Tìm hiểu chi tiết về nguyên liệu để sản xuất xi măng

Trần Thị Ánh Dương

Xi măng là vật liệu giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực xây dựng và là loại vật liệu đang được sử dụng rộng rãi nhất. Sở dĩ, xi măng là loại vật liệu không thể thiếu trong xây dựng bởi vì chỉ có xi măng mới có khả năng làm tăng độ bám chắc của bê tông, và đồng thời làm cho cát và sỏi kết dính hơn trong hỗn hợp bê tông. Dưới đây bài viết cung cấp những thông tin chi tiết về nguyên liệu sản xuất xi măng cũng như các bước trong quá trình sản xuất xi măng.

Thành phần của xi măng

Xi măng là một loại hỗn hợp có khả năng kết dính cao được cấu tạo từ nhiều các chất hóa học khác nhau. Những chất hóa học này chủ yếu có trong nước, đá, cát, sỏi… Sau khi trải qua các công đoạn khác nhau bao gồm: pha trộn, nung nóng, nghiền nhỏ, tách chiết,… theo một tỷ lệ nhất định, những chất hóa học ở này sẽ tạo ra hỗn hợp xi măng với chất lượng đạt chuẩn, đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ cứng và khả năng chịu áp lực,… Về cơ bản, các thành phần chính tạo nên xi măng bao gồm những chất như:

  • Vôi sống: có công thức hóa học là CaO tức canxi oxit. Vôi sống là nguyên liệu có rất nhiều trong tự nhiên, đặc biệt là ở các khu vực hang động. CaO được lấy từ đá vôi, đá phấn, đá phiến hay vỏ sò,…

  • Silica (SiO2): được lấy từ cát, đất sét, đá sét, mảnh chai thủy tinh cũ.

  • Alumina (Al2O3): là loại nguyên liệu có nhiều trong nhôm tái chế, đất sét, bauxite…

  • Oxit sắt (Fe2O3): là chất được tách ra từ bên trong quặng sắt, đất sét, sắt phế liệu, tro bay…

  • Thạch cao (CaSO4.2H2O): được tìm thấy nhiều nhất ở đá vôi.

Mặc dù có rất nhiều thành phần khác nhau bên trong xi măng, nhưng hỗn hợp xi măng cũng yêu cầu công thức pha trộn kỹ lưỡng. Nói đúng hơn là cần tính toán tỷ lệ thành phần các chất sao cho hợp lý, thỏa mãn tính chất xi măng cần đạt đến. Nếu thành phẩm xi măng cuối cùng không đạt được tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra, thì xem như cách thức pha trộn xi măng đã hoàn toàn thất bại. Theo thuật ngữ chuyên môn thì được hiểu là: tỷ lệ sắp xếp thành phần của xi măng đang không đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

Với mỗi loại xi măng khác nhau sẽ chứa những thành phần hóa học khác nhau. Sự khác nhau ở đây không phải nằm ở tên chất hóa học, mà chính là tỷ lệ đóng góp của từng chất trong hỗn hợp xi măng nói chung. Như vậy, tỷ lệ của các chất có trong xi măng sẽ quyết định tính chất của từng loại sản phẩm. Dù được pha trộn theo cách nào đi nữa, thì tất cả các loại xi măng đều ở dạng bột và đảm bảo khả năng kết dính khi hòa trộn với nước, cát, đá, sỏi,…

nguyen-lieu-de-san-xuat-xi-mang-2-1651302039.jpg

Cấu tạo của xi măng bao gồm nhiều thành phần khác nhau, được pha trộn theo một tỷ lệ nhất định

Nguyên liệu sản xuất xi măng bao gồm những chất gì?

Nguyên liệu chính

Nguyên liệu chính để sản xuất ra xi măng bao gồm các chất sau: đá vôi, quặng sắt, đất sét, boxit và các phiến Silic. Bên cạnh đó trong xi măng sẽ có một số chất tồn tại trong khí đốt như dầu mỏ hoặc than,… Nguyên liệu để sản xuất ra xi măng được  theo một tỷ lệ nhất định như sau:

– Đá vôi: chính là nguyên liệu cơ bản nhất sản xuất clinker xi măng. Loại đá vôi được dùng trong sản xuất xi măng cần có hàm lượng CaCO3 ≥85%, Na2O và K2O ≤1%, MgCO3 ≤5%.

– Đất sét: cũng là một trong những nguyên liệu quan trọng trong sản xuất xi măng, có tác dụng tạo ra khả năng đông cứng và kết dính của xi măng sau khi được pha trộn. Trong đất sét có chứa các chất hóa học như SiO2, Fe2O3, Al2O3 với hàm lượng oxit SiO2 phải từ 55% – 70%, thì mới đạt chuẩn để sản xuất xi măng.

Nguyên liệu phụ

– Bên cạnh đó các chất phụ khác để sản xuất xi măng, bao gồm:

  • Phụ gia cao silic: là phụ gia có chứa oxit silic, thường được tìm thấy trong các loại đất đá tự nhiên với hàm lượng chất SiO2 > 80% .

  • Phụ gia cao sắt: là chất phụ gia có nhiều oxit sắt, được sử dụng để điều chỉnh module aluminat cho phối liệu.

  • Phụ gia cao nhôm: là quặng bô-xít có trong những mỏ khai thác quặng, chứa 44-58% oxit Al2O

Trên đây là các chất phụ gia cần phải có trong quá trình sản xuất xi măng hiện nay. Bên cạnh đó, người ta có thể sử dụng thêm những loại phụ gia khác như: thạch cao, quặng màu thiên nhiên, phụ gia khoáng,… với tỷ lệ nhỏ để làm tăng khả năng ưu việt của xi măng như: độ bền, độ cứng,  thời gian đông cứng lâu hơn, khả năng chịu áp lực,…

Trong công nghiệp sản xuất xi măng hiện nay, nguyên liệu đầu vào sẽ được sử dụng ở ba dạng đó là: rắn, lỏng và khí.

+ Nhiên liệu rắn: được sử dụng trong sản xuất xi măng trong đó chủ yếu là than đá. Trong thành phần của than có chứa khoảng 60-90% chất cacbon, còn lại là các chất oxy, hydro, nitơ… có nhiệt lượng mạnh. Khi sử dụng than đá để làm nguyên liệu sản xuất xi măng, thì người ta cần tiến hành thực hiện các công đoạn khác nhau gồm: sấy, nghiền nhỏ, phun vào lò. Một số loại than đang được sử dụng phổ biến trong quy trình sản xuất xi măng gồm: than nâu, than đá, than mỡ hoặc than antraxit.

+ Nhiên liệu lỏng: gồm các loại dầu nặng như dầu MFO, FO, DO, mazut.

+ Nhiên liệu khí: là các loại khí thiên nhiên có lượng nhiệt cao.

nguyen-lieu-de-san-xuat-xi-mang-3-1651302039.jpg

Đất sét tự nhiên là nguyên liệu không thể thiếu trong quá trình sản xuất xi măng

Quy trình sản xuất xi măng

Quy trình sản xuất xi măng khá phức tạp, đòi hỏi người thực hiện cần phải thật tỉ mỉ và cẩn thận. Vậy quá trình sản xuất xi măng cần phải trải qua 6 giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Tách chiết nguyên liệu thô

Như chúng ta đã biết, việc sản xuất xi măng sử dụng những nguyên liệu thô gồm: canxi, sắt, silic và nhôm. Các thành phần này thông thường có trong đá vôi, cát và đất sét. Ngoài ra bên trong xi măng còn chứa các hỗn hợp cát và đất sét với một lượng nhỏ. Điều đó đồng nghĩa với việc trong cát và đất sét có thể đáp ứng nhu cầu về silic, sắt và nhôm.

Bởi vậy, các nhà máy xi măng thường đặt ở các khu vực gần núi đá vôi để có thể tiết kiệm chi phí vận chuyển. Nếu chi phí giảm thì giá thành xi măng cũng sẽ giảm. Từ đó, nguyên liệu thô sẽ tách chiết trực tiếp từ các núi đá vôi tiếp đó thông qua băng chuyền rồi vận chuyển đến các nhà máy. 

Bên cạnh đó, còn rất nhiều nguyên liệu thô khác được sử dụng trong quá trình sản xuất xi măng điển hình như tro bay, đá phiến, vảy thép cán và bôxit. Những nguyên liệu này chiếm tỷ trọng không lớn nên thường được vận chuyển đến từ nhiều nguồn cung khác nhau. 

Giai đoạn 2: Phân chia tỉ lệ, trộn lẫn và nghiền

Những nguyên liệu thô từ quặng sau khi đã tách chiết sẽ được chuyển đến phòng thí nghiệm. Tiếp đó phòng thí nghiệm sẽ thực hiện nhiệm vụ là tiến hành phân tích để có thể chia tỉ lệ chính xác giữa đá vôi và đất sét trước khi nghiền. Thông thường, phòng thí nghiệm sẽ tiến hành chia theo tỉ lệ đó là 80% đá vôi và 20% là đất sét.

nguyen-lieu-de-san-xuat-xi-mang-4-1651302039.jpg

phòng thí nghiệm sẽ thực hiện nhiệm vụ là tiến hành phân tích

Sau khi chia tỉ lệ xong sẽ thực hiện công đoạn nghiền. Nhà máy sẽ tiến hành nghiền hỗn hợp dưới sự trợ giúp của con lăn quay và bàn xoay. Bàn xoay sẽ quay liên tục dưới con lăn sau đó con lăn sẽ tiếp xúc trực tiếp với hỗn hợp để nghiền thành bột mịn. Nguyên liệu thô thường sẽ bị thừa lại, hỗn hợp còn lại sẽ được dự trữ trong đường ống.

Giai đoạn 3: Trước khi nung

Sau công đoạn nghiền, nguyên liệu sẽ được vận chuyển vào bên trong buồng trước khi nung. Ở đây chứa các buồng xoay trục đứng, trước khi đưa vào lò nung nguyên liệu thô sẽ được đưa qua đây. Buồng trước khi nung sẽ tận dụng lượng nhiệt tỏa ra từ lò, việc này sẽ giúp tiết kiệm năng lượng và thân thiện hơn với môi trường.

nguyen-lieu-de-san-xuat-xi-mang-5-1651302039.jpg

Buồng trước khi nung sẽ tận dụng lượng nhiệt tỏa ra từ lò

Giai đoạn 4: Trong lò

Ở giai đoạn này, nhiệt độ bên trong lò có thể lên đến 1450 độ C. Nguyên nhân xảy ra tình trạng này là do phản ứng hóa học khử cacbon và thải khí CO2. Thành phần chính bên trong xi măng là CasiO3 được hình thành từ phản ứng hóa học giữa Ca và SiO2.

Để lò có thể nhận được nhiệt từ bên ngoài thì cần tới sự trợ giúp của khí tự nhiên hoặc than đá. Khi nguyên liệu sau khi rơi xuống phần thấp nhất của lò nung thì lúc này sỉ khô sẽ được hình thành.

Giai đoạn 5: Làm mát và nghiền thành phẩm

Sau khi đưa ra khỏi lò, sỉ sẽ được trải qua công đoạn làm mát. Bước này sẽ được thực hiện nhờ vào khí cưỡng bức. Khí cưỡng bức sẽ làm cho sỉ tỏa lượng nhiệt đã hấp thụ và từ từ giảm nhiệt. Lượng nhiệt mà sỉ tỏa ra sau đó sẽ được thu trở lại vào lò, điều này sẽ giúp tiết kiệm năng lượng rất nhiều. Ở công đoạn này, những viên bi sắt sẽ giúp nghiền bột mịn ra thành xi măng.

Giai đoạn 6: Đóng bao và vận chuyển

Sau khi đã tiến hành nghiền thành phẩm xi măng, chúng ta sẽ thực hiện công đoạn đóng gói. Thông thường, xi măng được đóng gói với trọng lượng phổ biến từ 20-40kg/ bao. Xi măng sau khi đóng gói xong sẽ được phân phối cho các nhà cung cấp và chuyển đến tay người tiêu dùng. 

nguyen-lieu-de-san-xuat-xi-mang-6-1651302039.jpg

Sau khi đóng gói xi măng sẽ được vận chuyển đến người tiêu dùng

Bài viết trên đã giúp bạn hiểu rõ hơn về thành phần xi măng sẽ bao gồm những gì cũng như nguyên liệu sản xuất xi măng bắt nguồn từ đâu. Xi măng có khả năng ứng dụng cao trong đời sống con người cũng như các lĩnh vực (ngành nghề) khác nhau. Xi măng đã trở thành vật liệu không thể thiếu trong thi công xây dựng hiện nay