Thiết kế phân xưởng gia công và chuẩn bị phối liệu của nhà máy sản xuất xi măng pooclăng, phương pháp khô lò quay, năng suất 1 050 000 tấn clanhkenăm

Xi măng poóclăng được sản xuất bằng bằng công nghệ nghiền mịn clanhke xi măngpoóclăng với thạch cao thạch cao đóng vai trò là phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết.Thành phần chính trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

KHOA XÂY DỰNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ

ĐỀ TÀI: “ THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG GIA CÔNG VÀ CHUẨN BỊ PHỐI LIỆU CỦA NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG POOCLĂNG, PHƯƠNG PHÁP KHÔ LÒ QUAY, NĂNG SUẤT 1.050.000 TẤN CLANHKE/NĂM ”

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : PGS/TS NGUYỄN DUY HIẾU

SINH VIÊN THỰC HIỆN : LÊ TẤT ĐẠT

LỚP : 21 VL - MSV : 2151090017

Hà Nội - 2024

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 4

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 8

1.1 Khái niệm 8

1.1.1 Khái niệm về xi măng poóclăng, clanhke xi măng poóclăng 8

1.1.2 Thành phần khoáng hóa của xi măng poóclăng 8

1.1.3 Các đặc trưng của clanhke xi măng 14

1.2 Các tính chất kỹ thuật của xi măng 17

1.2.1 Khối lượng riêng và khối lượng thể tích 17

1.2.2 Độ mịn của xi măng 17

1.2.3 Lượng nước yêu cầu và độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng 18

1.2.4 Thời gian đông kết của xi măng poóclăng: 18

1.2.5 Tính ổn định thể tích của xi măng 18

1.2.6 Cường độ và mác của xi măng 18

1.3 Nguyên liệu sản xuất clanhke xi măng póoc lăng 21

1.3.1 Đá vôi 22

1.3.2 Đất sét 22

1.3.3 Các phụ gia trong sản xuất xi măng 23

2.1 Lựa chọn nguyên liệu sản xuất 36

2.1.1 Cơ sở khoa học 36

2.1.2 Hệ số tính toán 36

2.1.3 Nguyên liệu 36

2.1.4 Nhiên liệu 38

2.2 Tính toán phối liệu 40

2.2.1 Xác định thông số làm việc của than 40

2.2.2 Tính toán thành phần hóa của nguyên liệu đã chọn 40

2.2.3 Tính toán phối liệu cho quá trình nung 42

2.2.4 Tính thành phần khoáng của Clanhke 46

2.2.5 Tính lượng pha lỏng 46

2.2.6 Tính thành phần hóa của nguyên liệu khô trước khi nung 46

2.2.7 Tính tít phối liệu 47

2.2.8 Tính thành phần hóa của nguyên liệu ẩm trước khi nung 47

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ 50

3.1 Lập chế độ làm việc của nhà máy 50

3.1.1 Đặc điểm quá trình sản xuất xi măng của nhà máy 50

3.1.2 Phân xưởng gia công nguyên liệu và chuẩn bị phối liệu 50

3.1.3 Phân xưởng nung luyện clanhke 50

3.1.4 Phân xưởng nghiền xi măng và đóng bao 51

3.2 Giới thiệu phân xưởng gia công và chuẩn bị phối liệu 51

3.2.1 Công đoạn gia công sơ bộ nguyên liệu 51

3.2.2 Công đoạn đồng nhất nguyên liệu 52

3.2.3 Công đoạn nghiền mịn phối liệu 53

3.2.4 Công đoạn đồng nhất phối liệu 53

3.3 Thiết lập dây chuyền công nghệ 55

3.4 Tính toán cân bằng vật chất 56

3.5 Tính toán và lựa chọn thiết bị 63

Tài liệu tham khảo 70

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, công nghệ sản xuất xi măng Póoc lăng theo phương pháp khô được ứngdụng phổ biến với nhiều ưu điểm như tiết kiệm nhiên liệu, mức độ tự động hóa cao, kíchthước lò nung ngắn so với các phương pháp khác

Để hiểu rõ hơn về môn học chất kết dính, nâng cao khả năng tính toán của bài toán phốiliệu cũng như nhận thấy được vai trò quan trọng của ngành công nghiệp xi măng, đòi hỏingày một cao của thị trường về số lượng, chất lượng và chủng loại xi măng Em được

giao nhiệm vụ thiết kế “Thiết kế phân xưởng gia công phối liệu của nhà máy sản

xuất xi măng pooc lăng, phương pháp khô lò quay, năng suất 1.050.000 tấn Clanhke/năm” Đây là lĩnh vực rộng và phức tạp nên kiến thức của em còn hạn chế, dó

đó trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi những thiếu sót về lỗi trình bày vàtính toán bài toán phối liệu

Chính vì vậy, em mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong bộ môn Vậtliệu xây dựng trường Đại học Kiến trúc Hà Nội và các bạn để đồ án của em được hoànchỉnh hơn và em được tích lũy thêm kiến thức cho mình

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật liệu xây dựng và côgiáo PGS.TS Nguyễn Duy Hiếu, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ ánmôn học này

Hà Nội ngày … /…/2024

Sinh viên thực hiện

LÊ TẤT ĐẠT

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu: Ý nghĩa

C3S: Khoáng Alít: 3CaO.SiO2

C2S: Khoáng Bêlít: 2CaO.SiO2

C3A: Tricanxium aluminát: 3CaO.Al2O3

C4AF: Tetracanxium alumino ferit: 4CaO.Al2O3.Fe2O3

ρv: Khối lượng trên thể tích ở trạng thái tự nhiên (đơn vị: g/cm3)

ρ0: K Khối lượng trên thể tích ở trạng thái hoàn toàn đặc (đơn vị: g/cm3)

CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ CỦA ĐỒ ÁN

2 Tính cân bằng vật chất cho phân xưởng.

3 Tính chọn thiết bị chính cho phân xưởng.

Số liệu thiết kế:

LSF = 96%

n = 2,40

p = 1,33

Bảng 1 Thành phần hóa của đá vôi

Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO MKN

Bảng 2 Thành phần hóa của đất sét

Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO MKN

Bảng 3.Thành phần hóa của phụ gia điều chỉnh

Bảng 5 Thành phần hoá của tro than:

Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Theo TCVN 5438 – 2016:Xi măng (hydraulic cement): Chất kết dính thủy ở dạng bột

mịn, khi trộn với nước thành dạng hồ dẻo, có khả năng đóng rắn trong không khí và trongnước nhờ phản ứng hóa lý, thành vật liệu dạng đá

Xi măng Pooc-lăng (Pooc-lăng cement - PC): Xi măng được nghiền mịn từ clanhkle ximăng Pooc-lăng với thạch cao

Xi măng Pooc-lăng hỗn hợp (blended Pooc-lăng cement - PCB): là xi măng Pooclăng cóthêm phụ gia khoáng Loại và lượng phụ gia pha vào phải phù hợp quy định của tiêuchuẩn riêng

1.1 Khái niệm

1.1.1 Khái niệm về xi măng poóclăng, clanhke xi măng poóclăng

Xi măng póoc lăng là chất kết dính có khả năng đông kết, rắn chắc và phát triểncường độ trong môi trường nước, thường được gọi là chất kết dính thủy Xi măng póoclăng được người thợ nề Joseph Aspdin phát minh ngày 21 tháng 10 năm 1824 ở nướcAnh mang số hiệu 5022 có tên gọi: “Hoàn thiện việc sản xuất đá nhân tạo” được công bố

và nổi tiếng khi được sử dụng để xây dựng các công trình trên đảo Portland Cho tới năm

1843 con trai của Joseph Aspdin là William Aspdin đã sản xuất được “Xi măng póoc lăngchính hiệu ” thõa mãn được khái niệm như ngày nay

Xi măng póoc lăng là chất kết dính được phát triển ngày càng hoàn thiện về tínhnăng kỹ thuật và công nghệ sản xuất Các chủng loại xi măng póoc lăng là chất kết dínhchủ yếu trong xây dựng của các quốc gia Căn cứ và khả năng sản xuất và tiêu thụ ximăng người ta có thể đánh giá được trình độ phát triển của từng quốc gia

Xi măng poóclăng được sản xuất bằng bằng công nghệ nghiền mịn clanhke xi măngpoóclăng với thạch cao (thạch cao đóng vai trò là phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết).Thành phần chính trong xi măng là clanhke, phụ gia thạch cao và một số các loại phụ giakhác Clanhke là nguyên liệu chính đóng vai trò quyết định cho tính chất của xi măng.Clanhke được sản xuất bằng cách nung đến thiêu kết hỗn hợp nguyên liệu đồng nhất phântán mịn gồm đá vôi, đất sét (nguyên liệu chính) và một số nghuyên liệu khác đóng vai tròđiều chỉnh (xỉ pyrít, quặng sắt, cát quắc )

Clanhke xi măng poóclăng là bán thành phẩm của công nghệ sản xuất xi măng tồntại ở dạng hạt, kích thước từ (10÷40 mm) và phụ thuộc vào dạng lò nung Theo cấu trúc

vi mô clanhke xi măng là hỗn hợp các hạt nhỏ của nhiều pha tinh thể và một lương nhỏpha thuỷ tinh

1.1.2 Thành phần khoáng hóa của xi măng poóclăng

Có 4 khoáng chính trong Clanhke xi măng Porland [1]:

• C3S - 3CaO.SiO2: Tricanxi Silicat hay Alit (45 – 65) %.

• C2S - 2CaO.SiO2: Dicanxi Silicat hay Belit (30 – 30) %

• C3A - 3CaO.Al2O3: Tricanxi Aluminat (5 – 15) %

• C4AF - 4CaO Al2O3 Fe2O3: Canxi Alumoferit (5 – 15) %

Trong đó 2 khoáng cuối cùng có tên chung là: Celit hay là các khoáng nóng chảy, làthành phần chủ yếu tạo pha lỏng của Clanhke Pooc-lăng Nếu không có nó thì khoáng thứnhất (Alit) rất khó khăn tạo thành và cả hai khoáng Alit và Belit rất khó kết luyện thànhviên/ hạt Clanhke

Ngoài ra, tùy thuộc vào các chỉ tiêu kỹ thuật chế tạo nêu trên, trong thành phầnkhoáng của Clanhke Pooc-lăng có thể có một ít các khoáng ở dạng không ổn định như:

Khoáng silíccát canxi gồm hai loại khoáng là khoáng Alít và khoáng Bêlít

- Khoáng Alít (3CaO.SiO2; tricanxi silicat, ký hiệu là C3S):

Là khoáng quan trọng nhất của clanhke xi măng póoc lăng, C3S tạo cho xi măng

có cường độ cao, đông kết rắn chắc nhanh và có ảnh hưởng nhiều đến các tính chất kháccủa xi măng Trong clanhke xi măng póoc lăng, khoáng C3S thường có hàm lượng nằmtrong khoảng (45÷60)% Khoáng alít là dung dịch rắn của 3CaO.SiO2 và một lượng nhỏ

các oxit khác có hàm lượng (2÷4)% như MgO, P2O5, Cr2O3 các oxit này nằm trong dungdịch rắn có ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của khoáng alít Cấu trúc tinh thể của3CaO.SiO2 phụ thuộc vào trạng thái kết tinh Khi ở dạng tinh khiết 3CaO.SiO2 kết tinh ởdạng khối tam diện, khi có lẫn các tạp chất thì có dạng đơn nghiêng hay lăng trụ tam giác.Khoáng C3S ở dạng tinh khiết bền vững trong khoảng nhiệt độ (1200÷1250)℃ đến(1900÷2070)℃ Ở nhiệt độ lớn hơn 2070℃, C3S bị nóng chảy Ở nhiệt độ dưới 1200℃,

C3S bị phân giải thành C2S (2CaO.SiO2) Do khoáng C3S nằm trong dung dịch rắn với cácoxit khác nên ở nhiệt độ thường hay khi làm nguội nhanh clanhke thì C3S bị phân giải rấtchậm

- Khoáng bêlít (2CaO.SiO2: đicanxi silicát, ký hiệu C2S ):

Trong clanhke xi măng C2S chiếm khoảng 20÷30%, là thành phần quan trọng củaclanhke, có đặc tính là đông kết rắn chắc chậm nhưng cường độ cuối cùng cao Bêlít làdung dịch rắn của 2CaO.SiO2 với một lượng nhỏ các ô xít khác như Al2O3, Fe2O3,

Cr2O3 Khoáng C2S được tạo thành trong clanhke ở 4 dạng thù hình  C2S, ’C2S , 

C2S , δC2S

+  C2S : bền vững ở điều kiện nhiệt độ cao từ 1425÷2130 0C, ở nhiệt độ lớn hơn

21300C,  C2S bị chảy lỏng, ở nhiệt độ nhỏ hơn 14250C khoáng  C2S chuyển sang dạng

’ C2S

+ ’C2S bền vững ở nhiệt độ 830÷14250C, khi nhiệt độ nhỏ hơn 8300C và làmlạnh nhanh thì ’C2S chuyển sang dạng C2S, còn khi làm nguội chậm bị chuyển sangdạng δC2S

+ C2S không bền luôn có xu hướng chuyển sang dạng δC2S đặc biệt là ở nhiệt độnhỏ hơn 5200C Khi C2S chuyển thành δC2S làm tăng thể tích khoảng 10% và bị phân rãthành bột

+ δC2S thì hầu như không tác dụng với nước và không có tính chất kết dính, chỉtrong điều kiện hơi nước bão hoà, khoảng nhiệt độ 150÷2000C, δC2S mới có khả năngdính kết

+ -C2S: Thì hầu như không tác dụng với nước và không có tính chất kết dính, chỉtrong điều kiện hơi nước bão hoà, khoảng nhiệt độ 150 2000C,  C2S mới có khả năngdính kết  C2S có khối lượng riêng 2,97 g/cm3

Độ bền và khả năng kết dính giảm dần từ dạng thù hình α đến ɣ Dạng mong muốn

là dạng -C2S Dạng không mong muốn là dạng - C2S

Belit tỏa ít nhiệt, bền trong môi trường nước.Belit thải ra lượng Ca(OH)2 ít hơnAlit nên nó tạo cho đá xi măng có độ bền ăn mòn rửa trôi cao hơn đá xi măng Alit

Chất trung gian phân bố giữa khoáng Alít và Bêlít là các pha Aluminôferit, pha canxiAluminat và pha thuỷ tinh.

- Khoáng celit : còn gọi là Tetra canxi aluminat

Celit là dung dịch rắn của các alumô pherit canxi có thành phần khác nhau phụ thuộcvào thành phần hóa học của phối liệu và điều kiện nung luyện … Nó có thể là tập hợpdung dịch rắn gồm : C8A3F,C6A2F, C4AF, C2F Trong clanke ximăng pooclăng thường thìkhoáng alumô pherit canxi chủ yếu là C4AF Trong clanke C4AF chiếm 10- 18 %,làkhoáng đóng rắn tương đối chậm, cho cường độ không cao lắm nhưng bền nước và bềntrong môi trường sulphat, C4AF là khoáng nặng nhất trong clinker XMPL có γ = 3,77g/cm3

- Pha canxi Aluminat : là dung dịch rắn tồn tại ở 2 dạng là C5A3 và C3A Trongclanke xi măng póoc lăng thường nằm chủ yếu ở dạng khoáng C3A (3CaO.Al2O3-tricanxialuminát) Đặc điểm của khoáng này là đông kết rắn chắc nhanh và dễ tạo nên các ứngsuất gây nứt sản phẩm trong môi trường xâm thực sunphat

- Pha thuỷ tinh: có trong clanhke xi măng poóclăng với hàm lượng từ 5 ÷15%.Thành phần của pha thuỷ tinh bao gồm một số loại ô xít như CaO, Fe2O3, Na2O, K2O,…

- Ngoài ra trong clanhke xi măng poóclăng còn tồn tại một lượng CaO và MgO tự

do, chúng thường là các hạt già lửa nên tác dụng với nước rất chậm khi xi măng đã đôngkết rắn chắc chúng mới thuỷ hoá gây nên ứng suất phá hoại cấu trúc của sản phẩm như bịnứt, rữa, Làm thay đổi thể tích của sản phẩm và làm giảm cường độ của đá xi măng

- Khoáng C3A:

C3A nằm xen giữa các hạt Alit và Belit cùng với Canxi Alumoferit (C4AF) Trongthành phần của C3A cũng chứa một số tạp chất như SiO2, Fe2O3, MgO, K2O, Na2O

C3A là khoáng quan trọng cùng với Alit tạo ra cường độ ban đầu của đá xi măng

Xi măng chứa nhiều C3A toả nhiều nhiệt khi đóng rắn, nếu thiếu hoặc không cóthạch cao để làm chậm sự đông kết thì xi măng sẽ bị đóng rắn rất nhanh

C3A có tỷ trọng 3,04 g/cm3, cho cường độ cao nhưng kém bền trong môi trườngsunphat

- Khoáng Canxi Alumoferit (C4AF):

C4AF cũng là chất trung gian, có tỷ trọng 3,77 g/cm3, màu đen, nằm xen giữa cáchạt Alit và Belit cùng với khoáng C3A

Khi nung clanhke, do phản ứng của CaO với Fe2O3 tạo thành các khoáng nóngchảy ở nhiệt độ thấp (600÷7000C) như CaO.Fe2O3 (CF), C3F Sau đó các khoáng nàytiếp tục phản ứng với Al2O3 tạo thành các khoáng Canxi Alumoferit có thành phần thayđổi như C2F, C6A2F, C4AF, C6AF2 Các khoáng này bị nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ

12500C và trở thành pha lỏng cùng với các khoáng Canxi Aluminat, tạo ra môi trườngcho phản ứng tạo thành khoáng C3S, nên chúng thường được gọi là chất trung gian hoặcpha lỏng clanhke.

Khi tác dụng với nước, Canxi Alumoferit thuỷ hoá chậm, toả nhiệt ít và chocường độ thấp

b) Thành phần hóa của clanhke xi măng poóclăngClanhke xi măng poóclăng bao gồm các khoáng chính là CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3

với tổng hàm lượng là 95÷97% (theo khối lượng) Ngoài ra còn có các ôxít khác với hàmlượng nhỏ như : MgO, TiO2, Na2O, P2O5, SO3, Hàm lượng các ô xít phụ thuộc vàonguyên vật liệu ban đầu và quy trình công nghệ sản xuất Trong clanhke xi măngpoóclăng tỷ lệ thành phần các ôxít thường dao động trong khoảng:

- Canxi ôxít (CaO): Chủ yếu trong nguyên liệu đá vôi, trong quá trình nung luyện

tạo thành clanhke ở các điều kiện nhất định chúng sẽ liên kết với các ôxít khác tạo nêncác hợp chất hoá học quyết định tốc độ đông kết rắn chắc và cường độ của xi măng Khihàm lượng CaO càng lớn thì khả năng tạo thành các hợp chất dạng khoáng canxi silicat

có độ bazơ cao (C3S) trong clanhke càng nhiều, cho xi măng đông kết rắn chắc nhanhcường độ cao nhưng xi măng lại kém bền trong môi trường xâm thực sunfat Hàm lượngCaO nhiều đòi hỏi nhiệt độ nung phải lớn khó nung luyện và để lại trong clanhke mộtlượng canxi ôxít tự do nhiều, có hại cho xi măng Vì vậy, trong clanhke xi măng người taphải khống chế hàm lượng CaO hợp lý(khoảng 63÷66%) Tuy nhiên, khả năng phản ứngCaO với các ôxít khác để tạo thành các khoáng trong clanhke còn phụ thuộc vào bản chấtcủa các ôxít trong nguyên liệu, chế độ gia công hỗn hợp nguyên liệu và chế độ nung

- Silic ôxít (SiO2): Chủ yếu trong nguyên liệu đất sét, trong quá trình nung luyệnclanhke SiO2 sẽ tác dụng với CaO tạo thành các hợp chất dạng khoáng canxi silicat Khi

hàm lượng SiO2 càng nhiều thì ngoài việc tạo thành khoáng C3S ra, khoáng canxi silicat

có độ bazơ thấp (C2S) được hình thành sẽ tăng lên Hàm lượng khoáng C2S tăng làm ximăng đông kết rắn chắc chậm và cường độ phát triển chậm ở thời kỳ đầu của quá trìnhrắn chắc đá xi măng Tuy nhiên loại xi măng có hàm lượng C2S cao lại có khả năng bềntrong nước và môi trường xâm thực sunfat Khi hàm lượng SiO2 trong clanhke ít, khoáng

C3S được tạo thành nhiều, sẽ làm cho xi măng đông kết rắn chắc nhanh, cường độ caosong quá trình nung luyện khó, để lại lượng vôi (CaO) tự do lớn Vì vậy trong clanhke ximăng thì ôxít SiO2 cần phải khống chế ở một tỉ lệ thích hợp (thường chiếm khoảng 21÷

24% khối lượng clanhke)

Ngoài ra, khi SiO2 có độ hoạt tính càng cao thì quá trình tạo khoáng khi nung càngnhanh và càng triệt để

- Nhôm ôxít (Al2O3): Trong clanhke xi măng ôxít này được đưa vào chủ yếu từ đấtsét, khi nung luyện, ôxít nhôm tham gia vào quá trình tạo nên các khoáng nóng chảy canxiAluminat Khi hàm lượng Al2O3 càng nhiều khoáng C3A tạo thành càng lớn, khả năngxuất hiện pha loãng trong clanhke càng sớm và càng nhiều, nó có khả năng tạo cho ximăng đông kết rắn chắc nhanh nhưng cường độ thấp và kém bền trong môi trường sunfat.Trong clanhke hàm lượng ô xít nhôm chiếm khoảng 4÷8%

- Sắt ôxít (Fe2O3): có tác dụng làm giảm nhiệt độ thiêu kết của quá trình nung luyện

và tham gia vào quá trình tạo khoáng tetracalcium Aluminôferit (C4AF) Hàm lượng ô xítnày trong clanhke xi măng càng lớn thì nhiệt độ nung được hạ thấp, khoáng C4AF đượctạo thành nhiều xi măng nâng cao được độ bền trong môi trường xâm thực sunfat nhưnglại cho mác xi măng không cao Thông thường tổng hàm lượng ôxít Fe2O3 chiếm khoảng

2÷4%

Ngoài các ôxít chính tham gia vào quá trình tạo khoáng còn có một hàm lượng nhỏcác ô xít khác như :

- Magiê ôxít (MgO): là thành phần có hại cho xi măng, là nguyên nhân gây sự mất ổn

định thể tích khi xi măng đã đông kết rắn chắc Thường trong clanhke sản xuất xi mănglượng ôxít MgO được khống chế với hàm lượng < 5%

- Titan ôxít (TiO2): Hàm lượng của nó từ 0,1÷0,5% thì sẽ làm tốt cho quá trình kếttinh các khoáng, khi hàm lượng từ 2÷4% thì TiO2 sẽ thay thế một phần SiO2 trong ximăng, làm tăng cường độ của xi măng.

- Crôm ôxít (Cr2O3) và phốt pho ô xít (P2O5) : khi hàm lương của các ôxít này nằmvào khoảng 0,1÷0,3% sẽ có tác dụng tốt là thúc đẩy quá trình đông kết ở thời kỳ đầu, tăngcường độ cho xi măng Nhưng với hàm lượng lớn (1÷2%) có tác dụng ngược lại làm chậmthời gian đông kết rắn chắc và làm suy giảm cường độ của đá xi măng

- Ôxít kiềm kali và kiềm natri (K2O + Na2O) : do đất sét đưa vào: trong clanhke hàmlượng chúng khoảng 0,5÷1% Khi hàm lượng các ô xít này lớn hơn 1% sẽ gây nên sự mất ổnđịnh thể tích của xi măng đặc biệt là gây nên sự tách, nứt trong bê tông thuỷ công do các ôxít kiềm này có khả năng tác dụng với CaO, Al2O3 tạo nên các khoáng trương nở thể tích là

Na2O.8CaO.3Al2O3(NC8A3), K2O.8CaO.3Al2O3 (KC8A3) hoặc tác dụng với SO3 tạo nênkhoáng nở thể tích là K2SO4, Na2SO4,

- CaO tự do: Trong clanhke thường, CaO tự do tồn tại trong giới hạn cho phép 0 – 1%

CaO tự do được tạo thành do trong quá trình nung nó không liên kết hoàn toàn với cácoxit khác hoặc do trong quá trình làm lạnh có sự phân hủy một phần các khoáng alit hoặckhoáng C3A.Nếu hàm lượng CaO tự do cao, trong quá trình đóng rắn do khả năng hydrathóa chậm, khi hydrat hóa tạo thành Ca(OH)2 không đồng thời với các khoáng khác, gâygiãn nở thể tích, dẫn đến phá hủy cấu trúc đá xi măng

1.1.3 Các đặc trưng của clanhke xi măng

Chất lượng của clanhke xi măng được đánh giá qua thành phần hoá học và thànhphần khoáng Để đánh giá một cách tổng quát hơn thành phần của xi măng người tathường đánh giá chúng thông qua các hệ số đặc trưng

CÁC HỆ SỐ ĐẮC TRƯNG CỦA CLANHKE XI MĂNG LÀ:

Thông thường hệ số bazơ vào khoảng 1,7÷2,4 Khi hệ số này nhỏ hơn 1,7 xi măng

có cường độ không cao Khi m lớn hơn 2,4 xi măng có cường độ cao nhưng nhiệt độnung phải lớn, độ ổn định thể tích kém, nhiệt độ thuỷ hoá lớn và kém bền trong môitrường nước xâm thực

b Hệ số Silicat(ký hiệu n) :

Là tỷ lệ % giữa hàm lượng SiO2 với tổng hàm lượng % của Fe2O3 và Al2O3

n= SiO2

A l2O3+F e2O3

Khi hệ số n tăng làm tăng hàm lượng khoáng silicat canxi có độ bazơ thấp, do

đó xi măng có thể ninh kết đóng rắn chậm ở thời kỳ đầu và cường độ cuối cùng cao Khi n giảm thì hàm lượng các khoáng nóng chảy lớn, clanhke có nhiệt độ nung thấp,

dễ nung luyện Đối với xi măng poóclăng n hợp lý nhất là 2,2 ÷ 2,6

Ý nghĩa KH: là biểu thị lượng CaO thực tế liên kết với SiO2 để tạo thành C3S trongclanhke xi măng KH = 1 nghĩa là CaO liên kết hoàn toàn với SiO2.

Giá trị KH trong clanhke xi măng phụ thuộc vào thành phần và tính chất của nhiênliệu sử dụng, dạng lò nung, điều kiện nung luyện và một số nhân tố khác Khi giá trị

KH lớn thì khoáng C3S tạo thành nhiều, xi măng đông kết rắn chắc nhanh cường độcao nhưng không bền trong môi trường nước và sunfat, hỗn hợp nguyên liệu khó thiêukết Khi giá trị KH thấp thì khoáng C3S tạo thành ít hơn C2S nên xi măng đông kếtrắn chắc chậm, cho cường độ thấp ở thời kỳ đầu nhưng cường độ cuối cùng lại cao

Hệ số KH thích hợp thuờng dao động trong khoảng 0,85÷0,95

- Hệ số LSF:

Mức độ vôi trong clankke còn được đặc trưng bởi nhân tố bão hòa vôi LSF là tỉ

số của hàm lượng vôi thực tế so với hàm lượng vôi lớn nhất trong clanhke ( tính theo

%) Giá trị LSF với xi măng thông thường 90 ÷ 95%; với xi măng cường độ phát triển

nhanh 95 ÷ 98%.

LSF= 100CaO: (2,8SiO2+1,65Al2O3+0,35Fe2O3) khi P >0,64

LSF= 100CaO: (2,8SiO2+1,1Al2O3+0,7Fe2O3) khi P <0,64

Hàm lượng vôi tiêu chuẩn : -Với xi măng thông thường 90-95

-Với xi măng cường độ phát triển nhanh 95-98

Ngoài ra để đánh giá tỉ lệ thành phần clanhke xi măng người ta còn dùng một số các hệ sốkhác như:

* Hệ số nhiệt MK: M k= C3S +C3A

C2S +C4AF

Khi MK càng lớn thì xi măng toả nhiệt càng lớn, MK thường nằm trong giới hạn 0,3÷

1,8

1.2 Các tính chất kỹ thuật của xi măng

1.2.1 Khối lượng riêng và khối lượng thể tích

a) Khối lượng riêng (ρ o):

Khối lượng riêng là đại lượng biểu thị cho khối lượng của một đơn vị thể tích vậtliệu hoàn toàn đặc không có lỗ rỗng Đơn vị đo là g/cm3

Khối lượng riêng của xi măng poóc lăng chủ yếu phụ thuộc vào thành phầnkhoáng, nhiệt độ kết khối của clanhke xi măng Loại và hàm lượng phụ gia trong xi măngcũng sẽ làm cho khối lượng riêng của xi măng thay đổi

Khối lượng riêng của xi măng chủ yếu được xác định bằng bình thuỷ tinh có khắcvạch chỉ dung tích Bằng phương pháp xác định thể tích của dung dịch không phản ứngthủy hoá với xi măng (như dầu hoả) bị khối lượng xi măng chiếm chỗ trong bình để tínhkhối lượng riêng của xi măng Xi măng poóclăng thông thường có khối lượng riêng

ρ0 =3 , 0÷ 3 , 2 g /cm3, xi măng poóclăng xỉ và xi măng poóclăng puzơlan thường có

Loại xi măng poóc lăng thông thường có khối lượng thể tích xốp từ 0,9 - 1, 1g/cm3

và ở trạng thái lèn chặt từ 1,4: 1,7 g/cm3

Xi măng poóc 1ăng xỉ có khối lượng thể tích xốp từ 0,9 - 1,2 g/cm3 và ở trạng tháilèn chặt từ 1,4 - 1,8 g/cm3

1.2.2 Độ mịn của xi măng

Độ mịn của xi măng ảnh hưởng đến chất lượng xi măng Hạt xi măng càng mịn tốc

độ thuỷ hoá càng nhanh đạt đến triệt để, do đó cường độ xi măng sẽ phát triển nhanh Để đánh giá độ mịn của hạt xi măng người ta dùng một đại lượng gọi là tỷ diện tích, đó là tổng diện tích bề mặt các hạt của một đơn vị khối lượng xi măng Độ mịn có thể được xácđịnh bằng cách sàng trên sàng No008 (4900 lỗ/cm2) hoặc đo tỷ diện tích bề mặt của xi măng (cm2/g) Đối với loại xi măng bình thường yêu cầu lượng sót trên sàng không quá 15%, tương ứng với tỷ diện tích là 2500÷3000 cm2/g

TCVN 6067:2018 quy định xi măng PC30 và PC40 có lượng sót sàng 90 m không lớn hơn 10%, theo phương pháp Blaine không được nhỏ hơn 2800 cm2/g

TCVN 6067:2018 quy định xi măng PCB30 và PCB40 có lượng sót sàng 90mkhông lớn hơn 10%, theo phương pháp Blaine không được nhỏ hơn 2800 cm2/g

1.2.3 Lượng nước yêu cầu và độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng

Lượng nước yêu cầu (lượng nước tiêu chuẩn) là lượng nước hyđrat hoá các khoángcủa clanhke xi măng để đảm bảo cho hồ xi măng có độ linh động cần thiết, tương ứng vớilượng nước tiêu chuẩn cho ta hồ xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn Lượng nước yêu cầu của

xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng của clanhke, độ mịn của xi măng và loại phụgia cho vào khi nghiền clanhke xi măng Lượng nước tiêu chuẩn của xi măng được xácđịnh bằng dụng cụ kim Vica theo TCVN 6067:2018 Lượng nước tiêu chuẩn xi măng PCthường từ 2129%, và của xi măng PCB thường từ 2432%

1.2.4 Thời gian đông kết của xi măng poóclăng:

Quá trình một hỗn hợp xi măng với nước tương đối linh động dần dần đặc lại và cócường độ ban đầu nào đó gọi là quá trình đông kết Thời gian đông kết phụ thuộc vàothành phần khoáng của clanhke, độ nghiền mịn của xi măng, phụ gia trong xi măng, điềukiện môi trường và lượng nước tiêu chuẩn khi đưa vào nhào trộn Thời gian đông kếtcũng được xác định bằng dụng cụ Vica theo TCVN 6067:2018 Theo TCVN 6067:2018yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng PC như sau: thời gian bắt đầu đông kết khôngsớm hơn 45 phút; thời gian kết thúc đông kết không chậm hơn 375 phút

1.2.5 Tính ổn định thể tích của xi măng

Khi xi măng đông kết rắn chắc cần phải ổn định thể tích Sự thay đổi thể tích trongquá trình đông kết rắn chắc của xi măng sẽ làm giảm cường độ của bê tông khi đóng rắn,gây các vết nứt, rạn hoặc phá hoại sản phẩm Nguyên nhân chính của sự thay đổi thể tích

là do trong xi măng có chứa một lượng CaO và MgO tự do, các hạt này ở dạng hạt già lửanên tác dụng với nước rất chậm, sau khi xi măng đã đông kết rắn chắc, chúng mới thamgia phản ứng thuỷ hoá làm tăng thể tích, phá hoại cấu trúc sản phẩm

Theo TCVN 3067:2018, độ ổn định thể tích của xi măng được xác định theo phươngpháp Lơ Chatelier không lớn hơn 10 mm

1.2.6 Cường độ và mác của xi măng

Cường độ xi măng là giá trị lực biểu thị cho độ bền cơ học của đá xi măng, bê tôngtrên một đơn vị diện tích Đơn vị của cường độ là N/ mm2 (hoặc MPa) Cường độ ximăng bao gồm cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén đồng nghĩa với cách gọi này,

trong các tài liệu chuyên ngành còn dùng các thuật ngữ nh độ bền uốn, độ bền nén, độbền chịu uốn, độ bền chịu nén, giới hạn bền uốn, giới hạn bền nén.

Ngoài các tính chất kỹ thuật kể trên còn các tính chất như :

- Lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết

- Nhiệt thủy hóa của xi măng

- Độ bền ăn mòn của đá xi măng

- Sự co nở thể tích của đá xi măng

- Độ trắng của xi măng

Do vậy người ta đã qui định mác của xi măng thông qua giá trị cường độ nén của những mẫu thí nghiệm với tỉ lệ X:C = 1:3 và dưỡng hộ 28 ngày trong môi trường có nhiệt

độ 27±20C và độ ẩm 90 ÷ 100 %.Cường độ của xi măng được xác định theo TCVN

6067:2018 Cường độ của xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng, cấu trúc của

clanhke, lượng nước nhào trộn, lượng dùng phụ gia và môi trường rắn chắc

Mác của xi măng là giá trị cường độ chịu nén trung bình đã làm tròn theo xu hướng

an toàn của 6 nửa mẫu vữa 40x40x160 mm được chế tạo từ hỗn hợp cát + xi + nước trộntheo tỉ lệ tiêu chuẩn ở tuổi 28 ngày

Bảng 1.2 Chỉ tiêu cường độ của xi măng poóclăng theo TCVN 2682:2020

2140

2550

2 Thời gian đông kết, phút

- Bắt đầu, không nhỏ hơn

- Kết thúc, không nhỏ hơn

45375

4 Độ ổn định thể tích, xác định theo phương pháp Le

5 Hàm lượng anhydric sunphuric (SO3), %, không lớn 3,5

6 Hàm lượng magie oxit (MgO), %, không lớn hơn 5,0

7 Hàm lượng mất khi nung (KMN), %, không lớn hơn 3,0

8 Hàm lượng cặn không tan (CKT), %, không lớn hơn 1,5

9 Hàm lượng kiềm quy đổi(1) (Na2Oqđ)2, %, không lớn

Tốc độ phát triển cường độ(so với 28 ngày), %

12,512,512,512,5

1381266333

23819711688

346369264203

398375293269

40383116

69605743

100100100100

11510211133 Cường độ xi măng phụ thuộc vào cấu trúc của clanhke Clanhke có hàm lượng phalỏng lớn và kích thước các tinh thể C3S, C2S nhỏ thì cường độ xi măng cao Độ mịn của

xi măng và thời gian bảo quản cũng ảnh hưởng đến cường độ và các tính chất khác của ximăng Sau 3 tháng bảo quản, cường độ xi măng có thể giảm từ 15÷20%, sau 6 thángcường độ giảm 20÷30% so với xi măng mới nghiền Xi măng có pha các loại phụ giakhoáng hoạt tính như trêpen, điatômít, gây nên sự giảm cường độ nhanh hơn trong thờigian bảo quản

1.2.7 Sự co ngót và trương nở của đá xi măng khi thay đổi độ ẩm

Các sản phẩm được sản xuất từ hồ, vữa và bê tông xi măng có sự co ngót haytrương nở thể tích khác nhau phụ thuộc vào điều kiện môi trường sử dụng Khi sử dụngtrong môi trường không khí có độ ẩm tương đối thấp hơn độ ẩm của sản phẩm, nước sẽ bịbốc hơi và sản phẩm bắt đầu bị sấy khô Đầu tiên nước tự do trong các lỗ rỗng lớn và trên

bề mặt bị bay hơi, sau đó đến nước trong các mao quản có kích thước nhỏ Sự bay hơinước của sản phẩm xảy ra cho đến khi đạt được cân bằng giữa hàm lượng ẩm trong môitrường không khí và trong mẫu.

Khi sấy sản phẩm ở nhiệt độ cao, nước trong sản phẩm bị bốc hơi Nhiệt độ sấy càng cao, sự bốc hơi nước xảy ra càng mạnh, không những nước trong mao quản mà cả nước liên kết hóa học cũng bị bay hơi Quá trình mất nước và làm khô sản phẩm làm xuấthiện áp lực lớn dẫn đến co ngót thể tích sản phẩm, gây nên vết nứt lớn hoặc nứt tế vi làm giảm cường độ Khi lượng nước bị bốc hơi từ sản phẩm càng nhiều, áp lực tạo nên trong mẫu càng lớn, vì vậy biến dạng co ngót tăng Độ ẩm tương đối của môi trường càng nhỏ,

sự co ngót sản phẩm càng lớn

Sự trương nở và co ngót của sản phẩm phụ thuộc không những vào điều kiện độ

ẩm của môi trường mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Khi cấu trúc đá xi măng càng đặc chắc thì sự thay đổi thể tích càng nhỏ Sử dụng xi măng có độ mịn cao làm tăng

sự co ngót ở giai đoạn đầu đóng rắn Hàm lượng nước nhào trộn xi măng có ảnh hưởng lớn đến co ngót của sản phẩm Khi lượng nước nhào trộn càng lớn thì lượng nước dư càng nhiều, lỗ rỗng trong sản phẩm càng lớn, do đó sự co ngót của sản phẩm càng lớn Mặt khác lượng nước nhào trộn lớn làm tăng độ ẩm cân bằng của sản phẩm, do đó khả năng bốc ẩm trong môi trường càng lớn

Áp suất của môi trường xung quanh giảm làm bốc hơi nước từ các mao quản nhỏ của đá xi măng, do đó sản phẩm bị co ngót Khi độ ẩm tương đối trong môi trường thấp,

sự co ngót còn xảy ra do sự mất nước hóa học của các sản phẩm hyđrô silicát canxi thủy hóa trong đá xi măng Các hyđrô silicát canxi có tỷ lệ C/S = 0,8÷1 chứa từ 2,5÷2,8 phần

tử nước trong môi trường có độ ẩm tương đối ≤ 35% sẽ bị mất nước dần Sự bay hơi nước của các tinh thể tôbermorit và các pha khác như CSH(B) kèm theo sự co ngót lớn khi độ ẩm của môi trường thấp

1.3 Nguyên liệu sản xuất clanhke xi măng póoc lăng

Nguyên liệu trực tiếp để sản xuất clanhke xi măng bao gồm đá, đất và các phụ gia điềuchỉnh thành phần phối liệu như quặng sắt, nguyên liệu giàu silíc, các nguyên liệu chínhdùng để sản xuất clanhke xi măng poóclăng cần phải thoả mãn các qui phạm đã qui địnhsau:

Đá vôi

Hàm lượng CaO, %Hàm lượng MgO, %Hàm lượng SiO2, %Hàm lượng sét, %

1.3.1 Đá vôi

Đá vôi để sản xuất clanhke xi măng chủ yếu để cung cấp ôxít CaO, trong đá vôi hàmlượng các cấu tử CaO chiếm từ 76÷80% và có lẫn một lượng nhỏ các hợp chất khác nhưsắt, đất sét, các tạp chất hữu cơ, Tính chất và thành phần của loại đá vôi ảnh hưởng đếnviệc lựa chọn công nghệ sản xuất xi măng

1.3.2 Đất sét

Đất sét sử dụng để sản xuất clanhke xi măng nhằm cung cấp các ôxít SiO2, Al2O3,

Fe2O3 bao gồm đất sét, đất hoàng thổ, phiến thạch sét Đất sét là khoáng kết tủa giàu hạtnhỏ, dễ tạo thành huyền phù khi khuấy trộn với nước Thành phần khoáng chủ yếu củađất sét là khoáng Alumô silicat ngậm nước tồn tại ở dạng Al2O3.2SiO2.2H2O Ngoài ra

trong đất sét còn có lẫn các hợp chất khác như cát, tạp chất hữu cơ, Fe2O3 và các ôxítkiềm,

1.3.3 Các phụ gia trong sản xuất xi măng

Trong công nghệ sản xuất chất kết dính vô cơ người ta sử dụng nhiều loại phụ gia nhằmmục đích: cải thiện các tính chất kỹ thuật của chất kết dính, điều chỉnh mác chất kết dính(phụ gia đầy), nâng cao hiệu suất của thiết bị công nghệ (phụ gia công nghệ)

- Phụ gia thạch cao:

Đây là phụ gia bắt buộc phải đưa vào khi nghiền clanhke xi măng, khi đưa vào nghiềncùng clanhke, thạch cao có tác dụng điều chỉnh tốc độ đông kết và đóng rắn của xi măng.Thạch cao có thành phần khoáng chủ yếu là CaSO4.2H2O, ngoài ra còn có các chất khácvới hàm lượng nhỏ Màu sắc của đá thạch cao phụ thuộc vào lượng tạp chất lẫn trong nó,thông thường đá thạch cao thường có màu trắng đục, có ố vàng và mềm hơn đá vôi

- Phụ gia khoáng hoạt tính:

Là loại phụ gia có thể kết hợp với Ca(OH)2 ở nhiệt độ thường qua các phản ứng silicátngậm nước làm tăng khả năng chịu lực và độ bền trong môi trường nước cho sản phẩm.Phụ gia hoạt tính gồm có hai loại: loại có nguồn gốc tự nhiên như khoáng puzơlan,trêpen, điatômít, bazan, bọt núi lửa, tro núi lửa, ; loại có nguồn gốc nhân tạo bao gồmcác phế thải công nghiệp như tro xỉ bazơ (thải phẩm của nhà máy thép), tro xỉ axít (thảiphẩm của nhà máy nhiệt điện nồi hơi, ), tro trấu, gạch đất sét non lửa

- Phụ gia đầy:

Là loại phụ gia không có khả năng kết hợp với vôi ở nhiệt độ thường, nhưng ở môitrường hơi nước bão hoà và có nhiệt độ áp suất cao chúng có khả năng kết hợp vớiCa(OH)2 theo các phản ứng silicát giúp nâng cao khả năng chịu lực và độ rắn chắc chosản phẩm Phụ gia đầy thường là cát thạch anh và đá vôi nghiền mịn Trong xi măng, loạiphụ gia đầy không vượt quá 20% so với khối lượng clanhke

- Phụ gia hoạt tính bề mặt:

Loại phụ gia này có khả năng hoạt tính bề mặt cao Khi chất kết dính thuỷ hoá chúng sẽtạo thành một màng mỏng trên bề mặt làm thay đổi trạng thái bề mặt hạt chất kết dính khithấm nước, giảm ma sát trượt, tăng độ dẻo của hỗn hợp nên nên thường được gọi là cácchất phụ gia tăng dẻo hay phụ gia siêu dẻo Một số phụ gia thuộc loại này là bã rượusunfit, nước thải bã giấy, các loại axít béo tổng hợp

- Phụ gia công nghệ:

Để nâng cao hiệu quả của thiết bị công nghệ như: phụ gia thúc đẩy quá trình tạo khoángtrong lò nung xi măng, phụ gia trợ nghiền nâng cao hiệu suất nghiền clanhke xi măng,phụ gia kéo dài thời gian bảo quản xi măng

1.3.4 Các nguyên liệu điều chỉnh:

- Nguyên liệu giàu silic:

Để điều chỉnh hệ số silicat (n), trong trường hợp nguồn sét của nhà máy có SiO2 thấp, có thể sử dụng các loại nguyên liệu cao silic Các nguyên liệu thường sử dụng là các loại đấthoặc đá cao silic có SiO2 > 80% ví dụ như quắc zít.

- Nguyên liệu giàu sắt:

Để điều chỉnh hệ số alumin (p) nhằm bổ sung hàm lượng Fe2O3 cho phối liệu, vì hầu hết các loại sét đều không có đủ Fe2O3 theo yêu cầu Các loại nguyên liệu cao sắt thường được sử dụng ở nước ta là: quặng sắt (Thái Nguyên, Thanh Hóa, Lạng Sơn) chứa Fe2O3 =

65 - 85%, xỉ pirit Lâm Thao chứa Fe2O3 = 55 - 68%, hoặc quặng Laterit ở các tỉnh miền Trung với Fe2O3 = 35 - 50%

- Nguyên liệu giàu nhôm:

Để điều chỉnh hệ số alumin (p) nhằm bổ sung hàm lượng Al2O3 cho phối liệu Nguồn phụgia cao nhôm thường sử dụng là quặng bôxít ở Lạng Sơn, Cao Bằng, Lâm Đồng có chứa

Al2O3 = 44 - 58% Ta cũng có thể sử dụng cao lanh hoặc tro xỉ nhiệt điện nhưng tỷ lệ dùng khá cao và hiệu quả kinh tế thấp hơn do phải vận chuyển khối lượng lớn đi xa

1.4 Công nghệ sản xuất :

1.4.1 Nguyên liệu sản xuất

Để sản xuất xi măng Pooc-lăng cần phải sử dụng nhiều loại nguyên liệu và được chiathành:

Nguyên liệu chính: Đá vôi, đất sét

Nguyên liệu điều chỉnh

Phụ gia: bao gồm các phụ gia đưa vào khi nghiền clanhke

Yêu cầu của nguyên liệu sử dụng để sản xuất clanhke xi măng phải có chứa các thành phần oxit chính của clanhke như: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 Trong tự nhiên không thể có loại nguyên liệu nào đáp ứng đủ các thành phần như trong clanhke xi măng, do đó cần phải tính toán phối hợp các nguyên liệu với nhau

Trong thực tế ta sử dụng đá vôi cung cấp CaO và đất sét là nguồn cung cấp SiO2,

Al2O3, Fe2O3 Tuy nhiên để đủ đảm bảo các oxit theo đúng tỉ lệ yêu cầu nhằm thoả mãn các hệ số LSF (KH), n, p thì khó tìm được loại đá vôi và đất sét có đủ thành phần như ý muốn Vì vậy trong sản xuất thường phải sử dụng thêm phụ gia điều chỉnh như: quặng sắt, boxit, quazt để bổ sung thêm các thành phần hoá khi đá vôi và đất sét không đảm bảo theo yêu cầu Các nguồn nguyên liệu sử dụng phải theo tiêu chuẩn Việt Nam:

Bảng 1.4: Hàm lượng các khoáng yêu cầu trong đá vôi.

CaCO3 MgCO3 SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2O + Na2O SO3

Thông thường đá vôi thường sử dụng tại các nhà máy xi măng ở nước ta có hàm lượng CaCO3 = (90  98)%, MgO ≤ 3 %, ngoài ra có thể sử dụng đá vôi san hô, đá phấn, đá mác nơ vỏ

- Đất sét:

Đất sét sử dụng để sản xuất clanhke xi măng nhằm cung cấp các oxit SiO2, Al2O3,

Fe2O3 bao gồm đất sét, đất hoàng thổ, phiến thạch sét

Đất sét là khoáng kết tủa giàu hạt nhỏ, dễ tạo thành huyền phù khi khuấy trộn với nước, có khối lượng riêng 1,82 g/cm3 và độ ẩm W < 15-25% Thành phần khoáng chủ yếu của đất sét là khoáng Alumôsilicat ngậm nước tồn tại ở dạng Al2O3.2SiO2.2H2O Ngoài ra trong đất sét còn có lẫn các hợp chất khác như cát, tạp chất hữu cơ, Fe2O3 và cácoxit kiềm

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6071 – 2013 hỗn hợp sét dùng làm sản xuất xi măng Pooc-lăng phải có hàm lượng oxit trong khoảng sau:

Bảng 1.6: Hàm lượng các khoáng yêu cầu trong đất sét

1.4.3 Nguyên liệu điều chỉnh:

- Nguyên liệu giàu silic:

Để điều chỉnh hệ số silicat (n), trong trường hợp nguồn sét của nhà máy có SiO2 thấp,

có thể sử dụng các loại nguyên liệu cao silic Các nguyên liệu thường sử dụng là các loại đất hoặc đá cao silic có SiO2 > 80%, ví dụ như quắc zít

- Nguyên liệu giàu sắt:

Để điều chỉnh hệ số alumin (p) nhằm bổ sung hàm lượng Fe2O3 cho phối liệu vì hầu hết các loại sét đều không có đủ Fe2O3 theo yêu cầu Các loại nguyên liệu cao sắt thường được sử dụng ở nước ta là: quặng sắt (Thái Nguyên, Thanh Hóa, Lạng Sơn), xỉ pirit Lâm Thao hoặc quặng Laterit ở các tỉnh miền Trung

- Nguyên liệu giàu nhôm: Để điều chỉnh hệ số alumin (p) nhằm bổ sung hàm lượng

Al2O3 cho phối liệu Ví dụ như quặng boxit

1.4.4 Các phụ gia trong sản xuất xi măng:

Trong công nghệ sản xuất chất kết dính vô cơ người ta sử dụng nhiều loại phụ gia nhằm mục đích: điều chỉnh thành phần hoá của nguyên liệu mặt khác để cải thiện các tínhchất kỹ thuật của chất kết dính, điều chỉnh mác chất kết dính (phụ gia đầy), nâng cao hiệusuất của thiết bị công nghệ (phụ gia công nghệ).

- Phụ gia thạch cao:

Đây là phụ gia bắt buộc phải đưa vào khi nghiền clanhke xi măng (3-5%), khi đưa vào nghiền cùng clanhke, thạch cao có tác dụng điều chỉnh thời gian đông kết và tốc độ đóng rắn của xi măng

Thạch cao có thành phần khoáng chủ yếu là CaSO4.2H2O, ngoài ra còn có các chất khác với hàm lượng nhỏ Màu sắc của đá thạch cao phụ thuộc vào lượng tạp chất lẫn trong nó, thông thường đá thạch cao thường có màu trắng đục, có ố vàng và mềm hơn đá vôi

Thạch cao thiên nhiên (Natural gypsum): Khoáng vật, có thành phần chủ yếu là canxisunphát ngậm hai phân tử nước, ở dạng tinh thể, có công thức hóa học là

CaSO4.2H2O

Thạch cao nhân tạo (Synthetic gypsum): Thạch cao có nguồn gốc từ quá trình xử lý khí thải chứa SO3 hoặc là sản phẩm phụ của một quá trình công nghệ nào đó Thạch cao nhân tạo là một trong các hợp chất sau CaSO4.2H2O, CaSO4.1/2H2O, CaSO4 hoặc là hỗn hợp của các hợp chất trên trên

- Phụ gia khoáng (mineral additives):

Là vật liệu vô cơ thiên nhiên hoặc nhân tạo pha vào xi măng ở dạng nghiền mịn để đạt được chỉ tiêu chất lượng yêu cầu và không gây ảnh hưởng xấu đến tính chất của xi măng, bê tông và cốt thép

Phụ gia khoáng được chia làm 2 loại: phụ gia đầy và phụ gia khoáng hoạt tính

- Phụ gia khoáng hóa (mineralization admixture):

Là hợp chất có trong tự nhiên hoặc nhân tạo được đưa vào phối liệu để thúc đẩy sự hình thành các khoáng của clanhke trong quá trình nung luyện

- Phụ gia khoáng hoạt tính (active mineral additives):

Là phụ gia khoáng được đưa vào xi măng ở dạng nghiền mịn có tính chất thủy lực hoặc puzolan.Có thể kết hợp với Ca(OH)2 ở nhiệt độ thường qua các phản ứng silicát ngậm nước làm tăng khả năng chịu lực và độ bền trong môi trường nước cho sản phẩm

- Phụ gia kỵ ẩm (hydrophobic admixture):

Là phụ gia công nghệ được đưa vào trong quá trình nghiền xi măng tạo thành màng bao quanh hạt xi măng, làm giảm tính hút ẩm của xi măng, nhờ đó kéo dài thời gian bảo quản xi măng

- Phụ gia trợ nghiền (grinding additives):

Là phụ gia công nghệ được đưa vào trong quá trình nghiền nhằm cải thiện quá trình nghiền của xi măng.

- Phụ gia đầy:

Là phụ gia khoáng pha vào xi măng ở dạng nghiền mịn, chủ yếu để cải thiện thành phần cỡ hạt và cấu trúc đá xi măng.Loại phụ gia này không có khả năng kết hợp với vôi ởnhiệt độ thường, nhưng ở môi trường hơi nước bão hoà và có nhiệt độ áp suất cao chúng

có khả năng kết hợp với Ca(OH)2 theo các phản ứng silicát nâng cao khả năng chịu lực vàrắn chắc cho sản phẩm, phụ gia đầy thường là cát thạch anh và đá vôi nghiền mịn

- Phụ gia công nghệ:

Để nâng cao hiệu suất của thiết bị công nghệ như: phụ gia thúc đẩy quá trình tạo khoáng trong lò nung xi măng, phụ gia trợ nghiền nâng cao hiệu suất nghiền clanhke xi măng, phụ gia kéo dài thời gian bảo quản xi măng

1.4.5 Nhiên liệu săn xuất clanke xi măng Pooc lăng:

Nhiên liệu để sản xuất xi măng chủ yếu sử dụng để nung luyện clanhke Nhiên liệu thường dùng là rắn, lỏng hoặc khí Trong các loại nhiên liệu trên nhiên liệu khí sử dụng cho lò nung thích hợp nhất vì có nhiệt năng cao, không có tro nhiên liệu lẫn vào

Nhiên liệu rắn sử dụng là than, đây cũng là nhiên liệu để nung clanhke phổ biến trong sản xuất xi măng ở nưóc ta Đối với lò quay thường sử dụng nhiên liệu rắn là than cám, nhiệt trị của than cao > 500 Kcal/kg chất bốc cao 15 ÷ 20% Than dùng cho lò quay phải được sấy khô và nghiền mịn, yêu cầu độ mịn 8 - 12%

Nhiên liệu lỏng được sử dụng cho lò nung clanhke xi măng pooc-lăng ở dạng mazut Mazut thu được từ sản phẩm sau khi chưng cất dầu lửa Ưu điểm của mazut: ít tạp chất, hàm lượng tro từ 0,1 đến 0,3%, W = 1 - 4%, nhiệt năng khá cao > 8000 kcal/kg Nhuợc điểm: không thuận tiện khi vận chuyển, chứa đựng bảo quản, trong quá trình bảo quản, tạp chất có thể tăng cao có khi lên tới 2,5%, hàm ẩm tăng 5 - 10%

Nhiên liệu khí: khí thiên nhiên được khai thác từ các mỏ Khí đốt thường là những hợp chất của các loại carbua hydro hữu hạn khác nhau, chủ yếu là khí metan, ngoài ra còn

có chứa một số loại khí khác như etan, propan, butan, pentan và lượng nhỏ khí CO2, N2

Ưu điểm của khí thiên nhiên dùng cho lò quay nung clanhke xi măng là thuận tiện và hiệu quả kinh tế cao, clanhke sau khi nung không bị lẫn tro nhiên liệu

1.4.6 Các phương pháp sản xuất xi măng:

Đối với các nhà máy sản xuất xi măng việc lựa chọn dây chuyền sản xuất là hết sức quan trọng, nó quyết định đến phương pháp sản xuất cũng như chất lượng sản phẩm Việc lựa chọn dây chuyền sản xuất phải căn cứ vào tính chất của nguyên nhiên liệu, vào khả năng kinh tế kỹ thuật của đất nước và công suất yêu cầu của nhà máy Nếu lựachọn được dây chuyền sản xuất hợp lý cho phép nâng cao chất lượng sản phẩm, hạ giá thành sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế

Hiện nay ta đang có 3 phương pháp sản xuất xi măng đó là phương pháp ướt, phươngpháp khô và phương pháp liên hợp

Phương pháp ướt:

- Là phương pháp nghiền và trộn nguyên liệu với nước

- Độ ẩm phối liệu: 32 – 34% [1]

- Ưu điểm của phương pháp này là dễ nghiền phối liệu có độ đồng nhất cao

- Nhược điểm là tiêu tốn nhiên liệu khi nung, kích thước lò nung và diện tích xây dựng lớn

Phương pháp khô:

- Là phương pháp nghiền và trộn nguyên liệu ở dạng khô

Phương pháp liên hợp:

-Là phương pháp trung gian giữa phương pháp ướt và phương pháp khô, độ ẩm phối liệu

12 ÷15 % Việc chuẩn bị phối liệu và gia công nguyên liệu theo phương pháp ướt nhưng nung phối liệu tiến hành theo phương pháp khô (có hệ thống ép lọc bùn phối liệu để tách nước)

-Các phương pháp sản xuất xi măng poóc lăng đều bao gồm các giai đoạn sau:

• Giai đoạn 1: Gia công nguyên liệu và chuẩn bị hỗn hợp phối liệu

• Giai đoạn 2: Nung hỗn hợp phối liệu thành clanhke

• Giai đoạn 3: Nghiền clanhke và phụ gia thành xi măng Pooc-lăng

Sự khác nhau chủ yếu của 3 phương pháp nằm ở giai đoạn 1 và 2 của quá trình sản xuất xi măng Pooc-lăng Còn giai đoạn 3 cơ bản là giống nhau.Lựa chọn phương pháp thích hợp là một trong những vấn đề quan trọng, nó quyết định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của một nhà máy Cơ sở của việc lựa chọn phương pháp sản xuất dựa trên các điều kiện sau:

-Tính chất lý học và thành phần hóa học của nguyên liệu

-Điều kiện cung cấp điện năng và nhiệt năng

-Điều kiện trang thiết bị

-Điều kiện vệ sinh công nghiệp

-Tính chất khí hậu, địa lý nơi sản xuất

-Khả năng và quy mô mở rộng sản xuất

1.5 Lựa chọn dây chuyền sản xuất

1.5.1 Giới thiệu phương pháp sản xuất xi măng theo nhiệm vụ thiết kế:

Đối với các nhà máy sản xuất xi măng việc lựa chọn dây chuyền sản xuất là hết sức quan trọng, nó quyết định đến phương pháp sản xuất cũng như chất lượng sản phẩm Việc lựa chọn dây chuyền sản xuất phải căn cứ vào tính chất của nguyên nhiên liệu, vào khả năng kinh tế kỹ thuật của đất nước và công suất yêu cầu của nhà máy

Nếu lựa chọn được dây chuyền sản xuất hợp lý cho phép nâng cao chất lượng sản phẩm,

hạ giá thành sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế

Với nhiệm vụ được giao là sản xuất theo phương pháp khô lò quay, đây là

phương pháp được dùng phổ biến và có những ưu điểm riêng.

Quá trình sản xuất xi măng theo phương pháp khô lò quay:

1.5.2 Gia công nguyên liệu và chuẩn bị phối liệu:

- Khai thác nguyên liệu

Công đoạn chuẩn bị hỗn hợp phối liệu là một công đoạn rất quan trọng và quyết định phương pháp sản xuất xi măng Pooc-lăng Công đoạn chuẩn bị phối liệu theo phương pháp ướt có nhiều ưu điểm như khả năng nghiền mịn lớn, độ đồng nhất phối liệu cao nhưng tiêu tốn nhiệt khi nung clanhke lớn, năng suất thấp

Với sự phát triển khoa học kỹ thuật, ngày nay phương pháp khô chuẩn bị phối liệu được sử dụng rộng rãi trong sản xuất xi măng Pooc-lăng và đem lại hiệu quả kinh tế lớn.1.5.3 Nung

Nung là giai đoạn kế tiếp theo việc chuẩn bị nguyên liệu, gồm có các bước chính là:làm khô (làm bay hơi nước tự do), gia nhiệt trước, phóng nhiệt, dung kết và làm nguộiclanhke

Quá trình hóa lý khi nung: Trong quá trình nung nóng hay làm lạnh clanhke, đều

xảy ra quá trình lý học và quá trình hóa học Các quá trình này không thể tách rời mộtcách rõ ràng mà nó xảy ra nối tiếp nhau hoặc đồng thời Chúng ta có thể tạm chia thànhcác quá trình riêng rẽ như sau:

- Sấy hỗn hợp phối liệu (mất nước lý học) - zone sấy

- Dehidrat hóa khoáng sét (mất nước hóa học) - zone đốt nóng

- Sự phân hủy CaCO3 và MgCO3 - zone phân hủy

- Phản ứng trong pha rắn (phản ứng tỏa nhiệt) - zone toả nhiệt

- Phản ứng khi có mặt pha nóng chảy (phản ứng kết khối) - zone kết khối

- Quá trình kết tinh khi làm lạnh - zone làm lạnh

Tốc độ nung clanhke không những phụ thuộc vào thành phần hoá học mà còn phụthuộc vào độ nhỏ và mức độ trộn đều của hỗn hợp nguyên liệu sống Nung xi măngthường dùng hai loại lò đứng và lò quay Nhiên liệu sử dụng để nung luyện có thể lànhiên liệu lỏng, nhiên kiệu rắn và nhiên liệu khí Ở nước ta hiện nay nhiên liệu dùng sảnxuất clanhke xi măng thường là nhiên liệu rắn Nhiên liệu rắn thường được sử dụng làthan cám quảng ninh.

Nung theo phương pháp khô lò quay hiện đại bao gồm thiết bị:

- Tháp trao đổi nhiệt (xiclôn)

- Thiết bị phân hủy đá vôi (caxiner)

- Lò nung (lò quay)

- Thiết bị làm lạnh (ghi làm lạnh)

1.5.4 Nghiền xi măng

Các công đoạn của quá trình nghiền clanhke xi măng pooc-lăng:

* Ủ clanhke: Clanhke sau khi ra khỏi lò nung, được đưa vào kho ngủ từ 10 đến 15 ngày

nhằm mục đích:

Làm nguội clanhke đến nhiệt độ thường để đảm bảo hiệu quả đập nghiền trong máynghiền Trong kho ủ, CaO tự do trong clanhke xe tác dụng với hơi nước trong không khítạo thành Ca(OH)2, giúp cho xi măng pooc-lăng ổn định thể tích trong quá trình đóng rắnsau này, cũng như clanhke giòn dễ nghiền hơn

Để đạt được mục đích trên, người ta còn phun nước ở dạng sương mù vào clanhkemới ra lò, như vậy hiệu quả làm lạnh clanhke nhanh hơn, rút ngắn thời gian ủ và giảmdiện tích kho

* Nghiền clanhke:

Clanhke trước khi nghiền thường được tiến hành đập sơ bộ trong máy đập búa haymáy đập hàm đến kích thước 3 - 5 mm, nhằm:

- Tăng năng suất máy nghiền

- Tránh được những ách tắc, sự cố khi nghiền

Clanhke được nghiền trong máy nghiền bi nhiều ngăn, làm việc theo chu trình kínhoặc máy nghiền đứng con lăn, cùng với một lượng đá thạch cao (3-5%) để điều chỉnhthời gian đông kết và tốc độ đóng rắn của xi măng

Không cho phép nghiền clanhke nóng vì sản phẩm thu được có nhiệt độ quá cao, làmgiảm năng suất máy nghiền, ảnh hưởng đến các chi tiết thiết bị trong máy nghiền Ngoài

ra đá thạch cao có thể bị dehiđrat hóa ngay trong quá trình nghiền, làm giảm tác dụngđiều chỉnh thời gian đông kết và tốc độ đóng rắn của xi măng

* Làm lạnh và vận chuyển xi măng bột về silo:

Xi măng bột từ máy nghiền ra, có nhiệt độ thường từ 80 đến 1300C cũng có khi caohơn Xi măng được tiếp tục làm lạnh trong các silo chứa.

Xi măng bột sau khi làm lạnh được vận chuyển lên các silo chứa bằng các thiết bị vậnchuyển như vít tải, băng tải, gầu nâng, bơm khí nén

Xi măng sau khi tháo khỏi silo chứa, theo máng trượt khí nén, được đưa về gầu nâng,

đổ xuống hệ thống sàng rung, nhằm loại bỏ những vật lạ, tiếp tục rơi xuống két chứatrung gian, cấp xi măng cho máy đóng bao

* Bảo quản và đóng bao xi măng:

Khi xi măng được chứa trong silo, CaO tự do trong xi măng sẽ tiếp tục hydrat hoá,làm cho xi măng ổn định thể tích khi đóng rắn

Trong thời gian lưu trữ xi măng trong silo, cần tiến hành thử một số tính chất của ximăng như: thời gian ninh kết, lượng nước tiêu chuẩn, hàm lượng xe CaO tự do, tính chấtcường độ

* Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền clanhke xi măng pooc-lăng:

- Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nếu nhiệt độ trong máy nghiền tăng cao, thạch cao sẽ bị dehiđrat, ảnh hưởng đếnthời gian đông kết, tốc độ đóng rắn cũng như tính chất cường độ của xi măng

Ngoài ra do hàm ẩm trong môi trường nghiền lớn, vật liệu sẽ bám dính vào bi đạn,tấm lót, làm giảm lực va đập của bi đạn, dẫn đến giảm hiệu quả đập nghiền Nhiệt độ ximăng trong máy nghiền cần phải khống chế < 1100C và khi vào silo < 700C

- Ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu vào:

Nếu hàm ẩm của nguyên liệu thành phần cấp vào máy nghiền vượt quá 1,5% so vớitổng lượng nguyên liệu được cấp vào máy nghiền sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến quá trìnhnghiền, làm giảm năng suất nghiền

- Ảnh hưởng của kích thước hạt clanhke:

Kích thước hạt clanhke ra khỏi lò nung thường dao động 0 - 50 mm, trong khi đó kíchthước hạt yêu cầu cho vào máy nghiền khoảng 10 - 25 mm Vì vậy cần phải tiến hành đập

sơ bộ clanhke trước khi cho vào máy nghiền

- Ảnh hưởng của chất trợ nghiền:

Trong quá trình nghiền, do hàm ẩm, các hạt mịn kết tụ lại, hoặc bám dính lên bi đạn

và tấm lót, làm giảm khả năng nghiền mịn vật liệu và tăng mức tiêu hao năng lượng điện

cho máy nghiền Sử dụng chất trợ nghiền để khắc phục các yếu tố trên vì chất trợ nghiền

có khả năng hấp thụ mạnh hơi ẩm, phá vỡ hiện tượng hấp hơi của máy nghiền

Theo nhiệm vụ được giao, sử dụng thiết bị máy nghiền bi để nghiền xi măng và

sử dụng thiết bị phân ly bằng dòng khí.

1.5.5 Thiết bị nghiền xi măng và đóng bao

Trong sản xuất xi măng poóc lăng, thiết bị nghiền đóng vai trò quan trọng trong việcchuẩn bị nguyên liệu và nghiền xi măng Các loại thiết bị nghiền phổ biến bao gồm:

 Máy nghiền bi

Nguyên lý hoạt động: Sử dụng các viên bi thép hoặc bi sứ làm phương tiện nghiền, quay

trong thùng chứa nguyên liệu để nghiền nhỏ

Tiêu hao năng lượng cao

Cần bảo trì thường xuyên bi nghiền

Nhược điểm:

Chi phí đầu tư ban đầu cao

Yêu cầu kỹ thuật bảo trì phức tạp hơn

 Máy nghiền trục lăn ép

Nguyên lý hoạt động: Hai trục lăn quay ngược chiều ép nguyên liệu với áp suất rất cao

để nghiền nhỏ

Ưu điểm:

Hiệu suất nghiền cao

Tiết kiệm năng lượng so với máy nghiền bi

Giảm chi phí vận hành

Nhược điểm:

Khả năng nghiền không mịn bằng máy nghiền bi

Cần sử dụng kết hợp với thiết bị nghiền bi hoặc nghiền đứng để đạt độ mịn yêu cầu

 Máy nghiền búa

Nguyên lý hoạt động: Các búa quay với tốc độ cao, va đập vào nguyên liệu để đập vỡ.

Ưu điểm:

Thích hợp nghiền nguyên liệu mềm hoặc có độ ẩm cao

Thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư thấp

Nhược điểm:

Không đạt độ mịn cao

Hao mòn nhanh khi nghiền vật liệu cứng

 Thiết bị trong công đoạn đóng bao

Trong quy trình đóng bao xi măng Poóc-lăng, các thiết bị đóng vai trò quan trọng để đảm

bảo hoạt động hiệu quả, tự động hóa và chính xác Dưới đây là các loại thiết bị chínhthường được sử dụng:

 Thiết bị chứa và cấp xi măng

Silo chứa xi măng: Xi măng thành phẩm sau khi nghiền được chứa trong các silo lớn Hệ thống cấp liệu: Sử dụng băng tải trục vít hoặc ống cấp liệu khí nén để vận chuyển

xi măng từ silo đến máy đóng bao

 Máy đóng bao xi măng

Đây là thiết bị trung tâm trong quy trình đóng bao, gồm các loại:

 Máy đóng bao tự động:

- Có khả năng đóng bao nhanh chóng, chính xác

- Thường có từ 2 đến 8 vòi đóng bao, tùy theo năng suất yêu cầu

 Máy đóng bao định lượng:

- Sử dụng công nghệ cân tự động để đảm bảo khối lượng xi măng trong mỗi bao đạtchuẩn (ví dụ: 50kg/bao)

- Máy đóng bao dạng van:

- Thích hợp cho bao xi măng loại van (có miệng đóng kín tự động)

 Máy khâu miệng bao:

- Dùng cho bao mở, khâu kín miệng bao sau khi nạp đầy

 Thiết bị cân và kiểm tra khối lượng

- Cân điện tử tự động: Đo khối lượng của từng bao xi măng.

- Thiết bị loại bỏ bao sai khối lượng: Các bao không đạt chuẩn (thừa hoặc thiếu khối

lượng) sẽ được tự động loại bỏ khỏi dây chuyền

 Hệ thống băng tải vận chuyển

- Băng tải cao su hoặc băng tải xích: Dùng để vận chuyển bao xi măng từ máy đóng

bao đến khu vực xếp dỡ

- Băng tải nâng hạ: Di chuyển bao lên các độ cao khác nhau trong quá trình xếp hàng

 Robot xếp bao tự động

- Dùng để xếp bao xi măng lên pallet hoặc xe vận chuyển.

- Giảm nhân công và tăng năng suất xếp bao

- Có thể lập trình để xếp theo các dạng khác nhau (ví dụ: xếp chồng hoặc xếp xen kẽ)

 Thiết bị lưu kho và vận chuyển

- Pallet: Dùng để kê các bao xi măng, dễ dàng vận chuyển.

- Xe nâng hàng: Di chuyển các pallet xi măng trong kho hoặc lên xe tải.

- Hệ thống xe tải, container: Phục vụ việc xuất hàng và vận chuyển đến nơi tiêu thụ