quá trình sản xuất xi măng lò quay

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA HOÁ


Bài tiểu luận

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CEMENT LÒ QUAY
Môn học: Hoá Kĩ Thuật

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Mai Xuân Tịnh
Nhóm sinh viên thực hiện
•

Huế, 4/2015

1

Mai Quang Hoàng
•
Lê Thị Nhung

Lê Văn Trung
Lê Hữu Vũ


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
3
I.GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH
4

1.1 chuẩn bị nguyên Liệu
4
1.2 tỉ lệ thành phần phối liệu
4
II. BẢN CHẤT HÓA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH
4

2.1 Nung luyện clanhke
4

2.2 Qúa trình gia công clanhke thành xi măng
6

2.3 Sự đóng rắn của xi măng
7

III. ĐIỀU KIỆN THIẾT BỊ CỦA QUÁ TRÌNH
7
3.1 thiệt bị đập nguyên liệu
8
3.2 thiệt bị nghiền nguyên liệu
9
3.3 đồng nhất sơ bộ
9
2


IV.SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MÔ TẢ QUÁ TRÌNH
10
V. CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý

12

5.1 Nguyên Liệu

12
5.2 Các khoáng trong clanhke
13
TÀI LIỆU THAM KHẢO
14

3


MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp vật liệu và xây dựng đóng vai trò quan trọng
và chủ yếu trong nền kinh tế thế giới, đặc biệt là xi măng
Xi măng là một loại vật liệu kết dính trong xây dựng mà các nhà
khoa học đã tìm ra vào cuối thế kỉ thứ 19 và đã sản xuất trước tiên ở
một số nước tư bản như Đan Mạch , Anh, Pháp ,Mỹ … Đầu thế kỷ 20 xi
măng đã thực sự trở thành nhu cầu không thể thiếu được trong xây
dựng và phát triển kinh tế. Xi măng xuất hiện hầu hết trên khắp thị
trường thế giới. Vào năm 2010, sản lượng xi măng của thế giới là 3.3
tỉ tấn.
Tiêu dùng xi măng trong những năm trở lại đây không ngừng tăng
trưởng. Theo dự báo nhu cầu sử dụng xi măng từ nay đến năm 2020:
Tăng hàng năm 3,6% năm đó là động lực quan trọng thúc đẩy ngành
công nghiệp xi măng phát triển
Ở Việt Nam, xi măng là ngành công nghiệp phát triển sớm nhất (để
phục vụ cho quá trình cai trị của người Pháp), tốc độ phát triển của
ngành công nghiệp này trong thập kỉ qua đang bùng nổ, do đó nhu cầu

sử dụng xi măng đang tang cao
Trong những năm qua ngành xi măng đóng góp một phần không nhỏ
vào tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam, trung bình từ 10% - 12% GDP.
Vì thế Chính phủ xác định Xi măng là ngành phát triển chiến lược nhằm
hỗ trợ phát triển kinh tế.
Do đó nghiên cứu quy trình sản xuất và hướng phát triển mới là bước đi
quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu kết dính.
Trong phạm vi của đề tài chúng tôi chỉ đi tìm hiểu về phương pháp sản
xuất xi măng bằng lò quay.

4


GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QÁ TRÌNH

I.

Xi măng là chất kết dính chịu nước quan trọng. nguyên liệu để sản
xuất chủ yếu là đất sét và đá vôi. Quá trình gồm 3 công đoạn chính:
I.1 Chuẩn bị nguyên liệu

tùy theo yêu cầu và phương pháp sử dụng mà thành phần nguyên
liệu chính cũng như phụ gia được trộn theo tỉ lệ nhất định.
Các nguyên liệu để sản xuất xi măng bao gồm:
Đá vôi: là thành phần chủ yếu, cung cấp CaO. Ngoài ra còn có thể
dung đá phấn, đá cẩm thạch, đá hoa cương…
Đất sét: cung cấp SiO2, Al2O3, Fe2O3
Các phụ gia: gồm phụ gia hoạt tính và phụ gia đầy
Các nguyên liệu trên được nghiền, đập và phối trộn tạo thành phối
liệu. Phối liệu sau khi nung sẽ trở thành clanhke

1.2 tỉ lệ thành phần phối liệu
Ng.li
ệu

SiO

Al2O
3

Fe2
O3

Ca
O

Mg
O

MK
N

Tổn
g

2

Đá
vôi

6.0

0

0.5
6

0.6
0

49.
50

1.0
2

39.
60

97.
28

Đất
sét

54.
00

17.
00

11.

00

1.5
0

0.3
0

6.7
0

90.
50

Quặn
g sắt

25.
00

11.
20

44.
50

1.5
0

1.5

0

10.
50

94.
20

Tro
than

60.
00

18.
00

15.
00

0.0
0

0.0
0

0.0
0

93.

00

Bảng 1. phân tích thành phần phối liệu

Clanhke nghiền mịn trở thành xi măng
II.

Bản chất hóa học của quá trình

5


Clanhke là thành phần dặc trưng của Xi măng, do đó bản chất hóa học
của quá trình sản xuất xi măng chính là bản chất hóa học của quá trình
sản xuất clanhke
2.1 Nung luyện clanhke
Nguyên liệu đất sét, đá vôi, than và các phụ gia sau khi được nghiền
trộn theo tỉ lệ trở thành phối liệu, nung phối liệu ở nhiệt độ 1450 0C sau
đó làm lành đột ngột qua 6750C trở thành clanhke.
Khi nung đất sét bị mất nước, đá vôi bị phân hủy tạo thành các oxit
hoặc những hợp chất có hoạt tính cao phản ứng được với nhau, các phản
ứng có thế xảy ra ở pha rắn, pha lỏng hoặc nóng chảy. Lò nung xi măng
làm việc theo nguyên tắc, phối liệu từ vùng nhiệt thấp chuyển đến vùng
nhiệt độ cao nhất, do đó mức độ phản ứng tạo khoáng cũng phụ thuộc
vào tốc độ gia nhiệt.
ở nhiệt độ dưới 6000C đất sét bị mất nước lí học và hóa học tạo thành
mêtacaolnit
Al2O3.2SiO2 → Al2O3.2SiO2 + H2O – Q
ở nhiệt độ 600-8000C đất sét bị phân hủy thành Al 2O3 và 2SiO2 đá vôi
phân hủy thành CaO

Al2O3.2SiO2 → Al2O3 + 2SiO2 – Q
CaCO3→CaO + CO2 – Q
Khoảng 800-1000oC xảy ra phản ứng ở trạng thái rắn, Al 2O3 tác dụng với
CaO tạo thành các khoáng aluminat canxi. Khi tang dần nhiêt độ thì tạo
thành các khoáng có độ base cao như C5A3,C3A3.
Al2O3 + CaO → Al2O3.CaO

CA

3Al2O3 + 5CaO → 3Al2O3.5CaO

C5A3

Al2O3 + 3CaO → Al2O3.3CaO

C3A

C3A là khoàng đống rắn nhanh nhất khi đóng rắn toa nhiều nhiệt, cường
độ bann đầu phát triển cao nhưng không bên nước bằng các khoáng
silicat.

6


C5A3 không bền , chuyển dần thành C3A và CA . khoáng C5A3 có quá trình
ninh kết rất nhanh và cường độ ban đâu phát triển cao hơn C3A.
Khoảng 900oC Fe2O3 tác dụng với CaO tạo thành C2F
ở khoảng 1250oC C2F tham gia phản ứng với C3A tạo thành khoáng
alumoferit canxi C4AF
C4AF tồn tại ở dạng dung dịch rắn cả C 4AF và C2F đều có tính kết dính

quá trình đống rắn chậm và cườn độ kém hơn C3S và C3A nhưng bền
nước .
Khoảng 800-900oC CaO phản ứng vơi SiO2 tạo thành khoáng C2S.
ở 1450oC các aluminat canxi , alumoferit canxi nóng chảy thành pha
lỏng , nhờ đó C2S và CaO khuếch tán vào pha lỏng tiến hành phản ứng
với nhau tạo thành C3S.
C3S là khoáng quan trọng nhất có tính liên kết rõ rệt có tính đóng rắn
nhanh và cường độ cao .
2.2.

Quá trình gia công clanhke thành xi măng

Sau khi ra khỏi lò nung clanhke được làm nguội nhanh đến nhiệt độ
100-200oC sau đó tiếp tục ủ, nghiền mịn và đóng bao.
ủ clanhke để có thời gian cho CaO tự do hút ẩm của không khí
chuyển thành Ca(OH)2 làm nở thể tích
Thời gian ủ từ 10-15 ngày
Nghiền clanhke nhằm tăng bề mặt của hạt xi măng để phản ứng với
nước tốt khi ninh kết đóng rắn, độ mịn càng cao cường độ càng lớn .
Nghiền xi măng bằng máy nghiền bi cho thêm các loại phụ gia

CaSO4.2H2O

7

Hình 1: sơ đồ nghiền clanhke thành xi măng


Đóng bao xi măng

Hình 2: sơ đồ đóng bao xi măng

2.3

Sự đóng rắn của xi măng

Khi cho nước vào xi măng thì các khoáng trong xi măng bị thủy phân
trong nước hoặc bị hydrat hóa làm xi măng ninh kết và đóng rắn.
Các phản ứng xảy ra như sau:
3CaO.SiO2 + nH2O →3CaO.SiO2.6H2O
3CaO.Al2O3 + H2O →3CaO.Al2O3.6H2O
5CaO.3Al2O3 + H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + Al(OH)3
4CaO.Al2O3.Fe2O3+ H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.pH2O
2CaO.Fe2O3 + H2O = 2CaO.Fe2O3.qH2O
8


Các giai đoạn của quá trình đóng rắn gồm: Hòa tan, ninh kết, đóng
rắn.
III.
ĐIỀU KIỆN THIỆT BỊ
III.1 Thiết bị đập nguyên liệu

CỦA QUÁ TRÌNH

Trong những năm gần đây thiệt
bị đập nguyên liệu không có gì
thay đổi lớn, chủ yếu dùng các máy
đập búa 1 hoặc 2 roto hoặc máy
đập xung, khi vật liệu rất cứng thì

kết hợp đập hàm, đập trục và đập
côn. Độ ẩm vật liệu cho vào máy
có thể lên tới 20% với khối lượng 7

Hình 3: máy đập

tấn.

III.2 Thiệt bị nghiền nguyên liệu

chủ yếu sử dụng máy nghiền bi,
nghiền đứng, nghiền horomill kèm theo
máy nghiền sơ bộ thường là máy con
lăn, trong đó nghiền đứng cs hiệu quả
hơn do tiêu tốn ít năng lượng và sấy
được vật liệu có độ ẩm cao hơn.
Phối liệu sau khi nghiền phải đạt độ mịn
< 1% trên sàng 200µm và <12% trên
sàng 90%, Trong đó lượng hạt quartz
>45µm, hay lượng hạt canxit >150µm
phải <2%. Không đạt độ mịn, vôi tự do
Hình 4: máy nghiền

sẽ nhiều.

Độ ẩm phải <1%, thường 0,5÷0,8%. Độ ẩm cao ảnh hưởng xấu tới tính
chảy của vật liệu
III.3 đồng nhất sơ bộ

9

Đồng nhất rất quan
trọng vì liệu cấp cho lò
phải rất ổn định về
thành phần hoá.Để vận
hành lò ổn định cần
dao động của LSF<1.
Đồng nhất sơ bộ rất
hiệu quả khi liệu kém
ổn định; tuy nhiên giá
đầu

tư

tăng

khoảng

10% tổng giá.
Để tăng hiệu quả đồng

Hình 5: máy trộn

nhất sơ bộ hơn, sử dụng

thiết bị phân tích liên tục PGNAA (Thiết bị phân tích kích hoạt gamma
bằng phóng xạ notron).

IV.

SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MÔ TẢ QUÁ TRÌNH

Nguyên liệu đá vôi, đất sét, than sau khi được nghiền đập bằng các
thiết bị như máy đập hàm, đập búa,
nghiền bi, nghiền đứng được đưa vào
máy trộn với nước theo tỉ lệ nhất định
trở thành phối liệu. Sau đó phối liệu
được đưa vào nung trong lò quay
Lò nung theo phương pháp ướt còn gọi là lò quay ,có thiết bị trao đổi
nhiệt bên trong Về chất lượng ,phương pháp ướt có độ đồng đều cao
nhất , điều kiện vệ sinh trong sản xuất dể đảm bảo tốt hơn.
Lò làm việc theo nguyên tắc ngước chiều nguyên liệu vào đầu cao
clanhke ra đầu thấp , nhiên liệu và khí đi vào đầu thấp .
Lò chia làm 6 vùng :
Vòng sấy và đốt nóng 50-60% chiều dài lò ( đầu cao )
Vòng phân hủy 20-23%
10
Hình 6: sơ đồ sản xuất xi măng ướt lò quay


Vùng tỏa nhiệt 5-7%
Vùng kết khối 10-15%
Vùng làm lạnh 2-4%

Hình 7: sơ đồ nung clanhke

Quá trình vận chuyển trong lò nung
Phối liệu được nạp vào lò , trước trên bề mặt lớp lót vỏ lò với tôc độ khác
nhau thời gian lưu 3-6 giờ

ở vùng sấy , nếu theo phương pháp ướt độ ẩm 29-53% , độ ẩm vùng sây
>8-10% , cuối vùng sấy nhiệt độ đạt 200oC.
vùng đốt nóng 200-650oC vật liệu mất nước hóa học
vùng phân hủy nhiệt độ 650-1200oC CaCO3, MgCO3, đất sét bị phân hủy
thành các oxit riêng biệt có hoạt tính cao kết hợp với nhau tạo thành các
khoáng C2F, CA, C2S
vùng tỏa nhiệt 1200-1300oC tạo thành các khoáng C2S, C2F,C4AF,C5A3
đồng thời sinh ra một lượng CaO tự do, MgO
vùng kết khối 1300-1450oC một phần phối liệu nóng chảy thành chất
lỏng.
sản phẩm bắt đầu kết khối , hàm lượng pha lỏng khoảng 15-35%

11


Vùng

làm

lạnh

1300-1000oC

một

phần

pha

lỏng

kết

tinh.C2S,

C3A,C4AF,MgO,CaO tự do tách ra ở dạng tinh thể ,một phân fpha lỏng
đong cứng lại thành clanhke.
Vật liệu ra khỏi lò nung 100-200 oC sau đó tiếp tục ủ và nghiêng mịn
đóng bao sản phẩm
•

Uư nhược điểm của phương pháp sản xuất lò quay

Phương pháp ướt lò quay tiêu tốn năng lượng cho đập nghiền ít nhưng
năng lượng để nung lại nhiều hơn phương pháp khô
Diện tích sản xuất theo phương pháp khô nhỏ hơn
Chất lượng sản phâm phương pháp ướt tốt hơn vì nguyên liệu vào đồng
đều hơn
Vệ sinh công nghiệp phương pháp ướt tốt hơn do sinh ra ít bụi hơn.

IV.

CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý

5.1 Nguyên Liệu
Trong đá vôi ngoài CaO thì còn lẫn một lượng tạp chất khá lớn là SiO 2
do đó khi tính thành phần tỉ lệ thì cần tính them SiO2 trong đá vôi.
Nếu lượng Al2O3 và Fe2O3 trong đất sét không đủ theo lý thuyết thì
phải bổ sung thêm, ngoài ra còn một số tạp chất của oxit kiềm không có
lợi cho xi măng cần phải tách loại.

MgO, CaO tự do gây tác hại cho sự biến đổi thể tích cấu kiện, tăng
CaO và MgO xi măng đóng rắn nhanh nhưng tính chịu nước giảm
Na2O và K2O làm tốc đọ ninh kết của xi măng không ổn định, tạo ra
các lỗ trống trên bề mặt cấu kiện.
Al2O3 làm giảm độ bền nước và môi trường sulfat kém, kém bền ở
nhiệt độ cao.
Fe2O3 cao làm xi măn đóng rắn chậm
5.2 các khoáng trong clanhke

12


Trong phản ứng tạo khoáng C2S nên sử dụng SiO2 vô định hình thì
phản ứng tạo khoáng xảy ra dễ dàng hơn
Khoáng C2S có 3 dạng thù hình là α, β ,γ. Nếu có γ thì xi măng bị giảm
cường độ, nếu có β chuyển sang α thể tích nở thêm 10% làm xi măng tả
thành bột, chỉ có α, β có tính đóng rắn. Nung xi măng ở 1450 0C nên
không còn α, để duy trì β phải làm lạnh nhanh clanhke qua 675 0C để β
không kịp chuyển sang γ. Đòng thời khi nung cho thêm phụ gia khoán
hóa là Cr2O3, B2O3 tạo điều kiện tăng trưởng và ổn định β.

13


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Giáo trình Hóa Kĩ Thuật Đại Cương: PGS.TS PHÙNG TIẾN ĐẠT-TS TRẦN
THỊ BÍNH.
Chuyên đề: Công Nghệ Sản Xuất Xi Măng: KS Hồ Văn Minh Hải
Tổng

quan

ngành

công

nghiệp

xi

măng

việt

/>
14

nam