از تعریفی که برای سیمان پرتلند ارائه شد، مشاهده می شود که این سیمان اصولا از مواد آهکی مانند سنگ آهک یا سنگ آهک سست، آلومین و سیلیسی که در خاک رس یا سنگ رسی وجود دارد، ساخته می شود. گل آهک که مخلوطی از مواد آهکی و رسی است، نیز مورد استفاده قرار می گیرد. مواد خام برای تولید سیمان پرتلند تقریبا در کلیه کشورها یافت می شوند و کارخانه های سیمان در تمام دنیا مشغول تولید می باشند.
اصولا روش تولید تشکیل شده است از آسیاب نمودن مواد خام، مخلوط نمودن کامل آنها در نسبت های معین و حرارت دادن در یک کوره بزرگ گردنده در دمای تا حدود ۱۴۵۰oC تا وقتی که مواد به مرز ذوب شدن می رسند و بخشی از آنها ذوب می شوند و سبب ایجاد گلوله هایی به نام کلینکر می گردند. کلینکر را سرد نموده و قدری سنگ گچ به آن می افزایند و سپس آن را آسیاب می کنند تا به صورت پودر نرم در آید. محصول به دست آمده سیمان پرتلند تجاری است که به میزان بسیار وسیع در سراسر جهان مصرف می شود.
در اینجا بعضی از جزییات تولید سیمان توضیح داده خواهد شد و بهترین روش تعقیب این توضیحات، با مراجعه به نمایش تصویری مراحل تولید در شکل ۱-۱ خواهد بود.
مخلوط نمودن و آسیاب نمودن مواد خام می تواند یا در آب و یا در حالت خشک انجام شود؛ لذا نام های «روش تر» و «روش خشک» از همین جا گرفته شده اند. روش های واقعی تولید همچنین به سختی و میزان رطوبت موجود در مواد خام مصرف شده بستگی خواهند داشت.
در اینجا ابتدا روش تر مورد بررسی قرار خواهد گرفت. وقتی که از سنگ آهک سست استفاده می گردد، ابتدا آن را خرد می کنند و سپس به وسیله دستگاه آسیاب شوینده در آب پخش می شود (این دستگاه به صورت گودال مدوری است که در آن بازوهای شعاعی حامل میله های به هم زن در گردش می باشند و در اثر برخورد میله ها با ذرات مواد جامد، آنها را خرد میکنند).
شکل 1-1 : نمای شماتیک الف) روش تر و ب) روش خشک تولید سیمان
خاک رس نیز ابتدا خرد شده و معمولا در یک آسیاب مشابه، با آب مخلوط می گردد. سپس در مخلوط به نحوی پمپ می شوند که در نسبت های قبلا تعیین شده با یکدیگر مخلوط گردند و از میان یک سری صفحه مشبک عبور نمایند. دوغاب سیمان حاصل به داخل مخازنی ریخته می شود.
وقتی که از سنگ آهک استفاده می شود، ابتدا کوه را منفجر می کنند و قطعات سنگی را در سنگ شکن ها خرد می کنند تا اندازه آنها به تدریج کوچک تر شود. سپس مواد خرد شده را با خاک رسی که در آب حل شده است به داخل آسیاب های گلوله ای می ریزند. در اینجا سنگ آهک به نرمی آرد در می آید و دوغاب سیمان حاصل به داخل مخازن نگاه داری پمپ می شود. از این مرحله به بعد، بدون توجه به ماهیت اصلی مواد خام روش ها یکسان خواهند بود.
دوغاب مایعی است با غلظتی مشابه خامه که مقدار آب آن بین ۳۵ تا ۵۰ درصد است، و فقط بخش کوچکی از مواد آن (حدود ۲ درصد) بزرگ تر از 90μm (الک نمره ۱۷۰ ASTM) می باشند. معمولا تعدادی مخزن برای نگاه داری دوغاب وجود دارند و به وسیله همزن های مکانیکی یا دمیدن هوای فشرده از ته نشین شدن مواد جامد معلق در دوغاب جلوگیری به عمل می آید. همانطور که قبلا ذکر شد، مقدار آهک موجود در دوغاب تابعی از نسبت اختلاط مواد آهکی و رسی اولیه می باشد. تنظیم نهایی جهت حصول ترکیب شیمیایی لازم را از مخلوط نمودن دوغاب های مخازن مختلف و گاهی با استفاده از سیستم پیچیده مخازن مخلوط کننده به دست می آورند. در بعضی مواقع برای مثال در کارخانه ای که در شمالی ترین نقطه دنیا در نروژ واقع گردیده است مواد خام از سنگی با چنین ترکیباتی ساخته می شود که به تنهایی خرد شده و بدون نیاز به مخلوط نمودن با مواد دیگر مصرف می شود.
نهایتا دوغاب حاوی مقدار سنگ آهک لازم به داخل کوره گردنده ریخته می شود. این کوره، استوانه فولادی بزرگی است که داخل آن را با آستری از مواد نسوز پوشانده اند و قطر آن تا ۸m و گاهی طول آن به ۲۳۰m می رسد. استوانه در حول محور خود که با افق زاویه کوچکی می سازد به آهستگی می چرخد. دوغاب از انتهای فوقانی کوره وارد می گردد و گرد ذغال به وسیله هوای فشرده از انتهای تحتانی (جایی که دما به حدود ۱۴۵۰oC می رسد به داخل کوره پاشیده می شود. در اینجا لازم است از ذغال سنگ (که نباید مقدار زیادی خاکستر ایجاد نماید) ذکر خاصی به عمل آید، زیرا به طور نمونه ۲۲۰kg از آن برای تولید یک تن سیمان مصرف می شود و لذا در بررسی قیمت سیمان در نظر گرفتن آن حائز اهمیت است. از مواد نفتی در حدود ۱۲۵ لیتر برای هر تن سیمان) یا گاز طبیعی نیز به جای ذغال سنگ استفاده می شوند ولیکن از دهه ۱۹۸۰ به بعد اغلب کارخانه های نفت سوز به سوخت ذغال سنگ تبدیل شده اند که با اختلاف فاحشی متداول ترین نوع سوخت در اکثر کشورهای جهان می باشد. ذکر این نکته قابل توجه است که چون ذغال در داخل کوره می سوزد؛ لذا می توان از ذغال های حاوی گوگرد زیاد بدون ایجاد گازهای مضر استفاده کرد.
دوغاب در حرکت خود به طرف پایین کوره، به تدریج با دماهای زیادتری روبرو می شود. در مرحله اول آب آن به خارج رانده شده و CO2 آزاد می گردد. سپس در مواد خشک شده یک سری واکنش های شیمیایی انجام می شود تا بالاخره در گرم ترین قسمت کوره حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد از مواد ذوب شده، آهک و سیلیس و آلومین مجددا با هم ترکیب می گردند. در این مرحله مواد به هم می چسبند و به صورت گلوله هایی با قطر 3 تا ۲۵mm که به آنها کلینکر می گویند، در می آیند. کلینکر به داخل دستگاه های خنک کننده، که انواع مختلفی دارند و وسیله ای جهت تبادل حرارت بین کلینکر و هوایی که متعاقبة صرف احتراق پودر ذغال می شود هستند، می ریزد. این کوره باید به صورت مداوم کار کند تا یک فرآیند بدون تغییر حاصل گردد و لذا یکنواختی کلینکر تضمین گردد و همچنین از صدمه وارد شدن به آستر نسوز کوره کاسته شود. لازم به ذکر است که دمای شعله کوره موجود به C °۱۶۵۰ می رسد. بزرگترین کوره موجود که براساس روش تر کار می کند، ۳۶۰۰ تن کلینکر در روز تولید می کند. از آنجا که تولید سیمان به روش تر انرژی زیادی مصرف می نماید، کوره های تولید با روش تر دیگر ساخته نمی شوند.
در روش های خشک و نیمه خشک مواد خام را خرد می کنند و با نسبت های صحیح به داخل یک آسیاب سایشی (که در آن مواد، خشک شده و به صورت پودر نرم در می آیند) می ریزند. سپس پودر خشک که خوراک خام نامیده می شود، به داخل سیلوی مخلوط کننده پمپ می گردد. در ایجاد تنظیم نهایی در نسبت های مواد لازم برای تولید سیمان به عمل می آید. برای به دست آوردن مخلوطی یکنواخت، معمولا خوراک خام به وسیله هوای فشرده ای که حرکتی به طرف بالا به پودر می دهد و وزن مخصوص ظاهری آن را کم می کند، کاملا به هم زده می شود. در هر لحظه هوا به یک چهارم سیلو دمیده می شود و این عمل سبب می گردد که مواد نسبتا سنگین تر، از یک چهارم هوا داده نشده سیلو، با حرکت جانبی به یک چهارم هوا داده شده آن انتقال یابد. در نتیجه موادی که هوا در آن دمیده شده تقریبا شبیه مایعات عمل می نمایند و از طریق دمیدن هوا به ترتیب در هر ربع از سیلو، برای کل مدت حدود یک ساعت، مخلوطی یکنواخت به دست خواهد آمد. در بعضی از کارخانجات سیمان از روش مخلوط نمودن مداوم استفاده می کنند. اما در روش نیمه خشک، خوراک مخلوط شده الک می شود و به داخل سینی های گردنده ای به نام گلوله ساز می ریزد و همزمان در حدود ۱۲ درصد وزن خوراک، آب به آن اضافه می شود. به این طریق، گلوله های سختی با قطر در حدود ۱۵mm ساخته می شوند. این عمل ضرورت دارد، زیرا اگر مستقیما پودر سرد به داخل کوره ریخته شود، اجازه نخواهد داد جریان هوا در کوره برقرار گردد و تبادل حرارتی لازم برای واکنش های شیمیایی ایجاد کلینکر سیمان صورت پذیرد.
گلوله ها به وسیله گازهای داغ که به صورت مداوم از کوره خارج می شوند، در دستگاه های پیش گرم کن مشبک، حرارت می بینند و سخت می شوند. سپس گلوله ها وارد کوره شده و مراحل بعدی به همان صورت روش تولید تر خواهد بود. از آنجا که میزان رطوبت گلوله ها فقط ۱۲ درصد است (در مقایسه با ۴۰ درصد رطوبت دوغاب مصرف شده در روش تر) لذا طول کوره روش نیمه خشک به میزان قابل ملاحظه ای کوتاه تر از طول کوره در روش تر می باشد. همچنین در روش نیمه خشک مقدار حرارت مورد نیاز خیلی کمتر است زیرا فقط حدود ۱۲ درصد از رطوبت موجود در گلوله ها باید به خارج رانده شود، ولی قبلا نیز حرارت اضافی صرف از بین بردن مقدار رطوبت اولیه مواد خام (معمولا ۶ تا ۱۰ درصد) شده است. بنابراین به شرط اینکه مواد خام اولیه نسبتا خشک باشند، این روش کاملا اقتصادی خواهد بود. در چنین حالتی کل مقدار ذغال مصرف شده برای تولید هر تن سیمان به کمتر از ۱۰۰kg خواهد رسید.
در روش خشک مواد خام خوراک کوره که دارای حدود 0/2 درصد رطوبت می باشند از داخل یک پیش گرمکن (معمولا از نوع معلق) عبور داده می شوند؛ به این صورت که ذرات خوراک خام در گازهای صعود کننده در پیش گرم کن معلق می شوند. در اینجا مواد خام قبل از انتقال به داخل کوره به دمای ۸۰۰oC رسانیده می شوند. از آنجا که مواد خام خوراک، رطوبتی ندارند که بیرون رانده شود، و به دلیل استفاده از پیش گرمکن، اندازه کوره می تواند از کوره روش تر کوتاه تر باشد. برای گرم نمودن از گازهای گرم خروجی کوره استفاده می شود. از آنجا که این گازها حاوی درصد زیادی از قلیایی های فرار و کلریدها می باشند، ممکن است لازم باشد بخشی از این گازها به خارج انتقال یابند تا اطمینان حاصل شود که مقدار قلیایی سیمان خیلی زیاد نشود.
می توان قسمت عمده خوراک خام را از میان یک کلسینه کننده پودر افشان (با به کار بردن یک منبع حرارتی جداگانه) که بین پیش گرمکن و کوره قرار گرفته است، عبور داد. دمای داخل کلسینه کننده پودرافشان حدود ۸۲۰oC می باشد. این دما ثابت می ماند تا عملیات کلسینه شدن به طور یکنواخت انجام شود؛ راندمان تبادل حرارت، زیاد است. .
بخشی از خوراک خام به صورت معمولی مستقیما به داخل کوره ریخته می شود، اما به طور کلی دستگاه کلسینه کننده باعث افزایش دی کربناته شدن (تجزیه CaCO3) خوراک خام قبل از ورود به کوره، می گردد و در نتیجه به میزان زیادی بازدهی کوره را افزایش می دهد. احتمالا بزرگ ترین کارخانه تولید سیمان با روش خشک در دنیا با استفاده از کوره ای به قطر 6/2 و طول m ۱۰۵ ، ۱۰۰۰۰ تن کلینکر در روز تولید می نماید. بازدهی این کوره تقریبا معادل یک پنجم مصرف سیمان در تمام انگلستان می باشد.
لازم به تاکید است که کلیه فرآیندها نیاز به مخلوط کاملا به هم زده شده ای از مواد خام دارند زیرا بخشی از واکنش های داخل کوره باید به وسیله مکانیزم پخش در مواد جامد صورت پذیرد و برای حصول اطمینان از یکنواخت بودن محصول، توزیع یکنواخت مواد، ضروری است.
کلینکر در هنگام خروج از کوره (بدون توجه به نوع روش تولید)، سرد می شود. کلینکر سرد شده، که دارای خصوصیات رنگ سیاه، براق و سخت می باشد، با سنگ گچ توام آسیاب می شود تا از گیرش آنی سیمان جلوگیری شود. عمل آسیاب نمودن در آسیاب های گلوله ای که از چندین قسمت تشکیل گردیده و اندازه گلوله های قسمت های متوالی آن به تدریج کوچک تر می شود، صورت می گیرد. در اغلب کارخانجات از یک سیستم آسیاب مداربسته استفاده می شود: سیمان خارج شده از آسیاب از میان دستگاه جداکننده عبور می نماید که در اینجا ذرات ریز به وسیله جریان هوا به سیلوی نگاه داری هدایت شده، ذرات درشت مجددا به آسیاب برگردانده می شوند. در روش آسیاب مدار بسته، از تولید مقدار زیاد مواد بیش از حد نرم شونده و یا مقدار کم از مواد خیلی درشت دانه (عیبی که در روش آسیاب نمودن با روش مدار باز وجود دارد)، اجتناب می شود. مقادیر کمی از مواد کمکی نرم کننده از قبیل اتیلن گلیکول یا پروپیلن گلیکول مصرف می شوند. اطلاعات راجع به مواد کمکی نرم کننده، توسط Massazza و Testolin90-1 داده شده است. عملکرد یک آسیاب گلوله ای را می توان از طریق پیش خرد نمودن کلینکر در یک خرد کننده ضربه ای افقی بهبود بخشید.
پس از اینکه سیمان تا حد رضایت بخشی آسیاب شد، یعنی وقتی که در هر کیلوگرم آن تا حدود 1012× 1/1 ذره وجود داشت، آماده حمل به صورت فله می باشد. روش کمتر معمول آن است که سیمان در کیسه یا در بشکه بسته بندی می شود. ولیکن بعضی از انواع سیمان مانند سیمان سفید، سیمان ضد آب، سیمان منبسط شونده، سیمان با گیرش تنظیم شده، سیمان چاه نفتی و سیمان پر آلومین همیشه در کیسه یا بشکه حمل می شوند. وزن یک کیسه استاندارد در انگلستان kg ۵۰ می باشد. یک کیسه آمریکایی 42/6kg کیلوگرم وزن دارد؛ کیسه های با اندازه های دیگر نیز مورد استفاده قرار می گیرند.
امروزه به جز در مواردی که مواد خام به نحوی است که به کار گرفتن روش تر را ایجاب می نماید، اغلب به منظور کاهش انرژی لازم برای پخت سیمان، از روش خشک استفاده می شود. به عنوان نمونه مراحل پخت سیمان ۴۰ تا ۶۰ درصد هزینه تولید را در بر می گیرد در حالی که استخراج مواد خام برای تولید سیمان فقط ۱۰ درصد از کل هزینه را بخود اختصاص می دهد.
در حوالی سال ۱۹۹۰، مقدار میانگین انرژی مصرفی در ایالات متحده برای تولید یک تن سیمان با روش خشک برابر 1/6MWh بود. در کارخانه های جدید این عدد به میزان قابل توجهی کاهش پیدا کرده؛ در اتریش، به کمتر از 0/8MWh رسیده است96-1. الکتریسیته مصرف شده که حدود ۶ تا ۸ درصد کل انرژی مصرفی را تشکیل می دهد، به طور نمونه در حدود ۱۰kWh برای خرد کردن مواد خام، ۲۸kWh برای آماده سازی مواد خام، ۲۴kWh برای کوره و ۴۱kWh برای آسیاب کلینکر می باشد 18-1. هزینه اولیه نصب یک کارخانه سیمان خیلی زیاد است: حدود ۲۰۰ دلار آمریکا برای هر تن سیمان تولید شده در سال.
علاوه بر فرآیندهای اصلی، روش های دیگری نیز برای تولید سیمان وجود دارند که از میان آنها شاید روشی که از گچ به جای آهک استفاده می شود قابل ذکر باشد. گچ، خاک رس و ذغال کک با ماسه و اکسید آهن در یک کوره گردنده پخته می شوند، محصول نهایی سیمان پرتلند و دی اکسید گوگرد می باشد که بعدا به اسید سولفوریک تبدیل می شود.
در جاهایی که فقط تولید مقدار کمی سیمان مورد نظر باشد، و یا بودجه جهت سرمایه گذاری محدود باشد، می توان از یک کوره قائم از نوع Gottlieb استفاده نمود. در این کوره گلوله هایی از مخلوط مواد خام و پودر نرم ذغال پخته می شوند و تولید انبوه کلینکر می نماید که سپس خرد می شوند. یک کوره به ارتفاع ۱۰m بیش از ۳۰۰ تن سیمان در روز تولید می نماید. در کشور چین هزاران کوره از این نوع وجود دارند.
