تولید سیمان پرتلند
امروزه شیوه کلی تولید سیمان پرتلند بدین صورت است که پس از استخراج مواد اولیه (سنگ آهک، و خاک رس) و آماده کردن آنها مخلوط را تا دمی بیش از ۱۴۰۰ درجه حرارت می‌دهند. حاصل این فرایند کلینکر است که آن را پس از سرد شدن با ۳ الی ۴ درصد وزنی سنگ گچ آسیاب می‌کنند تا پودر سیمان پرتلند به دست آید. لازم به ذکر است نام پرتلند به جهت تشابه رنگ و کیفیت سیمان سخت شده با سنگ آهکی که در اطراف شهر پرتلند در ناحیه درست انگلستان وجود دارد، مورد استفاده قرار گرفته است. به طور کلی تولید سیمان پرتلند مراحل مختلفی دارد که به آنها اشاره خواهد شد.
صنعت سیمان دارای دو عیب عمده زیر است.
- مصرف انرژی بسار بالا
- ایجاد آلودگی محیط زیست
و محققین و صنعتگران همواره در تلاش جهت تغییر خط تولید به گونه‌ای هستند که این معایب تا حد امکان مرتفع شود.
- انتخاب محل برای احداث کارخانه
- انتخاب محل مناسب جهت احداث کارخانه تولید سیمان با عوامل چندی در ارتباط است که شامل موارد زیر است.
- کارخانه به معادن مواد اولیه (سنگ آهک و خاک رس) نزدیک باشد.
- ظرفیت معادن مواد اولیه پاسخگوی نیاز درازمدت کارخانه باشند.
- کیفیت مواد اولیه در حد قابل قبولی باشد.
- کارخانه به قطبهای مصرف نزدیک باشد.
از آنجا که مواد اولیه به کارخانه و سیان تولیدی به قطبهای مصرف بسیار بالاست محل کارخانه باید در جایی باشد که این هر دو مسافت حتی المقدور کمینه باشد. عوامل دو و سه نیز در ارتباط با انتخاب معادن مناسب جهت قرضه کارخانه است. یک معدن مناسب باید اولاً از نظر کیفیت دارای مواد قابل قبولی باشد. ثانیاً از نظر کمیت بتواند حداقل بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ سال مواد اولیه کارخانه را تامین نماید. در غیر این صورت ممکن است ساخت کارخانه از نظر اقتصادی به صرفه نباشد. از آنجا که در ایران بیشتر سنگ‌های آهکی به صورت رسوبی در قابل کوه هستند و در دشت‌های مجاور این کوه‌ها معادن خاک رس موجود است. معمولاً حد فاصل این کوه‌ها و دشت‌ها محل مناسبی جهت احداث کارخانه است.
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.
فساد سیمان
دو عامل باعث فساد سیمان می‌شود که به شرح زیر است.
- 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. به منظور جلوگیری از فاسد شدن سیمان در کارگاه نکات چندی در مورد انبار کردن و استفاده از سیمان باید مدنظر قرار گیرد که به آنها اشاره می‌نمایید.
- در صورت انتقال سیمان از کارخانه به کارگاه به صورت کیسه‌ای حتما سطح بارگیر تریلی با برزنت یا پلاستیک پوشیده شود.
- هنگام تخلیه و انتقال کیسه‌ها از پاره شدن آنها جلوگیری شود.
- کیسه‌های رسیده به کارگاه در انبارهای سرپوشیده نگهداری شوند یا روی آنها روکش پلاستیکی قرار گیرد.
- به هیچ وجه کیسه‌ها روی زمین چیده نشوند. برای قرار دادن کیسه‌ها از سطوح چوبی که سطح آنها حداقل ۲۰ سانتیمتر از زمین فاصله دارد استفاده 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.
