Nghiên Cứu đánh Giá Khả Năng Sử Dụng Nguyên Liệu để Sản Xuất ...

Mục tiêu của công việc nghiên cứu này là: đánh giá hoạt tính của nguyên liệu, khả năng phản ứng để tạo khoáng clanhke; đánh giá chất lượng phụ gia khoáng; kiểm tra chất lượng xi măng poóc lăng, xi măng poóc lăng hỗn hợp; tính toán sơ bộ định mức vật tư cần thiết cho một đơn vị sản phẩm.

Trong những năm qua, Viện Vật liệu xây dựng đã tiến hành nghiên cứu cho hầu hết các dự án xây dựng mới hoặc các dự án mở rộng nhà máy xi măng trên cả nước. Như: dự án mở rộng của xi măng Bút Sơn 2, Bỉm Sơn 3, Vinakansai 2, Duyên Hà 2; các dự án xây dựng mới là xi măng Sông Gianh, Thanh Liêm, Hoà Phát,Sông Thao, Nam Đông, Hướng Dương, Áng Sơn, Công Thanh, Tây Ninh,...

1. Các nội dung đánh giá

1.1. Phân tích thành phần hoá học, đánh giá chất lượng nguyên liệu chính

Hai nguyên liệu chính, chiếm tỷ lệ lớn do vậy được quan tâm nhiều nhất là đá vôi và nguyên liệu sét. Tổng hàm lượng đá vôi và sét trong phối liệu khoảng 90 đến 95 %, thậm chí trong một số trường hợp, khi thành phần sét cung cấp đầy đủ nhôm và sắt có thể sử dụng phối liệu hai cấu tử, nghĩa là tổng lượng đá vôi và sét là 100%.

Đối với đá vôi, hai thành phần chính và được quan tâm nhiều nhất là hàm lượng CaCO3 và MgCO3; chất lượng của đá vôi được quy định trong tiêu chuẩn TCVN 6072:1996. Trong đó quy định hàm lượng CaCO3 không nhỏ hơn 85% (hàm lượng tương ứng CaO không nhỏ hơn 48, 41%), hàm lượng MgCO3 không lớn hơn 5% (tương ứng với hàm lượng MgO không lớn hơn 2,38%). Một số trường hợp cá biệt, đá vôi lẫn một phần sét hoặc lẫn silic dạng tự do, hàm lượng SiO2 có thể chiếm đến 4%.

Tổng hợp kết quản nghiên cứu đánh giá cho một số dự án (đặc biệt các dự án khu vực phía Nam) chúng tôi nhận thấy, chỉ tiêu CaCO3 quy định trong TCVN 6072:1996 là phù hợp, tuy nhiên có thể sử dụng đá vôi có hàm lượng MgCO3 lớn hơn 5% mà vẫn sản xuất được xi măng đạt chất lượng PC50 theo TCVN 2682: 1999. Khi hàm lượng MgCO3 trong đá vôi lớn hơn 5%, nhưng nếu các nguyên liệu khác và tro than có hàm lượng MgO thấp, có thể tính toán phối liệu để thu được clanhke mà hàm lượng MgO nhỏ hơn 5%. Một số dự án xi măng mà đá vôi có hàm lượng MgO lớn đã nghiên cứu và chất lượng xi măng thu được trình bày trong bảng 1.

                                Bảng 1. Chất lượng đá vôi và chất lượng xi măng thu được:

 

TT	Tên dự án	Hàm lượng MgCO3 trong đá vôi	Hàm lượng MgO trong clanhke	Chất lượng xi măng thu được theo TCVN2682:1999
1	Dự án xi măng Tây Ninh	6.26	3.65	đạt PC50
		7.48	4.75	đạt PC40
2	Dự án xi măng Đồng Lâm	5.88	2.7 – 4.3	đạt PC50
3	Dự án xi măng Kiện Khê	7.35	4.88 – 5.09	Cường độ nén 28 ngày đạt 50N/mm2
4	Dự án ximăng Bút Sơn 2	7.15	3.67 – 4.22	Cường độ nén 28 ngày đạt 50N/mm2

Đối với nguyên liệu sét, đây là nguyên liệu chiếm tỷ lệ lớn thứ hai trong phối liệu, nhưng ảnh hưởng lớn đến hoạt tính của phối liệu chất lượng clanhke. Các thành phần được quan tâm nhiều là: oxit SiO2, Al2O3, hàm lượng kiềm (K2O và Na2O), và Fe2O3. Trong đó các oxyt SiO2, Al2O3, Fe2O3, tham gia tạo các khoáng chính clanhke; kiềm trong sét thực tế là oxyt có hại nó tạo thành các khoáng sunphát làm giảm cường độ của xi măng và tạo nên vòng tuần hoàn kiềm gây tắc ở hệ thống trao đổi nhiệt của lò nung.

Thành phần của sét được quy định trong TCVN6071: 1995, trong đó hàm lượng SiO2 trong giới hạn 55 đến 70%; Al2O3 trong giới hạn 10 đến 24%, hàm lượng kiềm tổng K2O + Na2O không vượt quá 3%.

Nguyên liệu sét ở Việt Nam thường có hàm lượng nhôm đạt yêu cầu, hàm lượng SiO2 được điều chỉnh thông qua việc sử dụng thêm cao silic hoặc cát non. Hàm lượng sắt được điều chỉnh bằng việc sử dụng quặng sắt hoặc quặng laterit để bổ sung Fe2O3.

Từ kết quả nghiên cứu nguyên liệu cho một số dự án, chúng tôi nhận thấy nguyên liệu sét hiện nay, đặc biệt ở các dự án xi măng khu vực miền Trung, miền Nam là hàm lượng kiềm trong sét lớn hơn quy định của TCVN6071: 1995. Điều này gây khó khăn cho dự án trong việc được phê duyệt nguồn nguyên liệu, và ảnh hưởng đến sản xuất sau này. Tuy nhiên, thực tế cho thấy trong những trường hợp cụ thể, nếu trong sét hàm kiềm tổng lớn hơn 3% vẫn sử dụng được để làm nguyên liệu sản xuất xi măng bằng các giải pháp:

+ Lựa chọn nguồn cung cấp cao silic có hàm lượng kiềm nhỏ, sao cho khi phối trộn sét và cao silic cho ta hỗn hợp sét có hàm lượng kiềm tổng nhỏ hơn 3%.

 + Lựa chọn phương án phối liệu hợp lý để cho hàm lượng kiềm tương đương (Na2Oeq = Na2O + 0.685K2O) không vượt quá 1% và được đảm bảo chất lượng clanhke.

 + Trong trường hợp không khắc phục được hai vấn đề trên, chủ đầu tư nên khuyến cáo với nhà cung cấp thiết bị để có lựa chọn công nghệ phù hợp, ví dụ sử dụng hệ thống lò nung có đường by-pass.

Ví dụ về kết quả nghiên cứu thử nghiệm sét có hàm lượng kiềm cao làm nguyên liệu và chất lượng xi măng, hàm lượng kiềm tương đương trong phối liệu theo tính toán của một số dự án được trình bày trong bảng 2.

Đối với các nguyên liệu điều chỉnh khác, khi lựa chọn cần lưu ý vấn đề hoạt tính, hàm lượng oxyt chính và các tạp chất có hại. Khi sử dụng cát làm nguyên liệu bổ sung silic cần lưu ý lựa chọn loại cát non, lẫn phù sa để đảm bảo khả năng phản ứng tốt. Sử dụng cao silic cần lưu ý đến hàm lượng SiO2 ở dạng tự do vì đây là thành phần khó phản ứng tạo khoáng clanhke.

                                           Bảng 2: Kết quả nghiên cứu của một số dự án

 

TT	Tên dự án	Hàm lượng kiềm tổng trong sét	Hàm lượng kiềm tương đương trong phối liệu	Chất lượng xi măng thu được theo TCVN 2682: 1999
1	Dự án xi măng Quảng Phúc	3.41	0.50	đạt PC50
2	Dự án xi măng Mỹ Đức	3.39	0.5	đạt PC50
3	Dự án xi măng Đô Lương	4.43	0.7	đạt PC50
4	Dự án xi măng Hướng Dương	4.11	0.71	đạt PC50

Ghi chú: Hiện nay nhà máy xi măng Hướng Dương đã đi vào hoạt động ổn định trên các mỏ nguyên liệu đã được nghiên cứu.

1.2 Phân tích, đánh giá chất lượng nhiên liệu và phụ gia khoáng

Nhiên liệu sử dụng trong sản xuất xi măng ở Việt Nam thường là than cám 3a, 3b, 3c, 4a, thậm chí 4c. Đối với nghiên cứu sản xuất xi măng trong phòng thí nghiệm, chỉ quan tâm đến thành phần tro và thành phần hoá học của tro than, vì đây là thành phần sẽ tham gia vào clanhke xi măng.

Ở Việt Nam than sử dụng trong công nghiệp xi măng thường là than antraxit nguồn gốc từ Quảng Ninh, khả năng cung cấp than chất lượng tốt ngày càng hạn chế. Các chỉ tiêu của than cám cần quan tâm đó là: nhiệt trị, độ tro và hàm lượng chất bốc, thông thường các chỉ tiêu của than trong khoảng: nhiệt trị Q = 6500 – 7000 kcacl/kg than, độ tro A = 15 – 20%, chất bốc V = 5 – 8%. Mặc dù trong nội dung các “Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng nguyên liệu sản xuất xi măng” còn chưa đề cập, song theo chúng tôi ba vấn đề về than cần đặc biệt quan tâm, đó là:

 + Khả năng nghiền của than (như: độ cứng, độ mài mòn...): chỉ tiêu này ảnh hưởng đến việc lựa chọn máy nghiền than.

 + Nhiệt độ bắt cháy và tốc độ bắt cháy của than: chỉ tiêu này ảnh hưởng đến việc thiết kế vòi đốt cho lò nung, thiết kế calciner.

 + Hàm lượng lưu huỳnh trong than: đây là chỉ tiêu quan trọng, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng clanhke, vận hành lò nung. Thành phần SO3 tác dụng với kiềm tạo thành muối kiềm – sunphát, muối này có trong thành phần clanhke làm giảm chất lượng xi măng, tạo thành vòng tuần hoàn kiềm gây tắc ở tháp trao đổi nhiệt.

Phụ gia khoáng này cũng là yếu tố quan trọng mà các nhà đầu tư quan tâm, hiện nay chủng loại xi măng PCB đang được sản xuất và sử dụng phổ biến ở Việt Nam do nhiều tính năng ưu việt và hiệu quả kinh tế mà nó đem lại.

Phụ gia khoáng sử dụng sản xuất xi măng poóclăng hỗn hợp phổ biến hiện nay là các loại puzolan, bazan, các loại đá cao silic, điatomit, xỉ hạt hoá lò cao, tro bay và xỉ nhiệt điện.... Lựa chọn nguồn phụ gia khoáng nào phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng nhà máy.

Chất lượng phụ gia khoáng được đánh giá theo TCVN 6882: 2001, các chỉ tiêu chính cần được quan tâm đó là:

+ Hoạt tính cường độ: chỉ tiêu này đánh giá mức độ suy giảm cường độ của xi măng có phụ gia so với mẫu xi măng gốc hay hàm lượng phụ gia có thể pha vào xi măng tuỳ theo chất lượng clanhke.

+ Thời gian kết thúc đông kết và độ bền nước của vữa vôi – phụ gia: chỉ tiêu này thể hiện phụ gia thuộc loại khoáng hoạt tính hay phụ gia đầy. Đối với các loại phụ gia khoáng hoạt tính, trong thành phần chứa các oxyt như Al2O3 ht và SiO2 ht, do đó tác dụng được với Ca(OH)2 tạo ra trong quá trình thuỷ hoá xi măng. Mức độ hoạt tính càng cao,nghĩa là hàm lượng Al2O3 ht và SiO2 ht càng lớn, thời gian kết thúc đông kết của vữa vôi – phụ gia càng ngắn.

+ Hàm lượng kiềm có hại, hàm lượng tạp chất bụi và sét, hàm lượng SO3 là các thành phần có ảnh hưởng xấu đến tính chất sử dụng của xi măng cũng được quy định trong TCVN 6882: 2001.

Trong quá trình nghiên cứu phụ gia và tính chất xi măng có phụ gia khoáng, TCVN 6882: 2001 bộc lộ một số hạn chế, đó là các quy định trong tiêu chuẩn này chưa phản ánh hết ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến tính chất sử dụng của xi măng poóclăng hỗn hợp, nhất là khi sử dụng vào bê tông. Ví dụ, có một số loại đá bazan, mặc dù thoả mãn các chỉ tiêu của TCVN 6882: 2001, nhưng khi sử dụng vào bê tông thì làm tăng lượng nước dùng, tăng tổn thất độ sụt.

Do vậy, để yên tâm kết luận về một loại phụ gia khoáng dự định dùng để sản xuất xi măng poóclăng hỗn hợp, ngoài việc đánh giá các chỉ tiêu theo tiêu chẩn 6882: 2001, cần thiết phải kiểm tra ảnh hưởng của chúng đến tính chất hỗn hợp bê tông khi sử dụng xi măng có phụ gia khoáng này.

1.3. Tính toán phối liệu và nung clanhke

Việc tính toán  phối liệu được căn cứ trên cơ sở: đặc tính của hệ thống lò nung, đặc tính của nguyên liệu, kinh nghiệm rút ra quá trình nghiên cứu, tham khảo thực tế ở các nhà máy có cùng công suất đang sản xuất ổn định.

Mục tiêu của việc tính toán phối liệu là thu được:

+ Đối với phối liệu: phải dễ nung, mức độ kết khối tốt, hàm lượng kiềm tương trong phối liệu không vượt quá 1%.

+ Đối với clanhke: hàm lượng vôi tự do thấp, thành phần khoáng, hoá và hàm lượng pha lỏng hợp lý, hàm lượng các tạp chất có hại (như MgO) phải trong giới hạn cho phép.

Thông số công nghệ dùng để tính toán phối liệu như sau:

+ Nhiệt tiêu tốn riêng: qr = 850 kcal/kg clanhke (đối với lò có năng suất thấp hơn 2500 tấn clanhke/ngày); qr = 750 kcal/kg clanhke (đối với lò có năng suất từ 2500 tấn clanhke/ngày trở lên) hoặc theo đề nghị của nhà cung cấp thiết bị.

+ Hàm lượng MgO trong clanhke theo tính toán nên không vượt quá 5%.

+ Hàm lượng pha lỏng clanhke ở 1450oC dao động trong khoảng 25 – 27%.

+ Các hệ số công nghệ của clanhke như sau:

Hệ số bão hoà vôi LSF = 90 đến 98, KH = 0.9 đến 0.96

Modul silic: MS = 2.0  -  2.7

Modul nhôm: MA = 1.2 – 1.6

Hàm lượng pha lỏng ở 14500C : L = 25  -  27%

Phối liệu được tính toán, định lượng và nghiền mịn đến độ sót sàng kích thước lỗ 0.08 mm là không quá 10%, độ ẩm không quá 1%. Sau đó được nung trong lò gas ở các nhiệt độ 1420, 14500C, lưu nhiệt độ nung 30 phút, sau đó làm nguội nhanh đến 5000C. Clanhke được kiểm tra vôi tự do để kết luận về khả năng phản ứng của nguyên liệu và mức độ dễ nung của phối liệu. Từ các kết quả đó, lựa chọn một số phối liệu điển hình, thông thường là có vôi tự do thấp, hàm lượng khoáng chính trong clanhke nằm trong vùng xi măng poóc lăng thông dụng để nung ở quy mô lớn hơn.

1.4. Đánh giá chất lượng clanhke, chế tạo ximăng và đánh giá chất lượng xi măng theo tiêu chuẩn hiện hành

Clanhke thu được như miêu tả ở mục 2.3, được xác định vôi tự do và phân tích hoá toàn phần theo TCVN 141: 2008. Kết quả vôi tự do cho phép kết luận về hoạt tính của nguyên liệu, từ kết quả thành phần hoá, tính toán để kiểm tra thành phần khoáng, hàm lượng pha lỏng và các thông số công nghệ clanhke.

Xi măng poóc lăng chế tạo từ clanhke và thạch cao (hàm lượng phụ thuộc vào thành phần khoáng clanhke, thông thường từ 3 đến 6%), được nghiền mịn đến tỷ diện 3300 – 3600 cm2/g. Chất lượng xi măng pooclăng  đánh giá theo TCVN 2682: 1999, cụ thể:

+ Thành phần hoá kiểm tra hàm lượng MgO (không quá 5%), hàm lượng SO3 (không quá 3,5%), lượng cặn không tan (CKT, không quá 1,5%), lượng mất khi nung (MKN, không quá 5%).

 + Các chỉ tiêu cơ, lý cần kiểm tra: độ mịn, tỷ diện, cường độ nén tuổi 3 và 28 ngày, thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết.

Xi măng poóc lăng hỗn hợp được chế tạo bằng cách trộn đều xi măng poóc lăng nói trên và phụ gia khoáng đã nghiền mịn (độ sót sàng 0,08 mm không quá 10%); hàm lượng phụ gia khoáng phụ thuộc xi măng poóc lăng và mức độ hoạt tính của phụ gia. Chất lượng xi măng poóc lăng hỗn hợp được đánh giá theo TCVN 6260: 1997, là: hàm lượng SO3, độ mịn, tỷ diện, cường độ nén tuổi 3 và 28 ngày, thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết.

Từ kết quả kiểm tra chất lượng xi măng poóc lăng và xi măng poóc lăng hỗn hợp rút ra kết luận về khả năng sử dụng nguyên liệu để sản xuất xi măng poóc lăng, xi măng poóc lăng hỗn hợp phục vụ dự án đầu tư xây dựng nhà máy.

2. Kết luận

Nghiên cứu khả năng sử dụng nguyên liệu để sản xuất xi măng là công việc quan trọng, cần thiết cho mỗi dự án đầu tư xây dựng mới hoặc mở rộng. Kết quả của công việc này là cơ sở để các cơ quan quản lý cho phép khai thác mỏ, phê duyệt dự án.

Ngoài ra, giúp cho chủ đầu tư trong công việc:

+ Lựa chọn số lượng và loại nguyên liệu điều chỉnh.

+ Có cơ sở để thiết kế hệ thống khô đồng nhất sơ bộ, trạm định lượng nguyên liệu.

+ Có cơ sở lựa chọn hệ thống lò nung phù hợp với đặc tính nguyên,nhiên liệu.

+ Khả năng sử dụng phụ gia khoáng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp, làm hạ giá thành sản phẩm,...

Các nội dung nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Xi măng và Bê tông, Trung tâm Phân tích kiểm định – Viện Vật liệu xây dựng. Kết quả nghiên cứu được các chuyên gia về lĩnh vực xi măng thẩm định.

 

 Nguồn: Báo cáo của ThS. Nguyễn Mạnh Tường đăng trong Tuyển tập các công trình nghiên cứu KHCN vật liệu xây dựng 2005 - 2009.