Giáo trình Công nghệ vật liệu cách nhiệt (Tái bản): Phần 2

Tính chất của các loại sản phám điatòmit (trepel).. Mác sản phấm[r]

Chương VII

V Ậ T L I Ệ U G Ố M C Á C H N H I Ệ T

Vật liệu gốm cách nhiệt là loại vật liệu được tạo hình từ khối cỉramic đã

tạo rỗng không có cốt liệu, hoặc từ khối ceramic đặc (hoặc tạo ròng) chứa

các cốt liệu khó chảy hoặc chịu lửa, sau đó được nung đế ốn định Ciu trúc.

Tuỳ thuộc vào nguyên vật liệu ban đầu, công nghệ c h ế tạo vật liệu gốm cách nhiệt được phân thành hai nhóm chính, đó là: vật liệu cách nhiệt ceraniic và vật liệu chịu lửa nhẹ

- Các sản phẩm cách nhiệt ceramic được thành hình từ khối ceramic, sau

đó được sấy, nung ớ điều kiện nhiệl độ cao Nhiệt độ nung của sán phẩm có ảnh hưởng quyết định đến nhiệt độ sử dụng của sán phẩm: t J = 900 - 10 0 0 °c khi sản phấm tạo hình từ đất sét dề chảy và = 1 0 0 0 - 1 2 0 0° c khi sản phẩm lạo hình từ đất sét chịu lửa

- Vật liệu chịu lứa nhẹ, được lạo hìiìh lừ klìòi cemmic chịu lứa đã tạo rỗng,

có nhiệt độ sử dụng 1000 - 120()°c hoạc trong nhiều trường hợp đến 1650°c

Hai n h ó m sản phẩm này đcu thuộc loại vật liệu cách nhiệt ihiệt độ cao được sử dụng để cách nhiệl và báo vệ lò, buồng đốt và các thiế: bị làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao

Phối liệu thành hình sản phẩm có thê chảy lỏng, dẻo hoặc khô Chúng được tạo rỗng bằng một trong các phương pháp sau;

- Phương pháp tăng lượng nước nhào trộn: theo phương pháp lày, độ rỗng được tạo ra do nước bay hơi Đây là phương pháp ít được sử dụrg, tuy nhiên

có thế kết họp với các phương pháp khác làm tăng một phần độ lóng

- Phương pháp lựa chọn thành phần hạt hợp lý: đây là phươiiỊ pháp mang tính bổ trợ cho các phương pháp khác

- PhưOTg pháp phụ gia cháy (licnin, mạt cưa, than cốc, póli;tyrol phồng

nớ và các loại chất déo phồng nở khác): đâv là phương pháp ph( biến, vì khi

sứ dụng cho phép tạo hình sán phẩm từ phối liêu có độ ám thấpv à cho phép

sử dụng phương pháp tạo hình ép bán khô Độ rỗng tối da đạt điơc là 65%

- Phương pháp tạo khí: phương pháp nàv cho phép tạo ra sán phấm có độ rỗng từ 40 - 9 0% đồng thời cho cườns độ cơ học tương đối cao Nhược điểm của phương pháp nàv là dùng mộl lượng nước lớn nên dẫn đến làm giảm độ bển nhiệt cúa sán pháin Nếu sử dụng công nghệ rung phổng có thế khắc phục được nhược điếm này

- Phương pháp tạo bọt: iheo phương pháp nàv, phụ gia tạo bọt được đưa vào trộn trực tiếp với hỗn hợp tạo hình lóna ví dụ 1,5% dung dịch xà phòng nhựa thông (hoặc các chất tao bọt khác) Cũne có thể trộn hỗn hợp nàv với bọt đã chuán bị trước Nhược đièm chính cúa phương pháp này là khi độ chả y của hỗn hợp tạo hình Ihấp hơn cần thiết, sán phẩm sẽ có cấu trúc không

đ ồ n g nhất, chứa nhiều vêt nứt và lỗ hống; độ ẩm phối liệu tạo hình lớn, tỷ lệ N/R có thế đạt đến 200% ; độ co thế tícli khi sấy lớn (gần 72%) và không cho phép sấv nhanh, v.v

- Phương pháp dùng cót liệu rỗng: đày ià phưcmg pháp phố biến, sừ dụng peclit và veiniculit phồng, kcrarnzit \'à các vật liệu khác

- Phương pháp tạo cốt sơi từ các sợi chịu iihiệt độ cao như sợi cao lanh có nhiệt đ ộ sử d ụ n g t^,| = I 100 - 1250°c Hàm lượng SìOị và AI2O, trong sợi

c a o lanh có thế đạt đêii 987í và tv lệ giứa hai ỏxit nay tương ứng là 1 : 0,8

7.1 N G U Y Ê N V ẬT LIỆU C H Ế TAO VẬT LIỆU G ố M C Á C H N H IỆ T Trong các loại vậi liệu ch ế lạo vật liệu gốm cách nhiệt phái kế tới

cliatômit \'à trepel là các loại dất đá chứa silic có nguồn gốc hữii cơ thuộc

n h ó m trám tích

Thà nh phán hoá học của điatòmit và trepel dao động trong khoảng sau: SiO, 74.1 - 92,5%; A1,0, = 1.5 - 11,3%; F c A = 0.4 - 5,5%; CaO = 0,52 - 2,1%; M g O = 0.2 - 1%: MKN = 4.3 - 10%

Đia tôm it chủ yếu được hợp thành từ xác cúa táo điatômit có lẫn các tạp chất từ kh o án g sét hạt mịn, 2laucônit và quãczit, có nhiệt độ nóng chảy là

= 1 7 0 0 °c, độ rỗng r = 80 - 8 5 9t’

Trepel được tạo thành từ ỏxít silic vô định hình dưới dạng các hạt hiđrô silicat thiên nhiên hình cầu SìOị, có thế là các khoáng opal, chanxeđôn (mSiOT.nH.O) có kích thước từ 2,5 - 5|.im, và các tạp chất từ xác táo điatòmit

và các sinh vãt biến khác

Đất sét là một loại đất đá trầm tích hạt ĩĩiỊn hợp thành từ các phầi tứ kho án g kích thước từ 1 - 0,0 1|0,m Theo thành phần hoá học đất sét g ồ m ; á c hiđrôalumỏsilicat và tạp chất của một số kho án g khác Đấl sét theo xuấixứ

có thể là đất sét nguyê n phát được tạo ra do hậu quả cúa quá trình phong K)á

và đất sét thứ cấp do sự dịch ch uy ển và trầm lắng cú a đất sét ngu y ên piát Trong đất sét có các hạt sét kích thước hạt nhỏ hcfn 2|am, các hạt không piải

là sét có kích thước hạt thô hơn , các chất hữu cơ, các ion và muối tan

Trong đất sét bentônit, ngoài các kh o án g sét còn có cristôbalit với kch thước hạt nhỏ hơn lị-im, có liên hệ chặt chẽ với các hạt mônmôrilốnit

Các khoán g nh ư quăczit, đá vôi, fenspat có tên ch ung là các chất làm giy

Trong khoáng sét phải kể tới các hiđrôalum ôsilicat sau: allofan, kaoliiit,

halôizit, mônmôrilônit, bađelit, thuỷ mica (ílôgôpit, biòtit, muscôvit)

Đất sét được phân thành ba loại phụ thuộc vào nhiệt đ ộ chịu lửa:

- Đất sét dễ chảy t < 1350°c.

- Đất sét chịu lửa t > 1580°c.

Ôxít nh ôm là AI2O3 không n g ậ m nước Trong chê tạo vật iiệu chịu ửa nhẹ thường sử dụ ng ôxít nh ôm kỹ thuật chứa chủ yếu Ỵ-AI2O, Ôxít nhômiíỹ thuật được c h ế tạo từ quặng bauxit trong đó có mặt y-Al2 0„ ơ và [3-AlO, dưới dạng hiđrôargillit (AI2O3.3H2O) và bemit (AI2OVH2O), Ôxít nhômcỹ thuật không nung có khối lượng thể tích 0,85 - 0 , 9 g / c m \ khi n u n g bổ s u g

đ ến 1 5 0 0 ° c đạt 1,1 - 1,2 g /c m ’ và ở nhiệt độ 1 7 5 0 ° c là 1,5 - l , 6 g / c m \

Sa mốt là phụ gia làm gầy có tác dụ ng giả m co khi sấy và nung, được o ế tạo từ đất sét nung đến mất nước hoá học, được nghiền mịn đến độ rịn

ỵ s = 3400 - 3900cmVg Khối lượng thể tích đổ đống là 1,15 - l , 2 g / c m \ )ộ

chịu lửa từ 1720 - 1730°c

Phụ gia cháy được dùng rộng rãi nhất là mạt cưa N ên sử dụ ng mạt cưa;ó kích thước nhỏ hcín 8mm Mạt cưa từ các loại gỗ cứng cho phép tạo ra pĩối liệu thành hình tốt nhất Ngoài ra có thể sử d ụ n g licnin là p h ế thải của c á g ngh iệp giấy, mạt than antraxit hay than cốc Q u á trình nung sản p h ẩ m o ế tạo theo phương pháp phụ gia ch á y trong giai đoạn đầu cần thực hiện t r a g môi trường ôxy hoá

1 2 C Á C Q U Á TRÌ NH HOÁ LÝ DIỄN r a k h i n u n g Đ ẤT s é t v à

C Á C T H À N H P HẦN KHÁC C ỦA VẬT LIÊU G ố M C Á C H N H IỆ T

Q u á trình chú yếu diễn ra trong khi nung chấl kết dính ceramic chính là quá trình thiêu kết, nhờ đó các thành pliẩn vật liệu ban đầu bị làm đặc và biến thành vật liệu d ạ n s đá Cần phân biệt thiêu kết pha rắn và thiêu kết có

sự tham gia cúa pha lỏng

Thiêu kết pha rắn là quá trình lái kết tinh cùa các khoáng chất và phán ứng pha rắn giữa các thành phần cùa khoáng sét với các châì khác dế tạo thành sán phám gốm cách nhiệt hav vật liệu chịu lửa nhẹ hoặc cũng có thể thu được sản phẩin phân huý của các khoána này Thiêu kết, với sự có mặt cùa pha lỏng, là quá Irình liên kết giữa các thành phẩn rắn với sự tham gia của phản ứng hoá học aiữa pha rãn và pha long hoặc không có sự tham gia ciia phản ứng này,

Tái kết tinh là quá trình lliav đối trạng thái kếl tinh của vật thế đa tinh thể Tron g quá trình thiẽu kết, vật liệu bị làm dậc lại do đó độ rỗng hớ giảm Phụ thuộc vào mức độ thiêu kết dâì sél có thế phân thành các loại như: đất sét thiêu kết mạnh, thiêu kết Irung bình và không thiêu kết Độ hút nước của

sản phá m tưưng ứng Iilio luín 2% nhu hciii V/í; và lỏii liưn 5% Mạl khác các

giá trị trẽn phái xác định tại ít tiliất là hai diêm cách nhau 5 0 ° c Theo nhiệt

độ thiêu kết, đấl sét cũng có llic được phân thành các loại sau; đất sét thiêu kết nhiệt độ thấp, t < 1 1 0()°c, thiẻu kêì ờ nhiệt độ trung bình, t = 1 1 0 0 -

13 0 0 ° c và thiêu kết ớ nhiệt độ cao, t > 1300°c

Khi thiêu kêì pha rắn, sản phám được làm đặc chú yếu là do cơ c hế khu ếc h tán của các chất (có thê có khả nãng thiêu kết do bav hơi, ngưng tụ hoặc do biến dạng dẻo)

Trong trường hợp thiêu kết có sự tham gia cúa pha lỏng, diễn ra quá trình

ch ả y dẻo, cliáv nhớt cùa pha lỏng, sự khuếch tán cúa các ion và ion phức từ pha rắn vào pha lỏng Khi giám kích thước hạt từ lOịim xuốn g l( im có thể làm tăng tốc độ thiêu kết lèn 10 lần Ngoài ra độ nhớt cúa pha lỏng tham gia

ph ản ứng thiêu kết có vai trò không kém phần quan trọng

Pha lỏng không chỉ đơn giản dính kết các hạt vật liệu mà còn có thể hoà tan các thành phần khó chày, tuy tương đỏi chậm Bằng cách đó pha lỏng được làm giàu bởi các ion khuếch tán từ chất khó chảy

Quá trình thiêu kết pha rắn và thiêu kết với sự có mạt của pha lỏng có liên quan mật thiết với nhau Khi nhiệt độ tãng, thiêu kết pha rắn sẽ chuyển thành thiêu kết với sự tham gia của pha lóng

7.3 C Ô N G N G H Ệ C Á C SẢN PH ẨM G Ố M c á c h n h i ệ t

Sản phẩm gốm cá ch nhiệt rất đa dạng về chủng loại Tính chất của các loại sản phẩm gốin cách nhiệt phụ thuộc vào loại nguyên liệu sử dụng, phương pháp tạo rỗng và nhiều vếu tố công nghệ khác Dưới đãy là một sô' ví

dụ về công nghệ sản xuất một sô' loại vật liệu gốm cách nhiệl

7.3.1 C ông nghệ sản phẩm cách nhiệt điatômit (trepel)

Vật liệu cách nhiệt điatômit nung có dạng gạch, rẻ quạt và vó trụ, sử dụng trong khoảng nhiệt độ 800 - 900°c Sán phám dạng nàỵ được c h ế tạo bằng cách sử dụng phụ gia cháy hay bọt kỹ ihuậl Tính chất cúa loại sản phẩm này được nêu trong bảng 7.1

Bảng 7.1 Tính chất của các loại sản phám điatòmit (trepel)

Mác sản phấm

Khối lượng thể lích trung bình, kg/m'

C'ường độ nén, MPa

Độ đản nhiệt W/(m.°C),

do ỏ nhiệl độ, °c

Ghi chú: Bốn loại sản phẩm là D-500, D-600, T-600, T-700 được tạo rỗng theo

phương pháp phụ gia cháv

Công nghệ sản p h ẩ m điatômit nung được thực hiện theo luần tự: điatômit sau khi sấy được nghiền và trộn với phụ gia cháv tạo rỗng, cụ thế là m ạ t cưa sau đó được làm ẩm Hỗn hợp này được cho vào máy ép lentô để tạo hình sản phẩm Tiếp theo là công đoạn sấy và nung sản phấm Trong quá trình nung, phụ gia tạo rỗng cháy tạo ra cấu trúc rỗng, điatômit bị thiêu kết tạo cường độ cần thiết eh ó sản phẩm

Xu t i ế hiện nav là công nghệ sử dụng thiêì bị mới hiện đại nhằm Ihúc đẩy qiu trình cia cóng phối liệu và cho phép tạo ra phối liệu thành hình có chất lưcng cao Chảng hạn khi sứ dụng máy nghiền đứng cho phép kết hợp nghiền \'à sấv nguyên liệu đổnc thời Vicc sứ dụng ináv trộn begun thay cho m á ' trộn ám cho phép cái ihiệii đáng kế đặc tính tạo hình và cấu trúc cứa sản phẩm điatòmit

- Chiấn bị ngiivên liệu: quá irìnli chuẩn bị nguyên liêu dược ihực hiện với

đ ia lô m i (trepcl), sau khi được khai thác \ ’à \ậ n ch uyển \'C nhà m áy sẽ qua

khâu đậ3 và loại bỏ tạp chãi, sau dó đein sấy dèn độ ám 5 - Ỉ07( \'à đem đi

nghiển, Đ ế chê tạo sán pháin có khối krọn*: thê lích lừ 500 - 7()0kg/m’ thường ;ử d ụ n a 35 - mạl cưa, Độ áin lao hình cứa phối liệu phụ thuộc vào ihàsh phần chứa silit dộ lổng tự nhiên và độ nghiển mịn cùa nó cũng như kích thước liạl của mat cưa loai gỏ tao ra inat cưa So với đialỏmil thì trepel co lượng nước nhào trộn nhó hoìi, do đó sán phấm từ trepel có dộ rỗng nhó hơr Hỗn hơp tạo h'inh thường có độ ấm tạo hình lừ 60 - 65%, còn khi sứ

dụ ng trepel, độ ấm lạo liìiih trong khoáng 40 - 42% Sán phám điatômit (trepel) hường được tạo hình theo phương pháp déo

- Sã'\ \ à nung sán pháin: quá trình sãỵ dược ihực hiện iheo chế dộ klìác nghiệt lơn so \'ới sấv gạch clií Sự có mặl cứa mạl cưa irong phối liệu tạo hình là n thay đổi về bản chất tính chát sâV Mạt cưa \’ới danh nghĩa là phụ gia gấy sẽ làm giảm độ co khi sấy, mặt khác làm tãng khá năng dẫn ẩm của sán pháĩi, giám khá năng xuất hiện ứng suất do građien ám Tất cả những yếu tố nói trên tạo diều kiện đáv nhanh quá trình sấy Đế sấy sản pháin thường >ứ dụ ng lò luvnen hoạt động Iheo nguyên lắc ngược dòng Thời gian sấy k h ô ig quá 1 2 giờ

Q u á rình nung sản phẩm tao điều kiện thiêu kếl nguvên liệu điatỏmit lạo thành stn phấm dạng đá

Điatómit tinh khiết chi chứa òxít silic ngậm nước dạng vỏ định hình Đó

là một bạ i vật liệu khó cháy có nhiẽl dộ nóng cháy gần 1700°c Tuy nhiên điatômi và ircpel luôn bị nhiễm bán bứi các tạp chất khác, do đó quá trình thiêu két Ihường xảy ra ớ nhiệt độ từ 800 - 9 0 0 ° c Sự phân bố đồ n g đều

củ a mạt cưa sẽ tạo điều kiện cho quá trình nung xảy ra nhanh hơn Thời gian nung sản phấm không được lâu hơn 1 6 - 2 0 giờ và phụ thuộc vào kích

thước Scn phấm.

S ơ đ ồ n g u y ê n lý c ò n g n g h ệ đ ia tô m it nung sứ d ụ n g phụ gia c h á y tạo r ỗ n g

7.3.2 C ô n g nghệ sản p h ẩ m gôm peclit

T h à n h phần phối liệu g ồ m 10% peclit, 9 0 % đất sét và 10% licnin làm phụ gia cháy Tạo hình bằn g phương pháp đúc rót hay ép với áp lực 0,4MPa

Sán phấm có khối lượng thế tích Y„ = 300 và 3 5 0 k g / m \ cường độ nén

R, = 0.4 - 1 MPa, độ dẫn nhiệt X = 0.06 - 0,083W/(m.°C)

Sơ dồ còng nghệ sản xuất gòm peclit

7.3.3 C óng nghệ vật liệu chịu lứa nhẹ samót

Vật liệu chịu lửa nhẹ samôt thuộc nhóm \'ật liệu chịu lứa aluư;ôsilicat Phụ thuộc vào hàm lượng ôxít nhòm chúng được phán thành: vật LệL chịu lửa bán kiềm tính ( A ụ o , < 28%) vật liệu chịu lửa samôì (AliO = 2S - 45%)

và vật liệu chịu lửa cao nhóm (AKO, > 45%) Như vậy, sự khác biệt chủ yếu giữa các sản phấm n h ó m này là tỷ lệ giữa ôxít AUO, và SiO, là những thành phần chính trong vật liệu Các ỎXIÌ khác như P e o ,, TiiO, CaO, MgC, FọO là

tạp chất, với khối lượng không đáng kê ihường không vượt quá -ị - 1%

Nguyên liệu để c h ế tạo vật liệu chịu lứa aluinòsilicat là đất sét chịi lửa có thể có phụ gia bổ sung các ôxít thiếu

Tuỳ thuộc vào độ chịu lứa mà vật liệu chịu lửa Iihẹ samôì được phân loại theo báng sau:

Báng 7.2 Phân loại vặt liệu samốt theo độ chịu lứa

Loại N h iẽ t đỏ t°c H à m l ư ợ n g A K O , 'v^É)

Trong công nghệ sán xuâì vặt liệu chịu lửa Iihẹ thường sử dụng đii sél cao lanh chứa từ 25 - 37% AlọC), và 45 - 60% SiO, Trong sán xuất sin phấm samốl nhẹ thường sử dụng 1 0 0% nguyên liệu thiên nhiên không có sụbổ sung phối liệu bàng các loại phụ liệu chứa AKO, như bauxit sét nhôm kỹ tluật Thành phần phối liệu của sản phẩm cách nhiệt samốt nhẹ thec phương pháp tạo bọt bảng 7.3

Bảng 7.3 Phối liệu dể sản xuất sản phám chịu lứa nhẹ samỏt

đã tạo )ọt %

Độ nghiền mịn của sản phẩm samốt nhc B-0,8 từ 5500 - 6 0 0 0 mVg và cho sản phẩm samốt nhẹ B-0,4 là 8000 - 9000cmVg

Sơ dổ nị>uyẽn lý còng nghệ vật liệu chịu lửa nhẹ sainòỉ

theo phưưng pháp tạo bợt