Gạch chịu lửa nhiều lớp: Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho lò nung clinker

Khoa học công nghệ

19/10/2026

Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa nhiều lớp, tiết kiệm năng lượng xây lò quay nung clinker xi măng đang mở ra hướng ứng dụng vật liệu mới nhằm giảm tổn thất nhiệt, tiết kiệm nhiên liệu và góp phần giảm phát thải trong ngành sản xuất xi măng.

Tiết kiệm năng lượng, sử dụng hiệu quả tài nguyên và giảm phát thải đang trở thành những yêu cầu quan trọng đối với sản xuất công nghiệp. Vì vậy, đổi mới vật liệu sử dụng trong dây chuyền sản xuất cũng là một hướng đi cần được quan tâm. Đối với ngành xi măng, lĩnh vực có mức tiêu thụ năng lượng lớn, kiểm soát tổn thất nhiệt tại công đoạn nung clinker có thể góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí nhiên liệu và hạn chế phát thải.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, Thạc sĩ Nguyễn Đức Thành cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Vật liệu xây dựng đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa nhiều lớp, tiết kiệm năng lượng xây lò quay nung clinker xi măng”. Đề tài tập trung phát triển loại vật liệu chịu lửa có cấu trúc nhiều lớp, vừa đáp ứng yêu cầu làm việc ở nhiệt độ cao, vừa tăng khả năng cách nhiệt, qua đó hạn chế thất thoát nhiệt qua thành lò.

Sản phẩm gạch chịu lửa nhiều lớp tiết kiệm năng lượng (Ảnh: JOMC)

Giải pháp giảm thất thoát nhiệt

Trong dây chuyền sản xuất xi măng, công đoạn nung clinker là khâu tiêu thụ năng lượng lớn. Nhiệt độ trong vùng nung có thể lên tới hàng nghìn độ C, do đó lò quay phải được xây lót bằng vật liệu chịu lửa có khả năng làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, chịu mài mòn và chống sốc nhiệt.

Tuy nhiên, vật liệu chịu lửa thông thường có độ dẫn nhiệt tương đối cao. Một phần nhiệt từ bên trong lò có thể truyền qua lớp vật liệu và thoát ra môi trường bên ngoài, làm gia tăng tổn thất năng lượng trong quá trình vận hành.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển cấu trúc gạch chịu lửa gồm 3 lớp, trong đó mỗi lớp đảm nhận một chức năng riêng. Lớp làm việc phía trong sử dụng hệ vật liệu silicon - mulít, có nhiệm vụ trực tiếp tiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao, chịu tác động cơ học và mài mòn. Lớp tiếp theo đóng vai trò ngăn nhiệt, sử dụng vật liệu cao nhôm nhằm hạn chế quá trình truyền nhiệt. Phía ngoài cùng là lớp cách nhiệt bằng bông gốm, có hệ số dẫn nhiệt thấp.

Kích thước và chiều dày các lớp vật liệu trong gạch chịu lửa 3 lớp (Ảnh: JOMC)

Trong quá trình nghiên cứu, nhóm tác giả đã khảo sát thành phần nguyên liệu, tỷ lệ pha siêu mịn, áp lực tạo hình, nhiệt độ nung và các yếu tố công nghệ nhằm xác định cấp phối phù hợp cho từng lớp. Đối với lớp làm việc, các nguyên liệu như bô xít, mulít, silicon carbide (SiC), đất sét chịu lửa, oxit nhôm hoạt tính và silica fume được sử dụng để tạo ra vật liệu có khả năng đáp ứng điều kiện làm việc khắc nghiệt.

Kết quả thử nghiệm cho thấy cấu trúc nhiều lớp có khả năng giảm đáng kể độ dẫn nhiệt so với vật liệu chịu lửa thông thường. Với kết cấu 3 lớp, hệ số dẫn nhiệt tương đương của viên gạch ở 1.000°C được xác định khoảng 1,80 W/m.K, thấp hơn so với mức khoảng 2,6-3,0 W/m.K của loại gạch chịu lửa được nghiên cứu để so sánh.

Không chỉ tập trung vào khả năng cách nhiệt, sản phẩm còn được kiểm tra các chỉ tiêu về cơ tính và khả năng làm việc ở nhiệt độ cao. Theo kết quả nghiên cứu, lớp làm việc đạt cường độ nén nguội 94,6 MPa và nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 0,2 MPa khoảng 1.650°C; lớp ngăn nhiệt đạt cường độ nén nguội 91,0 MPa và nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng khoảng 1.580°C.

Những kết quả này cho thấy hướng thiết kế gạch nhiều lớp có thể đáp ứng đồng thời yêu cầu về chịu nhiệt, chịu tải, chống mài mòn và cách nhiệt, đây đều là những đặc tính quan trọng đối với vật liệu xây lót lò quay nung clinker.

Từ kết quả nghiên cứu đến sản xuất bền vững

Đáng chú ý, đề tài không dừng ở quy mô nghiên cứu phòng thí nghiệm mà đã được thử nghiệm sản xuất trên dây chuyền công nghiệp tại Nhà máy gạch chịu lửa Tam Tầng (Công ty Cổ phần Vật liệu chịu lửa Cầu Đuống). Quy trình sản xuất thử nghiệm gồm các công đoạn trộn phối liệu, tạo hình, sấy - nung và hoàn thiện lớp cách nhiệt bằng tấm bông gốm ở phía ngoài viên gạch. Việc thử nghiệm trên dây chuyền công nghiệp cho phép đánh giá khả năng áp dụng công nghệ trong điều kiện sản xuất thực tế, đồng thời tạo tiền đề cho việc hoàn thiện và thương mại hóa sản phẩm.

Lắp đặt và điều chỉnh khuôn ép gạch (Ảnh: JOMC)

Đáng chú ý, nghiên cứu đã tính toán khả năng ứng dụng gạch 3 lớp đối với lò quay có kích thước 4,0 x 60 m, trong khu vực xây gạch từ mét thứ 15 đến mét thứ 25. Với nhiệt độ mặt làm việc khoảng 1.350°C và nhiệt độ môi trường 27°C, nhiệt độ vỏ lò khi sử dụng kết cấu gạch nhiều lớp được tính toán khoảng 274°C, thấp hơn khoảng 46°C so với trường hợp sử dụng gạch silicon-mulít thông thường.

Cùng với đó, tổn thất nhiệt qua vỏ lò theo tính toán giảm từ khoảng 45,28 triệu kcal/h xuống còn 31,07 triệu kcal/h. Từ mức giảm tổn thất nhiệt này, nghiên cứu ước tính lượng nhiên liệu tiết kiệm tương đương khoảng 668 tấn than cám 4B/năm, với giả định lò vận hành 320 ngày/năm.

Theo đánh giá, đây là hướng tiếp cận có ý nghĩa khi giảm lượng nhiệt thất thoát, lượng nhiên liệu cần thiết để duy trì nhiệt độ công nghệ có thể được giảm xuống, qua đó góp phần giảm chi phí năng lượng và cường độ phát thải trên mỗi đơn vị sản phẩm.

Bên cạnh hiệu quả về năng lượng, việc nghiên cứu và chế tạo sản phẩm trong nước còn tạo cơ hội phát triển ngành vật liệu chịu lửa, từng bước làm chủ công nghệ và đa dạng hóa nguồn cung cho các ngành công nghiệp sử dụng lò nhiệt độ cao.

Theo định hướng của Chương trình hành động quốc gia về sản xuất và tiêu dùng bền vững, việc nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên, năng lượng và giảm tác động môi trường trong quá trình sản xuất là một trong những nội dung quan trọng hướng tới mô hình sản xuất bền vững và kinh tế tuần hoàn.

Đối với ngành xi măng, yêu cầu này càng trở nên rõ nét khi doanh nghiệp vừa phải duy trì năng lực sản xuất, vừa kiểm soát chi phí năng lượng và từng bước giảm phát thải. Vì vậy, những giải pháp có khả năng tác động trực tiếp đến hiệu suất sử dụng năng lượng tại từng công đoạn sẽ ngày càng có giá trị.

Để đưa sản phẩm từ kết quả nghiên cứu vào ứng dụng rộng rãi, các nhà khoa học và doanh nghiệp vẫn cần tiếp tục đánh giá tuổi thọ trong điều kiện vận hành thực tế, mức tiêu hao nhiên liệu trước và sau khi thay thế, chi phí đầu tư - vận hành cũng như hiệu quả kinh tế trong toàn bộ vòng đời sản phẩm.

Nếu tiếp tục được hoàn thiện về công nghệ, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy mô sản xuất, gạch chịu lửa nhiều lớp có thể trở thành một trong những giải pháp vật liệu hỗ trợ ngành xi măng tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm tác động môi trường.

Tags: