Bài giảng Vật liệu nhiệt lạnh - Chương 2: Vật liệu chịu lửa - Hà Anh Tùng

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu nhiệt lạnh - Chương 2: Vật liệu chịu lửa - Hà Anh Tùng

1. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Chương 2: VẬT LIỆU CHỊU LỬA 2.1 Giới thiệu về VLCL – Phân loại 2.2 Các tính chất cơ bản của VLCL 2.3 Đặc tính một số loạiVLCLthường gặp p.1
2. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2.1 Giới thiệu về VLCL – Phân loại ¾ VLCL là vật liệu dùng để xây dựng các lò công nghiệp, các ghi đốt, các thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao (>1000oC) trong thời gian dài. Ứng dụng Công nghiệp luyện kim, nhiệt điện, sành sứ, thủy tinh, sản xuất xi măng, vv p.2
3. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Ví dụ: Nhà máy nhiệt điện Buồng đốt của lò hơi là nơi phải chịu nhiệt độ cao nhất VLCL p.3
4. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Minh họa lò hơi ống nước VLCL p.4
5. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Phân loạiVLCL 1/ Nhóm silic: Gồm 2 nhóm nhỏ là dinat và thạch anh 2/ Nhóm Alumôsilicat: Gồm 3 nhóm nhỏ: Bán axit, samôt, cao alumin 3/ Nhóm Manhêdi: Gồm 4 nhóm nhỏ: Đôlômit, Forsterit, Spinen, manhêdi 1. Theo bản 8 nhóm 4/ Nhóm crômit: Gồm 2 nhóm nhỏ: Crômit, crôm manhêdi chất hóa lý chính 5/ Nhóm Zircôn: Gồm 2 nhóm nhỏ: Silicat Zircôn (ZrSiO4) và Zircôn (ZrO2) 6/ Nhóm cácbon: Gồm 2 nhóm nhỏ: Cốc và Grafit 7/ Nhóm Cacbua Nitrua: Gồm 2 nhóm nhỏ: Cacborun và các loại khác. 8/ Nhóm oxyt: Các oxyt tinh khiết p.5
6. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM -Loại chịu lửa thường: Độ chịu lửa từ 1580-17700C 2. Theo độ 3 loại-Loại cao lửa: Độ chịu lửatừ chịu lửa 1770-20000C -Loại rất cao lửa: độ chịu lửa >20000C -Gạch tiêu chuẩn thường: Gạch hình chữ nhật và gạch hình chêm 3. Theo hình dạng và kích 4 loại -Gạch dị hình đơn giản thước -Loại phức tạp -Loại rất phức tạp và khối lớn p.6
7. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM -Loại không nung 4. Theo đặc tính gia công 3 loại -Loại nung nhiệt -Loại đúc từ chất nóng chảy -Sản phẩm nén dẻo, nén bán khô hoặc nén dập từ phối liệu dạng bột 5. Theo không dẻo phương pháp 3 loại -Sản phẩm đúc từ hồ và chất nóng sản xuất chảy -Sản phẩm cưa từ quặng -Loại đặc: cóđộ xốp 50 % p.7
8. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2.2 Các tính chất cơ bản củaVLCL 1. Độ chịu lửa 2. Độ bền cơ học ở nhiệt độ cao 3. Độ bền nhiệt 4. Tính ổn định thể tích ở nhiệt độ cao 5. Độ bền xỉ 6. Độ dãn nở nhiệt 7. Độ dẫn nhiệt p.8
9. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 1. Độ chịu lửa ¾ Là khả năng chống lại tác dụng của nhiệt độ cao không bị nóng chảy Để xác định độ chịu lửa của vật liệu người ta dùng côn để đo - Côn này là 1 khối chóp cụt, 2 đáy là 2 tam giác đều có cạnh là 8 mm và 2mm, cao 30mm. Æ đặt trong lò nung. Nhiệt độ mà tại đó đầu côn gục xuống chạm đến mặt đế được gọi là nhiệt độ chịu lửa của vật liệu. p.9
10. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Nhiệt độ chịu lửa của một số VLCL Nhận xét: Nếu hạt vật liệu càng lớn, nhiệt độ gục của côn càng cao. p.10
11. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2. Độ bền cơ học ở nhiệt độ cao ¾ Là khả năng chống lại đồng thời tác dụng của nhiệt độ và tải trọng cơ học. ¾ Để xác định nhiệt độ biến dạng: đốt nóng dần mẫu dưói tải trọng tĩnh 2kg/cm2 theo tiêu chuẩn Liên Xô (GOST 4070-48) 2 kg/cm2 Mẫu có dạng hình trụ có đường kính 36mm, cao 50mm. Ghi lại nhiệt độ tại đó mẫu bị lún 4% và 40% p.11
12. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Bảng nhiệt độ biến biến dạng dưới tải trọng 2kg./cm2 của VLCL: p.12
13. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 3. Độ bền nhiệt (bền xung nhiệt) ¾ Là khả năng chống lại sự dao động nhiệt độ mà không bị phá hủy ¾ Phương pháp xác định độ bền nhiệt: Theo tiêu chuẩn Liên Xô (GOST 7875-56) + Mẫu thửđược chọn là viên gạch có kích thước tiêu chuẩn: 230x113x65 mm + Đốt nóng 1 đầu mẫu trong lò điện có nhiệt độ 850 0C hay 1300 0C + Nhúng đầu đã đốt nóng vào nước lạnh 20 0C. + Lặp đi lặp lại cho đến khi mẫu thử rạn nứt và hao hụt đến 20 % khối lượng ban đầu. Số lần lặp lại này được gọi là ĐỘ BỀN NHIỆT. p.13
14. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Độ bền nhiệt của vài loạiVLCL p.14
15. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 4. Tính ổn định thể tích ở nhiệt độ cao Khi chịu tác dụng lâu -Biến đổi thành phần pha Co phụ dài của nhiệt độ cao -Tái kết tinh Nở phụ -Kết khối phụ Co phụ Vết nứt giữa vữa và gạch; lún vòm lò, vv Giãn nở phụ Vòm lò bị phồng lên Để xác định sức co phụ (nở phụ) Æ nung sản phẩm ở một nhiệt độ xác định (VD đinát : 1450oC) Æ xác định ΔV V −V ΔV = 1 o (m3) Vo p.15
16. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 5. Độ bền xỉ ¾ Đólàkhả năng chống lại sựăn mòn và phá huỷ bởi môi trường ở nhiệt độ cao củaVLCL. ¾ VD: - Xỉ nóng chảy ở lò luyện kim, kim loại nóng chảy, thuỷ tinh lỏng, vv (môi trường lỏng) -Sản phẩm cháy, khí CO trong lò cao, vv (môi trường khí) -Bụi quặng, bụi phế liệuvv (môi trường rắn) 2 tác hại chính: ĂN MÒN & XÂM THỰC ¾ Phân loại cách khác: 3 loại: xỉ bazơ, xỉ axit và xỉ trung tính. Đối với xỉ axit: dùng gạch axit tốt hơn dùng gạch bazơ ¾ Cách xác định độ bền xỉ -Viên gạch có lỗ hình trụ: d = 25-50 mm, cao từ 20-40 mm Æ đưa xỉđãnghiền mịn vào Æ nung ở 1400-1500oC trong 2-3h xem tổn thất trọng lượng. p.16
17. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 6. Độ dãn nở nhiệt ¾ Các VLCL khi đốt nóng thường bị dãn nở, sau khi làm nguội sẽ trở về trạng thái ban đầu. -Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu đặc trưng bằng các chỉ tiêu sau: L − L t to (1/K) a) Hệ số dãn nở nhiệt trung bình: αtb = Lto ()t −t0 1 dL b) Hệ số dãn nở nhiệt thực: α = (1/K) t L dt L − L c) Hệ số dãn nở nhiệt tương đối: α = t 0 (1/K) Lto L : chiều dài mẫu ở 0oC hay ở nhiệt độ phòng Trong đó: to Lt : chiều dài mẫu ở nhiệt độ đo p.17
18. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Độ giãn nở nhiệt trung bình trong khoảng nhiệt độ từ 00C đến nhiệt độ t có thể tính từ hệ số dãn nở nhiệt trung bình bằng: αtb.t .100% -6 0 ¾ Ví dụ: Gạch Samôt có αtb= 4,5 x 10 Æ độ dãn nở nhiệt ở 800 C là: 4,5 x 10 -6 x 800 x 100% = 0,36% Hệ số dãn nở nhiệt trung bình củamột số VLCL ở 20-1000 0C αtb p.18
19. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 7. Độ dẫn nhiệt TiếtdiệnF Qx x ™ Dòng nhiệt truyền qua vật (trong 1s) theo phương x được tính theo ĐL Fourier: Q ∂T x ∂T 2 Q = −λF (W) qx = =−λ (W/m ) x ∂x F ∂x - Qx là dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s (W) 2 - qx là mật độ dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s (W/m ) với: - T là nhiệt độ tuyệt đối của vật (K) - F là diện tích tiết diện vuông góc với phương x (m2) - λ là hệ số dẫn nhiệt của vật (W/m.K) p.19
20. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Hệ số dẫn nhiệt λ của vật liệu λ phụ thuộc vào nhiệt độ λ = λo (1+ bt) Trong thực tế có thể xem λ là hằng số ứng với nhiệt độ trung bình của vật ttb Từ ttb của vật tra bảng suy ra λ p.20
21. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2.3 Đặc tính một số loạiVLCLthường gặp 1/ Nhóm silic: Gồm 2 nhóm nhỏ là dinat và thạch anh 2/ Nhóm Alumôsilicat: Gồm 3 nhóm nhỏ: Bán axit, samôt, cao alumin 3/ Nhóm Manhêdi: Gồm 4 nhóm nhỏ: Đôlômit, Forsterit, Spinen, manhêdi 8 nhóm 4/ Nhóm crômit: Gồm 2 nhóm nhỏ: Crômit, chính crôm manhêdi 5/ Nhóm Zircôn: Gồm 2 nhóm nhỏ: Silicat Zircôn (ZrSiO4) và Zircôn (ZrO2) 6/ Nhóm cácbon: Gồm 2 nhóm nhỏ: Cốc và Grafit 7/ Nhóm Cacbua Nitrua: Gồm 2 nhóm nhỏ: Cacborun và các loại khác. 8/ Nhóm oxyt: Các oxyt tinh khiết p.21
22. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2.3.1 Nhóm Silic: DINAT ¾ Có hàm lượng SiO2 ≥ 93% Loại gạch chịu lửa AXÍT Cát quắc ¾ Nguyên liệu sx: từ các quặng QUẮC Sa thạch Quaczit (Bản Thái, Lạng Sơn: đá quaczit chứa 98,4% SiO2 và 0,97% Al2O3 Đồn Vàng, Phú Thọ: đá quaczit chứa 97-98% SiO2 và 1,56-1,74% Al2O3, vv ) ¾ Kỹ thuật sx DINAT: Quaczit + Vôi + Phụ gia sắt + Keo kết dính KHUÔN SẤY NUNG đến 1460oC p.22
23. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Tính chất DINAT: Rất bền với + Dinat là loại VLCL mang tính axit,chứaSiO >= 93% 2 xỉ axit + Khi đốt nóng nở ra (khác với SAMÔT) nhưng độ nở không lớn lắm có tác dụng làm chặt các mạch xây làm giảm độ thấm khí. + Độ dẫn nhiệt: cao hơn SAMÔT + Độ bền nhiệt:kémhơn SAMÔT + Độ ổn định thể tích:Kém ¾ Phạm vi sử dụng: + Dùng trong lò CỐC HÓA, lò LUYỆN KIM và lò THỦY TINH + Sử dụng rộng rãi làm VÒM LÒ vì không bị co khi dùng. Ở nhiệt độ > 600 0C dãn nở nhẹ làm vòm lò bền vững. p.23
24. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2.3.2 Nhóm Aluminosilicat: SAMỐT ¾ Là loại VLCL phổ biến nhất, chiếm đến 70% tổng số VLCL ¾ Tùy theo hàm lượng Al2O3 trong sản phẩm mà họ Aluminosilicat được chia làm 3 loại như sau: + Bán axit: Al2O3 ≤ 30% (15-30%) + SAMỐT: Al O = 30-45% Loại gạch chịu lửa 2 3 trung tính, kiềm yếu + Cao Alumin: Al2O3 > 45% ¾ Nguyên liệu sx: từđất sét và cao lanh chịu lửa cộng với phụ gia ¾ Kỹ thuật sx SAMỐT: Đất sét + Phụ gia TẠO HÌNH SẤY NUNG đến 1350-1380oC p.24
25. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Tính chất SAMỐT: + VLCL Samôt là gạch chịu lửa trung tính và kiềm yếu + Nhiệt độ chịu lửa : 1610-1770 0C . Dựa vào độ chịu lửa chia làm 4 loại LoạiO : nhiệt độ chịu lửa ≥ 1750 0C LoạiA : nhiệt độ chịu lửa ≥ 1730 0C LoạiB : nhiệt độ chịu lửa ≥ 1670 0C LoạiC : nhiệt độ chịu lửa ≥ 1610 0C + Độ bền nhiệt: Cao, dao động trong 1 khoảng lớn, phụ thuộc vào thành phần của phối liệu, phương pháp nén, cấu trúc sản phẩm: -Tạo hình bằng phương pháp dẻo : 6-12 -Tạo hình bằng phương pháp bán khô: 7-50 -Cấu trúc hạt nhỏ sít đặc: 5-8 -Loại hạt vừa: 10-15 -Loại hạt thô: 25-100 p.25
26. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Độ ổn định thể tích:Cóđộ co phụ khi nung ở nhiệt độ cao. Nếu nhiệt độ nung quá cao, tường gạch Samốt bị biến dạng ¾ Độ bền xỉ: CAO. Mức độ phụ thuộc vào cấu trúc hạt và độ sit đặc của sản phẩm. + Sản phẩm có cấu trúc hạt lớn, xốp độ bền xỉ thấp, bịăn mòn nhanh + Ngược lại loại có cấu trúc hạt nhỏ, sít đặc độ bền xỉ cao. ¾ Phạm vi sử dụng: Rất rộng rãi do nguyên liệu sx dễ kiếm -Trong sx gang:xây lò cao, lò gió nóng, thùng đổ gang -Trong luyện thép: xây tường lò - Trong công nghiệp silicat: xây lò nung đồ gốm, sành, sứ, nấu thủy tinh, lò nung xi măng, vv - Trong các lò luyện cốc, luyện kim, nồi hơi p.26
27. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2.3.3 Nhóm Aluminosilicat: CAO ALUMIN ¾ Là loạiVLCLchứa hơn45% Al2O3 ¾ có chất lượng cao, được sử dụng trong tất cả những điều kiện làm việc rất nặng nề mà Samốt không thể chịu đựng nổi. ¾ Nguyên liệu sx: từ 4 loại khoáng khác nhau về thành phần Al2O3 - Loại silimanit: 45-70% Al2O3 - Loại mullit: 70-78% Al2O3 - Loại mullit corun: 78-95% Al2O3 - Loại corun: > 95% Al2O3 Hàm lượng Al2O3 không chỉ là dấu hiệu để chia loại sản phẩm mà nó còn qu yết định những tính chất cơ bản của sản phẩm CAO ALUMIN p.27
28. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ CORUN là sản phẩm có những tính chất đặc biệt cao nhất trong nhóm sản phẩm alumosilicat + Nhiệt độ biến dạng: 1840-18500C + Độ bền nhiệt lớn: có phụ gia > 60 ; không có phụ gia < 15 lần + Độ bền rất cao đối với kim loại,xỉ ,thuỷ tinh , muối nóng chảy, kiềm,axit + Nhiệt độ chịu lửa: 20000C + Có độ cứng lớn nên làm vật liệu mài rất tốt + Làm chén nung, chén nấu thuỷ tinh Ứng dụng: + Làm dao tiện đối với kim loại cứng. + Có tính chất điện môi rất cao nên được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện và vô tuyến điện. p.28
29. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2.3.42.3.4 NhómNhóm ManhêdiManhêdi:: VLCLVLCL MANHÊDIMANHÊDI ¾ Là loạiVLCLchứa từ 80 - 85% MgO VLCL kiềm tính điển hình ¾ Nguyên liệu sx: chủ yếu từ quặng Manhêdi (MgCO3) ¾ Kỹ thuật sx gạch MANHÊDI: nung Quặng Manhêdi Manhêdi kết khối + Phụ gia Fe2O3, 1550-1600oC Titan, Al2O3 TẠO HÌNH SẤY NUNG ở 1500 – 1600oC p.29
30. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Tính chất MANHÊDI: + Độ chịu lửa > 2000oC + Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng không cao lắm: 1500-15500C, phụ thuộc vào loại khoáng liên kết. + Độ bền nhiệt ở 850oC: - Làm nguội bằng không khí: 4-9 lần - Làm nguội bằng nước: 1-2 lần + Hệ số dẫn nhiệt λ của MANHÊDI giảm khi nhiệt độ tăng ¾ Phạm vi ứng dụng: -Chủ yếu dùng trong lò điện, lò nấu thép, các lò luyện kim màu theo quá trình bazơ. p.30