3.1.Tổng quan về quá trình sản xuất
Xi măng poóc lăng là chất kết dính quan trọng. Tùy điều kiện môi trường mà người ta sử dụng nhiều loại xi măng poóc lăng khác nhau. Nguyên liệu để sản xuất xi măng poóc lăng chủ yếu đi từ đá vôi và đất sét.
Quá trình sản xuất gồm ba công đoạn chính:
Chuẩn bị nguyên liệu và phối liệu ( theo yêu cầu của phương pháp sản xuất );
Nung phối liệu đến 1450oC và làm lạnh đột ngột qua 675oC. tạo ra những hạt kết khối gọi là Clinker;
Nghiền Clinker thêm phụ gia và đóng tạo bột xi măng.
Công đoạn 1 và 2 là quan trong nhất vì nó quyết định chất lượng Clinker. Công đoạn 3 chủ yếu là quá trình cơ học. Tính chất và thành phần xi măng phụ thuộc chủ yếu vào tính chất và thành phần của Clinker. Vì thế nghiên cứu sản xuất xi măng cơ bản là nghiên cứu sản xuất Clinker.
3.2.Nguyên liệu sản xuất. 3.2.1. Nguyên liệu chính. 3.2.1. Nguyên liệu chính.
Đá vôi: chủ yếu cung cấp CaO. Trong đá vôi có lẫn tạp chất đất sét và cát quắc SiO2. Các tạp chất này cũng là thành phần của xi măng nên cũng đưa chúng vào để tính toán phối liệu. Để cung cấp CaO còn dùng đá phấn, đá cẩm thạch, đá hoa cương;
Đất sét: cung cấp oxit Al2O3, Fe2O3 và SiO2. Trường hợp đất sét không cung cấp đủ Fe2O3 thì phải dùng quặng sắt thêm vào. Tạp chất của đất sét thông thường là các oxit kiềm, không có lợi cho xi măng poóc lăng;
Nhiên liệu nung xi măng thường dùng nhiên liệu lỏng, nhiên liệu khí và nhiên liệu rắn nghiền mịn. Khi dùng nhiên liệu rắn (than đá), nếu nung ở lò đứng thì than nghiền lẫn cùng với phối liệu, nếu nung ở lò quay thì hạt than được phun thẳng vào vùng nung của lò. Như vậy tro than (gồm các oxit của đất sét, đá
vôi…) lẫn hoàn toàn vào phối liệu và sản phẩm xi măng. Cho nên khi tính toán phôi liệu phải kể đến thành phần của tro than.Từ những lí do nêu trên, yêu cầu
Hình 1. Sơ đồ tổng quan về quá trình sản xuất.[3]
nhiên liệu rắn nung xi măng phải ít tro. Loại than dùng cho lò đứng phải ít chất bốc để cháy âm ỉ trong viên phối liệu. Còn dùng cho lò quay, cần tạo ngọn lử cháy dài nên than phải nhiều chất bốc.
3.2.2. Nguyên liệu phụ gia.
Tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng sản phẩm mà đưa vào nhiều hay ít, trước hoặc sau khi nung. Có 4 loại phụ gia thường gặp:
Phụ gia khoáng sét: tăng cường quá trình tạo khoáng cần thiết trong quá trình nung Clinker. Vai trò gần giống với các chất xúc tác trong hóa học nhưng khác là sau khi nung chúng ở lại luôn trong sản phẩm;
Phụ gia điều chỉnh: có tác dụng điều chỉnh thời gian đóng rắn của xi măng. Nếu không có phụ gia điều chỉnh thì xi măng đóng rắn rất nhanh, không đảm bảo thời gian thi công. Vì vậy thực chất phụ gia điều chỉnh để làm chậm quá trình đóng rắn. Thường dùng thạch cao CaSO4.2H2O và một số muối khác NaCl, MgCl2;
Phụ gia thủy: tăng cường tính chịu nước của xi măng. Thường dùng SiO2 hoạt tính, xỉ lò cao hoạt hóa;
Phụ gia đầy: là chất độn, mục đích hạ giá thành của phẩm. Thường dùng gạch, ngói vỡ đem nghiền nhỏ. Lượng phụ gia đem vào nghiền chung với Clinker, lượng dùng phụ thuộc vào cường đọ xi măng thấp hay cao.
3.3.Quá trình nung luyện Clinker.
Khi nung, đất sét bị mất nước, đá vôi bị phân hủy tạo thành những oxit hoặc những hợp chất có hoạt tính cao, phản ứng được với nhau (xem lại phần nguyên liệu đất sét và phản ứng khi nung đá vôi). Các phản ứng này có thể xảy ran gay ở pha rắn, có thể ở pha lỏng, nóng chảy. Lò nung xi măng làm việc theo nguyên tắc: phối liệu chuyển động từ vùng nhiệt độ thấp đến vùng nhiệt độ cao nhất, sau đó được làm lạnh nhanh. Vì thế mức độ phản ứng tạo khoáng cũng phụ thuộc vào mức độ tăng nhiệt độ của phối liệu trong lò.
3.3.1. Trong lò quay.
Chia làm 6 vùng (zone):
Vùng sấy: to > 100oC. Qúa trình mất nước lí học.
Vùng đốt: to = 500oC. Đất sét mất nước hóa học nên mất tính dẻo, các tạp chất hữu cơ trong đất sét cháy hoàn toàn. Nguyên liệu tơi ra thành bột. Hai vùng này chiếm 50-60% chiều dài lò.
Al2O3.2SiO2.2H2OAl2O3.2SiO2 + 2H2O
Vùng phân hủy: to = 900-1000OC. Đá vôi phân hủy tạo CaO. Bắt đầu phản ứng CaO và SiO2 để ra C2S phan rắn :
Al2O3.2SiO2 Al2O3 +2 SiO2 CaCO3 CaO + CO2
Vùng tỏa nhiệt: t0 =1000÷13000C.
Các phản ứng xảy ra mãnh liệt tạo ra các khoáng ở pha rắn :
10000C :
2CaO + SiO2→ C2S. 1200- 13000C: 2CaO + 3Al2O3→ C5A3 → C3A; 2CaO + SiO2→ C2S (kết thúc); 3CaO + Fe2O3 → C3F; C3F + CaO + Al2O3 → C4AF. Hai vùng này chiếm 35% chiều dài lò.
Vùng kết khối : t0= 1300-14500C. Tất cả các pha rắn chuyển thành lỏng trong đó xảy ra phản ứng: C2S + CaO → C3S là khoáng chủ yếu của xi măng nhưng chỉ tạo ra trong pha lỏng. Vì vấy quá trình nung ở nhiệt độ > 13500C. Tại nhiệt độ 14500C sự tạo thành C3S xảy ra mãnh liệt. Quá trình nung kết thúc và chiếm từ 10-15% chiều dài lò.
Vùng làm nguội : t0: 1000-8000C. Không xảy ra quá trình hóa lý. Đơn giản là quá trình làm nguội để kilnker ra khỏi lò có nhiệt độ giảm xuống nhiệt độ bình thường. Vùng này chiếm 10% chiều dài lò.
3.3.2. Trong lò đứng.
Được chia thành 3 vùng :
Vùng sấy : có nhiệt độ từ 100-8000C. Xảy ra quá trình mất nước lý học ở 100- 2000C. T0 = 400÷5000C mất nước hóa học. T0 = 500÷8000C đất sét mất tính dẻo.
Vùng nung t0 = 900÷14500C. Ở nhiệt độ 10000C tạo ra khoáng CA, C2S (chủ yếu là CA, còn C2S mới bắt đầu). T = 12000C tạo C2S mãnh liệt và tạo ra các khoáng C2S, CF, C4AF là chủ yếu ngoài ra còn C5A, C5A3.T0=1350÷14500C tạo pha lỏng và C3S xuất hiện.
Vùng làm nguội 1450÷2000C. Chủ yếu là quá trình hạ nhiệt độ ngay trong lò đứng vượt qua nhiệt độ 6750C là nhiệt độ tại đó β C2S→ γ C2S. Mà γ C2S không có tính kết dính nên người ta cố gắng hạn chế sự có mặt của nó. Nếu
thành phần Clinker chứa nhiều γ C2S thì chất lượng xi măng sẽ giảm xuống. Vì vậy quá trình làm lạnh ở 6750C phải hạ nhiệt độ nhanh để đảm bảo chất lượng xi măng.Một trong những nguyên nhân làm chất lượng xi măng lò đứng kém xi măng lò quay là vì công đoạn này.
3.4.Gia công Clinker thành sản phẩm. 3.4.1. Ủ Clinker.
Clinker ra khỏi lò được đưa vào kho ủ. Ủ nhằm mục đích làm nguội clinker và CaO tự do có thời gian hút hơi nước của không khí để có thể hydrat hóa tạo thành Ca(OH)2 làm dãn nở thể tích, gây nứt nẻ khối Clinker giúp cho quá trình nghiền được thuận lợi. Thời gian ủ thường từ 10-15 ngày.
3.4.2. Nghiền mịn.
Nghiền clinker: nhằm tăng bề mặt của của hạt xi măng để phản ứng tốt với nước khi nung nóng với nước khi ninh kết đóng rắn. Độ mịn bột xi măng càng cao, cường độ xi măng càng lớn. Với xi măng pooc lăng P400 (mác 400Kg/cm3) thường có độ mịn là 8-10% còn lại chân sang N00085(4900 lỗ/cm3)~0,06mm. Nghiền xi măng bằng máy nghiền bi, khi nghiền cho thêm các loại phụ gia cần thiết cho xi măng như phụ gia điều chỉnh tốc độ ninh kết CaSO4.2H2O và phụ gia thủy. Việc nghiền clinke thành bột mịn được thực hiện trong máy nghiền bi làm việc theo chu trình hở hoặc chu trình kín. Máy nghiền bi là ống hình trụ bằng thép bên trong có những vách ngăn thép để chia máy ra nhiều buồng. Máy nghiền loại lớn có kích thước 3,95x11m (năng suất 100T/giờ) và 4,6 x 16,4m (năng suất 135t/giờ). Sơ đồ nghiền clinker được thể hiện trên hình 3. Clinke được nghiền dưới tác dụng của bi thép hình cầu (nghiền thô) và bi thép hình trụ (nghiền mịn). Khi máy quay bi thép được nâng lên đến một độ cao nhất định rồi rơi xuống va đập và trà sát làm vụn hạt vật liệu (clinke, thạch cao và phụ gia). Xi măng sau khi nghiền có nhiệt độ 80 - 1200C được hệ thống vận chuyển bằng khí nén đưa lên xilô. Xilô là bể chứa bằng bê tông cốt thép đường kính 8 - 15 m, cao 25 - 30m, những xi lô lớn có thể chứa được 4000-10000 tấn xi măng.
Chứa và đóng bao: bột xi măng chứa trong các xilo có dung tích 1000-10000 tấn, có bố trí tông gió và thiết bị rút xi măng đem đi đóng bao. Xi măng được đóng trong các loại bao giấy chống ẩm, trọng lượng 50kg, hoặc đóng thùng gỗ, thùng tôn…dễ vận chuyển đến nơi sử dụng. Trong giai đoạn đóng bao, chú ý rút ngắn thời gian để chống ẩm cho xi măng.
Nói chung trách bảo quản xi măng lâu trong kho. Khi bảo quản lâu trong không khí, xi măng dễ hút ẩm và vón cục do CO và hơi nước tác dụng. Trung bình xi măng
bảo quản trong kho với điều kiện tốt trong ba tháng giảm chất lượng 10-20%, sau sáu tháng giảm 15-30% và sau một năm giảm 25-40%.
Hình 3: Sơ đồ nghiền clinke theo chu trình kín [2] a) Với hai máy nghiền: 1. Máy nghiền thô; 2. Gầu nâng; 3. Thiết bị phân loại li tâm; 4. Máy nghiền mịn;
b) Với một máy nghiền: 1. Gầu nâng; 2. Thiết bị phân loại; 3. Máy nghiền; 4. Hạt thô; 5. Ximăng
3.5.Vai trò của các thành phần trong Clinker 3.5.1. Vai trò của các oxit
CaO là thành phần chủ yếu (63 – 67%). Yêu cầu phải liên kết với SiO2, Al2O3, Fe2O3 để tạo thành khoáng. Nếu CaO tự do, gây tác hại cho sự biến đổi thể tích cấu kiện (giống vôi già). Tăng CaO, xi măng đóng rắn nhanh nhưng tính chịu nước giảm.
SiO2 là thành phần quan trọng. Nó cũng phải kết hợp với CaO tạo ra khoáng kết dính và chịu nước. Tăng SiO2 trong clinker sẽ tăng cấp độ bền sunfat của xi măng.
Al2O3 kết hợp với CaO tạo ra các khoáng rắn nhanh, nhưng độ bền nước và môi trường sunfat kém, kém bền ở nhiệt độ cao.
Fe2O3: làm nhiệm vụ hạ thấp nhiệu độ xuất hiện pha lỏng, tạo điều kiện phẩn ứng tạo khoáng C3S thuận lợi. Tang Fe2O3, xi măng sẽ đóng rắn chậm, nhưng bền trong môi trường sunfat và trọng lượng riêng của xi măng tang lên.
MgO: trong cranhke có hại, giống CaO tự do.
Na2O và K2O làm tốc độ ninh kết của xi măng không ổn định, tạo những vết loang lổ trên bề mặt cấu kiện.
3.5.2. Đặc trƣng thành phần khoáng
Nếu nhìn qua kính hiển vi phân cực, ta thấy clinker chứa các khoáng chất chủ yếu là alit (C3S) và bêlit (C3S) (chiếm 80%). Ta xét sự hình thành và tính chất một số khoáng:
C3S là khoáng quan trọng nhất, được tạo thành ở khoảng 1338–1450oC và chỉ tạp thành khi có mặt pha lỏng. Khi nghiền mịn. C3S có tính kết dính rõ rệt, tốc độ đóng rắn nhanh và cương độ cao. Việc tạo ra nhiều C2S khi đóng rắn thủy phân ra Ca(OH)2 làm giảm đôj bền nước (khắc phục bang cách cho thê phụ gia thủy có SiO2 hoạt tính để tác dụng với Ca(OH)2.
C2S có 3 dạng thù hình : αC2S (1460oC); C2S 675oC; C2S. Nếu có gama C2S thì xi măng bị giảm cương độ. Nếu có C2S chuyển sang αC2S thể tích nở thêm 10% làm xi măng tả thành bột. Chỉ có α và có tính đóng rắn (tính kết dính). Nung xi măng ở 1450oC nên không có αC2S. đẻ duy trì C2S phải làm lạnh nhanh clinker qua 675oC để C2S không kịp chuyến sang C2S. đồng thời nung cho thêm phụ gia khoáng hóa là Cr2O3, B2O3 tạo điều kiện tăng trưởng và ổn định C2S. Cơ cấu làm lạnh của lò quay tốt hơn lò đứng nên chất lượng clanke lò quay tốt hơn . C2S đóng rắn chậm hơn C3S, cường độ ban đầu không cao, càng về sau càng phát triển tốt.
Chất khoáng aluminat canxi: trong clinker xi măng poóc lăng chỉ có hai loại C3A và C5A3. C3A là khoáng đóng rắn nhanh nhất, khi đóng rắn tỏa nhiều nhiệt, cường độ ban đầu phát triển cao. Nhưng C3A không bền nước bằng các silicat. C5A3 không bền, chuyển dần thành C3A và CA. khoáng C5A3 có quá trình ninh kết rất nhanh và cường độ ban đầu phát triển cao hơn cả C3A.
Các khoáng alumoferit canxi và ferit canxi: trong clinker chỉ có C4AF và C2F. khoáng C4AF tồn tại dạng dung dịch rắn. Cả C4AF và C2F đều có tính kết dính, quá trình đóng rắn chậm và cường độ kém hơn C3S, C3A… Nhưng đặc điểm của chúng là bền nước và là khoáng nặng nhất trong clinker xi măng poóc lăng.
Các hợp chất chứa kiềm, thường gặp là K2O.23CaO.12SiO3 và Na2O.8CaO.3Al2O3. Chúng có trong xi măng rất ít nhưng làm giảm chất lượng của xi măng nên phải hạn chế đưa kiềm vào theo phối liệu.
4. Các công nghệ sản xuất
4.1.Công nghệ sản xuất theo phƣơng pháp ƣớt lò quay [1] Đá vôi Đập hàm Bể chứa Đập búa Đất sét Máy cán Bể chứa bùn Nƣớc Máy nghiền bi Lò quay Ủ clinke Nghiền bi
Xilo chứa xi măng
Đóng bao Phụ gia
điều chỉnh
Phụ gia thuỷ Phụ gia đầy
Nghiền Chứa Sấy
Dập Than
Kho chứa sản phẩm
Hình 5 . Qui trình sản xuất xi măng theo phương pháp ướt lò quay.
1. Máy khuấy đất sét; 2. Máy đập búa; 3. Máy nghiền bi; 4.Bể điều chỉnh bùn; 5. Bể bùn; 6. Lò quay; 7. Ghi lò; 8. Kho; 9. Máy nghiền bi; 10. Kho ủ xi măng.
Giải thích theo hình 1 ta có:
Đá vôi đập vụn trong máy đập, sau đó chuyển vào máy nghiền trống, tại đây nghiền mịn đá vôi với đất sét. Đất sét đưa vào ở dạng bùn lỏng từ máy khuấy đất sét.
Từ máy nghiền bùn ẩm được đưa vào các bể bê tông cốt thép có cánh khuấy hoặc khuấy sục khí để khuấy hỗn hợp. Các bể này gọi là bể bùn.
Trong các bể bùn hiệu chỉnh nguyên liệu ( khuấy trộn các loại bùn có thành phần hóa học khác nhau để nhận được tỉ lệ các chất đúng yêu cầu).
Hỗn hợp nguyên liệu nung trong các lò quay. Lò đươc đốt nóng bằng than bụi, nhiên liệu khí hoặc dầu majut. Các nhiên liệu được đốt cháy bên trong lò.
Bùn nguyên liệu được đưa vào lò từ bể bùn ngang và đi ngược chiều với dòng khí đốt. Khi đó sẽ lần lượt xảy ra sự bay hơi nước, giải hydrat hóa các khoáng, phân li đá vôi và phản ứng giữa oxit kiềm tạo thành CaO với các oxit có trong đất sét SiO2, Al2O3, Fe2O3.
Trong vùng thiêu kết ở nhiệt độ 1450oC đã tạo xong Clinker xi măng. Clinker tạo thành được làm nguội bằng không khí lạnh trên ghi lò đến 50-60oC.
Trong những bộ phận làm lạnh này( được đạt dưới đáy lò) các hạt clinker sẽ phân bố thành từng lớp đều đặn trên lưới ghi lò. Không khí sẽ thổi từ dưới lên sau đó khí nóng này sẽ thổi tiếp vào lò để đốt cháy nhiên liệu.
Từ thiết bị làm nguội clinker đưa vào kho, tại đó sẽ ủ một thời gian để tôi( hidrat hóa) vôi tự do và kết dính vôi này bằng những chất phụ gia thủy lực.
Clinker đã ủ cùng với các phụ gia trợ nghiền hay phụ gia thủy lực và phụ gia thạch cao đem nghiền trong những máy nghiền bi. Xi măng được chứa trong những thùng ủ bê tông cốt sắt có trang bị những đáy thông gió, qua đáy này ở giai đoạn tháo xilo ủ người ta thổi không khí để làm tơi xi măng.
4.2.Công nghệ sản xuất theo phƣơng pháp khô lò quay [1] Đá vôi Đất sét Đập hàm Két chứa Máy sấy Két chứa Máy cán Chứa Máy sấy Két chứa Máy nghiền Máy trộn Két chứa Làm ẩm Lò quay Làm lạnh clanhke Ủ clanhke Máy nghiền bi Xilo chứa Máy đóng bao Kho chứa sản phẩm Nƣớc Các chất phụ gia điều chỉnh, đầy, thuỷ
4.3.Công nghệ sản xuất theo phƣơng pháp khô lò đứng [1] Đá vôi Đất sét