Nghiên cứu, khảo sát, ứng dụng thử một số chất trợ nghiền có nguồn gốc hữu cơ đối với quá trình nghiền xi măng

êu cầu kỹ thuật, chất lượng phối liệu để sản xuất xi măng III.3. Nhiên liệu dùng trong công nghiệp sản xuất xi măng. IV. Clinker IV.1. Thành phần hoá học của clinker. IV.1.1. Oxyt canxi (CaO). IV.1.2. Oxyt nhôm (Al2O3). IV.1.3. Oxyt silíc (SiO2). IV.1.4. Oxyt sắt (Fe2O3). IV.1.5. Oxyt magiê (MgO). IV.1.6. Oxyt kiềm (K2O và Na2O). IV.2. Thành phần khoáng của cliker xi măng. IV.3. các hệ số đặc trưng cho thành phần clinker V. Quy trình công nghệ sản xuất xi măng trong công nghiệp V.2. Quá trình nung, ủ Clinker V.3. Quá trình nghiền và đóng bao xi măng VI. Qúa trình đóng rắn của xi măng. VII. Một số chỉ tiêu để đánh giá chất lượng của xi măng Chương II: những đặc trưng cơ bản của quá trình nghiền xi măng I. Nghiền xi măng I.1. Máy nghiền xi măng I.2. Bi đạn trong máy nghiền I.3. Tấm lót II. Công suất tiêu thụ của máy nghiền III. Đối tượng nghiền III.1. Clinker III.2. Thạch cao III.3. Các phụ gia khác IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền Chương III: vấn đề bảo quản xi măng I. Độ kết khối của vật liệu II. Độ hút ẩm của vật liệu III. Biến tính bề mặt cho hệ đa phân tán Chương IV: Phụ gia trợ nghiền trongsản xuất xi măng I. Chất trợ nghiền II. Một số phụ gia trợ nghiền trong sản xuất xi măng Phần II cơ sở khoa học của nghiên cứu I. Cơ chế trợ nghiền của phụ gia trợ nghiền bảo quản. II. Cơ chế bảo quản của phụ gia trợ nghền bảo quản III. Chất hoạt động bề mặt III.1 Chất hoạt động bề mặt anion III.2 Chất hoạt động bề mặt cation III.3 Các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính III.4 Các chất hoạt động bề mặt không ion IV. Nguyên liệu thử nghiệm và điều kiện nghiên cứu IV.1. Nguyên liệu thử nghiệm IV.1. Phối liệu IV.1.2. Phụ gia thí nghiệm tính năng trợ nghiền IV.2. Điều kiện nghiên cứu Phần III Phương pháp nghiên cứu I.1. Phương pháp đánh giá hiệu quả trợ nghiền I.1.1 Đánh giá dựa trên kích thước hạt I.1.2 Đánh giá dựa trên thời gian nghiền I.1.3 Đánh giá dựa trên độ mịn của xi măng. II. Phương pháp đánh giá tính bảo quản II.1. Đánh giá độ kỵ nước của xi măng khi dùng chất trợ nghiền bảo quản II.2. Đánh giá mức độ hút ẩm của xi măng dùng trợ nghiền bảo quản. III. Đánh giá độ linh động của xi măng có chất trợ nghiền bảo quản. IV. Đánh giá tốc độ suy giảm chất lượng của xi măng V. Đánh giá độ ổn định của xi măng VI. Xác định cường độ chịu nén ( mác xi măng) của xi măng VII. Xác địn thời gian đông kết phần IV kết quả thực nghiệm và nhận xét I. Thực nghiệm. II. Kết quả II.1. Hiệu quả trợ nghiền II.2. Hiệu quả bảo quản II.2.1 Độ hút hơi ẩm II.2.2. Độ kỵ nước mở đầu Để đáp ứng được nhu cầu cuộc sống ngày càng tăng, con người luôn mong muốn phát triển nền kinh tế của mình. Trong đó ngành công nghiệp đóng vai trò đầu tàu trong nhiệm vụ phát triển nền kinh tế đó. Trong các ngành công nghiệp thì ngành công nghiệp sản xuất xi măng đối với nhiều nước là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, đặc biệt là đối với nước ta là một nước đang trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước thì nhu cầu về xây dựng cơ bản là rất lớn do đó nhu cầu về sử dụng xi măng cũng tăng theo. Tổng sản lượng xi măng ở nước ta hàng năm sản xuất đạt khoảng 20 triệu tấn/năm, trong khi đó nhu cầu của thị trường khoảng 25 – 30 triệu tấn. Chính vì thế hàng năm chúng ta vẫn phải nhập khẩu thêm clinker và xi măng để đáp ứng được nhu cầu đó. Nước ta có một trữ lượng đá vôi rất lớn trải dài từ bắc vào nam đây là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất xi măng, vì vậy việc phải nhập clinker và xi măng là khó có thể chấp nhận được trong những năm tới. Để làm được điều này thì bên cạnh việc chúng ta đầu tư sửa chữa, nâng cấp các nhà máy cũ, xây dựng thêm các nhà máy mới thì cũng cần chủ động nghiên cứu nhằm tìm ra các giải pháp để nâng cao năng suất hiện có của thiết bị. Trong công nghiệp sản xuất xi măng ở nước ta, từ phương pháp ướt, phương pháp bán khô, phương pháp khô, đại đa số các nhà máy sử dụng máy nghiền bi trong quá trình gia công và nghiền xi măng. Công đoạn này là công đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng điện, vật tư, thiết bị và nhân công. Việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao năng suất quá trình nghiền, giảm bớt các tiêu hao năng lượng, vật tư và phụ tùng…luôn luôn được các nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu từ nhiều năm nay. Quá trình nghiền xi măng là quá trình làm cho vật liệu nghiền trở thành cỡ hạt mịn (<0,1mm) dưới tác động của các lực va đập cơ học. Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào bản chất, tính chất liên kết hoá lý của vật liệu, tính chất của công nghệ, khả năng làm việc của thiết bị. Sử dụng phụ gia trợ nghiền làm tăng năng suất máy nghiền là một trong các giải pháp hữu hiệu, đem lại hiệu quả kinh tế, nó được ứng dụng rất nhiều trong các máy nghiền bi. Chỉ với một lượng rất nhỏ phụ gia khoảng 0,006- 0,08% so với khối lượng clinker có thể làm tăng năng suất máy nghiền lên 10 – 20% hoặc có thể cao hơn nữa. Vấn đề là làm thế nào để tìm ra và nghiên cứu chế tạo được loại phụ gia có hiệu quả nhất. Trên thế giới từ những năm 50 của thế kỷ trước việc nghiên cứu và sử dụng chất trợ nghiền đã được ứng dụng rộng rãi và cho hiệu quả cao. ở nước ta, từ trước tới nay đã có một số trung tâm nghiên cứu chất trợ nghiền cho quá trình nghiền xi măng đã đem lại hiệu quả rõ rệt như: Công ty Bách khoa, Viện khoa học công nghệ vật liệu xây dựng – Bộ xây dựng… Trong phạm vi đề tài này em: Nghiên cứu, khảo sát, ứng dụng thử một số chất trợ nghiền có nguồn gốc hữu cơ đối với quá trình nghiền xi măng, ảnh hưởng của chúng đến năng suất máy nghiền, đến một số tính chất cơ, lý, hoá của xi măng từ đó đánh giá và so sánh để tìm ra được chất trợ nghiền có hiệu quả nhất. Phần I Tổng quan Chương I: Giới thiệu chung về Xi măng I. Tóm tắt lịch sử phát triển của nghành công nghiệp sản xuất xi măng Ngành công nghiệp xi măng ở Việt đã ra đời cách đây hơn 100 năm, dấu mốc đầu tiên là nhà máy xi măng Hải phòng do thực dân Pháp xây dựng. Các năm tiếp theo chúng ta liên tục xây dựng các nhà máy xi măng khác như: Xi măng Sài sơn của tổng cục hậu cần, xi măng Cầu đước – Nghệ an, xi măng 3/2 Thanh hoá, Hà tiên I...Tuy nhiên chúng được xây dựng trong thời kỳ đất nước ta còn chiến tranh nên ngay từ đầu đã mang tính chắp vá, không đồng bộ về thiết bị do đó không những chất lượng xi măng không được đảm bảo mà còn không đáp ứng được nhu cầu cuả xã hội. Đầu thập kỷ 80 ngành công nghiệp xi măng nước ta đã có bước tiến mạnh mẽ với sự ra đời của các nhà máy xi măng lò quay như xi măng Bỉm Sơn, xi măng Hoàng Thạch với công suất mỗi nhà máy là 1.000.000tấn/năm và nhiều nhà máy xi măng lò đứng khác. Các năm trở lại đây sản lượng xi măng liên tục tăng, năm 1990 sản xuất được 2.608.127 tấn, năm 1995 sản xuất được 6.000.000, năm 2000 sản lượng xi măng đạt khoảng 20.000.000 tấn. Dự kiến tăng trưởng tiêu thụ xi măng từ 2000 - 2005 sẽ tăng 9 – 11%, từ 2005 – 2010 tăng trưởng bình quân sẽ là 5 – 7% và dự kiến đến năm 2010 sẽ sản xuất được khoảng 44.000.000 tấn. II. các loại xi măng Xi măng là chất kết dính thuỷ lực được sản xuất từ hai nguyên liệu chủ yếu là đá vôi và đất sét nung đến nhiệt độ 14500C sau đó được làm lạnh và nghiền mịn. Có nhiều loại xi măng khác nhau tuy nhiên phổ biến hiện nay là hai loại: Xi măng poóc lăng thường và xi măng poóc lăng hỗn hợp. I.1. Xi măng poóc lăng thường Được phát minh vào năm 1812, đây là chất kết dính thuỷ lực được tạo ra bằng cách nghiền mịn clinker xi măng poóc lăng với thạch cao và các phụ gia khác.Và thường được kí hiệu là PC, nó được ứng dụng rất rộng rãi trong ngành xây dựng. 2. Xi măng poóc lăng hỗn hợp Xi măng poóc lăng hỗn hợp được chế tạo bằng cách nghiền clinker xi măng poóc lăng với thạch cao và các phụ gia khác. Nó khác xi măng poóc lăng thông thường là ở tỷ lệ phụ gia. Theo tiêu chuẩn Việt nam, trong xi măng poóc lăng hỗn hợp chỉ được phép pha tối đa 40 % phụ gia hoạt tính và phụ gia trơ trong đó phụ gia trơ không quá 20% và có ký hiệu là PCB. III. Nguyên liệu phụ gia và nhiên liệu để sản xuất xi măng poóc lăng. III.1. Nguyên liệu dùng để sản xuất xi măng Để sản xuất xi măng Poóc lăng người ta dùng các loại nham thạch trầm tích như đá vôi, đất sét, các loại nguyên liệu nhân tạo như xỉ lò cao và các phụ gia. III.1.1. Các loại đá chứa cacbonnat. Hàm lượng thành phần chứa cacbonnat trong hỗn hợp nguyên liệu xi măng là rất lớn, do đó tính chất hoá lý của thành phần này gây ảnh hưởng quyết định đến việc chọn công nghệ sản xuất xi măng và các thiết bị dùng cho sản xuất. Đá vôi: là nguyên liệu cơ bản để sản xuất clinker xi măng, đá vôi cung cấp CaO cho phối liệu, độ cứng của đá vôi là do độ tuổi địa lý của nó quyết định, độ cứng của đá vôi nằm trong khoảng 1,8-3, màu đá vôi phụ thuộc vào tạp chất, tuỳ theo tạp chất là Fe, Cr. Đá vôi sạch thường có màu trắng. Theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 6072:1996, đá vôi sử dụng làm nguyên liệu phải thoả mãn: hàm lượng CaCO3 85%, MgCO3 5%, Na2O + K2O 1%. Ngoài ra còn có các loại đá khác nhưng ít được sử dụng ở nước ta như: đá phấn, đá mắc nơ, chúng là các nham thạch trầm tích và có độ cứng bé hơn đá vôi. Hầu hết các nhà máy, xí nghiệp xi măng nước ta đều dùng nguyên liệu là đá vôi canxi. Khi chọn đấ vôi làm xi măng tốt nhất chọn đá vôi sét có tạp chất sét trên 20% phân tán đều và thành phần đá thiên nhiên xấp xỉ phối liệu sản xuất clinker là phản ứng nhanh nhất, công nghệ đơn giản Thành phần đá vôi ở một số cơ sở sản xuất xi măng ở nước ta Thứ tự Nhà máy, xi nghiệp xi măng Thành phần hoá học MKN SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 1 Xi măng Bỉm sơn 42,40 0,30 0,10 0,10 54,30 0,60 2 Xi măng Hoàng thạch 42,30 0,30 0,20 - 54,60 0,60 3 Xi măng Hồng gai 42,30 0,20 0,24 0,20 54,40 0,30 4 Xi măng Mỹ đức 42,34 1,15 0,20 0,10 52,90 2,84 5 Xi măng Hải phòng 42,40 0,20 0,10 0,10 54,60 0,60 6 Xi măng Hà tiên 42,00 3,20 0,10 0,10 53,20 1,40 7 Xi măng Nguyên bình 42,74 0,02 0,21 0,02 53,10 3,92 8 Xi măng Sài sơn 42,73 0,15 0,76 0,16 53,10 1,18 9 Xi măng Cầu đước 42,60 0,68 0,24 0,20 53,80 2,20 III.1.2. Đất sét Đất sét là một loại nguyên liệu quan trọng khác dung cho việc sản xuất xi măng, thành phần cơ bản là các silicat nhôm ngậm nước, nó cung cấp SiO2, Al2O3, Fe2O3 cho phối liệu sản xuất xi măng. Khoáng sét chủ yếu có trong hầu hết các loại đất sét là Caolinit, môngtơmổilonit và thuỷ mica. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6071 : 1996, hỗn hợp sét được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi măng phải có các hàm lượng ô xýt nằm trong khoảng sau: SiO2 = 55 - 70%. Al2O3 = 10 - 24%. Na2O + K2O 3%. ở nước ta đất sét phân bố khắp nơi, có trữ lượng lớn, ngoài ra ở một số nơi còn sử dụng đất sét ruộng hoặc đất phù sa. Những loại đất này thường có hàm lượng SiO2 thấp, hàm lượng Al2O3 cao hơn tuy nhiên có thể sử dụng phụ gia để bổ sung. Thành phần đất sét của một số cơ sở sản xuất xi măng Thứ tự Nhà máy, xi nghiệp xi măng Thành phần hoá học MKN SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 1 Xi măng Bỉm sơn 7,20 64,1 16,20 5,80 - - 2 Xi măng Sài sơn 12,60 59,7 19,50 5,90 - - 3 Xi măng Hồng gai - 64,4 19,40 2,80 0,10 0,70 4 Xi măng Hải phòng 8,10 60,2 15,90 6,80 2,70 1,60 5 Xi măng Núi voi 6,10 62,54 16,85 7,60 1,80 - 6 Xi măng Hữu lũng 7,10 64,26 15,50 6,67 - - 7 Xi măng Bố hạ 6,70 63,40 16,50 7,30 1,40 - III.1.3. Các loại phụ gia điều chỉnh trong sản xuất xi măng Các loại phụ gia dùng để điều chỉnh được đưa vào hỗn hợp nguyên liệu khi các thành phần hoá học của nó không đáp ứng được yêu cầu đã quy định, tuỳ theo sự thiếu hụt các ô xít mà người ta cho thêm các phụ gia như: Ô xít magiê, các chất kiềm, lưu huỳnh, các clorua, các florua, phốt pho, sắt... - Phụ gia cao silíc là loại phụ gia có chứa nhiều oxyt silíc, được sử dụng để điều chỉnh modul silicát trong trường hợp nguồn đất sét có hàm lượng SiO2 thấp. Các phụ gia cao silíc thường sử dụng là đất đá có chứa hàm lượng SiO2 > 80% hay có thể là cát mịn. - Phụ gia cao sắt là loại phụ gia có chứa nhiều oxyt sắt được sử dụng để điều chỉnh modul aluminát cho phối liệu. Các phụ gia cao sắt thường sử dụng là: Xỉ pirít Lâm thao chứa 55 – 68% Fe2O3, quặng sắt (Thái nguyên, Quảng ninh) chứa 65 – 68% Fe2O3… - Phụ gia cao nhôm được sử dụng để điều chỉnh modul aluminát trong trường hợp nguồn đất sét chứa quá ít Al2O3. Phụ gia cao nhôm hay sử dụng là quặng bôxít có chứa 44 – 58% Al2O3 hay cũng có thể sử dụng cao lanh hoặc tro xỉ… Bên cạnh đó còn có các loại phụ gia khác như: - Phụ gia khoáng hoá thường được sử dụng trong nhà máy xi măng lò đứng nhằm làm giảm nhiệt độ phân huỷ nguyên liệu ban đầu thành các ô xýt có hoạt tính cao. Phụ gia khoáng hoá thường được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là hợp chất của florua như CaF2 tinh khiết hay khoáng thiên nhiên, các phế thải công nghiệp phân phốt phát dưới dạng phôt pho thạch cao, thạch cao thiên nhiên hay cao nung... - Thạch cao: dùng làm phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết cho xi măng, hàm lượng thạch cao tuỳ thuộc vào yêu cầu, tính chất của sản phẩm và công suất của nhà máy. - Ngoài ra để sản xuất các loại xi măng khác nhau, người ta trộn clinke với một số phụ gia hoạt tính thiên nhiên hay nhân tạo như: xỉ lò cao, quặng màu thiên nhiên, tơrepen...hàm lượng của các loại phụ gia này tuỳ thuộc vào yêu cầu và chủng loại xi măng. Thành phần hoá học của một số phụ gia điều chỉnh phối liệu Thứ tự Tên phụ gia Thành phần hoá học MKN SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 1 Đất cao silic Pháp cổ - 91,80 3,26 1,30 0,70 0,16 2 Quặng zít phong hoá - 89,70 3,20 2,00 0,80 0,30 3 Xỉ pirít Lâm thao 4,03 18,76 3,52 65,54 2,50 0,35 4 Bô xít Cao bằng 13,80 0,40 50,00 25,50 0,50 0,78 5 Bô xít Lạng sơn 10,10 4,20 59,00 25,40 0,40 0,23 III.2. Các yêu cầu kỹ thuật, chất lượng phối liệu để sản xuất xi măng Để có được chất lượng xi măng như thiết kế thì clinker phải đảm bảo thành phần hoá học, phải định lượng tương đối chuẩn xác tỷ lệ các cấu tử nguyên liệu cấp cho máy nghiền theo kết quả tính phối liệu. Yếu tố đảm bảo thành phần hoá học vô cùng quan trọng vì nếu sai khác sẽ gây nên khó nung hay sự cố lò không cho ta thànhphần khoáng mong muốn. Đảm bảo độ mịn của phối liệu sản xuất clinker : Độ mịn yêu cầu của phối liệu từ 8 – 10% còn lại trên sàng có đường kính lõ sàng là 0,08mm. ở các nhà máy xi măng lò đứng do ta tự sản xuất theo thiết kế độ mịn cho phép 12%. Nếu phối liệu không đáp ứng được độ mịn yêu cầu thì khi nung nó khó kết khối, hàm lượng vôI tự do cao, clinker không chín hết, phản ứng tạo C3S khó trong clinker hàm lượng C2S tăng lên làm lạnh chậm làm cho clinker bị rời do C2S. Đảm bảo độ đồng nhất: Nếu phối liệu không đồng nhất, nơi nhiều đá vôi sinh ra vôi tự do cao, nơi thiếu đá vôi sẽ có nhiều C2S sinh ra tơi rời và hay dính chảy tạo nên dính cục sự cố tả trong lò gây nên hiện tượng bí gió khó nung, chất lượng clinker xi măng không đồng đều ảnh hưởng xấu đến chất lượng xi măng. Đảm bảo độ ẩm của phối liệu khi ra khỏi máy nghiền khoảng 1 – 2% đối với phương pháp khô và phương pháp bán khô.Nếu quá khô viên liệu sẽ nhỏ và bở, nếu quá ướt viên liệu lớn quá cỡ dẻo lúc rơi vào gầu nạp liệu dính bết vào nhau. Liệu khô hay ẩm thất thường ảnh hưởng đến chế độ nhiệt của lò nung làm cho lò không ổn định hay sinh ra sự cố, clinker lúc quá già, lúc lại sống. III.3. Nhiên liệu dùng trong công nghiệp sản xuất xi măng. Chất lượng nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nung, vì vậy phải lựa chọn nhiên liệu đảm bảo đáp ứng được nhu cầu luyện clinker. Nhiên liệu trong các nhà máy xi măng dùng để: Vận hành lò: đối với phương pháp khô là 83%, phương pháp ướt 96% Sấy nguyên liệu: đối với phương pháp khô là 11%, phương pháp ướt là 1% Trong công nghiệp sản xuất xi măng nhiên liệu được sử dụng ở ba dạng: rắn, lỏng, khí. + Nhiên liệu rắn Đây là nhiên liệu được dùng phổ biến nhất hiện nay ở nước ta mà chủ yếu là than. Than chứa khoảng 60 – 90% là các bon còn lại là hyđrô, ôxy, nitơ...có nhiệt lượng riêng từ 5300 – 7400kCa/kg. Đặc biệt khi than cháy thì để lại một lượng tro chiếm khoảng 10 – 30%, thành phần của tro than gần giống với đất sét đã nung do đó nó cũng được coi như một nguyên liệu và cần khống chế theo đúng tỷ lệ. Khi sử dụng than làm nhiên liệu thì cần phải sấy và nghiền nhỏ rồi phun vào lò (đối với lò quay) hoặc nghiền cùng phối liệu (đối với đứng). Hiện nay ở nước ta các nhà máy xi măng sử dụng than cám 4A và 3 để làm nhiên liệu, trữ lượng than ở nước ta cũng lớn và chất lượng khá tốt để làm nhiên liệu sản xuất xi măng đặc biệt là than khai thác ở vùng mỏ Hòn gai – Quảng ninh. Bảng đặc trưng của các loại than dùng nung cliker Loại than Độ tro A(%) Chất bốc V (%) QH (Kcal/kg) Na dương < 36 30 4200 Fin A 7,5 8 7852 Cám 3 <15 6 - 8 >6740 Cám 4A 15 - 20 6 - 8 5360 + Nhiên liệu lỏng Thường được sử dụng là dầu, trong thành phần hoá học dầu có 85 – 90% các bon, 5 -10% hyđrô, có nhiệt lượng cao, không có tro. Tuy nhiên cần phải có thiết bị đốt, hầm sấy và bộ lọc dầu vì vậy ở Việt nam ít dùng loại nhiên liệu này. + Nhiên liệu khí Phần lớn nhiên liệu dạng khí sử dụng trong công nghiệp xi măng là khí đốt thiên nhiên chứa thành phần chính là: Mêtan, Etan. Khi đốt khí cũng không có tro và thiết bị đốt thì đơn giản hơn nhiều so vơi thiết bị đốt nhiên liệu dạng lỏng. Tuy nhiên ở nước ta do việc khai thác khí nhiên liệu còn gặp nhiều khó khăn nên nhiên liệu loại này ít được dùng. IV. Clinker Là sản phẩm sau khi nung hỗn hợp phối liệu làm cho nó kết khối và có thành phần khoáng xác định như: Can xi aluminat, Alumôferit can xi, Can xi silicát. Clinker là thành phần chủ yếu quyết định đến tính chất của xi măng. IV.1. Thành phần hoá học của clinker. Hàm lượng những oxyt trong clinker đều ảnh hưởng đến quá trình hình thành các khoáng và chất lượng của xi măng. Do đó tỷ lệ các oxyt cần được khống chế chặt chẽ khi đưa các nguyên liệu đầu vào. Đối với clinker xi măng hàm lượng các oxyt thường nằm trong các giới hạn sau: CaO = 58 – 67 MgO = 0,5 – 5 Al2O3 = 4 – 8 Fe2O3 = 2 – 5 SO3 = 0,1 – 0,5 K2O = 0,1 – 0,3 Na2O = 0,1 – 0,3 SiO2 = 18 - 26 TiO2 = 0,1 – 0,3 IV.1.1. Oxyt canxi (CaO). Oxyt canxi nó tham gia phản ứng với tất cả các oxyt Fe2O3, Al2O3, SiO2 để tạo thành các khoáng chính của clinker. Clinker chứa nhiều CaO tạo thành nhiều khoáng C3S làm cho xi măng phát triển cường độ nhanh, mác sẽ cao nhưng xi măng có nhiều CaO trong clinker sẽ kém bền trong môi trường nước và các môi trường xâm thực khác. Nếu canxi nằm ở dạng tự do sẽ làm cho đá xi măng bị nở thể tích phá vỡ cấu kiện xây dựng. IV.1.2. Oxyt nhôm (Al2O3). Oxyt nhôm nó chủ yếu phản ứng với Cao và Fe2O3 tạo khoáng họ aluminat canxi và alumôphêrit canxi. Ximăng chứa nhiều Al2O3, ninh kết và đóng rắn nhanh nhưng toả nhiệt lớn kém bền trong môi trường sunfat và nước, không bền ở nhiệt độ cao. IV.1.3. Oxyt silíc (SiO2). Oxyt silíc tác dụng chủ yếu với CaO để tạo khoáng silicat canxi (C2S và C3S). Khi quá nhiều SiO2 thì xi măng sẽ đóng rắn chậm , cường độ ban đầu thấp và ít toả nhiệt khi đóng rắn, bền trong môi trường xâm thực. IV.1.4. Oxyt sắt (Fe2O3). Oxyt sắt nó phản ứng với CaO và Al2O3 tạo thành các khoáng canxi alumôferit nóng cháy ở nhiệt độ thấp. Xi măng chứa nhiều Fe2O3 sẽ làm giảm mác của xi măng tốc độ đóng rắn chậm, tạo nhiều chất chảy gây bám dính lò, khó nung, nhưng lại bền trong môi trường sulfát. Tuy nhiên nếu hàm lượng này quá thấp sẽ không đủ chất nóng chảy, khó phản ứng tạo thành khoáng. IV.1.5. Oxyt magiê (MgO). Oxyt magiê nó tạo thành dung dịch rắn với khoáng C3S làm tăng hoạt tính của khoáng này, hàm lượng này lớn sẽ tạo khoáng pêriclaz phản ứng chậm với nước, gây nở thể tích và phá vỡ cấu trúc xi măng. IV.1.6. Oxyt kiềm (K2O và Na2O). Oxyt kiềm là các tạp chất có hại do đất sét đưa vào, làm giảm cường độ của xi măng nếu hàm lượng lớn hơn 1% chúng sẽ gây ra sự ăn mòn. Trong xi măng thường có khoảng 0,5 – 1% oxyt kiềm. Ngoài các oxyt trên trong xi măng còn có một số oxyt khác như: TiO2, P2O5, SO3...tuy nhiên chúng ảnh hưởng không đáng kể đến chất lượng của xi măng. IV.2. Thành phần khoáng của cliker xi măng. Bốn loại oxyt chính CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 phản ứng tạo nên hai loại khoáng chính trong clinker - Khoáng silicat canxi 3CaO.SiO2 ký hiệu C3S gọi là alit 2CaO.SiO2 ký hiệu C2S gọi là bêlit. Bản chất khoáng silicat canxi theo giản đồ hai cấu tử CaO - SiO2 có 4 loại: + Vôlastônít - CaO.SiO2 và giả Vôlastônít - CaO.SiO2. + Octôsilicat canxi gồm có 4 loại thù hình , , và ’ - C2S . Dạng - C2S kém bền và tồn tại ở nhiệt độ trên 6750C. Nếu lưu lâu ở nhiệt độ 6750C thì - C2S chuyển thành - C2S làm nở thể tích làm cho clinker tự tả thành bột mịn. Người ta phải ổn định để - C2S không chuyển thành - C2Skhi đó xi măng mới đóng rắn và phát triển cường độ. + Răngkinít C3S2 là hỗn hợp không bền trong quá trình phản ứng, nó bị phân huỷ và để tạo thành C2S và bão hoà C2S thành C3S. + Alít 3CaO.SiO2 là khoáng cơ bản nhiều nhất trong clinker, nó tạo cho xi măng poóc lăng có cường độ cao, đóng rắn nhan, toả nhiệt nhiều khi đóng rắn, tuy nhiên lại không bền trong môi trường sulfát. Khoáng aluminat canxi 3CaO.Al2O3 ký hiệu C3A 4CaO.Al2O3.Fe 2O3 ký hiệu C4AF gọi là xêlit Khoáng aluminat canxi. + C3A chiếm khoảng 4 – 15% là chất trung gian mầu trắng, là khoáng quan trọng cùng với alít tạo ra cường độ ban đầu của đá xi măng. Xi măng chứa nhiều C3A toả nhiều nhiệt khi đóng rắn làm cho xi măng không bền trong môi trường sulfát. + Xêlit (C4AF) có thành phần chiếm khoảng 10 – 15%. Khoáng này nóng chảy ở nhiệt độ 12500C và trở thành pha lỏng tạo môi trường cho phản ứng tạo thành khoáng C3S. Khi có khoáng trong xi măng làm cho xi măng có cường độ thấp, thời gian đông kết chậm, ít toả nhiệt khi đóng rắn và bền trong môi trường sulfát. Ngoài các khoáng chính trên trong clinker còn chứa pha thuỷ tinh là chất lỏng nóng chảy bị đông đặc lại khi làm lạnh cliker. Nếu quá trình làm lạnh nhanh thì pha thuỷ tinh nhiều thì khi đóng rắn xi măng sẽ toả nhiệt nhiều. IV.3. các hệ số đặc trưng cho thành phần clinker Như đã biết thành phần clinker gồm 4 oxyt chính là CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 chúng có quan hệ với nhau tạo nên các hệ số đặc trưng: a. Hệ số bão hoà vôi theo công thức Kin và Jun Hệ số môđun silicat Môđun aluminat Khi nung 4 oxyt trên ở nhiệt độ 14500C tạo nên 4 khoáng chính là: 3CaO.Al2O3, 2CaO.SiO2, 3CaO.Al2O3, 4CaO.Al2O3.Fe 2O3 và 4 khoáng trên liên hệ với nhau qua các hệ số đặc trưng cho thành phần clinker xi măng. Hệ số bão hoà vôi Môđun silicat Môđun aluminat Bảng so sánh tính chất xi măng phụ thuộc vào các hệ số KH, n và p TT Hệ số KH, n,p Trị số nghiên cứu Cường độ chịu nén, uốn sau 28 ngày (kG/cm2) Cường độ nén Cường độ uốn 1 KH 1,0 291 25,56 2 0,96 264 29,56 3 0,91 269 26,7 4 0,86 273 26,22 5 0,82 183 23,94 6 N 4,0 203 24,42 7 3,0 273 27 8 2,5 259 26,88 9 1,7 267 27,78 10 P 3,0 231 24,41 11 2,0 251 27 12 1,0 255 27 Qua bảng trên ta rút ra kết luận: Xi măng từ clinker có hệ số KH cao cường độ chịu nén cũng tăng cao nhưng cường độ chịu uốn giảm xuống. Hệ số KH = 0,86 – 0,96 cường độ thực tế xấp xỉ nhau, Hệ số KH = 0,86 – 0,96 là chuẩn đối với cliker xi măng poóc lăng. Giảm hệ số KH xuống từ 0,86 – 0,82 thực tế là sản xuất xi măng mác thấp, cường độ giảm khá mạnh. Môđun silicat trong giới hạn 1,7 – 2,5 đối với clinker thông thường ít ảnh hưởng đến cường độ xi măng. Hệ số n giảm đồng thời tăng cả cường độ nén và uốn. Môđun aluminat ảnh hưởng đến cường độ không lớn lắm nhưng theo quy luật như môđun n, nếu giảm p cường độ nén và uốn đều tăng lên. V. Quy trình công nghệ sản xuất xi măng trong công nghiệp Hiện nay ở nước đang áp dụng 3 loại dây truyền công nghệ sản xuất xi măng chính: - Công nghệ sản xuất xi măng lò đứng ( phương pháp bán khô). - Công nghệ sản xuất xi măng lò quay phương pháp ướt. - Công nghệ sản xuất xi măng lò quay phương pháp khô. Trong hai loại hình công nghệ sản xuất xi măng, xi măng lò quay chiếm 84% tổng sản lượng sản phẩm xuất ra. Các công ty xi măng lò quay có công suất lớn, dây truyền thiết bị hiện đại, vì vậy có chất lượng xi măng tốt, mác cao. Ngược lại các công ty xi măng lò đứng có kết cấu đơn giản, công nghệ của một số khâu còn thủ công nên năng xuất và chất lượng còn bị hạn chế. V.1 Quá trình gia công nguyên liệu và nhiên liệu Các phối liệu đá vôi, đất sét, thạch cao, các loại phụ gia, than…được gia công sơ bộ đến kích thước và độ ẩm yêu cầu sau đó được định lượng và nghiền mịn thành phối liệu. Đối với công nghệ sản xuất xi măng theo phương pháp khô và bán khô : Phối liệu đưa vào nghiền không chỉ có :đá vôi , đất sét, phụ gia điều chỉnh mà nhiên liệu than cũng được nghiền mịn và phun vào lò trong quá trình nung. Đối với công nghệ sản xuất xi măng theo phương pháp ướt thì bột phối liệu được trộn với nước và nghiền trong máy nghiền bi ướt. V.2. Quá trình nung, ủ Clinker Công đoạn nung Clinker là công đoạn rất quan trọng và quyết định đến chất lượng sản phẩm. Phối liệu sau khi đã được nghiền mịn được đưa vào nung trong lò nung. Đối với lò quay phương pháp ướt thì bột liệu đi vào lò ở dạng bùn pát, với phương pháp khô thì bột liệu sau khi nghiền được đi qua hệ thống xyclon tro đổi nhiệt nhằm gia nhiệt phối liệu trước khi vào lò nhiệt độ phối liệu lúc này lên tới 7000C như vậy phối liệu trước khi vào lò ở dạng bột khô và được nung trong lò quay tại dôn nung khoảng 1350 – 14500C. Sau khi nung xong Clinker được làm nguội nhanh bằng nước và không khí sau đó vận chuyển vào silô chứa. Với hệ thống lò nung clinker theo phương pháp bán khô sử dụng lò đứng hoặc lò quay thì phối liệu trước khi nạp vào lò được trộn đến độ ẩm 12 – 14% và được vê thành viên có kích thước 8 – 12mm sau đó mới đưa đi nung. Quá trình nung phối liệu trong lò dưới tác dụng của nhiệt độ cao các cấu tử trong phối liệu sẽ phản ứng với nhau tạo thành các khoáng chính có trong thành phần clinker xi măng đó là: 3CaO.Al2O3 ( C3A ), 2CaO.SiO2 ( C2S ), 3CaO.SiO2 ( C3S ) và 4CaO.Al2O3.Fe2O3 ( C4AF ). Để tăng nhanh quá trình nung clinker các biện pháp có hiệu quả hay được dùng như: Dùng chất khoáng hoá, giảm độ ẩm của bùn pát, hồi lưu bụi trở lại lò quay, dùng thiết bị làm lạnh, tăng tốc độ quay của lò nung, sử dụng thiết bị đốt nhiên liệu hiện đại cháy hoàn toàn cho nhiệt lượng tối đa. Sau khi qua giai đoạn làm lạnh, nhiệt độ clinker trong khoảng 50 – 1500C clinker được ủ trong kho hoặc silo chứa trong khoảng 10 – 15 ngày để CaO tự do còn lại trong clinker phản ứng với nước trong không khí tạo thành Ca(OH)2 nở thể tích làm cho clinker dễ nghiền và xi măng không nở nữa, như vậy sẽ làm tăng chất lượng của xi măng. V.3. Quá trình nghiền và đóng bao xi măng Clinker được phối trộn với các loại phụ gia xi măng như đá bazan, đá vôi, thạch cao...theo công thức phối trộn tuỳ thuộc vào yêu cầu và tính chất của xi măng mà công thức phối trộn sẽ khác nhau. Thông thường pha thêm 3 – 4% thạch cao để điều chỉnh thời gian đông kết và khoản 15 – 20% phụ gia khác để tăng sản lượng và cải thiện tính chất của xi măng. Độ nghiền mịn thường đạt 12% lượng còn lại trên sàng 008 hoặc bề mặt riêng 2900 – 3200cm2 /g rồi qua thiết bị phân ly, phần chưa đạt độ mịn cho quay lại vào máy nghiền. Sau khi nghiền xong xi măng được gầu tải đưa vào các silo chứa và được đảo trộn để đồng nhất tránh hiện tượng vón cục. Xi măng sau đó được đóng bao ( thông thường bao có trọng lượng 50kg ) rồi được các xe chuyên chở đi tiêu thụ. Xi măng Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng lò đứng Trộn Than Đất sét Đập búa Kẹp hàm Xỉ pyrit Apatit Trộn nghiền Máy sấy Máy sấy Phụ gia CaF2,Na2SiF6 Máy sấy Làm ẩm, vê viên Máy phân ly Đá vôi ủ clinker Nung clinker(lò đứng) Máy nghiền xi măng Máy phân ly Thạch cao, phụ gia Đóng bao Đá vôi Đất sét ĐậpD Đảo trộn Cán Sấy Làm ẩm Trộn nghiền khô Nung clinker Làm lạnh Đập, nghiền ủ clinker Nghiền ướt Nghiền Đập sấy Đóng bao Xi măng Sơ đồdây chuyền công nghệ sản xuất xi măng lò quay VI. Qúa trình đóng rắn của xi măng. Tính chất đặc biệt của xi măng là khả năng tham gia phản ứng với nước tạo thành chất kết dính có lực kết dính đủ mạnh không những chỉ có những hạt vật chất riêng biệt tạo thành phản ứng với nước mà còn có khả năng dính kết trên bề mặt sản phẩm mới với các vật thể chứa trong vừa tiếp xúc với chúng (như gạch, đá, sắt, thép, cát...). Quá trình đóng rắn xảy ra rất phức tạp trải qua nhiều quá trình hyđrat của các khoáng, có nhiều thuyết để giải thích sự đóng rắn của xi măng theo quan điểm vật lý như: thuyết Lơxatơlie, thuyết Bai cốp, thuyết Mikhaêlic...Để đơn giản ta coi quá trình đóng rắn gồm các giai đoạn sau: Hoà trộn xi măng với nước. Thực hiện hyđrat các khoáng trong xi măng. Thực hiện các quá trình vật lý liên kết chặt chẽ các hạt sản phẩm. VII. Một số chỉ tiêu để đánh giá chất lượng của xi măng Trong xây dựng, chất lượng của xi măng được đánh giá bởi các chỉ tiêu như sau: - Thành phần khoáng: thông thường được đánh giá theo tỷ lệ khoáng C3S : C2S hoặc theo hệ số p (Môđun aluminat). Hàm lượng vôi tự do: thể hiện nung clinker xi măng kết khối tốt hay xấu, các hệ số chọn chuẩn hay không chuẩn. Nó đánh giá về khả năng ổn định thể tích của xi măng. Độ mịn của xi măng(S): Xi măng nghiền mịn sẽ ảnh hưởng tới lượng nước tiêu chuẩn, tốc độ ninh kết và đóng rắn, xi măng nghiền càng mịn thì mác của nó càng cao. Đánh giá độ mịn bằng phương pháp tỷ diện (bề mặt riêng cm2/g). Xi măng thường S = 2500-3500 cm2/g. Khối lượng thể tích (): Phụ thuộc vào thành phần khoáng và độ mịn của xi măng. Xi măng thường = 1400-1700g/l. Lượng nước tiêu chuẩn: còn gọi là độ dẻo tiêu chuẩn là lượng nước cần thiết cho vào xi măng tính theo phần trăm để thực hiện quá trình ban đầu của sự đóng rắn. Lượng nước tiêu chuẩn của xi măng phụ thuộc vào độ mịn, thành phần khoáng và loại phụ gia hoạt tính. Đối với xi măng poóclăng thường lượng nước tiêu chuẩn 24 – 29% Tốc độ ninh kết: Đây là đặc tính quan trọng của xi măng nó phụ thuộc vào thành phần khoáng của clinker, nhiệt độ môi trường, độ mịn. Xi măng thường tốc đ._.