MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Những năm gần đây, nền kinh tế đất nước phát triển nhanh chóng, cùng với tốc độ đô thị hóa không ngừng phát triển, nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng đòi hỏi một khối lượng khổng lồ. Vật liệu xây dựng nói chung và xi măng nói riêng là một trong những vật liệu không thể thiếu trong bất kì một công trình xây dựng nào.
Khi mà nguồn nguyên liệu truyền thống ngày một cạn kiệt thì việc nghiên cứu những loại vật liệu mới, hay tận dụng các nguồn nguyên liệu không đạt yêu cầu để thay thế là một yêu cầu bức thiết. Đá vôi là nguyên liệu chính trong sản xuất clanhker xi măng, chiếm khoảng 80% trong tổng nguyên liệu sản xuất clanhker. Theo yêu cầu của Tiêu chuẩn Việt Nam 6072:2013 (TCVN 6072:2013), hàm lượng MgCO3 trong đá vôi dùng để sản xuất clanhker xi măng pooc lăng phải nhỏ hơn 7% (tương đương với hàm lượng MgO trong đá vôi phải nhỏ hơn 3,3%) do MgO dễ kết tinh ở dạng khoáng periclase (MgO tự do) trong clanhker có hàm lượng MgO cao, và gây hiện tượng không ổn định thể tích cho xi măng và bê tông. Chính vì vậy đá vôi cóhàm lượng MgO lớn hơn 3,3% thường không được sử dụng, và việc sử dụng loại đá vôi này trong phối liệu, làm cho phối liệu có hàm lượng MgO cao, ảnh hưởng đến chất lượng clanhker như thế nào cần phải nghiên cứu làm rõ.
Đá vôi khai thác tại Mỏ Sroc Con Trăn của Nhà máy xi măng Tây Ninh có hàm lượng MgO khá cao, trung bình 2,4% (nên có những vỉa đá có hàm lượng MgO cao hơn 3%), cao hơn nhiều so với nguồn đá vôi của các Nhà máy xi măng phía Bắc. Do đó việc tách bốc, phân loại đá vôi chiếm nhiều thời gian, công sức, và chi phí. Đề tài “Nghiên cứu sử dụng đá vôi giàu MgO trong sản xuất clanhker xi măng Pooc lăng” nhằm tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu đá vôi sẵn có, tránh lãng phí tài nguyên, đảm 1 bảo sản xuất lâu dài cũng như giảm thiểu chi phí năng lượng khai thác tại Nhà máy mà clanhker sản xuất được vẫn đạt chất lượng. Mục đích nghiên cứu.
Đề tài nhằm “Xác định giới hạn sử dụng đá vôi cao MgO trong phối liệu sản xuất clanhker xi măng Pooc lăng”. Ý nghĩa thực tế của đề tài. Nhằm tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu đá vôi sẵn có, tránh lãng phí tài nguyên, đảm bảo sản xuất lâu dài cũng như giảm thiểu chi phí năng lượng khai thác tại Nhà máy mà clanhker sản xuất được vẫn đạt chất lượng. Nội dung nghiên cứu.
Để thực hiện mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu thứ nhất của đề tài là khảo sát một số tính chất của đá vôi cao magiê, trên cơ sở đó sẽ xác lập cách thức sử dụng đá vôi cao magiê trong các bài phối liệu của đề tài. Nội dung nghiên cứu thứ hai là khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng và độ mịn của phối liệu đến khả năng nung của phối liệu từ đá vôi giàu magiê. Nội dung nghiên cứu thứ ba của đề tài là khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng và độ mịn của phối liệu đến hàm lượng periclase trong clanhker có hàm lượng magiê oxit từ 4% đến 6%. Phạm vi nghiên cứu.
Lựa chọn các loại đá vôi có hàm lượng MgO phù hợp để tính phối liệu clanhker có hàm lượng MgO khoảng 4%, 5%, 6% Khảo sát các phối liệu trên với độ sót sàng 90µm là 4% (mịn hơn so với thực tế của Nhà máy) và 12% (tương đương với thực tế của Nhà máy) Khảo sát khả năng nung của các phối liệu nghiên cứu, với các phối liệu này có cùng hệ số LSF = 95,5 và tỷ lệ MgO/Fe 2O3 = 1,35 2 6. Phương pháp nghiên cứu. Các bài phối liệu được tính theo phối liệu có lẫn tro than. Đề tài sử dụng các phương pháp phân tích hóa học theo TCVN 9191:2012, TCVN 141:2008 để phân tích thành phần hóa học của các nguyên vật liệu và clanhker.
Để đánh giá xác định và đánh giá khả năng nung, đề tài sử dụng các ph?ng pháp thực nghiệm và công thức tính toán của hãng theo F. Các khoáng periclase, khoáng alit, belit, celit,. trong clanhker được đánh giá trên các mẫu nung ở nhiệt độ 1450ºC và 1500ºC. Tổng quan về clanhker và xi măng 1.
Các khái niệm về xi măng pooclăng. Xi măng là chất kết dính thủy lực ở dạng bột mịn, khi trộn với nước thành dạng hồ dẻo, có khả năng đóng rắn trong không khí và trong nước nhờ phản ứng hóa lý, thành vật liệu dạng đá [1]. Tuỳ theo đặc tính và ứng dụng, xi măng được phân loại thành nhiều loại khác nhau trong đó xi măng pooclăng (PC) và các loại xi măng trên cơ sở clanhker xi măng pooclăng (clanhker) được sử dụng phổ biến nhất trong xây dựng do các nguyên liệu dùng để sản xuất chúng khá phổ biến trên vỏ trái đất. Clanhker xi măng pooclăng, sau đây gọi vắn tắt là clanhker, là bán thành phẩm có chứa các pha (khoáng) có tính chất kết dính thủy lực như tricanxi silicat (3CaO.SiO 2), dicanxisilicat (2CaO.SiO 2), tricanxi aluminat (3CaO.Al2O3) và tetracanxi fero aluminat (4CaO.Fe2O3) với tỷ lệ xác định, nhận được bằng cách nung đến kết khối hay nóng chảy hỗn hợp các nguyên liệu xác định (còn gọi là phối liệu) [1].
Trong clanhker, các khoáng tricanxi silicat, dicanxisilicat, tricanxi aluminat và tetracanxi fero aluminat thường không tồn tại ở dạng tinh khiết mà tồn tại ở dạng dung dịch rắn. Chúng thường được ký hiệu lần lượt là C 3S, C 2S, C3A và C4AF. Trong đó các khoáng C3S và C2S còn được gọi là alit và belit. Bảng 1 trình bày thành phần khoáng thông thường củaclanhker nói chung và thành phần khoáng trung bình của clanhker hiện đang sản xuất tại Nhà máy xi măng FiCO, sau đây gọi vắn tắt là clanhker FiCO.
4 Bảng 1-Thành phần khoáng học phổ biến của clanhker xi măng Pooc lăng Loại clanhker C3S (%) C2S (%) C3A (%) C 4AF (%) Pha lỏng (%)* Thông thường 58-62 13-17 7-9 10-12 25-27 FiCO 61,40 13,10 8,10 11,58 26,00 * Được tính trên cơ sở thành phần hoá của phối liệu theo công thức lý thuyết tại nhiệt độ 1400ºC (xem Mục 2. Thành phần hóa học của clanhker xi măng pooc lăng: Các oxit chính trong clanhker bao gồmoxit canxi (CaO) chiếm khoảng 62-68%, oxit silic (SiO 2) chiếm khoảng 21 - 24 %, oxit nhôm (Al 2O3) chiếm khoảng 4 - 8%, oxit sắt (Fe2 O3) chiếm khoảng 2 - 5%, oxit magiê (MgO) chiếm khoảng 3-5%, oxit kiềm như oxit natri (Na 2O) và oxit kali (K2O) chiếm khoảng 0,1-0,5%, và còn một số oxit khác chiếm khối lượng không đáng kể. [2] Oxit canxi (CaO) chiếm khoảng 62-68% khối lượng clanhker, và tham gia tạo tất cả các khoáng chính của clanhker. Clanhker có hàm lượng CaO và nếu phản ứng tạo khoáng C3S tốt thì xi măng thường đóng rắn nhanh, mác cao, nhưng kém bền trong môi trường xâm thực.
Nếu CaO tồn tại ở dạng oxit tự do trong clanhker thì sẽ ảnh hưởng xấu đến chất lượng xi măng. [2] CaO tự do (CaOtd ) được tạo thành do nó không phản ứng hết với các oxyt khác trong quá trình nung, hoặc do C3S và /hoặc C3A bị phân huỷ khi làm lạnh. Hàm lượng CaO td trong clanhker thường từ 0-1%. CaO td phản ứng chậm với nước tạo thành Ca(OH) 2 và làm tăng thể tích, cho nên nếu hàm lượng CaOtd cao, thì sẽ gây giãn nở thể tích trong lòng khối xi măng đã đóng rắn, dẫn đến nứt và phá hủy cấu trúc đá xi măng.
[3] 5 Oxit silic (SiO 2) chiếm khoảng 21 – 24% khối lượng clanhker, tham gia tạo các khoáng khó nóng chảy của clanhker như C 3S và C2S. Xi măng có hàm lượng SiO2 cao thường đóng rắn chậm, mác cao, và kém bền trong môi trường xâm thực. [2] Oxit nhôm (Al2O3) chiếm khoảng 4 – 8% khối lượng clanhker, tham gia tạo các khoáng dễ nóng chảy của clanhker xi măng như C3A và C4AF. Xi măng có hàm lượng Al2O3 cao thường đóng rắn nhanh, tỏa nhiều nhiệt, kém bền trong môi trường xâm thực, và độ nhớt pha lỏng nóng chảy khi nung clanhker cao.
[2] Oxit sắt III (Fe2 O3 ) chiếm khoảng 2 – 5% khối lượng clanhker, tham gia chủ yếu tạo khoáng nóng chảy C4AF. Xi măng có hàm lượng Fe 2O3 cao thường có mác thấp, độ bền trong môi trường xâm thực cao, và độ nhớt pha lỏng nóng chảy khi nung clanhker thấp, nhờ đó có thể giảm nhiệt độ nung clanhker. [2] Oxit magiê (MgO) là thành phần không mong muốn, nhưng luôn lẫn trong nguyên liệu (đá vôi, đất sét, xỉ…), chiếm khoảng 0- 5% khối lượng clanhker. Trong clanhker, do Mg dễ thay thế đồng hình Ca2+ và cả Fe2+, Fe3+, Al3+ nên trong các khoáng chính của clanhker đều có lượng Mg2+ nhất định (trong C3 S có thể từ 2-2,5%, trong C2S từ 0,5-0,7%, trong C3 A tới 2,5% và trong C4AF tới 5,7%).
Các hợp chất hóa học của MgO thường ở dạng các hợp chất trung gian từ CaO.SiO 2 tới 2CaO. Một phần đáng kể MgO nằm trong pha thủy tinh (tới 5% thành phần pha thủy tinh), [2]. Magiê oxit tự do sẽ kết tinh thành khoáng periclase. Tốc độ làm lạnh của clanhker có thể ảnh hưởng rất lớn đến sự tạo thành và kích thước của tinh thể periclase.
Periclase hydrat hóa rất chậm (chậm hơn cả CaOtd), cho nên nếu tồn tại trong clanhker với hàm lượng lớn thì sau khi xi măng đóng rắn sẽ gây giãn nở thể tích, dẫn đến phá hủy cấu trúc đá xi măng. Nếu có thể hạn chế MgO tự do trong clanhker, thì có thể nâng được hàm lượng MgO lên đến 20%. Đây gọi là xi măng giàu MgO. [3] Oxit natri và oxit kali (Na2O và K2O) chiếm khoảng 0,1-0,5% khối lượngclanhker, có trong clanhker chủ yếu từ đất sét, tro than… Khi nung luyện, một 6 phần kiềm bay hơi, góp phần làm tăng quá trình phân hủy CaCO 3, giúp tạo pha lỏng nhiều hơn nhưng làm chậm quá trình tạo C 3S và tạo vòng cola trong lò nung.
Chúng là oxit có hại trong clanhker, gây biến đổi thể tích không đều, dễ nứt vỡ cấu kiện. Oxit lưu huỳnh (SO3) chiếm hàm lượng từ 0 đến 1% khối lượng clanhker, có thể tác dụng oxit kiềmtạo ra muối sulphat, dễ gây dính bết. [2] Oxit Mangan (Mn 2 O3) chiếm hàm lượng từ 0 đến 0,1% khối lượng clanhker, có thể thay thế Si và Ca trong C 3S, cho màu đen nâu đến xanh.[2] Oxit photphoric (P 2O 5) chiếm hàm lượng từ 0 đến 0,25% khối lượng clanhker, có thể dùng làm phụ gia khoáng hóa trong clanhker. P2O5 giảm nhiệt độ hoạt hóa quá trình phân hủy các khoáng tự nhiên, tham gia vào phản ứng phân hủy C3S thành C2S và vôi tự do, và giảm tác động của kiềm.