Ai phát minh ra xi măng? Nguồn gốc của xi măng thủy lực có từ thời Hy Lạp và La Mã cổ đại. Vật liệu được sử dụng là vôi và tro núi lửa phản ứng từ từ với nó với sự có mặt của nước để tạo thành một khối cứng.
Điều này đã hình thành vật liệu xi măng của vữa và bê tông La Mã hơn 2.000 năm trước và của các công trình xây dựng tiếp theo ở Tây Âu. Tro núi lửa được khai thác gần nơi ngày nay là thành phố Pozzuoli, Ý, đặc biệt giàu khoáng chất aluminosilicat thiết yếu, tạo nên xi măng pozzolana cổ điển của thời La Mã. Cho đến ngày nay, thuật ngữ pozzolana, hoặc pozzolan, dùng để chỉ bản thân xi măng hoặc bất kỳ loại aluminosilicat nào được phân chia mịn phản ứng với vôi trong nước để tạo thành xi măng. (Trong khi đó, thuật ngữ xi măng bắt nguồn từ tiếng Latin caementum, có nghĩa là những mảnh đá vụn như được sử dụng trong vữa La Mã – không phải vật liệu kết dính.)
Xi măng pooc lăng là sản phẩm kế thừa của loại vôi thủy lực được John Smeaton phát triển lần đầu tiên vào năm 1756 khi ông được gọi đến để xây dựng Ngọn hải đăng Eddystone ngoài khơi bờ biển Plymouth, Devon, Anh. Sự phát triển tiếp theo, diễn ra vào khoảng năm 1800 ở Anh và Pháp, là vật liệu thu được bằng cách đốt các nốt đá vôi pha sét. Ngay sau đó ở Hoa Kỳ, một loại vật liệu tương tự đã được thu được bằng cách đốt cháy một chất có trong tự nhiên được gọi là “đá xi măng”. Những vật liệu này thuộc loại được gọi là xi măng tự nhiên, liên quan đến xi măng poóc lăng nhưng cháy nhẹ hơn và không có thành phần được kiểm soát.
Việc phát minh ra xi măng poóc lăng thường là do Joseph Aspdin ở Leeds, Yorkshire, Anh, người vào năm 1824 đã lấy bằng sáng chế cho một loại vật liệu được sản xuất từ hỗn hợp tổng hợp của đá vôi và đất sét. Ông gọi sản phẩm là “xi măng poóc lăng” vì sự tương đồng kỳ lạ của vật liệu, khi được đặt thành đá portland, một loại đá vôi được sử dụng để xây dựng ở Anh. Sản phẩm của Aspdin có thể đã bị đốt cháy quá nhẹ để trở thành một loại xi măng poóc lăng thực sự và nguyên mẫu thực sự có lẽ là sản phẩm được sản xuất bởi Isaac Charles Johnson ở đông nam nước Anh vào khoảng năm 1850. Việc sản xuất xi măng pooclăng nhanh chóng lan sang các nước Châu Âu khác và Bắc Mỹ. Trong thế kỷ 20, sản xuất xi măng đã lan rộng trên toàn thế giới. Đến năm 2019, Trung Quốc và Ấn Độ đã trở thành những quốc gia dẫn đầu thế giới về sản xuất xi măng, tiếp theo là Việt Nam, Hoa Kỳ và Ai Cập.
Nguyên liệu thô
Thành phần
Xi măng poóc lăng chủ yếu bao gồm các hợp chất của vôi (canxi oxit, CaO) trộn với silica (silic đioxit, SiO2) và alumin (nhôm oxit, Al2O3). Vôi được lấy từ một nguyên liệu thô có vôi (chứa vôi), và các ôxít khác có nguồn gốc từ vật liệu thạch anh (đất sét). Các nguyên liệu thô bổ sung như cát silica, ôxít sắt (Fe2O3) và bôxit – có chứa nhôm ngậm nước, Al (OH) 3 – có thể được sử dụng với số lượng nhỏ hơn để có được thành phần mong muốn.
Các nguyên liệu thô phổ biến nhất là đá vôi và đá phấn, nhưng những nguyên liệu khác, chẳng hạn như trầm tích san hô hoặc vỏ sò, cũng được sử dụng. Đất sét, đá phiến, đá phiến và bùn ở cửa sông là những nguyên liệu thô phổ biến của đá thạch anh. Marl, một loại đất sét vôi cứng và đá xi măng chứa cả thành phần đá vôi và đá vôi với tỷ lệ đôi khi xấp xỉ với thành phần xi măng. Một nguyên liệu thô khác là xỉ lò cao, bao gồm chủ yếu là vôi, silica và alumin và được trộn với vật liệu đá vôi có hàm lượng vôi cao. Cao lanh, một loại đất sét trắng có chứa ít ôxít sắt, được sử dụng làm thành phần thạch anh cho xi măng poóc lăng trắng. Chất thải công nghiệp, chẳng hạn như tro bay và canxi cacbonat từ quá trình sản xuất hóa chất, là những nguyên liệu thô khả thi khác, nhưng việc sử dụng chúng là rất nhỏ so với các nguyên liệu tự nhiên.
Hàm lượng magie (magie oxit, MgO) trong nguyên liệu phải thấp vì giới hạn cho phép trong xi măng poóc lăng là 4 đến 5%. Các tạp chất khác trong nguyên liệu thô phải được hạn chế nghiêm ngặt là các hợp chất flo, phốt phát, oxit và sunfua kim loại, và các chất kiềm quá mức.
Một nguyên liệu thô thiết yếu khác là thạch cao, khoảng 5% trong số đó được thêm vào clanhke xi măng nung trong quá trình nghiền để kiểm soát thời gian đông kết của xi măng. Xi măng poóc lăng cũng có thể được sản xuất theo quy trình kết hợp với axit sunfuric bằng cách sử dụng canxi sunfat hoặc anhydrit thay cho canxi cacbonat. Lưu huỳnh đioxit sinh ra trong khí thải khi đốt cháy được chuyển thành axit sunfuric bằng các quy trình thông thường.
Chiết xuất và xử lý
Nguyên liệu thô được sử dụng trong sản xuất xi măng được khai thác bằng cách khai thác đá trong trường hợp đá cứng như đá vôi, đá phiến và một số đá phiến sét, với sự hỗ trợ của nổ mìn khi cần thiết. Một số quặng được khai thác bằng phương pháp ngầm. Các loại đá mềm hơn như đá phấn và đất sét có thể được đào trực tiếp bằng máy xúc.
Vật liệu đào được vận chuyển đến nhà máy nghiền bằng xe tải, toa chở hàng đường sắt, băng chuyền hoặc đường dây. Chúng cũng có thể được vận chuyển ở trạng thái ướt hoặc bùn bằng đường ống. Ở những vùng không có sẵn đá vôi có hàm lượng vôi đủ cao, có thể sử dụng một số quá trình loại bỏ silica hoặc alumin dư thừa và do đó nâng cấp đá vôi, nhưng đây là một quá trình tốn kém và chỉ được sử dụng khi không thể tránh khỏi.
Sản xuất xi măng
Có bốn giai đoạn trong quá trình sản xuất xi măng poóc lăng:
(1) nghiền và nghiền nguyên liệu,
(2) trộn các nguyên liệu theo đúng tỷ lệ,
(3) đốt hỗn hợp đã chuẩn bị trong lò nung,
và (4) nghiền phần đã đốt sản phẩm, được gọi là “clinker,” cùng với khoảng 5% thạch cao (để kiểm soát thời gian đông kết của xi măng).
Ba quy trình sản xuất được gọi là quy trình ướt, khô và bán phần và được gọi như vậy khi nguyên liệu thô được nghiền ướt và đưa vào lò nung dưới dạng bùn, nghiền khô và cho ăn như bột khô, hoặc nghiền khô sau đó được làm ẩm để tạo thành các nốt sần được đưa vào lò nung.
Người ta ước tính rằng khoảng 4–8% lượng khí thải carbon dioxide (CO2) trên thế giới đến từ việc sản xuất xi măng, khiến xi măng trở thành một nguyên nhân chính gây ra sự nóng lên toàn cầu. Một số giải pháp để giải quyết các phát thải khí nhà kính này là phổ biến cho các lĩnh vực khác, chẳng hạn như tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của các nhà máy xi măng, thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng năng lượng tái tạo, thu giữ và lưu trữ CO2 được thải ra. Ngoài ra, do một phần đáng kể phát thải là một phần nội tại của quá trình sản xuất clinker, các loại xi măng mới và các công thức thay thế làm giảm nhu cầu về clinker là một lĩnh vực trọng tâm.
Nghiền và nghiền
Tất cả các vật liệu mềm, ngoại trừ vật liệu mềm được nghiền đầu tiên, thường trong hai giai đoạn, và sau đó được nghiền, thường là trong một quả cầu quay, hình trụ, hoặc các nhà máy dạng ống có chứa một quả cầu mài bằng thép. Quá trình nghiền này được thực hiện ướt hoặc khô, tùy thuộc vào quy trình đang sử dụng, nhưng để nghiền khô, trước tiên có thể cần làm khô nguyên liệu trong máy sấy hình trụ, máy sấy quay.
Pha trộn
Giá trị gần đúng đầu tiên của thành phần hóa học cần thiết cho một loại xi măng cụ thể có được bằng cách khai thác đá có chọn lọc và kiểm soát nguyên liệu thô được cung cấp cho nhà máy nghiền và nghiền. Kiểm soát mịn hơn có được bằng cách vẽ vật liệu từ hai hoặc nhiều lô có chứa hỗn hợp thô có thành phần hơi khác nhau. Trong quá trình khô, các hỗn hợp này được lưu trữ trong các xilô; bể bùn được sử dụng trong quá trình ướt. Việc trộn kỹ các vật liệu khô trong xilô được đảm bảo bằng cách khuấy trộn và tuần hoàn mạnh mẽ do khí nén tạo ra. Trong quá trình ướt, các bể chứa bùn được khuấy bằng phương tiện cơ học hoặc khí nén hoặc cả hai. Bùn, chứa 35 đến 45 phần trăm nước, đôi khi được lọc, làm giảm hàm lượng nước xuống 20% đến 30%, và bánh lọc sau đó được đưa vào lò nung. Điều này làm giảm mức tiêu hao nhiên liệu cho quá trình đốt cháy.
Đốt cháy
Những lò nung sớm nhất xi măng được nung theo mẻ là lò chai, sau đó là lò buồng và sau đó là lò trục liên tục. Lò trục ở dạng hiện đại hóa vẫn được sử dụng ở một số nước, nhưng phương tiện đốt chủ yếu là lò quay. Những lò nung này – dài tới 200 mét và đường kính 6 mét trong các nhà máy xử lý ướt nhưng ngắn hơn đối với quy trình khô – bao gồm một vỏ hình trụ bằng thép được lót bằng vật liệu chịu lửa. Chúng quay chậm dần đều trên một trục nghiêng một vài độ so với phương ngang. Nguồn cấp nguyên liệu thô, được đưa vào ở đầu trên, di chuyển từ từ xuống lò nung ở phía dưới, hoặc đốt, kết thúc. Nhiên liệu để đốt có thể là than nghiền thành bột, dầu hoặc khí tự nhiên được bơm vào qua một đường ống. Nhiệt độ ở đầu nung dao động từ khoảng 1.350 ° Cđến 1.550 ° C , tùy thuộc vào nguyên liệu được đốt. Một số dạng thiết bị trao đổi nhiệt thường được kết hợp ở phía sau của lò nung để tăng truyền nhiệt cho nguyên liệu thô đầu vào và do đó giảm nhiệt thất thoát trong khí thải. Sản phẩm nung ra khỏi lò là những cục clinker nhỏ. Những thứ này đi vào bộ làm mát, nơi nhiệt được truyền cho không khí đi vào và sản phẩm được làm mát. Clinker có thể được nghiền ngay thành xi măng hoặc cất vào kho dự trữ để sử dụng sau này.
Trong quá trình bán tinh, nguyên liệu thô, ở dạng nốt sần chứa 10% đến 15% nước, được đưa vào một lưới ghi chuyển động trước khi chuyển đến lò quay ngắn hơn. Khí nóng từ lò nung được hút qua các nốt thô trên tấm ghi, làm nóng sơ bộ các nốt.
Phát thải bụi từ các lò nung xi măng có thể gây phiền toái nghiêm trọng. Ở những khu vực đông dân cư, thông thường và thường bắt buộc phải lắp các thiết bị hãm lốc xoáy, hệ thống lọc túi, hoặc bộ lọc bụi tĩnh điện giữa lối ra lò và ống khói. Hơn 50% lượng khí thải từ sản xuất xi măng về bản chất có liên quan đến việc sản xuất clinker và là sản phẩm phụ của phản ứng hóa học thúc đẩy quá trình hiện tại. Có khả năng pha trộn clinker với các vật liệu thay thế để giảm nhu cầu về clinker và do đó giúp giảm tác động khí hậu của quá trình sản xuất xi măng.
Các nhà máy xi măng hiện đại được trang bị các thiết bị đo đạc phức tạp để kiểm soát quá trình nung. Nguyên liệu thô trong một số nhà máy được lấy mẫu tự động và máy tính sẽ tính toán và kiểm soát thành phần hỗn hợp thô. Lò quay lớn nhất có sản lượng trên 5.000 tấn mỗi ngày.
Mài
Clinker và lượng thạch cao cần thiết được nghiền thành bột mịn trong các máy nghiền nằm ngang tương tự như máy nghiền được sử dụng để nghiền nguyên liệu thô. Vật liệu có thể đi thẳng qua máy nghiền (nghiền mạch hở), hoặc vật liệu thô hơn có thể được tách khỏi sản phẩm nghiền và quay trở lại máy nghiền để nghiền tiếp (nghiền mạch kín). Đôi khi, một lượng nhỏ chất trợ nghiền được thêm vào nguyên liệu cấp liệu. Đối với xi măng hút khí (được thảo luận trong phần sau), việc bổ sung chất dẫn khí cũng được thực hiện tương tự.
