Vật liệu chịu lửa DINAT

Vật liệu chịu lửa DINAT (silica)

Vật liệu silica có hàm lượng SiO2lớn hơn hoặc bằng 93%, được gọi là đinát, khoáng chính là tridimit và crisobalit được sản xuất từ nguyên liệu thiên nhiên có hàm lượng SiO2 cao (cát thạch anh, quarztzit, sa thạch) bằng phương pháp thiêu kết ở dạng bột. Đinát là loại gạch chịu lửa axít. Đặc tính đặc biệt của đinát là độ chịu lửa gần nhiệt độ nóng chảy của chúng
 

 

1. Cơ sở hoá lí

a) Sự biến đổi thù hình của ôxyt silic: nguyên liệu chủ yếu để sản xuất đinat là các quặng quắc. Cấu tử chủ yếu tạo thành quắc là ôxyt silic ở dạng tinh thể hay dạng vô định hình. Ôxyt silic SiO2 không ngậm nước có 8 dạng thù hình: (α,β) quắc; (α,β,γ) triđimit; (α,β) cristôbalit và thủy tinh quắc. Dạng ổn định ở nhiệt độ cao nhất kí hiệu là α , sau đó đến β rồi đến γ

 

Phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên là β quắc. β quắc thường ổn định ở nhiệt độ thường, β đốt nóng đến 5730C nó sẽ biến thành α quắc, α quắc không tổn tại trong thiên nhiên do nhiệt độ ổn định nằm trong khoảng 573 – 8700C. Ở nhiệt độ 8700C, αquắc chuyển rất chậm thành α triđimit, khi đốt nhanh đến nhiệt độ lớn hơn 16000C sẽ được silic nóng chảy. nhiệt độ tồn tại của α triđimit là 870 - 14700C do vậy trong thực tế không tồn tại ngoài tự nhiên. Khi làm nguội α sẽ biến thành β triđimit rồi biến thành γ triđimit. Trên 1470°C α chuyển chậm thành α cristôbalit. Nếu đốt nóng nhanh đến nhiệt độ cao hơn 16700C, α triđimit chuyển thành thuỷ tinh quắc, β triđimit chỉ là dạng trung gian do sự biến đổi rất nhanh của α triđimit. Phạm vi tồn tại của chúng từ 117-1630C. λ triđimit được tạo thành do sự biến đổi rất nhanh của β triđimit ở nhiệt độ 1170C, nó thường gặp ở các quặng núi lửa trong dạng hình tấm 6 góc.

 

b) Quá trình hoá lí trong sản xuất đinat: thực nghiệm cho thấy rằng trong tất cả các dạng thù hình của ôxyt silic SiO2, triđimit là tinh thể bền vững và ổn định nhất. Do đó trong sản xuất sản phẩm đinát cần tạo ra nhiều triđimit nhất. Sự biến đổi từ quắc sang triđimit rất khó khăn. Để thúc đẩy quá trình này cần thiết phải có chất khoáng hoá. Các chất khoáng hoá có thể là CaO, MgO, MnO, BaO, FeO, Fe2O3, A12O3... Để quá trình triđimit hoá tiến hành tốt nhất, pha lỏng cần có độ thấm ướt tốt. Với mục đích đó, trong quá trình sản xuất thường bổ sung phụ gia sắt và mangan vào phối liệu sản xuất đinát.
 

2. Nguyên liệu vật liệu:

Đinát được sản xuất từ các nguyên liệu chứa nhiều SiO2 như cát quắc, sa thạch, và quắc. Cát quắc là sản phẩm phân hủy của quặng núi chứa quắc như đá hoa cương do tác dụng của khí quyển, gió và sự biến đổi của nhiệt độ. Cát quắc qua nhiều thế kỷ được thấm ướt nước có chứa các tạp chất rất mịn như đất sét, vôi, thạch cao. Các tạp chất này liên kết các hạt lại tạo thành quặng rắn hơn gọi là sa thạch. Sa thạch xít đặc gọi là quawcszzit. Còn quắc thường gặp trong dạng mạch nhỏ , ở các lớp quắczít tinh thể.

3. Kỹ thuật sản xuất đinát

Phần chuẩn bị phối liệu có hai công đoạn: chuẩn bị quắc zit là cấu tử  chủ yếu và chuẩn bị sữa vôi, sắt keo là chất khoáng kết dính.

a) Chuẩn bị quắc zit: để sản phẩm đồng nhất và có tính chất xác định phải đập rồi nghiền mịn quắc zit. Thành phần hạt có giá trị quyết định lên quá trình chuyển hóa của quắc, lên mật độ sản phẩm, độ tả của chúng khi nung và khi dùng vì vậy phải tìm thành phần hạt đảm bảo cấu trúc của sản phẩm sau khi nung thật chặt chẽ, hạn chế độ nở khi nung, sau khi nung có khối lượng riêng nhỏ và ít tả khi dùng. Thành phần hạt được đặc trưng bằng hệ số hạt. Hệ số hạt là tỉ lệ giữa phần trăn hạt nhỏ hơn 0.88mm và hạt lớn hơn 0.54mm.  Nếu tăng hệ số hạt thì giảm hiện tượng tả và tăng độ xốp của sản phẩm. Cỡ hạt tốt nhất là: hạt lớn nhất không lớn hơn 3mm, hạt 0,5mm không lớn hơn 55 - 65%, hạt 0,088mm: 30 - 40%.

 

b) Chuẩn bị phụ gia khoáng hoá 

* Vôi: Chất khoáng hoá trong sản xuất đinát là vôi ở dạng sữa. Vôi sữa làm tăng tính chất đóng khuôn của phối liệu, phân phối đều phụ gia, liên kết các hạt quắczit đã nghiền nhỏ, làm các viên bán thành phẩm có cường độ trước và sau khi sấy, xúc tiến chuyển hoá quắc trong quá trình nung, Để có vôi sữa phải thực hiện phản ứng sau:

CaCO3—> CaO + C02↑ - Q (CaO là vôi sống)

CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q (tôi vôi)

*Phụ gia sắt: Sắt hai (FeO) được dùng để hạ thấp nhiệt độ tạo thành chất nóng chảy. Thường dùng vảy sắt, xỉ nấu thép, mẫu pirít đã cháy. Độ hạt của chúng bằng 0,2mm. Để đảm bảo độ ẩm của phối liệu, phụ gia chứa sắt được nghiền mịn trong máy nghiền bi không dùng nước mà dùng vôi sữa. Sau đó dung dịch vôi sắt được khuấy liên tục để tránh lắng và tăng độ đồng nhất. *Keo kết dính: tác dụng của keo làm quá trình liên kết trong khi nén phối liệu dễ dàng, tăng cường độ viên mộc trước và sau khi sấy. Thường dùng keo SSB là nước thải của quá trình sản xuất giấy. Để sản xuất đinát dùng 0,5-0,8% phụ gia SSB nằm ở dạng dung dịch.

c) Chuẩn bị phối liệu: phối liệu là hỗn hợp của các cấu tử quắczit, chất khoáng hoá, vôi, sắt, phụ gia keo kết dính... Các cấu tử của phối liệu đảm bảo có độ ẩm để đóng khuôn và phải trộn đều. Độ ẩm của phối liệu do sữa vôi sắt đem vào và dao động trong khoảng 4 - 6% tuỳ loại máy nén. Phối liệu được trộn trong máy trộn quả lăn.

d) Tạo hình, đóng khuôn sản phẩm: sản phẩm đinát được tạo hình bằng phương pháp bán khô. Phối liệu nén đổ vào khuôn và được nén dưới áp suất 15N/mm2.

e) Sấy sản phẩm: mục đích sấy sản phẩm là loại trừ nước ra khỏi sản phẩm, kết tinh hydoxytcanxi, tăng cường độ cơ học của sản phẩm. Nhiệt độ sấy cao hơn 1000C. Sau khi sấy độ ẩm còn lại 1 - 1,5% cường độ viên mộc khi đó tăng lên 3 - 5 N/mm2. Sấy trong lò Tuynen, lò buồng, thời gian sấy từ 4-16 giờ tùy loại sản phẩm.
g) Nung sản phẩm: Khi nung đinat sẽ xảy ra các quá trình sau: 

- CaO và SiO2 tác dụng tạo ra Sillicat canxi. Sillicát canxi tạo thành dung dịch rắn với sillicát sắt. Khi đạt đến nhiệt độ cao chúng tạo thành chất nóng chảy giàu SiO2 từ chất nóng chảy này kết tinh tinh thể triđimit, khi làm nguôi chất nóng chảy này đông lại thành thủy tinh.
- Biến đổi thù hình của quắc thành triđimit và cristobalit. 

- Dãn nở gạch đinát do biến đổi thù hình của quắc.
- Biến đổi cường độ cơ học của đinát.
Nhiệt độ nung cao nhất 1400°C. Tốc độ nung: từ nhiệt độ thường đến 
1200°C: 20 - 25°C/h; Từ 1200 - 1350°C: 10°C/h; 1350 - 1460°C: 3 - 5°C/h.
Duy trì ở nhiệt độ cực đại khoảng 40h. Thời gian nung: lò Tuỵnen 70 - 85h; lò buồng đốt khí loại nhỏ: 135 - 215h, lò buồng lớn 270 - 360h.
- Làm nguội đinát: từ nhiệt độ cao đến 400 - 350°C làm nguội nhanh (có thể dùng quạt). Từ 300°C trở xuống phải làm nguội chậm do có sự biến đổi thù hình của đinát. Thời gian làm nguội: lò Tuynen: 50 - 60h; lò buồng nhỏ 136 - 215h, lò buồng lớn: 180 - 240h.

4. Tính chất của đinát

Đặc tính đặc biệt của đinát là khi đốt nóng chúng nở ra (khác với samốt khi đốt nóng chúng co lại), nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng là khá cao. Đinát rất bền vũng với xỉ axít, độ dẫn nhiệt cao hơn gạch samốt nhưng độ bền nhiệt lại kém gạch samốt.
a) Thành phần hoá học và tính chất lí học: đinát sử dụng ở lò
Máctanh, lò thủy tinh, lò cốc, lò điện nấu thép... Tuỳ theo nơi sử dụng nó có yêu cầu về tính chất lí học và thành phần hoá học tương ứng.

Gạch đinát nhiều silic mật độ cao để lót vòm lò Máctanh có hàm lượng SiO2: 97,5 - 98%, độ chịu lửa: 1735°C; độ xốp biểu kiến: 11 - 13%, cường độ chịu nén: 60° - 100 N/mm2, khối lượng riêng: 2,34 - 2,38 g/cm, độ thẩm khí 0,028 - 0,044.

b) Biến đổi thể tích khi thay đổi nhiệt độ.. Khi đốt nóng hay làm nguội đinát bị biến đổi thể tích do dãn nở nhiệt và biến đổi thù hình.
Ở 117° - 163°C: đinát dãn nở do sự biến đổi thù hình từ γ → β → αtriđimít; 

180 - 270°C: đinát nở 0,4% do biến đổi từ β → crisotabalit
300 - 500°C: dãn nở do nhiệt;

500 - 600° C: đinát dãn nờ do β → αquắc;
600 - 1300°C: dãn nở do nhiệt 0,2%;
1300 - 1400°C: dãn nở 0,2 - 0,5% do sự biến đổi của quắc chưa chuvển hoá thành triđimit và cristobalit. Dãn nở của đinát tổng cộng đến1450°C 
(tuỳ mức độ chuyển hoá) có thể từ 1,4 - 2%. Khi làm nguội thể tích của đinát giảm ít trong khoảng 1400 – 2500C, nhưng từ 2500 - 500C thể tích giảm nhiều hơn do sự biến đổi của cristobalit. 

c)Độ bền nhiệt: độ bền nhiệt của đinát khi đốt nóng đến 850°C sau đó làm nguội trong nước không quá 2 - 3 lần. Sở dĩ thấp như vậy do sự biến đổi của cristobalit ở nhiệt độ thấp làm thay đổi thể tích đột ngột. Độ bền nhiệt phụ thuộc vào hệ số nở dài, thành phần khoáng, độ dẫn nhiệt, cường độ và môđun đàn hồi khi kéo và trượt. Độ dẫn nhiệt và cường độ nén lại phụ thuộc vào mật độ hay độ xốp của gạch đinát. Khi độ xốp trong khoảng 18 - 43%, ở nhiệt độ trung bình 6500C ta có sự phụ thuộc sau:

                                                   , W/mK
(W là độ xốp, λ: Hệ số dẫn nhiệt)

d) Độ bền xỉ: đinát là vật liệu chịu lửa axít. Ôxyt sắt, vôi và các kim loại khác tác dụng với silic trong đinát thành silicat dễ nóng chảy.
Trường hợp trong lò nung vôi gián đoạn, ở nhiệt độ 1100 - 11500C vôi và đinát tác dụng với nhau tạo thành silicatđicanxi, khi làm nguội, tường lò bị phá hoại mặc dù không có mặt pha lỏng, hoặc trong lò Máctanh các bụi nóng chảy có chứa Fe, MgO, CaO, MnO... tác dụng vói tường lò. Bụi phối liệu chứa kiềm phá hoại gạch đinát như trong lò thủy tinh. Mức độ xỉ thấm sâu vào trong lò viên gạch để phá hoại gạch xác định bằng phương trình:

x - chiều sâu xỉ thấm vào gạch, m;
σ- Sức căng bề mặt của chất lỏng, N/m;
θ- góc thấm ướt của xỉ lỏng;
η- độ nhớt của chất lỏng, Ns/m2 ;
τ- thời gian thấm, s;
r - bán kính lỗ xốp, m.

 

Để giảm x phải giảm độ xốp, giảm kích thước lỗ xốp của sản phẩm. Ở nhiệt độ 1500°C đinát không tác dụng với đa số gạch chịu lửa như crôm-manhêđi, cao alumin, crômit, forstenit mà chỉ phản ứng ít vói manhêdi và samôt. Ở nhiệt độ 1600 - 1650°c đinát tác dụng mạnh với samốt, manhêđi và crôm-manhêdi. Đinát đặc biệt bền vững đối với gạch crômit và cao alumin ngay cả ở nhiệt độ cao tới 1670°C. Lợi dụng tính chất đó có thể xây gạch đinát với hai loại gạch này ở vòm lò Máctanh hoặc xây lớp gạch ngăn cách giữa gạch đinát với những gạch phản ứng vói chúng bằng gạch crômit và cao alumin.

5. Sử dụng gạch đinát

Theo mục đích sử dụng, gạch dinat được phân loại theo ba loại: đinát dùng trong lò cốc hoá, lò luyện kim và lò thuỷ tinh tuỳ theo tính chất của chúng. 
Theo hình dạng phân ra hai loại, loại thường và loại dị hình. Loại dị hình đơn giản thường dùng trong lò luyện kim, loại dị hình phức tạp dùng trong lò cốc và lò thuỷ tinh. Như trong lò cốc dùng tói 250 - 260 loại đinát có kích thước và hình dạng khác nhau. Xây lò cốc bằng gạch đinát tốt hơn nhiều nếu xây bằng gạch samốt vì đinát còn có tác dụng thúc đẩy quá trình cốc hóa. Đinát cũng hay được dùng để xây nóc, cũng như tường và vòm ở phần dưới lò Mác tanh, xây tường và nóc lò điện nấu thép loại nhỏ theo quá trình axít, xây lò phản xạ...
Gạch đinát sử dụng rộng rãi làm vòm lò vì nó không bị co khi dùng; và độ dãn nở của đinát đủ làm chặt các mạch xây, làm vòm lò vững chắc hơn, độ thẩm khí giảm đi nhiều. Ngoài ra đinát còn được sử dụng để xây lò nồi và phần trên của lò bể nấu thuỷ tinh, làm đệm trong lò gió nóng, xây buồng hồi nhiệt, lò nung vôi, lò Tuynen...

 

6. Các loại đinát khác

a) Đinát nhiều silic mặt độ cao: do yêu cẩu sử dụng trong các lò nấu thép, để tăng chất lượng đinát chống lại tác dụng của xỉ sắt, giảm độ xốp, khắc phục hiện tượng tả ở nhiệt độ cao người ta sản xuất ra sản phẩm nhiều silic mật độ cao.

b) Đinát-crôm: để nâng cao độ bền xỉ, người ta sản xuất gạch đinát crôm bằng cách cho vào phối liệu một ít crômít (khoảng 30%). Cho Cr2O3 vào làm độ chịu lửa và độ bền xỉ tăng vì crômít làm giảm khả nãng thấm các chất nóng chảy silicat vào các lỗ của gạch.

 

c) Đinát-cácborun: để tăng độ bền nhiệt của đinát người ta cho phụ gia cácborun vào phối liệu (20 - 30%). Đinát-cácborun giảm độ giãn nở nhiệt tăng độ bền khi trượt, tăng độ đẫn nhiệt, cường độ chống bào mòn cao.