Nghiên cứu quan hệ giữa kích thước vật liệu đầu vào và phân bổ kích thước đầu ra khi nghiền xi măng pooclăng hỗn hợp trong máy nghiền bi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Nghiên cứu quan hệ giữa kích thước
vật liệu đầu vào và phân bố kích thước
đầu ra khi nghiền xi măng
pooclăng hỗn hợp trong máy nghiền bi

NGUYỄN CHÍ THỨC


Ngành Kỹ thuật hóa học

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Tạ Ngọc Dũng

Bộ môn:

CNVL Silicat

Viện:

Kỹ thuật hóa học

HÀ NỘI - 2019

Chữ ký của GVHD


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,
được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Tạ Ngọc Dũng.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung
thực và chưa từng được cơng bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Nguyễn Chí Thức


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS Tạ Ngọc Dũng người đã trực
tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn này. Với những lời chỉ dẫn, những tài liệu, sự
tận tình hướng dẫn và những lời động viên của thầy đã giúp tôi vượt qua nhiều khó
khăn trong q trình thực hiện luận văn này.
Tơi xin cám ơn Ban lãnh đạo, các đồng nghiệp phòng Thí nghiệm - Cơng ty Cổ
phần xi măng Bỉm Sơn đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi được học tập và nghiên cứu
hồn thiện đề tài.
Tơi cũng xin cám ơn quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ vật liệu Silicat –
Viện Kỹ thuật hóa học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nôi đã tạo điều kiện, giúp đỡ,
truyền dạy những kiến thức quý báu, những kiến thức này rất hữu ích và giúp tơi nhiều
khi thực hiện nghiên cứu.
Mặc dù đã nỗ lực hết mình nhưng luận văn của tơi khơng thể tránh khỏi những
thiếu sót do sự hạn chế về thời gian và kinh nghiệm. Vì thế tơi mong được sự đóng
góp ý kiến của các Thầy, Cơ để đồ án tốt nghiệp của tơi có thể hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cám ơn.
Học viên

Nguyễn Chí Thức

Trang 1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
HVĐT (SEM): Hiển vi điện tử
XRD: Nhiễu xạ tia X
MKN: Mất khi nung
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
PLC: Xi măng Pooc lăng đá vôi
XMPL: Xi măng Pooc lăng
T.Cao: Thạch cao
ĐV: Đá vôi

Trang 2


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ...................................................................... 2
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... 5
CHƯƠNG 1 ..................................................................................................................... 8
TỔNG QUAN.................................................................................................................. 8
1.1. Khái niệm: ................................................................................................................ 8
1.2. Các định luật nghiền: ................................................................................................ 8
1.3. Đánh giá ảnh hưởng thành phần hạt đến hoạt tính của xi măng[10]. ..................... 15
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến máy nghiền bi. ............................................................. 17
1.5. Quá trình hydrat và đóng rắn của xi măng Poóc lăng: ........................................... 22
1.5.1. Các phản ứng hydrat hoá của các khoáng clinker xi măng Pooc lăng ................ 22
1.5.2. Sự hydrat hoá xi măng Pooc lăng: ....................................................................... 28
1.5.3. Q trình đóng rắn của xi măng Pooclăng: ......................................................... 29
1.6. Phụ gia xi măng ...................................................................................................... 30

1.6.1. Khái niệm: ........................................................................................................... 30
1.6.2. Phân loại phụ gia xi măng: .................................................................................. 31
1.7. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngồi nước: .................................................. 45
1.7.1. Tình hình nghiên cứu trong nước: ....................................................................... 45
1.7.2. Tình hình nghiên cứu quốc tế: ............................................................................. 46
CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 50
MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 50
2.1. Mục tiêu: ................................................................................................................. 50
2.2. Nội dung: ................................................................................................................ 50
2.3. Các phương pháp nghiên cứu: ................................................................................ 51
2.3.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm: ........................................................................... 51
2.3.2. Các phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 52
2.3.2.1. Phân tích tính chất của nguyên liệu: ................................................................. 52
2.3.2.2. Phương pháp xác định thành phần hạt: ............................................................ 52
2.3.2.3. Phương pháp xác định nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ ổn định thể
tích: ................................................................................................................................ 52
Trang 3


2.3.2.4. Phương pháp xác định cường độ nén mẫu: ...................................................... 54
2.4. Nguyên liệu và chuẩn bị mẫu nghiên cứu .............................................................. 55
2.4.1 Clinker: ................................................................................................................. 55
2.4.2. Đá vôi: ................................................................................................................. 56
2.4.3. Thạch cao: ........................................................................................................... 56
2.5.4. Hoá chất, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu: ...................................................... 56
2.5.5. Thiết kế bảng cấp phối thực nghiệm: .................................................................. 57
CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 58
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ....................................................... 58
3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng giữa kích thước vật liệu đầu vào và phân bố kích thước
đầu ra khi nghiền xi măng pooclăng hỗn hợp trong máy nghiền bi. ............................. 58

3.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng đến phân bố cỡ hạt: ........................................................ 58
3.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng đến độ mịn sót sàng 45m: ........................................... 59
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng giữa kích phân bố kích thước đầu ra tới các tính chất cơ lý
của xi măng. .................................................................................................................. 62
3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng đến nước tiêu chuẩn:...................................................... 62
3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng đến thời gian đông kết ................................................... 63
3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng đến độ ổn định thể tích xi măng: ................................... 65
3.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng đến cường độ nén: ......................................................... 66
3.3. Kết quả nghiên cứu thành phần hóa phần xi măng sót sàng 45 m. ...................... 70
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 72
KÍNH NGHỊ .................................................................................................................. 73
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 77

Trang 4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Cơ chế phá hủy vật liệu ……………………………………………………13
Hình 1.2: Sự thay đổi tốc độ và mức độ hydrat hố của tinh thể C3S nghiền mịn…...23
Hình 1.3: Các tinh thể hydro canxi silicat tạo thành trên bề mặt của các hạt C3S ...... 24
Hình 1.4: Mỏ khai thác thạch cao .................................................................................. 37
Hình 1.5: Mối liên hệ pha giữa hydroxit –AFm và monosulfoaluminate ở 25°C ......... 44
Hình 1.6: Độ thấm hút sunphat của C-S-H.................................................................... 45
Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................... 51
Hình 3.1: Phân bố cỡ hạt của các mẫu xi măng sau khi nghiền. ...................................58
Hình 3.2: Ảnh hưởng kích thước hạt đầu vào tới độ mịn sót sàng ................................ 59
Hình 3.3: Ảnh hưởng cỡ hạt đầu vào đến thời gian nghiền ..........................................60
Hình 3.4: Ảnh hưởng độ mịn sót sàng và thời gian nghiền khi giữ kích thước hạt đá
vơi và thay đổi kích thước hạt clinker ...........................................................................61

Hình 3.5: Ảnh hưởng độ mịn sót sàng và thời gian nghiền khi khi giữ kích thước hạt
clinker và thay đổi kích thước hạt đá vơi ......................................................................62
Hình 3.6: Ảnh hưởng nước tiêu chuẩn tới độ mịn sót sàng ..........................................63
Hình 3.7: Ảnh hưởng độ mịn sót sàng và thời gian đơng kết khi thay đổi kích thước hạt
đầu vào. .......................................................................................................................... 64
Hình 3.8: Ảnh hưởng độ mịn sót sàng và độ ổn định thể tích khi thay đổi kích thước
hạt đầu vào. ....................................................................................................................66
Hình 3.9: Ảnh hưởng độ mịn sót sàng và cường độ 1 ngày khi thay đổi kích thước hạt
đầu vào. .......................................................................................................................... 67
Hình 3.10: Ảnh hưởng độ mịn sót sàng và cường độ 3 ngày khi thay đổi kích thước hạt
đầu vào. .......................................................................................................................... 68
Hình 3.11: Ảnh hưởng độ mịn sót sàng và cường độ 7 ngày khi thay đổi kích thước hạt
đầu vào. .......................................................................................................................... 69
Hình 3.12: Ảnh hưởng độ mịn sót sàng và cường độ 28 ngày khi thay đổi kích thước
hạt đầu vào. ....................................................................................................................70

Trang 5


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Cường độ xi măng phụ thuộc độ mịn ........................................................... 15
Bảng 1.2: Ảnh hưởng của thành phần hạt và tỷ diện đến cường độ XM ...................... 16
Bảng 1.3. Hệ số độ nghiền a.......................................................................................... 20
Bảng 1.4. ảnh hưởng C2S trong clinker. ....................................................................... 20
Bảng 1.5. Hệ số hiệu chỉnh độ mịn. .............................................................................. 20
Bảng 1.6: Hệ số tính đến ảnh hưởng của loại máy nghiền ............................................ 20
Bảng 1.7: Độ sâu hydrat hoá các khoáng clinker theo thời gian (m ) [7] ................... 30
Bảng 1.8: Phân loại phụ gia hoạt tính . ......................................................................... 32
Bảng 1.9: Phân loại tro bay theo TCVN 10302:2014 ................................................... 33
Bảng 2.1: Thành phần khoáng hoá của Clinker ........................................................... 55

Bảng 2.2: Thành phần hố của đá vơi. .......................................................................... 56
Bảng 2.3: Thành phần hoá của thạch cao. ..................................................................... 56
Bảng 2.4: Cấp phối và tỷ lệ kích thước hạt đầu vào. .................................................... 57
Bảng 3.1: Dải hạt của xi măng sau nghiền, % .............................................................. 58
Bảng 3.2: Kết quả xác định độ mịn sót sàng R0045 ..................................................... 59
Bảng 3.3: Kết quả thực nghiệm đo thời gian nghiền của xi măng. ............................... 60
Bảng 3.4: Kết quả thực nghiệm đo độ mịn sót sàng và thời gian nghiền của xi măng . 61
Bảng 3.5: Kết quả xác định độ mịn sót sàng R0045, lượng nước tiêu chuẩn. .............. 63
Bảng 3.6: Kết quả thực nghiệm đo độ mịn sót sàng và thời gian đơng kết. ................. 64
Bảng 3.7: Kết quả thực nghiệm đo độ ổn định thể tích của xi măng. ........................... 65
Bảng 3.8: Cường độ nén xi măng (01 ngày tuổi). ......................................................... 66
Bảng 3.9: Cường độ nén xi măng (03 ngày tuổi). ......................................................... 67
Bảng 3.10: Cường độ nén xi măng (07 ngày tuổi). ....................................................... 68
Bảng 3.11: Cường độ nén xi măng (28 ngày tuổi). ....................................................... 69
Bảng 3.12: Thành phần hóa mẫu clinker, xi măng sau nghiền, các mẫu sót sàng 45m
....................................................................................................................................... 70

Trang 6


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế đất nước là sự phát triển của
đầu tư hạ tầng cơ sở, xây dựng nhà xưởng công nghiệp, nhà ở … trong giai đoạn cơng
nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước địi hỏi một sự đáp ứng lớn về số lượng chủng loại
và chất lượng vật liệu xây dựng.
Theo kết quả khảo sát mới gần đây Việt Nam trở thành một trong những nước
có ngành cơng nghiệp xi măng đứng thứ tư trên thế giới trong năm 2019, tiêu thụ sản
phẩm xi măng tại thị trường nội địa vẫn đạt khoảng 69 ÷ 70 triệu tấn. Xuất khẩu sản
phẩm xi măng có thể đạt sản lượng 25 triệu tấn, cả tiêu thụ trong nước và xuất khẩu
đạt 95 triệu tấn.

Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng xi măng cho phép tiết kiệm tài nguyên,
giảm thời gian thi công, hạ giá thành sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu trong nước
cũng như tăng cường khả năng cạnh tranh của xi măng Việt Nam trên thế giới.
Các nghiên cứu đã chỉ ra kích thước hạt ảnh hưởng lớn các tính chất của xi
măng, phân bố kích thước hạt phù hợp sẽ nâng cao chất lượng xi măng.
Nhiều mẫu xi măng tại các cơ sở sản xuất cho thấy: Kích thước nguyên liệu
đầu vào máy nghiền khác nhau ảnh hưởng tới năng suất nghiền và chất lượng sản
phẩm khác nhau. Điển hình là sản phẩm đầu racó độ mịn xác định qua sàng 0,09 mm
tương tự như nhau và đều phù hợp với quy định của TCVN 6260:2009 (≤ 10%), nhưng
tỷ diện của chúng thay đổi (từ 3200–4200 cm2/g) hay cùng một tỷ diện nhưng cấp phối
hạt hoàn toàn khác nhau cho thời gian đông kết và cường độ xi măng cũng khác nhau
đáng kể.
Xuất phát từ những ý nghĩa mang tính thiết yếu và nhu cầu đó em đã nghiên
cứu và lựa chọn đề tài “Nghiên cứu quan hệ giữa kích thước vật liệu đầu vào và
phân bố kích thước vật liệu đầu ra trong máy nghiền bi”.
Kết quả đề tài sẽ có ý nghĩa đối với Cơng ty cổ phần xi măng Bỉm Sơn trong
việc ứng dụng kích thước nguyên liệu đầu vào máy nghiền hợp lý để tiêu hao năng
lượng ít nhất nhưng thu được sản phẩm có chất lượng cao khi sản xuất xi măng PCB của
Công ty.

Trang 7


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm:
Xi măng poóc lăng (OPC) là chất kết dính thủy, được chế tạo bằng cách nghiền
mịn clinker xi măng poóc lăng với một lượng thạch cao cần thiết. Trong q trình
nghiền có thể sử dụng phụ gia công nghệ nhưng không quá 1 % so với khối lượng
clinker [21].

Xi măng pc lăng hỗn hợp (PCB) thơng dụng là chất kết dính thủy, được sản
xuất bằng cách nghiền mịn hỗp hợp clinker xi măng poóc lăng với một lượng thạch
cao cần thiết và các phụ gia khoáng, có thể sử dụng phụ gia cơng nghệ (nếu cần) trong
quá trình nghiền hoặc bằng cách trộn đều các phụ gia khống đã nghiền mịn với xi
măng pc lăng [20].
Tổng lượng các phụ gia khống (khơng kể thạch cao) trong xi măng pc lăng
hỗn hợp, tính theo khối lượng xi măng, khơng lớn hơn 40 %, trong đó phụ gia đầy
không quá 20 %.
Clinker xi măng Pooc lăng là sản phẩm nung đến kết khối hỗn hợp phối liệu có
đủ thành phần cần thiết để tạo thành khoáng silicat canxi độ bazơ cao.
Thành phần của clinker xi măng Pooc lăng gồm 4 khống chính: tricanxi silicat
(C3S), dicanxi silicat (C2S), tricanxi aluminat (C3A) và tetracanxi alumoferit (C4AF).
Trong thực tế, các khoáng này không nằm ở dạng tinh khiết mà thường chứa các tạp
chất ở dạng dung dịch rắn. Thông thường, hàm lượng của 4 khống chính trong clinker
XMPL như sau: C3S = 4570%, C2S = 1530%, C3A = 515% và C4AF = 1018%
[1]. Ngồi ra, trong clinker cịn chứa một lượng nhỏ CaOtd, MgOtd (tinh thể periclaz)
và các khoáng chứa kiềm v.v..
1.2. Các định luật nghiền:
Xuất phát từ các cơng trình nghiên cứu của A.Ph.Iophphe, P.A.Rebinder và
I.A.Phrenkel, xác nhận: đặc điểm cấu trúc của bất kỳ vật thể rắn nào cũng đều tồn tại
các khuyết tật nhỏ. Các khuyết tật này có phân bố thống kê theo chiều dày của vật thể,
đồng thời chúng thể hiện cục bộ ra bề mặt ngồi. Chính vì có đặc điểm như vậy mà độ

Trang 8


bền (khả năng chống lại sự phá vỡ) bị giảm khoảng 100÷1000 lần so với độ bền của
vật rắn thực có cấu trúc bị phá hủy. Do đó có hai khái niệm độ bền cùng tồn tại: độ bền
phân hủy và độ bền kỹ thuật.
Quá trình biến dạng của vật thể rắn được xảy ra với sự gia tăng các phần tử hiện

có và số lượng các khuyết tật. Khi quy mô các khuyết tật được gia tăng vượt quá giới
hạn, cùng với điều đó, là sự phát triển nhanh theo chiều dài vết nứt làm vật thể bị phá
vỡ. Rõ ràng là có hai dạng năng lượng đóng vai trị trong q trình phá hủy vật thể rắn:
năng lượng tích tụ của các biến dạng đàn hồi và năng lượng tự do. Tuy nhiên nhiều
cơng trình nghiên cứu đã chứng tỏ vai trò của năng lượng bề mặt trong q trình
nghiền thực ra khơng đáng kể, điều đó có nghĩa là phương pháp xác định giá trị năng
lượng cho vật thể cứng vẫn chưa có.
Khi có tải trọng tuần hồn với mỗi chu kỳ tiếp theo thì số lượng các vết nứt
trong vật thể gia tăng và độ bền của vật thể giảm xuống. Sự xuất hiện các vết nứt tế vi
trong cấu trúc vật liệu sẽ làm giảm lực liên kết phân tử, làm giảm độ bền một cách đột
ngột. Hiện tượng này đã được Rebinder phát hiện và đặt tên là “hiệu ứng Rebinder”.
Khái niệm chung về cơ học phá hủy nguyên liệu hạt được gọi là cơ sở quá trình
động lực học nghiền. Cơ chế phá vỡ hạt có dạng cơ chế phá hủy bằng nén ép và quá
trình diễn ra theo sơ đồ phá hủy dịn, nghĩa là khơng có q trình biến dạng dẻo rõ rệt.
Cùng với quy luật phân bố các phần tử sản phẩm nghiền theo các kích thước
của chúng thì lý thuyết nghiền còn nghiên cứu sự phụ thuộc hàm số giữa chi phí năng
lượng đến q trình nghiền vỡ vật liệu và mức độ nghiền.
Năng lượng cần để nghiền vỡ vật thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố: kích thước,
hình dạng hạt, dải hạt, độ bền, độ dòn, sự đồng nhất, độ ẩm, hình dạng và trạng thái bề
mặt làm việc của máy nghiền… Do vậy việc xác lập quan hệ giữa năng lượng để
nghiền và các tính chất cơ lý của vật nghiền rất khó khăn.
Hiện nay tồn tại các giả thuyết nghiền sau (được coi là các định luật nghiền)
Thuyết bề mặt
Thuyết này do Rittinger đề xuất năm 1867, được phát biểu như sau: “công tiêu
hao để nghiền vật liệu tỷ lệ với diện tích bề mặt mới tạo ra trong quá trình nghiền”.

Trang 9


As=f(S)=K.S

[1]

Trong đó
As là cơng chi phí để nghiền vỡ vật thể, tạo thành bề mặt mới
K là hệ số tỷ lệ
S là diện tích bề mặt mới được tạo thành (sự gia tăng bề mặt riêng)
Thuyết thể tích
Thuyết này do Kirpitrev đề xuất năm 1874 và được Kich kiểm tra bằng thực
nghiệm trên máy đập búa năm 1885. Nội dung cơ bản của thuyết : “công cần thiết để
nghiền vật liệu tỷ lệ thuận với mức độ biến thiên thể tích của vật liệu”
( )

[2]

Trong đó
Av là cơng gây biến dạng
là hệ số tỷ lệ
V là thể tích vật biến dạng
V là phần thể tích vật thể bị biến dạng
là ứng suất lúc biến dạng
E là mô đun đàn hồi
Thuyết dung hịa
Ở thuyết bề mặt, khó xác định được hệ số k nên ý nghĩa thực tế của công thức
bị giảm thấp. Ở thuyết thể tích, do thiếu hệ số tỷ lệ do các trường hợp cụ thể nên công
thức trên khơng được sử dụng rộng rãi.
Thuyết dung hịa được Bond đề xuất để dung hòa hai thuyết trên vào năm 1952.
Nội dung của thuyết dung hịa : “cơng nghiền tỷ lệ với trung bình nhân giữa thể tích
(V) và bề mặt (S) của vật liệu đem nghiền”.
√

√

√

[3]

Sau khi biến đổi
(

√

√

)

Trong đó
Adh là cơng dùng để nghiền
Trang 10

[4]


Kdh là hệ số tỷ lệ
d là đường kính của sản phẩm
D là đường kính của vật liệu nghiền
Thuyết tổng hợp
Do có chỗ thiếu sót của cả hai thuyết bề mặt và thể tích, Rebinder đã đề xuất
thuyết tổng hợp (còn gọi là thuyết nghiền cơ bản) vào năm 1928. Nội dung của thuyết :
“công nghiền vật liệu bao gồm công tiêu hao để tạo ra bề mặt mới và công để làm biến

dạng vật liệu”.
As = f(V) + f(S) = Av + As = K.V + α.S

[5]

Trong đó
Ath là cơng để nghiền vật liệu
Av là cơng chi phí cho sự biến dạng của vật liệu
As là cơng chi phí cho sự tạo thành bề mặt mới
K là hệ số tỷ lệ
Α là hệ số có tính đến năng lượng sức căng bề mặt của vật thể cứng
Quá trình nghiền là quá trình phức tạp, gồm nhiều biến đổi cơ lý của vật liệu
khi nghiền. Hai định luật bề mặt và thể tích chỉ mới quan tâm đơn thuần đến từng giai
đoạn riêng rẽ của q trình phức tạp đó. Định luật thể tích chỉ xác định năng lượng cho
quá trình biến dạng đàn hồi của vật liệu mà khơng kể tới số bề mặt mới được tạo ra.
Định luật bề mặt khơng tính đến năng lượng biến dạng mà chỉ kể đến năng lượng cần
tạo ra các bề mặt mới. Nhiều nghiên cứu chứng tỏ rằng : khi nghiền với mức độ nghiền
lớn (nghiền mịn) định luật bề mặt cho kết quả sát thực tế, cịn nghiền thơ thì định luật
thể tích đúng hơn.
Các thuyết nghiền nêu trên chỉ là gần đúng để nghiên cứu và được hiệu chỉnh khi
thực nghiệm.
Một số công thức bán thực nghiệm
Mặc dù một số lượng lớn các nghiên cứu trong lĩnh vực thiết lập các sơ đồ
nghiền, khơng có cơng thức nào cho biết quan hệ giữa công để nghiền với kết quả

Trang 11


nghiền. Các tính tốn cơng nghiền cần thiết chống lại sự thay đổi kích thước hạt được
cho trong ba mơ hình bán thực nghiệm dưới đây.

+ Với d > 50 mm áp dụng Kick
[6]
+ Với 50 mm > d > 0.05 mm áp dụng Bond
[7]
+ Với d < 0.05 mm áp dụng thuyết Von Rittinger
[8]
Trong đó
W là năng lượng nghiền riêng, kJ/kg
c là hệ số nghiền
dA là cỡ hạt trước nghiền, mm
dE là cỡ hạt sau nghiền, mm
Một giá trị tin cậy đối với dA và dE là d80. Giá trị này cho biết 80% (khối lượng)
vật chất rắn nhỏ hơn một cỡ hạt. Hệ số nghiền Bond với các vật liệu khác nhau có thể
tìm thấy trong các tài liệu khác nhau. Các hệ số Kich và Rittinger có thể tính theo các
cơng thức sau

Với giới hạn trong phạm vi hệ số Bond: mức cao dBU= 50mm và mức thấp
dBL=0,05mm.
Đánh giá kết quả nghiền cần dựa trên cỡ hạt ban đầu (1) và cỡ hạt sau nghiền.
Mức độ nghiền là tỉ số của kích thước cỡ hạt.
+ Mức độ nghiền theo cỡ hạt d80

Thay cho giá trị của d80 cũng như d50 hoặc các đường kính hạt khác có thể dùng
+ Mức độ nghiền theo bề mặt riêng

Trang 12


Diện tích bề mặt riêng theo thể tích Sv và bề mặt riêng theo khối lượng Sm có
thể xác định bằng thực nghiệm.

+ Mức độ nghiền quy ước

Trong đó a là khoảng cách khe xả liệu của máy nghiền
Các cơ chế phá hủy vật liệu.
Vật liệu dạng đá bị phá hủy khi ứng suất kéo bên trong các hạt vượt qua giá trị
tới hạn gây ra biến dạng vĩnh viễn như sự lan truyền của vết nứt. Ứng suất kéo tồn tại
do chất tải lên hạt giữa hai bề mặt cứng hoặc sự va chạm mạnh với nhau. Một sự nén
ép tương đối khoảng 0,3-0,4% là cần để phá vỡ vật liệu. Nứt vỡ vật liệu dạng đá gồm
một dãy các bước, trong đó số ứng suất áp vào xác định mức độ giảm cỡ hạt sau cùng.
ÉP GẦN LẠI

CÁC VẾT NỨT

ỨNG SUẤT KÉO

ĐÀN HỒI
TUYẾN TÍNH

KHƠNG BỀN VỮNG
KHƠNG BỀN VỮNG

BIẾN DẠNG

LAN TRUYỀN VẾT NỨT
LAN TRUYỀN VẾT NỨT

LAN TRUYỀN VẾT NỨT

KHÉP VẾT NỨT

BẮT ĐẦU NỨT

GIẢI PHÓNG NĂNG LƯỢNG

PHÁ HỦY LIÊN KẾT

PHÁ VỠ

Hình 1.1: Cơ chế phá hủy vật liệu

Trang 13


Các trạng thái phá vỡ vật liệu dòn như sau
-

Các vết nứt trong sẽ khép lại khi một lượng nhỏ ứng suất được áp lên vật thể
tương ứng
Sau khi các vết nứt sát lại, vật liệu trở thành biến dạng đàn hồi
Khe nứt xuất hiện khi ứng suất kéo trong các hạt lớn hơn giá trị tới hạn, kết
quả lan truyền nứt vỡ ổn định
Nếu ứng suất lên vật thể vượt quá năng lượng tới hạn dẫn đến sự lan truyền
nứt vỡ sẽ không ổn định, kết quả cuối cũng sẽ làm phá vỡ đối tượng

Phá vỡ do va đập

Phá vỡ do nén ép, cắt

Phá vỡ do mài mòn

Trang 14


1.3. Đánh giá ảnh hưởng thành phần hạt đến hoạt tính của xi măng[10].
Tính chất của xi măng như: Hoạt tính, tốc dộ đóng rắn khơng những được quyết
định bởi thành phần khống của clanhke, hình dạng và kích thước các tinh thể alit,
belit mà còn phụ thuộc vào độ mịn, kích thước hạt của xi măng.
Nghiên cứu của E.I Ved, E. F Zarôv, V.K Bôtrarôv và A. V Gôlupnitri thí
nghiệm cường độ đá xi măng từ các loại xi măng có tỷ diện 5500 và 1500 cm2/g với
các thời gian đóng rắn ở tuổi 7, 28 và 90 ngày trên các mẫu 2 x 2 x 2 cm có thành phần
1: 0. Kết quả cường độ ở các tuổi thể hiện trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Cường độ xi măng phụ thuộc độ mịn
Tuổi, ngày
7
28
90

Cường độ, MPa
Tỷ diện 5500 cm2/g
Tỷ diện 1500 cm2/g
61,5
25,5
83
45
84
64

Khi tăng độ mịn của xi măng làm tăng đáng kể cường độ đá xi măng. độ mịn ở
tỷ lệ 5500 cm2/g cường độ ở tuổi 7 ngày có cường độ tương đương với cường độ 90
ngày của xi măng ở tỷ diện 1500 cm2/g. Xi măng được nghiền với các tỷ diện khác

nhau từ 2.000 đến 6.200 cm2/g có thành phần hạt và tỷ diện tương ứng với mác xi
măng như bảng 1.2.

Trang 15


Bảng 1.2: Ảnh hưởng của thành phần hạt và tỷ diện đến cường độ XM
Tỷ diện Hàm lượng dải cỡ hạt μm, %
cm2/g
0-5 5-10 10-20 20-80
2300
2
14
27
50
2800
7
14
31
44
4300
9
25
29
34,5
6200
19
28
35
17

> 80
7
4
2.5
1

Cường độ nén, MPa, tuổi
1ng
3ng 7ng 28ng
15
38
51 64,5
20,7
35
54
67
33
51
62
79
38
53
66 80,2

Kết quả thí nghiệm cho rằng dải cỡ hạt 0 – 5 μm có ảnh hưởng quyết định đến
cường độ tuổi 1 ngày, dãi cỡ hạt 5 – 10 μm ảnh hưởng chủ yếu đến cường độ tuổi 3 và
7 ngày, còn dải cỡ hạt 10 – 20 μm quyết định cường độ tuổi một tháng và muộn hơn.
Từ thí nghiệm có thể nhận thấy nếu cùng một loại clanke nhưng với hàm lượng dải cỡ
hạt 0 – 20 μm thay đổi từ 45, 50, 65 và 80% có thể nhận được các loại xi măng tương

ứng mác 60, 70 và 80 MPa.
Các tác giả thuộc Viện nghiên cứu khoa học xi măng Liên Xô [10] đã nghiên cứu
ảnh hưởng của thành phần hạt xi măng đến một số tính chất của xi măng cho thấy:
- Dải cỡ hạt < 5 μm làm giảm thời gian bắt đầu ninh kết, tăng độ bền nén của xi
măng đóng rắn trong điều kiện thường cũng như chưng hấp, tăng độ xốp chung và hệ
số thẩm thấu, tăng biến dạng co xi măng đóng rắn trong điều kiện thường cũng như
chưng hấp. Nói chung thì dải cỡ hạt này có vai trị tích cực là chủ yếu: tăng độ bền nén
và tăng độ bền nứt.
- Dải cỡ hạt 30 – 60 μm có tác dụng kéo dài thời gian ninh kết của xi măng ngồi
ra cịn làm tăng độ xốp và độ co của mẫu giống như dải hạt mịn (< 5 μm).
- Dải cỡ hạt lớn > 60 μm làm tăng đáng kể độ xốp của đá xi măng bên cạnh đó lại
có xu hướng làm tăng độ bền nứt , điều này có thể được coi là kết quả của sự hình
thành khung trong đá xi măng với sự có mặt của dãi cỡ hạt này.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu ở trên, dải cỡ hạt xi măng tối ưu về cường độ khi
xi măng có thành phần hạt (theo % khối lượng) như sau:
- Các hạt

< 5 μm

chiếm < 20%

- Các hạt

5 – 20 μm

chiếm 40 – 45%

- Các hạt

20 – 40 μm chiếm 20 – 25%

- Các hạt

> 40 μm

chiếm 15 – 5%
Trang 16


Kích thước hạt xi măng nhỏ hơn 40 μm được khẳng định qua tiêu chuẩn của Mỹ
ASTM quy định độ mịn của xi măng và phụ gia theo kích thước sàng 45 μm (ASTM
430, ASTM C 150, ASTM C 595, C 1157). Trong ASTM C 959 cũng quy định độ mịn
- lượng sót trên sàng 45 μm đối với phụ gia cho xi măng là < 20%.
Từ các kết quả nghiên cứu trên thấy rằng khi xi măng đạt dải cỡ hạt tối ưu sẽ cho
phép giảm tỷ lệ sử dụng clinker, nâng cao hiệu quả sản xuất.
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến máy nghiền bi.
1.4.1. Cấu tạo thông thường của máy nghiền bi.

NGHIỀN

NGHIỀN

NGHIỀN

THƠ

TRUNG BÌNH

MỊN

ɸ 90 - 60 mm

ɸ 50 - 40 mm

ɸ 30 - 17 mm

1.4.2. Cơ chế nghiền.

A
A

Ngăn 1: Chủ yếu dạng va đập

Ngăn 2: Va đập và chà xát

Trang 17


1.4.3. Các yêu tố ảnh hưởng đến kết quá trình nghiền.
- Vận tốc máy nghiền.
Trong đó: N - Vận tốc quay tới hạn máy, vịng/phút
D - Đường kính trong của máy nghiền

√

N tt: Vận tốc quay thực tế của máy nghiền

- Hệ số đổ đầy bi đạn.
Theo Levenson, lượng bi nghiền nạp tối ưu:
h = 0,16D

Ttrong đó D là đường kính trong máy nghiền

- Lựa chọn bi đạn và tấm lót.

Trang 18


Lựa chọn kích thước bi nghiền
D- Đường kính bi nghiền
d- Kích thước vật liệu nghiền

- Kích thước vật liệu nghiền càng lớn thì kích thước bi phải tăng lên, nếu
vật liệu nghiền có độ cứng trung bình, kích thước lớn nhất của vật liệu nghiền
giới hạn ở 35 mm, đối với vật liệu cứng thì chỉ nên giới hạn ở kích thước 25
mm.
- Vật liệu nghiền.
Áp dụng Cơng thức Tơvarốp tính năng suất máy nghiền bi ta có.
Qq

abc
6, 7 V
1000

D

G
V

Trong đó:

Q- Năng suất máy nghiền, t/h
q- Năng suất riêng của máy nghiền tính bằng kg/1kwh điện năng tiêu thụ với
độ mịn 10% sót sàng 4900 lỗ/cm2. Năng suất riêng thường lấy bằng 36 kg/kwh.
V- Thể tích máy nghiền, m3
D- Đường kính trong của máy nghiền, m
G- Khối lượng bi đạn, t
a- Hệ số độ nghiền (lấy theo Bảng 1.3, 1.4)
b- Hệ số hiệu chỉnh (tính đến sự thay đổi độ mịn) (lấy theo Bảng 1.5)
c- Hệ số tính đến ảnh hưởng của loại máy nghiền (lấy theo Bảng 1.6)

Trang 19


Bảng 1.3. Hệ số độ nghiền a.
Vật liệu nghiền
Hệ số độ nghiền a
clinker lò quay
1,0
clinker lò đứng
1,15-1,25
Xỉ hạt lò cao
0,55-1,10
Đá phấn
3,7
Đất sét
3,00-3,50
Đá macnơ
1,4
Đá vôi
1,2

Cát thạch anh
0,6-0,7
Than đá
0,8-1,6
Nhận xét, hệ số độ nghiền a > 1 thì nguyên liệu dễ nghiền hơn clinker, và hệ số
độ nghiền < 1 thì nguyên khó nghiền hơn clinker)
Bảng 1.4. ảnh hưởng C2S trong clinker.
C2S ( %)
5
10
15
20

Hệ số a
C2S (%)
1,10
25
1,05
30
1,00
35
0,95
40
Bảng 1.5. Hệ số hiệu chỉnh độ mịn.

Hệ số a
0,880
0,820
0,720
0,700

Sót sàng R008(%)
Hệ số b
sót sàng R008(%)
Hệ số b
2
0,59
11
1,04
3
0,65
12
1,09
4
0,71
13
1,13
5
0,77
14
1,17
6
0,82
15
1,21
7
0,86
16
1,26
8

0,91
17
1,3
9
0,95
18
1,34
10
1
19
1,38
Bảng 1.6: Hệ số tính đến ảnh hưởng của loại máy nghiền
Chu trình nghiền

Loại máy nghiền
Máy nghiền nhiều ngăn (3-4 ngăn)
Máy nghiền 2 ngăn

Hệ số c
1,0
Nghiền theo chu trình hở
0,9
Nghiền theo chu trình kín
1,3-1,5
Ngồi ra: Khả năng nghiền của clinker được quyết định bởi vi cấu tạo của nó và
các thành phần pha. Khả năng nghiền của clinker phụ thuộc vào các tỷ lệ sau:
+ Alit: Alit chỉ ra khả năng nghiền tốt nhất trong hầu hết pha clinker và có xu

Trang 20

hướng chậm kết tụ. Do đó, clinker cao trong alit dễ nghiền hơn clinker thấp. Các vết
nứt bên trong được gây ra bởi việc thải nhiệt trong alit, thuận lợi cho việc nghiền. Tuy
nhiên, những vết nứt này thường được thấy trong clinker nung rắn và đó là một dấu
hiệu đối với việc q nóng
+ Belit: Belit thì khó nghiền hơn alit, có khả năng nhiều hơn để tích tụ và ảnh
hưởng đến khả năng nghiền xấu.
+ Pha lỏng: Pha lỏng là một trong các thành phần cứng nhất của clinker và chắc
chắn cứng hơn alit. Tuy nhiên, tác dụng của hàm lượng pha lỏng trong khả năng
nghiền clinker thì không được xác định một cách rõ ràng
+ Vôi tự do: Vơi tự do có ảnh hưởng tích cực đến khả năng nghiền clinker
+ Cỡ hạt, độ xốp và nhiệt độ:
Hạt clinker lớn cũng như bụi thì khó nghiền
Độ xốp clinker hoàn toàn trong lần đầu tiên quan trọng với việc nghiền thơ
đối với clinker và ít ảnh hưởng đến việc nghiền mịn.
* Có thể đánh giá khẳ năng nghiền clinker theo hệ số độ nghiền K: [13]
Hệ số độ nghiền clinker K: Là tỷ số giữa thời gian cần thiết để nghiền cát thạch
anh và thời gian cần thiết để nghiền clinker với cùng độ mịn:
K= t0/tvl
Nếu K lớn thì clinker dễ nghiền và ngược lại
Đối với clinker lị quay: K= 0,67 ÷ 1,4
Ảnh hưởng hệ số K theo các khoáng clinker.

Trang 21


1.5. Q trình hydrat và đóng rắn của xi măng Pc lăng:
1.5.1. Các phản ứng hydrat hố của các khống clinker xi măng Pooc lăng
Thành phần của các sản phẩm phản ứng của một khống nào đó thay đổi phụ
thuộc vào lượng nước trong hệ huyền phù xi măng - nước, dạng và hàm lượng của các

tạp chất lạ hoà tan trong nước, thời gian hydrat hoá ....
a. Sự hydrat hố của C3S và Alít:
Sự hydrat hố của C3S và Alít tạo thành các hydro canxi silicat và Ca(OH)2.
Khi hydrat hoá C3S trong hồ (với tỷ lệ nước/khoáng N/K: 0,4  0,7) ở điều kiện
thường phản ứng chỉ hoàn toàn kết thúc sau 1  1,5 năm. Thành phần cuối cùng của
các sản phẩm phản ứng theo số liệu của các nhà nghiên cứu khác nhau như sau [5] :
2(3CaO. SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 + H
3CaO. SiO2 + 3H2O = 2CaO.SiO2.2H2O + Ca(OH)2 + H
Tổng lượng nhiệt toả ra phụ thuộc vào dạng hydro canxi silicat được tạo thành
và thay đổi trong khoảng từ 32  500 kJ/kg.

Trang 22


Q trình hydrat hố của C3S có thể chia thành 4 giai đoạn (hình 1.1) như sau:

a. Đường cong tốc độ

b. Đường cong phát triển

c. Sơ đồ tạo thành cấu trúc khi hydrat

toả nhiệt khi hydrat hoá

mức độ hydrat hoá.

hoá (1- phần C3S; 2- lớp vỏ ban đầu

(I, II, III, IV - các giai

trên hạt từ các pha hydrat; 3- các mầm

đoạn của quá trình toả

của tinh thể to bên dưới của lớp vỏ; 4-

nhiệt và hydrat hoá)

các pha hydrat hạt mịn, 5- các tinh thể
to ở bên ngoài của lớp vỏ ).

Hình 1.2: Sự thay đổi tốc độ và mức độ hydrat hoá của đơn tinh thể C3S nghiền mịn
•

Giai đoạn I: Sự hydrat hố nhanh phần bề mặt của các khoáng tạo thành
lớp màng mỏng (vỏ bọc) từ gel của các hợp chất hydrat và sau đó bị
chậm dần, giai đoạn này kéo dài khoảng 15  20 phút.

•

Giai đoạn II (thời kỳ cảm ứng) xảy ra quá trình tạo mầm và phát triển
tương đối chậm của các tinh thể hydro canxi silicat và Ca(OH)2.

•

Giai đoạn III là giai đoạn tăng tốc độ hydrat hố đến cực đại.

•

Giai đoạn IV tốc độ phản ứng bị giảm dần phụ thuộc vào tốc độ phá huỷ

lớp vỏ bọc liên tục được tạo ra từ các sản phẩm mới.

Thành phần của các hydro canxi silicat được tạo thành khi hydrat hoá C3S và
Alit bị thay đổi và phụ thuộc vào điều kiện đóng rắn. Các hydro canxi silicat mới có độ
bazơ cao kết tinh dưới dạng tinh thể hình sợi dài nhỏ. Các tinh thể này tạo thành ở bên
ngoài lớp vỏ hydrat hình cầu do đó có thể quan sát được khi nghiên cứu kính hiển vi
điện tử (hình 1.2).

Trang 23