Nghiên cứu chế tạo mêtacaolanh trong lò nung tuy nen

Thứ hai, 06/10/2008 00:00

1. Giới thiệu chung Phụ gia khoáng hoạt tính cao như silcafume SF, mêtacaolanh MK sử dụng trong công nghiệp sản xuất bê tông tại Việt Nam thường có giá thành cao và hầu hết phải nhập ngoại, vì vậy việc sử dụng còn hạn chế. MK có giá thành thấp hơn vì có thể sản xuất tại nhiều nơi do nguồn nguyên liệu dễ kiếm và chất lượng ổn định. Đặc tính và hàm lượng MK sử dụng có ảnh hưởng đến các đặc tính của xi măng và bê tông. MK có thể sản xuất theo phương pháp nung nhanh hay nung chậm, thời gian nung tại nhiệt độ yêu cầu phụ thuộc vào phương pháp lựa chọn. Độ hoạt tính của MK sản xuất bằng phương pháp nung nhanh có thể cao hơn , tuy nhiên vốn đầu tư và giá thành sản phẩm cao hơn. Phụ thuộc vào phương pháp nung MK mà có thể lựa chọn dạng lò nung và dạng cao lanh khác nhau. Với điều kiện thực tế ở nước ta, nếu sử dụng phương pháp nung phù hợp với các thiết bị hiện có của ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng chế tạo được MK đạt các yêu cầu kỹ thuật thì sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao.

Ở Việt Nam, MK đã được nghiên cứu chế tạo trong lò lửa đảo và lò nung con thoi. Các loại lò này có nhược điểm là làm việc gián đoạn, năng suất thấp, giá thành MK còn cao. MK có thể nung trong lò quay nhưng tiêu tốn nhiệt cao và hiệu quả kinh tế thấp. Trong công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng ở nước ta hiện nay, lò nung tuy nen được sử dụng rất phổ biến. Loại lò này hoạt động ổn định, có chế độ nhiệt tương đối đồng đều, dễ dàng điều chỉnh chế độ nung và có năng suất cao. Với mục đích sử dụng thiết bị hiện có, bài báo đề cập nghiên cứu cơ sở công nghệ sản xuất MK, khảo sát chế độ nhiệt và lựa chọn lò nung  tuy nen, từ đó có thể nung kết hợp hay nung riêng MK trong lò này. Sản phẩm MK được tiến hành thí nghiệm một số chỉ tiêu chính theo tiêu chuẩn Việt Nam.

2. Nội dung nghiên cứu

2.1. Nghiên cứu cơ sở công nghệ sản xuất MK

a. Khảo sát và lựa chọn lò nung mêtacaolanh

Quá trình nung MK phải đạt được yêu cầu là mức độ phân huỷ cao lanh xảy ra nhanh và đồng đều, độ hoạt tính của MK đạt yêu cầu của phụ gia khoáng hoạt tính cao. Khảo sát lò nung tuy nen nung gạch hiện tại cho thấy: sản phẩm phải được tạo hình và sấy khô trước khi nung, nhiệt độ nung thông thường dao động từ 980-1030⁰C phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sử dụng. Khi nung trong lò tuy nen, gạch được xếp trên goòng nung theo khối xếp. Tại các vị trí của một khối xếp trên goòng nung, phần sát chân cầu phía hai bên thành lò có nhiệt độ thấp nhất, tại tâm khối xếp có nhiệt độ cao nhất. Theo tiết diện ngang của khối xếp, chênh lệch nhiệt độ giữa hai vị trí này tại vùng nung của lò có thể từ 80 – 140⁰C, chênh lệch nhiệt độ giữa phần sát chân cầu so với nóc lò là từ 40 – 60⁰C. Thực tế nhiệt độ nung đo được của các lò tuy nen nung gạch hiện nay nhờ hệ thống can nhiệt là nhiệt độ phía trên goòng nung sát vòm lò, vì vậy nhiệt độ này có sự chênh lệch với nhiệt độ tại vị trí sát mặt goòng hai bên thành lò khoảng từ 40 – 60⁰C. Kích thước lò càng nhỏ, sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vị trí theo tiết diện ngang của lò càng thấp. Với cùng chế độ nung, chênh lệch nhiệt độ lớn nhất tại vùng hằng nhiệt trong quá trình nung có thể đạt 25 – 35⁰C. Nhiệt độ tại các vị trí lò nung cũng có sự khác nhau giữa các ca sản xuất, thậm chí giữa các giờ trong từng ca sản xuất với cùng chế độ nung và loại nguyên liệu nung. Với loại lò tuy nen thông dụng, số goòng nung thường là 36 với thời gian nung từ 32 – 36 giờ. Thời gian hằng nhiệt ở nhiệt độ nung cao nhất khoảng 1,5 – 2 giờ với thời gian ra lò ≤ 1 giờ/goòng nung.

Như vậy lò nung tuy nen có chế độ nhiệt ổn định, dễ dàng điều chỉnh chế độ nung nên có thể sử dụng để nung MK. Khi nung MK nên chọn loại lò nung tuy nen có đường kính nhỏ và điều chỉnh chế độ nung để có thể chế tạo được MK có độ hoạt tính cao. Trong lò tuy nen nung gạch hiện nay, nhiệt độ nung đo bằng hệ thống can nhiệt của một số nhà máy có thể từ 980 – 1030⁰C, vì vậy thực tế nhiệt độ tại vị trí sát mặt goòng nung phía hai bên thành lò của khối xếp có thể từ 930 – 970⁰C. Do đó với lò tuy nen nung gạch có nhiệt thấp hơn 1000⁰C sẽ có những vị trí của khối xếp trên goòng nung có nhiệt độ ≤ 950⁰C .

Để chế tạo MK trong lò nung tuy nen, cần phải nghiên cứu khảo sát chế độ nung phù hợp để có thể nung riêng hay nung kết hợp với gạch đỏ trong lò. Khi nung MK kết hợp với gạch đỏ, vị trí xếp mẫu nung MK nên chọn các vị trí có nhiệt thấp nhất trong khối xếp trên goòng nung.

b. Lựa chọn công nghệ chế tạo MK

Ảnh hưởng của dạng cao lanh đưa vào nung, nhiệt độ nung và thời gian nung đến độ hoạt tính của MK trong điều kiện tương tự chế độ nung trong lò tuy nen đã được khảo sát. Đầu tiên chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung, khả năng xếp trong lò, kích thước cao lanh dạng đóng bánh đến độ hoạt tính của MK. Trên cơ sở đó, kích thước dạng đóng bánh hợp lý được lựa chọn là 220 x 110 x 40mm. Cao lanh dạng bột và dạng đóng bánh được nung trong lò điện tại 850 và 950⁰C với thời gian nâng nhiệt 5 giờ, hằng nhiệt 2 giờ, sau đó được để nguội trong lò 12 giờ được sử dụng để đánh giá lựa chọn dạng cao lanh nung trong lò tuy nen. MK được nghiền mịn trong máy nghiền bi rung trong phòng thí nghiệm và xác định chỉ số hoạt tính với xi măng theo TCXDVN 311 – 2004 Bảng1

Bảng 1: Ảnh hưởng của dạng cao lanh nung đến độ hoạt tính của MK

 

Như vậy với cùng nhiệt độ nung, cao lanh dạng bột chế tạo được MK có độ hoạt tính cao hơn không nhiều nhưng phải sử dụng bao nung, do đó giá thành đầu tư sẽ lớn hơn. Khi nung cao lanh ở dạng đóng bánh có thể sử dụng được dây chuyền sản xuất gạch hiện có, tận dụng được không gian lò và chế tạo MK có độ hoạt tính tương đối cao. Vì vậy khi chế tạo MK trong lò tuy nen, sử dụng cao lanh dạng đóng bánh để xếp trên goòng nung là hợp lý.

Để khảo sát ảnh hưởng của điều kiện nung đến các đặc tính của MK, cao lanh lỏng đã được chuẩn bị theo phương pháp dẻo với độ ẩm tạo hình 22 - 24% để tạo galet với kích thước là 220 x 110 x 40mm. MK được nung ở các nhiệt độ 750, 800, 900 và 950⁰C. Thời gian hằng nhiệt là 1 giờ, 2 giờ và 3 giờ trong lò thí nghiệm với thời gian nâng nhiệt là 5 giờ và thời gian làm nguội là 12 giờ. Sau khi đánh giá ảnh hưởng của điều kiện nung trong điều kiện trên, MK cũng đã được nung kết hợp với gạch đỏ trong lò nung tuy nen với chế độ nung như với gạch đỏ là 32 giờ và thời gian hằng nhiệt ở nhiệt độ cao nhất là 1,5 giờ. MK được nghiền trong máy nghiền bi rung với thời gian nghiền là 15 - 25 phút để đánh giá về khả năng nghiền, ảnh hưởng của độ mịn đến độ hoạt tính của MK.

Xi măng được chế tạo bằng cách nghiền clanhke, xi măng Phả Lại, Bút Sơn với thạch cao theo tỷ lệ 96:4 theo % khối lượng và đạt tiêu chuẩn xi măng Pooclăng PC40. MK đã được xác định các đặc tính như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, lượng mất khi nung MKN và chỉ số hoạt tính với xi măng Pooclăng theo tiêu chuẩn Việt Nam.

2.2. Kết quả nghiên cứu

2.2.1. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến đặc tính của MK

Cao lanh đóng bánh được nung tại nhiệt độ 750, 800, 850, 900, 950⁰C và thời gian hằng nhiệt là 1, 2 và 3 giờ để chế tạo MK, sau đó nghiền với thời gian 15 và 25 phút. Khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ mịn và lượng mất khi nung MKN của các mẫu MK nung đưa ra trong bảng 2. Thành phần hạt MK nung tại nhiệt độ khác nhau nghiền 15 phút đưa ra trong bảng 3. Chỉ số hoạt tính của các mẫu MK nung ở điều kiện khác nhau đưa ra trong bảng 4.

Kết quả thí nghiệm cho thấy:

- Khi tăng nhiệt độ nung từ 750 - 950⁰C, với thời gian nung khác nhau thì khối lượng riêng của MK thay đổi không đáng kể bảng2. Nhiệt độ nung MK càng lớn, thời gian nung càng lâu thì lượng mất khi nung MKN càng nhỏ. Với thời gian nung từ 1 - 3 giờ trong khoảng nhiệt độ từ 750 - 950⁰C, mức độ giảm MKN của các mẫu MK khoảng từ 2,4 - 3,2% tuỳ thuộc vào nhiệt độ nung. Nhiệt độ nung càng cao, mức độ giảm MKN càng thấp. Tăng thời gian nghiền MK nung tại nhiệt độ từ 750 - 950⁰C từ 15 - 25 phút, độ mịn của MK tăng lên không lớn, vì vậy mức độ giảm lượng lượng sót sàng N⁰008 từ 1,9 - 2,4% bảng2

- Khi tăng nhiệt độ trong khoảng 800 - 950⁰C và thời gian nung từ 1 - 3 giờ, khối lượng thể tích của MK ít thay đổi, đồng thời lượng MKN của MK giảm xuống. Khi tăng thời gian nghiền, khối lượng thể tích của MK thay đổi nhiều hơn.

- Độ hoạt tính của MK trong khoảng nhiệt độ nung lựa chọn đều ≥ 85%, nhưng chỉ số hoạt tính cao nhất đạt được tại nhiệt độ nung 850⁰C. Tại nhiệt độ nung từ 900 - 950⁰C, chỉ số hoạt tính của MK giảm đi từ 4 - 6% so với mẫu ở  850⁰C tuỳ thuộc vào nhiệt độ và thời gian nung.

- Thời gian nung lựa chọn phụ thuộc vào nhiệt độ nung. Căn cứ vào lượng MKN và độ hoạt tính của MK nung trong lò thí nghiệm, khi nung MK ở nhiệt độ ≥ 900⁰C chỉ nên hằng nhiệt nhỏ hơn 2 giờ, nung ở nhiệt độ ≤ 850⁰C thì thời gian hằng nhiệt 2 - 3 giờ. Khi nung MK ở nhiệt độ ≥ 900⁰C, tăng thời gian nung làm giảm độ hoạt tính.

 - Tăng thời gian nghiền từ 15 - 25 phút, lượng sót sàng N⁰008 giảm đi 2 - 2,2%, độ hoạt tính của MK tăng lên không lớn. Điều này cho thấy MK có khả năng nghiền cao. Để nghiền MK có độ mịn cao hơn cần phải sử dụng phụ gia trợ nghiền hay các thiết bị nghiền đặc biệt.

Từ kết quả nghiên cứu ở trên cho thấy: khi nung MK trong lò tuy nen nên chọn khoảng nhiệt độ nung từ 800 - 900⁰C với thời gian nung 1 - 2 giờ. Nếu nung tại 950⁰C với thời gian nung 1 - 2 giờ, độ hoạt tính của MK giảm đi không nhiều và vẫn đạt độ hoạt tính của phụ gia hoạt tính cao. Vì một số lò tuy nen nung gạch hiện nay có nhiệt độ nung từ 980 - 1000⁰C với thời gian lưu tại nhiệt độ lớn nhất từ 1,5 - 2 giờ, vì vậy nhiệt độ tại vị trí thấp nhất trong khối xếp trên goòng nung có thể chỉ từ 930 - 950⁰C. Do đó có thể sử dụng các lò tuy nen này để nung MK kết hợp gạch đỏ.

2.2.2. Nung mêtacaolanh trong lò nung tuy nen cùng với gạch đỏ

MK xếp nung lẫn với gạch đỏ trong lò tuy nen có nhiệt độ nung 980⁰C. Vị trí xếp cao lanh là hai hàng sát hàng chân cầu khối xếp trên mặt goòng hai bên phía thành lò. MK sau khi nung được nghiền mịn với thời gian 15 phút có các đặc tính như đưa ra trong bảng 5. MK nung trong lò tuy nen trắng hơn so với nung trong lò thí nghiệm, lượng MKN < 1%, độ hoạt tính với xi măng  Pooclăng > 85% tại tuổi 7 và 28 ngày, vì thế MK đạt yêu cầu là phụ gia hoạt tính cao. Vì MK nung lẫn gạch đỏ trong lò tuy nen có nhiệt độ nung 980⁰C, vì vậy nhiệt độ nung thực tế của MK khoảng 930⁰C, và độ hoạt tính của MK chưa phải là cao nhất. Khi nung riêng MK trong lò tuy nen có thể chọn chế độ nung hợp lý nhiệt độ nung từ 850 - 900⁰C và thời gian nung 1,5 - 2 giờ do đó độ hoạt tính của MK có thể đạt tương đương như nung trong lò thí nghiệm tại cùng nhiệt độ nung và thời gian nung.

Bảng 2: Khối lượng riêng, khối lượng thể tích, MKN của MK

             Bảng 3: Kích thước hạt của MK đã nghiền nung ở nhiệt độ khác nhau.

           CL-850;CL-900:MK nung 2 giờ tại 850⁰C và 900⁰C

          CLI-850;CLI-900:MK nung 3 giờ tại 850⁰C và 900⁰C

  

Bảng 4: Chỉ số hoạt tính của mêtacaolanh

 Bảng 5: Đặc tính của mêtacaolanh nung trong lò nung  tuy nen

         * MK nung trong lò thí nghiệm tại 850⁰C với thời gian hằng nhiệt 2 giờ.

        * MK nung lẫn gạch đỏ trong lò tuy nen  với thời gian hằng nhiệt 1,5 giờ.

3. Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho phép đưa ra các kết luận sau:

- Lò tuy nen có chế độ nhiệt tương đối ổn định, chế độ nung dễ điều chỉnh. Kích thước lò càng nhỏ, sự ổn định nhiệt càng cao, chênh lệch nhiệt độ trong khối xếp càng nhỏ.

- Khi nung MK trong lò tuy nen cần tạo hình với kích thước hợp lý là 220 x 105 x 40mm. Để đảm MK chế tạo đạt yêu cầu phụ gia khoáng hoạt tính cao, nhiệt độ nung MK có thể từ 800 - 950⁰C, tốt nhất là từ 850⁰C.

- Khi nung lẫn MK với gạch đỏ trong lò tuy nen có thể sử dụng chế độ nung với nhiệt độ nung gạch <1000⁰C. Khi đó cao lanh đóng bánh phải được xếp ở các vị trí có nhiệt độ thấp nhất, do đó nhiệt độ nung MK sẽ < 950⁰C. MK nung lẫn với gạch đỏ trong lò tuy nen có độ hoạt tính > 95% và đạt yêu cầu của phụ gia khoáng hoạt tính cao.

- MK nung không yêu cầu nghiêm ngặt về hình dạng và kích thước, do đó khi nung riêng trong lò tuy nen có thể sử dụng chế độ nung với thời gian nâng nhiệt và hạ nhiệt ngắn hơn so với nung gạch đỏ, vì vậy có thể rút ngắn được thời gian nung. Khi sử dụng lò tuy nen có kích thước nhỏ, có thể dễ dàng điều chỉnh chế độ nung và chất lượng MK sẽ tốt hơn.

- MK nung trong lò nung tuy nen không chỉ đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật làm phụ gia hoạt tính cao trong bê tông mà còn đạt hiệu quả kinh tế cao.

Nguồn: TC Xây dựng, số 8/2008