Giáo trình Vật liệu nhiệt lạnh

161 trang ngocly 1920

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vật liệu nhiệt lạnh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_vat_lieu_nhiet_lanh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Vật liệu nhiệt lạnh

Chương 1. VẬT LIỆU CHỊU LỬA 1.1. Mở đầu và phân loại Vật liệu chịu lửa là loại vật liệu giữ nguyên các đặc tính hóa lý cho tới nhiệt độ 1580oC hoặc cao hơn. Công nghiệp chế tạo vật liệu chịu lửa là công nghiệp sản xuất các sản phẩm sử dụng ở nhiệt độ cao. Vật liệu chịu lửa được đùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như luyện kim, hoá chất, nhiệt điện sành, sứ, thủy tinh, sản xuất xi măng Các vật liệu chịu lửa nhằm giới hạn không gian trong đó tiến hành quá trình công nghệ và giảm mất mát nhiệt của lò. Trong quá trình vận hành thiết bị người ta tìm mọi cách để tăng chất lượng gạch chịu lửa, kéo dài thời gian sử dụng gạch trong lò, góp phần tăng năng suất thiết bị, hạ thấp tiêu tốn nhiệt, tăng chất lượng và hạ giá thành sản phẩm. Ngày nay để đáp ứng các đòi hỏi của tiến bộ kỹ thuật nhiều loại vật liệu mới đã ra đời, đó là các vật liệu siêu cao cấp dùng trong kĩ thuật máy bay siêu âm, tên lửa hiện đại, các vật liệu trong lò phản ứng hạt nhân, trong các con tàu vũ trụ Vật liệu chịu lửa được phân loại theo nhiều dấu hiệu khác nhau: 1) Theo bản chất hoá lí của nguyên liệu ban đầu vật liệu chịu lửa được chia thành 9 nhóm: silic, alumôsilicat, manhêdi, forstenit, spinen, đôlômi, cácbon, ziếccôn và vật liệu chịu lửa từ các ôxyt tinh khiết. 2) Theo độ chịu lửa vật liệu chịu lửa được chia thành 3 loại: - Loại chịu lửa thường: độ chịu lửa từ 1580 đến 1770°C - Loại cao lửa: độ chịu lửa từ 1770 đến 2000°C - Loại rất cao: độ chịu lửa trên 2000°C 3) Theo hình dạng và kích thước, gồm các loại: loại thường khối hình hộp, gạch di hình, loại khối lớn 4) Theo phương pháp tạo hình có sản phẩm nén dẻo, nén bán khô, sản phẩm đúc từ hồ và chất nóng chảy. 5) Theo đặc tính gia công nhiệt: có sản phẩm chịu lửa loại nung và loại không nung. 6) Theo đặc tính xốp chia sản phẩm ra loại đặc, loại thường và loại nhẹ. Để lựa chọn và sử dụng gạch chịu lửa một cách đúng đắn và có hiệu quả cần phải biết những tính chất quan trọng của vật liệu chịu lửa và điều kiện sử dụng chúng. 3
1.2. Các tính chất của vật liệu chịu lửa Vật liệu chịu lửa là một loại vật liệu chịu được nhiệt độ cao hơn 1000°C trong một thời gian dài và không bị biến dạng khi có tải trọng cơ học. 1.2.1. Tính chất vật lí của vật liệu chịu lửa 1. Đặt tính cấu trúc của vật liệu chịu lửa Đặc tính cấu trúc của sản phẩm chịu lửa có ảnh hưởng quyết định đến mọi tính chất của nó. Xét về mặt cấu trúc, vật liệu chịu lửa là một tổng thể có kết hợp và sắp xếp xen kẽ lẫn nhau của ba pha: tinh thể, thủy tinh (vô định hình) và khí (lỗ xốp). Bản chất hoá lí và số lượng mỗi pha hoàn toàn khác nhau. Để nghiên cứu đặc tính cấu trúc của vật liệu chịu lửa người ta dùng các phương pháp hoá lí hiện đại như phân tích nhiệt, phân tích pha và cấu trúc nhiễu xạ rơnghen, bằng kính hiển vi phân cực, tính hiển vi điện tử và phương pháp phân tích thạch học. 2. Mật độ và cuờng độ ở nhiệt độ thường a) Độ xốp: để tiện phân biệt và đánh giá độ xốp trong sản phẩm người ta chia các loại lỗ xốp ra 3 nhóm sau (hình 1-1). - Lỗ xốp kín, nằm trong lòng sản phẩm, không cho các chất lỏng và khí thấm qua. - Lỗ xốp hở, nằm trên bề mặt Hình 1.1: Các dạng lỗ xốp trong sản sản phẩm, chứa đầy chất lỏng hay phẩm chịu lửa khí nhưng không cho chúng thấm 1. Lỗ xốp kín2. Lỗ xốp hở qua sản phẩm. 3. Lỗ xốp dạng kênh - Lỗ xốp dạng kênh, là loại lỗ hở hai đầu cho chất lỏng và khí thấm qua sản phẩm dễ dàng. Khả năng thấm khí (hay lỏng) của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và số lượng của dạng lỗ xốp dạng kênh và chênh lệch áp suất của khí (hay lỏng) ở hai đầu lỗ. Độ xốp được đánh giá bằng một thông số đặc trưng sau đây: - Mật độ thực (khối lượng riêng ρt) g/cm3, là khối lượng của 1 cm3 vật 4
liệu không có lỗ xốp. - Mật độ biểu kiến (khối lượng riêng biểu kiến ρt) g/cm3, là khối lượng của l cm3 vật liệu kể cả lỗ xốp. - Độ xốp thực Wt, % là tỉ số của thể tích các lỗ xốp (cả lỗ hở và lỗ kín) với thể tích vật liệu. - Độ xốp hở hay biểu kiến Wbk, % là tỉ số thể tích của các lổ hở chứa đầy nước khi đun sôi với thể tích của vật liệu, - Độ xốp kín Wk, % là hiệu số giữa độ xốp thực và độ xốp biểu kiến: Wk = Wt - Wbk Nếu vật liệu bão hoà nước thì độ xốp biểu kiến được xác định bằng công thức: a1- Khối lượng mẫu khô tuyệt đối, g; a2- Khối lượng mẫu trên được bão hoà nước, g; V - Thể tích mẫu, cm3. - Độ hút nước là tỉ lệ giữa lượng nước hấp thụ với khối lượng của mẫu khô: b) Độ thẩm khí k: độ thấm khí của sản phẩm chịu lửa phụ thuộc vào lượng lỗ xốp hở của chúng. Độ thẩm khí là khả năng cho không khí hay khói lò qua sản phẩm ở điều kiện nào đó. Độ thẩm khí đặc trưng bằng hệ số thấm khí k, đơn vị của nó được rút ra từ biểu thức sau: V - thể tích khí đi qua mẫu, lít; F - diện tích khí thẩm qua, m2; 1 - chiều dày mẫu, m; τ - thời gian không khí (khói lò) qua sản phẩm, h; Pl - P2 chênh lệch áp suất ở hai đầu mẫu, mm H20 5
như vây. Hệ số thẩm khí là lượng khí tính bằng lít đi qua mẫu có diện tích 1 m2, có chiều dày l m, trong thời gian 1 giờ khi chênh lệch áp suất là l mm H20. Độ thẩm khí còn phụ thuộc vào nhiệt độ vì nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt của khí. Nếu tăng nhiệt độ, độ nhớt η tăng, độ thẩm khí giảm. Quan hệ giữa độ thẩm khí và độ nhớt của chúng như sau: Ngoài ra, độ thẩm khí còn phụ thuộc phương pháp sản xuất gạch. Độ thẩm khí của sản phẩm nén bán khô nhỏ hơn 10 - 30 lần so vói sản phẩm nén dẻo. c) Cường độ nén: cường độ nén của sản phẩm ở nhiệt độ thường phụ thuộc vào thành phẩm sản phẩm, thành phần phối liệu, điều kiện nén và nhiệt độ nung. Qua chỉ tiêu cường độ nén có thể đánh giá chất lượng sản phẩm nhanh và đơn giản, cũng như đánh giá cả quá trình kĩ thuật sản xuất. Đa số gạch chịu lửa có cường độ nén lớn hơn 25N/mm2. Phương pháp tiêu chuẩn để xác định cường độ chịu nén đựa trên theo cường độ chịu nên của mẫu lập phương có cạnh từ 40 – 100 mm. Cường độ nén của đa số gạch chịu lửa tăng khi nhiệt độ tăng và đạt đến trị số cực đại ở 1000 - 1100°c. Tiếp tục tăng nhiệt độ; cường độ nén hạ thấp rất nhiều. Nguyên nhân của sự biến đổi này là do ở nhiệt độ đó xuất hiện biến dạng dẻo. d) Cường độ chịu kéo, uốn xoắn: trong quá trình sử dụng gạch chịu lửa sẽ xuất hiện các loại ứng suất khác nhau như ứng suất kéo, ứng suất uốn, ứng suất trượt. Để đánh giá cường độ chịu kéo, uốn, xoắn lí tưởng nhất là xác định ở nhiệt độ làm việc của chúng, vì thế ít khi người ta xác định Cường độ chịu kéo, uốn xoắn và cũng không có phương pháp tiêu chuẩn nào để xác định các cường độ này. Có thể nói rằng cường độ chịu uốn khoảng 2-3 lần nhỏ hơn và cường độ chịu nén khoảng 5-10 lần nhỏ hơn cường độ chịu nén. 3. Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt độ a) Độ dẫn nhiệt: độ dẫn nhiệt của vật liệu đặc trưng bằng hệ số dẫn nhiệt λ, W/mK. Độ dẫn nhiệt có ỹ nghĩa lớn khi xác đinh nhiệt tổn thất qua tường, vòm lò. Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của sản phẩm vì độ dẫn nhiệt cùng với nhiệt dãn nở là nguyên nhân gây ứng suất trong vật liệu. 6
Hình 1.2: Sự phụ thuộc của hê số dẫn nhiệt củamột số vật liệu chịu lửa vào nhiệt độ 1. Đinat: λ1 = 1,16 + 0.00064t; 2. Samôt: λ1 = 1,27 + 0,00064t; 3. Manhêdi: λ1 = 4,65 - 0,00175t; 4. Crômit: λ1 = 1,28 + 0,00040t; 5. Manhêdi - crômit: λ1 = 4,07 - 0,001 l0t; 6. Crôm - manhêdi: λ1 = 2,00-0,00035t; 7. Bêtông chịu lửa: λ1 = 1,45 - 0,00052t. Khi nhiệt độ tăng độ dẫn nhiệt của vật liệu chịu lửa thường tăng. Tuy nhiên,một số vật liệu chịu lửa pha tinh thể nhiễu hoặc chứa tạp chất ít, khi tăng nhiệt độ hệ số dẫn nhiệt giảm (manhêdi, cacbonrun, corun) (hình 1.2) Nếu độ xốp tăng, độ dẫn nhiệt giảm. Nếu kích thước lỗ xốptăngvới các điều kiện khác như nhau, ở nhiệt độ cao độ dẫn nhiệt tăng lên rất nhiều. Đa số vật liệu chịu lửa đều là loại dẫn nhiệt kém. Độ dẫn nhiệt của samốt, đinat khoảng 50 100 lần, nhỏ hơn độ dẫn nhiệt của kim loại. b) Nhiệt dung riêng: nhiệt dung riêng của vật liệu chịu lửa thường được biểu thị bằng nhiệt dung riêng đẳng áp Cp. Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ với mức độ chính xác đạt yêu cầu được xác định theo phương trình thực nghiêm sau: 7
Cp = C0 + at + bt2 + và nhiệt dung riêng trung bình trong đó Cp, a, b - là các hệ số thực nghiệm. Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng trung bình vào nhiệt độ của một số vật liệu chịu lửa được thể hiện qua hình 1.3. c) Độ dẫn nhiệt độ: độ dẫn nhiệt độ đặc trưng cho tốc độ thay đổi nhiệt độ trong chi tiết, cho quá trình truyền nhiệt và được đặc trưng bởi hệ số dẫn nhiệt độ a. Hệ số dẫn nhiệt độ ảnh hưởng đến độ bền nhiệt nên nó là một trong những hệ số cơ bản để đánh giá độ bền nhiệt của vật liệu chịu lửa. 0 400 800 1200 0 t( C) Hình 1.3: Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng trung bình vào nhiệt độ của một số sản phẩm chịu lửa 8
d) Độ dẫn điện: nói chung các vật liệu chịu lửa ở nhiệt độ thấp đều là chất điện môi rất tốt. Nếu đốt nóng, khả năng dẫn điện tăng lên, ở 800 - 1000°Cnó trở thành vật dẫn điện. - Tính chất điện của vật liệu chịu lửa được quyết định bởi bản chất của vật liệu. - Giữa điện trở R của vật liệu chịu lửa và nhiệt độ được xác định như sau: A, B – hằng số ứng với mỗi loại vật liệu. Đặc trưng tính chất của vật liệu chịu lửa là điện trở và được đo bằng . Đa số vật liệu chịu lửa ở 10000C, điện trở dao động trong khoảng 104 105, ở 15000C hạ xuống còn 103 . Tính chất vật lý của vật liệu chịu lửa cho trong bảng 1.1 Bảng 1.1: Tính chất vật lý của vật liệu chịu lửa Số Tên vật liệu chịu λ = λ0 + b*t Cp = C0 +a*t ρ TT lửa λ0 b C0 a 10- Ký hiệu kg/m3 W/mK kJ/kgK 10-3kJ/kgK2 3W/mK2 1 2 3 4 5 6 7 Đinat DO 2430 1.07 0.84 1.04 0.25 DI 2420 1.16 0.64 0.874 1 DII 2400 0.93 0.64 DIII 2380 0.88 0.64 DIV 2350 0.81 0.64 Samot SI 1950 1.27 0.64 0.96 0.23 SII 1900 1.11 0.64 0.865 0.23 2 SIII 1850 0.84 0.64 0.85 0.23 SIV 1800 0.81 0.64 0.83 0.23 Manhedi MI 2700 4.65 -1.75 1.045 0.29 3 MII 2650 6.2 -2.7 1.04 0.29 9
4 Cromit 3050 1.28 0.4 0.837 0.29 Manhedi - 5 3000 4.07 -1.1 0.9 0.12 Cromit Crom - Manhedi 2800 2.00 -0.35 0.754 0.15 6 3000 2.8 -0.98 0.754 0.15 Forstenit 2400 1.535 -0.25 0.89 0.42 7 3000 3.3 -1.1 0.892 0.42 8 Spinen 3000 4.07 -1.1 0.775 0.3 2000 5.7 -1.6 0.96 0.146 2100 5.2 -1.3 0.96 0.146 9 Cacbitsilic 2000 16.8 -7.3 0.93 0.135 2500 21 -10.5 0.965 0.15 10 Gạch cacbon 23 0.35 0.8 1.2.2.Tính chất sử dụng của vật liệu chịu lửa 1. Độ chịu lửa Độ chịu lửa của vật liệu là khả năng chống lại quá trình biến dạng khi chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao. Độ chịu lửa là một trong những tính chất cơ bản để xác định khả năng sử dụng của vật liêu chịu lửa, phụ thuộc vào thành phần hoá học của vật liệu. 2. Độ bền nhiệt Độ bền nhiệt là khả năng chống lại sự phá huỷ trong điều kiện nhiệt độ thay đổi. Nguyên nhân dẫn đến nứt vỡ sản phẩm do dao động nhiệt độ là sự xuất hiện ứng suất bên trong sản phẩm do chênh lệch nhiệt độ khi đốt nóng và làm nguội. Trong quá trình nung nóng không đều trong vật liệu nên sẽ xuất hiện ứng suất trượt giữa các lớp vật liệu do dãn nở nhiệt không đều. Khi làm nguội, lớp bề mặt bị co lại nhưng bên trong nhiệt độ vẫn cao, do vậy vật liệu chịu lửa sẽ có ứng suất kéo và xuất hiện kẽ nứt ởcác mặt thẳng góc với bề mặt làm nguội. Khả năng của vật liệu chịu lửa chống lại các ứng suất xuất hiện bên trong sản phẩm; phụ thuộc vào tính chất cơ học và tính chất đàn hồi của nó. 3. Độ bền cơ học 10
Một tính chất quan trọng của vật liệu chịu lửa là khả năng chống lại đồng thời tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Độ bền cơ học được đặc trưng bằng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 0,2 N/mm2, biểu thị khoảng mềm khi đó sản phẩm sẽ bị biến dạng dẻo. Tải trọng thực tế khi làm việc thường nhỏ hơn tải trọng kiểm tra (0,2 N/mm2) nhiều. Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng là một chỉ tiêu rất quan trọng của vật liệu đặc trưng cho khả năng làm việc dưới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Chỉ tiêu này phản ánh đúng khả năng sử dụng hơn so với độ chịu lửa trong những điều kiện cụ thể. 4. Tính ổn định thể tích ở nhiệt độ cao Vật liệu chịu lửa khi sử dụng thường phải chịu tác dụng nhiệt độ cao và lâu hơn nhiệt độ nung khi chế tạo ra chúng. Do vậy, khi làm việc sẽ có sự thay đổi thành phần pha, kết tinh lại và kết khối phụ. Do đó vật liệu sẽ có thể bị co hoặc nở phụ; hiện tượng đó làm sản phẩm biến đổi không thuận nghịch kích thước dài của chúng. Ở nhiệt độ cao, phần lớn sản phẩm chịu lửa sẽ xít chặt lại do kết khối. Sự xít chặt này xảy ra do sự căng bề mặt của pha lỏng, gây nên hiện tượng sắp xếp lại và có sự sát nhập các hạt trong vật liệu. Khi duy trì lâu dài ở nhiệt độ cao, tinh thể lớn dần và sản phẩm trở nên xít chặt hơn. Hiện tượng co phụ sẽ làm xuất hiện kẽ nứt giữa mạch vữa và các viên gạch, bong vữa và dẫn đến hạ thấp độ bền xỉ, độ bền nhiệt của vật liệu chịu lửa. Tường và vòm lò sẽ bị lún xuống dần sẽ bị phá hủy. 5. Độ bền xỉ Trong lò công nghiệp ở nhiệt độ cao vật liêu chịu lửa thường phải tiếp xúc với môi trường lỏng, môi trường khí và môi trường rắn. Môi trường lỏng tiếp xúc với gạch như xỉ nóng chảy, kim loại nóng chảy, thủy tinh lỏng, tro xỉ, nhiên liệu chảy lỏng. Môi trường khí phá hoại chi tiết thường là sản phẩm cháy, nhiên liệu khí, khí co trong lò cao, khí cácbuahyđro trong lò cốc hoá Các khí này thấm sâu vào các lỗ của gạch phá hoại hoặc hạ thấp độ bền của chúng. Môi trường rắn tác dụng với gạch chịu lửa như bụi quặng, bụi phối liệu, bụi xỉ hoặc xỉ rắn hoặc tiếp xúc giữa hai loại vật liệu chịu lửa với nhau. Xỉ phá hoại gạch chịu lửa có hai dạng: ăn mòn và xâm thực. 6.Dãn nở nhiệt Các vật liệu chịu lửa khi đốt nóng thường bị giãn nở, sau khi làm nguội sẽ trở về thể tích ban đầu. Sự dãn nở do đốt nóng khác với hiện tượng dãn nở phụ do sự biến đổi thành phần pha và cấu tạo của vật liệu. Ứng suất 11
trong vật liệu hình thành do đốt nóng hoặc làm nguội nhanh; nó phụ thuộc vào độ dãn nở nhiệt. Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu được xác định bởi các chỉ tiêu sau: Hệ số dãn nở nhiệt trung bình: Hê số dãn nở nhiêt thực: Hệ số dãn nở nhiệt tương đối: Lt0- chiều dài mẫu ở 0°c hay ở nhiệt độ trong phòng, m; Lt- chiều dài mẫu ở nhiệt độ đo, m; dL/dt- biến đổi chiều dài theo nhiệt độ 1.3. Các loại vật liệu chịu lửa Vật liệu chịu lửa là loại vật liệu dùng để xây lắp các lò và thiết bị công nghiệp làm việc ở nhiệt độ cao. Theo quy ước chung, vật liệu được gọi là vật liệu chịu lửa khi nó có độ chịu lửa lớn hơn 15800C, tức nhiệt độ tại đó mà khối vật liệu hình chóp không bị phá hủy. Ngoài ra nó còn phải đảm bảo độ bền cơ học và hóa học, ổn định về mặt kích thước để làm việc ổn định lâu dài trong từng điều kiện cụ thể của nhiệt độ cao và ăn mòn hóa học. Các vật liệu chịu lửa quan trọng đều là vật liệu gốm. 1.3.1. Vật liêu Đinat (Silica) Vật liệu silica có hàm lượng SiO2lớn hơn hoặc bằng 93%, được gọi là đinát, khoáng chính là tridimit và crisobalit được sản xuất từ nguyên liệu thiên nhiên có hàm lượng SiO2 cao (cát thạch anh, quarztzit, sa thạch) bằng phương pháp thiêu kết ở dạng bột. Đinát là loại gạch chịu lửa axít. Đặc tính đặc biệt của đinát là độ chịu lửa gần nhiệt độ nóng chảy của chúng. 1. Cơ sở hoá lí a) Sự biến đổi thù hình của ôxyt silic: nguyên liệu chủ yếu để sản xuất đinat là các quặng quắc. Cấu tử chủ yếu tạo thành quắc là ôxyt silic ở dạng tinh thể hay dạng vô định hình. Ôxyt silic SiO2 không ngậm nước có 8 12
dạng thù hình: (α,β) quắc; (α,β,γ) triđimit; (α,β) cristôbalit và thủy tinh quắc. Dạng ổn định ở nhiệt độ cao nhất kí hiệu là α , sau đó đến β rồi đến γ Hình 1.4: Sự phụ thuộc của hệ số dãn nở nhiệt a của các dạng thù hình của SiO2 vào nhiệt độ Phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên là β quắc. β quắc thường ổn định ở nhiệt độ thường, β đốt nóng đến 5730C nó sẽ biến thành α quắc, α quắc không tổn tại trong thiên nhiên do nhiệt độ ổn định nằm trong khoảng 573 – 8700C. Ở nhiệt độ 8700C, αquắc chuyển rất chậm thành α triđimit, khi đốt nhanh đến nhiệt độ lớn hơn 16000C sẽ được silic nóng chảy. nhiệt độ tồn tại của α triđimit là 870 - 14700C do vậy trong thực tế không tồn tại ngoài tự nhiên. Khi làm nguội α sẽ biến thành β triđimit rồi biến thành γ triđimit. Trên 1470°C α chuyển chậm thành α cristôbalit. Nếu đốt nóng nhanh đến nhiệt độ cao hơn 16700C, α triđimit chuyển thành thuỷ tinh quắc, β triđimit chỉ là dạng trung gian do sự biến đổi rất nhanh của α triđimit. Phạm vi tồn tại của chúng từ 117-1630C. λ triđimit được tạo thành do sự biến đổi rất nhanh của β triđimit ở nhiệt độ 1170C, nó thường gặp ở các quặng núi lửa trong dạng hình tấm 6 góc. SƠ ĐỒ BIẾN ĐỔI THÙ HÌNH CỦA SiO2 13
β quắc β tridirrìit β cristobalit Thủy tinh quắc 117° γtridimit Các mũi tên nằm ngang chỉ chiều hướng biến đổi (sự biến đổi này tiến hành chậm) và chỉ thuận nghịch trong điều kiện đặc biệt. Các mũi tên dọc chỉ sự biến đổi nhanh khi đốt nóng và làm nguội. Điểm quan trọng trong kĩ thuật khi biến đổi đa hình của SiO2 là khi biến đổi thù hình có sự thay đổi khối lượng riêng và thể tích. Sự không ổn định thể tích là nguyên nhân chính làm sản phẩm có độ bền nhiệt thấp. Khi sự biến đổi thù hình càng nhanh, thể tích thay đổi càng nhiều, độ bền nhiệt càng thấp. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ số dãn nở nhiệt vào sự thay đổi thể tích của các dạng thù hình SIO2 được trình bày ở hình 1.4 b) Quá trình hoá lí trong sản xuất đinat: thực nghiệm cho thấy rằng trong tất cả các dạng thù hình của ôxyt silic SiO2, triđimit là tinh thể bền vững và ổn định nhất. Do đó trong sản xuất sản phẩm đinát cần tạo ra nhiều triđimit nhất. Sự biến đổi từ quắc sang triđimit rất khó khăn. Để thúc đẩy quá trình này cần thiết phải có chất khoáng hoá. Các chất khoáng hoá có thể là CaO, MgO, MnO, BaO, FeO, Fe2O3, A12O3 Để quá trình triđimit hoá tiến hành tốt nhất, pha lỏng cần có độ thấm ướt tốt. Với mục đích đó, trong quá trình sản xuất thường bổ sung phụ gia sắt và mangan vào phối liệu sản xuất đinát. 2. Nguyên liệu vật liệu: Đinát được sản xuất từ các nguyên liệu chứa nhiều SiO2 như cát quắc, sa thạch, và quắc. Cát quắc là sản phẩm phân hủy của quặng núi chứa quắc như đá hoa cương do tác dụng của khí quyển, gió và sự biến đổi của nhiệt độ. Cát quắc qua nhiều thế kỷ được thấm ướt nước có chứa các tạp chất rất mịn như đất sét, vôi, thạch cao. Các tạp chất này liên kết các hạt lại tạo thành quặng rắn hơn gọi là sa thạch. Sa thạch xít đặc gọi là quawcszzit. Còn quắc thường gặp trong dạng mạch nhỏ , ở các lớp quắczít tinh thể. 3. Kỹ thuật sản xuất đinát Phần chuẩn bị phối liệu có hai công đoạn: chuẩn bị quắc zit là cấu tử 14
chủ yếu và chuẩn bị sữa vôi, sắt keo là chất khoáng kết dính. a) Chuẩn bị quắc zit: để sản phẩm đồng nhất và có tính chất xác định phải đập rồi nghiền mịn quắc zit. Thành phần hạt có giá trị quyết định lên quá trình chuyển hóa của quắc, lên mật độ sản phẩm, độ tả của chúng khi nung và khi dùng vì vậy phải tìm thành phần hạt đảm bảo cấu trúc của sản phẩm sau khi nung thật chặt chẽ, hạn chế độ nở khi nung, sau khi nung có khối lượng riêng nhỏ và ít tả khi dùng. Thành phần hạt được đặc trưng bằng hệ số hạt. Hệ số hạt là tỉ lệ giữa phần trăn hạt nhỏ hơn 0.88mm và hạt lớn hơn 0.54mm Nếu tăng hệ số hạt thì giảm hiện tượng tả và tăng độ xốp của sản phẩm. Cỡ hạt tốt nhất là: hạt lớn nhất không lớn hơn 3mm, hạt 0,5mm không lớn hơn 55 - 65%, hạt 0,088mm: 30 - 40%. b) Chuẩn bị phụ gia khoáng hoá * Vôi: Chất khoáng hoá trong sản xuất đinát là vôi ở dạng sữa. Vôi sữa làm tăng tính chất đóng khuôn của phối liệu, phân phối đều phụ gia, liên kết các hạt quắczit đã nghiền nhỏ, làm các viên bán thành phẩm có cường độ trước và sau khi sấy, xúc tiến chuyển hoá quắc trong quá trình nung, Để có vôi sữa phải thực hiện phản ứng sau: CaCO3—> CaO + C02↑ - Q (CaO là vôi sống) CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q (tôi vôi) *Phụ gia sắt: Sắt hai (FeO) được dùng để hạ thấp nhiệt độ tạo thành chất nóng chảy. Thường dùng vảy sắt, xỉ nấu thép, mẫu pirít đã cháy. Độ hạt của chúng bằng 0,2mm. Để đảm bảo độ ẩm của phối liệu, phụ gia chứa sắt được nghiền mịn trong máy nghiền bi không dùng nước mà dùng vôi sữa. Sau đó dung dịch vôi sắt được khuấy liên tục để tránh lắng và tăng độ đồng nhất. *Keo kết dính: tác dụng của keo làm quá trình liên kết trong khi nén phối liệu dễ dàng, tăng cường độ viên mộc trước và sau khi sấy. Thường dùng keo SSB là nước thải của quá trình sản xuất giấy. Để sản xuất đinát dùng 0,5-0,8% phụ gia SSB nằm ở dạng dung dịch. c) Chuẩn bị phối liệu: phối liệu là hỗn hợp của các cấu tử quắczit, chất khoáng hoá, vôi, sắt, phụ gia keo kết dính Các cấu tử của phối liệu đảm bảo có độ ẩm để đóng khuôn và phải trộn đều. Độ ẩm của phối liệu do sữa vôi sắt đem vào và dao động trong khoảng 4 - 6% tuỳ loại máy nén. Phối liệu được trộn trong máy trộn quả lăn. d) Tạo hình, đóng khuôn sản phẩm: sản phẩm đinát được tạo hình 15
bằng phương pháp bán khô. Phối liệu nén đổ vào khuôn và được nén dưới áp suất 15N/mm2. e) Sấy sản phẩm: mục đích sấy sản phẩm là loại trừ nước ra khỏi sản phẩm, kết tinh hydoxytcanxi, tăng cường độ cơ học của sản phẩm. Nhiệt độ sấy cao hơn 1000C. Sau khi sấy độ ẩm còn lại 1 - 1,5% cường độ viên mộc khi đó tăng lên 3 - 5 N/mm2. Sấy trong lò Tuynen, lò buồng, thời gian sấy từ 4-16 giờ tùy loại sản phẩm. g) Nung sản phẩm: Khi nung đinat sẽ xảy ra các quá trình sau: - CaO và SiO2 tác dụng tạo ra Sillicat canxi. Sillicát canxi tạo thành dung dịch rắn với sillicát sắt. Khi đạt đến nhiệt độ cao chúng tạo thành chất nóng chảy giàu SiO2 từ chất nóng chảy này kết tinh tinh thể triđimit, khi làm nguôi chất nóng chảy này đông lại thành thủy tinh. - Biến đổi thù hình của quắc thành triđimit và cristobalit. - Dãn nở gạch đinát do biến đổi thù hình của quắc. - Biến đổi cường độ cơ học của đinát. Nhiệt độ nung cao nhất 1400°C. Tốc độ nung: từ nhiệt độ thường đến 1200°C: 20 - 25°C/h; Từ 1200 - 1350°C: 10°C/h; 1350 - 1460°C: 3 - 5°C/h. Duy trì ở nhiệt độ cực đại khoảng 40h. Thời gian nung: lò Tuỵnen 70 - 85h; lò buồng đốt khí loại nhỏ: 135 - 215h, lò buồng lớn 270 - 360h. - Làm nguội đinát: từ nhiệt độ cao đến 400 - 350°C làm nguội nhanh (có thể dùng quạt). Từ 300°C trở xuống phải làm nguội chậm do có sự biến đổi thù hình của đinát. Thời gian làm nguội: lò Tuynen: 50 - 60h; lò buồng nhỏ 136 - 215h, lò buồng lớn: 180 - 240h. 4. Tính chất của đinát Đặc tính đặc biệt của đinát là khi đốt nóng chúng nở ra (khác với samốt khi đốt nóng chúng co lại), nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng là khá cao. Đinát rất bền vũng với xỉ axít, độ dẫn nhiệt cao hơn gạch samốt nhưng độ bền nhiệt lại kém gạch samốt. a) Thành phần hoá học và tính chất lí học: đinát sử dụng ở lò Máctanh, lò thủy tinh, lò cốc, lò điện nấu thép Tuỳ theo nơi sử dụng nó có yêu cầu về tính chất lí học và thành phần hoá học tương ứng (bảng 1.2). Bảng 1.2: Thành phần hóa học và tính chất lý học của Đinát 16
Các chỉ tiêu Đinát để lót lò Mác tanh Đinát Đinát xây Đinát lót lò lò cốc xây lò điện nấu nấu thủy thép tinh Loại đặc Loại I Loại II biệt % SiO2 ≤ 94.5 94.5 93 96 94 93 % Al2O3 ≥ 1.5 - - 1.5 - - %CaO ≥ 2.8 - - 2 - - Độ chịu lửa 17100 17100C 17100C 17100C 17200C 17000C ≤ C Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới 1660 1650 1620 1650 1650 - tải trọng 0.2N/mm2.0 C ≤ Độ xốp biểu 23 23 25 22 23 22 kiến % ≥ Khối lượng riêng g/cm3 2.36 2.38 2.40 2.34 2.37 2.38 ≥ Gạch đinát nhiều silic mật độ cao để lót vòm lò Máctanh có hàm lượng SiO2: 97,5 - 98%, độ chịu lửa: 1735°C; độ xốp biểu kiến: 11 - 13%, cường độ chịu nén: 60° - 100 N/mm2, khối lượng riêng: 2,34 - 2,38 g/cm, độ thẩm khí 0,028 - 0,044. b) Biến đổi thể tích khi thay đổi nhiệt độ Khi đốt nóng hay làm nguội đinát bị biến đổi thể tích do dãn nở nhiệt và biến đổi thù hình. Ở 117° - 163°C: đinát dãn nở do sự biến đổi thù hình từ γ → β → αtriđimít; 180 - 270°C: đinát nở 0,4% do biến đổi từ β → crisotabalit 300 - 500°C: dãn nở do nhiệt; 17
500 - 600° C: đinát dãn nờ do β → αquắc; 600 - 1300°C: dãn nở do nhiệt 0,2%; 1300 - 1400°C: dãn nở 0,2 - 0,5% do sự biến đổi của quắc chưa chuvển hoá thành triđimit và cristobalit. Dãn nở của đinát tổng cộng đến1450°C (tuỳ mức độ chuyển hoá) có thể từ 1,4 - 2%. Khi làm nguội thể tích của đinát giảm ít trong khoảng 1400 – 2500C, nhưng từ 2500 - 500C thể tích giảm nhiều hơn do sự biến đổi của cristobalit. c) Độ bền nhiệt: độ bền nhiệt của đinát khi đốt nóng đến 850°C sau đó làm nguội trong nước không quá 2 - 3 lần. Sở dĩ thấp như vậy do sự biến đổi của cristobalit ở nhiệt độ thấp làm thay đổi thể tích đột ngột. Độ bền nhiệt phụ thuộc vào hệ số nở dài, thành phần khoáng, độ dẫn nhiệt, cường độ và môđun đàn hồi khi kéo và trượt. Độ dẫn nhiệt và cường độ nén lại phụ thuộc vào mật độ hay độ xốp của gạch đinát. Khi độ xốp trong khoảng 18 - 43%, ở nhiệt độ trung bình 6500C ta có sự phụ thuộc sau: , W/mK (W là độ xốp, λ: Hệ số dẫn nhiệt) d) Độ bền xỉ: đinát là vật liệu chịu lửa axít. Ôxyt sắt, vôi và các kim loại khác tác dụng với silic trong đinát thành silicat dễ nóng chảy. Trường hợp trong lò nung vôi gián đoạn, ở nhiệt độ 1100 - 11500C vôi và đinát tác dụng với nhau tạo thành silicatđicanxi, khi làm nguội, tường lò bị phá hoại mặc dù không có mặt pha lỏng, hoặc trong lò Máctanh các bụi nóng chảy có chứa Fe, MgO, CaO, MnO tác dụng vói tường lò. Bụi phối liệu chứa kiềm phá hoại gạch đinát như trong lò thủy tinh. Mức độ xỉ thấm sâu vào trong lò viên gạch để phá hoại gạch xác định bằng phương trình: x - chiều sâu xỉ thấm vào gạch, m; σ- Sức căng bề mặt của chất lỏng, N/m; θ- góc thấm ướt của xỉ lỏng; η- độ nhớt của chất lỏng, Ns/m2 ; τ- thời gian thấm, s; r - bán kính lỗ xốp, m. 18
Để giảm x phải giảm độ xốp, giảm kích thước lỗ xốp của sản phẩm. Ở nhiệt độ 1500°C đinát không tác dụng với đa số gạch chịu lửa như crôm-manhêđi, cao alumin, crômit, forstenit mà chỉ phản ứng ít vói manhêdi và samôt. Ở nhiệt độ 1600 - 1650°c đinát tác dụng mạnh với samốt, manhêđi và crôm-manhêdi. Đinát đặc biệt bền vững đối với gạch crômit và cao alumin ngay cả ở nhiệt độ cao tới 1670°C. Lợi dụng tính chất đó có thể xây gạch đinát với hai loại gạch này ở vòm lò Máctanh hoặc xây lớp gạch ngăn cách giữa gạch đinát với những gạch phản ứng vói chúng bằng gạch crômit và cao alumin. 5. Sử dụng gạch đinát Theo mục đích sử dụng, gạch dinat được phân loại theo ba loại: đinát dùng trong lò cốc hoá, lò luyện kim và lò thuỷ tinh tuỳ theo tính chất của chúng. Theo hình dạng phân ra hai loại, loại thường và loại dị hình. Loại dị hình đơn giản thường dùng trong lò luyện kim, loại dị hình phức tạp dùng trong lò cốc và lò thuỷ tinh. Như trong lò cốc dùng tói 250 - 260 loại đinát có kích thước và hình dạng khác nhau. Xây lò cốc bằng gạch đinát tốt hơn nhiều nếu xây bằng gạch samốt vì đinát còn có tác dụng thúc đẩy quá trình cốc hóa. Đinát cũng hay được dùng để xây nóc, cũng như tường và vòm ở phần dưới lò Mác tanh, xây tường và nóc lò điện nấu thép loại nhỏ theo quá trình axít, xây lò phản xạ Gạch đinát sử dụng rộng rãi làm vòm lò vì nó không bị co khi dùng; và độ dãn nở của đinát đủ làm chặt các mạch xây, làm vòm lò vững chắc hơn, độ thẩm khí giảm đi nhiều. Ngoài ra đinát còn được sử dụng để xây lò nồi và phần trên của lò bể nấu thuỷ tinh, làm đệm trong lò gió nóng, xây buồng hồi nhiệt, lò nung vôi, lò Tuynen 6. Các loại đinát khác a) Đinát nhiều silic mặt độ cao: do yêu cẩu sử dụng trong các lò nấu thép, để tăng chất lượng đinát chống lại tác dụng của xỉ sắt, giảm độ xốp, khắc phục hiện tượng tả ở nhiệt độ cao người ta sản xuất ra sản phẩm nhiều silic mật độ cao. b) Đinát-crôm: để nâng cao độ bền xỉ, người ta sản xuất gạch đinát crôm bằng cách cho vào phối liệu một ít crômít (khoảng 30%). Cho Cr2O3 vào làm độ chịu lửa và độ bền xỉ tăng vì crômít làm giảm khả nãng thấm các chất nóng chảy silicat vào các lỗ của gạch. 19
c) Đinát-cácborun: để tăng độ bền nhiệt của đinát người ta cho phụ gia cácborun vào phối liệu (20 - 30%). Đinát-cácborun giảm độ giãn nở nhiệt tăng độ bền khi trượt, tăng độ đẫn nhiệt, cường độ chống bào mòn cao. 1.3.2. Sản phẩm họ aluminnosilicat Tùy hàm lượng ôxyt nhôm trong sản phẩm mà họ này chia làm ba loại: - Bán axit: A12O3+ TIO2 45% 1. Samốt Samốt là loại vật liệu chịu lửa phổ biến nhất, chiếm đến 70% tổng số vật liệu chịu lửa. Sản xuất samốt từ đất sét hoặc cao lanh chịu lửa. Đất sét chịu lửa là các mảnh vỡ của quặng trầm tích, nó là các loại hyđtô aluminosilicat phân tán rất cao, hợp với nước, chúng cho ra một khối thể dẻo, duy trì được hình dáng sau khi sấy và có cường độ như đá sau khi nung. Khoáng chủ yếu trong cao lanh là caolinit (Ai2O3. 2SiO2. 2H2O). b) Các loại sản phẩm samốt khác * Sản phẩm samốt cao lanh: dùng cao lanh làm nguyên liệu ban đầu, tăng hàm lượng A12O3 đến 42 - 45% và giảm được tổng số các chất nóng chảy từ 5 - 6% xuống còn 2,5 - 3%. Kĩ thuật sản xuất samốt cao lanh cũng như kĩ thuật sản xuất samôt chỉ khác là nguyên liệu tinh khiết hơn, nhiệt độ nung thành và sản phẩm cao hơn. Tính chất của samốt cao lanh và samốt thường được thể hiện ở bảng 1.3. Bảng 1.3: Tính chất của samot cao lanh và samot thường Nhiệt độ biến Tổng dạng Loại sản Nhiệt độ Độ chịu tạp chất %Al O phẩm 2 3 nung 0C lửa 0C nóng chảy Bắt đầu 40% Sa mốt cao 1450 – 1750 – 40 – 44 2.5 – 3 1500 1650 lanh 1500 1770 Sa mốt đất 1350 – 1710 – 38 – 40 5 – 6 1400 1600 sét 1420 1750 20
Sản phẩm bán axit: sản phẩm bán axit là sản phẩm sản xuất từ đất sát bán axit cao lanh làm gầy bằng vật liệu quắc, chứa Al2O3 + TiO2 không quá 30%. Vật liệu quắc có thể dùng nguyên liệu thiên nhiên hoặc nhân tạo. Tùy theo nguyên liệu sử dụng sẽ có sản phẩm quắc cao lanh hoặc quắc đất sét. Quắc cao lanh có độ chịu lửa không thấp hơn 17100C chứa gần 70% SiO2 (25%Al2O3), độ xốp cao (hơn 25%) và độ bền không cao. Trong sản phẩm bán axít các hạt quắc nhỏ có ảnh hưởng tới đặc tính kết khối của sản phẩm khi nung. Ở nhiệt độ thấp (đến 1200°C) nó làm sản phẩm tả, xốp do sự dãn nở từ βSiO2sang αSiO2 và có thể bắt đầu chuyển thành cristobalit. Ở nhiệt độ cao hơn 1300 - 1350°C sản phẩm kết khối và xít đặc lại. Sự dãn nở của quắc ở nhiệt độ thấp sẽ được bù trừ bằng độ co của đất sét kết khối do đó thể tích ổn định. Nhiệt độ bắt đầu biến dạng cao và thể tích ổn định là hai ưu điểm lớn của sản phẩm bán axít khiến nó được dùng nhiều hơn cả gạch samốt loại C. Gạch bán axít thường xây ở tường lò cốc hoá làm việc ởnhiệt độ thấp. Sản phẩm bán axít với chất làm gày là quắc thiên nhiên dễ kiếm, rẻ hơn samốt, có thể thay thế cho gạch samốt C, phương pháp sản xuất giống như sản xuất gạch samốt C. Phương pháp sản xuất giống như sản xuất gạch samốt chỉ khác ở mức độ làm gầy phối liệu (tốt nhất là cho vào 10 - 20% samốt). c) Tính chất và ứng dụng * Độ chịu lửa: độ chịu lửa của samốt, samốt cao lanh, bán axít dao động trong khoảng 1580 – 1700 tuỳ theo thành phần hoá học và thành phần pha của sản phẩm. Sản phẩm samốt theo độ chịu lửa chia làm bốn loại: - Loại đặc biệt: độ chịu lửa 1750 - 1770oC; - Samốt A: độ chịu lửa không nhỏ hơn 1730°C; - Samốt B: độ chịu lửa không nhỏ hơn 1670°C; - Samốt C: độ chịu lửa không nhỏ hơn 1610°C; * Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng: các nhân tố kĩ thuật ảnh hưởng chủ yếu lên nhiệt độ bắt đầu biến dạng và nhiệt độ biến dạng 40%. Nhân tố nào đảm bảo cấu trúc của vật liệu đặc hơn, bền vững hơn thì sẽ tăng nhiệt độ bắt đầu biến dạng và tăng một ít nhiệt độ biến dạng hoàn toàn 40%. Tăng nhiệt độ biến dạng cũng có thể khi các điều kiện khác như nhau thay phương pháp nén dẻo bằng phương pháp bán khô. Sản phẩm nung ở nhiệt độ dưới nhiệt độ kết khối, đất sét kết dính do còn co phụ nên hạ thấp nhiệt độ nhiệt độ bắt đầu biến dạng. 21
Sản phẩm samốt thường nhiệt độ bắt đầu biến dạng: 1250 - 14000C(độ bền nhiệt ứng với 850°C và làm nguội bằng nước). Độ bền nhiệt độ biến dang 40%: 500 - 16000C Samôt cao lanh, nhiệt độ bắt đầu biến dạng: 1450 - 15500C, kết thúc biến dạng ở 1600 - 16500C Bán axít: nhiệt độ nhiệt độ bắt đầu biến dạngcao hơn một ít so với samốt nhưng nhiệt độ biến dạng hoàn toàn lại thấp hơn samốt (1450 - 15500C). * Ổn định thể tích: gạch, khi samốt dùng lâu trong lò nung nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nung, sẽ làm sản phẩm có độ co phụ. Nếu nhiệt độ nung quá cao, tường gạch samốt sẽ biến dạng, cường độ cơ học của chúng kém đi. Đại lượng co phụ phụ thuộc chủ yếu thành phần phối liệu sản xuất và nhiệt độ nung. Độ co phụ nhỏ nhất của sản phẩm dưới tải trọng khi độ chịu lửa và độ xốp như nhau là sản phẩm từ phôi liệu dẻo co lớn nhất - phối liệu bán khô nhiều samôt,phối liệu samốt thường nén bán khô nằm trung gian . Sản phẩm bán axit khi sử dụng có mức độ co nhỏ hơn so với samốt và có một vài loại lại nở. Đó là ưu điểm lớn của sản phẩm bán axít so với gạch samốt. Muốn có sản phẩm bán axit có thể tích ổn định cần lựa chọn lượng và kích thước hạt quắc trong phối liệu *Độ bền nhiệt: sản phẩm samốt nói chung có độ bền nhiệt cao, đó là loại điển hình cho gạch chịu lửa họ aluminôsilicat. Tuy nhiên độ bền nhiệt của sản phẩm này dao động trong một khoảng lớn tùy thuộc vào thanh phần phối liệu, phương pháp nén, tạo hình, cấu trúc của sản phẩm. Độ bền nhiệt phụ thuộc vào phương pháp sản xuất như sản phẩm tạo hình bằng phương pháp dẻo có độ bền nhiệt 6 - 12, tạo hình bằng phương pháp bán khô: 7 - 50 (đốt nóng đến 13000C làm nguội bằng nước). Nếu tăng hàm lượng samốt lên, độ bền nhiệt tăng. Ví dụ, sản phẩm có tỉ lệ samốt đất sét như sau: Từ 40/606 đến 606/406 độ bền nhiệt: 10 – 15 90/10 độ bền nhiệt 150 (độ bền nhiệt ứng với 8500C và làm nguội bằng nước). Độ bền nhiệt của sản phẩm samốt không còn phụ thuộc vào độ xốp của sản phẩm mà phụ thuộc vào nhiệt độ nung chúng. * Độ bền xỉ: Yếu tố quyết định nhất đến độ bền xỉ của sản phẩm samốt, bán axít là cấu trúc hạt và mật độ của chúng. Sản phẩm có lỗ, khe hở, vết nứt có nguy cơ xỉ thấm vào, ăn mòn nhanh. Ngược lại loại có cấu trúc hạt nhỏ, đặc có độ bền xỉ lớn. Ngoài ra độ bền xỉ còn phụ thuộc vào lượng lỗ xốp có trong sản phẩm. Tất cả những nhân tố kỹ thuật làm giảm độ xốp của sản 22
phẩm đều làm tăng độ bền xỉ của chúng. Thành phần hóa học của sản phẩm khi Al2O3 trong khoảng 30 - 40% không làm ảnh hưởng đến độ bền xỉ. Khi Al2O3> 40% độ bền xỉ tăng. Gạch bán axít có độ bền xỉ cao đối với xỉ axít và kém với xỉ basic. * Tiêu chuẩn gạch samốt và bán axít: tính chất cơ lí của sản phẩm samốt trình bày trong bảng 1-4. Bảng 1.4: Tính chất cơ lý của sản phẩm samot Các chỉ tiêu Loại A Loại B Loại C Độ chịu lửa 0C ≤ 1730 1670 1610 Sức co phụ % ≥ 0.7 0.7 0.7 Ở nhiệt độ 1400 1350 1250 Nhiệt độ B.Đ, 0C ≤ 1300 - - Cường độ chịu nén, N/mm2 ≤ 12.5 12.5 10.0 Độ xốp biểu kiến , % ≥ 30 30 - Tính chất cơ lý của sản phẩm bán axit cho trong bảng 1-5. Bảng 1.5: Tính chất cơ lý của sản phẩm bán axit Các chỉ tiêu Loại A Loại B Loại C Độ chịu lửa 0C ≤ 1710 1670 1610 Co và phụ % ≥ 0.5 0.5 1.0 Ở nhiệt độ 1400 1350 1250 Nhiệt độ B.Đ, 0C ≤ 1400 1300 - Cường độ chịu nén, N/mm2 ≤ 10.0 10.0 10.0 * ứng dụng: samốt có độ bền nhiệt cao, độ chịu lửa đạt yêu cầu, độ bền xỉ lớn nhấ, là nguyên liệu sản xuất dễ kiếm nên nó là loại gạch dùng nhiều nhất về số lượng cũng như phạm vi sử dụng. Trong sản xuất gang samốt dùng để xây lò cao (đáy lò, cổ lò), lò gió nóng, thùng đổ gang. Trong luyện thép samốt dùng để xây một số tường lò làm việc ở nhiệt độ cao lắm và các bộ phận của lò Máctanh. Trong công nghiệp silicát dùng để xây lò nung đồ gốm, đổ sành sứ, lò nấu thuỷ tinh, lò nung xi măng, lò khí hoá, các buồng đốt Ngoài ra samốt còn dùng xây lò luyện cốc, các lò luyện kim màu, nồi hơi 23
Theo thành phần hoá học samốt là loại sản phẩm trung tính và kiềm yếu do đó cho phép ta dùng xây lò tiếp xúc với xỉ axít hoặc xỉ bazơ. Thực tế, samốt chống sự tác dụng của xỉ axít rất tốt, nhưng chống sự tác dụng của bazơ kém hơn. Gạch samốt A, dùng ở chỗ tiếp xúc trực tiếp với kim loại, xỉ, thủy tinh chảy lỏng, khi cần độ thẩm khí nhỏ như những dãy đầu của lò cao, thùng đúc thép, lò quay, lò khí hoá, hàng chân của vòm lò, tường tháp chưng luyện và lò múp. Gạch samốt B, có thể dùng khi lò tiếp xúc trực tiếp với kim loại, xỉ, thủy tinh chảy lỏng, những bộ phận tường lò không làm việc ví dụ: dãy thứ hai, thứ ba của lò cao, lò đứng, lồ khí hoá, buồng đốt than củi Gạch smốt C, dùng trong các bộ phận không quan trọng của lò nung đồ gốm, tường ống khói Bảo quản sản phẩm samốt cần giữ khỏi bị ẩm gạch vì khi độ ẩm lớn, cường độ viên gạch bị hạ thấp nhiều. 2. Sản phẩm cao alumin Cao alumin là loai sản phẩm chịu lửa có hàm lương Al2O3+ TiO2 lớn hơn 45%. Vật liệu chịu lửa cao alumin có chất lượng cao, đáp ứng được yêu cầu tăng cường quá trinh nhiệt trong các lò, đảm bảo độ bền, chịu tải trọng cơ học và chịu tác dụng của môi trường khí ở nhiệt độ cao , đã được sử dụng trong cả những điều kiện làm việc rất nặng nề mà samốt không thể chịu đựng nổi. Tùy hàm lượng ôxyt nhôm có trong sản phẩm và người ta chia cao alumin ra 3 loại: - Loại A: từ 45 - 50% AL2O3; - Loại B: từ 60 - 75% A12O3; - Loại C: > 75% A12O3. Hàm lượng ôxyt nhôm không chỉ là chỉ tiêu để phân loại sản phẩm mà còn quyết định những tính chất cơ bản của sản phẩm cao alumin cũng như qua đó lựa chọn nguyên liệu và kĩ thuật thích hợp. 1.3.3 Vật liệu chịu lửa manhêdi Vật liệu chịu lửa manhêdi là loại vật liệu chịu lửa kiềm tính điển hình, chứa khoáng periklaz (MgO) thường từ 80 - 85%. Độ chịu lửa của chúng cao hon 20000C (nhiệt độ nóng chảy của MgO nguyên chất 28000C), có độ bền lớn đối với tác dụng của xỉ bazo (ngay ở 16000C xỉ bazo, kim loại nóng chảy 24
cũng không có tác dụng với nó). Vật liệu manhêđi có hai loại, loại bột và loại viên. Loại viên để xây tường lò tiếp xúc với xỉ bazo nóng chảy và các cốc đổ thép. Loại bột để đặp nền lò luyện kim, làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm chứa manhêdi như gạch đôlômi, forstenit 1.3.4.Vật liệu chịu lửa Forstenit Forstenit là loại sản phẩm chủ yếu chứa khoáng forstenit 2MgO.SiO2 (đến 85%) và manhêdi ferit MgO. Fe2O3 (đến 15%). Nguyên liệu để sản xuất gạch forsteni là manhêdi kết khối với các khoáng chứa silicat manhêdi như: ôlivin [(Mg, Fe)2SiO4 + tạp chất], serpentin [3(Mg, Fe)O. 4SiO2. H2O + tạp chất)]. Các tạp chất có hại trong nguyên liệu là CaO và A12O3. Ứng dụngcủa gạch forstenit: Gạch forstenit chủ yếu dùng làm đệm buồng hồi nhiệt của lò Máctanh thay cho đinat và samôt. Gạch này làm đệm cho cả hai buồng: buồng đốt nóng không khí và buồng đốt nóng nhiên liệu khí. Gạch I forstenit chống lại tác dụng của bụi xỉ nóng chảy rất tốt nên có thể tăng nhiệt độ đốt nóng đệm đến 1350 - 14000C do đó tăng đươc nhiệt độ lò, năng suất lò tăng. Gạch forstenit có độ bền đối với xỉ bazơ rất cao nên có thể thay thế gạch manhêdi, đặc biệt trong điều kiện tác dụng với xỉ sắt. Gạch forstenit còn dùng xây lò Máctanh, lò luyện kim màu, lò phản xạ nấu đồng. Gạch forstenit dùng rất tốt để xây vùng nung lò quay ximăng và lò nung manhêdi. Gạch forstenit ở nhiệt độ cao hơn 15000C không thể tiếp xúc với gạch samốt hay đinát được do chúng tạo thành hợp chất dễ nóng chảy. 1.3.5. Vật liệu chịu lửa nhóm spinen Vật liệu chịu lửa họ spinen gồm crômit, crôm-manhêdi và spinen. Đó là loại vật liệu chịu lửa chủ yếu chứa các dạng khoáng spinen khác nhau. Spinen là nhóm hợp chất có công thức chung R2+O. R23+O, trong đó R2+ có thể là Mg, Fe, Zn, Mn, co, Ni, còn R3+ là Fe, Al, Cr, Mn. Ví dụ: Khoáng manheđi spinen MgO. Al2O3, manhêdi pherit MgO. Fe2O3, phericrômit FeO.CR2O3 1. Vật liệu chịụ lửa crômit Nguyên liệu chủ yếu là quặng crômit. Crômit là quặng mà thành phần khoáng là (Fe, Mg)O. (Cr2, Al2)O3 chiếm khoảng 80%. Phụ gia là manhêdi bazơ (9%) và quặng đunit (6%). Trong crômit có lẫn serpentin là khoảng không chịu lửa cho nên phải có MgO để tạo ra forstenit chịu lửa cao. Để tăng lượng forstenit cần phải thêm quặng đunit. 25
Lượng MgO cho vào cũng nhằm biến Fe2O3 thành manhêdi ferit chịu lửa. Đunit, manhêdi bazơ, crômit được nghiền mịn và trộn đều theo tỉ lệ hạt nhất định. Để tăng tính liên kết của phối liệu thêm 0,5% keo SBB. Áp suất tạo hình 60 N/mm2, nhiệt độ nung gạch crômit 1450 - 15500C. Duy trì nung ở nhiệt độ cực đại 6 giờ, thời gian nung tổng cộng 100 - 120 giờ, Tính chất của sản phẩm crômit: Cường độ nén, N/mm2: 30 - 70; Độ xốp biểu kiến, %: 16 - 19; Khối lượng thể tích, g/cm3: 3,0 - 3,1; Độ chịu lửa, 0C: 1900; Nhiệt độ B.Đ, 0C: 1570 - 1650; Nhiệt độ phá huỷ, 0C: 1600 - 1690; Độ bền nhiệt, lần: 94 - 16 (làm nguội bằng không khí); Hệ số nở dài đến 15000C, 1/độ: 1,0. 10-5; Co phụ ở 17000C trong một giờ, %: 1. Gạch crômit là gạch trung tính, nó có thể tiếp xúc với gạch axit và bazơ ngay ở 17000C mà không tác dụng nào đáng kể. Vì vậy gạch crômit để xây lớp ngăn cách giữa hai loại vật liệu trên. Tuy nhiên nó không tiếp xúc được với gạch samốt vì độ chịu lửa của hỗn hợp crômit với cao lanh sẽ bị hạ hấp. Ngoài ra gạch crômit có thể dùng xây lò đốt nóng ở đó đòi hỏi độ bền xỉ cao. 2. Vật liệu chịu lửacrôm-manhêdi Gạch crôm-manhêdi sản xuất từ quặng crômit và manhêdi kết khối loại tốt với tỉ lệ tốt nhất giữa crômit và manhêdi là 30/70 (đối với gạch crôm-manhêdi bền nhiệt) và 65/35 (đối với gạch có nhiệt độ biến dạng cao). Toàn bộ phối liệu được nghiền nhỏ rồi trộn theo một tỉ lệ xác định, với thành phần hạt nhất đinh. Độ ẩm của phối liệu 3 -3,5%. Để tăng độ liên kết cần thêm 1,2 - 1,5% keo SSB. Tạo hình dưới áp suất từ 80 - 100 N/mm2. Sấy sản phẩm trong lò Tuynen ở nhiệt độ 1400C(nhiệt độ vào của tác nhân sấy) trong thời gian 30 giờ, đến độ ẩm cuối cùng 0,4%. Nung sản phẩm trong lò Tuynen, nhiệt độ nung cực đại không nhỏ hơn 15000C. Trong quá trình nung sẽ có phản ứng giữa MgO với Crômit và tạp chất trong crômit 26
thành hợp chất chịu lửa. Nhằm giảm sự tăng thể tích, khi nung sản phẩm crôm-manhêdi phải nung trong môi trường ôxyhoá. Tính chất cơ bản của gạch crôm-manhêdi là thể tích ổn định ở nhiệt đô cao. Cường độ nén 20 - 40 N/mm2, khối lượng thể tích 2,85 g/cm3, độ xốp 23,3%, nhiệt độ B.Đ: 1450 - 15200C, nhiệt độ phá hủy: 1480 - 15500C, độ bền nhiệt 7 - 8 lần (làm nguội bằng nước) % MgO: 54,9; % Cr2O3:17,2; % Fe2O3: 13,5. Độ chịu lửa >2000. Gạch crôm-manhêdi dùng rộng rãi để xây vòm lò Mác tanh (nơi chịu dao động nhiệt độ nhiều), xây tường lò Máctanh (nơi không tiếp xúc với thép lỏng), xây lò điện nấu thép, lò nấu đồng, xây vùng nung lò quay nung ximăng rất tốt Gạch Crôm-manhêdi bền nhiệt dùng để lót vòm lồ Máctanh. Độ chịu lửa 23400C, độ bền nhiệt ≥ 25 lần (làm nguội bằng nước), nhiệt độ B.Đ: ≥ 15000C, độ xốp ≤ 25%, % Cr2O3 < 8; % MgO ≥ 5,7. Độ dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng. Vòm,lò xây bằng gạch crôm - manhêhi tăng được nhiệt độ trong lò làm tăng năng suất lò, tiết kiệm vật liệu chịu lửa và nhiên liệu. 3.Vật liệu chịu lửa spinen Vật liệu chịu lửa spinen là loại vật liệu chủ yếu là khoáng spinen MgO.Al2O3 khoảng 85%. Spinen trong thiên nhiên không gặp nhiều vì vậy nguyên liệu để sản xuất gạch spinen là manhêdi bazơ với ôxyt nhôm kĩ thuật theo tỉ lệ khối lượng 30/60 hoặc với bốc xít thì tỉ lê là 50/50. SƠ ĐỒ SẢN XUẤT GẠCH SPINEN Ôxyt nhôm kỹ thuật Manhêdibazơ Crômit Nghiền mịn Nghi ền mịn Nghiền mịn Trộn, làm ẩm Nén viên thô Dung dịch MgCl2 Nung 1650oC Đập, nghiền, sàng Trộn phối liệu Nén Sấy o Nung 1650 C S ản phẩm 27
Như vậy để sản xuất gạch spinen trước tiên phải sản xuất samốt hoặc clanhke spinen vì phối liệu khi nung co đến 20 - 24%. Các nguyên liệu trên được nghiền mịn, rồi trộn đều và làm ẩm đến 4% bằng dung dịch MgCl2 nồng độ 5%. Gạch spinen được nén dưới áp suất 50 - 60 N/mm2. Nung sản phẩm ở 1650°C trong 110 giờ. Thời gian làm nguội cũng 110 giờ. Tính chất của gạch spinen cho trong bảng 1-8. Bảng 1.8: Tính chất gạch Spinen Nhiệt độ biến Khối Cường Độ dạng 0C Loại lượng Độ bền % % độ nén xốp gạch riêng nhiệt Al O MgO N/mm2 % 2 3 g/cm3 Bắt Phá đầu hủy Spinen kết khối Từ oxyt 2.65- 17- 1600- 1600- 30-40 > 50 65.4 26.7 nhôm 2.95 25 1650 1650 (KK) Từ bốc 18- 1510- 1570- 4-5 80-120 ≈ 3 39.4 31.2 xít 22 550 640 (nước) độ chịu lửa > 1900 Sản phẩm spinen bền vững với xỉ lò Máctanh, xỉ lò nấu thép. Ở 16000Cnó không tác dụng với gạch manhêdi và corun trên bề mặt. Với sản phẩm samốt ở 16000Cspinen tác dụng rất mạnh, đặc biệt cũng ở nhiệt độ này khi tiếp xúc với đinát. Spinen bị phá huỷ nhanh bởi sắt, quạng sắt và pherômangan. Khi đó ôxyt sắt Fe2O3 hấp thụ vào trong gạch làm gạch bở và giòn, cuối cùng bị phá huỷ. 1.3.6. Vật liệu chịu lửa đôlômi Vật liệu đôlômi sản xuất từ đá đôlômít với thành phần khoáng chính là periklaz (MgO), ôxyt canxi và một số khoáng khác như: 3CaO. SiO2; 2CaO. SiO2; 4CaO. Al2O3. FeA; 3CaO. Al2O3 và 2CaO. Fe2O3 Sản phẩm đôlômi có hai loại: loại chứa vôi tự do và loại không chứa vôi tự do, chúng được sản xuất dưới dạng gạch và dạng bột. 1. Đôlômi luyện kim - Loại không nung hay đôlômít sống. - Loại nung hay đôlômít kết khối hay clanhke đôlômi. 28
a) Đôlômi luỵên kim không nung: quặng đôlômit là quặng kép của cácbônát manhê và cácbônát canxi CaMg(CO3)2, được đập nhỏ đến cỡ hạt 5 - 20mm, trong đó hạt nhỏ nhỏ hơn 5mm không quá 5%. Đôlômi luyện kim không nung có hai loại như sau: Thành phần % Loại 1 Loại 2 MgO ≥ 19 17 SiO2 ≤ 3,5 6 Ôxyi R2O3 4 3 Công dụng: chủ yếu được dùng để rải ở cửa nạp nguyên liệu của lò Máctanh và dùng để sửa chữa tường sau của lò. b) Đôlômi luyện kim nung: được sản xuất bằng cách nung đôlômít đến nhiệt độ cao thành đôlômi kết khối hay clanhke đôlômi, sau đó đem đập nhỏ đến kích thước hạt yêu cầu. Để đôlômi kết khối hoàn toàn phải nung ở 1600 - 1700°C hoặc cao hơn. Sau khi nung xong đôlômi kết khối, nghiền nhỏ đến cỡ hạt 2- 20mm, 2 - 12mm và 12 - 20mm Đôlômikết khối cần thỏa mãn các yêu cầu sau: Các chỉ tiêu Loại 1 Loại 2 % MgO ≥ 32,5 29 % SiO2 ≤ 8,5 11 % R2O3 ≤ 8 10 Công dụng: đôlômi luyện kim nung được sử dụng để hàn vá lò nấu thép (lò Máctanh, lò điện) và để sản xuất gạch đôlômi chứa vôi tự do hoặc đầm tường lò chuyên nấu thép. 2. Gạch đôlômi a) Gạch đôlômi ổn định (hay bên nước): là loại gạch trong đó tất cả ôxyt canxi của đôlômit liên kết hoàn toàn thành silicatđicanxi hoặc silicattricanxi. Trong phối liệu để sản xuất clanhke đôlômi ổn định ngoài đôlômit ra còn có SiO2 dưới dạng quắczit hoặc Serpentin để nó liên kết CaO tự do thành silicat canxi và để ổn định các silicat caxni này người ta cho thêm P2O5 dưới dạng phốt phát vào. Từ clanhke đôlômi phối liệu được chuẩn bị theo cỡ hạt và thành phần nhất định rồi được tạo hình ở áp suất 50 - 60N/mm2, sấy ở 90 - 1800C trong 12 - 15 giờ từ độ ẩm 4% xuống còn 0,8%. Nung gạch 29
đôlômi ở nhiệt độ 1450- 16000C trong lò Tuynen. Sơ đồ sản xuất gạch đôlômi như sau: b) Gạch đôlômi chứa vôi tự do: gạch có chứa CaO tự do có ý nghĩa thực tế rất lớn, để chế tạo sản phẩm ở nhiệt độ cao. Trong sản phẩm này chỉ có một phần CaO liên kết với SiO2 thành silicat còn một phần nằm ởtrạng thái tự do. Vì có CaO tự do nên nó không bền nước vì vậy khi trộn phối liệu không dùng nước mà dùng dầu khí cốc hoá than là dầu antracen, nhựa đường hoặc bitum dầu hoả. Tỉ lệ dầu cốc trong phối liệu là 5%. Thành phần dầu: 60 - 70% nhựa đường, 30 - 40% antracen. Chuẩn bị phối liệu như sau: dầu kết dính hâm nóng đến 1100C, đôlômi kết khối sấy nóng đến 45 - 500Crồi trộn nóng với nhau trong máy trộn có bao nước nóng xung quanh, sau đó ép thành viên dưới áp suất 100N/mm2. Nung sản phẩm ở 1550 - 16000C. Để tránh hydrat hoá, sản phẩm làm nguội đến nhiệt độ còn nóng được nhúng vào trong dầu cốc tạo màng bảo vệ gạch. Công dụng: bột đôlômi kết khối có chứa vôi tự do dùng để vá đáy lò máctanh, đặc biệt để sửa tường dốc của lò Máctanh, lò điện nấu thép theo quá trình bazơ, để rải cửa lò Máctanh. Gạch và khối đôlômi nung của cả hai loại dùng để xây tường và phía dưới các nền lò nói trên, cũng như để xây lò nấu gang, nấu đồng. Các phối liệu đầm chứa đôlômi luyện kim để đầm đáy và tường lò chuyển tô mát, tường lò đứng, đáy và tường dốc lò Máctanh. Người ta cũng có thể dùng loại sản phẩm manhêdi - đôlômi không nung gổm: 68 - 72% đôlômi, 28 - 32% bột manhêdi; 4,5 - 5,5% nhựa đường than đá; 0,8 - 1,2% dầu antracen (C4H10), nén dưới áp súất 95 - 105 N/mm2,để lót lò chuyển nấu thép ở nhiệt độ 1600 - 17000C rất tốt. 1.3.7. Vật liệu chịu lửa sản xuất theo phương pháp nấu chảy Một số vật liệu gốm oxyt chịu lửa được chế tạo không theo phương pháp thiêu kết thông thường mà bằng phương pháp nấu chảy phối liệu trong lò điện hồ quang rồi đúc rót trong khuôn. Vật liệu thu được có tổ chức của gốm thô, độ sít chặt cao và với tỷ lệ pha vô định hình từ 1 đến 25%. Ngoài ra trong tổ chức thường có các rỗ khí tương đối lớn, phân bố không đều. Vật liệu chịu lửa chế tạo theo phương pháp nấu chảy gồm có: - corindong: 92-98%Al2O3 - coridong-mulit: 80%Al2O3 + 20%SiO2 - batđêlêit-coridong: 10-45%ZrO2 + 42-54%Al2O3 + 10-20%SiO2 - beta nhôm oxyt: β-Al2O3(Na2O.12Al2O3) 30
- crom oxyt-corindong: 60-80%Al2O3 + 10-30%Cr2O3 - magnesia: MgO Vật liệu SiO2 nấu chảy cũng là một loại vật liệu chịu lửa quan trọng nhưng do có cấu trúc vô định hình nên đã trình bày ở trên. Đó là một loại thủy tinh thạch anh không trong suốt. Các tính chất nổi bật của loại vật liệu chịu lửa sản xuất theo phương pháp nấu chảy là độ chịu lửa cao, độ bền cơ học cao (hơn 100MPa) và đặc biệt là độ bền chống ăn mòn, xâm thực cao. Chúng được sử dụng phổ biến để xây bề chứa lò nấu thủy tinh và nấu các chất nóng chảy khác. Tính chất của một số vật liệu vô cơ đúc nóng chảy được trình bày ở bảng sau: Bảng 1.9: Tính chất của một số vật liệu vô cơ đúc nóng chảy Thứ batđêlêit- crom oxyt- STT Tính chất Cotindong β-Al O nguyên 2 3 coridong corindong Khối 1 lượng g/cm3 2.8-3.0 2.8-3.0 3.7-4.0 3.4-3.8 riêng 2 Độ xốp % 5-15 15-18 1-15 4-6 Điện trở 3 suất ở Ωcm 103 103/2 107/2 - 10000C Nhiệt độ biến dạng 1950- 4 0C 1700 - - 0.6% với 2020 tải trọng 0.2MPa 1.3.8. Vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit và silic cacbit Các sản phẩm chịu lửa thuộc nhóm này là những loại vật liệu mà trong thành phần có chứa các bon. Loại gạch chịu lửa nhóm này gặp ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao sẽ bị ôxy hoá nhanh và cháy hoàn toàn (như gạch cácbon) hoặc ôxy hoá chậm (như gach cácborun). Đồng thời còn có loại gạch chịu lửa nằm trung gian giữa các loại trên như loại samốt - cácborm, samốt- graphit. 31
1. Gạch chịu lửa cacbon Gạch chịu lửa cácbon sản xuất từ các nguồn nguyên liệu chứa cácbon nguyên chất nếu trong thành phần của nó hoàn toàn chỉ gồm cácbon và một lượng tạp chất nhò - Gạch các bon được chia làm ba loại: - Gạch cácbon từ sản phẩm cốc hoá (gạch cốc hoá); - Sản phẩm từ graphít nhân tạo (gạch graphít hoá); - Sản phẩm từ graphít thiên nhiên (gạch gaphit). a) gạch cacsbon từ sản phẩm cốc hóa Nguyên liệu: thường dùng cốc than đá hoặc antraxit nhiệt phân và nhựa than đá. Sản phẩm nhiệt phân antraxit và cốc đóng vai trò chất làm gầy còn nhựa than đá là chất liên kết. Nhưa than đá có tính dẻo, dính, liên kết tốt các hạt vật liệu gầy và kết khối tốt gạch chịu lửa khi nung. Nếu mật độ của sản phẩm thấp thì phụ thêm vào phối liệu graphit Thành phần của antraxit nhiệt phân và cốc yêu cầu: - Hàm lượng tro không lớn hơn 5 - 12%; - Hàm lượng lưu huỳnh không lớn hơn 1-5%. Than cốc được nghiền nhỏ đến cỡ hạt không lớn hơn 0,2mm còn antxit nhiệt phân đến 5 - 10mm. Phối liệu được trộn trong các máy được đốt nóng bằng hơi nước quá nhiệt và được đem tạo hình ở nhiệt độ 90 - 1000C dưới áp suất yêu cầu khoảng 30N/mm2. Sản phẩm được nung trong lò gián đoạn hay lò buồng dùng nhiên liệu khí có bao nung bằng samốt. Các bao nung được chít kín để tránh không khí xâm nhập, nếu để hở sản phẩm sẽ bị rỗ xốp và bị cháy một phần. Đối với các sản phẩm lớn, khi nung phải bố trí các lớp đệm bằng cácbon và tốt nhất là nung trong môi trường khử mạnh. Nhiệt độ nung phụ thuộc vào mức độ graphit hoá than cốc và thường dao động từ 1100 - 11500C, thời gian lưu ở nhiệt độ cực đại 20 - 30 giờ. Sản phẩm mộc được nung theo chế độ nâng nhiệt như sau: nhiệt độ 8000C: 15 - 20%/h; Thời gian nung tuỳ thuộc từng loại sản phẩm và dao động từ 15 - 30 ngày. 32
Sản phẩm được làm nguội cùng với lò đến 40 - 600C thì có thể bắt đầu dỡ sản phẩm. Sản phẩm cốc hóa chứa 85 - 92% cacsbon và nhỏ hơn 10% lưu huỳnh, hoàn toàn không bị nóng chảy và biến dạng ở nhiệt độ rất cao. Sản phẩm này có cường độ cơ học kém, dễ gia công, tính chất của nó cho trong bảng 1.10. Bảng 1.10: Tính chất của sản phẩm cốc hóa và Graphit hóa Sản phẩm Tính chất Cốc hoá Graphit hoá Hàm lượng các bon, % >85 99 Mât đô biểu kiến, g/cm3 1,55-1.65 1,45-1,7 Đô xốp biểu kiến, % 15-20 15-30 Giới han bền khi nén, N/mm2 12-50 15-45 Hệ số dãn nở nhiệt (0°- 900°C). 10-6, 1/độ 5,0-5,8 2,6 Hệ sô' dẫn nhiệt (W/mK) - ở 200C 0,014 0,359 - ở 5000C 0,0185 0,232 - ở15000C 0,023 0,058 Điện trở riêng 104, Ωcm 46-60 10-25 Nhiệt độ bắt đầu ôxy hoá, 0C - trong không khí 375 450 - trong hơi nước 650 700 - trong khí CO2 750 900 b) Sản phẩm graphit hoá: nguyên liêu để sản xuất sản phẩm graphit hóa là cốc dầu mỏ có độ tinh khiết cao. Cốc này được tạo thành khi cốc hoá cặn dầu mỏ từ quá trình crắc kinh dầu mỏ. Chất liên kết là cặn Pek của nhựa 33
than đá hoặc các chất liên kết tổng hợp như nhựa phênol phoócmal đêhyt hay rượu Phurinốp. Thành phẫn phối liệu là 75% cốc lầu mỏ và 25% chất liên kết. Trước khi chuẩn bị phối liệu, cốc dầu mỏ lược nung ở1200 - 13500C để tách ẩm và chất bốc. Quá trình graphit hoá được thực hiện trong lò điện trở một pha (về nguyên tắc tương tự như lò điện criptôn) ở nhiệt độ gần 25000C trong môi trường khử. Sản phẩm graphít hoá khác hẳn về tính chất so với sản phẩm cốc hoá (xem bảng 1-10). Nó*có độ đẫn điện, đẫn nhiệt lớn và dễ dàng gia công cơ học. Quá trình graphit hoá làm tăng độ tinh khiết của vật liệu cácbon vì trong quá trình đó phần lớn các tạp chất đều đã bị bay hơi. c) Sản phẩm graphit: sản phẩm graphit được sản xuất từ nguyên liệu là graphit thiên nhiên, chứa từ 5 - 30% tro. Graphit được làm giàu bằng phương pháp tuyển nổi, sau đó được tinh luyện nhiệt, điện tương tự như quá trình hoá nói trên - Các ôxyt kim loại được khử thành các bít rồi chúng tiếp tục bị phân huỷ hoặc bị bay hơi khi nâng cao nhiệt độ của lò. Do phải khử một lượng tro như vậy nên phải tiêu tốn một lượng lớn cácbon của graphit nguyên liệu và hiệu suất tạo sản phẩm nhỏ (60 - 70%). Vì vậy người ta ít dùng graphit thiên nhiên để sản xuất gạch chịu lửa cácbon. d) Tính chất và ứng dụng: gạch chịu lửa cácbon được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Do trị số môđun đàn hổi nhỏ, hệ số dãn nở nhiệt độ, độ dẫn nhiệt cao nên độ bền nhiệt của vật liệu cao và ít có khả năng bị nứt vỡ khi sử dụng. Khi nâng cao nhiệt độ, độ bền cơ học của vật liệu chịu lửa cácbon tăng (trong khoảng nhiệt độ nhỏ hơn 24000C và gạch cácbon không bị thấm ướt bằng xỉ lỏng luyện kim dù thành phần xỉ như thế nào, do đó gạch cácbon không bị phá hủy do sự xâm thực hay ăn mòn của xỉ khi phục vụ. Đó là một đặc tính rất quý. Đáy và tường lò cao khi xây bằng gạch cácbon có thể sử dụng hơn 7 - 8 năm, nhưng do độ dẫn nhiệt của gạch lớn nên cần có thiết bị làm nguội đáy và vỏ lò. Gạch các bon còn sử dụng rộng rãi trong luyện kim màu. Ngoài điện cực dùng trong công nghiệp luyện nhôm nó còn dùng để lót trong lò điện, lò nấu chì, antimoan và các kim loại màu khác, nó cũng dùng để lót lò sản xuất cácbuacanxi, ferôsilic (FeSi3) và các hợp kim ferô khác. 2. Sản phẩm samốt-graphit Sản phẩm samốt-graphit là loại vật liệu sản xuất từ đất sét chịu lửa dẻo và graphit có phụ gia samốt hoặc không có. Dùng graphit để sản xuất vật liệu chịu lửa nhờ những tính chất: - Độ dẫn nhiệt lớn, ở nhiệt độ thường gấp 3 - 5 lần so với samốt; - Hệ số nở dài nhỏ; 34
- Graphit không bị xỉ thấm ướt do đó độ bền xỉ cao; - Có graphit độ dẻo của phối liệu tăng; - Nhiệt độ nóng chảy của graphit cao 3850 ± 500C; - Graphit cháy được đó là nhược điểm của chúng, nhưng quá trình cháy chậm. Nếu có đất sét thì đất này làm thành một màng bảo vệ ngăn ngừa quá trình cháy chúng. Sản phẩm samốt-graphít dùng làm nồi nấu các kim loại màu vì chúng có độ dẫn nhiệt, độ bền nhiệt cao, cũng như dùng làm nồi chưng nấu thép, các nút và cốc, làm thùng rót đúc. Các sản phẩm này nhờ có graphít nên chúng có độ dẫn nhiệt độ bền lớn, hệ số nở dài nhỏ, trong môi trường khử độ chịu lửa của nó cao vì thế tăng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng. a) Nồi nấu: để làm các nồi nấu kim loại người ta dùng đất sét, samốt và graphit. Graphit làm nồi nấu phải chịu đựng ôxyhóa và cháy mạnh hơn các nút nên hay loại graphit tinh thể co dãn được ở dạng vẩy thường được dùng vì nó có cường độ cháy kém. Độ thẩm khí của nồi rất nhỏ. Đất sét chịu lửa cần có độ dẻo cao, kết khối thấp và phải được nghiền mịn (0,5mm). Samốt phải dùng loại chịu lửa cao, đặc, không co và thật mịn (< 0,5mm). Phối liệu tốt nhất là 20- 30% graphit. Nếu chứa quá nhiều graphit sẽ dẫn tới nhiều cácbon lẫn vào thép, nếu quá ít graphit thì độ dẫn nhiệt của thành nồi nấu nhỏ, do đó làm chậm quá trình nấu thép. Phối liêu để sản xuất nồi nấu cần trộn kỹ, làm ẩm rồi ủ khoảng 15 - 20 ngày, sau đó lại trộn kỹ rồi đóng khuôn. Nồi nấu cần phải sấy rất chậm. Độ ẩm sau khi sấy không quá 2 - 3%. Nung nồi nấu: tốc độ nâng nhiệt đến 5000C là 15- 200C/h, đến 10000C là 40 - 500C/h. Thời hạn sử dụng của nồi phụ thuộc vào chất lượng của chúng cũng như vào loại thép nấu chảy và dao động từ 5 - 80 mẻ. Trong quá trình dùng nồi bị ăn mòn do thép và xỉ, đặc biệt nếu xỉ chứa MnO. Nồi nấu samốt - khi cùng chịu tác dụng của xỉ bazơ nồi graphit bền hơn so với nồi nấu samốt nhiều và loại nồi này ngăn ngừa được ảnh hưởng có hại của ôxy trong không khí ngấm qua tường nồi nấu vào kim loại vì những ôxy ngấm vào sẽ tác dụng với graphit. Để ngăn ngừa nồi nấu samốt-graphit bị cháy nhanh, cần phủ lên nồi một lớp vữa đặc biệt là hỗn hợp bột quặng ziếccôn nung ở 15000C và 10% đất sét chịu lửa. Hỗn hợp bột đó nhào với thuỷ tinh lỏng, nồi samốt-graphit dễ bị hút ẩm do đó cần chú ý khi bảo quản và sử dụng. b) Nút và cốc: các nút samốt-graphit có độ bền cao hơn nhiều so với 35
nút samốt thường. Chúng có độ bền nhiệt, bền hoá học cao, đặc biệt quan trọng khi đúc thép có chứa nhiều ôxyt mangan. Nguyên liệu để sản xuất nút và cốc này là đất sét chịu lửa samốt và graphit. Phối liệu chuẩn bị cẩn thận như làm nồi nấu. Các nút và cốc samốt-graphit phải thoả mãn các yêu cầu sau: %C ≤ 20, độ chịu lửa ≤ 17300C, độ xốp biểu kiến ≤ 23% (với nút) và 21% (với cốc); khối lượng thể tích 1,8 - 1,9 g/cm3, sức co phụ ở 13500C là 0,3 - 0,7%. 3. Sản phẩm samôt thấm than Gạch chịu lửa thấm than này có thể làm theo hai phương pháp - Thấm ướt sản phẩm samốt bằng nhựa hay nhựa đường than đá sau đó gia công nhiệt; - Gia công nhiệt sản phẩm samốt trong dòng khí chứa ôxyt cácbon và cácbua hiđro (như khí lò cốc hoá). Quá trình thấm cácbon có thể tiến hành trong bể đốt nóng đều đặc biệt. Gạch samốt được đặt trong vỏ thép và nhúng vào bể chứa nhựa đường nóng chảy, phần lớn bề mặt của nó được tiếp xúc với nhựa. Nhiệt độ của nhựa lúc nhúng gạch vào là 2000C, sau khi nhúng gạch vào, tăng nhiệt độ đến 3000C (nhiệt độ sôi của nhựa) và duy trì ở đó đến lúc thấm ướt hoàn toàn. Thời gian thấm 24 giờ. Gạch sau khi thấm nhựa xong tiếp tục được gia công nhiệt theo chế đô sau: nâng đến 700°C trong 24 giờ, duy trì ở 700°C trong 8 giờ sau đó làm nguội đến 1000C thì lấy sản phẩm ra. Đặc tính của gạch samốt thường và gạch samốt thấm than cho trong bảng 1.11. Bảng 1.11: Đặc tính gạch samot thường và samot thấm than Độ Nhiêt Cường Độ Hàm lượng, % Độ xốp độ độ chịu Loại gạch bền biểu biến nén, lửa nhiệt kiến dạng N/mm2 °C % °C Chất C bốc Al2O3 Fe2O3 36
không thấm than 14 50,1 15,4 1730 1410 42,02 1,30 4,69 2,45 Thấm 41 77,5 6,1 1730 1460 41,39 1 33 than Gạch thấm than dùng trong thùng rót dung tích 36 tấn được 36 - 41 mẻ trong khi gạch không thấm cácbon chỉ dùng được 14 mẻ. Phương pháp thứ hai: gạch chịu lửa thấm than bằng cách gia công nhiệt trong dòng khí chứa CO và cácbua hiđrô trong 15 - 20 giờ, ở nhiệt độ 11500C. Khi đó trên thành lỗ của gạch là các hạt cácbon ở dạng graphit, còn khoảng không của lỗ lấp đầy cácbon vô định hình. 4. Gạch chịu lửa cacborun (SiC) Gạch cácborun là loại gạch chịu lửa có chứa cácbua silic SiC với hàm lượng từ 20 - 99% còn lại là chất kết dính vô cơ hoặc hữu cơ. a) Sản xuất cácborun: cácborun sản xuất từ hỗn hợp cát quắc sạch (> 98% SiO2) và than cốc giàu cácbon nghiền mịn, đem nung trong lò điện trở ở nhiệt độ 2000 - 22000C trong khoảng 26 - 36 giờ. Phản ứng tạo thành cácborun tiến hành theo hai pha: Si02 + 2C = Si (hơi) + 2CO Si (hơi) + C = SiC Hoặc: SiO2 + C = SiO +CO SiO +C = Si(hơi) + CO Si (hơi) +C = SiC Quắc và cácbon bát đầu phản ứng ở gần 10000C, đến 1600 - 16500C tạo thành cácborun vô định hình. Nâng nhiệt độ đến 1900 - 20000C nhận được cácborun tinh thể. Tuy nhiên nếu nâng đến 23000C thì SiC bị phá huỷ theo phản ứng SiC = Si + C. , Thành phần khối lượng của phối liệu dao động trong khoảng sau (%): - Cát quắc, quắtzit: 44,5 - 59; - Than angtraxit ít tro, cốc: 34 - 44; - Mùncưa: 3 - 11; - Muối ăn: 0,8. Mùn cưa trong phối liệu làm cho sản phẩm có độ xốp cần thiết, xúc tiến 37
tạo khí trong phối liệu đặc biệt là CO. Muối ăn cho vào để loại trừ tạp chất như sắt, nhôm bằng cách tạo ra A1Cl3 và FeCl3bay đi. b) Sản phẩn cácborun: sản phẩm chịu lửa cácborun được sản xuất trên cơ sở các chất liên kết khác nhau hoặc tổng hợp trực tiếp trong quá trình gia công nhiệt như: gạch chịu lửa cácbonrun trên cơ sở liên kết: Alumôsilicat, SiO2, nitrit, ôxynitric (còn gọi là sản phẩm tự liên kết) hoặc liên kết hợp nhiều hợp chất chứa sillic như SiỌ2, SiC, Si,N4,Si2ON2 Sản phẩm SiC liên kết alumôsilicat: đất sét dùng ở dạng hồ với số lượng 3 - 20%. Trong phối liệu có thêm phụ gia keo SSB. Sản phẩm được tạo hình bằng cách đập, ép và được nung ở nhiệt độ 1350 - 14850C. Sản phẩm SiC liên kết bằng SiO2: được sản xuất từ phối liệu chỉ chứa SiC với thành phần hạt xác định, chất hoá dẻo là keo SSB. Sản phẩm được nung ở 1350 - 14000C trong điều kiện tiếp xúc tốt với môi trường nung. Khi đó SiC bị ôxy hoá tạo SiO2 có khả năng liên kết các hạt SiC lại với nhau. SiO2 vừa liên kết các hạt SiC đồng thời lấp đầy các lỗ trong sản phẩm, tự nâng cao mật độ sản phẩm, không làm co sản phẩm khi nung. Sản phẩm có mật độ lớn nhất khi dùng 50 - 60% hạt thô và trung bình, 40 - 50% hạt mịn (kích thước < 0,025mm). Bảng 1.12: Tính chất của một số vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit và cacbit silic Samot Samot- Graphi Tính Thứ Graphi với corindo SiC STT t- chất nguyên t 75%Si ng (90%) samot C 35%SiC Khối 1 lượng g/cm3 1.5 1.8-2.3 - - 2.5 riêng 2 Độ xốp % 15-25 25-35 20-25 25 18-24 Giới hạn 80- 3 MPa 30-60 - 50 - bền 100 nén Hệ số dẫn 4 W/m.K 4-15 6 - - 10-20 nhiệt ở 10000C 38
Nhiệt độ biến dạng 1350- 5 0.6% 0C 2000 1560 1430 1700 với tải 1500 trọng 0.2MPa 1.3.9. Sản phẩm chịu lửa đặc biệt từ các ôxyt tinh khiết Các sản phẩm chịu lửa đặc biệt chế tạo từ các ôxyt tinh khiết có độ chịu lửa cao hơn 2000°C, bền trong môi trường kim loại lỏng, trong các môi trường khí và chân không, có độ bền cơ học cao ở nhiệt độ làm việc, có độ bền nhiệt tốt. Ngoài ra còn có những loại vật liệu có tính chất điện tốt, cách nhiệt ở nhiệt độ cao, không hấp thụ các sóng vô tuyến xuyên qua chúng, hay kìm hãm được các bức xạ nơtơrông trong các thiết bị hạt nhân nguyên tử Để sản xuất các sản phẩm chịu lửa đặc biệt này, các ôxyt sau khi đuợc tinh chế, thường được nung sơ bộ (ở dạng bột hay ép thành viên với một số phụ gia) nhằm ổn định các tính chất lí học, hoá học và các tính chất kĩ thuật khác của nguyên liệu. Sau đó đem nghiền mịn trong các máy nghiền có tấm lót để tránh lượng sắt mòn lẫn vào trong nguyên liệu. Các phụ gia trong phối liệu phải được trộn rất cẩn thận ngay trong giải đoạn nghiền mịn. Sản phẩm từ ôxyt chịu lửa cao được taọ hình theo nhiều phương pháp khác nhau như ép bán khô, đúc rót, ép nhiệt, ép thuỷ tinh, đúc theo phương pháp nhiệt dẻo Nhiệt độ nung sản phẩm từ 1600 - 26000C và cao hơn. Sản phẩm khi nung bị co khá nhiều (12 - 20%) và thường nung trong các lò điện trở dây vonfram hay môlíp đen, lò cảm ứng tần số cao, lò ngọn lửa đốt bằng nhiên liệu khí và lỏng Các vật liệu gốm oxyt có nhiều ứng dụng quan trọng trong kỹ thuật: Gốm corindong (α – Al2O3) với độ bền cơ, bền nhiệt và bền hóa rất cao là một vật liệu quan trọng và đa năng nhất trong các loại gốm oxyt. Nó được sử dụng làm vật liệu kết cấu cho các thiết bị làm việc ở nhiệt độ công nghiệp cao nhất, làm chén và nồi nấu kim loại và thủy tinh, chi tiết máy cho công nghiệp dệt, vật liệu cho công nghiệp điện, điện tử, vật liệu y tế (implants). Gốm pericla (MgO) có tính năng nổi bật là nhiệt độ sử dụng rất cao và 39
điện trở ở nhiệt độ cao rất lớn. Gốm pericla là vật liệu kiềm tính. Môi trường khí và chất nóng chảy có tính axit phá hoại mạnh gốm pericla ở nhiệt độ cao. Gốm pericla được sử dụng làm chén, nồi nấu kim loại, nó cũng bền với các muối clorit và florit nóng chảy. Gốm ziếccon: Sản phẩm chịu lửa ziếccôn được chia làm hai loại theo tính chất của nguyên liệu sản xuất; sản phẩm trên cơ sở điôxít ziếccôn ZrO2 và sản phẩm trên cơ sở silicat ziếccôn ZrSiO4. Nguyên liệu giàu ZrO2 sau khi đã được lằm giàu và loại bỏ các tạp chất chủ yếu là các tạp chất chứa ôxyt sắt (ôxyt sắt không lớn hơn 0,15%) được nghiền đến cỡ hạt l - 2mm để sản phẩm kết khối tốt khi nung và có mật độ cao nhất. Thông thường các ôxyt sắt được loại bỏ bằng cách gia công quặng ziếccôn đã nghiền mịn bằng HCl đậm đặc. Tốt hơn cả là nung sơ bộ ziếccôn ở 1550 - 16000C, tạp chất nóng chảy sẽ phân phối đều trong vật liệu sau đó hòa tan trong axít. Trong thành phần phối liệu thường có thêm phụ gia keo dính hữu cơ, keo này cùng vứi các tạp chất còn lại sẽ làm nhiệm vụ kết khối tốt khi nung. Áp suất ép được dùng để tạo hình 80 - 120 N/mm2 nhiệt độ nung sản phẩm ziếccôn khoảng 15500C. Sản phẩm chịu lửa ziếccôn có cường độ chịu nén cao hơn l00N/mm2, khối lượng thể tích 3,1 - 3,4 g/cm3 độ xốp thực 12 - 16% độ chịu lửa cao hơn 20000C, nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 0,2N/mm2: 1520 - 15700C, bị phá huỷ ở 16200Cvà cao hơn. Độ bền nhiệt của gạch lớn hơn 20 lần (khi làm nguội bằng không khí). Gạch chịu lửa ziếccôn bền vững với tác dụng xâm thực của các muối clorít nóng chảy, phốt phát natri nóng chảy, xỉ của các lò tôi vôi, bể muối, nhưng bị phá huỷ khi tác dụng với muối, florat, anhyđryt phốt pho P2O5, thủy tinh nóng chảy, ôxyt sắt và xỉ của lò Máctanh. Còn xỉ axit và nhiên liệu trơ tác dụng không đáng kể đến gạch chịu lửa ziếccôn. Vật liệu chịu lửa ziếccôn không tác dụng với dòng thép nóng chảy vì vậy người ta dùng sản phẩm này để chế tạo các loại cốc và ống lót (đặt trong cốc) để đúc thép hên tục. Sản phẩm từ ZrSiO4 tinh khiết dùng để sản xuất sứ ziếccôn, bugi ôtô có cường độ cơ học cao, bền nhiệt, bền hoá học, nó bền vững với men gốm, nên dùng để sản xuất các tấm lót xe goòng lò nung Tuynen rất tốt. Bảng 1.13: Tính chất một số gốm oxyt Gốm Gốm Gốm Gốm Số Thứ corindon zieco spinel Tính chất pericla TT nguyên g (α- n (MgO.Al (MgO) 2 Al2O3) (ZrO) O3) 40
1 Khối lượng riêng g/cm3 4.0 3.6 5.6 3.3 103 2 Modul đàn hồi E 400 350 200 3.3 MPa 2000- 800- 800- 3 Giới hạn bền nén MPa 2000 3000 1400 1600 4 Giới hạn bền uốn MPa 250-400 1600 200 180 Hệ số giãn nở 5 10-7/K 100 150 20 60 nhiệt 6 Hệ số dẫn nhiệt W/m.K 12 40 2 6 7 Nhiệt độ sử dụng 0C 1900 2400 2300 1950 41
Chương 2. VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT 2.1. Đặc điểm vật liệu cách nhiệt Để giảm tổn thất nhiệt qua tường lò ra môi trường xung quanh và nhiệt tổn thất do tích lũy bởi lớp gạch xây ( 24 - 45% lượng nhiệt cung cấp), để tiết kiệm nhiên liệu, tăng cường quá trình nhiệt trong lò, nâng cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm, người ta dùng vật liệu chịu lửa cách nhiệt. Gạch chịu lửa cách nhiệt cần có khối lượng thể tích nhẹ (l - l,3 g/cm3) nghĩa là độ xốp của chúng cao, lỗ xốp cần có kích thước nhỏ. 2.2. Vật liệu chịu lửa cách nhiệt và phương pháp sản xuất Có thể phân loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt theo phương pháp sản xuất và theo nhiệt độ làm việc. Có hai phương pháp sản xuất gạch chịu lửa cách nhiệt: - Phương pháp dùng phụ gia cháy ; - Phương pháp tạo nhiều bọt khí nhỏ. Theo nhiệt độ làm việc gạch chịu lửa cách nhiệt cũng có hai loại: - Loại cách nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc 900 - 12000C. - Loại cách nhiệt cao: nhiệt độ làm việc >12000C Một số tính chất đặc trưng của vật liệu chịu lửa cách nhiệt chò trong bảng 2.1. Bảng 2.1: Tính chất của vật liệu chịu lửa cách nhiệt Cao Samốt và bán axit nhẹ Đinát Các đặc tính lanh nhẹ A – 1,3 B – 1,3 B – 1,0 B – 0,8 B – 0,4 nhẹ Đô chịu lửa, °c ≥ 1750 1670 1670 1670 1670 1670 1670 Khối lượng 1,3 1.3 1.0 0,8 0,4 1,3 1,2 riêng, g/cm3 Sức co phụ: ở 1400 1350 1350 1250 1250 1400 - nhiệt độ °C % ≤ 1.0 1,0 1,0 1.0 1,0 1,0 - Cường độ 4,5 3,5 3,0 2,0 1,0 3,5 3,5 nén, N/mm2 ≥ 42
Độ dẫn nhiệt d 0,7 0.7 0,58 0,46 0,23 0,7 0,7 600°C, W/mK Nhiệt độ sử 1150- 1400 dụng, °C ≤ 2.2.1. Phương pháp dùng phụ gia cháy 1. Gạch samốt nhẹ Sơ đồ kĩ thuật gạch samốt nhẹ có khối lượng riêng 0,9 - 1 g/cm3 theo phương pháp này như sau: Đất sét Samốt Phụ gia cháy (mùn, linhin, than gỗ, mùn Đập nhỏ Đập thô cưa) Sấy thùng quay Nghiền Sấy Nghiền Sàng Sàng Sàng Định lượng Trộn và làm ẩm Nén, đóng khuôn sản phẩm Sấy Nung Gạch cao lanh nhẹ Gạch này được sản xuất theo phương pháp ép bán khô. Phụ gia cháy thường dùng cốc hay nantraxit với số lượng 35% và kích thước hạt < 3mm. Trong phối liệu lượng sa mốt xốp (nung cao lanh chứa 30-35% antraxit nhiệt luyện) 30% và 35% cao lanh nghiền. Đất sét đưa vào ở dạng hồ có chứa 1-1.5% (khối lượng phối liệu) keo SSB. Nhiệt độ nung cực đại 14000C. Đặc tính gạch: độ xốp thể tích 50-53%, cường độ nén 3-5.5N/mm2. Độ chịu lửa 1740-17500C, Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng 0.1 N/mm2: 1330-13400C, độ dẫn nhiệt 0.7-0.92 W.mK. Độ bền nhiệt lớn (30 lần nhúng trước khi đốt nóng tới 9000C). Gạch đinat nhẹ Sản xuất theo phương pháp bán khô. Thành phần phối liệu gồm 60- 70% khối lượng quăc zit tinh thể nghiền mịn đến kích thước hạt từ 0.008- 43
1mm; 30-35% khối lượng antraxit hay than cốc với độ hạt từ 0.088-2mm, chất liệu kết gồm 2% CaO và 1.0-1.2% keo SSB. Độ ẩm phối liệu 8-9%. Sản phẩm được nén, sấy khô và đưa vào lò nung trong môi trường oxy hóa mạnh ở nhiệt độ 1250-13000C. Nhiệt độ nung cực đại 1400-14300C. Giữ nhiệt độ cao trong 26 giờ. Tính chất của gạch đinát nhẹ: khối lượng thể tích nhẹ; khối lượng thể tích 1-1.2g/cm3; độ xốp thể tích 47-54%; cường độ nén 4-7N/mm2; độ chịu lửa 1680-17000C, nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng 0.1N/mm2 là 1600-16400C. Độ dẫn nhiệt 0.63-0.79W/mK. Dãn nở nhiệt đến 7000C là 1.14-1.39%. 2.2.2. Phương pháp tạo bọt khí 1. Phương pháp sử dụng chất tạo bọt Phương pháp này để sản xuất sản phẩm có độ xốp lớn, các lỗ xốp này tạo thành các bọt như dạng tổ ong trong sản phẩm bằng cách cho vào phối liêu chất tạo bọt. Bọt là các cấu tử chủ yếu ảnh hưởng quyết định đến tính chất sản phẩm. Samốt, đất sét, mùn cưa được hoà bằng nước đến lúc tạo thành hồ quánh, sau đó trộn với bọt đã được sản xuất trong thiết bị đặc biệt. Từ hồ đã bão hoà bọt, đúc sản phẩm trong khuôn sau đó đem sấy và nung. 2. Phương pháp hoá học Chủ yếu dùng các phản ứng hóa học toả khí trong hồ để làm thành bọt khí trong sản phẩm. Để sản xuất gạch samốt nhẹ theo phương pháp này với mật độ biểu kiến 0,7 - 0,8 g/cm3 dùng samốt nghiền mịn (< 0,2 mm) 5,6% đất sét chịu lửa mịn, 2,8% đôlômit nghiền và 5,6% thạch cao. Trong máy trộn chân vịt người ta đưa vào dung dịch H2SO4 2% với tỉ lệ 40% rồi đổ hỗn hợp khô vào. Khi đó sẽ xảy ra phản ứng tạo khí giữa đôlômit và H2SO4 theo phương trình: MgCa(CO3)2 + 2H2SO4 = MgSO4 + CaSO4 + 2H2O + 2CO2↑ Dưới tác dụng của CO2 hồ sẽ được nở phồng lên, thể tích tăng hai lần. Để huyền phù chắc chắn trong thể tích mới người ta cho thêm thạch cao nửa nước (CaSO4. 1/2H2O). Thạch cao này khi biến thành thạch cao ngậm hai nước sẽ đóng rắn và kết thúc ở lúc khí tạo ra nhiều nhất trong huyền phù. Hồ được đổ vào các khuôn gỗ đến một nửa chiều cao khuôn. Trong khuôn phối liệu được nở phồng lên chiếm toàn bộ thể tích khuôn. Sau 10 - 15 phút khuôn được tháo ra, sản phẩm đem sấy và nung ở 1240 - 1300°C, rồi đem mài cưa cho đúng kích thước. Phản ứng giữa đôlômit và H2SO4, sự đóng rắn thạch cao, tốc độ và thời 44
gian tiến hành cùng nhiệt độ phản ứng có giá trị quyết định đối với tính chất sản phẩm. Phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế. 2.2.3. Ứng dụng của gạch cách nhiệt Gạch samốt nhẹ dùng trong lò nung, lò hấp, lò ủ, lò điện và các lò công nghiệp khác khi nhiệt độ làm việc không lớn lắm và để xây tường buồng đốt nồi hơi, ở các lớp vỏ cách nhiệt phía, ngoài. Gạch đinát nhẹ dùng lót tường vòm, đáy lò khi lớp cách nhiệt không chịu bào mòn và va đập mạnh, không chịu được làm nguội nhanh bằng nước trong các nghành luyện kim, máy xây dụng, vật liệu chịu lửa, gốm sứ, thuỷ tinh. Gạch cao lanh nhẹ để lót vòm và tường của các lò nung các thiết bị đốt nóng mà ở đấy không có xỉ tác dụng nhưng chịu dao động nhiệt độ lớn. Gạch nhẹ cao alumin sử dụng đến nhiệt độ 1550°c để xây các lớp cách nhiệt trong tường lò hay trong các buồng đốt của nồi hoà áp suất cao trên các tàu đi biển. Trong lò chu kì để nung phôi rèn, nếu lót gạch đinát nhẹ sẽ giảm được mức tiêu tốn nhiên liệu khi đốt nóng lò đến 35%, còn để nung nóng một tấm kim loại đến 44%. 2.3. Vật liệu cách nhiệt vô cơ 2.3.1. Điatômit và trêpen 1. Điatômit và trêpen Điatômit là một loại đá trầm tích tạo thành từ các phiến hoá thạch của rong biển điatômit đơn bào. Thành phần chủ yếu trong điatômit là ôxyt silic vô định hình (SiO2 = 70 - 90%). Điatômi chịu axit nhưng tan trong kiềm. Khối lượng riêng dao động từ 350 - 950 kg/m3. Hộ số dẫn nhiệt 0,081 - 1,16 W/mk (ở 20°C). Độ xốp 50 - 85%. Khi nung điatômit đến 600 - 700°C sẽ cháy các tạp chất hữu cơ. Trêpen. Trêpen cũng là đá trầm tích tạo thành từ một phần ôxyt sylicôpan và phần lớn từ các phiến rong biển điatômit. Về thành phần hoá học và dạng bên ngoài điatômit và trêpen khác nhau rất ít. Thành phần cơ bản của trêpen cũng là ôxyt silic vô định hình (SiO2 = 73 - 86%). Khối lượng riêng 600 - 800 kg/m3. Hệ số dẫn nhiệt 0,145 W/mK (ở 20°C). Điatômit và trêpen là các cấu tử cơ bản để sản xuất hàng loạt vật liệu cách nhiệt. 2.3.2. Amiăng 1. Amiăng 45
Amiăng là một loại khoáng có kết cấu sợi, có khả năng tách ra thành các sợi mềm, đàn hồi mỏng. Các khoáng này là hyđrôsilicat manhê và hydrôsilicat sắt - Amiăng chia làm hai nhóm: amiăng chrizotil và amiăng amfibol. Amiăng chrizotil là khoáng nhóm secpentin có thành phần hoá học SiO2 MgO A12O3 Fe2O3 FeO CaO H2O 42-45 39-42 0,3-0,8 0,6-1,8 0,05-0,5 0,77 12 Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào khối lượng riêng và có giá trị 0,09 - 0,26, W/mK ở 50°C. Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào khối lượng riêng và nhiệt độ trung bình theo biểu thức: W/mk Amiăng amfibol: khác đáng kể với amimăng chrizotil về thành phần hoá học và tính chất vật lí. Si02 MgO AL2O3 Fe2O3 FeO CaO Na2O 47-59 3,9-31 0,1-7 0,4-15,7 2,0-36,6 0,5-17 0,2-6,5 Nhiệt độ nóng chảy 11500C, bền nhiệt ở 4000C. Có ưu điểm cơ bản so với amiăng chrizotil là có tính chịu axít. 2.3.3. Bông thuỷ tinh Bông thuỷ tinh là loại vật liệu cách nhiệt bao gồm các sợi thuỷ tinh xếp đặt một cách vô trật tự, các sợi thuỷ tinh này nhận được từ thuỷ tinh nóng chảy. Nguyên liệu để sản xuất bông thuỷ tinh cũng như nguyên liệu để sản xuất thuỷ tinh (cát thạch anh, đá vôi, xôđa, đôlômit, sunphát ). 1. Bông thuỷ tinh từ sợi liên tục Bao gồm các sợi thuỷ tinh mềm bố trí hỗn loạn, nhận được bằng cách kéo căng từ thủy tinh lông. Đường kính sợi ≤ 21μm, khối lượng riêng ρ ≤ 130kg/m3, hệ số dẫn nhiệt λ = 0,0394 + 0,000348ttb, bền ờ 4500C, độ bền axít cao. Bông thuỷ tinh dùng cách nhiệt trên các ống dẫn, các trang bị của nhà máy điện, các lò công nghiệp, các lò sấy. 2. Bông thành phẩn cao lanh 97 Là vật liệu cũng bao gồm từ các sợi mỏng xếp đặt vô trật tự. Đường kính trung bình của sợi ≤ 4μm, khối lượng riêng ρ = 95 kg/m3, hệ số dẫn nhiệt ở 1000C: 0,052W/mk, ở 4000C: 0,116 W/mK. Nhiệt độ nóng chảy 17000C, nhiệt độ giới hạn sử dụng 11000C. Cách nhiệt bằng bông cao lanh có hiệu quả cao, dùng trong tuạbin khí, tuabin hơi. 46
2.3.4 Thủy tinh bọt Thuỷ tinh bọt là vật liệu cách nhiệt nhận được bằng cách thiêu kết hỗn hợp bột thủy tinh với khí lò sinh khí. Phối liệu chứa 95 - 99% bột thuỷ tinh, 1 - 5% khí lò sinh khí. Đặc tính của thuỷ tinh bọt phụ thuộc vào thành phần hạt của bột, số lượng khí, nhiệt độ và thời gian quá trình thiêu kết. Tăng hàm lượng khí trong phối liệu làm tăng kích thước lỗ xốp. Tăng nhiệt độ thiêu kết làm giảm khối lượng riêng của thuỷ tinh bọt. Khối lượng riêng của thủy tinh bọt còn phụ thuộc vào thành phần hạt của bột thuỷ tinh và khí. Khối lượng riêng giảm cùng với việc giảm kích thước hạt, với sự tăng nhiệt độ, và tăng thời gian thiêu kết (ρ = 100 - 600kg/m3). Hệ số dẫn nhiệt của thuỷ tinh bọt phụ thuộc vào khối lượng riêng và nhiệt độ, nó dao động từ 0,035 - 0,174 W/mK (ở 200C). Khi nhiệt độ tăng, hê số dẫn nhiệt tăng. Nhiệt dung riêng: 0,76kJ/kgK. Độ bền cơ học nén phụ thuộc vào khối lượng riêng và dao động từ 0,8 - 15N/mm2. Độ xốp 85 - 90%. Kích thước lỗ xốp dao động từ 0,l - 5mm. Thuỷ tinh bọt có tính chịu băng giá và tính chịu nhiệt cao. Nhiệt độ giới hạn sử dụng 3000C. 2.4. Vật liệu cách nhiệt hữu cơ 2.4.1. Tấm cói Chế tạo tấm cói bằng cách đặt cói sấy chín vào thiết bị ép, ép thân cây cói, đan cói đã được ép bằng chỉ mỏng (d = l,2 - 2mm) bằng máy đan tự động, xén đầu và cắt các tấm cói theo các kích thước sau: 240 - 280cm dài, 35 - 150cm rộng; 3 - 10cm dày. Độ ẩm của tấm cói yêu cầu không lớn hơn 18%. Giới hạn cường độ chịu uốn phụ thuộc vào mức độ ép chặt thường từ 0,5 - 1 N/mm2. Chiều dày tấm cói Khối lượng riêng, Hệ số dẫn nhiệt λ cm kg/m3 W/mK 7 - 10 175 - 200 0,046 - 0,07 3 - 5 200 - 250 0,07 - 0,092 Tấm cói dễ bị mục nát khi bị ẩm ướt, dễ cháy, dễ hư hỏng do bị gặm nhấm. Có thể khắc phục bằng cách ngâm tẩm bằng thuốc phòng chống hay trát thuỷ tinh lỏng lên bề mặt. 2.4.2. Fibrôlit Fibrôlit được chế tạo từ dăm bào và chất kết dính vô cơ. Các tấm fibrôlit chất lượng cao được chế tạo từ sợi gỗ bồ đề, gỗ thông ở dạng các băng hẹp, dài không dưới 400mm/rộng 5 - 7mm và dày 0,25 - 0,5mm với 47
chất kết dính và xi măng poóclăng. Quá trình chế tạo fibrôlit gồm các bước sau: chuẩn bị sợi gỗ, xử lí sợi gỗ bằng CaCl2 hoặc thuỷ tinh lỏng, nhào trộn sợi gỗ với xi măng, đổ khuôn và đầm chặt trong khuôn dưới áp suất 0,1 - 0,4 N/mm2 để cho cứng rắn và sấy khô các tâm. Tấm fibrôlit thường có kích thước dài 200 - 240cm, rộng 50 - 55cm, dày 2,5 - 10cm. Hệ số dẫn nhiệt của fibrôlit như sau: Khối lượng riêng, kg/m3 λ ở 25 ± 50C W/mk 300 0,098 - 0,127 350 0,11 - 0,145 400 0,12 - 0,160 500 0,15-0,197 Fibrôlit dễ gia công cơ học, có thể cưa, khoan. Bể mặt fibrôlit sần sùi nên có khả năng dính kết tốt với lớp trát. Fibrôlitlà vật liệu khó cháy. Fibrôlit dùng làm tường ngăn và sàn trong điều kiện khô ráo. 2.4.3. Tấm cách nhiệt bằng sợi gỗ Chế tạo bằng cách: cưa và bóc vỏ sơ bộ gỗ đầu thừa sau đó chặt trên máy chặt và nghiền. Sau khi nghiền nguyên liệu chuyển vào bể, ở đây tiến hành nhào trộn, đánh tơi và trộn với các phụ gia. Hỗn hợp được chuyển đến máy xeo. Sau khi xeo nguyên liệu được khử nước, làm chặt và cắt thành tấm. Các tấm này được ép và sấy khô. Các tấm cách nhiệt này dài 300cm, rộng 160cm. Khối lượng riêng dao động từ 150 - 1100 kg/m3, hộ số dẫn nhiệt λ = 0,046 - 0,092 W/mK. Các tấm sợi gỗ dùng làm tường cách nhiệt, trần, sàn, tường ngăn trong các công trình công nghiệp, dùng cho các bộ phận cách âm của phòng phát thanh, phòng hoà nhạc, rạp hát. 2. 4. 4. Tấ m vỏ bào Tấm vỏ bào được chế tạo bằng cách ép nóng nguyên liệu có chứa trung bình từ 88 - 92% sợi hữu cơ (vỏ bào mỏng) và 8 - 12% nhựa tổng hợp. Tấm vỏ bào có nhiều lớp, hệ số dẫn nhiệt λ = 0,046 - 0,092W/mK, gia công cơ học dễ dàng. Các tấm vỏ bào kinh tế hơn tán sợi gỗ bởi vì hơi và năng lượng điện tiêu thụ để sản xuất tấm vỏ bào giảm 2 lần và vốn đầu tư nhỏ. 2.4.5. Sản phẩm cách nhiệt bằng than bùn Nguyên liệu chủ yếu là loại than bùn ít bị rữa, lấy từ lớp trên mặt đầm lầy, ở đó có chứa nhiều rêu thực vật, có cấu tạo nhiều sợi xốp - những tấm than bùn chế tạo bằng cách ép những sợi than bùn và gia công nhiệt các tấm. Các sợi dính kết lại vói nhau bằng chất nhựa do bản thân than bùn tiết ra 48
trong quá trình gia công nhiệt. Kích thước tấm 100 x 50 x 3cm. Khối lượng riêng ρ= 1504 - 250 kg/m3. Hệ số dẫn nhiệt λ = 0,058 - 40,069 W/mK. Nhược điểm chủ yếu là có độ hút nước cao dẫn đến sự nở, vì vậy các tấm than bùn cần phải trát và phòng ngừa ẩm ướt. Ứng dụng: giữ nhiệt cho tường và mái nhà công nghiệp, các nhà lạnh cũng như để bảo ôn các đường ống khi nhiệt độ đến 100°C. 2.4.6. Nỉ xây dựng Chế tạo nỉ xây dựng từ các loại len xấu của động vật với phụ gia là những sợi thực vật và keo tinh bột. Nỉ có dạng tấm, kích thước (100 - 200) x (50 - 200) x (l,5)cm. Khối lượng riêng ρ = l00 - 300 kg/m3. Hệ số dẫn nhiệt λ= 0,058 W/mK. Dùng nỉ để cách nhiệt các ống dẫn hơi, dẫn khí, dẫn nước, dẫn dầu. Nỉ có thể phối hợp với cáctông amiăng để làm lớp lót khi nhiệt độ đến 120 - 150°C. Nỉ còn dùng để cách nhiệt và cách âm dưới lớp trát.Để chống mối ni cần được tẩm dung dịch NaF sau đó sấy khô khi dùng. 49
Chương 3. VẬT LIỆU KIM LOẠI CHỊU NHIỆT 3.1. Khái niệm, phân loại gang và thép 3.1.1. Khái niệm, phân loại gang Như đã biết từ trước, gang là hợp kim Fe - C với lượng cacbon vượt quá 2% (đúng ra là 2,14%, ứng với bên phải điểm E của giản đồ trạng thái Fe - C). Hình 3.1: Giản đồ pha Fe-Fe3C Cacbon là nguyên tố quan trọng trong gang. từ giản đồ trạng thái Fe - C thấy rõ ràng lượng cacbon cao, nhiệt độ nóng chảy của gang thấp hơn đáng kể so với thép, do vậy thực tế nấu chảy gang dễ thực hiện hơn so với thép. Thường không dùng gang > 5%C. Hai nguyên tố khác thường gặp trong gang với lượng khá lớn (từ 0,5 đến trên 2%) là Mn và Si. Đó là hai nguyên tố có tác dụng điều chỉnh sự tạo thành graphit, cơ tính của gang. Trong các loại gang giới hạn của hai nguyên tố này thay đổi trong phạm vi tương đối rộng. Photpho và lưu huỳnh là hai nguyên tố với lượng chứa ít khoảng 0,05 - 0,5%, trong đó lưu huỳnh là nguyên tố có hại đối với gang càng ít càng tốt. Ngoài ra trong gang còn có thể có chứa một số nguyên tố khác như các nguyên tố hợp kim (Cr, Ni, Mo ), các nguyên tố biến tính (Mg, Ce ). Theo tổ chức tế vi người ta phân chia ra các loại gang: gang trắng, gang xám, gang cầu, gang dẻo 50
Gang trắng là loại gang trong đó tất cả cacbon nằm ở dạng liên kết trong hợp chất Xementit Fe3C. Như vậy tổ chức tế vi của gang trắng hoàn toàn phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C luôn có chứa hỗn hợp cùng tinh Ledeburit. Các gang xám, cầu, dẻo là loại gang trong đó phần lớn hay toàn bộ cacbon ở dạng tự do - graphit với các hình dạng khác nhau: tấm, cầu, cụm. Trong tổ chức không có Ledeburit, do đó tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C. Tổ chức tế vi của gang có graphit còn phụ thuộc và tỷ lệ phân bố của cacbon ở pha graphit và Xementit. Người ta chia tổ chức của chúng ra hai phần: phần phi kim loại - graphit và nền kim loại gồm ferit và xementit. Khi tất cả cacbon ở dạng tự do thì nền kim loại của tổ chức chỉ gồm có ferit, còn khi một phần cacbon ở dạng liên kết thì nền kim loại của tổ chức có thể là ferit - peclit, peclit hoặc peclit - xementit. Chính do đặc điểm về tổ chức như vậy mà các loại gang có cơ tính và công dụng khác nhau. Để đạt được tổ chức tế vi quy định mỗi loại gang lại có thành phần nguyên tố khác nhau. 3.1.2. Khái niệm, phân loại thép 3.1.2.1. Thép cacbon Thép C Là loại thép trong tổ chức tế vi không có Le, trong thành phần ngoài C và Fe còn có một số tạp chất là Mn,Si,P,S Theo tổ chức tế vi (theo giản đồ trạng thái) Theo cách này, thép được phân loại là: -Thép trước cùng tích (trong tổ chức chỉ có P + F) - Thép cùng tích (trong tổ chức chỉ có P) - Thép sau cùng tích (trong tổ chức chỉ có P + XeII) Phân loại theo công dụng Thép cacbon chất lượng thường: là các loại thép dùng chế tạo các kết cấu với liên kết hàn là chủ yếu. (Ví dụ: Giàn, khung, vỏ tàu) * Yêu cầu: - Tính hàn cao - Tính dẻo đảm bảo - Có cơ tính đủ theo yêu cầu kết cấu Ký hiệu: - TCVN: CT 31; CT33 Được chia làm 3 nhóm 51
Nhóm A: chỉ quy định cơ tính mà không quy định thành phần hóa học Nhóm B: chỉ quy định thành phần hóa học mà không quy định cơ tính Nhóm C: quy định cả cơ tính và thành phần hóa học * Ứng dụng: Chủ yếu làm các kết cấu trong xây dựng như nhà xưởng, cầu cống, cốt thép bê tông. Cũng có thể sử dụng trong chế tạo máy để làm các chi tiết máy không quan trọng. TCVN5709-93 quy định các mác chuyên dùng làm các kết cấu thép trong xấy dựng gồm có: XCT34; XCT38; XCT42 Thép kết cấu: Được quy định chặt chẽ về thành phần hóa học dùng để sản xuất các chi tiết máy. * Yêu cầu: - Tính công nghệ cao (hàn, gia công áp lực, cắt, gọt) - Cơ tính phải đảm bảo -Thành phần C từ 0,1 0,65% Ký hiệu: -TCVN: C ( 0 cacbon TB) 000 Ví dụ: C40, C60; C35 . . Thép dụng cụ: Là loại thép có thành phần C từ 0,7 1,3%. + Công dụng: Dùng sản xuất các dụng cụ cắt, tốc độ thấp mà chủ yếu là dụng cụ cầm tay. + Chế độ nhiệt luyện: tôi + ram thấp (để thu được Mactenxít ram). Ký hiệu: -TCVN: CD ( cacbon TB) Ví dụ: CD70, CD80;CD80A . Một số thép C có công dụng riêng -Thép đường ray: là loại thép C chất lượng cao, cần có độ bền và tính chống mài mòn cao -Dây thép: Có từ 0,1 0,9% C - Thép dễ cắt (thép tự động) có hàm lượng phốt pho nhất định ,khi gia công cắt gọt để đảm bảo phoi dễ gãy. 3.1.2.2. Thép hợp kim 52
Thép hợp kim là loại thép trong thành phần hóa học ngoài Fe và C, các tạp chất thì còn có một số nguyên tố hợp kim Nguyên tố hợp kim là các nguyên tố hoá học đưa vào thép với một hàm lượng xác định để tạo ra các tổ chức mới ưu việt hơn cho thép. Giới hạn lượng chứa để từ đó phân chia ranh giới giữa tạp chất và nguyên tố hợp kim như sau: Mn = 0,8 - 1,0% Si = 0,5 - 0,8% Cr = 0,2 - 0,8% Ni = 0,2 - 0,6% W = 0,1 - 0,5% Mo = 0,05 - 0,2% Ti > 0,1% , Cu > 0,1%, B > 0,02% Phân loại thép hợp kim Phân loại theo hàm lượng của nguyên tố hợp kim %(NTHK) 10% :thép hợp kim cao Theo nguyên tố hợp kim chính Nguyên tố hợp kim chính là nguyên tố có hàm lượng lớn nhất và có tác dụng rõ rệt nhất. Mục đích của phương pháp này đánh giá khá chính xác về giá cả và xác định được phạm vi sử dụng của thép bao gồm: Thép crôm, thép mangan, thép niken, thép vonfram, thép crôm - niken. Theo công dụng Mục đích của phương pháp này nói rõ lĩnh vực tác dụng của thép hợp kim trong kỹ thuật bao gồm: Thép kết cấu hợp kim, thép dụng cụ hợp kim, thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép chịu mài mòn, thép có tính chất vật lý đặc biệt. Phân loại theo tổ chức tế vi Thường phân loại thép hợp kim theo tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng và sau khi thường hóa. ở trạng thái cân bằng Sau khi ủ, thép có tổ chức cân bằng ổn định, với lượng cacbon tăng dần theo tổ chức tế viđạt được lần lượt các loại thép sau: 1. Thép trước cùng tích ngoài peclit còn có các ferit tự do. 2. Thép cùng tích với tổ chức peclit 3. Thép sau cùng tích với tổ chức ngoài peclit ra còn có cacbit thứ hai. 53
4. Thép lêđêburit với tổ chức trong đó có cùng tinh lêđêburit. Như đã biết các nguyên tố hợp kim làm giảm khả năng hòa tan cacbon của austenit, do vậy các thép trên sẽ hình thành với lượng cacbon thấp hơn so với thép cacbon. 5. Thép austenit với tổ chức thuần austenit là loại thép được hợp kim hóa bằng lượng lớn nguyên tố mở rộng vùng γ là Ni hoặc Mn. 6. Thép ferit với tổ chức thuần ferit, là loại thép được hợp kim hóa bằng lượng lớn nguyên tố mở rộng vùng là crom với hàm lượng cacbon rất thấp. Hai thép sau cùng là loại không có chuyển biến pha khi nung núng và làm nguội. Ngoài ra còn loại thép nửa ferit hay nửa austenit là loại chuyển biến γ ↔ xảy ra không hoàn toàn. Công dụng của cách phân loại này là cho biết tổ chức tế vi của thép ở trạng thái ủ là trạng thái ổn định nhất ứng với độ bền, độ cứng thấp nhất, qua đó có thể xác định các tính chất của thép ở trạng thái ủ. ở trạng thái thường hóa Từ tổ chức sau khi làm nguội ngoài không khí tĩnh (thường hóa) các mẫu nhỏ (đường kính 25mm) có thể chia ra ba loại thép cơ bản sau: 1. Thép ferit là loại thép hợp kim thấp nên tính ổn định của austenit quá nguội chưa lớn lắm, do vậy với tốc độ nguội trong không khí tĩnh sẽ làm austenit phân hóa thành peclit (xoocbit, trôxtit) (hình vẽ 3.2a) Thép loại P Thép loại M Thép loại austenit ộ ộ ộ đ đ đ t t t ệ ệ ệ i i i h h h N N N Mđ Mđ 00 00 00 Mđ Thời gian Thời gian Thời gian a b c Hình 3.2: Giản đồ phân hoá đẳng nhiệt của ba loại thép hợp kim 2. Thép mactenxit là loại thép hợp kim trung bình và cao, có tính ổn định của austenit quá nguội lớn đến mức khi làm nguội trong không khí tĩnh cũng đạt được tổ chức mactexit (hình vẽ b), thép này còn có tên là thép tự tôi. 54
3. Thép austenit là loại thép hợp kim cao với các nguyên tố Mn và Ni (thường có thêm Cr), có điểm bắt đầu chuyển biến Mactenxit nhỏ hơn 00C và do vậy khi làm nguội trong không khí không hạ được nhiệt độ chuyển biến mactenxit, vẫn giữ lại tổ chức austenit (hình vẽ c) Công dụng của cách phân loại này là biết được tổ chức tế vi của thép hợp kim ở trạng thái cung cấp, tức ở trạng thái sau khi cán nóng rồi làm nguội trong không khí. Tuy tổ chức đạt được chỉ có tính chính xác tương đối (bởi vì tốc độ nguội còn phụ thuộc vào tiết diện của phôi thép, nên cùng một thép có thể có tổ chức khác nhau nếu tiết diện khác nhau), song qua đó có thể biết được tính chất chủ yếu của thép. Ví dụ, nếu là thép mactenxit thì rõ ràng là nó phải có tính thấm tôi rất cao, rất dễ đạt được cơ tính đồng đều trên toàn tiết diện, dễ tôi 3.2. Thép và hợp kim đặc biệt 3.2.1. Thép không gỉ * Khái niệm ăn mòn kim loại: ăn mòn là sự phá huỷ kim loại dưới tác dụng xâm thực của môi trường mà sản phẩm làm việc. Các chi tiết máy trong quá trình làm việc chủ yếu bị ăn mòn điện hóa * Đặc điểm ăn mòn: + Xảy ra thường xuyên, liên tục với các sản phẩm kim loại + Chủ yếu phụ thuộc vào môi trường + ít chịu ảnh hưởng của tải trọng mà chủ yếu phụ thuộc vào trạng thái ứng suất. * Phân loại ăn mòn theo hình dạng tác dụng + ăn mòn đều: là quá trình ăn mòn xảy ra tương đối đều trên toàn bộ bề mặt của sản phẩm kim loại + ăn mòn điểm: xảy ra tập trung tại 1 số vị trí trên bề mặt sản phẩm + ăn mòn viền giới hạt: xảy ra mãnh liệt theo biên giới hạt + ăn mòn ứng suất: xảy ra mãnh liệt tại các vùng tập trung ứng suất Nguyên lý chống ăn mòn của các loại thép Nguyên lý chung để chế tạo thép chống ăn mòn điện hóa là: - Làm thép có tổ chức một pha với thành phần đồng nhất: Nếu thép chỉ có một pha đồng nhất thì không tạo thành cặp pin được và do vậy nó có tính chống ăn mòn rất cao. Muốn thép có tổ chức một pha chỉ có cách là hợp kim hóa nó bằng những nguyên tố mở rộng vùng α hoặc γ để nhận được thép ferit hoặc austenit. 55
- Làm cho điện thế điện cực của hai pha ferit và cacbit (xementit) chênh lệch nhau ít, do đó dòng điện ăn mòn sinh ra nhỏ, tính chống ăn mòn của thép được nâng cao. Muốn vậy phải hợp kim hóa thép bằng lượng lớn nguyên tố hợp kim hòa tan vào ferit và có khả năng nâng cao điện thế điện cực của pha này lên giá trị gần bằng điện thế điện cực của pha cacbit. Đặc điểm chung của các loại thép không gỉ - Thành phần cacbon thấp. Thành phần cacbon càng thấp số lượng pha cacbit trong thép càng ít, dòng điện ăn mòn nhỏ, tính chống ăn mòn cao. Làm việc trong môi trường ăn mòn càng mạnh, lượng cacbon yêu cầu càng phải giảm thấp. - Thành phần hợp kim cao. Mọi loại thép không gỉ đều chứa nhiều hơn 12% Cr và có thể còn có một lượng khá lớn các nguyên tố Ni, Mn, ngoài ra còn có thể có một lượng nhỏ Ti, Nb. Các loại thép không gỉ Thép không gỉ 2 pha *Thép Máctenxit: Thành phần của thép: %C từ 0,1- 0,4%C 0 NTHK chính là Cr với lượng chứa >12%Cr Tổ chức gồm hai pha Ferit và Cacbit - Tính chất: + Chống ăn mòn tốt trong môi trường không khí, nước sông , nước máy + Trong môi trường 12,5 25 37,5 %Cr axit và bazơ chống ăn mòn kém do có tập trung ứng Hình 3.3: Ảnh hưởng Cr đến φo suất khi chuyển biến mactenxit (do có pha). + Đảm bảo tính dẻo Các số hiệu điển hình: 12Cr13; 20Cr13; 30Cr13; 40Cr13 * Thép ferit bền axit 56
Nguyên tố hợp kim chính là Cr. Tùy theo hàm lượng Cr chia ra làm ba nhóm: - Nhóm thép chứa tới 17%Cr như số hiệu 12Cr17, đó là số hiệu thép không gỉ ferit dùng nhiều nhất, vì nó có thể thay thế cho thép austenit trong những trường hợp có thể lại không chứaNi nên rẻ. Được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất HNO3, hóa thực phẩm, kiến trúc . Nhược điểm duy nhất là khó hàn, tuy nhiên có thể khắc phục bằng cách hạ thấp hàm lượng cacbon hoặc cho thêm Ti như số hiệu 08Cr17Ti - Nhóm thép chứa khoảng 24-27%Cr loại này chứa rất ít cacbon như 15Cr25Ti - Nhóm thép chứa từ 27-30%Cr do có hàm lượng Cr cao nên chống oxy hóa được ở nhiệt độ cao như 15Cr28 Thép không gỉ 1 pha: là loại thép không gỉ mà tổ chức chỉ có 1 pha đồng nhất (thép không gỉ Crom-niken) - Thành phần hoá học: %C < 0,1%,18%Cr, Ni 9-10%có tác dụng mở rộng vùng ,do đó tăng 0 của thép (cũng theo quy luật ứng suất) Do Ni đắt tiền khó hợp kim hoá không dùng với số lượng quá lớn - Tính chất: + Chống ăn mòn tốt trong mọi môi trường + Tính dẻo cao, dễ gia công áp lực + Cơ tính đảm bảo, có thể hóa bền bằng biến dạng dẻo. + Có thể xảy ra ăn mòn tinh giới hạt nên tính hàn không cao dễ xuất hiện ăn mòn tinh giới hạt mối hàn + Đắt tiền do có chứa nhiều Ni + Khó gia công cắt gọt do dẻo quánh, phoi khó gãy Sản xuất các thiết bị chống ăn mòn cao. Các số hiệu điển hình : 12Cr18Ni9, 04Cr18Ni10, 25Cr18Ni10Ti 3.2.2. Hợp kim có điện trở lớn để làm dây đốt nóng + Hợp kim Ni – Cr: Cr20Ni80 - Nimônich Tổ chức: nền dung dịch rắn của Cr trong Ni Pha phân tán: pha liên kết loại Cr - Ni chịu được nhiệt độ rất cao biến dạng 3000C, lớn dùng làm dây đốt cho các lò nung kim loại Q = I2Rt 57
Nhược điểm: Sau một thời gian làm việc bị dòn, không chịu được tải trọng va đập. + Hợp kim Co: chủ yếu là Co có hợp kim hoà tan bởi Ni, Cr, t0 làm việc ~ 14000C không ổn định hình dáng khi làm việc. + Hợp kim Mo + Hợp kim W hoặc W nguyên chất: có t0 làm việc cao nhất + Vật liệu chịu nhiệt phi kim loại: Dùng Si Dùng dưới dạng SiC có lớn, T0 làm việc ~ 13000C dùng làm các thanh đốt cho lò nung kim loại công suất lớn. 3.3. Vật liệu ổn định nóng và bền nóng 3.3.1. Vật liệu ổn định nóng Khả năng của kim loại chống lại tác động ăn mòn của khí ở nhiệt độ cao gọi là tính ổn định nóng. Ăn mòn hóa học ở nhiệt độ cao: Ăn mòn hóa học phát triển trong không khí khô hoặc chất lỏng không điện ly. Trong đa số các trường hợp, đó là các khí chứa oxy: không khí khô, khí chứa cacboniec, hơi nước khô và ôxy nguyên chất. Khi ăn mòn hóa học, bề mặt kim loại bị ôxy hóa. Sự ôxy hóa bao gồm một số giai đoạn xảy ra kế tiếp. Giai đoạn đầu tiên là hấp thụ phần tử khí ôxy từ pha khí bởi các nguyên tử kim loại bề mặt. Khi hấp thụ sẽ tiết ra nhiệt do sự phân ly phân tử khí ôxy thành nguyên tử. Quá trình này kèm theo sự phân bố lại điện tử và ion hóa nguyên tử: nguyên tử kim loại bề mặt ôxy hóa – bị mất điện tử (1); nguyên tử ôxy hoàn nguyên nhận điện tử (2). (1) (2) (3) Quá trình ôxy hóa kết thúc bằng sự tương tác hóa học của các ion (3) với sự tạo ra trên bề mặt sản phẩm của phản ứng hóa học ở dạng kết tinh; nó cản trở sự ôxy hóa tiếp tục, nhờ đó có tác dụng bảo vệ. Khả năng ôxy hóa tự xảy ra được quyết định bởi dấu của sự thay đổi thế nhiệt độ tiêu chuẩn của phản ứng (3) ở nhiệt độ đã cho (ái lực hóa học đối với ôxy) ∆G0T. Nếu ∆G0T< 0 thì sự ôxy hóa là có thể xảy ra. 58
Giá trị ∆G0T trình bày ở dưới chỉ ra rằng vàng và bạc ở 298o K không bị ôxy hóa. Trong các hợp kim chưa Crôm và niken, sự tạo ra ôxit Crôm có xác suất cao hơn cả: Ôxit Au2O Ag2O NiO Cr2O3 ∆G0298, kJ/mol +3 +1.2 -24.1 -40.5 Tốc độ ôxy hóa phụ thuộc vào tính chất bảo vệ của ôxit tạo thành trên bề mặt. Chỉ các ôxit sít chặt có hệ số thể tích φ1 nằm trong khoảng 1.0 ÷ 2.5 mới có tính chất bảo vệ. Tính ổn định nóng của kim loại Tính ổn định nóng của kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố bên ngoài và bên trong. Các yếu tố bên ngoài bao gồm nhiệt độ, thành phần môi trường khí, tốc độ chuyển động của nó, áp suất hơi riêng phần của chất ôxy hóa. Nâng cao nhiệt độ và tốc độ chuyển động pha khí, làm tăng tốc độ ôxy hóa. Sự thay đổi áp suất hơi riêng phần của ôxy gây ảnh hưởng phức tạp hơn. Tăng áp suất hơi riêng phần của ôxy thúc đẩy quá trình ăn mòn các kim loại tạo thành ôxit xốp cũng như kim loại tạo thành ôxit sít chặt với sự dư thừa ôxy lớn. Sự có mặt hơi nước hoặc khí sunfua sẽ tăng cường ăn mòn sắt. Thành phần hóa học, cấu trúc và độ sạch sẽ bề mặt gia công là các yếu tố bên trong. Thành phần hóa học của kim loại quyết định cấu trúc mạng tinh thể và tính bảo vệ của ôxit, có ảnh hưởng mạnh nhất. Bề mặt được đánh bóng bị ôxy hóa chậm hơn bởi vì ôxit phân bố đồng đều theo chiều dày màng và vì vậy móc dính bền vững với mặt kim loại. Tính ổn định nóng của hợp kim Yêu cầu cơ bản đối với tất cả các nguyên tố dùng để hợp kim hóa tăng độ ổn định nóng là ái lực hóa học với ôxy của chúng mạnh hơn kim loại cơ sở. Chỉ có như vậy, nguyên tố hợp kim mới có thể ảnh hưởng đến tính ổn định nóng. Hình 3.4: Sơ đồ thay đổi nồng độ khuyết Do vậy các kim loại nhóm 5 tật ôxit khi hợp kim hóa như Au, Ag, Pt. a)Với sự dư thừa ion kim loại; b) Với sự Tính ổn định nóng của thiếu hụt ion kim loại thép hợp kim hóa thấp và hợp 59
kim được nâng cao do nguyên tố hợp kim B đi vào mạng ôxit của kim loại nền A làm giảm khuyết tật của mạng này. Ôxit hợp kim (AB)mOn được tạo thành. Các kim loại mà ôxit của chúng có dư thừa ion ở giữa các nút mạng (hình 3.4a), cần phải hợp kim hóa bằng các nguyên tố hóa trị cao. Để bảo tốn tính trung hòa điện sẽ phải xảy ra sự thay thế 3A2+=2B3+ và số các ion kim loại giữa các nút mạng giảm xuống. Các kim loại mà ôxit của chúng thiếu ion kim loại trong nút mạng (hình 3.4b) cần phải hợp kim hóa bằng các nguyên tố có hóa trị thấp. Lúc này xảy ra sự thay thế A2+=2B+ và số các nút trong cation giảm đi. Tính ổn định nóng tốt của thép hợp kim hóa cao và hợp kim được giải thích bởi các nguyên tố hợp kim tạo ra ôxit của chính chúng BmOn có tính bảo vệ tốt hơn ôxit kim loại nền AmOn. Để tạo ra ôxit của mình, các nguyên tố hợp kim cần không chỉ có ái lực mạnh hơn ôxy mà khối lượng và độ linh động khuếch tán của chúng phải được đảm bảo đề tạo ra ôxit trên toàn bộ bề mặt ôxy hóa. Bản thân ôxit của nguyên tố hợp kim cần phải là loại sít chặt, không bị nứt, có độ dẫn điện nhỏ nhưng nhiệt độ thăng hoa cao và chảy phải cao, không tạo ra cùng tinh và pha riêng biệt dễ chảy. Hợp kim titan hấp thụ ôxy mạnh hơn so với titan iođua vì thế màng ôxit bảo vệ trên bề mặt không được tạo thành và tính ổn định nóng của hợp kim titan không được cải thiện cả đối với các hợp kim α cũng như đối với hợp kim (α+β). Chỉ có thể nâng cao tính bền nóng bằng cách ứng dụng lớp phủ ổn định nóng. Tính ổn định nóng của sắt và thép có thể được nâng cao bằng cách hợp kim hóa thêm Cr, Al và Si. Để hợp kim hóa thể tích hoặc bề mặt sắt và thép, phổ biến nhất là người ta sử dụng Cr với hàm lượng lên đến 30%. Cùng với sự tăng hàm lượng Cr trong thép, sự nâng cao nhiệt độ, kéo dài thời gian giữ khi nung, giảm bớt áp suất hơi riêng phần của chất ôxy hóa, hàm lượng Cr trong ôxit tăng lên. Các oxit sắt hợp kim được thay thế bằng oxit Cr, điều đó làm tăng thêm tính ổn định nóng. Thép cacbon thấp ứng với hàm lượng Cr cao có tổ chức một pha ferit. Trong quá trình làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao, các tinh thể ferit phát triển, điều đó kéo theo sự giảm thiểu độ dai va đập. Để ngăn ngừa sự hóa giòn này, người ta hợp kim hóa thêm các nguyên tố phụ tạo cacbit (ví dụ titan). Cacbit gây cản trở sự phát triển của hạt ferit. Thành phần hóa học và tính chất của thép ổn định nóng được nêu trong bảng 3.1 Cần nhận thấy rằng, thép 08Cr17Mn và 15Cr25Mn thuộc loại ferit (trong tổ chức chủ yếu là ferit) không bền nóng, do đó chỉ sử dụng để làm chi tiết không chịu tải nặng và va đập. Tính chất trình bày trong bảng là trạng thái ủ. Hợp kim 20Cr23Ni18 và 20Cr25Ni20Si2 thuộc loại austenit, không chỉ ổn định nóng mà còn bền nóng. Tính chất của chúng được trình bày ở trạng thái tôi. Lĩnh vực ứng dụng của thép và hợp kim ổn định nóng chỉ ra trong bảng sau: 60