Giao trinh bai tap 3 công và năng lượng

Vật liệu kính xây dựng

Vật Liệu Xây Dựng
(Construction Materials)
Bộ môn Vật liệu Silicat
Khoa Công Nghệ Vật Liệu
Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chı́ Minh

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-2

Trạng thái thủy tinh

Nội dung

E (kJ)

Trạng thái thủy tinh

Tạo
Tạo
mầm

Các sản phẩm thủy tinh trong xây dựng
Ảnh hưởng thành phần nguyên liệu

Kết tinh tứ
tức
thờ
thời

Công nghệ sản xuất
Xử lý nhiệt cho thủy tinh

Chảy
Chảy lỏ
lỏng

Một số tính chất của thủy tinh kính
Yếu tố môi trường
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

Mầm

Vô đị
định hì
hình

T (0C)
Kết tinh tinh thể
thể

3-3

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-4

1

Trạng thái thủy tinh

Trạng thái thủy tinh

Thể
Thể tích
tích

Tính đẳng hướng
Lỏng
Lỏng

Tính vô định hình ⇒ trong suốt

Tốc độ
độ làm
làm
nguộ
nguội

Thủy
Thủy tinh

Tinh thể
thể

Nhiệ
Nhiệt độ
độ

Nhiệ
Nhiệt độ
độ
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-5

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-6

Các sản phẩm chính

Các sản phẩm chính

Gương soi gồm kính và lớp tráng nền Ag, Cu,
sơn bảo vệ.
Gốm thủy tinh chịu nhiệt (α=0 tới 800°C)

Kính tấm mài bóng, dày 0,6 - 6,8 mm
Kính tấm kéo
Kính tấm cán
Kính tấm chịu lực, dày 6 mm - 8 mm
Kính tấm hoa văn, màu
Kính tấm chống nắng
Kính tấm hấp thụ, lọc (UV, IR hay ánh sáng)
Kính tấm phản xạ nhiệt (IR)
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-7

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-8

2


Các sản phẩm chính
Sợi thủy tinh (glass fiber); từ thủy tinh trạng thái
chảy thu được sợi dài, mảnh 0,1µm nếu dùng kỹ
thuật kéo và sợi thô, ngắn nếu kỹ thuật thổi.

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-9

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-10

Cát
Cát , thủy
thủy tinh vỡ
vỡ

Các sản phẩm composite
Nấu chả
y

chảy

Kính tấm cường lực, kích thước 125-150cm,
dày 3-10mm
Kính tấm xếp lá nhiều lớp
Kính 2 lớp cách nhiệt, Lớp không
khí khô
cách âm

Tạo
Tạo sợ
sợi và
và phun
chấ
chất kế
kết dí
dính

Cắt dọ
dọc thớ
thớ

Thủy
Thủy tinh trắ
trắng

Cắt ngang thớ
thớ

Buồ

Buồng polymer hó
hóa
Sợi thủ
y tinh mà
thủy
màu và
vàng

Lớp kí
kính
Chắ
Chắn 1

Hồi lưu

Chêm

Chắ
Chắn 2
Hạt
Hạt hú
hút
ẩm

Tấm; Sợi φ 6µm + nhự
nhựa tổ
tổng hợ
hợp
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-11

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-12

3


Text = -10°
10°C

Kính tấm có phủ lớp
TiO2

Tint = 15°C
Phát
Phát xạ
xạ thấ
thấp

Hiệu ứng quang xúc tác:
dưới hiệu ứng UV, oxit
titan trở thành chất xúc
tác phân hủy các chất
bẩn, hữu cơ, bụi.

Lớp phủ
phủ oxit KL

Hiệu ứng dính ướt: nước
trên bề mặt không đọng
lại mà trôi theo lớp mỏng
có tác dùng làm sạch bụi
bẩn.

Ánh nắ
nắng mặ
mặt trờ
trời
Khí
trơ

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-13

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-14

Thành phần nguyên liệu

Một số yêu cầu thủy tinh xây dựng

Thành phần hóa của kính xây dựng theo yêu cầu:

Độ bền uốn
Độ bền kéo
Khả năng chịu nhiệt.

Độ bền hóa học

VD; Thành phần hóa của kính xây dựng theo
phương pháp tạo hình kính nổi:

Khả năng hấp thụ ánh sáng.

%Al2O3 < 18
%CaO+MgO ≥ 12
%Na2O+K2O ≤ 14
%Fe2O3 < 0,1

Kích thước, hình dạng (Theo TCVN 14511986)
Khối lượng thể tích.
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-15

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-16

4


Cát cung cấp SiO2

Thành phần nguyên liệu

Vai trò; Là cấu tử tạo mạng, làm cho thủy tinh có

nhiệt độ nóng chảy cao, độ nhớt, độ bền hóa, độ
chịu nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp.
Thành phần hóa;
Oxit

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

Fe2O3

MKN

Hàm lượng %

≥ 99.5 ± 0.5

≤ 0.3

≤ 0.1

≤ 0.1

0.1

≤0.3

Kích thước hạt
≥ 0,6 mm: ≤ 0,5 %
< 0,1 mm: ≤ 5,0 %
Độ ẩm: ≤ 5,0%
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-17

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-18

Đá vôi cung cấp CaO

Pegmatit cung cấp Al2O3
Vai trò Al2O3 làm giảm khả năng kết tinh, tăng độ
bền cơ học, độ bền hóa học và độ bền nhiệt, làm
giảm hệ số dãn nở của thủy tinh.
Thành phần hóa;

Vai trò CaO giúp cho quá trình nấu và khử bọt thêm
dễ và làm cho thủy tinh chịu đựng được tác dụng
hóa học.
Thành phần hóa

Kích thước hạt:
≥ 0,6mm: ≤ 0,5%
> 0,5mm: ≤ 5,0%
< 0,1mm: ≤ 80,0%

Độ ẩm: < 1,0%

Kích thước hạt đá vôi yêu cầu
phải nhỏ hơn 2,5mm và
≥ 2,0mm: ≤ 1,0%
< 0,1mm: ≤ 12,0%
Độ ẩm: < 1,0%
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-19

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-20

5


Sođa, Natri sunfat cung cấp Na2O

Dolomit cung cấp MgO

Vai trò Na2O có tác dụng hạ thấp nhiệt độ nấu, tăng tốc độ
hòa tan các hạt cát, tăng tốc độ khử bọt do hạ thấp độ nhớt
của thủy tinh.
Thành phần hóa của sođa
% Na2CO3: ≥ 99,0 ± 0,5
%NaCl: ≤ 0,5 ± 0,1
Thành phần hóa của Natri sunfat
% Na2SO4: ≥ 99,0 ± 0,5

%NaCl : ≤ 0,6 ± 0,1
Kích thước hạt : ≥ 1,0mm: ≤ 5,0%
< 0,1mm: ≤ 12,0%
Độ ẩm của sođa và natri sunfat < 0,5%
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-21

Nguyên liệu Than

Kích thước hạt yêu cầu phải
nhỏ hơn 2,5mm và
≥ 2,0mm: ≤1,0%
< 0,1mm: ≤16,0%
Độ ẩm: < 1,0%
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-22

Tóm tắt các công đoạn

Vai trò tác dụng quan trọng trong giai đoạn khử bọt
của thủy tinh
Yêu cầu của than sử dụng trong sản xuất : hàm
lượng C > 80%
Kích thước hạt sau khi nghiền
yêu cầu phải nhỏ hơn 2,0 mm
và
≥ 1,0mm : ≤1,5%
< 0,1mm: ≤ 30,0%

Độ ẩm: < 3,0%
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

Vai trò MgO làm giảm khuynh hướng kết tinh, làm tăng
tốc độ đóng cứng của thủy tinh. Khi đưa vào cùng với
Al2O3 độ bền hóa của thủy tinh cũng tăng lên.
Thành phần hóa của Dolomite

3-23

Nguyên liệu được gia công nghiền, định lượng và
trộn đều.
Nấu chảy lò T=1200-1500°C
Tinh luyên và đồng nhất hóa ở T=1500°C

Tạo hình
Nung lại xử lý nhiệt
Làm nguội chậm hay tôi xử lý.

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-24

6


Pp thổi

Pp kéo tấm
Bề dày 0,6 - 6,2 mm

Nguyên liệ
liệu

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

Thủy
y
Thủy tinh chả
chảy

Kéo
Kéo

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-25

Pp cuộn dòng
Lò nấu chả
y
chảy

Gia nhiệ
nhiệt

Pp kính tấm nổi

Cuộ
Cuộn dò

dòng

Kính
Kính nổ
nổi trong bể
bể

Lò nấu chả
y
chảy

Nấu lạ
lại

3-26

Mài
Mài phẳ
phẳng bề
bề mặt

Đánh bó
bóng bề
bề mặt

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

Cắt tấ
tấm

3-27

Nấu lạ
lại

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

Cắt tấ
tấm

3-28

7


Pp kính tấm nổi

Pp kính tấm nổi

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-29

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-30

Chảy
Chảy lỏ
lỏng

3-31

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-32

Vai trò của
độ nhớt
nhớ
ớt) pa.s
Log (độ nh

Kéo
Kéo căng
Nấu lạ
lại

Biế
Biến mề
mềm

Tạo
Tạo hì
hình

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

Nhiệ
Nhiệt độ
độ

8


Giai đoạn nấu thủy tinh
Giai đoạn tạo silicat: kết thúc ở khoảng 10200C trong
đó xảy ra các quá trình:
- Tạo muối kép và hỗn hợp eutecti
- Muối kép nóng chảy
- Phân hủy nhiệt và phân hủy các muối kép
- Tạo silicat
Giai đoạn tạo pha thủy tinh:
- Giai đạn này xảy ra chậm, chiếm từ 60 – 70% thời gian
của quá trình nấu.
- Tốc độ tạo thủy tinh phụ thuộc vào tốc độ hòa tan của
cát (khoảng 25% còn lại trong quá trình tạo silicat).

Sơ đồ
sx kính
tấm nổi
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-33

Giai đoạn khử bọt
- Giaỉ phóng một phần bọt khí của các giai đoạn tạo
silicat và tạo thủy tinh ra môi trường bên ngoài
- Trong giai đoạn này, xảy ra đồng thời các quá trình
thoát khí từ trong lòng thủy tinh ra môi trường và ngược
lại.

Giai đoạn đồng nhất hóa:
- Qúa trình đồng nhất hóa xảy ra nhờ khuếch tán.
- Đồng nhất hóa các thành phần trong khối thủy tinh.
- Trong giai đoạn này thường dùng cánh khuấy để tăng
quá trình đồng nhất hóa của thủy tinh.
Giai đoạn làm nguội:
- Làm tăng độ nhớt của thủy tinh để tạo hình sản phẩm
(từ 14500 đến khoảng 12000C).
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-35

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-34

Tạo hình tấm dùng bể thiếc
Các thông số của quá trình tạo hình thủy tinh
- Nhiệt độ của thủy tinh tại kênh dẫn : 1080 – 11300C
- Nhiệt độ của đầu kính ra : 575 – 5950C
- Nhiệt độ bên trong vòm bể 2500C.
- Nhiệt độ của vật liệu bọc ngoài đáy 400C.
- Nhiệt độ đầu ra nước làm mát < 600C
- Mức thiếc: 75 – 77mm
- Tiêu thụ hỗn hợp khí N2 + H2: 1350 m3/h.

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-36

9


VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-37

Quá trình nổi:
- Thủy tinh chảy vào bể thiếc (spout lip)
- Thủy tinh giãn ra ở H/E
- Tạo hình băng kính với việc gia nhiệt bổ sung R/H
- Làm nguội E/E
- Đưa băng kính ra khỏi bể L.O.R
Đặc điểm quá trình nổi
- Tấm kính có mặt phẳng, không biến dạng,không đánh
bóng.
- Ở đây tấm kính được đánh bóng bằng nhiệt ở phía trên,
dưới.
- Năng suất rất lớn phù hợp với việc sản xuất khối lượng lớn,
giá thành rẻ hơn.
- Sản xuất được nhiều độ dày khác nhau và bề rộng to.
- Có thể điều khiển được từ xa, ổn định, ít người vận hành
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-39

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-38

Giai đoạn ủ kính
Mục đích của quá trình ủ, giảm ứng suất hình thành
trong kính, tránh vỡ kính trong quá trình cắt bẻ.
Ủ nhiệt

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-40

10


Dải nhiệt độ của các can nhiệt ở các khu của lò ủ trong
trạng thái vận hành bình thường:
Nhiệt độ phía trên của khu A: 510 – 580oC
Nhiệt độ phía dưới của khuA: 525 – 605oC
Nhiệt độ phía trên của khu B: 430 – 500oC
Nhiệt độ phía dưới của khu B: 440 – 520oC
Nhiệt độ phía trên của khu C: 320 – 390oC
Nhiệt độ phía dưới của khu C: 325 – 405oC
Nhiệt độ khu Ret: 90 – 130oC
Nhiệt độ đầu vào của lò ủ: 600 ± 20oC
Nhiệt độ đầu ra của lò ủ: 50 – 80oC
Những nhiệt độ đặt kể trên sẽ được điều chỉnh thích hợp
tùy theo sự khác biệt của đầu ra, độ dày và ứng suất đặt
thực tế của kính.

Kiểu phân bố ứng suất tốt
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-41

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-42

Ủ dung dịch
Mục đích : tăng độ bền sốc nhiệt, đồ bền ứng suất
theo bề dày.
Nâng nhiệt độ lên khoảng 650°C rồi làm lạnh
nhanh và đồng nhất ở 300°C nhờ phun nước lạnh.
Ngâm trong bể dung dịch muối KNO3 ở 400°C
trong vòng 12-36h. Ion K+ thay thế vị trí ion Na+,
có kích thước lớn hơn làm tăng khả năng chịu nén
bề mặt. Tấm kính có khả năng chịu lực cao với bề
dày thông thường Rnén=200-300 MPa.
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-43

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-44

11


Một số tính chất
Khối lượng thể tích: 2,4 → 6 (g/cm3)
Rnén = 200 → 1000 N/mm2

Rkéo = 20 → 100 N/mm2
Modun đàn hồi E = 6 – 8.104 N/mm2
Dễ vỡ, biến dạng bé hoặc phải xử lý nhiệt
Độ cứng, nhỏ hơn kim cương và một số kim loại
Tính không thấm

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-45

Tính chịu nhiệt

3-46

Hệ số trao đổi nhiệt K

Cách nhiệt tốt, tuy nhiên khả năng chịu sốc nhiệt kém
Nhiệt độ biến mềm 550°C
Hệ số biến dạng nhiệt tương đương bê-tông và khá bé
Kính thủy tinh thường 9,4.10-6
Thủy tinh pha lê 7,6.10-6
Thủy tinh pyrex, borosilicat 3,4.10-6
Trao đổi nhiệt với môi trường
• dẫn nhiệt λ=1.0 W/mK

Loại thủy tinh

Bề dày; mm

Hệ số K (W/m2.K)

Kính thường

6

5,7

Kính 2 lớp

6-12(kk)-6

2,8

Kính 2 lớp, cách
nhiệt

6-12(kk)-6

1,8

Kính 2 lớp cách
nhiệt khí argon

6-12(argon)-6

1,5

• đối lưu

• bức xạ
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-47

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-48

12


1. kính
kính trắ
trắng

2. kính
kính mà
màu đồ
đồng

3. kính
kính mà
màu xá
xám

4. kính
kính mà
màu xanh

Ảnh hưở
ng củ
hưởng
của bề
bề dày
dày
VLXD-Vật liệu kính xây dựng

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-49

Tính bền sử dụng

3-50

Yêu tố môi trường

Khi tiếp xúc trong môi trường nước hay trung tính
thì;

Nguyên liệu sẵn có
Khai thác và gia công
Năng lượng dùng chế tạo
An toàn lao động

Thủy phân thuận lợi trong môi trường bazơ
pH>10 (xi-măng), dùng ZrO2 .

Tái chế

Rác thải

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-51

VLXD-Vật liệu kính xây dựng

3-52

13