VAT LIEU
KY THUAT NHIET LANH
THU VIEN ĐH NHA TRANG
INIA
Trang 3LOI NOI DAU
Ki thuật nhiệt uò kĩ thuật lạnh là ngành khoa học nghiên cứu, thiết ké, chế tạo uò ứng dụng các hệ thống cung cấp nhiệt, các thiết bị sấy, các thiết bị trao đổi nhiệt, các loại lò công nghiệp, lò hơi, các thiết bị biến đổi năng lượng nhiệt, các loại máy uò thiết bị lạnh, các máy uà hệ thống thông gió, lọc bụi điêu hồ khơng khí
Tuổi thọ, độ tin cậy, giá uận hành, hiệu quả bình tế của thiết bi nhiét va lạnh phụ thuộc rất nhiều uào uật liệu chế tạo uà vat liệu phụ Máy uà thiết bị sản xuất trong nước có tuổi thọ, độ tin cậy va hiéu qua kinh té chua cao vi chưa bảo đảm được các yêu cầu vé vat liéu Mdy va thiét bi nhaép ngoai bị xuống cấp nhanh chóng cũng do sử dung vat liệu khéng diing trong qua trinh van hanh, bảo dưỡng trung đại tu 0à trong uiệc sản xuất các chỉ tết thay thế:
Bởi uậy, uiệc sử dụng đúng uật liệu chế tạo, uật liệu thay thế, uột liệu phụ (dâu lạnh, chất hút ổm trong hệ thống lạnh chẳng hạn) là rất quan trọng
Giáo trình “Vật liệu kĩ thuật nhiệt uò kĩ thuật lạnh” nhằm trang bị cho sinh uiên những kiến thúc cơ bản uê các loại uột liệu thường dùng trong ngành Giáo trình gồm 3 phần
Phan I: Vat liệu kĩ thuật nhiệt gôm uật liệu chịu lửa, uột liệu cách nhiệt, uữa uà bê tông chịu lửa, uật liệu kưm loại (do TS Vũ Diễm Hương biên soạn)
Phần II: Vật liệu kĩ thuật lạnh bao gồm uật liệu kim loại uà phi kim loại chế tạo máy uà thiết bị lạnh, uật liệu cách nhiệt lạnh,
cdc chat hit Gm va dau bôi trơn (do PGS TS Nguyễn Đức Lợi biên
soan)
Trang 4
Giáo trình dùng cho sinh uiên ngành Máy lạnh uò Thiết bị ` nhiệt nhưng cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các ngành liên quan như nhiệt điện, cơ khí, hoá chất, luyén kim, may thực phẩm u.u
Chúng tôi xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp, đặc biệt GVC-KS Lương Văn Đề uề các ý hiến đóng góp quý báu Chúng tôi xin chân thùnh cám ơn các ý kiến đóng góp xây dựng nhằm hoàn thiện cuốn sách Các ý biến xin gửi uê: Viện KHCN Nhiệt lạnh hoặc NXB Bách Khoa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Trang 5PHAN I
VAT LIEU KY THUAT NHIET
Chuong 1
VAT LIEU CHIU LUA
1.1 MỞ ĐẦU VÀ PHAN LOẠI
Công nghiệp vật liệu chịu lửa là công nghiệp sản xuất các sản phẩm dùng ở nhiệt độ cao Vật liệu chịu lửa được dùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như luyện kim, hoá chất, nhiệt điện sành, sứ, thủy tinh, sản xuất xi măng v.v Các vật liệu chịu lửa nhằm giới hạn không gian trong đó tiến hành quá trình công nghệ và giảm mất mát nhiệt của lò Trong quá trình vận hành thiết bị người ta tìm mọi cách để tăng chất lượng gạch chịu lửa, kéo đài thời gian sử dụng gạch trong lò, góp phần tăng năng suất thiết bị, hạ thấp tiêu tốn nhiệt, tăng chất
lượng và hạ giá thành sản phẩm :
Ngày nay để đáp ứng các đòi hỏi của tiến bộ kỹ thuật nhiều loại vật liệu mới đã ra đời, đó là các vật liệu siêu cao cấp dùng trong kĩ thuật máy bay siêu âm, tên lửa hiện đại, các vật liệu trong lò phản ứng hạt nhân, trong các con tàu vũ trụ v.V
Vật liệu chịu lửa được phân loại theo nhiều dấu hiệu khác nhau: L) Theo bản chất hoá lí của nguyên liệu ban đầu vật liệu chịu lửa
được chia thành 9 nhóm: silic, alumôsilicat, manhêdi, forstenit, spinen,
Trang 62) Theo độ chịu lửa vật liệu chịu lửa được chia thành 3 loại: — Loại chịu lửa thường: độ chịu lửa từ 1580 đến 1770 — Loại cao lửa: độ chịu lửa từ 1770 đến 2000°C — Loại rất cao: độ chịu lửa trên 2000°C
3) Theo hình dạng và kích thước, gồm các loại: loại thường khối hình hộp, gạch di hình, loại khối lớn
4) Theo phương pháp tạo hình có sản phẩm nén dẻo, nén bán khô, sản phẩm đúc từ hồ và chất nóng chảy
5) Theo dac tinh gia cong nhiệt: ‹ có sản n phẩm chịu lửa loại nung va loai khong nung - ¬—
6) Theo đặc tính xốp chia sản nhắm ra loại đặc, loại thường và loại nhẹ Để lựa chọn và sử dụng gạch chịu lửa một cách đúng đắn và có hiệu quả cần phải biết những tính chất quan trọng của vat liệu chịu lửa và điều kiện sử dụng chúng
1.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CHỊU LỬA
_ Vật liệu chịu lửa là một loại vật liệu chịu được nhiệt độ cao hơn 1000°C trong một thời gian dài và không bị biến dạng khi có tải trọng
cơ học
1.2 1 TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA VẬT LIỆU CHỊU LỬA
1 Đặc tính cấu trúc của vật liệu chịu lửa
Đặc tính cấu trúc của sản phẩm chịu lửa có ảnh hưởng quyết định đến mọi tính chất của nó
Xét về mặt cấu trúc, vật liệu chịu lửa là một tổng thể có kết hợp và sắp xếp xen kẽ lẫn nhau của ba pha: tinh thể, thủy tính (vô định
hình) và khí (lỗ xốp)
Trang 7pha và cấu trúc nhiễu xạ rơnghen, bằng kính hiển vi phân cực, kính hiển vi điện tử và phương pháp phân tích thạch học
2 Mật độ và cường độ ở nhiệt độ thường
a) Độ xốp: để tiện phân biệt và đánh giá độ xốp trong sản phẩm người ta chia các loại lỗ xốp ra 3 nhóm sau (hình 1—1) - Lỗ xốp kín, nằm z trong lòng sản phẩm, không cho các chất lỏng và khí thấm qua _ 3; ~ Lỗ xốp hở, nằm trên bề mặt sản phẩm, chứa đầy chất lỏng hay khí nhưng 7 không cho chúng thấm qua sản phẩm \ \ — L6 x6p dang kénh,
Hinh 1-1 Các dạng lỗ xốp trong sản phẩm chịu lửa
là loại lỗ hở hai đầu cho Ld xốp kín, chất lỏng và khí thấm qua 2 Lỗ xốp hở, sản phẩm dé dang 3 Lỗ xốp đạng kênh
Khả năng thấm khí (hay lỏng) của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và số lượng của dạng lỗ xốp dạng kênh và chênh lệch áp suất của khí (hay lỏng) ở hai đầu lỗ Độ xốp được đánh giá bằng một thông số đặc trưng sau đây:
— Mật độ thực (khối lượng riêng p;) g/cm’, 1a khối lượng, của lcm” vật liệu không có lỗ xốp 4
— Mật độ biểu kiến (khối lượng fiêng biểu kién p,) g/cm’, là khối lượng của 1cm' vật liệu kể cả lỗ xốp
~ Độ xốp thực Wt, % là tỉ số của thể tích các lỗ xốp (cả lỗ hở và
lỗ kín) với thể tích vật liệu
— Độ xốp hở hay biểu kiến Wụ,, % là tỉ số thể tích của các lỗ hở chứa đầy nước khi đun sôi với thể tích của vật liệu
Trang 8W, = W,- Wu, Nếu vật liệu bão hoà nước thì độ xốp biểu kiến được xác định bằng công thức: W,, = a 100%
— Kh6i lugng mau kh tuyet đổi”:
az- Khối lượng mẫu trên được bão hoà nước, g; V — Thể tích mẫu, cm3 z“ ~Độ hút nước là tỉ lệ giữa lượng nước hấp thụ với khối lượng của mẫu khô A241 100% V B=
b) Độ thẩm khí k: độ thẩm khí của san phẩm chịu lửa phụ thuộc vào lượng lỗ xốp hở của chúng
Độ thẩm khí là khả năng cho không khí hay khói lò qua sản phẩm ở điều kiện nào đó Độ thẩm khí đặc trưng bằng hệ số thẩm khí k, đơn vị của nó được rút ra từ biểu thức sau: (P, — P2).F.7 1 V — thể tích khí đi qua mẫu, lít; E - diện tích khí thẩm qua, mỶ; V=k
1 — chiều dày mẫu, m;
7 — thời gian không khí (khói lò) qua sản phẩm, h; pl —p2 chênh lệch áp suất ở hai đầu mẫu, mm H,0
lit.m lit
mỶ.h mmH,O ˆ ~ m.h mmH,O
Hệ số thẩm khí là lượng khí tính bằng lít đi qua mẫu có diện tích 1m’, có chiều dày 1m, trong thời gian l giờ khi chênh lệch áp suất là Imm H/0
Trang 9
Độ thẩm khí còn phụ thuộc vào nhiệt độ vì nhiệt độ ảnh hưởng đến
độ nhớt của khí Nếu tăng nhiệt độ, độ nhớt 77 tăng, độ thẩm khí giảm Quan hệ giữa độ thẩm khí và độ nhớt của chúng như sau:
k, ~ 7N ko,
Ngoài ra, độ thẩm khí còn phụ thuộc phương pháp sản xuất gạch Độ thẩm khí của sản phẩm nén bán khô nhỏ hơn 10 — 30 lần so với sản phẩm nén dẻo
c) Cường độ nén: cường độ nén của sản phẩm ở nhiệt độ thường phụ thuộc vào thành phẩm sản phẩm, thành phần phối liệu, điều kiện nén và nhiệt độ nung Qua chỉ tiêu cường độ nén có thể đánh giá chất lượng sản phẩm nhanh và đơn giản, cũng như đánh -giá cả quá trình kĩ thuật sản xuất Đa số gạch chịu lửa có cường độ
nén lớn hơn 25N/mmi
Để xác định cường độ chịu nén theo phương pháp tiêu chuẩn người ta xác định cường độ của mẫu lập phương có cạnh từ 40 — 100mm Cường độ nén của đa số gạch chịu lửa tăng khi nhiệt độ tăng và đạt đến trị số cực đại ở 1000 — 1100°C Tiếp tục tăng nhiệt độ; cường độ nén hạ thấp rất nhiều Nguyên nhân của sự biến đổi này là do ở nhiệt độ đó xuất hiện biến dạng dẻo
d) Cường độ chịu kéo, uốn xoắn: trong quá trình sử dụng gạch chịu lửa sẽ xuất hiện các loại ứng suất khác nhau như ứng suất kéo, ứng suất uốn, ứng suất trượt Để đánh giá cường độ chịu kéo, uốn, xoắn lí tưởng nhất là xác định ở nhiệt độ làm việc của chúng, vì thế ít khi người ta xác định chúng và cũng không có phương pháp tiêu chuẩn nào để xác định các cường độ này
Có thể nói rằng cường độ chịu uốn khoảng 2-3 lần nhỏ hơn và cường độ chịu nén khoảng 5~10 lần nhỏ hơn cường độ chịu nén
3 Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt độ
Trang 10
qua tường, vòm lò Độ dẫn nhiệt anh hưởng đến độ bền nhiệt của sản phẩm vì độ dẫn nhiệt cùng với nhiệt dẫn nở là nguyên nhân gây ứng suất trong vật liệu 10 A(WH”) v ; 500 1% )
Trang 11Độ d n nhiệt của các vật liệu chịu lửa thường tăng khi nhiệt độ tăng (đinát, samốt ) Tuy nhiên cũng có loại vật liệu chịu lửa pha tinh thể nhiễu, tạp chất ít, khi tăng nhiệt độ hệ số đ n nhiệt giảm (manhêdi, cácbonrun, corun); điều đó được chỉ ra trên hình 1-2
Nếu tăng độ xốp, độ d n nhiệt giảm Nếu tăng kích thước lỗ xốp khi các điều kiện khác như nhau, ở nhiệt độ cao độ d n nhiệt tang lên rất nhiều
Đa số vật liệu chịu lửa đều là loại d n nhiệt kém Độ d n nhiệt của samốt, đinat khoảng 50+100 lần, nhỏ hơn độ d_n nhiệt của kim loại
b) Nhiệt dung riêng: nhiệt dung riêng của gạch chịu lửa thường được biểu thị bằng nhiệt dung riêng đẳng áp C; Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ với mức độ chính xác đạt yêu cầu được biểu thị bằng phương trình thực nghiệm sau: Cp=C, + at + bt?+ va nhiét dung riéng trung binh ¬ t ab C=C,|o=Cạ+ a! tạ + trong dé C,, a, b — là các hệ số thực nghiệm
Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng trung bình vào nhiệt độ của một số vật liệu chịu lửa như hình 1-3
©) Độ dẫn nhiệt độ: độ d_n nhiệt độ đặc trưng cho tốc độ thay đổi nhiệt độ trong vật thể, cho quá trình truyền nhiệt và được đặc trưng bởi hệ số d n nhiệt độ a
À
a=
- Cp)
Hệ số d n nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến độ bên nhiệt nên nó là một trong những hệ số cơ bản để đánh giá độ bền nhiệt của gạch chịu lửa
, m’/s
Trang 1213 T T MANHE D1 hé T So 4 — uy 2/447 —= _— "` 72 “cu Š GY ra SAMOT › „ L2 pat Ie Cedi? a _ +7 |2/AKØX a6 2 42 800 - f200 OC)
Hinh 1-3 Su phu thudc cia nhiét dung riéng trung binh vào nhiệt độ của một số sản phẩm chịu lửa
d) Độ dẫn điện: nói chung các vật liệu chịu lửa ở nhiệt độ thấp đều là chất điện môi rất tốt Nếu đốt nóng, khả năng d n điện tăng lên, ở 800 — 1000°C nó trở thành vật d n điện
— Tính chất điện của vật liệu chịu lửa được quyết định bởi bản chất của sản phẩm và lượng tạp chất chứa trong chúng — Giữa điện trở R của vật liệu chịu lửa và nhiệt độ có sự phụ thuộc sau:
A IgR=—+B
T
A, B- hằng số ứng với mỗi loại vật liệu
Đặc trưng tính chất của vật liệu chịu lửa là điện trở của chúng đo bằng Ocm Đa số vật liệu chịu lửa ở 1000°C điện trở dao động trong khoảng 10+10° Ocm, ở 1500°C hạ xuống còn 10Ocm
Trang 14
1.2.2 TINH CHAT SUDUNG CUA VAT LIEU CHIU LUA 1 Độ chịu lửa
Độ chịu lửa của vật liệu là khả năng chống lại tác dụng của nhiệt độ cao không bị nóng chảy
Độ chịu lửa là một trong những tính chất cơ bản để xác định khả năng sử dụng của vật liệu chịu lửa ở điều kiện nhiệt độ xác định, phụ thuộc vào thành phần hoá học và sự tồn tại của tạp chất
Để xác định độ chịu lửa của vật liệu người ta đùng côn tiêu chuẩn Côn này là một khối chóp cụt, hai đáy là hai tam giac đều có các cạnh 8mm va 2mm cao, 30mm đặt thẳng góc trên một cái đế Vật liệu làm côn phải được nghiền nhỏ lọt qua sàng 900 lỗ/cm? Lò để xác định độ chịu lửa cần có nhiệt độ đồng đều trong toàn thể tích (thường dùng lò điện Criptôn) Tốc đ#nâng nhiệt như sau:
dén 1000°C: 25 K/h ;
1000 — 1500°C: 10 K/h; > 1500°C: 5 K/h
Trang 15Để xác định nhiệt độ gục của côn không phải đo trực tiếp bằng hỏa kế quang học mà người ta so sánh với nhiệt độ gục của côn tiêu chuẩn khác đã được xác định độ chịu lửa trước Các nhân tố ảnh hưởng đến độ chịu lửa là thành phần hóa học, thành phần khoáng, thành phần hạt, tốc độ nâng nhiệt độ trong lò, hình dạng kích thước mẫu thí nghiệm, môi trường thí nghiệm v.v
2 Độ bền nhiệt
Khả năng của vật liệu chịu lửa chống lại sự dao động nhiệt độ không bị phá huỷ gọi là độ bền nhiệt
Nguyên nhân dẫn đến nứt vỡ sản phẩm do dao động nhiệt độ là các ứng suất xuất hiện trong sản phẩm do chênh lệch nhiệt độ khi đốt nóng và “làm nguội Khi đốt nóng không đều sẽ xuất hiện ứng suất trượt giữa các lớp vật liệu do dãn nở nhiệt không đều giữa các lớp Khi làm nguội, lớp bề mặt bị co lại, vật liệu chịu lửa sẽ có ứng suất kéo và xuất hiện kế nứt ở
các mặt thẳng góc với bề mặt làm nguội
Khả năng của vật liệu chịu lửa chống lại các ứng suất xuất hiện bên trong sản phẩm phụ thuộc vào tính chất cơ học và tính chất đàn hồi của nó Tính chất đàn hồi của vật liệu đặc trưng bằng môđun kéo và môđun trượt Môdun kéo E đối với vật liệu giòn biểu thị như sau:
E= o N/mm? E
6: cudng dé kéo cuc dai, N/mm’; ø: độ kéo dài tương đối cực đại, % Môdun trượt G bằng:
G= J N/mm? D
T: cudng dé truot cuc dai, N/mm’; v: bién d6 truot tuong d6i cuc dai, %
Tóm lại, nếu ta kí hiệu độ bền nhiệt là B, thì B sẽ lần lượt phụ thuộc các nhân tố sau: _
" Ae _ 26 _ œ cap cơpE
Trang 16
Tuy nhiên độ bền nhiệt B ở trên chưa phản ánh đầy đủ điều kiện đốt nóng và làm nguội, cũng như sự ảnh hưởng của hình dạng kích thước sản phẩm đến độ bền nhiệt Vì thế hiện nay người ta đề nghị đặc trưng độ bền nhiệt của sản phẩm theo gradien nhiệt độ cho phép đối với vật liệu chịu lửa cần xác định Đại lượng này phụ thuộc các yếu tố sau:
— Nhiệt cản của vật liệu R, đặc trưng sự liên hệ giữa tính chất của nó với hệ số nhiệt dẫn nở a
R=Ê-= _6_ (khi làm nguội); a ae
- R=-~=—”— (khi đốt nóng) œ
~ Điều kiện đốt nóng và làm nguội K, hệ số K này phụ thuộc vào đạng truyền nhiệt hay Hấp thụ nhiệt |
— Hình dạng và kích thước sản phẩm S ảnh hưởng rất nhiều đến độ bền nhiệt Sản phẩm càng nhỏ càng bền nhiệt, càng lớn càng dễ vỡ
Để xác định độ bên nhiệt người ta dùng gạch chuẩn đốt nóng một đầu trong lò điện đến độ 1300°C hoặc 850°C Sau đó nhúng vào dòng nước ở 20°C sâu 5cm để làm lạnh (cũng có thể dùng phương pháp làm nguội bằng không kh? Tiếp tục đốt nóng và làm nguội như trên đến khi mất 20% khối lượng ban đầu Số lần đốt nóng và làm nguội như vậy gọi
là độ bền nhiệt
3 Độ bền cơ học
Một tính chất quan trọng của vật liệu chịu lửa là khả năng chống lại đồng thời tác dụng của nhiệt độ và tải trọng cơ học Tính chất này đặc trưng bằng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 0,2 N/mmˆ, biểu thị khoảng mềm khi đó sản phẩm sẽ bị biến dạng dẻo `
Trang 17và đồng thời chịu tác động của tải trọng cơ học Chỉ tiêu này phản ánh khả năng sử dụng đúng đắn hơn độ chịu lửa trong điều kiện cụ thể của
lò công nghiệp ,
Để xác định nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng, người ta cắt sản phẩm thành hình trụ có đường kính 36mm, cao 50mm Mẫu này đặt trong lò điện Criptôn và luôn chịu tải trọng không đổi 0,2N!mm? Cạnh lò có một hệ thống cơ học tự ghi sự biến dạng của sản phẩm Tốc độ nâng nhiệt độ đến 8O0°C từ 4:5 K/phút Quá trình xác định sẽ tìm được ba nhiệt độ: bất đầu biến mềm (kí hiệu là B.Đ), ứng với độ lún 0.3mm; nhiệt độ biến dạng (hay lún) 4% và nhiệt độ phá hủy hay biến dang 40% so với chiều cao ban đầu (50mm) Ví dự: biénmém 4% _—_ 40% Gạch Samốt A 1400°C 1470°C 1600°C Gạch Samốt B 1250°C 1320°C 1500°C Đường cong biến dạng của một số vật liệu chịu lửa ở hình 1-5 7 #4⁄/ BL % SG i ? MEG LAC + 12 2Ø 1300 /0/0 1500 /602 we, _ 1000 © Sw thay de
Hinh 1-5 Dudng cong bién dang cia mot số vật liệu chịu lửa
1 Samốt B; 2 Bán axít ; 3 Samốt A; 4 Manhédi; 5 Đinát; 6 Cao Alumin (70% AI,O;)
Trang 18
Nhiệt độ biến dạng của vật liệu chịu lửa phụ thuộc vào thành phần khoáng hoá, vào đặc tính cấu trúc cũng như tỉ lệ giữa lượng pha tỉnh thể và pha thuỷ tinh (vô định hình), vào độ nhớt của pha lỏng tạo ra khi nóng chảy, pha thuỷ tinh và pha tỉnh thể dễ chảy và vào phần hạt của sản phẩm
4 Tính ổn định thể tích ở nhiệt độ cao
Vật liệu chịu lửa khi dùng thường phải chịu tác dụng ở nhiệt độ cao và lâu hơn nhiệt độ nung thành sản phẩm của chúng Vì vậy sẽ có sự biến
đổi thành phần pha, tái kết tinh và kết khối phụ trong sản phẩm Do đó
sản phẩm sẽ bị co phụ hay nở phụ và hiện tượng đó làm sản phẩm biến
đổi không thuận nghịch kích thước dài của chúng
Phần lớn sản phẩm chịu lửa ở nhiệt độ cao sẽ xít chặt lại do kết khối, làm co sản phẩm Sự xít chặt này lại xảy ra do sự căng bề mặt của pha long tao ra, gây nên hiện tượng phân phối lại và làm gần các hạt trong sản phẩm lại Khi duy trì lâu dài ở nhiệt độ cao, pha tinh thể chủ yếu tiếp tục kết tỉnh, tinh thể lớn dần và làm xít đặc sản phẩm Hiện tượng co phụ sẽ làm xuất hiện kế nứt giữa mạch vữa và các viên gạch, làm bong vữa và dẫn đến hạ thấp độ bên xỉ, độ bền nhiệt của vật liệu chịu lửa Tường và vòm lò sẽ bị lún xuống dần dân sẽ phá hủy chúng (sức co phụ quá lớn sẽ làm vòm lò võng và tụt gạch xuống)
Một số vật liệu chịu lửa khác lại có hiện tượng nở phụ do tái kết tinh tạo thành những tỉnh thể có khối lượng riêng nhỏ hơn khối lượng
riêng của tỉnh thể ban đâu, điển hình là đinát Nếu hiện tượng nở phụ
không lớn lắm sẽ làm tăng cường độ của lớp lót đặc biệt là vòm lò Nếu dãn nở quá nhiều thì vòm lò bị phồng lên, mất hình dạng hình học và phá hoại sự phân phối ứng suất đồng đều ở vòm lò có thể gây nên tụt vòm lò
Vì vậy tính ổn định thể tích của vật liệu chịu lửa ở nhiệt độ cao cùng với độ bền cơ học của chúng là điều kiện cần thiết để đảm bảo sử dụng chúng trong những cấu trúc chịu tải trọng của các loại lò và các
buồng đốt ni
Trang 19khi chúng đã được nung lâu ở nhiệt độ cao thích hợp (nhiệt độ làm việc sau này) Nhưng nung sản phẩm ở nhiệt độ quá cao lại không tốt do sản phẩm bị thủy tinh hoá, biến dạng, giảm độ bền nhiệt của chúng, tăng phế phẩm do sai kích thước và hình dạng
Giảm sức co phụ của sản phẩm có thể bằng cách cho thêm các phụ gia dan nở ví dụ, cho quắc vào phối liệu sản xuất gạch samốt để bù trừ sức co phụ của đất sét
Xác định sức co phụ (nở phụ) của sản phẩm người ta nung lại sản phẩm ở nhiệt độ xác định (samốt 1250 + 1450°C; đi nát: 1450°C) Nhiệt độ và thời gian thí nghiệm phụ thuộc vào đặc tính sử dụng chúng, thường thường nung khoảng 2 +3 giờ
Xác đinh sự biến đổi thể tích như sau: AV= Vi = Vo 100% 0 Sự co đài: Al = AV 3
G day V,, V;; thé tich sản phẩm trước và sau khi nung Nếu co phụ dùng dấu (—), nếu nở phụ dùng dấu (+)
5 Độ bền xỉ
Trong lò công nghiệp ở nhiệt độ cao vật liệu chịu lửa thường tiếp
xúc với môi trường lỏng, môi trường khí và cả môi trường rắn nữa
Môi trường lỏng tiếp xúc với gạch như xỉ nóng chảy, kim loại nóng chảy, thủy tinh lỏng, tro xỉ, nhiên liệu chảy lỏng ở ghi đốt hay ở lò khí
hố v.v _
Mơi trường khí phá hoại sản phẩm thường là sản phẩm cháy, nhiên liệu khí, khí CO trong lò cao, khí cácbuahyđro trong lò cốc hoá v.v Các khí này thấm sâu vào các lỗ của gạch phá hoại chúng hoặc hạ thấp cường độ của chúng
Môi trường rắn tác dụng với gạch chịu lửa như bụi quặng, bụi
phối liệu, bụi xỉ hoặc xỉ rắn hoặc khi tiếp xúc giữa hai loại vật liệu
chịu lửa với nhau
Trang 20
XỈ phá hoại gạch chịu lửa có hai dạng: ăn mòn và xâm thực Ăn mòn là quá trình phá hoại gạch chịu lửa do tác dụng hoá học giữa xi - với vật liệu chịu lửa Kết quả là một phần sản phẩm chuyển sang xỉ
lỏng, hoà tan trong xỉ lỏng làm thay đổi thành phần của nó
Hiện tượng xâm thực là quá trình thứ hai, nó kéo các hạt rắn trong gạch theo dòng xỉ lỏng Đầu tiên xỉ lỏng thấm sâu vào bên trong gạch, hoà tan các chất liên kết của hạt rắn, rồi các hạt rắn sẽ bị lở ra, trôi theo dòng xỉ mặc dù các hạt rấn này hoà tan rong xỉ long rất ít, rất chậm (tương tự hiện tượng xói mòn)
Cả hai hiện tượng trên đều tiến hành đồng thời, làm sản phẩm bị ăn mòn, bị phá hoại dần Ở bề mặt tiếp xúc với môi trường ăn mòn, gạch chịu lửa trở nên mẻm, kém bền vững hơn nên càng bị bào mòn bởi các dòng khí, dòng bụi hay khi va đập bởi phối liệu
Xỉ ăn mòn và xâm thực gạch chịu lửa phụ thuộc vào các yếu tố sau: — Nhiệt độ tác dụng giữa xỉ với gạch, gradien nhiệt độ về hướng xỉ
thấm sâu vào gạch, -
— Thanh phan hod hoc va thanh phan khoáng của xỉ, của gạch; — Độ nhớt của xỉ ở nhiệt độ tác dụng phá hoại;
~ Cấu trúc của vật liệu chịu lửa, kích thước lỗ xốp; — Thanh phần môi trường khí;
~ Tốc độ tác dụng của xỉ nóng chảy với gạch chịu lửa Cụ thể như sau:
+ Nếu tăng nhiệt độ, tác dụng phá hoại gạch chịu lửa do xỉ và gạch tăng lên rất nhiều, do tốc độ phản ứng giữa xỉ và gạch tăng lên, độ nhớt của xỉ giảm
Cũng như vật liệu chịu lửa, xỉ chia làm ba loại: xi bazo, xi axit va xỈ trung tính Gạch axít chống xỉ axít tốt hơn xỉ bazơ và ngược lại Gạch trung tính chống được đồng thời cả hai loại xi:
+ Độ nhớt của môi trường lỏng càng nhỏ, tốc độ hoa tan càng tang, xi lỏng càng dễ thấm sâu vào các lỗ của gạch, càng phá hoại sâu bên trong gạch
Trang 21+ Độ bền xỉ tăng nếu giảm độ xốp, giảm kích thước lỗ xốp
+ Xi có độ thấm ướt càng cao, càng có khả năng bám vào gạch, càng tăng mức độ phá hoại gạch
Đề xác định độ bề xỉ người ta dùng viên gạch có I lỗ hình trụ đường kính từ 25+50mm, cao từ 20+40mm, thành và đẩy của phần còn lại trên viên gạđh phải dày hơn 30mm Dùng xỉ nghiền mịn (kích thước nhỏ hơn 0,5mm) dé day hình trụ đó và nung ở 1400+1500°C trong 2:3 giờ Xác định tổn thất trọng lượng và thể tích mẫu
6 Dãn nở nhiệt
Các vật liệu chịu lửa khi đốt nóng thường bị giãn nở, sau khi làm nguội nó lại trở về thể tích ban đầu Sự dãn nở do đốt nóng này khác _ với hiện tượng dãn nở phụ do sự biến đổi thành phần pha và cấu tạo
của sản phẩm
Ứng suất xuất hiện trong sản phẩm khi đốt nóng hay làm nguội nhanh phụ thuộc vào độ dãn nở nhiệt Vì vậy dãn nở nhiệt ảnh hưởng rất nhiều đến độ bên nhiệt của sản phẩm Dãn nở nhiệt chỉ phụ thuộc vào thành phần khoáng hoá của sản phẩm và vào nhiệt độ
Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu đặc trưng bởi các chỉ tiêu sau: L,-L a) Hé sé dan nd nhiét trung binh: =, = —+—~; 1/K L,, (t-t,) 2x 3 tr 1 dL b) Hệ số dãn nở nhiệt thực: Œ=———~ L dt am Eta ws L,-L, c) Hé s6 dan né nhiét tuong doi: = @ = —7 100% to
L„ — chiều dài mẫu ở 0°C hay ở nhiệt độ trong phòng, m; L, - chiều dài mẫu ở nhiệt độ đo, m;
so biến đổi chiều dài theo nhiệt độ
Trang 22
Sự phụ thuộc của hệ số dãn nở nhiệt phần trăm vào nhiệt độ của một số vật liệu chịu lửa như hình 1- 6 25 + 20 - 2+ „ AK 27 7 Yt 6 Sa % at SAE ar es ở os [se L2 = Bs 227 ^ 2 - g 900 G00 1200 1600 4c)
Hình 1-6 Sy phu thuéc cua hé s6 dan nở nhiệt ø vào nhiệt độ 1 Manhédi; 2 Dinat: 3 Cr6m—manhédi;
4 Corun; Crômit; 5: Samốt; 6 Mulit;
7 Silimanit; 8 Cácbít silich SiC
-Đại lượng dãn nở nhiệt phần trăm còn có thể tích bằng: đ„„ t 100% Ví dụ, samốt có œ„ = 4,5 10”, dãn nở nhiệt độ ở 800°C bằng 4,5.10 800 100% = 0,36% 4.3 CÁC LOẠI VẬT LIỆU CHỊU LỬA 1.3.1 VẬT LIỆU SILIC
Vật liệu silic có hàm lượng SiO; không nhỏ hơn 93% được gọi là đinát Đinát là loại gạch chịu lửa axít Đặc tính đặc biệt của đinát là độ chịu lửa gần nhiệt độ nóng chảy của chúng
Trang 231 Cơ sở hoá lí
a) Sự biến đổi thù hình của ô@r silic: nguyên liệu chủ yếu để sản xuất đinat là các quặng quắc Cấu tử chủ yếu tạo thành quắc là ôxyt sific ở dạng tỉnh thể hay đạng vô định hình Ơxytsilic SiO2 khơng ngậm nước có 8 dạng thù hình: (ø, /) quắc; (œ, Ø, ? tridimit; (a, Ø) cristôbalit và thủy tỉnh quắc Dạng ổn định ở nhiệt độ cao nhất kí hiệu là ø, sau đó đến 8 tôi đến 7 18 , r” x Cristebat? 16 a guac we 14 fT | “ [rai mit i 10 ỳ x oe / ( 2Ø ⁄ a6 ef a4 | Pp ⁄ TỶ | | vy 1 | 92 bt † | | a i ‡ 717 !47|762+272 JZ2 #(*£) 0 202 400 600 G00 Av (%) 3? 92 2 282
Hình 1—7 Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nở nhiệt ø của các dang thi hình của SiO2 vào nhiệt độ
Trang 24
Phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên là / quắc / quac là dạng ổn định
ở nhiệt độ thường, / đốt nóng đến 573°C nó sẽ biến thành œ quắc, a quac
Không tồn tại trong thiên nhiên vì phạm vi ổn định của chúng nằm trong khoảng 573 - 870°C `Ở nhiệt độ 870°z quắc chuyển rất chậm thành @ triđimit, khi đốt nhanh đến nhiệt độ lớn hơn 1600°C sẽ được silic nóng chảy Không gặp ø triđimit trong thiên nhiên vì phạm vi tồn tại của nó ở 870 - 1470°C, khi lam nguội, nó sẽ biến thành / triđimit rồi biến thành 7 triđimit Ở 1470°C và cao hơn nó chuyển chậm thành ø cristôbalit Nếu đốt nóng nhanh đến nhiệt độ cao hơn 1670°C, ø triđimit chuyển thành thuy tinh quac, tridimit chi là dạng trung gian do sự biến đổi rất nhanh của ø triđimit Phạm vi tồn tại của chúng từ 117-163°C À triđimit được tạo thành do sự biến đổi rất nhanh của / triđimit ở nhiệt độ 1179, nó thường gặp ở các quặng núi lửa trong dạng hình tấm 6 góc
Ø cristobalit tạo thành khi đốt nóng ø triđimit đến nhiệt độ cao hơn 1470°C và nó sẽ ổn định đến 1713°C Ở 1713°C ø cristobalit chuyển thành thủy tính quắc Khi làm nguội, œ cristobalit chuyển sang /Ø cristobalit là trạng thái không ổn định ở nhiệt độ từ 180 - 270°C
Thủy tỉnh quắc là một dạng của SiO; khi đốt nóng đến nhiệt độ cao sẽ được chất nóng chảy Silic nóng chảy này khi làm nguội không có dạng tỉnh thể mà nó ở trạng thái thủy tỉnh nên gọi là thủy tinh quắc
Trang 25Các mũi tên nằm ngang chỉ chiêu hướng biến đổi (sự biến đổi này tiến hành chậm) và chỉ thuận nghịch trong điêu kiện đặc biệt Các mũi tên dọc chỉ sự biến đổi nhanh khi đốt nóng và làm nguội Điểm quan trong trong ki thuật khi biến đổi đa hình của SiO, là sự biến đổi khối lượng riêng và thể tích của chúng khi biến đổi thù hình Không ổn định thể tích là nguyên nhân chính làm sản phẩm có độ bên nhiệt thấp 4 - Độ
bền nhiệt càng thấp khi sự biến đổi thù hình càng nhanh, thể tích thay đổi càng nhiều Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ số dãn nở nhiệt vào sự thay đổi thể tích của các dạng thù hình SiO; ở hình 1-7
_b) Quá trình hoá lí trong sản xuất đinat: thực nghiệm cho thấy rằng trong tất cả các dạng thù hình của ôxyt silic SiO;, triđimii là tỉnh thể bên vững và ổn định nhất Do đó trong sản xuất sản phẩm đinát phải làm thế nào tạo ra nhiều triđimit nhất Sự biến đổi từ quác sang triđimit rất khó khăn phải có mặt chất khoáng hoá thì sự biến đổi này mới nhanh được Các chất khoáng hoá có thể là CaO, MgO, MnO, BaO, FeO, Fe,O,, ALO; v.v Mặt khác dé qué trinh tridimit hoá tiến hành tốt nhất, pha lỏng cần có độ thấm ướt tốt Với mục đích đó người ta cho phụ gia sắt và mangan vào phối liệu sản xuất đinát
2 Nguyên vật liệu
Đinát được sản xuất từ các nguyên liệu chứa nhiều SiO; như cát quac, sa thach, quaczit va quac Cat quac là sản phẩm phân hủy của quặng núi chứa quắc như đá hoa cương do tác dụng của khí quyển, gió và sự biến đổi nhiệt độ Cát quắc qua nhiều thế kỷ được thấm ướt bằng nước có chứa các tạp chất rất mịn như đất sét, vôi, thạch cao Các tạp chất này liên kết các hạt lại tạo thành quặng rấn hơn gọi là sa thạch $a thạch xít đặc gọi là qudaczit Con quắc thường gặp trong đạng mạch
nhỏ, ở các lớp quaczit tinh thé 3 Kĩ thuật sản xuất đinát Đinát được sản xuất theo sƠ đồ sau:
Phần chuẩn bị phối liệu có hai công đoạn: chudn bi quaczit là cấu tử chủ yếu và chuẩn bị sữa vôi, sắt keo là chất khoáng kết dính
Trang 26a) Chuan bi qudaczit: dé sản phẩm đồng nhất và có tính chất xác định phải đập rồi nghiền mịn quắczít Thành phần hạt có giá trị quyết định lên quá trình chuyển hoá của quắc, lên mật độ sản phẩm, độ tả của ching khi nung và khi dùng vì vậy phải tìm thành phần hạt đảm bảo cấu trúc của
sản phẩm sau khi nung thật chặt chẽ, hạn chế độ nở khi nung, sau khi
nung có khối lượng riêng nhỏ và ít tả khi dùng Thành phân hạt được đặc trưng bằng hệ số hại Hệ số hạt là tỉ lệ giữa phần trăm hạt nhỏ hơn 0,088m và hạt lớn hơn 0,54mm % hạt < 0,88mm % hạt > 0,54mm SƠ ĐỒ SẢN XUẤT ĐINÁT Kho quaczit Kho vôi Kho quặng sắt Ỷ mm Nung ———>Nghiền mịn Đập ¬ Boongke + +
hiên ———— Thùng vôi tôi
Trang 27Nếu tăng hệ số hạt thì giảm hiện tượng tả và tăng độ xốp của sản phẩm Cỡ hạt tốt nhất là: hạt lớn nhất z 3mm, hạt 0,5mm ¥ 55+65%, hat 0,088mm: 30 + 40%
b) Chuẩn bị phụ gia khoáng hoá
* Voi: Chất khoáng hoá trong sản xuất đinát là vôi ở dạng sữa Mục đích dùng vôi sữa là để tăng tính chất đóng khuôn của phối liệu, phân phối đều phụ gia, liên kết các hạt quaczit đã nghiền nhỏ, làm các viên bán thành phẩm có cường độ trước và sau khi sấy, xúc tiến chuyển hoá quắc trong quá trình nung Muốn có sữa vôi phải nung vôi và tơi VƠI
theo phản ứng sau:
CaCO; —> Cao + CO,Ÿ - Q (CaO 1a voi song )
CaO + H,O = Ca(OH), +Q (tôi vôi)
*Phụ gia sắt: thường dùng sắt hai (FeO) để hạ thấp nhiệt độ tạo thành chất nóng chảy Thường dùng vảy sắt, xi nấu thép, mẫu pirít đã cháy Độ hạt của chúng bằng 0,2mm Để đảm bảo độ ẩm của phối liệu, phụ gia chứa sắt được nghiền mịn trong máy nghiền bị không dùng nước mà dùng vôi sữa Sau đó dung dịch vôi sắt được khuấy liên tục để tránh lắng và tăng độ đồng nhất
*Keo kết dính: tác dụng của keo làm quá trình liên kết trong khi nén phối liệu dễ dàng, tăng cường độ viên mộc trước và sau khi sấy Thường dùng keo SSB là nước thải của kĩ nghệ giấy Để sản xuất dinat dùng 0,5-0,8% phụ gia SSB nằm ở dạng dung dịch
c) Chuẩn bị phối liệu: phối liệu là hỗn hợp của các cấu tử quắcZit, ⁄4
chất khống hố, vơi, sắt, phụ gia keo kết dính Các cấu tử của phối liệu đảm bảo có độ ẩm để đóng khuôn và phải trộn đều Độ ẩm của phối liệu do sữa vôi sắt đem vào và dao động trong khoảng 4+6% tuỳ loại máy nén Phối liệu được trộn trong máy trộn quả lăn
d) Tạo hình, đóng khuôn sản phẩm: sản phẩm đinát được tạo hình bằng phương pháp bán khô Phối liệu nén đổ vào khuôn và được nén dưới áp suất 15N/mn”
e) Sấy sẳn phẩm: mục đích sấy sản phẩm là loại trừ nước ra khỏi sản phẩm, kết tỉnh hydoxytcanxi, tăng cường độ cơ học của sản phẩm
27
Trang 28
Nhiệt độ sấy cao hon 1000C Sau khi sấy độ ẩm con lai 1+1,5% cudng độ
viên mộc khi đó tăng lên 3::5 N/mni
Sấy trong lò Tuynen, lò buồng, thời gian sấy từ 4-16 giờ tùy loại sản
phẩm
8) Nung sản phẩm: Khi nung đinat sẽ xảy ra các quá trình kĩ thuật sau:
-Tác dụng giữa CaO và SiO, để tạo ra SiHicat canxi Sillicát canxi này tạo với sillicát sắt thành dung dịch rắn Khi đạt đến nhiệt độ cao chúng tạo thành chất nóng chảy giàu SiO;, từ chất nóng chảy này kết tinh tinh thể triđimit, khi làm nguội chất nóng chảy này đông lại thành thủy tinh
— Biến đổi thù hình của quac thanh tridimit va cristobalit — Dãn nở gạch đinát do biến đổi thù hình của quắc — Biến đổi cường độ cơ học của đinát
Nhiệt độ nung cao nhất 1460°C Tốc độ nung: từ nhiệt độ thường đến 1200°C: 20+25°C/h; Từ 1200:1350°C: 10°Cƒh; 1350+1460°C: 3+5°C/h Duy trì ở nhiệt độ cực đại khoảng 40h
Thời gian nung: lò Tuynen 70:85h; lò buồng đốt khí loại nhỏ: 135+215h, lò buồng lớn 270-360h
~ Lầm nguội đinát: từ nhiệt độ cao đến 400+350°C làm nguội nhanh (có thể dùng quạt) Từ 300° trở xuống phải làm nguội chậm do có sự biến đổi thù hình của đinát Thời gian làm nguội: lò Tuynen: 50+60h; lò buồng nhỏ 136+215h, lò buồng lớn: 180+240h
4 Tính chất của đinát
Đặc tính đặc biệt của đinát là khi đốt nóng chúng nở ra (khác với samốt khi đốt nóng chúng co phụ), nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng cao Đinát rất bền vững với xỉ axít, độ dẫn nhiệt cao hơn gạch samốt nhưng độ bền nhiệt lại kém gạch samốt
a) Thành phân hoá học và tính chất lí học: đinát sử dụng ở lồ Máctanh, lò thủy tinh, lò cốc, lò điện nấu thép Tuỳ theo nơi sử dụng nó có yêu cầu về tính chất lí học và thành phần hoá học tương ứng
(bảng 1-2)
Trang 29Bang 1-2 THANH PHAN HOA HOC VA TINH CHAT Li HOC CUA DINAT
Đinát để lót lò Máctanh Đinát Dinat | Đinát Cac Loại đặc | Loail | Loai ll lót lò xây lò | xây lò
chỉ tiêu biệt điện nấu cốc nấu thủy thép tinh % SiO, 4| 945 94,5 93 96 94 93 % Al;O; >| 15 _ - 1,5 - - % CaO + 2.8 ~ - 2 - 3,5 -| Độ chịu lửa 4| 1710 | 1710°C | 171C | 1720C 1700°C | 1710°C Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới 3 tải trọng 0.2 N/mm? °C 4| 1660 1650 1620 1650 1650 - Độ xốp biểu kién % >} 23 23 25 22 23 22 Khối lượng riêng, 2,36, 2,38 2,40 2.34 2,37 2,38 g/cm’
Gạch đinát nhiéu silic mat độ cao để lót vòm lò Máctanh có hàm lượng SiO;: 97,5:98%, độ chịu lửa: 1735°C; độ xốp biểu kiến: 11+13%, cường độ chịu nén: 60°+100 N/mm’, khối lượng riêng: 2,34+2,38 g/cm’, độ thẩm khí 0,028+0,044
b) Biến đổi thể tích khi thay đổi nhiệt độ: Khi đốt nóng hay làm
nguội đinát bị biến đổi thể tích do đãn nở nhiệt và biến đổi thù hình
Trang 30
1300+1400°C: dãn nở 0,2 + 0,5% do sự biến đổi của quác chưa chuyển hoá thành triđimit và cristobalit Dãn nở của đinát tổng cộng đến
1450°C (tuỳ mức độ chuyển hoá) có thể từ 1,4 +2%
Khi làm nguội thể tích của đinát giảm ít từ 1400 — 250°C, nhưng từ 250°+-50°C thể tích giảm nhiều hơn do sự biến đổi của cristobalit
c) Độ bền nhiệt: độ bên nhiệt của đinát khi đốt nóng đến 850°C sau đó làm nguội trong nước không quá 2+3 lần Sở dĩ thấp như vậy do sự biến đổi của cristobalit ở nhiệt độ thấp làm thay đổi thể tích đột ngột Độ bền nhiệt phụ thuộc vào hệ số nở dài, thành phần khoáng, độ dẫn nhiệt, cường độ và môđdun đàn hồi khi kéo và trượt Độ dẫn nhiệt - và cường độ nén lại phụ thuộc vào mật độ hay độ xốp của gạch đinát Khi độ xốp trong khoảng 18 +43%, ở nhiệt độ trung bình 650°C ta có sự phụ thuộc sau:
1 = 3,48.c 0°, W/mK
(W là độ xốp, À: Hệ số dẫn nhiệt)
d) Dé bén xỉ: đinát là vật liệu chịu lửa axít Ơxyt sắt, vơi và các kim loại khác tác dụng với silic trong đinát thành silicat dễ nóng chảy
Có trường hợp như trong lò nung vôi gián đoạn, ở nhiệt độ 1 100 + 1150°C vôi và đinát tác dụng với nhau tạo thành silicatđicanxi, khi làm nguội, tường lò bị phá hoại mặc dù không có mặt pha lông, hoặc trong lò Máctanh các bụi nóng chảy có chứa Fe, MgO, CaO, MnO tác dụng với tường lò Bụi phối liệu chứa kiểm phá hoại gạch đinát như trong lò thủy tinh Mức độ xỉ thấm sâu vào trong lò viên gạch để phá hoại gạch xác định bằng phương trình: 2 GCOSỠ an
x— chiéu sau xi thdm vao gach, m; ở— Sức căng bề mat cla chat long, N/m;
6 - góc thấm ướt của xỉ lỏng; ? — độ nhớt của chat long, Ns/m?;
Trang 317—thdi gian tham, s; r — bán kính lỗ xốp, m
Để giảm x phải giảm độ xốp, giảm kích thước lỗ xốp của sản phẩm Ở nhiệt độ 1500°C đinát không tác dụng với đa số gạch chịu lửa như
crom-manhédi, cao alumin, crômit, forstenit mà chỉ phản ứng ít với manhêdi và samôt
Ở nhiệt độ 1600 + 1650°C đinát tác dụng mạnh với samot, manhédi va crom-manhédi
Đinát đặc biệt bên vững đối với gạch crômit và cao alumin ngay cả ở nhiệt độ cao tới 1670°C Lợi dụng tính chất đó có thể xây gạch đinát với hai loại gạch này ở vòm lò Máctanh hoặc xây lớp gạch ngăn cách giữa gạch đinát với những gạch phản ứng với chúng bằng gạch crômit và cao alumin
5 Sử dụng gạch dinat
Người ta phân biệt ba loại đinát dùng trong lò cốc hoá, lò luyện kim và lò thuỷ tỉnh tuỳ theo tính chất của chúng
Theo hình dạng có hai loại, loại thường và loại dị hình Loại dị hình đơn giản thường dùng trong lò luyện kim, loại dị hình phức tạp dùng trong lò cốc và lò thuỷ tỉnh Như trong lò cốc dùng tới 250+260 loại đinát có kích thước và hình dạng khác nhau Xây lò cốc bằng gạch đinát tốt hơn nhiều nếu xây bằng gạch samốt vì đinát còn có tác dụng thúc đẩy quá trình cốc hóa Đinát cũng hay được dùng để xây nóc, cũng như tường và vòm ở phần dưới lò Mác tanh, xây tường và nóc lò điện nấu thép loại nhỏ theo quá trình axít, xây lò phản xạ v.V
Gạch đinát sử dụng rộng rãi làm vòm lò vì nó không bị co khi dùng và độ dãn nở của đinát đủ làm chặt các mạch xây, làm vòm lò vững chắc
hơn, độ thẩm khí giảm đi nhiều
Ngoài ra đinát còn được sử dụng để xây lò nồi và phần trên của lò bể nấu thuỷ tỉnh, làm đệm trong lò gió nóng, xây buồng hồi nhiệt, lồ
nung Vôi, lò Tuynen v.v
Trang 326 Cac loai dinat khac
4) Đinát nhiều silic mật độ cao: do yêu cầu sử dụng trong các lò nấu thép, để tăng chất lượng đinát chống lại tác dụng của xỉ sắt, giảm độ xốp, khắc phục hiện tượng tả ở nhiệt độ cao người ta sản xuất ra sản phẩm nhiều silic mật độ cao ;
Gạch đinát mật độ cao chứa SiO,= 97+98%; Fe,O,= 0,7+1,2%; CaO = 0,3+1,5% Độ chịu lửa 1720°C, nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải
trọng (B Ð) là 1640+1660°C, khối lượng riêng trung bình là 2,35 g/cm',
độ xốp biểu kiến 12+13%, cường độ nén 60+70N/mm?, độ thẩm khí 0,03+ 0,06, dan no nhiệt ở 700°C là 0,3-+0,4%
Đinát mật độ cao dùng lót lò luyện kim màu và lò Máctanh bền
gấp 1,5+2 lần so với loại thường Gạch đinát có độ thẩm khí nhỏ nên
dùng lót lò cốc hoá rất tốt Tuy nhiên, xây gạch đinát ở lò Máctanh không tốt bằng dùng gạch manhêdi-crôm
b) Dindt-crém: dé nang cao do bén xi, người ta sản xuất gach dinat- crôm bằng cách cho vào phối liệu một ít crômít (khoảng 30%) Cho Cr;O; vào làm độ chịu lửa và độ bên xỉ tăng vì crômít làm giảm khả năng thấm các chất nóng chảy silicat vào các lỗ của gạch
Đinát - crôm rất bên nhiệt (độ bền nhiệt đối với không khí ở 900°C > 20; đối với nước > 10), khả năng chống xỉ ăn mòn cao hơn đinát thường Đinát ~ crôm thay thế được samốt, đinát để xây cổ lò, trần ngăn - lò cốc hoá, tường và vòm lò khác làm việc ở 1450-1500°C, lót trong các xe goòng của lò nung Tuynen Đặc biệt dùng rất tốt làm đệm buồng hồi nhiệt (khí và không khí) của lò Máctanh có thể nung nóng đến 1350°C
€) Đinái-cácborun: để tăng độ bền nhiệt của đinát người ta cho phụ gia cácborun vào phối liệu (20+30%) Đinát-cácborun giảm độ giãn nở nhiệt tăng độ bền khi trượt, tăng độ dẫn nhiệt, cường độ chống bào mòn Cao
Đinát-cácborun có nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 1580+1600°C, độ xốp 24%, cường do nén 31 N/mm”, độ bền nhiệt 50 lần (với không khi) và 25 lần (với nước), độ bào mòn nhỏ hơn 2,5 lần so với đinát
thường
Trang 33Đinát - cacborun dùng rất tốt để xây lò cốc, đáy, tường, trần ngăn ở bộ phận hồi nhiệt của lò này
1.3.2 SAN PHAM HO ALUMINNOSILICAT
Tùy hàm lượng ôxyt nhôm trong sản phẩm mà họ này chia làm
ba loại:
- Bán axit: Al,O,+ TiO, < 30% — Samét: AIB,O,+ TiO, < 30 +45%
~ Cao alumin: Al,O,+TiO, > 45%
1 Samốt
Samốt là loại vật liệu chịu lửa phổ biến nhất, chiếm đến 70% tổng số vật liệu chịu lửa Sản xuất samốt từ đất sét hoặc cao lanh chịu lửa Đất sét chịu lửa là các mảnh vỡ của quặng trầm tích, nó là các loại hyđtô aluminosilicat phân tán rất cao Hợp với nước chúng cho ta một khối thể dẻo, duy trì được hình dáng sau khi sấy và có cường độ như đá sau khi nung Khoáng chủ yếu trong cao lanh là caolinit (ALO; 2SiO, 2H,O)
4) Kĩ thuât sản xuất: phối liệu để sản xuất samốt gồm hai phan: — Chất kết dính là đất sét hoặc cao lanh chịu lửa;
— Chat làm gầy là samốt (đất sét hoặc cao lanh đã nung đến kết khối)
* Chuẩn bị phối liệu: giai đoạn này gồm hai công đoạn: chuẩn bị đất sét kết dính và chuẩn bị phụ gia gầy samốt
Chuẩn bị đất sét làm chất kết dính: yêu cầu chất kết dính phải phân phối đều giữa các hạt samốt, do đó phải nghiền mịn đến cỡ hạt yêu cầu (< 1,5 + 2mm) Đất sét từ kho qua máy thái rồi sấy trong máy sấy thùng quay với nhiệt độ tác nhân sấy 600+800°C trong thời gian 20+30 phút
Chuẩn bị chất làm gây samốt: sản xuất chất làm gây samốt bằng cách nung đất sét hay cho cao lanh đến nhiệt độ kết khối (làm xít đặc sản phẩm) Chuẩn số để đánh giá chất lượng samốt là độ hút nước của nó không quá 5%, loại đặc biệt < 2% Nung đất sét thành samốt trong lò quay, lò đứng đốt khí, lò vòng, lò gián đoạn Samốt sau khi nung rồi
Trang 34
nghiền nhỏ, kích thước hat I6n nhat: 3+4mm, hat nhé hon 0,5mm gan 40+45% Thành phần hạt samốt có ảnh hưởng rất nhiều đến cường độ, mật độ, độ bền xỉ, độ bền nhiệt của sản phẩm sau này Nhiệt độ nung thành samốt I300 1500°C
*Tạo hình: đã chuẩn bị đây đủ samốt, đất sét kết dính thì tiến hành phối liệu, trộn và làm ẩm, đóng khuôn tạo hình sản phẩm bằng phương pháp dẻo hoặc phương pháp bán khô Hiện nay phương pháp bán khô hay dùng hơn cả Nén bán khô đảm bảo sản phẩm có chất lượng cao, kích thước ổn định, cấu tạo đồng nhất, độ bên nhiệt cao Độ ẩm tương đối của, phối liệu khi vào máy nén 8-9%, Nén phối liệu ở áp suất từ 20N/mn? trở lên - SƠ ĐỒ SẢN XUẤT GẠCH SAMỐT NEN BAN KHÔ: Đất sét kết dính Samốt Ỷ + Dap nho Dap nho Ỷ Ỷ Say (thùng quay) Nghiền Ỷ 4 Nghién Sang Ỷ > Định lượng L Lam ẩm và trộn phối liệu Nén bán khô (tạo hình) Ỷ Say + Nung 1 Phân loại -
Ưu điểm của phương pháp nén bán khô: độ co nhỏ (2%) nên đảm bảo kích thước hình dạng chính xác, cường độ sản phẩm cao, độ bền nhiệt lớn, biến đổi thể tích khi nung nhỏ Đặc biệt phương pháp bán khô dùng rộng rãi với sản phẩm nhiều samốt
Trang 35Sản phẩm nhiều samốt: là sản phẩm có chứa đại bộ phận là samốt, đất sét kết dính chỉ chiếm 10+20% Phối liệu của sản phẩm nhiều samốt phải dùng đất sét thật mịn để tạo trên mặt samốt một màng mỏng Do đó một phần đất sét cho vào phối liệu dưới dạng huyền phù Độ ẩm của phối liệu 5+6% Để tăng độ liên kết và cường độ viên mộc thêm 0,5 keo SSB (theo khối lượng khô) Samốt phải dùng loại kết khối hoàn toàn Sau khi trộn phối liệu, nén tạo hình ở áp suất 6080 N/mn
Sản phẩm nhiều samốt có độ ẩm nhỏ, sức co nhỏ, chính xác về hình dạng, kích thước, cường độ sản phẩm cao, nhưng giá thành cao hơn gạch samốt tới 20+25%
* Sấy sản phẩm: độ ẩm của viên mộc sau khi nén tùy theo phương pháp nén có thể từ 520%, cần sấy đến độ ẩm 1+3% trước khi đưa vào lò nung Sấy trong lò Tuynen, giai đoạn đầu sản phẩm co nhiều nên tốc độ sấy chậm, sau nhanh dần - Tác nhân sấy tốt nhất là không khí nóng và khói lò ở nhiệt độ 180+250°C trong thời gian khoản 12 giờ
*Nung sản phẩm: nung sản phẩm bằng kết khối, làm xít đặc đến mức độ cần thiết đảm bảo sản phẩm ổn định thể tích khi dùng, cường độ sản phẩm tăng Giai đoạn nung là giai đoạn quyết định nhất Nhiệt độ nung quá cao, sản phẩm có cường độ cao, mật độ lớn và bị mềm, bị biến dạng, nứt nẻ do ứng suất lớn xuất hiện khi nung Nhiệt độ nung sản phẩm thường cao hơn nhiệt độ kết khối hoàn toàn đất sét kết dính 100+150°C (ở 1200+1250°C quá trình kết khối của đất sét cơ bản hoàn thành) Nung sản phẩm trong lò vòng, lò Tuynen Thời gian nung từ 40+120 giờ tùy loại lò
Quá trình làm nguội samốt chỉ kèm theo sự co nhiệt, sự biến đổi thể tích pha do biến đổi thù hình trong samốt không có Tốc độ làm nguội 60+70°C/h
b) Các loại sản phẩm samốt khác
* Sản phẩm samốt cao lanh: dùng cao lanh làm nguyên liệu ban đầu đã tăng hàm lượng Al,O;, đến 42+45% và giảm được tổng số các chất
nóng chảy từ 5+6% xuống còn 2,5+3% Kĩ thuật sản xuất samốt cao lanh
Trang 36
cũng như kĩ thuật sản xuất samốt chỉ khác là nguyên liệu tinh khiết hơn, nhiệt độ nung thành và sản phẩm cao hơn
Samốt cao lanh chia làm hai loại:
— Loại O độ chịu lửa không nhỏ hơn 1750°C; — Loại A độ chịu lửa không nhỏ hơn 17309
Tính chất đặc biệt của nguyên liệu cao lanh là: nhiệt độ kết khối cao, độ phân tán kém, độ liên kết tồi, nhiệt độ kết khối của cao lanh cao (1450+1500°C) nên phải nung samốt và sản phẩm ở nhiệt độ cao
Sản phẩm samốt cao lanh có độ chịu lửa 1750+1780°C, nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng cao hơn samốt, có độ bền nhiệt cao, hàm lượng kiểm ít, tạp chất nóng chảy ít nên lượng thuỷ tỉnh ít Mặc dù kĩ
thuật sản xuất có phức tạp hơn, nhiệt độ nung có cao hơn, giá nguyên
liệu đắt hơn nhưng nó được bù đắp bằng các tính chất của nó cao hơn nhiều so với samốt thường
Tính chất của samốt cao lanh và samốt thường được thể hiện ở bang 1-3 Bang 1-3 TÍNH CHẤT CỦA SAMỐT CAO LANH VÀ SAMỐT THƯỜNG
Loại sản 2 |„ ¡2 | Nhiệtđộ ‘0 Độ chịu hme tạp |Nhiệt độ biến dạng € 2 `
phẩm 2 | nung °C lita °C chay Bất đầu | 40% Samốt cao lanh | 40 + 44 | 1450 + 1500 | 1750 + 1770 | 2,5+3 1500 | 1650 "Samốt đất sét | 3§ + 40 | 1350 + 1420 | 1710+ 1750 | 5+6 1400 | 1600
*Sản phẩm bán axít: sản phẩm bán axít là sản phẩm sản xuất từ đất sét bán axít cao lạnh làm gầy bằng vật liệu quắc, chứa Al,O, + TiO, không quá 30% Vật liệu quắc có thể dùng nguyên liệu thiên nhiên hoặc nhân tạo Tùy nguyên liệu sử dụng sẽ có sản phẩm quắc cao lanh hoặc: quắc đất sét Quắc cao lanh có độ chịu lửa không thấp hơn 1710°C chứa
gần 70% S10, (25% ALO,), dd x6p cao (hon 25%) va độ bền không cao
Trang 37Trong sản phẩm bán axít các hạt quắc nhỏ có ảnh hưởng tới đặc tinh kết khối của sản phẩm khi nung Ở nhiệt độ thấp (đến 1200°C) nó làm sản phẩm tả, xốp do sự dãn nở từ /SiO; sang ø SiO, và có thể bắt đầu chuyển thành cristobalit Ở nhiệt độ cao hơn 1300-+1350°C sản phẩm kết khối và xít đặc lại Sự dãn nở của quắc ở nhiệt độ thấp sẽ được bù trừ bằng độ co của đất sét kết khối do đó thể tích ổn định
Nhiệt độ bắt đầu biến dạng cao và thể tích ổn định đó là hai ưu điểm lớn của sản phẩm bán axít nên nó được dùng nhiều hơn cả gạch samốt loại C Gạch bán axít thường xây ở tường lò cốc hoá làm việc Ở
nhiệt độ thấp
Sản phẩm bán axít với chất làm gày là quắc thiên nhiên dễ kiếm, rẻ hơn samốt, có thể thay thế cho gạch samốt C Phương pháp sản xuất giống như sản xuất gạch samốt C Phương pháp sản xuất -giống như sản xuất gạch samốt chỉ khác ở mức độ làm gầy phối liệu (tốt nhất là cho vào 10+20% samốt)
€) Tính chất và ứng dung
* Độ chịu lửa: độ chịu lửa của samốt, samốt cao lanh, ban axit dao động trong khoảng 1580+1700°C tuỳ theo thành phần hoá học và thành phần pha của sản phẩm
Sản phẩm samốt theo độ chịu lửa chia làm bốn loại: — Loại đặc biệt: độ chịu lửa 1750+1770°C;
~ Samốt A: độ chịu lửa không nhỏ hơn 1730°C, ~ Samốt B: độ chịu lửa không nhỏ hơn 1670°C; ~ Samốt C: độ chịu lửa không nhỏ hơn 1610°C;
*Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng: các nhân tố kĩ thuật ảnh hưởng chủ yếu lên nhiệt độ bắt đầu biến dang (B.D) và nhiệt độ biến dạng 40% Nhân tố nào đảm bảo cấu trúc của vật liệu đặc hơn, bên vững hơn thi sé tang B.D va tăng một ít nhiệt độ biến dang hoàn toàn 40% Tăng nhiệt độ biến dạng cũng có thể khi các điều kiện khác như nhau thay phương pháp nén dẻo bằng phương pháp bán khô Sản phẩm nung ở nhiệt độ dưới nhiệt độ kết khối, đất sét kết dính do còn co phụ nên hạ thấp nhiệt d6 B.D
Trang 38- Sản phẩm samét thudng nhiét do bat dau bién dang: 1250+1400°C nhiệt độ biến dạng 40%: 1500 1600°C Samét cao lanh, B.D: 1450+1550°C, kết thúc biến dạng ở 1600+1650°C
_ Ban axit: nhiét d6 B.D cao hơn một ít so với samốt nhưng nhiệt độ
biến dạng hoàn toàn lại thấp hơn samét (1450+1500°C)
* Ổn định thể tích: gạch samốt dùng lâu trong lò nung, khi dùng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nung chúng sẽ làm sản phẩm có độ co phụ Nếu nhiệt độ nung quá cao tường gạch samốt sẽ biến dạng, cường độ cơ học của chúng kém đi Đại lượng co phụ phụ thuộc chủ yếu vào thành phần phối liệu sản xuất và nhiệt độ nung Độ co phụ nhỏ nhất của sản phẩm dưới tải trọng khi độ chịu lửa và độ xốp như nhau là sản phẩm từ phối liệu dẻo co lớn nhất - phối liệu bán khô nhiều samốt, phối liệu samốt thường nén bán khô nằm trung gian
Sản phẩm bán axit khi dùng có sức co nhỏ hơn so với samốt và có một vài loại lại nở Muốn có sản phẩm bán axit thể tích ổn định thì phải lựa chọn lượng và kích thước hạt quắc trong phối liệu Đó là ưu điểm lớn của sản phẩm bán axít so với gạch samốt
*Độ bền nhiệt: sản phẩm samốt nói chung có độ bền nhiệt cao, đó là loại điển hình cho gạch chịu lửa họ aluminôsilicat Tuy nhiên độ bền nhiệt của sản phẩm này dao động trong một khoảng lớn tùy thuộc vào thành phần phối liệu, phương pháp nén, tạo hình, cấu trúc của sản phẩm Độ bền nhiệt phụ thuộc vào phương pháp sản xuất như sản phẩm tạo hình bằng phương pháp dẻo có độ bền nhiệt 6+12, tạo hình bằng phương pháp bán khô: 7:50 (đốt nóng đến 1300°C làm nguội bằng nước)
Nếu tăng hàm lượng samốt lên, độ bên nhiệt tăng Ví dụ, sản phẩm có tỉ lệ samốt đất sét như sau:
Từ 40/60 đến 60/40 độ bền nhiệt: 1015 90/10 độ bền nhiệt 150
Trang 39(độ bền nhiệt ứng với 850°C và làm nguội bằng nước) Độ bền nhiệt của sản phẩm samốt không còn phụ thuộc vào độ xốp của sản phẩm mà phụ thuộc vào nhiệt nung chúng
* Độ bền xỉ: quyết định nhất với độ bên xỉ của sản phẩm samốt, bán axít là cấu trúc hạt và mật độ của chúng Sản phẩm có lỗ, khe hở kẽ nứt lớn làm xỉ thấm vào, ăn mòn nhanh Ngược lại loại nào cấu trúc hạt nhỏ, đặc có độ bên xỉ lớn Ngoài ra độ bên xỉ còn phụ thuộc vào lượng lỗ xốp trong sản phẩm Tất cả những nhân tố kĩ thuật nào làm hạ thấp độ xốp của sản phẩm đều làm tăng độ bền xỉ của chúng
Thành phần hoá học của sản phẩm khi AI;O; từ 30+40% không ảnh hưởng đến độ bền xỉ Khi Al,O; > 40% độ bền xỉ tăng Gạch bán axít có độ bền xỉ cao đối với xỉ axít và kém với xỉ bazic
* Tiêu chuẩn gạch samối và bán axíf: tính chất cơ lí của sản phẩm samốt trình bày trong bang 1- 4
Bang 1-4
TINH CHAT CO Li CUA SAN PHAM SAMOT
Trang 40Bang 1-5 TINH CHAT CO Li CUA SAN PHAM BAN AXIT Các chỉ tiêu Loại A Loại B Loại C Độ chịu lửa °C + 1710 1670 1610 Co và nở phụ, % + 0,5 - 0,5 1,0 Ở nhiệt độ 1400 1350 1250 Nhiệt độ B.Đ, °C <4 1400 1300 — Cường độ chịu nén, N/ƒmm? < 10,0 15,0 10,0
* Ứng dụng: samốt có độ bên nhiệt cao, độ chịu lửa đạt yêu cầu, độ bền xỉ lớn nhất là nguyên liệu sản xuất đễ kiếm nên nó là loại gạch dùng nhiều nhất về số lượng cũng như phạm vi sử dụng
Trong sản xuất gang samốt dùng để xây lò cao (đáy lò, cổ lò), lò gió nóng, thùng đổ gang Trong luyện thép samốt dùng để xây một số tường lò làm việc ở nhiệt độ cao lắm và các bộ phận của lò Máctanh
Trong công nghiệp silicát dùng để xây lò nung đồ gốm, đổ sành sứ, lò nấu thuỷ tỉnh, lò nung xi măng, lò khí hoá, các buồng đốt v.v
Ngoài ra samốt còn dùng xây lò luyện cốc, các lò luyện kim màu, nồi hơi v.v
Theo thành phân hoá học samốt là loại sản phẩm trung tính và kiểm yếu do đó cho phép ta dùng xây lò tiếp xúc với xỈ axít hoặc xỉ bazơ Thực tế, samốt chống sự tác dụng của xỉ axít rất tốt nhưng chống sự tác dụng của bazơ kém hơn
Gạch samốt A, dùng ở chỗ tiếp xúc trực tiếp với kim loại, xỉ, thủy tinh chảy lỏng, khi cần độ thẩm khí nhỏ như những dãy đầu của lò
cao, thùng đúc thép, lò quay, lò khí hoá, hàng chân của vòm lò, tường tháp chưng luyện và lò múp
Gạch samốt B, có thể dùng khi lò tiếp xúc trực tiếp với kim loại,
xỉ, thủy tỉnh chảy lỏng, những bộ phận tường lò không làm việc vi du: dãy thứ hai, thứ ba của lò cao, lò đứng, lò khí hoá, buồng đốt than củi V.V