Thiết kế máy sản xuất gạch chịu lửa loại sản phẩm samốt caoalumin, công suất 60.000 tấn / năm

Tài liệu tham khảo Thiết kế máy sản xuất gạch chịu lửa loại sản phẩm samốt caoalumin, công suất 60.000 tấn / năm

Đề tài:

Thiết kế nhà máy sản xuất gạch chịu lửa loại sản phẩm samốt caoalumin,

công suất 60.000 tấn /năm (Trong đó gạch tiêu chuẩn chiếm 80%, gạch dị hình

chiếm 20% loại nêm nghiêng )

Lời mở đầu

A - phần khái quát chung.

Công nghiệp vật liệu chịu lửa là công nghiệp sản xuất các sản phẩm làmviệc ở nhiệt độ cao, song song với các công nghiệp khác công nghiệp vật liệuchịu lửa không ngừng phát triển Vật liệu chịu lửa là hậu phơng không thể thiếu

đợc của công nghiệp luyện kim, công nghiệp năng lợng, công nghiệp hiệp hoáhọc, công nghiệp xi măng và một số ngành công nghiệp khác.

Do đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với công nghiệp nên công nghiệpvật liệu chịu lửa có lịch sử phát triển khá lâu dài gắn liền với sự phát triển củakhoa học kỹ thuật và công nghiệp thế giới Tại châu Âu, khoảng cuối thế kỷ thứXIV vật liệu chịu lửa samốt đóng thành viên từ đất sét chịu lửa bắt đầu đợc sảnxuất nhng cho đến năm 1856 mới xây dựng nhà máy vật liệu chịu lửa samốt đầutiên ở Nga Năm 1822 ở Anh có nhà máy vật liệu chịu lửa dinat đầu tiên và sau

đó ở Nga vào năm 1880 Vật liệu chịu lửa Dôlômit đầu tiên cũng đợc sản xuất tạiAnh năm 1878 Công nghiêp vật liệu chịu lửa ở các nớc phát triển không đềunhau, số lợng và mức độ ở nớc này hay nớc khác tuỳ mức độ phát triển của côngnghiệp nớc đó

Hiện nay trên thế giới có khoảng 2000 công ty sản xuất vật liệu chịu lửa

với tổng công suất thiết kế khoảng 40 triệu tấn/năm Mức độ tiêu thụ của ngành

thép là lớn nhất chiếm khoảng 70% tổng sản phẩm vật liệu chịu lửa Tiếp theo làngành xi măng chiếm 7%, hoá chất và dầu mỏ chiếm khoảng 4% kim loại màuchiếm khoảng 3%, các ngành khác 6% Về tiêu thụ vật liệu chịu lửa trên thế giớitheo khu vực nh sau: Nhiều nhất là khu vực Châu á- Thái bình dơng chiếm 40%,

Đông Âu và Liên Xô cũ chiếm 23%, tây Âu chiếm 15%,các nớc NAFTA (Mỹ,Canađa, Mêxico) chiếm 14%, các nớc Mỹ latinh chiếm 4%, châu Phi và Trung

đông chiếm 4%

(TS Lê Văn Thanh: sản xuất vật liệu chịu lửa- sản phẩm và thị trờng Tạp

chí Xây dựng 7 /2001)

ở Viêt Nam việc sử dụng vật liệu chịu lửa đã có từ rất lâu nhng do đất nớc

bị chiến tranh, công nghiệp chậm phát triển nên sau khi miền bắc giải phóng nhàmáy gạch chịu lửa đầu tiên đợc xây dựng tại Cầu Đuống năm 1959 Từ nhữngnguyên liệu trong nớc và trình độ khoa học kỹ thuật, quản lý mới đầu còn hạnchế nên chất lợng sản phẩm còn kém cha đáp ứng đợc nhu cầu của các ngànhthép, xi măng, thuỷ tinh

Đến năm 1997 nớc ta mới có ba nhà máy sản xuất vật liệu chịu lửa sảnphẩm chủ yếu là gạch chịu lửa samốt có hàm lợng Al2O3 <45 %.

Ngày nay, trong điều kiện đất nớc ta tiến hành mạnh mẽ "công nghiệphoá- hiện đaị hoá "đất nớc Vật liệu chịu lửa đóng vai trò đặc biệt quan trọngtrong các ngành công nghiệp mà Việt Nam có nhiều tiềm năng nh xi măng , gốm

sứ, thuỷ tinh Do vậy cần phải tăng cờng năng lực sản xuất vật liệu chịu lửa đặcbiệt là các loại sản phẩm samốt caoalumin để đáp ứng đợc nhu cầu các ngànhtrong nớc và tiến tới xuất khẩu ra các nớc trong khu vực Theo thống kê thì nănglực sản xuất gạch chịu lửa loại samốt caoalumin của Việt Nam năm 2000 là

6.000 tấn, dự kiến năm 2005 sản lợng đạt là 13.000 tấn, đến năm 2010 là 33.000 tấn.

Từ thực tế trên ta thấy rằng năng lực sản xuất gạch samốt caoalumin mới

đáp ứng đợc một phần của nhu cầu sử dụng hiện tại, trong tơng lai nhu cầu đócòn tăng cao thì mới đáp ứng đợc nhu cầu "công nghiệp hoá - hiện đại hoá" đấtnớc, đa nớc ta trở thành một nớc công nghiệp Vì vậy tôi đợc giao nhiệm vụ:Thiết kế nhà máy sản xuất gạch chịu lửa loại sản phẩm samốt caoalumin, công

suất 60.000 tấn/năm.

Nhằm hoàn thiện thêm kiến thức chuyên ngành của mình, nếu trở thànhhiện thực nó sẽ giải quyết cơ bản nhu cầu gạch chịu lửa samốt caoalumin ở ViệtNam và xuất khẩu đi một số nớc trong khu vực

Chơng 1- Giới thiệu sản phẩm.

Khái niệm và phân loại sản phẩm

I.1 Khái niệm

Samốt caoalumin là loại vật liệu chịu lửa thuộc nhóm alumosilicat vớihàm lợng Al2O3 + TiO2 > 45%

Samốt caoalumin đợc sản xuất từ đất sét, cao lanh chịu lửa và các nguyênliệu nhân tạo Phối liệu bao gồm: Chất kết dính – là đất sét hay cao lanh chịulửa; chất làm gầy: samốt – là đất sét hay cao lanh và nguyên liệu nhân tạo đãnung đến kết khối Sản phẩm đợc sử dụng chủ yếu trong các lò ximăng, lò luyệnthép, thủy tinh, …

I.2 Phân loại sản phẩm

I.2.1 Phân loại theo hàm lợng nhôm trong sản phẩm

Tuỳ theo hàm lợng Al2O3+ TiO2 có trong sản phẩm ngời ta phân ra làm baloại sau:

Loại A : Từ 45  60 % (Al2O3+ TiO2)

Loại B : Từ 60  75 % (Al2O3+ TiO2)

Loại C : Từ >75 % (Al2O3+ TiO2)

(Nguyễn Đăng Hùng: Kỹ thuật sản xuất vật liệu chịu lửa tập 1 trang 196.Nhà xuất bản giáo dục 1966)

Hàm lợng Al2O3 không chỉ là dấu hiệu để chia loại sản phẩm mà nó cònquyết định những tính chất cơ bản của sản phẩm và cũng là căn cứ để lựa chọnnguyên vật liệu, kỹ thuật sản xuất thích hợp

I.2.2 Phân loại theo hình dạng và kích thớc sản phẩm

Bao gồm các loại sau:

+ Loại tiêu chuẩn

+ Loại dị hình đơn giản: Các loại gạch nêm đứng, nêm nghiêng, nêm

+ Sản phẩm đúc từ hồ hay chất nóng chảy.

II Các tính chất của sản phẩm

Tuỳ theo thành phần khoáng hoá của sản phẩm và cấu trúc của nó mà cácsản phẩm có tính chất khác nhau Các tính chất của vật liệu chịu lửa samốtcaoalumin sẽ xác định khả năng thích ứng của chúng để sử dụng trong điều kiện

cụ thể Khi xét đến vật liệu samốt caoalumin nói riêng và vật liệu chịu lửa nóichung ngời ta phải xét đến các tính chất sau

II.1 Đặc trng về cấu trúc và kết cấu

II.1.1 Cấu trúc và kết cấu của vật liệu chịu lửa samốt caoalumin

Cấu trúc - đó là đặc điểm về cấu tạo của vật liệu Nó xác định bởi kích

th-ớc hạt, hình dạng, cách phân bố, hớng và sự tiếp xúc giữa các hạt, bởi số lợng vàchất lợng thành phần pha và bởi độ rỗng xốp

Kết cấu - là đặc điểm của sự sắp xếp, phân bố tơng hỗ giữa các cấu tửtrong cấu trúc vật liệu

Cấu trúc của vật liệu nói chung có ảnh hởng lớn và quyết định đến mọitính chất của nó Cấu trúc của vật liệu chịu lửa là tổng thể có sự sắp xếp xen kẽ

và kết hợp lẫn nhau của ba pha: Pha tinh thể, pha thuỷ tinh và pha khí

Pha tinh thể: Bao gồm củ yếu là tinh thể mulít và những hạt quắc cha thamgia phản ứng, một phần nhỏ hạt không hoạt tính ở trong khoáng caolinnít và cònlại ở dạng cristôbalít

Pha thuỷ tinh: Khi nung sản phẩm gốm sẽ hình thành chất nóng chảyalumôsilicát kiềm với số lợng khác nhau làm ảnh hởng đến các quá trình hìnhthành cấu trúc sản phẩm và tính chất của chúng Chất nóng chảy nguội đi, đông

đặc lại tạo nên pha thuỷ tinh

Pha khí: Là thành phần cấu trúc thứ ba của vật liệu, nó chiếm đầy trongcác lỗ rỗng kín thờng có trong vật liệu ngay cả khi độ rỗng hiệu dụng bằngkhông Nguyên nhân sự hình thành pha khí này là không khí chứa trong các lỗrỗng, các sản phẩm dạng khí của quá trình khử nớc (đề hyđrat), do quá trìnhphân ly, quá trình khử cácbonát, quá trình khử ôxít sắt, quá trình ôxi hoá cácchất hữu cơ còn lại trong nguyên liệu, tách khí trong quá trình nóng chảy các cấu

tử của phối liệu và các quá trình khác

Bằng cách nghiên cứu vi cấu trúc và cấu tạo của nó, ngời ta có thể xác

định cấu trúc của vật liệu chịu lửa nói chung Nghiên cứu vi cấu trúc cho biếtbản chất của pha tinh thể, đặc trng cấu trúc của nó và qui luật kết hợp pha tinhthể với pha thủy tinh và lỗ rỗng trong sản phẩm Việc nghiên cứu kết cấu nhằmxác định thể tích các lỗ rỗng, kích thớc, hình dạng và vị trí tơng hỗ của chúngtrong sản phẩm Vì vậy nghiên cứu các tính chất của vật liệu chịu lửa cần nghiêncứu cấu trúc của nó một cách toàn diện và tỉ mỉ

Các nhà nghiên cứu trên thế giới đều cho rằng: Vật liệu chịu lửa, đặc tínhthành phần pha và cấu trúc pha của nó có ý nghĩa quyết định đến tính chất sảnphẩm Thành phần pha – Ta nên hiểu đó là bản chất và đặc điểm cấu trúc củapha tinh thể, sự kết hợp về mặt định lợng với pha thủy tinh (vô định hình) Vì vậtliệu chịu lửa phải làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao nên một trong những yêu cầurất quan trọng về thành phần pha là cần khống chế lợng pha thuỷ tinh, với thànhphần hoá xác định, có số lợng nhỏ nhất Đồng thời cần phải hình thành nhiềukhoáng có ích với kích thớc tinh thể nhất định Để nghiên cứu và điều chỉnh đặc

điểm cấu trúc này ngời ta phải sử dụng các phơng pháp hoá lý hiện đại nh phântích nhiệt, phân tích pha và cấu trúc pha bằng nhiễu xạ Rơnghen kính hiển vi

điện tử, kính hiển phân cực

Phân tích bằng tia Rơnghen cho phép xác định bản chất và số lợng phatinh thể của sản phẩm Phân tích nhiệt và phân tích pha bằng tia Rơnghen ở nhiệt

độ cao cho phép xác định nhiệt độ xuất hiện các pha mới và sự chuyển hoá phatinh thể trong quá trình nung chúng Tuy nhiên những phơng pháp này không thểxác định đầy đủ mối quan hệ định lợng giữa pha tinh thể và pha thuỷ tinh, đặc

điểm phân bố chúng Bởi vì pha thuỷ tinh không gây nên sự định hình bởi tiaRơnghen (vì pha thuỷ tinh không tạo nên sự khúc xạ của tia Rơnghen) Để khắcphục điểm yếu này ngời ta sử dụng phơng pháp phân tích thạch học để xác địnhthành phần khoáng và đặc điểm vi cấu trúc của sản phẩm Dới kính hiển vi phâncực ngời ta có thể xác định đợc các đặc trng quang học nh sự phân bố thành phầnkhoáng, hệ số chiết suất của chúng hình dạng các khoáng Từ đó ngời ta biếtdợc quá trình hình thành khoáng trong sản phẩm Việc nghiên cứu thạch học còncho phép xác định một cách chi tiết, tỉ mỉ các quá trình quan trọng xảy ra khinung sản phẩm nh sự kết khối, sự tơng tác hoá học xảy ra giữa các pha, hiện tợngbiến đổi pha (các quá trình hoà tan,kết tinh và tái kết tinh )

I.1.2 Độ xốp và độ thấm khí ( thấm chất lỏng )

Sản phẩm vật liệu chịu lửa là tổng thể kết hợp của các vật chất rắn (phatinh thể và pha thuỷ tinh) và pha khí (các lỗ xốp) Thể tích của lỗ xốp: kích th ớc

và sự phân bố, hình dạng của chúng ảnh hởng lớn đến các tính chất của sảnphẩm chịu lửa nh : các tính chất vật lý (độ đăc, khối lợng riêng, độ xốp, độ dãn

nở, độ xuyên thấm, độ hút ẩm), các tính chất cơ học (độ bền kéo, uốn, nén)

Cờng độ cơ học của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào độ xốp của sảnphẩm, khả năng bền xỉ của vật liệu chịu lửa liên quan trực tiếp đến mức độ thấm

ớt xỉ lỏng nóng chảy của nó mà mức độ thấm ớt này lại phụ thuộc vào số lợng,

sự phân bố, kích thớc, hình dạng và đặc tính của lỗ xốp trên bề mặt và trong lòngsản phẩm

Ngời ta chia các loại lỗ xốp thành các nhóm sau:

Lỗ xốp kín: nằm trong lòng sản phẩm, không cho các chất lỏng và khíthấm qua

Lỗ xốp hở: nằm trên bề mặt sản phẩm, chứa đầy khí và chất lỏng nhngkhông cho chúng thấm qua sản phẩm

Lỗ xốp thông nhau (dạng kênh): hở hai đầu cho chất khí và chất lỏng thấmqua một cách dễ dàng.

Khả năng thấm khí (thấm chất lỏng) của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vàokích thớc, số lợng, hình dạng của loại lỗ xốp thông nhau và vào sự chênh lệch ápsuất của khí hay chất lỏng ở hai đầu lỗ

Độ xốp của sản phẩm đợc đánh giá qua một số chỉ tiêu đặc trng sau:

+ Độ đặc thực (khối lợng riêng) - đó là khối lợng một đơn vị thể tích vậtliệu đặc tuyệt đối( không có lỗ rỗng )

Theo TCVN-177-65 nhóm H, khối lợng riêng của vật liệu chịu lửa xác

định bằng phơng pháp bình đo tỷ trọng Vật liệu khi đó đợc nghiền nhỏ qua sàng

900 lỗ/cm2. Tuỳ thành phần của sản phẩm, ngời ta có thể dùng nớc hoặc dầu hỏatrong bình tỷ trọng

Khối lợng riêng đợc xác định nh sau:

a =

1 0

1

0

g g

g





Trong đó: g 0 - Khối lợng mẫu cân trong không khí (g).

g 1 - Khối lợng mẫu cân thuỷ tĩnh trong chất lỏng (g).

1– Khối l ợng riêng của chất lỏng (g/cm 3 )

+ Độ đặc biểu kiến (khối lợng thể tích ) - đó là tỷ lệ giữa khối lợng vậtliệu với toàn bộ thể tích chiếm chỗ của nó, kể cả lỗ rỗng Khối lợng thể tích củavật liệu càng thấp thì độ rỗng càng cao và khi độ ẩm càng thấp

Theo TCVN - 178 – 65, độ xốp biểu kiến đợc xác định bằng thể tích củachất lỏng bị hút vào vật liệu khi đun sôi hoặc chân không

Độ xốp biểu kiến xác định theo công thức sau:

XBK=

3 2

1 2

g g

g g

g 2 - Khối lợng mẫu bão hoà cân trong không khí (g).

g 3 - Khối lợng mẫu cân trong nớc(g).

+ Độ đặc tơng đối – là phần thể tích của vật chất rắn trong vậtliệu Nó là tỉ số giữa độ đặc biểu kiến và độ đặc thực Nếu nh độ đặc thực và độ

đặc biểu kiến bằng nhau thì vật liệu hoàn toàn đặc- thuỷ tinh, nớc và các chấtlỏng khác, một số chất dẻo

+ Độ xốp thực - là tỷ số giữa tổng độ xốp hở và độ xốp kín so với thể tíchcủa mẫu Tỷ số giữa độ xốp thực của mẫu trớc khi nung và sau khi nung cho biếtmức độ kết khối của vật liệu nung

Trong đó:  a – Khối l ợng riêng của vật liệu đem thử (g).

0 - Khối lợng thể tích của vật liệu đem thử( g)

(Trích TCVN-178-65)

+ Độ xốp biểu kiến (độ xốp hở) - là tỉ số giữa thể tích của những lỗ xốpthông nhau và thông với không gian bên ngoài mà nớc có thể chui vào đợc vớithể tích mẫu Đôi khi các lỗ xốp hở có thể thông suốt với nhau Điều này gắnliền với sự tăng độ thấm nớc của sản phẩm Độ xốp biểu kiến thờng đợc đặc trngbằng giá trị hút nớc Độ xốp giảm khi tăng độ kết khối của sản phẩm

Độ xốp biểu kiến xác định theo công thức sau:

XBK=

3 2

1 2

g g

g g





x 100 %

Trong đó: g 1 – Khối l ợng mẫu khô tuyệt đối cân trong không khí (g)

g 2 - Khối lợng mẫu bão hoà cân trong không khí (g).

g 3 - Khối lợng mẫu cân trong nớc(g).

+ Độ xốp kín: Là tỉ số giữa thể tích của tất cả các lỗ xốp trong vật liệukhông thông với môi trờng bên ngoài (đóng kín) với thể tích mẫu ( kể cả thể tíchtất cả các lỗ xốp)

+ Độ hút nớc (W): Đợc đặc trng bằng mức độ chứa đầy nớc trong lỗ xốp

hở của vật liệu khi đun sôi trong nớc và đợc biểu thị bằng %

Độ hút nớc xác định theo công thức sau:

W=

1

1 2

g

g

g 

x 100%

Trong đó: g 1 - Khối lợng mẫu bão hoà nớc cân trong không khí( g).

g 2 - Khối lợng mẫu khô tuyệt đối cân trong không khí (g).

Ví dụ: Vật liệu chịu lửa corun tinh khiết có độ đặc thực bằng 3,99  4 g/cm3

nh-ng khi có lẫn tạp chất dẫn tới tạo thành pha thuỷ tinh và các pha tinh thể kháclàm độ đặc của nó giảm rõ rệt

Sự biến đổi thù hình của các khoáng có mặt trong sản phẩm khi nung cũngdẫn đến làm thay đổi độ đặc

Giá trị độ xốp của sản phẩm là dấu hiệu chủ yếu để đánh giá mức độ kếtkhối của sản phẩm

Sản phẩm kết khối càng cao (trong khoảng kết khối của nó) thì dới tácdụng của lực tiếp tuyến F tác dụng nên bề mặt mẫu diện tích a.b, làm mẫu bị trợt

đi một góc , bề mặt phía trên bị trợt đi một khoảng là d Khi đó ứng suất trợtcực đại  đợc tính bằng b

F

 =

b a

F

. ;

Vậy giá trị  =

G b a

F

.

 - là góc trợt hay biến dạng đàn hồi

Giữa môđun đàn hồi E và môđun trợt G có mối quan hệ phụ thuộc đợcbiểu thị bởi công thức :

G=

) 1 (

E

; Trong đó : F - lực tiếp tuyến tác dụng lên mẫu

 - hệ số Poatxông –là tỷ số giữa sự biến đổi t ơng đối của chiều dày

và chiều dài mẫu thử khi kéo

 =

l l d d





;

Khi đó : d - đờng kính tơng đơng của mẫu thử

L – chiều dài mẫu thử.

Đa số vật liệu gốm có  = 0.2 0.25

Độ bền lý thuyết của các vật liệu tinh thể, tính theo lực liên kết giữa cácnguyên tử của chúng thờng dao động trong khoảng 1  10.105 KG/cm2 hay bằng1/10 trị số môdun đàn hồi E Tuy nhiên đối với vật liệu chịu lửa trị số độ bền lýthuyết thấp hơn nhiều và chỉ bằng 102104 KG/cm2 Có sự giảm độ bền nh vậy

là do trong cấu trúc mạng lới của nó có nhiều khuyết tật (tạp chất sai lệch vị trí,danh giới phân chia các hạt, các lỗ trống, sự khác nhau giữa các pha ) Ngoài ratrên bề mặt của sản phẩm còn hình thành một mạng lới các vết nứt tế vi, là nơi



tập trung ứng suất và dễ dàng dẫn tới phá huỷ sản phẩm dới tác dụng của ngoạilực

Tính chất cơ học của sản phẩm chịu lửa ở nhiệt độ thờng, đợc đánh giá bởicờng độ tức thời khi nén, kéo – uốn, cắt chủ yếu là cờng độ nén và uốn

Thông thờng trị số cờng độ cơ học của sản phẩm ở nhiệt độ thờng lớn hơnrất nhiều ứng suất thực tế xuất hiện khi sản phẩm phục vụ trong các lò côngnghiệp, vì vậy tốt nhất là có thể thử đợc trực tiếp vật liệu trong điều kiện làmviệc cụ thể

Cờng độ cơ học của sản phẩm còn phụ thuộc nhiều vào quá trình nung sảnphẩm Khi nung sản phẩm ở nhiệt độ kết khối với thời gian hằng nhiệt thích hợp

sẽ làm mật độ, cờng độ tăng lên rõ rệt và độ xốp biểu kiến giảm xuống Tuynhiên nếu nhiệt độ nung vợt quá nhiệt độ kết khối thì độ xốp biểu kiến tăng dohiện tợng phồng rộp của pha thuỷ tinh

II.2 Tính chất cơ học của sản phẩm.

II.2.1 Tính chất cơ học ở nhiệt độ thờng.

ở nhiệt độ thờng khi có tác dụng của ngoại lực đủ lớn ,sản phẩm chịu lửa

bị phá huỷ Đặc trng của quá trình này là sự phá hoại dòn, thờng bắt đầu sau khi

đã bắt đầu biến dạng đàn hồi ở mức độ không lớn Khác với kim loại, sản phẩmchịu lửa khi phá huỷ ở nhiệt độ thờng có sự biến dạng dẻo ( theo TCVN 176-65nhóm H )

Biến dạng đàn hồi đợc xác lập do tăng khoảng cách giữa các nguyên tửkhi tăng ngoại lực tác dụng tác dụng nên sản phẩm và nó có liên quan rất lớntrực tiếp đến năng lợng mạng lới tinh thể của nó Trị số biến dạng đàn hồi ở giai

đoạn đầu tơng ứng với định luật Hook, tỷ lệ với trị số ứng suất :

 =

E

1

.

Trong đó :  - Trị số dãn dài tơng đối (biến dạng đàn hồi).

 - ứng suất kéo cực đại

E- Mô đun đàn hồi

Hiện tợng biến dạng trợt ( hiện tợng chảy dão )của vật liệu đợc biểu diễntheo công thức :

 - ứng suất trợt cực đại của sản phẩm

biến dạng đàn hồi trợt của sản phẩm thể hiện nh mức độ nguyên vẹn vềhình dạng, kích thớc, độ đồng nhất, độ đặc do quá trình tạo hình và nung sảnphẩm Nói chung các yếu tố kỹ thuật của mọi khâu trong dây chuyền sản xuất

đều ảnh hởng đến tính chất cơ học của sản phẩm ở nhiệt độ thờng

II.2.2 Tính chất cơ học ở nhiệt độ cao.

Vật liệu chịu lửa phải làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao Vì vậy giá trịcờng độ cơ học của chúng ở nhiệt độ thờng chỉ có ý nghĩa tơng đối mà không thể

đặc trng cho độ bền thực tế của sản phẩm khi làm việc ở nhiệt độ cao Vì vậy để

đánh giá tính chất cơ học của vật liệu chịu lửa ở nhiệt độ cao ngời ta phải sửdụng các thông số khác, đó là : cờng độ tức thời ở nhiệt độ làm việc, nhiệt độxác định mức độ biến dạng dới tải trọng tĩnh không đổi , sự biến dạng dẻo- hay

sự trợt, độ bền lâu dài ở nhiệt độ phục vụ (khi biến dạng dẻo )

II.2.2.1 Cờng độ tức thời ở nhiệt độ làm việc

Quá trình thay đổi cờng độ của sản phẩm chịu lửa khi nâng dần đếnnhiệt độ làm việc, có liên quan trực tiếp đến chất lợng phục vụ nó trong các lòcông nghiệp Khi nâng cao nhiệt độ, nói chung cờng độ cơ học của vật liệu chịulửa giảm Điều này có thể giải thích do sự suy yếu các lực liên kết bên trong tinhthể do tăng chuyển động dao động của các nguyên tử và phân tử của chúng Khi

nhiệt độ cao hơn 1100 12000C , trong vật liệu bắt đầu xuất hiện biến dạng dẻo

và mất dần tính dòn ở nhiệt độ thờng Vì vậy quá trình phá hủy vật liệu ở nhiệt

độ nào đó Tất nhiên cờng độ cơ học của vật liệu ở nhiệt độ cao có liên quan chặtchẽ với các quá trình hoá lí xảy ra trong chúng Trị số các dạng ứng suất phá huỷvật liệu (nén, kéo, uốn ) ở nhiệt độ khác nhau cũng rất khác nhau Để biết đợcqui luật biến đổi cờng độ cơ học của vật liệu ở nhiệt độ cao ngời ta tiến hành xác

định nối quan hệ phụ thuộc của tính chất đàn hồi và tính chất cơ học của vật liệuvào nhiệt độ Ví dụ nh xác định sự thay đổi độ bền uốn của sản phẩm theo nhiệt

độ Với các loại vật liệu chịu lửa khác nhau, mối quan hệ phụ thuộc cờng độ cơhọc vào nhiệt độ cũng rất khác nhau ở một số sản phẩm trong thành phần củachúng có chứa pha thuỷ tinh hay các cấu tử hình thành loại pha này ở nhiệt độcao thì sự thay đổi cờng độ cơ học của nó có thể đạt giá trị cực đại khoảng 1000

12000C Điều này có thể giải thích đợc do sự hạ thấp độ nhớt của pha thuỷ tinhdẫn đến làm tăng tính dẻo của vật liệu và làm giảm dần khuynh hớng phá huỷdòn sản phẩm Sự có mặt của pha thuỷ tinh lúc này cũng tạo ra khả năng hàn gắncác vết nứt tế vi sản phẩm hình thành sau khi nung ở bề mặt phân chia giữa cáchạt làm tăng khả năng liên kết của chúng

II.2.2.2 Nhiệt độ biến dạng dới tải trọng.

Một trong những tính chất quan trọng của vật liệu chịu lửa là khảnăng chống lại đồng thời tác dụng của nhiệt độ cao và tải trọng cơ học Tính chấtnày đợc đặc trng bằng nhiệt đô gây ra sự biến dạng của mẫu nén dới tải trọngtĩnh ổn định 2KG/cm2 ( ở Anh và Mỹ ngời ta dùng tải trọng 1.75 KG/cm2 ), đợcgọi là độ biến dạng dới tải trọng

Thực tế tải trọng tác dụng lên vật liệu chịu ở các lò nung công nghiệp ờng nhỏ hơn tải trọng kiểm tra rất nhiều và chỉ trong những trờng hợp cá biệtmới đạt tới 0.5 1 KG/cm2

th-Khi đốt nóng một phía, tải trọng sẽ tác dụng lênm phần có nhiệt độ thấp sẽlớn hơn phần bị đốt nóng có nhiệt độ cao của lớp lót Tuy nhiên trong các vòm lòhay các phần trụ , bệ đỡ chịu lực, nhất là khi đốt nóng tất cả các mặt , hiện t ợngmềm của vật liệu chịu lửa là một phần nguyên nhân phá huỷ chúng Nhiệt độbiến dạng của vật liệu chịu lửa có một ý nghĩa lớn khi sử dụng xây các chỗ chịulực đẩy của vòm lò, trong các lò nung và buồng đốt cao nh ở lò Mác tanh Sựbiến mềm ở những phần dới của vòm lò chịu tải trọng chính khi nung nóng lànguyên nhân làm võng, biến dạng và phá huỷ vòm lò

Lớp gạch chịu lửa còn bị phá hoại do tác dụng hoá học của xỉ tro nhiênliệu, bụi quặng ,hơi và khí Xỉ ăn mòn gạch chịu lửa làm thay đổi thành phầnkhoáng hoá của chúng, tăng lợng pha thuỷ tinh dễ chảy, do đó làm hạ thấp cờng

độ xây dựng ở nhiệt độ cao Nhiệt độ biến dạng dới tải trọng là một chỉ tiêu rấtquan trọng Nó đặc trng cho cờng độ xây dựng của sản phẩm trong một giới hạnnhiệt độ mà ở đó có tải trọng cơ học Vì vậy chỉ tiêu này phản ánh đúng đắn khảnăng sử dụng sản phẩm trong điều kiện cụ thể của lò công nghiệp

Để xác định nhiệt độ biến dạng dới tải trọng ngời ta cắt mẫu từ vật liệucần thử thành hình trụ đờng kính 36 mm, chiều cao 50 mm Mẫu này đợc đặttrong lò Criptôn và luôn chịu tải trọng không đổi 2 KG/cm2 Cạnh lò có hệ thốngcơ học tự ghi biến dạng của mẫu theo nhiệt độ Tốc độ nâng nhiệt nh sau:

Dới 800 0C tốc độ nâng nhiệt không quá 100/phút.

Trên 800 0C, tốc độ nâng nhiệt 4  5 0/phút.

Quá trình đốt nóng sẽ xác định đợc các nhiệt độ biến dạng sau:

+ Nhiệt độ bắt đầu biến dạng – ứng với độ lún của mẫu là 3 mm

+ Nhiệt độ biến dạng 4% - ứng với độ lún của mẫu là 2 mm + Nhiệt độ kết thúc biến dạng hay gọi là nhiệt độ phá huỷ mẫubiến dạng 40 % - ứng với độ lún của mẫu là 20 mm

Phơng pháp này còn mang tính chất định tính và độ chính xác không cao,bởi vì: Việc đo mức độ biến dạng của mẫu trong điều kiện tăng nhiệt độ liên tụclàm mẫu không đợc đốt nóng đồng đều theo toàn bộ chiều dầy của nó Vì vậynhiệt độ trung bình của mẫu bao giờ cũng thấp hơn nhiệt độ của không gian lò.Mặt khác trong quá trình nâng nhiệt độ, trong sản phẩm mẫu có thể sẽ biến đổicấu trúc, xảy ra co phụ Làm giảm chiều cao của mẫu hay tăng thể tích làm tăngchiều cao của mẫu ( Nh khi thử đinát), trong khi đó hệ thống thiết bị chỉ đo đợc

sự biến dạng không đàn hồi của mẫu Do đó kết quả đo không phản ánh chínhxác mức độ biến dạng của vật liệu nung Ngoài phơng pháp này không thể đánhgiá đợc vận tốc biến dạng của sản phẩm ở nhiệt độ này hay khác hay biểu diễnkết quả thử tính chất này thành một công thức thông qua các biến dạng phức tạpkhác nh uốn, kéo, xoắn

Tuy vậy hiện nay nó vẫn là phơng pháp phổ biến nhất ở nớc ta có TCVN

202 – 66 nhóm H đánh giá chỉ tiêu này

Nhiệt độ biến dạng của vật liệu chịu lửa chủ yếu phụ thuộc vào thành phầnkhoáng hoá, nghĩa là sự có mặt của pha tinh thể này hay khác, vào đặc tính cấutrúc cũng nh tỷ lệ giữa lợng pha tinh thể và pha thuỷ tinh ( Vô định hình), vào độnhớt của pha lỏng tạo ra khi nóng chảy pha thuỷ tinh và pha tinh thể dễ chảy.Thành phần hạt, cấu trúc của sản phẩm cũng có giá trị lớn Sản phẩm đặc chắcbao giờ cũng có nhiệt độ bắt đầu biến dạng cao hơn Nhng cần chú ý rằng: Cấutrúc của sản phẩm không có ảnh hởng gì đến nhiệt độ kết thúc biến dạng

Nhiệt độ biến dạng của sản phẩm chịu lửa đi từ các ôxít tinh khiết thờnggần nhiệt độ nóng chảy của nó bởi vì trong thành phần pha của sản phẩm, lợngpha thuỷ tinh hầu nh không có hoặc chỉ tồn tại rất ít Khi các pha tinh thể chủyếu bắt đầu hoá mềm và biến dạng dẻo ( sắp nóng chảy ) thì sản phẩm mới bắt

đầu biến dạng ở các sản phẩm chịu lửa thông thờng khác đều chứa một lợng tạpchất khá lớn nên ở nhiệt độ cao lợng pha lỏng tạo ra khá nhiều và làm giảm khálớn nhiệt độ biến dạng của sản phẩm Lợng pha lỏng tạo ra càng nhiều, độ nhớtcủa nó càng nhỏ thì mức chênh lệch giữa nhiệt độ biến dạng và nhiệt độ chịu lửacàng lớn Lúc này đặc tính cấu trúc của phần tinh thể trong sản phẩm có ảnh h-ởng khá lớn đến nhiệt độ biến dạng Cấu trúc của “bộ xơng” tinh thể càng chặtchẽ, vững chắc thì nhiệt độ biến dạng của sản phẩm càng cao tức là ảnh hởng củapha lỏng gây ra càng ít Các sản phẩm samốt thì sự biến dạng có những điểmkhác biệt khi tăng nhiệt độ Sản phẩm này chứa gần 50% mulit (3Al2O3.2SiO2)chịu lửa cao, nhng không tạo thành khung tinh thể bền vững Phần còn lại là phathuỷ tinh silic có độ nhớt cao Khi tăng nhiệt độ khối thủy tinh mềm ra, dần dầnhạ thấp độ nhớt, làm sản phẩm biến dạng từ từ Mẫu thí nghiệp không bị phá huỷngay mà bị phình theo hình tang trống Khoảng biến dạng của sản phẩm này từ

l – Chiều cao của mẫu (cm).

z - Thời gian (s).

l – Biến thiên chiều cao của mẫu trong thời gian z (cm).

q – Tiết diện ngang ( cm 2 ).

Để chính xác hơn ngời ta xác định độ nhớt biểu kiến ở nhiệt độ cố

định Đôi khi đối với vật liệu chịu lửa định dùng ở nhiệt độ cao ngời ta xác định

độ dão – tức là biến dạng khi tác dụng lâu dài của tải trọng tĩnh 0,5  4 KG/

Sự dão vì nhiệt là quá trình hoạt tính Để thực hiện quá trình này cần phảithắng đợc mức năng lợng xác định, khi đó sự chuyển vị các nguyên tử đợc xáclập bằng mức chênh lệch về thế hoá học ở các phần riêng biệt của hạt tinh thể.Mức chênh lệch về thế hoá học ở các phần riêng này đợc xác định trớc hết bởi sựkhác nhau về nồng độ khuyết tật của mạng lới tinh thể Nghiên cứu sâu về cơ chếmô tả hiện tợng dão của vật thể rắn, ngời ta xác lập đợc mối liên hệ tuyến tínhgiữa sự dão và khuyết tật của mạng lới tinh thể Hiện tợng biến dạng dẻo của vậtthể đa tinh thể có liên quân tới sự trợt các tinh thể và mức độ quá trợt của chúng

từ mặt phảng này sang mặt phẳng khác Cơ chế biến dạng này thể hiện rõ khiứng suất lớn và nhiệt độ tơng đối cao, nó đặc trng chủ yếu cho kim loại Khinhiệt độ cao cơ chế trợt khuyếc tán trở thành chủ yếu, lúc đó dòng các nguyên tử

đợc chuyển dịch từ bề mặt của các hạt chịu ứng suất nén sang bề mặt các hạtchịu ứng suất kéo Cuối cùng, cơ chế dão ( trợt) của vật liệu chịu lửa đa tinh thể

có liên quan đến quá trình chảy nhớt trên bề mặt của hạt

Tăng kích thớc của pha tinh thể sẽ làm giảm tổng diện tích bề mặt của cáchạt, giảm vận tốc trợt Sự có mặt của các tạp chất dễ chảy trong vật liệu và mức

độ bao phủ bề mặt các hạt của chúng sẽ làm tăng vận tốc trợt của vật liệu lênnhiều Ngời ta xác lập bằng thực nghiệm mối quan hệ phụ thuộc vận tốc trợt vàokích thớc hạt:

ε d  n

 .

Trong đó: ε - Vận tốc trợt

d - Đờng kính tơng đơng của hạt vật liệu

n - Hằng số, có giá trị bằng 2 khi có quá trình khuyếc tán xảy ra ở nhiệt độ tơng đố cao Khi có hiện tợng trợt theo bề mặt của các hạt ở nhiệt độ thấp hơn nhiều thì giá trị n lấy bằng 1.

Vai trò chủ yếu của quá trình khuyếc tán trong cơ chế trợt ở nhiệt độ caocủa vật liệu chịu lửa đa tinh thể là xác lập mối quan hệ tuyến tính giữa vận tốc tr-

ợt và các khuyết tật trong mạng lới của các pha tinh thể chủ yếu có mặt trong sảnphẩm Các khuyết tật đố có thể là: Sự sai lệch tỷ lệ kết hợp trong các pha, tạpchất hay các khuyết tật ( lỗ trống, vị trí khuyết…) cân bằng về nhiệt

Trị số biến dạng dẻo và vận tốc biến dạng của vật liệu, khi nó chịu tácdụng đồng thời của cả ứng suất và nhiệt độ, trong nhiều trờng hơqpj là đặc trngrất quan trọng, nó đánh giá đúng khả năng phục vụ của vật liệu về chất lợng khi

sử dụng làm cấu kiện chịu nhiệt độ cao Tất cả các vật liệu gốm khi chịu tácdụng của tải trọng ở giai đoạn đầu đều biến dạng đàn hồi Các vật liệu giòn nhvật liệu gốm, sản phẩm chịu lửa có trị số biến dạng đàn hồi nhỏ khi tăng ứngsuất sẽ dẫn đến phá huỷ sản phẩm mà không trải qua giai đoạn biến dạng dẻo ởnhiệt độ cao hiện tợng lại xảy ra khác: Vật liệu gốm và sản phẩm chịu lửa có khảnăng biến dạng dẻo

độ dão của vật liệu gốm và sản phẩm chịu lửa thờng đợc xác định theo vậntốc biến dạng trong giai đoạn trợt nào đó hay theo trị số biến dạng sau mộtkhoảng thời gian nhất định Với sản phẩm chịu lửa, độ dão thờng xác định ởnhiệt độ cao ( 1500  1800oC ) và ứng suất không lớn lắm ( từ 10 100KGN/cm2 ) Vận tốc trợt có thể biểu diễn theo phơng trình sau:

ε S.e  Q/RT σ n



Trong đó: ε - Vận tốc trợt, mm/mm.h.

II.2.2.4 Độ bền lâu dài.

Để đánh giá khả năng bền của vật liệu chịu lửa khi tác dụng lâu dài của tảitrọng trong giai đoạn biến dạng dẻo mà không bị phá huỷ, ngời ta sử dụng chỉtiêu đặc trng là độ bền lâu dài của sản phẩm Thực tế tính chất này ít dùng đốivới các vật liệu chịu lửa thông thờng mà chỉ có ý nghĩa thực nghiệm đối với cácsản phẩm từ các ôxit tinh khiết nh: Al2O3, MgO… nó cho phép tìm đợc mối quan

hệ phụ thuộc giữa độ bền lâu dài  và vận tốc biến dạng trợt ε ở khoảng nhiệt độ

1400  1500oC ( khi có ứng suất 100 500 KG/cm2 ) của các loại sản phẩmnày Quan hệ phụ thuộc ấy có thể biểu diễn theo hàm luỹ thừa sau:

n

ε

A

Trong đó :  - Độ bền lâu dài.

A - Hệ số phụ thuộc vào điều kiện thử.

n – Hằng số dao động từ 1,5  3.

Sự phụ thuộc của hàm số xác định các độ bền theo thời gian và nhiệt độứng suất cho phép ngoại suy đợc thời gian phục vụ hợp lý của vật liệu trong điềukiện xác định

II.3 Tính chất nhiệt lý.

II.3.1 Độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt của vật liệu chịu lửa đợc xác định bằng lợng nhiệt truyền quavật liệu khi có sự chênh lệch nhiệt độ (građien nhiệt độ) giữa các mặt của sản

phẩm trong các vật liệu chịu lửa nhiệt đợc truyền chủ yếu do dao động đàn hồicủa các nguyên tử ở nút của mạng lới tinh thể Nó khác với hình thức truyềnnhiệt do chuyển động của các dòng điện tử

Độ dẫn nhiệt của vật liệu chịu lửa đặc trng bằng hệ số dẫn nhiệt  có thứnguyên kỹ thuật (Kcal/m.oC.h) hoặc thứ nguyên vật lý (Cal/cmoC.s)

Vì độ dẫn nhiệt độ có quan hệ phụ thuộc gần nh tuyến tính vào nhiệt độtrong từng khoảng nhiệt độ, nên hệ số dẫn nhiệt thờng đợc cho dới dạng trungbình của một khoảng nhiệt độ nào đấy ( ví dụ Hệ số dẫn nhiệt ở khoảng nhiệt độ

100  1000oC )

ở nhiệt độ 1500oC độ dẫn nhiệt của vật liệu gốm đa tinh thể tăng rất ít do

có hiện tợng thấu quang (giống nh tia sáng xuyên qua vật thể trong suốt) và sựtruyền nhiệt bằng bức xạ Nếu trong vật liệu có những lỗ xốp lớn (kích thớc vàimm) thì độ dẫn nhiệt độ có thể tăng do truyền nhiệt đối lu

ở vật liệu chịu lửa thờng chứa số lợng lớn pha thuỷ tinh ( vô định hình)còn có đặc trng dẫn nhiệt bằng ion Hệ số dẫn nhiệt của nó theo mức đọ tăngnhiệt độ sẽ tăng đơn điệu theo quy luật đờng thẳng Đặc trng này chủ yếu thờngthấy ở vật liệu chịu lửa samốt Caoalumin

Quy luật biến đổi độ dẫn nhiệt và trị số của nó theo nhiệt độ có ý nghĩaquan trọng khi giải quyết cách nhiệt trong các thiết bị nhiệt và lò công nghiệp,giảm mất mát nhiệt ra môi trờng xung quanh Độ dẫn nhiệt có ảnh hởng trực tiếptới khả năng chịu sự dao động nhiệt độ đột ngột của sản phẩm (Độ bền nhiệt củavật liệu khi sử dụng)

Một trong những hệ số liên quan đến độ dẫn nhiệt là hệ số dẫn nhiệt độ a

Hệ số a đặc trng cho vận tốc lan truyền nhiệt độ theo chiều dày của sản phẩmchịu lửa khi thay đổi nhiệt độ đốt nóng Hệ số a phụ thuộc tuyến tính vào hệ sốdẫn nhiệt độ 