Bao cao gom ben co soc nhiet 2008 BỘCÔNGTHƯƠNG VIỆNNCSÀNH SỨTHUỶTINH CÔNG NGHIỆP BÁO CÁOTỔNGKẾTĐỀTÀICẤP BỘ NGHIÊNCỨUCÔNGNGHỆSẢNXUẤT GỐMBỀNCƠVÀSỐCNHIỆT CHO LÒ NUNG SIÊUCAO TẦNNHIỆTĐỘNGCAO Chủnhiệmđềtài[.]
BỘCÔNGTHƯƠNG VIỆNNCSÀNH SỨTHUỶTINH CÔNG NGHIỆP BÁO CÁOTỔNGKẾTĐỀTÀICẤP BỘ NGHIÊNCỨUCÔNGNGHỆSẢNXUẤT GỐMBỀNCƠVÀSỐCNHIỆT CHO LÒ NUNG SIÊUCAO TẦNNHIỆTĐỘNGCAO Chủnhiệmđềtài: NGUYỄNTIẾNĐIỆP 7292 15/4/2009 HÀNỘI-2009 MỞðẦU Sảnphẩmg ốmb ềns ốcnhiệtsửdụngchol ò nungsiêucaotầnl vậtl i ệugốmkỹ thuậtcao.Khácvớicácvậtliệubềnsốcnhiệttheodạngbứcxạ,truyềndẫnnhiệtthơngt hường,nóphảilàmviệctrongmơitrườnglịsiêucaot ầnnhiệtđộcaol m v i ệctrongm 0 ôitrườngs ốcnhiệtrấtcaot ừ400 Clên1200 Ctrongvong10giây.Nênv ậtliệug ốmkỹ thuậtsửdụngc h o lịcaot ầnucầuchấtlượngvàđộbềnđặcbiệt Việclựachọnhệvậtliệuphụthuộcvàotừngmụcđíchcụthểvànhiệtđ ộ làmviệ ccủalị.ðốivớilịcaotầnnấuchảyhợpkimmầu,ởkhoảngnhiệtđ ộ 1250 Chệvậtliệut hườngsửdụngtrênnềnhệgốcchứamullitecordierite,corund,quartz,spodumene,a l u m i n u m t i t a n a t e hoặczirconiaổnñ ịnh.Ở nhữngứ ngdụngtạid ảinhiệtđ ộ caohơn,thơngthườngcách ệvậtl i ệunhưsilico ncarbide,nitridereinforcedđượcsửdụnglàmhệvậtliệugốc D ặ ctínhsiêubềnc ơnhiệtc ủahệvậtl i ệunày,v i ệcnghiêncứulýthuyếthiệnv ẫncịnđangrấtnhiềut r a n h cãi.Vềmặtc ô n g nghệ,v i ệct r i ểnk h a i s ảnx u ấtvớisốl ượnglớnđịihỏiquymơv t r ì n h độphátt r i ểncơngn g h ệcao.Tạimộtsốtrungt â m c ô n g nghệv ậtliệuViệtnam,h i ệncũngcómộtsốđềtàinghiêncứumangtínhhọcthuậtv cơngn g h ện g h i ê n cứuv ềmảngđềtàinày.Tuynhiên,kếtquảchỉdừnglạiởdạngvật liệumàchưacónhiềuứngdụngvàocácsảnphẩmvàđiềukiệnlàmviệccụthể.Hiệnnay ,sảnp h ẩmvàc c c hi tiếts ửdụngvậtliệudạngnàyvẫnphảinhậpngoạivớichip h í gi áthànhrấtcaovàkhơngchủđộngvềthờigian Việctậptrungnghiêncứuhệvậtliệubềnsốcnhiệthiệnnaykhơngchỉlàvấnđ ề mangtín hh ọct h u ậtvàcơngnghệmớihiệnđ angđươct h ếgiớiđ ặ cbiệtq u a n t â m màc ò n góp phầnxâydựngcơngn g h ệsảnxuấtvớitrìnhđ ộ cao,đápứngnhucầusửdụngcácchitiế tsảnphẩmgốmkỹthuậtchấtlượngcaoc ủacáccơsởsảnxuấttrongnước Nắmbắtnhucầucấpthiếttừthựctếsảnxuấtsảnphẩmhợpkimchếtáckimloạiqu ýchếtácđồtrangsứcbằngvàngbạcvàcáckimloạimàukhác,s ảnxuấtchitiếtvàsản phẩmrănggiảtrongy họctừhợpkimđặcbiệtbằngcơngnghệnungsiêucaotần,nhó mthựchiệnđềtàiđãkhảosátnhucầuhiệnnayc ủac c n h s ảnx u ấttrongnướcv ềv i ệcsảnxuấtnhằmthaythếmộtphần,tiếntớithaythếhoàntoànsảnphẩmchénnunggốm siêubềnsốcnhiệthiệnđangđượcsửdụng Cơngng h ệnấuc h ảyhợpk i m s ửdụnglịn u n g siêucaotầnthựct ếđ ãchứngmi nhhiệuquảrấttolớnvềnăngsuất,chấtlượngsảnphẩm.Tuynhiênchénnung sửdụngt rongqtrìnhnấuch ảyhợpkimlạiđịihỏimộth ệvậtl i ệuvớicácchỉsốcơlýđặcbiệtc ao.Thờigiannấuchảykimloạithựctếchỉdiễnratrongvàiphút,thêmvàó,hệhợpk imnóngchảynhiệtđộcaocịncóđ ặ ctínhănmịnv t h ẩmthấurấtmạnh.Trongđiều kiệnl m v i ệck h ắcnghiệtđó,hệvậtliệulựachọnchếtạochénnungkhơngchỉđịihỏi đặctínhsiêubềnsốcnhiệt,nócịnđịihỏichỉsốbềncơ,b ềnhóa,chốngănmịnvà t h ẩm thấukimloạinóngchảyrấtcao ViệnNghiêncứus n h s ứT h ủytinhCơngnghiệpđ ãđăngkývớiBộCơngThư ơngđềtài:“Nghiêncứucơngnghệsảnxuấtgốmbềncơvàsốcnhiệtcholịnungsiê ucaotầnnhiệtđộcao” Hợpđồngthựchiệnđềtàikhoahọccơngnghệsố64-08/RD/HðKHKTKýgiữaBộCơngThươngvàViệnNghiêncứuSànhsứThủytinhCơng nghiệpngày25tháng01năm2008 Mụctiêucủềtài: Nghiêncứu,địnhhướngvàlựachọnhệvậtliệugốmchịulửabềnsốcnhiệtsửdụ nglàmchénnungcholịsiêucaotầnvàcácứngdụngsốcnhiệtcao,làmv i ệctro ngmơitrườngkimloạinóngc h ảyă nmịnv t h ẩmthấumạnh Xâyd ựngq u y t r ì n h cơngnghệhồnthiệnsảnx u ấts ảnphẩmc h é n nungb ềnsốcnhiệt,làm việctạinhiệtñộcao Sảnxuấtthửnghiệm1000chénnung,thửnghiệm tạithựctếsảnxuất Nộidungnghiêncứu: Nghiêncứusửdụngcácnguồnnguyênliệuvàphốitrộnchoviệctổnghợpvậtli ệugốmbềnsốcnhiệt Xácđịnhcấpphốitốiưu,đánhgiákhảnăngbềnnhiệt,vàtăngcườngt u ổithọvật liệutrongmơitrườngsốcnhiệtkhắcnghiệt Nghiêncứucơngnghệvàquyt r ì n h sảnxuấtp h ù hợpv ớiđiềukiệnthựctế ðánhgiácácthơngsốvàđặctínhkỹthuậtcủavậtliệu Tổchứcsảnxuấtthửnghiệm1000sảnphẩm Thửnghiệmthựctếsảnxuấtvàsosánhvớisảnphẩmnhậpngoại PHẦNI:CƠSỞLÝTHUYẾT Vậtliệugốmbềnnhiệtcóvaitrịđặcbiệtquantrọngkhơngdễgìth a y t h ếv ñư ợcứngd ụngrộngr ã i trongmọin g n h cơngnghiệpnhiệtđ ộ cao.V i ệcnghiêncứuv àứngdụngđãđượctiếnhànhtrongnhiềunămvàthượcnhữngthànhtựutolớn.Tùyt heomụcđíchvàucầucụthể,rấtnhiềuhệvậtl i ệugốmbềnnhiệtđãđượctậptrungngh iêncứupháttriểncảtrongnướcvàtrênthếgiới Vềmặtl ý thuyết,h ệv ậtliệubềnnhiệtñ ợ ctổnghợpd ựatrêncơs ởthànhp h ần chínhcủaphag ốmcóhệsốdãnnởnhiệtrấtthấp,cấutrúctinht h ếổnđịnhvàxếpchặt Qtrìnhchuyểnp h a thùhìnhvàbiếnđổithểtíchnếuc ó xảyrakhidaộngnhiệtđộk hơngtạonê n ứngsuấtpháhủysựổ nđịnhcủatồnhệthống.Mộtkhíacạnhkháccũng đượctậptrungnghiêncứuchunsâu,đólàhàmlượngvàđộnhớtphalỏngtrongcấutr úcvậtliệubềns ốcnhiệtkhilàmviệctạinhiệtđộcaocũngảnhhưởngrấtlớnđếnkhảnă ngchốnglạisựpháhủydosốcnhiệt.Cấutrúcvàliênkếtbiêntinhthếcủavậtl i ệucũng làyếutốcóảnhhưởngđángkểđếntínhbềnnhiệtcủavậtliệu ðặcđiểmcủamộtsốhệvậtliệugốmbềnsốcnhiệt: 1.1 HệvậtliệubềnnhiệtcordieriteMg2Al4Si5O18:[1],[2] Cordieritelà mộthệvậtliệubềnnhiệttruyềnt h ốngđ iểnhìnhvàđượcứngd ụngr ộngrãihiệnnaytrongcơngnghiệpsảnxuấtg ốms ứv cácứngdụngnhiệtđộcao.Thà nhphầnphachủyếucủahệvậtliệunàylàcordierite c ó hệsốgiãnnởnhiệtrấtthấp,n -60 ằmtrongkhoảng3.10 K - Dohệsốdãnn ởnhiệtthấp,cườngđộkhángnéntươngđốicao,mứcđộổnđịnhvàant ồntrongdảinhiệtđộlàmviệcdưới1360 Ckhátốtnênhệvậtliệunàượcứngdụngrấ trộngrãitrongcơngnghiệpnhiệt,đặcbiệtcơngnghiệpsảnxuấtvậtl i ệugốmsứlà m t ấmkê,trụđỡ,baonungsảnphẩm Nhượcđiểmlớnnhấthạnchếkhảnăngtổnghợpvà ứngdụnghệvậtliệunàylàđộchịulửakhơng cao.Mặtkhác,qtrìnhtổnghợpvậtliệukhákhókhăndokhoảngkếtkhốic ủacordi eriterấthẹp Rấtnhiềucơngtrìnhnghiêncứucơngph ợ ctiếnh n h n h ằmt ăngcườngkh ảnăngứngdụngcủacordieriteở nhiệtđộcao,cũngnhưtậptrungvàoviệcdãndàikhoả ngkếtkhốicủavậtliệu.Nhữngcơngtrìnhnghiêncứ tđượcthànhtựángkểnhấtđ ềutậptrungvàoviệctổhợpcordieritevớithànhphầnphatinht h ểchịul ửacócườngđộ c ơhọccaonhưmullitehoặccorund Vậtliệutổh ợpmullitecordieritethừahưởnghệsốdãnn ởnhiệtthấpc ủacordierite,kếthợpvớicườngđộcơh ọcvàđộchịulửacaocủaphatinht h ểmullitãmởramộthướngứngdụngmớichovật liệugốmbềnsốcnhiệttrêncơsởsửdụngcordierite.Sảnphẩmthươngphẩmhiệnnayt rênthếgiớiđ asốđềudựatrêntổhợpnày Ngồira,ảnhhưởngcủaphụgiazirconcótrongthànhphầnp h a cũngc ó tácdụn gtíchcựcnhằm dãndàikhoảngkếtkhốicủavậtliệu 1.2 HệvậtliệubềnnhiệtaluminumtitanateAl2TiO5:[3],[4] Aluminumtitanate(Alutit)đượ cbiếtđếnnhưhệvậtliệug ốmcấutrúcsiêubề ncơvàsốcnhiệt.Hệvậtliệunàượcpháttriểnvàokhoảngnhữngnăm60thếkỷtrướ cd o địih ỏithếhệvậtl i ệumớic h o ngànhcơngnghiệpkhơnggianvũtrụvàsảnxuấtđộ ngcơđốttrong.Tu y nhiên,dovướngphảinhữngràocảngâyrabởicấutrúckhơngổnđị nhcủakhốngtitanate,hệvậtl i ệunàynhanhchóngbịqnlãng.Vàonhữngnămđầu9 0thếkỷtrước,mộts ốnghiêncứucơbảntậptrungvàoviệcnghiêncứuvicấutrúcphati nhthể.ðãchỉrặctínhdãnn ởdịhướngcủaalutitđãgợimởnhiềuhướngđiđầytriểnv ọngchoviệcứngdụnghệvậtliệunày -60 Alutitcóhệsốdãnnởnhiệtkhánhỏ,nằmtrongkhoảng6,0.10 K - vàc ó cườngđộcơhọccaoổnđịnhởnhiệtđộthườngvớigiớihạnchịunéndaộngtừ1 550-2000kg/cm 2tùy theohàmlượngvàtỷlệalutit- mullitecótrongv ậtliệu.Ởnhiệtđộcao,dotínhdãnnởnhiệtbấtđẳnghướng,vậtliệa pha tinhthểalutitcóđặctínhtăngbềndohìnhthànhhiệuứngphátsinhứngsuấtnéndọctrụct inhthể.ðặctínhnàymanglạichoalutitđộbềncơhọcđặcbiệtcaotrongdảinhiệtđộdướ i1550 C Cónghiêncứuchỉrarằngởnhiệtđộtrên1550 C.Hiệntượngdãnnởdịhướngnàyl ạigâynênsựbấtổnđịnhtrongcấutrúcvitinhthểcủaalutitvàkhiếnchocấutrúccủanó khơngđượcxếpchặt.Mặcdù,độchịulửacủahệv ậtliệukhácaovànằmtrên1760 C,n hưngvớitầnsuấtbiếnthiênnhiệtđộh ệvậtliệunàycóxuhướngsuygiảmnghiê mtr ọ ngcườngđ ộ ,d ẫnt ớipháh ủyvậtliệutạikhuvựcnhiệtđộcaotrên1650 C Ngồiviệcalutitcóhệsốgiãnnởnhiệtthấp,khảnăngtăngbềncấutrúcv làmviệ cổnđịnhtrongdảinhiệtđộdưới1550 C,nócịnlàmộthệvậtliệ ặ cbiệt.Dặctínht hấmướtrấtthấpkimloạilỏngkhơngchứasắtkhilàmviệcởnhiệtđộcao,cùngvớimodu lebiếndạngdẻotươngđốithấp,alutitrấtthíchhợpchocácứngdụngtrongngànhcơngn ghiệpluyệnkimmầu 1.3 HệvậtliệuzirconiaổnđịnhZrO2.[5],[6] Zirconiacónhiệtđộnóngchảyrấtcaotrên2700 Cvàđộdẫnnhiệtthấp.Tuynhiên ,docấutrúctinhthếcótínhb i ếnđổip h a thùhìnhk h i t h a y đ ổ inhiệtđộ ,d ẫnđếngiới hạnk h ảnăngứngdụngc ủahệvậtliệug ốmzirconiatrongcơngnghiệpg ốms ứv nh iệtđộcao.Zirconiacób a dạngthùhìnhchính:Dạngđơntàtồntạitrongkhoảngnhiệtđộ dưới1170 C;trongkhoảng11700 2370 Cd ạngt h ù hìnhchínhổ nđịnhl dạngtứphương;trên2 Czirconinachuy ểnquacấutrúcphatinhthểlậpphươngcổnđịnh Trongq trìnhgianhiệt,zirconiat h a m giaq trìnhb i ếnđổiphat hù hình.Ở nhiệtđộdưới1170 C,thànhphầnphacấutrúccủazirconialàdạngđơntà.Qtrìnhchu yểnp h a t ừdạngñơntàsangd ạngtứphươngk h i gianhiệtbiếnñ ổ irấtnhanhkèmt h e o t h a y đổithểt í c h từ3 % gâyn ê n h i ệntượngpháhủộtngộtcấutrúctồnhệthốngcủavậtliệu.ðặctính biếnđổi thùhìnhn y l m c h o v ậtliệug ốmtrênc ơsởh ệthuầnzirconiakhơngc ị n ứngdụngthựctiễn ðểổ nđịnhcấutrúctinhthểtrongqtrìnhlàmnguội,mộtsốphụgi ợ csửdụn gnhằmhạnchếsựchuyểnphơntà– tứphương.Cácphụgiaổ nđịnhhiệuquảthơngthườngđượ csửdụngbaogồmMgO, CaOvàY2O3.Vớilượngphụgiathíchhợp,cấutrúcphaổnđịnhlậpphươngvàtứphươ ngđ ợ cduytrìtronghệvậtliệukhiđốtnónghoặclàmnguội.Vềcơngnghệ,hệv ậtliệ uzirconiacóthểđượcđiềukhiểnổnđịnhđịnhhướngtheohaiphươngpháp:ổnđịnhtừn gphầnhoặcổnđịnhtồnphần Zirconiaổnđịnhtừngphần(PSZ)cócấutrúctổhợpđaphatinhthểthùhìnhzircon ia.Vớilượngp h ụgiaổ nđịnhđ avàothànhphầnphacấutrúcc ủazirconiachuyểnph adạngtứphươngởnhiệtđộtrên1170 Ckếthợpvớip h a tinhthểdạnglậpphương.Th ơngthường,lượngphụgiaổnđịnhsửdụngkhoảng8%molMgO,8%molCaO,34%molY2O3tạon ê n h ệvậtliệuổ nđịnh.PSZđượcsửdụngrộngrãitrongcácngànhc ơngnhiệpnhiệt,đặ cbiệttrongnhữngkhu vựcđịih ỏinhiệtđộcao,kh ắcnghiệt.Vớih ệsốdẫnnhiệtnhỏ,nhiệtđộnóngchảycao,hệvậtliệuchuyểnphatăngbềnổnđịnhzircon iac ó thểlàmviệcliêntụctrongmơitrườngtrungtínhhoặcoxyhóatới2200 C.Zirconi acókhảnăngthấmướtrấtítđốivớinhiềukim loạinóngchảy,độbềnh ó a v b ềnx ỉcao,dó,nól mộttrongnhữngh ệv ậtliệul ý t ưởngứngdụngtrongcơngnghiệpluyệnkim Vớitỷlệphụgiaổnđịnhchuyểnphathùhìnhchiếmtrên16%molMgO,16%mol CaO,8%molY2O3cấutrúcphatinhthểzirconiachuyểnsangdungdịchrắndạnglậpph ươngổnđịnhtồnphần.Ở cấutrúcnày,qtrìnhtha ổ inhiệtđ ộ h o n tồnkhơng dẫntớisựb i ếnđổiđ aphathùh ì n h chotới2500 Cvàđượcứ ngdụngrộngrãitrongc ng nghiệpsảnxu ấtvậtliệusiêudẫn,sensorvàpinnănglượng 1.4 HệthủytinhbềnnhiệtthạchanhSiO2.[7],[8] Thủyt i n h thạchanhñ ợ csảnx u ấtt ừcát,quartztinhthểh o ặcsilica(SiO2)nấ uchảytronglịđiệnhồquangởnhiệtđộtrên1900 C.Tùytheoucầuvềđộsạch,thủyt inhthạchanhđượcphânloạitheomụcđíchsửdụng: Phânloại SiO2[%] Ứngdụng FusedSilicaF >99,99 Sensor,bándẫn,Si,… usedQuartz >99,50 Vậtliệuchịulửa,dụngcụbềnnhiệt,chấtđộn, Fusedquartz(FQ)cócấutrúcthủytinhvơđịnhhìnhđiểnhình.CấutrúcFQbaogồ mliênkếtchéobachiềuởmứcđộrấtcaolàmchonócókhảnăngl m việcổnđịnhở nhi ệtđộcaovớiđộnhớtrấtcaovà ítthaổitrongdảinhiệtđộr ấtrộng.Ngồira,h ệs ốdãn -60 n ởnhiệtr ấtthấp,nằmtrongkhoảng0,55.10 K - ,FQlàmộttrongnhữngvậtliệubềnsốcnhiệtlýtưởng.Làmộtv ậtliệubềnhóa,FQhầu nhưkhơngbịănmịnbởiacidvàcáchóachấtkhấtkhác.Cácchỉt i ê u tổnhaovàhằngs ốđiệnmơicủaFQcũngrấtnhỏ.ðóchínhlàlýdotạisaoFQlàmộttrongnhữngvậtliệư ợcứngdụngrộngrãitrongcơngnghiệpnấuchảykimloạibằngxungsiêucaotần Mặcdùởnhiệtđộthường,độcứngcủaFQkhácaovàcóxuhướngpháh ủy giịnnhưcácvậtliệugốmhoặcthủytinhkhác.Tuynhiênởnhiệtđộcao,s ựhìnhthànhp halỏng(biếnmềm)v ớiđ ộ nhớtcao,FQc ó x u hướngcảithiệnđángkểkhảnăngổnđịn hvàtăngbềnsốcnhiệtcủavậtliệu Fusedquartzl mộthệt h ủytinhñ ặ cbiệt,v ớiñ ộ tinhkhiếtcao,h m lượngSiO 2> 99,5%FQlàmộttrongnhữngvậtliệuchịulửacóhệsốgiãnnởnhiệtthấpnhấttrongcá chệvậtliệugốmvàthủytinh.Ởnhiệtđộthường,FQc ó đ ộ cứngk h l ớntuynhiên,ở nhiệtđ ộ c a o FQc ó đặctínhtươngt ựp h a t h ủytinhvớiñộnhớtcao 0 SựbiếndạngcủaFQbắtñầuở1075 C(T g= 1075 C)vớiđộnhớt10 14,5PZ hầunhưk hơngnhỏhơnvậtliệutrạngtháirắn.Nhiệtđộbiếnmềmbắtđầut ừ1180 Cvớiđộnhớtsu ygiảmkhơngđángkểxuống10 13,5PZ Theonhiềunghiêncứutuykhơngthốngnhấtvớ iđiểmchảymềmcủaFQ,kéodàitrongkhoảng15000 1650 Cvớiđộ nhớttươngứngtrongkhoảng10 7,6PZ ðộnhớtnàytươngđươngvớiđộn hớtcủathủytinhbềnnhiệtcaocấpkhinungnóngđến750 C Trongtồndảinhiệtđộtừ250 1730 Ccấutrúc FQkhơngxuấthi ệnbấtkỳs ựbiếnđổichuyểnp h a thùhình.ðộnhớtp h a lỏngcaocũngl ngunn h â n chínhkìmhãmsựpháttriểntinhthểvàchuyểnphat hùhìnhcristobaliteở nhiệtđộtrên1000 C.Dó,FQlncócấutrúcvơđịnhhìnhổnđ ịnhvớimỗichukỳđốtnóngvàlàmnguộikhắcnghiệt BiểồphacủaSiO2