Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu chịu lửa corun xốp từ nguyên liệu gibbsite

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm sử dụng gibbsite để chế tạo vật liệu chịu lửa corun xốp, trong đó gibbsite giữ vai trò vừa là nguyên liệu đầu vừa là tác nhân tạo xốp. Và vật liệu chịu lửa corun xốp này đƣợc nghiên cứu chế tạo, ổn định cấu trúc ở nhiệt độ thấp hơn để có thể sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thông qua quá trình gia công nhiệt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu chịu lửa corun xốp từ nguyên liệu gibbsite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -----***----- MAI VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CHỊU LỬA CORUN XỐP TỪ NGUYÊN LIỆU GIBBSITE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội - Năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -----***----- MAI VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CHỊU LỬA CORUN XỐP TỪ NGUYÊN LIỆU GIBBSITE Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. VŨ HOÀNG TÙNG Hà Nội - Năm 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả thí nghiệm nêu trong luận văn này là trung thực và chƣa từng công bố trên bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Mai Văn Dương 1
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Bộ môn CNVL Silicat – trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, thầy Vũ Hoàng Tùng đã trực tiếp hƣớng dẫn khoa học cho luận văn. Cảm ơn Ban lãnh đạo cùng toàn thể các cán bộ, kỹ sƣ Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp; cùng gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. 2
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2 MỤC LỤC ...................................................................................................................3 DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................5 MỞ ĐẦU .....................................................................................................................8 1. Lý do lựa chọn đề tài ...........................................................................................8 2. Lịch sử nghiên cứu ..............................................................................................9 3. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu ...........................................................................10 Chƣơng 1: TỔNG QUAN .........................................................................................11 1.1. Giới thiệu về vật liệu chịu lửa cách nhiệt.......................................................11 1.1.1. Định nghĩa vật liệu chịu lửa cách nhiệt ....................................................11 1.1.2. Vai trò của vật liệu chịu lửa cách nhiệt ....................................................11 1.1.3. Phân loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt .......................................................11 1.1.4. Phƣơng pháp tạo xốp cho vật liệu chịu lửa cách nhiệt .............................15 1.2. Cơ sở khoa học của vật liệu chịu lửa corun xốp ............................................16 1.2.1. Dạng tồn tại của hydroxit nhôm ...............................................................16 1.2.2. Dạng tồn tại của Oxit nhôm .....................................................................18 1.2.3. Quy trình sản xuất hydroxit nhôm và oxit nhôm .....................................20 1.2.4. Biến đổi dạng tồn tại của hydroxit nhôm và oxit nhôm khi gia nhiệt ......22 1.3. Lý thuyết kết khối và các yếu tố ảnh hƣởng ..................................................25 1.3.1. Cơ chế phản ứng trạng thái rắn ................................................................25 1.3.2. Kết khối pha rắn .......................................................................................26 1.4. Các phƣơng pháp phân tích ............................................................................29 1.4.1. Phân tích cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét – SEM ........................29 1.4.2. Phân tích thành phần khoáng bằng nhiễu xạ tia Rơn-ghen (XRD) ..........30 1.4.3. Phân tích nhiệt vi sai DTA và nhiệt trọng lƣợng TG ...............................31 1.4.4. Tính chất cơ lý của sản phẩm ...................................................................32 Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................36 3
Chƣơng 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..........................................................37 2.1. Nhiệm vụ nghiên cứu......................................................................................37 2.2. Nghiên cứu thực nghiệm.................................................................................38 2.2.1. Sơ đồ nghiên cứu ......................................................................................38 2.2.2. Nguyên liệu và phụ gia sử dụng trong nghiên cứu ..................................39 2.2.3. Chuẩn bị phối liệu ....................................................................................41 2.2.4. Tạo hình mẫu ............................................................................................41 2.2.5. Gia công nhiệt ..........................................................................................42 2.2.6. Phân tích mẫu ...........................................................................................43 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................46 3.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sự phân hủy gibbsite ........................................46 3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sự hình thành khoáng .......................................47 3.3. Ảnh hƣởng của chế độ gia nhiệt đến khối lƣợng thể tích, độ co toàn phần và độ co phụ ................................................................................................................49 3.3.1. Chế độ gia công nhiệt lƣu một bậc ...........................................................49 3.3.2. Chế độ gia công nhiệt lƣu hai bậc ............................................................53 3.4. Ảnh hƣởng của chế độ gia công nhiệt đến cƣờng độ kháng nén ...................59 3.5. Ảnh hƣởng của chế độ gia công nhiệt đến độ co phụ ....................................60 3.6. Ảnh hƣởng của chế độ gia công nhiệt đến hình thái cấu trúc vật liệu............62 Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP THỬ SẢN PHẨM ................................65 KẾT LUẬN ...............................................................................................................67 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................69 PHỤ LỤC ..................................................................................................................71 4
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Tính chất của các loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt phân loại theo tiêu chuẩn JIS R2611 – 92 ...............................................................................................12 Bảng 2: Tính chất của các loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt phân loại theo tiêu chuẩn ASTM C155 – 97 (2002).................................................................................13 Bảng 3: Đặc tính các loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt theo phân loại của Nga ......13 Bảng 4: Tính chất vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm theo tiêu chuẩn ΓOCT 5040 – 96 ...................................................................................................................14 Bảng 5: Các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu chịu lửa cách nhiệt Samot .....................14 Bảng 6: Các tính chất hóa lý của các hydroxit nhôm ...............................................16 Bảng 7: Một số tính chất của các dạng oxit nhôm....................................................18 Bảng 8: Thành phần hóa của gibbsite Trung Quốc ..................................................40 Bảng 9: Thành phần cỡ hạt gibbsite Trung Quốc.....................................................40 Bảng 10: Thành phần khoáng gibbsite Trung Quốc .................................................40 Bảng 11: Bài phối liệu theo tỷ lệ % khối lượng ........................................................41 Bảng 12: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung cuối đến khối lượng thể tích và độ co toàn phần của các mẫu lưu một bậc .................................................................................49 Bảng 13: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian lưu đến khối lượng thể tích và độ co toàn phần của các mẫu lưu một bậc................................................................51 Bảng 14: Tính chất cơ lý của các mẫu lưu hai bậc tại 1250ºC và 1450ºC ..............54 Bảng 15: Tính chất cơ lý của các mẫu lưu hai bậc tại 1300ºC và 1450ºC ..............55 Bảng 16: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung bậc hai đến khối lượng thể tích, cường độ nén .............................................................................................................................58 Bảng 17: Ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt đến cường độ kháng nén của mẫu ........59 Bảng 18: Ảnh hưởng của chế độ gia công nhiệt đến độ co phụ ở 1550ºC lưu 2h của mẫu ............................................................................................................................61 Bảng 19: Chế độ gia công nhiệt để tổng hợp thử sản phẩm vật liệu chịu lửa corun xốp .............................................................................................................................65 Bảng 20: Thông số cơ lý của sản phẩm vật liệu chịu lửa corun xốp tổng hợp thử ..66 5
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Cấu trúc của gibbsite ..................................................................................17 Hình 2: Cấu trúc của boehmite .................................................................................17 Hình 3: Cấu trúc của diaspor ...................................................................................18 Hình 4: Cấu trúc của alpha oxit nhôm ....................................................................19 Hình 5: Cấu trúc của beta oxit nhôm ........................................................................20 Hình 6: Sơ đồ quá trình tinh luyện oxit nhôm ...........................................................21 Hình 7: Mô hình kết khối theo Kingery .....................................................................27 Hình 8: Mô hình kết khối của ba hạt ........................................................................28 Hình 9: Sơ đồ nhiễu xạ tia X qua mạng tinh thể .......................................................30 Hình 10: Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng TG của gibbsite ...............................46 Hình 11: Kết quả phân tích XRD của mẫu lưu 3h tại 1250ºC (a), lưu 3h tại 1450ºC (b) ..............................................................................................................................48 Hình 12: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung cuối đến khối lượng thể tích của các mẫu lưu một bậc ................................................................................................................50 Hình 13: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung cuối đến độ co toàn phần của các mẫu lưu một bậc ......................................................................................................................50 Hình 14: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian lưu đến khối lượng thể tích của các mẫu lưu một bậc .................................................................................................52 Hình 15: Ảnh hưởng của thời gian lưu tại bậc một (1250ºC) đến khối lượng thể tích và độ co phụ ..............................................................................................................54 Hình 16: Ảnh hưởng của thời gian lưu tại bậc một (1300ºC) đến khối lượng thể tích và độ co phụ ..............................................................................................................56 Hình 17: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tại bậc một đến khối lượng thể tích ...........57 Hình 18: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tại bậc một đến độ co phụ ........................57 Hình 19: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tại bậc hai đến khối lượng thể tích và cường độ của mẫu. ...............................................................................................................59 Hình 20: Ảnh hưởng của chế độ gia công nhiệt đến cường độ kháng nén của mẫu 60 6
Hình 21: So sánh ảnh hưởng của chế độ gia công nhiệt tại 1450ºC và 1550ºC đến độ co phụ của mẫu ....................................................................................................61 Hình 22: Ảnh SEM của Gibbsite, mẫu 0 (độ phóng đại 30.000 lần), mẫu 1 (độ phóng đại 5000 lần) ..................................................................................................62 Hình 23: Ảnh SEM của mẫu gia công nhiệt lưu một bậc, mẫu a (1250ºC – 3h), b (1450ºC – 3h) ............................................................................................................62 Hình 24: Ảnh SEM của mẫu gia công nhiệt hai bậc c (1250ºC – 3h và 1450ºC – 3h), d (1250ºC – 12h và 1450ºC – 3h) .....................................................................63 Hình 25: Ảnh SEM của mẫu gia công nhiệt một bậc e (1500ºC – lưu 3 h) và gia công nhiệt hai bậc f (1250ºC – 12h và 1500ºC – 3h )...............................................63 Hình 26: Vật liệu chịu lửa corun xốp tổng hợp thử ..................................................66 7
MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Vật liệu chịu lửa cách nhiệt đã đƣợc sử dụng rất rộng rãi dƣới dạng gạch từ năm 1928 – 1935 [2]. Ngày nay, vật liệu chịu lửa cách nhiệt đã đƣợc mở rộng bao gồm gạch định hình và bông sợi gốm dùng để cách nhiệt trong các lò nung, hệ thống ống dẫn khí nóng... Cùng với các loại thiết bị (đặc biệt là lò nung) ra đời làm việc ở nhiệt độ ngày càng cao, đòi hỏi song hành với nó là hệ thống vật liệu chịu lửa, vật liệu cách nhiệt phải làm việc tốt ở nhiệt độ cao đó. Trong ứng dụng thực tiễn có rất nhiều loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt nhƣ: samot nhẹ, đinat nhẹ… Tuy nhiên, để có thể làm việc ở nhiệt độ cao cần phải sử dụng các loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt đặc biệt nhƣ: các loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm, vật liệu chịu lửa cách nhiệt zircon… trong đó phải kể tới vật liệu chịu lửa corun xốp. Vật liệu corun xốp là loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt có thành phần chính là α – Al2O3. Chúng có ƣu điểm lớn nhất đó là tính bền nhiệt cao (nhiệt độ làm việc lên tới 1850ºC). Hiện nay, công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm với hàm lƣợng oxit nhôm > 99% thƣờng đi từ nguồn nguyên liệu là các loại oxit nhôm tinh khiết đồng thời sử dụng các loại phụ gia tạo xốp sạch (đƣợc loại bỏ hoàn toàn khi gia công nhiệt). Tuy nhiên công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm đặc biệt là loại vật liệu chịu lửa corun xốp có hàm lƣợng oxit nhôm > 99% vẫn là vấn đề không đơn giản trong việc tạo đƣợc lỗ xốp đồng đều về kích thƣớc và phân bố, khả năng tái kết khối dẫn đến co thể tích trong quá trình sử dụng ở nhiệt độ cao. Từ cơ sở lý thuyết về vật liệu chịu lửa cách nhiệt và đặc điểm của gibbsite (Al2O3.3H2O), học viên lựa chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu chịu lửa corun xốp từ nguyên liệu gibbsite” với trọng tâm của đề tài đƣợc xác định là: sử dụng gibbsite để chế tạo vật liệu chịu lửa corun xốp, trong đó gibbsite giữ vai trò vừa là nguyên liệu đầu vừa là tác nhân tạo xốp. Và vật liệu chịu lửa corun xốp 8
này đƣợc nghiên cứu chế tạo, ổn định cấu trúc ở nhiệt độ thấp hơn để có thể sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thông qua quá trình gia công nhiệt. 2. Lịch sử nghiên cứu - Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm trên thế giới. Có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo các sản phẩm vật liệu chịu lửa cách nhiệt có hàm lƣợng oxit nhôm > 99%. Qua các kết quả nghiên cứu đã công bố cho biết, đối với các loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt có hàm lƣợng oxit nhôm > 99% thƣờng đi từ các loại nguyên liệu chính là oxit nhôm tinh khiết và sử dụng các loại phụ gia tạo xốp: phụ gia cháy, phụ gia tạo bọt… Mỗi phƣơng pháp khác nhau sẽ cho sản phẩm vật liệu chịu lửa cách nhiệt có các tính chất: độ xốp, khối lƣợng thể tích, độ chịu lửa… rất khác nhau. Nhƣng nhìn chung để tạo vật liệu chịu lửa cách nhiệt có hàm lƣợng oxit nhôm > 99% vẫn là một vấn đề phức tạp, khó ứng dụng trong thực tiễn. Từ những năm 1990, T. M. Sandutsa and L. A. Dergaputskaya đã nghiên cứu và chế tạo sản phẩm vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm với hàm lƣợng oxit nhôm > 99% vật liệu đƣợc tạo xốp bằng cách sử dụng nguyên liệu là oxit nhôm và phụ gia cháy là các hạt polystyrene. Vật liệu tạo đƣợc có khối lƣợng thể tích từ 1,1 – 1,8 g/cm3 [10] tùy thuộc vào hàm lƣợng, kích thƣớc của các hạt tác nhân tạo xốp đƣa vào. Các sản phẩm thu đƣợc có thể làm việc tới 1750ºC. Năm 2013, nhóm tác giả ToruShimizu, KazuhiroMatsuura, HarumiFurue, KunioMatsuzak đã đƣa ra phƣơng pháp sử dụng phụ gia tạo bọt để sản xuất vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm có độ xốp cao. Nguyên liệu đƣợc sử dụng là oxit nhôm (dạng α – Al2O3), vật liệu đƣợc tạo xốp bằng cách sử dụng chất tạo bọt n- Pentan (ngoài ra còn có các loại phụ gia tăng cƣờng độ mộc – keo PVA, chất hoạt động bề mặt…) theo phƣơng pháp này sản phẩm thu đƣợc có hàm lƣợng oxit nhôm cao nhất lên tới 92,2%, độ xốp tổng 93% và khối lƣợng thể tích đạt 0,27 g/cm3 [11]. 9
Năm 2015 [13], từ những đặc tính của gibbsite nhóm tác giả A.D.V.Souza.L, L.Sousa, L.Fernandes, P.H.L.Cardoso, RafaelSalomão đã nghiên cứu tạo vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm có sử dụng gibbsite với vai trò là nhân tạo xốp. gibbsite đƣợc sử dụng nhiều nhất tới 67,5%, khi tăng hàm lƣợng gibbsite trong bài phối liệu dẫn tới độ xốp tổng của vật liệu tăng lên từ 40% (mẫu không có gibbsite – nung ở 1500ºC) lên 55% (mẫu chứa 67,5% gibbsite – nung ở 1500ºC). Tuy nhiên, cƣờng độ của mẫu giảm từ 43 Mpa (mẫu không có gibbsite – nung ở 1500ºC) xuống 20 Mpa (mẫu chứa 70% gibbsite - 1500ºC) và vấn đề ổn định cấu trúc vật liệu khi sử dụng lâu dài ở nhiệt độ cao hơn vẫn là câu hỏi còn tồn tại. - Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm tại Việt Nam. Tại Việt Nam, chƣa có công trình nghiên cứu nào về công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa corun xốp. Đây vẫn là một vấn đề khoa học mới, quan trọng và phức tạp cần đƣợc nghiên cứu. 3. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu Luận văn làm sáng tỏ sự ảnh hƣởng của quá trình gia công nhiệt tới quá trình dehydrat hóa gibbsite, sự hình thành α - Al2O3 và đặc biệt là hình thái tập hợp tinh thể α - Al2O3. Vấn đề này có ý nghĩa lớn trong quá trình sản xuất vật liệu chịu lửa corun xốp có hệ thống các lỗ xốp nhỏ và phân bố đều trong sản phẩm, có cấu trúc ổn định khi làm việc ở nhiệt độ cao. 10
Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về vật liệu chịu lửa cách nhiệt 1.1.1. Định nghĩa vật liệu chịu lửa cách nhiệt Vật liệu chịu lửa cách nhiệt là một loại vật liệu chịu lửa có độ dẫn nhiệt thấp và thƣờng có cấu trúc xốp. Ngày nay vật liệu chịu lửa cách nhiệt đã mở rộng và bao gồm gạch định hình và bông sợi gốm chịu lửa. 1.1.2. Vai trò của vật liệu chịu lửa cách nhiệt Vật liệu chịu lửa cách nhiệt có vai trò rất quan trọng và ngày một phát triển bởi những ƣu điểm chính của chúng:  Tiết kiệm đƣợc nhiều nhiên liệu do giảm tổn thất nhiệt ra môi trƣờng xung quanh cũng nhƣ nhiệt nung nóng tƣờng lò.  Khối lƣợng tƣờng lò giảm đi do vật liệu xây tƣờng thuộc loại nhẹ và chiều dày tƣờng cũng giảm đi.  Nhờ giảm tổn thất nhiệt nên nhanh đạt nhiệt độ, rút ngắn thời gian nung trong lò. Từ những ƣu điểm đó, vật liệu chịu lửa cách nhiệt đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lò nung, lò hấp, lò ủ, sấy… Tùy thuộc vào tính chất của từng loại vật liệu, chúng sẽ đƣợc sử dụng hợp lý. Tùy theo điều kiện hoạt động của thiết bị nhiệt mà có thể dùng toàn bộ hay một phần vật liệu chịu lửa cách nhiệt trong xây dựng. Nếu điều kiện không cho phép thì mặt trong, nơi tiếp xúc với môi trƣờng có nhiệt độ cao sẽ đƣợc xây dựng bằng gạch đặc còn phía ngoài dùng vật liệu chịu lửa cách nhiệt. 1.1.3. Phân loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt Việc phân loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt ở các nƣớc khác nhau cũng không giống nhau vì dựa trên các tiêu chí khác nhau. Nhật Bản phân loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt theo tiêu chuẩn JIS R2611 – 92. 11
Bảng 1: Tính chất của các loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt phân loại theo tiêu chuẩn JIS R2611 – 92 Nhiệt độ mà tại đó độ Độ dẫn nhiệt ở Khối lƣợng thể tích Loại co phụ không quá 2% 350 ± 10ºC (g/cm3) (ºC) (W/m.K) A1 900 ≤ 0,50 0,15 A2 1000 ≤ 0,50 0,16 A3 1100 ≤ 0,50 0,17 Nhóm A4 1200 ≤ 0,55 0,19 A A5 1300 ≤ 0,60 0,20 A6 1400 ≤ 0,70 0,23 A7 1500 ≤ 0,75 0,26 B1 900 ≤ 0,70 0,20 B2 1000 ≤ 0,70 0,21 B3 1100 ≤ 0,75 0,23 Nhóm B4 1200 ≤ 0,80 0,26 B B5 1300 ≤ 0,80 0,27 B6 1400 ≤ 0,90 0,31 B7 1500 ≤ 1,00 0,36 C1 1300 ≤ 1,10 0,35 Nhóm C2 1400 ≤ 1,20 0,44 C C3 1500 ≤ 1,25 0,52 Mỹ phân loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt theo tiêu chuẩn ASTM C155 – 97 (2002), vật liệu chịu lửa cách nhiệt đƣợc phân thành tám nhóm: 16, 20, 23, 26, 28, 30, 32 và 33. 12
Bảng 2: Tính chất của các loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt phân loại theo tiêu chuẩn ASTM C155 – 97 (2002) Nhiệt độ mà tại đó độ co Khối lƣợng thể tích Nhóm phụ không quá 2% (ºC) (g/cm3) 16 845 ≤ 0,54 20 1065 ≤ 0,64 23 1230 ≤ 0,77 26 1400 ≤ 0,86 28 1510 ≤ 0,96 30 1620 ≤ 1,09 32 1730 ≤ 1,52 33 1790 ≤ 1,52 Nga lại phân loại theo từng loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt cụ thể nhƣ bảng 3 và còn nhiều loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt không nằm trong bảng phân loại. Bảng 3: Đặc tính các loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt theo phân loại của Nga Kiểu gạch Cao Các đặc tính Samot và bán axit Đinat lanh A-1,3 B-1,3 B-1,0 B-0,9 B-0,4 C-1,3 D-1,2 Độ chịu lửa không nhỏ 1750 1670 1670 1670 1670 1670 1670 hơn, ºC Khối lƣợng thể tích 1,3 1,3 1,0 0,8 0,4 1,3 1,2 không lớn hơn, g/cm3 Độ co Ở nhiệt độ, ºC 1400 1350 1300 1270 1150 1400 1550 phụ Không quá % 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Cƣờng độ nén không 45 35 30 20 10 35 35 nhỏ hơn, kg/cm2 13
Trong đó, các tính chất của vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm của Nga đƣợc thể hiện trong tiêu chuẩn ΓOCT 5040 – 96. Bảng 4: Tính chất vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm theo tiêu chuẩn ΓOCT 5040 – 96 Chỉ tiêu Đơn vị ΓOCT 5040 – 96 Hàm lƣợng Al2O3 % 90 95 Khối lƣợng thể tích g/cm3 1,1 1,3 Độ dẫn nhiệt: 350 ± 25ºC W/m.K 0,55 0,8 650 ± 25ºC 0,55 0,8 Đối với nƣớc ta việc phân loại sản phẩm vật liệu chịu lửa cách nhiệt đang đƣợc thiết lập tiêu chuẩn để phân loại nhƣ sau: Bảng 5: Các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu chịu lửa cách nhiệt Samot Loại gạch Tên chỉ tiêu Nhóm A Nhóm B Nhóm C A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 Khối lƣợng thể tích không lớn 0,50 0,55 0,60 0,70 0,75 0,80 0,80 0,90 1,10 1,20 hơn, g/cm3 Độ bền nén nguội không nhỏ 0,50 0,80 0,80 1,0 2,40 2,40 2,40 3,0 4,90 6,90 hơn, N/mm2 Nhiệt độ sử dụng 1100 1200 1300 1400 1100 1200 1300 1400 1300 1400 cao nhất Độ co phụ theo chiều dài, ở nhiệt 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 độ sử dụng cao 14
nhất, %, không lớn hơn Độ dẫn nhiệt ở 350ºC ± 10ºC 0,17 0,19 0,20 0,23 0,23 0,26 0,27 0,31 0,35 0,44 (W/m.K) Tuy nhiên có rất nhiều sản phẩm chịu lửa cách nhiệt không thuộc vào 3 nhóm trên, ví dụ vật liệu chịu lửa cách nhiệt cao nhôm hay từ một số oxit khác. Những sản phẩm này đƣợc sản xuất theo thỏa thuận giữa nhà sản xuất và ngƣời sử dụng. 1.1.4. Phương pháp tạo xốp cho vật liệu chịu lửa cách nhiệt Vật liệu chịu lửa cách nhiệt định hình cần có khối lƣợng thể tích thấp đồng nghĩa với độ xốp của chúng phải cao, lỗ xốp phải nhỏ, kín phân bố đồng đều trong sản phẩm. Tuy nhiên, khối lƣợng thể tích giảm đến mức vẫn đảm bảo cƣờng độ nhất định, độ bền sốc nhiệt và nhiệt độ biến dạng dƣới tải trọng. Thông thƣờng gạch chịu lửa cách nhiệt có khối lƣợng thể tích nhỏ hơn 1,3 g/cm3. Tuy nhiên cũng có loại sản phẩm đi từ oxit tƣơng đối sạch với khối lƣợng thể tích lớn hơn 1,3 g/cm3 song độ xốp tƣơng đối cao. Để sản xuất các sản phẩm cách nhiệt cần tìm ra phƣơng pháp tạo ra các lỗ xốp bên trong sản phẩm. Các biện pháp đó đƣợc chia thành ba loại: - Phƣơng pháp dùng phụ gia cháy - Phƣơng pháp dùng chất tạo bọt - Phƣơng pháp hóa học 1.1.4.1. Phương pháp dùng phụ gia cháy Phƣơng pháp dùng phụ gia cháy là chúng ta cho thêm các loại phụ gia hữu cơ vào phối liệu, ở nhiệt độ cao các phụ gia hữu cơ đó cháy và để lại lỗ xốp trong sản phẩm. Một số phụ gia cháy nhƣ: mùn cƣa, than cốc ít tro, bột trấu, một số loại hạt xốp hữu cơ… 15
1.1.4.2. Phương pháp dùng chất tạo bọt Phƣơng pháp này dùng để sản xuất các sản phẩm có độ xốp lớn, các lỗ xốp này tạo thành các bọt nhƣ dạng tổ ong ở trong sản phẩm bằng cách cho vào phối liệu chất tạo bọt. Bọt là cấu tử chủ yếu có ảnh hƣởng quyết định lên tính chất sản phẩm. Phối liệu đƣợc thêm nƣớc đến lúc tạo thành hồ quánh, sau đó trộn với bọt sản xuất trong thiết bị đặc biệt. Từ hồ đã bão hòa bọt ngƣời ta đúc sản phẩm trong khuôn sau đó đem sấy và nung. 1.1.4.3. Phương pháp hóa học Với phƣơng pháp hóa học ngƣời ta dùng phản ứng hóa học tỏa ra khí trong huyền phù. Có rất nhiều quá trình hóa học tỏa khí nhƣng các nhóm hay dùng là phản ứng giữa cacbonat và axit để tỏa khí CO2. Phản ứng giữa Al, Ca, Mg, Zn…Với axit hoặc kiềm kèm theo tỏa khí H2. 1.2. Cơ sở khoa học của vật liệu chịu lửa corun xốp 1.2.1. Dạng tồn tại của hydroxit nhôm Hydroxit nhôm tồn tại ở dạng tinh thể đƣợc chia làm 3 loại: gibbsite (hidrargillite) Al2O3.3H2O, boehmite và diaspor đều có công thức chung là Al2O3.H2O. Tính chất lý học của các hydroxit nhôm này trong bảng 6 Bảng 6: Các tính chất hóa lý của các hydroxit nhôm [2] Hàm lƣợng Al2O3 Khối lƣợng riêng Dạng hydroxit nhôm (% lý thuyết) (g/cm3) Gibbsite (Hidrargillite) Al2O3.3H2O 65,4 2,3 – 2,4 Boehmite Al2O3.H2O 85,0 3,01 Diaspor Al2O3.H2O 85,0 3,3 – 3,4 1.2.1.1. Gibbsite Gibbsite kết tinh trong hệ đơn tà, không màu hoặc có màu xanh lá cây nhạt, xanh da trời nhạt, ánh thủy tinh, độ cứng 2,5 – 3, khi nung nóng tới 290 – 340ºC nó mất 2H2O thành boehmite [2]. 16
Thông số của ô mạng cơ sở: a = 8,684 Aº; b = 5,078 Aº; c = 9,136 Aº [9] : (Al3+) : (OH-) Hình 1: Cấu trúc của gibbsite [9] 1.2.1.2. Boehmite Boehmite kết tinh ở dạng trực thoi, độ cứng 3,5 – 4, màu thay đổi từ không màu tới vàng nhạt. Khi nung nóng tới 490 – 550ºC nó chuyển thành γ – Al2O3 [2]. Thông số của ô mạng cơ sở: a = 2,868 Aº; b = 1,223 Aº; c = 3,692 Aº [9] : (Al3+) : (OH-) Hình 2: Cấu trúc của boehmite [9] 17
1.2.1.3. Diaspor Diaspor kết tinh ở dạng trực thoi, độ cứng 6,5 – 7 màu thay đổi từ trắng tới vàng nâu. Khi chuyển sang dạng α – Al2O3 thể tích của nó giảm 33% [2]. Thông số của ô mạng cơ sở: a = 4,396 Aº; b = 9,426 Aº; c = 2,844 Aº [9] : (Al3+) : (OH-) Hình 3: Cấu trúc của diaspor [9] 1.2.2. Dạng tồn tại của Oxit nhôm Oxit nhôm có nhiều dạng thù hình α – Al2O3, β – Al2O3, γ – Al2O3, θ– Al2O3,κ – Al2O3, δ– Al2O3 [9]. Tuy nhiên, ở đây chúng ta xét tới 3 dạng thù hình chính: α, β, γ – Al2O3, trong đó chỉ có dạng α và γ – Al2O3 là dạng tinh khiết, còn dạng β – Al2O3 chỉ tạo ra do có mặt của tạp chất kiềm hay kiềm thổ. Bảng 7: Một số tính chất của các dạng oxit nhôm [2] Dạng oxit Hàm lƣợng Al2O3 Khối lƣợng Biến đổi khi đốt nóng (ºC) nhôm (% lý thuyết) riêng (g/cm3) γ-Al2O3 100,0 3,42 – 3,47 ở 900 – 1200ºC chuyển sang dạng α α-Al2O3 100,0 3,99 – 4,0 Bền vững Hơn 1600ºC phân hủy thành dạng α β-Al2O3 94,0 3,3 và chất nóng chảy. 18