سرباره
سرباره
محصولی غیر طبیعی و مصنوعی است و از صنعت متالوژی می‌باشد که به هنگام
تولید آهن در کورهای آهن گدازی سرباره مذاب به وجود می‌آید که پس از سرد
کردن آن در مصارف گوناگون کاربرد دارد که اعم از سیمان‌های سرباره‌ای و
مواد نسوز و پشم سریاره و بالاست راه آهن و مصالح زیرسازی جاده و مصالح
سنگی آسفالتوبتن می‌باشد.
روش‌های سرد کردن سرباره
ماده
مذاب سرباره که به دلیل سبک تر بودن بالاتر از آهن مذاب قرار می‌گیرند
باید از کوره خارج شوند تا به صورت مصالح دانه‌ای در آید. برای سرد کردن
سرباره از دو روش استفاده می‌شود.
۱ - سرد کردن در هوا که به آهستگی انجام می‌گیرد
در
این روش به دلیل ایجاد شرایط و داشتن زمان کافی برای سرد کردن. سرباره به
آهستگی سرد می‌شود و به شکل بلوری بسته و سخت می‌شود. سرباره تولید شده در
این روش را برای ساخت بلاست راه آهن , مصالح زیر سازی جاده‌ها , مصالح
آسفالت و بتن مورد استفاده قرار می‌دهند.
در استاندارد BS 1047 مشخصات سرد کردن تفاله به سه شکل عنوان شده است.
- در ظروف کوچک ملاقه مانند که در این صورت به آن سرباره گلوله‌ای یا Ball slag می‌گویند.
- در چاله‌ها. کانال‌ها و قالب‌های بزرگ که در این صورت به آن سرباره چاله‌ای با Pit slag: Modified pit slag می‌گویند.
- به صورت کپه‌ای با انباشته روی زمین یا Bank slag
۲- سرد کردن سریع سریاره توسط آب
در
این روش سرباره مذاب را سریعا در استخرهای آب سرد خالی می‌کنند و در همین
حال به کمک جریان شدید آب، آن را به ضورت دانه‌ای در می‌آورند. روش جدیدی
که برای سرد کردن سرباره در کانادا گسترش یافته است، روش گلوله کردن یا
حبه‌ای است. در این روش سرباره گداخته و مذاب را با فشار آب در میان
استوانه‌ای چرخان با سزعت ۳۰۰ دور در دقیقه در هوا سرد می‌کنند. در عکس زیر
این روش را به صورت شماتیک نشان می‌دهد.
مقدار
مصرف آب برای هر تن سرباره یک متره مکعب و رطوبت باقی مانده در درصد است.
در این روش، سربار به صورت گلوله‌ای به اندازه صفر تا پانزده میلیمتر بدست
می‌آید. گلوله‌های بین صفر تا پانزده میلیمتر به ضورت کلوخه، متخلخل و
کریستالی اند که مصرف آن برای بتن سبک مناسب اند و دانه‌های کوچکتر از چهار
میلیمتر که درصد زیادی از ساختمان انها به صورت شیشه‌ای است در تولید
سیمان‌های سرباره‌ای کاربرد دارند.
روش
سرد کردن در کوره ذوب آهن اصفهان نیز به وسیله فشار آب و به طور سریع
انجام می‌گیرد. این روش، سرباره مذاب را تبدیل به سرباره دانه‌ای با اندازه
دانه‌ها از صفر تا پنج میلیمتر می‌نماید.
خواص فیزیکی سرباره
از
نظر فیزیکی، سرباره بایستی دارای بافت شیشه‌ای باشد. در سیستم‌های امروزی
با استفاده از آب پاشی با فشار بالا شرایطی را به وجود می‌آورند که حالت
شیشه‌ای سرباره به حدود ۹۵ تا ۱۰۰ درصد برسد. حالت شیشه‌ای (بدون شکل)
سرباره و ترکیب شیمیایی مناسب با آن از عوامل اصلی تعیین کننده خاصیت
هیدرولیکی (تشکیل فعل و انفعال با آب) سرباره است. دلیل گیرش سرباره
شیشه‌ای وجود اکسیدهای آمورف (بی شکل) است که در شرایط و حالت بی نظم در
کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. به علاوه با برسی میکروسکوپی سرباره‌ای که به
آهستگی خنک می‌شوند، به خوبی می‌توان کریستال‌های گلنایت یا ژهلنیت و
آکرومانیت یا Akermanite وغیره را مشاهده کرد. این در حالتی است که در
سرباره ریزدانه چنین کریستال‌هایی وجود خارجی ندارند. کریستال‌های موجود در
سرباره شیشه‌ای در جدول روبه رو ارائه شده است.
در
سرباره شیشه‌ای، انرژی لازم برای کریستاله شدن ترکیبات فوق به صورت نهایی
ذخیره شده است. لذا می‌توان سرباره شیشه‌ای را به عنوان ماده‌ای که دارای
استعداد تشکیل پیوند هیدرولیکی است به شمار آید. وزن مخصوص سرباره کوره ذوب
اهن اصفهان ۲/۷۵۴ گرم بر سانتیمتر مکعب و سطح مخصوص ان حدود ۲۲۰۰ سانتیمتر
مربع بر گرم است که البته سطح مخصوص به نحوه آسیاب کردن بستگی دارد.
خواص شمیایی سرباره
اجزای
تشکیل دهنده سرباره عمدتا آهک,سلیس و آلومین است و شباهت زیادی به اجزای
سیمان پرتلند دارد. ترکیب شیمیایی سرباره بستگی به ترکیب سنگ معدن همچنین
ناخالصی‌های موجود در سنگ آهک اضافه شده به کوره دارد. لذا از نظر هدایت
تولید آهن در کوره ذوب آهن بهتر است سنگ آهک دارای خلوص بالاتری باشد. به
طور کلی سرباره‌ها تفاوت‌هایی در ترکیب شیمیایی خود دارند و درصد ترکیب
اجزای اصلی به این صورت است
SiO2 ......... %۳۸-۲۸
Al2O3 .......... %۱۸-۸
CaO ........... %۴۵-۳۵
به
علاوه سرباره ممکن است حاوی مقدار قابل توجهی منیزی در حدود ۱۶ درصد و
سولفید کلسیم در حدود ۵ درصد و اکسید منگنز، اکسید فرو و مقداری آهن فلزی و
مقادیر جزیی قلیایی نیز باشد در جدول روبه رو درصد ترکیبات شیمیایی سرباره
برخی از کشورهای جهان را ارائه می‌کند و در جدولی دیگر درصد ترکیبات
شیمیایی سه نمونه سرباره کوره ذوب آهن اصفهان را که بلافاصله بعد از خروج
از کوره بلند تجزیه گشته‌اند، نشان می‌دهد.
سرباره مناسب برای سیمان سرباره‌ای
سرباره‌ای
که به آهستگی سرد شده باشد، بلوری می‌شود و برای ساختن سیمان مناسب نیست.
ولی اگر سرباره را به وسیله جریان آب با فشار زیاد سرد نمایند به صورت
سرباره دانه‌ای تبدیل می‌شوند و حالت شیشه‌ای پیدا می‌کنند و از نطر
شیمیایی در ترکیب با اجزای سیمان به صورت فعال در می‌آیند. واکنش آب با
سرباره دانه‌ای که نرمی آن به اندازه ذرات سیمان باشد، بسیار ضعیف است و به
سختی می‌توان آن را به عنوان یک اتصال دهنده هیدرولیکی مستقل در نظر گرفت،
ولی با افزودن فعال کننده‌ای مثل هیدروکسید کلسیم میل ترکیبی سرباره با آب
زیاد می‌شود. در این حالت واکنش‌های ترکیبی همانند سیمان پرتلند می‌باشد و
تنها تفاوتش این است که واکنش با سرعت کمتری سورت می‌پذیرد. اساسا ترکیبات
شیمیایی سرباره از اهمیت زیادی برخوردار است جون در سنجش خاصیت هیدرولیکی
سرباره دانه‌ای نقش به سزایی دارد به طوری که با معلوم شدن مقدار درصدهای
ترکیبات شیمیایی اجزای سرباره، مدول هیدرولیکی که مشخص کننده خاصیت
هیدرولیکی سرباره است تعیین می‌شود. آیین نامه DIN 1164 آلمان مدول‌هایی را
برای تعیین میزان کیفیت و مرغوبیت سرباره ارائه داده است که باید بزدگتر
از یک باشد این مدول‌ها عبارت است از:
الف: (CaO+MgO+ 1/3 Al2O3)/(SiO2+ 2/3 Al2O3)≥۱
ب: (CaO+MgO+ Al2O3)/SiO2≥۱
شایان
ذکر است که مودول (الف) برای کوره ذوب آهن اصفهان به طور متوسط ۱/۲۰
می‌باشد. مدول دیکری توسط کیل Keil تعریف شده است که عبارت است از:
F= (CaO+CaS+1/2 MgO+ Al2O3)/(3SiO2+MnO)≥۱٫۵
ساخت سیمان‌های سرباره‌ای
سرباره دانه‌ای را جهت ساخت سیمان‌های سرباره‌ای استفاده می‌کنند برای انجام این امر سه روش وجود دارد:
- گرد سرباره را به مواد اولیه سیمان پرتلند اضافه می‌کنند
- به همراه کلینکر سیمان پرتلند و قدری سنگ گچ، آن را آسیاب می‌کنند که به سیمان آهن گدازی معروف است.
-از آسیاب کردن آن با سنگ گچ و قدری کلینکر، سیمان سوپر سولفات می‌سازند.
استاندارد سیمان‌های سرباره‌ای
استاندارد
ویژگی‌های سرباره و سیمان سرباره‌ای ایران نخستین بار در سال ۱۳۷۳ تهیه
شد. در این استاندارد چند نوع سیمان سرباره‌ای آورده شده است. سیمان پرتلند
سرباره‌ای با جداکثر وزنی سرباره ۲۵ درصد، سیمان پرتلند سرباره‌ای ضد
سولفات با حداکثر مقدار سرباره ۷۰ درصد و سیمان سرباره‌ای کع در آن مقدار
وزنی سرباره بیش از ۷۰ درصد می‌باشد. در این سیمان‌ها ویژگی‌های شیمیایی
اجباری نظیر مقدار گوگرد به صورت‌های مختلف، باقیمانده نامحلول ها،
قلیایی‌های قابل حل در آب و افت حرارتی باید کنترل گردد. در بخش ویژگی‌های
شیمیایی اختیاری مقادیر اکسیدهای سیلیسیم آلومینیوم و کلسیم مورد ارزیابی
قرار قرار می‌گیرند. در خصوص ویژگی‌های فیزیکی سیمان‌های سرباره‌ای مواردی
چون نرمی انبساط و انقباض با آزمایش اتوکلاو زمان گیرش حداقل مقاومت فشاری و
حداکثر حرارت هیدراتاسیون باید کنترل و با استاندارد مطابقت ئائه شود.
سرباره
در صنعت شیشه‌سازی و کارخانه‌های سیمان و نیز به عنوان عایق حرارتی در
ساختمان‌ها به کار می‌رود. با تشکیل سرباره مناسب در کوره که به سرباره
پفکی معروف است می‌توان از نسوز کوره محافظت نموده (در کوره قوس الکتریکی)
مخصوصأ جمع‌آوری سرباره ازروی زمین نیاز دارد که متریال مانند آهک ودلمیت
مناسب وبه اندازه باشد. feo بالا وعناصری مانند سلیس سرباره را از حالت
پفکی خارج کرده و ضمن بالارفتن چگالی سرباره، سرباره بسیار سیال و سخت
می‌گردد، تزریق کربن به داخل سرباره ضمن گوگرد زدائی باعث پفکی شدن سرباره
می‌شود و عملیات تصفیه مذاب را بهتر انجام می‌دهد.
از دیگر مزایای سرباره پفکی کم شدن صدای کوره (آلودگی صوتی کمتر) می‌باشد.
معایب
سرباره در ریخته‌گری اغلب یک مشکل و عیب به حساب می‌آید که ورود آن به داخل مذاب سبب کاهش شدید خواص مکانیکی قطعه می‌شود.