I. Vật Liệu Chịu Lửa Manhêzi Cacbon Tổng Quan và Ưu Điểm
Trong những năm gần đây, gạch chịu lửa liên kết cacbon, đặc biệt là gạch manhêzi-cacbon (MC), đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chủ yếu là công nghiệp luyện kim. Điều này là do một số đặc tính ưu việt của gạch MC như: độ bền xỉ cao, tính ổn định nhiệt tương đối lý tưởng, tính truyền dẫn nhiệt và xít đặc về mặt cấu trúc rất cao. Nhờ đó, nó được sử dụng rộng rãi trong lò chuyển luyện thép, lò điện và lò nồi tinh luyện thép để làm lớp lót chịu lửa. Một trong những lợi ích của việc kết hợp graphite với clanhke manhêzi là chúng tạo ra sản phẩm có khả năng ngăn cản sự ăn mòn xỉ và thẩm thấu xỉ nóng chảy do graphite và xỉ nóng chảy có góc thấm ướt rất lớn. Theo luận văn, việc kết hợp graphite còn mang lại khả năng hoàn nguyên Fe2O3, SiO2.
1.1. Cấu Tạo và Thành Phần Chính của Vật Liệu MC
Gạch MC là vật liệu composite kết hợp giữa clanhke manhêzi và graphite. Clanhke manhêzi đóng vai trò là thành phần chịu lửa chính, trong khi graphite tăng cường khả năng chống sốc nhiệt và chống ăn mòn xỉ. Tỷ lệ graphite trong gạch MC thường dao động từ 5% đến 25%, tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng cụ thể. Việc lựa chọn loại clanhke và graphite phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng của gạch MC.
1.2. Ưu Điểm Vượt Trội của Gạch Manhêzi Cacbon Trong Luyện Kim
Gạch MC sở hữu nhiều ưu điểm so với các loại vật liệu chịu lửa khác. Khả năng chống ăn mòn xỉ cao giúp kéo dài tuổi thọ của lớp lót lò. Tính ổn định nhiệt tốt giảm thiểu tình trạng nứt vỡ do sốc nhiệt. Ngoài ra, tính truyền dẫn nhiệt cao giúp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trong quá trình luyện kim. Những ưu điểm này giúp gạch MC trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng chịu nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt.
II. Thách Thức và Vấn Đề Độ Bền Oxy Hóa của Gạch MC
Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, gạch MC vẫn tồn tại một nhược điểm lớn là tính năng bền oxy hóa thấp. Điều này dẫn đến hạn chế tuổi thọ sử dụng và mức độ tiêu hao lớn. Cacbon trong gạch MC dễ bị oxy hóa ở nhiệt độ cao, làm giảm độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn của vật liệu. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng trong môi trường có hàm lượng oxy cao. Do đó, việc nâng cao khả năng bền oxy hóa của gạch MC là một trong những nhiệm vụ công nghệ quan trọng cần được tập trung nghiên cứu.
2.1. Cơ Chế Oxy Hóa Cacbon trong Gạch Manhêzi Cacbon
Oxy hóa cacbon trong gạch MC là một quá trình phức tạp, diễn ra theo nhiều giai đoạn. Ở nhiệt độ cao, cacbon phản ứng với oxy tạo thành CO và CO2, làm giảm hàm lượng cacbon trong vật liệu. Quá trình này diễn ra nhanh hơn ở bề mặt gạch, dẫn đến sự hình thành lớp tro và làm suy yếu cấu trúc của vật liệu. Các tạp chất trong graphite cũng có thể xúc tác cho quá trình oxy hóa.
2.3 Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng gạch chịu lửa manhêzi cacbon
Gạch chịu lửa MC được người Nhật phát minh vào những năm đầu thập kỷ 70 khi nghiên cứu gạch chịu lửa sử dụng cho lò điện luyện thép. Sau sáu năm tiến hành nghiên cứu thí nghiệm gạch MC đã chính thức được đưa vào ứng dụng để xây lò điện luyện thép từ đó mở ra giai đoạn sử dụng rộng rãi vật liệu chịu lửa phức hợp MC cho lò chuyển luyện thép. Giai đoạn đầu, gạch MC được chế tạo có hàm lượng cacbon xấp xỉ 8%, hiện nay đã tăng lên đến 20 – 25%. Gạch MC thuộc chủng loại gạch không nung, nguyên liệu chủ yếu là sản clanhke manhêzi và graphite dạng vảy, sử dụng chất kết dính dạng nhiệt rắn, có hoặc không thêm chất chống oxy hóa.
III. Phương Pháp Nâng Cao Độ Bền Oxy Hóa Vật Liệu Manhêzi Cacbon
Để giải quyết vấn đề độ bền oxy hóa thấp, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và ứng dụng để nâng cao khả năng chống oxy hóa của gạch MC. Các phương pháp này tập trung vào việc bảo vệ cacbon khỏi sự oxy hóa bằng cách sử dụng các chất phụ gia chống oxy hóa, cải thiện cấu trúc vật liệu, và tạo lớp bảo vệ trên bề mặt gạch.
3.1. Sử Dụng Chất Phụ Gia Chống Oxy Hóa Antioxydant
Các chất phụ gia chống oxy hóa như Si, Al, Mg, và các hợp chất của chúng có khả năng tạo thành lớp màng bảo vệ trên bề mặt cacbon, ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp với oxy. Các chất này cũng có thể phản ứng với oxy trước cacbon, làm giảm tốc độ oxy hóa của cacbon. Theo luận văn, việc sử dụng đồng thời Si và 3% Al mang lại tính năng chống oxy hóa cao.
3.2. Cải Thiện Cấu Trúc Vật Liệu Tối Ưu Cấp Phối Hạt
Cấu trúc vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát độ bền oxy hóa. Việc tối ưu cấp phối hạt clanhke manhêzi và graphite giúp giảm độ xốp của vật liệu, hạn chế sự xâm nhập của oxy vào bên trong gạch. Sử dụng clanhke có độ tinh khiết cao và kích thước tinh thể lớn cũng góp phần cải thiện độ bền oxy hóa. Cần lưu ý đến thí nghiệm xác định áp lực ép hợp lý,lượng chất kết dính hợp lý,thời gian trộn hợp lý,nhiệt độ sấy và thời gian lưu nhiệt hợp lý để tìm ra cấp phối tối ưu nhất.
IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu Chế Tạo Gạch MC
Luận văn đã triển khai nghiên cứu thực nghiệm chế tạo gạch MC với các thành phần và tỷ lệ khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến tính chất của vật liệu. Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng chất phụ gia chống oxy hóa, tối ưu cấp phối hạt, và kiểm soát chặt chẽ các thông số công nghệ có thể cải thiện đáng kể độ bền oxy hóa của gạch MC. Cụ thể, đã có những thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần cấp phối hạt đến tính chất của mẫu.
4.1. Ảnh Hưởng của Graphite và Chất Phụ Gia Đến Tính Chất
Hàm lượng graphite và loại chất phụ gia chống oxy hóa có ảnh hưởng lớn đến độ bền oxy hóa và các tính chất khác của gạch MC. Tăng hàm lượng graphite có thể cải thiện khả năng chống sốc nhiệt, nhưng đồng thời cũng làm tăng độ xốp và dễ bị oxy hóa. Do đó, cần lựa chọn hàm lượng graphite phù hợp và kết hợp với các chất phụ gia chống oxy hóa để đạt được hiệu quả tối ưu.
4.2. So Sánh Kết Quả Nghiên Cứu và Các Sản Phẩm Tương Tự
Kết quả nghiên cứu được so sánh với các sản phẩm gạch MC tương tự được sản xuất trong và ngoài nước để đánh giá tính cạnh tranh và khả năng ứng dụng thực tế của sản phẩm. Việc so sánh này giúp xác định những ưu điểm và nhược điểm của sản phẩm, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến để nâng cao chất lượng và hiệu quả sử dụng.
4.3 Các loại nguyên liệu và phụ gia sử dụng trong nghiên cứu
Clanhke manhêzi kết khối Trung Quốc (DBM 90),Clanhke manhêzi điện chảy Trung Quốc - (FM97),Clanhke manhêzi điện chảy Trung Quốc độ sạch cao, (FM98),Clanhke manhêzi kết khối (Công ty điện chảy Huanghe) ,Graphite Yên Bái và Trung Quốc,Bột Si kim loại (AO1),Bột Al kim loại (AO2)
V. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Vật Liệu Manhêzi Cacbon
Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo gạch MC với độ bền oxy hóa được cải thiện thông qua việc sử dụng chất phụ gia chống oxy hóa và tối ưu hóa cấu trúc vật liệu. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi gạch MC trong các ngành công nghiệp luyện kim, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí bảo trì. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn để tiếp tục cải thiện tính chất và mở rộng phạm vi ứng dụng của gạch MC.
5.1. Hướng Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu MC Chịu Nhiệt Cao
Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng là phát triển vật liệu MC có khả năng chịu nhiệt cao hơn để đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của các lò luyện. Điều này đòi hỏi việc tìm kiếm các loại clanhke manhêzi và graphite có điểm nóng chảy cao hơn, cũng như các chất phụ gia có khả năng ổn định cấu trúc vật liệu ở nhiệt độ cao.
5.2. Nghiên Cứu Vật Liệu MC Thân Thiện Với Môi Trường
Trong bối cảnh các quy định về bảo vệ môi trường ngày càng được thắt chặt, việc nghiên cứu phát triển vật liệu MC thân thiện với môi trường là vô cùng cần thiết. Điều này đòi hỏi việc sử dụng các nguyên liệu tái chế, giảm thiểu phát thải khí độc hại trong quá trình sản xuất và sử dụng, cũng như tìm kiếm các chất kết dính thay thế cho nhựa phenol formaldehyde.
