Vật liệu chịu lửa - Chương 1 pdf

Chúng khác với các vật liệu xây dựng khác về những yêu cầu sau: Nhiệt độ đốt nóng trong các ghi đốt và lò công nghiệp hiện đại dao động chống lại tác dụng của nhiệt độ cao không bị nóng

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VLCL

I/Khái niệm

VLCL là vật liệu dùng để xây dựng các lò công nghiệp, các ghi đốt, các

các tác dụng khác nhau về mặt cơ học và hoá lí Chúng khác với các vật liệu xây dựng khác về những yêu cầu sau:

Nhiệt độ đốt nóng trong các ghi đốt và lò công nghiệp hiện đại dao động

chống lại tác dụng của nhiệt độ cao không bị nóng chảy

nhưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều các VLCL bắt đầu mềm và mất cường độ xây dựng Vì thế tác dụng của nhiệt độ cao lên VLCL không phải giới hạn ở nhiệt độ nóng chảy của chúng mà chất lượng của VLCL được đánh giá bằng khả năng chống lại các tác dụng của tải trọng xây dựng ở nhiệt độ xác định

Khi chịu tác dụng bởi nhiệt độ cao, phần lớn các VLCL đều giảm thể tích

do hiện tượng kết khối phụ Một số khác lại tăng thể tích như Dinat Sự biến đổi thể tích của VLCL có thể gây nên hư hỏng và phá huỷ vỏ lò Vì vậy VLCL phải có thể tích ổn định ở nhiệt độ dùng của chúng

Sự thay đổi nhiệt độ của lò khi đốt nóng và làm nguôị cũng như khi đốt nóng vỏ lò không đồng đều cũng gây nên nứt vở VLCL Do vậy cần phải có độ bền nhiệt

Lớp gạch lót trong lò công nghiệp hay các ghi đốt dễ bị huỷ hoại do tác dụng hoá học với tro xỉ nhiên liệu hay với các vật liệu nấu hay nung trong đó, vì vậy một yêu cầu nữa là cần có độ bền hoá

Hiện nay vẫn chưa có loại VLCL nào tập hợp đầy đủ các tính chất làm việc cần thiết để sử dụng một cách chắc chắn trong các điều kiện bất kì Mỗi dạng VLCL được đặc trưng bởi những tính chất nào đó của nó, trên cơ sở đó người ta xác định phạm vi sử dụng thích hợp Ví dụ: Dinat ở nhiệt độ cao có cường độ xây dựng lớn, có thể dùng rất tốt để xây vòm lò làm việc ở nhiệt độ cao Trong khi đó gạch manhêdi thường có độ chịu lửa cao và bền xỉ nhưng độ bền nhiệt thấp, nhiệt

độ biến dạng dưói tải trọng thấp không thể dùng ở vòm lò có lực xiên ngang

II/ Phân loại: Có nhiều cách phân loại

1. Theo bản chất hoá lí của nguyên vật liệu ban đầu có thể chia VLCL làm 8 nhóm chính:

1/ Nhóm silic: Gồm 2 nhóm nhỏ là dinat và thạch anh

2/ Nhóm Alumôsilicat: Gồm 3 nhóm nhỏ: Bán axit, sămôt, cao alumin

3/ Nhóm Manhêdi: Gồm 4 nhóm nhỏ: Đôlômit, Forsterit, Spinen, manhêdi4/ Nhóm crômit: Gồm 2 nhóm nhỏ: Crômit, crôm manhêdi

6/ Nhóm cácbon: Gồm 2 nhóm nhỏ: Cốc và Grafit

7/ Nhóm Cacbua Nitrua: Gồm 2 nhóm nhỏ: Cacborun và các loại khác

8/ Nhóm oxyt: Các oxyt tinh khiết

2. Theo độ chịu lửa: Chia làm 3 loại:

- Loại chịu lửa thường: Độ chịu lửa từ 1580-17700C

- Loại cao lửa: Độ chịu lửa 1770-20000C

- Loại rất cao lửa : độ chịu lửa >20000C

3. Theo hình dạng và kích thước: Chia làm 4 loại:

- Gạch tiêu chuẩn thường: Gạch hình chữ nhật và gạch hình chêm

- Gạch dị hình đơn giản

- Loại phức tạp

- Loại rất phức tạp và khối lớn

4. Theo đặc tính gia công nghiệt: 3 loại

- Loại không nung

- Loại nung

- Loại đúc từ chất nóng chảy

5. Theo phương pháp sản xuất: 3 loại

- Sản phẩm nén dẻo, nén bán khô hoặc nén dập từ phối liệu dạng bột không dẻo

Để xác định độ chịu lửa của vật liệu người ta dùng côn để đo

Côn này là 1 khối chóp cụt, 2 đáy là 2 tam giác đều có cạnh là 8 mm

này được đặt trong lò nung Lò nung có thể dùng lò điện, lò dùng khí hay các loại

lò khác miễn là các lò này đảm bảo nhiệt độ đồng đều trong toàn thể tích

Khi tăng nhiệt độ, pha lỏng xuất hiện và tăng theo nhiệt độ, độ nhớt giảm làm khối chóp mềm và cong lại Khi đầu côn chạm tới mặt đế thì nhiệt độ đó là nhiệt độ gục của côn hay nhiệt độ chịu lửa hay nhiệt độ nóng chảy có điều kiện của vật liệu Trong công nghiệp thường gọi độ chịu lửa bằng 1/10 nhiệt độ chịu

Để xác định độ gục của côn, không thể đo trực tiếp bằng nhiệt kế quang học

mà bằng cách so sánh với nhiệt độ gục của côn tiêu chuẩn Các côn tiêu chuẩn này được sản xuất từ hỗn hợp cao lanh, oxyt nhôm, quắc Côn nhiệt độ thấp người ta còn thêm một số chất trợ dung như trường thạch

Bảng 1: Các côn tiêu chuẩn

độ nâng nhiệt, hình dạng kích thước mẫu thí nghiệm, môi trường thí nghiệm

- Các vật liệu có thành phần hoá và thành phần khoáng khác nhau sẽ

có nhiệt độ chịu lửa khác nhau

Bảng 2: Nhiệt độ chịu lửa của một số VLCL

Bán Axit 1610-1710

Thành phần và cở hạt: Nếu hạt vật liệu càng lớn, nhiệt độ gục của côn càng cao

Nguyên nhân: Nếu kích thước hạt lớn, bề mặt tiếp xúc với nhau bé, điều kiện tạo thành điểm ơtecti kém đi, lượng pha lỏng tăng chậm, nhiệt độ gục côn tăng lên

Ví dụ: hỗn hợp 50% đất sét và 50% quắc có cỡ hạt 0,5mm có nhiệt độ gục

- Tốc độ nâng nhiệt: Thay đổi tốc độ nâng nhiệt trước giai đoạn kết nối sản phẩm thì không ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm Tăng tốc độ nâng nhiệt ở giai đoạn vật liệu đã mềm sẽ tăng nhiệt độ gục côn Tuy nhiên nếu cùng tăng tốc độ nâng nhiệt như nhau thì độ tăng nhiệt độ gục côn khác nhau không giống nhau Nguyên nhân chính: ảnh hưởng tốc độ nâng nhiệt lên tốc độ phản ứng hoá học tạo thành pha lỏng ở các vật liệu khác nhau không giống nhau Vì thế qui định: Tốc độ

hơn nên nhiệt độ gục côn thấp hơn Qua nhiều thực nghiệm thấy rằng: VLCL chứa sắt thì nên xác định trong môi trường trung tính hay oxi hoá

2 Cường độ xây dựng ở nhiệt độ cao

Là khả năng chống lại đồng thời tác dụng của nhiệt độ và tải trọng cơ học

biểu thị khoảng mềm khi đó sản phẩm sẽ bị biến dạng dẻo

Tải trọng thực tế thường nhỏ hơn tải trọng kiểm tra nhiều lần Cao nhất

Liên Xô (GOST 4070-48) ngưòi ta cắt sản phẩm ra thành hình trụ có đường kính 36mm, cao 50mm Mẫu này đặt trong lò điện và luôn chịu một tải trọng không đổi

Quá trình xác định sẽ tìm ra 3 nhiệt độ:

- Nhiệt độ biến dạng 4%: Ứng với độ lún của mẫu 2mm

- Nhiệt độ kết thúc biến dạng hay là nhiệt độ phá huỷ: Ứng với độ lún của mẫu 40% chiều cao ban đầu

Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng của VLCL đi từ các oxyt tinh khiết thường gần với nhiệt độ nóng chảy của nó, vì trong thành phần pha của sản phẩm lượng pha thuỷ tinh hầu như không có hoặc có chỉ rất ít Khi các pha tinh thể chủ yếu bắt đầu hoá mềm và biến dạng dẻo (sắp nóng chảy) thì sản phẩm mới bắt đầu

bị biến dạng Nhưng VLCL thường chứa một lượng tạp chất nên ở nhiệt độ cao chúng tạo một lượng pha lỏng làm hạ thấp nhiệt độ biến dạng của sản phẩm so với độ chịu lửa càng lớn Lúc này đặc tính cấu trúc phần tinh thể có giá trị lớn Các tinh thể chủ yếu đủ lớn tạo được một khung xương vững chắc, khắc phục được ảnh hưởng có hại của pha lỏng sẽ làm tăng nhiệt độ biến dạng Thể hiện rõ nhất ở Dinat

Dinat: có cấu trúc mạng lưói tinh thể trydimit rối loạn xen kẽ nhau chặt chẽ

chảy cao Các tinh thể trong dinat là liên kết bền vững, nó hoà tan trong pha lỏng không đáng kể.Vì thế dinat chỉ bị phá huỷ khi tridimit bắt đầu nóng chảy ở 1650-

như dốc thẳng đứng

Sản phẩm manhêdi: Chứa 91% MgO, gồm 90% tinh thể periclaz, 10% còn lại gồm MgO+ các tinh thể dễ chảy chủ yếu là silicat và pha thuỷ tinh Tinh thể periclaz khi tái kết tinh và lớn lên có dạng hạt không phải que hay trụ nên không tạo một mạng tinh thể chặt chẽ trong sản phẩm Các hạt tinh thể liên kết nhau bằng một lớp chất dễ chảy mỏng Nếu lớp này mềm ra, chảy ra sẽ làm sản phẩm mềm

nhiệt độ nóng chảy chất liên kết Khoảng cách giữa nhiệt độ biến dạng và nhiệt độ

biến dạng ở giai đoạn cuối dốc gần như thẳng đứng

Sămốt: Sản phẩm này bị biến dạng hơi khác khi tăng nhiệt độ Sămốt chứa

liên tinh thể bền vững Phần còn lại là pha thuỷ tinh silic có độ nhớt cao Vì thế khi tăng nhiệt độ khối thuỷ tinh mềm ra, độ nhớt giảm dần, pha lỏng tăng lên làm Sămốt biến dạng từ từ Mẫu thí nghiệm không bị phá huỷ ngay mà bị phình ra

Đường cong biến dạng của một số VLCL

12 Độ bền nhiệt (bền xung nhiệt)

Sự thay đổi nhiệt độ ở các lò nung và thiết bị làm việc gián đoạn hay sự dao động nhiệt độ ở các lò và thiết bị làm việc liên tục có thể gây nứt vỡ gạch xây dựng Tính chất của VLCL chống lại sự dao động nhiệt độ không bị phá huỷ gọi là

độ bền nhiệt

Nguyên nhân làm vỡ gạch vì dao động nhiệt là do khi đốt nóng và làm nguội sản phẩm sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ dẫn đến xuất hiện ứng xuất trong sản phẩm Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp song song với bề mặt đốt nóng và làm nguội sản phẩm phụ thuộc vào điều kiện đốt nóng và làm nguội, vào hệ số dẫn nhiệt độ a Hệ số dẫn nhiệt độ a đặc trưng tốc độ phân phối nhiệt độ trong vật liệu

và nó phụ thuộc vào các đại lượng vật lí sau:

Như vậy nếu điều kiện đốt nóng và làm nguội như nhau thì vật liệu sẽ có hệ

số dẫn nhiệt lớn, gradien nhiệt độ trong vật liệu càng nhỏ

Khi có sự chênh lệch nhiệt độ trong sản phẩm sẽ xuất hiện ứng suất do giãn nỡ nhiệt không đều, Như vậy muốn cho sản phẩm bền vững thì sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp phải nhỏ, nghĩa là hệ số dẫn nhiệt lớn hệ số giãn nõ nhiệt nhỏ

Ngoài ra người ta còn thấy rằng:

-Sản phẩm càng bền nhiệt nếu tính chất đàn hồi của vật liệu càng cao

- Kích thước và hình dạng sản phẩm cũng ảnh hưởng đến độ bền nhiệt sản phẩm có hình dạng nhiều góc cạnh, nhiều điểm uốn lượn thì kém bền nhiệt hơn so với sản phẩm dạng đơn giản

- Thực tế đã chỉ ra rằng bằng cách làm tăng kích thước hạt trong phối liệu (gạch Sămốt, manhêdi, corun) sẽ làm tăng độ bền nhiệt của vật liệu Nguyên nhân: với thành phần hạt như vậy cấu trúc của sản phẩm sẽ có những vết nứt li ti, các mối đứt gần quanh các hạt lớn làm tính linh động của các hạt tăng lên làm tăng độ bền nhiệt

- Phương pháp gia công phôi liệu và đóng khuôn sản phẩm cũng có thể thay đổi độ bền nhiệt

Phương pháp xác định độ bền nhiệt: Theo tiêu chuẩn Liên Xô (GOST 7875-56) gồm 4 bước:

+ Mẫu thử được chọn là viên gạch có kích thước tiêu chuẩn: 230x113x65 mm

hao hụt đến 20 % khối lượng ban đầu

Số lần đốt nóng và làm nguội như vậy gọi là độ bền nhiệt của vật liệu

Bảng 4: Độ bền nhiệt của vài loại VLCL

Khi làm nguội, bề mặt co lại chịu ứng suất kéo, vết nứt vuông góc bề mặt làm nguôi Khi đốt nóng bề mặt giãn nỡ chịu ứng suất nén, kẽ nứt xuất hiện dưới 1 góc

Hiện tượng giãn phụ không lớn lắm lại làm tăng cường độ của mạch vữa đặc biệt là vòm lò Nếu giãn quá nhiều làm vòm lò phồng lên, mất hình dạng hình học và phá huỷ sự phân phối ứng suất đồng đều ở vòm lò, có thể gây tụt vòm lò.

Sự ổn định thể tích của VLCL ở nhiệt độ cao cùng với cường độ xây dựng của chúng là điều kiện cần thiết để đảm bảo sử dụng chúng trong những cấu trúc chịu tải trọng ở các lò nung và ghi đốt

Phần lớn các sản phẩm chịu lửa ở nhiệt độ cao sẽ sít chặt lại so kết khối,làm

co sản phẩm Sự sít chặt này xảy ra đầu tiên do sức căng bề mặt của pha lỏng tạo

ra, gây nên hiện tượng phân phối lại và làm gần các hạt trong sản phẩm Khi duy trì ở nhiệt độ cao lâu dài, pha tinh thể lớn dẫn và làm sít chặt sản phẩm nếu tinh thể mới này tạo ra có mật độ lớn hơn so với nguyên liệu ban đầu Ví dụ: Sản phẩm

thể corun lớn lên làm sản phẩm co phụ Nhũng VLCL co phụ như Sămốt, Manhêdi, crôm Manhêdi

Một số VLCL khác lại nở phụ do tái kết tinh thành vật chất có trọng lượng riêng nhỏ hơn điển hình là dinat Trong dinat, một phần quắc chưa chuyển thành tridimit và cristoibalit khi nung, đến khi dùng nó tiếp tục chuyển hoá từ quắc (=2,65) thành các tinh thể trên (=2,3 và 2,32) làm sản phẩm nở phụ Nguyên nhân tương tự ở bán axit, silimanit

Biện pháp khắc phục:

Sự co phụ hay nở phụ của VLCL ở nhiệt độ cao đều do các quá trình tiến hành trong sản phẩm khi nung chưa hoàn thiện Vì vậy để đảm bảo tính ổn định thể tich ở nhiệt độ cao của VLCL ta nên nung lâu ở nhiệt độ ứng với điều kiện sử dụng này Nếu nung ở nhiệt độ quá cao sản phẩm sẻ bị thuỷ tinh hoá, biến dạng làm giảm độ bền nhiệt và tăng phế phẩm do sai kích thước và hình dạng

Sự co phụ của sản phẩm có thể hạn chế bằng cách cho thêm phụ gia giãn nở

ví dụ: Cho phụ gia quắc vào Sămốt sẽ bù trù sức co phụ của đất sét

Khi xác đinh nhiệt độ biến dạng dứơi tải trọng lưu ý: Nếu vật liệu nung chưa đạt yêu cầu thì nhiệt độ biến dạng sẽ thấp do trong thời gian thí nghiệm sản phẩm bị co phụ, hoặc sẽ cao nếu sản phẩm nở phụ Ở nhiệt độ biến dạng 4% và 40% thì không bị ảnh hưởng.

Xác định độ co phụ hay nở phụ của VLCL người ta tiến hành nung lại

ở nhiệt độ xác định, nhiệt độ này phụ thuộc điều kiện sử dụng sau này của tùng loại sản phẩm Thời gian lưu ở nhiệt độ này 2-3 h Sự biến đổi thể tích khi nung đựoc tính:

Sự biến đổi độ dài khi nung được tính gần đúng :

Độ co phụ và nở phụ yêu cầu ≥ 0,5-1% Nếu sản phẩm co phụ ngưòi ta dùng dấu (-) sản phẩm nở phụ dùng dấu (+)

2. Độ bền xỉ

Đó là khả năng chống lại sự ăn mòn và phá huỷ bởi môi trường ở nhiệt độ cao của VLCL

Môi trường tác dụng lên VLCL gồm có 3 dạng: Lỏng, khí, rắn

Vật thể lỏng tác dụng lên VLCL như xỉ nóng chảy ở lò luyện kim, kim loại nóng chảy, thuỷ tinh lỏng, tro xỉ nhiên liệu chảy lỏng ở các ghi đốt hay lò khí hoá

Vật thể rắn tác dụng lên VLCL như các bụi quặng , bụi phối liệu, bụi xỉ hoặc xỉ rắn, hay khi tiếp xúc giữa 2 VLCL với nhau

Môi trường khí tác dụng như sản phẩm cháy, nhiên liệu khí, sản phẩm hoá học như CO trong lò cao, cacbua hydro trong lò cốc các khí này thấm sâu vào các

lỗ xốp của gạch có thể gây phản ứng phá hoại làm hạ thấp cường độ gạch

Xỉ ăn mòn phá hoại gạch chịu lửa là nguyên nhân làm hỏng công trình hoặc phải ngừng lò để sữa chữa, do đó bằng biện pháp nào tăng được thời hạn tiếp xúc của gạch với môi trường sử dụng đều tăng tuổi thọ lò

Quá trình xỉ ăn mòn VLCL phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Nhiệt độ tác dụng của xỉ với gạch Nếu nhiệt độ tăng tác dụng phá hoại tăng lên rất nhiều do độ nhớt giảm tốc độ phản ứng tăng

- Thành phần khoáng, hoá của xỉ và gạch: Cũng như VLCL xỉ chia làm 3 loại: xỉ bazơ, xỉ axit và xỉ trung tính Gạch axit chống xỉ axit tốt hơn xỉ bazơ, và ngược lại Gạch trung tính chống được đồng thời cả 2 loại xỉ,

Ví dụ: Xỉ luyện kim bazơ thường chứa 50-75% oxyt kiềm thổ (Cao, MgO, FeO, MnO) phá huỷ mạnh gạch dinat và alumosilicat Phản ứng hoá học giữa

với gạch đôlômi, manhêdi, và crôm manhêdi Do đó việc lựa chọn gạch để xây lò phải căn cứ vào nhóm sản phẩm có thành phần khoáng hoá tương ứng

- Độ nhớt của xỉ ở nhiệt độ tác dụng phá hoại: Độ nhớt của môi trường có ảnh hưởng đến tốc độ hoà tan của gạch Độ nhớt càng nhỏ tốc độ hoà tan càng tăng Xỉ lỏng dễ thấm sâu vào các lỗ xốp của gạch, càng phá hoại sâu bên trong

- Cấu trúc của VLCL, kích thước lỗ xốp: Độ bền xỉ tăng lên nếu giảm độ xốp, giảm kích thước lỗ xốp Nếu độ xốp cao, kích thước lỗ xốp lớn càng dễ thấm sâu vào gạch và tác dụng với gạch trên một diện tích lớn, nên cần chọn loại gạch

có mật độ cao và ít tạp chất

- Thành phần môi trường khí: Môi trường khí ảnh hưởng đến mức độ phá hoại gạch CL Ví dụ: Sắt 3 trong môi trường khử biến thành sắt 2 là loại ăn mòn mạnh hơn so với sắt 3 Cũng có trường hợp chúng phá hoại trực tiếp gạch như khí

+C tạo thành than mồ hóng Than này chui vào lỗ xốp của gạch và do trọng lượng thể tích của nó lớn nên gây ứng suất làm vỡ gạch

- Sự phá huỷ VLCL ở nhiệt độ cao còn do tiếp xúc giữa 2 loại gạch có bản chất hoá học khác nhau Nguyên nhân là do phản ứng hoá học xảy ra giữa 2 loại gạch ở chỗ tiếp xúc tạo nên hợp chất dễ nóng chảy Ví dụ: Gạch manhêdi khi tiếp

giữa 2 loại gạch khác nhau như dinat và manhêdi phải xử dụng gạch trung tính Crôm manhêdi ỡ giữa

- Quá trình xỉ ăn mòn VLCL thường xảy ra đồng thời với nhiều yếu tố tác động, cho nên tìm 1 chỉ tiêu nào để đánh giá độ bền xỉ của VLCL rất khó khăn Lí tưởng nhất là nghiên cứu các sản phẩm chịu lửa trong điều kiện sử dụng thực tế

- Người ta so sánh mức độ bền xỉ của nhiều loại chén từ VLCL khác nhau chịu tác dụng 1 loại xỉ nóng chảy trong nó hoặc 1 loại VLCL tác dụng bởi nhiều loại xỉ khác nhau