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 xuất hiện của nước để tạo thành một khối cứng .
Điều này đã hình thành vật tư xi măng của vữa và bê tông La Mã hơn 2 nghìn năm trước và của những khu công trình kiến thiết xây dựng tiếp theo ở Tây Âu. Tro núi lửa được khai thác gần nơi ngày này là thành phố Pozzuoli, Ý, đặc biệt quan trọng giàu khoáng chất aluminosilicat thiết yếu, tạo nên xi măng pozzolana cổ xưa của thời La Mã. Cho đến thời nay, thuật ngữ pozzolana, hoặc pozzolan, dùng để chỉ bản thân xi măng hoặc bất kể loại aluminosilicat nào được phân loại 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 tư 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 vật liệu thô thông dụng nhất là đá vôi và đá phấn, nhưng những nguyên vật liệu khác, ví dụ điển hình như trầm tích sinh vật biển hoặc vỏ sò, cũng được sử dụng. Đất sét, đá phiến, đá phiến và bùn ở cửa sông là những nguyên vật liệu thô thông dụng 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 suất đôi lúc giao động với thành phần xi măng. Một nguyên vật liệu thô khác là xỉ lò cao, gồm có hầu hết là vôi, silica và alumin và được trộn với vật tư 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, ví dụ điển hình như tro bay và canxi cacbonat từ quy trình sản xuất hóa chất, là những nguyên vật liệu thô khả thi khác, nhưng việc sử dụng chúng là rất nhỏ so với những nguyên vật liệu tự nhiên .
Hàm lượng magie ( magie oxit, MgO ) trong nguyên vật liệu phải thấp vì số lượng giới hạn được cho phép trong xi măng poóc lăng là 4 đến 5 %. Các tạp chất khác trong nguyên vật liệu thô phải được hạn chế khắt khe là những hợp chất flo, phốt phát, oxit và sunfua sắt kẽm kim loại, và những chất kiềm quá mức .
Một nguyên vật liệu thô thiết yếu khác là thạch cao, khoảng chừng 5 % trong số đó được thêm vào clanhke xi măng nung trong quy trình nghiền để trấn áp thời hạn đông kết của xi măng. Xi măng poóc lăng cũng hoàn toàn có thể được sản xuất theo quá trình tích 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 những tiến trình thường thì .
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 ít đá phiến sét, với sự tương hỗ của nổ mìn khi thiết yếu. Một số quặng được khai thác bằng giải pháp ngầm. Các loại đá mềm hơn như đá phấn và đất sét hoàn toàn có thể được đào trực tiếp bằng máy xúc .
Vật liệu đào được luân chuyển đến xí nghiệp sản xuất nghiền bằng xe tải, toa chở hàng đường tàu, băng chuyền hoặc đường dây. Chúng cũng hoàn toàn có thể được luân chuyển ở trạng thái ướt hoặc bùn bằng đường ống. Ở những vùng không có sẵn đá vôi có hàm lượng vôi đủ cao, hoàn toàn có thể sử dụng một số ít quy trình vô hiệu silica hoặc alumin dư thừa và do đó tăng cấp đá vôi, nhưng đây là một quy trình tốn kém và chỉ được sử dụng khi không hề tránh khỏi .
Sản xuất xi măng
Có bốn tiến trình trong quy trình sản xuất xi măng poóc lăng :
( 1 ) nghiền và nghiền nguyên vật liệu ,
(2) trộn các nguyên liệu theo đúng tỷ lệ,
( 3 ) đốt hỗn hợp đã sẵn sàng chuẩn bị trong lò nung ,và ( 4 ) nghiền phần đã đốt loại sản phẩm, được gọi là “ clinker, ” cùng với khoảng chừng 5 % thạch cao ( để trấn áp thời hạn đông kết của xi măng ) .
Ba quy trình tiến độ sản xuất được gọi là quy trình tiến độ ướt, khô và bán phần và được gọi như vậy khi nguyên vật 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 những nốt sần được đưa vào lò nung .
Người ta ước tính rằng khoảng chừng 4 – 8 % lượng khí thải carbon dioxide ( CO2 ) trên quốc tế đến từ việc sản xuất xi măng, khiến xi măng trở thành một nguyên do chính gây ra sự nóng lên toàn thế giới. Một số giải pháp để xử lý những phát thải khí nhà kính này là thông dụng cho những nghành khác, ví dụ điển hình như tăng hiệu suất cao sử dụng nguồn năng lượng của những nhà máy sản xuất xi măng, thay thế sửa chữa nguyên vật liệu hóa thạch bằng nguồn năng lượng tái tạo, thu giữ và tàng trữ CO2 được thải ra. Ngoài ra, do một phần đáng kể phát thải là một phần nội tại của quy trình sản xuất clinker, những loại xi măng mới và những công thức sửa chữa thay thế làm giảm nhu yếu về clinker là một nghành nghề dịch vụ trọng tâm .
Nghiền và nghiền
Tất cả những vật tư mềm, ngoại trừ vật tư mềm được nghiền tiên phong, thường trong hai quá trình, và sau đó được nghiền, thường là trong một quả cầu quay, hình tròn trụ, hoặc những nhà máy sản xuất dạng ống có chứa một quả cầu mài bằng thép. Quá trình nghiền này được triển khai ướt hoặc khô, tùy thuộc vào quy trình tiến độ đang sử dụng, nhưng để nghiền khô, thứ nhất hoàn toàn có thể cần làm khô nguyên vật liệu trong máy sấy hình tròn trụ, máy sấy quay .
Pha trộn
Giá trị gần đúng tiên phong của thành phần hóa học thiết yếu cho một loại xi măng đơn cử có được bằng cách khai thác đá có tinh lọc và trấn áp nguyên vật liệu thô được cung ứng cho nhà máy sản xuất nghiền và nghiền. Kiểm soát mịn hơn có được bằng cách vẽ vật tư từ hai hoặc nhiều lô có chứa hỗn hợp thô có thành phần hơi khác nhau. Trong quy trình khô, những hỗn hợp này được tàng trữ trong những xilô ; bể bùn được sử dụng trong quy trình ướt. Việc trộn kỹ những vật tư khô trong xilô được bảo vệ bằng cách khuấy trộn và tuần hoàn can đảm và mạnh mẽ do khí nén tạo ra. Trong quy trình ướt, những bể chứa bùn được khuấy bằng phương tiện đi lại cơ học hoặc khí nén hoặc cả hai. Bùn, chứa 35 đến 45 Xác Suất nước, đôi lúc 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 tốn nguyên vật liệu cho quy 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 ít nước, nhưng phương tiện đi lại đốt hầu hết là lò quay. Những lò nung này – dài tới 200 mét và đường kính 6 mét trong những xí nghiệp sản xuất giải quyết và xử lý ướt nhưng ngắn hơn so với quy trình tiến độ khô – gồm có một vỏ hình tròn trụ bằng thép được lót bằng vật tư chịu lửa. Chúng quay chậm dần đều trên một trục nghiêng một vài độ so với phương ngang. Nguồn cấp nguyên vật liệu thô, được đưa vào ở đầu trên, vận động và di chuyển từ từ xuống lò nung ở phía dưới, hoặc đốt, kết thúc. Nhiên liệu để đốt hoàn toàn có thể là than nghiền thành bột, dầu hoặc khí tự nhiên được bơm vào qua một đường ống. Nhiệt độ ở đầu nung giao động từ khoảng chừng 1.350 ° Cđến 1.550 ° C, tùy thuộc vào nguyên vật liệu được đốt. Một số dạng thiết bị trao đổi nhiệt thường được phối hợp ở phía sau của lò nung để tăng truyền nhiệt cho nguyên vật liệu thô nguồn 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 mẫu sản phẩm được làm mát. Clinker hoàn toàn có thể được nghiền ngay thành xi măng hoặc cất vào kho dự trữ để sử dụng sau này .
Trong quy trình bán tinh, nguyên vật liệu thô, ở dạng nốt sần chứa 10 % đến 15 % nước, được đưa vào một lưới ghi hoạt động trước khi chuyển đến lò quay ngắn hơn. Khí nóng từ lò nung được hút qua những nốt thô trên tấm ghi, làm nóng sơ bộ những nốt .
Phát thải bụi từ những lò nung xi măng hoàn toàn có thể gây phiền phức nghiêm trọng. Ở những khu vực đông dân cư, thường thì và thường bắt buộc phải lắp những thiết bị hãm lốc xoáy, mạng lưới 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 thực chất có tương quan đến việc sản xuất clinker và là loại sản phẩm phụ của phản ứng hóa học thôi thúc quy trình hiện tại. Có năng lực trộn lẫn clinker với những vật tư sửa chữa thay thế để giảm nhu yếu về clinker và do đó giúp giảm ảnh hưởng tác động khí hậu của quy 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 thiết yếu được nghiền thành bột mịn trong những máy nghiền nằm ngang tương tự như như máy nghiền được sử dụng để nghiền nguyên vật liệu thô. Vật liệu hoàn toàn có thể đi thẳng qua máy nghiền ( nghiền mạch hở ), hoặc vật tư thô hơn hoàn toàn có thể được tách khỏi loại 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 vật liệu cấp liệu. Đối với xi măng hút khí ( được tranh luận trong phần sau ), việc bổ trợ chất dẫn khí cũng được triển khai tựa như .
