Đề tài quan tâm đến các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như hàm lượng, cỡ hạt của α-Al 2 O 3 đem dùng, hàm lượng quăc, hàm lượng đất sét và hàm lượng tràng thạch sử dụng trong b
Trang 1NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT SỨ CÁCH ĐIỆN CAO THẾ VỚI
HÀM LƯỢNG α-Al 2 O 3 CAO CÓ ĐỘ BỀN CƠ HỌC CAO
AN INVESTIGATION INTO THE PRODUCTION OF HIGH STRENGTH ALUMINA PORCELAIN FOR HIGH VOLTAGE INSULATORS
Nguyễn Văn Dũng
Ttrường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Đề tài quan tâm đến việc sản xuất sứ với hàm lượng α-Al 2 O 3 cao có độ bền cơ học cao, dùng làm sứ cách điện cao thế, làm hũ nghiền α-Al 2 O 3 được cho thêm vào phối liệu với hàm lượng tối ưu mà không làm thay đổi công nghệ sản xuất gốm truyền thống Đề tài quan tâm đến các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như hàm lượng, cỡ hạt của α-Al 2 O 3
đem dùng, hàm lượng quăc, hàm lượng đất sét và hàm lượng tràng thạch sử dụng trong bài phối liệu Một số bài phối liệu tốt đã được nghiên cứu, đánh giá độ bền cơ và một số tính chất khác để có thể ứng dụng vào sản xuất
ABSTRACT
This article deals with the production of high strength alumina porcelain used for high voltage insulators and drum mill bodies α-Al 2 O 3 is used with an optimal content, and the production process is similar to that of a traditional one In this paper, the content and size distribution of α-Al 2 O 3 and the content of quartz, clay and feldspar in mixture compositions are investigated to show their effects on the quality of porcelain products Some batches, which have been evaluated on their bending strength and other properties, can be applied to such a production
1 Phần giới thiệu
Vật liệu sứ có độ bền cơ cao đang là một nhu cầu cần thiết trong công nghiệp hiện nay, nó được dùng làm các sản phẩm chịu mài mòn, chịu va đập mạnh như bi nghiền, hũ nghiền, làm các chi tiết bằng sứ trong các thiết bị khác nhau, làm vật liệu cách điện cao thế v.v
Đề tài của chúng tôi trước mắt nghiên cứu sứ có độ bền cơ cao làm vật liệu cách điện cao thế ứng dụng trong mạng lưới truyền dẫn điện, máy điện và khí cụ điện
Chúng tôi cho thêm vào bài phối liệu sứ cổ điển α-Al2O3 với hàm lượng nhỏ hơn 40% [1] để không làm thay đổi công nghệ sản xuất Sứ giàu α-Al2O3 đã được chứng minh là có độ bền cơ học cao và có nhiều tính chất ưu việt hơn sứ giàu mullite hay giàu quarzt [2,3,4] do α-Al2O3 có độ cứng và nhiệt độ nóng chảy cao, ổn định ở mọi nhiệt độ
mà không bị biến đổi thù hình nên không có các biến đổi thể tích đột ngột làm giảm chất lượng sứ [5]
Trang 2Với việc sử dụng α-Al2O3 làm nguyên liệu sản xuất sứ thì thành phần hoá và thành phần hạt của α-Al2O3 là các yếu tố cần quan tâm nhất Thường, khi hàm lượng tạp chất tăng cao, nhất là các ôxyt kiềm, sẽ làm giảm nhiệt độ kết khối do sự tạo thành pha lỏng, tuy nhiên chất lượng sản phẩm sẽ giảm đi Còn về thành phần hạt thì α-Al2O3 có
cỡ hạt trung bình d50 nằm trong khoảng 4-14 µm làm cho sứ có độ bền cơ cao nhất [6]
Ở đây chúng tôi sử dụng α-Al2O3 loại A31 (fine grain alumina) của hãng NIPPON LIGHT METAL COMPANY, LTD Đây là sản phẩm dạng bột, là các đa tinh thể màu trắng cỡ hạt từ 2-20 µm, đường kính hạt trung bình d50 = 4.5 µm [7] Trong các bài phối liệu nghiên cứu, nguyên liệu địa phương miền Trung được ưu tiên sử dụng Đó là cao lanh A Lưới (CLAL), đất sét Lại Bằng trắng (ĐSLBT), tràng thạch Đại Lộc (TTĐL), cát Hoà Khánh (CHK) Chúng tôi cũng sử dụng đất sét Trúc Thôn (ĐSTT) vì đây là loại đất sét chịu lửa rất tốt hiện nay ở Việt Nam, rất cần thiết cho quá trình tạo hình sứ cao
cấp dù chỉ dùng với một lượng nhỏ
2 Quy trình thực nghiệm
Trên biểu đồ hệ 3 cấu tử T-Q-F để sản xuất gốm sứ [8] chúng tôi chọn 4 bài phối liệu tương ứng với các điểm 1, 2, 3, 4 trên vùng sứ điện Hàm lượng Q tăng dần theo thứ tự từ bài 1 đến bài 4 Từ thành phần hoá của các nguyên liệu chúng tôi tính ra thành phần khoáng hợp lý, từ đó tính được thành phần cấp phối của các bài phối liệu Sau khi khảo sát tính chất của 4 bài phối liệu đầu tiên này để có kết luận về hàm lượng Q tối ưu, chúng tôi tiếp tục thiết lập sáu bài phối liệu mới để xem xét ảnh hưởng của hàm lượng tràng thạch, hàm lượng α-Al2O3, ảnh hưởng của đất sét Trúc Thôn đến chất lượng sản phẩm sau cùng
Mẫu nung được phân tích các tính chất cơ lý [9,10] và thành phần pha, vi cấu trúc vật liệu để tìm ra bài phối liệu tối ưu và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của sứ điện
3 Kết quả và thảo luận
Thành phần hóa học của các loại nguyên liệu được cho trong bảng 1
Từ thành phần hóa tính được thành phần khoáng hợp lý, sau đó tính cấp phối các
bài phối liệu thí nghiệm như cho trong bảng 2
Các tính chất cơ lý của các bài phối liệu sau khi nung tại các nhiệt độ khác nhau được cho trong bảng 3
Bảng 1 Thành phần hoá các loại nguyên liệu (% khối lượng)
Ôxit MKN SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 CaO MgO K 2 O Na 2 O
ĐSTT 6.67 63.06 24.28 0.15 1.1 0.08 0.52 3.60 0.53 ĐSLBT 6.58 62.60 25.44 0.60 1.09 0.08 0.52 3.05 1.09 TTĐL 0.88 71.38 16.03 0.58 0.80 1.04 0.05 3.86 5.40 CHK 0.10 98.60 0.80 0.12 0.17 0.04 0.04 0.12 0.01
Trang 3Trong đó: MKN-mất khi nung
Bảng 2 Thành phần cấp phối của các bài phối liệu (% khối lượng)
Bài PL ĐSTT ĐS
LBT
ĐSTT
đã nung
-Al 2 O 3
Từ các kết quả thu được chúng tôi đã có những thảo luận sau:
3.1 Hàm lượng quartz thích hợp trong bài phối liệu định hưóng
So sánh 4 bài phối liệu đầu tiên 1, 2, 3, 4, chúng tôi thấy khi hàm lượng khoáng
Q tăng dần (tương ứng với lượng cát sử dụng trong các bài phối liệu là 0%, 5.2%, 9.2%
và 21%) thì độ bền uốn và các tính chất cơ lý khác của sản phẩm giảm dần Như vậy đối với các loại nguyên liệu đã chọn, thấy rằng bài phối liệu 1 (không sử dụng cát) đạt chất lượng cao nhất
3.2 Ảnh hưởng của đất sét
So với bài 1 (dùng 5.11% ĐSLBT và 6.57% ĐSTT, vậy tổng cộng lượng đất sét
sử dụng là 11.68%) thì bài 5 có thành phần phối liệu hoàn toàn giống, tuy nhiên toàn bộ lượng đất sét sử dụng (11.68%) là Trúc Thôn như đã cho trong bảng 2 So với bài 1 thì bài 5 có những khác biệt sau:
- Nhiệt độ kết khối là 13000C, độ co khi nung nhỏ hơn bài 1
- Cường độ bền uốn của bài phối liệu 5 cao hơn hẳn bài 1 tại các nhiệt độ nung khác nhau (đến 10.2%)
- Độ bền điện của bài 5 cũng đạt giá trị cao nhất (đạt 21 kV.mm-1), hơn hẳn các bài 1, 2, 3, 4 (hơn 10.5%) như số liệu cho trong bảng 3
Như vậy, rõ ràng đất sét Trúc Thôn đã tạo điều kiện cho quá trình kết khối sản phẩm sứ xảy ra tốt hơn khi nung, cho nên tuy đất sét Lại Bằng Trắng khá tốt, có thành phần hoá tương tự như đất sét Trúc Thôn nhưng không thể thay thế cho đất sét Trúc Thôn trong các bài phối liệu sứ điện
Trang 4Sự không thuận lợi khi sử dụng đất sét Trúc Thôn là phải vận chuyển từ xa nhưng bù lại nó tốt và ổn định hơn về mặt chất lượng
Bài phối liệu 5 có nhược điểm là độ co khi sấy và nung cao (độ co tổng theo chiều dài std = 13.09%, độ co tổng theo bán kính str = 15.47%) Để khắc phục chúng tôi
sử dụng 5% đất sét Trúc Thôn đã nung ở 11000C, nghiền mịn với mục đích giảm độ co khi sấy và nung (xem bài phối liệu 8) Kết quả thu được là bài phối liệu 8 có độ co tổng theo chiều dài khi nung std nhỏ hơn khoảng 6% ở nhiệt độ nung13300C, nhưng cường độ bền uốn cũng nhỏ hơn so với bài 5 Như vậy phương án nung trước một phần đất sét Trúc Thôn không đem lại kết quả mong muốn
Bảng 3 Tính chất kỹ thuật của các mẫu thí nghiệm sau khi nung
Bài
phối
liệu
Nhiệt
độ
nung
( o C)
s tr
(%)
s td
(%)
γ r
(g/
cm 3 )
γ v
(g/
cm 3 )
X t
(%)
X bk
(%)
H (%)
σ u
(MPa)
E (kV/ mm)
1250 16.48 12.76 2.728 2.558 6.023 4.102 1.574 100.28 -
1330 16.84 13.49 2.713 2.611 2.608 0.071 0.023 107.50 19
1
1350 17.39 13.76 2.654 2.639 0.232 0.072 0.027 101.30 -
2 1330 15.41 13.28 2.696 2.619 2.760 0.028 0.063 103.41 19
3 1330 15.24 11.98 2.657 2.607 2.055 0.030 0.079 97.79 19
4 1330 14.67 11.92 2.654 2.540 4.346 0.129 0.329 95.17 19
1280 14.84 12.98 2.714 2.605 3.866 0.919 0.353 114.89 -
1300 15.47 13.09 2.772 2.683 2.683 0.152 0.057 119.69 21
1315 16.36 13.20 2.751 2.665 3.019 0.242 0.092 118.44 -
5
1330 16.65 13.27 2.724 2.628 3.675 0.054 0.021 115.52 -
1300 15.45 12.90 2.701 2.584 4.332 1.587 0.423 120.08 21
6
1350 15.93 12.79 2.737 2.671 2.153 0.159 0.001 126.96 21
7 1330 13.29 12.76 2.729 2.655 2.702 0.579 0.219 130.30 21
8 1330 15.69 12.62 2.749 2.680 2.551 0.491 0.183 114.02 19
1280 15.36 12.94 2.713 2.589 4.571 1.125 0.457 127.63 -
1300 15.47 13.13 2.745 2.670 2.732 0.640 0.140 133.65 23
9
1330 15.89 13.89 2.741 2.654 3.174 0.891 0.354 132.49 -
1300 15.18 12.36 2.701 2.548 6.35 0.208 0.678 117.56 21
1330 15.46 13.76 2.718 2.587 4.819 0.145 0.341 116.50 -
10
1350 15.68 14.18 2.709 2.549 5.906 0.218 0.879 100.32 -
Trong đó: std-độ co tổng theo chiều dài sau nung, str-độ co tổng theo bán kính
Trang 5sau nung, γr-khối lượng riêng, γv-khối lượng thể tích, Xt-độ xốp thực, Xbk-độ xốp biểu kiến, H-độ hút nước, σu-cường độ bền uốn, E-độ bền điện
3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit nhôm
Để xem xét ảnh hưởng của hàm lượng ôxit nhôm chúng tôi đã tăng hàm lượng α-Al2O3 từ 27% lên đến 31% và 35% Kết quả cường độ bền uốn của sản phẩm tăng lên, xem bảng 3, điều này hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu từ trước [1,2,3,4] Tuy nhiên, trong bài phối liệu tối ưu sau này (bài phối liệu 9, đạt cường độ bền uốn 133 MPa) chúng tôi vẫn chọn hàm lượng α-Al2O3 là 27% vì nó đáp ứng đủ cường độ bền uốn cần thiết cho các loại sứ cao thế thông thường, đồng thời đảm bảo khả năng tạo hình tốt cho phối liệu
3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng tràng thạch
Tràng thạch Đại Lộc có hàm lượng ôxit kiềm (Na2O% + K2O%) = 9.2%, như vậy là đạt yêu cầu sử dụng làm chất trợ dung trong các bài phối liệu gốm sứ Lượng tràng thạch trong phối liệu bài 5 được tăng từ 23.6% lên 26% và 30% tương ứng hai bài
9 và 10
Nghiên cứu độ bền uốn của các bài phối liệu 5, 9, 10 (tương ứng với hàm lượng tràng thạch trong thành phần cấp phối 23.6, 26 và 30% TL) được nung ở nhiệt độ kết khối tối ưu của chúng, chúng tôi nhận thấy ở bài 9 sứ đạt độ bền cơ cao nhất (tăng hơn 11% so với bài 5 có 23.6% tràng thạch, tăng hơn 13% so với bài 10 có 30% tràng thạch) cũng như độ bền điện cao nhất (23 kV/mm)
Nhiệt độ kết khối tối ưu của bài 9 là 13000C như kết quả được thể hiện ở bảng 3 Như vậy chúng ta có thể kết luận là hàm lượng tràng thạch 26% là vừa đủ để hạ nhiệt độ nung, vừa tạo ra lượng pha lỏng cần thiết làm nền cho các tinh thể trong xương
sứ và tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình kết khối xảy ra khi nung Điều này sẽ được thấy rõ hơn khi nghiên cứu vi cấu trúc của sứ trên ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở phần sau
3.5 Xác định thành phần pha, vi cấu trúc của sứ
Thành phần pha của sứ từ các bài phối liệu nghiên cứu được xác định bằng phương pháp phân tích XRD Thí nghiệm được thực hiện tại trường ĐH Khoa học Tự nhiên Hà Nội trên máy BRUKER 5005 của Đức Hình 2 đưa ra phổ XRD của sứ từ bài phối liệu 9 Kết quả từ các phổ XRD cho thấy tỉ lệ pha tinh thể trong xương sứ như sau: khoáng corundum chiếm 51.50-69.01%, mullite 12.44-21.48%, quartz 17.27-28.54%, cristobalite 1.28-2.46% Nó cũng cho thấy trong xương sứ ngoài pha tinh thể còn tồn tại một lượng khá lớn pha vô định hình (pha thủy tinh), thể hiện ở phần nhô lên ở góc
2θ≈22o, tuy nhiên rất tiếc không thể định lượng chính xác
Kết quả này thể hiện đúng lý thuyết hình thành gốm sứ, mullite sẽ được hình thành trong quá trình nung góp phần tạo nên cấu trúc bền vững cho sứ, SiO2 sẽ còn lại
Trang 6dưới dạng quartz và dưới dạng cristobalite với lượng nhỏ, ngoài ra hàm lượng α-Al2O3
gần như không thay đổi trong suốt quá trình nung
Vi cấu trúc của sứ được đánh giá trên ảnh SEM Thí nghiệm thực hiện tại trường
ĐH Khoa học Tự nhiên Hà Nội trên kính hiển vi điện tử quét hiệu JEOL 5410 LV của
Nhật với các độ phóng đại khác nhau Xem hình 3
Trên các ảnh chúng ta có thể nhìn thấy sự hiện diện của pha thuỷ tinh nền liên
kết các hạt và các tinh thể α-Al2O3 dạng tấm có chiều dài khoảng 5-8 µm, chiều dày
1-1.5 µm Các pha tinh thể còn lại như mullite hình kim, các hạt quartz, cristobalite không
nhìn thấy được vì ẩn bên trong pha thuỷ tinh, tuy nhiên sự hiện diện của chúng được xác
định rõ ràng qua kết quả phân tích XRD ở trên
Hình 3 Ảnh SEM chụp mẫu nung từ bài phối liệu 1, 5, 9 và 10
So sánh ảnh SEM của mẫu nung từ các bài phối liệu 1 và 5 cho thấy các lổ xốp
trong mẫu của bài 5 nhỏ và phân bố đều hơn trong bài 1, do vậy các tính chất kỹ thuật
của mẫu bài 5 tốt hơn mẫu bài 1, nhất là về cường độ bền uốn
So sánh ảnh SEM của bài 5 (23.60% tràng thạch), bài 9 (26% tràng thạch) và bài
10 (30% tràng thạch) chúng tôi nhận thấy bài 9 với 26% tràng thạch là tốt nhất, các lổ
xốp nhỏ và phân bố đều Bài 10 với lượng tràng thạch lớn hơn (30%) lại có cấu trúc với
rất nhiều lổ xốp lớn làm giảm các tính chất kỹ thuật của sản phẩm Như vậy khi hàm
lượng tràng thạch trong phối liệu tăng từ 26% (bài 9) lên 30% (bài 10) thì các lổ xốp
Hình 2 Phổ XRD của sứ từ bài phối liệu 9
Trang 7nhỏ được bít kín nhưng các lổ xốp lớn lại tăng lên làm xấu đi chất lượng sứ Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích cơ lý các mẫu thí nghiệm Những nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của tràng thạch đối với vi cấu trúc sứ chắn chắn sẽ rất thú vị để giải thích hiện tượng này
4 Kết luận
Sau khi khảo sát chất lượng các loại nguyên liệu như cao lanh A Lưới, đất sét Lại Bằng trắng, đất sét Trúc Thôn, tràng thạch Đại Lộc và khả năng ứng dụng của chúng để sản xuất sứ cách điện cao thế có độ bền cơ cao chúng tôi đã rút ra được những kết luận sau:
- Cao lanh A Lưới là loại cao lanh tốt, hoàn toàn có thể sử dụng để sản xuất sứ
kỹ thuật có độ bền cơ cao, đặc biệt là sứ cách điện cao thế
- Cần đặc biệt quan tâm khống chế hàm lượng khoáng Q trong thành phần khoáng của phối liệu vì quartz ảnh hưởng rất lớn và phức tạp đến tính chất sau cùng của
sản phẩm Các bài cấp phối sứ điện không sử dụng cát quartz cho kết quả tốt nhất
- Đất sét Trúc Thôn là loại đất sét tốt nhất dùng để sản xuất sứ cách điện, nó có chức năng liên kết tạo độ dẻo cho phối liệu khi tạo hình và góp phần nâng cao cường độ
sứ sau nung mặc dù chỉ được dùng với một lượng nhỏ (11.68%) Đất sét Lại Bằng trắng (Thừa Thiên-Huế) không đạt yêu cầu sản xuất sứ cách điện cao thế
- Tràng thạch Đại Lộc đạt yêu cầu sử dụng để sản xuất sứ cách điện Lượng dùng của tràng thạch trong phối liệu 26% là tối ưu, sứ sẽ có các tính chất kỹ thuật và độ
bền cơ cao nhất
- Bài phối liệu 9 với 11.68% đất sét Trúc Thôn, 35.33% cao lanh A Lưới, 26% tràng thạch Đại Lộc và 27% α-Al2O3 có được các tính chất kỹ thuật cao nhất Với độ bền điện của vật liệu sứ từ bài phối liệu tối ưu này đạt 23 kV/mm chúng ta hoàn toàn có thể sản xuất sứ cách điện cao thế cho hệ thống truyền tải, cho các thiết bị, khí cụ điện với điện áp làm việc trước mắt là 100 kV Lượng sử dụng 27% α-Al2O3 được lựa chọn
do đã bảo đảm cường độ cơ học cho sứ mà không cần phải dùng nhiều hơn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J Liebermann, W Schulle; Bauxite porcelain, a new high-tech product for high
voltage insulation; American Ceramic Society Bulletin, Vol 81, No 2, 2002
[2] W E Blodgett; High strenght alumina porcelain; Ceram Bull., Vol 40, No 2,
74-77, 1961
[3] Zuokai Ke; Fracture-Initiating Flaws in Aluminous Electrical Porcelai; Ceramic
Bulletin, Vol 69, No 3, 380-390, 1990
Trang 8[4] S K Khaldolwal, R L Cook; Effect of Alumina Additions on Crystalline
Costituents and Fired Properties of Electrical Porcelai; Am Ceram Soc Bull., Vol
49, No 5, 522-26, 1970
[5] S Seike, N Oguri; High strength porcelains for use in insulators production thereof; European patent application 0281420 March 04, 1988
[6] D.N Pôlubôtarinôp; Vật liệu chịu lửa và gốm cao nhôm; NXB Xây Dựng Hà Nội,
1993
[7] Fine Grain Aluminas A31/A32/A33F/A34; tài liệu của hãng NIPPON L.M
COMPANY, LTD
[8] F.H Norton; Industrial ceramics; London-New York, 1960
[9] Ladislav Sasek; Laboratorni metody v oboru silicatu; SNTL Praha, 1981
[10] Đỗ Minh Nhật, Trần Thị Doan, Lại Thị Mỵ; Thí nghiệm chuyên ngành silicat; Bộ
Môn silicat, Trường ĐHBK Hà Nội, 1985