سیمان سفید ساوه

مواد اولیه کلینکر سفید

جهت تولید کلینکر سفید می بایست، عناصر واسطه که مسئول رنگ خاکستری کلینکر معمولی هستند، از مواد اولیه و همچنین سوخت مورد استفاده کاسته یا حذف شوند. تأثیر عناصر در رنگ کلینکر به ترتیب روند کاهش اثر به این شرح می باشد: اکسیدهای کروم، منگنز، آهن، مس، وانادیوم، نیکل، روی و تیتانیوم. در این میان اکسید آهن به همراه اکسید کروم دارای بیشترین اثر منفی بر سفیدی کلینکر حتی در مقادیر اندک می باشد. وجود عناصر دیگر در مواد اولیه بسیار نادر بوده و مقادیر کم آنها در رنگ کلینکر تأثیرگذار نمی باشد.

میزان اکسید آهن تا حد امکان باید به حداقل برسد، زیرا هر 1 درصد افزایش اکسید آهن، قابلیت بازتاب سیمان را 2.5 درصد کاهش داده و آن را تیره تر می کند. پیشنهاد می شود استفاده از اکسیدهای اصلی رنگی در مواد اولیه محدود گردند. اثر رنگها بر روی رنگ کلینکر به شرح ذیل می باشد:

اکسید آهن < 0.35 درصد

مایل به سبز، زرد، خاکستری روشن

منگنز < 0.02 درصد

مایل به خاکستری، بنفش، مایل به قرمز، بنفش، آبی روشن

اکسید کروم < 0.003 درصد

مایل به سبز روشن

اکسید منیزیوم < 2 درصد

مایل به سبز، قهوهای روشن

هر ماده اولیه به علت مسائل شیمیایی فرآیند کلینکرسازی، تفاوت مشخصی نسبت به مواد اولیه متناظر در کلینکر خاکستری دارد.

سنگ آهک

همچون کلینکر خاکستری، سنگ آهک ترکیب اصلی سازنده کلینکر سفید میباشد. ولی، مقدار اکسید آهن مجاز در کلینکر سیمان خاکستری که 1-0.3 درصد است به کمتر از 0.1 درصد و ترجیحا ً نیمی از آن برای سیمان سفید کاهش می یابد. به علاوه ، درصد منگنز وابسته به اکسید آهن بوده و لازم است به کمتر از 0.005 درصد برسد.

سنگ آهک با این مشخصه شیمیایی به طور کامل در سرتاسر جهان به ویژه در دوره های زمین شناسی اردوویسین، کربونیفر، ژوراسیک و کرتاسه توزیع شده است که در حال حاضر جهت تولید خوراک آهک کارخانجات مورد استفاده قرار میگیرند.

چاک یک سنگ آهک کرتاسه فوقانی متشکل از یک سیمان ضعیف، دارای دانه بندی ریز، تخلخل بالا و میزان CaCO3 بالا میباشد که به طور منحصربه فرد در سرتاسر اروپای شرقی و غربی توزیع گردیده است. چاک در کوکولیتوفرها، فرامینیفر (روزنداران) و ریزوپودها )ریشهپایان) در حوضه گرم دریای کرتاسه در زمانی که ابرقاره پانگه آ به طور مداوم در حال تفکیک و جدایش بود، ایجاد شده است. تمامی چاکها برای تولید کلینکر سفید مناسب نیستند، زیرا به طور تناوبی رس سبز و لایه های کلوخهای فلنیت (سنگ آتش زنه که نوعی سیلیس است( به همراه آن وجود دارد. به علاوه چاک اغلب برای تولید کلینکر سفید مورد استفاده قرار نمیگیرد، زیرا رطوبت بالای 29 درصد آن موجب افزایش هزینه های مراحل خشک کردن شده و درنتیجه مقرون به صرفه از نظر اقتصادی نمی باشد. برخی از خطوط تولید کلینکر همچنان از فرآیند تر با یک منبع تغذیه دوغاب کوره که ظرفیت گنجایش این حجم از مواد مرطوب را میدهد، استفاده میکنند. بعد از جداسازی ذرات فلینت، در هنگام پمپاژ و سرند کردن آلاینده های احتمالی چاک خرد شده در آسیابهای مواد تر شسته شده و از دوغاب جدا میشوند.

رس

بخش اعظم توزیع آهن در خوراک مواد اولیه سیمان خاکستری از رس مشتق میشود. آهن یکی از عناصر بنیادی است که در بسیاری از کانیهای رسی توزیع شده و رسها به طور مشخص، دارای مقدار متوسط 15-5 درصد اکسید آهن میباشند. بنابراین، رنگ خاکستری عمدتا به ترکیب رس و اکسید آهن بستگی دارد. مقدار آهن مجاز در یک رسبرای تولید کلینکر سفید نباید متجاوز از 0.5 درصد باشد.

همچنین، مقدار اکسید تیتانیومدر رس نباید از 0.8 درصد تجاوز نماید. رسهای کمی مانند کائولن (خاک چینی( و بال کلی این نیازها را برآورده میکنند. اگرچه هر دو این رس ها منابع مناسبی از اکسید آلومینیوم را به همراه درصد کمی اکیسد آهن فراهم می نمایند ، ولی مقادیر سیلیس آنها پایین می باشد . مقادیر کائولین مورد نیاز در خوراک کوره در بازه 10-15 درصد می باشد.

کائولن عمدتا ً از کانی رسی کائولینیت تشکیل شده است که در نتیجه هوازدگی شیمیایی فلدسپارها به وجود می آید. این فرآیند در ذخایر عظیم سنگ آذرین اتفاق میافتد، هر دو نوع آذرین درونی و بیرونی در آب و هوای گرم و مرطوب، مورد فرسایش قرار گرفته اند. تغییرات پیوسته آب و هوایی در طول تاریخ زمین و توزیع وسیع سنگهای پلوتونیک (آتشفشانی(، ایجاد ذخایر کائولن را در تمامی قاره ها مستعد میکند و بزرگترین این منابع در ایاالت متحده آمریکا، آلمان، هند، جمهوری چک، چین، برزیل، کره جنوبی و اوکراین واقع شده است.

کائولن عمدتا ً به منظور کاربردهایی مثل تولید سرامیک، وسایل آرایشی و همچنین به عنوان عامل سفید کننده در صنعت کاغذ مورد استفاده قرار میگیرد. از آنجایی که کائولن برای صنعت سیمان محصولی گران قیمت است، تولیدکنندگان سیمان سفید، اغلب در جستجوی فرآورده های فرعی استخراج کائولن که نامرغوب می باشند و به نظر میرسد برای دیگر تولیدات مفید نامناسب هستند، می باشند. درحالیکه برای تولید کلینکر در دسترس بودن کائولن عامل مهمی میباشد، ولی فاصله بین محل ذخایر و کارخانه سیمان عامل سرنوشت سازی از لحاظ قیمت تمام شده مواد اولیه است.

ماسه سیلیسی

ماسه (سیلیس) جزء مشخص هر مخلوط مواد اولیه کلینکر جهت کنترل نسبت (مدول) سیلیس می باشد. اما مقدار آن در سیمان های معمولی خاکستری معمولی به ندرت از 4 درصد از تجاوز میکند . فقدان سیلیس در کلینکر سفید به دلیل استفاده از کائولن، نیاز به جایگزینی را برای تأمین سیلیس ایجاب میکند که این نیاز با افزودن مقادیری ماسه در خوراک مواد اولیه برطرف میشود (گاهی بیش از 10 درصد). بنابراین، ماسه تنها مقدار کمی از آهن مخلوط مواد اولیه را تأمین مینماید.

مقدار آهنماسه بایستی کمتر از 0.2 درصد و ترجیها نیمی از این مقدار باشد . تقریبا همه ماسه های موجود در طبیعت با اینکه متشکل از کوارتز بسیار خالص و فلدسپار هستند، دارای مقدار آهن بالاتر از حد آستانه می باشند. این موضوع به علت حضور یک پوسته اکسی هیدراتی نازکی است که سطح دانه را پوشش میدهد. بنابراین هرچه اندازه دانه کوچکتر باشد، میزان ترکیبات رنگی بیشتر میشود. استفاده از سرند قبل از آسیاب گلوله ای فرصت جدایش و حذف ذرات ماسه کوچکتر را به همراه کاهش میزان اکسید آهن و اکسید منیزیوم می دهد.

بهرحال، در ابتدا حضور مقادیر زیاد ماسه در مخلوط مواد اولیه معایب زیادی دارد. ماسه سیلیسی در فرآیند خردایش، یک ماده سخت است، عالوه بر این بر فرآیندهای همگن سازی وپخت اثر نامطلوب می بخشد. بنابراین، تولید یک مخلوط مواد اولیه با قابلیت ترکیب، نیاز به ماسه ای با دانه بندی کمتر از 45 میکرون دارد. این عمل به صورت بالقوه میتواند باعث ایجاد مشکلات آلودگی در مرحله خردایش مواد خام اولیه شود. چنانچه از فولاد کرومدار مقاوم در برابر سایش استفاده شود، آلودگی ناشی از کروم بسیار مخربتر خواهد بود. به عنوان یک توافق و به طور کلی با توجه به مشکلات اجرایی، استفاده از سیلیکاتهای دانه درشت به دلیل مصرف سوخت بالا و راندمان پایین منع شده است.

امروزه، ماسه سیلیسی با دانه بندی ریز جهت ساخت مصنوعات غیرفلزی مانند گلوله های سرامیکی و آسترهای مخصوص آسیاب ساخته شده از سرامیک، سنگ یا صفحه های آلومینایی تا میزان 90 درصد مواد اولیه مصرفی را تشکیل می دهد. یک راه حل جایگزین، جهت مدیریت حجم عظیمی از ماسه ساینده، استفاده از روش خردایش مواد اولیه به صورت جداگانه است. در این حالت، با توجه به اینکه هر ماده نیاز به میزان معینی از انرژی جهت خردایش دارد، برای جلوگیری از اعمال انرژی مازاد به مواد نرمتر و اعمال انرژی کمتر به مواد دارای قابلیت خردایش بالاتر، بهتر است آسیاب های جداگانه به کار گرفته شوند. از این گذشته، آسیاب جداگانه قابلیت پخت مواد اولیه را بهبود میبخشد. زیرا این روش خردایش مانع از آسیاب شدن بیش از حد مواد نرمتر میشود، درحالی که ترکیبات سخت به حد کافی خرد نشده اند. بنابراین، با خردایش جداگانه مواد اولیه ِ انرژی مورد نیاز به شدت کاهش می یابد و انرژی کمتری برای تولید کلینکر نیاز میباشد. بهترین تجهیزات خردایش برای مواد سخت، آسیاب عمودی است که میتواند مواد اولیه خام را با رطوبت حداکثر 6 درصد بپذیرد. استفاده از آسیاب عمودی برای عمل خشک نمودن ماسه سیلیسی خرد شده با توجه به خطرات بالقوه بهداشتی (بهعنوان مثال سیلیکوزیس) توصیه نمی شود. بنابراین، یک آسیاب گلوله ای تر که البته هزینه انرژی بالاتری برای خشک کردن مواد مصرف میکند، به دلایل بهداشتی ترجیح داده می شود. چراکه در رابطه با فرآیند تر این مسائل وجود ندارد.

فلورین

نبود آهن در فرموالسیون مخلوط کلینکر سفید موجب کاهش مقدار مذاب شکل گرفته در منطقه پخت کوره سیمان سفید، افزایش دمای ذوب مخلوط مواد اولیه به دماهای در حدود1450-1420 درجه سلیسیوس (به جای 1250 درجه) و متعاقبا ً موجب بالا رفتن دما در منطقه کلینکرسازی می شود بنابراین دمای منطقه پخت سیمان سفید در مقایسه با سیمان خاکستری بالاتر بوده، درحالیکه از طرف دیگر نمیتواند کوتینگ زیادی را تشکیل دهد. این عامل به همراه دمای فرآیند بالا، موجب تلفات گرمایی زیادی به دلیل تشعشع از پوسته کوره میشود.

اثرات فقدان مذاب گاهی اوقات با افزودن کانی سازهایی که معمولا شامل فلورید هستند خنثی میشود. این مواد در ترکیب همزمان با افزودنی هایی مانند سولفات که به وسیله سوخت به چرخه مواد اولیه وارد می گردد، موجب تشکیل فازهای غیرمتداول در سیمان پرتلند معمولی میشود. به تنهایی موجب کاهش دمای تشکیل کانی های کلسیم سیلیکاتی کلینکر، تغییر فازهای در تعادل ترمودینامیکی، اصلاح خواص و دمای تشکیل مذاب و درنهایت موجب تأثیر در توزیع و نوع عناصر واسطه در فازهای کلینکر میشود. سولفات کلسیوم نیز موجب به وجود آمدن فاز مذاب دما پایین، کاهش ویسکوزیته و یا تحرک یون ها میشود. فرآیند پخت مخلوط خام سیمان سفید با مدول سیلیس بیش از 3.3 و ضریب اشباع آهک بزرگتر از 0.95 زمانی امکانپذیر می شود که فلورین و گچ به طور جزئی جایگزین گدازآورهای سنتی شوند. افزودن این مواد موجب کاهش دمای تشکیل آلیت تا حدود 200 درجه سانتیگراد نسبت به دمای کلینکرسازی مواد اولیه سنتی میشود. همچنین ترکیب این افزودنی ها موجب افزایش میزان آلیت به وجود آمده به همراه مزایای دیگری همچون کاهش مقدار آهک آزاد می گردد. بنابراین ترکیبی از فلوراید و سولفات موجب بهبود کانی سازی کلینکر نسبت به فلوراید و یا سولفات تنها می گردد. فلوراید از افزودنیهای رایج در تولید کلینکر می باشد، اما تجارب نشان می دهد که بهترین جایگزین آن کریولیت سنتزی (فلورید سدیم) می باشد که بیشتر به عنوان گدازآور ، در کارخانجات آلومینیوم تولید میشود. به علاوه، این موجب تسریع واکنشهای بین فازی و کاهش دمای ذوب آن نسبت به کلینکر خاکستری می گردد. چین، مکزیک و مغولستان دارای بیشترین میزان تولید فلورین میباشند.

پیروفیلیت

پیروفیلیت یک جایگزین خوب برای کائولن می باشد که کانی فیلوسیلیکاتی متشکل از هیدروکسید آلومینیوم سیلیکات است که در سنگهای دگرگونی و ذخایر هیدروترمال تشکیل میشود. در رسوبات هیدروترمال، گاهی اوقات پیریتهمراه پیروفیلیت رسوب می نماید، درحالی که در رسوبات دگرگونی، کانی های گروه آزبست مانند ترمولیت رسوب می کند. برای جلوگیری از مسائل شیمیایی و بهداشتی استفاده از پیروفیلیت، ارزیابی دقیق شرایط رسوب الزامی میباشد.

ژیپس/ انیدریت

به منظور تولید سیمان سفید، از سولفات کلسیم در حالتهای هیدراته و یا انیدریتدر مراحل کلینکرسازی و یا آسیاب استفاده میشود. ابتدا در کوره سولفات کلسیوم و گاهی اوقات به همراه فلورید برای افزایش میزان فاز مذاب همانطور که در قبل توضیح داده شد افزوده میشود، سپس زمانی که کلینکر سفید به سیمان تبدیل می شود (آسیاب میشود)، مقدار کمی سولفات کلسیم به شکل ژیپس یا انیدریت با درجه خلوص بالا به عنوان یک افزودنی اولیه برای جلوگیری از گیرش کاذب و کنترل گیرش سیمان مانند سیمان خاکستری به آن افزوده میشود.

اکسید تیتانیوم

جزء کوچکی از افزودنیهای سیمان سفید اکسید تیتانیوم میباشد که گاهی اوقات به عنوان رنگدانه برای بهبود قابلیت بازتاب سیمان به کلینکر خرد شده افزوده می شود. اگرچه آزمایشها ارتباط درست بین میزان اکسید تیتانیوم و روشنی سیمان را تعیین نکرده اند. اما تحقیقات نشان میدهد که افزودن اکسید تیتانیوم به سفید ماندن بتن سفید در طولانی مدت کمک شایانی میکند. برخی از تولید کنندگان از اکسید تیتانیوم به جهت خواص فوتوکاتالیک آن که قادر به خنثی سازی بعضی از آلایندهها همچون NOx و SOx موجود در اتمسفر و تبدیل آنها به نیترات و سولفاتهای بیضرر )جهت جلوگیری از تجزیه لایه ازن( می باشد، استفاده میکنند. برای این منظور، ملات یا بتن سیمان سفید در سطوح بزرگی پخش می شوند تا سطح تماس بیشتری بین ذرات اکسید تیتانیوم و آلاینده ها به وجود آید. درنتیجه فعالیت کاتالیزوری نیتراتها و سولفاتها به سادگی با آب باران شسته شده که منجر به تمیزی بیشتر سیمان بدون نیاز به عملیات حرارتی می گردد. موارد متعددی نشان می دهد که تمیز نگاه داشتن بتن سفید نیاز به کار بیشتری نسبت به آنچه تولید کنندگان تصور می کنند، دارد.

اکسید تیتانیوم در کانیهایی مانند ایلمنیت روتیل و آناتاز به وجود می آید. کانه ایلمنیت که غنی از اکسید تیتانیوم می باشد در سراسر دنیا وجود دارد. بعد از ایلمنیت، روتیل فراوانترین کانه اکسید تیتانیوم بوده و شامل 98 درصد اکسید تیتانیوم می باشد. ایلمنیت مشابه روتیل کانی متداول و رایجی است که در دما و فشار بالا در سنگ های دگرگونی و آذرین به وجود می آید. آناتاز که شکل دیگری از اکسید تیتانیوم است دارای خواص فوتوکاتالیکی بالایی است. افزودن آن به سیمان سفید موجب تغییر سفیدی و افزایش سفیدی سیمان شده و همچنین دارای رفتار خود تمیزشوندگی می باشد. متأسفانه این فاز مانند آناتاز به طور طبیعی وجود نداشته و بایستی از روشهای شیمیایی سنتز گردد. بیشترین تولید کنندگان کانی اکسید تیتانیوم در استرالیا، چین، کانادا و آفریقای جنوبی واقع شده اند.

سوخت

تولید کلینکر سفید نیازمند انتخاب سوخت مناسب برای کوره میباشد. زغال سنگ پودر شده به دلیل دارا بودن مقدارزیادی خاکستر که آلاینده مخلوط مواد اولیه است ، مناسب نمیباشد. این اثر،در روش تر در مقایسه با روش تولید خشک به مقدار کمی کاهش مییابد. پیشتر، عمدهترین سوخت مورداستفاده برای تولید سیمان سفید، نفت سنگین جای مقادیر زیاد سولفور بود که منجر به بهبود فاز مذاب بدون نیاز به آهن در خوراک مواد اولیه میشد. سوختهای دیگری که هم اکنون برای تولید کلینکر سفید استفاده میشود ، ککهای نفتی و گاز طبیعی بوده که در شرایط احیایی عمل پخت را انجام میدهند. کک نفتی یکی از فرآوردههای فرعی پالایشگاه نفت میباشد که به دلیل ارزانی ودارا بودن سولفور، جه کانی سازی گزینهای مناسب تر برای تولیدکنندگان کلینکر میباشد. تنها اشکال غیرقابل پیشبینی اینست که بعضی از انواع این ککهای نفتی گاهی اوقات دارای مقادیر بیش از حد متعارف وانادیوم میباشند.

نتیجه گیری

سیمان سفید فرآورده خاصی است که انتظار می رود در سرتاسر جهان رشد فزاینده ای داشته باشد و تمام تلاش ها در جهت افزایش تولید، افزایش راندمان و کاهش قیمت می باشد. این مقاله شامل توضیحات جزئی در رابطه با مواد خام جدید و سنتی استفاده شده در مخلوط مواد اولیه کلینکر سفید می باشد. اگرچه اولین بار، پخت کلینکر سفید در صد سال پیش انجام گرفته شده است، ولی امروزه توسعه و گسترش این فرآورده خاص، موضوع جالبی برای پژوهش در زمینه کاهش قیمت و اثرات زیست محیطی نه تنها برای تولید سیمان سفید، بلکه به جهت نقش سیمان سفید و عملکردشان در سازه ها می باشد.