تکنولوژی سردکردن کلینکر ضمن رعایت خواص سیمان

در تولید کلینکر، گرمای بازیافت شده اثرگذاری بسیار مهمی در مصرف انرژی در پی دارد. خنک‌کن‌ها در ده‌ سال گذشته همراه با تکنولوژی خود پیشرفت نموده و در فرآیند تولید کلینکر اثرات مهمی به‌جا گذاشته است ترکیبات و خواص کلینکر تابعی از نحوه سرد شدن در خنک‌کن‌ها و تأثیرات هوای موردنیاز سوخت که توسط گرمای بازیافت شده از خنک‌کن و با درجه حرارت بالای ۱۲۰۰ بوده مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
مقاله یاد شده نگاهی اجمالی بر تکنولوژی و توسعه خنک‌کن‌ها و نهایتاً اثرات آن بر خواص سیمان بررسی می‌گردد.
● مقدمه
جهت سردکن کلینکر عموماً از خنک‌کن شبکه‌ای (گریت) ساتالایت و روتوری استفاده می‌گردد. در راستای توسعه خنک‌کن در دهه‌های هفتاد و هشتاد، خنک‌کن‌های g در راستای خنک کردن مضاعف کلینکر مرسوم تا بتوان اپوریشن توسعه خنک‌کن‌ها را بدون هوای خروجی ادامه داد و در این عصر و دوره چنین به‌نظر می‌رسید که زمان خنک‌کن‌های شبکه‌ائی به پایان رسیده است. به لحاظ اینکه جریان هوای خنک در ساتالایت‌ها و خنک‌کن روتوری برعکس مواد بود، می‌توان نتیجه گرفت که غبارزدائی انجام شده و از هزینه آنان کاسته می‌شود.
اما گرمای بالای کلینکر و هدر رفتن آن را می‌بایست مدنظر داشت. با افزایش تولید و توسعه پیش کلسینه‌ها با استفاده از هوای ثالینه، موارد بالا فراموش گردید. در زمان حال اینک خنک‌کن‌های شبکه‌ائی رول‌ اصلی در نحوه سرد کردن بازی می‌کنند. بین سال‌های ۱۹۹۰ تا ۱۹۹۶ در دنیا بالغ بر ۱۸۰ خنک‌کن جدید ساخته و ۱۸۸ عدد نیز مدرنیز گردید.
در ساخت جدید تماماً خنک‌کن‌های شبکه‌ای بودند. اکثر خنک‌کن‌ها در قاره آسیا و حتی با بازده ۱۱۰۰T/d بودند.
خنک‌کن ساتالایتی فقط برای تولیدات سه هزار تنی ساخته شدند. و تنها در سال‌های ذکر شده فقط یک خنک‌کن روتوری نصب گردید.
در اروپا و آمریکا که سرمایه‌گذاری در صنعت به‌سوی مدرنیزه کردن تأسیسات متداول می‌باشد. خنک‌کن‌های لوله‌ائی وساتالایت بدون پیش کلسینه رل اصلی بازی می‌کنند. بنابراین تغییرات ساخت به سمت خنک‌کن شبکه‌ائی هزینه‌ائی بالا در پی خواهد داشت و این مهم در صورتی انجام می‌شود که تولید افزایش یابد و یک پیش کلسینه نیز در مدار قرار گیرد. لازم به ذکر است تغییر در گریت‌ها نیز تنها با ساخت و هوادهی خانه اول گریت‌ها ادامه پیدا می‌کند. این مقاله بیشتر جدیدترین توسعه تکنولوژی خنک‌کن‌های شبکه‌ائی (گریت) پوشش می‌دهد.
● الزامات خنک‌کن:
وقتی انسان منطقه خنک‌کن یک کوره را از جهات انرژی و ماتریل مورد بررسی قرار می‌دهد. به سه بخش برخورد می‌کنیم:
در بخش پیش خنک‌کن (Precooling Zone) کلینکر در کوره توسط هوای ثانویه از درجه حرارت (Sintering) به ۱۲۰۰ تا ۱۲۵۰ درجه رسیده و خنک‌تر می‌گردد. در بخش (Recuperation) هوای سوخت گرم گردیده و تأثیرات حرارتی خاصی بر کلینکر می‌گذارد. در قسمت سرد نهایتاً کلینکر به درجه حرارت پایانی خود رسیده و کاملاً سرد می‌گردد و این هوا وارد عملیات سوخت نمی‌شود و از خنک‌کن خارج می‌گردد.
▪ خواسته‌هائی که در محدوده‌های خنک‌کن می‌توان داشت به‌صورت اجمالی شامل:
- امکان سریع سرد شدن در پیش خنک‌کن.
- بازیافت حرارت بالائی از کلینکرهای داغ تولیدی.
- سرد شدن مناسب کلینکر.
- امکانات ماندگاری و استفاده بالا از خنک‌کن.
- امکان قابل تنظیم و ساده خنک‌کن.
از گرمای بازیافته شده از خنک‌کن جهت گرم کردن هوای مورد نیاز سوخت در کوره و کالسیناتور به‌عنوان هوای ثانویه و ثالثیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. و گرمای باقی مانده کلینکر از طریق هوای خروجی خارج می‌گردد.
در حالت‌هائی نیز می‌توان آخرین گرمای موجود توسط هوای خروجی جهت خشک کردن مواد دیگر به‌کار برد. البته لازم به ذکر است که هوای مورد نیاز خنک‌کن نبایستی کاهش داشته باشد زیرا اثراتی در حمل و انتقال و انبار کردن آنها خواهد داشت و اگر این را از نظر دور کنیم می‌بایست تحمل عواقب گرمای هوای خروجی را از نظر دور کنیم می‌بایست تحمل عواقب گرمای هوای خروجی را داشته باشیم.
تا چندین سال پیش خنک‌کن‌هائی که با جریان هوای متقابل کار می‌کردند به گریت‌ها ترجیح داشتند با توجه به حرارت زیاد و اثرگذاری بر صفحات خنک‌کن و خرابی آنها تلاش گردید که نحوه تکنولوژی دارای تغییراتی گردد و به‌صورت هدفمند به صفحات و زیگمنت‌هائی که تحت فشار حرارتی بودند، هوا به‌صورت مستقیم برخورد نماید و از توقفات ناخواسته جلوگیری به عمل آید. اپوریشن و راهبری کالسیناتور، کوره و خنک‌کن به‌صورت زنجیروار از جریان انرژی کلینکر ورودی به خنک‌کن، هوای از پیش گرم شده ثانویه و ثالثیه و همچنین سیکل گردوغبار کلینکر به هم ارتباط کامل دارند.
بنابراین این سهم هوای از پیش گرم شده جهت سوخت به کل انرژی در منطقه (Sinteriny) بین ۲۰ تا ۳۰ درصد می‌باشد.
بنابراین یک تغییر و نوسان در اپوریشن کوره اثر بیشتری در خنک کن داشته و نهایتاً این مهم بر کوره تحمیل می‌گردد. بنابراین یک تنظیم خوب خنک‌کن وظیفه دارد که ضمن توزیع کلینکر در داخل خنک‌‌کن و برقراری هوای گرم مورد نیاز کوره از بحران پیش آمده جلوگیری به‌عمل آید امروزه طبق تنظیمات متداول سعی می‌شود، از طریق تنظیم سرعت گریت برابر فشار در خانه اول این مهم صورت پذیرد. البته این بخشی از کار می‌باشد بیشترین مراحل از طریق ماشین‌آلات ضمن هوادهی مستقیم به زیگمنت‌های تحت حرارت و بخش‌های خنک‌کن و نیز تنظیم صحیح سرعت خنک‌کن انجام خواهد پذیرفت.
● روش معمولی خنک کردن کلینکر:
روش سرد کردن کلینکر در یک خنک‌کن معمولی بر آن است که با توجه به دمیدن هوا به مسیر و جریان کلینکر ضمن تنظیم سرعت آن یک حالت تثبیت واپوتیموم شده برای انتقال آن به‌وجود آورد تا از افزایش در منطقه ریزش جلوگیری نمود وترانسپورت آن سریع انجام گردد تا از فشار حرارتی بر صفحات خنک‌کن جلوگیری به‌عمل آید با افزایش هوا این عمل صورت می‌پذیرد و این هوا که نیز جهت سوخت در کوره استفاده می‌گردد به این روش به ۷۰۰ تا ۹۰۰ درجه می‌رسد. به‌هنگام حرکت کلینکر به سمت خارج نیز بر اثر گردش آن (Rotation) یک حالت تقسیم دانه‌بندی و جدائی مایل به محور خنک‌کن ایجاد می‌گردد.
این عامل باعث می‌گردد که دانه‌های درشت و یا ریزتر در یک محدوده حاشیه‌ائی مجتمع گردند. در محدوده اصلی ریزش کلینکر نیز دانه‌های کلینکر بیشتر تحت ضربه و فشار قرار دارند و چون مواد نیز به‌صورت پلاسما است (۱۲۰۰ درجه) افزایش به‌هم جسبندگی مشاهده می‌گردد. هوا نیز در کل یک خانه همیشه مسیرهائی را راحت‌تر پیش می‌برد که مقاومت کمتر است، از آن جائی‌که هوا نیز به‌صورت عمودی در حال خروج از صفحات معمولی می‌باشد به‌علت گرفتگی آنان خصوصاً در محدوده دانه‌های ریزتر یک لایه کامل سرد نگردیده و به شکل مذاب در حال حرکت خواهد بود که اصطلاحاً به رود سرخ RedRiver مشهور می‌گردد و مخلوط شدن آن دانه‌های درشت‌تر امکان‌پذیر نخواهد بود.
● خنک‌کن‌های مدرن
در اوائل دهه ۸۰ ایده بر آن گردید که به تکنولوژی خنک‌کن‌ها جهش داده و موارد مقاومت درگریت‌ها بررسی گردند و همه سازندگان این موضوع را درک نموده بودند. و با تغییراتی خاص با دمیدن هوای مستقیم به گریت حتی با مقاومت بالای تبادل هوا توانستند یک انتشار هوای اپوتیوم به جریان کلینکر ایجاد و سرد نمودن آن را آسان نمایند.
و با توجه به دانه‌بندی کلینکر در خنک‌کن از انتشار هوا به‌صورت افقی جلوگیری به‌عمل آمد و نیز سعی بر آن گردید که در هنگام ریزش کلینکر با تغییرات در تکنولوژی خنک‌کن از انباشت آن جلوگیری به‌عمل آمد و با هوای کمتر نسبت به خنک کردن کلینکر اقدام و نیز هوا را جهت سوخت به درجه حرارت بالاتر رسانید.
الف) تقسیم و توزیع کلینکرهای ریزشی
جهت توزیع یکنواخت و سریع کلینکر در محدوده ریزش، تمام سازندگان سعی کردند در محدوده خانه اول، شبکه‌های مایل با صفحات ثابت بسازند در جهان نیز بالغ بر دویست عدد از این پیش شبکه‌های ثابت ساخته گردیدند و هدف از آن شامل:
- کاهش فشار حرارتی گریت‌ها.
- توزیع سریع کلینکر و مخلوط شدن دانه‌بندی آنان.
- توزیع هوای مناسب به جریان کلینکر.
- برپائی یک جریان مناسب کلینکر.
- افزایش دمای هوای مورد نیاز سوخت با توجه به حجم کمتر آن.
- کاهش کمتر گردوغبار و انتقال آن به کوره.
- جلوگیری از تشکیل آدم‌برفی.
بخش پیش‌گریت در واقع به‌صورت یک رمپ عمل کرده و کلنیکر به لحاظ نیروی ثقل، مایل و نیز در جهت محور خنک‌کن تقسیم می‌گردد. در روی شبکه گریت یک لایه کلنیکر سرد تشکیل‌شده که از فشار حرارتی بر صفحات جلوگیری می‌کند و با توجه به اینکه صفحات ثابت می‌باشد از مشکلات بالای مکانیکی جلوگیری شده و سایش به حداقل می‌رسد ترانسپورت کلینکر نیز به لحاظ نیرو ثقل انجام می‌گردد و زاویه شیب هرچه بالاتر باشد مسیر آن را می‌توان طولانی‌تر نمود. البته بایستی این را مد نظر داشت که کلینکر به‌صورت بهمن سرازیر نگردد.
با زاویه‌ائی معادل ۱۵ درجه و با توجه به مقدار تولید بین ۶ تا ۹ ردیف امکان‌پذیر و معمولی است هرچه شبکه گریت مسطح‌تر و طولانی‌تر باشد احتمال تشکیل آدم برفی بیشتر خواهد بود. معمولاً (Cannon)های هوا در پشت دیوار خنک‌کن بایستی نصب نمود تا با به‌کارگیری آنان از انباشت کلینکر بر روی هم جلوگیری نمود.
در یک روش جدیدتر سعی بر آن است که خروجی ایر (Cannon) در قسمت جلوی صفحات گریت قرار گیرند تا از صورت افقی همراه با شبکه‌های متحرک خود به گریت‌های ردیف بعد ارتباط دارد ترانسپورت کلینکر به سهولت انجام و سرعت آن قابل تنظیم بوده و به اپراتور امکان اپوتیموم کردن مقدار کلینکر به ورودی آن از کوره داده تا در زمان نوسانات کوره خود را به سمت آن وفق دهد.
ب) سیستم هوادهی
سیستم هوادهی بخش اصلی یک خنک‌کن می‌باشد. بنابراین مقدار هوادهی مناسب و هدفمند به مسیر جریان کلینکر یکی از مهمترین مسائل مربوط به خنک‌کن بوده. در این راستا از یک نوع تکنولوژی انگلیسی خاصی به‌نام هوادهی به‌صورت (Beam) یا مستقیم استفاده می‌گردد.
در این تکنیک و روش، هوای سرد مستقیماً به صفحات گریت توسط یک نوع Beam منتقل می‌گردد. یعنی به زبان دیگر هوا با فشار به صفحات رسیده تا به جهتی بر مقاومت شبکه و مقاومت بستر کلینکر چیره گردد. و یا از هوای کمتر با توجه به آب‌بندی کامل خنک‌کن استفاده شود.
طراحی هوادهی در خانه اولیه طبق نظر کلیه سازندگان طوری است که به‌صورت بخش بخش انجام می‌پذیرد. تا مقدار بستر کلینکر و دانه‌بندی آنان پوشش دهد. در تولیدات بالا حتی Beam Air به زیر بخش‌هائی نیز تقسیم می‌گردد و منطقه ریزش کلینکر نیز جداگانه هوادهی می‌گردد. حال سؤال بر این است که محدوده‌ای دیگر چگونه هوادهی می‌شوند (مستقیم و یا به‌صورت خانه‌ائی) که این به‌صورت متفاوت پاسخ‌گوئی می‌گردد.
اما در تمام حالات قسمت سرد همیشه به‌صورت خانه‌ائی هوا داده می‌شود. در جدول مرتبط به این مبحث معایب و مزایای هر دو نوع هوادهی مقابل یکدیگر قرار داده شده‌اند. در هوادهی مستقیم سعی بر آن شده که از طریق لوله‌هائی یا از طریق لوله‌های خود گریت هوا را به صفحات رساند. در ضمن افت فشار در صفحات و بستر خنک‌کن توسط فن‌های قوی بر طرف نمود و از طریق هوادهی به صفحات متحرک توسط فن‌های تعبیه شده در محل، مراحل را دنبال کرد و خنک‌کن نیز بایستی کاملاً آب بندی باشد.در ضمن به‌عنوان مزایای هوادهی خانه‌ائی در این روش، کمترین افت فشار و کمترین مصرف انرژی و ساخت ساده آن می‌توان نام برد. اغلب سازندگان گریت سعی بر آن دارند که تمام محدوده خنک‌کن در بخش‌های مختلفی تقسیم تا هوادهی به‌صورت کامل به صفحات، بستر کلینکر و دانه‌بندی آن برسد و از انرژی مصرفی کاملاً استفاده نمود. شرکت IKN از یک استراتژی خاص دیگری پیروی کرده.
و علاوه بر پیش‌گریت ثابت، باقی‌مانده خنک‌کن به‌صورت خانه‌ائی هوادهی می‌کند، تا به یک جریان هوا با سرعت بالا با رعایت آب‌بندی کامل خنک‌کن دسترسی پیدا کند و علاوه بر این درزهای بین صفحات گریت و ردیف شبکه‌ها و همچنین آب‌بندی کامل بغل‌بندها انجام گردد. و هر سومین ردیف گریت؛ متحرک طراحی نمود و در ضمن از صفحاتی با مقاومت بسیار بالا استفاده کرد.
● صفحات گریت:
نظر به این که هوای خنک با سرعت بسیار بالا جهت سرد کردن کلینکر وارد می‌گردند و مواجه با مقاومت بیشتر صفحات که ناشی از بستر کلینکر است. احتمال از مسیر خارج شدن جریان هوا و شکست آن پیش‌بینی می‌گردد بنابراین این نتیجه می‌شود که بایستی صفحات جدید به نحوی توسعه یابند که در آنان جریان دارای کمترین سطح مقطع آزاد باشد و تنها هوا به‌صورت افقی جریان پیدا کند در ابتدا تغییر مسیر جریان هوا که به‌صورت عمودی است در بستر کلینکر از سرعت آن کاسته و تقریباً حالت متوقف به خود می‌گیرد در ضمن با توجه به هوای کم صفحات خنک می‌گردند و از بار حرارتی آن کاسته می‌شود. در حال حاضر صفحات به دو دسته تقسیم می‌شوند:
۱) گروه جریان افقی، که توسط IKN توسعه یافته و در تمام محدوده قابل جایگزینی است این گروه با گروه پله‌ائی شکل جریان افقی شرکت KHD مطابقت دارد که در آن به‌عنوان گریت پیش خنک‌کن ثابت در نظر گرفته شده است.
در آن صفحات Mulden شکل می‌باشد که از طرف شرکت کلادیوس پتر، CFG فولر و همچنین Fls و نیز صفحات امگا KHD و صفحات متداول و معمولی Jetring کروپ. پولیزیو، مشهور می‌باشند در آنها از طریق یک شکاف باریک هوا به‌صورت افقی با سرعت بالا به BOX کلینکر برخورد می‌کند. در BOX کلینکر هوا تغییر جهت داده و به‌صورت عمودی از صفحات به بستر کلینکر می‌رسد.
به لحاظ جریان هوای افقی در صفحات به بستر کلینکر می‌رسد.
به لحاظ جریان هوای افقی در صفحات حتی با کاهش هوای کم نیز کلینکر به خوبی سرد می‌گردد. در حال حاضر نیز توسط شرکت کروپ. پولیزیوس صفحاتی با جریان هوای مورب به نام Jet - Stream ساخته و وارد بازار شده‌اند. خرابی صفحات در سال‌های گذشته به حداقل رسیده که کلاً ناشی از هوادهی خوب بوده است.
در ضمن با قرار دادن ستون‌های محافظتی در میانه گریت از خمش آنان جلوگیری که این نیز باعث طول عمر بیشتر صفحات گردیده است در گریت‌های IKN جهت محافظت از خمش گریت از قاب‌های لرزان که به‌عنوان پاندول گریت استفاده و این قاب‌های لرزان روی ستون‌های پاندول طوری طراحی که به فنرهای فولادی وصل می‌باشند در خاتمه لازم به ذکر است که افتادن صفحات حاشیه‌ائی و معیوب شدن آنان نیز از طریق آب بندی کامل انجام شده تا در هنگامی که حرارت بالاست نگه دارنده آنان نیز به همراه صفحات انبساط پیدا کرده بدون اینکه وظائف خود را نیز از دست بدهند.
د) رولر کراشر
جهت خردایش و جدائی کلینکرها امروزه از این گونه کلینکرشکن‌ها استفاده می‌گردد. و در خنک‌کن‌های جدید اغلب این گونه دستگاه‌ها مجهز می‌گردند. لازم به ذکر است به لحاظ کاهش هزینه‌ها اغلب از آنان استفاده می‌گردد. کراشرهای چکشی نیز یکی دیگر از کراشرها می‌باشد. البته گاهاً کلینکر شکن‌ها در میانه خنک کن نیز نصب می‌گردد که این از لحاظ ساختمانی می‌بایستی تغییراتی داد و سایز خنک‌کن‌ها را بزرگتر طراحی نمود. یکنواختی دانه‌بندی تأثیرات حرارتی بهتری در کل سیستم دارد اما در اغلب خنک کن‌ها عموماً کراشر در انتهای خروجی خنک‌کن نصب می‌گردند.
● اثرات حرارتی:
تأثیر حرارتی هر خنک‌کن بستگی به مقدار هوای مورد نیاز سوخت و یا به عبارتی مقدار انرژی مصرفی سوخت کلیه تأسیسات کوره و نهایتاً رسیدن به مقدار هوای مناسب سوخت که از قبل گرم شده دارد. در طراحی یک خنک‌کن، درجه حرارت هوای ثانویه از طریق تنظیم بستر ۸۰۰ تا ۶۵۰ میلی‌متر و توزیع صحیح هوای خنک در روی گریت خانه اول تعیین می‌گردد.
زمانی به مرز مشخص می‌رسیم که اگر افزایشی در بستر کلینکر پیش آمد دیگر نیاز به گرمایش بیشتر هوای سوخت نباشد. در عمل با خنک‌کن‌های جدید شبکه‌ائی در مقایسه به گریت‌های معمولی افزایش درجه حرارت هوای ثانویه مشاهده می‌گردد. با محاسبات انجام شده این مقدار بین ۹۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه می‌باشد تأثیرات درجه‌بندی مناطق سرد نسبت به مقدار هوا بررسی و محاسبات آن انجام گردیده است.
به وضوح دیده می‌شود که تأثیرات به‌دست آمده از ۶۹ ال ۷۸ در صد می‌باشند. و طبق دیتاهای کارخانجات سازنده مقدار هوای سرد بین ۴/۱ تا ۷/۱ متر مکعب به هر کیلوگرم کلینکر مورد نیاز می‌باشد. البته به‌صورت متوسط این مقدار روی دو متر مکعب به هر کیلوگرم تنظیم می‌گردد تا درجه حرارت کلینکر نیز به حداقل کاهش یابد.
درجه تأثیرگذاری خنک‌کن‌ها امروزه با تکنولوژی جدید تقریباً به مرز ۷۵ درصد رسیده است از طرف شرکت پولیزیوس خنک‌کن‌های دو کارهائی (Dual -Pass) توسعه داده شده، که در آن ابتدا بعد از ریزش کلینکر روی یک سطح کوچک شبکه گریت به‌صورت کاملاً نسبی خنک می‌گردد و سپس در حین گردش مجدداً به گریت می‌رسد.
البته این کلینکرهای سرد شده به‌صورت یک بستر برای بقیه کلینکرها درآمده تا از بار حرارتی بر روی صفحات کاسته شود. در پایان مسیر گریت، هر دو لایه کلینکر از هم جدا می‌گردند. در تنها گریت ساخته شده فعلی از این تیپ میزان اثرگذاری خنک‌کن ۸۰ درصد اندازه‌گیری شده است. لازم به ذکر است که از طرف این شرکت یک خنک‌کن دیگر به این روش ساخته و فروخته شده که میزان تولید کلینکر در کوره آن ۳۰۰۰ تن در روز می‌باشد. و انتظار می‌رود که در تولیدات بالا احتمالاً این روش جواب دهد.
● اثرات بر اپوریش کوره:
درجه حرارت بالای هوای ثانویه باعث ایجاد شعله کوتاه در کوره گردیده که اثری ممتاز بر کیفیت کلینکر خواهد گذاشت. اما از طرف دیگر در صورت ثابت بودن محل مشکل درجه حرارت کلینکر ورودی به خنک‌کن افزایش یافته و احتمال ایجاد آدم برفی وجود خواهد داشت.
در ضمن با افزایش حرارت بالای هوای مورد نیاز سوخت، درجه حرارت شعله نیز افزایش یافته و NOX بیشتری تولید می‌گردد. در شکلی که مرتبط به جدول درجه حرارت به مقدار NOX دیده می‌شود که در مدت زمان زیادی اندازه‌گیری شده است.
اما با توجه این موضوع اپراتور هیچ‌گونه عکس‌العملی به افزایش درجه حرارت هوای ثانویه و نیز افزایش درجه حرارت Sintering با کم کردن مقدار سوخت نکرده است. و در این حالت درجه حرارت گاز بالا رفته و NOX بیشتری انتشار می‌یابد بنابراین با تغییر خنک‌کن درجه حرارت هوای سوخت نیز بالا می‌رود.
با توجه به تجربیات هنوز تصویر واضحی داده نشده که حالت متعادل تا چه حد NOX به‌صورت مشهود بالا می‌رود، در صورتی‌که تولید تغییری نداشته و مقدار سوخت کاهش پیدا کرده باشد. بر عکس با افزایش درجه حرارت هوای سوخت اثرگذاری بر اپورشین کوره مشهود است. و از درجه حرارت Sintering کاسته و انتشار NOX کمتر خواهد بود و کوره آرامی را راهبری خواهیم کرد. در ضمن حرارت بالای هوای پانویه نیز اثر مخربی بر نسوزکاری خروجی و مشعل خواهد داشت که در این صورت از مواد نسوز با مقاومت بالا بایستی استفاده کرد.
● خواص سیمان
▪ تولید کلینکر و سیمان
در راستای نحوه سرد کردن کلینکر بر خواص سیمان در کارخانجات مختلف آزمایشات زیادی صورت پذیرفته که چون شرایط پارامترهای آزمایش متفاوت بوده بنابراین ارزیابی مختلفی به‌دست آمده است که قابل مقایسه با یکدیگر نمی‌باشند. بنابراین تصمیم گرفته شده تا با توجه به اثر مواد، اپوریشن کوره و نحوه سرد کردن کلینکر به‌صورت سیستماتیک مورد بررسی قرار گیرد از پخت کلینکر در لابراتور؛ شرایط کوره، استفاده گردد و سپس آن را مورد آزمایش قرار داد.
بنابراین مواد خام مصرفی را با فاکتور استاندارد آهک (LDF) تقریباً حدود ۹۶ و فاز مایع تقریباً ۲۰ درصد به صورت ثابت، انتخاب کرد. و میزان آلومینیات و آلومینیات فریت بین ۵ تا ۱۵ درصد متغیر باشد. و کلینکر که به‌صورت مدل از کوره خارج می‌گردید بین ۱۱۵۰، ۱۲۵۰ و ۱۴۰۰ درجه حرارت داشتند و در گرمای محیط خنک گردیدند.
سیمان نهائی تولیدی تنها در نوع سرد کردن و دانه‌بندی گردیدند. سیمان نهائی تولیدی تنها در نوع سرد کردن و دانه‌بندی و نرمی با هم اختلاف داشتند. و میزان SO۳ در آنان به‌صورت ۳ درصد ثابت بود.
● نتایج آزمایشات:
▪ وضعیت گیرش:
به لحاظ اینکه بتوان روی سیمان به‌خوبی کار کرد یا به‌عبارت دیگر آن را به خوبی ورز داد. بایستی مقدار سولفات در محلول سیمان به نحوی باشد که تا قبل از رساندن سیمان به حالت آرام خود تمام C۳A به اترینگیت تبدیل شده باشد. این وضعیت را حالت اپتیموم نامیده می‌شود. اگر به این حالت نرسیم، یا زمان کار بر روی سیمان به‌صورت سریع و غلط پیش رود زمان گیرش مواجه با مقادیر زیر استاندارد خواهد بود.
از آزمایش‌ها چنین نتیجه می‌شود که سیمان به‌دست آمده از کلینکر آهسته سرد شده، سریع‌تر به گیرش می‌رسد تا سیمان که از همان کلینکر اما به‌سرعت خنک گردیده است علل تغییرات هیدراسیون در شیمی مواد و روش‌های مختلف پروسس می‌باشد در کوره مواد اولیه برعکس جهت گاز حرکت کرده و در منطقه Sintering به بالاترین درجه حرارت رسیده و سپس به سمت خروجی کوره با همان درجه حرارت حرکت می‌کند.این محل ابتدای بخش پیش خنک‌کن کوره می‌باشد و طول این محدوده بستگی به شکل شعله و نحوه قرارگیری مشعل در کوره و مظافاً سرعت خنک شدن کلینکر در این محل نیز به مدت زمان ماندگاری آن در این بخش یعنی به دور کوره و درجه حرارت هوای ثانویه (جهت سرد کردن کلینکر) دارد.
در آخر نیز که ابتدای ریزش کلینکر به خنک‌کن است عملیات کریستالیزاسیون شروع که گاهاً نقطه کریستاله نیز کاهش پیدا کرده و خمیره فازی به‌صورت C۳A و C۴AF کریستاله شده و برحسب درجه حرارت کریستالیزاسیون دانه‌بندی کریستال‌ها مختلف خواهد بود.
در شکل مربوطه کلینکرهائی دیده می‌شوند که در آن C۳A برابر ۷% و C۴AF برابر ۱۳% طبق روش Boge می‌باشد که در درجه حرارت ۱۴۵۰ پخته و در ۱۴۰۰ شروع به سرد شدن و ریزش از کوره به خنک‌کن می‌باشد یعنی به سرعت سرد شده است و شکل‌های کریستالی Idomorphic آلیت کاملاً مشخص است که از دانه‌های تیره رنگ C۳A و دانه‌های سفیدرنگ C۴AF در یک خمیره میکروسکوپی به ‌وضوح دیده می‌شوند.
اگر در محدوده پیش خنک‌کن بیشتر بماند دانه‌های C۳A بزرگتر و بیشتر دیده می‌شوند و در هنگامی‌که عملیات سرد کردن کاملاً آهسته باشد شکل ترکیبات C۳A و C۴AF کاملاً بزرگ و از هم جدا می‌باشند. حتی بخش‌هائی از آلیت پوشیده از C۳A و C۴AF می‌باشند.
در فاز خمیرهائی از کلینکر با ۱۳% C۳A در شکل‌های مربوطه قابل رؤیت کاملاً برجسته می‌باشد.
در شکل مربوطه ساختمان بسیار ریزدانه‌ائی کلینکر سریع سرد شده با دانه‌های کریستالی C۳A کوچک به‌صورت تیره مشاهده می‌گردد که در مرحله بعد که آهسته سرد گردیده است به‌صورت کریستال‌های دانه درشت تیره C۳A و C۴AF روشن قابل رؤیت هستند.
بنابراین سرد کردن تغییراتی در ساختمان ریزدانه آنان به‌وجود آورده و زمان کار بر روی سیمان نیز متغیر می‌گردد. برای مثال در آزمایشات گیرش اگر سرد کردن سریع انجام شده باشد، کار بر روی سیمان طولانی‌تر نموده و ضمناً کریستال‌های C۳A و C۴AF به‌صورت دانه‌ریز ظاهر می‌گردند. در یک عملیات گیرش کاملاً کند، دلالت بر آن دارد که عامل گیرش سیمان یعنی C۳A توسط کریستال‌های کمتر C۴AF احاطه شده‌اند.
و در هنگام آسیا کردن تنها قسمتی از سطح C۳A آماده واکنش است در مقایسه با کریستال‌هائی که آهسته سرد شده و دارای کریستال‌های بزرگتر می‌باشند. بنابراین می‌توان از نظر دور داشت که تقسیمات سلولی در ساختمان کریستالی C۳A کمی جابه‌جا می‌گردند. لذا تغییرات خواص ساختمان میکروسکوبی کریستال‌ها علاوه بر کلینکری که به‌صورت آزمایشی تولید شده، در کلینکر صنعتی نیز رؤیت می‌شود.
در ضمن سیمانی که کلینکر آن آهسته سرد شده، سریع‌تر گیرش پیدا می‌کند. اما از لحاظ مقاومت کمی پائین‌تر از حد استاندارد است. در کارگاهی که آزمایش انجام شده تنظیم‌گیرش را با سنگ‌گچ، به‌صورت جیپس / ایندرید به نسبت خاص انجام می‌گردد.
● مقاومت فشاری استاندارد:
وضعیت مقاومت فشاری سیمان‌ها به نسبت ۳ درصد وزنی SO۳ در آن می‌باشد. که این نسبت با توجه به مقدار سولفات در جیپس و اندرید به نسبت ۱:۱ می‌باشد و سرعت پیش سرد شدن نیز در نظر گرفته شده است.
چنین نتیجه می‌شود که مقاومت فشاری بعد از ۲۸ روز با افزایش C۳A به یک اپوتیموم بین ۹ تا ۱۱ درصد وزنی C۳A می‌رسد. تغییرات سرعت سرد شدن تا ۹ درصد وزنی C۳A هیچ‌گونه اثری بر مقاومت فشاری نداشته ولی از این مقدار به بالای C۳A در کلینکر مقاومت فشاری ناگهان به سمت پائین حرکت می‌کند و این مورد در کلینرهائی که خیلی سریع سرد گردیده‌اند بهتر رؤیت می‌گردد. یعنی کلینکرهائی که از ۱۱۵۰ درجه سریع سرد شده‌اند.
نظر به اینکه C۳A تأثیرگذار بر گیرش است، آلیت نیز بر نحوه مقاومت اثر می‌کند. اثرات نوع سرد کردن و به همین نحو ترکیبات کلینکر خروجی بر آرایش و شکل‌پذیری آلیت‌ها در شکل‌های مربوطه دیده می‌شوند. در رابطه با شکل خمیره اولیه فازی قبلاً توضیح داده شد. در شکل می‌بینید که در کلینکر که سریع سرد گردیده، قسمت اصلی و وسیعی از کریستال آلیت توسط بلیت‌ها احاطه گردیده است.
(کاملاً واضح از دیواره‌های کناری تیره‌ رنگ) شکل همان کلینکر نشان می‌دهد ولی به‌صورت آهسته سرد شده که دارای C۳A بیشتر می‌باشد. در آنان بلیت‌های تازه ایجاده شده در دانه‌های مرزی آلیت‌ها به‌مقدار زیادی از بین رفته‌اند. و به‌جای آن تعداد بسیار زیادی کریستال‌های بلیت به‌صورت کریستال‌های بزرگی رشد کرده‌اند.
دیواره‌های الیت‌ها نیز ریکریستاله شده و بر روی آنان کریستال‌های واقعی و همگن به‌وجود آمده‌اند. شکل کریستال‌های واقعی و همگن به‌وجود آمده‌اند. شکل نشانگر کریستال‌هائی با الومینات بالا (C۳A) است. که در ۱۴۰۰ درجه از کوره خارج و سرد شده که در ساختمان آن کریستال‌های بلیت بر روی دانه‌های کریستالی آلیت رشد کرده‌اند.
فاز خمیرهائی که نیز شامل C۳A و C۴AF می‌باشند در محدوده بلیت توسط الکترون‌های ثانویه تحت تأثیر قرار نگرفه و تغییری در آن حاصل نشده است. اما در همان کلینکر که به‌صورت آهسته تا ۱۱۵۰ درجه سرد شده خمیده بلیت وجود ندارد و تنها کریستال‌های بلیت به‌صورت جمعی و دسته‌ائی دوقلوئی رشد کرده‌اند.
به‌لحاظ تغییرات ترکیبی در کلینکرهائی که در آن مقدار وزنی C۳A حدود ۷ درصد می‌باشد، ساختمان ریزدانه‌ائی آنان کاملاً متغیر می‌باشد اما کریستال‌ەای آلیت کاملاً دارای شکل واقعی گردیده است.
در شکل با همان ترکیب ولی به صورت آهسته سرد گردیده، کریستال‌های آلیت مشاهده می‌گردد. که ریکریستاله شده و کریستال‌های بلیت کمتر قابل رؤیت هستند با توجه به اینکه نقطه ثابت آلیت حدود ۱۲۵۰ درجه و به‌صورت آهسته سرد شدن می‌باشند و در این آزمایشات حتی درجه حرارت پائین‌تر می‌باشد، هیچ‌گونه تغییر و از هم پاشیدگی آلیت به بلیت و آهک آزاد دیده نمی‌شود و در کلیه آزمایشات بروش شیمی‌تر (در کلینکرهائی که زیر ۱۲۵۰ درجه سرد شده‌اند) میزان آهک آزاد کمتر از ۲/۰ درصد وزنی بوده است.
● ترکیبات Matrix:
پس از تحقیقات و آزمایشات میکروسکوپی چنین نتیجه می‌شود که جذب بر کریستال‌های آلیت، ریکریستاله شدن دانه‌ائی و تجمعی بر بلیت‌ها، درشت شدن کریستال‌های آلومینات و آلومینیات فریت و مجدداً رشد نمودن کریستال‌ها در سطح‌های سایش یافته کریستال‌های آلیت کاملاً مشهود خواهند بود.
وسعت و تعداد تغییرات ساختمان میکروسکوپی برحسب ساختمان ترکیبی مواد کاملاً متغیر می‌باشد. همچنان که در آزمایشات مشاهده شد. در روش سرد کردن کلینکر به‌صورت آهسته، مقاومت سیمان کاهش می‌یابد.
یعنی به زبان دیگر در هنگام سرد کردن، انتقال ترکیبی به‌وقوع می‌پیندد و باعث تغییر خواص کلینکر و نهایتاً سیمان می‌شود برای توضیح این مهم، سیلیکات کلسیم با مقدار ترکیبی مختلف آن به‌وسیله Salicylic Acid که در متانل حل گردیده، جدا کرده و باقیمانده را از طریق آزمایشات Ray - X دنبال نمود.
در نتایج آزمایش دیده می‌شود که در هنگام پروسس خنک کردن، یک نوع تعویض ترکیبی بین کلسیم سیلکات و خمیره موادی آن انجام می‌گردد. در کلینکری که مقدار C۳A حدود ۱۳ درصد وزنی می‌باشد شکل اکسیدهای ۳O Fe۲ Al۲O۳ و Mgo در کلینکری که آهسته سرد گردیده، به سمت داخل کلسیم سیلکات حرکت کرده (کم شدن فاز مایع) و برعکس Cao به سمت خمیره مواد حرکت و آلیت‌ها جذب می‌گردند.
در کلینکری که درصد C۳A در آن ۷ درصد وزنی می‌باشد شکل مربوطه به‌صورت آهسته نیز سرد گردیده، به‌غیر از Cao اکسیدهای Fe۲O۳ و Al۲O۳ نیز به سمت خمیره حرکت می‌کنند. و تنها قسمتی از Mgo (همان‌گونه که در کلینکرهای C۳A بالا اتفاق می‌افتد) از خمیره به سمت سیلیکات حرکت می‌کند.
از آزمایشات میکروسکوپی می‌توان نتیجه گرفت که خمیره فازی در هنگام سرد شدن سطح کریستال‌های الیت را سایش می‌دهد. Cao به مصرف کریستالیزاسیون C۳A و C۴AF خواهد رفت. در صد بالای مصرف بستگی به افزایش C۳A در مواد دارد جدا شدن Cao از محدوده کناری کریستال آلیت، باعث به‌وجود آمدن فاز بلیت گردیده با سرد شدن بیشتر کلینکر از آلیت کاملاً جدا و کریستال‌های بزرگ بلیت تشکیل می‌گردد.
در ضمن با پذیرش اکسیدهای Fe۲o۳ و Al۲o۳ و Mgo از خمیره، کریستال‌های بلیت در سطح لغزنده می‌گردند. در کلینکرهائی که مقدار C۳A کمتر است، Cao را به نسبت کلینکرهائی که در آنان C۳A بالاست کمتر تعویض می‌کنند. این مهم را می‌توان در مرز دانه‌های آلیت که کمتر سایش دارند مشاهده نمود.
● نتیجه‌گیری:
خواص متفاوت کلینکر در هنگام Corrosion آلیت تنها به نحوه سرد کردن وابسته نیست. بلکه در دو وحله اول بستگی به ترکیبات مواد دارد. آغاز اولین مراحل تشکیل Bordersهای فاز بلیت بر روی کریستال الیت پس از خروج کلینکر از محدوده Sintering و توقف محدود آنان رد بخش پیش خنک‌کن کوره می‌باشد. این درست همان زمانی است که کریستلیزاسیون آغاز و آلیت‌ها مورد حمله و نفوذ قرار می‌گیرند.
این نیز دلالت بر کاهش کلسیم در منطقه Sintering فاز مایع می‌باشد. از آنجائی‌که مقدار کلسیم به حدی نیست که در زمان پروسس سرد شدن کلینکر، مقدار مورد نیاز به‌صورت تئوری در ساخت C۳A و C۴AF عرضه کند. بنابراین در هنگام سرد شدن کلینکر با فاز کلسیم بالا، از کناره‌ها مورد حمله قرار گرفته تا مقدار کاهش Cao را پوشش دهد.
از آنجائی‌که فاز C۳A در مقابل C۴AF دارای فاز کلسیمی بیشتری است لذا در فاز آلیت که C۳A کمتر است به همین نسبت CAO کمتری در راستای کریستالیزاسیون فاز مایع پایه‌ائی جذب می‌گردد. بنابراین کریستال‌های آلیت بسیار کم و حتی اصلاً مورد هجوم قرار نمی‌گیرند. در کلینکری که بروش نرمال سرد گردیده و مقدار C۳A در آن بالاست، کریستال‌های بلیت شروع به رشد می‌کنند.
اثرگذاری و حمله فاز مایع بر کریستال‌های الیت در هنگام سرد شدن بدون اینکه به سرعت پیش سرد شدن بستگی داشته باشد، عملی می‌گردد. در هنگامی که سرعت سرد شدن افزایش یابد ماندگاری Bordersهای کریستال بلیت افزایش می‌یابد و با آهسته سرد شدن از سطح آلیت حل گردیده و کریستال‌های ناهمگون بلیت به‌وجود می‌آید خواص‌های مختلف گیرش سیمان‌های که با اختلاف‌های متفاوتی در سرعت سرد شدن کلینکر آنان مشاهده می‌گردد، بستگی به نوع ایجاد فاز مایع پایه‌ائی آن دارد.
بنابراین در کلینکرهائی که به‌صورت آهسته سرد می‌شوند و در آنان مقدار C۳A بالاتر از ۱۱ درصد وزنی است می‌بایست با جیپس به‌صورت گرم کوبیده شوند تا آب جیپس به‌صورت نیمه درآید. و مقدار عرضه سولفات در محلول در هنگام هیدراسیون بالا رود. مقاومت فشاری اپوتیموم ۲۸ روزه سیمان از کلینکر که دارای ۹ تا ۱۱ درصد وزنی X۳A است بدون وابستگی به سرد شدن به‌دست می‌آید.
علت کاهش مقاومت فشاری سیمانی که از کلینکرهای آهسته سرد گردیده بستگی به تشکیل Bordersهای بلیت روی کریستال آلیت ندارد بلکه در هنگام سرد شدن، یک متریال ترانسپورت بین سیلیکات‌ها و فاز مایع پایه ایجاد و باعث کاهش‌ها واکنش کریستال آلیت با ورود Al۳+ , Fe۳+ به ساختمان خود گشته و در ضمن کاهش الیت به‌واسطه پروسس Ccrrosion کلینکرهائی که C۳A در آن بالاست ادامه پیدا می‌کند.
لذا نتیجه می‌شود که ماتریل ترانسپورت با افزایش C۳A در کلینکری که آهسته سرد می‌گردد. نسبت مساوی دارد. لذا در کوره‌هائی که کلینکر با مقدار C۳A بالا سرد می‌گردد می‌بایست تا حد امکان محدوده پیش خنک‌کن کوتاه تنظیم نمود و سرعت سرد شدن را با استفاده از هوای ثانویه‌ائی که درجه حرارت آن ۱۰۰۰ و یا بالاتر است کاهش داد. در کوره‌هائی که کلینکر بروش ساتالایت سرد می‌گردد.
حساسیت بیشتری روی افزایش C۳A می‌باشد و اگر از طریق گام‌های فنی و تأسیساتی مؤفق به کاهش C۳A نگردیم بایستی با اضافه نمودن ترکیبات آهن، مقدار C۳A در کلینکر را تنظیم نمود.

مترجم: نوذر جمالی
منبع: مجله ZKG - ۲۰۰۳ Nov.

منبع : ماهنامه صنعت سیمان