بررسی مشخصات وکاربرد پودر میکروسیلیکا تولید شده در شرکت فروسیلیس ایران

بررسی مشخصات وکاربرد پودر میکروسیلیکا تولید شده در شرکت فروسیلیس ایران

بررسی مشخصات وکاربرد پودر میکروسیلیکا تولید شده در شرکت فروسیلیس ایران 600 400 شرکت فروسیلیس ایران
پودر میکروسیلیکا

مقدمه

شرکت فروسیلیس ایران یکی از شرکت های موفق و جزء اولین تولید کننده فروآلیاژها درکشور بوده که قریب به ۲۰ سال است درحال فعالیت می باشد و تولیدات آن از جمله محصولات استراتژیک و خاص بوده و نیاز داخل کشور را برآورده و نیاز به واردات این محصول را نیز مرتفع نموده است . تولید اصلی این شرکت فروسیلیسیم بوده که به عنوان اکسیژن زدا وعنصر آلیاژی در تولید فولاد و جوانه زا در تولید چدن بکار می رود علاوه برآن به عنوان عامل احیاءکننده در تولید برخی فروآلیاژها وشمش منیزیم نیز مورد استفاده قرار می گیرد از تولیدات دیگر شرکت فروسیلیکو منیزیم بوده که در ساخت چدن های نشکن کاربرد اساسی دارد یکی دیگر از تولیدات شرکت فروسیلیس ایران پودر میکروسیلیکا بوده که از تولیدات ثانویه فرآیند تولید محسوب می گردد وکاربرد بسیار وسیعی در صنایع بتن و سیمان دارد که مقاله زیر به بررسی مشخصات وکاربرد این محصول می پردازد.

تعریف 

میکروسیلیکا ماده ای بدون بو ، غیر قابل احتراق و در دما و فشار محیط پایدار می باشد . دمای ذوب این ماده ۲۳۰۰ درجه سانتی گراد است .
این ماده شامل رنگ های سفید و خاکستری بوده که عموما رنگ آن از خاکستری کم رنگ تا خاکستری پررنگ متغیر است . رنگ میکروسیلیکا بسته به منشاء و نحوه تولید متفاوت بوده و با توجه به این که سیلیس بدون رنگ است رنگ میکرو سیلیکا عمدتا به وسیله سایر ترکیبات به غیراز SIO2 ، نظیر کربن و اکسید آهن تعیین می شود. رنگ تولیدی میکروسیلیکا در این روش خاکستری می باشد . لازم به توضیح است که در فرآیند تولید فروسیلیسیم به ازای تولید هر تن فروسیلیسیم در حدود ۳۰۰ کیلوگرم محصول فرعی میکروسیلیکا بدست می آید.
میکروسیلیکا با نام های Amorphous silica , Silica fume , Condensed silica fume نیز شناخته می شود .
میکروسیلیکا در آب حل نمی شود و با آن واکنش انجام نمی دهد ولی در محلول هیدروکسید سدیم یا پتاسیوم قابل حل بوده و با فلوراید یا اسید هیدروفلوریک واکنش می کند.
این محصول قابل اشتعال نبوده و موجب اشتعال سایر مواد را فراهم نمی کند .
نوع غبار از نقطه نظر ساختار ومشخصات فیزیکی بی شکل و آمورف بوده و با ذرات سیلیس متصاعده از کارخانجات سنگبری ، ماسه ریخته گری ، واحدهای سند بلاست و معادن سنگ سیلیس که ساختار کریستالی داشته و منشاء بیماری های ریوی می باشد ، متفاوت بوده و ایجاد بیماری های حاد ریه نخواهد کرد (براساس گزارش آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) پودر میکرو سیلیکا آمورف در گروه ۳ جلد ۶۸ ، سال ۱۹۹۷سرطان زا نمی باشد)

فرآیند تولید

 

فرآیند تولید فروسیلیسیم همراه با تولید میزان نسبتاً زیادی گازهای حاصله از درون منطقه واکنشی است که عمدتاً حاوی گازهای co ، sio است که این دو گاز در سطح شارژ کوره سوخته و به co2 و غبارهای حاوی sio2 تبدیل می شوند و توسط دودکش ها تا خارج از ساختمان کوره هدایت می شوند این گازها بعد از یک سری مراحل میانی وارد غبارگیر شده و ذرات میکرو سیلیکا به صورت آمورف و بدون ساختار کریستالی توسط یک سری مکانیزم ها از گازها جدا می شود و سپس بسته بندی شده و به بازار ارائه میشود.

سالیان درازی غبار حاصله از کوره های قوس فروسیلیسیم ضایعات این فرآیند محسوب می شد ولی با پیشرفت تکنولوژی و یافتن موارد مصرف مختلفی برای این ضایعات (به خصوص در بتن و … ) هم اکنون این غبارها با نام تجاری میکروسیلیکا به عنوان محصول جانبی این فرآیند به فروش می رسد و لذا جهت استفاده بهتر از غبارات حاصله از این فرآیند ، سیستم های غبارگیری نیز با گذشت زمان تکامل زیادی پیدا کرده است .

موارد کاربرد میکروسیلیکا 

 

امروزه پودر میکروسیلیکا در موارد مختلفی استفاده می شود که به صورت خلاصه در زیر ارائه شده است :

۱-میکروسیلیکا در بتن وسیمان

استفاده ازغبار میکروسیلیکا دربتن وسیمان در سالیان اخیر رشد فراوانی داشته است میکروسیلیکا به پخش شدن یکنواخت وبالا بردن حجم محصولات هیدراسیون در بتن به عنوان یک پوزلان (pozzolan)  عمل می کند از طرف دیگر با توجه به ریز بودن دانه ها به عنوان یک پر کننده (filler)  باعث کاهش اندازه حفره ها درخمیر سیمان می شود. درنتیجه استفاده از میکروسیلیکا در بتن باعث ایجاد خواص زیر می شود:

  • افزایش مقاومت فشاری
  • افزایش مقاومت در برابر سایش
  • کاهش نفوذ پذیری
  • مقاومت در برابر سولفات ها
  • مقاومت به خوردگی

مقدار مصرف میکروسیلیکا در بتن به طور معمول ۵ الی ۲۰ درصد وزن سیمان است ولی ارقامی تا حدود ۴۰ درصد نیز گزارش شده است. راندمان میکروسیلیکا حدود ۳ برابر سیمان است به عبارت دیگر می توان یک کیلو گرم میکروسیلیکا را جایگزین سه کیلو گرم سیمان کرد بدون اینکه کیفیت و استحکام آن کاهش یابد . این پدیده را می توان به عنوان عامل کاهش مصرف سیمان محسوب نمود ولی درهرحال باعث حذف سیمان نخواهد شد.

وجود ذرات میکروسیلیکا در مخلوط بتن ، میزان آب مورد نیاز جهت اختلاط را کاهش می دهد به همین دلیل بتن حاصله پایدارتر و چسبنده تر است وعملیات بتن ریزی با سهولت بیشتری انجام می شود ، میکروسیلیکا را می توان مستقیما در تولید سیمان نیز به کار برد.

زمانی که سیمان و آب مخلوط می شوند دو واکنش اصلی صورت می گیرد. محصولات این دو واکنش عبارتند از:

  1. سیلیکات کلسیم هیدراته
  2. هیدروکسید کلسیم

 محصول اول ، عمده ترین فاز پیوندی در بتن را موجب می شود ومحصول دوم ، ماده ای ماکروکریستالی است که به سهولت حل شونده بوده وتاثیر چندانی بر استحکام بتن ندارد ، ذرات میکروسیلیکا در مخلوط بتن تازه ، میزان آب مورد نیاز را کاهش داده وبنابراین بتن حاصله پایدارتر و چسبنده تر شده وعملیات بتن ریزی با سهولت بیشتری انجام خواهد پذیرفت.

۲-میکروسیلیکادر مصارف پلیمری

هنگامی که محصولات پلیمری اکسترود می شوند می توان از میکروسیلیکا به عنوان یک پر کننده وتقویت کننده در جهت بهبود بخشیدن استحکام ضربه ای وسفتی آن ها استفاده نمود. همچنین میکروسیلیکا باعث بهبود این فرآیند درجهت تولید سطوح صاف تر شده ونیز افزایش راندمان تولید می شود.

۳-میکرو سیلیکا در دیر گداز

میکروسیلیکا را می توان در تولید بتون های نسوز که از سیمان های کلسیم – آلومینات تولید می شوند به کاربرد ، در عین حال این ماده می تواند در تولید انواع دیگر مواد نسوز نیز مورد استفاده قرار گیرد. دراین موارد به کارگیری میکروسیلیکا باعث بهبود پیوندهای سرامیکی شده وخواص محصول به میزان قابل توجهی بهبود داده می شود.

۴-دیگر کاربردهای میکروسیلیکا

جهت تولید انواع مختلف سیلیکات ها می توان از میکروسیلیکا استفاده نمود چرا که میکروسیلیکا قابلیت واکنش پذیری بالایی داشته و می تواند به راحتی با دیگر عناصر وارد واکنش و تشکیل سیلیکات دهد . همچنین پودر میکروسیلیکا به عنوان پودرهای  پوششی ، پودر های عایق مواد کمکی درسیستم محافظت کاتالیکی وبرای جذب انتخابی یون ها در صنایع شیمیایی به کار گرفته شود.

در هر حال با توجه به گسترش تولید فروآلیاژها وهمچنین افزایش حجم غبار میکروسلیکای ایجاد شده ، مصارف دیگری در صنایعی که ظرافت و استحکام را همزمان باید داشته باشند برای میکرو سیلیکا پیش بینی می گردد.

مشخصات

۱-مشخصات شیمیایی

مولفه های اصلی شیمیایی میکروسیلیکا به شرح زیر می باشد :

۱- آمورف (Amorphous)  : این مشخصه نشان می دهد که میکروسیلیکا یک ماده کریستالی نیست ، مواد کریستالی در بتن غیر قابل حل هستند ، مواد کریستالی موجود در بتن مانند ماسه از نظر شیمیایی مانند میکروسیلیکا بوده ومحتویSIO2 هستند ولی بدلیل ماهیت کریستالی با سیمان واکنش شیمیایی انجام نمی دهند.

۲- اکسید سیلیکون (Sio2) : این مواد درواقع مواد واکنش دهنده در میکروسیلیکا هستند.

۳- عناصر جزیی (trace elements) : ممکن است مواد اضافی در میکروسیلیکا بر اساس مواد اولیه مصرفی در فرآیند تولید در کوره های قوس وجود داشته باشند که به همراه میکروسیلیکا بازیابی می گردند . این مواد تاثیری بر عملکرد میکروسیلیکا دربتن ندارد ولی ممکن است در برخی استانداردها محدودیت هایی برای میزان آن اعمال گردد.

مطابق استاندارد ASTM c1240  حداقل میزان SIO2  آمورف ۸۵%  ، رطوبت ماکزیمم ۳% و میزان L.O.I حداکثر ۶% خواهد بود . مطابق تست های انجام شده مشخصات شیمیایی پودر میکروسیلیکا در شرکت فروسیلیس ایران به شرح زیر می باشد

R&D Company Of Cement Industry RDCCI

Testing Report

Chemical Analysis

Applicant : Iran Ferrosilice Co
Results Obtained – Test Method  ISIRI
Sample name :                                                                                Microsilica
Applicant No :                                                                                       ۱۱۰۰
Sample No :                                                                                            ۱۸۷۹
Chemical Analysis
% ۸۹٫۲۲ SiO2
% ۱٫۲۰ Al2O3
% ۲٫۱۲ Fe2O3
% ۱٫۸۷ CaO
% ۱٫۶۱ MgO
% ۰٫۵۵۶ Na2O
% ۱٫۰۵۶ K2O
% ۲٫۶۰ LOI
۱۰۰٫۲۳ Total

۲- مشخصات فیزیکی :

۱- اندازه دانه particle size

ذرات میکروسیلیکا بی نهایت کوچک هستند اندازه ذره میکروسیلیکای مورد استفاده در بتن هم از نظر شیمیایی وهم از نظر فیزیکی بسیار مهم هستند شکل مقابل اندازه ذره سیمان پرتلند (شکل سمت چپ) را در مقایسه با ذرات میکروسیلیکا (شکل سمت راست) نشان می دهد . برآورد می گردد جایگزینی ۱۵% میکروسیلیکا با سیمان تقریبا ۲۰۰۰۰۰۰ ذره میکروسیلیکا با یک ذره سیمان خواهد بود.

مطابق استاندارد  ASTM c1240 نود درصد اندازه دانه بایستی کمتر از ۴۵ میکرون باشد ، با توجه به اندازه گیری توزیع دانه بندی لیزری ذرات میکروسیلیکا شرکت فروسیلیس ایران تقریباً ۹۸ % اندازه ذرات کمتر از ۴۵ میکرون است .

  Q3/%   x0/µm     Q3/%   x0/µm Q3/%     x0/µm   Q3/% cumulative distributionx0/µm
۱۰۰٫۰۰  ۶۱٫۰۰  ۸۱٫۸۳  ۱۵٫۰۰  ۵۷٫۳۰   ۳٫۷۰  ۱۳٫۴۴   ۰٫۹۰
۱۰۰٫۰۰  ۷۳٫۰۰  ۸۴٫۸۹  ۱۸٫۰۰  ۶۱٫۴۱   ۴٫۳۰  ۱۸٫۹۲   ۱٫۱۰
۱۰۰٫۰۰  ۸۷٫۰۰  ۸۷٫۵۳  ۲۱٫۰۰  ۶۵٫۰۵   ۵٫۰۰  ۲۳٫۸۴   ۱٫۳۰
۱۰۰٫۰۰ ۱۰۳٫۰۰  ۹۰٫۴۰  ۲۵٫۰۰  ۶۸٫۷۷   ۶٫۰۰  ۲۸٫۲۶   ۱٫۵۰
۱۰۰٫۰۰ ۱۲۳٫۰۰  ۹۳٫۱۶  ۳۰٫۰۰  ۷۲٫۴۰   ۷٫۵۰  ۳۴٫۱۴   ۱٫۸۰
۱۰۰٫۰۰ ۱۴۷٫۰۰  ۹۵٫۶۲  ۳۶٫۰۰  ۷۴٫۸۰   ۹٫۰۰  ۴۰٫۸۲   ۲٫۲۰
۱۰۰٫۰۰ ۱۷۵٫۰۰  ۹۷٫۶۷  ۴۳٫۰۰  ۷۶٫۷۳  ۱۰٫۵۰  ۴۶٫۳۴   ۲٫۶۰
 ****  ****  ۹۹٫۱۴  ۵۱٫۰۰  ۷۹٫۰۷  ۱۲٫۵۰  ۵۱٫۹۷   ۳٫۱۰
۲- ثقل ویژه Specific Gravity

ثقل ویژه میکروسیلیکا در واقع از مقایسه ثقل ویژه اب که  ۱ می باشد بدست می آید ، ثقل ویژه میکروسیلیکا عدد ۲٫۲ بوده که در مقایسه با سیمان که ۳٫۰۵ است به مراتب سبک تر است بنابراین افزودن میکروسیلیکا به بتن دانسیته آن را افزایش می دهد .

۳- سطح ویژه Specific surface

سطح ویژه کل مساحت یک مقدار مشخص از یک ماده است که در یک سطح استاندارد پخش شده باشد بدلیل اینکه ذرات میکروسیلیکا خیلی کوچک هستند مساحت سطحی آن خیلی بزرگ خواهد شد بنابراین جذب آب بیشتری خواهد داشت . یک روش خاص بنام BET  یا روش جذب نیتروژن جهت اندازه گیری سطح ویژه بکار می رود

مطابق استاندارد ASTM c1240 سطح ویژه  بایستی حداقل ۱۵ m2/g باشد اندازه گیری های انجام شده جهت میکروسیلیکای شرکت فروسیلیس ایران با روش  BET در محدوده ۲۴ تا۶۹ m2/g بوده است

۴- دانسیته density

دانسیته اندازه گیری شده در آزمایشگاه مرکز تحقیقات سیمان برای میکروسیلیکا حدود ۱۹٫۲ تا ۲۱٫۲ در مقایسه با دانسیته سیمان که حدود ۳ گرم بر سانتیمتر مکعب است می باشد .

دانسیته فله ای bulk density میکروسیلیکا معمولا کمتر از۲۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب است و بستگی به شرایط کوره ای دارد که در آن تولید می گردد ولی با توجه به مشکلات مربوط به حمل و نقل و بسته بندی با تکنیک های خاصی به حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ کیلو گرم بر متر مکعب می رسد .

۵- مقاومت پوزولانی pozzolanic strength

مطابق استاندارد  ASTM c1240  مقاومت پوزولانی بایستی حداقل ۱۰۵ باشد با توجه به نتایج مقاومت ۷ روزه در نمونه های میکروسیلیکا مختلط شده با سیمان پرتلند. اندیس مقاومت پوزولانی برای دو نمونه میکروسیلیکا شرکت فروسیلیس ایران به ترتیب ۱۵۵ و ۱۶۰ می باشد .

آزمایش های انجام شده

 

تعیین اکتیویته

 

۱- جدول نتایج تست اکتیویته

اکتیویته پوزولان

 

نوع نمونه

 

کد متقاضی

کد داخلی

ردیف

LOSS

۲۸ روزه

۱۴ روزه

۷ روزه

۳ روزه

۲۸ روزه

۱/۴۹ ۹۶/۷۲ ۹۰/۳۰ ۸۱/۲۷ ۷۲/۵۸
میکروسیلیکا
۱۱۰۰ RS 1879 ۱
۳/۳۳ ۹۹/۵۲ ۸۷/۹۷ ۸۳/۷۵ ۷۱/۱۴
میکروسیلیکا
۱۱۰۱ RS 1880 ۲
۸/۶۲ ۶۵/۳۴ ۶۰/۱۹ ۵۰/۵۱ ۴۰/۶۸ ۲۹/۶۹
پوزولان تراس جاجرود

شاهد

۳
۱/۴۹ ۱۰۰ ۹۷/۵۷ ۸۴/۴۶
میکروسیلیس (هند)

شاهد

۴

 

۲- تجزیه وتحلیل نتایج

بر اساس نتایج حاصل از تست اکتیویته به روش TG (ترموگراویمتری) که یک روش تسریع شده خمیره مخلوط آهک هیدراته و پوزولان در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد است بر روی ۲ نمونه فوق و مقایسه آن با نمونه های شاخص پوزولان جاجرود و میکروسیلیس (هند) که نمونه های مناسبی برای سنجش اکتیویته به شمار می روند و با توجه به اینکه پوزولان های مرغوب دارای اکتیویته ۱۴ روزه حداقل ۵۰ % می باشند, ضمن ارائه نمودار روند رشد میزان جذب آهک هیدراته   Ca(oH)2 در سنین مختلف, در طبقه بندی پوزولان ها (ضعیف، متوسط و مرغوب) نمونه های فوق به لحاظ اکتیویته پوزولانی جزء مواد مرغوب و بسیار فعال محسوب می گردند.

تست های فیزیکی بتون

درصد انبساط

اتوکلاو%

دانسیته

g/cm3

 

بلین

cm2/gr

 

مقاومت فشاری بر حسب

Kgf/cm2

 

مقاومت خمشی بر حسب

Kgf/cm2

 

درصد آب

min زمان گیرش

کدنمونه

کد نمونه ارسالی

ردیف 

 

۲۸ ۷ ۳ ۲۸ ۷ ۳

ثانویه

اولیه

۰/۱۶ ۳/۱۲ ۲۹۳۰ ۴۸۵ ۳۴۹ ۲۱۰ ۸۰ ۶۰ ۴۰ ۲۵ ۲۲۱ ۱۹۷ ۱/۱۸۷۹
شاهد تیپ ۲ آبیک
۱
۰/۰۸ ۲/۹۷ ۵۴۱۶ ۶۵۳ ۴۰۲ ۲۲۷ ۹۱ ۶۸ ۵۰ ۲۶/۵ ۳۱۵ ۲۵۰ ۱۸۷۹ ۱۰% ۱۱۰۰   ۱۰% ۲
۰/۰۹ ۳/۰۰ ۴۱۱۵ ۶۴۱ ۳۹۰ ۲۱۸ ۹۰ ۶۳ ۴۶ ۲۶ ۳۰۲ ۲۳۶ ۱۸۸۰ ۱۰% ۱۱۰۱   ۱۰% ۳

مطالعه و بررسی میکروسکوپی نمونه پودر میکروسیلیکا شرکت فروسیلیس با کد RM 1879  

 

برای انجام مطالعات میکروسکوپی بر روی نمونه های پودری معمولاٌ ابتدا نمونه ها توسط سرندهای استاندارد تجزیه سرندی شده و از هر فراکسیون مقطع نازک تهیه می شود سپس مقاطع مورد مطالعه میکروسکوپی قرار  می گیرند. ولیکن در نمونه های میکروسیلیکا به علت ریز دانه بودن امکان تجزیه سرندی وجود ندارد بنابراین برای هر نمونه ۲ مقطع نازک صیقلی تهیه شد که نتایج مطالعات به شرح زیر می باشد :

۱- تشکیل دهنده های اصلی :

تشکیل دهنده های اصلی این نمونه مواد آمورف بوده از که نوع سیلیس های آمورف می باشند که مقدار مواد آمورف این نمونه بیشتر از ۹۷ % می باشد. ضمناٌ اکثریت این قطعات بصورت کامل آمورف و یکدست بوده و در بعضی موارد نیز قطعات کدر در آنها مشاهده می شود که احتمالاً این قطعات کدر (اپک) از نوع اکسیدها و هیدورکسیدهای آهندار می باشد. با شمارش قطعات آمورف خالص و قطعات آمورف دارای ادخال های کدر می توان اظهار نمود که حدود ۸۵ % از مواد آمورف دارای ادخال کدر می باشد.

۲- تشکیل دهنده های فرعی :

در این نمونه حدود کمتر از ۳ درصد از تشکیل دهنده های فرعی تشکیل شده است که اکثریت بصورت کدر (اپک) می باشند که بعضی موارد بصورت مجزا و در بعضی نقاط نیز بصورت درگیر با قطعات سیلیس آمورفی مشاهده می گردد.

با توجه به مطالعات فوق و براساس اینکه اکثریت قطعات موجود در نمونه از نوع آمورف می باشند میتوان پیش بینی کرد که این نمونه از نظر اکتیواسیون دارای شرایط عالی می باشد.