3-6-2 قلیاییت (pH)47
3-6-3 خواص الکتریکی48
3-7 بررسی خواص خمیر49

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

3-7-1 تعیین مقدار آب لازم (غلظت نرمال)49
3-7-2 اندازهگیری زمانهای گیرش اولیه و نهایی49
3-8 بررسی خواص ملات51
3-8-1 مراحل اختلاط و ساخت ملاتهای سیمانی51
3-8-2 استحکام فشاری52
3-8-3 استحکام خمشی52
3-9 بررسی استفاده از فعالساز قلیایی کلراید کلسیم52
3-9-1 ساخت نمونه جهت بررسی اثر فعالساز قلیایی52
3-10 بررسی استفاده از نانو سیلیس بر ملاتهای حاوی سرباره کنورتور53
3-10-1 ساخت نمونه جهت بررسی تأثیر نانو سیلیس54
4-1 شناسایی و آنالیز مواد اولیه55
4-1-1 آنالیز شیمیایی55
4-1-2 آنالیز مینرالی56
4-1-3 چگالی مواد اولیه58
4-2 نتایج حاصل از بررسی خواص دوغاب58
4-2-1 زمان ریزش دوغابها59
4-2-2 اندازه گیری قلیاییت59
4-2-3 هدایت الکتریکی دوغاب61
4-3 نتایج زمانهای گیرش نمونههای خمیر61
4-4 نتایج تست استحکام مکانیکی نمونههای ملات65
4-5 بررسیهای ریز ساختاری69
4-6 نتایج استفاده از فعالساز قلیایی72
4-6-1 زمان ریزش دوغاب72
4-6-2 زمان گیرش خمیر73
4-6-3 استحکام مکانیکی ملات73
4-6-4 بررسیهای ریز ساختاری75
4-7 نتایج استفاده از نانو سیلیس77
4-7-1 زمان گیرش خمیر77
4-7-2 استحکام مکانیکی ملات79
4-7-3 بررسیهای ریز ساختاری83
5-1 نتیجه گیری86
5-2 پیشنهاد برای کارهای آینده88
فهرست جداول
جدول 2-1. ترکیبات دوتایی موجود در سرباره11
جدول 2-2. ترکیبات پیچیده موجود در سرباره11
جدول 2-3. نام و ترکیب فازهای موجود در کلینکر سیمان پرتلند24
جدول 2-4. ترکیب بالقوه فازهای تشکیل دهنده سیمان معمولی 25
جدول 2-5. معادلات شیمیایی جهت توصیف هیدراسیون سیمان پرتلند36
جدول3-1. نسبت مواد برای مخلوطهای متشکل از سربارهها و سیمان معمولی48
جدول3-2. نسبت مواد مخلوطهای ساخته شده بمنظور بررسی تأثیر فعالساز کلراید سدیم بر سیمانهای حاوی سربارههای فولاد55
جدول 3-3. مخلوطهای سیمان حاوی سرباره کنورتور با / بدون نانو سیلیس56
جدول 4-1. ترکیبهای تشکیل دهنده مواد اولیه مشخص شده در آزمایش آنالیز شیمیایی57
جدول 4-2. عدد میسون محاسبه شده برای سربارههای مختلف58
جدول 4-3. نتایج حاصل از اندازهگیری چگالی پودر سیمان و انواع سرباره مورد استفاده60
جدول 4-4. جدول آزمایشهای صورت گرفته بر دوغاب؛ زمان ریزش، قلیاییت (pH) و هدایت الکتریکی63
جدول 4-5. زمانهای گیرش اولیه و نهایی خمیرهای سیمانی حاوی مقادیر مختلف سرباره64
جدول 4-5. استحکام فشاری و خمشی نمونههای ملات بعد از 3، 7، 28 و 90 روز67
جدول 4-6. مشخصات استحکام خمشی و فشاری ملاتهای حاوی سرباره با طول عمر متفاوت76
جدول 4-7. مشخصات استحکام خمشی و فشاری ملاتهای حاوی سرباره با طول عمر متفاوت81
فهرست شکل‌ها
شکل 2-1. نمودار محصولات فرعی تولید شده بازای یک تن فولاد تولیدی به تفکیک روش تولید فولاد11
شکل 2-3. تصویر فلوچارت انواع سربارههای آهن و فولاد14
شکل 2-4. تصویر شماتیک از کوره بلند ذوب آهن و قسمتهای مختلف آن15
شکل 2-5. نمایی از بخش گرانولهسازی کارخانه ذوب آهن اصفهان با سه جت آب سرد گرانولهساز18
شکل 2-6. شکل شماتیک کوره قوس الکتریک فولاد بهمراه نامگذاری قسمتهای مختلف19
شکل 2-7. تصویری شماتیک از کوره کنورتور20
شکل 2-8. تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از29
شکل 2-9. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از اترینژایت (تری سولفات AFt) با فرمول شیمیایی 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O31
شکل 2-10. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی تومازیت در نمونه بتنی پس از نگهداری به مدت بیش از 90 روز32
شکل 2-11. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی مونوسولفات 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O33
شکل 2-12. شکل شماتیک ضخامت لایه نازک آب پوششی بر روی سطوح ذرات سیمان و نیز آب موجود در خلل و فرج بافت میکروسکوپی بین ذرات سیمان (آب بین ذرهای)34
شکل 2-13. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از ساختار میکروسکوپی خمیری ساخته شده از کلینکر سیمان و گچ همراه با 5/3% وزنی SO3 که در حال هیدراسیون بوده و خود را گرفته است، 45/0 W/C= و زمان هیدراسیون 4 ساعت39
شکل 2-14. نمودار تشکیل فازهای هیدراته و رشد بافت میکروسکوپی در طول زمان هیدراسیون سیمان42
شکل 3-1. تصویری از یک دستگاه ویسکوزیمتر ریزشی51
شکل 3-2. دستگاه اندازهگیری pH و هدایت الکتریکی محلول52
شکل 3-3. تصویر شماتیک از دستگاه سوزن ویکات برای آزمایش گیرش54
شکل 3-4. شماره الک و درصد مانده روی الک برای ماسه استاندارد55
شکل 4-1. نمودارهای پراش پرتوی ایکس گرفته شده از مواد اولیه بهمراه با پیکهای مشخص شده (بصورت مقایسهای)61
شکل 4-2. نمودار زمان ریزش دوغابهای ساخته شده با مقادیر مختلف سرباره63
شکل 4-3. تصویر شماتیک اثرات فیزیکو- شیمیایی رخ داده در فصل مشترک ذرات سیمان و آب؛ شامل دفع ذره به ذره ناشی از نیروهای الکتروستاتیک (بین بارهای مشابه) و سازماندهی مولکولهای لایهای ناشی از جذب در سطوح جامد-محلول64
شکل 4-4. نمودار زمانهای گیرش اولیه و نهایی نمونههای حاوی مقادیر مختلف سرباره کنورتور66
شکل 4-5. نمودار زمانهای گیرش اولیه و نهایی نمونههای حاوی مقادیر مختلف سرباره کوره قوس الکتریکی67
شکل 4-6. نمودار زمانهای گیرش اولیه و نهایی نمونههای حاوی مقادیر مختلف سرباره گرانوله شده کوره بلند67
شکل 4-7. نمودار استحکام فشاری نمونههای حاوی درصدهای مختلف سرباره کنورتور بر حسب عمر ملات70
شکل 4-8. نمودار استحکام فشاری نمونههای حاوی درصدهای مختلف سرباره کوره قوس الکتریکی بر حسب عمر ملات70
شکل 4-9. نمودار استحکام فشاری نمونههای حاوی درصدهای مختلف سرباره گرانوله شده کوره بلند بر حسب عمر ملات71
شکل 4-10. نمودار استحکام خمشی نمونههای حاوی درصدهای مختلف سرباره کنورتور بر حسب عمر ملات71
شکل 4-11. نمودار استحکام خمشی نمونههای حاوی درصدهای مختلف سرباره کوره قوس الکتریکی بر حسب عمر ملات72
شکل 4-12. نمودار استحکام خمشی نمونههای حاوی درصدهای مختلف سرباره گرانوله شده کوره بلند بر حسب عمر ملات72
شکل 4-13. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه مرجع (الف- 7 روزه، ب- 90 روزه)73
شکل 4-14. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه حاوی 30% سرباره کنورتور (BOF30) (الف- 7 روزه، ب- 90 روزه)73
شکل 4-15. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه حاوی 30% سرباره کوره قوس الکتریکی (EAF30) (الف- 7 روزه، ب- 90 روزه)74
شکل 4-16. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه حاوی 30% سرباره گرانوله شده کوره بلند (GBF30) (الف- 7 روزه، ب- 90 روزه)74
شکل 4-17. نمودار پراش پرتوی ایکس از نمونههای مختلف خمیری سخت شده پس از 90 روز75
شکل 4-18. مقایسه وضعیت سیالیت دوغابهای ساخته شده از مخلوطهای مختلف حاوی 30% سرباره با نمونه مرجع76
شکل 4-19. نمودار زمانهای گیرش اولیه و ثانویه نمونههای مختلف جهت بررسی اثر فعالساز قلیایی بر گیرش77
شکل 4-20. نمودار استحکام فشاری نمونههای ملات بر حسب عمر ملات78
شکل 4-21. نمودار استحکام خمشی نمونههای ملات بر حسب عمر ملات78
شکل 4-23. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه حاوی مخلوط دو سرباره فولادسازی بهمراه فعالساز (B-E-CaCl2) (الف- 7 روزه، ب- 90 روزه)80
شکل 4-24. نمودار زمانهای گیرش اولیه و ثانویه نمونههای حاوی مقادیر 50-0% سرباره کنورتور81
شکل 4-25. نمودار زمانهای گیرش اولیه و ثانویه نمونههای حاوی 40% سرباره کنورتور بهمراه 4-5/0 % نانو سیلیس81
شکل 4-26. نمودار زمانهای گیرش اولیه و ثانویه نمونههای حاوی 50% سرباره کنورتور بهمراه 4-5/0 % نانو سیلیس82
شکل 4-27. نمودار استحکام فشاری نمونههای حاوی نمونههای حاوی مقادیر 50-0% سرباره کنورتور بر حسب عمر ملات84
شکل 4-28. نمودار استحکام فشاری نمونههای حاوی نمونههای حاوی 40% سرباره کنورتور بهمراه 4-5/0 % نانو سیلیس84
شکل 4-29. نمودار استحکام فشاری نمونههای حاوی نمونههای حاوی 50% سرباره کنورتور بهمراه 4-5/0 % نانو سیلیس85
شکل 4-30. نمودار استحکام خمشی نمونههای حاوی نمونههای حاوی مقادیر 50-0% سرباره کنورتور بر حسب عمر ملات85
شکل 4-31. نمودار استحکام خمشی نمونههای حاوی نمونههای حاوی 40% سرباره کنورتور بهمراه 4-5/0 % نانو سیلیس86
شکل 4-32. نمودار استحکام خمشی نمونههای حاوی نمونههای حاوی 50% سرباره کنورتور بهمراه 4-5/0 % نانو سیلیس86
شکل 4-33. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه حاوی 40% سرباره کنورتور (BOF40) با بزرگنماییهای مختلف88
شکل 4-34. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه حاوی 50% سرباره کنورتور (BOF50) با بزرگنماییهای مختلف88

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 بازای تولید هر تن سیمان پرتلند در حدود 25/1 تن دیاکسید کربن تولید میشود که یک گاز گلخانهای و مضر میباشد. در ضمن برای تولید یک تن کلینکر سیمان پرتلند به انرژی گرمایی در حدود شش میلیون و سیصد هزار کیلو 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 که 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[.
سیلیکاتهافسفاتهاآلومیناتهافریتهاFeO.SiO23FeO.P2O5FeO.Al2O3FeO.Fe2O32FeO.SiO23MnO.P2O5CaO.Al2O3CaO.Fe2O3MnO.SiO23CaO.P2O5MgO.Al2O33CaO.Fe2O3CaO.SiO24CaO.P2O5-mCaO.nFe2O32MnO.SiO23MgO.P2O5–2CaO.SiO2—3CaO.SiO2—MgO.SiO2—2MgO.SiO2—Al2O3.SiO2—
جدول 2-2. ترکیبات پیچیده موجود در سرباره ]14[.
نام فازفرمول شیمیاییمونتیسلیتMonticelliteCaO.RO.SiO2مروینیتMerwinite3CaO.RO.2SiO2سیلیکا کورنوتیتSilica Cornotite5CaO.P2O5.SiO2ناگلشمیدتیتNagelschmidtite7CaO.P2O5.SiO2تومازیتThaomasite6CaO.P2O5.SiO2.2FeO.SiO2استدیتStedite3(3CaO.P2O5).CaO.2CaO.SiO2هیلبراندیتHillebranditeCa2.(SiO3).(OH)2کلینوزیسیتClinozoisiteCa2Al3.(SiO4).(Si2O7).O.(OH)براونمیلریتBrownmilleriteAl2Ca2O5بیکولیتBicchuliteAl2Ca2H2O8SiایلمینیتYeelimiteCa3Al6O12·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 + آهک2. کک3. نوار نقاله
4. درب تغذیه مواد اولیه5. لایه کک6. لایه‌های‌سنگ‌معدن، اکسید آهن
7. هوای گرم (حدود °C 1200)8. سرباره9. آهن خام مذاب
10. پاتیل حمل سرباره11. آهن مذاب12. دستگاه غبار گیر برای زدودن گرد و غبار از گاز خروجی13. گرم کننده14. 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 سرد دیده میشوند.
شکل 2-5. نمایی از بخش گرانولهسازی کارخانه ذوب آهن اصفهان با سه جت آب سرد گرانولهساز.

2-1-4-2 سرباره کوره قوس الکتریکی
از جمله سربارههای فولادسازی سرباره کوره قوس الکتریکی میباشد که به اختصار EAFS نامیده میشود. در این روش ذوب، قراضههای آهن و فولاد بهمراه مواد اولیه دیگر از جمله گندوله سنگ آهن، دولومیت، آهک و غیره، در حضور جریان الکتریکی بسیار بالا ذوب شده و پس از پالایش، سرباره از فولاد مذاب تفکیک میشود. سربارههای مذکور پس از آن با توجه به نوع فرآیند سرد کردن به دو صورت فرآوری شده و فرآوری نشده در میآیند که تفاوت آنها هم در سرعت سرد کردن مذاب سرباره میباشد. البته نحوه فرآوری مذاب بر ایجاد ساختار مینرالی سرباره و کاربردهای آن تاثیر بسزائی دارد. بطوریکه سربارهای که بطور عادی و در هوا سرد شود دارای ساختار بلورین و از نظر هیدرولیکی غیر فعال بوده، در صورتیکه سربارهای که بسرعت توسط جریان آب سرد شود دارای ساختار شیشهای بوده و از نظر هیدرولیکی نیز کاملاً فعال میباشد و دارای استفادههای متعددی خواهد بود. خواص سربارههای کوره قوس الکتریکی وابسته به نوع شارژ (قراضه / آهن اسفنجی) و نسبت این دو ماده میباشد. کاربرد سرباره در صنعت به دو بخش تقسیم میشود؛ یکی کاربرد مستقیم سرباره فولاد در فرآیند تولید آهن و فولاد و دیگری بازیابی فلزات از سرباره فولادی و کاربرد سرباره باقی مانده خارج از فرآیند تولید آهن و فولاد. در حال حاضر 90-50% از سرباره فولاد برای بازیابی فلز استفاده میشود و سپس در خارج از فرآیند تولید آهن و فولاد مصرف میشود ]23-21[.
شکل 2-6. شکل شماتیک کوره قوس الکتریک فولاد بهمراه نامگذاری قسمتهای مختلف ]5[.

2-1-4-3 سرباره کوره کنورتور26
سرباره کنورتور یا همان سرباره کوره پایه اکسیژنی27 محصول زائد و فرعی تولید شده در کوره کنورتور ذوب آهن میباشد که ماهیت غیرفلزی و سرامیکی دارد. این نوع سرباره در هنگام تبدیل آهن خام به فولاد در حین دمش اکسیژن تشکیل میشود (شکل 2-7). در روش تولید فولاد از طریق کوره کنورتور، پالایش آهن خام از طریق دمیدن اکسیژن بمنظور اکسیده کردن کربن و تنظیم میزان آن در مذاب صورت میگیرد و سرباره ایجاد شده بدلیل داشتن وزن مخصوص کمتر نسبت به فولاد در قسمت بالای مذاب قرار گرفته و سپس بروش سرریز جدا میشود. سرباره مذاب پس از جداسازی توسط پاتیل حمل و در حوضچههایی تخلیه شده و بمنظور خنک کردن توسط انشعابهایی، بمدت 24 تا 72 ساعت آبپاشی میشود. بطور کلی در حدود %20-10 وزن فولاد تولیدی را سرباره تشکیل میدهد، که این میزان علاوه بر نوع مواد اولیه ورودی به کوره به درجه فولاد تولیدی نیز بستگی دارد]20، 25-24[.
شکل2-7. تصویری شماتیک از کوره کنورتور.

در کارخانه ذوب آهن اصفهان سرباره کنورتور تولیدی از طریق پاتیلهایی به محل استخرهای کنورتور حمل میگردد. قسمت فولادسازی کارخانه ذوب آهن اصفهان دارای دو استخر بزرگ برای جمع آوری سرباره بوده که پس از پر شدن استخرها، سرباره سرد شده که عموماً چند روز از عمر آن گذشته است، توسط کامیونهایی به محل هواشناسی منتقل میشوند. اما بدلیل اینکه این نوع سرباره عملاً کاربرد مشخص ندارد در محل هواشناسی رها شده و دپو میگردند.
آزمایشاتی که در تحقیقات پیشین بر روی این نوع سرباره صورت گرفته است نشان میدهد ترکیبات مینرالی سرباره BOF نیز شامل؛ اولیوین ((Mg,Fe)2.SiO4)، مروینیت (3CaO.MgO.2SiO2)، پرتلندیت (Ca(OH)2)، فازهای سیمانی و همچنین محلول جامد RO (CaO-FeO-MnO-MgO) و آهک آزاد میباشند. لازم به ذکر است که فازهای C2S و C3S موجود در این نوع سرباره به مراتب کمتر و ضعیفتر از سیمان هستند، که علت آن کند بودن سرعت سرد کردن سرباره از حالت مذاب میباشد، که باعث ایجاد ساختار کریستالی و پایدار در حالت جامد سرباره میشود ]17، 10، 8[.

2-1-5 بررسی تحقیقات گذشته بر روی سرباره کنورتور
در مورد سرباره کنورتور که محور اصلی بحث در این پروژه میباشد تاکنون تحقیقات و پژوهشهای مختلفی برای بکارگیری آن در صنایع مختلف شده است که بطور مثال برای چند نوع از این تلاشها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
میخاییل و همکاران28 برای نخستین بار در سال 1995، بر روی رفتار حرارتی و خواص دما بالای سرباره کنورتور کار کردند. آزمایشهای ایشان در جهت یافتن راهی برای بکارگیری این ماده بعنوان آگریگیت در جادهسازی صورت گرفت که تا حدودی استفاده از این ماده را در جاده سازی موفقیت آمیز دانستند]19[.

گیسلر29 در سال 1996، از جمله اولین کسانی بود که بطور جدی بر روی کاربرد سرباره کنورتور در صنعت سیمان کار کرد. وی سعی کرد این سرباره را بعنوان ماده خام در ساخت کلینکر بکار برد. وی معتقد بود که کاربرد سرباره برای این منظور به جهت کاهش دمای پخت سیمان مزیتهای زیست محیطی و اقتصادی بهمراه خواهد داشت ]3[.
شاخپازوف و همکاران30 در سال 1997، روشهای مختلف فرآوری را برای این نوع سرباره بکار بردند. ایشان همچنین کاربردهایی را برای این ماده در نظر گرفتند که از آن جمله میتوان به استفاده از این سرباره بعنوان کمک سینتر بدنههای سرامیکی، استفاده بعنوان فلاکس در کوره بلند ذوب آهن و همچنین بازیافت و استخراج عناصر مفیدی که در داخل ترکیب این سرباره وجود دارد، اشاره کرد. البته حضور فازهای سیلیکاتی در ترکیب سرباره اثرات منفی بر روی بدنههای تولیدی از این ماده بر جای میگذاشت ]25[.

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید