پایان نامه با واژه های کلیدی زیست محیطی، انرژی مصرفی، صنعت سیمان

دانلود پایان نامه ارشد

سیلیس 84
شکل 4-29. نمودار استحکام فشاری نمونههای حاوی نمونههای حاوی 50% سرباره کنورتور بهمراه 4-5/0 % نانو سیلیس 85
شکل 4-30. نمودار استحکام خمشی نمونههای حاوی نمونههای حاوی مقادیر 50-0% سرباره کنورتور بر حسب عمر ملات 85
شکل 4-31. نمودار استحکام خمشی نمونههای حاوی نمونههای حاوی 40% سرباره کنورتور بهمراه 4-5/0 % نانو سیلیس 86
شکل 4-32. نمودار استحکام خمشی نمونههای حاوی نمونههای حاوی 50% سرباره کنورتور بهمراه 4-5/0 % نانو سیلیس 86
شکل 4-33. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه حاوی 40% سرباره کنورتور (BOF40) با بزرگنماییهای مختلف 88
شکل 4-34. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه حاوی 50% سرباره کنورتور (BOF50) با بزرگنماییهای مختلف 88

فصل اول

مقدمه

از زمان گسترش صنعت و در پی آن گسترش تولید مواد صنعتی، بشر همواره با موادی مواجهه داشته که به صورت غیر عمد و ناخواسته در کنار محصول اصلی تولید شدهاند. برخی این مواد را زائد2 نامیده و آنها را بلا استفاده میدانستند و برخی دیگر از این مواد به عنوان محصولات فرعی3 نام برده و عقیده دارند که از این مواد هم میتوان در کاربردهایی دیگر بهره جست. در این باره صنعت آهن و فولاد هم مستثنی نبوده و همواره با تولید محصولاتی فرعی در حین تولید آهن و فولاد مواجه بوده است. بطور کلی، عملیات استخراج و تصفیه فلزات، مستلزم خارج ساختن مواد ناخالصی همراه سنگ معدن و سایر مواد موجود در شارژ ورودی به کورههای ذوب و تصفیه فلزات است. به همین دلیل در عملیات تولید فلزات، محصولات فرعی بدست آمده که ناخالصیهای موجود در سنگ معدن و مواد شارژی دیگر همچون کمک ذوبها و آلیاژسازها عمدهترین بخش این محصولات را تشکیل میدهند. مجموع ناخالصیهای ذکر شده در طی عملیات استخراج، از فلز جدا شده و در فازی جداگانه بر روی سطح مذاب فلز تولید شده قرار میگیرد که به آن سرباره (روباره)4 گفته میشود ]1[.

با توجه به تولید مداوم و بسیار زیاد سربارهها، در صورت عدم وجود کاربرد مشخص، این مواد به اجبار دپو شده که مشکلات زیادی را هم از لحاظ انباشتگی و اشغال فضا در کارخانههای آهن و فولاد و همچنین مشکلات زیست محیطی در طبیعت بوجود میآورند. حضور دراز مدت این مواد در طبیعت بدلیل تجزیه ترکیبات مختلف موجود در آن باعث بروز مشکلات زیست محیطی میشود. در پی گزارش سالیانه NSA5 در سال 2011 میزان کل سرباره آهن و فولاد تولیدی در ژاپن برابر با 392/15 میلیون تن بوده که حدود 635 هزار تن آن در صنعت سیمان و بقیه آن در کاربردهایی دیگری همچون جاده سازی، بهبود خاک کشاورزی و غیره بکار گرفته شده است. در همین سال در ایالات متحده امریکا حدود 20 میلیون تن انواع سرباره آهن و فولاد تولید شده که حدود 9/16 میلیون تن این محصولات فرعی در صنایع مختلف مصرف شده است ]2[. در ایران هنوز آمار دقیقی از تولید سربارههای آهن و فولاد منتشر نشده است ولی با توجه به کارخانههای فعال تولید آهن و فولاد در سراسر کشور تخمین زده شده در حدود بیش از 5 میلیون تن انواع سربارههای آهن و فولاد در سال تولید میشود.
تاکنون تحقیقات زیادی بمنظور یافتن راه حل دائمی بمنظور یافتن کاربردی برای سربارهها صورت گرفته است، که از آن جمله میتوان به تلاش برای استفاده از این مواد در کشاورزی بمنظور اصلاح و خنثیسازی خاکهای اسیدی اشاره کرد]4-3[، همچنین محققان در بخش عمران و راهسازی بدلیل خواص مکانیکی خوب و قیمت پایین این مواد، از آن به عنوان جزء درشت دانه در آسفالت و بتن جادهای استفاده کردند که البته حضور مقادیر بالای آهک آزاد موجود در ترکیب سربارههای فولاد، باعث ایجاد ناپایداریهای حجمی گردیده و استفاده از آنرا بدین منظور محدود نموده است ]7-5[. مطالعات دیگری هم بر روی استفاده از سرباره بعنوان عامل افزودنی به ترکیب خام یا بعنوان جزء تشکیل دهنده در سیمان انجام گرفته است که در صورت موفقیت آمیز بودن این کاربرد حجم زیادی از سرباره را مورد استفاده قرار میدهد ]13-8[.
اما از عواملی که باعث شد محققان تلاش جدیتری بمنظور یافتن راهی برای استفاده از سرباره در سیمان بکار گیرند این حقیقت بود که بازاي توليد هر تن سيمان پرتلند در حدود 25/1 تن دياكسيد كربن توليد ميشود كه يك گاز گلخانهاي و مضر میباشد. در ضمن براي تولید یک تن کلینکر سيمان پرتلند به انرژي گرمايي در حدود شش ميليون و سيصد هزار كيلو ژول احتیاج بوده که در صورت بکارگیری سرباره بعنوان جایگزین کلینکر هم صرفه جویی اقتصادی به لحاظ کاهش انرژی مصرفی برای پخت کلینکر صورت میگیرد و هم از لحاظ زیست محیطی مزیتی دارد که میران گاز مضر تولیدی از طریق کارخانههای سیمان را کاهش میدهد. علاوه بر این استفاده از سرباره در سیمان بعنوان جایگزین کلینکر، بدلیل قیمت پایین سربارهها باعث کاهش قیمت سیمان تولیدی میشود. تاکنون تنها استفاده از سربارههای گرانوله شده کوره بلند در صنایع تولید سیمان برای تولید نوعی سیمان با نام سیمان سربارهای است موفقیت آمیز بوده که به خصوص در دو دههی گذشته تحقیقات زیادی را معطوف خود ساخته است. سیمانهای سربارهای دارای مزایای زیادی از جمله موارد زیر میباشد]13،9[:
حرارت هیدراسیون پایین که در بتن ریزیهای حجیم یک مزیت است،
نفوذ پذیری پایین
مقاومت در برابر حملات سولفات ها و کربناتها
مزایای اقتصادی ناشی از کاستن انرژی مصرفی برای پخت سیمان
مزایای زیست محیطی ناشی از کاستن از مقدار و حجم گازهای تساعد شده در حین پخت
از دیگر مزایای استفاده از سربارههای فولاد در ترکیب کلینکر میتوان به تأثیرات قابل ملاحظه سربارههای فولادسازی بر قابلیت خردایش ونرم شوندگی سیمان اشاره کرد.
بر خلاف سربارههای کوره بلند که سالیان درازی است در صنایع مختلف مورد توجه بودهاند و کاربرد آنها در سیمان نیز پیشینهای نسبتاً طولانی دارد، سرباره کنورتور از دهه 90 میلادی مورد توجه قرار گرفت. از کاربردهای سرباره کنورتور و نوع دیگر سربارههای فولاد سازی در صنعت سیمان، مخلوط کردن آن با سرباره کوره بلند بوده که باعث تعدیل خواص آنها میگردد. علاوه بر این، سرباره کوره بلند باعث از بین بردن ناپایداریهای حجمی ناشی از حضور آهک در سرباره کنورتور میشود ]9[.
در این پروژه سعی شده است ابتدا خواص فیزیکی، شیمیایی و مینرالی سربارههای آهن و فولاد بمنظور شناخت بهتر ویژگیها و مشخصات بررسی شود، سپس مخلوطهایی با درصدهای مختلف سرباره بعنوان جایگزین بخشی از سیمان در حالتهای دوغاب6، خمیر7 و ملات8 ساخته شد و سپس خواص رئولوژیکی، شیمیایی، قلیاییت دوغاب، همچنین زمان گیرش خمیر و نیز استحکام مکانیکی ملات سخت شده بررسی گردید. بررسیهای ریز ساختاری هم توسط دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی جهت شناخت بهتر از وضعیت تخلخلها و همچنین کریستالهای شکل گرفته اترینژایت9، پرتلندیت10 (Ca(OH)2) و همچنین توبرموریت11 به عنوان محصولات هیدراسیون صورت گرفت.
علاوه بر آزمایشهای فوق دو بررسی دیگر بر روی مخلوطهای سیمانی حاوی سرباره کنورتور صورت گرفت که عبارت بود از، استفاده از کلراید کلسیم بمنظور فعالسازی قلیایی12 سیمانهای حاوی سرباره کنورتور و دیگری استفاده از نانو سیلیس، که در این رابطه آزمایشهایی بمنظور بررسی تأثیرات استفاده از این مواد بر زمان گیرش و همچنین استحکام مکانیکی ملاتهای تهیه شده صورت گرفت که بحث و نتایج در مورد تأثیر آنها در فصل چهارم آورده شده است.

فصل دوم

مروری بر منابع مطالعاتی

2-1 سرباره
استفاده از سرباره قدمت بسیار طولانی دارد بطوریکه 350 سال قبل از میلاد مسیح، ارسطو دانشمند یونانی از سرباره برای التیام برخی زخمها استفاده کرده است. همچنین در حدود 20 قرن پیش در امپراطوری روم از قطعات خرد شده سرباره در راه سازی استفاده شده است. آلمانها در سال 1589 میلادی از این ماده در ساخت گلوله توپ جنگی بهره جستند. استفاده از سرباره به عنوان مصالح بنایی در اروپا از قرن هجدهم شروع شد، پس از آن در سال 1813 میلادی برای نخستین بار به شکل امروزی از سرباره در صنعت راهسازی استفاده شد. از سال 1880 میلادی در اروپا و امریکا بلوکهایی از جنس سرباره برای سنگ فرش خیابانها و معابر استفاده شد. اما عمدهترین کاربرد سرباره در گذشته به عنوان پرکننده در مسیرهای راه آهن بوده است. تحقیقات جدی در زمینه یافتن کاربردهای مفید برای سرباره از زمان جنگ جهانی دوم در پی تولید آهن برای جبهههای جنگ رخ نمود، زمانیکه سرعت تولید آهن و در پی آن سرباره افزایش یافت و در نتیجه کاخانجات تولید آهن و فولاد با مشکل بزرگی به نام دپوهای عظیم انباشت سرباره روبرو شدند ]5[.
در تعریف سرباره محصول فرعی و غیر فلزی تولید شده در فرآیندهای تولید فلزات از طریق ذوب سنگ معدن آنها در کوره ذوب میباشد که سرباره بسته به نوع فلز و نحوه اجرای عملیات تولیدی، دارای مشخصات متفاوتی بوده و به این ترتیب در دو دسته کلی سرباره کوره بلند و سرباره کوره فولاد تقسیم بندی میشوند. که هر دسته خود شامل انواع مختلف سرباره میباشند که این دسته بندیها بخاطر متفاوت بودن روشهای تولید، ترکیب و در نتیجه خواص و ویژگیهای هر دسته میباشد. در ادامه با انواع مختلف سرباره آشنا خواهیم شد.
بطور کلی برای تولید آهن و فولاد دو روش کلی در کارخانههای ذوب آهن و فولادسازی بکار برده میشود که بر اساس مواد شارژ ورودی دسته بندی شدهاند، این روشها عبارتند از ]2[:
استفاده از سنگ معدن آهن13، که این روش در حدود 70% تولید فولاد در جهان را شامل میشود. در طی این روش، از دو نوع کوره مختلف برای رسیدن به محصول نهایی که فولاد مذاب است استفاده میشود. اولین کوره که بمنظور ذوب سنگ معدن و برای تولید آهن خام مورد استفاده قرار میگیرد کوره بلند 14 بوده و کوره دوم که در آن واکنشهای تبدیل آهن خام به فولاد انجام میگیرد کوره کنورتور15 است که در اصطلاح به آن کوره پایه اکسیژن16 نیز گفته میشود. در ایران کارخانه ذوب آهن اصفهان از این روش برای تولید آهن و فولاد مورد نیاز خود استفاده میکند.
روش دیگر تولید فولاد از طریق ذوب مواد قراضه17 بوده که 30% فولاد تولیدی در جهان از این روش بدست میآید، که در اینجا از کوره قوس الکتریکی18 برای ذوب مواد قراضه شارژ کوره استفاده میشود. مجتمع فولاد مبارکه سپاهان و بخشی از کارخانه ذوب آهن اصفهان، از این روش برای تولید فولاد بهره میگیرند.
انواع و میزان کل مواد فرعی تولیدی در دو فرآیند مختلف تولید فولاد به تفکیک روش و نوع ماده در نمودار شکل 2-1 آورده شده است. بر اساس این نمودار، بطور مثال بازای یک تن فولاد تولیدی از روش اول 275 کیلوگرم سرباره کوره بلند، 8/125 کیلوگرم سرباره کنورتور، 3/20 کیلوگرم گرد و لجن کوره بلند و 9/22 کیلوگرم غبار و لجن کنورتور بوجود میآید که در مجموع در حدود 445 کیلوگرم مواد فرعی بازای یک کیلوگرم فولاد در این روش تولید میشود. بمنظور آشنایی بیشتر و کاملتر با انواع سرباره و ترکیبشان در فصل دوم بطور مفصلتر هر کدام از سربارهها بطور مجزا مورد بحث قرار خواهند گرفت.

شکل 2-1. نمودار محصولات فرعی تولید شده بازای یک تن فولاد تولیدی به تفکیک روش تولید فولاد ]2[.

2-1-1 چگونگی تشکیل سربارههای آهن و فولاد
در جریان تولید آهن و فولاد، سرباره را میتوان سیلیکات مخلوط مذابی دانست که از آگلومرههای مرکب از سنگ آهن، سوخت و فلاکسها شکل میگیرد. منابع ایجاد سرباره عبارتند از ]14[:
اکسایش ناخالصیها و عناصر موجود در کوره مثل سیلیسیم، منگنز، فسفر و کروم به اکسیدهایی مثل SiO2، MnO، P2O5، Cr2O3 و غیره.
محصولات خوردگی نسوز جداره کوره مثلاً نسوزهای منیزیتی، کروم-منیزیتی و سیلیسی در کوره تولید MgO، MgO-Cr2O3 و SiO2 میکنند.
ناخالصیهای همراه شارژ مثل غبار، ماسه و غیره.
قراضههای زنگزدهای که دارای FeO، Fe2O3 و Fe(OH)2 هستند.
مواد افزودنی و اکسیدکنندهها ک

پایان نامه
Previous Entries پایان نامه با واژه های کلیدی پرتوی ایکس، نمونه برداری، صنعت سیمان Next Entries پایان نامه با واژه های کلیدی صنعت سیمان، اکسیداسیون، هیدرولیک