بررسی مشخصات وكاربرد پودر ميكروسيليكا توليد شده در شركت فروسيليس ايران

بررسی مشخصات وكاربرد پودر ميكروسيليكا توليد شده در شركت فروسيليس ايران

بررسی مشخصات وكاربرد پودر ميكروسيليكا توليد شده در شركت فروسيليس ايران 600 400 شرکت فروسیلیس ایران
پودر میکروسیلیکا

مقدمه

شركت فروسيليس ايران يكی از شركت های موفق و جزء اولين توليد كننده فروآلياژها دركشور بوده كه قريب به 20 سال است درحال فعاليت می باشد و توليدات آن از جمله محصولات استراتژيك و خاص بوده و نياز داخل كشور را برآورده و نياز به واردات اين محصول را نيز مرتفع نموده است . توليد اصلي اين شركت فروسيليسيم بوده كه به عنوان اكسيژن زدا وعنصر آلياژی در توليد فولاد و جوانه زا در توليد چدن بكار می رود علاوه برآن به عنوان عامل احياءكننده در توليد برخی فروآلياژها وشمش منيزيم نيز مورد استفاده قرار می گيرد از توليدات ديگر شركت فروسيليكو منيزيم بوده كه در ساخت چدن های نشكن كاربرد اساسی دارد يكی ديگر از توليدات شركت فروسيليس ايران پودر ميكروسيليكا بوده كه از توليدات ثانويه فرآيند توليد محسوب می گردد وكاربرد بسيار وسيعی در صنايع بتن و سيمان دارد که مقاله زیر به بررسی مشخصات وكاربرد اين محصول می پردازد.

تعریف 

ميكروسيليكا ماده ای بدون بو ، غير قابل احتراق و در دما و فشار محيط پايدار می باشد . دمای ذوب اين ماده 2300 درجه سانتی گراد است .
اين ماده شامل رنگ های سفيد و خاكستری بوده كه عموما رنگ آن از خاكستری كم رنگ تا خاكستری پررنگ متغير است . رنگ ميكروسيليكا بسته به منشاء و نحوه توليد متفاوت بوده و با توجه به اين كه سيليس بدون رنگ است رنگ ميكرو سيليكا عمدتا به وسيله ساير تركيبات به غيراز SIO2 ، نظير كربن و اكسيد آهن تعيين می شود. رنگ توليدي ميكروسيليكا در اين روش خاكستری مي باشد . لازم به توضيح است كه در فرآيند توليد فروسيليسيم به ازای توليد هر تن فروسيليسيم در حدود 300 کیلوگرم محصول فرعی ميكروسيليكا بدست می آيد.
ميكروسيليكا با نام های Amorphous silica , Silica fume , Condensed silica fume نيز شناخته می شود .
ميكروسيليكا در آب حل نمی شود و با آن واكنش انجام نمی دهد ولی در محلول هيدروكسيد سديم يا پتاسيوم قابل حل بوده و با فلورايد يا اسيد هيدروفلوريك واكنش می كند.
اين محصول قابل اشتعال نبوده و موجب اشتعال ساير مواد را فراهم نمی كند .
نوع غبار از نقطه نظر ساختار ومشخصات فيزيكی بی شكل و آمورف بوده و با ذرات سيليس متصاعده از كارخانجات سنگبری ، ماسه ريخته گری ، واحدهای سند بلاست و معادن سنگ سيليس كه ساختار كريستالی داشته و منشاء بيماری های ريوی مي باشد ، متفاوت بوده و ايجاد بيماری های حاد ريه نخواهد كرد (براساس گزارش آژانس بين المللي تحقيقات سرطان (IARC) پودر ميكرو سيليكا آمورف در گروه 3 جلد 68 ، سال 1997سرطان زا نمي باشد)

فرآيند توليد

 

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 دودكش ها تا خارج از ساختمان كوره هدايت مي شوند اين گازها بعد از يك سري مراحل ميانی وارد غبارگير شده و ذرات ميكرو سيليكا به صورت آمورف و بدون ساختار كريستالی توسط يک سری مکانيزم ها از گازها جدا می شود و سپس بسته بندی شده و به بازار ارائه ميشود.

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 كاربرد ميكروسيليكا 

 

امروزه پودر ميكروسيليكا در موارد مختلفی استفاده می شود كه به صورت خلاصه در زير ارائه شده است :

1-ميكروسيليكا در بتن وسيمان

استفاده ازغبار ميكروسيليكا دربتن وسيمان در ساليان اخير رشد فراوانی داشته است ميكروسيليكا به پخش شدن يكنواخت وبالا بردن حجم محصولات هيدراسيون در بتن به عنوان يك پوزلان (pozzolan)  عمل می كند از طرف ديگر با توجه به ريز بودن دانه ها به عنوان يك پر كننده (filler)  باعث كاهش اندازه حفره ها درخمير سيمان می شود. درنتيجه استفاده از ميكروسيليكا در بتن باعث ايجاد خواص زير می شود:

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

مقدار مصرف ميكروسيليكا در بتن به طور معمول 5 الی 20 درصد وزن سيمان است ولی ارقامی تا حدود 40 درصد نيز گزارش شده است. راندمان ميكروسيليكا حدود 3 برابر سيمان است به عبارت ديگر می توان يك كيلو گرم ميكروسيليكا را جايگزين سه كيلو گرم سيمان كرد بدون اينكه كيفيت و استحكام آن كاهش يابد . اين پديده را می توان به عنوان عامل كاهش مصرف سيمان محسوب نمود ولی درهرحال باعث حذف سيمان نخواهد شد.

وجود ذرات ميكروسيليكا در مخلوط بتن ، ميزان آب مورد نياز جهت اختلاط را كاهش می دهد به همين دليل بتن حاصله پايدارتر و چسبنده تر است وعمليات بتن ريزی با سهولت بيشتری انجام می شود ، ميكروسيليكا را می توان مستقيما در توليد سيمان نيز به كار برد.

زمانی كه سيمان و آب مخلوط می شوند دو واكنش اصلی صورت می گيرد. محصولات اين دو واكنش عبارتند از:

  1. سیلیکات کلسیم هیدراته
  2. هیدروکسید کلسیم

 محصول اول ، عمده ترين فاز پيوندی در بتن را موجب می شود ومحصول دوم ، ماده ای ماكروكريستالی است كه به سهولت حل شونده بوده وتاثير چندانی بر استحكام بتن ندارد ، ذرات ميكروسيليكا در مخلوط بتن تازه ، ميزان آب مورد نياز را كاهش داده وبنابراين بتن حاصله پايدارتر و چسبنده تر شده وعمليات بتن ريزی با سهولت بيشتری انجام خواهد پذيرفت.

2-ميكروسيليكادر مصارف پليمری

هنگامی كه محصولات پليمری اكسترود می شوند می توان از ميكروسيليكا به عنوان يك پر كننده وتقويت كننده در جهت بهبود بخشيدن استحكام ضربه ای وسفتی آن ها استفاده نمود. همچنين ميكروسيليكا باعث بهبود اين فرآيند درجهت توليد سطوح صاف تر شده ونيز افزايش راندمان توليد می شود.

3-ميكرو سيليكا در دير گداز

ميكروسيليكا را می توان در توليد بتون های نسوز كه از سيمان های كلسيم – آلومينات توليد می شوند به كاربرد ، در عين حال اين ماده می تواند در توليد انواع ديگر مواد نسوز نيز مورد استفاده قرار گيرد. دراين موارد به كارگيری ميكروسيليكا باعث بهبود پيوندهای سراميكی شده وخواص محصول به ميزان قابل توجهی بهبود داده مي شود.

4-ديگر كاربردهای ميكروسيليكا

جهت توليد انواع مختلف سيليكات ها می توان از ميكروسيليكا استفاده نمود چرا كه ميكروسيليكا قابليت واكنش پذيری بالايی داشته و می تواند به راحتي با ديگر عناصر وارد واكنش و تشكيل سيليكات دهد . همچنين پودر ميكروسيليكا به عنوان پودرهای  پوششی ، پودر های عايق مواد كمكي درسيستم محافظت كاتاليكي وبراي جذب انتخابی يون ها در صنايع شيميايی به كار گرفته شود.

در هر حال با توجه به گسترش توليد فروآلياژها وهمچنين افزايش حجم غبار ميكروسليكای ايجاد شده ، مصارف ديگری در صنايعی كه ظرافت و استحكام را همزمان بايد داشته باشند برای ميكرو سيليكا پيش بينی می گردد.

مشخصات

1-مشخصات شيميايی

مولفه های اصلی شيميايی ميكروسيليكا به شرح زير مي باشد :

1- آمورف (Amorphous)  : اين مشخصه نشان می دهد كه ميكروسيليكا يك ماده كريستالی نيست ، مواد كريستالی در بتن غير قابل حل هستند ، مواد كريستالی موجود در بتن مانند ماسه از نظر شيميايی مانند ميكروسيليكا بوده ومحتویSIO2 هستند ولی بدليل ماهيت كريستالی با سيمان واكنش شيميايی انجام نمی دهند.

2- اكسيد سيليكون (Sio2) : اين مواد درواقع مواد واكنش دهنده در ميكروسيليكا هستند.

3- عناصر جزيی (trace elements) : ممكن است مواد اضافی در ميكروسيليكا بر اساس مواد اوليه مصرفی در فرآيند توليد در كوره های قوس وجود داشته باشند كه به همراه ميكروسيليكا بازيابی می گردند . اين مواد تاثيری بر عملكرد ميكروسيليكا دربتن ندارد ولی ممكن است در برخی استانداردها محدوديت هايی برای ميزان آن اعمال گردد.

مطابق استاندارد ASTM c1240  حداقل ميزان SIO2  آمورف 85%  ، رطوبت ماكزيمم 3% و ميزان L.O.I حداكثر 6% خواهد بود . مطابق تست های انجام شده مشخصات شيميايی پودر ميكروسيليكا در شركت فروسيليس ايران به شرح زير 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 :                                                                                       1100
Sample No :                                                                                            1879
Chemical Analysis
% 89.22 SiO2
% 1.20 Al2O3
% 2.12 Fe2O3
% 1.87 CaO
% 1.61 MgO
% 0.556 Na2O
% 1.056 K2O
% 2.60 LOI
100.23 Total

2- مشخصات فيزيكی :

1- اندازه دانه particle size

ذرات ميكروسيليكا بی نهايت كوچك هستند اندازه ذره ميكروسيليكای مورد استفاده در بتن هم از نظر شيميايی وهم از نظر فيزيكی بسيار مهم هستند شكل مقابل اندازه ذره سيمان پرتلند (شكل سمت چپ) را در مقايسه با ذرات ميكروسيليكا (شكل سمت راست) نشان می دهد . برآورد می گردد جايگزينی 15% ميكروسيليكا با سيمان تقريبا 2000000 ذره ميكروسيليكا با يك ذره سيمان خواهد بود.

مطابق استاندارد  ASTM c1240 نود درصد اندازه دانه بایستی کمتر از 45 میکرون باشد ، با توجه به اندازه گیری توزیع دانه بندی لیزری ذرات میکروسیلیکا شرکت فروسیلیس ایران تقریباً 98 % اندازه ذرات کمتر از 45 میکرون است .

  Q3/%   x0/µm     Q3/%   x0/µm Q3/%     x0/µm   Q3/% cumulative distributionx0/µm
100.00  61.00  81.83  15.00  57.30   3.70  13.44   0.90
100.00  73.00  84.89  18.00  61.41   4.30  18.92   1.10
100.00  87.00  87.53  21.00  65.05   5.00  23.84   1.30
100.00 103.00  90.40  25.00  68.77   6.00  28.26   1.50
100.00 123.00  93.16  30.00  72.40   7.50  34.14   1.80
100.00 147.00  95.62  36.00  74.80   9.00  40.82   2.20
100.00 175.00  97.67  43.00  76.73  10.50  46.34   2.60
 ****  ****  99.14  51.00  79.07  12.50  51.97   3.10
2- ثقل ويژه Specific Gravity

ثقل ويژه ميكروسيليكا در واقع از مقايسه ثقل ويژه اب كه  1 مي باشد بدست می آيد ، ثقل ويژه ميكروسيليكا عدد 2.2 بوده كه در مقايسه با سيمان كه 3.05 است به مراتب سبك تر است بنابراين افزودن ميكروسيليكا به بتن دانسيته آن را افزايش می دهد .

3- سطح ويژه Specific surface

سطح ويژه كل مساحت يك مقدار مشخص از يك ماده است كه در يك سطح استاندارد پخش شده باشد بدليل اينكه ذرات ميكروسيليكا خيلي كوچك هستند مساحت سطحی آن خيلی بزرگ خواهد شد بنابراين جذب آب بيشتری خواهد داشت . يك روش خاص بنام BET  يا روش جذب نيتروژن جهت اندازه گيری سطح ويژه بكار می رود

مطابق استاندارد ASTM c1240 سطح ويژه  بايستی حداقل 15 m2/g باشد اندازه گيری های انجام شده جهت ميكروسيليكای شركت فروسيليس ايران با روش  BET در محدوده 24 تا69 m2/g بوده است

4- دانسيته density

دانسيته اندازه گيری شده در آزمايشگاه مركز تحقيقات سيمان برای ميكروسيليكا حدود 19.2 تا 21.2 در مقايسه با دانسيته سيمان كه حدود 3 گرم بر سانتيمتر مكعب است مي باشد .

دانسيته فله ای bulk density ميكروسيليكا معمولا كمتر از250 كيلوگرم بر متر مكعب است و بستگی به شرايط كوره ای دارد كه در آن توليد می گردد ولی با توجه به مشكلات مربوط به حمل و نقل و بسته بندی با تكنيك های خاصی به حدود 600 تا 700 كيلو گرم بر متر مكعب می رسد .

5- مقاومت پوزولانی pozzolanic strength

مطابق استاندارد  ASTM c1240  مقاومت پوزولانی بايستی حداقل 105 باشد با توجه به نتایج مقاومت 7 روزه در نمونه های میکروسیلیکا مختلط شده با سیمان پرتلند. اندیس مقاومت پوزولانی برای دو نمونه میکروسیلیکا شركت فروسيليس ايران به ترتیب 155 و 160 می باشد .

آزمايش های انجام شده

 

تعيين اكتيويته

 

1- جدول نتايج تست اكتيويته

اكتيويته پوزولان

 

نوع نمونه

 

كد متقاضی

كد داخلی

رديف

LOSS

28 روزه

14 روزه

7 روزه

3 روزه

28 روزه

1/49 96/72 90/30 81/27 72/58
میکروسیلیكا
1100 RS 1879 1
3/33 99/52 87/97 83/75 71/14
میکروسیلیكا
1101 RS 1880 2
8/62 65/34 60/19 50/51 40/68 29/69
پوزولان تراس جاجرود

شاهد

3
1/49 100 97/57 84/46
ميكروسيليس (هند)

شاهد

4

 

2- تجزيه وتحليل نتايج

بر اساس نتايج حاصل از تست اكتيويته به روش TG (ترموگراويمتری) كه يك روش تسريع شده خميره مخلوط آهك هيدراته و پوزولان در دماي 60 درجه سانتيگراد است بر روي 2 نمونه فوق و مقايسه آن با نمونه های شاخص پوزولان جاجرود و ميكروسيليس (هند) كه نمونه های مناسبی برای سنجش اكتيويته به شمار مي روند و با توجه به اينكه پوزولان های مرغوب دارای اكتيويته 14 روزه حداقل 50 % می باشند, ضمن ارائه نمودار روند رشد ميزان جذب آهك هيدراته   Ca(oH)2 در سنين مختلف, در طبقه بندی پوزولان ها (ضعيف، متوسط و مرغوب) نمونه های فوق به لحاظ اکتیویته پوزولانی جزء مواد مرغوب و بسیار فعال محسوب می گردند.

تست های فيزيكی بتون

درصد انبساط

اتوكلاو%

دانسيته

g/cm3

 

بلين

cm2/gr

 

مقاومت فشاری بر حسب

Kgf/cm2

 

مقاومت خمشی بر حسب

Kgf/cm2

 

درصد آب

min زمان گيرش

كدنمونه

كد نمونه ارسالی

رديف 

 

28 7 3 28 7 3

ثانويه

اوليه

0/16 3/12 2930 485 349 210 80 60 40 25 221 197 1/1879
شاهد تیپ 2 آبیک
1
0/08 2/97 5416 653 402 227 91 68 50 26/5 315 250 1879 10% 1100   10% 2
0/09 3/00 4115 641 390 218 90 63 46 26 302 236 1880 10% 1101   10% 3

مطالعه و بررسي ميكروسكوپی 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 میکروسیلیكا به علت ریز دانه بودن امکان تجزیه سرندی وجود ندارد بنابراین برای هر نمونه 2 مقطع نازک صیقلی تهیه شد که نتایج مطالعات به شرح زیر می باشد :

1- 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 97 % 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 85 % از مواد آمورف دارای ادخال کدر می باشد.

2- تشکیل دهنده های فرعی :

در این نمونه حدود کمتر از 3 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.