سیمان پرتلند و روند تولید آن

سیمان پرتلند و روند تولید آن

سیمان پرتلند عمدتاً شامل ترکیبات سیلیکات کلسیم و آلومین کلسیم می باشد. میزان سیلیکات های کلسیم همواره بین 55% تا 85% می باشد. همچنین مقدار آلومینات تری کلسیم بین 7 تا 12% و هیدروکسید آهن نیز بین 6 تا 10% می باشد. سیمان از سوزاندن مخلوط گچ و رس در یک کوره گردان تحت درجه حرارت بالا ساخته می شود. کلینکر به عنوان ماده اصلی بوده و سنگ گچ به منظور کنترل گوگرد که حدود آن که طبق آیین نامه  BS 12برابر با 5/3 %  می باشد، اضافه می گردد.

نسخه های اصلاحی عمدتاً مرتبط با روش های آزمایش و اصطلاحات خاصی بوده و هدفشان نیز تطابق با استاندارد اروپایی سیمان (ENV 197-1) می باشد. تغییرات جزئی در ترکیب نیز معرفی می گردد.

-اگر سیمان معادل با پرتلند معمولی نیاز باشد، آنگاه سیمان پرتلند کلاس 42.5 بر اساس BS12:1991 در دستور کار قرار می گیرد.

-اگر سیمان پرتلند با سخت کنندگی سریع نیاز باشد، در آن صورت از سیمان پرتلند کلاس 52.5 بر اساس BS12:1991 یا سیمان پرتلند کلاس 42.5 R بر اساس BS12:1991 توصیه می گردد.

-سیمان های فوق تقریباً مختص کارهای تعمیر می باشند. در سال 1990 و 1991، نسخه اصلاحی کاملی از BS 5328:1991 در مورد بتن در قالب چهار بخش منتشر شد.

-سیمان های مخلوط شده شامل ترکیبات سیمان پرتلند و خاکستر  نرم (pfa)؛ سیمان پرتلند و روباره آهن گدازی دانه شده خاکی (ggbs) برای اهداف خاصی در بتن مورد استفاده قرار می گیرند.

مشخصات اصلی سیمان پرتلند

- پودر بسیار ریز، با اندازه ذرات 1 تا 50 میکرون.

- خمیر (سیمان و آب) با مواد قلیاییت  بالا، با pH حدود 5/13. این خاصیت قلیایی بالا به واکنش سنگدانه های قلیایی مربوط می باشد. تقابل بین مواد قلیایی در سیمان و انواع سنگدانه های سیلیکاتی در بخش های 2-5 این فصل و بخش 3-5-13 فصل بعدی بحث می شود.

- زمان گیرش (اولیه و نهایی) بین 45 دقیقه تا 10 ساعت متغیر است.

- هم گیرش و هم سخت شدن (نرخ رسیدن به مقاومت مورد نظر) تحت تاثیر دما می باشد. افزایش دما واکنش شیمیایی بین سیمان و آب اختلاط را تسریع می کند.

- سیمان پرتلند مقاومت فشاری نسبتاً بالایی را در بتن و ملات ایجاد می کند. مقاومت کششی تنها حدود 10 % مقاومت فشاری می باشد.

- ترکیباتی که عمل سیمانته نمودن خمیر سیمان را انجام می دهند، عمدتاً سیلیکاتهای کلسیم (C2S و C3S) می باشند.

- فراورده های هیدراته سیمان در صورتی که سایر موارد یکسان باشند، مقاومت بتن یا ملات را تعیین می کند. فراورده هیدراته شدن، ترکیبات شیمیایی بسیار پیچیده ای هستند که عمده ترکیبات آنها را ژل سیلیکات کلسیم، هیدروکسید کلسیم (حدود 20 %) و هیدرات آلومین تری کلسیم تشکیل می دهد. هیدروکسید کلسیم ( ) از هیدرولیز سیلیکاتهای کلسیم آزاد می شود. فراورده های هیدراته مختلف، با سرعت های متفاوتی هیدراته می شوند، اما در تمامی آنها هیدراته شدن در ابتدا سریع و در ادامه به آهستگی پیش می رود.

- دو عامل اصلی که بر سرعت مقاوم شدن تاثیر می گذارند، عبارتند از ترکیب شیمیایی و ریزی دانه ها. در سیمان های مدرن، افزایش مقاومت پس از 28 روز ابتدایی احتمالا خیلی کم بوده و عموماً نادیده گرفته می شود.

- میزان آب اختلاط (معمولاً به صورت نسبت آب به سیمان بیان می شود) عامل اساسی در تعیین مقاومت، نفوذپذیری و میزان جذب بتن یا ملات می باشد. برای رسیدن به مقاومت و دوام بیشتر، w/c نمی بایست از 50/0 تجاوز نماید و برای اهداف خاص بین 40/0 تا 45/0 در نظر گرفته می شود. نسبت آزاد w/c به این معناست که سنگدانه ها اشباع اما سطح خشک می باشد. 

هیدراسون سیمان (افزودن آب)، منجر به واکنش شیمیایی پیچیده ای میگردد که با انبساط حرارتی توام است.

نحوه تولید سیمان پرتلند

استخراج و انتقال مواد اولیه

جهت استخراج سنگ آهک معمولاً از عملیات آتش باری استفاده می‌شود. بدین صورت که با استفاده از مواد منفجره قسمت‌های مورد نظر از کوه را منفجر می‌کنند و سنگ آهک را به صورت قطعات سنگی درشت به دست می‌آورند. همچنین در استخراج خاک رس نیز به دلیل سختی نسبتاً پایین معادن آن، معمولاً از لودر‌، بیل‌های مکانیکی پر قدرت و بیل‌های کششی استفاده می‌شود. پس از استخراج مواد اولیه آنها را با استفاده از واگن، تسمه نقاله یا کامیون‌های ویژه حمل مواد اولیه به کارخانه منتقل می‌کنند.

سنگ شکن

سنگ آهکی که از معادن به دست می‌آید در بدو ورود به کارخانه به قسمت سنگ شکن منتقل می‌شود. سنگ شکن‌ها که وظیفه خرد کردن قطعات بزرگ سنگ و ایجاد قطعات کوچکتر را بر عهده دارند دارای انواع گوناگون همچون سنگ شکن‌های فکی، چکشی و دورانی هستند. در زیر سنگ شکن‌ها، سرند اولیه وجود دارد که خرده سنگ‌های شکسته در سنگ شکن روی آن می‌ریزند‌. قطعات مناسب خرده سنگ‌ها که از سرند اولیه عبور کنند به قسمت دپوی مصالح منتقل می‌شوند و قطعات درشتی که روی سرند باقی میمانند مجدداً به سنگ شکن باز می‌گردند.

دپوی مصالح

مواد اولیه تا زمان مصرف در قسمتی از کارخانه انبار می‌شوند. از آنجا که مواد اولیه نسبتاً ناهمگن و غیر یکنواخت است و سیمان تولیدی باید کاملاً یکنواخت باشد، شیوه انباشتن و برداشت مصالح به گونه‌ای است که تا حدودی این هدف را تامین کند. بدین منظور از روش باند همگن ساز استفاده می‌شود. در این روش ماشین مخصوصی که دارای یک بازوی متحرک در بالاست در طول قسمت دپو بر روی ریل حرکت می‌کند و مواد آماده شده را توسط تسمه نقاله به بالا منتقل کرده با اسنفاده از بازوی متجرک در کنار مسیر حرکت خود تخلیه می‌کند. نتیجه این عمل در طول حرکت رفت و برگشتی ماشین‌، ایجاد یک خاکریز از مصالح مورد نظر در امتداد مسیر حرکت است. هر ماشین می‌تواند دو خاکریز در طرفین خود ایجاد کند و هر کارخانه بسته به حجم تولیدی به تعدادی از این ماشین‌ها مجهز است.

در هر صورت مواد اولیه در لایه‌های افقی بر روی هم ذخیره می‌شوند‌. در صورت برداشت با مقاطع عمودی، قسمت برداشتی تقریباً شامل تمامی لایه‌ها خواهد بود.

آسیاب گلوله‌ای

در فرایند آماده سازی مواد اولیه جهت تهیه سیمان، باید این مواد کاملاً به شکل پودر درآیند. بدین منظور از آسیاب گلوله‌ای استفاده می‌شود. آسیاب گلوله‌ای استوانه‌ای است که محور آن با افق زاویه کوچکی می‌سازد که داخل این آسیاب گلوله‌هایی است که در قسمت‌های اولیه آن بزرگتر و هر چه به انتهای آسیاب نزدیک شود، کوچکتر می‌شوند. شیوه کار چنین است که در حالی که استوانه می‌چرخد این مواد با گلوله‌ها بالا می‌روند و از بالاترین نقطه سقوط می‌کنند.  توالی این صعود و سقوط منجر به آسیاب شدن مواد می‌شود.

تهیه خوراک کوره

پس از آماده شدن پودر سنگ آهک و خاک رس نوبت به تهیه خوراک کوره می‌رسد. این عمل روش‌های گوناگونی دارد و بر همین اساس روش‌های مختلف تولید سیمان را دسته بندی می‌کنند‌. بدین منظر چهار شیوه وجود دارد.

روش تر

داخل حوضچه‌هایی را از آب پر می‌کنند و سنگ آهک، خاک رس و دیگر ترکیبات لازم را به نسبت معین به آن می‌افزایند. یک بازوی مکانیکی هم زن وظیفه اختلاط مواد و جلوگیری از ته شینن شدن آنها را بر عهده دارد. البته ممکن است از دمیدن هوای فشرده از زیر حوضچه به داخل آن هم استفاده شود. از دوغاب به دست آمده نمونه برداری کرده و در آزمایشگاه تجزیه می‌کنند تا نسبت مواد در آن را تشخیص دهند. بدین ترتیب کمبود مواد و ترکیبات در دوغاب را تعیین و با استفاده از سیلوهای کمکی، مواد لازم را به میزان کافی اضافه می‌کنند تا دوغاب با ترکیبات مناسب به دست آید. دوغاب آماده شده را به کوره پخت سیمان میبرند.

روش نیمه تر

در این شیوه دوغاب به دست آمده از روش تر را پیش از آنکه به کوره بفرست داخل فیلترهایی به شکل آکاردئون می‌فشارند تا آب آن گرفته شود. حاصل خمیر سختی خواهد بود که پس از بریدن آن به شکل استوانه‌های کوچک این قطعات به دست آمده را به کوره می‌فرستند.

روش نیمه خشک

در این روش مواد اولیه را بر روی سینی‌هایی دواری به نام دستگاه گلوله ساز ریخته و چهار الی ۵ درصد آب اضافه می‌کنند. حرکت دورانی سینی و رطوبت موجود باعث پیوستن پودر مواد اولیه به یکدیگر و ایجاد گلوله‌هایی به نام اماج می‌شود. این گلوله‌ها خوراک کوره خواهند بود.

روش خشک

در این روش پودر سنگ آهک و خاک رس به صورت خشک با یکدیگر مخلوط می‌شوند و نمونه‌هایی از آن تهیه می‌شود. این نمونه‌ها در معرض تابش اشعه x قرار می‌گیرند و بازتاب اشعه تحلیل می‌شود. از آنجا که هر ماده بازتاب مخصوصی از اشعه x دارد، با تحلیل طیف‌های بازتابی از نمونه می‌توان درصد مواد گوناگون در نمونه را تعیین و نسبت به تنظیم آنها اقدام کرد. مخلوط حاصل به همان صورت خشک و خوراک کوره خواهد بود.

کوره

هنگامی که خوراک کوره به هر یک از چهار روش فوق آماده شد، باید در دمای حدود ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد حرارت ببیند تا فعل و انفعالات لازم به وجود آید. بدین منظور از دو نوع کوره قائم و گردنده افقی استفاده می‌شود.

جلوگیری از اتلاف انرژی

خروج کیلنکر از پایین کوره و هوای گرم از بالای کوره باعث اتلاف بخش عظیمی از حرارت کوره و انرژی می‌شود.

‌پیش گرمکن

پیش گرمکن متشکل از ظروفی به شکل مخروط‌های ناقص معکوس است که در بالای ورودی کوره نصب می‌شوند و مواد پیش از ورود به کوره داخل آن می‌شوند. هوای گرم خروجی از بالای کوره داخل این ظرف‌های مخروطی شده باعث گرم شدن مواد اولیه در آن می‌شود. و همچنین باعث خشک شدن نسبی مواد و هم گرم شدن آنها می‌شود و لذا به همین مقدار می‌توان از طول کوره کاست. پیش گرم کن مجهز به یک فن دمنده و تیغه‌هایی در مسیر است که جریان هوا پس از تنظیم سرعت توسط فن در برخورد با تیغه‌ها آشفته شده‌، مواد اولیه را در خود شناور نگاه می‌دارد و گرم می‌کند.

‌پیش کلسینه کن

پیش کلسینه کن همانند پیش گرمکن بر مبنای استفاده هرچه بیشتر از انرژی تلف شده در بالای کوره ابداع شده است. پیش کلسینه کن بین پیش گرمکن و کوره نصب می‌شود و درصدی از مواد در اثر حرارت آن کلسینه می‌شوند. لذا به همین میزان می‌توان از طول کوره کاست و در انرژی و هزینه آن صرفه جویی نمود.

‌کولر زنجیری

بخش قابل توجهی از حرارت و انرژی کوره در قسمت انتهایی به دلیل خروج کلینکر داغ صورت می‌گیرد. از طرفی کلینکر به دست آمده از کوره که دمایی بیش از ۱۴۰۰ درجه دارد به همان صورت داغ قابل مصرف نیست و باید پیش از ادامه فرایند سیمان سرد شود. این دو نکته سبب به کار گیری سیستمی به نام کولر شد تا هر دو منظور را تامین کند.

کولرها انواع مختلفی دارند و سیستم عمومی آنها بدین شرح است که کلینکر داغ از کوره وارد کولر می‌شود و تحت اثر جریان هوای خنک قرار می‌گیرد. از طرفی هوایی که در مجاورت کلینکرهای داغ گرم شده است به داخل کوره هدایت می‌شود و میزان انرژی لازم جهت گرم کردن را کاهش می‌دهد. در کولر زنجیری کلینکرها پس از خروج از کوره بر روی یک شبکه زنجیری ریخته می‌شود و از پایین تحت دمش هوا قرار می‌گیرند. جریان هوا در حرکت به بالا از میان کلینکر‌ها، آنها را خنک کرده، خود گرم می‌شود به داخل کوره می‌رود.

‌کوره اقماری

کولرهای اقماری عملکردی مشابه کولرها زنجیری دارند و به صورت استوانه‌هایی با طول معین در قسمت انتهایی کوره نصب می‌شوند. این استوانه‌ها از داخل به درون کوره راه دارند. هنگامی که کوره می‌چرخد و کلینکر آماده شده به انتهای آن می‌رسد هر بار که یکی از استوانه‌ها در پایین کوره قرار می‌گیرد مقداری کلینکر داخل آن می‌ریزد‌. جریان هوایی که از درون هر استوانه برقرار است، پس از خنک کردن کلینکرها به مشعل کوره منتقل می‌شود و از این طریق باعث صرفه جویی در مصرف سوخت کوره می‌شود.

‌فیلترهای الکترواستاتیک

هوای خروجی از بالای کوره، پس از عبور از پیش گرمکن، در نهایت وارد جو می‌شود. این هوا دارای مقدار قابل ملاحظه‌ای ذرات ریز معلق است که در صورت عدم بازیافت باعث آلودگی محیط زیست می‌شود. جهت جدا کردن این ذرات از هوا، از فیلترهای گوناگون استفاده می‌شود. یکی از انواع این فیلترها‌، فیلتر الکترواستاتیک است. در این سیستم صفحاتی فلزی با بار مثبت الکترو استاتیکی در مسیر خروجی هوا قرار می‌گیرند و ذرات هوا پیش از ورود به فیلتر به وسیله جریان برق فشار قوی به بار منفی باردار می‌شوند. هنگامی که ضخامت ذرات روی صفحات به حد معینی برسد، با دستگاه‌های لرزاننده صفحات را تمیز می‌کنند. ذرات به دست آمده در صورت دارا بودن قابلیت مصرف به قسمت خوراک کوره بازگردانده می‌شوند.

آسیاب نهایی کلینکر

کلینکر خارج شده از کولر دمایی در حدود ۳۰۰ درجه دارد که هنوز مناسب ادامه روند تولید سیمان نیست. لذا آن را در انبارهای سرپوشیده ای به مدت ۵ تا ۶ روز قرار می‌دهند تا دمای آن در مجاورت هوا به کمتر از ۱۰۰ درجه، یعنی حدود ۶۰ درجه برسد. حال این کلینکر را همراه با حدود ۳٪ وزنی سنگ گچ به وسیله آسیاب‌های گلوله ای آسیاب می‌کنند و پودر حاصل را با استفاده از سرند الک مینمایند. ذرات درشت‌تر از اندازه الک به آسیاب بازگردانده می‌شوند. آنچه در نهایت به دست میآید پودر سیمان پرتلند است.