مطحنة أسمنت

مطحنة الأسمنت (أو مطحنة التشطيب في الاستخدام الأمريكي الشمالي ^{[ 1 ]} ) هي المعدات المستخدمة لطحن الكلنكر الصلب العقدي الناتج من فرن الأسمنت إلى مسحوق رمادي ناعم يُعرف بالأسمنت . يُطحن معظم الأسمنت حاليًا في مطاحن الكرات ، وكذلك في مطاحن الأسطوانات الرأسية التي تُعد أكثر فعالية من مطاحن الكرات. ^{[ 2 ]}

كانت أنواع الأسمنت الهيدروليكي المبكرة، مثل تلك التي ابتكرها جيمس باركر وجيمس فروست وجوزيف أسبدين، لينة نسبيًا وسهلة الطحن باستخدام التقنيات البدائية المتاحة آنذاك، كأحجار الطحن المسطحة . ومع ظهور أسمنت بورتلاند في أربعينيات القرن التاسع عشر، أصبح الطحن أكثر صعوبة، لأن الكلنكر الناتج عن الفرن غالبًا ما يكون بنفس صلابة مادة حجر الطحن. لهذا السبب، استمر طحن الأسمنت بشكل خشن جدًا (عادةً بنسبة 20% فوق قطر جسيمات 100 ميكرومتر) إلى أن توفرت تقنيات طحن أفضل. إلى جانب إنتاج أسمنت غير متفاعل ذي نمو بطيء في القوة، فاقم هذا من مشكلة عدم التماسك. ينتج هذا التمدد المتأخر والمُعطِّل عن تميؤ جزيئات أكسيد الكالسيوم الكبيرة . يقلل الطحن الدقيق من هذا التأثير، وكان لا بد من تخزين أنواع الأسمنت المبكرة لعدة أشهر لإتاحة الوقت لأكسيد الكالسيوم للتميؤ قبل أن تصبح صالحة للبيع. ابتداءً من عام 1885، أدى تطوير الفولاذ المتخصص إلى تطوير أشكال جديدة من معدات الطحن، ومنذ ذلك الحين، بدأت نعومة الأسمنت النموذجية في الارتفاع باطراد. وقد ساهم الانخفاض التدريجي في نسبة جزيئات الأسمنت الكبيرة غير المتفاعلة جزئيًا في زيادة قوة أسمنت بورتلاند أربعة أضعاف خلال القرن العشرين. ^{[ 3 ]} وقد انصبّ الاهتمام في التاريخ الحديث لهذه التقنية بشكل رئيسي على تقليل استهلاك الطاقة في عملية الطحن.

يُعدّ الكلنكر البورتلاندي المكوّن الرئيسي لمعظم أنواع الأسمنت. يُضاف إلى الأسمنت البورتلاندي كمية قليلة من كبريتات الكالسيوم (عادةً من 3 إلى 10%) لإبطاء عملية إماهة ألومينات ثلاثي الكالسيوم . قد تتكون كبريتات الكالسيوم من الجبس الطبيعي ، أو الأنهيدريت ، أو نفايات صناعية مثل جبس إزالة الكبريت من غازات المداخن . بالإضافة إلى ذلك، قد تُضاف نسبة تصل إلى 5% من كربونات الكالسيوم ، ونسبة تصل إلى 1% من معادن أخرى. من المعتاد إضافة كمية معينة من الماء، وكميات قليلة من مواد الطحن العضوية ومحسّنات الأداء. قد تحتوي أنواع الأسمنت المخلوطة وأسمنت البناء على إضافات كبيرة (تصل إلى 40%) من البوزولان الطبيعي ، أو الرماد المتطاير ، أو الحجر الجيري ، أو غبار السيليكا ، أو الميتاكاولين . قد يحتوي أسمنت خبث الأفران العالية على نسبة تصل إلى 70% من خبث الأفران العالية المحبب المطحون . انظر: الأسمنت . الجبس وكربونات الكالسيوم معادن لينة نسبيًا، وتُطحن بسرعة إلى جزيئات فائقة النعومة. تُضاف عادةً مواد كيميائية مساعدة للطحن بنسبة 0.01-0.03% لتغطية الأسطح المتكونة حديثًا لجزيئات المعادن المكسورة ومنع إعادة تكتلها. ^{[ 4 ]} تشمل هذه المواد 1،2-بروبانيديول ، وحمض الأسيتيك ، وثلاثي إيثانول أمين ، والليغنوسلفونات .

تتسبب الحرارة المتولدة أثناء عملية الطحن في فقدان الجبس ( _{CaSO₄.2H₂O} ) للماء، مما يؤدي إلى تكوين الباسانيت (CaSO₄.0.2-0.7H₂O ₎ أو غاما-أنهيدريت ₍ CaSO₄.0.05H₂O _{) . تتميز هذه المعادن الأخيرة بذوبانها السريع ،} ويلزم حوالي 2% منها في الأسمنت للتحكم في تميؤ ألومينات ثلاثي الكالسيوم. في حال تكون كمية أكبر من ذلك، يتسبب تبلور الجبس عند إعادة تميؤه في "تصلب كاذب" - وهو عبارة عن زيادة مفاجئة في كثافة خليط الأسمنت بعد دقائق قليلة من الخلط، ثم يعود إلى قوامه الرقيق عند إعادة الخلط. وتُعد _درجة حرارة الطحن العالية سببًا رئيسيًا لهذه الظاهرة. من ناحية أخرى، إذا كانت درجة حرارة الطحن منخفضة جدًا، فلن يتوفر ما يكفي من الكبريتات سريعة الذوبان، مما يؤدي إلى "تصلب سريع" - وهو عبارة عن تصلب لا رجعة فيه للخليط. ويتطلب الحصول على الكمية المثلى من الكبريتات سريعة الذوبان الطحن عند درجة حرارة مخرج الطاحونة ضمن نطاق بضع درجات من 115 درجة مئوية. عندما يكون نظام الطحن شديد الحرارة، يستخدم بعض المصنّعين 2.5% من الجبس، ويتبقى كبريتات الكالسيوم على شكل أنهيدريت ألفا طبيعي (CaSO₄ ₎ . يؤدي التجفيف الكامل لهذا المزيج إلى الحصول على أنهيدريت غاما بنسبة 2%، وهي النسبة المثلى. في بعض المطاحن الحديثة عالية الكفاءة، لا يتم توليد حرارة كافية، ويتم تصحيح ذلك بإعادة تدوير جزء من هواء العادم الساخن إلى مدخل المطحنة. 

مطحنة الكرات عبارة عن أسطوانة أفقية مملوءة جزئيًا بكرات فولاذية (أو أشكال أخرى أحيانًا) تدور حول محورها، مما يُكسب الكرات حركة دورانية متدفقة. تُسحق المواد التي تمر عبر المطحنة بفعل الاصطدام وتُطحن بالاحتكاك بين الكرات. عادةً ما تُصنع وسائط الطحن من فولاذ عالي الكروم . أما الأنواع الأصغر حجمًا فتكون أحيانًا أسطوانية الشكل ("حجارة") بدلًا من كروية. توجد سرعة دوران (السرعة الحرجة) عندها يطفو محتوى المطحنة فوق سطحها بفعل قوة الطرد المركزي. تُعطى السرعة الحرجة (بالدورة في الدقيقة) بالمعادلة: n_{_C} = 42.29/ √d ، حيث d هو القطر الداخلي بالمتر. تُشغل مطاحن الكرات عادةً عند حوالي 75% من السرعة الحرجة، لذا فإن مطحنة قطرها 5 أمتار ستدور بسرعة حوالي 14 دورة في الدقيقة. 

عادةً ما تُقسّم المطحنة إلى حجرتين على الأقل (مع أن هذا يعتمد على حجم المواد الخام المُدخلة - فالمطاحن التي تتضمن مكبسًا أسطوانيًا غالبًا ما تكون ذات حجرة واحدة)، مما يسمح باستخدام أحجام مختلفة من وسائط الطحن. تُستخدم كرات كبيرة عند المدخل لسحق عُقيدات الكلنكر (التي قد يزيد  قطرها عن 25 مم). يتراوح قطر الكرات هنا بين 60 و80  مم. في المطحنة ذات الحجرتين، يتراوح حجم وسائط الطحن في الحجرة الثانية عادةً بين 15 و40  مم، مع أنه  قد يُستخدم أحيانًا وسائط يصل حجمها إلى 5 مم. وكقاعدة عامة، يجب أن يتناسب حجم وسائط الطحن مع حجم المادة المراد طحنها: فالوسائط الكبيرة لا تُنتج الجزيئات فائقة النعومة المطلوبة في الأسمنت النهائي، بينما لا تستطيع الوسائط الصغيرة تفتيت جزيئات الكلنكر الكبيرة. كانت تُستخدم في السابق مطاحن بأربع حجرات، مما يسمح بفصل دقيق لأحجام وسائط الطحن، ولكن هذا أصبح نادرًا الآن. من البدائل للمطاحن متعددة الحجرات ما يلي:

• أزواج من المطاحن، تعمل بالتوازي، محملة بوسائط ذات أحجام مختلفة.
• استخدام التكنولوجيا البديلة (انظر مكابس الأسطوانات أدناه) لسحق الكلنكر قبل الطحن الدقيق في مطحنة الكرات.

يُمرر تيار من الهواء عبر المطحنة، مما يساعد على تبريدها، ويزيل الرطوبة المتبخرة التي قد تتسبب في ترطيب المواد وتعطيل تدفقها. ويتم تنقية هواء العادم المحمل بالغبار، عادةً باستخدام مرشحات أكياس .

أنظمة الدائرة المغلقة

تُعدّ كفاءة المراحل الأولى من الطحن في مطحنة الكرات أعلى بكثير من كفاءة تكوين الجزيئات فائقة النعومة، لذا تعمل مطاحن الكرات بأعلى كفاءة عند إنتاج منتج خشن، ثم فصل الأجزاء الناعمة منه، وإعادة الجزء الخشن إلى مدخل المطحنة. تتراوح نسبة المواد الخارجة من المطحنة والمُعادة إلى المدخل بين 10 و30% عند طحن الأسمنت العادي، وتصل إلى 85-95% لمنتجات الأسمنت فائقة النعومة. من المهم لكفاءة النظام إعادة أقل كمية ممكنة من المواد ذات النعومة المطلوبة للمنتج النهائي إلى المدخل. تتميز الفواصل الحديثة بقدرتها على إجراء "قطع" دقيق للغاية حسب الحجم، وتساهم بشكل كبير في خفض استهلاك الطاقة، ولها ميزة إضافية تتمثل في تبريد كل من المنتج والمواد المُعادة، مما يقلل من ارتفاع درجة الحرارة.

تُنتج أنظمة الدوائر المغلقة الفعّالة، بفضل تحكمها الدقيق في حجم الجسيمات، أسمنتًا بتوزيعات حجم جسيمات ضيقة نسبيًا (أي، بالنسبة لحجم جسيم متوسط ​​معين، تحتوي على عدد أقل من الجسيمات الكبيرة والصغيرة). وهذا يُعدّ ميزةً لأنه يُعظّم إمكانية إنتاج قوة الكلنكر، لأن الجسيمات الكبيرة خاملة. وكقاعدة عامة، فإن الطبقة الخارجية فقط، التي يبلغ سمكها 7 ميكرومتر، من كل جسيم هي التي تتفاعل مع الماء في الخرسانة، لذا فإن أي جسيم يزيد قطره عن 14 ميكرومتر يترك دائمًا لبًا غير متفاعل. ومع ذلك، يُمكن أن يكون نقص الجسيمات فائقة الدقة عيبًا. فهذه الجسيمات عادةً ما تملأ الفراغات بين الجسيمات الأكبر حجمًا في عجينة الأسمنت، وإذا لم تكن موجودة، يُعوّض النقص بالماء الإضافي، مما يؤدي إلى انخفاض القوة. يُمكن معالجة ذلك بإضافة 5% من كربونات الكالسيوم إلى الأسمنت: فهذا المعدن اللين يُنتج كمية كافية من الجسيمات فائقة الدقة في المرور الأول عبر المطحنة.

استُخدمت هذه الطرق لسنوات عديدة في عمليات طحن المواد الخام الأقل دقة، ولكن مؤخرًا، استُخدمت مطاحن الأسطوانات، بالاشتراك مع فواصل عالية الكفاءة، في طحن الأسمنت. تُطبّق عملية الطحن ضغطًا أكبر بكثير على المادة مقارنةً بمطاحن الكرات، وبالتالي فهي أكثر كفاءة. يبلغ استهلاك الطاقة عادةً نصف استهلاك مطحنة الكرات. مع ذلك، يُعدّ ضيق نطاق توزيع حجم جزيئات الأسمنت مشكلة، ولم تحظَ هذه العملية بعدُ بقبول واسع.

تتكون هذه الآلات من زوج من البكرات تفصل  بينهما مسافة 8-30 مم وتدور في اتجاهين متعاكسين بسرعة سطحية تتراوح بين 0.9 و1.8 متر/ثانية ^. صُممت محامل البكرات لتحمل ضغطًا يصل إلى 50 ميجا باسكال أو أكثر. تخرج طبقة المواد المسحوبة بين البكرات على شكل تكتل يشبه الألواح من جزيئات متكسرة للغاية. تتميز هذه العملية بكفاءة طاقة عالية نسبيًا. وقد صُممت أنظمة، تشمل جهازًا لفك التكتلات وجهازًا للفصل، لإنتاج مواد ذات نعومة مماثلة للأسمنت. مع ذلك، يظل توزيع حجم الجزيئات مشكلة، ولذا أصبحت مكابس البكرات شائعة الاستخدام كعملية "طحن أولي"، حيث يُستكمل طحن الأسمنت في مطحنة كروية أحادية الحجرة. يُحسّن هذا من أداء الأسمنت، ويقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 20-40% مقارنةً بنظام المطحنة الكروية القياسي.

عادةً ما يتم تصميم مطاحن الأسمنت في مصانع الأسمنت بحيث تستهلك كمية من الكلنكر تفوق بكثير إنتاج أفران المصنع. وذلك لسببين:

• تُصمَّم مصانع الإسمنت لتلبية ذروة الطلب في السوق. ففي البلدان ذات المناخ المعتدل، يكون الطلب على الإسمنت في الصيف أعلى بكثير من الطلب في الشتاء. ويُخزَّن فائض الكلنكر المُنتَج في الشتاء استعدادًا لذروة الطلب في الصيف. ولهذا السبب، عادةً ما تمتلك المصانع التي تشهد طلبًا موسميًا كبيرًا مخازن ضخمة من الكلنكر.
• تُعدّ عملية طحن الأسمنت أكبر مستهلك للطاقة الكهربائية في مصانع الأسمنت، ونظرًا لسهولة تشغيلها وإيقافها، غالبًا ما يكون من المجدي تشغيلها فقط خلال فترات انخفاض الطلب على الكهرباء عندما تكون أسعارها أقل. وهذا يُفيد أيضًا مُنتجي الكهرباء، الذين يُمكنهم التفاوض على أسعار الطاقة مع كبار المُستهلكين لتحقيق التوازن في قدرتهم الإنتاجية على مدار 24 ساعة. كما تُستخدم في كثير من الأحيان ترتيبات أكثر تطورًا مثل "تقنين الطاقة"، حيث يقوم مُصنّع الأسمنت بإغلاق المصنع في غضون مهلة قصيرة عندما يتوقع مُورّد الطاقة ذروةً حرجةً في الطلب، مقابل الحصول على أسعار مُناسبة. ومن الواضح أن هناك حاجة إلى طاقة طحن فائضة كبيرة لتعويض النقص بعد هذه الانقطاعات.

إضافةً إلى التحكم في درجة الحرارة (المذكور أعلاه)، يُعدّ الحصول على نعومة متجانسة للمنتج شرطًا أساسيًا. منذ القدم، كانت تُقاس النعومة بنخل الأسمنت. ومع تطور الأسمنت ليصبح أكثر نعومة، قلّ استخدام المناخل، إلا أن كمية المواد المتبقية على منخل بفتحات 45 ميكرومتر لا تزال تُقاس، عادةً باستخدام النخل الهوائي أو النخل الرطب. وترتبط كمية المواد المارة من هذا المنخل (عادةً 95% في أنواع الأسمنت الحديثة متعددة الأغراض) بإمكانية تطور قوة الأسمنت الإجمالية، لأن الجزيئات الأكبر حجمًا غير متفاعلة بشكل أساسي.

يُعدّ السطح النوعي المقياس الرئيسي لنعومة الأسمنت اليوم . ولأن جزيئات الأسمنت تتفاعل مع الماء على سطحها، فإن مساحة السطح النوعية ترتبط ارتباطًا مباشرًا بتفاعل الأسمنت الأولي. ومن خلال ضبط نعومة الطحن، يمكن للمصانع إنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات من قطعة واحدة من الكلنكر. ويُعدّ التحكم الدقيق في النعومة ضروريًا للحصول على أسمنت ذي أداء ثابت ومُرضٍ يوميًا، لذا تُجرى قياسات على مدار الساعة للأسمنت أثناء إنتاجه، ويتم ضبط معدلات تغذية المطحنة وإعدادات الفاصل للحفاظ على ثبات مساحة السطح النوعية.

يُقدّم تحليل حجم الجسيمات صورةً أشمل لدقة النعومة ، إذ يُتيح قياس كمية كل نطاق حجمي موجود، بدءًا من الجسيمات دون الميكرومترية. كان هذا التحليل في السابق أداةً بحثيةً في المقام الأول، ولكن مع ظهور أجهزة تحليل حيود الليزر الصناعية الرخيصة، أصبح استخدامه في عمليات المراقبة الروتينية أكثر شيوعًا. قد يكون ذلك على شكل جهاز تحليل مكتبي يُغذّى بعينات تُجمع تلقائيًا في مختبر آلي، أو، وهو الأكثر شيوعًا، أجهزة مُثبّتة مباشرةً على قنوات إخراج المطحنة. في كلتا الحالتين، يُمكن إدخال النتائج مباشرةً إلى نظام التحكم في المطحنة، مما يسمح بأتمتة كاملة للتحكم في دقة النعومة.

إلى جانب النعومة، يجب التحكم في المواد المضافة إلى الأسمنت. في حالة إضافة الجبس، غالبًا ما تكون المادة المستخدمة ذات جودة متفاوتة، ومن الممارسات الشائعة قياس محتوى الكبريتات في الأسمنت بانتظام، عادةً باستخدام تقنية التألق بالأشعة السينية ، واستخدام النتائج لضبط معدل تغذية الجبس. وكما ذكرنا سابقًا، غالبًا ما تكون هذه العملية مؤتمتة بالكامل. تُطبق بروتوكولات قياس ومراقبة مماثلة على المواد الأخرى المضافة، مثل الحجر الجيري والخبث والرماد المتطاير.