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)

‏الجدول 2 ‏- 1 ‏. مركبات الكلنكر .

‏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 .

‏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 .