Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về xi măng 1. Tóm tắt sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất xi măng Việt Nam Ngành công nghiệp xi măng Việt Nam đã ra đời cách đây hơn 100 năm với cơ sở đầu tiên là xi măng Hải Phòng. Từ điều kiện sản xuất thô sơ ban đầu của một số cơ sở sản xuất như: Xi măng Sài Sơn của tổng cục hậu cần, xi măng Cầu Đước – Nghệ an, xi măng 3/2 Thanh hoá, Hà Tiên Ngày nay nền công nghiệp xi măng Việt Nam đã bước sang một giai đoạn phát triển mới.
Rất nhiều các nhà máy với công suất lớn đã ra đời với công nghệ sản xuất hiện đại như xi măng Bỉm Sơn, xi măng Hoàng Thạch với công suất mỗi nhà máy trên 1.000 tấn/năm và nhiều nhà máy xi măng lò đứng khác. Các năm trở lại đây sản lượng xi măng liên tục tăng, năm 1990 tổng sản lượng xi măng sản xuất được là 2.000 tấn, năm 2000 sản lượng xi măng đạt khoảng 20. Năm 2010 sản lượng xi măng đạt khoảng 57. Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều loại xi măng khác nhau như: Xi măng bền sulfat, xi măng chịu nhiệt, xi măng xỉ.với các loại mác khác nhau PC30, PC40, PC50… Tuy nhiên phổ biến hiện nay có hai loại xi măng được sản xuất và tiêu thụ rộng rãi là: Xi măng Poóc lăng thường và xi măng Poóc lăng hỗn hợp.
* Xi măng Poóc lăng thường ( Ký hiệu PC) Ra đời 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. *Xi măng Poóc lăng hỗn hợp ( Ký hiệu PCB) 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 2 hợp tỷ lệ phụ gia khoáng cho phép sử dụng là 40 % phụ gia hoạt tính và phụ gia trơ trong đó phụ gia trơ không quá 20% 1.
Nguyên liệu, phụ gia và nhiên liệu dùng trong sản xuất xi măng. Nguyên liệu 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. 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 cung cấp CaO cho phối liệu để sản xuất clinker xi măng.
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 (Thang độ cứng tương đối Mohs). Màu đá vôi phụ thuộc vào tạp chất, đá vôi sạch thường có màu trắng. Theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 6072:1996, đá vôi sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi măng phải thoả mãn: hàm lượng CaCO 3 85%, MgCO 3 5%, Na 2O + 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 xi măng nước ta đều dùng nguyên liệu là đá vôi. Khi chọn đá vôi làm xi măng tốt nhất là chọn đá vôi sét có tạp chất sét trên 20% phân tán đều là loại đá rất phù hợp cho nguyên liệu sản xuất xi măng Bảng 1. Thành phần đá vôi ở một số cơ sở sản xuất xi măng ở nước ta [1]. Thứ Nhà máy, xí nghiệp Thành phần hoá học tự xi măng MKN SiO2 Al 2O3 Fe 2O3 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 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 Đất sét Đất sét là nguyên liệu quan trọng khác dùng cho việc sản xuất xi măng, thành phần cơ bản là các silicat nhôm ngậm nước, nó cung cấp SiO 2, Al2O3, Fe2O3 cho phối liệu sản xuất xi măng.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6071 :1995, đất sét dùng làm nguyên liệu sản xuất xi măng phải thoả mãn điều kiện sau: SiO2 = 55 - 70%. Ở nước ta đất sét phân bố khắp nơi, với trữ lượng lớn, ngoài ra ở một số nơi còn sử dụng đất sét ruộng hoặc đất phù sa để làm nguyên liệu. Những loại đất này thường có hàm lượng SiO 2 thấp, hàm lượng Al2O3 cao hơn, để khắc phục đặc điểm đó có thể sử dụng phụ gia điều chỉnh hàm lượng các oxít cho phù hợp. Thành phần đất sét của một số cơ sở sản xuất xi măng [1].
Nhà máy, xí nghiệp xi Thành phần hoá học TT măng MKN SiO 2 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 Bố Hạ 6,70 63,40 16,50 7,30 1,40 - Các loại phụ gia sử dụng trong sản xuất xi măng Các loại phụ gia dùng để điều chỉnh hỗn hợp phối liệu khi thành phần hoá học của phối liệu không đủ tiêu chuẩn quy định. Tuỳ theo sự thiếu hụt các ôxyt mà sử dụng các phụ gia khác nhau như: ôxyt magiê, các chất kiềm, lưu huỳnh, các clorua, các florua, phốt pho, sắt. - Phụ gia điều chỉnh modul aluminát: Thường sử dụng là các phụ gia cao silíc (chứa nhiều oxyt silíc) như cát mịn, đất đá (có chứa hàm lượng SiO2 > 80%). Phụ gia cao nhôm (chứa nhiều oxyt nhôm) như quặng bôxít (44 – 58% Al 2O3 ), cao lanh, tro xỉ…Phụ gia cao sắt (chứa nhiều sắt) như xỉ pirit Lâm Thao (55 – 68% Fe2O3), quặng sắt Thái Nguyên (65 – 68% Fe2 O3)… - 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 ôxyt có hoạt tính cao.
Loại phụ gia thường được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là hợp chất của florua như CaF2 tinh khiết, khoáng thiên nhiên, các phế thải công nghiệp phân phốt phát dưới dạng phôt pho thạch cao, thạch cao thiên nhiên hay thạch cao nung. 5 - 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 còn rất nhiều loại phụ gia khác được sử dụng để sản xuất các loại xi măng khác nhau. Một số phụ gia hoạt tính thiên nhiên hay nhân tạo được sử dụng là: xỉ lò cao, quặng màu thiên nhiên., hàm lượng của chúng tuỳ thuộc vào yêu cầu và chủng loại xi măng.
Thành phần hoá học của một số phụ gia điều chỉnh phối liệu [1]. Thành phần hoá học TT Tên phụ gia 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 1. 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 6 Đây là nhiên liệu được dùng phổ biến nhất 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 là 5300 – 7400 kcal/kg. 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 lò đứng). + Nhiên liệu lỏng Thường được sử dụng là dầu, một loại nhiên liệu có nhiệt lượng cao, không có tro chứa 85 – 90% các bon, 5 -10% hyđrô. Tuy nhiên muốn sử dụng dầu làm nhiên liệu bắt buộc 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 thiên nhiên chứa thành phần chính là: mêtan, etan.
Ưu điểm của loại nhiên liệu này là không có tro và thiết bị đốt thì đơn giản hơn nhiều so với thiết bị đốt nhiên liệu dạng lỏng. Tuy nhiên, ở nước ta do việc khai thác nhiên liệu khí còn gặp nhiều khó khăn nên nhiên liệu loại này ít được dùng. Thành phần hoá học và thành phần khoáng của clinker Clinker là sản phẩm sau khi nung hỗn hợp phối liệu đến trạng thái hóa lỏng, kết khối và có thành phần khoáng xác định như: canxi aluminat, alumôferit canxi, canxi silicát. Clinker là thành phần chủ yếu quyết định đến tính chất của xi măng.
Thành phần hoá học của clinker. Oxyt canxi 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 C3 S 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 7 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.
Oxyt nhôm: chủ yếu phản ứng với Cao và Fe 2O3 tạo khoáng họ aluminat canxi và alumôphêrit canxi.