BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHAN DUY DŨNG

Phan Duy Dũng

KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VLPK

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGUYÊN LIỆU FENSPAT BÁN PHONG
HÓA KINH MÔN HẢI DƯƠNG VÀO SẢN XUẤT GỐM SỨ NHẰM
SỬ DỤNG HỢP LÝ VÀ HIỆU QUẢ NGUỒN TÀI NGUYÊN
CỦA ĐỊA PHƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU PHI KIM

KHOÁ 2009

Hà Nội – 6/2011



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHAN DUY DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGUYÊN LIỆU FENSPAT BÁN PHONG
HÓA KINH MÔN HẢI DƯƠNG VÀO SẢN XUẤT GỐM SỨ NHẰM
SỬ DỤNG HỢP LÝ VÀ HIỆU QUẢ NGUỒN TÀI NGUYÊN

Mỏ Fenspat ở Kinh Môn, Hải Dương có trữ lượng khá lớn, tuy nhiên chưa có
nghiên cứu cụ thể nào về tính chất cũng như phạm vi sử dụng hiệu quả của nguồn
nguyên liệu đó.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu, khảo sát các tính chất của fenspat Kinh Môn, Hải Dương. Trên cơ sở
đó xác định phạm vi, biện pháp sử dụng loại fenspat trên trong lĩnh vực sản xuất các
sản phẩm gốm sứ.
c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
-

Nghiên cứu các tính chất sử dụng của fenspat Kinh Môn, Hải Dương:
thành phần hóa, thành phần khoáng, khoảng nhiệt độ chảy, trạng thái mẫu
sau khi nung

-

Sử dụng fenspat Kinh Môn làm nguyên liệu sản xuất gạch lát ceramic

1


Sử dụng fenspat Kinh Môn làm nguyên liệu sản xuất gạch granit

-

Qua quá trình nghiên cứu, luận văn đã đánh giá được các tính chất của loại
fenspat trên, đồng thời tìm ra biện pháp sử dụng hợp lý nguồn nguyên liệu đó trong hai
chủng loại sản phẩm trên.
d) Phương pháp nghiên cứu
-


+
-

Nhiệt độ bắt đầu chảy khá cao (1220 0C), khoảng nhiệt độ chảy rộng

FKM có thể sử dụng trong phối liệu gạch lát ceramic dưới dạng sử dụng toàn
bộ fenspat trong phối liệu là FKM hoặc kết hợp giữa FKM với các loại fenspat
khác

-

Có thể dùng FKM trong phối liệu xương đáy của gạch granit sản xuất theo
phương pháp dải liệu hai lần dưới dạng riêng rẽ hoặc kết hợp với loại fenspat
khác, nên dùng loại có tỷ lệ K2O/Na2O < 1.
Hà Nội ngày 08 tháng 6 năm 2011
Cán bộ hướng dẫn

PGS. TS. Huỳnh Đức Minh
2


Luận văn cao học

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...........................................................................5
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................6
Chương 1 – TỔNG QUAN ................................................................................................8

Luận văn cao học

2.1.1.2 Kho ảng nhiệt độ chảy, tính chất của mẫu sau khi nung ...................... 28
2.1.2 Kết quả và thảo luận........................................................................................ 29
2.1.2.1 Thành phần hóa và thành phần khoáng ................................................. 29
2.1.2.2 Khoảng nhiệt độ chảy, màu sắc của mẫu sau khi nung ...................... 30
2.2 Sử dụng FKM làm nguyên liệu sản xuất gạch lát ceramic .............................. 33
2.2.1 Xây dựng bài phối liệu.................................................................................... 33
2.2.2 Quy trình thực nghiệm .................................................................................... 36
2.2.3 Kết quả và thảo luận....................................................................................... 38
2.3 Sử dụng nguyên liệu FKM làm nguyên liệu sản xuất gạch granit .................. 44
2.3.1 Xây dựng bài phối liệu................................................................................... 44
2.3.2 Quy trình thực nghiệm ................................................................................... 47
2.3.2.1 Quy trình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm ....................................... 47
2.3.2.2 Quy trình thực nghiệm tại nhà máy....................................................... 48
2.3.3 Kết quả và thảo luận....................................................................................... 48
2.3.3.1 Kết quả các mẫu nung tại phòng thí nghiệm......................................... 48
2.3.3.2 Kết quả các mẫu nung tại nhà máy ....................................................... 54
2.3.3.3 Độ co và hệ số giãn nở nhiệt ................................................................... 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 60
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 61

Phan Duy Dũng – CH VLPK 2009
2


Luận văn cao học

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PLM

Orthoclase – fenspat kali

Or

Cường độ uốn

Ru

Phan Duy Dũng – CH VLPK 2009
3


Luận văn cao học

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Thành phần hóa của các loại khoáng fenspat ở trạng thái tinh khiết............8
Bảng 2. Một số thông số vật lý của một số loại fenspat .............................................. 14
Bảng 3. Sản lượng khai thác fenspat trên thế giới ....................................................... 25
Bảng 4. Thành phần hóa của FKM ................................................................................ 29
Bảng 5. Bài phối liệu sản xuất gạch lát ceramic tại nhà máy .................................... 34
Bảng 6. Thành phần hóa của các nguyên liệu.............................................................. 34
Bảng 7. Các bài phối liệu sử dụng ................................................................................. 35
Bảng 8. Thành phần hóa của các bài phối liệu ............................................................ 36
Bảng 9. Tính chất các mẫu nung ở các nhiệt độ khác nhau ....................................... 38
Bảng 10. Tính chất của từng mẫu nung ở các nhiệt độ khác nhau ............................ 39
Bảng 11. Thành phần hóa của các nguyên liệu sử dụng ............................................. 45
Bảng 12. Các bài phối liệu sử dụng ............................................................................... 46
Bảng 13. Thành phần hóa của các bài phối liệu .......................................................... 46

Hình 16. Sự thay đổi cường độ uốn của các mẫu theo nhiệt độ nung ....................... 50
Hình 17. Sự thay đổi độ hút nước của các mẫu theo nhiệt độ nung .......................... 51
Hình 18. Sự thay đổi khối lượng thể tích các mẫu theo nhiệt độ nung...................... 51
Hình 19. Sự thay đổi độ xốp biểu kiến của các mẫu theo nhiệt độ nung................... 52

Phan Duy Dũng – CH VLPK 2009
5


Luận văn cao học

MỞ ĐẦU
Tài nguyên thiên nhiên là nguồn nguyên liệu không tái sinh, do vậy việc khai
thác và sử dụng hợp lý tài nguyên là vấn đề không chỉ được đặt ra ở nước ta mà đã
được đặt ra ở tất cả các nước trên thế giới.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp gốm sứ và thủy
tinh…nhu cầu sử dụng nguyên liệu fenspat cũng tăng lên rất nhanh, ước tính tổng
lượng fenspat khai thác trên thế giới năm 2008 tăng gấp 3 lần lượng khai thác năm
1994 (18,3 triệu tấn so với 6,94 triệu tấn).
Ở nước ta, nguồn nguyên liệu fenspat không phân bố tập trung mà rải rác ở các
địa phương từ Bắc và Nam. Chất lượng các mỏ fenspat thường không đồng đều.
Trong khi đó, nhu c ầu sử dụng nguyên liệu fenspat ở nước ta rất lớn, từ các loại
fenspat có chất lượng trung bình đến các loại có chất lượng cao. Hiện nay, rất nhiều
nhà máy đang phải sử dụng các nguồn fenspat nhập từ nước ngoài, chủ yếu là các
loại có chất lượng tốt. Do vậy nhu cầu cấp thiết đặt ra hiện nay không chỉ là khảo
sát, tìm kiếm để đưa vào khai thác các mỏ fenspat mới mà còn phải nghiên cứu kỹ
về đặc điểm, tính chất và phải tìm ra phạm vi, biện pháp sử dụng phù hợp của
nguồn nguyên liệu đó. Trên cơ sở đó, các nhà sản xuất sẽ sử dụng các nguyên liệu
theo cách hiệu quả hơn, qua đó tiết kiệm được các nguồn nguyên liệu fenspat chất
lượng tốt để sử dụng vào các nhóm s ản phẩm chất lượng cao qua đó giảm lượng

-

Xác định phạm vi sử dụng của nguồn nguyên liệu trên

-

Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng oxit kiềm K2 O/Na2O đến các
tính chất của sản phẩm nung nhanh trong lò thanh lăn và nung chậm
trong kiểu lò truyền thống. Qua đó làm rõ hơn yêu c ầu về chất lượng
các loại fenspat sử dụng để sản xuất các chủng loại sản phẩm gốm sứ
khác nhau.

Giải quyết được các vấn đề trên có ý nghĩa rất lớn, không chỉ đưa ra định
hướng sử dụng hiệu quả một nguồn nguyên liệu cụ thể, kết quả của luận văn còn có
thể được sử dụng làm cơ sở lựa chọn các loại nguyên liệu fenspat trong các cơ sở
sản xuất, cũng như lựa chọn tỷ lệ K2O/Na2O trong các bài phối liệu phù hợp với
quy trình nung nhanh hoặc chậm của nhà máy.

Phan Duy Dũng – CH VLPK 2009
7


Luận văn cao học

Chương 1 – TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về fenspat
Fenspat là các loại alumosilicate kiềm/kiềm thổ khan, gần tương tự nhau về
cấu trúc và các tính chất. Chúng là nhóm khoáng phổ biến nhất, chiếm khoảng 60 ÷
65% khối lượng của lớp vỏ trái đất(4)
1.1.1 Thành phần

64,8
43,0

Thành phần hoá học . %
Al2 O3
K2O
Na2 O
CaO
19,5
11,8
18,3
16,9
39,6
20,10

Trong tự nhiên, ít gặp fenspat ở dạng khoáng riêng lẻ, thường gặp fenspat ở
dạng hỗn hợp đồng hình của các khoáng khác nhau. Tùy thuộc vào thành phần và
cấu trúc chúng được phân ra thành các loại khác nhau. Tuy nhiên, fenspat thường có
thành phần Al2O3 >14%, tổng hàm lượng kiềm (K2 O + Na2O) > 6%. Nếu hàm
lượng 8% < Al2O3 < 14%. (K2O + Na2 O) > 6% thì thuộc nhóm pegmatit, lượng 2%
< Al2O3 < 6%, (K2O + Na2O) > 3% thì thuộc nhóm cát fenspat (5).

Phan Duy Dũng – CH VLPK 2009
8


Luận văn cao học

1.1.2 Cấu trúc
Fenspat thuộc loại khoáng silicat có cấu trúc khung trong đó các tứ diện

Tất cả các loại feldspar đều có dạng nhiệt độ cao và dạng nhiệt độ thấp. Ở
dạng nhiệt độ cao, sự xắp xếp các tứ diện [SiO4 ] và [AlO4 ] là ngẫu nhiên. Trong khi
ở dạng nhiệt độ thấp sự sắp xếp đó có mức độ trật tự cao hơn. Cũng có những loại
trung gian với các mức độ trật tự Al/Si khác nhau.
Về mặt phân loại cấu trúc tinh thể, các loại khoáng fenspat có hai cấu trúc đặc
trưng là: dạng đơn tà và dạng tam tà.
1.1.3 Phân loại
Sự phân loại fenspat được thực hiện dựa trên hai yếu tố:
-

Thành phần

-

Cấu trúc

Phan Duy Dũng – CH VLPK 2009
10


Luận văn cao học

Như đã nói ở trên, trong tự nhiên các loại fenspat hiếm khi ở trạng thái tinh
khiết mà thường tồn tại ở dạng dung dịch rắn. Khi hình thành ở nhiệt độ cao (ví dụ,
trong các lo ại đá núi lửa), tồn tại một dãy các dung dịch rắn giữa Or và Ab, các
dung dịch rắn đó được gọi là các feldspar kiềm. Giữa Albite và Anorthite hình
thành một dãy dung dịch rắn vô hạn, chúng được gọi chung là Plagioclase.

Hình . Giản đồ pha, thể hiện sự hình thành dung dịch rắn và thuật ngữ của các loại
fenspat.

(Al, Si) tạo ra nhờ làm lạnh nhanh các lo ại đá núi lửa. Trong quá trình
làm lạnh rất chậm của các loại đá sâu (plutonite), sự sắp xếp trật tự Al/Si
xảy ra tới mức độ lớn hơn (microline tam tà) ho ặc thấp hơn (orthoclase).
Orthoclase hiển nhiên không chuyển sang được dạng tam tà bất chấp
việc kéo dài thời gian làm lạnh plutonite.

Hình . Giản đồ pha thể hiện sự biến đổi của các fenspat kiềm

Các fenspat thuộc nhóm Plagioclase: Trong nhóm plagioclase, việc phân
loại phụ thuộc vào hàm lượng Anorthite và Albite. Cụ thể:
- Anbite, Na[AlSi3O8], An0–10 hoặc Ab100 An00 –Ab90 An10
- Oligoclase, An10–30 hoặc Ab90An10–Ab70 An30
- Andesine, An30–50 hoặc Ab70An30 –Ab50 An50
Phan Duy Dũng – CH VLPK 2009
12


Luận văn cao học

- Labradorite, An50–70 hoặc Ab50An50–Ab30 An70
- Bytownite, An70–90 hoặc Ab30 An70 –Ab10 An90
- Anorthite, Ca[Al2 Si2O8], An90–100 hoặc Ab10 An90–Ab00 An100
Trong dãy các khoáng thuộc nhóm plagioclase, thường có trạng thái cấu trúc
nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp. Ở nhiệt độ cao, cấu trúc giữ nguyên khi chuyển qua
dung dịch rắn hoàn toàn. Ví dụ, Anorthite có cùng c ấu trúc với Albite. Điều này xảy
ra trong quá trình làm lạnh nhanh đá núi lửa. Ở nhiệt độ thấp hơn, dãy thường
không liên tục và có kèm theo sự phân tách về mặt cấu trúc (tùy thuộc vào vị trí của
cation Al3+ trong tinh thể).
Ngoài ra còn có thể gặp fenspat bari, nhóm này gồm hai loại Hyalophane,
(K,Ba) [Al(Al,Si)Si2 O8 ] và Celsian, Ba[Al2Si2 O8] đều có tinh thể dạng đơn tà.

Khối lượng
riêng

Độ cứng
thang mosh

g/cm3

Nhiệt dung riêng trung
bình(Jg-1K-1)
0 ÷ 100 0C 0 ÷ 1100 0 C

Orthoclase

1,52÷1,54

2,53 ÷ 2,56

6

0,79

1,05

Microline

1,52÷1,54

2,54÷2,57


1.1.4.2 Tính chất hóa học
Dưới tác dụng của các tác nhân hóa học như axit, kiềm, các tác nhân phong
hóa… Trong các điều kiện nhất định, các loại fenspat bị phân hủy và thay đổi nhanh
chóng.
Trong tự nhiên, dưới tác dụng của quá trình phong hóa với sự có mặt của axit
cacbonic, fenspat bị hòa tan và chuyển sang dạng khoáng sét caolinit.
K2O.Al2 O3.6SiO2 + 2H2O + CO2

Al2O3.2SiO2.2H2O + K2CO3 + 4SiO2

Các fenspat kiềm bị các axit mạnh phân hủy từ từ, tạo ra cặn axit polysilicic.
Tuy nhiên, anorthite dạng bột có thể bị hòa tan hoàn toàn trong axit clohydric ở
100 0C. Dưới áp suất cao (ví dụ như trong autoclave ở 200 bar) fenspat kali được
chuyển thành cao lanh bằng axit hydrofloric 5% ở 225 0C hoặc bằng HCl 0,5 – 1
mol/l ở 320 – 330 0C. Anorthite hầu như bị chuyển hóa hoàn toàn thành cao lanh
nhờ xử lý với axit HCl nồng độ 0,5 mol/l ở 340 0C.(4)
Các dung dịch kiềm đậm đặc phân hủy các fenspat kiềm hoàn toàn ở trên
110 0C. Phản ứng với các dung dịch kiềm 1 – 2% tạo thành các sản phẩm tan.
1.1.5 Khai thác và gia công fenspat
Hiện nay, trên thế giới chủ yếu khai thác các loại fenspat kiềm, các nhóm
khoáng fenspat plagioclase có giá trị thấp nên ít được khai thác. Fenspat sau khi
khai thác sẽ được trải qua quá trình gia công trước khi được đưa đến các đơn vị sử
dụng.
Phan Duy Dũng – CH VLPK 2009
14


Luận văn cao học

Việc gia công fenspat nhằm loại bỏ các tạp chất, làm giàu các thành phần có



Luận văn cao học

ở những nhiệt độ cao hơn điểm nóng chảy. Do đó, giá trị nhiệt độ nóng chảy thường
được tính trong một dải nhiệt độ.
Xét giản đồ (a) Hình 4: ở áp suất P = 1 bar, Fenspat natri nóng chảy không
phân hủy tạo thành pha lỏng nóng chảy, nhớt ở nhiệt độ 1118 0C ±3 0C. Fenspat kali
nóng chảy ở nhiệt độ 1150 0 C ± 20 0C, đồng thời hình thành tinh thể leucite
(K2O.Al2O3.4SiO2). Nhiệt độ nóng chảy thấp nhất của hỗn hợp fenspat kiềm là
10700 C, tương ứng với thành phần 65% fenspat kali và 35% fenspat natri. Xét quá
trình làm lạnh một pha lỏng đổng nhất có thành phần ứng với điểm O. Hệ bắt đầu
tách thành pha rắn có thành phần C ở nhiệt độ ứng với điểm P. Khi xuống phía dưới
điểm D, tạo thành dung dịch rắn đồng nhất ứng với một loại fenspat. Tuy nhiên khi
xuống dưới nhiệt độ 650 0C, pha fenspat đó lại bị tách thành hai pha rắn không đồng
nhất. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng perthite hóa. Hiện tượng này xảy ra
nhờ sự dịch chuyển chọn lọc của các cation nhỏ và lớn (điều này dẫn đến sự phát
triển xen kẽ ổn định của orthoclase (hoặc microline) và albite, với sự hình thành đặc
trưng của các vật thể dạng sợi, xoắn, chúng có thể ở dạng vĩ mô (macroperthite),
dạng vi mô (microperthite) ho ặc dưới vi mô (cryptoperthite). Microline-perthite bao
gồm microcline chứa các chuỗi albite và antiperthite chứa albite với các chuỗi
orthoclase. Trên hình 6 (a), có thể thấy sự hình thành leucite diễn ra trong một dải
nhiệt độ rất rộng, với fenspat kali nguyên chất, leucite bắt đầu hình thành ở khoảng
nhiệt độ 11700C và sẽ hoàn toàn biết mất, hay tan chảy hoàn toàn ở nhiệt độ
1530 0 C.
Xét giản đồ (b) Hình 4: Khi có mặt hơi nước ở áp suất 6 kb, giản đổ pha của
hệ KalSi3 O8 –NaAlSi3O8 thay đổi rất rõ rệt. Điểm đầu tiên có thể nhận thấy là pha
leucite không xuất hiện và fenspat kali nóng chảy không bị phân hủy. Các giá trị
nhiệt độ nóng chảy giảm xuống, các thành phần thay đổi liên tục dọc theo đường
lỏng và đường rắn khi làm lạnh.

thường, để xác định tính chất này người ta thường tính toán thông qua sự biến dạng
của côn fenspat khi đốt nóng với một tốc độ nhất định (ví dụ 20 0/giờ) trong sự so
sánh với sự biến dạng của côn pyrometric chuẩn đốt nóng ở cùng tốc độ. Để diễn tả
độ nhớt trong trường hợp này, người ta thường dùng thuật ngữ côn pyrometric
tương đương (c,p,t).
Ở các nhiệt độ tương tự nhau thì độ nhớt của fenspat natri nóng chảy thấp hơn
độ nhớt của fenspat kali nóng chảy. Các fenspat kiềm có độ nhớt nằm trung gian,
Phan Duy Dũng – CH VLPK 2009
18


Luận văn cao học

Nguyên nhân do fenspat kali nóng chảy phân hủy thành leucite và chất lỏng nóng
chảy, leucite lưu lại trong chất lỏng nóng chảy, làm cho độ nhớt của pha lỏng nóng
chảy tăng lên.
Các nghiên cứu về độ nhớt còn cho thấy, sự có mặt của SiO2 tự do sẽ làm tăng
độ nhớt của fenspat nóng chảy đồng thời cũng ngăn chặn việc giảm độ nhớt khi
tăng nhiệt độ, do đó sự có mặt của SiO2 tự do sẽ làm tăng giá trị c,p,t của fenspat.
Hiện tượng này ảnh hưởng rõ rệt nhất đến fenspat natri, thực nghiệm cho thấy, độ
chịu lửa của fenspat natri sẽ tăng lên khi có 10% hàm lượng SiO2 tự do, trong khi
giá trị hàm lượng SiO2 tự do bắt đầu gây ảnh hưởng đến độ nhớt của fenspat kali là
20%.
Sự có mặt của các thành phần khác cũng gây ảnh hưởng đến độ nhớt của
fenspat nóng chảy. Hàm lượng Fe 2O3 vượt quá 0,3 % hoặc hàm lượng các oxit của
Ca, Mg, Zr, Ba từ 2 đến 5 % cũng có thể làm giảm độ nhớt của fenspat nóng chảy.
1.3 Vai trò của fenspat
1.3.1 Vai trò của fenspat trong sản xuất gốm sứ
Fenspat là một trong những loại nguyên liệu chính trong phối liệu sản xuất
gốm sứ.