BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠ, NHIỆT đề tài vật liệu cách nhiệt sử dụng trong lò silicat

Vật liệu cách nhiệt dạng bông sợi Các dạng vật liệu bông sợi có khả năng cách âm và cách nhiệt tốt dùng trong các côngtrình xây dựng, trong các lò nung gốm sứ, xi măng hay lò nấu thủy t

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠ, NHIỆT

Đề tài: Vật liệu cách nhiệt sử dụng trong lò silicat

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hà MSSV: 1913213

Võ Nguyễn Đông Thức MSSV: 1912186

Lê Minh Trí MSSV:1713639

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11/2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC BẢNG iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về vật liệu cách nhiệt 5

1.1.1 Vật liệu cách nhiệt 5

1.1.2 Phân loại 6

1.2 Tính chất 7

CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT 9

2.1 Vật liệu cách nhiệt dạng bông sợi 9

2.1.1 Sợi hữu cơ 9

2.1.1.1 Tấm sợi gỗ 10

2.1.1.2 Tấm fibrôlit 10

2.1.2 Sợi vô cơ 11

2.1.2.1 Bông khoáng 11

2.1.2.2 Bông gốm 13

2.2 Vật liệu cách nhiệt dạng khối 18

2.2.1 Gạch samot nhẹ 18

2.2.2 Gạch dinat nhẹ 19

2.2.3 Gạch diatomite 21

2.3 Vật liệu cách nhiệt dạng hạt 22

2.3.1 Polystyrene foarm 22

2.3.2 Perlite 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

GVHD: ThS Lê Minh Sơn ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các loại vật liệu cách nhiệt 6

Hình 2.1 Sơ đồ các loại vật liệu cách nhiệt dạng bông sợi 9

Hình 2.2: Tấm sợi gỗ cách nhiệt 10

Hình 2.3: Tấm fibrolit 11

Hình 2.4: Bông khoáng cách nhiệt 12

Hình 2.5: Các loại bông gốm cách nhiệt 14

Hình 2.6: Bông gốm trong lò nung xi măng 16

Hình 2.7: Các lớp gạch chịu lửa-cách nhiệt trong lò nung tuynel 17

Hình 2.8: Gạch chịu lửa samot 19

Hình 2.9: Gạch dinat nhẹ 20

Hình 2.10: Gạch chịu lửa dinat trong lò nung xi măng 21

Hình 2.11: Gạch Diatomite cách nhiệt trong lò nung 22

Hình 2.9 Tấm xốp XPS cách nhiệt 23

Hình 2.10: Sử dụng đá perlite cách nhiệt 24

GVHD: ThS Lê Minh Sơn iii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Tổng quan về vật liệu cách nhiệt

1.1.1 Vật liệu cách nhiệt

Vật liệu cách nhiệt là những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn hoặc bằng0.157w/m.0C, được sử dụng để giảm sự truyền nhiệt, mất nhiệt Hệ số dẫn nhiệt hay còngọi là hệ số truyền nhiệt, hệ số này càng nhỏ thì khả năng cách nhiệt của vật liệu càng tốt Vật liệu cách nhiệt đáp ứng các yêu cầu: phòng hỏa hoạn, không độc hại, có tính cáchnhiệt Ứng dụng trong các thiết bị công nghiệp: lò nung, lò sấy, máy móc công nghiệp,…

Hình 1.1 Các loại vật liệu cách nhiệt 1

1.1.2 Phân loại

- Phân loại theo cấu tạo: sợi rỗng (Bông khoáng, bông thủy tinh, bông gốm, bôngecowhite (bông polyester)… ); hạt rỗng ( peclit, vecmiculit, vật liệu vôi cát,….); rỗng tổong( betong tổ ong, thủy tinh bọt, chất dẻo xốp)

GVHD: ThS Lê Minh Sơn v

- Phân loại theo hình dạng: khối (tấm, bloc, ống trụ, bán trụ); cuộn ( nỉ, băng, đệm); dây

và loại rời

- Phân loại theo yêu cầu sử dụng: dân dụng, công nghiệp, chống cháy,…

- Phân loại theo nguyên liệu tạo thành: vô cơ và hữu cơ

- Phân loại theo khối lượng thể tích (g/cm3): đặc biệt nhẹ (15, 25, 35, 50, 75, 100); nhẹ(125, 150, 175, 200, 225, …) và nặng ( 400, 450, 500, 600)

- Phân loại theo mức độ chịu nén: mềm (độ lún ép không lớn hơn 30%); bán cứng ( độlún ép 6 – 30%); cứng (độ lún ép nhỏ hơn 6%)

- Phân loại theo mức độ dẫn nhiệt: nhóm A – dẫn điện kém, nhóm B – dẫn nhiệt trungbình, nhóm C – dẫn nhiệt tốt Vật liệu dẫn nhiệt kém thì khả năng cách nhiệt càng tốt,

- Bên cạnh đó còn có thể phân loại theo hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ chuẩn là 25 độ: cáchnhiệt tốt (λ ≤ 0,06 W/m.0C), cách nhiệt trung bình (λ từ 0,06 – 0,115 W/m.0C), cáchnhiệt kém (λ từ 0,115 – 0,175 W/m.0C)

1.2 Tính chất

 Tính dẫn nhiệt:

- Hệ số dẫn nhiệt hay còn gọi là độ dẫn nhiệt là phép đo khả năng truyền nhiệt của vậtliệu Nó bị ảnh hưởng bởi cấu tạo chất, độ xốp, nhiệt độ của môi trường xung quanh vàhướng của dòng nhiệt

 Mức độ hút ẩm:

- Vật liệu có mức độ hút ẩm hay thấm nước lớn sẽ ảnh hưởng lớn tới mức độ cáchnhiệt của vật liệu, còn ảnh hưởng tới mức độ chịu nén và độ bền của vật liệu trong thờigian sử dụng

- Vật liệu trong điều kiện ẩm ướt có độ dẫn nhiệt cao hơn Nếu nước bị đóng băng, hệ

số dẫn nhiệt của nó sẽ cao hơn do độ dẫn nhiệt của nước cao hơn không khí 20 lần trongkhi độ dẫn nhiệt của nước đá cao hơn không khí 80 lần Vì vậy, cần bảo vệ vật liệu cáchnhiệt, không để chúng bị ngấm nước, chống ẩm ướt

GVHD: ThS Lê Minh Sơn vii

CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT

2.1 Vật liệu cách nhiệt dạng bông sợi

Các dạng vật liệu bông sợi có khả năng cách âm và cách nhiệt tốt dùng trong các côngtrình xây dựng, trong các lò nung gốm sứ, xi măng hay lò nấu thủy tinh,

Hình 2.1 Sơ đồ các loại vật liệu cách nhiệt dạng bông sợi [3]2

2.1.1 Sợi hữu cơ

Vật liệu cách nhiệt hữu cơ rất đa dạng, đó là tấm sợi gỗ, tấm lau sậy, tấm pibrôlit, tấmthan bùn và các loại chất dẻo xốp cách nhiệt được sản xuất từ nguyên liệu thực vật vàđộng vật khác nhau như phế liệu gỗ (dăm bào, mùn cưa, đầu thừa gỗ…), cói, lau, sậy,than bùn, bông rời, lanh gai, lông thú, cũng như các nguyên liệu trên cơ sở polime

GVHD: ThS Lê Minh Sơn viii

Việc sử dụng vật liệu này ở dạng rời để chèn cách nhiệt thường bị phân lớp và thối rữa,hiệu quả rất kém Vì vậy người ta hay chế tạo sản phẩm ở dạng tấm và có bảo vệ tránh

ẩm ướt Để tăng cao độ bền lâu các loại tấm được xử lí bằng các chất chống cháy, chốngcôn trùng Vật liệu và sản phẩm cách nhiệt hữu cơ bao gồm:

2.1.1.1 Tấm sợi gỗ:

Tấm sợi gỗ được dùng để cách nhiệt và cách âm cho các kết cấu bao che Chúng đượcsản xuất từ gỗ đã được xé tơi hoặc tận dụng các loại gỗ thứ phẩm, phế liệu của côngnghiệp gia công gỗ, vụn lanh, vụn đay-gai, thân cây lau sậy, rơm rạ, bông Trong đó tấmsợi gỗ sản xuất từ phế liệu gỗ là phổ biến nhất

Hình 2.2: Tấm sợi gỗ cách nhiệt [3]3

Quá trình sản xuất tấm sợi gỗ cách nhiệt bao gồm các công đoạn chính sau: đập,nghiền nguyên liệu gỗ; tẩm nhựa; tạo hình và gia công nhiệt Để tăng khả năng chốngcháy, sợi gỗ còn được tẩm thêm chất chống cháy và để tăng cường tính ổn định nước thìcho thêm parafin, nhựa, dầu và các chất ở dạng nhũ tương Tấm sợi gỗ cách nhiệt có khốilượng thể tích 250 kg/m3 cường độ chịu uốn 12 kG/cm2, hệ số dẫn nhiệt không lớn hơn0,06kcal/m.oC.h, kích thước dài 1200-1300, rộng 1200-1600 và dày 8-25mm

được sấy trước, sau đó được tẩm chất khoáng hóa (cloruacanxi, thủy tinh lỏng) rồi trộnvới hồ xi măng (theo phương pháp ướt) hoặc với xi măng (theo phương pháp khô) Trênmáy ép băng chuyền, tấm fibrolít được tạo thành ở dạng dải dài liên tục, sau đó được cắtthành từng tấm Sau khi tạo hình tấm ép được chưng hơi ở nhiệt độ 30-35oC

Hình 2.3: Tấm fibrolit [5]4

Theo khối lượng thể tích tấm fibrôlit được chia ra 4 mác: 300; 350; 400 và 500 vớicường độ tương ứng là 4; 5; 7 và 12 kG/cm2, hệ số dẫn nhiệt 0,078-0,13 kcal/m.oC.h, độhút nước không lớn hơn 20% và kích thước: dài 2000-2400 mm, rộng 500-500 mm vàdày 50;75;100 mm

2.1.2 Sợi vô cơ

2.1.2.1 Bông khoáng

Bông khoáng hay tên tiếng anh là RockWool được sản xuất từ đá basalt và quặng, nung chảy ở nhiệt độ cao tạo ra các sợi bông được ép thành tấm, cuộn, dạng ống có khả năng cách nhiệt cách âm Sản phẩm bông khoáng có màu xanh nâu có thể chịu nhiệt lên tới 850°C

GVHD: ThS Lê Minh Sơn x

Hình 2.4: Bông khoáng cách nhiệt [5]5

Các sợi bông khoáng thường ngắn, sợi rất nhỏ tạo ra các liên kết rất chặt chẽ với nhaucho ra các khối bông khá chắc chắn, khi ấn tay vào bề mặt vật liệu có lún nhưng cảm giácrất chắc tay Bông khoáng có khối lượng thể tích cao từ 40-180 kg/cm3 Do khối lượngthể tích cao nên thường sản xuất thành tấm kích thước 0.6x1.2 m Ngoài ra cũng có thểlàm thành cuộn để thuận tiện cho việc bảo ôn các đường ống, thành lò hơi,

Ứng dụng bông khoáng trong thực tế:

- Trong xây dựng, bông khoáng có thể sử dụng để xây tường, vách, trần,… giúpcách nhiệt, đặc biệt trong mùa hè, khiến không khí trong nhà mát mẻ hơn

- Xây dựng các kho, xưởng bằng bông khoáng làm giảm nguy cơ cháy, nổ, bảoquản các vật liệu, nguyên liệu Hữu ích nhất đối với các nguyên vật liệu dễ cháynổ

- Trong công nghiệp: các hệ thống ống dẫn yêu cầu độ chịu nhiệt cao như hệ thốngống dẫn nhiệt, dẫn hơi nước, hệ thống sưởi, điều hòa… có thể sử dụng loại vậtliệu này

- Với khả năng cách âm tốt, bông khoáng còn được ứng dụng tại những nơi cầnngăn cách tiếng ồn ra bên ngoài như các quán karaoke, phòng họp,

- Các công trình lớn cần vật liệu chịu áp lực tốt có thể sử dụng bông khoáng đểlàm vật liệu, đảm bảo độ vững chắc, an toàn cho công trình

2.1.2.2 Bông gốm:

Nguyên liệu sản xuất là hệ Al2O3 - SiO2 được nung chảy ở nhiệt độ cao rồi tạo sợi.Các sản phẩm rất đa dạng như loại tiêu chuẩn 1260°C cho đến loại cho thêm Al2O3 vớihàm lượng cao cũng như có loại có thêm thành thứ ba ngoài hệ Al2O3 và SiO2

Phần lớn bông gốm thuộc loại này và chúng có hình dạng khác nhau Thành phầnchủ yếu khoảng 47-51% Al2O3 và 49-53% SiO2 Tỷ lệ Al2O3/SiO2 nằm trong giớihạn này ít ảnh hưởng tới độ bền sốc nhiệt Tuy nhiên nhà sản xuất luôn quan tâm đếnđường kính của sợi, hàm lượng hạt sạn (không phải là sợi) và các yếu tố khác vì chúng

có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của sản phẩm tạo ra từ bông gốm đó như mức độcách nhiệt

GVHD: ThS Lê Minh Sơn xii

Hình 2.5: Các loại bông gốm cách nhiệt6

Tạp chất như kiềm ảnh hưởng không nhỏ đến độ chịu lửa Nhật sản xuất từ nguyênliệu tổng hợp tương đối tinh khiết trong khi đó châu Âu và Mỹ sản xuất từ kaolin thiênnhiên Chính vì thế nên sản phẩm tiêu chuẩn 1260°C đôi khi có loại đạt 1300°C Tuynhiên theo tiêu chuẩn Nhật (JIS R.3311) tất cả đều thuộc cấp tiêu chuẩn Dùng thànhphần thứ ba là Cr2O3 hoặc ZrO2 trong thành phần chất nóng chảy Al2O3-SiO2 ta cóđược bông sợi cấp 1400-1500°C Bông gốm loại này được sử dụng rộng rãi tại zônnung mà tại đó cấp 1260°C không chịu được

Bông gốm có hệ số dẫn nhiệt thấp, khả năng chịu nhiệt rất cao, tính ổn định hóachất & chống sốc nhiệt, hấp thụ âm thanh, độ bền sản phẩm cao Các tính chất của bônggốm được thể hiện qua bảng sau:

GVHD: ThS Lê Minh Sơn xiii

Bảng 2.1: Các loại bông gốm điển hình [7]1

Nhiệt độ sử dụng cực đại °C 1260 1300 1260 1300 1260 1400 1430 1427 1500Điểm nóng chảy 1760 >1760 1760 1760 1760 >1760 1930 >1760 -

- Bông gốm có thể chống chịu được khi tiếp xúc với hóa chất (ngoại trừ một số

hợp chất axit như hydrofluoric, axit photphoric và kiềm mạnh)

- Khả năng cách nhiệt và tính chất vật lý của bông gốm không thay đổi kể cả khi

bị thấm qua dầu hoặc nước và sau khi được làm khô lại

- Việc lắp đặt bông gốm vô cùng đơn giản và nhanh chóng

GVHD: ThS Lê Minh Sơn xiv

Ứng dụng:

Trong công nghiệp sản xuất gốm xứ và thủy tinh chỉ dùng bông gốm vào những vịtrí như tường, vòm, wagon, khe giãn nở nhiệt để đảm bảo kín hệ thống lò Tùy theonhiệt độ mà lựa chọn loại bông gốm cho thích hợp vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật và vừađảm bảo điều kiện kinh tế

Hình 2.6: Bông gốm trong lò nung xi măng7

Trong lò tuynel, không gian trong lò chỉ được nung nóng khi khởi động lò vàtiếp tục hoạt động trong thời gian dài Tải trọng (gạch nung, ngói lợp, ngói) giảGVHD: ThS Lê Minh Sơn xv

định là nhiệt độ khi nó di chuyển bên trong đường hầm, và chu trình nung hoànthành khi vật liệu rời khỏi lò nung.

Nhiệt độ trong lò vẫn nóng và một lớp cách nhiệt thích hợp cho phép giảm sựmất nhiệt qua các bức tường Tải và xe goòng có thể giữ cho lò nung ở nhiệt độphù hợp, vì năng lượng dư có thể được loại bỏ trong vùng làm mát Tất cả nănglượng được loại bỏ liên quan đến dòng không khí làm mát có thể được sử dụng đểlàm nóng không khí đốt hoặc được sử dụng trong quá trình làm khô

Lò hoàn chỉnh được chia thành ba khu vực, theo xử lý nhiệt mà tải phải chịu: khuvực làm nóng sơ bộ, nung và làm mát Nhìn vào cấu trúc bên dưới, lò nung đượcxây dựng với nhiều lớp

Hình 2.7: Các lớp gạch chịu lửa-cách nhiệt trong lò nung tuynel [11]8

Các lớp vật liệu chịu lửa – cách nhiệt trong lò tuynel :

1/ Lớp ngoài: gạch đất sét nung, gạch chịu lửa cao nhôm

2/ Lớp trong: gạch chịu lửa cao nhôm

GVHD: ThS Lê Minh Sơn xvi

3/ Lớp cách nhiệt: gạch cao nhôm cách nhiệt, bông gốm cách nhiệt

4/ Tải hỗ trợ: gạch SiC

Lò tuynel và lò con thoi được sử dụng rộng rãi cho các ngành công nghiệp gốm sứ,vật liệu chịu lửa, và vật liệu xây dựng Các vật liệu chịu lửa được quyết định bởi điềukiện uốn của nó, như nhiệt độ hoạt động, khí quyển, lực nén Và điều cực kỳ quantrọng là chọn đúng loại gạch chịu lửa và gạch cách nhiệt để đảm bảo chất lượng vàtuổi thọ của lò nung

2.2 Vật liệu cách nhiệt dạng khối

Một trong những xu hướng chủ yếu để tiết kiệm nhiên liệu cho các lò công nghiệp

là làm giảm các khoản nhiệt tổn thất do tích luỹ ở thể xây lò và truyền nhiệt ra môitrường, nhất là ở các lò nung hoạt động gián đoạn Biện pháp thông dụng là thay thế cácvật liệu chịu lửa nặng thông thường bằng các vật liệu chịu lửa nhẹ - cách nhiệt Các vậtliệu này có khối lượng thể tích nhỏ nên quán tính nhiệt thấp Mặt khác, do có độ xốpcao, chúng chứa một lượng lớn không khí hoặc chân không có tác dụng cách nhiệt rấttốt Nhờ cách nhiệt triệt để, các lò công nghiệp hiện đại đã tiết kiệm được từ 15 đến 40%lượng nhiên liệu tiêu tốn so với các lò cổ điển xây bằng gạch chịu lửa nặng

2.2.1 Gạch samot nhẹ

Samot là loại vật liệu chịu lửa được sản xuất từ đất sét và cao lanh chịu lửa Phối liệugồm 2 phần:

- Chất kết dính (đất sét hay cao lanh chịu lửa)

- Chất làm gầy là samot (đất sét hay cao lanh nung đến kết khối)

Ta phân loại samot theo độ chịu lửa của nó:

- Loại O: độ chịu lửa ≥ 1750°C

- Loại A: độ chịu lửa ≥ 1730°C

- Loại B: độ chịu lửa ≥ 1670°C

- Loại C: độ chịu lửa ≥ 1610°C

GVHD: ThS Lê Minh Sơn

xvii

Loại gạch chịu lửa họ Alumoslicate có độ xốp đến trên 50% được sản xuất theo côngnghệ riêng, thông thường là gạch samôt nhẹ với phối liệu tương tự như gạch đặc nhưnghạt mịn hơn và có pha thêm phụ gia cháy để khi nung phụ gia này cháy đi tạo ra lỗ xốp

Hình 2.8: Gạch chịu lửa samot9

Loại gạch này được dùng phổ biến trong công nghiệp lò nói chung và lò nung gốmnấu thủy tinh với vai trò cách nhiệt Tùy theo hàm lượng nhôm có trong thành phần mànhiệt độ sử dụng cao hay thấp Theo cấu trúc của lò và nhiệt độ làm việc mà gạch nhẹ cóthể đùng trực tiếp với lửa có nghĩa là nó được xây lớp trong của lò mà không bị phá hủy

Đa số trường hợp là xây bên ngoài lớp gạch đặc để cách nhiệt

2.2.2 Gạch dinat nhẹ

Kỹ thuật sản xuất gạch đinat nhẹ không khác nhiều so với gạch đinat thường Dùngquaczit tinh thể nghiền mịn trong máy nghiền bi, cỡ hạt từ 0,8 đến 1mm, trong phối liệucho thêm bột than cốc, vôi sữa và keo CLS Phối liệu trong máy khuấy khoảng 10 phút,

độ ẩm cung cấp 10%, sau đó đem ủ và tạo hình Gạch đinat được sấy trong lò tynel, gạchxếp ở hàng trên cùng với độ cao giới hạn là 1,2m, khoảng cách giữa các viên gạch phải

đủ lớn Nhiệt độ nung tối đa là 15000C tùy từng kích cỡ gạch mà điều chỉnh nhiệt độnung phù hợp

GVHD: ThS Lê Minh Sơn

xviii

Hình 2.9: Gạch dinat nhẹ10

Tính chất:

- Trọng lượng nhẹ

- Nở ra khi đốt nóng

- Chịu được cường độ cao trong môi trường nhiệt

- Có khả năng chịu xỉ axit

- Các tạp chất thấp

- Độ bền cao

- Đặc tính cách điện cao

- Giãn nở nhiệt nhiều ở nhiệt độ thấp và ít ở nhiệt độ cao

Gạch đinat nhẹ có ưu điểm: Silicon oxit là trên 91%, khả năng chống xói mòn axit tốt,điểm làm mềm cao

Ứng dụng:

- Loại có chất lượng tốt dùng trong: lò bể nấu thủy tinh, lò luyện đồng, mái trong lò

hồ quang, lò nấu thép (chu trình axit)

- Loại có chất lượng thấp hơn: lò cốc, lò thủy tinh, lò nung vôi,…

- Gạch đinat nhẹ chủ yếu được sử dụng để bảo quản nhiệt trong ngành công nghiệpthủy tinh, sắt và thép, lò gốm…

GVHD: ThS Lê Minh Sơn xix