جودة وتركيب كلنكر الأسمنت

إذا كنت ترغب في تنزيل "كيمياء أفران الأسمنت" الكاملة وجميع الدورات التدريبية الكاملة والكتب المتخصصة في صناعة الأسمنت، يرجى النقر هنا الآن

مقدمة

في الوحدة 2 من الدورة، سنركز على جودة وتكوين كلنكر الأسمنت. ولعل من الأفضل أن نبدأ أولاً بتعريف الجودة من حيث صلتها بكلنكر الأسمنت. تُقيَّم جودة الكلنكر في المقام الأول من خلال الأداء الهيدروليكي للأسمنت المصنوع منه.

يشمل الأداء الهيدروليكي للأسمنت تطور القوة، وخصائص التصلب، وقابلية التشكيل، والمتانة، واتساق خصائص الأداء الهيدروليكي هذه. تؤثر جودة الكلنكر وتركيبته على جميع هذه الخصائص الهيدروليكية للأسمنت، على الرغم من أنه يمكن تعديل أو التحكم في التصلب وقابلية التشكيل خلال عملية الطحن النهائي للأسمنت.

ومن المؤكد أن متانة الخرسانة المصنوعة من الأسمنت تتحدد بجودة الكلنكر وتركيبته. يجب أن يتم خلط الكلنكر بحيث يحتوي على نسبة منخفضة من الجير الحر المتبقي (<2.5٪) وألا يحتوي على أكثر من 5٪ من أكسيد المغنيسيوم (MgO). ومع ذلك، بافتراض المزج المناسب، فإن تطور قوة الأسمنت المصنوع من الكلنكر هو المقياس الأساسي لجودة الكلنكر.

يتم تحديد تطور قوة الأسمنت، والخرسانة المصنوعة من الأسمنت، من خلال محتوى السيليكات في الأسمنت الموجود في المعادن C3S و C2S. كلما ارتفع معامل السيليكا (SM) في الكلنكر، زاد محتوى السيليكات، لكننا رأينا في الوحدة 1 أنه إذا تجاوز معامل السيليكا (SM) 4.0، فستكون هناك صعوبات في خلط الكلنكر.

تستمد القوة المبكرة للأسمنت بشكل أساسي من مادة C3S؛ فكلما ارتفع تشبع الكلنكر بالجير (LSF)، زاد محتوى مادة C3S، حتى يصل إلى الحد الأقصى البالغ 100% من التشبع بالجير.

يمكن تحديد نسب المواد الخام في تغذية الفرن لتحقيق أهداف عالية لتشبع الجير (LSF) ومعامل السيليكا (SM) من أجل تعظيم محتوى السيليكات وC3S، ولكن ماذا يعني تشبع الجير فعليًّا؟

هل ستتوافق التركيبة المعدنية الفعلية للكلنكر مع الهدف المحدد من خلال التناسب؟ هل سيكون تطور قوة مركبات C3S وC2S كما هو متوقع؟
هل يعتمد تطور القوة فقط على كمية مركبات C3S وC2S الموجودة؟ أم أن مركبات C3S وC2S في بعض أنواع الكلنكر أفضل في تطوير القوة من غيرها؟ ما هو دور المركبات والمكونات الثانوية في الكلنكر؟
كيف يمكن التحكم في تطور قوة C3S وC2S والتنبؤ به؟

هذه هي الأسئلة التي سنحاول الإجابة عليها في الوحدة 2 من هذه الدورة.

ولن نتمكن بالتأكيد من الإجابة عن هذه الأسئلة دون فهم النظام الرباعي CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃ (CSAF). النظام الرباعي CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃ (CSAF) هو النقطة التي سنبدأ منها في الجلسة التالية من الدورة.

لا توجد تمارين مرتبطة بالجلسة 1 من الوحدة 2، ومع ذلك، أوصي بمحاولة حل الاختبار 2.1 لتقييم معرفتك الحالية قبل دراسة بقية الجلسات، ثم إعادة حلها لاحقًا كتقييم ذاتي.

النظام الرباعي CSAF.

تنتمي جميع معادن كلنكر الأسمنت إلى النظام الرباعي CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃ (CSAF). أهم معادن الكلينكر هي السيليكات C3S وC2S، وهي تنتمي إلى النظام الثنائي CaO-SiO₂ (CS)، وهو نقطة انطلاق جيدة لاستكشافنا للنظام الرباعي.

يشكل الجير (CaO) والسيليكا (SiO₂) أربعة مركبات متميزة معًا، وهي حسب ترتيب زيادة محتوى CaO كما يلي:

1- ميتاسيليكات الكالسيوم، CaSiO₄، CS

2- رانكينيت، Ca₃Si₂O₇، C3S₂

3- أورثوسيليكات الكالسيوم، Ca₂SiO₄، C₂S.

4- سيليكات ثلاثي الكالسيوم، Ca₃SiO₅، C₃S.

بصفتنا مصنّعي أسمنت بورتلاند، لا نهتم بالأجزاء ذات المحتوى المنخفض من CaO في النظام. فدرجات حرارة الانصهار في الجزء ذي المحتوى العالي من CaO في النظام تتجاوز 2050 درجة مئوية، وهي أعلى بكثير مما يمكن تحقيقه في فرن الأسمنت الدوار. ولهذا السبب يجب وجود Al₂O₃ و Fe₂O₃ لتكوين سائل وزيادة معدل تكوين C3S.

النظام الثنائي الكامل CaO-SiO₂، CS، وصولاً إلى SiO₂ هو كما يلي:

قبل النظر في النظام الثلاثي مع إضافة Al₂O₃، والنظام الرباعي مع إضافة Fe₂O₃، نحتاج إلى النظر في الأنظمة الثنائية التي تحتوي على الألومينا (Al₂O₃) وFe₂O₃.

يشكل الجير (CaO) والألومينا (Al₂O₃) معًا أربعة مركبات متميزة، وهي بالترتيب المتزايد لمحتوى CaO:

1-CaO·6Al₂O₃، CA₆.

2-CaO.2Al₂O₃، CA₂.

3-ألومينات الكالسيوم، CaO.Al₂O₃، CA.

4-ألومينات ثلاثي الكالسيوم، 3CaO.Al₂O₃، C₃A

في الهواء ذي الرطوبة العادية يتشكل المركب C12A7 أيضًا، لكنه يحتوي على بعض أيونات الهيدروكسيل، وبالتالي فهو ليس ثنائيًّا بالمعنى الدقيق للكلمة.

مرة أخرى، بصفتنا مصنعي أسمنت بورتلاند، فإننا لا نهتم بشكل خاص بألومينات الجير الأقل CA6 وCA2 وCA. لو كان المقرر الدراسي يتناول كيمياء تصنيع أسمنت ألومينات الكالسيوم، لكنا بالتأكيد مهتمين بهذه المركبات وبمركب C12A7.

مرة أخرى، لا تدخل ألومينات الجير الأقل في تصنيع أسمنت بورتلاند، لكن الرسم التخطيطي يكتمل على النحو التالي:

يشكل الجير (CaO) وFe₂O₃ معًا ثلاثة مركبات متميزة، وهي حسب ترتيب زيادة محتوى CaO:

في الخلطات الغنية بـ Fe₂O₃، يُفقد الأكسجين مكونًا Fe²⁺، وبالتالي لا يعود النظام ثنائيًا بين CaO و Fe₂O₃، الذي يحتوي فقط على Fe³⁺. ومع ذلك، في الخلطات الغنية بـ CaO المستخدمة في تصنيع الأسمنت، يكون النظام ثنائيًا. لا يوجد أي من هذه المركبات الثنائية CaO-Fe₂O₃ في الأسمنت البورتلاندي.

تشكل السيليكا (SiO₂) والألومينا (Al₂O₃) معًا مركبًا ثنائيًا واحدًا، وهو الموليت (2Al₂O₃·SiO₂) أو A₂S.