اجراءات تصنيع الاسمنت
المؤلف:
GEORGE T . AUSTIN
المصدر:
SHREV ‘ S CHEMICAL PROCESS INDUSTRIES
الجزء والصفحة:
ص 297
25-8-2016
6173
اجراءات تصنيع الاسمنت :
نحتاج الى نموذجين من المواد لإنتاج الاسمنت البورتلاندي : الأول غني بالكلسيوم (كلسي) ، كحجر الجير ، والطباشير ، الخ ، والآخر غني بالسليكا (طيني) كالطين .
كانت تصنع سابقاً كميات كبيرة من حجر الجير الطيني ، وعرف باسم الصخر الاسمنتي cemen trock ، ويوجد في نيوجرسي وبنسلفانيا . تستخدم بعض المصانع ، اضافة الى المواد الطبيعية ، خبث الافران العالية وراسب كربونات الكلسيوم كمنتج ثانوي من صناعة القلويات وسلفات الامونيوم . ويستخدم احياناً الرمل ، ونفاية البوكسيت ، وخامة الحديد بكميات صغيرة لتعديل تركيب المزيج كما تضاف نسبة 4- 5 % من الجص لتعديل زمن تصلب الاسمنت .
تطحن المواد الخام المبينة في (الجدول 10-3) بشكل ناعم ، وتمزج ، وتسخن (تحرق) في فرن دوار لتشكيل أثناء التكلس . وتستخدم في صناعة الإسمنت رموزاً مختصرة لمركبات الخبث ، كما يلي :
CaO = C MgO = M CO2 = C
SiO2 = S SO3 = S H2O = H
Al2O3 = A Na2O = N
Fe2O3 = F K2O = K
وهكذا يكون C3S = (3CaO.SiO2) Ca3SiO5
تحدث مختلف التفاعلات ، كتبخر الماء ، وتولد ثاني اكسيد الكربون ، والتفاعل بين الجير والطين اثناء الاحتراق ( الجدول 3-1). تحدت معظم هذه التفاعلات في الطور الصلب ، ولكن يحدث الانصهار المهم عند نهاية المعالجة . ويبدأ تشكل السائل عند 1250 مئوية وقد لا يحدث تشكل ملحوظ لـS3 Cعند درجة حرارة أدنى من ذلك . و S3C هو المقوم الرئيسي الذي يسبب متانة الاسمنت وأثناء تشكله ينخفض الجر الحر الموجود الى كمية ضئيلة . يحدث 20- 30 % من التفاعلات في الطور السائلي النهائي .
الجدول 1- 1 . المواد الخام المستخدمة في انتاج الاسمنت البورتلاندي في الولايات المتحدة ( بآلاف الاطنان المترية)
|
المواد الخام
|
1979
|
1980
|
1981
|
|
كلسية
|
|
|
|
|
حجر الجير (يتضمن الأراغونيت aragonite ، والرخام ، والطباشير)
|
73725
|
71164
|
66380
|
|
الصخر الاسمنتي (يتضمن المارل marl)
|
28167
|
22717
|
24204
|
|
قواقع المحار oyster shell
|
3089
|
3080
|
2809
|
|
طينية
|
|
|
|
|
طين
|
6378
|
5654
|
5219
|
|
طين صفحي shale
|
3899
|
3811
|
3317
|
|
أخرى (تتضمن الستوروليت staurolite ، والبوكسيت ، وخبث الألومنيوم ، والخفاف pumice ، ومادة بركانية )
|
329
|
284
|
193
|
|
سليكونية
|
|
|
|
|
رمل
|
1934
|
1813
|
1631
|
|
حجر رملي ومرو
|
734
|
607
|
667
|
|
حديدية
|
|
|
|
|
خامة الحديد ، بيريتات pyrites ، قشرة مطحونة mill- scale ومادة تأكل الحديد
|
966
|
1068
|
1040
|
|
أخرى
|
|
|
|
|
جبس وأنهيدريت anhydrite
|
3931
|
3508
|
3272
|
|
خبث الفرن العالي
|
439
|
120
|
86
|
|
رماد متطاير
|
463
|
546
|
688
|
|
أخرى
|
5
|
155
|
147
|
|
الإجمالي
|
124059
|
114529
|
109654
|
يجرى تصنع اسمنت الكلنكر بالطريقتين السائلة والجافة . ويفضل طريقة الدورة المغلقة بالطحن (closed- circuit) على طريقة الطحن بالدورة المفتوحة عند تحضير المواد الخام ، لأنه متم فصل الدقائق الناعمة المتشكلة في الطريقة الاولى ويعاد طحن الجسيمات الخشنة ، بينما تطحن هذه المواد في الدورة الثانية باستمرار حتى مبلغ متوسط نعومتها الى القيمة المرغوبة (انظر الصورة 10-2 من اجل بعض تصاميم الطحن) . ويقدم برى تفاصيلاً اكثر عن الدوائر العملة للطحن مع احتياجات الطاقة . لقد استبدلت المعالجة السائلة ، رغم انها هي الطريقة الاصلية ، بالمعالجة الجافة ، وخصوصاً في المصانع الحديثة ، نظرا لتوفر الحرارة ، ودقة التحكم ، وما تقدمه من مزج للمزيج الخام . انتجت مصانع المعالجة الجافة ، عام ١980 حوالي 45 % من اجمالي الطاقة الانتاجية للإسمنت ، لكنها استخدمت فقط 40 % من اجمالي استهلاك الطاقة في المصانع . وقد اوضحنا هذه المعالجات في مخطط الانتاج العام في الصورة 1 - 1 .
الجدول 2 - 1 . مركبات الكلنكر .
|
الصيغة
|
الاسم
|
الاختصار
|
|
2CaO.SiO2
|
سليكات ثنائي الكلسيوم
|
C2S
|
|
3CaO.SiO2
|
سليكات ثلاثي الكلسيوم
|
C3S
|
|
3CaO.Al2O3
|
ألومينات ثلاثي الكلسيوم
|
C3A
|
|
4CaO.Al2O3.Fe2O3
|
ألومينوفريت رباعي الكلسيوم
|
C4AF
|
|
MgO
|
أكسيد المغنزيوم في الحالة الطليقة
|
M
|
وفي الطريقة السائلة ، يتم تحويل المادة الصلبة ، بعد السحن الجاف ، الى حالة تجزئة ناعمة في انبوب سائل او في مطاحن الكريات وتمر على شكل روبة عبر مصنفات او مصاف حوضية . تضخ الروبة الى صهاريج تصحيح ، حيث تقوم اذرع دوارة بمجانسة المزيج وتسمح بإجراء التعديل النهائي على التركيب ، في بعض المصانع ترشح الروبة بمرشح دوار مستمر وتلقم الى الفرن .
الجدول 3-1 . التفاعلات اثناء تشكل الكلنكر .
|
درجة الحرارة
(مئوية)
|
التفاعل
|
تبدل الحرارة
|
|
100
|
تبخر الماء الحر
|
ماص للحرارة
|
|
500 وما فوق
|
نشوء الماء المتحد من الطين
|
ماص للحرارة
|
|
900 وما فوق
|
تبلر النواتج اللامتبلرة المزالة الماء
|
ناشر للحرارة
|
|
900 وما فوق
|
نشوء ثاني أكسيد الكربون من كربونات الكلسيوم
|
ناشر للحرارة
|
|
900-1200
|
تفاعل رئيسي بين الجير والطين
|
ناشر للحرارة
|
|
1250-1280
|
بدء تشكل السائل
|
ماص للحرارة
|
|
1280 وما فوق
|
تشكل إضافي للسائل واكتمال تشكل مركبات الإسمنت
|
قد يكون ماصاً
للحرارة عند التوازن
|
يمكن تطبيق الطريقة الجافة خصوصاً على صخر الاسمنت الطبيعي وعلى مزيج الحجر الجيري والطين ، او الطين الصفحي ، او الاردواز slate . في هذه الطريقة قد تجرش المواد ، وتعبر جهازاً دوامياً وكسارة مطرقية ، تجفف وتصنف حسب الحجم ، ويعاد طحنها لمزيد من النعومة في مطاحن انبوبية ، تليها اجهزة فصل هوائية . وتشتمل هذه التسلسلات معدات التوزيع النسبي (proportioning equipment) .
قبل دخول الفرن ، يحدث مزج وخلط كاملين بواسطة الهواء او بوسائل اخرى . يلقم مسحوق المادة الجاف مباشرة الى الافران الدوارة ، حيث تحدث التفاعلات الكيميائية التي اتينا على ذكرها انفاً . تؤمن الحرارة عن طريق حرق النفط ، او الغاز ، او مسحوق الفحم ، باستخدام الهواء المسبق التسخين عن طريق تبريد الخبث .
ظهر ميل في السنوات الأخيرة لزيادة طول الفرن الدوار وبالتالي زيادة فعاليته الحرارية . وقد تكون أفران المعالجة الجافة قصيرة بحيث تبلغ 45 م طولاً ،
الصورة 10-1 مخطط إيزومتري للإنتاج الإسمنت البورتلاندي بالطريقتين الجافة والسائلة .
ولكن الأفران بطول 90-180 م ليست نادرة في المعالجة الرطبة . يبلغ القطر الداخلي للفرن عادة 2.5-6 م . يجري تدوير الأفران من 1 / 2 – 2 دورة / د حسب الحجم . وتكون الأفران مائلة قليلاً ، بحيث ترحل المواد الملقمة في الطرف العلوي ببطء الى طرف الإشعال السفلي ، وتستغرق في هذه الرحلة 1-3 ساعات . وللحصول على وفر اكبر في الحرارة ، يزال جزء من الماء من روبة المعالجة السائلة . وتستخدم بعض الطرق المتبعة مرشحات الروبة ومثخنات دور Dorr thickensrs .
يفترض في الافران اليوم ان تستخدم ، لكبح تلوث الهواء بشكل فعال ، معدات المرشحات الكيسية او اجهزة الترسيب الالكتروستاتية . تستخدم احيانا مراجل التسخين بالحرارة المهدورة لحفظ الحرارة ، وهي اقتصادية خصوصا من اجل اسمنت المعالجة الجافة ، لان الغاز المهدور من الافران اعلى حرارة من غاز المعالجة السائلة وقد تصل حرارته الى 800 مئوية .
وبما ان بطانة الفرن يجب ان تصمد لشدة التآكل والهجوم الكيميائي بدرجات الحرارة العالية في منطقة التنظيف الدوري للفرن ، لذلك يصعب اختيار بطانة مقاومة للصهر . ولهذا الغرض يستخدم طوب الالومينا العالية وطوب المغنسيا العالية على نطاق واسع . وتستخدم اجهزة الحاسوب اليوم لتحسين التحكم بالأفران .
يتألف الناتج النهائي المتشكل من كتل حبيبية صلبة بحجم 3-20 مم ، تدعى الكلنكر clinker . يفرّغ الكلنكر من الفرن الدوار الى اجهزة تبريد بالهواء ، فتنخفض حرارته بسرعة الى 100 - 200 تقريبا . تعمل اجهزة التبريد في الوقت نفسه على تسخين هواء الاحتراق مسبقاً . وتكتمل العملية بالسحن ، يليه الطحن الناعم بمطاحن الكريات والتعبئة الالية . تضاف اثناء الطحن الناعم ، مثبطات التصليب setting retarders ، كالجبس ، او الجص ، او ليغنوسلفونات الكلسيوم calcium lignosulfonate وعوامل سحب الهواء والانتشار ، والتصميد للماء (water Proofing ) . يطحن الخبث جافاً في مختلف التصاميم ، كما نرى في الصورة 2- 1 وعند بيري .
الصورة 2- 1 . تصاميم معدات طحن سائلة وجافة. (a) مطحنة بسيطة ذات حجرتين في الدارة المفتوحة ، (b) مطحنة ذات حجرتين مغلقة الدارة مع جهاز فصل هوائي ، (c) نظام المرحلتين مع حجرة رئيسية مغلقة الدائرة ، (d) دائرة فعالة مغلقة ذات حجرة او حجرتين وغربال وجهاز فصل هوائي ، (e) جهاز المراحل الثلاث الفعال والدائرة المغلقة في كل مرحلة ، (f) مطحنة المرحلة الواحدة والدائرة المغلقة مع جهاز تصنيف هزاز ، (g) دائرة حديثة ذات مرحلتين تستخدم لمختلف نماذج معدات الفصل .
تجري مراقبة معالجة الاسمنت بالكامل بأجهزة اشعة x الموصولة بحاسبات يمكن برمجتها لاختبار عينات الناتج باستمرار ، فتعدل اليا عملية التلقيم الخام للمطحنة للحصول على الناتج المرغوب .
صناعة الاسمنت هي اكبر سادس مستهلك للطاقة الوطنية في الولايات المتحدة. ففي عام 980 ( ، استهلك انتاج 61.75 × 610 طناً من الكلنكر ما مقداره 11 × 610 طناً من الفحم ، و 500 × 10 م3 من النفط و 1.78×610 م3 من الغاز الطبيعي.
ولهذا السبب ، بذلت جهود كبيرة لاختراع تقنيات للطاقة اكثر فعالية . ويوصي احد الاقتراحات باستخدام عوامل مساعدة للصهر تحتوي على الفلوريد لخفض درجة الحرارة الضرورية لتشكل الكلنكر .
الاكثر قراءة في مواضيع عامة في الكيمياء الصناعية
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
