سیمان پُرتلند یک سیمان هیدرولیکی است. بدین معنا که وقتی در نسبت‌های مناسب با آب مخلوط می‌شود، در زیر آب و همچنین در هوا سخت می­گردد. نام‌ این ماده چسبنده از تشابه ظاهری آن در حالت سخت شده با سنگ پُرتلند انگلیسی منشأ گرفته است.‌این نوع سنگ در اوایل قرن نوزدهم همزمان با ساخت اولین نوع سیمان پُرتلند در بسیاری از ساختمان‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. به علاوه سیمان‌های مخلوط پُرتلند – پوزولان و پُرتلند – سرباره نیز از طریق آمیختن خاکستر بادی، پوزولان‌ها یا سرباره با کلینکر سیمان پُرتلند تولید می‌شود.

 

تولید

مواد خام: اجزای اصلی سیمان پُرتلند عبارتند از:

الف) مصالح پُرآهک از قبیل سنگ آهک، صدف‌های دریایی، مارل و گچ که ترکیبات را فراهم می‌کنند.

ب) رس، شیل، تخته سنگ، خاکستر بادی یا ماسه برای تأمین سیلیس و آلومین.

ج) سنگ معدنی آهن، پوسته اکسیدی[۱]، یا مصالح مشابه جهت تأمین آهن یا ترکیبات آهن دار.

تعداد مواد خام مورد نیاز در هر کارخانه بستگی به ترکیبات شیمیایی‌ این مواد و انواع سیمانی که تولید می‌شود، دارد. یک نمونه از مخلوط مواد خام می‌تواند به گونه‌ای باشد که کلینکر پس از سوختن تقریباً از ۶۵ درصد CaO و ۲۱ درصد SiO2 و ۵ درصد AI2O3 و ۳ درصد Fe2O3 و مقادیر کمتر از ترکیبات فرعی تشکیل شده باشد. جهت حصول مخلوط یکنواخت و مناسب، مواد خام دائماً نمونه برداری و آزمایش شده و تصمیمات لازم بر روی نسبت‌های مواد در حین اختلاط به عمل می‌آید.

مراحل تولید: پس از استخراج ، اولین مرحله عملیات، خرد کردن است (اشکال ۱ – ۱ و ۱ – ۲). سنگ استخراج شده، از درون یک سنگ شکن اولیه که معمولاً دورانی است، عبور داده می­شود.‌این دستگاه قطعات سنگ به قطر ۱٫۵ متر را خرد کرده، به قطعاتی با حداکثر اندازه ۱۵ سانتی متر تبدیل می‌نماید. سپس‌ این محصول به یک سنگ شکن ثانویه (دوران کننده با سرعت بالا یا آسیاب چکشی) هدایت می‌شود که ابعاد سنگ‌ها را به حدود ۱۲٫۵ میلی متر تفلیل می‌دهد. مصالح نرم‌این مرحله را طی نمی‌کنند ولی در صورت لزوم برای کاهش اندازه می‌توان از یک آسیاب فکی یا غلتکی استفاده نمود. مخلوط کردن اجزاء معمولاً در انبارهای ذخیره مدور یا طولی انجام شده و نمونه‌ها غالباً توسط یک نمونه گیر اتوماتیک تهیه و توسط سیستم انتقال به تجهیزات تحلیلی منتقل و به وسیله تحلیل گرهای مستقیم یا غیرمستقیم پیوسته آنالیز می‌شوند. به منظور کنترل ترکیب مواد خام ذخیره و مخلوط شده، اطلاعات حاصله به طور اتوماتیک به یک کامپیوتر دیجیتالی انتقال داده می‌شود. عموماً از یک انباشته ساز (کپه کن) جهت مخلوط کردن مواد در انبارهای ذخیره استفاده و سپس مواد توسط یک ماشین برداشته می‌شود. برخی از کارخانه‌ها برای مخلوط کردن و برداشت از کانوایر کمربندی و یا جرثقیل استفاده می‌کنند.

در‌این مرحله از تولید بسته به‌اینکه کدام یک از مراحل پیش گرم – پیش کلینه سازی، خشک یا تَر مورد نیاز باشد، روش‌های مختلفی وجود دارد. حدود ۴۵ درصد از تولیدات آمریکای شمالی با استفاده از روش‌های تَر و خشک به طور مساوی انجام شود، در حالی که ۵۵ درصد از روش پیش گرم – پیش کلینه سازی استفاده می‌کنند.  عکس هوایی از یک کارگاه پیش گرم – پیش کلینه سازی را نشان می‌دهد.

 

روش خشک

مرحله پیش گرم پیش کلینه سازی:‌این مرحله شبیه مرحله خشک طولانی است که در پاراگراف بعدی توضیح داده شده است . یک آسیاب غلتکی عمودی که ممکن است پس از یک پرس غلتکی و پراکنده ساز تعبیه گردد، به منظور خشک کردن و کاهش اندازه مواد تا میزانی که ۸۰ تا ۹۰ درصد آنها از الک نمره ۲۰۰ عبور کند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. پرس غلتکی و آسیاب غلتکی عمودی فوق بیش ترین استفاده بهینه را از الکتریسیته باعث می‌شوند. مواد خام بر روی صفحه‌ای هدایت می‌شوند تا بین صفحه و غلتک‌ها خرد شوند. گازهای گرم از کوره به درون آسیاب اطراف صفحه داخل می‌شوند. همچنان که مواد به درون جریان گاز گرم هدایت می‌شوند، خشک شده و به سوی جداکننده‌هایی هدایت می‌شوند که مواد درشت را به درون آسیاب برمی‌گردانند. تجهیزات جدیدتر از جداکننده‌های دینامیکی به منظور افزایش بازدهی استفاده می‌کنند. در مواردی که مواد خام سخت تر، با استفاده از آسیاب غلتکی مسائل سایشی اضافه داشته باشد، بعضی کارخانه‌ها از آسیاب‌های لوله‌ای یا ساچمه‌ای استفاده می‌کنند.

بیشتر بخوانید  روان کننده بتن و فوق روان کننده ها : کمک به روان تر شدن بتن

نمودار شماتیک تولید سیمان.
نمودار شماتیک تولید سیمان.

 

مراحل تولید سیمان در روش خشک
مراحل تولید سیمان در روش خشک

انفجار در استخراج سنگ آهک
انفجار در استخراج سنگ آهک

نمای کلی کارخانه سیمان با روش ساخت پیش گرم – پیش کلینه سازی
نمای کلی کارخانه سیمان با روش ساخت پیش گرم – پیش کلینه سازی

 

مرحله خشک طولانی: در‌این روش آماده سازی مواد ابتدائاً توسط انتقال مواد به انبارهای تغذیه آسیاب انجام می‌شود. موادی که قبلا مخلوط نشده‌اند. را می‌توان قبل از انتقال توسط تغذیه کننده‌های وزنی بر روی یک تسمه مخلوط نمود. خشک نمودن را در صورت لزوم می‌توان در خشک کن‌های گردنده شبیه کوره‌های افقی کوتاه انجام داد که در‌این حالت مواد فقط به‌اندازه کافی حرارت می‌بینند تا رطوبت خود را از دست دهند مواد از انبارهای تغذیه به آسیاب‌های ساچمه‌ای گردنده که با یک جداساز هوا به صورت مداربسته عمل می‌نماید، هدایت می‌شود و تا حدی که ۸۰ تا ۹۰ درصد آنها از الک نمره ۲۰۰ عبور نماید، کاهش اندازه می‌یابند. اگر مقدار رطوبت مواد کم باشد، می‌توان آنها را توسط گازهای گرم خروجی از مدار کوره یا یک کوره کمکی خشک نمود. در روش خشک از انواع آسیاب‌های لوله‌ای، ساچمه‌ای، غلتکی یا آسیاب‌های پرس غلتکی استفاده می‌شود. بعضی اوقات تغذیه مواد ابتدا به آسیاب ساچمه‌ای و سپس برای خرد کردن نهایی به آسیاب لوله‌ای انجام می‌گردد. آسیاب ساچمه‌ای یک استوانه افقی است که با سرعت ۱۵ تا ۲۰ دور در دقیقه می‌چرخد و شامل ساچمه‌های فولادی به قطر ۱۰ تا ۱۵ سانتی متر است. همچنان که استوانه می‌چرخد، ساچمه‌های فولادی به طور ممتد و با قرارگیری متوالی مواد را پودر می‌نمایند. آسیاب لوله‌ای شبیه آسیاب ساچمه‌ای است با‌این تفاوت که قطر آن کوچکتر است و شامل ساچمه‌های کوچکتر (با قطر ۲٫۵ تا ۵ سانتی متر) بوده و آسیاب را ریزتر انجام می‌دهد. آسیاب کوپه‌ای از دو یا سه کوپه که توسط تیغه‌های فولادی سوراخدار از هم جدا شده‌اند، تشکیل می‌گردد. هر کوپه دارای ساچمه‌های با اندازه متفاوت است که از بزرگترین ساچمه‌ها در انتهای محل تغذیه تا کوچکترین آنها در آخرین کوپه تغییر می‌یابند. به‌این ترتیب عمل آسیاب کردن مشابه یک مدار مرکب از آسیاب‌های ساچمه‌ای و لوله‌ای خواهد بود.

مواد خرد شده به جداسازها منتقل می‌گردند تا ریزترها جدا شده، برای مخلوط کردن یا ذخیره انتقال یابند و مواد درشت تر جهت آسیاب بیشتر به آسیاب برگردانده شوند.

روش تَر: در روش تَر مواد خام از انبارهای ذخیره به آسیاب‌هایی که اساساً همان انواع ساچمه‌ای، لوله‌ای یا کوپه‌ای مورد استفاده در روش خشک هستند، انتقال داده می‌شود. آب نیز به همراه مواد به درون آسیاب وارد می‌شود. مواد مضاف معدنی از قبیل لیگنین‌ها و خاکستر سودا برای پایین آوردن لزجت و افزایش مقدار مواد جامد افزوده می‌شوند. آسیاب‌ها معمولاً با تجهیزات طبقه بندی از جمله جداساز‌های آبی، شیارها و یا دسته کننده‌های چنگکی که مواد درشت و ریز را از هم جدا می‌کنند، به صورت مداربسته عمل می‌نمایند. لجن نرم به طرف تغلیظ کننده‌ها پمپ می‌شود، تا عمده آب از آن جدا شده و سپس در تانک‌های مخلوط کردن و ذخیره هدایت می‌گردد. مواد درشت جهت آسیاب بیشتر به آسیاب برگردانده می‌شوند. به منظور جلوگیری از ته‌نشین شدن یا بروز جدایی مواد در لجن قبل از تغذیه کوره، مواد درون تانک‌های ذخیره مرتب به هم زده می‌شود.

بیشتر بخوانید  خرید روان کننده بتن | راهنمای کامل خرید روان کننده بتن در ایران

گداختن: پیش گرم سازی / پیش کلینه سازی.‌این روش در اشکال  نشان داده شده است. تغذیه کوره خشک از انبار ذخیره انجام شده و به بالای برج پیش گرم کن منتقل می‌گردد و از آنجا مخزن مرحله اول تغذیه می‌گردد. کوره پیش گرم کن از یک سری یک تا شش مرحله‌ای (هر مرحله شامل یک یا چند مخزن) تشکیل می‌شود که در آن مواد خام به طور مارپیچی به سمت پایین از میان جریان گاز گرم بالارونده از کوره یا مرحله دیگر هدایت می‌شوند. انتقال حرارت با راندمان بالا برای تولید کلینکر در ۲٫۸ میلیون کیلوژول انجام می‌شود. پیش گرم سازی به همراه به همراه پیش کلینه سازی دارای یک مخزن اضافی در برج است که در آنجا تا ۶۰ درصد کل سوخت اضافه می‌شود. در‌اینجا عمده CO2 از سنگ آهک گرفته شده و آهک زنده‌ایجاد می‌شود که مرحله‌ای ضروری در روند واکنش می‌باشد. ممکن است پیش گرم کن دارای یک پیش کلینه ساز توام با هوا یا با هوای جداگانه باشد. نوع توأم با هوا دارای مخزن اضافه نیست و عموماً مصرف سوخت آن به ۲۰ درصد محدود می‌گردد. نوع با هوای جداگانه یک کانال هوای سوم دارد و معمولاً تا ۶۰ درصد سوخت مصرفی را می‌سوزاند و لذا اجازه داشتن قطر کوچکتر برای کوره افقی را می‌دهد. مقطع کوره گردنده افقی بسیار کوچکتر از مراحل خشک و تَر است و به عنوان نمونه ۶۰ تا ۸۴ متر طول و ۳٫۶ تا ۵٫۴ متر قطر دارد.‌این امر به علت راندمان حرارتی بیشتر و افزودن عمده سوخت در انتهای پشت با عمل پیش کلینه سازی است. تمایل به راندمان سوخت بالاتر، کیفیت بهتر محصول و انتشار کمتر گازهای کوره به سیستم‌های کنترل هوشمند با استفاده از نرم افزار از نوع منطق گنگ برای بهینه سازی عملیات منجر شده است.‌این سیستم‌های کامپیوتری با استفاده از داده‌های مربوط به O2، CO، NOx و سنسورهای حرارتی در ترکیب با میزان جریان سوخت و تغذیه باعث تعدیل روند به طور اتوماتیک شده، تولید بیشتر و کیفیت بالاتر محصول با استفاده از سوخت کمتر و انتشار کمتر گازها را باعث می‌گردند. اکثر کوره‌ها علاوه بر گاز طبیعی، نفت و زغال سنگ قادر به استفاده از پوکه زغال، لاستیک، پوسته برنج، ضایعات چوب و سایر سوخت‌های تکمیلی هستند.

در انتهای تخلیه، کلینکرها که به‌اندازه گردو هستند، به یک خنک کننده چرخشی، سیاره‌ای یا شبکه‌ای وارد می‌شوند. کلینکر به سرعت خنک شده، واکنش شیمیایی متوقف می‌گردد. در حالی که همزمان هوای ورودی به کوره، جهت بهبود راندمان سوخت پیش گرم می‌شود.

مراحل تَر و خشک طولانی: مواد خشک یا لجن از انبار ذخیره به کوره گردنده افقی هدایت می‌شود. دمادر مواد با حرکت به سوی منبع حرارتی بالا می‌رود و کلوخه‌های کلینکر که شامل آهن، آلومینیوم، سیلیس و آهک هستند، طی واکنش‌های شیمیایی ترکیبات سیمانی جدید‌ایجاد می‌نمایند. مواد به مدت ۲٫۵ تا ۴ ساعت در کوره بوده همچنان که به سمت مسیر خروجی و منبع حرارتی حرکت می‌کنند، متوالیاً پرداخت شده و جلا می‌یابند. کوره با قطر حدود ۵٫۴ متر و طول ۱۸۰ متر با شیب  تا   قرار گرفته تا جریان مواد خام و کلینکر ار درون آن امکان پذیر باشد. سوخت‌های مصرفی مشابه مواردی است که قبلاً ذکر شد. به منظور حفاظت پوسته فولادی و‌ایجاد عایق در مقابل افت حرارت، کوره دارای پوشش نسوز و دیرگذار است. سرعت چرخشی حدود ۱ تا ۱٫۵ دور در دقیقه است. کوره‌های روش تَر نسبت به کوره‌های روش خشک با ظرفیت مشابه طول بزرگتری را نیاز دارند و معمولاً مبدل حرارتی قویتری را دارا هستند، لذا باعث افزایش مقدار لجن قرار گرفته شده در معرض گازهای احتراق می‌شوند. با راندمان ترین کوره‌های خشک ۴٫۷ میلیون کیلوژول در ازای هر تن کلینکر مصرف می‌کنند، در حالی که کوره‌های تَر پُربازده تقریباً ۶٫۳ میلیون کیلوژول مصرف دارند.

بیشتر بخوانید  تاثیر آنالیز سیمان بر میزان مصرف و روان کنندگی فوق روان کننده های بتن

پلان کارخانه پیش گرم – پیش کلینه سازی
پلان کارخانه پیش گرم – پیش کلینه سازی

مقطع عرضی کارخانه پیش گرم – پیش کلینه سازی
مقطع عرضی کارخانه پیش گرم – پیش کلینه سازی

نمودار کلی کارخانه سیمان پیش گرم – پیش کلینه سازی.
نمودار کلی کارخانه سیمان پیش گرم – پیش کلینه سازی.

سیستم‌های کنترل: امروزه اکثر تجهیزات دارای سیستم کنترل مرکزی است که توسط یک کامپیوتر به طور پیوسته اطلاعات مربوط به‌اندازه‌گیری‌های مختلف برای کوره را ثبت می‌نماید. برنامه‌های نرم افزاری امکان تغییر در عملیات را به منظور حصول بازدهی بهینه در تمام اوقات فراهم می‌نمایند. تلوزیون رنگی مداربسته اپراتور را قادر می‌سازد تا عملیات آتش کردن کوره را زیر نظر داشته و هدایت کند. اکثر سیستم‌های کنترل عملیات متمرکز، اطلاعات حاصله را جمع آوری و با استفاده از چهار تا شش لوله اشعه کاتدی با غربال چند مرحله‌ای و منحنی‌های آماری نظارت می‌نمایند

خرد کردن نهایی: به علت ملاحظات محیطی و ملزومات کیفی، کلینکر قبل از آسیاب نهایی درون سالن‌ها یا سبلوها ذخیره می‌شود. سپس به انبارهای آسیاب نهایی منتقل شده، به منظور کنترل زمان گیرش و بهبود ویژگی‌های مربوط به مقاومت و تغییر حجم، کلینکر با ۵ تا ۷ درصد گچ مخلوط می‌گردد. افزودنی‌های نظیر مواد کمکی پودری که مانع گیرش می‌شوند، نیز جهت بهبود خواص مربوط به سیلان مخلوط می‌شوند. آسیاب‌های مورد استفاده برای خردکردن نهایی عموماً آسیاب‌های ساچمه‌ای یک یا دو کوپه‌ای هستند که به صورت مداربسته یا جداساز هوای دینامیکی عمل می‌نمایند. اخیراً تعدادی از کارخانه‌ها از جداسازهای با راندمان بالا استفاده می‌کنند که اجزا درشت و بسیار ریز را به حداقل رسانده، خروجی آسیاب را افزایش داده و راندمان الکتریکیرا بهبود می‌بخشند. بسیاری از کارخانه‌ها نیز در جلوی آسیاب‌های نهایی پرس‌های غلتکی را به منظور بهبود ظرفیت و راندمان آسیاب نصب نموده‌اند. سیمان حاصله از آسیاب نهایی به سیلوهای ذخیره با حمل انتقال می‌یابد. محموله‌ها غالباً حجیم بوده نیاز به واحدهای مخصوص برای کامیون و همچنین ریل‌های انتقال می‌باشد. محصول بسته بندی شده ۴۲٫۵ کیلوگرمی‌در آمریکا و ۴۵ کیلوگرمی‌در مکزیک و کانادا در کیسه‌های کاغذی چندلا نیز در دسترس می‌باشد .

اتاق کنترل یک کارخانه سیمان مدرن.
اتاق کنترل یک کارخانه سیمان مدرن.

سیمان کیسه‌ای در حال بارگیری از کارخانه.
سیمان کیسه‌ای در حال بارگیری از کارخانه.

سیلوهای ذخیره سیمان و نمایی از پیش گرم سازی.
سیلوهای ذخیره سیمان و نمایی از پیش گرم سازی.

[۱]– mill scale

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Share via
Copy link
Powered by Social Snap