giáo trình vật liệu chịu lửa

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 h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA HÓA

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU CHỊU LỬA

(Dùng cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật hóa học silicat)

Tác giả: KS NGUYỄN THỊ HUYỀN

PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG

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 thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao (>10000C), ở đấy chúng chịu đựng lâu dài đối với 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 trong khoảng 1000-1800oC Vì vậy VLCL phải có độ chịu lửa, nghĩa là khả

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

Thường đa số vật liệu chịu lửa nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn

1650-17500C 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 Dinas 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: Dinas 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 dinas và thạch anh

2/ Nhóm Aluminôsilicat: Gồm 3 nhóm nhỏ: Bán axit, samôt, cao alumin 3/ Nhóm Manhêdi: Gồm 4 nhóm nhỏ: Đôlômit, Forsterit, Spinen, manhêdi 4/ Nhóm crômit: Gồm 2 nhóm nhỏ: Crômit, crôm manhêdi

5/ Nhóm Zircôn: Gồm 2 nhóm nhỏ: Silicat Zircôn (ZrSiO4) và Zircôn (ZrO2)

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 nhiệt: 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 và 2mm, cao 30mm Vật liệu làm côn phải nghiền nhỏ lọt sàng 900 lỗ/cm2 Côn 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 lửa Ví dụ: Nhiệt độ chịu lửa của dinas là 17100C thì độ chịu lửa của nó là

171

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 chịu lửa của vật liệu thí nghiệm phụ thuộc vào tính chất của vật liệu

và điều kiện thí nghiệm như: Thành phần hoá, thành phần khoáng, thành phần hạt, tốc 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

Loại vật liệu Độ chịu lửa (0C) Loại vật liệu Độ chịu lửa (0C) Quắc 1730-1750 Cao Alumin 1780-2000

Dinas 1710-1720 Manhêdi >2300

Đất sét chịu lửa 1580-1750 Crôm-manhêdi >2000

Cao lanh 1740-1770 Đôlômit >2000

Samôt 1610-1750 Forsterit

(2MgO.SiO285%+MgO.Fe2O315%)

Ví dụ: hỗn hợp 50% đất sét và 50% quắc có cỡ hạt 0,5mm có nhiệt độ gục là 17100C Nếu hạt nhỏ hơn 0,06mm có nhiệt độ gục 16400C Tuy nhiên, nếu tăng tốc nhiệt độ chậm khoảng 2-30C /phút thì cỡ hạt ít ảnh hưởng đến nhiệt độ gục côn

- Tốc độ nâng nhiệt: Thay đổi tốc độ nâng nhiệt trước giai đoạn kết

khối 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 nâng nhiệt 4-60C/phút bắt đầu từ nhiệt độ kết khối sản phẩm

- Môi trường khí: VLCL thường chứa sắt Sắt tồn tại dưới 2 dạng Fe2+

và Fe3+, chúng biến đổi thuận nghịch tuỳ theo môi trường Hợp chất của Fe2+

dễ chảy 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 Tính chất này được đặc trưng bởi nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng tĩnh 2 kG/cm2, 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 0,5-1kg/cm2

Để xác định nhiệt độ biến dạng dưói tải trọng tĩnh 2kg/cm2

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

trọng không đổi 2 kG/cm2 Cạnh lò có một hệ thống cơ học ghi sự biến dạng của sản phẩm

Tốc độ nâng nhịêt: đến 8000C không qúa 100C /phút >8000C

4-50C/phút Quá trình xác định sẽ tìm ra 3 nhiệt độ:

- Nhiệt độ bắt đầu biến dạng: Ứng với độ lún của mẫu 0,3 mm

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

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

Ta có bảng nhiệt độ biến biến dạng dưới tải trọng 2kg./cm2 của VLCL:

Nhiệt độ biến dạng của VLCL chủ yếu phụ thuộc vào thành phần khoáng hoá, vào đặc tính cấu trúc, vào tỉ lệ giữa pha tinh thể và pha thuỷ tinh, vào độ nhớt của pha lỏng tạo ra khi nóng chảy pha thuỷ tinh và tinh thể dễ chảy

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 dinas

Dinas: có cấu trúc mạng lưới tinh thể trydimit rối loạn xen kẽ nhau chặt chẽ làm cho nhiệt độ mềm của dinas cao so với độ chịu lửa và đạt tới 1650-

1670 0C Khoảng cách giữa độ chịu lửa và độ biến dạng gần 50-70 0C mặc dù dinas ngoài SiO2 còn có 4-6% tạp chất tạo 10-15% pha lỏng Độ nhớt của pha thuỷ tinh nóng chảy cao Các tinh thể trong dinas là liên kết bền vững, nó hoà tan trong pha lỏng không đáng kể.Vì thế dinas chỉ bị phá huỷ khi tridimit bắt đầu nóng chảy ở 1650-1670 0

C Ở nhiệt độ này tốc độ phá huỷ sản phẩm rất nhanh (chênh lệch nhiệt độ giữa bắt đầu biến dạng và kết thúc biến dạng chỉ có 10-20 0C) đường cong biến dạng gần như dốc thẳng đứng

Sản phẩm manhêdi: Chứa 91% MgO, gồm 90% tinh thể periclaz, 10% còn lại gồm MgO và 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 và biến dạng Vì vậy nhiệt độ biến dạng của manhêdi xấp xỉ

1550 0C tức chính là nhiệt độ nóng chảy chất liên kết Khoảng cách giữa nhiệt

độ biến dạng và nhiệt độ chịu lửa khoảng 700 0C Độ nhớt pha liên kết giảm khá nhanh khi tăng nhiệt độ nên sản phẩm manhêdi có khoảng biến dạng ngắn (20-50 0C), đường cong biến dạng ở giai đoạn cuối dốc gần như thẳng đứng

Samôt: Sản phẩm này bị biến dạng hơi khác khi tăng nhiệt độ Samôt chứa gần 50% mullit (A3S2) chịu lửa cao nhưng tinh thể hình kim nhỏ không tạo thành 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 samôt biến dạng từ từ Mẫu thí nghiệm không bị phá huỷ ngay mà bị phình ra theo hình tang trống Khoảng biến dạng dài 150-200 0C

Đường cong biến dạng của một số VLCL

3 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 suất 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:

a = m2/h

 : hệ số dẫn nhiệt Kcal/mh.0

C C: nhiệt dung riêng Kcal/kg.0C

: khối lượng thể tích của vật liệu kg/m3

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

hệ số dẫn nhiệt lớn, gradient nhiệt độ trong vật liệu càng nhỏ

Khi có sự chênh lệch nhiệt độ trong sản phẩm sẽ xuất hiện ứng suất do dãn 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 độ lớn hệ số dãn

nở 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 samốt, manhêdi, corund) 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

+ Đốt nóng 1 đẫu mẫu trong lò điện có nhiệt độ 850 0C hay 1300 0C + Nhúng đầu đã đốt nóng vào nước lạnh 20 0C đến khi mẫu thử rạn nứt

và 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

Loại VLCL Độ bền nhiệt (nung ở 850 0C)

Crôm-Mahêdi bên nhiệt >30

Khi làm nguội, bề mặt co lại chịu ứng suất kéo, vết nứt vuông góc bề mặt làm nguội Khi đốt nóng bề mặt giãn nỡ chịu ứng suất nén, kẽ nứt xuất hiện dưới 1 góc 45 0 so với bề mặt bị đốt nóng

Hiện tượng nở phụ không lớn lắm lại làm tăng cường độ của mạch vữa

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 do 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 cao alumin, hiện tượng sít đặc lại do tái kết tinh  -

AL2O3 thành -AL2O3 và tinh thể corun lớn lên làm sản phẩm co phụ Nhũng VLCL co phụ như samôt, 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 dinas. Trong dinas, một phần quắc chưa chuyển thành tridimit và cristobalit 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 sau 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 samôt 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 :

Trong đó V0, V1 là thể tích mẫu trước và sau khi nung

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 (+)

5 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 dinas và aluminôsilicat Phản ứng hoá học giữa Al2O3 và SiO2 với xỉ tạo thành hợp chất mới dễ chảy nhưng nó ăn mòn nhỏ đối 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 CO ở nhiệt độ thấp phá huỷ gạch samôt Nguyên nhân do phản ứng : 2CO →CO2 +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 xúc với samôt ở nhiệt độ cao tạo hợp chất cordierit (2MgO.2 AL2O3.5 SiO2) có nhiệt độ nóng chảy thấp 1425 0C vì vậy muốn tránh sự phá hoại này, khi xây lò giữa 2 loại gạch khác nhau như dinas 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

- Phương pháp xác định độ bền xỉ: Dùng 1 viên gạch có khoét lỗ hình trụ, đường kính 25-50 mm , sâu 20-40 mm, thành và đáy dày >3mm Dùng xỉ nghiền mịn (<0,5mm) đổ đày vào lỗ viên gạch Nung ở nhiệt độ 1400-1500 0C lưu 2h ở tmax Làm nguội và cưa đôi lỗ chứa xỉ Quan sát mức độ ăn mòn, xác định tổn thất trọng lượng và thể tích của mẫu

sự biến đổi thành phần pha và cấu tạo của sản phẩm

- Ứng suất xuất hiện trong sản phẩm khi đốt nóng hay làm nguội nhanh phụ thuộc vào độ dãn nở nhiệt Vì vậy, dãn nở nhiệt ảnh hưởng nhiều đến độ bền nhiệt của sản phẩm

- Dãn nỡ nhiệt chỉ phụ thuộc vào thành phần khoáng hóa của sản phẩm và vào nhiệt độ Cấu trúc sản phẩm, mật độ và cường độ không ảnh hưởng rõ rệt

- Hệ số dãn nỡ nhiệt của vật liệu đặc trưng bằng các chỉ số sau:

alumin, manhêdi dãn nở đồng đều còn bán axit, dinas dãn nở không đều Nguyên nhân: Do sự biến đổi đa hình của các tinh thể riêng biệt có trong thành phần)

Đại lượng giãn nở nhiệt % trong khoảng nhiệt độ từ 0 0C đến nhiệt độ cho có thể tính từ hệ số dãn nở trung bình bằng công thức sau: a%=atb x t x

Thủy tinh quắc 0,4.100-6

7 Độ dẫn nhiệt, tỷ nhiệt, độ dân nhiệt độ, độ dẫn điện

a/ Độ dẫn nhiệt:

 [kcal/mh 0C] độ dẫn nhiệt có 1 giá trị lớn khi xác định nhiệt tổn thất qua tường, vòm lò  và  là nguyên nhân gây ứng suất trong vl Khi nhiệt độ tăng độ dẫn nhiệt tăng Tuy nhiên cũng có loại VLCL mà pha tinh thể chứa nhiều, tạp chất ít thì khi nhiệt độ tăng độ dẫn nhiệt giảm Đó là gạch manhêdi, carborun, corun

Khi tăng độ xốp thì độ dẫn nhiệt giảm Nếu tăng kích thước lỗ xốp khi các điều kiện khác như nhau thì ở nhiệt độ cao độ dẫn nhiệt tăng lên rất nhiều

b/ Tỷ nhiệt

C [kcal/kg độ] Khi đốt nóng VLCL tức tăng nội năng của chúng phải

tiêu tốn một lượng nhiệt Lượng nhiệt để đốt nóng 1 đơn vị sản phẩm lên 1 0C gọi là tỷ nhiệt Tỷ nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau không giống nhau

c/ Độ dẫn nhiệt độ

a =  C [m2/h]  là trọng lượng thể tích a đặc trưng cho tốc độ phân phối nhiệt hay quá trình thành lập gradien nhiệt độ trong vật Cần giá trị a để xác định nhiệt tích lũy của vỏ lò, lượng nhiệt tổn thất ra xung quanh ỏ các lò gián đoạn

d/ Tính chất điện

VLCL đặc biệt là loại chịu lửa cao, là nguyên liệu tinh khiết đựoc sử dụng khá nhiều trong các lò nung điện: Làm điện cực nhiệt độ cao, làm các chi tiết trong các thiêt bị dùng điện

- Đặc trưng cho tính chất dẫn điện của VLCL là các thông số:

+ Điện trở riêng:  =  [Ω cm] ( độ dẫn điện riêng [Ω- 1cm-1]

+ Hằng số điện môi + Độ bền điện môi

- Với các VLCL thông thường, chỉ quan tâm đến điện trở riêng của chúng Ở các sản phẩm chịu lửa đặc biệt, các đặc trưng về điện được nghiên cứu toàn diện và chi tiết hơn

- Theo độ dẫn điện VL chia làm 3 loại:

+ Chất điện môi có  =109Ω cm (ở 20 0C) + Chất bán dẫn có  =109- 10-2Ω cm (ở 20 0C) + Chất dẫn điện có  <10-2 Ω cm (ở 20 0C) VLCL ở nhiệt độ thường là vật liệu điện môi điển hình nhưng khi đốt nóng thì khả năng dẫn điện tăng lên và ở t 0: 800-1000 0C dẫn điện tốt

Đa số VLCL ở nhiệt độ thường có điện trở riêng > 109Ω cm

8 Độ dẫn nhiệt, độ dân nhiệt độ, nhiệt dung, độ dẫn điện

Mật độ và cường độ của VLCL ở nhiệt độ thường cho phép ta đánh giá chất lượng chúng 1 cách gián tiếp Hai tính chất này liên quan chặc chẽ với nhau có ảnh hưởng đến hàng loạt tính chất khác của sản phẩm Tăng mật độ của gạch, cường độ của chúng tăng theo Khả năng bền xỉ của VLCL liên quan trực tiếp đến độ xâm nhập của xỉ nóng chảy mà mức độ xâm nhập này phụ thuộc vào mật độ, cụ thể vào số lượng, sự phân bố và kích thước lỗ xốp trên bề mặt và trong lòng sản phẩm

Để tiện việc phân biệt và đánh giá người ta chia lỗ xốp làm 3 loại:

- Lỗ xốp kín: Lỗ xốp nằm trong lòng sản phẩm không có các chất lỏng và khí thấm qua

- Lỗ xốp hở: Lỗ xốp nằm trên bề mặt của sản phẩm chứa đầy chất lỏng hay khí nhưng không cho chúng thấm qua

- Lỗ xốp dạng kênh (hở cả 2 đầu) cho chất lỏng và khí thấm qua dễ dàng

Sự phân bố lỗ xốp trong sản phẩm cũng không đều Các lỗ lớn thường ở giữa các hạt và vật chất liên kết, còn các lỗ nhỏ nằm ngay trong bản thân các hạt

Độ xốp của sản phẩm phụ thuộc vào thành phần phối liệu và quá trình

kỹ thuật như : Chế độ trộn, nén, nung

- Độ xốp của sản phẩm có thể được đánh giá thông qua các thông số đặc trưng sau:

+ Mật độ thực (trọng lượng riêng)  T (g/cm3): là trọng lượng của 1 đơn vị thể tích vật liệu loại bỏ lỗ xốp

+ Mật độ biểu kiến (trọng lượng thể tích)  BK (g/cm3) là trọng lượng của 1 đơn vị thể tích kể cả lỗ xốp

+ Độ xốp biểu kiến (độ xốp chỉ kể đến lỗ xốp hở) W BK (%) : Được xác định bằng tỉ số giữa thể tích của các lỗ xốp hở chứa đầy chất lỏng (nước) khi đun sôi so với thể tích của vật liệu Nếu vật liệu được bảo hòa nước thì

độ xốp biểu kiến được xác định bằng công thức:

a1: trọng lượng mẫu khô tuyệt đối (g)

a2: trọng lượng mẫu trên được bảo hòa nước (g)

V : thể tích mẫu (cm3) + Độ hút nước B: tỷ lệ giữa lượng nước hấp thụ so với lượng mẫu

+ Trọng lượng thể tích: tỷ lệ giữa độ xốp biểu kiến với độ hút nước

+Mức độ đặc của vật liệu: tỷ lệ giữa trọng lượng thể tích và trọng lượng riêng: BK/T

thường

Loại đặc

Loại rất đặc

1,8-2 2,05-2,2 2,25-2,3

30-24 22-16 15-10

100-200 300-500 Hơn 600 Dinas thường 1,8-1,95 22-19 250-450 Manhêdi

thường

Độ thấm khí phụ thuộc nhất vào các lỗ xuyên qua sản phẩm và chên lệch áp suất 2 đầu Giữa độ xốp chung và độ thấm khí không có sự phụ thuộc nào cả

Ví dụ: độ thấm khí của gạch nhẹ có độ xốp 50% cũng bằng độ thấm khí của gạch samôt có độ xốp 25% Gạch có vỏ cứng trên bề mặt độ thấm khí giảm

độ kết khối thì độ xốp biểu kiến tăng lên do hiện tượng phồng rộp của pha thủy tinh

- Cường độ nén: Cường độ nén của sản phẩm ở nhiệt độ thường cũng như mật độ đặc trưng mức độ nung sản phẩm.Vì vậy cường độ của sản phẩm phụ thuộc vào thành phần sản phẩm, thành phần phối liệu, điều kiện nén, nhiệt độ nung và đôi khi còn một số nhân tố khác Qua chỉ tiêu cường độ nén có thể đánh giá chất lượng sản phẩm nhanh và đơn giản cũng như đánh giá quá trình

+ Cường độ chịu kéo uốn, xoắn:

- Trong quá trình sử dụng trong gạch sẽ xuất hiện nhiều loại ứng suất khác nhau Ví dụ: ở thành nồi nấu thuỷ tinh, do áp suất thủy tĩnh của thủy tinh nóng

chảy mà có ứng suất kéo Đáy lò cao, gạch đỡ các đệm ở buồng hồi nhiệt gián đoạn, đáy các bao nung sẽ có ứng suất nén Ứng suất trượt suất hiện trong gạch khi đốt nóng chúng rất nhanh Vì lớp được đốt nóng nhanh giãn nỡ nhiều nhưng bị các lớp nguội giữ lại Lúc đó ứng suất trượt kèm theo quá trình nén + Cường độ chống bào mòn:

Lớp lót phía trên của lò cao do phối liệu đổ vào hay bụi tro xỉ than chuyển động với tốc độ lớn, hoặc trong lò nung xi măng vật liệu nung cọ xát với gạch đều gây nên hiện tượng bào mòn gạch Nếu gạch không chống được tác dụng bào mòn sẽ bị phá hủy nhanh chóng

Khả năng chống lại tác dụng bào mòn không chỉ phụ thuộc vào mật độ cường độ của sản phẩm mà còn vào cấu trúc, cường độ liên kết giữa các hạt vật liệu

+ Cường độ xung kích:

Là cường độ của vật liệu chống lại tác dụng va đập đột ngột (tải trọng xung kich)

9/ Tính chính xác về hình dạng và kích thước

Trong thực tế lò công nghiệp mạch xây lò có ảnh rất nhiều đến tuổi thọ của

lò Ở các mạch này được lấp đầy bằng vữa VLCL này hoặc khác, tất nhiên mật

độ của nó thường kém hơn gạch xây Chính vì vậy trong toàn bộ lò, mạch xây

là chỗ yếu nhất nên dễ bị xỉ ăn mòn phá hoại nhất Muốn tường lò bền vững mạch xây cần phải mỏng chắc, chiều dày thường không quá 3mm, loại đặc biệt không quá 0,5 mm Để đạt được mục đích đó gạch xây lò phải chính xác về hình dạng và kích thước

Vữa xây lò khi ở nhiệt độ cao co lại và bong ra khỏi viên gạch Do đó làm

bề mặt tiếp xúc với xỉ và khí nóng tăng lên, hạ thấp độ bền xỉ và độ bền nhiệt của lớp lót

Các sản phẩm to hình dạng phức tạp mà đảm bảo tính chính xác về hình dạng kích thước là một vấn đề rất khó Đại lượng co hay nở của sản phẩm khi sấy nung theo nhiều hướng khác nhau khác nhau làm sản phẩm sai về kích thước Nguyên nhân:

- Tính chất nguyên liệu không ổn định

- Thực hiện sai chế độ kỹ thuật sản xuất như tỉ lệ các cấu tủ không đúng, thành phần hạt không đảm bảo, độ ẩm, áp lực nén không tốt Vì vậy khi sản xuất không phải chỉ sai 1 vài viên mà có thể sai hỏng hàng loạt

- Muốn tăng độ chính xác về kích thước và hình dạng sản phẩm phải gắn liền việc hòan thiện qui trình kỹ thuật sản xuất, cơ khí và tự động hóa qui trình

và vấn đề kiểm tra các chỉ tiêu sản xuất

- Phương pháp đóng khuôn hiện đại là phương pháp bán khô có sức co tổng nhỏ bảo đảm độ chính xác tưong đối cao

- Theo chỉ tiêu hiện hành, sai số về kích thước của sản phẩm không quá +- 2% Đối với sản phẩm quan trọng không quá 1-1,5%

- Ngoài yêu cầu về hình dạng kích thước, còn yêu cầu các mặt cạnh của sản phẩm phải bằng phằng,không bị lồi lõm, cong vênh dù rất nhỏ Nếu không

sẽ tăng chiều dày mạch xây Cạnh mép sản phẩm bị nứt nẻ, vẹt nhiều cũng giảm tuổi thọ của chúng do tăng bề mặt phản ứng hóa học Tủy thuộc loại sản

phẩm và qui định của chúng mà góc sứt chỉ được 5-12mm, cạnh sứt hay vẹt

3-10 mm

- Trên sản phẩm sau khi nung thường có nhiều nốt, những vết sần do nóng chảy cục bộ Nguyên nhân chủ yếu là do lẫn trong nguyên liệu nhũng hạt tạp chất lớn, ở nhiệt độ cao chúng chảy lỏng với gạch Phải hạn chế các nốt sần này vì nó làm giảm chất lượng VLCL Ở gạch samôt, dinas yêu cầu < 5-8 mm còn gạch manhêdi không được có các nốt đó

- Một khuyết tật nữa là các vêt rạn nứt, ở đó là chỗ dễ bị phá hủy nhất do

xỉ, bụi xỉ cũng như khi dao động nhiệt độ

Chương 2: Dinas

Dinas là loại VLCL chứa ≥ 93% SiO2 được sản xuất từ các khoáng của thạch anh, chất liên kết là vôi hoặc chất khác, nung ở nhiệt độ đảm bảo quắc biến đổi đa hình thành tridimit và cristobalit

Dinas là loại VLCL axit, nó rất bền đối với xỉ axit, tro nhiên liệu Ôxyt kim loại ăn mòn dinas tạo thành hợp chất silicat dễ nóng chảy

I/ Cơ sở hóa lí

1/ Sự biến đổi thù hình của SiO 2 và tính chất của chúng

Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất dinas là các quặng của quắc có thành phần chủ yếu là SiO2 ở các dạng tinh thể và vô định hình Sự biến đổi đa hình của chúng quyết định quá trình kỹ thuật và tính chất của sản phẩm SiO2 không ngậm nước được biết đến ở 8 dạng thù hình:

 quắc;  tridimit;  cristobalit; thủy tinh quắc

- Dạng ổn định ở nhiệt độ cao nhất người ta kí hiệu là , sau đó đến 

Sơ đồ biến đổi của SiO2:

- Sự biến đổi đa hình của SiO2 là đặc tính rất phức tạp Ở phạm vi nhiệt độ

ổn định của dạng thù hình này có thể tồn tại trạng thái không ổn định của dạng thù hình khác

Các mũi tên nằm ngang chỉ chiều hướng biến đổi và sự biến đổi này tiến hành rất chậm và chỉ thuận nghịch trong những điều kiện đặc biệt (có chất khoáng hóa) Các mũi tên dọc chỉ sự biến đổi nhanh khi đốt nóng và làm nguội

Phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên nhất là -quắcThường gặp dưới dạng cát thạch anh, quaczit, sa thạch

Quắc: có 2 dạng thù hình

- quắc: Là dạng ổn định ở nhiệt độ thường, đốt nóng đến 573 0C chuyển sang  -quắc Tạp chất có trong quặng của quắc có ảnh hưởng đến nhiệt độ biến đổi của chúng

Ví dụ: Khi có mặt các ion Li+, Na+, K+, Al3+: -quắc   -quắc ở 536 0

- Nếu không có chất nóng chảy nó sẽ biến đổi khô thành - cristobalit ở

1000 0C một cách chậm chạp qua pha trung gian mêtacristobalit

- Khi đốt nóng nhanh đến t 0C>1600 0C thì nóng chảy Sự biến đổi qua các dạng khác tiến hành rất nhanh và nhận được các chất lỏng có độ nhớt cao

C

- tridimit có thể tồn tại ở trạng thái không ổn định ở nhiệt độ < 870 0

C nhưng đến 163 0C thì chuyển sang - tridimit rồi - tridimit

- tridimit : chỉ là dạng trung gian do sự biến đổi nhanh của - tridimit

 - tridimit Phạm vi tồn tại của nó rất ngắn 117-163 0C Quá trình chuyển từ - tridimit- tridimit - tridimit kèm theo sự tăng thể tích không lớn lắm

- tridimit: là loại không ổn định nhưng thức tế ở nhiệt độ cao nó thường tồn tại thời gian lâu không hạn định

- tridimit được tạo thành do làm lạnh nhanh - tridimit ở 117 0

C Trong thiên nhiên hơi hiếm gặp, chủ yếu thấy trong quặng núi lửa dưới dạng tấm 6 cạnh không màu hoặc yếu Có thể gặp - tridimit dạng song tinh lưỡi mác trong gạch dinas

Cristobalit

-cristobalit: Đốt nóng - tridimit chậm và có chất khoáng hóa đến nhiệt

độ > 1470 0C sẽ chuyển sang -cristobalit và ổn định đến 1713 ±10 rồi chuyển sang thủy tinh quắc không kèm biên đổi thể tích Khi làm nguội -cristobalit

-cristobalit

-cristobalit : Là dạng không ổn định nó có thể tồn tại ở nhiệt độ thường

trong trạng thái không cân bằng và thực tế lâu dài vô hạn Ta có thể gặp nó trong thiên nhiên mặc dù rất hiếm Bằng phương pháp nhân tạo cũng được -

cristobalit, đó là gạch dinas Khi đốt nóng trong khoảng 180-270 0C sẽ chuyển sang -cristobalit kèm theo tăng thể tích đáng kể

Thủy tinh quắc: các dạng khác nhau của SiO2 khi đốt nóng đến nhiệt độ cao (1700-1800 0C) sẽ được chất nóng chảy Độ nhớt của chất nóng chảy này rất cao và khi làm nguội thì không kết tinh mà ở trạng thái thuỷ tinh gọi là thủy tinh quắc Đây là một loại thủy tinh có hệ số giãn nở nhiệt thấp đáng kể (5.10-7) nên rất bền nhiệt

Khi đốt nóng đến nhiệt độ = 1200-1400 0C thủy tinh quắc sẽ kết tinh ở dạng -cristobalit Khi làm nguội chậm < 180-270 0

C sẽ chuyển thành cristobalit Do chuyển thù hình có kèm theo biến đổi thể tích đáng kể nên dễ làm sản phẩm bị nứt vỡ

-Nếu đốt nóng thủy tinh quắc chậm đến 800-859 0C và có mặt Na2WO4 nó

sẽ tạo thành tinh thể tridimit rồi biến đổi chậm dần thành quắc

Quá trình xuất hiện tinh thể -cristobalit trong thủy tinh quắc tiến hành rất chậm, Do đó cho phép ta sử dụng thủy tinh quắc trong phòng thí nghiệm và thực tế sản xuất

Điểm quan trọng trong kỹ thuật sản xuất khi biến đổi đa hình SiO2 là biến đổi trọng lượng riêng và thể tích của chúng( xem bảng 7)

Thủy tinh quắc → -cristobalit 1200-1400 - 0,9

Sự biến đổi thù hình luôn kèm theo sự biến đổi trọng lượng riêng dẫn đến biến đổi thể tích Sự thay đổi thể tích này quyết định toàn bộ quá trình nung và

sử dụng dinas Vì thể tích không ổn định là nguyên nhân làm sản phẩm có độ bền nhiệt thấp Độ bền nhiệt càng thấp khi sự biến đổi thù hình càng nhanh, thể tích thay đổi càng nhiều

Tốc độ và mức độ biến đổi đa hình của quắc phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian tác dụng, kích thước hạt và chất khoáng hóa Nhiệt độ cao tốc độ biến đổi càng nhanh, hạt càng mịn cũng vậy

2/ Vai trò của khoáng hóa

a/ Tính ổn định thể tích của các dạng thù hình của SiO 2

SiO2 trong dinas có thể ở các dạng: tridimit, cristobalit, quắc, thủy tinh Tính ổn định thể tích theo nhiệt độ của các dạng này khác nhau Xem biểu đồ

hệ số dãn nở trung bình nhiệt độ ta thấy:

α.10-6

C

Tridimit là tinh thể bền vững và ổn định nhất Vì vậy trong kỹ thuật người ta tìm cách để tạo điều kiện cho lượng tridimit tạo thành càng nhiều càng tốt Nhưng như đã biết, sự biến đổi thù hình từ quắc sang tridimit là rất khó cần phải dùng chất khoáng hóa để thúc đẩy quá trình biến đổi ấy Thực tế, các nguyên liệu để sản xuất VLCL như quartzit cũng có lẫn những tạp chất thúc đẩy quá trình tridimit hóa nhưng không đủ nên phải đưa chất khoáng vào như R2O, CaO, MgO, MnO, BaO, FeO…

Chất khoáng hóa dùng trong sản xuất dinas:

Chủ yếu tạo chất nóng chảy ở nhiệt độ thấp Chất nóng chảy này có độ nhớt nhỏ, thấm ướt tốt và nhất là phải tan được cristobalit để tạo được tinh thể tridimit bền vững trong sản phẩm dinas, xen kẽ giữa các tinh thể ấy là pha thủy tinh và một số pha tinh thể khác

Người ta nghiên cứu ảnh hưởng của một số chất khoáng hóa tới quá trình tridimit hóa của chúng và được xác định bằng trọng lượng riêng của dinas Nếu trọng lượng riêng của dinas càng nhỏ, tức lượng tridimit và cristobalit trong chúng càng nhiều

Bảng 8: Ảnh hưởng của chất khoáng hóa nếu cho 1% vào phối liệu lên sự biến đổi trọng lượng riêng của chúng sau khi nung ở 1300 0 C trong 1 h

Chất khoáng hóa Trọng lượng riêng

sau khi nung Chất khoáng hóa

Trọng lượng riêng sau khi nung

Qua bảng trên ta thấy: Al2O3 là chất khoáng hóa kém nhất

Chất khoáng hóa mạnh nhất là : Na2CO3 và K2CO3 Tuy nhiên người ta không dùng chúng vì nó hạ thấp nhiều tính chất sản phẩm ở nhiệt độ cao

1 Tridimit 2.Cristobalit 3.Quat

Phổ biến rộng rãi nhất trong sản xuất dinas là CaO và FeO và đôi khi dùng MnO Trong thực tế sản xuất dinas dùng đồng thời CaO và FeO làm chất khoáng hóa

Nguyên nhân: xét các hệ 2 cấu tử:

FeO-SiO2 : điểm ơtecti trong hệ là 1178 0C MnO-SiO2 : điểm ơtecti trong hệ là 1300 0C CaO-SiO2 : điểm ơtecti trong hệ là 1436 0C

Fe2O3-SiO2 : điểm ơtecti trong hệ là 1452 0C Trong dinas có mặt FeO thì pha lỏng xuất hiện sớm hơn Khả năng khoáng hóa của chúng có thể sắp xếp như sau: FeO>MnO>CaO>Fe2O3

Do tác dụng tridimit hóa của sắt 2 cao hơn sắt 3 nên người ta dùng sắt 2 làm chất khoáng hóa dưới dạng vẩy sắt, xỉ nấu quặng, xỉ pirit và phải khống chế môi trường khử Với dinas dùng xây các lò cốc hóa không dùng FeO làm chất khoáng hóa được mà dùng MnO vì FeO trong môi trường khử sẽ lại xúc tác cho hiện tượng tẩm than theo phản ứng:

2CO ↔ CO 2 +C

Các bon thấm sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể gây nên hiện tượng

tả, gạch bị phá hoại mạnh Trong thực tế hay dùng nhất là CaO CaO làm giảm rất ít độ chịu lửa của SiO2, vì có khả năng kết dính nên nó tạo điều kiện liên kết các hạt phối liệu lại với nhau, viên mộc sau khi sấy có độ bền cao hơn CaO dễ điều chế Lấy từ đá vôi bình thường đem nung

Dinas có chất phụ gia sắt màu nâu vàng hay nâu hung gọi là "dinas đen" Dùng vôi thì có màu xám hoặc trắng

II/ Nguyên liệu

Trong kỹ thuật sản xuất dinas người ta thường dùng các nguyên liệu chứa SiO2 làm nguyên liệu chính: cát quắc, sa thạch, quaczit

- Cát quắc là sản phẩm phân hủy của quặng núi chứa quắc như đá hoa cương do tác dụng của khí quyển , gió, sự thay đổi nhiệt độ

- Các hạt các quắc tích tụ qua nhiều thế kỉ được thấm ướt bằng nước có chứa các tạp chất rất mịn như đất sét, vôi thạch cao, axit silicic Các tạp chất phân phối rất đều giữa các hạt, liên kết các hạt lại thành quặng rắn

hơn, bền hơn gọi là sa thạch hay cát kết Một số loại khác chứa nhiều

trường thạch hơn và nhiều vảy mica

- Khi chịu áp suất đủ lớn, cát kết biến thành một loại đá biến chất là quaczit

Quaczit thực sự là loại đá cứng rắn nhất sẽ nứt vở qua các hạt chứ không phải nứt quanh các hạt đó Vì vật liệu liên kết ban đầu trong cát nguyên thủy trở nên cứng như chính các hạt đó Hơn nữa trong suốt quá trình biến đổi, các loại xi măng ban đầu có thể tái kết tinh

Nếu lượng chất liên kết trong quaczit nhiều (30-75%) thì gọi là quaczit ximăng, ngược lại gọi là quaczit tinh thể Trong tinh thể quaczit, các hạt quắc tiếp xúc với nhau chặt chẽ hơn và có liên kết với nhau bằng các răng của hạt

2/ Tính chất kỹ thuật của quaczit

Các tính chất cơ bản đặc trưng cho chất lượng của quaczit là hình dáng bên ngoài, chỗ gẫy, cấu trúc, thành phần hóa, độ chịu lửa, độ xốp, tính chất khi nung (tính tả, tốc độ chuyển hóa) khả năng nghiền dập Quan sát hình dạng bên

ngoài để đánh giá sơ bộ về chất lượng và độ đồng nhất của chúng Đặc tính của quaczit được quan sát bằng kính hiển vi Khi đó xác định được tỉ lệ giữa pha tinh thể và ximăng liên kết, hình dáng, kích thước hạt quắc, các tạp chất có hại Qua kích thước hạt và lượng ximăng liên kết có thể phán đoán tính chất của quaczit khi nung Hạt càng nhỏ tốc độ chuyển hóa càng nhanh, ximăng nhiều cũng vậy

A/ Tốc độ chuyển hóa khi nung: Thông thường quaczit có khối lượng

riêng gần 2,65-2,66 Sau khi nung chuyển hóa thành tridimit và cristobalit nên khối lượng riêng giảm đi Theo tốc độ chuyển hóa chia quaczit làm 4 nhóm:

Nhóm Khối lượng riêng sau khi nung 24 h

đến 1460 0C và lưu 1 h Chuyển hóa rất chậm >2,5

Chuyển hóa chậm 2,45-2,5

Chuyển hóa trung bình 2,4-2,45

Chuyển hóa nhanh <2,4

Quaczit tinh thể thuộc loại chuyển hóa rất chậm còn quaczit ximăng tùy lượng ximăng và thành phần của nó có thể chuyển hóa chậm, trung bình và nhanh Để tránh tả do chuyển hóa nhanh người ta có thể phối hợp 2 loại quaczit, mặc khác có thể dùng chất khoáng hóa để thay tốc độ chuyển hóa

b/ Độ xốp

Theo độ xốp có thể chia ra 4 loại quaczit sau:

Số TT Tên nhóm Độ hút nước % Độ xốp biểu kiến %

d/ Độ chịu lửa

Để sản xuất dinas yêu cầu quaczit có độ chịu lửa >= 1750 0

C Loại < 1730 0C dùng làm phụ gia

3/ Quaczit ở Việt Nam

Bản Thái Lạng Sơn- quaczit chứa 98,4% SiO2 và 0,97% Al2O3

Đồn Vàng Phú Thọ- quaczit chứa 97% -98SiO2 và 1,56-1,74% Al2O3Tĩnh Gia Thanh Hóa- quaczit chứa 89% SiO2 và 0,97% Al2O3 (đây là loại quaczit kém hơn, có thể đẽo thành viên để xây lò nhỏ ở địa phương)

4/ Chất khoáng hóa

a/ Vôi: Dùng ở dạng vôi sữa Mục đích: tăng khả năng đóng khuôn của phối

liệu, phân phối đều phụ gia liên kết các hạt quaczit đã nghiền nhỏ, làm cho các

viên bán thành phẩm có được cường độ trước và sau khi sấy, xúc tiến quá trình tridimit hóa

Yêu cầu: CaO+MgO > 90%; CaCO3 +MgCO3 ≤ 5%

Al2O3 + Fe2O3 + TiO2 ≤5%

b/ Phụ gia keo và sắt

Phụ gia keo: dùng phổ biến là SSB (CC) thu được khi thủy phân nước kiềm sulfit xenlulô tức nước thãi bã giấy Thường cho vào phối liệu dinas 0,5-1% ở dạng dung dịch có khối lượng riêng 1,11 -1,22 g/cm3 sẽ làm cho viên mộc có cường độ uốn ≥ 2 kg/cm2, giảm phế phẩm khi vận chuyển , bốc dỡ

Phụ gia sắt: phải chọn loại hoạt tính hơn Có thể dùng vẩy sắt, xỉ nấu thép, quặng pirit đã cháy

Bảng 9: Thành phần hóa của phụ gia chứa sắt

III/ Kỹ thuật sản xuất dinas

Dây chuyền công nghệ

1 Chuẩn bị quaczit

Quaczit đưa vào nhà máy thường có kích thước lớn 300 mm Để sản phẩm đồng nhất và có tính chất xác định phải biến chúng thành bột mịn bằng cách đập và nghiền mịn Độ mịn của chúng tuỳ theo qui định của dinas và tính chất của quaczit

Quaczit ở kho được gầu ngoặm đưa vào thiết bị rửa sạch những chất bẩn như đất sét bị dính vào trong quá trình khai thác và vận chuyển Thiết bị rửa

đó là 1 thùng quay dài khoảng 4 m làm bằng thép tấm Thùng quay được đặt nghiêng 1 góc 4-10 oC, bên trong có các gờ thép hình xoắn ốc để quaczit chuyển động dễ dàng từ đầu đến cuối Ở gần cửa tháo có phần lưới để nước bẩn chảy ra Sau đó đưa vào máy đập hàm Ra khỏi máy đập hàm hạt quaczit có kích thước 10-60 mm Đưa tiếp vào máy nghiền bánh xe để đạt cỡ hạt 0,088-5

mm và đưa xuống sàng phân loại Loại hạt > 3 mm đưa tiếp vào máy nghiền bi đạt cỡ hạt 0,5-0,088 và < 0,088 mm

Thành phần cỡ hạt quyết định quá trình chuyển hoá quaczit, đến mật độ của sản phẩm, độ tả của chúng khi nung và sử dụng không phải tất cả các hạt quaczit trong thời gian nung ở gần 1450 oC đều chuyển hoá hoàn toàn thành tridimit và cristobalit Phần chưa chuyển hoá trong quá trình sử dụng sẽ tiếp tục chuyển hoá dẫn đến thay đổi mật độ, thay đổi thể tích và cuối cùng là làm

tả sản phẩm Nếu thành phần hạt lớn nhiều, khi nung các hạt lớn nở ra, tạo các

kẽ nứt rạn, tả nhiều lại, nếu sản phẩm quá nhiều hạt nhỏ < 0,088 mm gây nên phân lớp viên mộc, nứt sản phẩm khi nung Vì vậy cần phải có thành phần hạt hợp lí để đảm bảo cấu trúc sản phẩm sau khi nung thật chặt chẽ, có mật độ nhỏ, khi sử dụng ít bị tả Qua kinh nghiệm người ta qui định thành phần hạt như sau:

Cỡ hạt lớn nhất < 3 mm; hàm lượng hạt < 0,5 mm là 50-60% trong đó hạt < 0,088 mm phải chiếm từ 65 ± 10% tuỳ theo tính chất của nguyên liệu

Gia công phụ gia khoáng hoá

a Vôi: Do việc vận chuyển, bảo quản vô sống rất khó khăn nên hợp lí nhất

là sx vôi ngay tại nhà máy Để sx vôi sống, người ta phải nung đá vôi với yêu cầu CaO ≥ 50%, cặn không tan trong HCl ≤ 2% Thường nung

đá vôi trong lò đứng, đốt bằng nhiên liệu rắn ở 1150-1250 oC Vôi sống cần được đập nhỏ đến kích thước ≥ 25 mm, cần loại bỏ những cục quá sống, quá chín, tro xỉ và các chất bẩn khác mới đem tôi thành vôi

b Sắt: Để tránh hiện tượng nóng chảy cục bộ, phụ gia sắt cho vào phối liệu cần phải nghiền mịn qua sàng 900 lỗ/cm2 Để tăng hiệu suất nghiền, người ta không dùng nước mà dùng ngay sữa vôi cho vào máy nghiền phụ gia sắt Dung dịch vôi sắt sau khi nghiền cho vào bể khuấy liên tục

3/ Chuẩn bị phối liệu

- Sau khi gia công quaczit, phụ gia khoáng hoá, ta chuẩn bị phối liệu để nén Phối liệu ngoài quaczit, phụ gia khoáng hoá còn sử dụng 1 lượng mảnh dinas phế phẩm Dùng mảnh dinas có tác dụng hạ thấp trọng lượng riêng, giảm

độ nở của chúng khi nung Do đó hạ thấp được ứng suất xuất hiện trong sản phẩm , làm giảm phế phẩm Nhưng mảnh dinas lại làm tăng độ xốp, nếu dùng mảnh nhiều thì độ chịu lửa bị hạ thấp Sản phẩm càng phức tạp và kích thước càng lớn thì dùng mảnh càng nhiều hơn có thể đến 20-30%

- Phối liệu phải có độ ẩm nhất định để đóng khuôn cũng như phải trộn thật đều Độ ẩm của phối liệu do sữa vôi sắt mang vào, độ ẩm này dao động 5-7% Độ ẩm của phối liệu có giá trị lớn, nếu tăng độ ẩm đến giới hạn nào đó thì vôi , sữa , sắt phân phối đều trên bề mặt hạt quaczit làm cho quá trình chuyển hoá hoàn toàn hơn Độ ẩm của phối liệu tốt nhất tuỳ thuộc vào thành phần hạt của chúng Nếu tăng lượng hạt nhỏ lượng nước trong phối liệu tăng lên do cần thiết để thấm ướt trên bề mặt các hạt quắc Quaczit xốp cần nhiều nước hơn do

1 lượng nước bị hút vào lỗ xốp Độ ẩm thích hợp có tác dụng tốt: tăng cường

độ viên mộc khi sấy, đảm bảo vận chuyển và nung Nếu độ ẩm quá nhỏ, các góc viên gạch dễ bị nứt, cường độ sau khi sấy bé, dễ nứt vở Nếu quá ẩm sẽ gây phế phẩm do quá nén

- Qui định: Đối với máy nén cơ khí W= 5-6%

Đối với máy nén thuỷ lực W=3,8-4,4%

- Phối liệu phải được khuấy trộn để tăng độ đồng đều, tăng độ dẻo và độ sít đặc

- Có thể dùng máy trộn bánh xe và máy trộn 2 trục Máy trộn bánh xe đảm bảo đầy đủ các tác dụng trộn nhưng nhược điểm là có quá trình nghiền phụ làm thay đổi thành phần hạt của phối liệu Thường dùng máy trộn 2 trục có năng suất lớn và bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật cho phối liệu

- Phối liệu trộn xong phải nén ngay, không nên ủ vì sẽ làm giảm tính chất nén của chúng do phản ứng cacbonat hoá Ca(OH)2 làm mất tính dẻo

- Kích thước khuôn phải nhỏ hơn kích thước sản phẩm 2-3,5% vì dinas sau khi nung sẻ nở ra

5/ Sấy sản phẩm

- Mục đích: Loại trừ nước lí học

Tăng cường độ cơ học của sản phẩm

- Nhiệt độ sấy: >1000C Nếu sản phẩm có dùng mảnh dinas nhiều, khi sấy phải cẩn thận, nhiệt độ động lực sấy ≤ 150-180 oC Vì ở nhiệt độ cao hơn

-cristobalit → - cristobalit làm tăng thể tích gây nứt vở sản phẩm

- Thời gian sấy: Phụ thuộc vào kích thước sản phẩm, dao động 4-16h

- Động lực sấy: Tốt nhất là khói lò hỗn hợp với không khí Do có CO2các cạnh mép góc sản phẩm được cứng lại bởi phản ứng cacbonat hoá Ca(OH)2

- Lò sấy: Lò sấy tuy nen hoặc sấy phòng

6/ Nung: Là quá trình kỹ thuật hết sức quan trọng Chất lượng của sản phẩm

phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Tính chất của nguyên liệu, đặc biệt là khả năng chuyển hoá của nguyên liệu

- Độ mịn của phối liệu

- Loại và lượng phụ gia khoáng hoá

- Chế độ nén

- Chế độ và nhiệt độ nung ( tốc độ nâng nhiệt, thời gian lưu ở nhiệt

độ cao, tốc độ làm nguội) Các quá trình kỹ thuật quan trọng xảy ra khi nung như sau:

- Tác dụng giữa CaO và SiO2 tạo thành silicat canxi sẽ tác dụng với silicat sắt tạo thành dung dịch rắn Khi đạt đến nhiệt độ cao sẽ tạo thành chất nóng chảy giàu SiO2.Từ chất nóng chảy này tridimit sẽ kết tinh còn chất nóng còn lại sẽ đông lại thành thuỷ tinh khi làm nguội

- Quá trình biến đổi thù hình của quaczit thành tridimit và cristobalit

- Dãn nở gạch dinas do biến đổi đa hình của quaczit

- Biến đổi cường độ cơ học của dinas

Nói chung trong quá trình nung cần chú ý các điểm sau:

- Nâng nhiệt độ đều với tốc độ cho phép ở các khoảng khác nhau trên đường cong nung

- Duy trì môi trường khử yếu trong thời gian nâng nhiệt và lưu

- Thời gian lưu ở nhiệt độ cao nhất phải đảm bảo theo chất lượng của nguyên liệu, yêu cầu của sản phẩm, đặc biệt là yêu cầu về mật độ

Lò nung: Có thể dung nhiều loại khác nhau như lò tuynen ,lò phòng

Mỗi loại lò nung dinas đều có đường cong nung khác nhau, trong đó sự phân

bố thời gian nung khác nhau, phân bố giôn khác nhau, nhiệt độ nung cao nhất cũng khác nhau

Thời gian nung: 120-145h ở lò tuy nen và 270-450 h ở lò phòng nhỏ

IV/ Tính chất và ứng dụng

1/Tính chất

Dinas là loại VLCL mang tính axit, chứa SiO2 ≥ 93%

- Khi đốt nóng nở ra (khác với samôt) nhưng độ nở không lớn lắm, có tác dụng làm chặt các mạch xây, làm giảm độ thấm khí

- Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng cao (16500C), gần nhiệt độ chịu lửa (17100C)

- Rất bền đối với xỉ axit Ở 15000C không phản ứng với đa số VLCL như crôm manhêdi, forsterit, crômit, cao alumin; chỉ phản ứng một ít với VLCL manhêdi và samôt Khi tăng nhiệt độ đến 16000C dinas sẽ bị phá huỷ bởi gạch crôm manhêdi và samôt Bền vững đặc biệt với gạch crômit và cao alumin ngay cả ở nhiệt độ 16700C Do đó có thể dùng crômit và cao alumin để ngăn cách dinas với gạch crôm manhêdi và samôt

- Độ dẫn nhiệt: cao hơn samôt

- Độ bền nhiệt: kém hơn samôt Nguyên nhân: do sự biến đổi đột ngột của cristobalit ở nhiệt độ thấp làm thay đổi thể tích đột ngột Nhưng ở nhiệt độ

> 600 0C lại có độ bền nhiệt cao do dãn nở ít

- Độ ổn định thể tích: kém do khi đốt nóng hay làm nguội dinas bị biến đổi thể tích do dãn nở nhiệt và biến đổi thù hình

117 -1620C: dãn nở do biến đổi thù hình  →  → tridimit

180-2700C: dãn nở do biến đổi từ  → -cristobalit

C thể tích bị giảm nhiều do sự biến đổi của cristobalit

V/ Các loại dinas khác

Ngoài các loại dinas thông thường,còn có các loại dinas khác có đặc tính tốt hơn nhiều, đó là dinas mật độ cao, dinas crôm, dinas carborun, dinas zircôn

1/ Đinat mật độ cao (SiO2 97-98%), giàu cristobalit

Nguyên liệu dùng là quaczit tinh thể SiO2 = 98-98,8 % Máy ép thủy lực, sản phẩm chứa nhiều cristobalit Dùng để lót trong các lò nấu thép, lò luyện kim màu, lò nấu thủy tinh, dùng lâu gấp 1,5-2 lần dinas thường

2/ Dinas crôm:Cr2O3 dạng nghiền mịn <0,088mm ~3% Lực ép 250-400 tấn

Để tăng khả năng chống lại xỉ ăn mòn cho dinas, thêm vào phối liệu 1 lượng phụ gia crôm thành gạch dinas crôm Dinas crôm bền nhiệt hơn dinas thường (hơn 10 lần) độ bền xỉ cao, nhiệt độ chịu lửa cao 1730 0

C, nhiệt độ biến dạng dứoi tải trọng cao Dinas crôm thay thế được Samôt xây cổ, tràn ngăn trong các lò cốc hóa, tường và vòm lò khác nhau làm việc ở 1450-1500 0C, lót trong các xe goòng của các lò nung tuy nen Đặc biệt dùng làm gạch đệm rất tốt trong các buồng hồi nhiệt

3/ Dinas carborun

Là loại dinas có thêm phụ gia carborun Trong quá trình nung sẽ tạo ra vết nứt li ti làm tăng độ bền nhiệt, giảm độ dãn nở nhiệt Đây là loại VLCL có

độ bền nhiệt cao

4/ Đinat ziếc côn : Phối liệu gồm 70% quặng ziếc côn và 30% thủy tinh quắc ~

(48%ZrO2 + 50%SiO2 + 2% tạp chất) Đặc tính đặc biệt của loại gạch này là nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng cao (17300C) Dùng trong lò nấu phốt phát bền gấp 4-5 lần samôt đồng thời tăng chất lượng phốt phát

5/ Đinát không nung : Mảnh đinat cộng với quaczit sống hoặc nung sơ bộ

hoặc hỗn hợp Loại này dùng lót 4-6 dàn trên cùng của buồng hồi nhiệt

VI/ Đánh giá chất lượng đinát bằng kính hiển vi phân cực : Dùng kính hiển

vi phân cực ta có thể phân loại đinat thành 3 loại :

-Dinas tridimit hóa yếu: Các tinh thể tridimit tạo nên ít, kích thước bé,

lượng hạt thạch anh còn lưu lại trong sản phẩm 30-35% hoặc hơn Hạt ít nứt, kích thước tương đối lớn

- Dinas tridimit hóa trung bình: Lượng tridimit tương đối lớn, kích

thước tinh thể trung bình, lượng thạch anh còn lưu lại 15-25%, kích thước hạt nhỏ

- Dinas tridimit hóa tốt: Lượng tinh thể tridimit nhiều, tinh thể dạng hình

kim và song lưỡi mác, lượng thạch anh còn lưu lại khoảng 10 % hạt bị nứt nẻ nhiều

Vật chất nền trong dinas là pha thủy tinh

Dinas trong quá trình sử dụng còn tiếp tục bị hàng loạt biến đổi Thường dinas được sử dụng ở những nơi chỉ tiếp xúc với nhiệt độ cao, với xỉ, với bụi từ

1 phía cho nên tạo ra trong đó 1 gradient nhiệt độ, nồng độ các chất khuếch tán

và dẫn đến sự thay đổi cấu trúc biến đổi thành phần khoáng trong nó

Chương 3 VLCL Samôt

Samôt là loại VLCL chứa AL2O3 30-45% , sản xuất từ đất sét và cao lanh chịu lửa cộng với phụ gia gầy samôt (tức đất sét đã nung đến kết khối) hoặc đất sét không dẻo cộng chất kết dính là đất sét và cao lanh Samôt là sản phẩm nằm trong họ aluminôsilicat Tùy theo hàm lượng Al2O3 trong sản phẩm

mà họ này chia làm 3 loại nhưsau:

- Bán axit Al2O3 ≤30% (15-30%)

- Samôt Al2O3 = 30-45%

- Cao alumin Al2O3>45%

I/ Thành phần pha của các loại gạch chịu lửa aluminôsilicat

VLCL thuộc nhóm aluminôsilicat có cấu tạo chủ yếu từ SiO2 và Al2O3 Các oxyt khác có trong sản phẩm là các tạp chất Thành phần và hàm lượng của tạp chất này phụ thuộc vào độ tinh khiết của nguyên liệu ban đầu Hàm lượng

Al2O3 dao động trong khoảng lớn từ 10-15% ở sản phẩm bán axit đến 99-100%

ở sản phẩm cao alumin Sự thay đổi thành phần hóa học của sản phẩm aluminôsilicat tương ứng với sự thay đổi thành phần pha của chúng Từ thành phần pha ta có thể phán đoán được tính chất của sản phẩm

Trong kỹ thuật sản xuất sản phẩm aluminôsilicat chủ yếu dựa vào biểu

đồ trạng thái 2 cấu tử Al2O3-SiO2 Từ biểu đồ này cho phép ta xác định được sự biến đổi thành phần pha và tính chất của chúng

Qua biểu đồ này ta thấy:

- Đối với thành phần chứa Al2O3 từ 5,5-71,8% có 1 pha bền vững đến

18500C là mulit A3S2 (71,8% Al2O3+28,2 % SiO2) Lượng mullit tạo thành phụ thuộc vào hàm lượng Al2O3 Ở nhiệt độ cao, ngoài lượng mullit ra chúng còn tạo 1 lượng pha lỏng có thành phần gồm lượng SiO2 dư lại sau khi đã kết tinh

mullit và phần lớn các oxyt tạp chất Các oxyt tạp chất đóng vai trò chất trợ dung làm cho pha lỏng xuất hiện sớm hơn.Nếu không có chúng pha lỏng chỉ xuất hiện ở1595 0C ứng với 5,5% Al2O3 và 94,5% SiO2

- Với Al2O3> 72% có 2 pha bền vững hơn cả là mullit và corun

- Trong phạm vi thành phần có Al2O3 từ 72-78% , mullit tạo thành dung dịch rắn với corun, pha lỏng chỉ xuất hiện ở 1850 0C và thành phần ứng với điểm nóng chảy là 79% Al2O3 + 21% SiO2 Như vậy vật liệu chứa Al2O3 trên 72% sẽ có nhiệt độ mềm rất cao Tuy nhiên thông thường trong nguyên liệu còn có tạp chất với 1 lượng từ 2-3% nên nó hạ thấp điểm nóng chảy xuống và tăng lượng pha lỏng lên Đó là nguyên nhân làm nhiệt độ mềm của gạch mullit

hạ xuống còn 1620-1650 0C

Khảo sát biểu đồ trạng thái Al2O3-SiO2 cho ta kết luận: Nếu tăng hàm lượng Al2O3 sẽ tăng nhiệt độ chịu lửa và nhiệt độ mềm của các vật liệu aluminôsilicat Tuy rằng tính chất của vật liệu này không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng Al2O3 mà còn phụ thuộc vào hàm lượng và tính chất của các tạp chất

II/ Nguyên liệu sản xuất VLCL samôt

Là đất sét và cao lanhchịu lửa

1/ Nguồn gốc:

Đât sét chịu lửa là các mảnh vỡ của quặng trầm tích, là các loại hydro aluminôsilicat phân tán rất cao, khi hợp nước nó cho ta một khối dẻo, duy trì được hình dạng sau khi sấy và có cường độ như đá sau khi nung

Quặng đầu tiên tạo thành đất sét hay cao lanh chịu lửa là đá hoa cương (granit),

đá nai Ban đầu chúng bị phân hủy thành các quartz, mica, tràng thạch Sau đó dưới tác dụng của nước, CO2 trong môi trường chúng tiếp tục bị phân hủy Ví

dụ trường hợp của trường thạch:

K2O.Al2O3.6SiO2 + 2 H20 + CO2 = Al2O3.2SiO2.2H20 + K2CO3 + 4SiO2

K2CO3 là chất hòa tan nên bị dòng nước mang đi, cất còn lại là cao lanh

Khoáng chủ yếu trong cao lanh là caolinit AS2H2 ngoài ra còn có:

-Galuazit Al2O3.2 SiO2.4H20 (rất hiếm)

-Pirôfilit Al2O3.4 SiO2.H20 (chỉ dùng trong gốm tinh)

-Môntmôrilonit Al2O3.4 SiO2.n H20 (không chịu lửa)

- Mônotermit 0,2 K20 Al2O3.3 SiO2.1,5 H20 (chịu lửa)

Cao lanh ở chỗ phân hủy đầu tiên tạo thành các mỏ ngay vùng núi phong hóa gọi là cao lanh bán phong hóa Khi chúng bị cuốn đi theo dòng nước

và không khí đến vùng xa hơn ta có cao lanh phong hóa hoàn toàn Vì vậy cao lanh bán phong hóa ít tạp chất hơn cao lanh phong hóa hoàn toàn

Đất sét chịu lửa khác cao lanh ở những điểm sau:

- Có độ phân tán cao hơn

-Hàm lượng tạp chất nhiều hơn: Fe 3 đến 5 %; K20,Na20, Ca0, Mg0 3 đến 4 % Trong cao lanh ,sắt <1%, các oxyt khác <1-1,5%

-Không có hoặc có rất ít các quặng dư: Các quartz, đá dăm, tràng thạch, mica…là các quặng trường thạch trong cao lanh

-Khó làm giàu hơn cao lanh Có thể làm giàu cao lanh với hàm lượng caolinit đạt 95-98% lượng lí thuyết

2/ Thành phần hóa và thành phần khoáng

Trong thiên nhiên không khi nào gặp cao lanh hay đất sét có thành phần đúng dạng AS2H2 ( 39,5% Al2O3, 46,6% SiO2, 13,9% H20) mà thường lẫn các tạp chất khác

Thông thường : SiO2 chiếm đến 70% hoặc hơn, ở dạng quartz, chúng sẽ làm giảm độ dẻo và độ chịu lửa, tăng độ kết khối, một vài trường hợp làm tả đất sét khi nung ở nhiệt độ cao

Các tạp chất hữu cơ khác: như than đá, than bùn, cây cối mục nát 15%

10-Các oxyt titan, sắt xúc tiến quá trình tạo mullit, CaO và các chất chứa kiềm đều cản trở quá trình mullit hóa, gây khó khăn cho quá trình kết khối của sản phẩm Samôt khi nung

4/ Độ dẻo và khả năng liên kết của đất sét

Độ dẻo là tính chất quan trọng của đất sét Nhờ dẻo mà đất sét duy trì được hình dạng của nó, không có kẽ nứt khi ta tác dụng một lực không lớn lắm, duy trì được hình dạng của nó khi không còn lực tác dụng nữa

Khi cho nước vào đất sét, đầu tiên độ dẻo tăng lên đến giá trị max, sau

đó hạ xuống do quá nhiều nước và chuyển sang dạng huyền phù

Độ dẻo của đất sét có được là do tính chất phân tán keo của chúng Giảm các hạt có kích thước lớn độ dẻo của đất sét tăng

Hỗn hợp của đất sét và nước có các trạng thái đặc trưng sau:

-Giới hạn trên của độ lưu động: Vữa đất sét chảy thành dòng liên tục -Giới hạn dưới của độ lưu động: Lớp đất sét dày 1-1,5 cm nằm dưới đáy bát sứ bị vạch làm đôi sẽ dính lại với nhau khi rung động mạnh 3 lần

-Giới hạn lăn vê: Đất sét chứa nước khi vê chưa tạo thành sợi được -Trạng thái của đất sét mất khả năng liên kết và tả ra khi bị ép

Để xác định độ dẻo của đất sét 1 cách cụ thể ta dùng khái niệm"hạn dẻo", đó là hiệu số giữa độ ẩm của đất sét ở giới hạn dưới của độ lưu động và độ ẩm của giới hạn lăn vê

Giá trị hạn dẻo càng lớn, đất sét càng dẻo Có thể phân loại đất sét như sau:

Loại 1: hạn dẻo >15%

Loại 2 hạn dẻo 7-5%

Loại 3 hạn dẻo 1-7%

Loại 4 hạn dẻo <1% (đất sét không dẻo)

5/ Sự biến đổi của đất sét khi cho nước vào

Khi cho nước vào đất sét khô tuyệt đối, các hiện tượng hóa lí phức tạp xảy ra:

Tỏa nhiệt (nhiệt thấm ướt)

Phồng đất sét (nở thể tích)

Tùy lượng nước cho vào có thể tạo thành khối bán khô, dẻo, huyền phù

có khuynh hướng keo tụ

Nhiệt thấm ướt chỉ khoảng 0,5-5Kcal/kg nên không ảnh hưởng lắm đến quá trình kỹ thuật

Hiện tượng phồng có giá trị lớn đặc biệt khi đất sét không làm ẩm đến trạng thái dẻo

Keo tụ có ảnh hưởng quá trình kỹ thuật vì làm giảm bề mặt chung của các hạt, làm giảm khả năng liên kết Để phá hiện tượng keo tụ người ta dùng chất điện giải cho vào tạo được huyền phù bền vững Chất điện giải thường dùng: kiềm, soda, thuỷ tinh lỏng, NH4Cl …Nếu dùng với nồng độ quá cao, chất điện giải lại có tác dụng keo tụ huyền phù lại Phải chọn nồng độ thích hợp đối với mỗi chất điện giải bằng thực nghiệm

6/Độ kết khối của đất sét

Độ kết khối của đất sét đặc trưng bằng các chỉ tiêu sau:

-Mức độ đặc của sản phẩm: Đất sét sau khi nung sẽ sít đặc lại, độ hút nước<2%, trọng lượng thể tích= 2,4-2,5 g/cm3 Khi nung quá đất sét sẽ phồng lên trọng lượng thể tích giảm, độ hút nước có thể không tăng vì khi nung quá lửa sẽ tạo pha thủy tinh, tạo thành các lỗ kín không cho nước thấm qua

- Nhiệt độ kết khối: Là nhiệt độ nung mà ở đó sản phẩm đạt độ sít đặc cao nhất

- Khoảng nhiệt độ kết khối: Là khoảng nhiệt độ sản phẩm tiến hành sít đặc nhanh, là khoảng cách giữa nhiệt độ kết khối và nhiệt độ biến dạng (phồng mềm ).Nhiệt độ và khoảng kết khối của đất sét biểu thị bằng độ co khi nung Xem hình: