تحقیق مقاله فرآیند تولید سیمان

مقدمه سیمان

با توجه به تحولات قرن اخیر که در کلیه علوم و فنون منجمله در صنعت ساختمان سازی ایجاد گردیده با توجه به رشد روزافزون جمعیت و احتیاج به گسترش شهرها، کارشناسان متوجه شدند که اگر شهرها به طرو افقی گسترش یابد رسانیدن سرویس های شهری مانند آب و برق ، تلفن، گاز و همچنین پست و آسفالت و غیره به شهروندان با مشکل مواجه خواهد گردید بدین لحاظ تشخیص دادند که شهرها باید به طور عمودی گسترش یابد در نتیجه ساختمانهای یک یا دو طبقه قرون 18 و 19 به ساختمانهای بلند قرن بیستم تبدیل گردید رفته رفته مصالحی مانند آجر و آهک و ملاتهای کم مقاومت منسوخ و مصالح مرغوب تری که بتواند بارهای فشاری و کششی بیشتری را تحمل نماید مورد توجه قرار گرفت که در رأس آنها سیمان و انواع فولاد می باشد که روز به روز مراحل تکامل خود را طی نموده و هر لحظه در آزمایشگاههای مهم دنیا در اثر آزمایشات شبانه روزی انواع مرغوب تر و کامل تری از آن ارائه می گردد. بدین لحاظ جا دارد که در موردمطالعه و شناخت سیمان دقت بیشتری نموده تا آشنایی بیشتر با این مصالح پیدا  کنیم باید توجه نمد هر لحظه ممکن است مطالعات و کیفیات آزمایشگاهی محصول جدیدتری را به دنیال صنعت را ارائه نمایند. پس در این قسمت سعی بر آن شده است که حتی المقدور در مورد مطالب کلی سیمان گفتگو شود.

سیمان یا سمنت واژه ای است که از لغت سمنتوم رومی گرفته شده و قدمت آن به بیش از میلادی می رسد. مصرف آن در ساختمان پانتئون شهر رم واقع در ایتالیا که مربوط سه 27 قبل از میلاد است دیده شده .

در ساختمان گنبد این بنا که 43 متر قطر دارد . مخلوطی از خرده سنگ و آهک پخته بکار رفته است ولی کشف سیمان به شکل امروز مربوط است به یک نفر انگلیسی بنام ژوزف اسیدین joseph espdn که از پختن آهک و خاک رس در حرارت بالا و آسیاب کردن موفق شد ابتدایی ترین نوع سیمان را کشف نموده و آن را در تاریخ 21 اکتبر 1824 بنام خود در انگلستان ثبت نماید و نام محصول بدست آمده را سیمان پرتلند گذاشت علت این نامگذاری همانطوریکه گفته شد سیمان از سنتوم رومی گرفته شده و پرتلند نام جزیزره ای است در انگلستان که رنگ سیمان پس از سخت شدن به رنگ سنگهای ساحلی این جزیره در می آید به همین دلیل نام پرتلند را دنبال سیمان برای آن انتخاب نممودند البته قبل از ژوزف اسپدین اشخاص دیگری در فرانسه و انگلستان از پختن خاک رس و سنگ آهک مصالح مشابهی بدست آوردند ولی هیچکدام کار خود را دنبال نکرده و محصول خود را ثبت نرسانیدند باید توجه نمودکه در بعضی از کتابهای ایرانی که در دسترس نگارنده بود اشخاص دیگری را به عنوان اولین نفر که سیمان را به ثبت رسانید معرفی می نمایند ولی در فرهنگ دهخدا و دایره المعارف فارسی تألیف غلامحسین مصاحب ژوزف اسپدین را به عنوان اولین نفر ذکر می کنند ولی آ«چه مسلم است که سیمان در اوایل قرن نوزدهم در انگلستان به ثبت رسیده و آن را ابتدا برای ساختن فانوس دریایی مورد مصرف قرار دادند.

تاریخچه رواج سیمان در ایران

بدیهی است منظور از تاریخچه سیمان در ایران یک تحقیق تاریخی نیست که بدانیم مثلاً اولین پاکت سیمان در چه تاریخی و یا به وسیله چه شخصی به ایران وارد شده است بلکه منظور این است که نگاه مختصری داشته باشیم به تاریخ سیمان ایران.

اولین کارخانه سیمان با تولید روزانه 100 تن در نزدیکی شهر ری در تهران احداث و در سال 1312 آغاز به کار کرد و تا تاریخ 1334 به تدریج با افزودن واحدهای دیگر به این مجموعه ظرفیت این کارخانه به 600 تن در روز رسید ولی به علت شروع عملیات ساختمانی و راه سازی این مقدار سیمان جوابگوی نیازهای کشور نبود و به تدریج در نقاط دیگر مملکت کارخانه های بزرگ سیمان دایر گردید از جمله سیمان تهران – سیمان شمال – سیمان مشهد – سیمان فارس – سیمان ارومیه و سیمان آبیک که تعداد آنها در حدود 20 کارخانه بوده تولید روزانه آنها فعلاً در حدود بیست میلیون تن در سال می باشد که هنوز جوابگوی مصرف داخلی نبوده و مجبور به واردات سیمان

می باشیم.

مواد تشکیل دهنده سیمان پرتلند

بایدتوجه نمود رایج ترین و پرمصرف ترین سیمان مورد استفاده در صنعت ساختمان سازی اعم از پل – تونل – راه سازی و یا ساختمان سازی و غیره همان سیمان پرتلند است و ما در این بخش بیشتر به ذکر مشخصات این نوع سیمان می پردازیم . در ضمن اشاره کوچکی هم به سایر انواع سیمان می نمائیم. موادی که برای پختن سیمان به کوره می رود از دو ماده اصلی تشکیل شده که تقریباً شامل تمام مواد مورد نیاز سیمان پزی می باشد. این دو ماه عبارت است از خاک رس و سنگ آهک ولی اگر بخواهیم بطور مجزا مواد تشکیل دهنده سیمان را مطالعه نماییم آنها عبارتند از:

1- CaO (آهک زنده) به میزان 60 تا 70 درصد البته باید توجه نمود که در ابتدا بجای آهک زنده، سنگ آهک به کوره وارد می شود و در مراحل اولیه پخت CaCO3 به CaO و CO2 تبدیل گشته و CO2 متصاعد می شود و CaO در کوره باقی می مانده و در فعل و انفعالات شرکت می نماید.

2- سیلیس                      SiO2                     در حدود 20%

3- اکسید آلومینیوم           Al2O3                  در حدود 6%

4- اکسید آهن                 Fo2O3                  در حدود 4%

5- اکسید منیزیم              MgO                    در حدود 3%

6-                                SO3,Na2O,K2O در حدود 4%

7- مواد دیگر                                       در حدود2%

باید توجه داشت که ممکن است مواد فوق چند درصد کمتر و یا زیادتر وارد کوره بشود و این تفاوت مربوط می شود به جنس سیمان و سایر مشخصات فنی که بعداً درباره آن توضیح داده خواهد شد. اکسیدهای فوق ممکن است به صورت کربنات یا سولفات وارد کوره بشوند که در حرارت های اولیه تجزیه گشته و به اکسید تبدیل

می شوند مانند کربنات کلسیم که در کوره به اکسید کلسیم تبدیل

می شود و یا کربنات منیزیم MgCO3 که در حرارت های اولیه به MgO تبدیل می شود به هرحال سنگ آهک و خاک رس را به نسبت تقریبی 75 درصد آهک و 25 درصد خاک رس مخلوط می کنند و به کوره می برند. گاهی در طبیعت مخلوط سنگ آ]ک و خاک رس به نسبت مورد نیاز در صنعت سیمان پزی به طور دقیق یافت می شود به اختلاط از قبل برای بشر آماده شده است مارل (MARL) می گویند.

اگر در خاک رس کلیه مواد مورد نیاز سیمان یافت نشود می توان مورد نیاز به آن اضافه نمود این مواد اغلب از ضایعات کارخانجات صنعتی به دست می آید.

روند تهیه سیمان

در تمام طول تهیه سیمان از آغاز گاز که تهیه مواد اولیه است تا آخرین مرحله که بارگیری می باشد همیشه دو عمل مورد نظر است که در تمام مراحل تهیه سیمان می آید اعمال می شود.

اول مخلوط کردن مواد می باشد از ابتدا سعی بر این است که در تمام مراحل تهیه سیمان به هر وسیله که ممکن باشد کاری کنند که مواد مختلف سیمان با یکدیگر بهتر مخلوط شده و محصول یکنواختی تولید نماید حتی عمل مخلوط کردن در سیلوها نیز انجام می شود. دوم آزمایشگاه است در کلیه مراحل تهیه سیمان همیشه آزمایشگاه ناظر بر کار تهیه سیمان می باشد تا محصول بدست آمده مطابق مشخصات ارائه شده از طرف کارخانه می باشد در کارخانه های جدید به طور خودکار مقداری از محصول در مراحل مختلف تهیه مثلاً از روی

قسمت های نقاله حمل مواد و یا سیلوهای ذخیره مواد و یا هم زن ها و یا کوره های پیش داغ کن و غیره به آزمایشگاه برده می شود که اولاً درصد مواد تشکیل دهنده سیمان کنترل شده و آن را با مشخصات تعیین شده در کارخانه تطبیق نمایند و مواد کم یا زیاد آنرا تصحیح کنند در ثانی پراکندگی مواد مختلف در کل محصول مورد کنترل قرار گیرد تا اگر بعضی از اقلام محصول در نقطه متمرکز شده باشد به وسیله هم زن های مختلف این تجمع را پراکنده کرده تا حتی المقدور محصول یکنواختی بدست آید روش کار آزمایشگاه بدین گونه است که مثلاً در طول مسیر حرکت مصالح برای تهیه سیمان در نقاط مختلف تسمه های نقاله در زمانهای مساوی به طور خودکار دریچه ای باز شده و قسمتی از محصول به داخل جعبه ای می ریزد و این جعبه که بلافاصله در آن بسته می شود از کانالهایی که برای همین منظور ساخته شده است به طور خودکار بوسیله فشار هوا و با شیب طبیعی به آزمایشگاه هدایت می شود و به طرق مختلف این نمونه مورد آزمایش قرار می گیرد و کم و کسری ها در هر مرحله اصلاح می شود.

برای تهیه سیمان مراحل مختلف شرح داده شده در زیر انجام

می شود.

معادن

معمولاً کارخانه های سیمان در نقاطی احداث می شود که اولاً به معادن سنگ آهک و خاک رس و یا به طور کلی در صورت امکان به معادن مارل نزدیک باشد در معادن یا به صورت کمپرسور و یا بوسیله دینامیت خوراک کارخانه تهیه می شود و این مواد به نسبت دوری و نزدیکی معدن با کارخانه بوسیله کامیون و یا تسمه نقاله به کارخانه هدایت می شود باید توجه داشت که بعضی از مواد مانند خاک رس احتیاج به آتشکاری و انفجار نداشته و می توان آنها را از معدن مستقیماً بوسیله لودر و یا حداکثر بولدوزر جدا کرده و به وسیله لودر بازگیری نمود. درهر حال محصول دپو شده پس از آزمایش و اجازه آزمایشگاه به کارخانه حمل می شود.

2-سنگ شکن ها

این محصول پس از ورود به کارخانه مستقیماً به محل آسیاب ها برده شده و به وسیله سنگ شکن ها خرده می شود تا درشتی آن ه حداکثر حدود 10 سانتیمتر برسد و برای آسیاب کردن آماده گردند، در کارخانه های سیمان پزی برای مراحل مختلف خرد کردن محصول از سنگ شکن ها متفاوت استفاده می شود مانند سنگ شکن های فکی – ضربه ای – ساچمه ای و غیره در این مرحله بیشتر از سنگ شکن های فکی یا ضربه ای (چکشی) استفاده می گردد و بستگی به نوع و سختی مصالح استخراج شده از معدن ممکن است یک یا چند بار خرد شوند.

گاهی ممکن است این سنگ شکن ها در محل معدن باشد و محصول خارج شده از معدن بلافاصله به سنگ شکن ریخته شده و قطعات خرد شده سنگ به وسیله تسمه نقاله – واگن هوایی و یا کامیون به کارخانه حمل گردد که انتخاب وسیله حمل از معدن به کارخانه بستگی به فاصله معدن تا کارخانه دارد اگر این فاصله نزدیک باشد از تسمه نقاله و یا واگن هوایی استفاده میشود و اگر این فاصله دور باشد مثلاً در حدود 10 کیلومتر باشد از کامیون و یا واگن های زمینی استفاده می گردد. اگر سنگ شکن ها در محل معدن مستقر باشد باید حتماً از سنگ

شکن های متحرک استفاده گردد زیرا با بهره برداری مصالح معدن تدریجاً عقب نشینی می نمایند که در این صورت باید سنگ شکن ها هر روز سکوی تغییر دهند این سنگ شکن ها باید بتوانند روزانه حدود پنج یا شش هزار تن سنگ را در مدت 8 ساعت کار خرد نمایند البته این مقدار با بزرگی و کوچکی کارخانه متفاوت می باشد.

این مقدار سنگ خوراک کارخانه ای است که ظرفیت تولید سالیانه آن حدود یک میلیون تن سیمان می باشد البته باید توجه نمود که سنگ شکن ها باید به تعدادی باشند که محصول مورد نیاز کارخانه وسیله نیمی از آنها تأمین گردد و نیمه بقیه برای سرویس و آماده سازی تحت تعمیر باشند زیرا سنگ شکن ها با توجه به کار سنگینی که دارند همیشه در معرض خراب شدن و شکستن قطعات هستند بهرحال این مواد پس از آزمایش و تعیین درصد عناصر موجود و در صورت لزوم تصحیح عناصر به سالنهای ذخیره می روند.

3- آسیاب کردن مواد

با توجه به اینکه معمولاً کار کوره های سیمان پزی پیوسته بوده و شبانه روز کار می کنند ولی معدن و سنگ شکن های مقدماتی فقط روزها کار می کنند در این صورت باید همیشه سالنهایی برای ذخیره مواد موجود باشد بدین لحاظ محصول سنگ شکن ها به سالنهای ذخیره برده می شوند و در این سالنها هم مواد تشکیل دهنده محصول کنترل شده و تا حدودی بوسیله دستگاههای مخلوط کن این عناصر با یکدیگر مخلوط می گردد.

4- خشک کن مقدماتی

چون ممکن است بعضی از مواد اولیه هدایت شده به این سالنها دارای آب بیش از اندازه باشد مانند خاک رس که اغلب با رطوبت زیاد از معدن استخراج می شود و رطوبت زیاد آنها ایجاد مزاحمت در آسیابهای مرحله دوم می نماید بدین لحاظ این مواد را به وسیله هوای گرم که در قسمت های مختلف کوره اصلی تولید می شود خشک

می نمایند البته مصالح را به طرق مختلف خشک می کنند یکی از رایج ترین آنها کوره دوار است که رطوبت مواد را به میزان قابل ملاحظه ای پایین می آورد و مصالح را آماده برای پودر کردن می نماید بخاطر آب حاصل از خشک کردن مصالح با هواکش های مخصوص که در خشک کن تعبیه شده است به بیرون هدایت می شود.

5- پودر کردن مواد اولیه

برای آنکه مصالح برای هدایت به کوره آماده نمائیم باید آن را به صورت دانه های بسیار ریز در بیاوریم قطر این دانه ها نباید از 1/0 میلیمتر بیشتر باشد یکی از علل ریز کردن دانه ها آن است که هر چه مقدار سطح مخصوص (سطح واحد حجم و یا سطح واحد وزن) دانه بیشتر باشد سطح جذب حرارت بیشتر بوده و پخت سیمان سریع تر انجام می گردد و از حرارت کوره استفاده بیشتری می شود متداول ترین آسیاب برای پودر کردن مواد اولیه آسیاب های ساچمه ای یا آسیاب های گلوله ای می باشند این آسیاب ها تشکیل شده اند از یک استوانه که درون آن گلوله های فولادی به قطر های مختلف از 2 سانتیمتر تا 10 سانتیمتر قرار دارد این استوانه دارای حرکت دوارنی یکنواخت است و در نتیجه این دوران گلوله ها به بالا برده شده و سقوط می نمایند که در اثراین سقوط گلوله ها که ضربه ایجاد می کند. مواد داخل آسیاب را به اندازه دلخواه پودر می نماید. سرعت گردش آسیاب، کاملاً محاسبه شده می باشد. زیرا اگر این سرعت از میزان معینی سریع تر بچرخد گلوله ها تحت تأثیر قوه گریز از مرکز واقع شده و به بدنه آسیاب چسبیده و سقوط نمی کنند و اگر از میزان معینی کندتر بچرخد گلوله ها بالا نرفته و سقوط نمی کنند در نتیجه مواد به سرعت لازم کوبیده نمی شود. بهرحال این گلوله ها ماد را خرد کرده و به صورت پودر نرمی در می آورند پودر خارج شده از این آسیابها بوسیله آزمایشگاه کنترل شده و اگر درصد مواد و همچنین پراکندگی ذرات آن مورد تأیید باشد آماده رفتن به کوره سیمان پزی می گردد این مواد به دو روش به کوره سیمان پزی می رود . روش خشک و روش تر.

1- روش تر

اگر مقدار رطوبت موجود در مصالح از مقدار معینی بیشتر باشد (حدود 25%) و همچنین اگر متد و تجهیزات کارخانه اجازه بدهد در حین آسیاب کردن با افزودن آب رطوبت مواد را به 40% وزن مواد

می رسانند با این مقدار آب مواد را به صورت لجن در می آورند آنگاه این لجن را به حوضهای مخصوصی هدایت کرده که در وسط آن هم زنی موجود می باشد که مواد داخل شده به حوض را به خوبی مخلوط می کند این هم زن ها به صورت شانه بزرگی در مرکز حوض حول محور خود می چرخد و مواد وارد شده در حوضچه را به خوبی مخلوط می نماید این مصاح پس از مخلوط شدن به سیلوهای ذخیره هدایت می شود و پس از تأیید آزمایشگاه به کوره برده می شوند ضمناً در همین حوض ها کسری آب مواد به آن اضافه می گردد.

2- روش خشک

اگر آب موجود در مصالح کم باشد همانطوریکه گفته شد آن را به وسیله خشک کن های مختلف خشک کرده و آسیاب میکنند و آنگاه آنرا به سیلو می برند.

تفاوتهای روش خشک و تر

در روش تر بعلت آنکه نسبت به روش خشک گرد و خاک کمتری تولید می نمایند برای حفظ جان کارگران مناسب تر می باشد. سیمان حاصل از روش تر به علت آنکه بهتر مخلوط شده است مرغوب تر

می باشد هزینه سوخت سیمان پزی در روش تر بیشتر است در نتیجه سیمان گرانتر تمام می شود نگهداری مصالح به روش تر مشکل تر

می باشد زیرا دانه های موجود در لجن به نسبت وزن مخصوص خود رسوب می نمایند بدین لحاظ سیلوهای نگهداری مصالح به روش تر مجهز به مخلوط کن باشد که این ممکن است این مخلوط کردن به دمیدن هوا از پایین در سیلو انجام شود.

6- آزمایش نهایی

از نقاط مختلف هر سیلو نمونه برداری شده و به آزمایشگاه برده می شود اگر این نمونه با توجه به نوع سیمانی که باید تهیه شود دارای کلیه مواد مورد نیاز سیمان با درصد لازم بوده و پراکندگی مواد در آن مطلوب باشد آماده وارد شدن به کوره می باشد در این صورت آزمایشگاه اجازه پخت آنرا صادر می نماید ولی اگر درصد مواد مورد تأیید آزمایشگاه نباشد.

منتظر بارگیری سیلوی دوم می شوند زیرا ممکن است درصد مواد متشکله سیلوی دوم و اول به نسبتهای داده شده از طرف آزمایشگاه مواد مورد نیاز سیمان را شامل بشود و اگر نشد منتظر سیلوی سوم و چهارم وبالاخره سیلوی پنجم می نمایند و اگر باز هم با مخلوط کردن مواد این پنج سیلو مصالح دلخواه حاصل نشود آنگاه آزمایشگاه سیلوی ششم را با مصالحی که بتواند پنج سیلوی قبلی را اصلاح نماید تکمیل می نماید.

به این سیلو در کارخانه، سیلوی تصحیح می گویند این تصحیح مواد از معدن بوسیله انتخاب سنگهای مورد نیاز وسیله آزمایشگاه انجام شده و تا آسیاب اولیه و آسیاب دوم و تسمه های نقاله ادامه پیدا می کند در این صورت با درصد داده شده از طرف آزمایشگاه مصالح سیوها را مخلوط کرده و برای تغذیه کوره اصلی آماده می نمایند. مصالحی که برای رفتن به کوره آماده شده باشد خوراک کوره

می نماید.

هر کارخانه سیمان پزی به نسبت بزرگی و کوچکی دارای سیلوهای متعددی می باشد هر یک از سیلوها می تواند خوراک سه تا پنج روز کوره را تأمین نمایند و سیلوها از بالا تغذیه شده با توجه به اینکه وزن مخصوص مواد متشکله سیمان یکسان نیست ممکن است در اثر رسوب پراکندگی مواد به هم خورده و مواد همگن که از مهمترین اصول تهیه سیمان است وارد کوره نشود رسوب مواد و ناهمگن شدن آن در سیلوهایی که مواد را به صورت لجن در خود ذخیره می نمایند به مراتب بیشتر است برای جلوگیری از این موضوع سیلوها را مجهز به دستگاه همزن می نمایند که اغلب این هم زن ها ایرواسلاید (بادی) می باشد و با دمیدن هوا از پایین و عبور هوا از لابه لای مواد و خروج آن از بالا، مواد داخل سیلو همیشه در حال مخلوط شدن می باشد این سیلوها باید بتوانند به آسانی مواد ذخیره شده در خود را به کوره هدایت نمایند. جنس این سیلو معمولاً از بتون می باشد.