BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------
PHÙNG VĂN HẢO
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM CHỊU LỬA HỆ
SILIMANIT (AL2O3=60-65%) BỀN CƠ, BỀN NHIỆT
THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC RÓT TỪ HUYỀN PHÙ
KẾT DÍNH GỐM NỒNG ĐỘ CAO VỚI NHỊÊT ĐỘ
NUNG KẾT KHỐI THẤP DƯỚI 13000C
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – Năm 2010
LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm bộ môn
Công nghệ vật liệu Silicat trường Đại học bách khoa Hà Nội, Phòng
thí nghiệm khoa Công nghệ Vật liệu – trường Cao đẳng Hóa chất –
Lâm Thao dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo PGS. TS. Đào Xuân
Phái.
Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đôi với
Thầy hướng dẫn, các thầy cô trong Bộ môn CNVL Silicat trường
ĐHBK Hà Nội, các thầy cô thuộc khoa CNVL trường Cao đẳng Hóa
chất -Lâm Thao đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản
luận văn này.
Cũng nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn Viên Đào
tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã quan tâm
tạo điệu kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thiện luân
Lịch sử phát triển vật liệu chịu lửa
Vài nét về sự ra đời và phát triển công nghệ sản xuất VLCL Cao
nhôm HA
1
2
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sản xuất vật liệu
3.
chịu lửa theo công nghệ bê tông gốm sử dụng chất kết dính
3
huyền phù gốm nồng độ cao.
4.
Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
5
5.
Phương pháp nghiên cứu
6
6.
Ý nghĩa của đề tài
Công nghệ chế tạo gạch chịu lửa và ý nghĩa của chất liên kết
trong sản xuất VLCL
Nguyên liệu chế tạo gốm chịu lửa hệ Silimanit (Al2O3=60-65%)
theo các phương pháp truyền thống
Ý nghĩa của chất liên kết trong sản xuất VLCL
Cơ sở khoa học công nghệ chế tạo bêtông gốm từ chất kết dính
huyền phù gốm nồng độ cao.
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
9
9
11
13
26
2.1.
Xác định thành phần hoá
2.2.
Xác định độ ẩm của hồ
26
2.3.
Xác định lượng sót sàng của hồ
29
2.7.2.
Cách tính đơn phối liệu để chế tạo huyền phù gốm
30
2.7.3.
26
Phương pháp xác định thành phần cấp phối hạt tối ưu
30
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
Xác định khối lượng thể tích và độ xốp biểu kiến
31
2.8.1.
Khối lượng thể tích
31
Tập hợp các loại nguyên liệu và phụ gia sử dụng trong nghiên
cứu
36
3.1.1.
Sạn HA
36
3.1.2.
Cao lanh
38
3.1.3.
Cát quart
40
3.1.4.
Thủy tinh lỏng
40
3.1.5.
Ảnh hưởng của quá trình nghiền đến tính chất của HCBS
42
3.2.4.
Nghiên cứu ổn định tính chất huyền phù gốm nồng độ cao
45
3.2.4.1. Khuấy trộn cơ học
45
3.2.4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia đến tính chất của hồ
46
3.2.5.
Khảo sát các thông số kỹ thuật của nghiền hồ
49
3.2.6.
Ảnh hưởng thời gian khuấy trộn đến đặc tính kỹ thuật của HCBS
53
tông gốm
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1.
62
68
Kết luận
68
2.
Kiến nghị
69
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA VÀ ĐỒ THỊ
TT
1
TÊN HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1. Các nhóm cấu trúc của bê tông gốm16
TRANG
5
6
Hình 1.5. Tổng quan chung về sự phụ thuộc các chỉ tiêu kỹ thuật
của HCBS trong quá trình nghiền 3 giai đoạn [32]
Hình 1.6. Ảnh hưởng của Na2O trong thủy tinh lỏng đến độ nhớt của
HCBS , độ xốp, cường độ của mẫu đúc[32]
21
21
Hình 1.7 : a. Thành phần, kích thước hạt tương ứng trong
HCBS.[32]
7
b. Hình thể hiện sự phụ thuộc độ nhớt vào áp lực cắt ứng với
21
các giá trị khác nhau của Cv trong hệ huyền phù thủy tinh
quắc.(1)=0.74, .(2)=0.79, .(3)=0.78,
Hình 1.8: Sự phụ thuộc độ bền khi nén (đường cong 1) và độ xốp
8
(đường cong 2) của mẫu sản phẩm đúc từ HCBS từ Bô xít vào nhiệt
độ gia công nhiệt.
1
Hình 1.11 : Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng của mẫu bê
tông gốm
Hình 1.12: Sơ đồ hình thành vùng tiếp xúc trong bê tông gốm với
cốt liệu xốp :
Hình 1.13 : Sơ đồ cấu trúc và các chỉ số cơ bản của huyền phù trong
trạng thái chảy sệt (a), Nồng độ tới hạn (b) và sản phẩm đúc sau sấy.
23
24
25
Hình 1.14 : Ảnh chụp dưới kính hiển vi phân cực mẫu bê tông gốm
o
14 đi từ hệ HCBS Samốt hạt nhỏ sau khi sấy ở 110 C: (Ánh sáng phản
26
xạ với độ phóng đại 200 lần).
15 Hình 2.1: mô tả quy luật Bragg
33
16 H×nh 2.2: Nguyªn lý thiÕt bÞ SEM-
35
17
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn đến cường độ nén ở
nhiệt độ sấy 1100C ±10 của mẫu đúc HCBS.
Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian trộn đến độ xốp biểu kiến của
mẫu đúc HCBS
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian trộn đến cường độ nén của mẫu
đúc HCBS
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian trộn đến khối lượng thể tích của
mẫu đúc HCBS
24 Hình 3.8: Sơ đồ chế tạo mẫu trong phòng thí nghiệm
25
26
27
28
29
Hình 3.9. Ảnh hưởng của cấp phối hạt đến độ bền nén sau sấy và
khối lượng thể tích.
Hình 3.10. Ảnh hưởng của cấp phối hạt đến độ bền nén sau nung và
độ xốp.
Hình 3.11. Cường độ nén của mẫu sau khi sấy, nung 9000C và nung
12500C.
Hình 3.12. Hình thể hiện sự phát triển cường độ tương ứng với sự
TT
Kí hiệu
Chú giải
1
VLCL
Vật liệu chịu lửa
2
HCBS
Huyền phù gốm nồng độ cao
3
SMA
Samot A
4
CKD
Chất kết dính
10
MLD-62
11
HA
Cao nhôm
12
LCC
Bê tông chịu lửa ít xi măng
13
ULCC
Bê tông chịu lửa siêu ít xi măng
14
NCC
Bê tông chịu lửa không xi măng
Là một loại vật liệu chịu lửa cao nhôm
được nghiên cứu và phát triển tại Nga từ cuối những năm 1980, đến nay đã đạt được
1
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
nhiều thành tựu dần thay thế cho bê tông LCC, ULCC và hứa hẹn sẽ là thế hệ bê
tông chịu lửa mới của thế kỷ 21.
c. Phát triển vật liệu chịu lửa của nước ta:
Ở Việt Nam việc sử dụng vật liệu chịu lửa cũng có từ rất sớm, nhưng chỉ sau
khi miền Bắc được hoàn toàn giải phóng, chúng ta mới xây dựng được nhà máy sản
xuất gạch chịu lửa Cầu Đuống với năng suất của Công ty VLCL Cầu Đuống và nhà
máy sản xuất VLCL Tam Tầng khoảng 20.000 tấn/năm các loại gạch chịu lửa sa
mốt và cao alumin. Tổng công suất của công ty VLCL Thái Nguyên vào khoảng
30.000 tấn/năm các loại.
Ở miền Nam năm 2004 có Nhà máy vật liệu chịu lửa Việt Đức để sản xuất
gạch chịu lửa sa mốt và cao alumin với công suất 12.000 tấn/năm,…và nhiều nhà
máy khác sản xuất các loại VLCL khác nhau.
2. Vài nét về sự ra đời và phát triển công nghệ sản xuất VLCL Cao nhôm HA
Vào những năm cuối thập kỷ 90 và sang đầu thế kỷ 21, xu hướng phát triển
sản xuất của vật liệu chịu lửa và gốm kỹ thuật tập trung vào nâng cao chất lượng
của vật liệu chịu lửa và các sản phẩm gốm chịu lửa bền cơ và bền nhiệt cao. Nhiều
giải pháp công nghệ mới được nghiên cứu triển khai đã tạo ra những vật liệu mới có
những tính năng kỹ thuật tốt hơn hẳn các sản phẩm cùng loại sản xuất theo công
nghệ truyền thống. Một trong các công nghệ mới đó nhằm nâng cao và thay đổi căn
bản chất lượng của bê tông chịu lửa truyền thống là công nghệ chế tạo bê tông gốm
(cerambetone). Bê tông gốm với các tính năng vượt trội về độ bền cơ, độ chịu lửa
dính và chịu lửa của bê tông gốm này. Nguyên liệu chế tạo huyền phù gốm nồng độ
cao từ cốt liệu cao alumin (bôxit, sạn samốt mullit, mullit corun tổng hợp với hàm
lượng Al2O3=66-86%) trên thế giới khá phong phú và tập trung vào các nguồn:
Boxit nung của Trung Quốc nung trong lò đứng, lò thủ công ở nhiệt độ 150015500C có hàm lượng Al2O3=80-87%, TiO2 3-4%, R2O≤ 0,25% là nguyên liệu lý
tưởng để sản xuất chất kết dính gốm cũng như bê tông gốm liên kết cao alumin vào
thế kỷ 21.
Để chế tạo huyền phù gốm, tác giả đã dùng samốt bôxit cỡ hạt 1 - 3mm
nghiền ướt trong máy nghiền bi lót sứ uralit (hàm lượng Al2O3= 72-79 % và
ρ=3,15g/cm3). Môi trường pH được điều chỉnh bằng thuỷ tinh lỏng đạt giá trị tối ưu
9,1-9,8. Sau 15 giờ nghiền theo cơ chế nạp liệu 4 giai đoạn (5 giờ, 7 giờ, 10 giờ và
12 giờ) huyền phù đạt mật độ ρ = 2,7-2,75 g/cm3, độ ẩm 12-13% với nhiệt độ tự
hâm nóng trong máy đạt 35-600C. Nếu sử dụng máy nghiền bi 3,2m3 thì có thể giảm
3
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
số lần nạp liệu xuống 2-3 giai đoạn. Nâng cao nhiệt độ huyền phù khi nghiền sẽ ảnh
hưởng tốt đến vận tốc nghiền song nếu nhiệt độ tự hâm nóng của máy đạt > 800C thì
độ nhớt (linh động) của huyền phù tăng do hình thành hơi và “khô đi” của huyền
phù. Chất kết dính gốm trên cơ sở huyền phù nồng độ cao chế tạo trong công trình
này có thể kết dính tốt (độ xốp vật đúc = 16-18%, Rn mộc = 5-6 Mpa) khi chế tạo bê
tông gốm cốt liệu gầy là alumosilicat giàu Al2O3. [28], [29], [30], [32]
Trong một số công trình khác các tác giả đã nghiên cứu hệ bê tông gốm tự
chảy thích hợp với các sản phẩm đúc. Ở đây hệ vật liệu mullit-cacbuasilic được
khảo sát khá kỹ. Tác giả đó đã nghiên cứu tính lưu biến kỹ thuật của hệ tạo hình đúc
rung để nhận được bê tông gốm mullít-SiC bền cơ, bền nhiệt tốt. Chất kết dính hệ
số thành công đáng kể cả về mặt công nghệ lẫn ứng dụng. Sản phẩm của đề tài hiện
nay đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế như bê tông gốm SiC hay chế tạo côn
đầu lò dùng trong các lò nung gốm sứ.
Còn ứng dụng công nghệ này vào sản xuất VLCL cao nhôm 60 -65% Al2O3
hệ selimanit.
thì chưa có công trình nghiên cứu nào.
4. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
a. Mục đích của đề tài
-
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và công nghệ bê tông gốm chế tạo VLCL cao nhôm
60 -65% Al2O3 hệ selimanit.
-
Nghiên cứu chế tạo chất liên kết huyền phù gốm nồng độ cao HCBS.
-
Ổn định và làm tăng tính lưu biến của chất liên kết huyền phù gốm nồng độ cao
HCBS.
- Chế tạo mẫu thử trong phòng thí nghiệm sử dụng chất liên kết HCBS và ảnh
hưởng của hàm lượng chất liên kết đến tính các tính chất của bê tông hay gạch chịu
lửa.
b. Cơ sở khoa học, thực tiễn
-
Từ cơ sở các nguồn thông tin, tư liệu nghiên cứu về công nghệ bê tông gốm.
-
Ứng dụng vào thực tế sản xuất để khẳng định các kết quả nghiên cứu
c. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài:
Xác lập quy trình chuẩn cho một số các công đoạn như sau:
- Lựa chọn nguyên liệu, phụ gia phù hợp.
- Phương pháp nghiền, thời gian nghiền hợp lý, hàm lượng phụ gia phân tán.
- Khảo sát ảnh hưởng của HCBS đến phát triển cường độ của mẫu bê tông trong
phòng Thí nghiệm dựa trên thiết kế cấp phối hạt của phối liệu mẫu bê tông truyền
thống).
- Khảo sát ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt mẫu bê tông đến tính chất của mẫu
bê tông.
- Phân tích đánh giá kết quả.
5. Phương pháp nghiên cứu
a. Phương pháp kế thừa:
Áp dụng kiến thức đã học và tổng kết của những bậc tiền bối đi trước trong
lĩnh vực chế tạo bê tông gốm sử dụng chất liên kết HCBS. (tài liệu tham khảo)
b. Phương pháp thực nghiệm:
- Phương pháp phân tích hoá học.
- Phương pháp phân tích thành phần hạt (bằng sa lắng hoặc tán sạ laze).
6
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
- Phương pháp xác định tỷ trọng (khối lượng thể tích).
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
có cấu trúc tương tự như “bê tông” song lại có “khung xương cốt liệu gốm”. Ở đây
cốt liệu gầy và chất kết dính có cùng một bản chất giống nhau (thành phần hóa học,
dạng cấu trúc)
Áp dụng công nghệ bê tông gốm này vào sản xuất VLCL cao nhôm hệ
selimanit hàm lượng Al2O3 60-65% ta có thể tận dụng được sản phẩm phế thải công
nghiệp của các lò nung, nguyên liệu trong nước rẻ tiền,..và đặc biệt là sản phẩm của
ta không nung, hoặc nếu có thể chỉ cần gia nhiệt ở nhiệt độ thấp mà vẫn đảm bảo
các tính năng kỹ thuật của sản phẩm VLCL. Chính vì điều này mà nó có ý nghĩa rất
lớn trong việc bảo vệ môi trường của chúng ta, tiết kiệm nguyên liệu, tiết kiệm
nhiên liệu,..
7. Dự kiến áp dụng kết quả nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm dự kiến sẽ được triển khai và áp
dụng sản xuất thử nghiệm tại xưởng sản xuất VLCL – Bát Tràng.
8. Kết cấu của luận văn
Luận văn được trình bày trên 70 trang A4 gồm các phần: mở đầu, 03 chương,
kết luận và kiến nghị.
Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm của bộ môn CNVL Silicat –
trường Đại học Bách khoa – Hà Nội và phòng thí nghiệm của khoa CNVL trường
Cao đẳng hóa chất – Lâm Thao – Phú Thọ dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo
PGS.TS Đào Xuân Phái.
Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy hướng dẫn,
các thầy cô trong Bộ môn CNVL Silicat trường ĐHBK Hà Nội, đã giúp đỡ tôi hoàn
thành bản luận văn này.
8
chất lượng cao, bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật:
-
Kích thước hình dạng ổn đinh
9
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
-
Cấu tạo viên gạch đồng nhất
-
Gạch có độ bền nhiệt cao
-
Mật độ và cường độ đạt cao
-
Thay đổi thể tích khi nung nhỏ.
* Sấy sản phẩm
Độ ẩm của viên mộc sau khi tạo hình tùy phương pháp sản xuất dao động
61-:- 65
56 -:- 60
2
Độ chịu lửa
°C
≥ 1790
≥ 1770
10
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
3
Độ co phụ trong 2 giờ
%
≤ 0,5
≤ 0,5
7
Khối lượng thể tích
g/cm3
≥ 2,50
≥ 2,40
8
Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng
2kg/cm2
°C
> 1460
> 1420
9
Độ bền xung nhiệt (850 °C - nước)
Lần
≥ 30
liệu khác được gọi là lực dính. Còn độ bền chắc của bản thân lớp keo dính được
định nghĩa là lực bám.
Điều kiện để quá trình dán - dính được bền vững, lâu dài là lực dính của chất
keo dính với bề mặt của vật thể rắn phải lớn hơn lực bám (là lực níu kéo của các
phân tử nhỏ bé trong thành phần của chất keo dính) tạo nên. Bề mặt của chất nền
(chất cần dán) có ảnh hưởng lớn đến kết quả của quá trình dán dính vật liệu [3].
Người ta chia lực dính làm 2 loại: Lực dính riêng (hay lực dính tự thân) và
lực dính cơ học.
Về lực dính riêng (lực dính tự thân) hiện nay đang tồn tại một số thuyết bao
gồm: Lý thuyết hấp phụ, thuyết khuếch tán, thuyết hoá học và thuyết điện tử. Lực
bám dính của vật liệu được đặc trưng bằng cường độ bám dính (kG/cm2). Tuỳ thuộc
vào bản chất và đặc tính của các chất kết dính khác nhau mà cường độ bám dính
cũng khác nhau.
Quá trình sản xuất gạch chịu lửa phải qua nhiều khâu công nghệ liên hoàn,
đồng bộ. Một trong những khâu quyết định đến tính chất và giá trị sử dụng của gạch
chịu lửa là khâu kỹ thuật công nghệ tạo nên sự liên kết bền vững giữa các hạt cốt
liệu chịu lửa nhằm tạo nên sản phẩm đạt được các tính năng kỹ thuật cần thiết, thoả
mãn yêu cầu sử dụng trong các thiết bị nhiệt.
Trong công nghệ cổ điển, thông thường người ta giải quyết vấn đề liên kết đó
bằng cách tạo nên một lớp (một pha) nóng chảy có tính năng và thành phần hoá học
tương đương thành phần của cốt liệu. Ví dụ như khi sản xuất gạch samốt, gạch cao
nhôm người ta phải sử dụng đất sét hoặc cao lanh chịu lửa để làm chất kết dính cho
phần cốt liệu samốt. Sản phẩm sau khi ép định hình kích thước được nung đến một
nhiệt độ xác định của loại gạch cần sản xuất để tạo ra một pha liên kết có thành
phần và tính chất tương ứng. Phương pháp liên kết này là liên kết silicát nóng
chảy.[8] Tương tự như vậy, khi sản xuất gạch manhêdi hoặc gạch manhêdi-crôm,
12
bền khi gia nhiệt (sấy và nung sau khi tạo hình) sẽ chuyển từ mạch liên kết Silanol
có lực liên kết Hydrô sang mạch liên kết Siloxane, với lực liên kết đồng hóa trị đạt
13
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: CNVL Vô cơ
giá trị năng lượng liên kết Si – O đến 444 Kj/mol, lớn gấp hai lần năng lượng liên
kết Ca – O ( 209 Kj/mol) ở các chất kết dính thủy lực như xi măng cao Alumin. Cơ
chế phản ứng có thể miêu tả bởi phương trình sau:[13]
≡ Si – OH
(Silanol)
+
OH – Si ≡
→∆To →
≡ Si – O – Si ≡
(Silanol)
(Siloxane)
Chính nhờ vậy mà sản phẩm bê tông gốm đi từ cát Quắc sau khi gia nhiệt ở
trên 1250oC có thể đạt Rn= 102 – 123 MPa, Ru= 24,2 - 25,5 MPa.
chất cốt liệu gầy và pha rắn của huyền phù có thể đồng nhất hoặc khác nhau (về
thành phần hóa học và biến đổi cấu trúc vi mô). Cốt liệu gầy có thể có độ xốp khác
nhau hoặc xít đặc cao, đơn hoặc đa cỡ hạt.
Theo nguyên lý chế tạo có thể khái quát phân loại Bê tông gốm thành 4
nhóm cấu trúc như sau : [26]
15
Copyright: Tài liệu đại học ©