Vật liệu chịu lửa

Vật liệu chịu lửa

VẬT LIỆU CHỊU LỬA

CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CHỊU LỬA DINAT

Di nat là loại VLCL có ≥93%SiO2, sản xuất từ quặng của quắc và chất liên kết là vôi hoặc chất khác, nung ở nhiệt độ đảm bảo quắc biến đổi thành tridimit và cristobite

1. SiO2

1.1. Sự biến đổi thù hình của SiO2 và tính chất của chúng

a. Quartz

Có hai dạng thù hình : αquartz và β quartz

β quartz : đây là dạng thù hình bền vững ở nhiệ độ thường, phổ biến trong thiên nhiên Khi nung đến 573 nó chuyển thành αquartz và kèm theo giản nở.

αquartz : tồn tại trong phạm vi 573-870 Ở 870, hạt α quartz có kích thước nào đó và phải có mặt chất khoàng hóa mạnh thì nó chuyển chậm dần thành α tridimite Trong thực tế sản xuất gạch dinat đều dùng chất khoáng hóa và αquartz ở điều kiện nghiền mịn nó chuyển thành α tridimite qua pha trung gian metacristobalite ở 1200-1470, nhưng mạnh ở nhiệt độ trên 1300 Dạng tridimite là dạng ổn định nhất mà ta muốn có trong gạch dinat Nếu không có phụ gia nóng chảy với vai trò chất khoáng hóa thì metacristobalite sẽ chuyển hóa thành α cristobalite.

b. Tridimite

Có 3 dạng thù hình tồn tại từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ cao là γ, β, α.

Khi nâng nhiệt độ lên quá 1470 thì α tridimite chuyển chậm sang α cristobalite Nếu nung nhanh đến nhiệt độ trên 1670±10 thì tridimite chuyển thành thủy tinh nóng chảy

Qua hình vẽ ta thấy rằng tridimite là tinh thể bền vũng và ổn định nhất Vìvậy sản xuất sản phẩm dínat phải làm sao tạo được nhiều tridimite nhất.

c. Cristobalite.

Có hai dạng thù hình đó là α Cristobalite (tồn tại ở nhiệt độ cao), β Cristobalite ( tồn tại ở nhiệt độ thấp) Hai dạng thù hình nay có mật độ khác nhau rất lớn với α Cristobalite (2.22g/cm3) và β Cristobalite (2.34g/cm3), nên dẫn tới biến đổi thể tích của chúng rất lớn Đây là lí do vì sao người ta không muốn có nhiều Cristobalite trong dinat vì chúng dễ gây nên vở, nứt sản phẩm khi làm nguội hay nâng nhiệt độ.

d. Thủy tinh quartz

Thủy tinh quartz được hình thành bằng cách nóng chảy nhanh của quartz ở

1600 , của tridimite ở 1670±10 và của Cristobalite ơ 1723.

Khi làm nguội nhanh chất nóng chảy này thu được thủy tinh quartz, thủy tinh này có rất nhiều đặc tính quý như độ bền sốc nhiệt , độ chịu lửa, độ bền hóa, tính chất quang học Đặc biệt là có hệ số giản nở nhiệt rất thấp, nhỏ hơn 20 lần so với thủy tinh xây dựng và 6 lần so với thủy tinh pyrex.

Do đó ta có nhận xét sau

Sự biến đổi thù hình luôn kèm theo sự biến đổi trọng lượng riêng dẫn đến biến đổi thể tích Sự thay đổi thể tích này quyết định toàn bộ quá trihf nung và sử dụng dinat Vì thể tích khồn ổn định là nguyên nhân lamf sản phẩm có độ bền nhiệt thấp Độ bền nhiệt càng thấp khi sự biến thù hình càng nhanh, thể tích thay đổi càng nhiều.

2. Nguyên liệu sản xuất VLCl dinat

là pha thủy tinh và một số pha tinh thể khác.

Chất khoáng hóa mạnh nhất là Na2CO3 và K2CO3, tuy nhiên người ta khồn dùng vì nó hạ thấp nhiều tính chất sản phẩm ở nhiệt độ cao.

Phổ biến người ta hay dùng là Cao, FeO, dôi khi MnO Trong thực tế sản xuất người ta dùng đông thời CaO và FeO làm chất khoáng hóa, thì khi đó cấu tử chính là FeO, còn vôi chỉ là chất hổ trợ, tỉ lệ tốt nhất giữa CaO và FeO là ½ đến ¼ Với dinat dùng xây lò cốc hóa không dùng FeO mà dùng MnO vì FeO trong môi

trường khử sẽ lại xúc tác cho hiện tượng tẩm than (2CO → CO2+C), đối với trường hợp này tốt nhất dùng 2-3% CaO hoăc 2% hổn hợp CaO và MgO với tỉ lệ 1:1 đến 1:2.

Dùng CaO làm chất khoáng hóa dưới dạng vôi sữa để tăng tính đống khuông của phối liệu, phân phối đều phụ gia liên kết các hạt quatzit đã nghiền khô, làm cho các viên thành phẩm đạt được cường độ trươc sau khi sấy, xúc tiến quá trình tridimit hóa Cao dễ điều chế, lấy từ đá voi nung bình thường.

Chất khoáng hóa là oxit sắt thường cho vào phối liệu dưới dạng vẩy sắt, xỉ nấu quặng vì chứa nhiều FeO, Fe2O3 không dùng do tạo điểm ơtecti cao hơn nhiều

và tác dụng khoáng hóa kém hơn nhiều.

2.2. Nguyên liệu sản xuất dinat

Trong sản xuất dinat người ta thường dùng các nguyên liệu chứa SiO2 như cát quắc, sa thạch, quactzit để sản xuất.

 Cát quắt là sản phẩm phân hủy của quặng núi chứa quăt như đá hoa cương do tác dụng của khí quyển, gió, sự thay đổi nhiệt độ

 Các hạt cât quắc tích tụ qua nhiều thế kỉ được thấm ướt bằng nước có chứa các tạp chất mịn như đất sét, vôi, thạch cao Các tạp chất này phân phối đều giữa các hạt các, liên kết các hạt lại thành quặng rắn hơn, bền hơn gọi là sa thạch hay các kêt.

Khi chụ áp suất đủ lớn, các kết biến thành một loại đá biến chất là quaczit.

Quătzit có hai loại: quaczit xi măng ( nếu lượng chất liên kết trong quăczit nhiều 30-75% ), quătzit tinh thể (các hạt quắc tiếp xúc với nhau chặc chẽ hơn và liên kết với nhau bằng các răng của hạt và có trữ lượng nhiều hơn quătzit xi măng)

2.2.1. Tính chất kĩ thuật của quătzit

a. Tốc độ chuyển hóa khi nung Quătzit tinh thể có tốc độ chuyển hóa chậm, còn quătzit xi măng tùy thuộc vào lượng xi măng và thành phần của nó có thể chuyển hóa chậm, trung bình và nhanh Để trành tả do chuyển hóa nhanh , ta kết hợp 2 loại quătzit với nhau.

b. Độ xốp Theo độ xốp có 4 loại sau

Stt Tên nhóm Độ hút nước Độ xốp biêy kiến

3 Xốp 1.5-4 4.3-10

c. Thành phần hóa học Thông thường dùng loại có SiO2 ≥95%, ngoài ra còn có CaO, MgO, Na2O, K2O, Al2O3, đặc biệt có hại nhất là Al2O3 và kiềm vì nó hạ thấp độ chịu lửa của quătzit

 Gia công phụ gia khoáng hóa

 Chuẩn bị phối liệu

 Tạo hình sản phẩm

 Sấy sản phẩm

 Nung 3.1. Chuẩn bị quăzit

Để sản phẩm đồng nhất cần phải biến chúng thành bột mịn bằng cách đập và nghiền mịn

Thành phần hạt quyết định quá trình chuyển hóa quătzit, đến mật độ sản phẩm, độ tả của chúng khi nung và sử dụng Không phải tất cả các hạt quătzit trong thời gian nung gần 1450 đều chuyển hóa thành tridiite và cristobalite Phần chưa chuyển hóa, trong quá trình sử dụng tiếp tục chuyển hóa dẫn đến thay đổi mật độ, thay đổi thể tích và cuối cùng là tả sản phẩm

Nếu thành phần hạt lớn nhiều, khi nung hạt lớn nở ra, tạo các kẽ nứt rạn, tả nhiều.Nếu sản phẩm có nhiều hạt nhỏ < 0.088mm gây nên phân lớp viên mộc, nứt sản phẩm khi nung.

3.2. Gia công phụ gia khoáng hóa

 Vôi: tốt nhất nên sản xuất vôi ngay tại nhà máy để thuận tiện cho việc vận chuyển, bảo quản vôi sống

 Sắt; phụ gia sắt cho vào phối liệu cần được nghiền mịn qua sang 900 lỗ/ cm2 Để tăng hieus suất nghiền người ta không dùng nươcd mà dùng ngay sữa vôi cho vào máy nghiền phụ gia sắt.

3.3. Chuẩn bị phối liệu

Phối liệu ngoài quătzit, phụ gia khoáng hóa còn sử dụng một lượng dinat phế phẩm

Mảnh dinat có tác dụng hạ thấp trọng lượng riêng, giảm độ nở của chúng khi nung, dẫn đến hạ thấp được ứng suất xuất hiện trong sản phẩm, làm giảm phế phẩm.

Nhưng mảnh dinat lại làm tăng độ xốp, dùng nhiều sẽ làm giảm độ chịu lửa, sản phẩm phức tạp có thể dùng mảnh đến 20-30% Đối với sản phẩm dinat đặc biệt như sản phẩm dùng xây vòm lò, lò điện nấu thép được sản xuất từ quătzit có chứa nhiều SiO2 và không có mảnh dinat.

Phối liệu phải có độ ẩm nhất định để đóng khuông cũng như trộn thật đều.

Có thể dùng máy trộn bánh xe và máy trộn hai trục, máy trộn bánh xe đảm bảo các tác dụng trộn nhưng nhược điểm có quá trình nghiền phụ làm thay đổi thành phần hạt của phối liệu, do đó thường dùng máy trộn hai trục có năng suất lớn và đảm bảo các yêu cầu cho kĩ thuật phối liệu

Mục đích: loại trừ nước lí học, tăg cường độ cơ học của sản phẩm.

Động lực sấy: tốt nhất là khói lò và không khí.

Lò sấy: tuynen, sấy phòng.

3.6. Nung Các quá trình xảy ra khi nung như sau

 Tác dụng giữa CaO và SiO2 tạo thành silicate canxi sẽ tác dụng với silicate sắt tạo thành dung dịc rắn Khi đạt đến nhiệt độ cao sẽ tạo thành chất lỏng nóng chảy giàu SiO2 Tridimite sẽ kết inh từ chất long nóng chảy này

 Quá trình biến đổi quătzit thành tridimite và cristobalite

 Dãn nở gạch dinate do biến đổi đa hình của quătzit

Cần phải duy trì môi trường khử yếu trong thời gian nâng nhiệt và lưu

CHƯƠNG 2

VẬT LIỆU CHỊU LỬA SAMÔT VLCL Samot là loại VLCL chứa Al2O3 30-40%, sản xuất từ đất sét và cao lanh chịu lửa cộng với phụ gia gầy samot (đất sét nung đến kết khối) Samot là sản phẩm nẳm trong họ alumosilicate

1. Giản đồ pha của hệ Al2O3 và SiO2

Note: chúng ta xét theo đường liền

Trong kí thuật sản xuất sản phẩm alumosilicate nói chung và sản phẩm VLCL Samot nối riêng thì, quan trọng nhất là giản đồ hệ hai cấu tử Al2O3-SiO2.

Tù giản đồ này ta xác dịnh được sự biến đổi thành phần pha và tính chất của chúng.

Qua biểu đồ ta có nhận xét:

 Trong giản đồ Al2O3-SiO2 chia làm hai khu vực, khu vực Al2O3 từ 15-45% (ứng vơi VLCL bán axit và Samot), tư 45%-100% ứng với VLCL cao alumin

 Đối với thành phần chứa Al2O3 từ 5.5-71.8% có 1 pha bền vững đến 1850 là mulite A3S2 (71.8%Al2O3 + 28.2%SiO2)

 Với Al2O3 >72% có 2 pha bền vũng hơn cả là mulit và corun

 Trong phạm vi thành phần có Al2O3 từ 72-78%, mulit tạo thành dung dịch rắn với Corun, pha lỏng chỉ xuất hiện ở 1850 và thành phần ứng với điểm nóng chảy là 79%Al2O3 + 21% SiO2

Kết luận:

 Nếu tăng hàm lượng Al2O3 ( bắt đàu từ VLCL bán axit) sẽ tăng nhiệ độ chịu lửa

và nhiệt độ mềm của các vật liệu chịu lửa alumosilicat Tuy nhiên tính chất của VLCL không chỉ phụ thuộc vào hàm lương Al2O3 mà còn nhiều nhân tố khác nữa.

 Nhìn chung lượng chất lỏng của VLCL bán axit tăng lên châm hơn so với samot, nên đường lỏng tương đối dốc hơn Trong thực tế sản xuất ngoài hai cấu tử chủ yếu

là Al2O3 và SiO2 còn có các tạp chất, chính các tạp chất này với hàm lượng 2-5% các oxt như : Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O… đã làm tăng lượng pha lỏng tạo thành và giảm các chỉ tiêu kĩ thuật của VLCL.

2. Nguyên liệu sản xuất VLCL samot

Là đất sét và cao lanh chịu lửa2.1. Nguồn gốc

Các tạp chất vô cơ làm hạ thấp độ chịu lửa trong đất sét và kaolin chịu lửa khôngquá 6-7%, đó là những tạp chất Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O… Ngoài ra còn có cáctạp chất hữa cơ khác như: than đá, than bùn, cây cối mục nát 10-15%

2.3. Độ phân tán của đất sét

Được đặc trưng bằng kích thước hạt của chúng, Độ phân tán có 1 giá trị lớn đểđánh giá độ dẻo, độ liên kết, độ kết khối và độ bẩn của đất sét,

Đất sét và cao lanh là những vật liệu phân tán rất mịn, trong đó thành phần hạt củađất sét có nhiều hạt nhỏ hơn so với cao lanh (<0,001mm) Điều đó giải thích vì sao đấtsét dẻo hơn cao lanh.

2.4. Độ dẻo và khả năng liên kết của các đất sét

Độ dẻo là tính chất quan trọng của đất sét Nhờ dẻo mà đất sét duy trì được hìnhdạng của nó, không có kẽ nứt khi ta tác dụng một lực không lớn lắm, duy trì được hìnhdạng của nó khi không còn lực tác dụng nữa Khi cho nước vào đất sét, đầu tiên độ dẻotăng lên đến giá trị max, sau đó hạ xuống do quá nhiều nước và chuyển sang dạng huyềnphù

Để xác định độ dẻo của đất sét 1 cách cụ thể ta dùng khái niệm"hạn dẻo", đó làhiệu số giữa độ ẩm của đất sét ở giới hạn dưới của độ lưu động và độ ẩm của giới hạn lănvê

2.5. Sự biến đổi của đất sét khi cho nước vào

Khi cho nước và đất sét khô tuyệt đối, có các hiện tượng hóa lí phức tạp xảy ra:

 Tỏa nhiệt

 Phồng đất sét2.6. Độ kết khối của đất sét

Được đặc trưng bằng các chỉ tiêu sau

 Mức độ đặc của sản phẩm: Đất sét sau khi nung sẽ sít đặc lại Khi nung quá đất sét sẽphồng lên trọng lượng thể tích giảm, độ hút nước có thể không tăng vì khi nung quá lửa

sẽ tạo pha thủy tinh, tạo thành các lỗ kín không cho nước thấm qua

 Nhiệt độ kết khối: Là nhiệt độ nung mà ở đó sản phẩm đạt độ sít đặc cao nhất

 Khoảng nhiệt độ kết khối: Là khoảng nhiệt độ sản phẩm tiến hành sít đặc nhanh, làkhoảng cách giữa nhiệt độ kết khối và nhiệt độ biến dạng (phồng mềm ).Nhiệt độ vàkhoảng kết khối của đất sét biểu thị bằng độ co khi nung

Độ kết khối của đất sét phụ thuộc vào lượng chất nóng chảy và độ phân tán củachất nóng chảy trong đất sét

2.7. Làm giàu đất sét và cao lanh

Mục đích : Loại trừ các tạp chất như sắt, cát, sỏi , trường thạch, mica…

Phương pháp : ướt, khô, điện từ hỗn hợp

3. Quá trình sản xuất VLCL samot

Gồm 5 giai đoạn:

 Chuẩn bị nguyên liệu: gồm 2 phần, chuẩn bị đất sét kết dính và chuẩn bịphụ gia gầy Sămôt

 Phối liệu

 Tạo hình

 Sấy

 Nung3.1. Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu

a. Chuẩn bị đất sét làm chất kết dính

Đất sét trong kho nhà máy thường có độ ẩm W=15-25% và kích thước lớn Thườngdùng máy sấy thùng quay cùng chiều để đạt W=7-8% Nhiệt độ khi vào sấy 600-800 0C,nhiệt độ khi ra 110-120 0C Đất sét trước khi vào bun ke dự trữ phải làm nguội để tránhhiện tượng ngưng tụ hơi nước trong lòng bun ke

Yêu cầu đất sét làm chất kết dính phải phân phối đều giữa các hạt Sămôt, nên saukhi làm nguội đất sét phải được nghiền mịn

b. Chuẩn bị phụ gia gầy samot

Phụ gia gầy Sămôt được sản xuất bằng cách nung đất sét và cao lanh đến nhiệt độkết khối (1200-1250 0C) Tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng Sămôt là độ hút nước Độhút nước ≥ 5% cho Sămôt thường và < 2% cho loại đặc biệt

3.2. Giai đoạn phối liệu

 Tỉ lệ : phụ gia gầy samot 50-80%, đất sét làm chất kết dính (50-20%)

 Độ ẩm phối liệu: phụ thuộc vào phương pháp tạo hình

Độ ẩm của viên mộc sau khi tạo hình tùy phương pháp sản xuất dao động khoảng5-20% vì vậy cần phải sấy để còn lại 1-3% trước khi vào lò nung

Ở Sămôt có độ xốp và sau đó các vết nứt giữa các hạt Sămôt và chất kết dính nênxúc tiến quá trình sấy nhanh, xúc tiến việc bốc hơi ẩm từ trong sản phẩm, chuyển hơi ẩm

ra ngoài làm nguy hiểm về chênh lệch độ ẩm giảm đi

3.5. Nung sản phẩm

Nung sản phẩm Sămôt nhằm làm kết khối, làm sít đặc sản phẩm đến mức cầnthiết đảm bảo độ ổn định thể tích khi sử dụng Giai đoạn nung là giai đoạn quyết đinhchất lượng sản phẩm nhất

Quá trình hóa lí xảy ra cơ bản khi nung samot

 Đến nhiệt độ 150-200 0C: Mất nước lí học

 Ở nhiệt độ 100-200 0C có hiệu ứng thu nhiệt nhung không biến đổi thể tích, không ảnhhưởng đến việc lựa chọn chế độ nung

 200-400 0C: Đốt cháy các hợp chất hữu cơ

 400-550 0C: Tách nước liên kết hóa học, co ngót nhẹ (0,5-1%) không gây ứng suất lớnlắm trong sản phẩm

 550-900 0C: Xảy ra biến đổi đồng đều về thể tích nhưng không lớn lắm

 920-940 0C : Có hiệu ứng tỏa nhiệt Có sự chuyển từ nhôm vô định hình sang g -Al2O3

 1000-1100 0C: bắt đầu quá trình kết tinh mullit và kết thúc ở 1200-1250 0C

 Nhiệt độ nu ng cuối cùng 1350-1380 0C: hoàn thành kết tinh mullit và liên kết chúngbằng thủy tinh vô định hình Chất thủy tinh khó nóng chảy chiếm gần 50% trọng lượng

 Quá trình làm nguội chỉ kèm theo co nhiệt

4. Tính chất và ứng dụng

4.1. Tính chất

 VLCL Sămôt là gạch chịu lửa trung tính và kiềm yếu nhiệt độ chịu lủa1610-1770 0C

Dựa vào độ chịu lửa chia làm 4 loại

 Loại O : nhiệt độ chịu lửa ≥ 1750 0C

 Loại A : nhiệt độ chịu lửa ≥ 1730 0C

 Loại B : nhiệt độ chịu lửa ≥ 1670 0C

 Loại C : nhiệt độ chịu lửa ≥ 1610 0C

 Độ bền nhiệt: Cao, dao động trong 1 khoảng lớn, phụ thuộc vào thành phần của phối liệu,phương pháp nén, cấu trúc sản phẩm

 Độ ổn định thể tích: Có độ co phụ khi nung ở nhiệt độ cao Nếu nhiệt độ nung quá cao,tường gạch Sămôt bị biến dạng

 Độ bền xỉ: cao Mức độ phụ thuộc vào cấu trúc hạt và độ sit đặc của sản phẩm

4.2. ứng dụng Rất rộng rãi Trong công nghiệp silicat: xây lò gốm sứ, lò nấu thủy tinh, lò nung

xi măng, lò khí hóa, các ghi đốt nhiên liệu

5. Các lọai sản phẩm samot khác

Việc lựa chọn nguyên liệu phụ thuộc vào tính chất và kĩ thuật của sản phẩm

1.1. Khoáng thuộc nhóm silimanit