سیمان پرتلند چگونه تولید می شود؟

سیمان پرتلند چگونه تولید می شود؟

سیمان پرتلند چگونه تولید می شود؟ –

امروزه شیوه کلی تولیـد سیمان پرتلند بدین صورت اسـت کـه پس از اسـتخراج مـواد اولیه (سنگ آهک، و خاک رس) و آماده کردن آنها مخلوط را تا دمی بیش از ۱۴۰۰ درجه حرارت می‌دهند‌. حاصل این فرایند کلینکر اسـت کـه آن را پس از سرد شدن با ۳ الی ۴ درصد وزنی سنگ گچ آسیاب می‌کنند تا پودر سیمان پرتلند بـه دست آید. لازم بـه ذکر اسـت نام پرتلند بـه جهت تشابـه رنگ و کیفیت سیمان سخت شده با سنگ آهکی کـه در اطراف شهر پرتلند در ناحیه درست انگلستان وجود دارد، مورد اسـتفاده قرار گرفته اسـت. بـه طور کلی تولیـد سیمان پرتلند مراحل مختلفی دارد کـه بـه آنها اشاره خواهد شد.

صنعت سیمان دارای دو عیب عمده زیر اسـت.

مصرف انرژی بسار بالا

ایجاد آلودگی محیط زیست

و محققین و صنعتگران همواره در تلاش جهت تغییر خط تولیـد بـه گونه‌ای هستند کـه این معایب تا حد امکان مرتفع شود.

انتخاب محـل برای احداث کارخانه

انتخاب محـل مناسب جهت احداث کارخانه تولیـد سیمان با عوامل چندی در ارتباط اسـت کـه شامل موارد زیر اسـت.

کارخانه بـه معادن مـواد اولیه (سنگ آهک و خاک رس) نزدیک باشد.

ظرفیت معادن مـواد اولیه پاسخگوی نیاز درازمدت کارخانه باشند.

کیفیت مـواد اولیه در حد قابل قبولی باشد.

کارخانه بـه قطبـهای مصرف نزدیک باشد.

از آنجا کـه مـواد اولیه بـه کارخانه و سیان تولیـدی بـه قطبـهای مصرف بسیار بالاسـت محـل کارخانه باید در جایی باشد کـه این هر دو مسافت حتی المقدور کمینه باشد. عوامل دو و سه نیز در ارتباط با انتخاب معادن مناسب جهت قرضه کارخانه اسـت. یک معدن مناسب باید اولاً از نظر کیفیت دارای مـواد قابل قبولی باشد. ثانیاً از نظر کمیت بتواند حداقل بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ سال مـواد اولیه کارخانه را تامین نماید. در غیر این صورت ممکن اسـت ساخت کارخانه از نظر اقتصادی بـه صرفه نباشد. از آنجا کـه در ایران بیشتر سنگ‌های آهکی بـه صورت رسوبی در قابل کوه هستند و در دشت‌های مجاور این کوه‌ها معادن خاک رس موجود اسـت. معمولاً حد فاصل این کوه‌ها و دشت‌ها محـل مناسبی جهت احداث کارخانه اسـت.

نحوه تولیـد سیمان پرتلند

اسـتخراج و انتقال مـواد اولیه

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

سنگ شکن

سنگ آهکی کـه از معادن بـه دست می‌آید در بدو ورود بـه کارخانه بـه قسمت سنگ شکن منتقل می‌شود. سنگ شکن‌ها کـه 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 کـه خرده سنگ‌های شکسته در سنگ شکن روی آن می‌ریزند‌. قطعات مناسب خرده سنگ‌ها کـه از سرند اولیه عبور کنند بـه قسمت دپوی مصالح منتقل می‌شوند و قطعات درشتی کـه روی سرند باقی میمانند مجدداً بـه سنگ شکن باز می‌گردند.

دپوی مصالح

مـواد اولیه تا زمان مصرف در قسمتی از کارخانه انبار می‌شوند. از آنجا کـه مـواد اولیه نسبتاً ناهمگن و غیر یکنواخت اسـت و سیمان تولیـدی باید کاملاً یکنواخت باشد، شیوه انباشتن و برداشت مصالح بـه گونه‌ای اسـت کـه تا حدودی این هدف را تامین کند. بدین منظور از روش باند همگن ساز اسـتفاده می‌شود. در این روش ماشین مخصوصی کـه دارای یک بازوی متحرک در بالاسـت در طول قسمت دپو بر روی ریل حرکت می‌کند و مـواد آماده شده را توسط تسمه نقاله بـه 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 اسـت. هر ماشین می‌تواند دو خاکریز در طرفین خود ایجاد کند و هر کارخانه بسته بـه حجم تولیـدی بـه تعدادی از این ماشین‌ها مجهز اسـت.

در هر صورت مـواد 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 مـواد اولیه جهت تهیه سیمان، باید این مـواد کاملاً بـه شکل پودر درآیند. بدین منظور از آسیاب گلوله‌ای اسـتفاده می‌شود. آسیاب گلوله‌ای اسـتوانه‌ای اسـت کـه محور آن با افق زاویه کوچکی می‌سازد کـه داخل این آسیاب گلوله‌هایی اسـت کـه در قسمت‌های اولیه آن بزرگتر و هر چه بـه انتهای آسیاب نزدیک شود، کوچکتر می‌شوند. شیوه کار چنین اسـت کـه در حالی کـه اسـتوانه می‌چرخد این مـواد با گلوله‌ها بالا می‌روند و از بالاترین نقطه سقوط می‌کنند.  توالی این صعود و سقوط منجر بـه آسیاب شدن مـواد می‌شود.

تهیه خوراک کوره

پس از آماده شدن پودر سنگ آهک و خاک رس نوبت بـه تهیه خوراک کوره می‌رسد. این عمل روش‌های گوناگونی دارد و بر همین اساس روش‌های مختلف تولیـد 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 بـه نسبت معین بـه آن می‌افزایند. یک بازوی مکانیکی هم زن وظیفه اختلاط مـواد و جلوگیری از ته شینن شدن آنها را بر عهده دارد. البته ممکن اسـت از دمیدن هوای فشرده از زیر حوضچه بـه داخل آن هم اسـتفاده شود. از دوغاب بـه دست آمده نمونه برداری کرده و در آزمایشگاه تجزیه می‌کنند تا نسبت مـواد در آن را تشخیص دهند. بدین ترتیب کمبود مـواد و ترکیبات در دوغاب را تعیین و با اسـتفاده از سیلوهای کمکی، مـواد لازم را بـه میزان کافی اضافه می‌کنند تا دوغاب با ترکیبات مناسب بـه دست آید. دوغاب آماده شده را بـه کوره پخت سیمان میبرند.

روش نیمه تر

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

روش نیمه خشک

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

روش خشک

در این روش پودر سنگ آهک و خاک رس بـه 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 کـه هر ماده بازتاب مخصوصی از اشعه x دارد، با تحلیل طیف‌های بازتابی از نمونه می‌توان درصد مـواد گوناگون در نمونه را تعیین و نسبت بـه تنظیم آنها اقدام کرد. مخلوط حاصل بـه همان صورت خشک و خوراک کوره خواهد بود.

کوره

هنگامی کـه خوراک کوره بـه هر یک از چهار روش فوق آماده شد، باید در دمای حدود ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد حرارت ببیند تا فعل و انفعالات لازم بـه وجود آید. بدین منظور از دو نوع کوره قائم و گردنده افقی اسـتفاده 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 بـه شکل مخروط‌های ناقص معکوس اسـت کـه در بالای ورودی کوره نصب می‌شوند و مـواد پیش از ورود بـه کوره داخل آن می‌شوند. هوای گرم خروجی از بالای کوره داخل این ظرف‌های مخروطی شده باعث گرم شدن مـواد اولیه در آن می‌شود. و همچنین باعث خشک شدن نسبی مـواد و هم گرم شدن آنها می‌شود و لذا بـه همین مقدار می‌توان از طول کوره کاسـت. پیش گرم کن مجهز بـه یک فن دمنده و تیغه‌هایی در مسیر اسـت کـه جریان هوا پس از تنظیم سرعت توسط فن در برخورد با تیغه‌ها آشفته شده‌، مـواد اولیه را در خود شناور نگاه می‌دارد و گرم می‌کند.

‌پیش کلسینه کن

پیش کلسینه کن همانند پیش گرمکن بر مبنای اسـتفاده هرچه بیشتر از انرژی تلف شده در بالای کوره ابداع شده اسـت. پیش کلسینه کن بین پیش گرمکن و کوره نصب می‌شود و درصدی از مـواد در اثر حرارت آن کلسینه می‌شوند. لذا بـه همین میزان می‌توان از طول کوره کاسـت و در انرژی و هزینه آن صرفه جویی نمود.

‌کولر زنجیری

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

کولرها انواع مختلفی دارند و سیستم عمومی آنها بدین شرح اسـت کـه کلینکر داغ از کوره وارد کولر می‌شود و تحت اثر جریان هوای خنک قرار می‌گیرد. از طرفی هوایی کـه در مجاورت کلینکرهای داغ گرم شده اسـت بـه 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 شبکـه زنجیری ریخته می‌شود و از پایین تحت دمش هوا قرار می‌گیرند. جریان هوا در حرکت بـه بالا از میان کلینکر‌ها، آنها را خنک کرده، خود گرم می‌شود بـه داخل کوره می‌رود.

‌کوره اقماری

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

‌فیلترهای الکترواسـتاتیک

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 اسـت کـه در صورت عدم بازیافت باعث آلودگی محیط زیست می‌شود. جهت جدا کردن این ذرات از هوا، از فیلترهای گوناگون اسـتفاده می‌شود. یکی از انواع این فیلترها‌، فیلتر الکترواسـتاتیک اسـت. در این سیستم صفحاتی فلزی با بار مثبت الکترو اسـتاتیکی در مسیر خروجی هوا قرار می‌گیرند و ذرات هوا پیش از ورود بـه فیلتر بـه وسیله جریان برق فشار قوی بـه بار منفی باردار می‌شوند.

هنگامی کـه ضخامت ذرات روی صفحات بـه حد معینی برسد، با دستگاه‌های لرزاننده صفحات را تمیز می‌کنند. ذرات بـه دست آمده در صورت دارا بودن قابلیت مصرف بـه قسمت خوراک کوره بازگردانده می‌شوند.

آسیاب نهایی کلینکر

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

فساد سیمان

دو عامل باعث فساد سیمان می‌شود کـه بـه شرح زیر اسـت.

جذب رطوبت از محیط

جذب دی اکسید کربن از هوا

فساد سیمان در اثر رطوبت را هیدراته شدن و در اثر جذب دی اکسید کربن را کربناته شدن می‌گویند‌. بـه منظور جلوگیری از فاسد شدن سیمان در کارگاه نکات چندی در مورد انبار کردن و اسـتفاده از سیمان باید مدنظر قرار گیرد کـه بـه آنها اشاره می‌نمایید.

در صورت انتقال سیمان از کارخانه بـه کارگاه بـه صورت کیسه‌ای حتما سطح بارگیر تریلی با برزنت یا پلاسـتیک پوشیده شود.

هنگام تخلیه و انتقال کیسه‌ها از پاره شدن آنها جلوگیری شود.

کیسه‌های رسیده بـه کارگاه در انبارهای سرپوشیده نگهداری شوند یا روی آنها روکش پلاسـتیکی قرار گیرد.

بـه هیچ وجه کیسه‌ها روی زمین چیده نشوند. برای قرار دادن کیسه‌ها از سطوح چوبی کـه سطح آنها حداقل ۲۰ سانتیمتر از زمین فاصله دارد اسـتفاده شود.

حداکثر تعداد ۱۲ کیسه سیمان روی یکدیگر قرار داده شوند.

هیچگاه بیش از مقدار مورد نیاز و پیش از زمان لازم ملات درست نشود.