ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG NGHIỀN VÀ PHÂN LOẠI XI MĂNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG
NGHIỀN VÀ PHÂN LOẠI XI MĂNG

NGÀNH : CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỰ ĐỘNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 7 NĂM 2014
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2014

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:

MSSV:

1


Ngành:
Giảng viên hướng dẫn:
Ngày nhận đề tài:

MSSV:
MSSV:
Lớp:
ĐT:

Ngày nộp đề tài:

1. Tên đề tài:
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3. Nội dung thực hiện đề tài:

4. Sản phẩm:

TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
******************

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên: ........................................................MSSV: ..............................
............................................................MSSV: ..............................
............................................................MSSV: ..............................
Ngành:.........................................................................................................................
Tên đề tài:....................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn:..................................................................................
.....................................................................................................................................

2

NHẬN XÉT
1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
2 Ưu điểm:
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
3 Khuyết điểm:
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.....................................................................................................................................
5 Đánh giá loại:
.....................................................................................................................................
6 Điểm:……………….(Bằng chữ:...........................................................................)
.....................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng năm 20…
Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
*******

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên: ........................................................MSSV: ..............................
............................................................MSSV: ..............................
............................................................MSSV: ..............................
Ngành:.........................................................................................................................
Tên đề tài:....................................................................................................................
.....................................................................................................................................

3


Họ và tên Giáo viên phản biện:...................................................................................
.....................................................................................................................................
NHẬN XÉT
1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
2 Ưu điểm:
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
3 Khuyết điểm
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.....................................................................................................................................
5 Đánh giá loại:

.....................................................................................................................................
6 Điểm:……………….(Bằng chữ:...........................................................................)
.....................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng năm 20…
Giáo viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

4


LỜI CẢM ƠN
Sau hơn 4 tháng thực hiện đến nay đồ án chúng em đã hoàn thành, có thể nói
đồ án tốt nghiệp này là hành trang rất quan trọng để chúng em có thể trang bị, hệ
thống lại toàn bộ kiến thức đã được học trong 4 năm ngồi trên ghế nhà trường và tự
tin để bắt đầu cống hiến chút sức nhỏ của mình cho xã hội sau khi ra trường. Mặc
dù chúng em đã cố gắng nỗ lực để hoàn thành đồ án tốt nghiệp một cách tốt nhất.
Tuy nhiên, do thời gian và trình độ có hạn nên chắc chắn đồ án còn có nhiều thiếu
sót và hạn chế. Vì vậy, chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các
Thầy cô và các bạn.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy Nguyễn Minh Tâm
đã tận tình hướng dẫn chúng em để chúng em có thể hoàn thành đồ án một cách tốt
nhất. Cảm ơn thầy Tạ Văn Phương đã tạo điều kiện cho chúng em đi tham quan
trạm nghiền Phú Hữu để rồi xây dựng ý tưởng cho Đồ án ngày hôm nay.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong khoa Điện - Điện Tử và
khoa Đào tạo Chất Lượng Cao trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật tp.HCM đã dạy
dỗ và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian vừa
qua.
Cảm ơn những người bạn, người thân đã giúp đỡ,động viên trong quá trình
thực hiện đồ án tốt nghiệp.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 7 năm 2014

5


LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại hiện nay, cùng với sự phát triển xã hội, quá trình công nghiệp
hóa cũng phát triển một cách mạnh mẽ và không ngừng. Kéo theo đó là sự phát
triển của ngành công nghiệp Xây dựng khi các dự án tái định cư, chung cư và các
khu khu đô thị đang được đẩy mạnh nhằm đáp ứng nhu cầu nhà ở cho người dân
cũng như qui hoạch hệ thống đô thị theo hướng hiện đại và có hệ thống nhất. Và
thành phần quan trọng, thiết yếu nhất trong xây dựng đó chính là Xi Măng.
Thập kỷ qua đã chứng kiến sản lượng xi măng toàn cầu tăng mạnh ở mức
1383 triệu tấn, với mức tăng trưởng đạt 84%. Gần 73% trong tổng mức tăng trưởng
này, 1008 triệu tấn, bắt nguồn từ việc mở rộng ngành ở các nền kinh tế đang tăng
trưởng nhanh chóng thuộc khu vực Đông Á, với sự đóng góp sản lượng 177 triệu
tấn của các quốc gia khác ở Châu Á. Trong cùng thời gian, các hoạt động mở rộng
trong vùng khác bao gồm 39 triệu tấn/năm ở Nam và Trung Mỹ, 82 triệu tấn ở Châu
Phi và 97 triệu tấn ở Trung Đông. Đã thu được nhiều khoản lãi lớn từ việc giảm
tổng cộng 35 triệu tấn ở Châu Âu và Châu Đại Dương và Bắc Mỹ. Sản lượng sản
xuất và tiêu thụ xi măng toàn cầu được dự báo sẽ tăng lên từ mức dự kiến 3312 triệu
tấn trong năm 2010 lên khoảng 4223 triệu tấn vào năm 2015 và sau đó sẽ tăng lên
gần 5901 triệu tấn vào năm 2025. Điều này cho thấy tổng công suất mở rộng thêm
sẽ đạt mức xấp xỉ 78%. Việc mở rộng công suất trong nửa thập kỷ được dự kiến sẽ
đạt xấp xỉ 27,5% trong giai đoạn từ 2010 đến 2015, và giảm xuống 20% trong nửa
thập kỷ tiếp theo và giảm thêm xuống 16% trong giai đoạn giữa 2020 và 2025. Các
nhà máy xi măng ở nước ta hiện nay điều có quy mô lớn, có mức tự động hóa cao,
sản xuất chủ yếu dựa vào nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương.
Trong quá trình sản xuất xi măng thì công đoạn nghiền nguyên liệu đóng vai
trò then chốt trong toàn bộ dây chuyền. Công đoạn nghiền nguyên liệu có ảnh

6


hưởng lớn đến chất lượng xi măng. Vì vậy nhóm thực hiện đã chọn đề tài: “Điều
khiển và giám sát hệ thống nghiền và phân loại xi măng”.

7


MỤC LỤC

8


DANH MỤC CÁC BẢNG

9


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
Trong thời đại hiện nay, cùng với sự phát triển xã hội, quá trình công nghiệp
hóa cũng phát triển một cách mạnh mẽ và không ngừng. Kéo theo đó là sự phát

triển của ngành công nghiệp Xây dựng khi các dự án tái định cư, chung cư và các
khu khu đô thị đang được đẩy mạnh nhằm đáp ứng nhu cầu nhà ở cho người dân
cũng như qui hoạch hệ thống đô thị theo hướng hiện đại và có hệ thống nhất. Và
thành phần quan trọng, thiết yếu nhất trong Xây dựng đó chính là Xi Măng.
Thập kỷ qua đã chứng kiến sản lượng xi măng toàn cầu tăng mạnh ở mức 1383
triệu tấn, với mức tăng trưởng đạt 84%. Gần 73% trong tổng mức tăng trưởng này,
1008 triệu tấn, bắt nguồn từ việc mở rộng ngành ở các nền kinh tế đang tăng trưởng
nhanh chóng thuộc khu vực Đông Á, với sự đóng góp sản lượng 177 triệu tấn của
các quốc gia khác ở Châu Á. Trong cùng thời gian, các hoạt động mở rộng trong
vùng khác bao gồm 39 triệu tấn/năm ở Nam và Trung Mỹ, 82 triệu tấn ở Châu Phi
và 97 triệu tấn ở Trung Đông. Đã thu được nhiều khoản lãi lớn từ việc giảm tổng
cộng 35 triệu tấn ở Châu Âu và Châu Đại Dương và Bắc Mỹ. Sản lượng sản xuất và
tiêu thụ xi măng toàn cầu được dự báo sẽ tăng lên từ mức dự kiến 3312 triệu tấn
trong năm 2010 lên khoảng 4223 triệu tấn vào năm 2015 và sau đó sẽ tăng lên gần
5901 triệu tấn vào năm 2025. Điều này cho thấy tổng công suất mở rộng thêm sẽ
đạt mức xấp xỉ 78%. Việc mở rộng công suất trong nửa thập kỷ được dự kiến sẽ đạt
xấp xỉ 27,5% trong giai đoạn từ 2010 đến 2015, và giảm xuống 20% trong nửa thập
kỷ tiếp theo và giảm thêm xuống 16% trong giai đoạn giữa 2020 và 2025. Các nhà
máy xi măng ở nước ta hiện nay điều có quy mô lớn, có mức tự động hóa cao, sản
xuất chủ yếu dựa vào nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương.
11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trong quá trình sản xuất xi măng thì công đoạn nghiền nguyên liệu đóng vai
trò then chốt trong toàn bộ dây chuyền. Công đoạn nghiền nguyên liệu có ảnh
hưởng lớn đến chất lượng xi măng. Vì vậy nhóm chúng tôi đã chọn đề tài: “Điều
khiển và giám sát hệ thống nghiền và phân loại xi măng”.

Hình 1. 1: Cân băng tải định lượng phối liệu

Khi sử dụng PLC để điều khiển hệ thống, ta sẽ có được những ưu điểm sau:
-

Tính linh hoạt: có thể sử dụng bộ điều khiển cho nhiều đối tượng khác nhau

-

với thuật toán điều khiển khác nhau.
Dễ dàng thiết kế và thay đổi logic điều khiển: với các hệ thống điều khiển sử
dụng rơle, khi thay đổi logic điều khiển cần có nhiều thời gian để nối lại dây
cho các thiết bị và panel điều khiển, và đó là một công việc phức tạp. Với hệ
thống điều khiển sử dụng PLC, thay đổi logic điều khiển bằng cách thay đổi
chương trình thông qua thiết bị lập trình và ngôn ngữ lập trình chuyên dùng.

-

Điều đó làm giảm đáng kể thời gian thiết kế hệ thống.
Tối ưu logic điều khiển: Được sự hỗ trợ của các công cụ mô phỏng và gỡ rối

-

trực tuyến và trực quan làm cho hệ thống được thiết kế có tính tối ưu hơn.
Tốc độ thực hiện nhanh.
Nhỏ gọn và giá thành thấp.
Khả năng bảo mật hệ thống khi sử dụng mã hóa.
12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-

Khả năng mở rộng và nâng cấp hệ thống: Do được chế tạo dưới dạng các
module được chuẩn hóa cho phép ghép nối các thành phần không chỉ của một
nhà sản xuất. Đây là một yêu cầu không thể thiếu trong các hệ thống điều
khiển hiện đại.

Hình 1. 2: Trạm PLC S7-200 điều khiển hệ thống trong thực tế
Hệ thống khi được giám sát bằng phần mềm sẽ có những ưu điểm như sau:
-

Giảm thời gian, chi phí nhân công để ghi lại dữ liệu từ các thiết bị đo lường.
Giảm được sai sót trong quá trình thu thập dữ liệu bằng tay, tăng độ chính xác

-

trong đo lường.
Khả năng đáp ứng nhanh với bất kỳ sự cố nào thông qua những cảnh báo.
Giảm thời gian xử lý sự cố do dữ liệu được thu thập đầy đủ.
Sử dụng công nghệ và phần mềm tiên tiến.
Có thể mở rộng một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp một các linh hoạt, từ
hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống với nhiều máy tính giám sát
hay hệ thống có tính phân tán với nhiều mày chủ.

13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1. 3:Một phần HMI RsView32 (Rockwell Automation) trong hệ thống tiết
kiệm năng lượng nhà máy sản xuất Pepsi.

1.2 Mục tiêu
Mục tiêu của đề tài là:
-

Thiết kế hệ thống cân động trên băng tải để trộn nguyên liệu nghiền xi măng

-

theo các tỉ lệ thích hợp, tạo ra các loại xi măng khác nhau.
Mô phỏng máy nghiền xi măng.
Thiết kế bồn chứa xi măng 3 ngăn.
Thiết kế hệ thống phân loại xi măng, đưa xi măng vào các ngăn thích hợp

-

trong bồn chứa.
Đảm bảo tính vận hành liên tục nhằm tối ưu năng suất.

1.3 Giới hạn đề tài
Giới hạn của đề tài là:
-

Do hệ thống thực tế sử dụng nhiều công nghệ hiện đại nên khi thiết kế, xây
dựng hệ thống mô phỏng chưa đảm bảo đầy đủ các yếu tố theo tiêu chuẩn

-

thực.
Máy nghiền thực tế được thiết kế bằng hệ thống con lăn nghiền được điều

khiển bằng hệ thống thủy lực với nhiều đặc điểm phức tạp, nên khi nhóm mô
phỏng lại máy nghiền chưa giống với công nghệ thực tế.
14


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-

Bộ phận định lượng sử dụng phương pháp cân động nên có sai số lớn hơn
phương pháp cân tĩnh thông thường.

1.4 Phương pháp nghiên cứu.
Dựa vào các hệ thống nhà máy nghiền xi măng trên toàn quốc và so sánh các
công nghệ nghiền tại các nhà máy, nhóm đã thực hiện dựa trên mô hình nhà máy
nghiền xi măng Phú Hữu thuộc Tổng công ty xi măng Hà Tiên. Đây là một hệ thống
được thiết kế dựa trên công nghệ hiện đại nhất Đông Nam Á với nhiều ưu điểm
vượt trội như:
-

Nhà máy được vận hành thông qua 1 hệ thống PLC của hãng ABB với một
phần mềm điều khiển giám sát, thông qua đó người vận hành có thể thao tác,

-

giám sát và kiểm tra sự cố qua màn hình máy tính.
Với công nghệ này nhà máy sử dụng rất ít nhân công vì toàn bộ quá trình điều

-

được tự động hóa.

Ở đầu ra, xi măng được vận chuyển đến 1 bồn 5 ngăn có thể chứa nhiều loại xi
măng khác nhau thay vì phải sử dụng 5 bồn chứa theo cách truyền thống, điều
này giúp tiết kiệm diện tích, tăng tính linh hoạt trong khâu xuất sản phẩm….

1.5 Nội dung đề tài.
Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 trình bày qui trình sản xuất xi măng, các nguyên liệu sản xuất và
nguyên lý tính lưu lượng của băng tải định lượng.
Chương 3: Thiết kế phần cứng
Chương 3 trình bày yều cầu và sơ đồ công nghệ của hệ thống, tính toán và
lựa chọn các thiết bị sử dụng trong hệ thống cũng như các bản vẽ kết nối PLC,
kết nối mạch động lực.
Chương 4: Giải thuật điều khiển

15


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương 4 trình bày trình tự hoạt động của hệ thống, yêu cầu giám sát và các
thông số cần thay đổi, từ đó đưa ra thuật toán điều khiển và phần mềm giám sát
cho hệ thống.
Chương 5: Kết quả
Chương này trình bày những thông số kỹ thuật, hình ảnh kết quả phần cứng
và phần mềm cũng như thảo luận về kết quả đã đạt được.

16


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2 CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Quy trình sản xuất xi măng

Hình 2. 1 Quy trình sản xuất xi măng
Quá trình sản xuất xi măng được mô tả qua 3 giai đoạn cụ thể như sau:
2.1.1 Quá trình chuẩn bị nguyên nhiên liệu:
Từ mỏ, đá vôi được khai thác (nổ mìn) và được vận chuyển bằng xe tải về đổ
qua máy đập búa (1) đưa về kích thước nhỏ hơn và đưa lên máy rải liệu (2) để rải
liệu chất thành đống trong kho (đồng nhất sơ bộ).

17


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tương tự với đất sét, quặng sắt( hoặc đá đỏ), than đá và nguyên liệu khác
cũng được chất vào kho và đồng nhất theo cách trên.
Tại kho chứa, mỗi loại sẽ được máy cào liệu (5) và (6) cào từng lớp (đồng
nhất lần hai) đưa lên băng chuyền để nạp vào từng Bin chứa liệu (7) theo từng loại
Đá Vôi, Đất Sét, Quặng Sắt, Thạch Cao, Than...
Than Đá thô từ kho chứa sẽ được đưa vào máy nghiền đứng (20) để nghiền,
với những hạt đạt yêu cầu sẽ được đưa vào Bin chứa (21) còn những hạt chưa đạt sẽ
hỗi về máy nghiền nghiền lại đảm bảo hạt than nhiên liệu cháy hoàn toàn khi cấp
cho đầu lò nung và tháp trao đổi nhiệt.
2.1.2 Quá trình sản xuất Clinker thành phẩm:
Từ các Bin chứa liệu (7), từng loại nguyên li ệu được rút ra và ch ạy qua
hệ thống cân định lượng theo đúng tỷ lệ cấp phối đưa ra từ nhân viên vận
hành điều khiển (tỷ lệ phối liệu được quyết định từ phòng thí nghiệm). Tấc
cả nguyên liệu đó sẽ được gom vào một băng tải chung và đưa vào máy nghi ền

đứng (8) để nghiền về kích thước yêu cầu (<15% khi qua sàn 0.08mm), tại
đây nguyên liệu đã được đồng nhất một lần nữa. Bột liệu sau khi nghiền được
chuyển lên Silo chứa liệu sống (9) chuẩn bị để cấp cho lò nung, dưới Silo li ệu
sống phải có hệ thống sục khí nén liên tục vào Silo đ ể ti ếp tục đ ồng nh ất l ần
nữa. Để có một sản phẩm Clinker ổn định chúng ta thấy nguyên li ệu ph ải qua
ít nhất 4 lần đồng nhất nguyên liệu.
Lò quay nung Clinker (12) và tháp phân giải (11):
Lò nung (12) là một ống tròn đường kính từ 3 - 5 mét và dài từ 30 - 80
mét tùy vào công suất của lò. Góc nghiên của lò từ 3 0 – 50 để tạo độ nghiên cho
dòng nguyên liệu chảy bên trong. Tại đầu ra của Clinker sẽ có một dàn qu ạt
thổi gió tươi làm nguội nhanh Clinker (làm nguội càng nhanh càng cho ch ất
lượng Clinker tốt hơn)
Tháp phân giải (11) là một hệ thống gồm từ 3-5 tầng, mỗi tầng có 1
hoặc 2 ống lồng dạng chóp có cấu tạo để tăng th ời gian trao đổi nhi ệt c ủa b ột
18


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
liệu. Bột liệu được cấp từ trên đỉnh tháp và đi xuống, nhi ệt nóng từ than đ ược
đốt cháy từ tháp phân giải và lò nung đi lên sẽ tạo điều kiện cho phản ứng
tạo khoáng bên trong bột liệu. Mặc dù bột liệu đi xuống và khí nóng đi lên
nhưng thực chất quá trình này là trao đổi nhiệt cùng chi ều do cấu tạo đặc
biệt của các Xyclon trao đổi nhiệt.
Than mịn được rút từ Bin chứa trung gian (21) cấp cho các béc phun ở
tháp trao đổi nhiệt và đầu lò nung để được đốt cháy nung nóng b ột liệu.
Bột liệu sống được rút ra từ Silo chứa (9), qua cân định lượng và được
đưa lên đỉnh tháp trao đổi nhiệt bằng thi ết bị chuyên dùng. T ừ trên đ ỉnh tháp
(11), liệu từ từ đi xuống qua các tầng XyClon kết hợp v ới khí nóng từ lò nung
đi lên được gia nhiệt dần lên khoảng 800-900 0C trước khi đi vào lò nung (12).
Trong lò, ở nhiệt độ 14500C các oxit CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 có trong nguyên

liệu kết hợp với nhau tạo thành một số khoáng chính quyết định chất l ượng
của Clinker như: C3S, C2S, C3A và C4AF. Viên Clinker ra khỏi lò sẽ rơi xuống dàn
làm lạnh (13), hệ thống quạt cao áp đặt bên dưới sẽ thổi gió tươi vào làm
nguội nhanh viên Clinker về nhiệt độ khoảng 50 ÷ 90 0C, sau đó Clinker sẽ
được chuyển lên Silo chứa Clinker.
2.1.3 Quá trình sản xuất xi măng và đóng bao thành phẩm:
Clinker sẽ được rút từ Silo, cấp vào Bin chứa (15) để chuẩn bị nguyên liệu
cho quá trình nghiền xi măng. Tương tự Thạch Cao và Phụ Gia từ kho cũng được
chuyển vào Bin chứa riêng theo từng loại. Dưới mỗi Bin chứa, nguyên liệu được
qua cân định lượng theo đúng khối lượng của đơn phối liệu, xuống băng tải chính
đưa vào máy cán (16) để cán sơ bộ, sau đó được đưa vào máy nghiền xi măng (17).
Bột liệu ra khỏi máy nghiền được đưa lên thiết bị phân ly (18), tại đây những hạt
chưa yêu cầu sẽ được hồi lưu về máy nghiền để nghiền tiếp còn những hạt đạt kích
thước yêu cầu được phân ly tách ra, đi theo dòng quạt hút đưa lên lọc bụi (19) thu
hồi toàn bộ và đưa vào Silo chứa xi măng (22). Quá trình nghiền sẽ diễn ra theo một
chu trình kín và liên tục.
19


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Từ Silo chứa (22) xi măng sẽ được cấp theo 2 cách khác nhau:
Rút xi măng cấp trực tiếp cho xe bồn nhận hàng dạng xá/rời
Và cấp qua máy đóng bao (23), để đóng thành từng bao 50kg giao đến từng
phương tiện nhận hàng

2.2 Nguyên liệu sản xuất xi măng
Các loại xi măng thường được sản xuất là PCB 30, PCB 40 và PC 40. Các
loại xi măng này có tỉ lệ nguyên liệu khác nhau như trong bảng sau:
Clinker
Thạch cao

Đá bazal
Đá đen

PCB 30
72%
3%
12.5%
12.5%

PCB 40
81.6%
3.4%
7.5%
7.5%

PC 40
96%
4%
0%
0%

Bảng 2. 1 Tỉ lệ nguyên liệu của xi măng PCB 30, PCB 40 và PC 40
2.2.1 Nguyên liệu Clinker
2.2.1.1

Khái niệm

Clinker bán sản phẩm trong quá trình sản xuất bằng cách nung kết hợp
nguyên liệu đá vôi, đất sét và quặng sắt với thành phần xác định đã được định trước.
Clinker có dạng cục sỏi nhỏ, kích thước 10 -50mm.

2.2.1.2

Nguyên liệu sản xuất Clinker

2.2.1.2.1 Đá vôi
Theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 6072:1996, đá vôi dùng làm nguyên liệu để
sản xuất xi măng poóc lăng phải thoả mãn yêu cầu về hàm lượng của các chất là:
CaCO3 ≥ 85%; MgCO3 ≤ 5%; K2O + Na2O ≤ 1%.
Thông thường, các nhà máy xi măng ở nước ta đều sử dụng đá vôi có hàm
lượng CaCO3 = 90 ÷ 98% (CaO = 50 ÷ 55%), MgO < 3% và oxit kiềm không đáng
kể.

20


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ngoài đá vôi ra, ở một số nơi hiếm đá vôi có thể sử dụng đá vôi san hô hoặc
vỏ sò nhưng phải khai thác và để lâu ngày cho mưa rửa trôi hết muối NaCl. Đá phấn
có chứa CaCO3 98 ÷ 99%, có cấu trúc tơi xốp có thể thay cho đá vôi và là nguyên
liệu thích hợp để sản xuất xi măng trắng.
2.2.1.2.2 Nguyên liệu Set
Theo TCVN 6071:1996, hỗn hợp sét dùng làm nguyên liệu để sản xuất xi
măng poóclăng phải có hàm lượng các oxit trong khoảng sau:
SiO2 = 55 ÷ 70%, Al2O3 = 10 ÷ 24%, K2O + Na2O ≤ 3%.
Các nhà máy xi măng ở nước ta hầu hết đều sử dụng sét đồi có hàm lượng
SiO2=58 ÷ 66%, Al2O3 = 14 ÷ 20%, Fe2O3= 5 ÷ 10 %, K2O+Na2O = 2 ÷ 2,5%.
Ngoài sét đồi, ở một số nơi có thể dùng sét ruộng hoặc sét phù sa. Những
loại sét này thường có hàm lượng SiO 2 thấp hơn, Al2O3 và kiềm cao hơn, nên phải
có nguồn phụ gia cao silic để bổ sung SiO2. Việc này trở nên khó hơn khi cần sản
xuất xi măng yêu cầu hàm lượng kiềm thấp.

2.2.1.2.3 Phụ gia điều chinh
Phụ gia giàu silic: Để điều chỉnh môđun silicat (n = S / A + F) trong trường
hợp nguồn sét của nhà máy có hàm lượng SiO 2 thấp, có thể sử dụng các loại phụ gia
cao silic. Các phụ gia thường sử dụng là các loại đất hoặc đá cao silíc có hàm lượng
SiO2 > 80%. Ngoài ra, ở những nơi không có nguồn đất cao silic có thể sử dụng cát
mịn nhưng khả năng nghiền mịn sẽ khó hơn và SiO 2 trong cát nằm ở dạng quăczit
khó phản ứng hơn nên cần phải sử dụng kèm theo phụ gia khoáng hoá để giảm nhiệt
độ nung clinker.
Phụ gia giàu sắt: Để điều chỉnh môđun aluminat (p = A / F) nhằm bổ sung
hàm lượng Fe2O3 cho phối liệu, vì hầu hết các loại sét đều không có đủ lượng Fe2O3
theo yêu cầu. Các loại phụ gia cao sắt thường được sử dụng ở nước ta là: Xỉ pirit
Lâm Thao (phế thải của công nghiệp sản xuất H 2SO4 từ quặng pyrit sắt) chứa Fe2O3:
55 ÷ 68%, quặng sắt (ở Thái Nguyên, Thanh Hoá, Quảng Ninh, Lạng Sơn) chứa

21


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Fe2O3: 65 ÷ 85% hoặc quặng Laterit (ở các tỉnh miền Trung, miền Nam) chứa
Fe2O3: 35 ÷ 50%.
Phụ gia giàu nhôm: Cũng dùng để điều chỉnh mô đun aluminat (p) nhằm bổ
sung hàm lượng Al2O3 cho phối liệu trong trường hợp nguồn sét của nhà máy quá ít
nhôm. Nguồn phụ gia cao nhôm thường là quặng bôxit (ở Lạng Sơn, Cao Bằng,
Lâm Đồng) có chứa Al2O3 44 ÷ 58%. Cũng có thể sử dụng cao lanh hoặc tro xỉ
nhiệt điện làm phụ gia bổ sung nhôm, nhưng tỷ lệ dùng khá cao và hiệu quả kinh tế
thấp hơn do phải vận chuyển khối lượng lớn đi xa.
2.2.2.2.4. Phụ gia khoáng hoá:
Để giảm nhiệt độ nung clinker nhằm tiết kiệm nhiên liệu và tăng khả năng
tạo khoáng, tăng độ hoạt tính của các khoáng clinker, có thể sử dụng thêm một số
loại phụ gia khoáng hoá như quặng fluorit, còn gọi là huỳnh thạch (chứa CaF 2),

quặng phosphorit (chứa P2O5), quặng barit (chứa BaSO4), thạch cao (chứa CaSO4).
Các loại phụ gia này có thể dùng riêng một loại hoặc dùng phối hợp với nhau ở
dạng phụ gia hỗn hợp, khi đó tác dụng khoáng hoá sẽ tốt hơn, tỷ lệ mỗi loại phụ gia
sẽ ít hơn. Tuy vậy, trong sản xuất nếu càng sử dụng nhiều loại nguyên liệu và phụ
gia thì công nghệ pha trộn phối liệu càng phức tạp, tốn nhiều thiết bị cân trộn hơn
và khả năng đồng nhất kém hơn, việc khống chế phối liệu cho chính xác cũng khó
hơn.
Mặt khác khi sử dụng phụ gia khoáng hóa cần lưu ý đến các điều kiện kỹ thuật,
môi trường và đặc biệt là hiệu quả kinh tế so với giải pháp chỉ sử dụng than có chất
lượng.
2.2.1.3

Thành phân khoáng và hóa cua Clinker

2.2.1.3.1 Thành phân hóa
Chủ yếu gồm 4 oxit chính như: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 chiếm từ 94 đến
96%. Ngoài ra, tùy theo nguồn nguyên liệu sử dụng để chế tạo phối liệu mà trong
clinker còn có thêm một số oxit khác với hàm lượng nhỏ như: MgO, TiO2, SO3,
Mn2O3, CrO3, P2O5, BaO, K2O, Na2O.
22


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các khoáng này có cấu trúc tinh thể khác nhau và quyết định đến tính chất
của clinker
Chất lượng của clinker sẽ quyết định tính chất của xi măng. Thành phần tổng
quát của clinker
•

CaO = 62 - 68 %

•

SiO2 = 21 - 24 %

•

Al2O3 = 4 - 8 %

•

Fe2O3 = 2 - 5%

Ngoài ra còn có một số các oxit khác ở hàm lượng nhỏ: MgO, Na 2O, K2O
(Hàm lượng MgO <="5%", tổng hàm lượng kiềm không vượt quá 2%)
Trong sản xuất, để giảm nhiệt độ nung clinker người ta có thể sử dụng một
số phụ gia khoáng hóa như crômit, apatit, barit, thạch cao, huỳnh thạch, v.v... Hàm
lượng % của các oxit khoáng hóa (nếu có) thường nằm trong khoảng sau:
Mn2O3 : 0,1 ÷ 0,3
P2O5 : 0,1 ÷ 0,25
Vai trò của các oxit:

Cr2O3 : 0,1 ÷ 0,3
BaO : 0,5 ÷ 1,5

Oxit canxi (CaO): Tham gia vào phản ứng tạo các khoáng chính của clinker
(C3S, C2S, C3A, C4AF).
Nguồn cung cấp CaO chủ yếu là đá vôi (chứa CaCO 3). Hàm lượng
CaO trong clinker càng nhiều thì khả năng tạo thành C 3S càng lớn, khi đóng rắn xi
măng sẽ phát triển cường độ càng nhanh, cho cường độ càng cao.

Tuy nhiên, muốn xi măng có chất lượng cao, yêu cầu hầu hết lượng CaO có
trong clinker phải phản ứng hết với các oxit khác để tạo thành các khoáng canxi silicat,
canxi aluminat, canxi alumo ferit. Nếu CaO còn lại trong clinker ở dạng tự do (CaOtd)
lớn hơn 2% sẽ làm cho đá xi măng nở thể tích dẫn đến phá hủy cấu trúc đã bền vững
làm giảm cường độ của nó. Xi măng chứa nhiều CaO tỏa nhiều nhiệt khi đóng rắn (có
thể gây nứt bê tông), kém bền vững trong các môi trường xâm thực và làm giảm độ
bền nước của bê tông.

23


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Oxit silic (SiO2): Là thành phần rất quan trọng của clinker và đứng thứ hai về
số lượng sau CaO. Nguồn cung cấp SiO2 chủ yếu là sét, đất cao silic hoặc cát và tro
than. Oxit silic phản ứng với oxit canxi tạo thành các khoáng canxi silicat C 3S và
C2S. Khi hàm lượng SiO2 nhiều mà CaO vừa đủ thì xi măng sẽ đóng rắn chậm,
cường độ ban đầu thấp. Tuy nhiên sau thời gian dài đóng rắn (khoảng sau 1 năm),
đá xi măng sẽ có cường độ cao. Ngoài ra, xi măng còn có nhiều tính chất quí khác
như tỏa nhiệt ít khi đóng rắn, bền trong các môi trường xâm thực, độ bền nước cao.
Oxit nhôm (Al2O3): Trong quá trình nung, Al2O3 tác dụng với CaO, Fe2O3 tạo
thành các khoáng canxi aluminat C3A và canxi alumo ferit C4AF. Nguồn cung cấp
Al2O3 chủ yếu là sét và tro than. Clinker chứa nhiều Al 2O3 sẽ cho xi măng có thời
gian đông kết ngắn, tốc độ phát triển cường độ nhanh, cường độ cao, nhưng tỏa
nhiều nhiệt khi đóng rắn và kém bền trong các môi trường xâm thực. Đồng thời nó
làm độ nhớt pha lỏng tăng gây cản trở quá trình tạo khoảng C 3S. Mặt khác khi làm
lạnh các khoáng aluminat dễ bị phân hủy và tạo ra CaO tự do .
Oxit sắt (Fe2O3): Là thành phần chính tạo ra chất nóng chảy khi nung phối
liệu. Nhờ chất nóng chảy này mà các phản ứng tạo khoáng clinker xảy ra dễ hơn và
ở nhiệt độ thấp hơn. Fe 2O3 phản ứng với CaO và Al2O3 tạo thành khoáng canxi
alumôferit C4AF. Nguồn cung cấp Fe2O3 chủ yếu là quặng sắt, xỉ pyrit, quặng laterit

và một phần oxit sắt có sẵn trong sét, tro than. Clinker chứa nhiều oxit sắt sẽ cho xi
măng có cường độ thấp và tốc độ đóng rắn chậm. Ngoài ra, nếu hàm lượng Fe 2O3
quá lớn (Fe2O3 > 5%)sẽ tạo nhiều chất nóng chảy gây dính lò, khó nung; nếu hàm
lượng Fe2O3 quá ít sẽ không đủ chất nóng chảy, khó phản ứng tạo khoáng và clinker
khó kết khối. Vì vậy trong sản xuất cần khống chế chặt chẽ hàm lượng Fe 2O3 trong
khoảng cho phép.
Oxit Magiê (MgO): Là oxit có hại trong clinker xi măng poóclăng, thường lẫn
trong đá vôi, sét, tro than, v.v... Với hàm lượng nhỏ (0,2 ÷ 0,5%) nó tạo thành dung dịch
rắn với khoáng C3S làm tăng hoạt tính của khoáng này. Nhưng nếu hàm lượng MgO
quá lớn nó sẽ nằm ở dạng tự do, khi nung ở nhiệt độ cao bị hóa già thành periclaz.
Periclaz phản ứng rất chậm với nước, gây ra nở thể tích và phá vỡ cấu trúc đá xi măng
24


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
sau này. Vì vậy, hầu hết các nước đều quy định hàm lượng MgO trong clinker xi măng
không được vượt quá 5 %, riêng Mỹ quy định MgO ≤ 6%.
Các oxit khác:
Oxit titan (TiO2): Là tạp chất thường có trong sét. Hàm lượng TiO 2 trong
clinker rất nhỏ nhưng lại là tạp chất có lợi cho quá trình tạo khoáng.
Oxit mangan (Mn2O3): Thường có trong quặng sắt và đá vôi. Hàm lượng nhỏ
Mn2O3 có vai trò như Fe2O3 và có tác dụng tốt đến quá trình tạo khoáng, nó có thể
thay thế đồng hình cho Fe2O3 trong các khoáng canxi alumoferrit tạo thành dung
dịch rắn.
Các Oxit crôm (Cr2O3), phốtpho (P2O5), bari (BaO): Là các oxit có lợi cho
quá trình tạo khoáng clinker. Với hàm lượng nhỏ, chúng có tác dụng giảm nhiệt độ
nung và tạo thành dung dịch rắn làm tăng hoạt tính của các khoáng khi tác dụng với
nước. Vì vậy chúng thường được gọi là các oxit khoáng hóa. Nhưng với hàm lượng
lớn, chúng lại làm giảm cường độ của xi măng do cản trở quá trình tạo khoáng C 3S
(là khoáng chủ yếu tạo ra cường độ của đá xi măng).

Anhydric sunfuric (SO3): Khi nung clinker, lưu huỳnh có trong nhiên liệu và
nguyên liệu bị đốt cháy thành SO3 và bay hơi theo khói lò gây ô nhiễm môi trường,
có hại cho sức khỏe. SO3 còn lại trong clinker có tác dụng 2 mặt: Nếu kết hợp với
oxit kiềm tạo thành K2SO4 và Na2SO4 sẽ ảnh hưởng không tốt tới quá trình nung
(nhất là đối với công nghệ lò quay phương pháp khô) và làm giảm cường độ của đá
xi măng, nếu nằm lại trong clinker ở dạng khoáng sunfoaluminat thì lại có lợi cho
cường độ của đá xi măng.
Oxit kiềm (Na2O, K2O): Là tạp chất có hại, chủ yếu do sét đưa vào phối liệu.
Khi nung ở nhiệt độ cao, chúng tạo thành các hợp chất dễ thăng hoa bay theo khói
và bụi làm ảnh hưởng tới hoạt động của lò nung. Phần kiềm còn lại trong clinker
làm giảm cường độ của xi măng. Nếu hàm lượng lớn hơn 1% sẽ rất nguy hiểm vì
chúng tác dụng với SiO2 hoạt tính của cốt liệu dẫn đến phản ứng kiềm - silic phá
hủy bê tông, thậm chí sau 30 ÷ 40 năm. Đối với xi măng dùng cho các công trình

25