Nghiên cứu sản xuất cyclon thủy lực bằng vật liệu gốm bền cơ chịu mài mòn

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP






BÁO CÁO TỔNG KẾT



ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CYCLON THỦY LỰC BẰNG VẬT LIỆU GỐM
BỀN CƠ CHỊU MÀI MÒN”





Chủ nhiệm đề tài: Ths. Nguyễn Tuấn Anh



7607
22/01/2010

HÀ NỘI, 12-2009

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP



BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI CẤP BỘ:
“NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CYCLONE THỦY LỰC BằNG VẬT LIỆU
GỐM BỀN CƠ CHỊU MÀI MÒN”
Thực hiện theo Hợp đồng số: /HĐ-KHCN ký ngày tháng năm 2009, giữa Bộ
Công Thương và Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp


Chủ nhiệm đề tài : Ths. Nguyễn Tuấn Anh
Cộng tác viên :
Ks. Nguyễn Trung Kiên
Cơ quan chủ trì đề tài : Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp
Đơn vị phối hợp :
- Công ty Cổ phần Sứ cách điện Đông Hải
- Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài




Nguyễn Tuấn Anh

HÀ NỘI, 12-2009
1


MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp khoáng sản trong nước,
các phương pháp xử lý khoáng sản cho hiệu quả và năng suất cao ngày
càng được áp dụng phổ biến tại Việt Nam. Một trong các phương pháp đó
là phương pháp phân tách theo kích thước các hạt nguyên liệu ở trạng thái
huyền phù bằng hệ thống Cyclon thủy lực.
Hệ thống Cyclon thuỷ lực được ứng dụng trong rất nhiều ngành khác
nhau để phân tách rắn-lỏng nói chung và phân tách theo c
ấp hạt nói riêng.
Nhiều ngành sản xuất yêu cầu chất lượng nguyên liệu đầu vào rất khắt khe,
đặc biệt là chỉ tiêu về kích thước hạt nguyên liệu và độ sạch của nguyên
liệu. Do vậy, loại Cyclon thủy lực đáp ứng đầy đủ yêu cầu về kích thước
hạt phân cấp, tiêu chuẩn sạch, độ bền chịu mài mòn của từng ngành có tính
đặc trưng rõ rệt.
Ở Việt nam, các loạ
i Cyclon thủy lực hiện đang được sử dụng nhiều
trong công nghiệp xử lý khoáng sản, công nghiệp giấy, công nghiệp sơn,
xử lý nước thải Các thiết bị này đều có một yêu cầu chung là bề mặt làm
việc phải được chế tạo bằng các vật liệu chịu mài mòn như: hợp kim siêu

bền chịu mài mòn, Polyme chịu mài mòn, gốm-sứ chịu mài mòn, hoặc một
số loại vật liệ
u khác.
Vật liệu gốm làm cyclone thủy lực có những ưu điểm dễ nhận thấy là:
độ bền mài mòn, bền hóa , bền nhiệt cao. Vật liệu gốm có tính trơ với các
phản ứng hóa-sinh nên rất an toàn trong sử dụng và thân thiện với môi
trường. Tỷ trọng của vật liệu gốm thấp hơn với vật liệu kim loại.
Trên thế giới, vật liệu gốm chịu mài mòn
được sử dụng làm Cyclon thủy
lực hiện nay cũng rất đa dạng: gốm cao nhôm hệ mulit-corun, các gốm kỹ
thuật hệ đơn oxyt như gốm corun, gốm ZrO
2
, gốm - sứ bền cơ chịu mài
mòn. Tuy nhiên, tuỳ từng phạm vi sử dụng của cyclon mà nhà sản xuất áp
dụng các hệ vật liệu gốm thích hợp. Cyclon chịu mài mòn dùng cho lĩnh
vực xử lý khoáng sản (cao lanh, đất sét ), chế biến nguyên liệu cho sản
xuất giấy, sơn vật liệu gốm cao Al
2
O
3
và các hệ gốm-sứ có độ bền cơ
chịu mài mòn cao được lựa chọn sử dụng.
Ở Việt Nam hiện nay, đa phần các Cyclon đều phải nhập khẩu từ các
nước như: Italia, Úc, CH Séc, Trung Quốc Theo từng quy mô và đặc thù
công nghệ sản xuất khác nhau mà các đơn vị trong nước phải đặt hàng các
sản phẩm Cyclon với kích thước chủng loại khác nhau. Cách làm này
khiến chi phí đầu tư tăng cao và kém linh hoạt trong tổ ch
ức sản xuất.
Việc chế tạo sản phẩm gốm bền cơ chịu mài mòn dùng làm Cyclon thuỷ
trong công nghiệp tuyển khoáng, công nghiệp giấy chưa được đầu tư

nghiên cứu và sản xuất tại Việt Nam, trong khi tính khả thi về chí phí, khả
2


năng sản xuất và ứng dụng trong các lĩnh vực này là rất cao. Sản phẩm
được sản xuất thành công sẽ đáp ứng được yêu cầu thực tiễn cấp thiết tại
Việt Nam, đồng thời mở ra một hướng phát triển và ứng dụng vật liệu gốm
chịu mài mòn cho nhiều ngành công nghiệp trong nước.
Với yêu cầu thực tiễn về chủng loại Cyclon phục v
ụ cho công nghiệp
chế biến giấy, sơn, cao lanh, Viện Nghiên cưú Sành sứ Thủy tinh Công
nghiệp đã đề nghị và được Bộ Công Thương đồng ý đặt hàng thực hiện đề
tài nghiên cứu khoa học công nghệ:
‘‘Nghiên cứu công nghệ sản xuất
Cyclon thủy lực bằng vật liệu gốm bền cơ chịu mài mòn“
theo hợp đồng số
072/09.RD/HĐ-KHCN, ngày 04 tháng 3 năm 2009.

Mục tiêu của đề tài:
- Nghiên cứu xây dựng quy trình kỹ thuật sản xuất cyclon thủy lực bằng
vật liệu gốm bền cơ chịu mài mòn.
- Xác định đơn phối liệu cho sản xuất vật liệu gốm bền cơ chịu mài mòn
dùng làm cyclon thủy lực trong ngành công nghiệp xử lý cao lanh và công
nghiệp giấy.
- Sản xuất thử 100 sản phẩm cyclon.

Nội dung nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu lựa chọn nguyên liệu, chủng loại, thông số kỹ thuật của
cyclon và xây dựng quy trình công nghệ sản xuất cyclon thủy lực dùng
trong công nghiệp xử lý cao lanh và công nghiệp giấy.

- Thử nghiệm quy trình sản xuất thử sản phẩm.
- Đánh giá chất lượng, thử nghiệm sản phẩm.










3


PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
I.1. Giới thiệu chung về cylone thủy lực
I.1.1. Cấu tạo của Cyclon thủy lực [13,19]
Quá trình phân cấp vật liệu trong Cyclon thủy lực được tiến hành trong
trường lực ly tâm. Về cấu tạo đây là một thiết bị cố định có dạng một dung tích
hình trụ ngắn ở phía trên nối với hình nón cụt ở phía dưới.


Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của Cyclon thủy lực [19]
Cyclon thủy lực cấu tạo bao gồm các phần chủ yếu sau:
- Phần thân hình trụ: đây là phần có lối dẫn huyền phù đi vào Cyclon
theo đường tiếp tuyến để tạo ra lực ly tâm cho cả khối chất lỏng.
- Phần hình chóp: phần này tạo ra lực xoáy ly tâm theo hai phương
thẳng đứng và nằm ngang tạo sự phân cấp trong Cyclon thủy lực. Tại đây xảy
ra quá trình phân chia dòng liệu theo kích thước và tỷ trọng của hạ

t.
- Đầu cấp liệu vào Cyclon: được thiết kế để dẫn liệu dạng huyền phù
vào Cyclon theo phương tiếp tuyến với thân hình trụ.
(2) Cửa tháo nước
tràn trên đỉnh
Phần thân hình
trụ của Cyclon
Phần thân hình
côn của Cyclon
(3) Cửa tháo hạt nặng
ở đáy, đầu hình côn
(1) Cửa cấp liệu theo phương
tiếp tuyến với thân hình trụ
4


- Đầu tháo nước tràn: được lắp ở phần trên Cyclon thủy lực, đây là nơi
dẫn các thành phần có tỷ trọng nhẹ, độ hạt mịn hoặc nước trong ra khỏi
Cyclon.
- Đầu thoát hạt nặng: được lắp ở phía dưới Cyclon thủy lực để thải các
hạt nặng. Phần liệu đi qua đầu này có độ hạt lớn và tỷ trọng cao hoặc tách pha
có nồng độ đậm đặc.
Cyclon thủy lực có 3 đường vận chuyển liệu:
(1). Ống cấp liệu theo phương tiếp tuyến với thân hình trụ
(2) Ống tháo nước tràn ở trên đỉnh (ống chảy tràn)
(3)
Ống tháo hạt nặng ở đáy đầu hình côn (ống xả đáy)
I.1.2. Nguyên lí làm việc của Cyclon thủy lực[13,19]
Trong công nghệ tuyển tách khoáng dạng huyền phù Rắn – Lỏng, người
ta ứng dụng Cyclon thủy lực dựa trên sự kết hợp của hai lực cơ bản đó là:

- Lực trọng trường
- Lực ly tâm

Hình 2: Mô tả nguyên lý dòng chuyển động trong Cyclon [19]

Quá trình xảy ra của huyền phù là rất phức tạp, khó xác định theo một
quy luật chính xác vì nó xảy ra theo hai hướng lực: ly tâm theo chiều ngang và
đi xuống theo chiều dọc. Sự kết hợp của hai lực đó quyết định sự phân chia
thành phần hạt trong Cyclon thủy lực. Người ta cho hỗn hợp rắn - lỏng vào
trong Cyclon thủy lực làm bằng thủy tinh trong suốt và quan sát thấy rằng, vận
tốc dọc trục ở thành thiết b
ị hướng xuống dưới, còn ở gần tâm thì hướng lên
trên. Vận tốc hướng tâm tăng theo hướng từ ngoài đến tâm. Nếu dung dịch cho
vào Cyclon với áp suất lớn thì vận tốc góc sẽ lớn làm tăng quá trình văng dòng
chất lỏng ở thành Cyclon, tạo nên ‘‘vùng tự do“. Nếu áp suất tăng đến một giới
hạn nào đó thì quá trình phân ly không xảy ra được. Hiệu quả của quá trình
5


phân ly phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số giữa đường kính lỗ tháo phía dưới và
đường kính ống tách nước trong phía trên. Tỷ số này được chọn kinh nghiệm
trong khoảng 0,37 ÷ 0,4.
Huyền phù được cấp vào Cyclon với áp lực (do bơm hoặc do bể tạo áp)
theo phương tiếp tuyến với phần hình trụ tạo thành một dòng xoáy rất mạnh. Ở
giữa Cyclon theo hướng trục hình thành một cột lõi không khí nối với khí
quyển qua ống xả đáy. Do cấu tạo đặc biệt của Cyclon dạng hình trụ - côn của
Cyclon mà luồng vật liệu được phân thành hai luồng (dòng) xoáy:
+Luồng ngoài chuyển động xoắ
n theo thành hình côn, đi xuống và tháo
thoát ra ở đầu hình côn qua ống xả đáy.

+ Luồng bên trong xoáy xung quanh cột dọc trục, đi lên trên và theo
thành trong của ống tháo nước tràn ra ngoài. Các hạt thô và nặng hơn do chịu
tách dụng của lực ly tâm mạnh hơn thường có xu hướng đi vào luồng bùn
ngoài, trong khi đó các hạt mịn và nhẹ vào luồng bên trong. Như vậy, luồng
cấp liệu và Cyclon được phân thành hai sản phẩm hạt đáy thô và sản phẩm
nước tràn mị
n.
I.1.3. Sự phân cấp hạt trong Cyclon [6,13,19]
Độ phân cấp hạt là kích thước hạt mà có sự phân bố đồng đều vào sản
phẩm đáy cũng như sản phẩm nước tràn. Độ hạt phân tách phụ thuộc vào nhiều
yếu tố:
+ Các thông số cấu tạo của Cyclon (đường kính Cyclon, đường kính ống
cấp liệu, ống nước tràn, ống tháo cát)
+ Áp lực cấp liệu
+ Tỷ lệ rắn/lỏng của huyền phù cấp liệu
+ Thành ph
ần hạt của huyền phù cấp liệu
Đường kính Cyclon là quy cách chính của Cyclon. Trong thực tế người
ta chế tạo các Cyclon có đường kính từ 10 đến 1500 mm. Các Cyclon có
đường kính nhỏ (thường dưới 50 mm) được ghép lại thành bộ Cyclon. Đường
kính là một thông số quan trong bậc nhất trong hoạt động của Cyclon.
Năng suất của Cyclon tỷ lệ thuận với bình phương của đường kính. Khi
tăng đường kính của Cyclon thì độ phân cấp hạt tăng lên (kích th
ước hạt qua
ống chảy tràn tăng). Chính vì vậy, để phân tách các cấp hạt cực min (< 5 ÷ 10
µn) người ta phải sử dụng những Cyclon có đường kính nhỏ (10 ÷ 50 mm). Do
những Cyclon này có năng suất rất thấp nên người ta phải ghép chúng thành
bộ (vài chục đến vài trăm chiếc). Các thông số cấu tạo khác của Cyclon đều
phụ thuộc vào đường kính Cyclon;
d

o
= (0,08 ÷ 0,25)D
6


d
p
= (0,2 ÷ 0,4)D
Trong đó: D; d
o
; d
p
lần lượt là đường kính Cyclon; đường kính ống cấp
liệu; đường kính ống nước tràn. Thường thì ống tháo nước tràn lớn hơn ống
cấp liệu khoảng 20÷25%.
Đường kính ống xả đáy thay đổi không ảnh hưởng đến năng suất của
Cyclon nhưng ảnh hưởng đến các thông số về chất lượng phân cấp. Khi giảm
đường kính ống xả đáy thì:
- hàm lượng rắn trong sản phẩ
m xả đáy tăng lên
- kích thước hạt sản phẩm nước tràn tăng
- giảm thu sản phẩm xả đáy và tăng thu sản phẩm nước tràn.
Trong thực tế, đường kính ống xả đáy (d
xd
) thường được chọn trong giới
hạn: d
xd
= (0,15 ÷ 0,8) d
p

Áp lực cấp liệu của Cyclon thường từ 1 ÷ 3 at. Khi năng suất theo thể
tích của cylone đã cho thì áp lực cấp liệu phụ thuộc vào d
o
. Để nhận được sản
phẩm nước tràn tương đối thô thì có thể cho phép áp lực cấp liệu 0,5 at, nhưng
nếu muốn nhận được sản phẩm nước tràn mịn thì áp lực cấp liệu phải lớn hơn
2 atm.
I.1.4. Tính toán thiết kế Cyclon thủy lực
Việc tính toán thiết kế Cyclon thủy lực phải dựa vào các thông số chính,
bao gồm: năng suất, áp suất dòng liệu vào và độ phân cấp hạ
t mong muốn với
Cyclon.
Đường kính ống chảy tràn của Cyclon:
d
p
= 2. r
1
= 4√(Q
s
/π.v
t
) (m)
Q
s
– năng suất làm việc Cyclon thủy lực, m
3
/s.
v
t
– vận tốc của dòng huyền phù đi qua ống chảy tràn.

r
1
– bán kính ống chảy tràn
Ống cấp liệu Cyclon đặt tiếp tuyến với phần thân hình trụ và tiết diện có
dạng chữ nhật có chiều cao h, chiều rộng b. Thường lấy tỷ số : k = (h/b) = 2 ÷
4. Diện tích thiết diện của vào được tính theo công thức:
S = h.b = Qs / v
v
(m
2
)
v
v
- tốc độ dòng huyền phù trong ống cấp liệu, thường chọn 15 ÷ 20 m/s

7


Đường kính thân hình trụ Cyclon được tính theo công thức:
D = 2.r
2
= 2(r
1
+ S
1
+ ∆r) (m)
S
1
– chiều dày ống chảy tràn, m.
∆r – khoảng cách từ vỏ ống chảy tràn đến thành trong của thân hình trụ,

m. Điều kiện, ∆r ≥ b.
Vận tốc góc của dòng liệu vào thân chính Cyclon tính theo công thức:
ω = v
tb
/ r
tb
(1/s)
v
tb
– vận tốc khí trung bình trong Cyclon, lấy nhỏ hơn 1,4 lần so với vận
tốc dòng vào.
Bán kính quay trung bình của dòng huyền phù trong Cyclon, m.
r
tb
= 0,5.(r
2
+ r
1
+ S
1
) (m)
Thể tích làm việc của Cyclon được tính theo công thức:
V
lv
= Q
s
.∆r/ω (m
3
)
Chiều cao phần trụ của Cyclon được tính theo công thức:

H
t
= K.V
lv
/(π[r
2
– (r
1
+ S
1
)
2
]) (m)
K – hệ số dự trữ chiều cao, thường lấy K = 1,15 ÷ 1,25.
Chiều cao phần nón của Cyclon được tính theo công thức
H
n
= (r
2
– r
xd
)tg(90 – α/2) (m)
r
xd
– bán kính ống xả đáy, lấy theo thực nghiệm điều chỉnh độ phân cấp
hạt. Thông thường, bán kính lỗ xả đáy được lấy theo đường kính thân hình trụ
của Cyclon, r
xd
= (0,07 ÷ 0,15)D (m)
α – góc côn của Cyclon chọn phụ thuộc vào mục đích sử dụng của

Cyclon. Nếu dùng để phân cấp hạt thì góc chọn khoảng 20
o
. Nếu dùng để cô
đặc hoặc làm trong nước thì chọn góc khoảng 10 ÷ 15
o
.





8


I.2. Phân loại và ứng dụng của Cyclon thủy lực
I.2.1. Phân loại Cyclon thủy lực [6, 7, 19]
Cyclon thủy lực được nghiên cứu và ứng dụng từ 1939 tại các nước Mỹ,
Hà Lan, Ba lan và nhiều nước khác ở Châu Âu trong lĩnh vực phân tách hạt và
các sản phẩm của ngành giấy, hóa chất. Khoảng 10 năm sau, Cyclon thủy lực
được sử dụng trong các ngành khai thác khoáng sản.
Theo mục đích sử dụng, Cyclon thủy lực được chia làm 3 loại như sau:
- Cyclon thủy lực phân cấp hạt
- Cyclon thủy lực cô đặc sản phẩm
- Cyclon th
ủy lực làm giàu quặng
Theo áp suất làm việc, Cyclon thủy lực cũng được chia làm 3 loại sau:
- Cyclon thủy lực hoạt động áp suất đầu vào thấp, dưới 1,0 atm.
- Cyclon thủy lực hoạt động áp suất đầu vào trung bình, từ 1 ÷ 3,0 atm.
- Cyclon thủy lực hoạt động áp suất đầu vào cao, trên 3,0 atm

Hình 3:Một số mẫu thiết kế Cyclon cô phân cấp hạt bằng vật liệu hợp kim [19]

9


I.2.2. Ứng dụng của Cyclon thủy lực [15, 19]
Với công nghệ xử lý áp dụng Cyclon thủy lực năng suất phân tách có
hiệu quả rõ rệt với chi phí năng lượng thấp. Một ưu điểm nữa của Cyclon thủy
lực là gọn nhẹ, chiếm ít diện tích mặt bằng.
Cyclon thủy lực được áp dụng để phân cấp độ hạt trong phạm vi từ 5 ÷
100 µm. Ngoài chức năng phân cấp, Cyclon thủy lực còn được áp dụng để khử
slam, cô đặc, tách hạt thô trong quặng cuối dây truyền tuyển nổi.
Trong thực tế, Cyclon thủy lực được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh
đường kính cửa xả đáy và điều chỉnh hàm lượng chất rắn của liệu cấp vào.
Cyclon thủy lực được ứng dụng công nghiệp vào các mục đích sau:
- Phân cấp độ hạt: Cyclon thủy lực có khả năng phân cấ
p độ hạt từ 5 ÷
250 µm với độ chính xác cao và hiệu quả kinh tế. Quá trình phân cấp độ hạt
được ứng dụng đối với công nghệ tuyển quặng và các nguyên liệu hóa chất
nhất là trong khâu nghiền – phân cấp khép kín. Việc phân cấp các loại nguyên
liệu có độ hạt dưới 20 µm chỉ có thể thực hiện khi sử dụng hệ đa cấp Cyclon
thủy lực.
- Cô đặc sản phẩm và làm sạch nước:
trong quá trình tuyển nổi vấn đề
cô đặc sản phẩm rất quan trọng. Do đó người ta thường sử dụng Cyclon thủy
lực để cô đặc sản phẩm tinh quặng. Quá trình cô đặc sản phẩm dựa trên
nguyên tắc: nước sau khi phân tách theo đường thoát phía trên Cyclon thủy lực
(đường thoát bùn) còn sản phẩm đi theo đường thoát phái dưới Cyclon thủy
lực (đường thải cát). Khi làm sạch nước người ta cho vào một loại dung dịch
kết bông

để keo tụ chất bẩn trong nước sau đó lại dùng Cyclon thủy lực để
tách và làm sạch nước. Cyclon làm sạch nước được thiết kế với chiều cao phần
hình trụ ngắn và chiều cao phần hình côn dài, có thiết kế cấu tạo như hình 4.
- Làm giàu quặng bằng Cyclon thủy lực: Quá trình tuyển khoáng bằng
Cyclon thủy lực được ứng dụng trong hai trường hợp sử dụng huyền phù bằng
Manhetit, Feussilic, sunphit chì và môi trườ
ng không huyền phù. Đối với
quặng cỡ hạt có thể từ 6 – 10 mm với than cỡ hạt 30 – 50 mm. Cyclone có
thiết kế như hình 5.






10

Hình 4: Thiết kế Cyclon dùng làm sạch nước bằng vật liệu hợp kim [19]


11

Hình 5: Thiết kế Cyclon cho làm giàu quặng sử dụng vật liệu hợp kim [19]


12


I.2.3. Một số đặc tính kỹ thuật các loại Cyclon thủy lực
Người ta thường sử dụng các loại Cyclon thủy lực có đường kính từ 75,
150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 610, 760, 915, 1220, 1500 mm trong công
nghiệp vào các mục đích làm giàu, phân cấp và cô đặc sản phẩm. Đặc tính kỹ
thuật của một số loại Cyclon thủy lực được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1: Đặc tính kỹ thuật của một số loại Cyclon thủy lực [19]
Đặc tính kỹ thuật
Phân loại theo

đường kính
Cyclon thủy
lực (mm)
Góc
tuyển
α
Thiết diện
cửa vào,
cm
2

Đường kính
ống chảy
tràn, mm
Đường kính
ống xả đáy,
mm
Tỷ lệ
Rắn/Lỏng,
%
Năng suất,
Tấn nguyên
liệu rắn/h
75 20
o
2 22 8 8 0,19
150 20
o
8 76 13 12 – 15 4
200 20

o
16 95 20 21 5,7
250 20
o
23 100 50 14 11,3
300 20
o
16,2 75 25 22 12
350 20
o
15,0 80 32 ÷ 40 21 13,3
400 20
o
36 100 15 23 21,5
500 20
o
135 190 44 ÷48 31 64
610 20
o
130 200 90 30 69,3
760 20
o
548 264 179 55 68,0
915 20
o
360 200 75 27,1 50,0
1220 20
o
345 190 100 15 47
1500 20

o
370 250 70 ÷ 90 10 - 12 26 - 32







13


I.3. Các loại vật liệu chịu mài mòn cho chế tạo Cyclon thủy lực
Ở những thập kỷ 50s ÷ 60s của thế kỷ trước, Cyclon thường được đúc
bằng gang, bên trong được lót bằng vật liệu chịu mài mòn (kim loại, polime,
gốm – sứ ) hoặc được đúc trực tiếp bằng vật liệu chịu mài mòn như hiện nay.
Vật liệu chế tạo Cyclon thủy lực cần đả
m bảo các tiêu chí: chịu được
điều kiện mài mòn khắc nghiệt vì khi Cyclon thủy lực vận hành ở áp suất và
tốc độ dòng huyền phù cao, quá trình tạo ra xoáy lốc các hạt như thạch anh, đá,
hạt khoáng sét có độ cứng cao, cạnh sắc sẽ liên tục va chạm vào thành của
Cyclon thủy lực gây ra sự mài mòn. Nếu vật liệu không có khả năng chống
chịu được điều kiện làm việc như trên thì sẽ b
ị mài mòn nhanh chóng.
I.3.1. Hợp kim chịu mài mòn [17,18,19]
Từ nhiều năm trước đây, Cyclon thủy lực được chế tạo từ hợp kim của
các kim loại như: Sắt, Crom, Mangan, Ni Vật liệu đi từ kim loại có thuận lợi
là dễ gia công chế tạo theo các phương pháp luyện kim và gia công cơ khí, cho
sản phẩm có kích thước chính xác và ổn định.
Tuy nhiên, vật liệu hợp kim khi làm việc có thể đưa vào sản phẩm

những hạt kim lo
ại nói chung và kim loại nặng nói riêng. Trong nhiều trường
hợp ứng dụng của công nghiệp sơn, mỹ phẩm, dược phẩm, việc tồn tại kim
loại trong sản phẩm phân ly là không mong muốn, do chúng có thể gây biến
đổi màu khi sản xuất sơn, gây mất an toàn khi sử dụng mỹ phẩm, dược phẩm.











Hình 6: Cyclon thủy lực bằng vật liệu kim loại, chế tạo tại Việt Nam

14


I.3.2. Các vật liệu đi từ Polyme, Composit [15,16,17]
Một số năm gần đây, do yêu cầu của một số ngành hóa chất, sản xuất
giấy người ta đã phát triển và chế tạo Cyclon thủy lực đi từ vật liệu là
Polyme và Composit. Loại Cyclon thủy lực này có ưu điểm là nhẹ, độ bền hóa,
bền nhiệt tốt, độ bền va đập tốt, khi vận hành là không bị mài mòn các kim loạ
i
nặng vào sản phẩm . Tuy nhiên, yếu điểm của loại Cyclon thủy lực này là giá
thành cao; trong quá trình bị mài mòn có thể phát sinh các tạp Polyme khó
phân hủy, khi bị nung đốt có thể sinh ra những khí độc hại, không có lợi cho

môi trường sống. Vì vậy, chúng được ưu tiên sử dụng cho những công nghiệp
có mức độ mài mòn vật liệu thấp.
Hiện nay, vật liệu Polyurethane (PU) được ứng dụng trong nhiều sản
xuất Cyclon thủy lực cho nhữ
ng công nghiệp chế biến có đặc thù riêng. Ưu
điểm chính của vật liệu này là có tính dai và chịu mài mòn khá tốt, việc tạo
hình sản phẩm có nhiều thuận lợi. Tuy nhiên, vật liệu PU có giá thành rất cao
và trong nhiều trường hợp vẫn gây phát sinh tạp PU không mong muốn vào
sản phẩm, do bị mài mòn trong quá trình làm việc.














Hình 7: Cyclon thủy lực bằng vật liệu Polyurethane, nhập ngoại

15


I.3.3. Vật liệu đi từ gốm – sứ kỹ thuật bền cơ chịu mài mòn [17,19]
Do yêu cầu đặc thù của thực tế sản xuất, người ta đã nghiên cứu và chế

tạo sản phẩm Cyclon thủy lực bằng các loại gốm - sứ kỹ thuật có độ bền mài
mòn cao nhằm khắc phục các yếu điểm của hai loại Cyclon thủy lực chế tạo t
ừ
hợp kim và Polyme.
Vật liệu gốm chịu mài mòn so với các vật liệu Kim loại, Polyme,
Composit có những ưu điểm trong sử dụng làm Cyclon như sau:
+ Tính chịu mài mòn của nhiều hệ vật liệu gốm là rất cao.
+ Tính trơ với các phản ứng hóa – sinh nên không gây ảnh hưởng tới
chất lượng sản phẩm sau phân ly Cyclon. Điều này rất quan trọng với nhiều
ngành công nghiệp như sơn, giấy, dược ph
ẩm, mỹ phẩm
+ Tính bền hóa, bền nhiệt tốt, ổn định trong nhiều điều kiện làm việc.
Tuy nhiên, vật liệu gốm cũng có một số điểm yếu là tính ròn, nên chịu
tác động va đập kém, tỷ trọng so với vật liệu Polyme cao.
Dưới đây, nhóm thực hiện đề tài xin giới thiệu một số hệ vật liệu đã
được sử dụng làm vật liệ
u chịu mài mòn dùng trong Cyclon.
I.3.3.1. Vật liệu cao nhôm hệ Mulite – Corun [1,2,3]
Thành phần tổng hợp vật liệu Mulite – Corun dựa theo biểu đồ pha 2
cấu tử Bowen – Greig [3]. Theo đó, Mulite nóng chảy hoàn toàn tại nhiệt độ
1910
o
C và tạo thành Eutecti nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn so với Corun ở
1850
o
C, có thành phần 2Al
2
O
3
.SiO

2
(79% Al
2
O
3
, 21% SiO
2
). Trong đó, Mulite
– 3Al
2
O
3
.2SiO
2
tạo với Corun thành dung dịch rắn.
Tuy nhiên, tùy theo điều kiện tổng hợp, tùy theo hàm lượng và loại phụ
gia khoáng hóa cũng như quá trình xử lý kết tinh, cấu trúc của hệ vật liệu sẽ
khác nhau. Trong vùng hỗn hợp các cấu tử đạt trạng thái cân bằng có thể tồn
tại cả 3 pha: Mulite, Corun và Cristobalite. Mulite và Corun là các pha chủ yếu
tạo thành trong vật liệu gốm cao nhôm. Sự tồn tại của Cristobalite trong thành
phần pha của xương gố
m cao nhôm không đáng kể do khi kết khối,
Cristobalite sẽ kết hợp với các tạp oxyt khác tạo thành pha thủy tinh.
Mức độ kết khối của gốm Mulite – Corun chịu ảnh hưởng rất lớn của độ
mịn nguyên liệu và việc sử dụng các phụ gia tăng cường kết khối như MgO,
CaO, TiO
2
, MnO, Fe
2
O

3
Ví dụ, việc đưa vào 2% MgO và 1% TiO2, độ co
khi nung kết khối tăng từ 19 đến 24%. Việc hạ thấp nhiệt độ nung kết khối vật
liệu cũng có thể đạt được bằng cách đưa vào phụ gia hỗn hợp MgO – CaO,
MnO – TiO
2
với hàm lượng từ 2-3%. Nhiệt độ kết khối thấp nhất từ 1380
o
C –
1450
o
C có thể đạt được khi thêm vào một tỷ lệ phụ gia hợp lý giữa MgO-CaO-
BaO-TiO
2
.[2]
Theo nhiều công trình nghiên cứu thì không có sự khác biệt đáng kể nào
khi đưa các hợp chất trợ chảy vào phối liệu dưới dạng oxyt, frit hay hợp chất
nóng chảy. Tuy nhiên, để cải thiện tốc độ kết khối nên đưa vào các phụ gia trợ
16


chảy dưới dạng frit hoặc hợp chất nóng chảy. Các pha thủy tinh hệ MgO-BaO-
SiO
2
-Al
2
O
3
, B
2

O
3
-MgO-SiO
2
sẽ cho phép thu được xương gốm kết khối cao và
chịu mài mòn tốt. Điều này có thể được giải thích là do sự hòa tan một lượng
Al
2
O
3
vào trong pha thủy tinh và tạo thành pha liên kết thủy tinh có khả năng
chịu mài mòn cao.
I.3.3.2. Hệ vật liệu mulite – zirconia
Cơ sở lý thuyết của hệ gốm mulite – zirconia là hệ 2 cấu tử ZrO
2
– SiO
2

và hệ 3 cấu tử ZrO
2
– SiO
2
– Al
2
O
3
. Pha tinh thể quan trong nhất trong hệ gốm
này là mulite 3Al
2
O

3
. 2SiO
2
và octosilicate-zircon ZrO
2
.SiO
2
. Vật liệu hệ này
cho độ bền hóa, bền nhiệt, đặc biệt là bền cơ cao. Vật liệu này có khối lượng
thể thích cao hơn so với hệ vật liệu mulite – corun.
Các phụ gia chủ yếu sử dụng để tăng tính kết khối cũng như cường độ
cơ học cho hệ này là CaO, MgO, TiO
2
, CeO
2
, SrO
2
Đối với hệ vật liệu này,
để có độ kết khối tốt thường thay thế một lượng nguyên liệu dẻo truyền thống
(cao lanh và đất sét chịu lửa) bằng các loại thủy tinh có tính bền cơ, chịu mài
mòn tốt như CaO-B
2
O
3
-Al
2
O
3
-SiO
2

hoặc CaO-TiO
2
-Al
2
O
3
-SiO
2
Với hàm
lượng khoảng từ 8 – 10 % xương gốm Mulite – Zirconia có thể kết khối ở
nhiệt độ 1450 – 1500
o
C và cho độ bền cơ cao.
I.3.3.3. Hệ vật liệu gốm đặc biệt gốc ZrO
2
[1,2]
Gốm đặc biệt trên cơ sở ZrO
2
đã được thế giới đặc biệt quan tâm vì nó
có nhiều tính năng kỹ thuật quý hiếm, đa dạng mà các hệ khác không có được.
Theo các đánh giá của các nhà công nghệ vật liệu mới: thành tựu lớn nhất về
mặt lý thuyết với hệ này là phát hiện và sử dụng hiệu ứng tăng bền Mactensit
của phụ gia ZrO
2
đơn tà trong các hệ vật liệu gốm kỹ thuật như: Corun, Si
3
N
4
;
SiC; Mulite, Spinel MgO.Al

2
O
3
, MgO.ZrO
2
Có thể nói vật liệu đi từ ZrO
2

hiện đang chiếm một mảng lớn để tạo ra các hệ gốm siêu cứng, bền dai và
chịu mài mòn cao. Những năm gần đây người ta đã sử dụng phụ gia đất hiếm
như CeO
2
, Y
2
O
3
để tạo ra các vật liệu gốm gốc ZrO
2
với các tính chất kỹ
thuật đặc biệt.
Phương pháp ổn định ZrO
2
và công nghệ chế tạo gốm trên cơ sở ZrO
2

cũng rất phong phú song cách ổn định tốt nhất là thực hiện kết hợp các muối
chưa Ziercon và các phụ gia ổn định, sau đó cho sa lắng với kích thước phân tử
tạo ra hydroxyt Zircon chứa các pha ổn định ở trạng thái khuyếch tán trong
quá trinh keo gel của toàn hỗn hợp. Bằng phương pháp này có thể tạo được sản
phẩm gốm đặc biệt bền cơ từ ZrO

2
mà nhiệt độ nung có thể hạ thấp xuống
1450 – 1500
o
C (hệ gốm bền cơ theo phương pháp này có thể đạt bền uốn từ 80
– 100 MPa).
I.3.3.4. Hệ vật liệu sứ bền cơ cao
Sứ bền cơ cao thường được tổng hợp từ hệ SiO
2
– Al
2
O
3
– K
2
O với hàm
lượng SiO
2
hoặc Al
2
O
3
cao để tạo độ cứng, độ bền cơ cao cho sản phẩm. Biểu
đồ pha của hệ SiO
2
– Al
2
O
3
– K

2
O giúp ta xác định thành phần lý thuyết của
17


cấu trúc sứ sau khi nung ở các điều kiện cụ thể. Tuy nhiên, muốn làm chủ
được kỹ thuật sản xuất sứ cần phải có sự hiểu biết đầy đủ về các quá trình khác
như sự biến đổi thảnh phần nguyên liệu sứ theo nhiệt độ, khả năng kết khối và
ảnh hưởng của phụ gia kết hối khi nung. Việc bổ sung các phụ gia như MgO,
TiO
2
, ZrO
2
, CeO
2
, Y
2
O
3
có thể làm tăng cường độ cơ học và các tính chất kĩ
thuật khác của vật liệu như tính chịu mài mòn, tinh chống ăn mòn hóa học của
vật liệu.
Với hệ sứ SiO
2
– Al
2
O
3
– K
2

O, có thể đạt được các chỉ tiêu như
sau[1,4,5]:
+ Khối lượng thể tích, [g/cm
3
] : 2,3 ÷ 2,5
+ Cường độ chịu uốn, [N/mm
2
]: 80 ÷ 100
+ Cường độ chịu nén, [N/mm
2
]: 500 ÷ 700
+ Cường độ chống va đập, [N.mm/mm
2
]: 2,2 ÷ 3
+ Độ cứng thang Mohs: 7 ÷ 8
Theo nhiều tác giả, sứ hệ giàu SiO
2
đạt độ bền cực đại do trong cấu trúc
của nó phát sinh ứng suất nội. Theo Dietzel lúc làm nguội, bản thân các hạt
quazt dư tồn tại lực nén. Độ bền cơ học của sứ giàu quazt chỉ đạt được một
giới hạn nhất định, đồng thời không tạo ra tính bền dai và bền mài mòn cao.
Để có các tính chất bền cơ và bền mài mòn cao hơn nữa, người ta nghiên cứu
ảnh hưởng của mộ
t số oxyt hay hợp chất thêm vào phối liệu ví dụ Al
2
O
3
, ZrO
2
,

ZrSiO
4
, CeO
2
, Y
2
O
3

Ảnh hưởng của chất phụ gia khoáng hóa khác nhau đến tính chất của sứ
rất phức tạp. MgO, Li
2
O, ZnO là các chất khoáng hóa xúc tiến sự tạo thành
Mulite tốt. Với sứ hệ giàu SiO2, các oxyt có tác dụng khoáng hóa tốt là ZrO
2
,
MgO, SnO
2
, CeO
2
, Ce
2
O
3
với hàm lượng từ 2 ÷ 3 %.
Oxyt nhôm có tác dụng nâng cao độ bền cơ và bền nhiệt, khi hàm lượng
Al
2
O
3

thêm vào từ 20 ÷ 40%. Bằng biện pháp thêm oxyt nhôm vào phối liệu
sứ SiO
2
– Al
2
O
3
– K
2
O có thể nâng độ bền uốn của sứ lên đến 200MPa. Sứ rất
giàu Al
2
O
3
(đến 70%) có thể cho độ bền uốn cực đại, 326Mpa, và chỉ cần nung
ở nhiệt độ 1500
o
C nếu có mặt chất khoáng hóa với hàm lượng thích hợp.[2]
Các cấu tử ZrO
2
, ZrSiO
4
, CeO
2
có tác dụng tăng độ bền chịu mài mòn,
bền hóa, bền nhiệt cho vật liệu.
Ngoài yếu tố thành phần, để thu được vật liệu sứ có tính bền cơ cao, độ
cứng cao, độ bền mài mòn cao thì phương pháp tổng hợp cũng chiếm vị trí rất
quan trọng. Các yếu tố then chốt làm tăng tính chất vật liệu bao gồm: độ mịn
phối liệu, tính chất xít đặc của phố

i liệu trước và sau tạo hình sản phẩm, chế độ
xử lý nhiệt với sản phẩm. Để đạt được các chỉ tiêu bền cơ học, bền mài mòn
tối ưu, phối liệu cần được nghiền mịn đến cỡ hạt dưới 45 µm, tạo hình ép phối
liệu bán khô với áp lực cao hoặc luyện hút chân không tạo độ xít đặc cao trước
khi tạo hình. Cuối cùng là chế độ gia nhiệt t
ối ưu để tạo vật liệu.
18


PHẦN II: THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU
II.1. Nội dung nghiên cứu
II.1.1. Xác định chủng loại Cyclon thủy lực cho nghiên cứu
Trong xử lý phân cấp hạt phục vụ cho các ngành như công nghiệp
ceramic, công nghiệp giấy, công nghiệp sơn, sản xuất các phụ gia hiện nay,
các kích thước hạt mong muốn được phân tách thường gồm những mức phân
tách sau
+ Kích thước trên 63 µm (không quá 100 µm)
+ Kích thước từ 45 ÷ 63 µm
+ Kích thước từ 10 ÷ 45 µm
+ Kích thước từ 3 ÷ 10 µm
+ Kích thướ
c dưới 3 µm
Với công nghiệp Ceramic chủ yếu sử dụng nguyên liệu có kích thước
hạt từ 30 ÷ 63 µm. Tùy theo đối tượng sử dụng là sản xuất men hay làm xương
gốm mà cấp hạt yêu cầu có thể thay đổi. Với công nghiệp sản xuất giấy và sơn
phục vụ xây dựng, các nguyên liệu sử dụng thường yêu cầu cấp hạt từ 10 ÷ 45
µm.Với công nghiệp sản xuất phụ gia, tùy ngành mà có yêu cầu cấ
p hạt khác
nhau nhưng thường chọn kích thước hạt từ 3 ÷ 20 µm.
Căn cứ vào nhu cầu sản lượng và yêu cầu kích thước hạt phổ biến của

các ngành công nghiệp trên, nhóm thực hiện đề tài đã chọn ra chủng loại
Cyclon có đường kính ∅=75 là đối tượng nghiên cứu sản xuất
chính.[6,9,10,15,19]
Bảng 4: Thông số kỹ thuật cơ bản của chủng loại Cyclon ∅75 [19]
Đặc tính kỹ thuật
Đường kính
Cyclon thủy
lực (mm)
Góc
tuyển
Thiết diện
cửa vào,
cm
2

Đường kính
cửa tràn,
mm
Đường kính
cửa đáy,
mm
Tỷ lệ
Rắn/Lỏng,
%
Năng suất,
Tấn/h
75 20
o
2 22 8 8 0,19
Kết hợp với tính linh hoạt trong điều chỉnh kích thước hạt được phân

tách của Cyclon thông qua đường kính cửa chảy tràn, đường kính cửa xả đáy,
thiết diện và áp suất dòng huyền phù cấp vào, nhóm đề tài xác định được rằng:
bằng cách sản xuất bổ sung các chi tiết liên quan với kích thước lỗ khác nhau
19


hoặc điều chỉnh áp xuất hay thiết diện cửa vào sẽ thu được các các loại Cyclon
cho phân cấp hạt mong muốn.
Theo nguyên tắc phân cấp hạt như đã trình bày ở phần tổng quan lý
thuyết, nhóm đề tài xác định kích thước các chi tiết được sản xuất bổ sung để
lắp giáp kèm với sản phẩm Cyclon ∅75 như trong bảng 5.
Bảng 5: Kích thước lỗ thoát của các chi tiết điều chỉnh [6,3,19]
Kích thước hạt phân cấp Đường kính lỗ xả đáy
(mm)
Đường kính lỗ chảy tràn
(mm)
Dưới 100 µm 10 22
Dưới 63 µm 8÷10 20 ÷ 22
Dưới 45 µm 6 ÷ 8 18 ÷20

II.1.2. Xác định phương pháp tạo hình Cyclon thủy lực
Cấu tạo của Cyclon thủy lực là khá phức tạp với nhiều chi tiết và hình
dạng khác nhau. Với loại Cyclon lựa chọn nghiên cứu chế tạo, kích thước của
các bộ phận là tương đối nhỏ. Do vậy, vấn đề đầu tiên đặt ra là phải chọn được
phương án từ dạng phối liệu cho tạo hình đến chế độ ki
ểm soát kích thước khi
tạo hình cũng như sau nung đốt là rất khó khăn với nhóm thực hiện đề tài.
Phối liệu phải có tính khả thi khi tạo hình đồng thời phải đảm bảo giữ
được hình dạng sau tạo hình. Các phương án tạo hình gốm sứ gồm: đổ rót hồ
trong khuôn thạch cao, ép áp lực phối liệu bán khô trong khuôn, tạo hình phối

liệu dẻo bằng xây – tiện trong khuôn được nhóm đề tài đầu tư khảo sát từ

tính chất phối liệu đến khả năng tạo hình và sự ổn định mộc sau tạo hình. Đê
ổn định kích thước và hình dạng khi tạo hình nhóm đề tài đã khảo sát tiện thử
một số chi tiết với phôi gốm đã được nung sơ bộ nhằm ổn định vật liệu. Ngoài
ra, nhóm đề tài còn tiến hành khảo sát phương án chia tách Cyclon ra nhiều bộ
phận cho dễ thực hiện các biện pháp t
ạo hình và dễ dàng kiểm soát được kích
thước cuối cùng của sản phẩm Cyclon.
Qua các tham khảo tài liệu về tính chất phối liệu [1,4,5] liên quan đến
chế tạo Cyclon với các vật liệu gốm của nước ngoài, kết hợp thực nghiệm khảo
sát tính khả thi khi tạo hình với các loại phối liệu, nhóm đề tài xác định
phương án tối ưu cho tạo hình là tiến hành tạo xây-tiện với phối liệu dẻo
được
luyện xít đặc qua máy luyện chân không. Những chi tiết có hình dạng góc cạch
vuông, nhọn được tạo hình dẻo bằng các cốt hoặc khuôn đồng dạng.
Phương án tạo hình xây tiện với phối liệu dẻo luyện chân không tạo xít
đặc có những ưu nhược điểm sau:
20


+ Ưu điểm: Tạo hình được hầu hết các chi tiết cần thiết để lắp ghép
thành một bộ Cyclon hoàn chỉnh. Việc tạo hình được thực hiện với các thiết bị
và dụng cụ quá đắt tiền. Môi trường làm việc của người công nhân không phức
tạp và khắc nghiệt.
+ Nhược điểm: Tính ổn định kích thước và hình dạng sản phẩm không
cao nên việc kiểm soát quy trình s
ấy nung phải thực hiện rất nghiêm ngặt. Các
chỉ tiêu phối liệu trước tạo hình phải được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm
bảo giữ được đúng kính thước sau từng công đoạn sản xuất.

II.1.3. Định hướng hệ vật liệu chịu mài mòn cho sản xuất Cyclon
Căn cứ lựa chọn vật liệu làm Cyclon dựa trên các yếu tố sau:
+ Chỉ tiêu kỹ thuật về tính ch
ất cơ học đáp ứng các điều kiện: lắp ráp,
định vị, chịu tải ốc vặn, đè nén, chịu tác động va đập
+ Đối với vật liệu làm Cyclon, khả năng chịu mài mòn của vật liệu càng
cao tuổi thọ của Cyclon càng được đảm bảo.
+ Tính ổn định khi tạo hình theo phương án tiện với phối liệu dẻo.
+ Tính tương hợp của vật liệ
u với các yêu cầu về mức nhiễm tạp, cũng
như các chỉ tiêu kỹ thuật - kinh tế của ngành công nghiệp sử dụng Cyclon.
Với định hướng ứng dụng thiết bị của đề tài là dùng cho phân cấp
nguyên liệu trong ngành công nghiệp ceramic (như xử lý cao lanh, đất sét,
bentonit), nguyên liệu cho công nghiệp giấy, nguyên liệu cho công nghiệp sơn,
dược phẩm, mỹ phẩm. Trạng thái nguyên liệu dự kiến phân cấp là huyền phù
đ
ã qua xử lý của các loại khoáng sản với kích thước hạt đầu vào dưới 100 µm.
Nhóm thực hiện đề tài xác định rằng:
+ Hệ sứ K
2
O – SiO
2
– Al
2
O
3
cho phép đạt các chỉ tiêu cơ học đáp ứng
yêu cầu chế tạo và sử dụng Cyclon. Tuy nhiên, khi sử dụng Cyclon sứ vẫn cần
có lưu tâm nhất định đến tính ròn đặc trưng của vật liệu gốm – sứ nói chung.
+ Với sự điều chỉnh các cấu tử làm tăng tính chịu mài mòn là Al

2
O
3
,
ZrO
2
, ZrSiO
4
, CeO
2
, Y
2
O
3
. Hệ K
2
O – SiO
2
– Al
2
O
3
hoàn toàn có khả năng áp
dụng làm vật liệu sản xuất Cyclon thủy lực.
+ Hệ K
2
O – SiO
2
– Al
2

O
3
cho phép tạo ra các đơn phối liệu với tính dẻo
đảm bảo yêu cầu tạo hìnhh tiện, xây hoặc đúc khuôn ở dạng dẻo.




21


II.1.4. Các nội dung nghiên cứu đặt ra của đề tài
Trong phạm vi của một đề tài nghiên cứu – triển khai, nhóm thực hiện
đề tài xây dựng chương trình nghiên cứu gồm những nội dung sau:
- Nghiên cứu vật liệu đảm bảo tính chất cơ học và độ bền mài mòn cho
áp dụng làm Cyclon trong các ngành công nghiệp xử lý cao lanh, đất sét, giấy,
sơn, dược phẩm.
- Nghiên cứu đơn phối liệu đảm bảo yêu cầu ổ
n định hình dạng Cyclon
khi tạo hình, sấy, nung.
- Thiết kế hình dáng Cyclon thủy lực cùng các chi tiết phù hợp điều
kiện tạo hình và nung đốt.
- Thiết kế và chế tạo các dụng cụ tạo hình Cyclon cùng các chi tiết.
- Xây dựng quy trình kỹ thuật sản xuất hoàn chỉnh bộ Cyclon thủy lực
- Sản xuất bán công nghiệp sản phẩm Cyclon thủy lực cùng các chi tiết.
- Chạy thử nghiệm Cyclon thủy lực kiểm tra chấ
t lượng vật liệu, thông
số công nghệ khi ứng dụng.
II.1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài.
- Nghiên cứu vật liệu dựa trên việc khảo sát thực nghiệm với hệ gốc đã

được công bố với các tính chất bền cơ – lý đạt yêu cầu của đề tài. Khảo sát tập
trung nhằm làm tăng tính chịu mài mòn của vật liệu thông qua việc bổ sung
các cấu tử Al
2
O
3
và ZrO
2
cùng các phụ gia khác.
- Kiểm định các chỉ tiêu cơ lý tại phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn
TCVN, ASTM tương ứng. Kiểm định khả năng chịu mài mòn thông qua ứng
dụng Cyclon vào thực tế sản xuất và so sánh.
- Khảo sát các loại Cyclon thủy lực đang được sử dụng từ đó thiết kế các
chi tiết của Cyclon phù hợp điều kiện tạo hình và nung đốt của vật liệu gốm.
- Xây dựng quy trình sản xu
ất và sản xuất thử nghiệm để rút ra các
thông số công nghệ cùng quy trình sản xuất tối ưu.
- Ứng dụng Cyclon thủy lực vào trong quá trình lọc, phân tách Caolanh
để đánh giá chất lượng sản phẩm của đề tài. Từ đó có những phương án điều
chỉnh công nghệ sản xuất cuối cùng.



22


II.2. Nghiên cứu tính chất vật liệu trong phòng thí nghiệm
II.2.1. Phương pháp nghiên cứu vật liệu
Với phạm vi là nghiên cứu ứng dụng, nhóm đề tài chỉ tập trung vào
khảo sát tính chất chịu mài mòn của vật liệu hệ sứ cứng K

2
O – SiO
2
– Al
2
O
3

với sự điều chỉnh bổ sung các thành phần MgO, Al
2
O
3
, ZrSiO
4
, CeO
2
, Y
2
O
3
.
Căn cứ các kết quả nghiên cứu về vật liệu sứ cứng của Bộ môn Silicate
– Đại học Bách khoa Hà nội, cùng các kết quả thử nghiệm và ứng dụng thực tế
của các nhà máy sản xuất sứ cách điện cao thế trong nước hiện đang sử dụng
hệ K
2
O – SiO
2
– Al
2

O
3
nhóm đề tài chọn thành phần hóa và thành phần đơn
phối liệu tham khảo như trong bảng 6 và 7.
Bảng 6: Thành phần hóa học gốc dùng để khảo sát với các cấu tử điều chỉnh
tính chất vật liệu [1,4,5]
Thành phần hóa học, [%khối lượng]
Xương
mẫu
SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
CaO MgO K
2
O Na
2
O ZrO
2
MKN
M1 68,27 21,73 0,61 0,84 0,87 2,17 1,09 - 4,43
(Đây là thành phần hóa tốt nhất hệ K
2
O – SiO

2
– Al
2
O
3
đã được thử nghiệm tại nhà
máy sứ cách điện Hoàng Liên Sơn và sứ cách điện Đông Hải).
Bảng 7: Chọn đơn phối liệu gốc tham khảo [4,5]
TT Phối liệu sứ cylclone % khối lượng
1 Cao lanh Yên Bái 30,0
2 Đất sét trúc thôn 23,0
3 Trường thạch Yên Hà 28,0
4 Quazt Yên Hà 17,0
5 Hoạt thạch 2,0
6
Tổng 100,0

Các bước tiến hành thực nghiệm khảo sát vật liệu như sau:
- Tính đơn phối liệu dựa trên cơ sở bổ sung vào đơn phối liệu gốc (đã
lựa chọn như trong bảng 7), các thành phần oxyt và phụ gia nhằm tăng tính
chịu mài mòn của vật liệu lên cao hơn nữa.
- Cân định lượng nguyên liệu và cho nghiền trong máy nghiền bi với độ
ẩm từ 32 – 34%, thời gian nghiền từ 24 – 36 giờ để
đạt độ mịn của hạt dưới
63µm, tỷ lệ sót sàng lỗ 63µm là nhỏ hơn 0,5 %.
23


- Ép lọc khung bản tách nước đến độ ẩm từ 19 ÷ 20 % rồi đem luyện
lento cấp 1. Sau đó đem ủ phối liệu từ 48 – 60 giờ rồi đem luyện lento chân

không 2 cấp, độ chân không phải đạt trên 99%.
- Tạo hình mẫu và nung kết khối ở các giá trị nhiệt độ chọn khảo sát là
1300
o
C; 1325
o
C; 1350
o
C, sau đó kiểm tra tính chất cơ lý của vật liệu.
Phương pháp áp dụng kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý:
+ Xác định độ hút nước, khối lượng thể tích theo tiêu chuẩn TCVN với
vật liệu gốm – sứ kỹ thuật.
+ Xác định độ chịu uốn trên máy kéo nén vạn năng Houndsfield -
H50K, với kích thước mẫu tạo hình: Dài x Rộng x Cao = 100 x 35 x 12 mm
+ Xác định độ chịu nén trên máy nén tải trọng cực đại 10 tấn, với kích
thướ
c mẫu: Đường kính x Cao = 30 x 30 mm.
+ Xác định độ cứng bề mặt, thang Mohs, theo tiêu chuẩn EN101:1991
+ Xác định độ chịu mài mòn bề mặt theo tiêu chuẩn TCVN 6065-1995.
II.1.2. Lựa chọn nguyên liệu [1,2,3,4,5,11]
Căn cứ vào thành phần hóa dự kiến khảo sát, nhóm đề tài tiến hành thu
thập và phân tích các ngyên liệu, đặc biệt là nguyên liệu hiện đang sử dụng tại
các nhà máy sản xuất sứ cách điện do sự tương đồng của phương án gia công
phối liệ
u và tạo hình mà đề tài dự kiến tiến hành. Ngoài ra, đề tài còn khảo sát
và sử dụng các nguyên liệu tinh khiết ngoại nhập. Nhóm đề tài đã lựa chọn các
loại nguyên liệu sau:
- Cao lanh Yên Bái
- Đất sét Trúc thôn trắng
- Fenpat Kali Yên Hà

- Quazt Yên Hà
- Hoạt thạch Phú Thọ
- Oxyt MgO kỹ thuật
- Oxyt nhôm kỹ thuật (Trung Quốc)
- Ziecon silicate siêu mịn (Trung Quốc)
- Bột CeO
2
(Ngoại nhập)
- Bột Y
2
O
3
(Ngoại nhập)
- Bột TiO
2
siêu mịn