Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất gạch manhêdi spinel cho lò quay nung clanhke xi măng

PHẠM THỊ CÚC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Thị Cúc NGÀNH: CNVL HỐ HỌC "NGHIÊN CỨU HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT GẠCH MANHÊDI – SPINEL CHO LÒ QUAY NUNG CLANHKE XI MĂNG " LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CNVL HOÁ HỌC KHOÁ 2005-2007 HÀ NỘI – 2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -Phạm Thị Cúc "NGHIÊN CỨU HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT GẠCH MANHÊDI – SPINEL CHO LÒ QUAY NUNG CLANHKE XI MĂNG" Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu Silicát LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CNVL HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐÀO XUÂN PHÁI HÀ NỘI- 2007 MỤC LỤC MỤC NỘI DUNG TRANG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ MINH HỌA MỞ ĐẦU Vai trò gạch manhêdi-spinel công nghiệp sản xuất xi măng Vài nét phát triển công nghệ sản xuất gạch manhêdi - spinel Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu đề tài 10 Phương pháp nghiên cứu 11 Ý nghĩa đề tài 11 Dự kiến áp dụng kết nghiên cứu 12 Kết cấu luận văn 12 Chương I Tổng quan lý thuyết công nghệ sản xuất gạch 13 manhêdi-spinel 1.1 Cơ sở khoa học họ sản phẩm manhêdi-spinel 13 1.1.1 Các đặc tính hóa lý manhêdi spinel 13 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình tạo spinel 21 1.1.3 Đặc điểm nóng chảy hệ khống gạch manhêdi- 22 spinel 1.2 Kh¸i quát chung công nghệ sản xuất sản xuất gạch 29 manhªdi-spinel Chương II Phương pháp thiết bị nghiên cứu 34 2.1 Xác định thành phần hóa 34 2.2 Xác định khối lượng thể tích độ xốp biểu kiến 35 2.3 Xác định cường độ vật liệu 37 2.4 Xác định biến dạng tải trọng dãn nở nhiệt tải 40 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát trọng 2.5 Xác định độ bền sốc nhiệt 41 2.6 Xác định thành phần khoáng vật liệu phân tích 44 nhiễu xạ Rơnghen XRD 2.7 Xác định vi cấu trúc vật liệu kính hiển vi điện tử 45 quét bề mặt mài phẳng Chương III Triển khai nghiên cứu thực nghiệm - Kết thảo luận 46 3.1 Các nguyên liệu, phụ gia sử dụng nghiên cứu 46 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần cấp phối hạt 47 3.2.1 Phương pháp xác định thành phần cấp phối tối ưu 47 3.2.2 Mơ tả thí nghiệm 48 3.2.3 Phân tích kết thảo luận 50 3.2.4 Kết luận 52 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng oxit nhơm kỹ thuật siêu mịn 53 đến đặc tính lý nhiệt gạch manhêdi-spinel 3.3.1 Thiết kế phối liệu 53 3.3.2 Quy trình chế tạo mẫu 53 3.3.3 Kết thảo luận 54 3.3.4 Kết luận 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 Phụ lục 67 Kết phân tích thành phần hạt nguyên liệu oxit nhôm siêu mịn A12 – Alcoa Phụ lục Kết phân tích nhiễu xạ tia X oxit nhôm A 12, mẫu 69 MA0 (Vimag S80) MA2 Phụ lục Kết phân tích nhiệt độ biến dạng tải trọng 73 mẫu MA0, MA1, MA2, MA3, MA4, MA5 TÀI LIỆU THAM KHẢO Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 80 DANH MỤC CÁC BẢNG TÊN BẢNG SỐ LIỆU TRANG Bảng 1.1: Đặc điểm lý khoáng chịu lửa periclase spinel 15 Bảng 1.2 : Thành phần tính chất manhêdi kết khối 16 Bảng 1.3 : Thành phần tính chất số loại spinel sản xuất 19 giới Bảng 1.4: Hệ số dãn nở nhiệt từ 25 oC đến nhiệt độ T spinel 20 manhêdi thương phẩm Bảng1.5: Hệ số dẫn nhiệt độ K nhiệt độ T spinel 20 manhêdi thương phẩm Bảng 1.5: Ảnh hưởng cỡ hạt Al2O3 MgO đến lượng spinel 21 tạo thành Bảng 1.6: Các khoáng có mặt hệ CaO.MgO.SiO2 tồn 25 cân với periclase Bảng 1.7: Đặc tính nóng chảy pha có mặt gạch kiềm 26 tính Bảng 1.8: Đặc tính nóng chảy thµnh phèi liƯu kiỊm tÝnh cã 27 chøa Al2O3, Fe2O3 vµ Cr2O3 Bảng 3.1: Đặc tính ngun liệu sử dụng nghiên cứu 46 Bảng 3.2: Đặc tính kỹ thuật oxit nhôm A 12 – Alcoa 46 Bảng 3.3: Tỷ lệ cấp phối hạt phối liệu nghiên cứu 48 Bảng 3.4: Kết phân tích lý mẫu nghiên cứu cấp phối 51 hạt Bảng 3.5: Tỷ lệ thành phần phối liệu nghiên cứu - 50 53 Bảng 3.6 : Kết phân tích thành phần hóa mẫu nghiên 55 cứu, % Bảng 3.7: Thành phần khoáng tính theo lý thuyết mẫu Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 55 nghiên cứu Bảng 3.8: Kết phân tích độ xốp biểu kiến khối lượng thể 58 tích Bảng 3.9: Kết phân tích cường độ nén nguội, cường độ bền 60 uốn nhiệt độ thường 1260oC, N/mm2 Bảng 3.10: kết thử nhiệt độ biến dạng tải trọng 63 mẫu MA0-MA5 Bảng 3.11 : Kết thử độ bền sốc nhiệt Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 65 DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA VÀ ĐỒ THỊ TÊN HÌNH MINH HỌA TRANG Hình 1.1: Mơ hình mạng tinh thể MgO 293oK 13 Hình 1.2: Giản đồ pha hệ hai cấu tử MgO-Al2O3 18 Hình 1.3: Mơ hình cấu trúc ô mạng tinh thể spinel MgAl2O4 19 293oK Hình 1.4: Sơ đồ cơng nghệ dây chuyền sản xuất gạch manhêdi- 31 spinel Hình 2.1: Sơ đồ khối phổ kế tia X phân tán chiều dài bước 35 sóng – dùng phân tích định lượng thành phần hóa học Hình 2.2: Sơ đồ bố trí gối đỡ, gối truyền lực mẫu thử theo 38 phương pháp uốn ba điểm Hình 2.3: Sơ đồ bố trí mẫu thử gối đỡ, gối truyền lực 39 lị nung nhiệt độ cao Hình 2.4 : Sơ đồ cấu tạo khung dùng để xác định độ bền sốc nhiệt 42 Hình 2.5: Sơ đồ tác động tải trng lờn mu th 42 Hình 2.6: mô tả quy lt Bragg 44 Hình 3.1: Sơ đồ mơ tả trình tự thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng 49 thành phần hạt đến số tính chất lý gạch manhêdi-spinel Hình 3.2 Thay đổi khối lượng thể tích gạch sau nung theo 51 thành phần cỡ hạt phối liệu Hình 3.3: Thay đổi độ xốp biểu kiển gạch sau nung theo thành 52 phần cỡ hạt Hình 3.4: Thay đổi cường độ nén nguội gạch sau nung theo 52 thành phần cỡ hạt phối liệu Hình 3.5 Hình ảnh vi cấu trúc hai mẫu MA0 MA2 kính hiển vi quang học, độ phóng đại cỡ 50 lần 100 lần Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 57 Hình 3.6: Thay đổi độ xốp biểu kiến từ mẫu MA0 đến mẫu MA5 58 Hình 3.7: Thay đổi khối lượng thể tích từ mẫu MA0 đến mẫu MA5 59 Hình 3.8: Thay đổi cường độ nén nguội từ mẫu MA0 đến mẫu 61 MA5 Hình 3.9: Thay đổi cường độ bền uốn mẫu MA0 đến mẫu MA5 61 Hình 3.10: Hình ảnh vi cấu trúc gạch manhêdi-spinel qua kính 62 hiển vi điện tử quét mặt mẫu mài phẳng, độ phóng đại 100 lần Các hạt lớn có mặt bóng sáng hạt spinel điện chảy Các hạt thơ hình thành vết nứt lớn với lớp manhêdi, hạt nhỏ khơng thấy vết nứt Hình 3.11: Diễn biến dãn nở nhiệt biến dạng tải trọngcủa 64 mẫu từ MA0 đến MA5 khoảng nhiệt độ từ 700 đến 1660oC 62 Hình 3.12 : Thay đổi độ bền nhiệt giảm lượng spinel hạt thô 65 tăng lượng oxit nhôm Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicỏt mở đầu Vai trũ ca gch manhêzi – spinel công nghiệp sản xuất xi măng Gạch manhêdi – spinel sử dụng rộng rãi năm gần đây, đặc biệt lò quay nung clanhke xi măng Chúng gọi gạch “manhêdi – spinel” chế tạo từ nguyên liệu manhêdi spinel Khái niệm “spinel” thường sử dụng để họ khoáng kết tinh hệ lập phương có cơng thức chung RO.R*2O3, R kim loại hóa trị 2, R* kim loại hóa trị RO MgO FeO R*2O3 Fe2O3, Al2O3 Cr2O3 [3] Tuy nhiên công nghệ vật liệu chịu lửa gốm kỹ thuật, khái niệm khoáng spinel gạch manhêdi-spinel hay spinel thường dùng để pha spinel aluminate MgO.Al2O3 Về mặt lý thuyết, đặc tính dãn nở nhiệt khác hai khoáng chịu lửa periclaze (MgO) spinel (MgO.Al2O3) - thành phần gạch - cấu trúc gạch magnesia - spinel hình thành ma trận vết nứt tế vi trình làm nguội sản phẩm sau nung Vì lợi ích chủ yếu việc kết hợp spinel manhêdi chúng tạo nên sản phẩm có khả bền nhiệt tốt nhiều so với sản phẩm manhêdi khiết sản xuất từ clanhke manhêdi nung kết khối Đặc tính làm cho vật liệu tránh ngăn chặn khả bị bóc tách bề mặt thay đổi nhiệt độ bị thấm thành phần tạp chất khác từ mơi trường làm việc Các vết nứt tế vi có tác dụng làm giảm ứng suất nhiệt xuất cục lan tỏa ứng suất theo thể tích vật liệu, hạn chế tượng nứt vỡ vật liệu số môi trường dao động nhiệt độ mạnh Những đặc điểm cấu trúc tạo cho gạch manhêdi-spinel nhiều ưu việt sản phẩm kiềm tính khác (gạch manhêdi-crơm, gạch dolomit, …) đặc tính dãn nở nhiệt nhỏ, khả chống nứt vỡ ứng suất nhiệt vượt trội [5] Mong muốn sử dụng gạch kiềm tính khơng có crơm cịn lý môi trường làm tăng tầm quan trọng gạch magnesia – spinel Vì crơm hóa trị có mặt gạch manhêdi – crơm chuyển thành crơm hóa trị phản ứng với thành phần kiềm kiềm thổ hợp chất khác có mặt mơi trường làm Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát việc [6] Việc xử lý gạch phế thải sau sử dụng trở thành vấn đề lớn người sử dụng crơm hóa trị – nhân tố gây ung thư - dễ dàng hòa tan vào môi trường nước, gây ảnh hưởng đến môi trường sống người Vì vậy, sản lượng gạch kiềm tính gốc crôm-manhêdi giới từ thập niên 90 kỷ trước đến liên tục bị cắt giảm năm từ đến % [9] Vì lý trên, nhà máy xi măng có xu hướng sử dụng gạch kiềm tính chủng loại manhêdi-spinel cho tồn vùng nung lị quay nung clanhke xi măng Vài nét phát triển công nghệ sản xuất gạch manhêdi-spinel Gạch manhêdi-spinel lần sản xuất đưa vào sử dụng zơn nung lị quay nung clanhke xi măng vào năm 1971 Công ty xi măng Osaka – Nhật Bản [9] Do giá thành cao đặc tính gạch manhêdi-spinel thời chưa gạch manhêdi-crơm liên kết trực tiếp, nên việc sử dụng gạch manhêdispinel cho lò quay nung clanhke xi măng hạn chế Đến khoảng năm 1977, nhờ cải tiến công nghệ sản xuất, gạch manhêdi-spinel công nhận sử dụng rộng rãi lò quay nung clanhke xi măng Sản phẩm chủ yếu sản xuất nước có cơng nghiệp phát triển có nguồn nguyên liệu manhêdi boxit dồi Mỹ, Canada, Nhật Bản, Đức, Anh, Nga cộng hòa Séc… Từ cuối năm 1980, phát ảnh hưởng gạch manhêdi-crôm tới môi trường sống, vai trò gạch manhêdi-spinel ngày nâng tầm quan trọng Với cải tiến không ngừng công nghệ sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, gạch manhêdi-spinel ngày đáp ứng tốt lò quay nung clanhke xi măng đại sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác mà thể hiệu sử dụng kinh tế vượt trội nhờ tuổi thọ làm việc lò cao nhiều so với gạch manhêdi-crôm Ở Việt nam, gạch manhêdi-spinel nhập để sử dụng lò quay nung clanhke xi măng từ cuối năm 1980, đến chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu liên quan đến công nghệ sản xuất cho chủng loại gạch Ngay từ đầu năm 1990, nhận thấy nhu cầu vật liệu chịu lửa kiềm tính Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 67 Phô lục 1: Kết phân tích thành phần hạt nguyên liệu oxit nhôm siêu mịn A12-Alcoa (số liệu phân tích nhà sản xuất) Lun thc s- Chuyờn ngành CNVL Silicát 68 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicỏt 69 Phụ lục 2: Phân tích nhiễu xạ tia X oxit nhôm siêu mịn, mẫu MA0 (Vimag S80) MA2 Kết phân tích máy D8 Advance hÃng Brucker (Đức) Viện Vật liệu xây dùng) Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 70 2400 2300 d=2.08484 d=2.5489 VIBM D8 ADV - mau Bot nhom chi Cuc VLCL Kiem tinh 2500 2200 2100 2000 1900 1800 d=3.47823 1700 1600 1300 d=1.73963 1200 d=2.37865 Lin (Cps) 1500 1400 1100 1000 900 800 700 d=1.77313 d=1.92816 d=2.31024 d=2.16418 100 d=2.69629 200 d=2.82542 400 300 d=3.85564 500 d=5.66892 d=11.36740 600 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale File: mau bot nhom - chi Cuc.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 55.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Creation: 11/13/2007 10:30:44 AM - Anode: Cu - Temp.: 25 °C (Room) - Time Operations: Import 00-043-1484 (D) - Corundum, syn - Al2O3 - S-Q 93.7 % - WL: 1.5406 - Hexagonal (Rh) - Primitive 01-077-2313 (C) - Sodium Aluminum Oxide - Na1.50Al10.83O17 - S-Q 6.3 % - WL: 1.5406 - Hexagonal - Primitive Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 71 d=2.10377 20 30 d=2.02101 d=2.33105 d=2.68713 d=2.44043 10 d=2.85737 d=4.67027 Lin (Cps) VIBM D8 ADV - mau M0 chi Cuc VLCL Kiem Tinh 3500 3400 3300 3200 3100 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 40 50 2-Theta - Scale mau Mo - File: mau M0 - chi Cuc VLCL Kiem tinh.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 55.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Creation: 10/22/2007 1:17:45 PM - Anode: Cu - Temp.: 25 Operations: Import 00-004-0829 (D) - Periclase, syn - MgO - WL: 1.5406 - Cubic - Face-centered 01-082-2424 (C) - Spinel - MgAl2O4 - WL: 1.5406 - Cubic - Face-centered 00-035-0591 (*) - Merwinite, syn - Ca3Mg(SiO4)2 - WL: 1.5406 - Monoclinic - Primitive Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 72 d=2.10457 30 d=2.33135 d=2.86008 20 d=2.02373 d=2.43880 10 d=2.78337 d=4.66666 Lin (Cps) VIBM D8 ADV - mau MA chi Cuc VLCL Kiem Tinh 3500 3400 3300 3200 3100 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 40 50 2-Theta - Scale File: mau MA - chi Cuc VLCL Kiem tinh.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 55.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 1193035648 s - 2-Theta: 5.000 Operations: Import 00-004-0829 (D) - Periclase, syn - MgO - WL: 1.5406 - Cubic - Face-centered 01-082-2424 (C) - Spinel - MgAl2O4 - WL: 1.5406 - Cubic - Face-centered 00-009-0351 (D) - Larnite, syn - beta-Ca2SiO4 - WL: 1.5406 - Monoclinic - Primitive Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicỏt 73 Phụ lục 3: Kết phân tích nhiệt độ biến dạng tải trọng mẫu MA0 (Vimag S80), MA1, MA2, MA3, MA4, MA5 thiết bị đo nhiệt độ biến dạng tải trọng RUL/CIC 412 hÃng NETZSCH Phòng thí nghiệm Nhà máy Vật liƯu chÞu lưa kiỊm tÝnh ViƯt Nam Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 74 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 75 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 76 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 77 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 78 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 79 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 80 Tài liệu tham khảo: PGS.TS Nguyễn Đăng Hùng, Công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa, Nhà xuất Bách khoa – Hà nội, 2006 Bộ xây dựng, Viện vật liệu xây dựng, Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu chế tạo nguyên liệu spinel (MgO.Al2O3) dùng cho sản xuất vật liệu chịu lửa kiềm tính”, Hà nội – 2005 J.R.Rait, Basic Refractories, Interscience Publishers, Inc., N.Y., 1950 R.M.El-Shahat and J.White, Transactions of the Bristish Ceramic Society, Vol.65, 1966, pp 497-519 Harbison Walker Refractories, Refractories in Practice, 1996 Cemail Aksel, Paul D Warren, Frank L Riley; Fracture behaviour of magnesia and magnesia-spinel composites before and after thermal shock; Journal of the European Ceramic Society 24 (2004) 2407-2406 A Ghosh, Ritwik Sarkar, B.Mukherjee, S.K Das; Effect of spinel content on the properties of magnesia-spinel composite refractory, Journal of the European Ceramic Society; Journal of the European Ceramic Society 24 (2004) 2479 – 2085 David R.Wilson, Roger M Evans – Steetley Magnesia Products, U.K.; Dr Ian Wadsworth, Dr Jess Cawley – Sheffield Hallam University, U.K.; Properties and Applications of sinteres magnesia alumina spinels; UNITECR’93 CONGRESS Sao Paulo – Brazil Katsutoshi Kamei, Mikio nomura, Yuzo Kanbara and Minoru Nakagishi; Improvements of spinel brick for Rotary Cement Kiln and Use Results; TAIKABUTSU OVERSEAS Vol.8 No.1 10 Chichagov A.V et al; Information-Calculating System on Crystal Structure Data of Minerals; Kristallographiya, v.35, n.3, 1990, p.610-616 (in Russian) RYST - CRYSTALLOGRAPHIC DATABASE FOR MINERALS 11 database.iem.ac.ru/mincryst 12 Tiêu chuẩn Việt nam; Vật liệu chịu lửa phương pháp thử, TCVN – 6530:1999 – Hà Nội, 1999 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát 81 Luận văn thạc sĩ- Chuyên ngành CNVL Silicát ... manhêdi- spinel cho tồn vùng nung lò quay nung clanhke xi măng Vài nét phát triển công nghệ sản xuất gạch manhêdi- spinel Gạch manhêdi- spinel lần sản xuất đưa vào sử dụng zơn nung lị quay nung clanhke xi măng. .. việc lò quay nung clanhke xi măng thị trường Việt nam Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu đề tài Mục đích đề tài: Nghiên cứu, tìm hiểu để nắm rõ chất cơng nghệ sản xuất gạch manhêdi- spinel cho lò quay nung. .. nung clanhke xi măng hạn chế Đến khoảng năm 1977, nhờ cải tiến công nghệ sản xuất, gạch manhêdi- spinel công nhận sử dụng rộng rãi lò quay nung clanhke xi măng Sản phẩm chủ yếu sản xuất nước có