Nghiên cứu chế tạo chất trợ nghiền tăng mác cho quá trình nghiền xi măng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.49 MB, 81 trang )
ĐẶNG VĂN TẤN
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐẶNG VĂN TẤN
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT TRỢ NGHIỀN TĂNG MÁC CHO
QUÁ TRÌNH NGHIỀN XI MĂNG
KỸ THUẬT HÓA HỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC
KHÓA 2012B
Hà Nội – Năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐẶNG VĂN TẤN
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT TRỢ NGHIỀN TĂNG MÁC CHO
QUÁ TRÌNH NGHIỀN XI MĂNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC
NGƯỜI PHẢN BIỆN:
NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
1. PGS. TS. NGÔ KIM CHI
TS. NGUYỄN VĂN XÁ
2. TS. NGUYỄN THỊ THU HUYỀN
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
GS.TSKH. NGUYỄN MINH TUYỂN
Hà Nội – Năm 2014
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này, trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn
chân thành, sâu sắc tới TS Nguyễn Văn Xá - Bộ môn Quá trình - Thiết bị Công
nghệ Hóa học và Thực phẩm trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện về
trang thiết bị, phòng thí nghiệm, tài liệu nghiên cứu và những đóng góp quý báu
trong quá trình thực hiện luận án tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Trường Giang Bộ môn hóa Hóa –
Khoa Vật liệu xây dựng , Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã tận tình hướng
dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm thực tế giúp em hoàn thành luận án tốt
nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị công tác tại Công ty Cổ phần Công nghệ
Vật liệu và Thiết bị Bách Khoa Hà Nội nơi em đang công tác, các thầy cô trong Bộ
môn Quá trình - Thiết bị Công nghệ Hóa học và Thực phẩm trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã quan tâm, nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong quá trình
thực hiện đề tài.
Cuối cùng, em xin bày tỏ lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã
quan tâm chia sẻ những khó khăn và động viên em hoàn thành luận án tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày 8 tháng 9 năm 2014
HỌC VIÊN
Đặng Văn Tấn
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan trước Hội đồng chấm luận văn cao học, các nghiên cứu và
kết quả đạt được trong đề tài này là hoàn toàn trung thực, do tôi tiến hành nghiên
cứu. Các số liệu, kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu khác được tham
khảo đã có trích dẫn tài liệu tham khảo đầy đủ.
Hà Nội,ngày 08 tháng 9 năm 2014
Người viết cam đoan
Đặng Văn Tấn
ii
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu viết tắt
Diễn giải
1
CHĐBM
Chất hoạt động bề mặt
2
CTN
Chất trợ nghiền
American Society for Testing and
3
ASTM
Materials: Hiệp hội vật liệu và thử
nghiệm hoa kỳ
4
DKĐ
Dịch thải kiềm đen
5
ĐKN
Độ kị nước
6
ĐLĐ
Độ linh động
7
ĐVC
Độ vón cục
8
HCBM
Hợp chất bề mặt
10
PGTN
Phụ gia trợ nghiền
11
PGTNTM
Phụ gia trợ nghiền tăng mác
14
SCBM
Sức căng bề mặt
16
N/X
Tỷ lệ nước : xi măng
17
FLC
Ferocromlignin
18
TEA
Triethanolamin
19
TIPA
Triisopropanolamine
20
PKL
Phần khối lượng
iii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần đá vôi ở một số cơ sở sản xuất xi măng ở nước ta [1]. ..........3
Bảng 1.2. Thành phần đất sét của một số cơ sở sản xuất xi măng [1]. .......................5
Bảng 1.3. Thành phần hoá học của một số phụ gia điều chỉnh phối liệu [1]. ............6
Bảng 1.4: Hàm lượng các ôxyt chính trong clinker xi măng [1, 8] ...........................9
Bảng 1.5. So sánh tính chất xi măng phụ thuộc vào các hệ số KH, n và p [1]. .......11
Bảng 2.1: Thành phần hoá của clinker Bỉm Sơn. .....................................................39
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ TEA đến cường độ chịu nén của xi măng ........53
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ FCL đến cường độ chịu nén của xi măng .........54
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ TIPA đến cường độ chịu nén của xi măng .......55
Bảng 3.4: Bảng ma trận thực nghiệm kế hoạch toàn phần hai mức tối ưu ...............57
Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệmn lặp ở tâm ..................................................................59
Bảng 3.6: So sánh hiệu quả nghiền giữa mẫu có phụ gia và không có phụ gia trợ
nghiền ........................................................................................................................61
Bảng 3.7: So sánh cường độ và tỷ diện giữa mẫu có phụ gia và không có phụ gia
trợ nghiền ..................................................................................................................63
Bảng 3.8. Bảng kết quả thử nghiệm phụ gia trợ nghiền BK007 khi sản xuất PCB30
tại nhà máy xi măng Bỉm Sơn ...................................................................................64
Bảng 3.9. Bảng kết quả thử nghiệm phụ gia trợ nghiền BK007 khi sản xuất PCB40
tại nhà máy xi măng Bỉm Sơn ...................................................................................65
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hệ số nạp bi đạ cho máy nghiền ...............................................................16
Hình 1.2. Sơ đồ mô tả sự hấp phụ của chất trợ nghiền lên hạt liệu ..........................23
Hình 1.3. Sơ đồ mô tả sự phấp phụ của chất trợ nghiền trong các vi nứt .................23
Hình 1.4. Côn đo độ linh động của xi măng .............................................................34
Hình 2.1 Máy nghiền bi thí nghiệm 2 khoang ........................................................41
Hình 2.2. Bi đạn bên trong máy nghiền bi 2 khoang ...............................................42
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên tắc chế tạo mẫu phụ gia ......................................................43
Hình 3.1: Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ TEA trong phụ gia đến cường độ chịu
nén của xi măng. ......................................................................................................53
Hình 3.2: Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ FLC trong phụ gia đến cường độ chịu
nén của xi măng. ......................................................................................................54
Hình 3.3: Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ TIPA trong phụ gia đến cường độ chịu
nén của xi măng. ......................................................................................................55
v
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... ii
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. v
MỤC LỤC ..................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 2
1.1. Giới thiệu chung về xi măng ..................................................................... 2
1.1.1. Tóm tắt sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất xi măng Việt
Nam
.................................................................................................................2
1.1.2. Nguyên liệu, phụ gia và nhiên liệu dùng trong sản xuất xi măng. .....3
1.1.3. Thành phần hoá học và thành phần khoáng của clinker .....................7
1.1.4. Quy trình công nghệ sản xuất xi măng trong công nghiệp ...............12
1.1.5. Quá trình đóng rắn của xi măng. ........................................................14
1.1.6. Một số chỉ tiêu để đánh giá chất lượng của xi măng .........................14
1.2. Những đặc trưng cơ bản của quá trình nghiền clinker xi măng ............ 15
1.2.1. Nghiền clinker xi măng ........................................................................15
1.2.2. Công suất tiêu thụ của máy nghiền .....................................................17
1.2.3. Đối tượng nghiền ...................................................................................17
1.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền.......................................18
1.2.5. Các nguyên nhân gây nên hiện tượng bám dính trong quá trình
nghiền ...............................................................................................................19
1.3. Phụ gia trợ nghiền trong sản xuất xi măng............................................... 20
1.3.1. Chất trợ nghiền .....................................................................................20
1.3.2. Một số phụ gia trợ nghiền trong sản xuất xi măng ............................21
1.4. Cơ chế trợ nghiền của phụ gia trợ nghiền . .............................................. 21
1.5. Cơ chế tăng mác của phụ gia trợ nghiền ................................................. 24
vi
1.5.1. Mác của xi măng là gì: ..........................................................................24
1.5.2. Cơ chế tăng mác của phụ gia trợ nghiền tăng mác [7, 11] ................24
1.6. Chất hoạt động bề mặt ............................................................................. 30
1.6.1. Chất hoạt động bề mặt anion ...............................................................30
1.6.2. Chất hoạt động bề mặt cation ..............................................................30
1.6.3. Các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính ................................................31
1.6.4. Các chất hoạt động bề mặt không ion ..................................................31
1.7. Phương pháp đánh giá xi măng và hiệu quả của chất trợ nghiền [5, 14] ... 32
1.7.1. Đánh giá dựa trên kích thước hạt ........................................................32
1.7.2. Đánh giá dựa trên thời gian nghiền .....................................................32
1.7.3. Đánh giá dựa trên độ mịn của xi măng. ............................................33
1.7.4. Đánh giá độ linh động của xi măng có chất trợ nghiền. ...................33
1.7.5. Đánh giá tốc độ suy giảm chất lượng của xi măng ...........................34
1.7.6. Đánh giá độ ổn định của xi măng. ......................................................34
1.7.7. Xác định cường độ chịu nén ( mác xi măng) của xi măng ...............35
1.7.8. Xác định thời gian đông kết ................................................................35
1.8. Nhận xét chung phần tổng quan ............................................................... 36
Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 37
2.1. Nguyên liệu để chế tạo PGTN tăng mác .................................................. 37
2.1.1. Triisopropanolamine (TIPA) ................................................................37
2.1.2. Ferocromlignin (FCL) [6] .....................................................................37
2.1.3 Triethanolamine (TEA) ..........................................................................38
2.2. Nguyên liệu thử nghiệm........................................................................... 38
2.3. Thiết bị dụng cụ nghiên cứu. .................................................................... 39
2.4. Nghiên cứu chế tạo PGTN tăng mác ........................................................ 42
2.4.1. Tạo dịch phản ứng .................................................................................42
2.4.2. Tạo pha trợ nghiền .................................................................................42
2.5. Phương pháp thí nghiệm phụ gia trợ nghiền ............................................ 43
2.6. Lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hoá. ................................ 44
vii
2.6.1. Các khái niệm cơ bản của quy hoạch thực nghiệm. ...........................45
2.6.2.Thuật toán của phương pháp quy hoạch thực nghiệm cực trị. ............47
2.6.3. Xây dựng quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng của thành phần phụ gia
đến cường độ chịu nén của xi măng . .............................................................50
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................... 53
3.1. Ảnh hưởng của TEA đến cường độ chịu nén của xi măng ..................... 53
3.2. Ảnh hưởng của FCL đến cường độ nén của xi măng ............................... 54
3.3. Ảnh hưởng của TIPA đến cường độ nén của xi măng ...........................55
3.4.
Quy hoạch thực nghiệm....................................................................... 56
3.4.1. Xây dựng mô tả thống kê. ...................................................................56
3.4.2. Kế hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu. ................................56
3.4.3. Kiểm tra tính tương hợp của phương trình hồi quy và thực nghiệm. ....60
3.5.
Đưa ra công thức và các đánh giá trong phòng thí nghiệm ................ 61
3.5.1. Các kết quả thí nghiệm đối với mẫu trợ nghiền BK007 được đưa ra
như sau. .............................................................................................................61
3.5.2. Ảnh hưởng của phụ gia trợ nghiền tăng mác đến tính chất hóa lý
khác của xi măng ..............................................................................................62
3.6.
Kết quả, triển khai và đánh giá thực nghiệm mẫu trợ nghiền tăng mác
BK 007 ở quy mô công nghiệp. .................................................................... 64
3.6.1. Kết quả thử nghiệm bước 1 .................................................................64
3.6.2. Kết quả thực hiện bước 2: ...................................................................66
3.6.3. Đánh giá hiệu quả của phụ gia khi triển khai ở quy mô công nghiệp: ....66
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 70
viii
MỞ ĐẦU
Trong bối cảnh hội nhập hiện nay, ngành sản xuất xi măng đang trong sự cạnh
tranh cao về giá cả và chất lượng sản phẩm. Do đó xu hướng phổ biến trên thế giới
là sử dụng các giải pháp công nghệ để tạo ra xi măng chất lượng cao mà chi phí
nguyên nhiên liệu, năng lượng thấp. Một trong những giải pháp ưu việt nhất đã và
đang được sử dụng là tạo ra các chất hoạt động bề mặt làm phụ gia nhằm tăng mác,
tăng năng suất máy nghiền clinker công nghiệp, giảm tiêu hao năng lượng đồng thời
tăng độ linh động và độ kị nước cho xi măng.
Các phương án tăng mác xi măng được đưa ra chủ yếu dựa vào sự thay đổi
thành phần khoáng trong clinker (C3S, C2S, C3A, C11A7CaX2), thành phần cấp khối
xi măng nên công nghệ phức tạp và chi phí cao. Do đó đề tài đi vào một phương án
rẻ tiền nhưng hiệu quả cao là nghiên cứu chế tạo ra một loại phụ gia từ các chất hoạt
động bề mặt cho công đoạn nghiền clinker nhằm mục đích: biến tính năng lượng bề
mặt của các hạt xi măng để tăng hiệu quả nghiền và điều chỉnh quá trình hydrat hoá
xi măng, điều khiển quá trình nghiền xi măng đến cấp phối cỡ hạt hợp lý để tăng
cường độ chịu nén 28 ngày do đó làm tăng mác xi măng.
Việc nghiên chế tạo chất trợ nghiền tăng mác cho quá trình nghiền clinker xi
măng đã góp tăng năng suất chất lượng xi măng; hỗ trợ hướng phát triển sản xuất xi
măng mác cao đồng thời góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp xi măng Việt Nam
hòa nhập với công nghiệp xi măng thế giới.
1
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về xi măng
1.1.1. Tóm tắt sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất xi măng Việt Nam
Ngành công nghiệp xi măng Việt Nam đã ra đời cách đây hơn 100 năm với
cơ sở đầu tiên là xi măng Hải Phòng. Từ điều kiện sản xuất thô sơ ban đầu của một
số cơ sở sản xuất như: Xi măng Sài Sơn của tổng cục hậu cần, xi măng Cầu Đước –
Nghệ an, xi măng 3/2 Thanh hoá, Hà Tiên Ngày nay nền công nghiệp xi măng Việt
Nam đã bước sang một giai đoạn phát triển mới. Rất nhiều các nhà máy với công
suất lớn đã ra đời với công nghệ sản xuất hiện đại như xi măng Bỉm Sơn, xi măng
Hoàng Thạch với công suất mỗi nhà máy trên 1.000.000 tấn/năm và nhiều nhà máy
xi măng lò đứng khác. Các năm trở lại đây sản lượng xi măng liên tục tăng, năm
1990 tổng sản lượng xi măng sản xuất được là 2.608.127 tấn, năm 1995 là 6.000.000
tấn, năm 2000 sản lượng xi măng đạt khoảng 20.000.000 tấn.
Năm 2010 sản lượng xi măng đạt khoảng 57.000.000 tấn.
Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều loại xi măng khác nhau
như: Xi măng bền sulfat, xi măng chịu nhiệt, xi măng xỉ...với các loại mác khác
nhau PC30, PC40, PC50… Tuy nhiên phổ biến hiện nay có hai loại xi măng được
sản xuất và tiêu thụ rộng rãi là: Xi măng Poóc lăng thường và xi măng Poóc lăng
hỗn hợp.
* Xi măng Poóc lăng thường ( Ký hiệu PC)
Ra đời vào năm 1812, đây là chất kết dính thuỷ lực được tạo ra bằng cách
nghiền mịn clinker xi măng Poóc lăng với thạch cao và các phụ gia khác.
*Xi măng Poóc lăng hỗn hợp ( Ký hiệu PCB)
Xi măng Poóc lăng hỗn hợp được chế tạo bằng cách nghiền clinker xi măng
Poóc lăng với thạch cao và các phụ gia khác. Nó khác xi măng Poóc lăng thông
thường là ở tỷ lệ phụ gia. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, trong xi măng Poóc lăng hỗn
2
hợp tỷ lệ phụ gia khoáng cho phép sử dụng là 40 % phụ gia hoạt tính và phụ gia trơ
trong đó phụ gia trơ không quá 20%
1.1.2. Nguyên liệu, phụ gia và nhiên liệu dùng trong sản xuất xi măng.
1.1.2.1. Nguyên liệu
Để sản xuất xi măng Poóc lăng người ta dùng các loại nham thạch trầm tích
như đá vôi, đất sét, các loại nguyên liệu nhân tạo như xỉ lò cao và các phụ gia.
Đá vôi.
Hàm lượng thành phần chứa cacbonnat trong hỗn hợp nguyên liệu xi măng là
rất lớn, do đó tính chất hoá lý của thành phần này gây ảnh hưởng quyết định đến
việc chọn công nghệ sản xuất xi măng và các thiết bị dùng cho sản xuất.
Đá vôi: là nguyên liệu cơ bản cung cấp CaO cho phối liệu để sản xuất clinker
xi măng. Độ cứng của đá vôi là do độ tuổi địa lý của nó quyết định, độ cứng của đá
vôi nằm trong khoảng 1,8-3 (Thang độ cứng tương đối Mohs). Màu đá vôi phụ
thuộc vào tạp chất, đá vôi sạch thường có màu trắng. Theo tiêu chuẩn Việt nam
TCVN 6072:1996, đá vôi sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi măng phải thoả mãn:
hàm lượng CaCO3 85%, MgCO3 5%, Na2O + K2O 1%. Ngoài ra còn có các
loại đá khác nhưng ít được sử dụng ở nước ta như: đá phấn, đá mắc nơ, chúng là các
nham thạch trầm tích và có độ cứng bé hơn đá vôi. Hầu hết các nhà máy xi măng
nước ta đều dùng nguyên liệu là đá vôi. Khi chọn đá vôi làm xi măng tốt nhất là
chọn đá vôi sét có tạp chất sét trên 20% phân tán đều là loại đá rất phù hợp cho
nguyên liệu sản xuất xi măng
Bảng 1.1. Thành phần đá vôi ở một số cơ sở sản xuất xi măng ở nước ta [1].
Thứ
tự
Nhà máy, xí nghiệp
1
Xi măng Bỉm Sơn
42,40
0,30
2
Xi măng Hoàng Thạch
42,30
0,30
xi măng
Thành phần hoá học
MKN SiO2 Al2O3
3
Fe2O3
CaO
MgO
0,10
0,10
54,30
0,60
0,20
-
54,60
0,60
3
Xi măng Hồng Gai
42,30
0,20
0,24
0,20
54,40
0,30
4
Xi măng Mỹ Đức
42,34
1,15
0,20
0,10
52,90
2,84
5
Xi măng Hải Phòng
42,40
0,20
0,10
0,10
54,60
0,60
6
Xi măng Hà Tiên
42,00
3,20
0,10
0,10
53,20
1,40
7
Xi măng Nguyên Bình
42,74
0,02
0,21
0,02
53,10
3,92
8
Xi măng Sài Sơn
42,73
0,15
0,76
0,16
53,10
1,18
9
Xi măng Cầu Đước
42,60
0,68
0,24
0,20
53,80
2,20
Đất sét
Đất sét là nguyên liệu quan trọng khác dùng cho việc sản xuất xi măng,
thành phần cơ bản là các silicat nhôm ngậm nước, nó cung cấp SiO2, Al2O3, Fe2O3
cho phối liệu sản xuất xi măng. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6071 :1995, đất
sét dùng làm nguyên liệu sản xuất xi măng phải thoả mãn điều kiện sau:
SiO2 = 55 - 70%.
Al2O3 = 10 - 24%.
Na2O + K2O 3%.
Ở nước ta đất sét phân bố khắp nơi, với trữ lượng lớn, ngoài ra ở một số nơi
còn sử dụng đất sét ruộng hoặc đất phù sa để làm nguyên liệu. Những loại đất này
thường có hàm lượng SiO2 thấp, hàm lượng Al2O3 cao hơn, để khắc phục đặc điểm
đó có thể sử dụng phụ gia điều chỉnh hàm lượng các oxít cho phù hợp.
4
Bảng 1.2. Thành phần đất sét của một số cơ sở sản xuất xi măng [1].
TT
Thành phần hoá học
Nhà máy, xí nghiệp xi
măng
MKN
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
1
Xi măng Bỉm Sơn
7,20
64,1
16,20
5,80
-
-
2
Xi măng Sài Sơn
12,60
59,7
19,50
5,90
-
-
3
Xi măng Hồng Gai
-
64,4
19,40
2,80
0,10
0,70
4
Xi măng Hải Phòng
8,10
60,2
15,90
6,80
2,70
1,60
5
Xi măng Bố Hạ
6,70
63,40
16,50
7,30
1,40
-
Các loại phụ gia sử dụng trong sản xuất xi măng
Các loại phụ gia dùng để điều chỉnh hỗn hợp phối liệu khi thành phần hoá
học của phối liệu không đủ tiêu chuẩn quy định. Tuỳ theo sự thiếu hụt các ôxyt mà
sử dụng các phụ gia khác nhau như: ôxyt magiê, các chất kiềm, lưu huỳnh, các
clorua, các florua, phốt pho, sắt...
- Phụ gia điều chỉnh modul aluminát: Thường sử dụng là các phụ gia cao silíc
(chứa nhiều oxyt silíc) như cát mịn, đất đá (có chứa hàm lượng SiO2 > 80%). Phụ
gia cao nhôm (chứa nhiều oxyt nhôm) như quặng bôxít (44 – 58% Al2O3 ), cao lanh,
tro xỉ…Phụ gia cao sắt (chứa nhiều sắt) như xỉ pirit Lâm Thao (55 – 68% Fe2O3),
quặng sắt Thái Nguyên (65 – 68% Fe2O3)…
-
Phụ gia khoáng hoá thường được sử dụng trong nhà máy xi măng lò đứng
nhằm làm giảm nhiệt độ phân huỷ nguyên liệu ban đầu thành các ôxyt có hoạt tính
cao. Loại phụ gia thường được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là hợp chất của
florua như CaF2 tinh khiết, khoáng thiên nhiên, các phế thải công nghiệp phân phốt
phát dưới dạng phôt pho thạch cao, thạch cao thiên nhiên hay thạch cao nung...
5
- Thạch cao: dùng làm phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết cho xi măng,
hàm lượng thạch cao tuỳ thuộc vào yêu cầu, tính chất của sản phẩm và công suất
của nhà máy.
- Ngoài ra còn rất nhiều loại phụ gia khác được sử dụng để sản xuất các loại
xi măng khác nhau. Một số phụ gia hoạt tính thiên nhiên hay nhân tạo được sử dụng
là: xỉ lò cao, quặng màu thiên nhiên..., hàm lượng của chúng tuỳ thuộc vào yêu cầu
và chủng loại xi măng.
Bảng 1.3. Thành phần hoá học của một số phụ gia điều chỉnh phối liệu [1].
Thành phần hoá học
Tên phụ gia
TT
MKN
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
1
Đất cao silic Pháp Cổ
-
91,80
3,26
1,30
0,70
0,16
2
Quặng zít phong hoá
-
89,70
3,20
2,00
0,80
0,30
3
Xỉ pirít Lâm Thao
4,03
18,76
3,52
65,54
2,50
0,35
4
Bô xít Cao Bằng
13,80
0,40
50,00
25,50
0,50
0,78
5
Bô xít Lạng Sơn
10,10
4,20
59,00
25,40
0,40
0,23
1.1.2.2. Nhiên liệu dùng trong công nghiệp sản xuất xi măng.
Chất lượng nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nung, vì vậy phải lựa
chọn nhiên liệu đảm bảo đáp ứng được nhu cầu luyện clinker.
Nhiên liệu trong các nhà máy xi măng dùng để:
- Vận hành lò: đối với phương pháp khô là 83%, phương pháp ướt 96%
- Sấy nguyên liệu: đối với phương pháp khô là 11%, phương pháp ướt là 1%
Trong công nghiệp sản xuất xi măng, nhiên liệu được sử dụng ở ba dạng: rắn,
lỏng, khí.
+ Nhiên liệu rắn
6
Đây là nhiên liệu được dùng phổ biến nhất ở nước ta mà chủ yếu là than. Than
chứa khoảng 60 – 90% là các bon còn lại là hyđrô, ôxy, nitơ...có nhiệt lượng riêng là
5300 – 7400 kcal/kg. Khi than cháy thì để lại một lượng tro chiếm khoảng 10 –
30%, thành phần của tro than gần giống với đất sét đã nung do đó nó cũng được coi
như một nguyên liệu và cần khống chế theo đúng tỷ lệ. Khi sử dụng than làm nhiên
liệu thì cần phải sấy và nghiền nhỏ rồi phun vào lò (đối với lò quay) hoặc nghiền
cùng phối liệu (đối với lò đứng).
+ Nhiên liệu lỏng
Thường được sử dụng là dầu, một loại nhiên liệu có nhiệt lượng cao, không có
tro chứa 85 – 90% các bon, 5 -10% hyđrô. Tuy nhiên muốn sử dụng dầu làm nhiên
liệu bắt buộc phải có thiết bị đốt, hầm sấy và bộ lọc dầu vì vậy ở Việt Nam ít dùng
loại nhiên liệu này.
+ Nhiên liệu khí
Phần lớn nhiên liệu dạng khí sử dụng trong công nghiệp xi măng là khí thiên
nhiên chứa thành phần chính là: mêtan, etan. Ưu điểm của loại nhiên liệu này là
không có tro và thiết bị đốt thì đơn giản hơn nhiều so với thiết bị đốt nhiên liệu dạng
lỏng. Tuy nhiên, ở nước ta do việc khai thác nhiên liệu khí còn gặp nhiều khó khăn
nên nhiên liệu loại này ít được dùng.
1.1.3. Thành phần hoá học và thành phần khoáng của clinker
Clinker là sản phẩm sau khi nung hỗn hợp phối liệu đến trạng thái hóa lỏng,
kết khối và có thành phần khoáng xác định như: canxi aluminat, alumôferit canxi,
canxi silicát. Clinker là thành phần chủ yếu quyết định đến tính chất của xi măng.
1.1.3.1. Thành phần hoá học của clinker.
a. Oxyt canxi (CaO).
Oxyt canxi tham gia phản ứng với tất cả các oxyt Fe2O3, Al2O3, SiO2 để tạo
thành các khoáng chính của clinker. Clinker chứa nhiều CaO tạo thành nhiều
khoáng C3S làm cho xi măng phát triển cường độ nhanh, mác sẽ cao nhưng xi măng
có nhiều CaO trong clinker sẽ kém bền trong môi trường nước và các môi trường
7
xâm thực khác. Nếu canxi nằm ở dạng tự do sẽ làm cho đá xi măng bị nở thể tích
phá vỡ cấu kiện xây dựng.
b. Oxyt nhôm (Al2O3).
Oxyt nhôm: chủ yếu phản ứng với Cao và Fe2O3 tạo khoáng họ aluminat canxi
và alumôphêrit canxi. Ximăng chứa nhiều Al2O3, ninh kết và đóng rắn nhanh nhưng
toả nhiệt lớn, kém bền trong môi trường sunfat và nước, không bền ở nhiệt độ cao.
c. Oxyt silíc (SiO2).
Oxyt silíc tác dụng chủ yếu với CaO để tạo khoáng silicat canxi (C2S và C3S).
Khi quá nhiều SiO2 thì xi măng sẽ đóng rắn chậm , cường độ ban đầu thấp và ít toả
nhiệt khi đóng rắn, nhưng bền trong môi trường xâm thực.
d. Oxyt sắt (Fe2O3).
Oxyt sắt tham phản ứng với CaO và Al2O3 tạo thành các khoáng canxi
alumôferit nóng cháy ở nhiệt độ thấp. Clinker chứa nhiều Fe2O3 sẽ làm xi măng bị
giảm mác, tốc độ đóng rắn chậm, tạo nhiều chất chảy gây bám dính lò, khó nung,
nhưng lại bền trong môi trường sulphat. Nếu hàm lượng này quá thấp sẽ không đủ
chất nóng chảy, khó phản ứng tạo thành khoáng.
e. Oxyt magiê (MgO).
Oxyt magiê tạo thành dung dịch rắn với khoáng C3S làm tăng hoạt tính của
khoáng này. Hàm lượng MgO lớn sẽ tạo khoáng pêriclaz phản ứng chậm với nước,
gây nở thể tích và phá vỡ cấu trúc xi măng.
f. Oxyt kiềm (K2O và Na2O).
Oxyt kiềm là các tạp chất có hại do đất sét đưa vào, làm giảm cường độ của
xi măng. Nếu hàm lượng các oxyt kiềm lớn hơn 1% chúng sẽ gây ra sự ăn mòn.
Trong xi măng thường tồn tại khoảng 0,5 – 1% oxyt kiềm.
Ngoài các oxyt trên trong xi măng còn có một lượng rất nhỏ các oxyt khác
như: TiO2, P2O5, SO3...tuy nhiên chúng ảnh hưởng không đáng kể đến chất lượng
của xi măng.
8
Nhìn chung hàm lượng những oxyt trong clinker đều ảnh hưởng đến quá
trình hình thành các khoáng và chất lượng của xi măng. Do đó, tỷ lệ các oxyt cần
được khống chế chặt chẽ trong các nguyên liệu đầu vào.
Đối với clinker xi măng hàm lượng các oxyt chính thường nằm trong các
giới hạn sau:
Bảng 1.4: Hàm lượng các ôxyt chính trong clinker xi măng [1, 8]
CaO = 58 – 67
MgO = 0,5 – 5
Al2O3 = 4 – 8
Fe2O3 = 2 – 5
SO3 = 0,1 – 0,5
K2O = 0,1 – 0,3
Na2O = 0,1 – 0,3
SiO2 = 18 - 26
TiO2 = 0,1 – 0,3
1.1.3.2. Thành phần khoáng của clinker xi măng.
Bốn loại oxyt chính CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 phản ứng tạo nên hai loại khoáng
chính trong clinker.
- Khoáng silicat canxi
3CaO.SiO2 ký hiệu C3S gọi là alit
2CaO.SiO2 ký hiệu C2S gọi là bêlit.
Bản chất khoáng silicat canxi theo giản đồ hai cấu tử CaO - SiO2 ta có các
khoáng:
+ Vôlastônít - CaO.SiO2 và giả Vôlastônít - CaO.SiO2.
+ Octôsilicat canxi gồm có 4 loại thù hình , , và ’ - C2S . Trong đó
dạng - C2S kém bền và tồn tại ở nhiệt độ trên 6750C. Nếu lưu lâu ở nhiệt độ
6750C thì - C2S chuyển thành - C2S làm nở thể tích làm cho clinker tự tả thành
bột mịn. Do đó phải khống chế để - C2S không chuyển thành - C2S khi đó xi
măng mới đóng rắn và phát triển cường độ.
+ Răngkinít C3S2 là hỗn hợp không bền trong quá trình phản ứng, dễ bị phân
huỷ và để tạo thành C2S và bão hoà C2S thành C3S.
9
+ Alít (3CaO.SiO2) là khoáng cơ bản nhiều nhất trong clinker, nó tạo cho xi
măng Poóc lăng có cường độ cao, đóng rắn nhanh, toả nhiệt nhiều khi đóng rắn, tuy
nhiên lại không bền trong môi trường sulfate.
- Khoáng aluminat canxi
3CaO.Al2O3 ký hiệu C3A
4CaO.Al2O3.Fe 2O3 ký hiệu C4AF gọi là xêlit
+ C3A chiếm khoảng 4 – 15% là chất trung gian màu trắng, là khoáng quan
trọng cùng với alít tạo ra cường độ ban đầu của đá xi măng. Xi măng chứa nhiều
C3A toả nhiều nhiệt khi đóng rắn làm cho xi măng không bền trong môi trường
sulfate.
+ Xêlit (C4AF) có thành phần chiếm khoảng 10 – 15%. Khoáng này nóng chảy
ở nhiệt độ 12500C và trở thành pha lỏng tạo môi trường cho phản ứng tạo thành
khoáng C3S. Khi có nhiều khoáng này trong clinker làm cho xi măng có cường độ
thấp, thời gian đông kết chậm, ít toả nhiệt khi đóng rắn và bền trong môi trường
sulfate.
Ngoài các khoáng chính trên trong clinker còn chứa pha thuỷ tinh là chất
lỏng nóng chảy bị đông đặc lại khi làm lạnh clinker. Nếu quá trình làm lạnh nhanh
thì pha thuỷ tinh nhiều thì khi đóng rắn xi măng sẽ toả nhiệt nhiều.
1.1.3.3. Các hệ số đặc trưng trong sản xuất xi măng
-
Như đã biết thành phần clinker gồm 4 oxyt chính là CaO, SiO2, Al2O3,
Fe2O3 chúng có quan hệ với nhau tạo nên các hệ số đặc trưng:
a. Hệ số bão hoà vôi theo công thức Kin và Jun
KH
CaO 1,65 A 0,35 F 0,7 SO3
2,8SiO2
b. Hệ số môđun silicat
n
SiO2
Al 2 O3 Fe2 O3
c. Môđun aluminat
10
p
Al 2 O3
Fe2 O3
- Các hệ số tính theo thành phần khoáng.
Hệ số bão hoà vôi
KH
C3 S 0,885C 2 S
C3 S 1,33C 2 S
Môđun silicat
n
C3 S 1,33C 2 S
1,434C3 A 2,046C 4 AF
Môđun aluminat
p
1,15C3 A
0,64
C 4 AF
Bảng 1.5. So sánh tính chất xi măng phụ thuộc vào các hệ số KH, n và p [1].
Hệ số
Trị số
KH, n,p
nghiên cứu
KH
TT
Cường độ chịu nén, uốn sau 28
ngày (kG/cm2)
Cường độ nén
Cường độ uốn
1,0
291
25,56
2
0,96
264
29,56
3
0,91
269
26,7
4
0,86
273
26,22
5
0,82
183
23,94
4,0
203
24,42
7
3,0
273
27
8
2,5
259
26,88
1
6
n
11
9
1,7
267
27,78
3,0
231
24,41
11
2,0
251
27
12
1,0
255
27
10
p
1.1.4. Quy trình công nghệ sản xuất xi măng trong công nghiệp
Hiện nay ở nước đang áp dụng 3 loại dây truyền công nghệ sản xuất xi măng
chính:
- Công nghệ sản xuất xi măng lò đứng ( phương pháp bán khô).
- Công nghệ sản xuất xi măng lò quay phương pháp ướt.
- Công nghệ sản xuất xi măng lò quay phương pháp khô.
Trong hai loại hình công nghệ sản xuất xi măng, xi măng lò quay chiếm 84%
tổng sản lượng sản phẩm xuất ra. Các nhà máy xi măng lò quay có công suất lớn,
dây truyền thiết bị hiện đại, vì vậy nên chất lượng xi măng tốt, mác cao. Ngược lại
các nhà máy xi măng lò đứng có kết cấu đơn giản, công nghệ của một số khâu còn
thủ công nên năng suất và chất lượng còn bị hạn chế.
1.1.4.1 Quá trình gia công nguyên liệu và nhiên liệu
Các phối liệu đá vôi, đất sét, thạch cao, các loại phụ gia, than…được gia công
sơ bộ đến kích thước yêu cầu sau đó được định lượng và đưa vào nghiền mịn.
Đối với công nghệ sản xuất xi măng theo phương pháp khô và bán khô : Phối
liệu đưa vào nghiền không chỉ có: đá vôi , đất sét, phụ gia điều chỉnh mà nhiên liệu
than cũng được nghiền mịn và phun vào lò trong quá trình nung.
Đối với công nghệ sản xuất xi măng theo phương pháp ướt thì bột phối liệu
được trộn với nước và nghiền trong máy nghiền bi ướt.
1.1.4.2. Quá trình nung, ủ clinker
Công đoạn nung clinker là công đoạn rất quan trọng và quyết định đến chất
lượng sản phẩm. Phối liệu sau khi đã được nghiền mịn được đưa vào nung trong lò
12
nung. Đối với lò quay phương pháp ướt thì bột liệu đi vào lò ở dạng bùn, với
phương pháp khô thì bột liệu sau khi nghiền được đi qua hệ thống xyclon trao đổi
nhiệt nhằm gia nhiệt phối liệu trước khi vào lò, nhiệt độ phối liệu lúc này lên tới
7000C như vậy phối liệu trước khi vào lò ở dạng bột khô và được nung trong lò quay
tại nhiệt độ nung khoảng 1350 – 14500C. Sau khi nung xong clinker được làm nguội
nhanh bằng nước và không khí sau đó vận chuyển vào silô chứa. Với hệ thống lò
nung clinker theo phương pháp bán khô sử dụng lò đứng hoặc lò quay thì phối liệu
trước khi nạp vào lò được trộn đến độ ẩm 12 – 14% và được vê thành viên có kích
thước 8 – 12 mm sau đó mới đưa đi nung.
Quá trình nung phối liệu trong lò dưới tác dụng của nhiệt độ cao các cấu tử
trong phối liệu sẽ phản ứng với nhau tạo thành các khoáng chính có trong thành
phần clinker xi măng đó là: 3CaO.Al2O3 ( C3A ), 2CaO.SiO2 ( C2S ), 3CaO.SiO2 (
C3S ) và 4CaO.Al2O3.Fe2O3 ( C4AF ). Để tăng nhanh quá trình nung clinker các biện
pháp có hiệu quả hay được dùng như: dùng chất khoáng hoá, giảm độ ẩm của bùn,
hồi lưu bụi trở lại lò quay, dùng thiết bị làm lạnh, tăng tốc độ quay của lò nung, sử
dụng thiết bị đốt nhiên liệu hiện đại cháy hoàn toàn cho nhiệt lượng tối đa.
Sau khi qua giai đoạn làm lạnh, nhiệt độ clinker trong khoảng 50 – 1500C
clinker được ủ trong kho hoặc silo chứa trong khoảng 10 – 15 ngày để CaO tự do
còn lại trong clinker phản ứng với nước trong không khí tạo thành Ca(OH)2 nở thể
tích làm cho clinker dễ nghiền và xi măng không nở nữa, như vậy sẽ làm tăng chất
lượng của xi măng.
1.1.4.3. Quá trình nghiền và đóng bao xi măng
Clinker được phối trộn với các loại phụ gia xi măng như đá bazan, đá vôi,
thạch cao...theo công thức phối trộn tuỳ thuộc vào yêu cầu và tính chất của xi măng
mà công thức phối trộn sẽ khác nhau. Thông thường pha thêm 3 – 4% thạch cao để
điều chỉnh thời gian đông kết và khoảng 15 – 20% phụ gia khác để tăng sản lượng
và cải thiện tính chất của xi măng. Độ nghiền mịn thường đạt 12% lượng còn lại
trên sàng 008 hoặc bề mặt riêng 2900 – 3200cm2 /g rồi qua thiết bị phân ly, phần
chưa đạt độ mịn cho quay lại vào máy nghiền. Sau khi nghiền xong xi măng được
13
gầu tải đưa vào các silo chứa và được đảo trộn để đồng nhất tránh hiện tượng vón
cục. Xi măng sau đó được đóng bao ( thông thường bao có trọng lượng 50kg ) rồi
được các xe chuyên chở đi tiêu thụ.
1.1.5. Quá trình đóng rắn của xi măng.
Quá trình đóng rắn xảy ra rất phức tạp trải qua nhiều quá trình hyđrat của các
khoáng, có nhiều thuyết để giải thích sự đóng rắn của xi măng theo quan điểm vật lý
như: thuyết Lơxatơlie, thuyết Bai cốp, thuyết Mikhaêlic...Để đơn giản ta coi quá
trình đóng rắn gồm các giai đoạn sau:
- Hoà trộn xi măng với nước.
- Thực hiện hyđrat các khoáng trong xi măng.
- Thực hiện các quá trình vật lý liên kết chặt chẽ các hạt sản phẩm.
1.1.6. Một số chỉ tiêu để đánh giá chất lượng của xi măng
Trong xây dựng, chất lượng của xi măng được đánh giá bởi các chỉ tiêu như
sau:
- Thành phần hoá học của xi măng: Hàm lượng các oxyt phải đảm bảo đúng
tỷ lệ theo từng loại xi măng yêu cầu.
- Hàm lượng vôi tự do: thể hiện nung clinker xi măng kết khối tốt hay xấu, các
hệ số chọn chuẩn hay không chuẩn. Nó đánh giá về khả năng ổn định thể tích của xi
măng.
- Độ mịn của xi măng(S): Xi măng nghiền mịn sẽ ảnh hưởng tới lượng nước
tiêu chuẩn, tốc độ ninh kết và đóng rắn, xi măng nghiền càng mịn thì mác của nó
càng cao. Đánh giá độ mịn bằng phương pháp tỷ diện (bề mặt riêng cm2/g). Xi măng
thường S = 2500-3500 cm2/g.
- Khối lượng thể tích ( ): Phụ thuộc vào thành phần khoáng và độ mịn của xi
măng. Xi măng thường = 1400-1700g/l.
- Lượng nước tiêu chuẩn (độ dẻo tiêu chuẩn): là lượng nước cần thiết cho vào
xi măng tính theo phần trăm để thực hiện quá trình ban đầu của sự đóng rắn. Lượng
14
nước tiêu chuẩn của xi măng phụ thuộc vào độ mịn, thành phần khoáng và loại phụ
gia hoạt tính. Đối với xi măng Poóclăng thường lượng nước tiêu chuẩn là 24 – 29%
- Tốc độ ninh kết của xi măng: Đây là đặc tính quan trọng của xi măng nó phụ
thuộc vào thành phần khoáng của clinker, nhiệt độ môi trường, độ mịn. Xi măng
thường tốc độ ninh kết bắt đầu không quá 45 phút, kết thúc không muộn hơn 12 giờ
1.2. Những đặc trưng cơ bản của quá trình nghiền clinker xi măng
1.2.1. Nghiền clinker xi măng
Nghiền xi măng là công đoạn giải quyết các thao tác cuối cùng trong quá trình
sản xuất xi măng, nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của xi măng thành phẩm.
1.2.1.1. Máy nghiền xi măng
- Có rất nhiều loại máy có thể dùng để nghiền xi măng như: máy nghiền bi,
máy nghiền thanh, máy nghiền rung, máy nghiền con lăn…nhưng phổ biến hiện nay
ở nước ta dùng rộng rãi là loại máy nghiền bi thùng quay.
- Máy nghiền bi có thể phân loại thành nhiều loại khác nhau:
+ Phân loại theo cấu tạo của thùng: có các loại hình trụ, hình nón cụt.
+ Phân loại theo phương pháp tháo sản phẩm, có loại tháo qua trục rỗng, tháo
qua sàng chắn ngang thùng, tháo qua sàng hình trụ và loại máy nghiền tháo theo
thiết bị phân loại đặt riêng biệt bên ngoài.
- Cấu tạo của máy nghiền bi gồm các tang quay bằng thép, có đường kính 1 –
3m, dài 10 – 15m máy được đặt nằm ngang và quay quanh trục của nó, nhờ động cơ
và bánh xe truyền động. Trong các tang quay này chứa một phần bi, đạn bằng kim
loại hay bằng sứ, quá trình nghiền vật liệu xảy ra khi bi, đạn trong máy nghiền
chuyển động. Khi quay tang hỗn hợp bi, đạn và vật liệu nghiền được nâng lên một
đoạn theo hướng quay, khi góc nâng lớn hơn góc rơi tự nhiên thì bi, đạn và vật liệu
bị trượt xuống phía dưới. Như vậy vật liệu bị nghiền là do sự chà sát hay vừa đập
vừa chà sát của bi, đạn với nhau hay bi, đạn với thành thùng.
1.2.1.2. Bi đạn trong máy nghiền
15
