پایان نامه با واژه های کلیدی صنعت سیمان، اکسیداسیون، هیدرولیک

دانلود پایان نامه ارشد

ه شامل سنگ آهک (CaCO3)، آهک (CaO)، بوکسیت (عمدتاً حاوی Al2O3 و SiO2)، فلوئورسپار (CaF2)، سنگ آهن و منگنز و غیره هستند.

2-1-2 مزایای حضور سرباره در کوره
از جمله عوامل مفید بودن سرباره در عملکرد کورهها عبارتند از ]14[:
حفاظت از مذاب در برابر اکسیژن موجود در فضای کوره، مانعی در برابر جذب گازهای موجود (نیتروژن و هیدروژن) و گوگرد توسط مذاب
تنظیم کننده نقش عناصر مختلف و هدایت آنها بسوی اکسیدشدن و یا احیاء شدن
فراهم کردن بهترین وضعیت برای تصفیه فولاد از ناخالصیها (بطور عمده گوگرد و فسفر)
جذب ناخالصیهای اکسید شده از سطح مذاب موجود در بوته
فراهم کردن شرایط مناسب جهت اکسیداسیون حداقل آهن و سایر عناصر مفید موجود در بوته
سرباره باید ویسکوزیته مناسب داشته باشد، بطوریکه گازهای خروجی از مذاب بتوانند براحتی خارج شده ضمن اینکه از پاشیده شدن ذرات مذاب به اطراف جلوگیری کند. نقش ویسکوزیته در زمینه نفوذ عوامل شرکت کننده در واکنشها در سرباره و انتقال آنها در عرض فصل مشترک سرباره مذاب و در نتیجه سرعت واکنشهای تصفیه نیز قابل توجه است، همچنین جلوگیری از آسیب دیدن آجرهای سقف کورههای قوس الکتریکی در اثر تشعشع.
مقدار سرباره باید در حد مناسب باشد، تشکیل سرباره مذاب از مواد جامد یک فرآیند گرماگیر است و بازدهی حرارتی فرآیند با میزان سرباره تشکیل شده نسبت عکس دارد. ضمن اینکه سرباره با عنوان یک مانع حرارتی عمل میکند و ضخامت آن با سرعت بالا رفتن دمای مذاب نسبت عکس دارد. ترکیب سرباره به گونهای باید انتخاب شود که خواص متالورژیکی مورد نظر در مذاب فلز تأمین گردد. سیالیت سرباره در حد کافی باشد تا تخلیه آن از کوره با مشکل مواجه نشود. بخاطر هدایت حرارتی ضعیف سرباره (بخاطر ماهیت سرامیکی بودن)، ممکن است وجود آن باعث فوق گداز مذاب شده و برخی مواقع، گرمای آنرا ذخیره میسازد ]14، 3[.

2-1-3 ترکیبات شیمیایی موجود در سرباره
مطالعات انجام شده بر روی ترکیب مینرالی سرباره، ترکیبات دوتایی و سه تایی و حتی پیچیدهتری را نشان میدهند که این را میتوان به تنوع ترکیبات موجود در آنها نسبت داد. ترکیبهای عمده موجود در سرباره در جدول 2-1 و 2-2 آورده شده است.

جدول 2-1. ترکیبات دوتایی موجود در سرباره ]15-14[.
سیلیکاتها
فسفاتها
آلومیناتها
فریتها
FeO.SiO2
3FeO.P2O5
FeO.Al2O3
FeO.Fe2O3
2FeO.SiO2
3MnO.P2O5
CaO.Al2O3
CaO.Fe2O3
MnO.SiO2
3CaO.P2O5
MgO.Al2O3
3CaO.Fe2O3
CaO.SiO2
4CaO.P2O5

mCaO.nFe2O3
2MnO.SiO2
3MgO.P2O5


2CaO.SiO2



3CaO.SiO2



MgO.SiO2



2MgO.SiO2



Al2O3.SiO2


جدول 2-2. ترکیبات پیچیده موجود در سرباره ]14[.
نام فاز
فرمول شیمیایی
مونتیسلیت
Monticellite
CaO.RO.SiO2
مروینیت
Merwinite
3CaO.RO.2SiO2
سیلیکا کورنوتیت
Silica Cornotite
5CaO.P2O5.SiO2
ناگلشمیدتیت
Nagelschmidtite
7CaO.P2O5.SiO2
تومازیت
Thaomasite
6CaO.P2O5.SiO2.2FeO.SiO2
استدیت
Stedite
3(3CaO.P2O5).CaO.2CaO.SiO2
هیلبراندیت
Hillebrandite

Ca2.(SiO3).(OH)2
کلینوزیسیت
Clinozoisite
Ca2Al3.(SiO4).(Si2O7).O.(OH)
براونمیلریت
Brownmillerite
Al2Ca2O5
بیکولیت
Bicchulite
Al2Ca2H2O8Si
ایلمینیت
Yeelimite
Ca3Al6O12·CaSO4
(در اینجا R یکی از عناصر Fe، Mn یا Mg میباشد.)

البته بدیهی است که با توجه به روش تولید و نوع مواد خام مصرفی، تعدادی از این ترکیبات در برخی سربارهها موجود و ممکن است در برخی دیگر موجود نباشند.

2-1-4 انواع سربارههای آهن و فولاد
همانطور که گفته شد سربارههای آهنی و فولاد به دو دسته کلی سربارههای کوره بلند و سربارههای فولاد دسته بندی میشوند که این موارد نیز خود به زیر مجموعههای دیگری مطابق فلوچارت شکل 2-1 دسته بندی میشوند.

شکل 2-3. تصویر فلوچارت انواع سربارههای آهن و فولاد.

2-1-4-1 سرباره کوره بلند19
بطور کلی سرباره ذوب آهن که در کوره بلند تولید میشود از لحاظ کاربرد در صنایع دیگر قدمت بیشتری نسبت به سایر سربارههای فلزی دارد. این سرباره مطابق شکل 2-4 در کوره بلند تولید شده و با توجه به خواصش کاربردهای مختلفی دارد، که از جمله آنها میتوان به کاربرد در صنعت سیمان، زیرسازی خطوط راه آهن، جاده سازی، استفاده در ساختمان بعنوان پوکه صنعتی و همچنین استفاده در صنایع تولید پشم سنگ اشاره کرد]16، 10، 8[.

شکل 2-4. تصویر شماتیک از کوره بلند ذوب آهن و قسمتهای مختلف آن ]17[.
که در این تصویر:
1. سنگ آهن + آهک 2. کک 3. نوار نقاله
4. درب تغذیه مواد اولیه 5. لایه کک 6. لایه‌های‌سنگ‌معدن، اکسید آهن
7. هوای گرم (حدود °C 1200) 8. سرباره 9. آهن خام مذاب
10. پاتیل حمل سرباره 11. آهن مذاب 12. دستگاه غبار گیر برای زدودن گرد و غبار از گاز خروجی 13. گرم کننده 14. خروجی گاز

حجم زیادی از سربارههای تولید آهن و فولاد را سربارههای کوره بلند تشکیل میدهند. در کوره بلند عملیات احیاء و ذوب مواد شارژی صورت میگیرد. ترکیب شیمیایی سرباره بسته به ترکیب سنگ آهن و همچنین نوع و مقدار مواد گدازآور مورد استفاده در کوره بلند متفاوت است. به لحاظ حاکم بودن شرایط احیا در کوره ذوب آهن، آهن و منگنز در سرباره کوره به شکل یونهای دو ظرفیتی Fe2+، Mn2+ حضور داشته و گوگرد نیز غالباً به شکل سولفید S2- ظاهر میگردد. مقدار سولفات موجود سرباره بسیار پایین و در حدود 2/0% وزنی میباشد ]18[.
واکنشهایی که در کوره بلند در حین ذوب شدن مواد اولیه رخ میدهند، عبارتند از ]17[:

(2-1)
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3 CO2 (g)
(2-2)
2 C(s) + O2 (g) → 2 CO (g)
(2-3)
3 Fe2O3 (s) + CO (g) → 2 Fe3O4(s) + CO2 (g)
(2-4)
Fe3O4 (s) + CO (g) → 3 FeO (s) + CO2 (g)
(2-5)
CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g)
(2-6)
FeO (s) + CO (g) → Fe (s) + CO2 (g)
(2-7)
C (s) + CO2 (g) → 2 CO (g)
بر اساس روش سرد نمودن، سرباره های کوره بلند خود به چهار دسته تقسیم میشوند ]17، 19[:
الف- سرباره کلوخهای کوره بلند (سرباره هوا سرد شده)20
مواد حاصل از سرد شدن سرباره مذاب کوره بلند در هوا را سرباره کلوخهای مینامند. این نوع سرباره از سرد کردن آهسته سرباره کوره بلند در هوا و در درون پاتیل به منظور ایجاد نوعی محصول متبلور که از نقطه نظر ظاهری شباهت زیادی به سنگهای آذرین دارد، بدست میآید. در این حالت سرباره تقریباً کریستالی بوده و فاقد خواص پوزولانی و هیدرولیکی میباشد و بیشتر برای تولید پشم سنگ و دیگر مشتقات آن استفاده میگردد. مشخصات و ویژگیهای سرباره کلوخهای در استاندارد ASTM-C125 ذکر شده است. این نوع سربارهها بصورت شکسته، گوشه تیز، شبه مکعبی و دارای بافتی زبر، سطحی متخلخل و گاهی با ظاهری صدفی هستند. تنوع زیادی در خصوصیات فیزیکی سرباره بسته به فرآیند تولید آهن وجود دارد. هرچه محتوای فلزی و آهنی سرباره بیشتر باشد، چگالی آن نیز افزونتر میگردد که افزایش محتوای فلزی نیز خود ناشی از استفاده از قراضه آهن در خوراک کوره بلند میباشد. درصد جذب آب این نوع سرباره میتواند 6% باشد. علیرغم این درصد جذب آب بالا، سربارههایی از این نوع به راحتی رطوبت حود را از دست داده و خشک میشود. دلیل این پدیده عمدتاً ناشی از آن است که آب جذب شده به درون حفرههای کم عمق سطح سرباره نفوذ کرده و به راحتی از آن خارج میشود.

ب- سرباره متخلخل کوره بلند (سرباره انبساطی)21
موادی متخلخل و سبک هستند که بوسیله کنترل کردن فرآیند سرد و منجمد نمودن سرباره مذاب کوره بلند توسط آب یا آب بهمراه عوامل دیگری همچون بخار و هوای فشرده بوجود میآیند. این سربارهها در حالت شکسته به صورت تیز گوشه، مکعبی شکل و دارای سطحی زبرتر از نوع اول هستند، به علاوه تخلخل این سربارهها از سرباره کلوخهای بیشتر است.

ج- سرباره کوره بلند گلولهای شکل22
اگر سرباره ذوب شده در پاتیل بوسیله مخلوط آب و هوا بطور سریع خنک شده و به جامد تبدیل شود، سرباره کوره بلند گلولهای شکل بوجود میآید. خنک شدن سریع باعث کاهش تبلور شده که بر خلاف دو نوع قبلی این نوع سرباره دارای سطحی صاف و گرد گوشه است. متعاقباً تخلخل و جذب آب این نوع سرباره نسبت به دو نوع قبلی نیز کمتر است.

د- سرباره گرانوله شده (دانهای شده) کوره بلند23
این نوع سرباره توسط پاشیدن آب خنک با فشار بالا به سرباره مذاب توسط جتها آب پر فشار بدست میآیند. سرباره از حالت مذاب سریعاً سرد شده و به ذرات شیشهای غیر متبلور که همچون ماسه طبیعی هستند تبدیل میشوند. در این حالت زمانی برای تشکیل کریستالها وجود نداشته و لذا مواد حاصل کاملاً به صورت غیر متبلور در میآیند. این نوع سرباره مادهای دانهای و مسطح است که بسته به ترکیب شیمیایی و روش تولید از دانههایی با قطری بزرگتر از mm 75/4 (الک شماره 4) و ساختاری شکننده تا دانههایی به اندازه ذرات ماسه متغیر است. با استفاده از آسیاب، اندازه این ذارت به اندازه مناسب سیمان تبدیل میشود که اجازه استفاده از آن بعنوان مواد افزودنی در سیمان پرتلند را فراهم میکند.
این سرباره شامل ناخالصیهایی موجود در سنگ آهن، خاکستر کک و سایر مواد مضاف احتمالی نظیر مواد گداز آور میگردد. این ماده به شکل یک گدازه ویسکوز و در دمایی بین°C 1550-1350 از کوره خارج شده و پس از آن جریان گدازه سرباره به کمک آب و در برخی موارد به کمک هوای فشرده به قطرات کوچکی24 با قطرهایی در حدودmm 5-3 تجزیه میشود. عمل سرد کردن آنچنان سریع صورت میگیرد که قطرات حاصله غالباً بصورت شیشه منجمد میگردند. حتی سربارهای که با جت آب سرد خنک شود حاوی ذراتی با قطر mm 3-3/0 هستند. البته این اندازه به سرعت ریختن مذاب بر روی جت آب سرد در مرحله گرانولاسیون بستگی دارد ]16[.
حدوداً در صنعت سیمان سرباره کوره بلند به کار رفته 90% بصورت شیشهای و گرانوله شده میباشد. تحت شرایط ثابت خنک شدن، تمایل انجماد گدازه به صورت شیشه با کاهش مقدار CaO افزایش مییابد، یعنی هر چقدر مقدار CaO در ترکیب کمتر باشد احتمال تشکیل فازهای شیشهای و فعال بیشتر میشود که این امر با حضور یونهای محلول سولفات، خصوصاً در گدازههای غنی از آهک، به شکل قابل توجهی تشدید میگردد ]20[. المان ساختمانی سیلیکاتهای تشکیل شده در سرباره شیشهای، چهار وجهیهای [SiO2]4- است که در آن سیلیس در مرکز چهار وجهی و چهار اتم اکسیژن در چهار گوشه آن واقعاند. همه چهار وجهیهای [SiO2]4- به نحوی به هم اتصال مییابند که هر اتم اکسیژن واقع در چهار گوشه این چهار وجهی با دو چهار وجهی دیگر [SiO2]4- به اشتراک گذاشته شود. این اتمها بعنوان اتمهای اکسیژن ارتباطی25 شناخته میشوند. هرگاه Ca2+ و Mg2+ در این شبکه پیوسته [SiO4] جذب شوند، آنگاه متناظراً تعدادی بارهای منفی که از شکسته شدن یک اتصال اکسیژنی پدید میآیند، به منظور حفظ تعادل بین بارهای مثبت و منفی مورد نیاز میباشند. در این حالت اتم اکسیژنی که صرفاً متعلق به یک چهاروجهی 4- [SiO2] است بعنوان اکسیژن غیر ارتباطی نامیده میشود ]18[.
اما حالت گرانوله شده که بمنظور کاربرد در سیمان تولید میشود پس از حمل توسط پاتیل به محل گرانولهسازی برده میشوند. که در این محل توسط جتهای آب سرد که فشاری در حدود 5 اتمسفر دارند گرانوله میشوند. کارخانه ذوب آهن اصفهان دارای سه جت آب سرد برای گرانولهسازی میباشد. اندازه گرانولههای تولیدی را اپراتور دستگاه تعیین میکند که با توجه به نیاز مصرف کننده که اکثراً کارخانه های سیمان هستند تعیین میشود. بطور کلی اندازه این گرانولهها با سرعت تخلیه سرباره بر روی جت آب سرد رابطه مسقیم دارد بطوریکه هرچه سرباره آهستهتر تخلیه شود اندازه ذرات گرانوله شده هم ریزتر خواهد بود. در شکل 2-5 نمایی از محل گرانولهسازی کارخانه ذوب آهن اصفهان مشاهده میشود که در تصویر سه جت آب

پایان نامه
Previous Entries پایان نامه با واژه های کلیدی زیست محیطی، انرژی مصرفی، صنعت سیمان Next Entries پایان نامه با واژه های کلیدی هیدرولیک، کاربرد مستقیم، زیست محیطی