Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
Đề tài:
Thiết kế nhà máy sản xuất gạch chịu lửa loại sản phẩm samốt caoalumin,
công suất 60.000 tấn /năm (Trong đó gạch tiêu chuẩn chiếm 80%, gạch dị hình
chiếm 20% loại nêm nghiêng ).
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
Lời mở đầu

SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 2
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
A - phần khái quát chung.
Công nghiệp vật liệu chịu lửa là công nghiệp sản xuất các sản phẩm làm
việc ở nhiệt độ cao, song song với các công nghiệp khác công nghiệp vật liệu chịu
lửa không ngừng phát triển. Vật liệu chịu lửa là hậu phơng không thể thiếu đợc
của công nghiệp luyện kim, công nghiệp năng lợng, công nghiệp hiệp hoá học,
công nghiệp xi măng và một số ngành công nghiệp khác.
Do đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với công nghiệp nên công nghiệp
vật liệu chịu lửa có lịch sử phát triển khá lâu dài gắn liền với sự phát triển của
khoa học kỹ thuật và công nghiệp thế giới. Tại châu Âu, khoảng cuối thế kỷ thứ
XIV vật liệu chịu lửa samốt đóng thành viên từ đất sét chịu lửa bắt đầu đợc sản
xuất nhng cho đến năm 1856 mới xây dựng nhà máy vật liệu chịu lửa samốt đầu
tiên ở Nga. Năm 1822 ở Anh có nhà máy vật liệu chịu lửa dinat đầu tiên và sau đó
ở Nga vào năm 1880. Vật liệu chịu lửa Dôlômit đầu tiên cũng đợc sản xuất tại
Anh năm 1878. Công nghiêp vật liệu chịu lửa ở các nớc phát triển không đều
nhau, số lợng và mức độ ở nớc này hay nớc khác tuỳ mức độ phát triển của công
nghiệp nớc đó.
Hiện nay trên thế giới có khoảng 2000 công ty sản xuất vật liệu chịu lửa với
tổng công suất thiết kế khoảng 40 triệu tấn/năm. Mức độ tiêu thụ của ngành thép
là lớn nhất chiếm khoảng 70% tổng sản phẩm vật liệu chịu lửa. Tiếp theo là ngành
xi măng chiếm 7%, hoá chất và dầu mỏ chiếm khoảng 4% kim loại màu chiếm
khoảng 3%, các ngành khác 6%. Về tiêu thụ vật liệu chịu lửa trên thế giới theo

tăng cao thì mới đáp ứng đợc nhu cầu "công nghiệp hoá - hiện đại hoá" đất nớc,
đa nớc ta trở thành một nớc công nghiệp. Vì vậy tôi đợc giao nhiệm vụ: Thiết kế
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 4
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
nhà máy sản xuất gạch chịu lửa loại sản phẩm samốt caoalumin, công suất 60.000
tấn/năm.
Nhằm hoàn thiện thêm kiến thức chuyên ngành của mình, nếu trở thành
hiện thực nó sẽ giải quyết cơ bản nhu cầu gạch chịu lửa samốt caoalumin ở Việt
Nam và xuất khẩu đi một số nớc trong khu vực.
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 5
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
Chơng 1- Giới thiệu sản phẩm.
Khái niệm và phân loại sản phẩm.
I.1 Khái niệm.
Samốt caoalumin là loại vật liệu chịu lửa thuộc nhóm alumosilicat với hàm
lợng Al
2
O
3
+ TiO
2
> 45%.
Samốt caoalumin đợc sản xuất từ đất sét, cao lanh chịu lửa và các nguyên
liệu nhân tạo. Phối liệu bao gồm: Chất kết dính là đất sét hay cao lanh chịu lửa;
chất làm gầy: samốt là đất sét hay cao lanh và nguyên liệu nhân tạo đã nung
đến kết khối. Sản phẩm đợc sử dụng chủ yếu trong các lò ximăng, lò luyện thép,
thủy tinh,
I.2 Phân loại sản phẩm.
I.2.1 Phân loại theo hàm lợng nhôm trong sản phẩm.
Tuỳ theo hàm lợng Al

Hàm lợng Al
2
O
3
không chỉ là dấu hiệu để chia loại sản phẩm mà nó còn
quyết định những tính chất cơ bản của sản phẩm và cũng là căn cứ để lựa chọn
nguyên vật liệu, kỹ thuật sản xuất thích hợp.
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 6
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
I.2.2 Phân loại theo hình dạng và kích thớc sản phẩm.
Bao gồm các loại sau:
+ Loại tiêu chuẩn.
+ Loại dị hình đơn giản: Các loại gạch nêm đứng, nêm nghiêng, nêm
lệch,...
+ Loại dị hình phức tạp.
+ Loại rất phức tạp.
+ Khối lớn.
I.2.3 Phân loại theo phơng pháp công nghệ.
Gồm có các loại sản phẩm sau:
+ Sản phẩm nén dẻo.
+ Sản phẩm nén bán khô.
+ Sản phẩm đúc từ hồ hay chất nóng chảy.
II. Các tính chất của sản phẩm.
Tuỳ theo thành phần khoáng hoá của sản phẩm và cấu trúc của nó mà các
sản phẩm có tính chất khác nhau. Các tính chất của vật liệu chịu lửa samốt
caoalumin sẽ xác định khả năng thích ứng của chúng để sử dụng trong điều kiện
cụ thể. Khi xét đến vật liệu samốt caoalumin nói riêng và vật liệu chịu lửa nói
chung ngời ta phải xét đến các tính chất sau.
II.1 Đặc trng về cấu trúc và kết cấu.
II.1.1 Cấu trúc và kết cấu của vật liệu chịu lửa samốt caoalumin.

tích các lỗ rỗng, kích thớc, hình dạng và vị trí tơng hỗ của chúng trong sản phẩm.
Vì vậy nghiên cứu các tính chất của vật liệu chịu lửa cần nghiên cứu cấu trúc của
nó một cách toàn diện và tỉ mỉ.
Các nhà nghiên cứu trên thế giới đều cho rằng: Vật liệu chịu lửa, đặc tính
thành phần pha và cấu trúc pha của nó có ý nghĩa quyết định đến tính chất sản
phẩm. Thành phần pha Ta nên hiểu đó là bản chất và đặc điểm cấu trúc của pha
tinh thể, sự kết hợp về mặt định lợng với pha thủy tinh (vô định hình). Vì vật liệu
chịu lửa phải làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao nên một trong những yêu cầu rất quan
trọng về thành phần pha là cần khống chế lợng pha thuỷ tinh, với thành phần hoá
xác định, có số lợng nhỏ nhất. Đồng thời cần phải hình thành nhiều khoáng có ích
với kích thớc tinh thể nhất định. Để nghiên cứu và điều chỉnh đặc điểm cấu trúc
này ngời ta phải sử dụng các phơng pháp hoá lý hiện đại nh phân tích nhiệt, phân
tích pha và cấu trúc pha bằng nhiễu xạ Rơnghen kính hiển vi điện tử, kính hiển
phân cực ...
Phân tích bằng tia Rơnghen cho phép xác định bản chất và số lợng pha tinh
thể của sản phẩm. Phân tích nhiệt và phân tích pha bằng tia Rơnghen ở nhiệt độ
cao cho phép xác định nhiệt độ xuất hiện các pha mới và sự chuyển hoá pha tinh
thể trong quá trình nung chúng. Tuy nhiên những phơng pháp này không thể xác
định đầy đủ mối quan hệ định lợng giữa pha tinh thể và pha thuỷ tinh, đặc điểm
phân bố chúng. Bởi vì pha thuỷ tinh không gây nên sự định hình bởi tia Rơnghen
(vì pha thuỷ tinh không tạo nên sự khúc xạ của tia Rơnghen). Để khắc phục điểm
yếu này ngời ta sử dụng phơng pháp phân tích thạch học để xác định thành phần
khoáng và đặc điểm vi cấu trúc của sản phẩm. Dới kính hiển vi phân cực ngời ta
có thể xác định đợc các đặc trng quang học nh sự phân bố thành phần khoáng, hệ
số chiết suất của chúng hình dạng các khoáng... . Từ đó ngời ta biết dợc quá trình
hình thành khoáng trong sản phẩm. Việc nghiên cứu thạch học còn cho phép xác
định một cách chi tiết, tỉ mỉ các quá trình quan trọng xảy ra khi nung sản phẩm
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 9
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
nh sự kết khối, sự tơng tác hoá học xảy ra giữa các pha, hiện tợng biến đổi pha

2.
. Tuỳ thành phần của sản phẩm, ngời ta có thể dùng nớc hoặc dầu hỏa trong
bình tỷ trọng.
Khối lợng riêng đợc xác định nh sau:

a
=
10
10
.
gg
g


.
Trong đó: g
0
- Khối lợng mẫu cân trong không khí (g).
g
1
- Khối lợng mẫu cân thuỷ tĩnh trong chất lỏng (g).


1
Khối l ợng riêng của chất lỏng (g/cm
3
).
+ Độ đặc biểu kiến (khối lợng thể tích ) - đó là tỷ lệ giữa khối lợng vật liệu
với toàn bộ thể tích chiếm chỗ của nó, kể cả lỗ rỗng. Khối lợng thể tích của vật
liệu càng thấp thì độ rỗng càng cao và khi độ ẩm càng thấp

mức độ kết khối của vật liệu nung
Độ xốp thực, tính bằng% xác định theo công thức:
X
T
=
%100
0
x
a
a



.
Trong đó:


a
Khối l ợng riêng của vật liệu đem thử (g).


0
- Khối lợng thể tích của vật liệu đem thử( g)
(Trích TCVN-178-65).
+ Độ xốp biểu kiến (độ xốp hở) - là tỉ số giữa thể tích của những lỗ xốp
thông nhau và thông với không gian bên ngoài mà nớc có thể chui vào đợc với thể
tích mẫu. Đôi khi các lỗ xốp hở có thể thông suốt với nhau. Điều này gắn liền với
sự tăng độ thấm nớc của sản phẩm. Độ xốp biểu kiến thờng đợc đặc trng bằng giá
trị hút nớc. Độ xốp giảm khi tăng độ kết khối của sản phẩm.
Độ xốp biểu kiến xác định theo công thức sau:

g
gg

x 100%.
Trong đó: g
1
- Khối lợng mẫu bão hoà nớc cân trong không khí( g).
g
2
- Khối lợng mẫu khô tuyệt đối cân trong không khí (g).
(Trích TCVN 178-65).
+ Bề mặt riêng của vật thể xốp - Đó là diện tích bề mặt bên trong của lỗ
trong một đơn vị thể tích của vật liệu.
Độ đặc thực của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào số lợng và khối lợng
riêng của pha tinh thể có mặt trong sản phẩm. Số lợng của pha tinh thể càng nhiều,
khối lợng riêng của nó càng lớn thì độ đặc thực của sản phẩm càng cao. Ví dụ: Vật
liệu chịu lửa corun tinh khiết có độ đặc thực bằng 3,99 ữ 4 g/cm
3

nhng khi có lẫn
tạp chất dẫn tới tạo thành pha thuỷ tinh và các pha tinh thể khác làm độ đặc của nó
giảm rõ rệt .
Sự biến đổi thù hình của các khoáng có mặt trong sản phẩm khi nung cũng
dẫn đến làm thay đổi độ đặc.
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 13
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
Giá trị độ xốp của sản phẩm là dấu hiệu chủ yếu để đánh giá mức độ kết
khối của sản phẩm .
Sản phẩm kết khối càng cao (trong khoảng kết khối của nó) thì dới tác dụng
của lực tiếp tuyến F tác dụng nên bề mặt mẫu diện tích a.b, làm mẫu bị trợt đi một

F

Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
à =
l
l
d
d


;
Khi đó : d - đờng kính tơng đơng của mẫu thử.
L chiều dài mẫu thử.
Đa số vật liệu gốm có
à
= 0.2
ữ
0.25 .
Độ bền lý thuyết của các vật liệu tinh thể, tính theo lực liên kết giữa các
nguyên tử của chúng thờng dao động trong khoảng 1 ữ 10.10
5
KG/cm
2
hay bằng
1/10 trị số môdun đàn hồi E. Tuy nhiên đối với vật liệu chịu lửa trị số độ bền lý
thuyết thấp hơn nhiều và chỉ bằng 10
2
ữ10
4
KG/cm

=
E
1
.
Trong đó :

- Trị số dãn dài tơng đối (biến dạng đàn hồi).


- ứng suất kéo cực đại .
E- Mô đun đàn hồi .

E
1
- Hệ số tỷ lệ .
Trị số môđun đàn hồi E của các loại vật liệu chịu lửa bình thờng vào
khoảng 2 ữ 1.10
6
KG/cm
2
, đối với các loại vật liệu kết khối đặc độ bền lớm nh
corun, ôxyt manhê... môđun đàn hồi có giá trị E=4 ữ 3.10
6
KG/cm
2
.
Hiện tợng biến dạng trợt ( hiện tợng chảy dão )của vật liệu đợc biểu diễn
theo công thức :
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 16
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức

0
C , trong vật liệu bắt đầu xuất hiện biến dạng dẻo và
mất dần tính dòn ở nhiệt độ thờng. Vì vậy quá trình phá hủy vật liệu ở nhiệt độ
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 17
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
nào đó. Tất nhiên cờng độ cơ học của vật liệu ở nhiệt độ cao có liên quan chặt chẽ
với các quá trình hoá lí xảy ra trong chúng. Trị số các dạng ứng suất phá huỷ vật
liệu (nén, kéo, uốn ...) ở nhiệt độ khác nhau cũng rất khác nhau. Để biết đợc qui
luật biến đổi cờng độ cơ học của vật liệu ở nhiệt độ cao ngời ta tiến hành xác định
nối quan hệ phụ thuộc của tính chất đàn hồi và tính chất cơ học của vật liệu vào
nhiệt độ . Ví dụ nh xác định sự thay đổi độ bền uốn của sản phẩm theo nhiệt độ.
Với các loại vật liệu chịu lửa khác nhau, mối quan hệ phụ thuộc cờng độ cơ học
vào nhiệt độ cũng rất khác nhau .ở một số sản phẩm trong thành phần của chúng
có chứa pha thuỷ tinh hay các cấu tử hình thành loại pha này ở nhiệt độ cao thì sự
thay đổi cờng độ cơ học của nó có thể đạt giá trị cực đại khoảng 1000 ữ1200
0
C.
Điều này có thể giải thích đợc do sự hạ thấp độ nhớt của pha thuỷ tinh dẫn đến
làm tăng tính dẻo của vật liệu và làm giảm dần khuynh hớng phá huỷ dòn sản
phẩm. Sự có mặt của pha thuỷ tinh lúc này cũng tạo ra khả năng hàn gắn các vết
nứt tế vi sản phẩm hình thành sau khi nung ở bề mặt phân chia giữa các hạt làm
tăng khả năng liên kết của chúng.
II.2.2.2 Nhiệt độ biến dạng dới tải trọng.
Một trong những tính chất quan trọng của vật liệu chịu lửa là khả năng
chống lại đồng thời tác dụng của nhiệt độ cao và tải trọng cơ học .Tính chất này đ-
ợc đặc trng bằng nhiệt đô gây ra sự biến dạng của mẫu nén dới tải trọng tĩnh ổn
định 2KG/cm
2
( ở Anh và Mỹ ngời ta dùng tải trọng 1.75 KG/cm
2

Dới 800
0
C tốc độ nâng nhiệt không quá 10
0
/phút.
Trên 800
0
C, tốc độ nâng nhiệt 4 ữ 5
0
/phút.
Quá trình đốt nóng sẽ xác định đợc các nhiệt độ biến dạng sau:
+ Nhiệt độ bắt đầu biến dạng ứng với độ lún của mẫu là 3 mm.
+ Nhiệt độ biến dạng 4% - ứng với độ lún của mẫu là 2 mm .
+ Nhiệt độ kết thúc biến dạng hay gọi là nhiệt độ phá huỷ mẫu biến
dạng 40 % - ứng với độ lún của mẫu là 20 mm.
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 19
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
Phơng pháp này còn mang tính chất định tính và độ chính xác không cao,
bởi vì: Việc đo mức độ biến dạng của mẫu trong điều kiện tăng nhiệt độ liên tục
làm mẫu không đợc đốt nóng đồng đều theo toàn bộ chiều dầy của nó. Vì vậy
nhiệt độ trung bình của mẫu bao giờ cũng thấp hơn nhiệt độ của không gian lò.
Mặt khác trong quá trình nâng nhiệt độ, trong sản phẩm mẫu có thể sẽ biến đổi
cấu trúc, xảy ra co phụ...Làm giảm chiều cao của mẫu hay tăng thể tích làm tăng
chiều cao của mẫu ( Nh khi thử đinát), trong khi đó hệ thống thiết bị chỉ đo đợc sự
biến dạng không đàn hồi của mẫu. Do đó kết quả đo không phản ánh chính xác
mức độ biến dạng của vật liệu nung. Ngoài phơng pháp này không thể đánh giá đ-
ợc vận tốc biến dạng của sản phẩm ở nhiệt độ này hay khác hay biểu diễn kết quả
thử tính chất này thành một công thức thông qua các biến dạng phức tạp khác nh
uốn, kéo, xoắn...
Tuy vậy hiện nay nó vẫn là phơng pháp phổ biến nhất. ở nớc ta có TCVN

nhớt cao. Khi tăng nhiệt độ khối thủy tinh mềm ra, dần dần hạ thấp độ nhớt, làm
sản phẩm biến dạng từ từ. Mẫu thí nghiệp không bị phá huỷ ngay mà bị phình theo
hình tang trống. Khoảng biến dạng của sản phẩm này từ 150 ữ 200
o
C.
Từ tốc độ biến dạng của sản phẩm có thể tính đợc độ nhớt biểu kiến
của chúng theo công thức sau:
=
lq
zlp

..3
..
Trong đó :

- Độ nhớt poiz.
p Lực tác dụng đin (1 kg = 981.000 đin ).
l Chiều cao của mẫu (cm).
z - Thời gian (s).


l Biến thiên chiều cao của mẫu trong thời gian z (cm).
q Tiết diện ngang ( cm
2
).
Để chính xác hơn ngời ta xác định độ nhớt biểu kiến ở nhiệt độ cố
định. Đôi khi đối với vật liệu chịu lửa định dùng ở nhiệt độ cao ngời ta xác định độ
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 21
Đồ án tốt nghiệp gvhd: TS Vũ Minh Đức
dão tức là biến dạng khi tác dụng lâu dài của tải trọng tĩnh 0,5 ữ 4 KG/ cm

ớc hạt:

n
d

=
.
Trong đó:

- Vận tốc trợt
d - Đờng kính tơng đơng của hạt vật liệu
n - Hằng số, có giá trị bằng 2 khi có quá trình khuyếc
tán xảy ra ở nhiệt độ tơng đố cao. Khi có hiện tợng trợt theo bề mặt
của các hạt ở nhiệt độ thấp hơn nhiều thì giá trị n lấy bằng 1.
Vai trò chủ yếu của quá trình khuyếc tán trong cơ chế trợt ở nhiệt độ cao
của vật liệu chịu lửa đa tinh thể là xác lập mối quan hệ tuyến tính giữa vận tốc trợt
và các khuyết tật trong mạng lới của các pha tinh thể chủ yếu có mặt trong sản
phẩm. Các khuyết tật đố có thể là: Sự sai lệch tỷ lệ kết hợp trong các pha, tạp chất
hay các khuyết tật ( lỗ trống, vị trí khuyết) cân bằng về nhiệt.
Trị số biến dạng dẻo và vận tốc biến dạng của vật liệu, khi nó chịu tác
dụng đồng thời của cả ứng suất và nhiệt độ, trong nhiều trờng hơqpj là đặc trng rất
quan trọng, nó đánh giá đúng khả năng phục vụ của vật liệu về chất lợng khi sử
dụng làm cấu kiện chịu nhiệt độ cao. Tất cả các vật liệu gốm khi chịu tác dụng của
tải trọng ở giai đoạn đầu đều biến dạng đàn hồi. Các vật liệu giòn nh vật liệu gốm,
sản phẩm chịu lửa có trị số biến dạng đàn hồi nhỏ khi tăng ứng suất sẽ dẫn đến
phá huỷ sản phẩm mà không trải qua giai đoạn biến dạng dẻo. ở nhiệt độ cao hiện
tợng lại xảy ra khác: Vật liệu gốm và sản phẩm chịu lửa có khả năng biến dạng
dẻo.
độ dão của vật liệu gốm và sản phẩm chịu lửa thờng đợc xác định theo vận
tốc biến dạng trong giai đoạn trợt nào đó hay theo trị số biến dạng sau một khoảng


1
ữ
2.
II.2.2.4 Độ bền lâu dài.
Để đánh giá khả năng bền của vật liệu chịu lửa khi tác dụng lâu dài của tải
trọng trong giai đoạn biến dạng dẻo mà không bị phá huỷ, ngời ta sử dụng chỉ tiêu
đặc trng là độ bền lâu dài của sản phẩm. Thực tế tính chất này ít dùng đối với các
vật liệu chịu lửa thông thờng mà chỉ có ý nghĩa thực nghiệm đối với các sản phẩm
từ các ôxit tinh khiết nh: Al
2
O
3
, MgO nó cho phép tìm đợc mối quan hệ phụ
thuộc giữa độ bền lâu dài và vận tốc biến dạng trợt

ở khoảng nhiệt độ 1400 ữ
1500
o
C ( khi có ứng suất 100ữ 500 KG/cm
2
) của các loại sản phẩm này. Quan hệ
phụ thuộc ấy có thể biểu diễn theo hàm luỹ thừa sau:

n

A

=
.

C )
ở nhiệt độ 1500
o
C độ dẫn nhiệt của vật liệu gốm đa tinh thể tăng rất ít do
có hiện tợng thấu quang (giống nh tia sáng xuyên qua vật thể trong suốt) và sự
truyền nhiệt bằng bức xạ. Nếu trong vật liệu có những lỗ xốp lớn (kích thớc vài
mm) thì độ dẫn nhiệt độ có thể tăng do truyền nhiệt đối lu.
ở vật liệu chịu lửa thờng chứa số lợng lớn pha thuỷ tinh ( vô định hình) còn
có đặc trng dẫn nhiệt bằng ion. Hệ số dẫn nhiệt của nó theo mức đọ tăng nhiệt độ
SVTH: Nguyễn Trọng Vĩnh Trang 25