Nghiên cứu công nghệ sản xuất gốm xốp bền cơ làm phin lọc xỉ cho kim loại nóng chảy

Hệ vật liệu gốm thường ñược sử dụng chế tạo phin lọc xỉ ñược phân chia thành 3 nhóm chính tùy thuộc vào thành phần kim loại, nhiệt ñộ zig-ñúc, cấu trúc sản phẩm và ñộ chi tiết của sản ph

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NC SÀNH SỨ THUỶ TINH CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GỐM XỐP BỀN CƠ

LÀM PHIN LỌC XỈ CHO KIM LOẠI NÓNG CHẢY

Chủ nhiệm đề tài: DƯƠNG HẢI HOÀN

7295

15/4/2009

HÀ NỘI - 2009

MỞ ðẦU

Sản phẩm phin lọc xỉ sử dụng trong công nghiệp luyện kim ñen và luyện kim mầu ñã ñược nghiên cứu khá nhiều trong những năm gần ñây Với mục

ñích nâng cao chất lượng phôi kim loại nóng chảy, sản phẩm phin lọc xỉ ñược

sử dụng khá rộng rãi với mục ñích loại bỏ ñến mức tối ña xỉ rắn và xỉ dẻo cũng như các tạp chất không mong muốn có trong phối liệu kim loại nóng chảy Quá trình công nghệ này cải thiện ñáng kể chất lượng phôi kim loại của sản phẩm ñúc tạo hình yêu cầu ñộ ñồng nhất cao và không khuyết tật

Do làm việc trong môi trường nhiệt ñộ cao, ăn mòn và xâm thực rất lớn của kim loại nóng chảy, sản phẩm phin lọc xỉ yêu cầu các thông số và chỉ tiêu hóa lý rất khắt khe, ñộ bền nhiệt, bền cơ cũng ñặc biệt cao Ngoài ra, trong quá trình ñúc tạo hình sản phẩm từ kim loại nóng chảy, tùy thuộc vào ñặc tính của từng loại kim loại và hợp kim, nhiệt ñộ tạo hình cũng như thời gian tạo hình, yêu cầu về ñộ xốp hở của phin lọc xỉ cũng phải ñược tính toán một cách hết sức chính xác

Do cấu trúc ñặc biệt của phin lọc xỉ, cấu trúc không gian ba chiều liên kết mạng trong phin lọc xỉ là yêu cầu bắt buộc nhằm tăng cường tối ña khả năng chịu bền cơ học và bền sốc nhiệt của phin lọc, ñồng thời không tạo ra trở lực

và suy giảm tiết diện bề mặt trong quá trình ñúc rót ðặc tính vật liệu gốm làm phin lọc xỉ cũng ñược nghiên cứu một cách tỷ mỷ với mục ñích giảm tối

ña mức ñộ ăn mòn và thẩm thấu của thép và hợp kim nóng chảy nhiệt ñộ cao ðây là một sản phẩm gốm kỹ thuật ñặc thù cho ngành ñúc và luyện kim

Hiện tại, phin lọc xỉ ñã ñược thương phẩm hóa và cung cấp trên thế giới Nhưng do công nghệ sản xuất và yêu cầu chất lượng vật liệu cao, giá thành của phin lọc xỉ hoàn toàn không rẻ, ñặc biệt là khi phin lọc xỉ là sản phẩm sử dụng một lần, không tái sử dụng

Vì nhiệt ñộ cao và môi trường làm việc khắc nghiệt, sản phẩm phin lọc xỉ chế tạo từ vật liệu gốm kỹ thuật yêu cầu các thông số cơ, lý, hóa nhiệt ñặc biệt

ñể ñáp ứng môi trường làm việc ñặc biệt này Hiện tại trong nước chưa có

một ñơn vị nghiên cứu chuyên ngành vật liệu nào có hướng ñầu tư tiếp cận nghiên cứu và khai thác tiềm năng của họ vật liệu này Các doanh nghiệp sản xuất sản phẩm và chi tiết ñúc chất lượng cao từ thép và hợp kim nóng chảy

hàng năm phải nhập một số lượng phin lọc rất lớn nhằm ñáp ứng nhu cầu cấp thiết cho sản xuất

Ngoài khó khăn trong việc tổng hợp vật liệu sản xuất phin lọc xỉ, chúng ta còn phải tập trung giải quyết công nghệ tạo hình cho sản phẩm này ðộ xốp, kích thước lỗ và cấu trúc của phin lọc là yếu tố quan trọng quyết ñịnh ñến chất lượng của sản phẩm ñúc Việc tạo hình khung cấu trúc ba chiều tăng bền dạng tổ ong cùng với việc tính toán mật ñộ lỗ xốp tối ưu nhằm ưu tiên ñộ bền

và các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu sẽ có tác ñộng quyết ñịnh tới chất lượng và

ñộ ổn ñịnh của phin lọc

Mỗi sản phẩm ñúc sẽ yêu cầu sử dụng tối thiểu một chiếc phin lọc xỉ ðơn

cử một công ty như Công ty TNHH Thép Việt Nhật hàng năm sản xuất hàng chục ngàn sản phẩm và chi tiết ñúc, nhu cầu sử dụng phin lọc và chất lượng phin lọc sẽ là yếu tố quyết ñịnh ảnh hưởng trực tiếp ñến chất lượng sản phẩm của các doanh nghiệp

• Xác ñịnh ñược các loại nguyên liệu dùng ñể sản xuất phin lọc xỉ cho gang và thép nóng chảy

• Xác ñịnh ñược công nghệ tạo lỗ xốp hở kết cấu ba chiều dạng tổ ong cho phin lọc xỉ

• Xác ñịnh ñược các ñơn phối liệu tối ưu dùng ñể sản xuất vật liệu chế tạo phin lọc xỉ

• Xây dựng ñược qui trình công nghệ sản xuất sản phẩm phin lọc xỉ từ vật liệu gốm kỹ thuật

• Sản xuất thử 1.000 sản phẩm

• ðịnh hướng nghiên cứu của ñề tài dựa trên phương pháp thực nghiệm

thống kê, kế thừa các thành tựu nghiên cứu về mặt học thuật và bí quyết công nghệ, sáng chế của thế giới trong những năm gần ñây

• Xác lập công nghệ và quá trình sản xuất phin lọc xỉ cho kim loại nóng chảy

Ớ Nghiên cứu sử dụng các nguồn nguyên liệu và phối trộn cho việc tổng hợp vật liệu phin lọc gốm

Ớ Xác ựịnh phối liệu tối ưu, ựánh giá khả năng tăng bền cơ nhiệt và tăng cường tuổi thọ vật liệu trong môi trường sốc nhiệt khắc nghiệt

Ớ Nghiên cứu phương pháp và công nghệ tạo hình khung cấu trúc ba chiều, xác lập quy trình sản xuất tối ưu

Ớ đánh giá các thông số và ựặc tắnh kỹ thuật của vật liệu

Ớ Tổ chức sản xuất thử nghiệm 1.000 sản phẩm

Thử nghiệm thực tế sản xuất và so sánh với sản phẩm nhập ngoại

PHẦN I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phin lọc xỉ gốm sử dụng cho công nghiệp ñúc các sản phẩm kim loại nóng chảy ñược sử dụng rộng rãi trong ngành ñúc nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu tỷ lệ khuyết tật sản phẩm do lẫn xỉ rắn hoặc dẻo, các tạp chất phi kim loại, vật liệu chịu lửa nồi nấu chảy… gây ra Việc sử dụng phin lọc xỉ có ý nghĩa ñặc biệt quan trọng ñối với những chi tiết ñúc ñòi hỏi ñộ chính xác cao, thành mỏng, yêu cầu ñồng nhất vật liệu và không khuyết tật bề mặt

Phin lọc xỉ bao gồm những lỗ xốp hở dạng tổ ong cấu trúc ba chiều zag với kích thước từ 4-50 lỗ/inch chiều dài tùy thuộc vào loại hợp kim và sản phẩm ñúc Hệ vật liệu gốm thường ñược sử dụng chế tạo phin lọc xỉ ñược phân chia thành 3 nhóm chính tùy thuộc vào thành phần kim loại, nhiệt ñộ

zig-ñúc, cấu trúc sản phẩm và ñộ chi tiết của sản phẩm zig-ñúc, mức ñộ ăn mòn thẩm

thấu của kim loại nóng chảy, khả năng tương tác của vật liệu gốm với kim loại nóng chảy…

Bảng 1: Hệ vật liệu chế tạo phin lọc xỉ

Zirconia Thép, hợp kim ñặc biệt, t0 > 15500C

SiC/SiC liên kết gốm Gang, và các sản phẩm tương ñương

12500C < t0 < 14500C Alumina/mullite Nhôm, hợp kim nhôm và kim loại mầu

7500C < t0 < 11500C Việc phân loại hệ vật liệu gốm sử dụng ñể chế tạo phin lọc xỉ cho công nghiệp ñúc ñã ñược ñề cập và nghiên cứu khá tỷ mỉ Thông số quan trọng nhất ñược sử dụng ñể ñánh giá và phân loại vật liệu dựa trên ñộ thấm ướt, ñộ bền xỉ và khả năng hạn chế mức ñộ thẩm thấu, ăn mòn và xâm thực của kim loại nóng chảy ñối với cấu trúc và thành phần khoáng hóa của hệ vật liệu gốm Tùy thuộc vào nhiệt ñộ ñúc, ñộ chịu lửa của vật liệu chế tạo phin lọc

cũng là một chỉ tiêu ñánh giá mức ñộ ổn ñịnh và khả năng làm việc an toàn của phin lọc

ðối với sản phẩm thép và hợp kim ñặc biệt ñược gia công ñúc rót ở nhiệt

ñộ cao trên 15500

C, việc lựa chọn zirconia ổn ñịnh làm hệ gốm cơ sở chế tạo phin lọc gốm là hết sức cần thiết [1] Ngoài việc zirconia có ñộ chịu lửa cao,

hệ gốm cấu trúc này còn chứa ñựng nhiều ñặc tính cơ nhiệt rất quý ðộ thấm

ướt kim loại lỏng nóng chảy trên bề mặt vật liệu ở nhiệt ñộ cao của zirconia

rất thấp ðộ bền hóa, bền xỉ và khả năng chống thẩm thấu, xâm thực của kim loại lỏng là một trong những ưu thế của zirconia mà ít có vật liệu gốm kỹ thuật nào so sánh ñược [1-3] Tuy nhiên, việc tổng hợp zirconia ổn ñịnh thông thường ñòi hỏi nhiệt ñộ cao trên 1550-16000C [1,2], chưa tính ñến giá thành nguyên liệu cũng là một trong những hạn chế của hệ vật liệu này

Hệ vật liệu gốm trên cơ sở cao nhôm và mullite cao nhôm ñược biết ñến như một hệ vật liệu có ñộ chịu lửa cao, làm việc ổn ñịnh trong khoảng nhiệt

ñộ ñến 16500C Tùy thuộc thành phần khoáng cũng như mức ñộ phát triển và

ổn ñịnh của mullite có trong vật liệu, ñộ bền cơ học của hệ vật liệu này và khả

năng chống chịu sốc nhiệt của chúng cũng ñều ñạt chỉ số cơ lý rất cao

Tuy nhiên, mức ñộ thấm ướt của gang và thép lỏng nóng chảy ñối với mullite thường ñược ghi nhận cao hơn ñáng kể so với SiC Mặc dù phin lọc xỉ

hệ gốm mullite có khả năng ngăn chặn và loại bỏ xỉ nóng chảy rất tốt, nhưng

do mức ñộ thấm ướt cao, vật liệu gốm mau chóng bị xâm thực bởi kim loại lỏng, biến dạng dẫn tới phá hủy do nhiệt ñộ cao Dòng kim loại lỏng nóng chảy sẽ kéo theo các mảnh vụn vật liệu và xỉ nóng chảy bám dính bề mặt vào sản phẩm ñúc, dẫn ñến tỷ lệ khuyết tật sản phẩm tăng cao [4]

Hiện tượng này trên thực tế lại không xảy ra ñối với nhôm và hợp kim nhôm nóng chảy Nhôm và hợp kim nhôm nóng chảy ñược gia công ñúc rót trong khoảng từ 750-10500C, ñộ thấm ướt bề mặt của nhôm lỏng ñối với mullite là khá nhỏ Hơn nữa, mức ñộ tương tác và phản ứng giữa mullite với

xỉ nhôm hầu như không xảy ra Do ñó, phin lọc xỉ chế tạo trên cơ sở hệ vật liệu gốm mullite, mullite cao nhôm trái lại, hoàn toàn phù hợp với sản phẩm

ñúc nhôm và hợp kim nhôm [5]

ðối với các sản phẩm ñúc gang và thép nóng chảy, thông thường hệ vật

liệu gốm sử dụng ñể chế tạo phin lọc xỉ ñược lựa chọn chủ yếu từ hai hệ chính: zirconia ổn ñịnh và SiC Trong ñó hệ vật liệu trên cơ sở nền SiC có thể

sử dụng công nghệ tổng hợp liên kết tái kết tinh dưới sự hỗ trợ của phụ gia tăng cuờng kết khối hoặc vật liệu tổ hợp SiC liên kết gốm Vật liệu gốm hệ Zirconia ñược lựa chọn sử dụng cho ñúc rót các chi tiết và sản phẩm hợp kim thép ñặc biệt Với sản phẩm ñúc gang và thép, nhiệt ñộ ñúc dao ñộng trong khoảng 1320-14500C, do ñó ñiều kiện làm việc của phin lọc xỉ ít khắc nghiệt hơn Thông thường hệ vật liệu trên cơ sở SiC liên kết gốm ñược lựa chọn và

sử dụng rộng rãi

Trên thực tế, vật liệu trên cơ sở nền SiC liên kết gốm thường ñược chế tạo dưới dạng cấu trúc tổ hợp trong ñó SiC ñóng vai trò như một khoáng chịu lửa, cường ñộ cơ học cao tạo khung cấu trúc Silica hoặc aluminum silicate, alumium phosphate ñược sử dụng như pha liên kết kết dính

Trong quá trình ñúc, dưới tác dụng của nhiệt ñộ cao, SiC trong cấu trúc vật liệu chế tạo phin lọc gốm bị oxy hóa và tạo ra SiO2 SiO2 mới sinh có hoạt tính cao tiếp tục tham gia quá trình phản ứng với pha liên kết aluminum silicate tăng cường cường ñộ và ñộ chịu lửa cho phin lọc [4] Trong quá trình

ñúc, bề mặt phin lọc xỉ tiếp xúc với gang hoặc thép nóng chảy, xỉ giàu FeO có

khả năng thấm ướt bề mặt phin lọc rất thấp do phản ứng của xỉ với carbon phân hủy từ SiC cộng với lượng carbon graphite luôn tồn tại trong SiC tạo thành CO ngăn cách bề mặt phin lọc với kim loại nóng chảy, do ñó góp phần tăng cường tính ổn ñịnh và khả năng làm việc của phin lọc xỉ [4-5]

Vật liệu gốm sử dụng làm phin lọc xỉ kim loại nóng chảy trên cơ sở hệ SiC hiện ñang ñược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ñúc, ñặc biệt là sản phẩm gang và thép Hệ vật liệu này ñược tổng hợp trên cơ sở sử dụng sạn SiC liên kết ñất sét chịu lửa hoặc silica vô ñịnh hình kết khối trong dải nhiệt ñộ từ 1100-14500C [6] Pha liên kết gốm ñược hình thành do phản ứng kết khối ñất sét chịu lửa, sử dụng với hàm lượng thấp nhất có thể, trong thành phần phối liệu Do lượng ñất sét sử dụng trong thành phần ñược hạn chế, ñộ co nung của

hệ vật liệu gốm khá thấp ngay cả trong trường hợp thiêu kết ở nhiệt ñộ cao

ðộ co nung của hệ gốm sử dụng chế tạo phin lọc xỉ ảnh hưởng rất lớn ñến ñặc tính và cấu trúc của sản phẩm Do toàn hệ mạng xốp ñược hình thành từ

cấu trúc xốp của polyurethane ñược phủ phối liệu gốm chịu lửa Khi thiêu kết, nếu ñộ co nung của vật liệu gốm quá lớn sẽ dẫn ñến tình trạng phá hủy hoặc sai lệch cấu trúc mạng xốp của phin lọc

Rất nhiều công trình nghiên cứu, các giải pháp công nghệ ñề cập ñến quá trình công nghệ chế tạo phin lọc xỉ trên cơ sở hệ vật liệu gốm SiC liên kết aluminum silicate Tùy thuộc nhiệt ñộ sử dụng, khối lượng gang hoặc thép lỏng ñược sử dụng cho một chi tiết ñúc, thành phần hóa và mức ñộ ăn mòn vật liệu của kim loại lỏng nóng chảy… tỷ lệ SiC sử dụng có thể dao ñộng trong khoảng từ 50-99,5% trong thành phần phối liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ Theo Brockmeyer, J., Aubrey, L., và các cộng sự, phin lọc xỉ sử dụng cho sản phẩm ñúc gang nóng chảy có thể chế tạo thành công từ hệ phối liệu gốm SiC có tỷ lệ sau [7]:

Bảng 2: Thành phần phối liệu cơ bản ñược công bố:

Phin lọc xỉ ñược chế tạo từ hệ vật liệu gốm SiC liên kết giàu silica và aluminum silicate này cho phép làm việc ổn ñịnh và an toàn trong khoảng nhiệt ñộ ñến 13500C [7]

Một trong những hướng nghiên cứu nhằm tăng cường khả năng chịu bền sốc nhiệt của phin lọc xỉ cũng ñược ñề cập ñến nhờ việc bổ xung một tỷ lệ

thích hợp cốt liệu sợi gốm alumino-silicate Trong nghiên cứu này, Azumi, S

ñã chỉ ra rằng, việc sử dụng sợi gốm alumino-silicate với tỷ lệ từ 1-3% cải

thiện ñáng kể ñặc tính cơ nhiệt của vật liệu SiC ở ñây giữ vai trò khung cấu trúc chịu lửa và tải trọng [8]

Bảng 3: Thành phần phối liệu cơ bản ñược công bố:

Alumino-silicate cấu trúc dạng sợi tương tác với alumina và silica siêu mịn

có trong thành phần pha liên kết ñưa vào phối liệu, bao xung quanh các hạt SiC hình thành một hệ vật liệu cấu trúc mạng lưới ổn ñịnh và tăng cường cường ñộ cơ học Do ñộ bền cơ học ñược cải thiện, hệ vật liệu này cho phép chế tạo phin lọc gốm với kích thước mỏng hơn khi so sánh với vật liệu SiC liên kết gốm không sử dụng sợi alumino-silicate tăng cường

Hồ phối liệu trên chuẩn bị trong máy nghiền bi, ñược bổ xung nước và

ñiện giải và phủ lên vật liệu xốp polyurethane kích thước 50x50x22mm Mẫu

nhận ñược ñược sấy khô tại nhiệt ñộ 180-1900c và nung thiêu kết tại 12000C, lưu 1h Mẫu phin lọc xỉ ñược kiểm nghiệm ñạt cường ñộ kháng nén trung bình 2,7kg/cm2

Mẫu phin lọc ñược thử nghiệm thực tế với gang nóng chảy ñúc tại nhiệt ñộ

13500C ñạt chất lượng yêu cầu [8]

Một hướng tiếp cận hệ vật liệu gốm trên cơ sở nền SiC khác cũng ñược ñặt mối quan tâm nghiên cứu là hệ SiC tái kết tinh Theo Adler, J và các ñồng nghiệp [9], hệ vật liệu SiC ñược tổng hợp trên cơ sở cấp phối hạt SiC kích thước từ 10-50µm với hạt siêu mịn kích thước trung bình 2µm, tỷ lệ 40/60

Một lượng nhỏ 0,6% phụ gia tăng cường kết khối boron carbide hoặc alumium carbide ñược bổ xung trong thành phần phối liệu Phối liệu cấp phối

ñược chuẩn bị và phủ lên vật liệu xốp polyurethane kích thước 40x40x25mm

với kích thước lỗ xốp 10 lỗ/inch dài Mẫu thử nghiệm ñược thiêu kết ở

1800-23000C trong môi trường argon bảo vệ, lưu 1h tại nhiệt ñộ cao

Do ñịnh hướng sử dụng cấp phối hạt SiC trong thành phần phối liệu, ñộ co nung của phin lọc xỉ ñược giảm xuống mức tối thiểu và nằm trong khoảng 4-8% Mẫu gốm thu ñược có cấu trúc rất mịn, xít ñặc, ñộ xốp rất thấp với các lỗ xốp có cấu trúc kín Lượng phụ gia tăng cường hỗ trợ kết khối tái kết tinh

ñược sử dụng với tỷ lệ thấp, do ñó ñộ co gây ra do quá trình kết khối thứ sinh

hầu như không có ảnh hưởng một cách ñáng kể

Tải trọng phá hủy trung bình ñối với mẫu thử kích thước ñường kính 20mm ñạt 300N (~30,5kg) tại nhiệt ñộ thường và giảm xuống 285N (~29,0kg) ñối với mẫu qua thử nhiệt tại 10000C

3 ðịnh hướng nghiên cứu:

Trên cơ sở tham khảo, nghiên cứu và kế thừa những thành tựu công nghệ của các hãng sản xuất sản phẩm phin lọc xỉ cho kim loại nóng chảy nước ngoài, kết hợp với việc phân tích và khảo sát, kiểm nghiệm ñặc tính cơ nhiệt của sản phẩm nhập ngoại hiện ñang ñược sử dụng tại các cơ sở sản xuất trong nước, nhóm thực hiện ñề tài rút ra một số nhận ñịnh cơ bản sau:

- Nguyên liệu sử dụng ñể tổng hợp vật liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ kim loại nóng chảy dựa trên nền vật liệu SiC liên kết gốm

- ðất sét chịu lửa, alumina và zircon ñược bổ xung nhằm mục ñích tổng hợp pha liên kết thứ sinh liên kết các hạt SiC

- Tỷ lệ hàm lượng SiC và các phụ gia liên kết tái kết tinh tinh thể thứ sinh có ảnh hưởng rất lớn ñến ñặc tính cơ lý và ñộ bền xỉ, chống thẩm thấu và xâm thực của gang hoặc thép lỏng nóng chảy

- Cấu trúc phin lọc xỉ là những lỗ xốp hở, liên kết mạng lưới ba chiều dàn ñều tải trọng Cấu trúc này ñược tạo thành từ việc sử dụng vật liệu xốp polyurethane ñịnh hình phủ phối liệu gốm chịu lửa, thiêu kết ở nhiệt ñộ cao

- Trọng lượng phối liệu gốm ñược phủ lên bề mặt xốp polyurethane, mật ñộ lỗ xốp của vật liệu này, ñược xác ñịnh theo số lỗ/1 inch chiều dài (ppi), sẽ quyết ñịnh ñộ xốp hở và mật ñộ lỗ xốp của phin lọc xỉ

Bảng 4: Thành phần hóa cơ bản của vật liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ nhập ngoại:

M.N.Rama Rao & Company.

Bảng 5: Thông số kỹ thuật cơ bản của một số phin lọc xỉ:

PHẦN II NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu, lựa chọn nguồn nguyên liệu sử dụng ựể sản xuất phin lọc

xỉ cho sản phẩm ựúc gang và thép nóng chảy

- Nghiên cứu công nghệ tạo hình phin lọc xỉ cấu trúc mạng lỗ xốp hở không gian ba chiều

- Nghiên cứu các ựặc tắnh và thông số cơ, lý, hóa của sản phẩm

- Xác lập bài phối liệu tối ưu

- Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm

- Kiểm ựịnh các thông số công nghệ và tắnh năng sản phẩm

- Tiến hành triển khai sản xuất thử

- Thử nghiệm sản phẩm trong ựiều kiện thực tế và ựánh giá kết quả

Từ mục tiêu ựặt ra nghiên cứu ựặt ra của ựề tài, nhóm thực hiện ựề tài trên

cơ sở nghiên cứu ựánh giá thực trạng nhu cầu thực tế sản xuất, tham khảo các tài liệu nghiên cứu công nghệ và kỹ thuật của các hãng sản xuất vật liệu chuyên ngành, kết hợp với việc kế thừa các thành tựu nghiên cứu khoa học và công nghệ những năm gần ựây:

- Phương pháp nghiên cứu: khoa học và công nghệ thực nghiệm

- Phân tắch và ựánh giá, lựa chọn nguồn nguyên liệu chắnh, kết hợp với việc tham khảo các thông số công nghệ ựã ựược các hãng nước ngoài

sử dụng trong việc tổng hợp thành công sản phẩm phin lọc xỉ ựúc gang

và thép nóng chảy ựã thương phẩm hóa

- Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm phòng thắ nghiệm với các mẫu nhỏ, kiểm nghiệm các thông số kỹ thuật, xác ựịnh các thông số công nghệ tối ưu của phối liệu lựa chọn, lựa chọn phối liệu tối ưu

- Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm phin lọc xỉ kim loại nóng chảy Thử nghiệm sản phẩm trong ựiều kiện thực tế sản xuất

đánh giá các thông số công nghệ, kết hợp với việc ựiều chỉnh tối ưu

các thông số ñó, tiến hành sản xuất thử nghiệm quy mô nhỏ Sản xuất phin lọc xỉ cho các sản phẩm ñúc gang và thép

Thiết bị thực nghiệm:

- Thiết bị ñập nghiền và gia công nguyên liệu

- Thiết bị sấy và nung mẫu thử nghiệm nhiệt ñộ cao

- Thiết bị kiểm ñịnh cường ñộ kháng uốn, kháng nén vạn năng

- Thiết bị phân tích thành phần hóa theo phương pháp quang phổ

- Thiết bị phân tích thành phần hạt theo phương pháp laser và sàng tiêu chuẩn

- Thiết bị phân tích thành phần pha khoáng theo phương pháp nhiễu xạ x-ray

- Các thiết bị khuấy, trộn và phụ trợ

PHẦN III THỰC NGHIỆM

Nguyên liệu cho quá trình tổng hợp phin lọc xỉ cho kim loại nóng chảy

ñược lựa chọn trên cơ sở ñáp ứng ñầy ñủ các chỉ tiêu cơ, lý, hóa, nhiệt của sản

phẩm tương ñương nhập ngoại, xét ñến cả khả năng cung cấp ổn ñịnh và lâu dài của từng nhà cung cấp cùng với giá thành của nguyên liệu và cước phí vận chuyển cũng như biểu thuế nhập khẩu

Mặc dù nhóm nghiên cứu ñã cố gắng tìm hiểu, phân loại, lựa chọn các nguồn nguyên liệu trong nước, tuy nhiên do ñặc ñiểm phân bố tài nguyên, trữ lượng và chất lượng nguyên liệu trong nước hiện tại hầu như không thể ñảm bảo cho chất lượng sản phẩm tạo ra cũng như ñáp ứng nhu cầu ổn ñịnh và lâu dài về cả số lượng cũng như chất lượng Giải pháp mang tính khả thi trong thời ñiểm hiện tại cho nguồn nguyên liệu là nhập khẩu từ các nhà phân phối lớn tại Trung Quốc:

- Sạn Green Silicon Carbide Micropowder #600, hàm lượng trên 98,5% SiC, kích thước ≤ 25µm Zhengzhou Xindaxin Science & Technology Co., Ltd

- Alumina Micropowder, hàm lượng 99.5%, kích thước ≤ 2µm: Shanghai Yuejiang Titanium Chemical Manufacturer Co., Ltd

- Zirconium Silicate, hàm lượng 99,5%: South Africa

- 92/1734 Clay ball Doulton & Co., Ltd England

- Polyvinyl Alcohol (PVA), CAS No.: 9002-89-5 Zhejiang Cathaya International Co., Ltd

- Polyurethane foam 10-15ppi Dongguan Dihui Foam Sponge Co., Ltd

2.1 Chuẩn bị phối liệu:

Với ñịnh hướng tổng hợp hệ vật liệu gốm trên cơ sở SiC liên kết gốm aluminum silicate chịu lửa, bền sốc nhiệt, tăng cường khả năng chống chịu ăn mòn và thẩm thấu của xỉ kim loại nóng chảy, nhóm thực hiện ñề tài kế thừa những thành tựu nghiên cứu khoa học vật liệu ñạt ñược trong thời gian gần

ñây, tham khảo và phân tích ñối chứng các chỉ tiêu và thông số công nghệ của

các hãng sản xuất nước ngoài, cùng với việc tính toán lý thuyết và lựa chọn nguyên liệu ñầu cũng như thành phần hóa phối liệu một cách tối ưu sao cho sản phẩm thử nghiệm ñạt ñược những chỉ tiêu cơ lý cao nhất có thể trong ñiều kiện công nghệ hiện có, ñáp ứng các ñòi hỏi khắt khe của thực tế sản xuất tại các cơ sở

Thông qua việc khảo sát các chỉ tiêu cơ, lý, hóa, nhiệt của sản phẩm ñối chứng nhập ngoại, so sánh với ñiều kiện sử dụng thực tế, nhóm thực hiện ñề tài sơ bộ rút ra ñịnh hướng sau:

- Tỷ lệ và hàm lượng SiC có trong thành phần phối liệu gốm sẽ quyết

ñịnh dải nhiệt ñộ làm việc ổn ñịnh và tăng cường khả năng chống chịu

ăn mòn, xâm thực của xỉ kim loại nóng chảy

- Hàm lượng sét kết dính sử dụng trong thành phần phối liệu với mục

ñích tạo pha liên kết gốm aluminum silicate tái kết tinh liên kết bao bọc

SiC nhằm tăng cường cường ñộ cơ học của vật liệu, ñồng thời giảm thiểu mức ñộ oxy hóa và phá hủy SiC

- Alumia và zircon sử dụng trong thành phần phối liệu với mục ñích tổng hợp pha tinh thể mullite, mullite-zirconia thứ sinh, kết hợp với sét kết dính tạo pha liên kết phát triển cường ñộ cho hệ vật liệu

- Do lượng sét kết dính sử dụng trong phối liệu với tỷ lệ thấp, ñộ linh

ñộng của hồ phối liệu tương ñối thấp, cường ñộ cơ học và khả năng

bám dính hồ phối liệu vào bề mặt vật liệu xốp polyurethane thấp, việc

sử dụng PVA không nằm ngoài mục ñích tăng cường cường ñộ cơ học

và bám dính cho phối liệu hồ, tăng ñộ linh ñộng hồ phối liệu

- Dung dịch potasium silicate 30% ñược sử dụng ñể ñiều chỉ ñộ linh

ñộng của hồ phối liệu

Phối liệu nghiên cứu sử dụng SiC (Zhengzhou Xindaxin) với tỷ lệ dao

ñộng từ 60-75% ñược cân ñịnh lượng, bổ xung ñất sét kết dính (Doulton),

alumina (Shanghai Yuejiang) và zircon (South Africa) tùy theo từng bài PVA (Zhejiang Cathaya) và dung dịch ñiện giải potassium silicate (Việt nam) ñược

ñưa vào lần lượt với tỷ lệ 2,5% và 0,5% cho tất cả các bài phối liệu

Phối liệu ñịnh lượng ñược ñiều chỉnh lượng nước cho ñến ñộ ẩm 31-33%

và nghiền mịn trong máy nghiền bi với tỷ lệ bi/liệu=1/1 trong 8h

Hồ phối liệu nhận ñược có ñộ nhớt dao ñộng trong khoảng 34-36s/100ml

hồ, tỷ trọng hồ 1,93-1,96g/cm3

Xốp polyurethane (Dongguan Dihui) 75x75x25mm có mật ñộ lỗ 10ppi

ñược sử dụng ñể tạo cấu trúc lỗ xốp ba chiều cho phin lọc gốm

Cấu trúc liên kết chéo ba chiều ñiển hình của xốp Polyurethane

Sản phẩm phin lọc xỉ mộc ñược tạo hình bằng phương pháp nhúng lần lượt

từ 2-3 lần trong hồ phối liệu Trọng lượng hồ bám dính trên bề mặt tấm xốp sẽ quyết ñịnh kích thước lỗ xốp và ñộ xốp hở của phin lọc xỉ

Phin lọc xỉ mộc ñược sấy khô tại nhiệt ñộ từ 100-1100C và nung trong lò

ñiện cực SiC trong khoảng nhiệt ñộ từ 1360-14300C Tốc ñộ nâng nhiệt

1000C/h, lưu 1h tại nhiệt ñộ max

Sản phẩm mẫu thu ñược sau nung ñược kiểm tra và ñánh giá các chỉ tiêu

cơ, lý, hóa, ñộ bền thấm xỉ và ñộ chịu lửa

Bảng 6: Tỷ lệ phối liệu vật liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ:

Bảng 7: Thành phần hóa phối liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ:

Hồ phối liệu trên cơ sở nền SiC liên kết gốm aluminum silicate ñược chuẩn bị trong máy nghiền bi với ñộ ẩm từ 31-33% trong 8h Tỷ lệ bi/liệu=1/1 PVA 2,5% ñược bổ xung nhằm hỗ trợ khả năng lưu biến, chống lắng và tăng cường cường ñộ phối liệu mộc bám dính trên bề mặt xốp polyurethane Dung dịch potassium silicate 5‰ ñược sử dụng ñể ñiều chỉnh

ñộ linh ñộng của hồ phối liệu gốm SiC

Xốp polyurethane sử dụng cho chế tạo thử nghiệm phin lọc xỉ có cấu trúc kếnh xốp hở ba chiều liên kết chéo, kích thước 75x75x25mm, mật ñộ 10ppi Trọng lượng hồ phối liệu bám dính trên bề mặt mẫu sau khi sấy khô ñược kiểm tra và khống chế trong giới hạn từ 80-81g/mẫu nhằm chế tạo vật liệu phin lọc xỉ có ñộ xốp hở trung bình ñồng ñều khoảng 80%, khối lượng thể tích phin lọc xỉ cấu trúc lỗ xốp hở có mật ñộ 10ppi ñạt khoảng 0,55g/cm3

ðộ nhớt và tỷ trọng hồ phối liệu ñược kiểm tra bằng viscometter 100ml

tiêu chuẩn Ảnh hưởng của ñộ ẩm ñến khả năng linh ñộng của hồ và cường ñộ phối liệu mộc bám dính lên vật liệu xốp polyurethane, trọng lượng phối liệu

và mức ñộ ñồng ñều của phối liệu khi bám dính trên bề mặt xốp ñược nghiên cứu và ñánh giá kết quả

Bảng 8: Ảnh hưởng tính chất hồ phối liệu ñến khả năng tạo hình

ðộ linh ñộng của hồ phối liệu có ảnh hưởng rất lớn ñến tốc ñộ bám dính,

ñộ dày mỗi lớp hồ phối liệu trên bề mặt xốp sau mỗi lần nhúng trong dung

dịch huyền phù phối liệu gốm ðộ nhớt này chịu ảnh hưởng của ñộ ẩm tương

ñối của phối liệu hồ, hàm lượng PVA bổ xung và tỷ lệ dung dịch ñiện giải

potassium silicate

Với cùng hàm lượng PVA và ñiện giải potassium silicate, ñộ nhớt của hồ phối liệu chịu ảnh hưởng khá nhiều vào ñộ ẩm tương ñối của huyền phù Khi

ñộ ẩm phối liệu hồ nằm trong dải dưới 28%, ñộ nhớt của tất cả các bài hồ

phối liệu ñều nằm ở giá trị khá cao từ 44-47s Trong trường hợp này, mẫu xốp polyurethane chỉ cần duy nhất một lần nhúng trong phối liệu hồ là ñạt ñược trọng lượng 80-81g/mẫu, trọng lượng tính toán khống chế Tuy nhiên, mức ñộ bám dính của hồ trên toàn bộ bề mặt xốp không ñều, cường ñộ cơ học của hồ bám dính sau sấy không cao dẫn ñến tình trạng khuyết tật, ñứt gãy các liên kết chéo trong cấu trúc của phin lọc xỉ

Ngược lại, trường hợp ñộ ẩm của phối liệu hồ vượt trên mức 36% ðộ nhớt hồ khá nhỏ và nằm trong khoảng 29-31s, hồ linh ñộng và loãng ðể ñạt

ñược trọng lượng khô 80-81g/mẫu, mẫu xốp polyurethane cần phải nhúng từ

5-6 lần trong phối liệu hồ Hồ bám ñồng ñều trên bề mặt, cường ñộ bám dính tốt tuy nhiên do phải nhúng nhiều lần, thời gian tạo hình một mẫu gốm thường phải kéo khá dài

ðể phối liệu hồ có khả năng bám dính tốt và ñồng ñều trên bề mặt vật liệu

xốp polyurethane, ñộ linh ñộng của hồ phối liệu cần ñược ñiều chỉnh trong khoảng từ 34-36s tương ñương với ñộ ẩm tương ñối khoảng 31-33% Mẫu xốp polyurethane kích thước 75x75x25mm, 10ppi ñược nhúng trong huyền phù phối liệu gốm từ 2-3 lần Trọng lượng hồ phối liệu sau khi sấy khô bám dính trên bề mặt xốp trung bình dao ñộng trong khoảng 80-81g/mẫu Hồ phối liệu bám dính tốt, ñồng ñều, cường ñộ cao và không gây khuyết tật trên toàn

bộ cấu trúc xương xốp của polyurethane

Mẫu thử nghiệm phin lọc xỉ kim loại nóng chảy ñược tạo hình từ khung cấu trúc xốp polyurethane kích thước 75x75x25mm, mật ñộ lỗ xốp 10ppi, trọng lượng phối liệu phủ 80-81g/mẫu và ñược nung thiêu kết trong lò ñiện cực SiC tại nhiệt ñộ 1360, 1400 và 14300C, tốc ñộ nâng nhiệt 1000C/h, lưu tại nhiệt ñộ cao 1h

Tại nhiệt ñộ 13600C, FS-60 và 65 bắt ñầu có biểu hiện kết khối, ñộ xốp vật liệu lần lượt nằm trong khoảng 7,6 - 7,9%, khối lượng thể tích ñạt 2,63g/cm3 Các phối liệu còn lại do tỷ lệ hàm lượng sét có trong phối liệu khá thấp, mức

ñộ kết khối tương kém hơn Hơn nữa, tổng tỷ lệ alumina trong thành phần pha

liên kết kết khối khá cao, do ñó các mẫu FS-70 và 75 ñều ñòi hỏi nhiệt ñộ kêt khối cao ðộ xốp và khối lượng thể tích trung bình của FS-70 và 75 lần lượt

ñạt 14,6 – 17,2%, khối lượng thể tích lần lượt ñạt 2,31 – 2,40g/cm3

Khi nhiệt ñộ kết khối vật liệu tăng, mức ñộ kết khối và xít ñặc vật liệu ñều tăng Tại 14000C, tất cả các hệ vật liệu ñều ñạt ñược giá trị ñộ xốp và tỷ trọng cao ðặc biệt ñối với mẫu FS-60 và 65 Ở nhiệt ñộ này, FS-60 có ñộ xốp trung bình khá nhỏ, ñạt 3,75% với khối lượng thể tích 2,72g/cm3 Khi kết khối tốt, toàn hệ vật liệu ñạt mức ñộ xít ñặc cao, các chỉ tiêu cơ lý cũng tăng cao ñáng

kể