BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ QUANG HUY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU KHÔNG NUNG ỨNG DỤNG CHO LÒ CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VÔ CƠ Hướng dẫn khoa học: TS LA THẾ VINH HÀ NỘI – 2010 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành, sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học, TS La Thế Vinh hướng dẫn tận tình suốt trình thực luận văn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy, cô giáo Bộ môn Công nghệ chất vô giúp đỡ tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho trình thực luận văn Tôi xin trân trọng cám ơn tác giả nhóm nghiên cứu đề tài cấp Bộ dự án sản xuất thử nghiệm Mã số B2008-01-01 DA đưa kết giúp hoàn thành luận văn Cũng này, xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội quan tâm tạo điều kiện thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn Cuối xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè giúp đỡ, động viên tạo điều kiện cho hoàn thành tốt luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2010 Lê Quang Huy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố công trình khác Tác giả Lê Quang Huy MỞ ĐẦU Xã hội loài người muốn tồn phát triển cần có vật liệu nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng lĩnh vực đời sống khoa học kỹ thuật Sự phát triển đa dạng phong phú chủng loại vật liệu thúc đẩy ngành khoa học kỹ thuật tìm cách khai thác tính ưu việt vật liệu mới, thực tế loại vật liệu có lý tính định Việc sử dụng vật liệu tùy thuộc vào mục đích yêu cầu kỹ thuật công nghệ Sự phát triển khoa học công nghệ đòi hỏi phải có vật liệu bền nhiệt độ cao, vật liệu chịu lửa hình thành phát triển từ cuối kỷ XIX Đến đầu kỷ XX, vật liệu chịu lửa phát triển nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu ngành công nghiệp luyện kim ngành công nghiệp khác phát triển Trên giới ngành luyện kim sử dụng khoảng 70% sản lượng vật liệu chịu lửa sản xuất hàng năm, ngành công nghiệp vật liệu xây dựng chiếm 7%, ngành công nghiệp gốm sứ thủy tinh chiếm 10%, ngành lượng, hóa chất chiếm 8% ngành công nghiệp khác chiếm 5% Tại Việt Nam ngành công nghiệp chịu lửa năm 1958 việc xây dựng nhà máy gạch chịu lửa Cầu Đuống Hiện nhiều chủng loại gạch chịu lửa dang phải nhập nhằm thỏa mãn yêu cầu công nghiệp Trong loại vật liệu chịu lửa sử dụng Việt Nam nay, vật liệu chịu lửa alumosilicat dùng phổ biến chiếm khoảng 70% sản lượng vật liệu chịu lửa nói chung Vật liệu chịu lửa alumosilicat dùng công nghiệp luyện thép, dùng để xây lò nung đồ gốm, đồ sành sứ, lò nấu thủy tinh, nung clinke xi măng, lò khí hóa than, buồng đốt nóng không khí, công nghiệp hóa chất, hóa dầu, hóa thực phẩm v.v Phạm vi sử dụng vật liệu chịu lửa alumosilicat rộng rãi, nguyên liệu dễ kiếm nên khối lượng sản tương đối nhiều Tại Việt Nam sản xuất vật liệu chịu lửa alumosilicat với công nghệ nung lò tuynen lò gián đoạn kiểu thoi sử dụng nhiên liệu chủ yếu than, lượng tiêu tốn lớn, khí thải gây ô nhiễm môi trường, với vật liệu có hình dáng phức tạp việc sản xuất đảm bảo yêu cầu kỹ thuật chất lượng khó khăn Tận dụng sản phẩm gạch samốt phế phẩm, sứ vệ sinh phế phẩm, gạch ốp lát phế phẩm nghiền làm nguyên liệu samốt Với thực trạng tác giả lựa chọn nghiên cứu chế tạo vật liệu xây dựng chịu nhiệt alumosilicat phương pháp không nung Với phương pháp dễ dàng chế tạo sản phẩm có hình dáng kích thước khác nhau, thuận tiện cho việc thi công dạng lò nung, với phương pháp không nung làm giảm chi phí lượng, thân thiện với môi trường Tính chất độ bền nhiệt vật liệu đạt tương đương với sản phẩm nung loại, cường độ cao trình sử dụng Với phương pháp tác giả sử dụng samôt alumosilicat với cỡ hạt khác kết hợp với đất sét, cao lanh để khảo sát lựa đơn phối liệu Tiếp theo sử dụng polyme vô aluminum phosphate làm chất liên kết sau tiến hành tạo hình phương pháp bán khô đem sấy nhiệt độ 2000C thời gian 10giờ thu sản phẩm không nung Trong phương pháp cần phải chuẩn bị nguyên liệu samot có độ chịu nhiệt sở alumosilicat, để có samot phải nung nhiệt độ 14500C ÷15000C sau đem nghiền với cỡ hạt khác Tận dụng gạch phế samốt, gốm sứ nghiền với cỡ hạt khác trộn với samốt nung với tỷ lệ 1:1 Polyme vô aluminum phosphate tạo cho axit phốt phoric phản ứng với ôxit nhôm nhiệt độ 600C ÷ 700C thiết bị có khuấy trộn với tỷ lệ P/Al = 1÷3 Chương TỔNG QUAN 1.1 Thành phần tính chất vật liệu chịu lửa Các loại vật liệu chịu lửa phải xác định thành phần hóa học Trong vật liệu chịu lửa thường phân tích oxit SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MnO, CaO, MgO, Na2O, K2O Cr2O3 có sản phẩm Tuy nhiên tùy theo loại sản phẩm mà phân tích số oxit oxit Khi biết thành phần hóa học đánh giá pha tạo thành cân đạt đến nhiệt độ Do thành phần hóa học vật liệu chịu lửa có vai trò quan trọng việc sản xuất loại vật liệu chịu lửa đạt yêu cầu mong muốn Cấu trúc vật liệu chịu lửa thường chứa nhiều khoáng hay tinh thể khác nhau, thành phần khoáng vật liệu chịu lửa cho ta biết có mặt loại khoáng với hàm lượng khoáng Trong vật liệu chịu lửa thường chứa ba pha, pha tinh thể, pha thủy tinh pha khí Pha tinh thể chứa loại khoáng, thông thường đa khoáng Sự xếp khoáng, kích thước hạt khoáng, phân bố pha cấu trúc vật liệu ảnh hưởng đến tính chất vật liệu chịu lửa Tính chất vật liệu chịu lửa tiêu chuẩn dùng để đánh giá khả phù hợp loại sản phẩm sản xuất để sử dụng điều kiện cụ thể lò công nghiệp Vật liệu chịu sản xuất cần phải thỏa mãn số tính chất sau: - Độ chịu lửa khả bền vững vật liệu tác dụng nhiệt độ cao môi trường sử dụng mà không bị nóng chảy Độ chịu lửa thông số kỹ thuật, khác với nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ nóng chảy vật liệu số lý học Độ chịu lửa phụ thuộc vào nhiều yếu tố, thành phần khoáng hóa lượng tạp chất có vật liệu, phụ thuộc vào phân bố pha vật liệu, tốc độ nâng nhiệt môi trường làm việc - Ổn định thể tích nhiệt độ cao, vật liệu chịu lửa dùng lâu dài nhiệt độ cao co hay nở phụ Hiện tượng làm sản phẩm biến đổi không thuận nghịch kích thước dài chúng Độ ổn định thể tích vật liệu chịu lửa điều kiện cần thiết để đảm bảo tuổi thọ vật liệu lò công nghiệp - Độ bền sốc nhiệt vật liệu chịu lửa khả chống lại dao động nhiệt mà không bị phá hủy Vật liệu nung nóng sau làm lạnh nhanh xuất ứng xuất bên vật liệu chênh lệch nhiệt độ, ứng suất trượt ứng suất kéo xuất lớp vật liệu nguyên nhân dẫn đến phá vỡ sản phẩm - Độ xốp, khối lượng thể tích vật liệu chịu lửa tiêu gián tiếp để đánh giá chất lượng sản phẩm sản xuất - Nhiệt độ biến dạng tải trọng 2kg/cm2 tính chất vật liệu chịu lửa chịu tác dụng đồng thời tải trọng, nhiệt độ thời gian Chỉ tiêu biểu thị khoảng mềm nhiệt độ sử dụng sản phẩm Nhiệt độ biến dạng vật liệu chịu lửa phụ thuộc vào thành phần khoáng hóa, thành phần hạt cấu trúc sản phẩm Trong vật liệu chịu lửa thường có chứa loại tạp chất khác nhau, nhiệt độ cao tạo pha lỏng làm hạ thấp nhiệt độ biến dạng sản phẩm - Độ bền nén sản phẩm phản ánh mức độ liên kết sản phẩm hay mật độ sản phẩm, độ bền nén phụ thuộc vào cấu trúc loại liên kết sản phẩm 1.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu chịu lửa 1.2.1 Phương pháp sản xuất gạch chịu lửa nung Theo phương pháp để sản xuất vật liệu chịu lửa cần phải chuẩn bị nguyên liệu có cấu tử với thành phần tương ứng với cấu tử vật liệu chịu lửa làm Các cấu tử nguyên liệu nghiền đến cỡ hạt xác định trộn với theo tỷ lệ xác định Sau phối liệu mang đến công đoạn chuẩn bị phối liệu để tạo hình, công đoạn người ta cho vào chất liên kết tạm thời điều chỉnh độ ẩm phối liệu máy trộn Khi phối liệu có đạt yêu cầu độ ẩm độ đồng tạo hình phương pháp bán khô máy nén thủy lực máy ép vít Sau tạo hình, sản phẩm sấy lò sấy khác đến độ ẩm lại sản phẩm 1÷2% chuyển vào lò nung sau trình nung, sản phẩm phân loại nhập vào kho chứa 1.2.2 Phương pháp sản xuất gạch chịu lửa điện nóng chảy Phương pháp nguyên liệu cân định lượng sau trộn phối liệu đồng với keo dính CLS có độ ẩm thích hợp ép tạo viên áp lực 300 kg/cm2 Việc tạo viên làm chất nóng chảy lò hồ quang điện tương đối đồng nhất, sử dụng bột liệu dạng mịn mà không gây nên bay bụi phối liệu Sau viên ép sấy khô trước cho vào lò hồ quang điện, lò hồ quang điện nguyên liệu nấu chảy thành dạng lỏng Nguyên liệu lỏng được đúc rót khuân, ủ kết tinh tạo thành khối lớn Các khối mài gia công khí trước đóng gói xuất xưởng 1.2.3 Phương pháp sản xuất gạch chịu lửa không nung Để sản xuất gạch không nung sử dụng nhiều dạng cốt liệu khác nhau, cốt liệu phối liệu theo tỷ lệ xác định Phối liệu trộn với chất liên kết theo tỷ lệ đạt độ ẩm tạo hình Sau phối liệu trộn tạo hình máy ép với áp lực 300 kg/cm2 Sản phẩm sau công đoạn tạo hình sấy khô nhiệt độ 1800C ÷ 2000C thời gian ÷ 10giờ, sau trình sấy sản phẩm đóng gói xuất xưởng 1.3 Các loại vật liệu chịu lửa Việt Nam Trong năn gần đây, công nghiệp Việt Nam có nhiều bước phát triển đột phá số lượng lẫn chất lượng, ngành công nghiệp xi măng, luyện kim, hóa chất, vật liệu xây dựng, lượng v v Những ngành đòi hỏi lượng lớn vật liệu chịu lửa dùng hệ thống lò Chính vật liệu chịu lửa trở thành ngành thiếu ngành công nghiệp khác Hiện nhu cầu vật liệu lửa không đòi hỏi số lượng chất lượng mà đòi hỏi đa dạng phong phú chủng loại Một số sở sản xuất vật liệu chịu lửa nước dần đổi công nghệ, đầu tư sản xuất để đáp ứng nhu cầu nước đồng thời hòa nhập với nước khu vực giới Tại Việt Nam sản phẩm vật liệu chịu lửa sản xuất số công ty sử dụng ngành công nghiệp sau: - Công ty cổ phần vật liệu chịu lửa Cầu Đuống sản xuất gạch samôt A cao alumin với công suất đạt 20000T /năm Sản phẩm công ty sử ngành công nghiệp gốm sư, lò luyện cán thép, lò khí hóa than, lò nung clinke xi măng, lò nấu thủy tinh, buồng đốt nóng không khí Ngoài sử dụng nồi hơi, lò điện, công nghiệp hóa chất, hóa dầu, thực phẩm v v - Nhà máy vật liệu chịu lửa kiềm tính Việt Nam với loại sản phẩm manhedi- crom, crom – manhedi, manhedi – spinel, manhedi bon sản phẩm công ty cung cấp cho nhà máy xi măng cụ thể sử dụng để lót rôn nung lò quay sản xuất clinke xi măng Trong ngành luyện thép sản phẩm công ty dùng để lót lò nấu thép, sản lượng nhà máy khoảng 16500T/năm - Công ty vật liệu chịu lửa Thái Nguyên sản xuất sản phẩm chịu lửa gạch chịu lửa cao alumin, gạch chịu lửa samốt A samốt B, gạch mamhedi bon, gạch manhedi – crom, manhedi- spinel, gạch samốt nhe, gạch chịu axit, gạch đinat, sản phẩm bê tông chịu lửa, công ty sản xuất vôi đôlômít luyện kim dùng cho ngành luyện kim Sản phẩm công ty sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, có ngành như: Luyện kim, hóa chất, gốm sứ, xi măng, vật liệu xây dựng ngành công nghiệp khác Mỗi năm công ty sản xuất tiêu thụ 65000T sản phẩm - Nhà máy vật liệu chịu lửa Việt Đức thuộc tổng Công ty vật liệu xây dựng số khu Công nghiệp Biên Hòa sản xuất gạch chịu lửa cao alumin sử dụng cho lò luyện cán thép, gạch samôt A, nhiều loại gạch chịu lửa dị hình, bê tông chịu lửa mà khách hàng yêu cầu Đặc biệt nhà máy nghiên cứu sản xuất đưa vào sử dụng thành công vật liệu chịu lửa cordierite Với độ bền sốc nhiệt tốt khoáng cordierite, vật liệu sử dụng làm khung đỡ sản phẩm gốm lò nung gốm sứ tự động - Nhà máy sản xuất bê tông chịu lửa thị trấn Kinh Môn Hải Dương, nhà máy thuộc Công ty cổ phần xây dựng chịu lửa Burwitz với dây chuyền công nghệ sản xuất bê tông chất lượng cao phục vụ cho ngành công nghiệp như: xi măng, mía đường, nhiệt điện, luyện kim v v Các loại bê tông đáp ứng nhu cầu sản phẩm chịu lửa công trình, giúp khách hàng dễ dàng việc bảo trì sửa chữa thời gian chạy lò - Ngoài nhà máy sở nhỏ sản xuất vật liệu chịu lửa sản lượng không đáng kể Hiện nhiều chủng loại vật liệu chịu lửa mà phải nhập nhằm thỏa mãn yêu cầu công nghiệp Trên giới công nghệ đại phát triển mạnh nhiều loại sản phẩm nghiên cứu đưa sản xuất ứng dụng Những sản phẩm có tính đặc biệt sợi gốm, sản phẩm họ Carbide, Nitride, Boride .v ứng dụng nhiều ngành công nghiệp đại công nghiệp thông dụng 1.4 Cơ sở hóa lý vật liệu chịu lửa alumosilicat Trong kỹ thuật sản xuất sản phẩm alumosilicat, quan trọng giản đồ hệ hai cấu tử Al2O3 – SiO2 Từ giản đồ xác định biến đổi thành phần pha tính chất chúng Theo N.L.Bowen J.W.Greig hệ có hợp chất tạo thành, hợp chất có tên mullite có công thức khoáng 3Al2O3.2SiO2, ứng với 71,8% Al2O3 28,2% SiO2 Mullite nóng chảy phân hủy 18100C tạo thành corun pha lỏng Điểm ơtecti mullite SiO2 nằm 15450C ứng với thành phần 5,5% Al2O3 94,5% SiO2 Trong giản đồ pha Al2O3 – SiO2 này, chia thành hai khu vực Khu vực Al2O3 từ 15% đến 45% khu vực từ 45% đến 100% Khu vực thứ ứng với vật liệu chịu lửa bán axit samôt khu vực thứ hai ứng với vật liệu chịu lửa cao alumin Đường lỏng đặc trưng cho biến đổi lượng pha lỏng tăng nhiệt độ hệ Cũng giản đồ, để xác định tỷ lệ pha rắn pha lỏng điểm đường lỏng nguyên tắc đòn bẩy Trong khoảng từ 15950C đến 17000C, lượng pha lỏng hỗn hợp 45% Al2O3 55% SiO2 thay đổi từ 38% Al2O3 đến 45% Al2O3 Bảng 4-3 Kết cường độ vật liệu không nung tỷ lê thành phần nguyên liệu thay đổi Mẫu M1 M2 M3 M4 Lượng keo (ml) 8.5 8.5 8.5 8.5 Đất sét (%) 4.5 13.5 18 Cao lanh (%) 0.5 1.5 Samốt (%) 95 90 85 80 Lực ép (kg/cm2) 156 176 201.5 195 Với kết cường độ gạch không nung với tỷ lệ thành phần nguyên liệu rắn thay đổi ảnh hưởng tương đối đến tính gạch không nung Sự ảnh hưởng tỷ lệ hạt mịn đất sét cao lanh, lượng hạt mịn cường độ không cao Điều giải thích sau, trình ép tạo hình hạt mịn lấp đầy khoảng trống hạt to tiếp xúc với để lại Vật liệu tạo có độ đặc lớp chất liên kết keo mỏng chiếm thể tích ít, nên cường độ cao Với kết thực nghiệm tỷ lệ pha rắn 85% samốt, 12% đất sét, 3% cao lanh chế tạo vật liệu không nung có cường độ cao Lương keo 8,5ml, với d = 1,54g/cm3 3.4 Ảnh hưởng kích thước hạt đến cường độ vật liệu Kết khảo sát mẫu sau Bảng 5-1 Kết cường độ vật liệu không nung tỷ lệ kích thước hạt nguyên liệu thay đổi Mẫu M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Keo Đât sét (%) Cao lanh (%) ml d ≤ 0.2mm d ≤ 0.2mm 8.5 8.5 8.5 8.5 8.5 8.5 8.5 12 12 12 12 12 12 12 3 3 3 Samốt (%) Lực ép