آلومینات C3A ، چهار کلسیم آلومینوفریت C 4AF می باشد.

فازهای موجود در سیمان

  • آلیت: (C3S)

    معمولاٌ این ترکیب بصورت خالص در کلینکر وجود ندارد و اغلب همراه با ناخالصی متشکل از اکسیدهایی نظیر TiO2، Al2O3 ،MgO3 ،Fe2O3 می باشند که درصد آنها در فاز آلیت جمعاٌ حدود 2 درصد است. مقادیر هر یک از این اکسیدها در فاز آلیت بستگی به ترکیب کلینکر، درجه حرارت پخت و نحوه سرد کردن کلینکر دارد. وجود این اکسیدها باعث تغییر خواص آلیت میگردد و معمولاٌ مقاومت فشاری آن را بالا میبرند.

    در پایینتر از حرارت 1250 درجه سانتیگراد، ممکن است سه کلسیم سیلیکات به آهک و دو کلسیم سیلیکات تجزیه شود. این اتفاق در صورتی پیش میآید که عمل سرد کردن به آهستگی صورت گیرد. خصوصاٌ در شرایط احیاء کننده و وجود Fe +2 تجزیه فوق سریعتر صورت میگیرد. چه از نظر مقدار (درصد تشکیل دهنده) و چه از نظر تاثیر روی خواص سیمان، فاز آلیت دارای بیشترین سهم میباشد. خصوصاٌ اثر بارز این ترکیب تاثیر روی مقاومت سیمان است. برای بوجود آمدن این ترکیب بایستی حالت گداختی Sintering در منطقه پخت ایجاد شود.

  • بلیت (C2S) :

    بلیت خالص در کلینکر سیمان یافت نمیشود و همراه با مقادیری از سایر اکسیدها میباشد. این ترکیب در ضمن پختن کلینکر و در حالت جامد تشکیل میگردد. در مواقعی که ضریب اشباع آهک (LSF)بالاست، مقادیر خیلی کمی از این ترکیب در کلینکر وجود خواهد داشت. گسترش و افزایش مقاومت بلیت آهسته است، اما در درازمدت تقریباٌ به مقاومت آلیت میرسد. کریستالی میدهد و از فرم بتا به فرم گاما تغییر شکل میدهد. در ابتدا بلیت بتا در مقایسه با نوع گاما پایدارتر است تغییر شکل کریستالی گاما به مقدار زیادی در کلینکر وجود دارد و نوع گاما دارای خاصیت هیدرولیکی نمیباشد.

    این تغییر شکل همراه با 10 درصد افزایش حجمی کلینکر است. این از هم گسیختگی سریع کلینکر به نام افت کلینکر (Falling) موسوم است. از این تبدیل و افت کیفیت کلینکر میتوان با اضافه کردن یونهای خارجی و یا تسریع در سرد کردن کلینکر جلوگیری کرد. در حال حاضر با توجه به تکنولوژی موجود در صنعت سیمان عملاً مشکل افت کلینکر حذف شده است.

  • فاز آلومینات (C3A) :

    فاز آلومینات نیز مشابه دو فاز دیگر به همراه عناصر خارجی میباشد. در این فاز، اکسیدهای سدیم و پتاسیم قادرند تا حد 5 درصد وزنی جای گیرند. خاصیت ترکیبی فاز آلومینات بسیار بالا میباشد و با حضور اکسیدهای قلیایی این میل ترکیبی شدیدتر می شود. بدلیل میل ترکیبی شدید فاز آلومینات با آب و برای جلوگیری از گیرش سریع سیمان، مقداری سنگ گچ (سولفات کلسیم) بعنوان عامل بازدارنده و کند کننده گیرش به سیمان افزوده میشود. گرمای هیدراتاسیون فاز آلومینات بسیار بالا میباشد و وجود آن در سیمان به همراه آلیت و بلیت باعث افزایش مقاومت اولیه کلینکر میگردد. ولی خود به تنهایی دارای خواص هیدرولیکی چندانی نمی باشد و روی مقاومت نهائی تاثیر چندانی ندارد.

  • فاز فریت (C4AF) :

    فاز فریت دارای ترکیب مشخصی نمی باشد و ترکیب آن بستگی به مقدار آلومینیم و آهن موجود در کلینکر دارد. این فاز در محدوده بین C2A و C2F قرار دارد و می تواند شامل هر یک از ترکیبات C6AF و C4AF و C6A2F باشد. حدوداً ترکیب فاز فریت در کلینکر سیمان پرتلند نزدیک به C6AF است. در این فاز اکسید عناصر دیگر نیز وجود دارد و رنگ سیمان وابسته به این فاز و مقدار آن می باشد. C2(AF) خالص دارای رنگ قهوه ای، C2(AF) به همراه MgO دارای رنگ خاکستری سیر یا سبز میباشد. این فاز میل ترکیبی کمی دارد و نقش هیدرولیکی چندانی در سیمان ندارد.

    ترکیبات فرعی این ترکیبات شامل انواعی از اکسیدها نظیر قلیائیها، اکسید منیزیم، سولفاتها و امثال آن می باشد. قلیائیها از جمله ترکیبات فراوان و پراکنده در طبیعت میباشد. و لذا از طریق مواد خام وارد فازهای کلینکر می گردند. در ضمن عمل پخت، مقدار قابل توجهی از قلیائی ها از سیستم پخت خارج میشوند. درصد قلیائیها در سیمان در فاصلِه 5/0 تا 3/1 درصد است که در سیمانهای دارای قلیائی پایین مقدار قلیائی کل بر مبنای معادل اکسید سدیم باید کمتر از 6/0 درصد باشد. اکسید سدیم به صورت محلول جامد و به مقدار حدود 3/0 درصد وارد شبکه کریستالی C3S میشوند.

    همچنین K2O و MgO و CaO Free (آهک آزاد) نیز همانند Na2O وارد شبکه کریستالی C3S و C2S می شوند. سولفاتها از طریق مواد اولیه (خاک رس) و سوخت وارد فازهای کلینکر میگردند. ترکیبات گوگرد ممکن است به صورت سولفات قلیائی و یا ترکیبات نظیر 3(CaO.Al2O3).CaSO4 ویا 2(CaO.SiO2)2.CaSO4 در فازهای کلینکر و به صورت محلول جامد وجود داشته باشند. یونهای سولفات بر خلاف یونهای فسفات باعث تجزیه C3S نمی شوند، ولی وجود سولفات به همراه آلومینا باعث تجزیه C3S بتا می شود. وجود MgO در سیمان باعث خنثی کردن اثر آلومینا و سولفات روی تجزیه C3S می گردد.

    اکسید تیتان به مقدار جزئی (2/0 تا 3/0 درصد) در تمام سیمانهای پرتلند وجود دارد. در سیمان آلومینائی مقدار آن بالاتر است (5/1 تا 2 درصد). وجود مقادیر کم این اکسید باعث افزایش مقاومت سیمان میشود و مقادیر بالای آن ( در حد5/4 درصد) باعث افت مقاومت فشاری می گردد. اکسید تیتان در کلینکر سرد شده سیمان پرتلند به صورت C3T2 وجود دارد.

    در حدود 2/0 درصد پنتا کسید فسفر P2O5 در سیمانهای پرتلند وجود دارد. وجود اکسید فسفر در سیمان باعث تجزیه C3S و تولید C2S و آهک آزاد می گردد. از این رو مقادیر بالای پنتاکسید فسفر (در حدود 5/2 درصد)، باعث افت مقاومت سیمان خواهد شد. کریستالهای ریز و پراکنده پریکلاز دارای اثر تخریبی کمتری هستند. در صورتیکه دانه های کریستال پریکلاز درشت باشد و یا اینکه به صورت مجتمع در گودالهایی جمع شده باشند، دارای اثر تخریبی (انبساط حجمی) بیشتری در مقایسه با مقدار (وزنی) مشابه کریستالهای ریز و پراکنده می باشد.

    نکته فوق در مورد آهک آزاد نیز صادق است. انبساط حجمی آهک آزاد ناشی از آهسته شکفته شدن آن است که همان ترکیب آهک با آب تشکیل هیدروکسیبد کلسیم می باشد. این ترکیب دارای حجمی معادل ده برابر آهک تشکیل دهنده آن است. بطور مشابه انبساط حجمی منیزی نیز ناشی از ترکیب آن با آب میباشد. فعل و انفعال شکفته شدن آهک آزاد و منیزی در سیمان معرف ناسالم بودن و معیوب بودن سیمان (میزان انبساط ملات یا بتن) است که اصطلاحاٌ بدان (Unsoundness)میگویند.

    غالباً کلینکر سیمان حاوی آهک آزاد و یا CaO ترکیب نشده می باشد. وجود آهک آزاد می تواند به علت وجودیکی از عوامل زیر باشد:

    1. آماده سازی خوب انجام نشده باشد(مواد یا زبر است یا اینکه خوب همگن نشده است)
    2. سرعت سرد کردن در خنک کن کوره پایین باشد در نتیجه مقداری از C3S به C2S تجزیه شده باشد.
    3. درصد آهک (تیتراسیون) بالا باشد (LSF بالای 100 باشد)
    4. مواد خوب پخته نشده و آهک فرصت ترکیب با سایر اکسیدها را نداشته است.

    وجود آهک آزاد در سیمان مطلوب نیست و مقدار آن بایستی کمتر از 5/2 درصد باشد. حضور آن باعث انبساط حجمی بتن و ملات میشود. همچنین در کلینکر ترکیب MgO) اکسید منیزیم – پریکلاز) نیز وجود دارد. این ترکیب معمولاٌ به صورت محلول جامد وارد شبکه کریستالی سایر فازها می شود. درصد مجاز MgO در کلینکر کمتر از 5 %درصد است و بالاتر از این ارقام، مترادف با ناسالم بودن سیمان است. نسبت اکسید منیزیم ترکیب شده با سایر فازها، به اکسید منیزیم حل شده بستگی به ترکیب شیمیایی کلینکر دارد. وجود پریکلاز در سیمان باعث ناسالم بودن سیمان و انبساط حجمی ملات و بتن میگردد.

  • سنگ گچ

    بطوریکه بیان گردید یکی از مینرالهای موجود در کلینکر سیمان، فاز سه کلسیم آلومینات (C3A)است. این فاز دارای میل ترکیبی شدیدی با آب و آهک هیدراته میباشد. بدین صورت:

    3CaO.Al2O3+ 6H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O 3CaO.Al2O3+ Ca(OH)2+ 12H2O → 4CaO.Al2O3.13H2O

    آهک هیدارته از هیدراته شدن کلسیم سیلیکاتهای موجود در کلینکر (آلیت وبلیت)، حاصل میشود. بطوریکه ملاحظه می گردد هیدراته شدن سریع C3A به معنی جذب مقدار زیادی آب در فاصله زمانی کم است که نتیجه این جذب سریع سیمان و سفت شدن آن میباشد و در نتیجه در کارهای بتنی و ساختمان فرصت لازم برای کار با ملات یابتن وجود نخواهد داشت.

    عمده ترین دلیل افزودن گچ خام به کلینکر سیمان، کنترل گیرش سیمان یا در حقیقت کنترل سرعت هیدراته شدن آلومینات موجود در سیمان می باشد. بعبارت دیگر گچ خام نقش به تاخیر انداختن گیرش را بازی می کند. علت آن هم اینست که فاز آلومینات دارای میل ترکیبی با گچ خام است و در حضور گچ خام فعل و انفعال هیدراته به این صورت است.

    3CaO.Al2O3+(CaSO4.2H2O)+26H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O کریستال حاصله در فرمول فوق به نام سه سولفات یا اترینجیت (trisulfate-Ettringite)موسوم است. اولاً این کریستال دارای حجمی معادل8 برابر حجم آلومینات اولیه است، ثانیاٌ کریستالهای آن در مقایسه با کریستالهای آلومنیات، بسیار ریزتر و پراکندهتر میباشند، ثالثاٌ این کریستال نو ظهور به صورت قشر نازکی روی سایر ذرات موجود در سیمان را می پوشاند و برای چند ساعت اولیه عمل هیدراتاسیون، مانع از رسیدن سریع آب به سایر ذرات میشود، در نتیجه از سفت شدن سیمان جلوگیری میگردد.

    پس از مراحل فوق کریستالهای اترینجیت به صورت سوزنی شکل ( رشته ای) شروع به رشد می نماید. در نتیجه از حالت غشاء (پوشش ذرات دیگر سیمان) بیرون می آید و آب محصور شده در فاصله بین این غشاء و سایر ذرات سیمان، فرصت تماس با سایر ذرات و ترکیب با آنها و در نتیجه هیدراته کردن سایر ذرات را پیدا می کند. از این مرحله به بعد است که گیرش سیمان شروع می شود با گذشت زمان کریستالهای سه سولفات نیز به کریستالهای یک سولفات تبدیل می گردند.

    مقدار سولفاتی (گچ خام) که میبایستی به سیمان افزوده شود، باید آنچنان باشد که جوابگوی مصرف واکنش مذکور باشد. افزودن مقدار اضافی سولفات دارای عوارض سوئی است که از جمله آنها انبساط حجمی بیش از حد مجاز بتن و ملات سیمان میباشد. از این روست که در استانداردهای مختلف مقدار گچ مصرفی متناسب با C3A موجود در سیمان است. معمولاً درصد گچی که همراه با کلینکر در آسیاب سیمان مصرف میشود بین3 تا 5 درصد است.

بررسی روش های تولید سیمان

براساس طبقه بندی بین اللمللی، صنعت سیمان جزء گروه صنایع کانی غیر فلزی محسوب میشود. اصولاٌ سه روش برای تولید سیمان وجود دارد:

  1. روش تر
  2. روش نیمه تر
  3. روش خشک

نوع این روشها بستگی به مواد خام ورودی به کوره از نظر غلظت و میزان آب اضافه شده به آنها دارد. مهمترین و پرکاربردترین روش تولید سیمان در جهان روش خشک است. سیستم پخت اکثر کارخانه های سیمان کشور ما نیز براین روش استوار است. در فرآیند نخست (تر) مواد خام بطور مرطوب و به حالت دوغاب بداخل کوره تغذیه می گردد. در فرآیند تولید سیمان به صورت خشک، موادخام خشک، آسیاب شده و به صورت پودر خشک به درون کوره تغذیه می شود. در فرآیند نیمه ترمواد خام ابتدا به صورت خشک آسیاب شده و سپس گرانول حاصل به درون کوره تغذیه می شود.

خط تولید سیمان از معدن شروع و به بارگیرخانه و بسته بندی سیمان خاتمه می یابد. در تولید سیمان به روش نخست مواد خام و اولیه نظیر سنگ آهک، خاک رس، مارل (خاک آهک دار)، سنگ گچ، سنگ آهن و سنگ سیلیس از معادن استخراج میگردند. در استخراج موادی نظیر سنگ آهک، سنگ آهن و سنگ گچ ممکن است نیاز به چالزنی و ایجاد انفجار بوسیله دینامیت و مواد منفجره باشد. موادی نظیر خاک رس و مارل ( خاک آهک دار) نیاز به چالزنی و انفجار ندارد و صرفاً از بولدوزرها و یا دستگاههای مشابه جهت دپو کردن مواد استفاده می شود.

روشهای مختلفی برای تولید سیمان های مختلف وجود دارد. تکنولوژی مورد استفاده برای تولید سیمان به مرور دستخوش تحول و پیشرفت بوده است. هم اکنون صنعت سیمان با برخورداری از آخرین تکنیکهای روز ، با استفاده از روش خشک و به کمک سیستم های اتوماتیک، شاهد پیشرفتهای شگرف در طول تاریخ 160 ساله تولید صنعتی خود می باشد.

چهار مرحله اصلی در تولید سیمان وجود دارد (روش خشک):

  1. خرد کردن و آسیاب کردن مواد خام
  2. ترکیب مواد به نسبت مناسب
  3. پخت مخلوط تهیه شده در کوره (سیستم پخت)
  4. آسیاب کردن (نرم کردن) محصول پخته شده که به “کلینکر” معروف است

طرح توجیهی و فرآیند تولید سیمان

شرح فرآیند تولید سیمان

  1. مواد اولیه

    مواد اولیه مورد استفاده در صنعت سیمان معمولاٌ سنگ آهک و خاک رس است که پس از استخراج بوسیله کامیون (یا در مواردی بوسیله واگن، کشتی، نوار نقاله و…) به محل کارخانه و به قسمت سنگ شکن حمل می شوند. خاک و سنگ آهک بصورت جداگانه از خرد کن عبور کرده و خرد میگردد. در سنگ شکن که مخصوص خرد کردن سنگهای تا ابعاد دو متر می باشد، سنگ خرد شده و بسته به نوع سنگ شکن و آسیاب مواد ابعاد آن به کمتر از 8 سانتیمتر تقلیل مییابد. در مواردی سنگ آهک بصورت قلوه سنگ همراه با خاک میباشد که باین مخلوط طبیعی آلوویوم یا مارل می گویند.

    در این مورد نیز لازم است که مواد از سنگ شکن عبور نماید. سالن مواد پس از خرد شدن سنگ آهک و آماده شدن خاک، این دو در یک سالن با یکدیگر مخلوط میشوند و یا در دو سالن جداگانه ریخته میشوند و سپس به نسبت لازم قبل از ورود به آسیاب مواد با یکدیگر مخلوط میگردند. ممکن است به مخلوط حاصله مواد اولیه دیگری نظیر سنگ آهن به منظور کمک ذوب یا سنگ سیلیس جهت تصحیح و تنظیم ترکیب شیمیائی مواد برای ساخت سیمان ضد سولفات اضافه شود که این عمل میتواند هم در سالن مواد صورت گیرد و هم اینکه مواد اولیه اصلی در قیف ها و سیستم توزین وارد آسیاب مواد شوند.

  2. آسیاب مواد

    آسیاب مواد انواع مختلفی دارد و در خط تولید مورد بحث از نوع گلوله ای می باشد. اصولاٌ در آسیاب مواد، مواد اولیه خرد شده به نسبتهای لازم وارد آسیاب میشوند و سپس بصورت پودر، با رطوبت کمتر از موقع ورود، از آسیاب خارج میگردند. آنچه که از آسیاب مواد خارج میشود بنام مواد خام یا خوراک کوره نیز موسوم است. آسیاب مواد مجهز به کوره هوای گرم برای گرفتن رطوبت مواد می باشد، غالباً از گازهای گرم خروجی از کوره برای این منظور استفاده می شود. این کوره برای مواردی است که کوره اصلی متوقف می باشد.

  3. غبارگیر

    بمنظور خشک کردن و جابجائی مواد در آسیاب مواد از گازهای خروجی از کوره استفاده می شود. این گازها پس از جابجایی مواد از آسیاب وارد الکترو فیلتر شده و ذرات مواد وگرد و غبار از آن جدا می گردد و سپس از طریق دود کش به خارج (محیط اطراف) فرستاده میشود.

  4. سیلوهای ذخیره مواد

    مواد پودر شده پس از خروج از آسیاب، وارد سیلوهای مخلوط کن و ذخیره سازی می شود و پس از نمونه گیری و آزمایشات لازمه توسط آزمایشگاه و اطمینان از تنظیم بودن و متناسب بودن ترکیب مواد خام، به سیلوهای ذخیره خوراک فرستاده می شود. در این قسمت مواد ذخیره شده آماده مصرف در کوره می باشد.

  5. کوره و پیش گرمکن

    مواد خام از قسمت بالای پیش گرم کن وارد سیستم پخت می شود و پس از عبور از پیش گرم کن و کلساینر وارد کوره دوار می گردد. مواد خام در پیش گرم کن به مرور ( در فاصله حدود50 ثانیه) خشک، گرم و کلسینه می شود. پیش گرم کن دارای دو برج است که در یکی از آنها کلساینر دارد.

    مواد پس از تکلیس وارد کوره شده و نهایتاً بصورت دانه های کلینکر از کوره خارج می گردد. سیستم پخت متکشل از پیش گرمکن، کلساینر، کانال هوای سوم، کوره دوار، خنک کن و دستگاه جداسازی قلیائی (کنارگذر) می باشد. در زیر ارقام و اصلاعات زیادی ارائه شده است و مقادیر مواد، گاز، هوا، سوخت، کلینکر و … همگی بر مبنای یک کیلوگرم می باشند.

    مقدار 68/1 کیلوگرم مواد با درجه حرارت 50 درجه سانتیگراد وارد پیش گرمکن می شود و پس از طی مسیر سیکلونها، کلساینر، کوره و خنک کن، بصورت کلینکر با وزن یک کیلوگرم و درجه حرارت 80 سانتیگراد خارج می شود. مقدار هوای ورودی به خنک کن 3/2 متر مکعب است که 36/0 متر مکعب آن بعنوان هوای ثانویه، 54/0 متر مکعب آن بعنوان هوای ثالثیه و 4/1 متر مکعب آن به صورت هوای اضافی ازخنک کن خارج می شود. 40 درصد سوخت مصرفی در مشعل اصلی کوره و 60 درصد آن در کلساینر مصرف می شود.

    درصد تکلیس مواد در کلساینر 90 درصد است. درجه حرارت کلینکر خروجی از کوره 1300 درجه سانتیگراد، گازهای خروجی از کوره 1050 درجه سانتیگراد، گازهای خروجی از سیکلونها بترتیب 870 و 780 و660 و 510 و 320 درجه سانتیگراد می باشند. درصد اکسیژن گازهای عقب کوره 2 درصد است و حاوی مقدارقابل توجهی مواد قلیائی هستند. مقدار32/0 متر مکعب از گازهای خروجی از کوره وارد دستگاه جداسازی مواد قلیائی یا کنارگذر (Bypass Alkaly)شده و مقدار 02/0 کیلوگرم مواد قلیائی از آن جدا می گردد.

    در این دستگاه 54/0 متر مکعب هوای محیط برای پائین آوردن درجه حرارت گازهای خروجی از کوره و انجماد بخارات مواد قلیائی استفاده می شود. استفاده از کنار گذر در مواقع لزوم که مقدار قلیایی ها زیاد می باشد کاربرد دارد. مقدار گازهای خروجی از پیش گرمکن به سمت آسیاب مواد 34/1 متر مکعب است و با درجه حرارت320 درجه سانتیگراد حاوی 1/0 کیلوگرم مواد برگشتی میباشد.

  6. خنک کن کلینکر

    درجه حرارت کلینکر خروجی از کوره حدود1300 درجه سانتیگراد است و این مقدار حرارت موجود در کلینکر بوسیله جریان هوای سرد بازیابی می شود. سپس کلینکر خنک شده (تا حدود100 درجه سانتیگراد) راهی انبار کلینکر می گردد. بخشی از هوای گرم شده از طریق کانال هوای سوم بسمت کلساینر و بخشی دیگر وارد کوره می شود و اکسیژن مورد نیاز سوخت را تامین می کند.

  7. خرد کن و قیف سنگ گچ

    به کلینکر خروجی از کوره حدود 4 درصد سنگ گچ افزوده می شود و سپس در آسیاب سیمان پودر می گردند. قبلاً سنگ گچ (گچ خام) در خرد کن جداگانه ای به اندازه های کمتر از 4 سانتیمتر خرد شده و سپس در قیف مربوطه ذخیره شده است. سرعت ترکیب پودر کلینکر با آب بسیار شدید است و به همین خاطر از سنگ گچ برای کنترل این ترکیب و گیرش سیمان استفاده می شود.

  8. آسیاب سیمان

    از طریق دو نوار تغذیه مجهز به سیستم توزین، سنگ گچ خرد شده و کلینکر وارد آسیاب سیمان گلوله ای/عمودی غلتکی می شوند و پس از پودر شدن، پودر حاصله (سیمان) از طریق بالابر کاسه ای و هوائی (الواتور و ایرلیفت) به سیلوهای ذخیره سیمان فرستاده می شود. در دهه اخیر استفاده از آسیابهای غلتکی برای پودر کردن کلینکر و تولید سیمان مرسوم شده است.

  9. سیلوهای سیمان و بارگیرخانه

    با توجه به ظرفیت تولید کارخانه تعدادی سیلوی بتونی جهت ذخیره سیمان در نظر گرفته می شود. سپس سیمان به کمک دستگاه های بارگیری سیمان فله یا بسته بندی و پر شدن در کیسه بارگیری شده و از کارخانه صادر می گردد. وسیله حمل سیمان از کارخانه می تواند کامیون، واگن، قطار و یا کشتی باشد. چگونگی حمل بستگی به موقعیت کارخانه و محل مصرف دارد.

امتیاز کاربران: اولین نفری باشید که به این مطلب رای می دهد!
سفارش طرح توجیهی
دانلود رایگان طرح توجیهی

نوشته های مشابه

دنبال کردن این پرسش و پاسخ
اطلاع از
guest
0 Comments
دکمه بازگشت به بالا
Call Now Buttonتماس صرفا جهت سفارش طرح توجیهی
0
()
x