بخش1: آشنايي با كليات نمونه‌برداري،تهيه و مطالعه نمونه‌هاي ميكرسكوپي(قسمت اول)

تهيه يك نمونه معرف،اولين اصل ضروري در انجام هر آزمايش است.آزمايش‌هاي ميكروسكوپي نيز همانند ساير آزمايش‌ها،نيازمند يك نمونه معرف هستند.چه بسا اخذ يك نمونه نادرست و غيراصولي منجر به پراكندگي اطلاعات و اختلال در كسب نتيجه‌گيري شود.بعد از اخذ نمونه صحيح،فرايند آماده سازي و تهيه نمونه ميكروسكوپي انجام مي‌شود.مجموعه اين فعاليت‌ها زماني مثمر ثمر است كه نمونه حاضرشده در زير ميكروسكوپ قابل مطالعه بوده و فازهاي كلينكر را آشكار كند.

 1-1نمونه‌برداري:

با توجه به اهميت روش ميكروسكوپي،ضروري است كه يك نمونه متعارف از كلينكر مورد نظر تهيه شود.دقت كافي در اخذ نمونه‌هاي ميكروسكوپي به ارزيابي صحيح آنچه كه در فرآيند اتفاق مي‌افتد،منجر مي‌شود.قطعات نسوز و كوتينگ بايد از نمونه جدا شوند.

روش نمونه‌برداري:

به طور كلي از چندين روش براي اخذ نمونه استفاده مي‌شود. انتخاب روش نمونه‌برداري،اساساً به هدف از انجام آزمايش بستگي دارد.براي مثال دو روش رايج براي اخذ نمونه را ميتوان معرفي نمود.

1- در فواصل 5 دقيقه و يا كمتر از خروجي خنك كن نمونه اخذ و مقدار 500 گرم از اين نمونه بصورت صحيح انتخاب شود.

2-روش رايج ديگر استفاده از نمونه وزن ليتري است.بطوريكه نمونه مورد استفاده جهت وزن ليتري تا اندازه2الي 4 ميلي‌متر خردشده وجهت تهيه نمونه ميكروسكوپي استفاده مي‌شود.

2-1آماده سازي و ساخت نمونه:

.دو روش عمده براي مطالعه ميكروسكوپي كلينكر رواج بيشتري دارد:

-روش نور انعكاسي:

اين روش براي مطالعه اكثر جنبه‌هاي كلينكر كافي است.

-روش نور عبوري:

علي رغم اينكه اين روش در شناسايي مواد خام و سنگهاي معدني فوق العاده ارزشمند است اما مورد كلينكر داراي محدوديت بوده و براي مطالعه سيليكات‌هاي اصلي و تخلخل قابل استفاده است.بايد اذعان نمود كه اكثر فازهاي كلينكر مثل سولفات قليايي،پري كلاز ،آهك آزاد و ... در روش نوري به راحتي قابل‌شناسايي نيستند.فازهاي زمينه در ضخامت‌هاي كم هم داراي همپوشاني بوده و شناسايي آنها سخت است.

آماده سازي مقاطع صيقلي

1- اشباع سازي و قالب گيري نمونه

2-سايش و صيقل دادن

3-اچينگ

انواع مختلفي از محلول هاي شيميايي براي اچينگ وجود دارد.عمومي ترين محلول نايتال است.

بخش1: آشنايي با كليات نمونه‌برداري،تهيه و مطالعه نمونه‌هاي ميكرسكوپي(قسمت دوم):

1-انتخاب روش ميكروسكوپي:

در ابتدا بايد روش مناسبي براي آزمايش هاي ميكروسكوپي انتخاب شود. دو تكنيك ميكروسكوپ "نور عبوري" و "نور انعكاسي" براي مطالعات صنعت سيمان كاربرد دارد.انتخاب هر كدام از اين روشها بيشتر به سهولت كاربرد توسط كاربران و امكانات موجود در كارخانه و يا دلايل ديگر بستگي دارد.

2-تجهيزات مورد نياز:

لوازم مورد نياز براي انجام دادن روش ميكروسكوپي در كارخانه سيمان،ميتواند شامل ميكروسكوپ،دوربين ديجيتالي،سيستم كامپيوتري و يك نرم افزار آناليز تصوير باشد(شكل1)

شكل1-ميكروسكوپ مجهز به دوربين ديجيتالي وسيستم كامپيوتري

2-جمع آوري اطلاعات موردنياز:

براي اينكه بتوان روش ميكروسكوپي را فرآيند توليد سيمان بكار گرفت،نيازمند جمع آوري اطلاعات مشاهداتي از كلينكر هستيم. اين اطلاعات به 2 دسته تقسيم ميشود:

1-2-اطلاعات ماكروسكوپي:

-گرانولومتري كلينكر

-رنگ،سختي و بافت نودولهاي كلينكر

2-2-اطلاعات ميكروسكوپي:

در مورد هر يك از فازهاي كلينكر،اطلاعات زير بايد مشخص شود:

-مقدار هر فاز بر حسب درصد

-چگونگي توزيع

-اندازه كريستالي

-مرفولوژي

بطور كلي كاربرد صنعتي مطالعات ميكروسكوپي كلينكر در كارخانه سيمان شامل 3 بخش اساسي است:

الف)جمع‌آوري اطلاعات فازهاي ميكروسكوپي سيمان شامل:

-تشخيص فازها

-ارتباط دو جانبه آن‌ها باهم

-تشريح فازها

-تخمين درصد حجمي آن‌ها

ب)ايجاد ارتباط بين مشاهدات ميكروسكوپي و شرايط پخت

ج) پيش‌بيني سايش پذيري كلينكر،عملكرد سيمان و شايد مهم‌تر تعيين يك Base Line مشخص براي باقي ماندن كوره در شرايط بهينه

بخش2: - اجزاء كلينكر سيمان پرتلند و مواد خام در زير ميكروسكوپ را بشناسيم.

1 اجزاء كلينكر

منظور از اجزاء كلينكر همان فازها يا تشكيل‌دهنده‌هاي كلينكر است.بر حسب اهميت ،فازهاي سيمان به دو بخش فازهاي اصلي و فازهاي فرعي تقسيم مي‌شود(شكل2).

شكل2-نماي كلي از فازهاي كلينكر

2 اجزاء مواد خام

بطور كلي مينرالهاي اصلي در خوراك خام به4 دسته تقسيم مي‌شود.

1-2 دانه‌هاي سنگ آهك بزرگ‌تر از 125ميكرون كه به فرم كلسيت يا مارل ديده مي‌شوند.

2-2 دانه‌هاي كوارتز و چرت كه بزرگتر از 44 ميكرون هستند.

3-2 سيليكات‌هاي تركيبي بزرگتر از 63 ميكرون كه اغلب شامل فلدسپار يا سرباره هستند .

4-2 همه كانيهاي نامحلول در اسيد مثل ميكا،كانيهاي رسي و غيره .

بخش3: - خواص مينرالهاي كلينكر در زير ميكروسكوپ و بررسي تأثير آنها بر كيفيت سيمان

1 كليات

در اين قسمت مقدمه‌اي از خواص فازهاي كلينكر و ارتباط آنها با شرايط پخت و كيفيت سيمان ارائه مي‌شود.به طور كلي چگونگي تجمع بلوري فازهاي كلينكر ، فابريك ناميده مي‌شود.تعريف فابريك بصورت كلي عبارت است از مشخصات هندسي يا خواص يك تجمع از بلورها.

به طور كلي 3 نوع مشخصات هندسي قابل‌تشخيص است:

-ارتباط فازي:

بيانگر اين است كه فابريك از چه فازهايي تشكيل‌شده و مقدار آنها چقدراست.

-بافت:

اطلاعاتي در رابطه با اندازه،شكل و آرايش كريستالها و نيز در هم رشدي برخي فازها بدست مي‌دهد.

-ساختار:

بيانگر اين است كه يك فابريك چقدر ناهمسان است.برخي بلورهاي خاص،چقدر جهت يافتگي دارند،منافذ با چه چيز پر شده‌اند،چقدر تخلخل وجود دارد.

با استفاده از اين اطلاعات هندسي مي‌توان فابريك يك ماده را تشريح كرد.مي‌توان به اين سؤال پاسخ داد كه يك قطعه كلينكر چگونه تشكيل يافته است و يا وقتي تفاوت كلينكرهاي توليدشده مورد نظر است مي‌توان گفت كه اين تغيير چرا و چگونه اتفاق افتاده است.اينكه يك كلينكر هميشه به يك حالت نيست منجر به اين سؤال مهم مي‌شود كه چرا يك فابريك مشخص در كلينكر تشكيل‌شده و نوع ديگري تشكيل نيافته است.خصوصيات كلينكر از شرايط توليد در كارخانه سيمان تأثير مي‌گيرد.برآيند فاكتورهايي مثل شرايط مواد خام و نحوه پخت كلينكر روي فرايند پخت و خصوصيات فابريكي كلينكر تأثير دارد.

2 مشخصات ميكروسكوپي فازهاي كلينكر

2-1 آليت

فرم بيروني

آليت جزء عمده كلينكر است و اغلب بصورت خود شكل ديده مي‌شود(شكل3).يعني داراي وجوه و لبه‌هاي تيز و مشخص است. ممكن است لبه‌هاي كريستال آليت كمي خورده شده و يا فاقد وجوه بيروني مشخص باشند.كه در اين حالت به آنها گزنومورف يا بدون شكل نيز گفته مي‌شود. شكل آليت اطلاعاتي در مورد دماي نهايي پخت مي‌دهد.فرم نرمال آليت بصورت هگزاگونال است.

شكل3-آليتهاي خودشكل

ساختار دروني:

اينكلوزيونهاي بليتي در آليت در نتيجه تبديل ناقص بليت به آليت است كه مي‌تواند ناشي از عدم تحرك آهك و يا سايز بزرگ بليتي كه قرار است به آليت تبديل شود، باشد(شكل4).

شكل4-اينكلوزيون هاي بليتي در كريستال آليت

2-2 بليت

فرم بيروني

بليتها اغلب به فرم گرد و مدور ديده مي‌شوند(شكل5).فرم دندانه‌دار (Ragged) نيز رايج است.

شكل5-كريستالهاي گرد بليت

ساختار دروني:

ساختارهاي موجود در كريستال بليت،حاصل تبديل پليمرفهاي بليت است.

2-3 ماتريكس

فازهاي اصلي كلينكر توسط فاز مايع احاطه‌شده‌اند.بلافاصله بعد از خروج از منطقه پخت،ماتريكس متبلور شده و بر حسب تركيب شيميايي،مقاديري آلومينات و فريت و برخي فازهاي فرعي مثل سولفات قليايي و پري كلاز پديد مي‌آيند.

آلومينات:

فرم فاز آلومينات به سرعت سرد شدن و مقدار قليايي فاز مايع بستگي دارد.در شرايط سرد شدن آرام ،نوع خوش وجه و خوب تفريق يافته آلومينات تشكيل مي‌شود.

فريت:

همانند آلومينات،فرم فريت نيز تابع سرعت سرد شدن است.انعكاس فاز فريت از ساير فازهاي بيشتر بوده و به همين ترتيب قابل‌شناسايي است.

2-4 آهك آزاد

اغلب به فرم كريستالهاي گرد ديده مي‌شود.اين فاز بطور ثابت در ميان كريستالهاي آليت ديده مي‌شود. كريستالهاي آهك آزاد ممكن است در خوشه‌هاي فشرده ديده شوند.برخي از خوشه‌ها داراي ساختار باز هستند و به اصطلاح فشردگي كمتري داشته و داراي فاز مايع نيز هستند.

2-5 پري كلاز

پري كلاز در كلينكرهاي غني از اكسيد منيزيم ديده مي‌شود و فاز مستقلي است.

3 تأثير خصوصيات فازها بر كيفيت سيمان

شرايط مختلفي در خط توليد سيمان وجود دارد كه بر ريز ساختار كلينكر تأثير مي‌گذارند:

-تنظيم شيميايي مواد

-ريزدانگي مواد خام-يكنواختي

-شرايط پخت

-شرايط سرد شدن

همه اين موارد مي‌توانند در ايجاد يك ساختار يكنواخت و مطلوب تأثيرگذار باشند.تجربه نشان داده كه كلينكرهايي با ساختار يك دست و يكنواخت،براي سايش در آسياب‌هاي سيمان ايده آل بوده و سيمان حاصل از آن نيز باكيفيت بوده است.ارتباط تنگاتنگي بين ريز ساختار كلينكر و عملكرد آن در آسياب سيمان و در نهايت توزيع دانه‌بندي مطلوب وجود دارد.

بخش4: چگونگي ثبت مشاهدات ميكروسكوپي و تخمين كمي مقدار هر فاز

1 كليات

آنچه كه در مقاطع ميكروسكوپي كلينكر يا مواد خام ديده مي‌شود،بايد به نحو مناسبي اندازه‌گيري و تشريح شود.وقتي مشاهدات به دقت ثبت و اندازه‌گيري شود آنگاه مي‌توان ارتباط بين اين مشاهدات و شرايط فرآيند توليد را بررسي كرد.در هنگام بروز نوسان در مواد يا راهبري فرآيند،شاهد تغييرات روشني در ريز ساختار كلينكر خواهيم بود.فقدان يك گزارش تشريحي اغلب سبب عدم اطلاع از نوسانات مورد نظر و همچنين نتيجه‌گيري و تفسير نادرست مي‌شود.

2  ميكروسكوپي كلينكر و مواد خام

براي تشريح بهتر و ارائه يك مثال عملي به يكي از گزارش‌هاي نوشته‌شده توسط آقاي دكتر كمپبل اشاره شده است.مطالعه اين گزارش كمك شاياني به آشنايي با يك گزارش ايده آل مي‌كند.گزارش مذكور در شماره قبلي مجله چاپ شده است.

 3-تعيين مقدار كمي فازهاي كلينكر:

مطابق روش پيشنهادي استاندارد ASTM C 1356 مقدار كمي فازهاي كلينكر را مي‌توان به روش شمارش دانه‌اي به دست آورد. اين روش آزمون ،يك دستورالعمل اصولي را براي اندازه‌گيري درصد حجمي فازهاي كلينكر سيمان پرتلند از طريق روش ميكروسكوپي ارائه مي‌كند.

4- اندازه كريستالي

يكي از پارامترهاي مهم در مطالعه ميكروسكوپي،اندازه‌گيري اندازه كريستال‌ها است.در اين رابطه نظرات مختلفي ارائه شده است.اما5-ثبت ساير مشاهدات

غير از مقدار كمي فازهاي كلينكر و اندازه كريستالي آنها،مشاهدات مهم تر ديگري نيز بايد در گزارش ثبت شود.برخي موارد مهم به شرح زير است در هر حال اندازه‌گيري بلوري به خصوص در سيليكات‌هاي آليت و بليت بيشتر از ساير موارد اهميت دارد.

5-ثبت ساير مشاهدات

غير از مقدار كمي فازهاي كلينكر و اندازه كريستالي آنها،مشاهدات مهم تر ديگري نيز بايد در گزارش ثبت شود.برخي موارد مهم به شرح زير است.

-نحوه توزيع فازهاي و تشريح تجمع هاي موجود

-خواص خوشه هاي آهك آزاد و بليت و چگونگي توزيع آنها

-توسعه ساختار لاملار در كريستالهاي بليت و فرم نهايي آن

-وجود اينكلوزيون،منطقه بندي،سطوح كريستالي غير طبيعي و هرگونه تجزيه و موارد مشابه

-كيفيت پاسخ دهي فازها به واكنش گرها طي اچينگ

-درصد و ميزان پخش شدگي تخلخل

-وجود آثار شرايط احياء ،داستي بودن و سخت پزي در كلينكر

-وجود آلومينات قليايي و پري كلاز

-ارزيابي شرايط سرد شدن

-اشاره به شكل كريستالي سيليكاتهاي اصلي

بخش5: مشكلات پخت:ميكروسكوپ چه كمكي مي‌تواند بكند؟

1 كليات

زمانيكه مشكلي در فرايند توليد كلينكر و يا كيفيت سيمان بوجود مي آيد،روش ميكروسكوپي از طريق مطالعه ريز ساختار كلينكر ميتواند به يافتن سرنخي در رابطه با عامل اصلي ايجاد مشكل كمك كند.اگرچه آزمايشهاي فيزيكي و شيميايي اغلب دركي از مشكل بوجود آمده فراهم ميكنند اما ميتوان با استفاده از ميكروسكوپي به اطلاعات جامع تري دست يافت.

2  مشكلاتي كه توسط ميكروسكوپي تشخيص داده ميشوند

برخي مشكلات مرتبط با راهبري،تجهيزات و اختلاط مواد را ميتوان توسط روش ميكروسكوپي تشخيص داد.

1-2 وجود ذرات درشت دانه در خوراك

ذرات درشت دانه اعم از كوارتز و كلسيت اغلب بصورت كلاستر در ريز ساختار كلينكر ديده ميشوند.

2-2  سرد شدن آرام

سرعت سرد شدن كلينكر هميشه مورد توجه بوده چرا كه اعتقاد بر اين بوده است كه مستقيماً بر روي خاصيت محصول اثر ميگذارد.در مواردي كه سرعت سرد شدن آرام باشد ، ميتوان از طريق بررسي ريز ساختار كلينكر به اين امر پي برد.

3-2 پخت بيش از حد

وقتي هر يك از شاخص هاي پخت،دما يا زمان،بطور فزاينده اي بيشتر از حد نرمال شود، آنگاه سبب پديده پخت بيش از حد خواهد شد.

4-2 غير يكنواختي خوراك خام

اختلاط كافي تركيبات آهك و سيليس منجر به توليد كلينكري با توزيع فازي يكنواخت ميشود. هموژنيته نامطلوب سبب پيدايش مناطق غني از سيليس و فقير از آهك ميشود و يا برعكس.طبيعي است كه در چنين شرايطي نميتوان انتظار داشت كه كلينكر مناسب توليد شود.اين موضوع را ميتوان به وسيله مشاهدات ميكروسكوپي تشخيص داد.

5-2 سايش پذيري نامناسب كلينكر

سايش پذيري كلينكر از جنبه هاي مختلف قابل اهميت است. بخش قابل توجهي از انرژي مصرفي در توليد سيمان مربوط به آسيابهاي سيمان است. چنانچه كلينكري با سايش پذيري كمتر از كوره خارج شود ميتوان كاهش راندمان آسياب سيمان را پيش بيني كرد. تحقيقات موجود در زمينه سايش پذيري كلينكر نشان ميدهد كه پارامترهاي ميكروسكوپي زير ميتوانند بر اين خاصيت اثر بگذارند:

-مقدار آليت و بليت

-توزيع ساختار حفرات

-اندازه كريستالي آليت

بخش6: آيا مي‌توانيم ميكروسكوپي را بصورت روتين انجام دهيم؟

1 كليات

در بخشهاي قبلي به مباحث پيش زمينه مطالعه ميكروسكوپي بطور خلاصه اشاره شد.در اين بخش به برخي ملاحظات مربوط به استفاده از روش ميكروسكوپي در كارخانه سيمان اشاره ميشود.

2  پيش نيازها كدامند؟

براي انجام مستمر مطالعه ميكروسكوپي بايد زير ساختهاي لازم فراهم شود.

-تجهيزات مورد نياز

-كارشناس ميكروسكوپي

-برنامه آزمايشگاهي مدون

3 برنامه ميكروسكوپي چه ويژگيهايي بايد داشته باشد؟

برنامه مطالعات ميكروسكوپي را ميتوان با توجه به شرايط خط توليد تدوين كرد.اين برنامه بايد مرتبط با شرايط فرآيند بوده و از محلهاي مختلفي ميتوان نسبت به تهيه نمونه اقدام كرد(شكل6).

شكل6-نقاط نمونه برداري براي روش ميكروسكوپي

4 مطالعه كلينكر و مواد خام

مطالعه كلينكر بصورت هفتگي ميتواند يك گزينه مناسب باشد.معمولاً زمان تهيه نمونه هاي ميكروسكوپي اندكي زياد است فلذا ميتوان به جاي برنامه روزانه از برنامه هفتگي استفاده كرد.

-كلينكر

در مطالعات روتين كلينكر چه بصورت روزانه و يا هفتگي،ليستي از مشاهدات را ميتوان تهيه كرد.به هرحال آنچه مسلم است خصوصيات فازهاي اصلي و فرعي بايد به نحو مقتضي ثبت شود.خيلي از مشاهدات داراي اهميت كمتري هستند فلذا ميتوان گفت كه بررسي خصوصيات فازهاي آليت و بليت و خصوصيات ماتريكس اغلب كافي به نظر ميرسد.

-مواد خام بصورت Raw mix

نمونه معرف مواد خام جهت آناليز XRF و ميكروسكوپي اخذ ميشود.هدف از مطالعه ميكروسكوپي ارزيابي ميزان ماهيت مينرالوژيكي دانه هاي درشت دانه است.

-معدن

مطالعه نمونه هاي معدني معمولاً از طريق مقاطع نازك بر روي مغزه هاي حفاري شده و يا كاتينگ ناشي از حفاري گمانه هاي اكتشافي انجام ميشود.در بدو تاسيس هر كارخانه سيمان،مطالعات جامعي در مورد خصوصيت سنگ شناختي و شيميايي معدن انجام ميشود.اگر در حين فرآيند توليد تغييراتي در جبه هاي معدني ايجاد شود و يا نياز به توسعه جبه هاي معدني و سينه كارهاي جديد احساس شود،ميتوان از روش ميكروسكوپي براي ارزيابي موارد زير استفاده كرد:

-مناسب بودن سنگ آهك براي توليد سيمان

-بررسي وجود كوارتز به علت تاثير بر شرايط پخت

-بررسي وجود رس به علت سهم آن در ايجاد قليايي

-دولوميت،بخاطر ايجاد پري كلاز

بخش7: آشنايي با مينرالهاي مزاحم در مواد خام:سهم مينرالهاي مزاحم در پخت پذيري چيست و چگونه مقدار آنها را بسنجيم؟

1 كليات

در مدلهاي ارزيابي پخت پذيري مواد خام سيمان، به برخي از كانيهاي موجود در مواد خام اشاره روشني شده است.علت اينست كه واكنش اين مينرالها همواره بر پخت پذيري يك Raw mix مشخص اثر مثبت يا منفي داشته است.چنين مدلهايي به راحتي نشان ميدهند كه كدام كانيها در موارد خام بررسي خواهند شد.

2 طبقه بندي مينرالهاي مواد خام

بر اساس رفتار كانيهاي تاثير گذار بر فرآيند پخت يك Raw mix ،ميتوان اين كانيها را در چهار گروه طبقه بندي كرد:

1-2 دانه هاي سنگ آهك

منظور دانه هاي كلسيت و مارل بزرگتر از 125 ميكرون است.

2-2 كوارتز يا فلينت بزرگتر از 44 ميكرون

3-2 سيليكاتهاي مركب همانند فلدسپار كه سايز درشت تري از 63 ميكرون

4-2 ساير مينرالهاي نامحلول در اسيد مثل ميكاها،رس و ....

از ميان گروههاي فوق گروه 1 و 2 بيشترين تاثير را بر روي پخت پذيري مواد خام دارند.اغلب تعيين درصد گروههاي 3و4 مورد نظر نيست.

3 تعيين مقدار مينرالهاي مزاحم

بديهي است كه تهيه نمونه معرف پيش نياز انجام هر نوع آزمايش است.با در نظر گرفتن اين نكته ميتوان گفت كه اگر هدف بررسي عملكرد كوره درطي 24 ساعت باشد،آنگاه نمونه متناسب با اين شرايط بايد اخذ شود.

1-3 تعيين مقدار كلسيت درشت دانه در مواد خام

دستورالعمل اين روش در شماره هاي قبلي به همراه يك مثال عملي بيان شده است.

2-3 تعيين مقدار كوارتز درشت دانه در مواد خام

دستورالعمل اين روش در شماره هاي قبلي به همراه يك مثال عملي بيان شده است.

4 سهم مينرالهاي مزاحم در پخت پذيري

در پخت پذيري يك Raw mix مشخص،هر دو نوع عوامل شيميايي و مينرالي تاثير گذار هستند. .عوامل مينرالي تابع ريزدانگي و مينرالوژي دانه ها هستند.بطور كلي سهم درصدي كلسيت و كوارتز درشت دانه در ايجاد آهك آزاد در دماي 1400 درجه در جدول شماره1 نشان داده شده است.

جدول1-سهم مينرالهاي درشت در ايجاد آهك آزاد