Chương 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về vật liệu chịu lửa cách nhiệt 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 Luận văn Khoa học Nghiên cứu gồm gạch định hình và bông sợi gốm chịu lửa.
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. 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) Luận văn Khoa học Nghiên cứu 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 Luận văn Khoa học Nghiên cứu 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 Luận văn Khoa học Nghiên cứu 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) Luận văn Khoa học Nghiên cứu 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. 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. 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. 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 Luận văn Khoa học Nghiên cứu trong thiết bị đặc biệt.
Từ hồ đã bão hòa bọt ngƣời ta đúc sản phẩm trong khuôn sau đó đem sấy và nung. 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.
Cơ sở khoa học của vật liệu chịu lửa corun xốp 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. 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. 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-) Luận văn Khoa học Nghiên cứu Hình 1: Cấu trúc của gibbsite [9] 1. 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.
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] Luận văn Khoa học Nghiên cứu : (Al3+) : (OH-) Hình 3: Cấu trúc của diaspor [9] 1. 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. Alpha oxit nhôm (α – Al2O3) Cấu trúc của α – Al2O3: hệ lục phƣơng – nhóm R3c [9] Ô mạng cơ sở có các thông số: a = b = 4,76 Aº; c = 12,99 Aº; Z = 6 [8]. Luận văn Khoa học Nghiên cứu : (Al3+) : (O2-) Hình 4: Cấu trúc của alpha oxit nhôm [9] 1.
Gamma oxit nhôm (γ – Al2O3) γ – Al2O3 kết tinh ở hệ lập phƣơng có khối lƣợng riêng 3,47 – 3,5 (g/cm3) cũng có khi tới 3,65 (g/cm3).