Clinker xi măng đặc chủng (Phần 1)

Dưới đây, chúng ta sẽ lần lượt xem xét từng trường hợp thử nghiệm hoặc loại bỏ hoặc pha trộn với một lượng tối thiểu tetracalcium alumino-ferrite, tricalcium silicate, dicalcium silicate và tricalcium aluminate trong clinker. Với các thành phần này, chúng ta có thể sản xuất clinker dùng để cho ra các loại xi măng trắng, xi măng bền sulphate, xi măng ít hàm lượng C₂S, xi măng ít hàm lượng C₃S. 

Có một số chất cấu thành phụ trong thành phần nguyên liệu thô sản xuất xi măng có tính năng tạo màu cho xi măng, nhưng nhân tố quan trọng nhất tạo nên màu ghi của xi măng chính là sắt. Các Ô xít sắt có khả năng tạo màu rất mạnh, chỉ một lượng nhỏ Ô xít sắt cũng có thể phá hỏng bề mặt xi măng trắng. Bởi vậy, clinker trắng khi sản xuất ra cần phải hạn chế lượng sắt ở mức thấp nhất có thể, khi đó cũng liên quan đến việc hạn chế tối thiểu lượng C₄AF. Dưới đây là Hình 1 thể hiện tác động của quá trình này lên khả năng nung luyện clinker, mối quan hệ giữa nhiệt độ theo yêu cầu với khả năng đốt cháy thích hợp (trong trường hợp này nhiệt độ đạt mức đủ để tạo 2% vôi tự do trong clinker), đạt tỷ lệ chuyển hóa nhôm ô xít thành ô xít sắt của clinker, đây cũng được biết đến dưới những cách gọi khác như module nhôm ô xít hoặc tỷ lệ AF.


Căn cứ vào hình trên, rõ ràng tỷ lệ Al₂O3 – Fe₂O₃ trong clinker đã đạt tối ưu, là điều kiện để nung luyện clinker dễ nhất. Để tạo Silicát Canxi thông qua sự kết hợp giữa silica và vôi, cần phải có một pha lỏng trong clinker khi nó đi qua zôn nung của lò. Nói chung, pha lỏng này có liên hệ với tổng các thành phần C₃A và C₄AF, hai yếu tố (được thí nghiệm làm trong phòng thí nghiệm) khi tan chảy ở nhiệt độ trên 1338^oC đã kết hợp lại với nhau.

Lượng chất lỏng trong một hạt clinker khi ở nhiệt độ khác nhau có thể được tính toán dựa trên các tỷ lệ giữa Fe₂O₃, Al₂O₃, MgO và alkali. Theo các kinh nghiệm sản xuất xi măng trắng, khi nguồn liệu vào lò có hàm lượng ôxit sắt vượt khoảng 0,5% thì sẽ không sản xuất được clinker có độ trắng đạt yêu cầu. Như vậy gần như tất cả pha lỏng của clinker, ngoài các pha sulphate có mặt và các tạp chất khác, đều phải được tạo bằng C₃A. 


Ngoài lượng pha lỏng bị tác động bởi giới hạn hàm lượng Ô xít sắt, clinker sản xuất xi măng trắng được sản xuất với mức thấp nhất các thành phần tạo màu tiềm năng khác. Hàm lượng silicate can xi được tăng đến mức tối đa vì C₃S và C₂S là các chất khoáng rõ ràng nhất (clearest) trong clinker. Đá vôi nguyên chất được sử dụng, cũng như sét, gần không chứa gì ngoài aluminia và silica, nhìn chung là cao lanh. Một tỷ lệ cao cát silica nguyên chất được sử dụng để cung cấp silicate can xi. Cát này có thể được nghiền bằng máy nghiền bi sử dụng bi đạn ceramic để hạn chế tối thiểu khả năng nhiễm bẩn. Tỷ lệ silica và tỷ lệ alumina khác rất nhiều so với thành phần clinker thông thường - thành phần hạn chế tối thiểu chất lưu và gây khó đốt. 

Tỷ lệ phần trăm chất lưu theo yêu cầu để đáp ứng khả năng kết hợp tiêu chuẩn phụ thuộc vào một vài yếu tố, bao gồm độ mịn của liệu đầu vào lò, yếu tố bão hòa vôi trong clinker, nhiệt độ zôn nung và chiều dài zôn nung. Đối với clinker để sản xuất xi măng thường, chất lưu theo tỷ lệ phần trăm điển hình sẽ là khoảng 23-25% khi ở nhiệt độ tối đa. Bảng 1 cho thấy tỷ lệ chất lưu biến đổi theo nhiệt độ và clinker sản xuất xi măng trắng gần như không có chất lưu khi nhiệt độ ở 1338^oC trong khi clinker sản xuất xi măng thường lại đạt tỷ lệ tiêu chuẩn với nhiệt độ này. 

Với nhiệt độ yêu cầu cao khi nung luyện clinker sản xuất xi măng trắng, thực tế sẽ gặp rất nhiều khó khăn để các lò có thể đáp ứng được tiêu chuẩn yêu cầu, đồng thời khi đó mức tiêu hao nhiên liệu sẽ rất lớn, thông thường sẽ là khoảng 20% cao hơn so với sản xuất clinker xi măng thường. Sẽ không thể sử dụng than để đốt mà chỉ có thể dùng các loại nhiên liệu khác như khí gas, dầu để đốt vì khi dùng than, sẽ không kiểm soát được tro. Gần đây, cũng đã có sử dụng một số lựa chọn khác như than petcoke. Tuy nhiên, cho dù có sử dụng loại nhiên liệu nào đi nữa, vẫn sẽ lẫn các chất tạo màu trong sản phẩm clinker, chẳng hạn như một lượng tồn đọng rất nhỏ Fe₂O₃. Để hạn chế tối thiểu tác động có các tạp chất gây màu, cần phải đốt trong môi trường khử nhẹ. Khi đó Fe₂O₃ sẽ chuyển thành FeO, chất này có thể chuyển hóa thành cấu trúc thủy tinh thể C₃S. Với clinker thường, chất này lại gây tác động xấu đến chất lượng, cơ bản là vì FeO lại bị tái ô xít hóa bởi khí thứ cấp trong lò và có thể dẫn đến phá hủy kết cấu của C₃S. Tuy nhiên trong trường hợp này lượng FeO bị tái ô xít hóa lại rất nhỏ. Bên cạnh đó, thông thường ta làm nguội clinker bằng nước lạnh khi clinker rời khỏi lò để ngừa tình trạng phân giải nhiệt độ cao. Rõ ràng, đây là nguyên nhân dẫn đến việc sử dụng năng lượng kém hiệu quả, không tận dụng được nhiệt thừa từ thiết bị làm nguội clinker. 

Để khắc phục tiêu hao năng lượng quá lớn khi sản xuất clinker xi măng trắng, người ta sử dụng các chất khoáng hóa có gốc fluorine, với phương pháp này cho phép giảm nhiệt độ khi hình thành C₃S và hạn chế tối thiểu yêu cầu phải có tỷ lệ pha lỏng cao. 

Đặc tính kỹ thuật xi măng trắng khác với đặc tính kỹ thuật xi măng thường do kết cấu thành phần và phương pháp sản xuất. Cường độ hoặc độ bền của cả hai loại nói chung là cao do có hàm lượng silicate can xi cao. Điều này đã được chứng minh thông qua các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Các loại xi măng trắng có xu hướng được sản xuất mịn hơn, trắng hơn, là động lực phát triển trên thị trường sau này. Hàm lượng C₃A có thể tương đối cao và chất sulphate được kiểm soát tại hầu hết các khu vực với cùng quy định như đối với xi măng Portland có ít C₃O. Hơn nữa, sulphate clinker lỏng - thành phần hoạt động hiệu quả hơn so với thạch cao bổ sung trong hợp chất gây trễ thủy hóa C₃S - lại ít một phần do môi trường khử trong khu vực zôn nung không cho phép sulphate trong clinker thoát ra khỏi lò. Vì những lý do này, nên thời gian đông cứng có xu hướng ngắn hơn.