Báo Cáo Vật Liệu Chịu Nhiệt

Vật liệu chịu nhiệt là gì.Thế nào là vật liệu chịu nhiệt lạnh,Vật liệu chịu nhiệt nóng,Các thông số làm việc,một số vật liệu tiêu biểu.Vật liệu chịu nhiệt là gì.Thế nào là vật liệu chịu nhiệt lạnh,Vật liệu chịu nhiệt nóng,Các thông số làm việc,một số vật liệu tiêu biểu.

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN VẬT LIỆU NHIỆT LẠNH

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 04, năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN VẬT LIỆU NHIỆT LẠNH

VẬT LIỆU CHỊU NHIỆT

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 04, năm

2021

THỰC HIỆN: Nhóm 03 , thứ 4, tiết 4-5

GVHD: TS Đặng Hùng Sơn

MỤC LỤC

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA LÀM BÁO CÁO

HỌC KÌ II, NĂM HỌC 2020-2021

Nhóm số 03 (Lớp thứ 4, tiết 4-5)

Tên đề tài: Vật liệu chịu nhiệt

STT HỌ VÀ TÊN SINH

VIÊN

MÃ SỐ SINH VIÊN

NỘI DUNG PHỤ TRÁCH

Nhận xét của giáo viên:

Ngày … tháng 04 năm 2021 Giáo viên chấm điểm

MỞ ĐẦU

Vật liệu là các chất liệu để làm ra hoặc tạo nên một vật Từ khi nền văn minh của loàingười xuất hiện, con người sử dụng các vật liệu cùng với năng lượng để nâng cao chất lượngcuộc sống của mình Vật liệu có mặt ở khắp nơi xung quanh chúng ta Một vài vật liệu thôngdụng như: gỗ xây dựng, bê tông, gạch, thép, thủy tinh, cao su, nhôm, và còn rất nhiều loại vậtliệu khác Do vậy các vật liệu mới được nghiên cứu và phát triển không ngừng

Khoa học kỹ thuật ngày càng tiến bộ, để có thể chế tạo ra các sản phẩm dùng trong môitrường đặc biệt có nhiệt độ dưới thấp thậm chí là âm hoặc môi trường có nhiệt độ cao và rất caothì phải có loại vật liệu có thể đáp ứng được các yêu cầu đó Chính vì thế vật liệu chịu nhiệtđược nghiên cứu và cho ra đời phục vụ việc chế tạo cũng như trong cuộc sống Bài phân tíchdưới đây sẽ giúp hiểu rõ hơn vật liệu chịu nhiệt là gì, chúng có những loại nào và cũng như cáctính chất, ứng dụng của vật liệu trong cuộc sống xung quanh của chúng ta

PHẦN 1 KHÁI NIỆM VẬT LIỆU CHỊU NHIỆT 1.1 Vật liệu chịu nhiệt nóng

-Loại vật liệu làm việc ở nhiệt độ cao, điều kiện khắc nghiệt nhưng vẫn giữ được

các tính chất hóa lý gọi là vật liệu chịu nhiệt nóng (1580℃ trở lên)

-Giới hạn không gian và tiến hành các các quá trình công nghệ để giảm tổn thấtnhiệt cho lò luyện kim…

-Là vật liệu dùng để xây dựng các lò công nghiệp, các ghi đốt, các thiết bị làm việc

ở nhiệt độ cao (>10000), khi đó chúng chịu đựng lâu dài đối với các tác dụng khácnhau về mặt cơ học và hóa lí

1.2 Vật liệu chịu nhiệt lạnh

-Những vật liệu giữ được đủ độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp từ 0 ÷ -269℃ (273 ÷ 4K)được gọi là vật liệu chịu lạnh

-Các kết cấu thép (nền đường sắt, ống dẫn dầu khí, cầu cống…) chịu nhiệt độ

(-60℃) ở các nước có khí hậu hàn đới; sản xuất vỏ máy bay, các chi tiết tên lửa và thiết

bị vũ trụ (-183℃); sản xuất thiết bị bảo quản và vận chuyển khí nén, nhiệt độ khoảng-269 …℃

PHẦN 2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CHỊU NHIỆT 2.1 Vật liệu chịu nóng

2.1.1 Theo bản chất hoá lí của nguyên vật liệu ban đầu

Theo bản chất hoá lí của nguyên vật liệu ban đầu có thể chia vật liệu chịu nhiệt làm 8nhóm chính:

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

a) Dinat là loại vật liệu chịu nhiệt chứa >= 93% SiO2, sản xuất từ quặng của quắc vàchất liên kết là vôi hoặc chất khác, nung ở nhiệt độ đảm bảo quắc biến đổi đa hình thànhtridimit và cristobalit Dinat là loại Vật liệu chịu nhiệt axit, nó rất bền đối với xỉ axit, tronhiên liệu Ôxyt kim loại ăn mòn dinat tạo thành hợp chất silicat dễ nóng chảy

Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất dinat 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 quátrình kỹ thuật và tính chất của sản phẩm

b) Thạch anh nóng chảy ở 1600 - 16700C Nhiệt độ nóng chảy của nó không thể xácđịnh chính xác được vì có sự biến hóa một phần sang những dạng đa hình khác với tỉ lệkhác nhau tùy theo điều kiện bên ngoài

Thạch anh tinh khiết nhất gặp trong thiên nhiên gồm những tinh thể trong suốt vàkhông màu được gọi là pha lê thiên nhiên Khi có lẫn tạp chất, thạch anh có các màu khácnhau: hồng, tím, nâu, lục Những dạng này được coi là đá quý

Thạch anh là chất có hoạt tính quang học Dựa vào hoạt tính này người ta chia thạchanh làm hai dạng: thạch anh quay phải và thạch anh quay trái.Ngoài đặc tính quang họcthạch anh còn có tính áp điện

Người ta dùng những tinh thể lớn của thạch anh vào trong các máy phát siêu âm cònnhững tinh thể nhỏ thạch anh dùng trong các đầu đọc của máy thu nhanh và máy quay đĩa.Thạch anh thuộc loại khoáng vật hết sức phổ biến.Tinh thể thạch anh tinh khiết dùng

để làm thấu kính và lăng kính Đá quaczit và cát là loại thạch anh kém tinh khiết hơn.Trong phòng thí nghiệm, ngoài những dụng cụ bằng thủy tinh người ta còn dùng nhữngdụng cụ như chén, bát,ống thử làm bằng thạch anh (hay còn gọi là thủy tinh thạch anh)

Ưu điểm nổi bật của thủy tinh thạch anh có hệ số dãn nở rất bé và hầu như không thay đổitheo nhiệt độ nên chịu được sự thay đổi nhiệt độ rất đột ngột Loại thủy tinh này khôngngăn giữa tia tử ngoại nên được dùng trong các máy tia tử ngoại

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

 Nhóm Manhêdi: Gồm 4 nhóm nhỏ: Đôlômit, Forsterit, Spinen, manhêdi

Vật liệu chịu nhiệt manhêdi là loại Vật liệu chịu nhiệt kiềm tính điển hình, chứa 85% periclaz (MgO) đôi khi nhiều hơn , nhiệt độ chịu lửa >2000oC ( nhiệt độ nóng chảycủa MgO nguyên chất 2800oC ) Tạp chất chủ yếu trong sản phẩm manhêdi SiO2, CaO,

80-Al2O3 và Fe2O3 Ở nhiệt độ cao chúng tạo ra một số khoáng có độ chịu lửa cao , một số có

độ chịu lửa thấp Có hai loại Vật liệu chịu nhiệt manhêdi : Loại viên và loại bột Loại viên

để xây tường lò , loại bột dùng để đầm lò

Nhóm crômit: Gồm 2 nhóm nhỏ: Crômit, crôm manhêdi

Vật liệu chịu nhiệt Crôm manhêdi (Cr-Mg) là sản phẩm sản xuất từ 2 nguyên liệucrômit và manhêdi kết khối Khoáng chủ yếu trong sản phẩm này thuộc loại nhóm khoángSpinen với công thức chung R2+O, R3+

2O3 (R2+ là Mg2+, Fe2+; R3+ là Cr3+, Fe3+, Al3+ )Crômit là quặng mà thành phần khoáng (Fe,Mg).(Cr,Al)2O4 chiếm ~ 80% Khoángnguyên chất của crômit là FeO.Cr2O3 nhưng hiếm gặp trong thiên nhiên Trong quặngcrômit ngoài crômspinen ra còn có lẫn 20% khoáng tạp như Serpentin (M3S2H2) clorit, một

ít canxit

Thành phần hoá của quặng crômit dao động trong một khoảng rộng: Cr2O3 18-62%,

Fe2O3 0-3%, FeO 0-20%, MgO 6-16%, Al2O3 0-33% Ngoài ra còn có: 2% TiO2, 0,2%

V2O5, 1% MnO, 0,1% NiO, 0,01% CoO và đến 2% CaO

Tuỳ theo hàm lượng Cr2O3 chia quặng crômit làm 4 loại :

+ Quặng nghèo: Cr2O3 <40%

+ Quặng trung bình - 40-45%

+ Quặng giàu - 45-50%

+ Quặng rất giàu - >50%

Crômit để sản xuất Vật liệu chịu nhiệt yêu cầu: Cr2O3=35-40%, phần phi quặng <20%

- Serpentin thì tốt hơn là clorit vì clorit chịu lửa kém hơn, khó biến đổi khi nung hơn

 Nhóm Zircôn:

Tên hóa học là Silicat Zircôn (ZrSiO4)

Silicat Zircon chứa ZrO2: 67,1% ; SiO2: 32,9% được sử dụng rộng rãi trong các lĩnhvực đồ gốm khác nhau xây dựng, sứ vệ sinh, gốm sứ, sản xuất gốm sứ và hàng thủ côngkhác trong gốm sứ men chế biến, sử dụng một loạt các khối lượng ứng dụng Lý do tại saocác silicat zirconi được sử dụng rộng rãi trong sản xuất gốm sứ vì sự ổn định hóa học của

nó do đó không bị ảnh hưởng bởi không khí bắn gốm sứ, và có thể cải thiện đáng kể tínhchất ràng buộc của men sứ, cải thiện độ cứng của gốm tráng men

Silicat Zircon cũng là một hình ảnh màu sắc ngành công nghiệp truyền hình ống,ngành công nghiệp thủy tinh nhũ tương kính, sản xuất men đã được áp dụng tiếp Nhiệt độnóng chảy cao của zircon silicat: 2500oC, vì vậy trong vật liệu chịu lửa, lò thủy tinh cáchợp chất, sơn cũng đã được sử dụng rộng rãi

 Nhóm cácbon: Gồm 2 nhóm nhỏ: Cốc và Grafit

- Than cốc là sản phẩm tạo thành từ than đá, là loại than chứa ít lưu huỳnh và ít tronhờ quy trình luyện than đá thành than cốc ở điều kiện yếm khí trên 1000°С Các thànhphần dễ bay hơi như nước, khí than và tro than đã bị loại bỏ gần như hoàn toàn Cacbon vàcác phần tro còn lại bị hòa tan lẫn vào nhau Một phần cacbon bị chuyển sang dạng giốngnhư than chì (hay graphít)

Than cốc được sử dụng để nung chảy gang (cốc lò cao) cũng như làm nhiên liệukhông khói chất lượng cao, làm chất khử trong các công nghệ luyện kim từ quặng sắt, cácchất làm tơi trong phối liệu Than cốc cũng được sử dụng như là nhiên liệu trong sản xuấtgang đúc hay các mục đích sử dụng thông thường, trong các công nghiệp hóa chất và luyệncác hợp kim của sắt (các dạng cốc đặc biệt) Cốc lò cao cần phải có kích thước các cụckhông nhỏ hơn 25-40 mm với số lượng các cục cốc nhỏ hơn 25 mm và lớn hơn 80 mmkhông vượt quá 3% Than cốc sử dụng để đúc gang theo kích thước không được nhỏ hơnthan cốc lò cao, các cục cốc trong trường hợp này có kích thước không nhỏ hơn 60-80 mm

Sự khác biệt chính giữa cốc lò cao và cốc đúc là hàm lượng lưu huỳnh nhỏ hơn, nó khôngđược vượt quá 1% (trong cốc lò cao có thể tới 2%) Trong công nghiệp luyện các hợp kimcủa sắt người ta sử dụng các cục than cốc nhỏ (ví dụ, các cục kích thước 10-25 mm), trongtrường hợp này thì người ta cần tốc độ phản ứng nhanh chứ không phải hàm lượng các tạpchất có trong than cốc Các yêu cầu đối với độ bền vững của than cốc thông thường làkhông quá nghiêm ngặt so với cốc lò cao hay cốc đúc Trong mọi loại hình sản xuất thancốc thì loại nguyên liệu được ưa chuộng là các loại than có độ xốp cao, ít tro và chứa ít lưuhuỳnh và chứa không nhiều các thành phần tạo cốc cục nhỏ Sản lượng than cốc sản xuấttrên thế giới khoảng 400 triệu tấn/năm

- Grafit là một biến dạng của cacbon có cấu trúc tinh thể nhất định, Grafit kết tinhtrong hệ lục phương Các tinh thể có dạng bản hay tấm sáu góc; tập hợp vảy mỏng, grafit

có màu đen sắt đến xám thép, vết vạch đen ánh Ánh của grafit có dạng đen sắt đến xámthép, vết vạch đen ánh Ánh của grafit có dạng kim loại mạnh, tập hợp ẩn tinh mờ, độ cứng

là một ở dạng từ mỏng, grafit giòn, sờ nhờn tay, quệt làm bẩn tay và bẩn giấy

Grafit được dùng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân Nó được dùng trong côngnghiệp kỹ thuật điện (pin, ắc quy kiềm, các điện cực, than phát sáng, than để hàn điện, tiếpxúc trượt.v.v…) Trong ngành đúc và trong công nghiệp đồ góm (nồi nấu, khuôn đúc v.v…)khi sản xuất các sản phẩm chịu hóa chất (bể điện phân, nồi nấu giấy v.v…), trong ngànhnăng lượng nguyên tử hạt nhân (các chi tiết của lò phản ứng nguyên tử - hạt nhân) để sảnxuất bút chì, sơn, vật liệu mài, vật liệu chống xỉ bọt (đúc)

Trong công nghiệp luyện kim, Vật liệu chịu nhiệt được sử dụng nhiều nhất: các lò

cao, lò luyện thép (lò Mactanh, lò thép thổi), lò nấu luyện các kim loại màu, lò điều chế cáckim loại sạch và siêu sạch, Nhu cầu Vật liệu chịu nhiệt của công nghiệp luyện kim chiếmgần một nửa khốí lượng Vật liệu chịu nhiệt sản xuất ra trên thế giới Có thể hình dunglượng Vật liệu chịu nhiệt tiêu tốn cho gang thép bằng 10% sản lượng gang thép sản xuất ra.Ngoài ra Vật liệu chịu nhiệt còn được sử dụng cho công nghiệp hóa chất, chế tạo máy, côngnghiệp năng lượng để lót các lò nung xi măng, lò nấu thủy tinh, lò khí hóa than, các nồihơi, lò điện Ngày nay với sự phát triển của khoa học vật liệu, người ta còn dùng Vật liệuchịu nhiệt mới để chế tạo các động cơ đốt trong đoạn nhiệt (adiabatic) làm việc ở nhiệt độcao hơn 1000oC không cần hệ thống làm nguội để tăng hệ số tác dụng hữu ích (theo nguyên

lý Carno), chế tạo các tuabin khí làm việc lâu dài ở nhiệt độ rất cao, chế tạo các buồng đốtnhiên liệu và đầu phun khí đốt của các động cơ phản lực, chế tạo vỏ tên lửa, vỏ vệ tinh Lòphản ứng của các nhà máy điện nguyên tử đòi hỏi Vật liệu chịu nhiệt vừa có tác dụng hấpthụ nơtron tốt vừa chịu được nhiệt độ cao Công nghệ chế biến các hợp chất siêu sạch cũngđòi hỏi VẬT LIỆU CHỊU NHIỆT bền với các chất hóa học liên quan để làm bình phảnứng, nồi lò, chén nung

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

Cacborun là hợp chất của silic với cacbon (SiC): Tinh thể không màu, có ánh kimcương, độ dẫn điện cao Có tính bán dẫn Bền hoá học Không tan trong nước, không tácdụng với axit (trừ tác dụng của hỗn hợp axit nitric đậm đặc và axit flohiđric) Khó nóngchảy (tnc = 2830℃, kèm phân hủy) là vật liệu rất cứng sử dụng để xây dựng buồng hồinhiệt

 Nhóm oxyt: Các oxyt tinh khiết

2.1.2 Theo độ chịu lửa

Chia làm 3 loại:

- Loại chịu lửa thường: Độ chịu lửa từ 1580-1770oC

- Loại cao lửa: Độ chịu lửa 1770-2000oC

- Loại rất cao lửa : độ chịu lửa >2000oC

• Thép cacbon thấp với mạng lập phương tâm khối và lập phương diện tâm.

• Nhôm và hợp kim của nhôm

• Titan và hợp kim titan

• Ngoài ra còn một số nhóm hợp kim khác như Đồng

Hình 2.1 Thép Cacbon chất lượng thường[4]

Thép cacbon chất lượng thường có nhiệt độ làm việc cực tiểu khi không được giacông đặc biệt ở khoảng -20 0C và ta có thể hạ thấp nhiệt độ này đến -50 0C bằng cách ápdụng các biện pháp như cải tiến chất lượng luyện kim ,làm nhỏ hạt ,hợp kim hóa vilượng, Mặc dù giá thành sau khi cải tiến sẽ tăng lên nhưng vẫn rẻ hơn các thép hợp kimchính vì thế nên thép cacbon đươc sử dụng phổ biến hiện nay

2.2.2 Vật liệu chịu lạnh phi kim loại

Chúng có độ bền, độ dai va đập thấp hơn kim loại

• Một vài chất dẻo: Polyamit, Polviny Clorit ( PVC), Polyetilen (PE), …

Hình 2.2 Cao su lưu hóa[5]

Cao su lưu hóa có giới hạn nhiệt độ làm việc (-600C đến 2000C ) được sử dụng chođường ống nước lạnh va hệ thống cấp đông không chỉ để chống lại sự ngưng tụ hơi nướcnhưng còn làm giảm hao phí năng lượng do giảm thất thoát nhiệt của hệ thống

Vật liệu phi kim loại được sử dụng để chế tạo lớp cách nhiệt cũng như các chi tiết và

bộ phận cá biệt của kết cấu như mắt dầu, mắt ga, mức lỏng kế và các chi tiết không chịu

va đập

Các vật liệu chất dẻo có khả năng chống ăn mòn tốt nhưng cần đặc biệt chú ý đến tínhlão hoá nhanh và độ mài mòn lớn của chúng vì thế khi sử dụng cần được cân nhắc kỹ

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

Bảng 3.1 Nhiệt độ chịu lửa của một số VLCN [6]

o

C)

Loại vậtliệu

Độchịulửa(

o

C)Q

u

ắ

c

1730-1750

Caoalumin

1780-2000D

a

t

10-1720

300

Cr

om manhedi

->

2000

Đôlomit

>

2000

Forsterit(2MgO.SiO2

85% +MgO.Fe2

O3

1800–1

50B

3.1.2 Độ bền cơ học:

- Là khả năng chống lại đồng thời tác dụng của nhiệt độ và tải trọng cơ học.Tínhchất 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 1kg/cm2

0,5 Để xác định nhiệt độ biến dạng dưói tải trọng tĩnh 2kg/cm2 theo tiêu chuẩn Liên

Xô (GOST 4070-48) ngưòi ta cắt sản phẩm ra thành hình trụ có đường kính36mm, cao 50mm Mẫu này đặt trong lò điện và luôn chịu một tải trọng khôngđổi 2kg/cm2 Cạnh lò có một hệ thống cơ học ghi sự biến dạng của sản phẩm

• Tốc độ nâng nhịêt: đến 800oC không qúa 10oC /phút >800oC 4-5oC/phút.Quá trình xác định sẽ tìm ra 3 nhiệt độ:

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

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

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

Bàng 3.2 Nhiệt độ biến biến dạng dưới tải trọng 2kg./cm 2 củaVLCN [6]

Cao lanh (Al2O3 42%) 1450 1550 1650

- Là khả năng chống lại sự dao động nhiệt mà không bị phá hủy

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

Hình 3.1 Lò luyện kim[7]

- 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 sảnphẩm có hình dạng nhiều góc cạnh, nhiều điểm uốn lượn thì kém bềnnhiệt hơn so với sản phẩm dạng đơn giản

• Phương pháp gia công phôi liệu và đóng khuôn sản phẩm cũng có thể thayđổi độ bền nhiệt