سرباره

بندانگشتی
سرباره محصولی مصنوعی و جانبی است، که به هنگام جداسازی آهن در کوره‌های ذوب آهن از ناخالصی‌های موجود در سنگ آهن به وجود می‌آید. سرباره ترکیبی از سیلیکات و اکسیدهای فلزی پیچیده‌است که پس از سرد شدن مواد ناخالص باقی می‌ماند. این ترکیب پس از گرفتن شکل جامد 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 آسفالت و بتن می‌باشد.
تولید
امروزه آهن در کارخانه‌های صنایع فولاد با روش اکسیژن اولیه (لینز دوناویتز) یا در کارخانه کوچک‌تر از طریق قوس الکتریکی تولید می‌شوند. کوره‌های باز ذوب آهن دیگر استفاده‌ای ندارند. در روش لینز دوناویتز، سنگ آهن مذاب یا آهن بازیافتی مذاب با ماده جانبی اکسید کلسیم () یا دولومیت () در داخل کوره قرار می‌گیرند. از طریق یک سوزن اکسیژن با فشار زیاد به پاتیل کوره تزریق می‌شود. اکسیژن با ناخالصی‌ها ترکیب شده و آن‌ها را از آهن جدا می‌کند. بر روی آهن موجود گازهای کربن دی‌اکسید و کربن مونواکسید ایجاد می‌شوند، در عین‌های اکسیدهای کلسیم، منگنز و خود آهن هم تشکیل می‌شوند. پس از سرازیر کردن کوره به یک سمت آهن تقریبا خالص از کوره خارج می‌شود. مواد باقی‌مانده در پاتیل کوره سپس از آن خارج می‌شوند. این مواد پس از سرد شدن، سرباره را تشکیل می‌شوند.
انواع سرباره
سرباره‌هایی که در مراحل مختلف تولید آهن ایجاد می‌شوند.
با توجه به اینکه آهن تولید شده در کوره‌های ذوب آهن، دارای میزان کربن متفاوت است و کربن موجود در آن سختی آهن را مشخص است. این درجه‌بندی رابطه مستقیم با میزان مواد اضافی است که در کوره قرار می‌گیرند. از این رو میزان سرباره و ترکیب آن با درجه فولاد تولید شده در رابطه است. چندین نوع سرباره در مراحل مختلف تولید آهن ایجاد می‌شوند. از آن‌ها می‌توان به سرباره کوره (سرباره شیر)، سرباره شن‌کش، سرباره مصنوعی یا پاتیل، سرباره بازمانده.
روش‌های سرد کردن سرباره
ماده مذاب سرباره که به دلیل سبک‌تر 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.
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 زیرسازی جاده‌ها، مصالح آسفالت و بتن مورد استفاده قرار می‌دهند.
در استاندارد BS 1047 مشخصات سرد کردن تفاله به سه گونه است:
در ظروف کوچک ملاقه مانند، سرباره گلوله‌ای
در چاله‌ه، کانال‌ها و قالب‌های بزرگ، سرباره چاله‌ای
به صورت کپه‌ای با انباشته روی زمین یا
خواص فیزیکی سرباره
سرباره از ۲۰۰–۵۰۰ پیش از میلاد
سرباره بر روی فولاد مذاب
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 تعیین‌کننده 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 بی‌نظم در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. به علاوه با بررسی 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 شده‌است.
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 به‌شمار آید. وزن مخصوص سرباره کوره ذوب آهن 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. به‌طور 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 فعال‌کننده‌ای 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 صورت می‌پذیرد. اساسا ترکیبات شیمیایی سرباره از اهمیت زیادی برخوردار است چون در سنجش خاصیت هیدرولیکی سرباره دانه‌ای نقش به سزایی دارد به‌طوری‌که با معلوم شدن مقدار درصدهای ترکیبات شیمیایی اجزای سرباره، مدول هیدرولیکی که مشخص‌کننده خاصیت هیدرولیکی سرباره است تعیین می‌شود. آیین‌نامه 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 به‌طور متوسط ۱/۲۰ می‌باشد. مدول دیکری توسط کیل Keil تعریف شده‌است 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 شده‌است. 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 نامحلول‌ها، 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) مخصوصا جمع‌آوری سرباره ازروی زمین نیاز دارد که متریال مانند آهک ودلمیت مناسب و به 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.
ریخته‌گری
بتن سبک