مسحوق خبث الليثيوم ومعدات الطحن لتطبيقات الأسمنت والخرسانة

مقدمة

خبيثات الليثيوم، وهي منتج ثانوي ينتج أثناء إنتاج كربونات الليثيوم من خام السبودومين، أصبحت في السنوات الأخيرة مادة إضافية مفيدة للخرسانة. مع النمو السريع لصناعة بطاريات الليثيوم الأيونية، يتم إنتاج كميات كبيرة من خبيثات الليثيوم، مما يخلق تحديات في التخلص منها وفي الوقت نفسه فرصًا لاستخدامها. عند معالجتها بشكل صحيح باستخدام تقنيات طحن متقدمة، تظهر مسحوقات خبيثات الليثيوم خصائص ممتازة تعزز بشكل كبير من أداء الأسمنت والخرسانة. تستعرض هذه المقالة خصائص مسحوقات خبيثات الليثيوم، وتأثيرها على أنظمة الخرسانة، بالإضافة إلى المعدات المتخصصة المطلوبة لمعالجتها بشكل أمثل.

خصائص خبث الليثيوم

تحتوي رمادات الليثيوم عادةً على مراحل من ألومينوسيليكات غير متبلورة تساهم في تفاعلية هذه الرمادات المائية (التفاعلية كمادة تعزز تكوين الحبيبات الزجاجية في الخرسانة). تتغير التركيبة الكيميائية حسب نوع الخام المستخدم وعملية الاستخراج، ولكنها تتضمن عمومًا SiO₂ (40-60%)، Al₂O₃ (15-30%)، CaO (5-15%)، ومركبات الليثيوم المتبقية (1-3%). وقد وجد أن وجود أيونات الليثيوم يؤثر على سرعة عملية التشبع بالماء في الخرسانة، مما قد يسرع من تطور قوتها في المراحل المبكرة وفي الوقت نفسه يقلل من انكماشها أثناء التجفيف على المدى الطويل.

تتضمن الخصائص الفيزيائية لخبث الليثيوم الخام تشكيلاً غير منتظم للجزيئات، وتوزيعاً واسعاً للأحجام، ونسبة مسامية عالية نسبياً. تتطلب هذه الخصائص استخدامات متخصصة في عمليات التكسير لتحقيق التوزيع المثالي لأحجام الجزيئات من أجل أقصى فعالية من ناحية خصائص “البوزولانية” (pozzolanic properties). تشير الأبحاث إلى أن أعلى مستوى من الاستجابة الكيميائية يحدث عندما يكون ما لا يقل عن 80% من الجزيئات أصغر من 20 ميكرومتر، مع أن دقة الجزيئات (كما تُقاس بمقياس بلين – Blaine) تتجاوز 400 متر مربع لكل كيلوغرام.

فوائد رماد الليثيوم في الأسمنت والخرسانة

تحسين الخصائص الميكانيكية

يؤدي إدخال مسحوق خبث الليثيوم المطحون ناعماً في الأنظمة الإسمنتية إلى تحسينات ملحوظة في الخصائص الميكانيكية. أظهرت الدراسات أن قوة الضغط تزداد بنسبة 10-20% بعد 28 يوماً عند استبدال 15-25% من الأسمنت البورتلاندي بمسحوق خبث الليثيوم المعالج بشكل صحيح. يُعزى هذا التحسين في القوة إلى تأثير المادة المالئة، حيث تعمل الجسيمات الدقيقة على زيادة كثافة الترتيب، بالإضافة إلى تفاعل البوزولانيك، حيث تتفاعل السيليكا والألومينا المتفاعلتان مع هيدروكسيد الكالسيوم لتشكيل طبقات إضافية من هيدرات كبريتات الكالسيوم.

كما شهدت قوة الانحناء ومعامل المرونة تحسنات كبيرة، حيث تم تسجيل زيادة تتراوح بين 15% و25% مقارنة بخرسانة الأسمنت العادية. يبدو أن التركيب الكيميائي الفريد لخبث الليثيوم، وخاصة وجود مركبات الليثيوم، يؤثر على عملية تبلور منتجات الترطيب، مما ينتج عنه بنية دقيقة أكثر تجانسًا وكثافة، بالإضافة إلى انخفاض في مسامية الشعيرات الدموية.

تحسينات في المتانة

تُظهر خلطات الخرسانة التي تحتوي على مسحوق رماد الليثيوم ميزات متانة أعلى، من بينها مقاومة محسنة لهجوم الكبريتات، وانخفاض في نفاذ أيونات الكلوريد، وتقليل في التمدد الناتج عن تفاعل القلويات مع السيليكا. تؤدي البنية المسامية المحسنة الناتجة عن تفاعل البوزولانيك (pozzolanic reaction) إلى تشكيل مادة أقل نفاذية تمنع دخول الأيونات الضارة. تُظهر الاختبارات المعملية أن الشحنة الكهربائية الناتجة عن اختبارات نفاذية الكلوريد السريعة يمكن تقليلها بنسبة 40-60% عند استخدام 20% من رماد الليثيوم بدلاً من المواد الأخرى.

بالإضافة إلى ذلك، تبين أن مركبات الليثيوم الموجودة في الرماد الناتج عن عمليات الصهر تعمل على كبح تفاعل القلويات مع السيليكا من خلال تعديل تركيب الهلام وتقليل قدرتها على التمدد. وهذا يجعل رماد الليثيوم ذا قيمة خاصة في التطبيقات التي تتطلب استخدام مواد بناء تتفاعل بسهولة مع المواد الأخرى. كما تحسنت مقاومة رماد الليثيوم للتجمد والذوبان بسبب انخفاض درجة اتصال مسامه الشعرية، مما يجعل معدلات الديمومة تتجاوز في العادة 90% حتى بعد 300 دورة تجريبية.

مزايا الاستدامة

يساهم استخدام خبث الليثيوم في الأسمنت والخرسانة بشكل كبير في تحقيق أهداف الاستدامة من خلال عدة طرق. أولاً، يقلل من البصمة الكربونية لإنتاج الخرسانة عن طريق تقليل نسبة مكون الكلينكر؛ حيث أن كل طن من أسمنت بورتلاند المستبدل يمكن أن يوفر تقريبًا 0.8 طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. ثانيًا، يوفر حلاً إنتاجيًا لمنتج ثانوي صناعي كان سيتم التخلص منه عن طريق دفنه في المكبات، مما يساعد على الحفاظ على الموارد الطبيعية وتقليل أعباء إدارة النفايات.

تشير دراسات تقييم دورة الحياة إلى أن خلطات الخرسانة التي تحتوي على 25% من خبث الليثيوم يمكن أن تقلل من إمكانيات الاحتباس الحراري العالمي بنسبة 15-20% مقارنةً بالخرسانة التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، عملية طحن خبث الليثيوم عادةً ما تستهلك طاقة أقل مقارنةً بإنتاج الكلينكر، مما يزيد من الفوائد البيئية الشاملة. مع تزايد الضغوط التنظيمية على إدارة النفايات الصناعية وانبعاثات الكربون، فإن استخدام خبث الليثيوم يمثل نهجًا مجديًا اقتصاديًا وبيئيًا لصناعة مواد البناء.

متطلبات تقنية الطحن لخامات الليثيوم

يتطلب تحويل خبث الليثيوم الخام إلى مادة ملاحقة خرسانية عالية الأداء التحكم الدقيق في توزيع أحجام الجسيمات، وشكل الجسيمات، والحفاظ على خصائصها غير المنتظمة (غير البلورية). على عكس عمليات طحن الأسمنت التقليدية، يجب أن تتعامل عملية معالجة خبث الليثيوم مع عدة تحديات فريدة، منها قوة الصلابة المتغيرة للمادة، ودرجة الخشونة المعتدلة، بالإضافة إلى ميلها إلى التكتل عند الطحن الدقيق.

يجب أن تحقق أنظمة الطحن المثلى لخامات الليثيوم عدة أهداف حاسمة: إنتاج توزيع واسع لأحجام الجزيئات مع الحد الأدنى من الجزيئات الدقيقة جدًا (أقل من 1 ميكرومتر) لتجنب زيادة الطلب على المياه؛ الحفاظ على البنية غير المنتظمة لمراحل ألومينوسيليكات للحفاظ على قابليتها للتفاعل الكيميائي؛ والعمل بكفاءة عالية في استهلاك الطاقة لضمان الجدوى الاقتصادية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون المعدات قادرة على التعامل مع الخصائص المسببة للتآكل الطفيفة لمركبات الليثيوم، وتوفير جودة منتج مستقرة رغم التغيرات في خصائص المواد المستخدمة في العملية.

معدات الطحن الموصى بها لمعالجة رماد الليثيوم

آلة طحن فائقة الدقة من سلسلة SCM لإنتاج مسحوق رماد الليثيوم عالي الجودة

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مسحوق رماد الليثيوم ذو أعلى أداء، مع توزيع متحكم في حجم الجسيمات والحفاظ على قابلية التفاعل، فإن…سلسلة آلات التطحين فائقة الدقة SCMيمثل هذا الحل النموذجي. يعمل هذا النظام المتقدم للطحن على مبدأ تكسير طبقة المواد، حيث يتم سحق الجزيئات بين عناصر الطحن الدوارة وطبقة ثابتة. تتناول الميزات التصميمية الخاصة بطاحون SCM التحديات الفريدة المرتبطة بمعالجة خبث الليثيوم من خلال عدة تقنيات مبتكرة.

يتمكن مطحن SCM Ultrafine Mill من تحقيق دقة في الإنتاج تتراوح بين 325 و2500 شبكة (D97≤5μm)، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لإنتاج مساحيق الرماد الليثيوم الدقيقة جدًا التي تتمتع بأعلى قدرة على التفاعل البوزولاني. مع القدرة على معالجة حبيبات بحجم لا يزيد عن 20 مم وسعة معالجة تتراوح بين 0.5 و25 طن في الساعة (حسب النموذج)، يمكن تكييف المعدات لتلبية متطلبات الإنتاج المختلفة. يوفر جهاز التصنيف بالتوربين العمودي المدمج إمكانية التحكم الدقيق في حجم الجسيمات، مما يضمن جودة منتج متسقة ويزيل تلوث الجسيمات الخشنة.

تتضمن المزايا الرئيسية لمعالجة خبث الليثيوم كفاءة عالية للنظام، حيث يمكنه تحقيق ضعف سعة طواحين الرش مع استهلاك طاقة أقل بنسبة 30%. يضمن نظام التحكم الذكي مع التغذية الراجعة الآلية دقة المنتج، مما يؤمن التشغيل المستقر رغم التغيرات في خصائص المواد المُدخلة. كما توفر بكرات وحلقات الطحن المصممة خصيصًا، المصنوعة من مواد مقاومة للتآكل، عمرًا أطول عند معالجة خبث الليثيوم الذي يتسبب في الاحتكاك المعتدل. يتم تحسين الأداء البيئي من خلال جمع الغبار بطريقة متقطعة تتجاوز المعايير الدولية، بالإضافة إلى مستويات ضوضاء أقل من 75 ديسيبل بفضل الأغلفة الصوتية المتكاملة.

يعتمد مبدأ التشغيل على دوران حلقات الطحن المتعددة بواسطة محرك رئيسي، حيث يتم توزيع المواد في مسار الطحن بفعل القوة الطاردة للمركز. يتم الطحن التدريجي عن طريق ضغط الأسطوانات على الطبقات المتعددة، ويتم جمع البودرة الناتجة في النهاية باستخدام جهاز فصل الدوامات ونظام جمع الغبار بالنبضات. تتراوح النماذج المتاحة من SCM800 بسعة تتراوح بين 0.5 إلى 4.5 طن في الساعة ومحرك رئيسي بقوة 75 كيلوواط، إلى SCM1680 بسعة تتراوح بين 5.0 إلى 25 طن في الساعة ومحرك رئيسي بقوة 315 كيلوواط، مما يوفر قابلية التكيف مع متطلبات الإنتاج المختلفة.

مطحنة الأسطوانات العمودية من سلسلة LM للإنتاج على نطاق واسع

بالنسبة لمرافق الإنتاج ذات الحجم الكبير التي تتطلب قدرات متكاملة على التجفيف والطحن،طاحونة الأسطوانات العمودية من سلسلة LMتوفر هذه المعدات حلًا فعالًا ومدمجًا. تكون هذه المعدات مفيدة بشكل خاص عند معالجة خبث الليثيوم الذي يحتوي على نسبة رطوبة عالية، نظرًا لأنها تدمج عمليات الطحن والتجفيف في وحدة واحدة. يوفر تصميم الطاحونة ذات الأسطوانات العمودية عدة مزايا مهمة بشكل خاص بالنسبة لمعالجة خبث الليثيوم، منها استهلاك طاقة أقل لكل وحدة وزن، واحتياجات مساحية أقل، وتسهيل في معالجة المواد.

تقبل طاحونة الأسطوانات الرأسية من سلسلة LM مواد خام بحجم يصل إلى 50 مم، وتنتج منتجات بدقة تتراوح بين 30 و325 شبكة، حيث تتمكن النماذج الخاصة من تحقيق دقة تصل إلى 600 شبكة. تتراوح السعة الإنتاجية بين 3 و250 طنًا في الساعة اعتمادًا على النموذج المحدد ومتطلبات التطبيق. يجمع التصميم المدمج بين وظائف السحق والطحن والتصنيف، مما يقلل من مساحة الاحتياجات بنسبة تقريبًا 50% مقارنة بأنظمة الطاحونات الكروية. بالنسبة لتطبيقات رماد الليثيوم، فإن التصميم غير التلامسي بين أسطوانات الطحن والسطح يزيد من عمر أجزاء الاحتكاك بمقدار ثلاث مرات، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل.

تشمل المزايا التقنية الرئيسية نظام التحكم الذكي مع الأتمتة المتقدمة، الذي يدعم أوضاع التشغيل عن بعد ومحليًا مع مراقبة فورية للمعايير الحرجة. يلبي أداء المنتج معايير صارمة من خلال التشغيل تحت ضغط سلبي محكم الإغلاق، مما يضمن أن انبعاثات الغبار أقل من 20 ملغ/م³ وأن مستويات الضوضاء أثناء التشغيل لا تتجاوز 80 ديسيبل (أ). يعتمد المبدأ التشغيلي على دوران طاولة الطحن بواسطة محرك رئيسي عبر مخفض السرعة، حيث يتم تغذية المواد من المدخل الأوسط وتوزيعها بشكل متساوٍ بواسطة القوة الطاردة المركزية. تطبق بكرات الطحن قوة ضغط لتحقيق تكسير المواد، ويتم نقل البودرة الناعمة المؤهلة بواسطة الهواء الساخن إلى جهاز التصنيف، بينما يتم إعادة المواد الخشنة إلى طاولة الطحن لمزيد من المعالجة.

بالنسبة لتطبيقات خبث الليثيوم، فإن الطرازات المحددة من سلسلة طواحين الخبث العمودية ذات الصلة بشكل خاص، ومن ضمنها طراز LM130N بسعة 4 إلى 6 أطنان في الساعة وطراز LM370N بسعة 90 إلى 110 أطنان في الساعة. تم تصميم هذه الطرازات المتخصصة لمعالجة خصائص خبث الليثيوم المحددة، حيث تتطلب مواصفات معينة مثل مؤشر العمل (Bond work index) لا يتجاوز 23 كيلوواط ساعة لكل طن، ومحتوى الحديد لا يتجاوز 1%. يتيح التصميم المتكامل معالجة المواد الرطبة مباشرة دو الحاجة إلى معدات تجفيف منفصلة، مما يبسط عملية المعالجة بأكملها.

اعتبارات المعالجة وأفضل الممارسات

لتنفيذ استخدام خبث الليثيوم بنجاح في الأسمنت والخرسانة، من الضروري الانتباه إلى عدة معايير معالجة بالإضافة إلى تقليل حجم الجزيئات. يعد التحكم في الرطوبة أمرًا بالغ الأهمية، نظرًا لأن خبث الليثيوم يحتوي عادةً على نسبة رطوبة تتراوح بين 10% و20% عند استلامه، وهو ما قد يؤثر على كفاءة التعامل مع المادة وعملية الطحن. بالنسبة لطاحن SCM Ultrafine، يُنصح بتجفيف المادة مسبقًا إلى مستوى يقل عن 5% من الرطوبة لتحسين أداء الطحن، بينما يمكن لطاحن LM Vertical Roller Mill التعامل مع المواد التي تحتوي على ما يصل إلى 15% رطوبة من خلال نظام التجفيف المدمج.

يمكن أن تتطلب التغيرات في التركيب الكيميائي لخبث الليثيوم، وخاصة في محتوى الليثيوم المتبقي، تعديلات على معايير الطحن واستراتيجيات الخلط المحتملة لضمان جودة منتج موحدة. كما أن الطبيعة التآكلية الطفيفة لمركبات الليثيوم تتطلب اختيار المواد المناسبة لمكونات المعدات المعرضة للغبار الناعم، خاصة في أنظمة التجميع والتخزين.

يجب أن يشمل نظام مراقبة الجودة المراقبة المنتظمة لتوزيع أحجام الجزيئات، ومساحة السطح الخاصة، ونسبة المواد غير المنتظمة البنية، ومؤشر النشاط البوزولاني. يجب تشغيل نظام الطحن بطريقة تعزز نسبة الجزيئات التي تتراوح أحجامها بين 1 و20 ميكرومتر، والتي توفر التوازن المثالي بين القابلية للتفاعل واحتياجات الماء. يتضمن تحسين عملية الطحن عادةً تعديل سرعة جهاز التصنيف، وضغط الطحن، ومعدل التغذية لتحقيق خصائص المنتج المطلوبة مع تعظيم كفاءة استخدام الطاقة في الوقت نفسه.

تقييم الأثر الاقتصادي والبيئي

تمثل تركيب معدات طحن متخصصة لمعالجة خامادات الليثيوم استثمارًا كبيرًا يجب تبريره من خلال الفوائد الاقتصادية والبيئية. يجب أن تأخذ التحليلات الاقتصادية في الاعتبار انخفاض كمية المواد اللازمة لإنتاج الأسمنت، حيث يمكن لخامادات الليثيوم أن تحل محل 15 إلى 30% من أسمنت بورتلاند دون التأثير سلبًا على الأداء. بالنظر إلى أسعار الأسمنت الحالية، فإن هذا الاستبدال يوفر توفيرًا كبيرًا في تكاليف المواد الخام، و تتراوح فترات استرداد تكلفة معدات الطحن عادةً ما بين 1.5 و3 سنوات، اعتمادًا على حجم الإنتاج وظروف السوق المحلية.

تتجاوز الفوائد البيئية مجرد استغلال النفايات، لتشمل أيضًا تقليل انبعاثات الكربون؛ حيث يؤدي استبدال كل طن من الأسمنت إلى تجنب حوالي 0.8 طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂). تتضمن المزايا البيئية الإضافية انخفاض الحاجة إلى استخراج المواد الخام الطبيعية من المناجم، وتقليل الحاجة إلى دفن النفايات، بالإضافة إلى استهلاك طاقة أقل مقارنة بعملية إنتاج الكلينكر. تُظهر دراسات تقييم دورة الحياة أن التأثير البيئي لطحن رماد الليثيوم أقل بكثير من التأثيرات السلبية الناتجة عن إنتاج الأسمنت، مما يؤدي إلى نتائج بيئية إيجابية صافية.

الاتجاهات المستقبلية والتطورات

من المتوقع أن يزداد استخدام خبث الليثيوم في الأسمنت والخرسانة بشكل كبير مع توسع صناعة الليثيوم وتشديد اللوائح المتعلقة بالاستدامة. من المحتمل أن تركز التطورات المستقبلية في تقنيات الطحن على تقليل استهلاك الطاقة من خلال أنظمة تصنيف متقدمة، وتحسين مواد المقاومة للتآكل لإطالة فترات الصيانة، بالإضافة إلى تعزيز التحكم في العمليات باستخدام الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلات.

لا تزال الأبحاث جارية لتحسين التأثيرات التآزرية بين الخبث الليثيومي ومواد الأسمنت التكميلية الأخرى، مما قد يسمح بزيادة معدلات الاستبدال دون التأثير على الأداء. قد تؤدي الخصائص الفريدة لمركبات الليثيوم في تعديل عملية هيدراتة الأسمنت إلى تطبيقات متخصصة، حيث يوفر الخبث الليثيومي فوائد وظيفية محددة تتجاوز الخصائص العامة لمواد البوزولان.

مع ترسخ مبادئ الاقتصاد الدائري بشكل أعمق في الممارسات الصناعية، قد يصبح دمج معالجة خبث الليثيوم ضمن مرافق إنتاج الليثيوم ممارسة شائعة، مما يؤدي إلى إنشاء أنظمة مغلقة تعزز كفاءة استخدام الموارد إلى أقصى حد. ستواصل صناعة معدات الطحن تطوير حلول مصممة خصيصًا لخصائص خبث الليثيوم، مما يحسن من الجوانب الاقتصادية والبيئية لهذه المادة الإضافية الخرسانية القيمة.

الخلاصة

تمثل رايشة الليثيوم مادة تعويضية واعدة يمكن أن تعزز بشكل كبير أداء ومتانة منتجات الأسمنت والخرسانة. يتطلب تحويل رايشة الليثيوم الخام إلى مسحوق عالي الجودة معدات طحن متخصصة قادرة على إنتاج توزيعات دقيقة لأحجام الجزيئات مع الحفاظ على المراحل غير المنتظمة والنشطة في المادة. توفر طاحنات سلسلة SCM Ultrafine وطاحنات سلسلة LM Vertical Roller Mill حلولاً متكاملة لمختلف مقياسات الإنتاج والمتطلبات، مع توفير كفاءة عالية وتحكم دقيق وعمليات موثوقة.

مع استمرار صناعة البناء في البحث عن بدائل مستدامة للمواد التقليدية، سيلعب استخدام المنتجات الثانوية الصناعية مثل خبث الليثيوم دورًا متزايد الأهمية. من خلال المعالجة السليمة باستخدام تقنيات الطحن المتقدمة، يمكن لخبث الليثيوم أن يوفر فوائد تقنية واقتصادية وبيئية كبيرة، مما يساهم في تطوير مواد بناء عالية الأداء ومستدامة للمستقبل.