تولید سیمان
با اقتباس از پایان نامه کارشناسی ارشد پریسا فرهودی نیری، گروه مهندسی معدن دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه ارومیه، سال 1395
مقدمه
سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل سنگ آهک و اکسید های آهن، آلومینیوم و سیلیس که به صورت خاک رس و یا سنگ های رسی هستند و مخلوط نمودن آنها با نسبت های معین و حرارت دادن در کوره های دوار تولید می شود. در این مرحله، مواد در کوره، تبدیل به گلوله های تقریبا سیاه رنگی می شوند که کلینکر نامیده می شود.
نحوه ی تولید سیمان
مراحل تولید سیمان با توجه به ترکیبات شیمیایی مختلف و فرآیندهای گوناگونی که جهت تولید سیمان باید طی شود تا محصول نهایی با کیفیت مطلوب حاصل گردد، بسیار پیچیده بوده و نیاز به توضیحات دقیق و تشریح کامل روند تولید می باشد. در شکل زیر روند تولید سیمان بطور شماتیک ارائه شده است.
مواد اولیه ی سیمان
مواد اولیه ی سیمان شامل موادی است که اجزای تشکیل دهنده ی مورد نظر برای تولید کلینکر سیمان را به طور کامل دارا باشند؛ بدین معنی که در تهیه ی سیمان از مواد خامی استفاده می شود که حاوی کربنات کلسیم و ترکیبات آلومینیوسیلیکات ها هستند. علاوه بر این، معادن آن باید به آسانی قابل استخراج بوده و ذخایر نسبتاً قابل ملاحظه ای داشته باشد. مواد اولیه ای که در ساختن سیمان به کار می روند، عبارتند از: اکسید کلسیم، اکسید سیلیس، اکسید آهن و اکسید آلومینیوم.
آهک زنده یا اکسید کلسیم ) CaO )
آهک از مهم ترین و اصلی ترین مواد مورد استفاده در تولید سیمان است. اکسید کلسیم از پختن سنگ آهک یا کربنات کلسیم در حرارت حدود 1000 درجه ی سانتی گراد به دست می آید. 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 ی سانتی گراد پخته شده و تبدیل به اکسید کلسیم و یا آهک زنده می شوند.
در این گرما آب شیمیایی خاک رس نیز از آن جدا می شود. در درجه حرارت بیش از 1000 درجه ی سانتی گراد، آهک زنده با اکسیدهای سیلیسیم، آلومینیوم و آهن ترکیب شده و اکسیدهای مرکب تشکیل می شوند (رستگار، 1392).
اکسید سیلیس (2SiO )
این ماده که در سنگ های طبیعی یافت می شود، یکی از مواد اصلی در ساخت سیمان پرتلند است. وقتی سیلیس حرارت داده می شود، در ساختمان کریستالی آن تغییراتی به وجود می آید. در کوره ی سیمان پزی با دمای بیش از 1200 درجه ی سانتی گراد، سیلیس با آهک ترکیب شده و دو کلسیم سیلیکات و سه کلسیم سیلیکات تشکیل می شود.
خاک رس معمولی دارای مقادیر زیادی سیلیس است. میزان سیلیس مورد نیاز 17 تا 26 درصد وزن سیمان است که چنانچه نتوان این مقادیر را با استفاده از خاک رس معمولی تأمین کرد، می توان آن را از طریق افزودن پودر سیلیس جبران نمود (رستگار، 1392).
اکسید آلومینیوم (Al2O3)
آلومینا همان اکسید آلومینیوم خالص است که مقادیر زیادی از آن در خاک رس وجود دارد. خالص ترین نوع خاک رس، کانی کائولینیت است که در آن حدود 40 درصد وزن مولکولی کل، آلومینا دارد. آلومینا در سیمان پزی، اثر گدازآور را دارد و در هنگام پخت سیمان، درجه ی آب شدن و پخت مواد خام را کاهش می دهد. از نظر شیمی سیمان، در اثر حرارت داخل کوره ی دوار با آهک ترکیب شده و تشکیل سه کلسیم آلومینات را می دهد.
وجود این اکسید مرکب در داخل سیمان تولیدی باعث می شود که سیمان زودگیرتر شود و در هنگام ترکیب سیمان با آب، حرارت بیشتری ایجاد شود. ملات سیمانی که فاقد اکسید سه کلسیم آلومینات باشد، در برابر آب دریا و سایر آب های سولفاتدار مقاوم است (رستگار، 1392).
اکسید آهن (Fe2O3)
اکسید آهن (فریک) نیز همانند آلومینا در سیمان پزی نقش گدازآور را دارد و باعث کاهش درجه ی آب شدن مواد خام در داخل کوره ی سیمان پزی می شود. این اکسید در داخل کوره و در هنگام پخت به همراه آلومینا با آهک ترکیب شده و تشکیل اکسید مرکب چهارکلسیم آلومینوفریت را می دهند. اکسید آهن زیاد، سیمان را کندتر و رنگ سیمان را نیز تیره می کند؛ به همین دلیل برای ساخت سیمان سفید از این اکسید استفاده نمی شود. اکسید آهن جزء اصلی تشکیل دهنده ی اغلب سنگ آهن ها است.
از این رو اکسید فریک، کم و بیش در اغلب کانی ها خصوصاً خاک رس وجود دارد و اغلب در مواد اولیه ی ساخت سیمان و به طور اجتناب ناپذیر در سیمان پرتلند تولیدی نیز اکسید مرکب آن به وجود می آید که رنگ سیمان را تیره می کند (رستگار، 1392).
مارن
سنگ آهک و خاک رس که مواد اولیه ی سیمان را تشکیل می دهند، در طبیعت به صورت مخلوط های گوناگون و متغیر یافت می شوند و نامگذاری آنها بر پایه ی تغییرات کربنات کلسیم موجود در مخلوط ها صورت می گیرد. ترکیب طبیعی مواد خام سیمان را که نیازی به اختلاط جهت تنظیم ندارند، مارن (مارل) می نامند (رستگار، 1392). به عنوان مثال، کارخانه ی سیمان ایلام به دلیل استفاده از ترکیب طبیعی مارن و بدون استفاده از هیچ افزودنی دیگری در تولید سیمان، قیمت تمام شده ی کمتری در تولید محصول خود دارد.
تولید سیمان از باطله سنگ های ساختمانی
همان گونه که عنوان شد، یکی از مهم ترین اجزای تشکیل دهنده ی سیمان، اکسید کلسیم است که از کربنات کلسیم استحصال می شود. به عبارت دیگر، اکسید کلسیم، ترکیب غالب سیمان به شمار می رود. از سوی دیگر، تولید سنگ ساختمانی کربناته مانند: سنگ مرمریت، لایم استون و سنگ چینی، همواره باعث تولید میزان قابل توجهی از باطله می شود. باطله های مذکور هم در معادن و هم در کارخانه های سنگبری تولید می گردند.
یکی از کاربردهای باطله های سنگ های ساختمانی کربناته، استفاده از آن ها در تولید سیمان است. این کار نه تنها باعث کاهش قابل توجه حجم باطله های معدنی می شود و از دیدگاه زیست محیطی مهم است بلکه هزینه ی تولید سیمان نیز کاهش خواهد یافت. لذا قرارگیری کارخانجات تولید سیمان در کنار معادن سنگ های ساختمانی کربناته و یا شهرک های سنگبری، موقعیت بسیار مناسبی برای تولید سیمان از باطله ها خواهد بود. تولید سیمان به این روش، باعث مصرف میزان قابل توجهی از این باطله ها خواهد شد؛ این در حالی است که بیشتر مراکز تولید سنگ های ساختمانی با مشکلات زیست محیطی حاصل از انباشت باطله ها روبه رو هستند.
