Phát triển công nghệ sản xuất và ứng dụng bê tông chịu lửa ít xi măng cho công nghiệp xi măng và luyện kim ở Việt Nam

BTCL ở dạng hỗn hợp khô trộn sẵn là sản phẩm có thời hạn bảo quản sử dụng nhất định, thường không quá 6 tháng kể từ ngáy sản xuất. Vì thế việc sản xuất được sản phẩm này trong nước sẽ tạo sự chủ động trong sản xuất, đảm bảo sử dụng được sản phẩm "tươi", tránh được việc phải đặt hàng dài hạn, chi phí lưu tồn kho bãi, sản phẩm quá "date" không dùng được.

TS. Nguyễn Đình Nghị
Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng

Trong phân loại vật liệu chịu lửa (VLCL), bê tông chịu lửa (BTCL) thuộc nhóm VLCL không định hình. Bê tông chịu lửa là khái niệm tương đối rộng, được phân loại theo loại chất kết dính, loại  cốt liệu , đặc tính cấu trúc ... Các tiêu chuẩn ISO 1927 và NF B 40-003-86 phân loại BTCL như sau [1] :
Theo thành phần nguyên liệu chính:  Cao alumin (loại I, II),  Samốt, Cao Silic,  Kiềm tính (Mg, Cr, Mg-Cr, Spinel, ...), Vật liệu đặc biệt (SiC, Ziêccôn,...);
Theo chất kết dính :  Kết dính thuỷ hóa,  Kết dính ceramic, Kết dính hóa học,  Kết dính hữu cơ.
          Trong số các chủng loại BTCL đó nhóm Alumino-silicate (samốt, cao alumin, corindon) sử dụng kết dính thuỷ hóa xi măng cao alumin (XMA) được sử dụng rộng rãi nhất, là đối tượng nghiên cứu phát triển thành các chủng loại BTCL thế hệ mới trong thời gian gần đây. Tiêu chuẩn ASTM C 401-91 (Re. 1995) phân loại BTCL thuộc nhóm này thành các loại sau [2] :                
1- BTCL truyền thống ( RC ) :               CaO  >  2,5 %.
                             2- BTCL ít xi măng (LCC) :                  CaO  = 1,0 ¸ 2,5 %.
                             3- BTCL siêu ít xi măng (ULCC) :        CaO  =  0,2 ¸ 1,0%.
                             4- BTCL không chứa xi măng (CFC) :  CaO  <  0,2 %.
                   5- BTCL cách nhiệt (IC):                      CaO:   Không quy định.
          Từ đầu thập niên 90, các loại BTCL thế hệ mới như: ít XM, siêu ít XM, và gần đây là các loại không chứa XM, tự chảy, shotcrete, ... đã được nghiên cứu, phát triển sản xuất và sử dụng rất rộng rãi, giờ đây đã trở thành những sản phẩm chủ đạo của hầu hết các hãng sản xuất VLCL lớn nhỏ khác nhau trên thế giới [3, 4, 5]. Trong cơ cấu sản phẩm tỷ phần VLCL không định hình ngày càng tăng và hiện chiếm tới 45-55% sản lượng [4, 6].
So với gạch chịu lửa BTCL có một số lợi thế trong sản xuất và sử dụng như:
- Vốn đầu tư thiết bi sản xuất thấp, yêu cầu mặt bằng không lớn;
- Quy trình công nghệ sản xuất linh hoạt, ít phụ thuộc vào thiết bị công nghệ;
- Sử dụng thi công sửa chữa lò nhanh, chi phí thấp;
- Sử dụng được cho các vị trí, cấu kiện dị hình và khó xây được bằng gạch;
Những cải tiến liên tục về cấp phối thành phần hạt, thành phần khoáng, hoá của nguyên liệu, phụ gia sử dụng, ...đã làm cho các chỉ tiêu chất lượng như: Mật độ, độ bền cơ, bền nhiệt và bền ăn mòn hoá nhiệt của BTCL ngày càng cao lên.
Vì vậy, những năm gần đây BTCL được sử dụng ngày càng rộng rãi hơn và thay thế dần gạch chịu lửa trong hầu hết các loại lò công nghiệp: luyện kim, xi măng, gốm sứ, vật liệu chịu lửa, gạch ngói, lò nấu thuỷ tinh, lò nồi hơi, nhiệt điện, hoá chất, lò khí hoá than, các lò đốt rác thải, ... . tuy nhiên cũng cần khẳng định rằng cho đến nay BTCL vẫn chưa thể thay thế được một số loại gạch chịu lửa đặc biệt ở các vị trí như zôn nung lò quay XM, tuyến xỉ trong lò điện luyện thép, bể lò nấu thuỷ tinh,... . Tuy vậy có thể thấy phạm vi sử dụng và nhu cầu đối với BTCL là hết sức rộng lớn.

Hiện nay các nhà máy ximăng lò quay và luyện thép ở nước ta hàng năm vẫn đang nhập khẩu BTCL này để sử dụng. Nhu cầu sử dụng BTCL ít XM hiện nay ở nước ta khoảng 3000 - 4000 tấn/năm. Với mức độ đầu tư như hiện nay, con số này trong giai đoạn 2005-2010 sẽ tăng 2,5 - 3 lần. Hiện nay hầu hết lượng BTCL cao cấp dùng ở nước ta đang phải nhập khẩu với giá trung bình 490-1550 USD/tấn tuỳ theo chủng loại.
Với mục đích phát triển sản xuất trong nước, thay thế hàng nhập khẩu, những năm gần đây Viện Vật liệu xây dựng đã nghiên cứu phát triển và hoàn thiện công nghệ sản xuất BTCL ít xi măng có thành phần thuộc nhóm Alumino-silicate - loại BTCL thế hệ mới được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

Nguyên lý của BTCL ít XM nói riêng, cũng như các loại BTCL thế hệ mới nói chung (siêu ít XM, không XM, tự chảy, ...) là dựa trên cơ chế "phân tán - đông tụ" (Defloculation - Floculation) hệ kết dính huyền phù có tính xúc biến cao. Nhờ đó đã khắc phục được những hạn chế vốn có của BTCL truyền thống, tạo cho sản phẩm những tính năng vượt trội, có được trên cơ sở kết hợp đồng thời các yếu tố tương quan sau đây [9, 10]:
- Sử dụng một hàm lượng nhỏ (thường 4¸5 %) XM cao alumin để hạn chế ảnh hưởng của quá trình phân huỷ các khoáng thuỷ hóa ở nhiệt độ cao, đồng thời tăng độ chịu lửa của BTCL do hàm lượng CaO giảm;
- Pha kết dính là một hệ huyền phù phân tán có tính xúc biến cao, trong đó một phần lớn XM cao alumin được thay thế bởi các loại phụ gia bột chịu lửa hoạt tính - siêu mịn và phụ gia phân tán , tạo cho BTCL có mật độ cấu trúc cao;
- Lượng nước trộn vì thế rất thấp, khoảng 40 ¸ 50% so với BTCL truyền thống cùng loại cốt liệu;
- Tác động điều chỉnh cơ chế phân tán - đông tụ và tính chất lưu biến của hệ kết dính huyền phù theo yêu cầu thời gian thi công bằng cách sử dụng các phụ gia thích hợp.
- Thành phần hoạt tính  cao, có khả năng tạo khoáng mới và liên kết gốm pha rắn ở nhiệt độ thấp hơn (so với BTCL truyền thống) khi gia nhiệt lần đầu.

1- Nguyên liệu:
Các nguyên liệu chính để sản xuất BTCL ít XM được xác định và lựa chọn bao gồm:
- Các loại cốt liệu chịu lửa: corindon điện chảy (BFA), corindon thiêu kết (Tabular Alumina), sạn cao alumin (bôxit thiêu kết, mulít, andalusit, ...), samốt chất lượng cao;
- Xi măng cao alumin (CA);
- Bột chịu lửa hoạt tính siêu mịn (MAS).
Các nguyên liệu phần lớn được nhập khẩu từ các nhà sản xuất lớn và ổn định trên thế giới như Alcoa (Almatis), Pechiney, Lafarge, các tập đoàn nguyên liệu chịu lửa lớn của Trung Quốc ở các tỉnh Sơn Tây, Hà Nam, Quế Châu.Những thành phần phụ gia trong phối liệu như: Phụ gia phân tán (D3), phụ gia làm chậm đóng rắn (R1); phụ gia đóng rắn nhanh (A1); phụ gia sợi (F1, F2) có sẵn trên thị trường nước ta.
Tiêu chuẩn chất lượng cho tất cả các loại nguyên liệu được thiết lập làm  căn cứ để lựa chọn các loại nguyên liệu sử dụng cho sản xuất BTCL ít XM, theo đó quy định chặt chẽ các chỉ tiêu: Thành phần hoá học, thành phần cỡ hạt cốt liệu, độ mịn, diện tích bề mật riêng và phân bố thành phần hạt của XMA và bột MAS, các tính chất cơ - lý, nhiệt [10].
         
2- Hoàn thiện bài phối liệu:
Bài phối liệu được nghiên cứu hoàn thiện trên cơ sở khảo sát mở rộng giới hạn  hàm lượng các thành phần trong hệ kết dính, các phụ gia phân tán, phụ gia điều chỉnh, thành phần cấp phối hạt của BTCL ít XM. Hỗn hợp phối liệu bao gốm các cấp hạt cốt liệu thô (5-3mm; 3-1mm; < 1mm) và hệ kết dính (XM cao alumin, bột MAS, cốt liệu mịn £ 0,08 / 0,045mm) có thành phần cấp phối cỡ hạt liên tục, được lựa chọn và tính toán theo mô hình cấp phối hạt của C.C. Furnas , trong đó dải hàm lượng hạt mịn (£ 0,08mm) được áp dụng theo mô hình thành phần hạt của J. Kawamura [8, 9], cácphụ gia (bao gồm phụ gia phân tán, điều chỉnh đóng rắn, sợi). Trên cơ sở đó hỗn hợp phối liệu đã được nghiên cứu lựa chọn đảm bảo lượng nước trộn thấp, độ linh động cao, độ chảy tốt của hỗn hợp BTCL, mật độ tối ưu, độ bền cơ cao và chế độ đóng rắn phù hợp với các điều kiên thi công khác nhau trong thực tế.
         
3- Hoàn thiện công nghệ sản xuất [10]:
- Quy trình công nghệ sản xuất BTCL ít XM:


Hình 3: Sơ đồ công nghệ sản xuất  phối liệu khô trộn sẵn BTCL ít XM
(Ấn vào hình để xem kích thước to hơn)

- Hoàn thiện phương pháp trộn hỗn hợp khô:
Kỹ thuật phân tán cơ học được thực hiện hiệu quả bằng phương pháp trộn khô hiệu suất cao, sử dụng máy trộn hành tinh, máy trộn cưỡng bức với lực chà xiết mạnh để đảm bảo phân tán thành phần bột siêu mịn trong phối liệu. Mức độ chà xiết càng cao, lực xiết càng mạnh thì độ chảy của hỗn hợp BTCL càng lớn, đồng thời lượng nước trộn và thời gian trộn ướt cho cùng một độ chảy càng thấp. Thời gian trộn khô thích hợp được xác định là 4-6 phút.
- Quy trình kiểm tra chất lượng:
BTCL ít XM là một sản phẩm có các tính chất thay đổi rất nhạy cảm khi các yếu tố đầu vào như chất lượng nguyên liệu, chế độ công nghệ sản xuất, chế độ trộn ướt và điều kiện thi công thay đổi. Để đảm bảo sản phẩm có chất lượng tốt và ổn định, trong quá trình sản xuất được áp dụng đồng bộ một quy trình kiểm tra chất lượng chặt chẽ và thực hiện theo các bước:
+ Bước 1: Kiểm tra chất lượng nguyên liệu đầu vào (theo các chỉ tiêu về tiêu chuẩn nguyên liệu đã đề ra);
+ Bước 2: Thử mẫu trước mỗi đợt sản xuất để đánh giá: lượng nước trộn, thời gian trộn, độ chảy, thời gian đóng rắn, độ bền nén sau 24h (sau sấy, sau nung);
+ Bước 3: Thử mẫu sản phẩm BTCL sản xuất: Như bước 2, thêm phân tích hoá, độ co nung ở các nhiệt độ sử dụng - để có chứng chỉ chất lượng cuối cùng cho các lô sản phẩm.

4- Thiết lập dây chuyền công nghệ sản xuất 3000T/năm:
Với công suất thiết kế như trên, các thiết bị công nghệ được lựa chọn bao gồm: Hệ bunke chứa các cấp hạt cốt liệu, bunke chứa bột mịn, hệ nạp liệu điện từ rung, cân điện tử với hệ thống điều khiển, xe cân, máy trộn hành tinh  cao tốc dung tích 500 lít là thiết bị chính của dây chuyền, máy đóng bao. Ngoài ra các thiết bị phụ trợ khác như cầu trục, xe nâng, máy nén khí, ... cũng được tính toán lựa chọn. Hầu hết thiết bị có thể được thiết kế chế tạo trong nước.

5- Hoàn thiện công nghệ thi công [10]:
Bê tông chịu lửa thường được thi công bằng các phương pháp khác nhau như: đầm rung, tự chảy (self-flowing), phun bắn (shotcreting), đầm nện (áp dụng cho BTCL cách nhiệt). Trong phạm vi dự án này phương pháp thi công được áp dụng là đầm rung.
Cũng như đối với các loại BTCL nói chung, quy trình thi công bao gồm các công đoạn sau:  Chuẩn bị mặt bằng thi công; Chuẩn bị bề mặt vị trí đổ bê tông; Công tác thép neo chịu nhiệt; Công tác cốp pha; Chuẩn bị thiết bị thi công; Trộn bê tông tươi; Đổ và đầm rung; Bảo dưỡng, sấy và gia nhiệt đến nhiệt độ sử dụng. Từng khâu trong quy trình được thiết lập với các thông số và hướng dẫn, quy định cụ thể. Trong đó khâu công tác thép neo chịu nhiệt và công tác trộn ướt bê tông được đặc biệt đi sâu và quy định chặt chẽ, vì chúng có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sử dụng sản phẩm.
Công tác neo thép chịu nhiệt quy định rõ mác thép hợp kim chịu nhiệt (SUS 310, SUS 304), giới hạn nhiệt độ sử dụng, quy cách, kích thước của neo thép, quy cách lớp nhựa bọc đầu, cách lắp đặt. Trong khâu trộn bê tông đặc biệt lưu ý cách sử dụng, phối chế các phụ gia điều chỉnh khi thi công trong các điều kiện nhiệt độ môi trường khác nhau, để có thời gian đóng rắn thích hợp, trình tự trộn và phương pháp đánh giá nhanh độ linh động của BTCL tươi ứng với lượng nước chuẩn. BTCL ít XM rất nhạy cảm với lượng nước trộn. Lượng nước trộn được khống chế chặt chẽ trong giới hạn N (%) ± 0,2% so với lượng nước chuẩn (N) đã xác định trước.
         
6. Sản xuất và ứng dụng sản phẩm:
Trong quá trình thực hiện việc nghiên cứu phát triển và hoàn thiện công nghệ (từ năm 2001 đến nay), các sản phẩm BTCL ít XM CR-15LC và CR-18LC được sản xuất với khối lượng khoảng 550 tấn và đã được đưa vào ứng dụng trong điều kiện thực tế của các lò công nghiệp khác nhau. Kết quả kiểm nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm các đợt sản xuất (bảng 1) cho thấy chất lượng hoàn toàn tương đương các sản phẩm của các hãng Refratechnik, Lafarge, RHI, ... mà ta đang nhập khẩu [10].  

                                                                   
Bảng 1
Các chỉ tiêu chất lượng của bê tông chịu lửa ít XM do Viện VLXD sản xuất
(Ấn vào hình để xem kích thước to hơn)

-  Lò quay nung clanhke xi măng: Sản phẩm được ứng dụng tại các nhà máy XM Hoàng Thạch, Bút Sơn, Bỉm Sơn, Hoàng Mai ... ở các vị trí như: Thân và "cổ ngỗng" của lò làm nguội hành tinh, tường và trần buồng nóng của lò làm nguội kiểu ghi, các bờ côn vào, ra của lò quay, các phần dị hình của tháp trao đổi nhiệt, ống gió ba, ... . Chất lượng sử dụng được đánh giá tốt, đáp ứng yêu cầu sản xuất, tương đương các sản phẩm nhập khẩu mà các đơn vị đang dùng.

  Hình 8: Đổ BTCL ít XM CR-18LC vào đầu lò hành tinh - XM Hoàng Thạch (a) và
     Thi công trần buồng làm nguội clanhke - Công ty XM Bút Sơn (b)
(Ấn vào hình để xem kích thước to hơn) 

- Lò luyện, cán thép và các lò công nghiệp khác: Sản phẩm đã được đưa sử dụng trong một loạt lò gia nhiệt của các nhà máy cán thép, buồng đốt lò nồi hơi, lớp lót đáy lò bể nấu thuỷ tinh, ... với chất lượng sử dụng tốt, đã gần 2 năm nay chưa cần phải sửa chữa, thay thế.

Công nghệ sản xuất BTCL ít XM đã được nghiên cứu và hoàn thiện, đủ điều kiện để chuyển giao công nghệ và đầu tư sản xuất quy mô công nghiệp. Kết quả của Dự án là mở đầu để phát triển sản xuất một mảng sản phẩm BTCL thế hệ mới, theo hướng này cần tiếp tục đầu tư nghiên cứu và phát triển sản xuất các chủng loại BTCL siêu ít XM, BTCL không XM, shotcrete, BTCL hệ spinel, chứa cácbon, ... nhằm phục vụ nhu cầu đa dạng và ngày càng tăng  của các ngành công nghiệp nước ta.

BTCL ở dạng hỗn hợp khô trộn sẵn là sản phẩm có thời hạn bảo quản sử dụng nhất định, thường không quá 6 tháng kể từ ngáy sản xuất. Vì thế việc sản xuất được sản phẩm này trong nước sẽ tạo sự chủ động trong sản xuất, đảm bảo sử dụng được sản phẩm "tươi", tránh được việc phải đặt hàng dài hạn, chi phí lưu tồn kho bãi, sản phẩm quá "date" không dùng được. Hơn nữa sản phẩm này sẽ được sử dụng với hiệu quả tốt nhất khi có dịch vụ kỹ thuật đi kèm, việc này các nhà cung cấp nước ngoài thường khó đáp ứng hơn. Giá sản phẩm sản xuất trong nước chỉ tương đương 50-60% so với giá sản phẩm nhập khẩu. Với những lợi ích như vậy, các doanh nghiệp có nhu cầu nên mạnh dạn sử dụng sản phẩm nội để chủ động sản xuất, giảm lệ thuộc nguồn vật tư nhập khẩu và giảm chi phí để tăng sức cạnh tranh.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1- ISO 1927 - Refractory Products - Classification of Prepared Unshaped Refractory Materials.
2- ASTM C 401-91 (Re. 1995) - Standard Classification of Alumina and Alumina-Silicate Castable Refractories.
3- Weaving Global Refractory Industry - World Refractory Congress Proceeding. Singapore - 2002.
4- World Refractories Newsletter - 2002, 2003.
5- Bin Nagai. Recent Advances on Castables Refractories in Japan.// Takabutsu, 1988, No.4, p.194-199.
6- T. Eguchi, I. Takita, S. Kiritani, M. Sato. Low-Cement-Bonded Castables Refractories - Review. // Taikabutsu Overseas, Vol.9, No.1, 1989, p.10-24.
7- K. Watanabe, M. Ishikawa, M. Wakamatsu. Rheology of Castable Refractories. // Taikabutsu Overseas, Vol.9, No.1, 1989, p.41-53. 
8- New Developments in Monolithic Refractories.// Advances in Ceramics, Vol.13, Ed. By R.E. Fisher. Columbus, Ohio, 1985.
9- TS. Thái Duy Sâm, TS. Nguyễn Đình Nghị, KS. Phạm Hữu Bằng, KS. Phạm Minh Hiền, KS. Lê Thị Minh. Báo cáo kết quả Đề tài R-D Độc lập cấp Nhà nước " Nghiên cứu sản xuất bê tông chịu lửa cao cấp cho công nghiệp xi măng". Hà Nội, 12/1999.
10- TS. Nguyễn Đình Nghị, KS. Nguyễn Quốc Dũng, KS. Phạm Hữu Bằng, KS. Phạm Minh Hiền, KS. Lê Thị Minh, KS. Nguyễn Xuân Ngọc. Báo cáo kết quả Dự án sản xuất thử nghiệm " Hoàn thiện công nghệ sản xuất bê tông chịu lửa ít xi măng cho công nghiệp xi măng và luyện kim". Hà Nội, 10/2003.

 

Tổng số truy cập: 641891

Số người đang online: 9

Lượt xem theo ngày: 42