Nghiên cứu, định hướng giải pháp nâng cao hiệu quả quá trình nghiền clinker xi măng tại nhà máy xi măng hà tiên 1

LUẬN VĂN THẠC SỸ

LÊ HUỲNH TUYẾT ANH
Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
Khoa Cơng Nghệ Hố Học & Dầu Khí
Ngành Vơ Cơ – Silicat
12- 2006



CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TSKH. LÊ XUÂN HẢI
ThS. NGUYỄN VĂN QUANG

Cán bộ chấm nhận xét 1: ..................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: ...................................................................

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐƯC BẢO VỆ TẠI
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày

tháng

năm 2006

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
… … … WX … … …

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
… … … WX… … …

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÊ HUỲNH TUYẾT ANH

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành:
I.

19/ 05/ 1978

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MSHV: CNHH 13- 001

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU, ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ

TRÌNH NGHIỀN CLINKER XI MĂNG TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG HÀ TIÊN 1
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Xây dựng mô tả toán học cho máy nghiền bi tại phòng thí nghiệm
- Nhận dạng các thơng số của mơ hình mơ tả tốn học q trình nghiền.
- Tiến hành mơ phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến q trình nghiền.
- Xây dựng thuật toán và phần mềm tính toán các thông số máy nghiền
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ …………………………………………………………………….……………………………

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ………………………………….…………………………………………………..

V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TSKH. LÊ XUÂN HẢI

ThS. NGUYỄN VĂN QUANG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS. TSKH. LÊ XUÂN HẢI

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS. NGUYỄN THỊ NGỌC HẠNH

Nội dung và đề cương luận văn Thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành
thông qua.
Ngày
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

tháng

năm 2007

KHOA QUẢN LÝ NGAØNH


Lời cám ơn

i

LỜI CÁM ƠN

Luận văn này được tiến hành tại Phịng thí nghiệm của nhà máy xi măng Hà
Tiên 1 dưới sự hướng dẫn của PGS-TSKH. Lê Xuân Hải và ThS. Nguyễn Văn
Quang.
Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết sâu sắc đến PGS-TSKH. Lê Xuân Hải, Người
Thầy đã tận tình hướng dẫn và dìu dắt tơi từ Bậc Đại Học cho đến Cao Học, chính
Thầy là người động viên và giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn để có thể hồn thành
Luận văn này. Sự tận tuỵ và nhiệt tình của Thầy là nguồn động viên cho tơi trong
suốt thời gian thực hiện Luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Văn Quang, Người Thầy đã hướng dẫn

và tạo điều kiện thuận lợi để tơi có thể tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tại Phịng
thí nghiệm của Nhà máy xi măng Hà Tiên 1.
Tôi cũng xin chân thành cám ơn Ban Giám Đốc và toàn thể Cán bộ nhân viên
tại Nhà máy xi măng Hà Tiên 1 đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi tiến
hành thí nghiệm. Tơi xin cám ơn tất cả các nhân viên tại Phịng thí nghiệm, đặc biệt
là anh Tân, nhân viên phụ trách máy nghiền, là người đã tận tình hướng dẫn và giúp
đỡ tơi hồn thành được các thí nghiệm. Tơi cũng xin cám ơn SV. Nguyễn Tuấn Anh
đã phụ giúp tôi thực hiện một số thí nghiệm tại phịng thí nghiệm của nhà máy xi
măng Hà Tiên 1.
Tôi xin cám ơn các Thầy Cô ở Khoa Hố đã truyền đạt cho tơi những kiến thức
quý báu trong suốt thời gian ở Bậc Đại Học và Cao Học.
Tôi cũng xin cám ơn các Thầy Cô Khoa Hố và Phịng Quản lý Sau đại học cho
phép tôi gia hạn thêm thời gian thực hiện Luận văn này vì trong q trình làm Luận
văn tơi mang thai nên khơng thể hồn tất đúng kỳ hạn.
Tơi xin cám ơn Thầy Cô trong hội đồng chấm Luận văn đã dành thời gian quý
báu để đọc Luận văn cho cho các nhận xét bổ ích.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cám ơn gia đình là điểm tựa vững chắc và là
nguồn động viên giúp tơi có đủ nghị lực vượt qua khó khăn để hồn thành được
Luận văn này.
Đặc biệt, tơi xin cám ơn đến cha tơi, Ơng Lê Văn Danh, mẹ tôi, Bà Huỳnh Ngọc
Thuận là những người đã tận tình hướng dẫn, dìu dắt, và ln động viên tơi vượt qua
mọi khó khăn trong suốt cuộc sống, là người đã dành hết thời gian và cơng sức chăm
sóc tôi và con trai tôi vừa mới chào đời để giúp tơi có đủ thời gian hồn thành Luận
văn này. Tôi xin cám ơn chồng tôi, anh Lê Minh Tuấn, là người đã quan tâm, hướng
dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều trong phần lập trình phần mềm mơ phỏng quá trình
nghiền clinker xi măng.

i

Tóm tắt

ii

TĨM TẮT

Mục tiêu của đề tài là sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống để xây dựng mô tả
tốn học q trình nghiền, từ đó chúng ta có thể tiến hành mô phỏng nhằm tiến hành
khảo sát ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến q trình nghiền clinker xi măng.
Trên cơ sở đó, luận án này trình bày những nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về xi măng, lý thuyết quá trình nghiền xi măng và lý thuyết
về hệ thống và mơ hình hố.
Chương 2: Xây dựng mơ tả tốn học q trình nghiền clinker trong quy mơ phịng
thí nghiệm
Chương 3: Nghiên cứu q trình nghiền clinker trong quy mơ phịng thí nghiệm
Chương 4: Nhận dạng q trình nghiền clinker trong quy mơ phịng thí nghiệm
Chương 5: Xây dựng chương trình mơ hình hố và mơ phỏng quá trình nghiền
clinker xi măng
Chương 6: Khảo sát ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến q trình nghiền
clinker xi măng
Kết luận và kiến nghị
Hướng phát triển của đề tài

ii


Mục lục

- iii -

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................ i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ...............................................................................................ii
MỤC LỤC....................................................................................................................iii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................................ 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................................1
1.2. GIỚI THIỆU VỀ XI MĂNG ............................................................................................4
1.2.1. Khái niệm về xi măng ...........................................................................................4
1.2.1.1. Khái niệm về chất kết dính vô cơ ..................................................... 4
1.2.1.2. Khái niệm về xi măng ............................................................................4
1.2.2. Các thành phần xi măng........................................................................................5
1.2.2.1. Thành phần hoá học của xi măng ..........................................................5
1.2.2.2. Thành phần khoáng của xi măng ...........................................................5
1.2.2.3. Q trình đóng rắn của xi măng porland ...............................................6
1.3. MỘT SỐ CƠ SỞ TRI THỨC CỦA QUÁ TRÌNH NGHIỀN.........................................11
1.3.1. Định nghĩa quá trình nghiền ...............................................................................11
1.3.2. Quá trình nghiền clinker .....................................................................................12
1.3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền ........................................12
1.3.2.2. Các yêu cầu khi nghiền clinker............................................................13
1.3.2.3. Nhược điểm của quá trình nghiền clinker............................................13
1.3.3. Q trình nứt vỡ vật liệu dịn ..............................................................................13
1.3.3.1. Cơ chế nứt vỡ hạt.................................................................................14
1.3.3.2. Cơ chế kết tập các hạt ..........................................................................15
1.3.4. Nghiền clinker trong máy nghiền bi ...................................................................16
1.3.4.1. Nguyên lý hoạt động của máy nghiền bi .............................................16
1.3.4.2. Hoạt động nghiền của máy nghiền bi ..................................................17
1.3.4.3. Cơ chế hoạt động của máy nghiền bi...................................................18
1.4. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG VÀ MƠ HÌNH HỐ....................................................19
1.4.1. Hệ thống..............................................................................................................19
1.4.2. Mơ tả tốn học của đối tượng cơng nghệ............................................................20

1.4.2.1. Tốn tử cơng nghệ ...............................................................................21
1.4.2.2. Quan hệ mơ phỏng ...............................................................................22
1.4.2.3. Sự tương thích của mơ hình tốn học ..................................................23
1.4.2.4. Các phương pháp xây dựng mơ tả tốn học – Mơ hình tốn học ........23

iii


Mục lục

- iv -

1.5. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ..............................................................................................24
1.5.1. Khái niệm............................................................................................................24
1.5.2. Quy trình mơ phỏng ............................................................................................25
1.5.2.1. Xây dựng mơ hình tốn (mơ tả tốn học) của hệ thống.......................25
1.5.2.2. Xây dựng thuật tốn giải phương trình ................................................25
1.5.2.3. Chạy chương trình, kiểm tra lỗi chương trình, xây dựng thuật tốn....25
1.5.2.4. Kiểm tra sự tương thích của mơ hình...................................................25
1.5.3. Ưu điểm và hạn chế của mô phỏng....................................................................27
1.5.3.1. Ưu điểm ...............................................................................................27
1.5.3.2. Hạn chế ................................................................................................27
1.6. XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN ................28
1.6.1. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................29
1.6.2. Mục tiêu của Luận văn........................................................................................29
1.6.3. Nhiệm vụ và nội dung của Luận văn ..................................................................30

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ TẢ TỐN HỌC Q TRÌNH NGHIỀN
CLINKER TRONG QUY MƠ PHỊNG THÍ NGHIỆM .............. 31
2.1. PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH Q TRÌNH NGHIỀN.......................................................31

2.1. MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH NGHIỀN CLINKER.............................32
2.1.1. Xét thành phần S1 đặc trưng cho quá trình tạo thành hạt do sự nứt vỡ ..............37
2.1.2. Xét thành phần S2 đặc trưng cho tốc độ mất đi hạt của các hạt do sự nứt vỡ.....39
2.2. GIẢI PHƯƠNG TRÌNH TỐN HỌC MƠ TẢ Q TRÌNH NGHIỀN .....................42

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NGHIỀN CLINKER TRONG
QUY MƠ PHỊNG THÍ NGHIỆM.................................................. 44
3.1. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ CẦN NGHIÊN CỨU .....................44
3.1.1. Mục đích .............................................................................................................44
3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình thí nghiệm .................................................44
3.2. PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM .............................................................46
3.2.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm....................................................................................46
3.2.2. Tiến hành thí nghiệm ..........................................................................................46
3.3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................................................................47
3.3.1. Các thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ bi đạn đến quá trình
nghiền clinker......................................................................................................47
3.3.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần bi đạn.....................................47
3.3.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng bi đạn.....................................48

iv


Mục lục

-v-

3.3.2. Các thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng clinker đến quá
trình nghiền clinker .............................................................................................49
3.3.3. Các thực nghiệm so sánh hiệu quả nghiền của hai loại máy nghiền trong
phịng thí nghiệm của nhà máy xi măng Hà Tiên 1 ............................................49

3.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phụ gia đến quá trình nghiền clinker ..............50
3.4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ..............................................................................................51
3.4.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ bi đạn đến quá trình nghiền ............51
3.4.1.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần bi đạn đến quá
trình nghiền clinker ..............................................................................51
3.4.1.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng bi đạn đến quá
trình nghiền clinker ..............................................................................58
3.4.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng clinker đến quá trình
nghiền clinker......................................................................................................62
3.4.3. Kết quả so sánh hiệu quả nghiền của hai loại máy nghiền trong phịng thí
nghiệm của nhà máy xi măng Hà Tiên 1 ............................................................64
3.4.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phụ gia đến q trình nghiến clinker..68
3.4.5. Tổng kết kết quả thí nghiệm ...............................................................................71
3.4.6. Kết luận...............................................................................................................73

CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG VÀ MÔ PHỎNG Q TRÌNH NGHIỀN
CLINKER TRONG QUY MƠ PHỊNG THÍ NGHIỆM .............. 74
4.1. NHẬN DẠNG CÁC THƠNG SỐ MƠ HÌNH MƠ TẢ TỐN HỌC Q TRÌNH
NGHIỀN .........................................................................................................................75
4.1.1. Tìm kiếm bằng phương pháp ngẫu nhiên ...........................................................76
4.1.2. Tìm kiếm bằng phương pháp luân phiên từng biến ............................................76
4.1.2.1. Tìm Kiếm Bộ Giá Trị Trong Khoảng Rộng.........................................76
4.1.2.2. Tìm Kiếm Bộ Giá Trị Trong Khoảng Hẹp Hơn...................................77
4.2. KẾT QUẢ NHẬN DẠNG CÁC THƠNG SỐ MƠ HÌNH .............................................77
4.3. KIỂM ĐỊNH SỰ TƯƠNG THÍCH CỦA MƠ HÌNH.....................................................78
4.3.1. Kiểm định sự tương thích của mơ hình với thí nghiệm 1 ...................................79
4.3.2. Kiểm định sự tương thích của mơ hình với thí nghiệm 2 ...................................81
4.2.1. Bàn luận ..............................................................................................................82

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ HÌNH HỐ VÀ MƠ

PHỎNG Q TRÌNH NGHIỀN CLINKER ................................. 83
5.1. CHƯƠNG TRÌNH NHẬN DẠNG CÁC THƠNG SỐ CỦA MƠ HÌNH MƠ TẢ
TỐN HỌC Q TRÌNH NGHIỀN.............................................................................83
5.1.1. Chương trình nhận dạng các thơng số của mơ hình mơ tả tốn học bằng
phương pháp ngẫu nhiên.....................................................................................83
5.1.2. Chương trình nhận dạng các thơng số của mơ hình mơ tả tốn học bằng
phương pháp ln phiên từng biến......................................................................87
5.2. CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG QUÁ TRÌNH NGHIỀN.............................................89

v


Mục lục

- vi -

CHƯƠNG 6: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ CƠNG
NGHỆ ĐẾN Q TRÌNH NGHIỀN .............................................. 90
6.1. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ BI ĐẠN ĐẾN QUÁ TRÌNH
NGHIỀN .........................................................................................................................90
6.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bi đạn đến quá trình nghiền ............................90
6.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng khối lượng đến quá trình nghiền ..........96
6.2. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI LƯỢNG NHẬP LIỆU ĐẾN QUÁ
TRÌNH NGHIỀN ..........................................................................................................100
6.3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TỶ LỆ PHỤ GIA ĐẾN QUÁ TRÌNH
NGHIỀN .......................................................................................................................106
6.4. SO SÁNH HIỆU QUẢ NGHIỀN CỦA HAI LOẠI MÁY NGHIỀN TRONG
PHỊNG THÍ NGHIỆM CỦA NHÀ MÁY XI MĂNG HÀ TIÊN 1 ............................109
6.5. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGHIỀN ĐẾN QUÁ TRÌNH
NGHIỀN .......................................................................................................................113

6.6. TỔNG KẾT...................................................................................................................117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 119
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................. 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 121
PHỤ LỤC ......................................................................................................................I

PHỤ LỤC 1................................................................................................................................ I
P1.1.
P1.2.
P1.3.
P1.4.

Xi măng portland ................................................................................................... I
Xi măng portland hỗn hợp ..................................................................................... I
Xi măng trắng và xi măng màu.............................................................................. I
Xi măng pozzolan .................................................................................................. I

PHỤ LỤC 2...............................................................................................................................II
P2.1.
P2.2.
P2.3.
P2.4.
P2.5.

Các biến đổi hố lý của q trình nghiền hoạt hố............................................. III
Sự suy giảm năng lượng trong quá trình nghiền hoạt hố.................................. III
Q trình nghiền hoạt hố, sự suy giảm năng lượng và trạng thái năng lượng ....V
Khả năng phản ứng của các chất rắn bị hoạt hố ............................................... VI
Sự đóng góp năng lượng vào các sai sót cấu trúc tồn tại lâu dài....................... VII

vi


Mục lục

- vii -

PHỤ LỤC 3............................................................................................................................. IX
P3.1. Máy nghiền bi
P3.2. Máy nghiền con lăn ........................................................................................... XII
PHỤ LỤC 4.......................................................................................................................... XIV
P4.1. Xét thành phần S3 đặc trưng cho sự tạo thành hạt do sự kết hợp hạt ................XV
P4.2. Xét thành phần S4 đặc trưng cho sự mất đi do sự tạo thành hạt ..................... XVII
PHỤ LỤC 5.......................................................................................................................... XXI
P5.1. Xác định đặc tính hố lý của clinker ................................................................XXI
P5.2. Xác định đặc tính hố lý của thạch cao .........................................................XXIII
P5.3. Xác định đặc tính hố lý của pozzolan ..........................................................XXVI
PHỤ LỤC 6.....................................................................................................................XXVIII
P6.1. Khái quát về ngôn ngữ lập trình Matlab .................................................. XXVIII
P6.2. Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính các bài toán khoa học kỹ
thuật ...........................................................................................................XXVIII
PHỤ LỤC 7.....................................................................................................................XXXIII
P7.1.

Chương trình tìm hệ số của phương trình mơ tả tốn học của q
trình nghiền bằng phương pháp ngẫu nhiên...............................................XXXIII

P7.2.

Chương trình tìm hệ số của phương trình mơ tả tốn học của q
trình nghiền bằng phương pháp luân phiên từng biến ............................... XLVIII

P7.1.

Chương trình giải phương trình vi phân ........................................................ LXX

PHỤ LỤC 8..................................................................................................................... LXXIII
PHỤ LỤC 9...........................................................................................................................CIII
PHỤ LỤC 10.......................................................................................................................... viiI

vii


Tổng quan

-1-

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

T

rong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hố đất nước, cùng với sự
phát triển kinh tế xã hội, đời sống và nhu cầu của người dân ngày càng

cao, trong đó các cơng trình xây dựng là một phần quan trọng nhằm đáp ứng xã hội

công nghiệp hiện đại. Xi măng được coi là một trong những loại vật liệu xây dựng
quan trọng nhất tại nước ta. Nhu cầu tiêu thụ và sản xuất xi măng liên quan mật thiết
đến các hoạt động xây dựng và các hoạt động kinh tế chung của cả nước. Vì vậy, cơng
nghệ xi măng là một ngành kinh tế kỹ thuật quan trọng của nước ta. Năm 2002, tổng
sản lượng xi măng do Việt Nam sản xuất là 20,6 triệu tấn. Hàng năm, công nghiệp sản
xuất xi măng đóng góp một phần đáng kể cho ngân sách nhà nước. Năm 2002, công ty
xi măng Hà Tiên 1 đã nộp ngân sách nhà nước là 342 tỷ đồng.
Công nghệ sản xuất xi măng tại các thành viên của Tổng công ty Xi măng Việt
Nam và các công ty liên doanh là phương pháp bán khô, nung clinker bằng lị quay
với máy móc thiết bị hiện đại, đạt trình độ tiên tiến của khu vực Đông Nam Á và trình
độ trung bình khá của thế giới.
Hiện nay, cơng nghệ sản xuất xi măng chung của cả thế giới đã đối mặt với
những vấn đề và thách thức mới cần phải nhanh chóng giải quyết, đó là vấn đề liên
quan đến môi trường và kỹ thuật.
Sản xuất xi măng là một q trình sản xuất địi hỏi nhiều năng lượng. Sự tiêu thụ
năng lượng trong quá trình sản xuất xi măng ước tính khoảng 2% tổng lượng tiêu thụ
năng lượng toàn cầu hoặc khoảng 5% tổng lượng tiêu thụ năng lượng cơng nghiệp
tồn cầu. Chi phí năng lượng chiếm khoảng 12 – 20 % doanh thu thực trong ngành
công nghiệp xi măng. Hầu hết năng lượng này tiêu tốn cho các quá trình để làm giảm

1


Tổng quan

-2-

kích thước hạt và nung clinker. Riêng q trình nghiền vật liệu tiêu thụ khoảng 30 –
40 % năng lượng toàn nhà máy xi măng và đây là vấn đề quan tâm chủ yếu của người
vận hành máy nghiền.

Với nhu cầu trên, nhà máy sản xuất điện cần phải sản xuất nhiều điện hơn, do đó
tạo ra các khí gây hiệu ứng nhà kính, phần lớn là khí CO2, đây là nguyên nhân gián
tiếp gây ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, lượng bụi và tiếng ồn ở các khâu đập và
nghiền cũng góp phần tác động mạnh đến mơi trường xung quanh.
Hiện nay, môi trường là vấn đề quan tâm hàng đầu trên toàn thế giới và kể cả
Việt Nam. Do đó, việc cải tiến kỹ thuật nhằm tìm ra biện pháp tốt nhất giảm thiểu
tiêu thụ năng lượng trong quá trình nghiền để nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm tác
động mơi trường. Điều đó có ý nghĩa kinh tế xã hội rất lớn.
Nghiền là một trong những q trình quan trọng nhất trong cơng nghệ sản xuất xi
măng. Cho đến nay, tại Việt Nam vẫn chưa có nghiên cứu thật đầy đủ về q trình
nghiền clinker xi măng. Do đó, đề tài “Nghiên cứu, định hướng giải pháp nâng cao
hiệu quả quá trình nghiền clinker xi măng tại Nhà Máy Xi Măng Hà Tiên 1” được đề
xuất nghiên cứu nhằm mục đích:
-

Góp phần triển khai ứng dụng phương pháp nghiên cứu cho quá trình nghiền
trên cơ sở các mơ hình tốn học có cấu trúc phức tạp.

-

Xây dựng mơ hình tốn của q trình nghiền clinker xi măng với biểu đạt cơ
bản là phương trình cân bằng hạt hệ dị thể đa phân tán.

-

Bước đầu mô phỏng q trình nghiền để góp phần tạo ra định hướng cho việc
nghiên cứu chế độ hoạt động tối ưu của máy nghiền nhằm giảm thiểu mức
tiêu hao năng lượng nghiền, góp phần nâng cao hiệu quả nghiền tại nhà máy
xi măng Hà Tiên 1.

Trong cơng nghệ hố học, nghiền được xem là một hệ thống cơng nghệ phức tạp,
vì quá trình nghiền liên quan đến hệ đa phân tán nên việc nghiên cứu nó rất phức tạp.
Để nghiên cứu nâng cao hiệu quả q trình nghiền có thể tiến hành theo hai
phương pháp: phương pháp cổ điển và phương pháp phân tích hệ thống mà nội dung
cơ bản là xây dựng mơ tả tốn học của hệ thống cơng nghệ để phân tích đánh giá và
giải các bài tốn tối ưu có liên quan. Trong phương pháp cổ điển, người ta tiến hành

2


Tổng quan

-3-

nghiên cứu thực nghiệm với vơ số thí nghiệm mới có thể rút ra được kết luận về các
ảnh hưởng của các yếu tố như: chế độ bi đạn, số vòng quay, khối liệu nhập liệu, tỷ lệ
phụ gia… đến quá trình nghiền. Phương pháp này tốn rất nhiều thời gian, cơng sức, chi
phí và đặc biệt khó khăn khi cần tối ưu hoá và điều khiển hệ thống. Do đó, phương
pháp phân tích hệ thống thích hợp dùng để tiến hành nghiên cứu quá trình nghiền.
Nguyên tắc của phương pháp phân tích hệ thống là dựa trên lý thuyết lập mơ hình
để xây dựng các mơ tả tốn học phục vụ cho tính tốn, thiết kế, kết hợp với một số thí
nghiệm cần thiết để nhận dạng các thơng số và để kiểm chứng mơ hình. Nó cho phép
giảm thiểu thí nghiệm, thu được mơ hình tốn học làm cơ sở triển khai thiết bị sản xuất
và làm cơ sở tốn học cho mơ phỏng q trình nghiền.
Để phân tích một hệ thống phức tạp như q trình nghiền thì việc tiếp cận vấn đề
mơ phỏng với sự hỗ trợ của công nghệ tin học là cần thiết. Dựa vào cơng cụ cơ bản là
phương pháp mơ hình hoá toán học và bài toán cơ bản là bài tốn tối ưu, xây dựng
phần mềm mơ phỏng sẽ giúp người thiết kế xác định được một cách nhanh chóng các
thông số cho hệ thống thiết bị mà không cần phải tốn nhiều thời gian, công sức để thử
nghiệm trên mơ hình thực và kết quả có độ chính xác khá cao.

Trên thế giới, việc nghiên cứu và ứng dụng mơ hình tốn để mơ phỏng việc thiết
kế và vận hành thiết bị, đặc biệt có sự hỗ trợ của máy tính được xem là một lĩnh vực
mới và phát triển mạnh ở các trường đại học .
Luận văn này tiến hành nghiên cứu quá trình nghiền như sau:
− Xây dựng mơ tả tốn học cho thiết bị nghiền trong phịng thí nghiệm.
− Xây dựng chương trình mơ hình hố và mơ phỏng q trình nghiền clinker
− Nhận dạng các thơng số của mơ hình.
− Khảo sát ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến q trình nghiền.
− Mơ phỏng hoạt động của thiết bị nghiền dưới tác động của các thông số công
nghệ.
Kết quả của đề tài đã thiết lập được mơ tả tốn học của q trình nghiền bi gián
đoạn trong phịng thí nghiệm, xây dựng được phần mềm nhận dạng các thơng số của
mơ hình tốn, phần mềm mơ phỏng q trình nghiền, nhận dạng được các thơng số của
mơ hình tốn và mơ phỏng q trình nghiền.

3


Tổng quan - Giới thiệu về xi măng

-4-

1.2. GIỚI THIỆU VỀ XI MĂNG
Xi măng đã được sử dụng từ rất lâu đời, từ thời cổ đại La Mã (như kim tự tháp
khoảng 3000 năm trước Công nguyên). Hai loại xi măng dùng trong xây dựng là: xi
măng không thuỷ lực và xi măng thuỷ lực.
• Xi măng khơng thuỷ lực
à Thạch cao (CaSO4.0.5 H2O)
CaSO4.0.5 H2O + 11/2H2O ⇒ CaSO4.2H2O (thạch cao)
à Xi măng gốc vôi (CaO)

CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2 + CO2→ CaCO3 (calcite)
Xi măng không thuỷ lực là loại xi măng phổ biến nhất trong các loại xi măng từ
thời cổ đại. Tính hồ tan tương đối cao của Ca(OH)2 và thạch cao làm cho chúng
nhanh chóng bị hư hỏng trong môi trường ẩm ướt. Vào thời kỳ đầu của đế chế La Mã,
người đã tạo ra được các loại xi măng gốc vôi và vữa hồ (xi măng + đá) bằng cách nện
chặt vữa hồ ướt để tạo một lớp bề mặt có tỷ trọng cao mà carbonate tiếp xúc với khơng
khí để tạo lớp bề mặt calcite ít thấm ướt, lớp này bảo vệ lớp Ca(OH)2 nằm dưới. Ví dụ
như vữa vơi thời La Mã có thể được thấy tại bức tường Hadrian. Mãi cho đến gần đây,
vữa vơi này vẫn cịn được sử dụng trong ngành xây dựng. Vật liệu thơ địi hỏi phải xử
lý nhiệt. Quá trình khử nước của thạch cao tự nhiên (khoảng 2000C) và nung calcite
(khoảng 8500C).
• Xi măng thuỷ lực
Xi măng thuỷ lực bền hơn. Các sản phẩm của quá trình hydrat hố khơng hồ tan
– xi măng đóng rắn khi có nước. Sự phát triển các loại xi măng này, có thể từ thời La
Mã – sử dụng đá vơi có chứa silica và nhơm và cũng sử dụng đất của núi lửa như một
chất phụ gia vào đá vôi trước khi tiến hành quá trình nung. Đây là tiền thân của xi
măng Portland thời hiện đại.
• Xi măng Portland
Nó được sáng chế bởi Joseph Aspdin vào giữa thế kỷ 19. Nó đuợc tạo thành từ đá
vơi và đất sét được nung lên để tạo thành sản phẩm chứa khoảng 65-70% CaO, 18 –
24% SiO2, 3-8% Fe2O3, 3-8% Al2O3 cộng thêm một số các oxit với tỷ lệ nhỏ hơn
(Na2O, K2O, MgO…). Các nhà máy hiện đại cho phép sản xuất hiệu quả cao hơn
nhiều và tỷ lệ các thành phần hỗn hợp thơ để tạo ra xi măng có các tính chất về cường
độ và độ bền như mong muốn.

2.1.1. KHÁI NIỆM VỀ XI MĂNG
2.1.1.1.

Khái Niệm Về Xi Măng

Xi măng là chất kết dính thuỷ lực, là sản phẩm nghiền mịn của clinker xi măng
Porland với những phụ gia thích hợp. Xi măng Porland là loại xi măng được sử dụng
phổ biến nhất. Người ta sản xuất xi măng Porland bằng cách nghiền clinker.
Để tạo thành xi măng Porland, người ta dùng ngun liệu tự nhiên chính là: đá
vơi và đất sét, ngồi ra cịn có các ngun liệu phụ như quặng sắt, xỉ pirit, cát, đá…
Những nguyên liệu này được trộn với nhau theo những tỷ lệ nhất định, nung ở nhiệt độ

4


Tổng quan - Giới thiệu về xi măng

-5-

từ 1450 – 14550C để tạo thành clinker. Clinker lại được nghiền tiếp tục với những phụ
gia như thạch cao, puzzolan để tạo xi măng Porland.
Clinker xi măng Porland có cấu trúc phức tạp do nó là sản phẩm của một hỗn hợp
phối liệu gồm các thành phần hoá khác nhau được nghiền mịn rồi nung đến kết khối
tạo dạng hạt.

2.1.2. CÁC THÀNH PHẦN XI MĂNG
2.1.2.1.

Thành Phần Hoá Học Của Xi Măng

Xi măng Porland có u cầu về thành phần hố học như sau:
CaO: 62 – 67%
SiO2: 20 – 24%
Al2O3: 4 – 7%
Fe2O3: 2 – 5%

Do nguyên liệu dùng trong công nghệ xi măng Porland là những nguyên liệu tự
nhiên, nên trong thành phần clinker ln có những tạp chất. Để đảm bảo tính chất cần
thiết của xi măng, các oxit tạp chất phải nằm trong những giới hạn cho phép, ví dụ
như: MgO ≤ 5%, TiO2 ≤ 0.3%, Mn2O3 ≤ 1.5%, R2O ≤ 1.5% (tính theo Na2O).
2.1.2.2.

Thành Phần Khống Của Xi Măng

Clinker xi măng Porland gồm 4 khống chính sau đây:
Tri-calcium silicate

3 CaO.SiO2

C 3S

Alite

Di-calcium silicate

2 CaO.SiO2

C 2S

Belite

Calcium aluminate

CaO.Al2O3

C 3A

Aluminate

Calcium ferrite

4 CaO.Al2O3.Fe2O3

C4AF

Ferrite

Có 4 cấu tử chính trong clinker được nung: C3S, C2S, C3A, and C4AF. Lượng của
mỗi cấu tử có thể ước tính từ thành phần oxit được sử dụng một loạt công thức được
gọi là phương trình Bogue:
C3S = 4.07 CaO - (7.60 SiO2+ 6.72 Al2O3 + 1.43 Fe2O3 + 2.85 SO3)
C2S = 2.87 SiO2 - 0.754 C3S
C3A = 2.65 Al2O3 - 1.69 Fe2O3
C4AF = 3.04 Fe2O3
• Khống C3S (chiếm 37 – 60%)
Tốc độ thuỷ hoá tương đối nhanh, nhiệt thuỷ hoá tương đối lớn, ít co thể tích và
khả năng phát triển cường độ lớn nhất so với các khoáng khác. Vì vậy, C3S là thành
phần khống quan trọng nhất, chiếm tỷ lệ cao nhất trong xi măng.

5


Tổng quan - Giới thiệu về xi măng

-6-

• Khống C2S (chiếm 15 – 37%)
Là dạng thù hình cần thiết trong xi măng Porland, có tính kết dính, tốc độ thuỷ
hố chậm, nhiệt thuỷ hố thấp, ít co thể tích, và phát triển cường độ chậm ở giai đoạn
đầu, nhưng sau đó cho cường độ khá cao. β- C2S toả ít nhiệt khi đóng rắn. Trong kỹ
thuật sản xuất xi măng Porland cần làm nguội clinker rất nhanh ở khoảng 6750C, nhằm
tránh biến đổi β- C2S thành γ- C2S là khoáng khơng kết dính.
• Khống C3A (chiếm 7 – 15%)
Tốc độ thuỷ hoá rất nhanh, nhiệt thuỷ hoá rất lớn, co thể tích nhiều, ngưng kết rất
nhanh, nhưng khả năng phát triển cường độ kém nhất trong 4 thành phần khống.
• Khoáng C4AF (chiếm 10 – 18%)
Tốc độ thuỷ hoá tương đối nhanh, nhiệt thuỷ hố trung bình, thể tích co tương đối
nhiều, khả năng phát triển cường độ trung bình nhưng tăng rõ rệt ở thời gian về sau.
Ngoài ra, trong clinker cịn một số khống vật phụ tỷ lệ khơng đáng kể như:
C5A3, C2F…
Để đảm bảo tính ổn định thể tích của xi măng trong khi sử dụng, có một số thành
phần khác, tuy tỷ lệ không lớn nhưng cũng cần phải hạn chế.
• MgO tự do < 4.5%
• CaO tự do < 0.5%
• SO3 < 3%
2.1.2.3.

Q Trình Đóng Rắn Của Xi Măng Porland [2]

• Q trình xảy ra khi đóng rắn xi măng
Tính chất đặc biệt của clinker xi măng khi nghiền mịn những thành phần clinker
có khả năng tham gia phản ứng với nước để tạo thành những chất mới, và có lực kết
dính đủ mạnh khơng những chỉ có những hạt vật chất riêng biệt tạo thành sau khi phản
ứng với nước, mà cịn có khả năng kết dính trên bề mặt sản phẩm mới với các vật thể
chứa trong vữa tiếp xúc với chúng (gạch, cát, đá, sỏi, thép…) với kết quả trên vật thể
trở thành đơng cứng tồn khối cịn gọi là đá xi măng.

à Nguyên nhân gây nên hydrat các cấu tử tạo thành clinker
Phản ứng giữa xi măng với nước gọi chung là phản ứng hydrat, có nghĩa tác dụng
với nước tạo nên vật chất có thành phần kiên kết của nước ở bên trong mà không bị
phân huỷ hợp chất cũ thành hợp chất mới, loại phản ứng này có tên là phản ứng thuỷ
hoá – hấp thụ nước, liên kết nước bên trong cấu trúc vật chất ban đầu tạo nên chất mới.
Có trường hợp khống tác dụng với nước bị phân huỷ thành những chất mới thành
phần cơ bản giữ nguyên gốc ban đầu của khoáng – loại phản ứng này gọi là phản ứng
thuỷ phân.
• Q trình hố lý khi đóng rắn xi măng
Khi trộn với nước, một loạt các q trình hố lý phức tạp xảy ra, nhờ vậy xi
măng tạo thành khối đá rắn chắc, ta gọi đó là q trình đóng rắn.
Phần tử clinker của xi măng là một chất rắn có nhiều pha, có các hạt calcium
silicate thơ (50 – 100 µm) trong khối có khe hở của aluminate và ferrite. Chúng có

6


Tổng quan - Giới thiệu về xi măng

-7-

phản ứng đặc trưng với nước để tạo các sản phẩm hydrat hoá, để tạo ra các chất rắn
đặc và cứng. Các tốc độ của phản ứng rất quan trọng. Phản ứng C3A nhanh nhất và
cũng toả ra nhiều nhiệt nhất (quá trình hydrat hố là phản ứng toả nhiệt) nhưng C3A ít
tác động vào cường độ bền cuối mặc dù nó tác động đáng kể vào độ bền ban đầu của
xi măng. Chất ảnh hưởng đáng kể đến độ bền trễ là calcium silicate. C3S là chất phản
ứng nhiều nhất, tạo độ bền sớm, nhưng C2S tác động đáng kể vào cường độ bền trễ. CS-H được tạo thành là pha kết dính cơ bản trong xi măng Porland và sản phẩm hydrat
hoá đáng kể nhất. Tốc độ các phản ứng ferrite nằm giữa các phản ứng C3S và C2S,
nhưng đóng góp lâu dài đến cường độ và độ bền của xi măng.
Về mặt vật lý, cấu trúc tinh thể của các khoáng biến đổi, tạo liên kết bền vững

giữa các hạt.
Về mặt hoá học, các khoáng của xi măng Porland phản ứng với nước tạo các
hydro-silicat canxi hoặc các hydro –aluminat canxi.
• Q trình lý học khi đóng rắn xi măng
Hiện nay ta vẫn sử dụng thuyết Bai cốp cho mọi chất kết dính. Nội dung thuyết
Bai cốp khi đóng rắn chất kết dính chia thành 3 giai đoạn hay 3 chu kỳ:

Giai đoạn 1: giai đoạn chuẩn bị
Giai đoạn 2: là keo hố hay cịn gọi là chu kỳ ninh kết
Giai đoạn 3: kết tinh vật chất còn
gọi là chu kỳ đóng rắn
à Giai đoạn 1
Nước tiếp xúc với các hạt xi
măng, chất kết dính ngay lập tức tham
gia phản ứng hoá học với vật chất trên
lớp bề mặt của hạt. Những sản phẩm
hồ tan của phản ứng (kiềm, vơi, thạch
cao, khống clinker khơng bền bị phân
huỷ) ngay tức khắc chuyển vào dung
dịch và ta thấy phát hiện được những
lớp tiếp theo của hạt xi măng hay chất

7


Tổng quan - Giới thiệu về xi măng

-8-

kết dính và tiếp tục các lớp đó lại phản ứng với nước. Phản ứng xảy ra liên tục cho tới

khi pha lỏng trở nên bão hoà bởi sản phẩm phản ứng, tiến tới trạng thái pha lỏng bão
hoà bởi sản phẩm phản ứng. Giai đoạn 1 cịn gọi là q trình hố học.
à Giai đoạn 2
Trực tiếp tạo thành sản phẩm phản ứng ở trạng thái rắn khơng thơng qua sự hồ
tan trung gian của vật chất kết dính ban đầu. Sản phẩm phản ứng nằm ở trạng thái rắn
không thể bị hồ tan (khơng thể tan được) trong pha lỏng đã bão hồ vì vậy “chúng
trực tiếp tách ra thành sản phẩm dạng chất rắn có kích thước hạt vơ cùng nhỏ, trạng
thái phân tán mịn tạo nên hệ keo dưới dạng các gel”. Trong suốt quá trình thứ hai,
trong hồ xi măng, tính chảy và tính linh động dần dần bị ninh kết nhưng chưa tạo cho
hồ xi măng có cường độ, giai đoạn này còn gọi là chu kỳ ninh kết.
Ninh kết là giai đoạn biến đổi khối vữa xi măng dẻo thành trạng thái rắn. Trong
giai đoạn này, các phản ứng hydrat hoá chủ yếu trong dung dịch. Các hydro aluminate
cannxi có trong sản phẩm hydrat hố hồ tan vào nước, tạo các ion hoá trị ba. Các ion
này sẽ làm tăng tốc độ ngưng tụ. Để làm chậm tốc độ ngưng kết, người ta cho thạch
cao vào xi măng. Thạch cao hoà tan trong nước, kết hợp với các aluminate trong dung
dịch tạo hợp chất hydro sulfo aluminate (3CaO.Al2O3.31CaSO4.31H2O) khó hồ tan.
Do đó các ion hố trị ba giảm, q trình ninh kết giảm. Cũng có quan điểm giải thích
các hợp chất hydro sulfo aluminate (3CaO.Al2O3.31CaSO4.31H2O) bao quanh hạt
khống ngăn trở q trình hydrat hố tiếp theo.

à Giai đoạn 3
Những hạt keo dạng gel dần dần mất nước, xít chặt lại tạo nên vữa bắt đầu phát
triển cường độ nhưng còn yếu. Từ gel mất nước trở thành tâm của những mầm tinh thể
vật chất mới bị kết tinh và phát triển kích thước lúc đó tạo cho vật liệu xi măng có
cường độ phát triển theo thời gian và sự kết tinh toàn khối vật liệu. Khi vật liệu kết
tinh hết, kết thúc q trình đóng rắn làm cho chất kết dính, xi măng hố đá có tính bền
vĩnh cửu…
Đóng rắn là q trình tiếp theo sau khi ninh kết, cũng khơng có giới hạn rõ ràng
phân biệt hai q trình này. Ninh kết có thể hiểu là thời gian có thể tạo hình khối vữa
xi măng dẻo. Cịn đóng rắn là q trình khi xi măng có cấu trúc tương đối chắc, khơng

thể biến dạng nữa, tiếp tục tăng cường độ thành khối đá xi măng vững chắc.

8


Tổng quan - Giới thiệu về xi măng

-9-

Tốc độ đóng rắn phụ thuộc vào thành phần và hàm lượng khoáng trong clinker.
Đóng rắn nhanh nhất là C3S và C3A. Khống C2S thuỷ hoá chậm. Xi măng với hàm
lượng C2S cao tăng cường tốc độ rất chậm, nhất là trong giai đoạn đầu, nhưng sau thời
gian dài, cường độ tăng xấp xỉ cường độ của C3S. Nếu xi măng có hàm lượng C3A cao,
cần tăng thêm thạch cao, nhằm tạo hydro sulfo aluminate canxi trong giai đoạn đầu
đóng rắn. Để tăng tốc độ đóng rắn, người ta thêm lượng nhỏ CaCl2 hoặc đặt trong
buồng hơi ở áp suất khí quyển.
• Q trình hố học khi đóng rắn xi măng
Những q trình hoá học của bột xi măng khi phản ứng với nước xảy ra rất phức
tạp. Những q trình đó phức tạp ở chỗ clinker gồm nhiều khoáng, nhiều thành phần
tạo nên clinker, khi nghiền xi măng lại pha nhiều loại phụ gia khác nhau như thạch
cao, xỉ lò cao, tro xỉ than, phụ gia puzzolan hoạt tính… Vì vậy lúc trộn xi măng với
nước, các thành phần khoáng riêng biệt đồng thời tác dụng với nước song song với
nhau hay khi tác dụng khống này ngay lúc đó đã có khống khác bị hyddrat hố…
Sau đó sản phẩm hydrat lại tác dụng với nhau hay sản phẩm hydrat của xi măng tác
dụng với những thành phần hoạt tính trong phụ gia lúc nghiền, phụ gia hoạt tính.
Q trình hố học xảy ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn đầu gọi là phản ứng sơ
cấp, chủ yếu là khoáng xi măng phản ứng thuỷ phân hay thuỷ hoá với nước. Giai đoạn
hai gọi là phản ứng sơ cấp các sản phẩm thuỷ phân, thuỷ hoá khoáng xi măng tác dụng
tương hỗ với nhau hay chúng tác dụng với phụ gia hoạt tính trong xi măng.
à Các phản ứng của các pha clinker cơ bản

-

Khoáng C3S bị thuỷ phân theo sơ đồ phản ứng
3CaO.SiO2 + mH2O = xCaO.SiO2.nH2O+(3-x)Ca(OH)2
Tuỳ theo điều kiện phản ứng mà sản phẩm hydrat rất khác nhau
Khoáng C2S tạo phản ứng tương tự như C3S nhưng khơng có Ca(OH)2
2CaO.SiO2 + mH2O = 2CaO.SiO2.mH2O
- Khoáng C4AF thuỷ phân theo phương trình
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O +2CaO.Fe2O3.mH2O
Do trong xi măng ln có lượng thạch cao, tiếp tục xảy ra phản ứng
3CaO.Al2O3.6H2O + CaSO4.2H2O = 3CaO.Al2O3.31CaSO4.31H2O
Nếu lượng thạch cao ít, sản phẩm phản ứng sẽ là: 3CaO.Al2O3. CaSO4.12H2O
- Khoáng C3A thuỷ hoá theo nhiệt độ thường tạo thành sản phẩm
2CaO.Al2O3.3H2O và 4CaO.Al2O3.13H2O khơng bền chuyển dần 3CaO.Al2O3.6H2O.
Q trình đóng rắn xi măng Porland bắt đầu bằng những phản ứng kể trên. Đồng
thời với những phản ứng, xảy ra q trình hồ tan những chất ban đầu và sản phẩm
phản ứng. Các sản phẩm từ C3S thực tế khơng hồ tan trong nước, mà tách ra đồng
thời với chúng là các hydrat của oxit canxi dễ hoà tan hơn. Sự hoà tan xảy ra cho tới
khi bão hồ Ca(OH)2. Sau đó, chúng sẽ tách ra ở dạng hydrat oxit canxi ở trạng thái
keo. Các hydro silicat, hydro aluminate và hydro ferit cũng sẽ tạo thành ở dạng hạt keo
rất mịn và dạng gel. Như vậy, các khống xi măng nhất thiết phải hồ tan, nhờ đó biến
đổi, tách khỏi dung dịch ở dạng hydrat tương ứng. Sản phẩm hoà tan trong nước ở
dạng keo có độ nhớt nhất định dần dần tạo khối bùn xi măng dẻo có thể tạo hình.

9


Tổng quan - Giới thiệu về xi măng

- 10 -

Các gel tạo thành có những đặc tính khác nhau. Một số rất dễ kết dính, ví dụ như
các hydrat oxit canxi và hydro aluminate, phần khác khó hồ tan vẫn tồn tại ở dạng
keo.
Cường độ xi măng tăng chủ yếu nhờ vào sự đóng rắn các hydro silicat canxi.
Khi thuỷ hoá các hạt xi măng, phản ứng thuỷ hoá bắt đầu từ bề mặt, do vậy tạo
quanh hạt lớp vỏ dạng gel cản trở sự thâm nhập của nước vào lớp sâu bên trong. Trong
giai đoạn này, gel chứa một lượng lớn nước, liên kết giữa các xi măng với nhau cịn
yếu. Nước tiếp tục thâm nhập thuỷ hố lớp phía trong, lượng nước trong gel giảm dần,
mật độ và cường độ vữa xi măng tăng dần.

10


Tổng quan – Xác định, định hướng và nội dung nghiên cứu

1.3.

- 11 -

MỘT SỐ CƠ SỞ TRI THỨC CỦA QUÁ TRÌNH NGHIỀN
1.3.1. ĐỊNH NGHĨA CỦA QUÁ TRÌNH NGHIỀN [58]

Nghiền là một q trình làm cho các hạt thơ bị nứt vỡ tạo thành các hạt mịn hơn
bằng cách dùng năng lượng cơ học (hoặc ứng suất). Tán nhỏ bằng cách đập và nghiền
khoáng và thực phẩm đã được con người thực hành từ mấy nghìn năm trước đây.
Trong 100 năm trở lại đây, việc nghiền khoáng và các nguyên liệu thô khác đã được
phát triển thành một hoạt động cơ học quan trọng nhất trong công nghiệp chế biến
nguyên liệu thơ.
Nghiền là một q trình cần nhiều vốn đầu tư và chi phí sản xuất. Trong một nhà

máy cơng nghiệp hiện đại, tiêu hao điện năng có liên quan đến cơng việc nghiền có thể
lên đến 70% tổng tiêu hao năng lượng cho tồn bộ nhà máy.

Hình 1 – 3: Q trình nứt vỡ hạt
Các ngành cơng nghiệp sau sử dụng máy nghiền
-

Các lớp phủ
Khoáng, xi măng, than đá…
Dược phẩm, thực phẩm
Ceramic, polymer, vật liệu vi sinh

Hình 1 – 4: Máy nghiền bi công nghiệp

11


Tổng quan – Xác định, định hướng và nội dung nghiên cứu

- 12 -

Nghiền là hoạt động sản xuất chủ yếu trong vài ngành cơng nghiệp và chiếm
phần chi phí sản xuất chính do sự mài mịn (khống 40-60%, xi măng 25-35%, tái tạo
polymer 50-70%)
Nghiền là một trong những hoạt động tốn kém nhất do tổn thất nhiệt: hầu như 95100% năng lượng cơ học trở thành nhiệt. Quá trình làm mát thường đi kèm với q
trình nghiền.
Do đó, q trình nghiền cần vốn đầu tư nhiều, chi phí vận hành cao (năng lượng
cơ học đầu vào, quá trình làm mát, máy móc và sự ăn mịn bi).
Đối với thiết bị nghiền, các hạt cần đạt được độ mịn tối thiểu.

1.3.2. Q TRÌNH NGHIỀN CLINKER
Trong cơng nghiệp sản xuất, clinker có thể được nghiền chung với phụ gia hoặc
nghiền riêng rồi trộn để tạo thành xi măng Porland. Sự phân bố kích thước hạt và
thành phần của hạt xi măng ảnh hưởng lớn đến sự hydrat hoá, sự phát triển cấu trúc vi
mơ và các tính chất sau cùng của xi măng. Ảnh hưởng của sự phân bố kích thước hạt
xi măng đến sự đa dạng các tính chất biểu hiện của xi măng được khám phá bằng mô
phỏng trên máy vi tính và vài nghiên cứu thực nghiệm. Các tính chất này bao gồm:
thời gian đóng rắn, độ co và sự tạo ra độ ẩm tương đối bên trong và cấu trúc vi mô tại
vùng chuyển tiếp giữa hai bề mặt. Các ảnh hưởng của sự kết bông và phân tán của các
hạt xi măng trong cấu trúc vi mơ đến các tính chất cuối cùng được đánh giá ngắn gọn.
Nhiều nghiên cứu để biết được mối quan hệ giữa sự phân bố kích thước hạt xi
măng và quá trình hydrat hố và các tính chất cường độ vữa đóng rắn. Cùng với một tỷ
lệ nước: xi măng, việc giảm kích thước hạt trung bình thơng thường làm tăng tốc độ sự
hydrat hố và do đó cải thiện các tính chất ban đầu như cường độ ban đầu cao. Nếu
xem xét đến độ bền, xi măng mịn hơn không thích hợp bằng xi măng thơ hơn. Hơn
nữa, các nghiên cứu gần đây về bê tông hiệu suất cao với tỷ lệ nước: xi măng tương
đối thấp, xi măng thô hơn có thể cho tính chất lâu dài tương đương với xi măng mịn
hơn dẫn đến tiết kiệm năng lượng do giảm thời gian nghiền. Các hạt thô hơn sẽ lâu
đóng rắn hơn mặc dù chúng thật sự đạt được sự đóng rắn tại mức độ hydrat hố thấp
hơn. Sự phát triền cường độ cũng sẽ chậm hơn xi măng mịn hơn. Tuy nhiên khơng có
sự phân bố kích thước hạt lý tưởng cho tất cả các ứng dụng, có các sự phân bố kích
thước hạt thích hợp cho mỗi trường hợp riêng biệt. Thông thường, cỡ hạt tối ưu cho xi
măng độ bền cao nhất nằm trong khoảng từ 3 – 30µm.
1.3.2.1.
-

-

Các Yếu Tố ảnh Hưởng Đến Q Trình Nghiền

Hiện tượng bám dính: Các hạt vật liệu có xu hướng kết tập với nhau và dính
lại tạo lớp vỏ bao quanh bi nghiền, cản trở và giảm năng suất nghiền. Hiện
tượng bám dính tăng khi nhiệt độ tăng hoặc khi nghiền chung với thạch cao
khan. Khi nghiền chung với thạch cao, bề mặt bi nhẵn và clinker được ủ lâu
thì hiện tượng bám dính sẽ giảm.
Thành phần khống: clinker có pha thuỷ tinh sít đặc nhiều, các khống cứng
như C3S nhiều, clinker sẽ khó nghiền. Hạt tinh thể càng mịn, clinker càng dễ
nghiền.

12


Tổng quan – Xác định, định hướng và nội dung nghiên cứu

-

-

- 13 -

Nhiệt độ: nhiệt độ ảnh hưởng đến độ ẩm, clinker càng ẩm càng khó nghiền.
Nhiệt độ cao làm cho thạch cao bị tách nước, mất tác dụng điều chỉnh tốc độ
đóng rắn.
Chất trợ nghiền: là khi cho một lượng nhỏ chất trợ nghiền vào clinker có khả
năng tăng năng suất nghiền.
1.3.2.2. Các Yêu Cầu Khi Nghiền Clinker
Ngăn cản sự kết tập lại các hạt vật liệu được nghiền dẫn đến tạo các hạt có
kích thước lớn.
Ngăn cản sự tạo thành bụi giúp cải thiện vấn đề ô nhiễm mơi trường bởi vì
các ngun liệu bột có thể tạo ra lượng bụi rất lớn và những hạt bụi mịn này

gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ con người.
Sản phẩm mịn, đạt được độ đồng đều cao, khoảng phân bố kích thước hạt hẹp
nhằm giảm thiểu sự tiêu tốn năng lượng nghiền.

1.3.2.3. Nhược Điểm Của Quá Trình Nghiền
Tiêu hao năng lượng lớn, do chỉ có một phần nhỏ năng lượng dùng cho q trình
nghiền được chuyển thành cơng nghiền thực sự, còn phần lớn năng lượng dùng cho
các quá trình sau:
- Vận chuyển vật liệu, sấy và khử bụi…
- Sự tổn thất cơ học (sự truyền động bánh răng…)
- Sự phân bố các lực nghiền đến các hạt đơn trong tầng hạt không đáng kể
- Tạo tiếng ồn…

1.3.3. Q TRÌNH NỨT VỠ CỦA VẬT LIỆU DỊN [8, 23]
Sự nứt vỡ chủ yếu do sự va chạm khá nhanh và chính sự va chạm này tạo ra một
ứng suất nén làm nứt vỡ vật liệu. Các nứt vỡ phụ được gây ra bởi ứng suất cắt mạnh
vào bề mặt vật liệu. Quá trình nứt vỡ chủ yếu làm cho vật liệu bị tách ra và vỡ tan, cịn
q trình nứt vỡ phụ gây ra sự mài mòn và sự cọ mịn. Tất cả các vật liệu đều có khả
năng chống lại sự nứt vỡ, tuy nhiên mức độ nứt vỡ nhiều hay ít cịn tuỳ thuộc vào năng
lượng được dùng để tạo ra vết nứt đó.
Cần phân biệt sự khác nhau giữa độ cứng và độ dẻo dai của vật liệu. Độ cứng của
vật liệu tượng trưng cho khả năng chịu được sự nứt vỡ của vật liệu và do đó nó làm vật
liệu bị biến dạng. Các vật liệu khoáng thường khá cứng. Trái lại, độ dẻo dai là khả
năng vật liệu chịu được tác dụng của ứng suất nên vật liệu không bị nứt vỡ hoặc hư
hỏng. Đặc tính thứ hai chính là mối quan tâm chính của q trình nghiền. Thơng
thường, độ cứng và độ dẻo dai đều có mối tương quan với nhau. Hầu hết vật liệu
khống đều dịn. Chúng khả năng chống lại sự biến dạng dẻo và cho thấy mối quan hệ
tuyến tính giữa ứng suất và sức căng. Tuy nhiên, không phải lúc nào chúng cũng dẻo
dai và chúng đôi khi chúng cũng dễ bị nứt vỡ.
Nguyên nhân làm cho độ dẻo dai của vật liệu tương đối thấp do sự có mặt của

các vết nứt cực nhỏ và vết nứt lớn trong vật liệu. Dưới tác dụng của ứng suất, vết nứt
khiến cho tăng thêm cường độ ứng suất tại đỉnh và cạnh của vật liệu. Vì vậy, vật liệu
có thể chịu tác dụng của ứng suất cục bộ, ngoại trừ độ bền của nó tại cạnh của vết nứt.
Năng lượng cần để phá vỡ liên kết và làm cho vật liệu nứt vỡ thì vốn có sẵn trong vật

13


Tổng quan – Xác định, định hướng và nội dung nghiên cứu

- 14 -

liệu như năng lượng đàn hồi dự trữ khi toàn bộ hạt chịu ứng suất và năng lượng này có
thể bị giảm nhanh tại cạnh vết nứt khi vết nứt phát triển rộng thêm.
1.3.1.1

Cơ Chế Nứt Vỡ Hạt

Hình 1-5: Cơ chế nứt vỡ hạt clinker xảy ra trong máy nghiền bi
A. Sự nứt vỡ
Cơ chế nứt vỡ xảy ra là do sự va chạm, các viên bi hoặc các hạt khác rơi xuống
các hạt phía dưới gây ra sự nứt vỡ hạt. Cơ chế này cho thấy một loạt các hạt con được
tạo thành. Các hạt ban đầu nứt vỡ để tạo thành các hạt con và ngay lập tức xảy ra liên
tục các quá trình nứt vỡ kế tiếp nhau của các thế hệ con cháu cho đến khi tiêu hao hết
năng lượng.
Cơ chế nứt gãy này được gây ra do vật liệu chịu ứng suất nén nhanh. Một dãy
phân bố kích thước sản phẩm rộng được tạo ra và q trình này khơng có tính chọn
lọc. Các quá trình nứt vỡ phức tạp là quá trình nứt vỡ mà trong đó các hạt con ngay lập
tức lại nứt vỡ để tạo thành các hạt có kích thước nhỏ hơn do các va chạm kế tiếp xảy
ra. Thật ra, quá trình nứt vỡ gồm một chuỗi các quá trình nứt vỡ xảy ra liên tục nhau.

Các hạt ban đầu nứt vỡ để tạo thành các hạt con và ngay lập tức xảy ra liên tục các quá
trình nứt vỡ kế tiếp nhau của các thế hệ con cháu cho đến khi tiêu hao hết năng lượng.
Cơ chế sự nứt vỡ này cho thấy một loạt các hạt con được tạo thành và hình dạng
của hàm mật độ phân bố kích thước các hạt con của quá trình nứt vỡ. Số hạt con được
tạo thành từ một số các hạt có kích thước lớn hơn mà các hạt này là sản phẩm của các
quá trình nứt vỡ ban đầu và quá trình này dẫn đến một loạt các nứt vỡ diễn ra liên tục.
Hàm phân bố kích thước của các hạt con phản ánh hỗn hợp các hạt con và tạo cơ sở
mơ hình của hàm nứt vỡ. Sự nứt vỡ này xảy ra thông thường nhất trong máy nghiền bi.
Một lượng năng lượng truyền cho một hạt trong máy nghiền cần được xem xét để
mô tả các sự nứt vỡ. Năng lượng và cách thức nứt vỡ đều có quan hệ với chuyển động
của hạt. Do đó, bằng cách liên quan cách thức nứt vỡ với động lực của hạt, năng lượng
gắn với mỗi cách thức có thể được xác định.

14