آشنایی با فرایند کلسینه شدن یا کلسیناسیون

کلسینه شدن یا کلسیناسیون احتمالاً نامی آشنا برای افرادی است که در حوزه صنایع فعالیت می‌کنند. در غیر این صورت آیا تا به حال با خود گفته‌اید که چگونه آهک پخته از سنگ آهک تولید می‌شود؟ یا اینکه کلسینه چیست؟ و یا کلسینه یعنی چه؟ چگونه انجام می‌شود و چه کاربردی دارد؟ در ادامه این مقاله قصد داریم به پاسخ سؤالات بپردازیم؛ لذا جهت کسب اطلاعات بیشتر توصیه می‌کنیم ادامه این مقاله را از دست ندهید.

کلسینه شدن به چه معناست؟

ساده‌ترین تعریفی که برای کلسیناسیون می‌توان بیان کرد، این است که در این فرایند با دادن حرارتی بالا به مواد جامد، قصد خارج سازی ناخالصی‌ها به وسیله تغییرات فیزیکی و شیمیایی بر روی آن مواد را دارند. در اصل، کلمه کلسینه برای اشاره به فرایندهایی که شامل کلسیم است، استفاده می‌شود. وجه تسمیه این فرایند به نام کلسیناسیون به دلیل استفاده از کلمه لاتین کلسینیر (calcinare) به معنی سوزاندن آهک بوده است.

در اوایل دوره‌ای که کلسیناسیون به کار گرفته شد، فقط برای سوزاندن آهک و تبدیل سنگ آهن به اکسید آهن کاربرد داشت. به‌مرور کاربردهای دیگری برای کلسیناسیون ایجاد شد، به‌گونه‌ای که تعریف گسترده‌تری برای این فرایند صورت گرفت. امروزه اصطلاح کلسینه اغلب معادل فرایندهایی است که برای گرم کردن، تجزیه، آبگیری و کربن‌زدایی محصولات استفاده می‌شود.

از تغییرات ایجاد شده بر روی جامدات در فرایند کلسینه شدن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• خارج سازی رطوبت و آب موجود در سنگ‌ها
• جداسازی اجزای فرار مانند کربن ‌دی ‌اکسید و همچنین اکسیدهای گوگرد.
• برای اکسید کردن قسمتی یا کل قطعه سنگ.
• بهبود هدایت الکتریکی مواد
• تجزیه حرارتی و تغییر فاز ماده.
• تبدیل ماده به حالت پایدارتر، بادوام‌تر یا سخت‌تر

در متالورژی، فلزات خالص معمولاً از طریق احیا یا الکترولیز اکسیدهای مربوطه به دست می‌آیند. با این حال، سنگ معدن بسیاری از فلزات به عنوان اکسید فلز در دسترس نیست. بسیاری از سنگ معدن‌ها به صورت کربنات یا سولفات فلز به دست می‌آیند. در چنین سناریوهایی، تنها راه استخراج فلز از سنگ معدن این است که ابتدا آن را فراوری کرده و سپس آن‌ها را احیا کنیم. فرایندی که برای این کار اعمال می‌شود کلسینه کردن است. این فرایند برای تجزیه حرارتی سنگ معدن سولفات یا کربنات به اکسیدهای فلز آنها انجام می‌شود.

تفاوت بین کلسینه کردن و برشته کردن (roasting)

اصطلاح “کلسینه کردن” اغلب به جای سایر فرایندهای تصفیه حرارتی استفاده می‌شود، علی‌رغم اینکه با تعریف فنی یک فرایند کلسیناسیون واقعی مطابقت نداشته باشد. این مورد منجر به سردرگمی قابل توجهی در مورد فرایند و استفاده گسترده از این اصطلاح شده است. به طور مثال بین کلسینه کردن و برشته کردن (roasting) گاها اشتباه می‌شود در حالی که با هم تفاوت دارند. جدول زیر برخی از تفاوت‌های عمده بین کلسینه شدن و برشته کردن را نشان می‌دهد.

کلسینه کردن	برشته کردن (roasting)
در کلسینه کردن سنگ معدن فلز در غیاب یا عرضه محدود هوا یا اکسیژن تا دمای بالا گرم می‌شود.	برشته کردن فرایندی است که در آن سنگ معدن در حضور هوا یا اکسیژن اضافی تا دمای بالا گرم می‌شود.
در کلسیناسیون با فرایند عملیات حرارتی سنگ معدنی کلسیم و همچنین تبدیل هیدروکسیدها و کربنات‌ها به اکسیدهای مربوطه است.	برشته کردن بیشتر برای سنگ معدن سولفید انجام می‌شود.
دی اکسید کربن به عنوان یک محصول جانبی منتشر می‌شود.	در طول برشته کردن، مقادیر زیادی ناخالصی سمی، فلزی و اسیدی خارج می‌شود.
در طی کلسینه کردن، رطوبت از سنگ معدن حذف می‌شود.	برشته کردن برای از بین بردن رطوبت استفاده نمی‌شود.
در کلسینه کردن، بیشتر اوقات، واکنش در دمای تجزیه حرارتی یا بالاتر از آن رخ می‌دهد.	در حضور هوای اضافی بالای نقطه ذوب به اکسید آن تبدیل می‌شود.
کلسینه کردن برای محصولات غذایی استفاده نمی‌شود.	برشته کردن باعث می‌شود که محصول غذایی با طعم‌های دلپذیر تولید ‌شود.

چرا کلسیناسیون در غیاب اکسیژن اتفاق می‌افتد؟

کلسینه کردن برای تجزیه سنگ‌های کربناته به دی اکسید کربن و اکسیدهای فلزی انجام می‌شود. سنگ معدن فقط در غیاب اکسیژن (هوا) گرم می‌شود. اگر این سنگ‌ها در مجاورت اکسیژن یا هوا گرم شوند، هیچ واکنشی رخ نخواهد داد و کل فرایند بیهوده خواهد شد.

فاکتورهای مهم در کلسیناسیون

فرایند کلسینه کردن از این نظر انعطاف‌پذیر است که پارامترهای مختلف فرایند را می‌توان برای کنترل واکنش (ها) و تنظیم دقیق ویژگی‌های محصول نهایی دست‌کاری کرد. تأثیرگذارترین فاکتورها در ادامه بیان می‌شوند.

مشخصات دما

هم دمای فرایند و هم دمای مواد در طول کلسینه کردن به دقت اندازه گیری و کنترل می‌شوند. کنترل دما از طریق سیستم کنترل کوره مدیریت می‌شود که سنسورهای داخل واحد داده‌ها را در اختیار اپراتور قرار می‌دهند.

زمان نگهداری

زمان ماندگاری با شرایط دما ارتباط نزدیکی دارد، زیرا اغلب برای دستیابی به واکنش مورد نظر نیاز به نگهداری ماده در دمای معین داریم.

شرایط جوی

هوای داخل کوره، محیط پردازش لازم برای انجام واکنش مورد نظر را فراهم می‌کند. به طور معمول نیاز به کنترل دقیق روی مقدار اکسیژن در کوره وجود دارد و در برخی موارد ممکن است نیاز به تزریق یک گاز بی‌اثر برای تسهیل یا به حداکثر رساندن کارایی واکنش باشد.

کلسینر (کوره) های دوار

انواع مختلفی از تجهیزات برای انجام فرایند کلسینه کردن موجود است که کوره‌های دوار یکی از رایج‌ترین انواع آن هستند. کلسینه شدن را می‌توان در کوره‌های دوار با پخت مستقیم یا غیرمستقیم انجام داد که اغلب در اینجا به هر دو، کوره می‌گویند.

• کوره‌های دوار با تزریق مستقیم

این کوره ها از تماس مستقیم بین مواد و محصولات احتراق به‌منظور گرم کردن مواد استفاده می‌شود. این مواد را همراه با محصولات احتراق به درام چرخان وارد می کنند. بسته به اهداف فرایند و ویژگی‌های مواد، محصولات احتراق می‌توانند به صورت همزمان (موازی) یا خلاف جریان با یکدیگر حرکت کنند.

• کوره‌های دوار با تزریق غیر مستقیم

برخلاف کوره‌های مستقیم، در کوره‌های غیر مستقیم از تماس بین مواد و محصولات احتراق اجتناب می‌شود. در این حالت، به جای گرم شدن از طریق تماس با محصولات احتراق، مواد از طریق تماس با پوسته درام گرم می شوند. کارایی این رویکرد به طور کلی بسیار کمتر از مدل مستقیم است.

فرایندهای ایجاد شده در طول کلسینه کردن

کلسینه کردن می‌تواند منجر به هر یک از فرایندهای زیر شود:

تغییر فاز

وجود یا عدم وجود گرما در طول این فرایند می‌تواند فاز یا وضعیت ماده شیمیایی یا فلز را تغییر دهد که می‌تواند محصول متفاوتی تولید کند.

خروج قسمت فرار

فرایند کلسینه شدن در نقطه ذوب اتفاق می‌افتد و حالت ماده را از جامد به مایع یا مایع به گاز تغییر می‌دهد.

تجزیه

در طی فرایند کلسینه شدن، تجزیه به معنای جداسازی واکنش‌دهنده‌ها برای تشکیل محصولات بیشتری است که در بین آن‌ها محصول مورد نظر ما نیز وجود خواهد داشت.

حذف آب تبلور

آب تبلور را می‌توان با حرارت دادن حذف کرد تا کریستال‌های خالص یک ماده از مخلوط ناخالص به دست آید.

مهم‌ترین کاربردهای کلسیناسیون

این فرایند کاربردهای گسترده‌ای در صنایع و شیمی دارد. از جمله مهم‌ترین کاربردها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تولید آهک کلسینه

آهک کلسینه اساسی‌ترین ماده‌ای است که در صنعت آهن و فولاد استفاده می‌شود. کلسیناسیون آهک در دمایی رخ می‌دهد که انرژی آزاد گیبس برابر با صفر است.

• تولید دولومیت کلسینه

دولومیت کلسینه نیز به مانند آهک کلسینه از طریق فرایند کلسیناسیون تهیه می‌شود. دولومیت کلسینه را می‌توان آهک کلسینه‌ای نیز نامید که درصد بیشتری منیزیم با خود دارد. زمانی که در کنار آهک کلسینه به منیزیم نیز نیاز داریم، استفاده از دولومیت پخته پیشنهاد می‌شود.

• تولید گچ

گچ (CaSo4.2H2O) یک ماده معدنی کلسیم است که در سراسر جهان کاربرد دارد. کلسیناسیون گچ برای تبخیر آب کریستالی است. گچ در دمای 110 تا 130 درجه سانتیگراد قرار می‌گیرد تا بخشی از آب تبلور خارج شود. ماده به‌دست‌آمده را گچ پاریس می‌نامند که وقتی مرطوب و خشک شود، بسیار سفت می‌شود.

• خاک رس کلسینه

سفالگرها معمولاً خاک رس را کلسینه می‌کنند تا امکان استفاده از آنها در درصدهای بالاتر در تولید لعاب فراهم کنند. خاک رس کلسینه شده معمولاً به دلیل هزینه بالا برای تولید وسایل زینتی استفاده نمی‌شود، اما برای دیرگدازها و محصولات با تکنولوژی بالا استفاده از مواد کلسینه رایج است.

• تولید سرامیک

در تولید سرامیک، از بین بردن انعطاف‌پذیری خاک رس برای استفاده در لعاب‌ها نیز مفید است.

• صنعت سیمان

صنعت سیمان بزرگ‌ترین مصرف کننده خاک رس کلسینه و بزرگ‌ترین تولید کنندگان پودر کلسینه شده است.

• اشکال مختلف هیدروکسید آلومینیوم نیز می‌توانند با حرارت دادن در دمای بیش از 1100 درجه سانتیگراد کلسینه شوند. این کار برای حذف آب کریستالی از مواد انجام می‌شود و آن را به آلومینا یا اکسید آلومینیوم تبدیل می‌کند.

سایر کاربردهای کلسینه کردن

• تجزیه اجزای فرار از کک نفت خام
• به‌دست‌آوردن روتیل از آناتاز یا دگرگونی مواد شیشه‌ای.
• تشکیل آهن بی آب در طی کلسینه کردن آهن.
• کلسینه کردن اکسیدهای فلز لیتیوم از اجزای کربناته یا هیدروکسید آنها
• کلسیناسیون رنگ‌دانه‌های رنگی معدنی (اغلب بر اساس سیستم‌های Cd، Ti، Ni یا Sb)
• کلسینه کردن سیستم‌های کاتالیست حاوی فلزات سنگین
• حذف یون‌های آمونیوم در طول تولید زئولیت

سخن پایانی

فرایند کلسینه کردن یک عملیات حرارتی است که به طور گسترده برای تولید کالاهای سخت مانند ماشین‌آلات و مواد اولیه صنایع تا تولید کالاهای نرم مانند مواد شیمیایی، غذایی، پوشاک و غیره استفاده می‌شود. در کلسیناسیون جداسازی شیمیایی اجزا به تولیدکنندگان توانایی حذف اجزای فرار، بهبود ویژگی‌های محصول، حذف آب کریستالی و… را می‌دهد.

قابل توجه است که هرچقدر کیفیت محصولات اولیه کلسینه شده بیشتر باشد، کیفیت محصول نهایی شما بالاتر خواهد بود. قبل از اینکه اقدام به تهیه محصولات کلسینه شده نمایید، لازم است تا از آنالیز و دانه بندی این محصولات اطلاع یابید. شرکت مهندسی صنایع دیرگداز اصفهان با بیش از ۲۰ سال سابقه تولید و فروش محصولات کلسینه شده، می‌تواند یاری بخش شما در تهیه مواد اولیه تولیدات صنعتی‌تان باشد.