Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa sa mốt a theo công nghệ bê tông gốm, sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN THỊ HOA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GẠCH CHỊU LỬA SA MỐT A THEO CÔNG
NGHỆ BÊ TÔNG GỐM SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH HUYỀN PHÙ
GỐM NỒNG ĐỘ CAO

Chuyên ngành :

CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VÔ CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. ĐÀO XUÂN PHÁI

hµ néi - 2010


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm bộ môn
Công nghệ vật liệu Silicat trường Đại học bách khoa Hà Nội, Phòng
thí nghiệm khoa Công nghệ Vật liệu – trường Cao đẳng Hóa chất –
Lâm Thao dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo PGS. TS. Đào Xuân
Phái.
Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đôi với
Thầy hướng dẫn, các thầy cô trong Bộ môn CNVL Silicat trường
ĐHBK Hà Nội, các thầy cô thuộc khoa CNVL trường Cao đẳng Hóa

chất -Lâm Thao đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản
luận văn này.
Cũng nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn Viên Đào
tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã quan tâm
tạo điệu kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thiện luân
văn.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình,
đồng nghiệp và bạn bè đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tôi
hoàn thành tốt luận văn này.
Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2010
Học viên

Trần Thị Hoa


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

MỤC LỤC
Mục

Nội dung

Trang

Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị minh hoạ
MỞ ĐẦU
1
2

Lịch sử phát triển vật liệu chịu lửa
Vài nét về sự ra đời và phát triển công nghệ sản xuất VLCL
samốt.

1
2

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sản xuất vật liệu
3

chịu lửa theo công nghệ bê tông gốm sử dụng chất kết dính

3

huyền phù nồng độ cao.
4

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

6

5

Phương pháp nghiên cứu

7

6

Ý nghĩa của đề tài

8

7

Dự kiến áp dụng kết quả nghiên cứu

9

8

Kết cấu của luận văn

9

CHƯƠNG I : CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG GỐM

10


Luận văn thạc sĩ

1.1

1.1.1

1.1.2
1.2

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

Công nghệ chế tạo gạch chịu lửa và ý nghĩa của chất liên kết
trong sản xuất VLCL
Sơ đồ mô tả công nghệ chế tạo gạch chịu lửa sa mốt A truyền
thống
Ý nghĩa của chất liên kết trong sản xuất VLCL
Cơ sở khoa học công nghệ chế tạo bêtông gốm từ chất kết dính
huyền phù gốm nồng độ cao.
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN
CỨU

10

10
14
16

29

2.1

Xác định thành phần hoá

29

2.2

Xác định khối lượng thể tích và độ xốp biểu kiến

30

2.2.1

Khối lượng thể tích

30

2.2.2

Độ xốp biểu kiến

31

Xác định cường độ của vật liệu

31

2.3
2.4

2.5

Xác định thành phần khoáng của vật liệu bằng phân tích nhiễu xạ
Rơnghen (XRD)
Xác định vi cấu trúc của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét
(SEM) trên bề mặt mài phẳng.

32

34

2.6

Xác định độ ẩm của hồ

35

2.7

Xác định lượng sót sàng của hồ

35

2.8

Xác định độ nhớt của hồ

36


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

2.9

Xác định pH của hồ

36

2.10

Xác định tỷ trọng của dung dịch

37

2.11

Cách tính đơn phối liệu

38

2.11.1

Các tính đơn phối liệu sạn SM A:

38

2.11.2

Cách tính đơn phối liệu để chế tạo huyền phù gốm:

38

CHƯƠNG III:

TRIỂN KHAI NGHIÊN CỨU THỰC

NGHIỆM KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.

Tập hợp các loại nguyên liệu và phụ gia sử dụng trong nghiên
cứu

40

40

3.1.1.

Sạn sa mốt và cao lanh

40

3.1.2

Cao lanh

42

3.1.3

Cát quart

45

3.1.4

Thủy tinh lỏng

45

3.1.5

Các loại phụ gia ổn định hồ

45

Nghiên cứu chế tạo huyền phù gốm nồng độ cao

46

3.2.1

Ảnh hưởng của nước thủy tinh đến pH của hồ

46

3.2.2

Chuẩn bị nguyên liệu

46

3.2.3

Ảnh hưởng của quá trình nghiền đến tính chất của HCBS

47

3.2.4.

Nghiên cứu ổn định tính chất huyền phù gốm nồng độ cao.

50

3.2


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

3.2.4.1 Khuấy trộn cơ học:

50

3.2.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia đến tính chất của hồ

51

3.2.5

Khảo sát các thông số kỹ thuật của nghiền hồ

54

3.2.6

Ảnh hưởng thời gian khuấy trộn đến đặc tính kỹ thuật của HCBS

58

3.2.7

Ảnh hưởng của khuấy trộn cơ học đến “tuổi thọ” của hồ HCBS

61

3.3

3.3.1

Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa sa mốt A theo công nghệ bê
tông gốm sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao
Tính toán lựa chọn tỷ lệ phối liệu và kỹ thuật gia công sử lý mẫu
nguyên liệu nguyên cứu

63

63

3.3.1.1 Xác định thành phần cấp phối hạt tối ưu

63

3.3.1.2 Mô tả thí nghiệm chế tạo mẫu trong phòng thí nghiệm

64

3.3.1.3 Phân tích kết quả thí nghiệm:

67

3.3.2
3.4.

Ảnh hưởng của hàm lượng CKD HCBS đến sản phẩm mẫu bê
tông gốm

68

Biện pháp tăng bền cho mẫu bê tông sau khi sấy 110 ± 100C.

75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

82

TÀI LIỆU THAM KHẢO

84

CÁC PHỤ LỤC

87


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA VÀ ĐỒ THỊ
TT
1
2

TÊN HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1: Sơ đồ dây chuyền sản xuất gạch chịu lửa sa mốt A truyền
thống
Hình 1.2. Các nhóm cấu trúc của bê tông gốm

TRANG

10
18

Hình 1.3 : Hình thể hiện sự phát triển nồng độ thê tích Cv 3 giai
3

đoạn nghiền (I –III) và độ nhớt của HCBS trong quá trinh nghiền

21

[30-331]

Hình 1.4 : Ảnh hưởng của nồng độ thể tích CV của thủy tinh quăc(a)
4

và cát quăc(b) trong quá trình nghiền ướt (Pcast% độ xốp biểu kiến,

23

2

cường độ nén sau sấy σbendN/mm , [28]
Hình1.5. Sự phụ thuộc hệ số cắt (a) và độ nhớt (b)vào lực căt của
5

HCBS hệ zircon (Cv=0.64) tại các dải nhiệt độ khác nhau (1) =

23

650C, (2) = 450C, (3) = 250C.

6

7

Hình 1.6. Tổng quan chung về sự phụ thuộc các chỉ tiêu kỹ thuật
của HCBS trong quá trình nghiền 3 giai đoạn [32]
Hình 1.7. Ảnh hưởng của Na2O trong thủy tinh lỏng đến độ nhớt của
HCBS , độ xốp, cường độ của mẫu đúc[32]

24

24

Hình 1.8 : a. Thành phần, kích thước hạt tương ứng trong
HCBS.[32]
8

b. Hình thể hiện sự phụ thuộc độ nhớt vào áp lực cắt ứng với
các giá trị khác nhau của Cv trong hệ huyền phù thủy tinh
quắc.(1)=0.74, .(2)=0.79, .(3)=0.78,

1

24


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Kí hiệu

Chú giải

1

VLCL

Vật liệu chịu lửa

2

HCBS

Huyền phù gốm nồng độ cao

3

SMA

Samot A

4

CKD

Chất kết dính

5

CLG

Cốt liệu gầy

6

TPH

Thành phần hạt

7

% ss

% sót sàng

8

SD

Phụ gia siêu dẻo

9

LSF

Phụ gia Linosunphonat

10

MLD-62

11

HA

Cao nhôm

12

LCC

Bê tông chịu lửa ít xi măng

13

ULCC

Bê tông chịu lửa siêu ít xi măng

14

NCC

Bê tông chịu lửa không xi măng

Là một loại vật liệu chịu lửa cao nhôm


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

Hình 1.9: Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính trong phối liệu
9

tạo hình đến độ xốp và độ bền nén của sản phẩm Bê tông gốm gia

25

o

nhiệt ở 1000 C.
Hình 1.10: Ảnh hưởng của độ ẩm phối liệu đến độ xốp (1) và độ bền
10 nén (2) của sản phẩm Bê tông gốm với hàm lượng HCBS 30% sau

25

o

khi nung ở 1000 C

11

12

13

14

15

Hình 1.11 : Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng của mẫu bê
tông gốm
Hình 1.12: Sơ đồ hình thành vùng tiếp xúc trong bê tông gốm với
cốt liệu xốp
Hình 1.11 : Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng của mẫu bê
tông gốm

Hình 1.12: Sơ đồ hình thành vùng tiếp xúc trong bê tông gốm với
cốt liệu xốp
Hình 2.1: Sơ đồ khối của một phổ kế tia X phân tán chiều dài bước
sóng – dùng trong phân tích định lượng thành phần hóa học

26

26

27

27

30

16 Hình 2.2: mô tả quy luật Bragg

33

17 H×nh 2.3: Nguyªn lý thiÕt bÞ SEM

34

18 Hình 3.1. Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến nhiệt độ của hồ

56

19

Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến độ nhớt của hồ

HCBS.

20 Hình 3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt của hồ

2

56
56


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

21 Hình 3.4. Ảnh hưởng của độ nhớt vào nhiệt độ.
22

23

24

25

26

Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn đến cường độ nén ở
nhiệt độ sấy 1100C ±10 của mẫu đúc HCBS.
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian trộn đến độ xốp biểu kiến của
mẫu đúc HCBS
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian trộn đến cường độ uốn của mẫu

đúc HCBS
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian trộn đến cường độ nén của mẫu
đúc HCBS
Hình 3.9. Ảnh hưởng của thời gian trộn đến khối lượng thể tích của
mẫu đúc HCBS

27 Hình 3.10: Sơ đồ chế tạo mẫu trong phòng thí nghiệm
28

29

Hình 3.11. Ảnh hưởng của cấp phối hạt đến độ bền nén sau sấy và
khối lượng thể tích.
Hình 3.12. Ảnh hưởng của cấp phối hạt đến độ bền nén sau nung và
độ xốp.

57
59

60

60

60

61
66
67

68

Hình 3.13. Hình thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng HCBS đến
30 các tính chất của bê tông như cường độ chịu nén, độ xốp biểu kiến,

71

độ hút nước ở nhiệt độ 12500C
Hình 3.14. Hình thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng HCBS đến
31 các tính chất của bê tông như độ co, khối lượng thể tích của mẫu ở

71

12500C.
32 Hình 3.15. Hình thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng HCBS đến

3

72


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

việc phát triển cường độ

33

Hình 3.16. Hình thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng HCBS đến độ
co ngót của sản phẩm

73

Hình 3.17. Hình thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng HCBS đến
34

các tính chất của bê tông như cường độ chịu nén, độ xốp biểu kiến,
độ hút nước ở nhiệt độ 12500C đã qua môi trường tẩm thực nước

77

thủy tinh (d=1,09g/cm3)
Hình 3.18. Hình thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng HCBS đến
35 các tính chất của bê tông như độ co, khối lượng thể tích của mẫu ở
0

77

3

1250 C đã qua môi trường tẩm thực nước thủy tinh (d=1,09g/cm )

36

37

Hình 3.19. Hình thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng HCBS đến
việc phát triển cường độ của mẫu đã qua dung dịch tẩm thực.
Hình 3.20. Hình thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng HCBS đến độ
co ngót của sản phẩm đã qua dung dịch tẩm thực.

4

79

80


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lịch sử phát triển vật liệu chịu lửa
a.. Khái niệm về vật liệu chịu lửa:
Theo TCVN 5441:2004 và ISO 1109:1975 vật liệu chịu lửa là vật liệu phi
kim loại có độ chịu lửa trên 15000C (trước kia quy định có độ chịu lửa trên 15800C)
được sử dụng để xây các lò công nghiệp, các ghi đốt, các thiết bị làm việc ở nhiệt
độ cao. Ở đấy chúng chịu đựng lâu dài đối với tác dụng khác nhau về cơ học, nhiệt
học và hóa lý.
b. Phát triển trên thế giới:
Vật liệu chịu lửa được hình thành và phát triển ngay từ cuối thế kỷ XIX. Đến
đầu thế kỷ XX, vật liệu chịu lửa phát triển nhanh chóng để đáp ứng cho nhu cầu của
công nghệ luyện kim và các ngành công nghệ khác phát triển. Giữa thế kỷ trước,
ngành luyện kim phát triển rất mạnh vì vậy mà lượng gạch chịu lửa sản xuất ra ngày
càng tăng do lò luyện kim tiêu thụ gạch chịu lửa nhiều nhất. Song song với ngành
luyện kim, các ngành công nghiệp khác cũng phát triển theo như công nghiệp hóa
chất, giao thông, vật liệu xây dựng, gốm sứ, năng lượng,… Những ngành này cũng
đòi hỏi một lượng lớn gạch chịu lửa dùng trong các hệ thống lò. Chính vì vậy vật
liệu chịu lửa trở thành ngành không thể thiếu được đối với nhiều ngành công nghiệp

khác nhau đặc biệt là công nghiệp luyện kim. Nửa cuối thế kỷ trước, công nghệ phát
triển nên chủng loại của gạch chịu lửa cũng phải phát triển theo. Do những nguyên
nhân đó mà nhiều loại gạch chịu lửa mới được ra đời nhằm đáp ứng những nhu cầu
ngày càng khắt khe. Để tăng tuổi thọ cũng như tăng năng suất của lò bắt buộc phải
nâng cao chất lượng của lớp lót chịu lửa cũng như sử dụng chủng loại vật liệu chịu
lửa mới.
Sản lượng vật liệu chịu lửa trên thế giới nói chung không tăng và có chiều
hướng giảm dần nhưng tăng chủng loại và chất lượng nên nay chỉ nằm trong
khoảng 40 triệu tấn/năm. Trong số đó đến 70% dùng trong công nghiệp luyện kim,

1


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

còn công nghiệp vật liệu xây dựng chiếm khoảng 7%, gốm sứ thủy tinh 10%, năng
lượng và hóa chất 8% và các công nghiệp khác 5%.
Năm 1976 bê tông chịu lửa ít xi măng (LCC) và siêu ít xi măng (ULCC)
được cấp bằng sáng chế, từ đó đến nay các loại bê tông này được sử dụng hầu hết
trong việc xây dựng và sửa chữa các lò công nghiệp.
Bên cạnh đó bê tông chịu lửa không xi măng (NCC) cũng được nghiên cứu,
bê tông này sử dụng các liên kết như phốt phát, keo, hyđrat nhôm (rho-alumina), tuy
nhiên nó có nhiều hạn chế nên không được sử dụng rộng rãi
Bê tông gốm sử dụng chất liên kết huyền phù gốm nồng độ cao (HCBS)
được nghiên cứu và phát triển tại Nga từ cuối những năm 1980, đến nay đã đạt được
nhiều thành tựu dần thay thế cho bê tông LCC, ULCC và hứa hẹn sẽ là thế hệ bê
tông chịu lửa mới của thế kỷ 21.
c. Phát triển vật liệu chịu lửa của nước ta:

Ở Việt Nam việc sử dụng vật liệu chịu lửa cũng có từ rất sớm, nhưng chỉ sau
khi miền Bắc được hoàn toàn giải phóng, chúng ta mới xây dựng được nhà máy sản
xuất gạch chịu lửa Cầu Đuống với năng suất của Công ty VLCL Cầu Đuống và nhà
máy sản xuất VLCL Tam Tầng khoảng 20.000 tấn/năm các loại gạch chịu lửa sa
mốt và cao alumin. Tổng công suất của công ty VLCL Thái Nguyên vào khoảng
30.000 tấn/năm các loại.
Ở miền Nam năm 2004 có Nhà máy vật liệu chịu lửa Việt Đức để sản xuất
gạch chịu lửa sa mốt và cao alumin với công suất 12.000 tấn/năm,…và nhiều nhà
máy khác sản xuất các loại VLCL khác nhau.
VLCL samốt là loại vật liệu chịu lửa phổ biến nhất và thường chiếm 70% sản
lượng vật liệu chịu lửa nói chung. Tỷ lệ này cũng phù hợp với nước ta hiện nay. Nó
được ứng dụng trong hầu hết các ngành có liên quan đến việc sử dụng VLCL.
2. Vài nét về sự ra đời và phát triển công nghệ sản xuất VLCL sa mốt

2


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

Vào những năm cuối thập kỷ 90 và sang đầu thế kỷ 21, xu hướng phát triển
sản xuất của vật liệu chịu lửa và gốm kỹ thuật tập trung vào nâng cao chất lượng
của vật liệu chịu lửa và các sản phẩm gốm chịu lửa bền cơ và bền nhiệt cao. Nhiều
giải pháp công nghệ mới được nghiên cứu triển khai đã tạo ra những vật liệu mới có
những tính năng kỹ thuật tốt hơn hẳn các sản phẩm cùng loại sản xuất theo công
nghệ truyền thống. Một trong các công nghệ mới đó nhằm nâng cao và thay đổi căn
bản chất lượng của bê tông chịu lửa truyền thống là công nghệ chế tạo bê tông gốm
(cerambetone). Bê tông gốm với các tính năng vượt trội về độ bền cơ, độ chịu lửa
và nhiều tính chất kỹ thuất hơn hẳn các loại bê tông chịu lửa truyền thống. Công

nghệ bê tông gốm đã mở ra nhiều hướng chế tạo vật liệu chịu lửa cấu trúc chất
lượng cao, giá thành hạ, tuổi thọ sử dụng dài hơn trong các lò công nghiệp. Với đề
tài Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa samốt A theo công nghệ Bê tông gốm sử dụng
chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao là bước đầu ở Việt Nam theo hướng
nghiên cứu ứng dụng nhằm tạo ra một loại vật liệu cấu trúc mới sử dụng trong lò
nung công nghiệp
3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa theo
công nghệ bê tông gốm sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao.
a. Trên thế giới
Ngay từ thập niên 70-80 đã xuất hiện một số công trình nghiên cứu chế tạo
huyền phù gốm dạng lỏng chứa tinh thể mulít làm chất kết dính gốm cho các cốt
liệu gầy alumosilicats. Tác giả Yu.E.Pivinskii đã nghiên cứu tính chất lưu biến của
huyền phù và đặc trưng công nghệ của nó khi chế tạo bê tông gốm [8]. Nguyên liệu
đầu mà tác giả dùng trong công trình này là bột mullít tổng hợp cỡ hạt 0,05-0,6 mm
với thành phần Al2O3=72,8%, SiO2=26,3%, Fe2O3=0,32%, Na2O=0,2% và 0,33%
tạp chất khác. Huyền phù được nghiền ướt trong máy nghiền bi corun với lớp lót từ
đá quartzit (SiO2). Để đạt được nồng độ pha rắn cao trong huyền phù, bột phối liệu
được nghiền theo ba giai đoạn theo mức độ tăng nhiệt độ của hồ (do toả nhiệt khi
nghiền) nhiệt độ cực đại chỉ 50-600C. Để pha loãng hồ với lượng nước ít nhất, ở đây

3


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

người ta đã dùng axit HCl độ mịn 40% hạt có kích thước ≤5µm, 22% cỡ hạt 5-10
µm; 38% cỡ hạt 10-30 µm; hàm lượng thể tích pha rắn Cv=0,48, mật độ 2,01g/cm3.
Để ổn định tính chất của hồ người ta dùng giải pháp khuấy cơ học lưu biến.

Công trình này đã dùng 4 phối liệu kết hợp giữa huyền phù kết dính gốm hệ mulít
chuẩn bị ở trên và cốt liệu gầy hỗn hợp corun điện nóng chảy + mulít theo tỷ lệ:
+ Chất kết dính huyền phù mulít: 30-35%
+ Corun điện nóng chảy hạt thô: 31-53%
+ Sạn mulit nhỏ 3-0,1 mm: 19-60%
Sản phẩm được đầm rung trong khuôn thép và khuôn thạch cao. Sau khi sấy
chúng được nung trong lò tuynen ở nhiệt độ 1460-15800C. Mẫu nung có độ co nhỏ
(0,5-1%), cường độ cơ học cao, độ bền nhiệt tốt sau 8 lần nung nóng-làm lạnh
(12500C-H2O) vẫn giữ được cường độ nén 100-135 Mpa tương đương mẫu nung
của bê tông chịu lửa truyền thống ở nhiệt độ trên 13000C.
Vào thập niên 90 thì hàng loạt các nghiên cứu về bê tông gốm từ huyền phù
kết dính nồng độ cao (HCBS) từ biến tính boxit giàu Al2O3 để chế tạo phối liệu đầm
rung các cấu kiện chịu lửa cho lò luyện kim, thùng đúc rót thép liên tục và các sản
phẩm bền sốc nhiệt theo hướng dẫn khoa học của viện sỹ Pivinski (Nga) đã được
công bố. Sau đây là một số công trình tiêu biểu:
Công trình nghiên cứu chế tạo chất kết dính huyền phù cao alumin theo
phương pháp biến tính bôxit nung. Tác giả đã rút ra kết quả rất tốt về tính chất kết
dính và chịu lửa của bê tông gốm này. Nguyên liệu chế tạo huyền phù gốm nồng độ
cao từ cốt liệu cao alumin (bôxit, sạn samốt mullit, mullit corun tổng hợp với hàm
lượng Al2O3=66-86%) trên thế giới khá phong phú và tập trung vào các nguồn:
Boxit nung của Trung Quốc nung trong lò đứng, lò thủ công ở nhiệt độ 150015500C có hàm lượng Al2O3=80-87%, TiO2 3-4%, R2O≤ 0,25% là nguyên liệu lý
tưởng để sản xuất chất kết dính gốm cũng như bê tông gốm liên kết cao alumin vào
thế kỷ 21.

4


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

Để chế tạo huyền phù gốm, tác giả đã dùng samốt bôxit cỡ hạt 1 - 3mm
nghiền ướt trong máy nghiền bi lót sứ uralit (hàm lượng Al2O3= 72-79 % và
ρ=3,15g/cm3). Môi trường pH được điều chỉnh bằng thuỷ tinh lỏng đạt giá trị tối ưu
9,1-9,8. Sau 15 giờ nghiền theo cơ chế nạp liệu 4 giai đoạn (5 giờ, 7 giờ, 10 giờ và
12 giờ) huyền phù đạt mật độ ρ=2,7-2,75 g/cm3, độ ẩm 12-13% với nhiệt độ tự hâm
nóng trong máy đạt 35-600C. Nếu sử dụng máy nghiền bi 3,2m3 thì có thể giảm số
lần nạp liệu xuống 2-3 giai đoạn. Nâng cao nhiệt độ huyền phù khi nghiền sẽ ảnh
hưởng tốt đến vận tốc nghiền song nếu nhiệt độ tự hâm nóng của máy đạt > 800C thì
độ nhớt (linh động) của huyền phù tăng do hình thành hơi và “khô đi” của huyền
phù. Chất kết dính gốm trên cơ sở huyền phù nồng độ cao chế tạo trong công trình
này có thể kết dính tốt (độ xốp vật đúc = 16-18%, Rn mộc = 5-6 Mpa) khi chế tạo bê
tông gốm cốt liệu gầy là alumosilicat giàu Al2O3.
Trong một số công trình khác các tác giả đã nghiên cứu hệ bê tông gốm tự
chảy thích hợp với các sản phẩm đúc. Ở đây hệ vật liệu mullit-cacbuasilic được
khảo sát khá kỹ. Tác giả đó đã nghiên cứu tính lưu biến kỹ thuật của hệ tạo hình đúc
rung để nhận được bê tông gốm mullít-SiC bền cơ, bền nhiệt tốt. Chất kết dính hệ
mulit được nghiền từ gạch chịu lửa phế cao alumin loại MLD-62 chứa 62- 68%
mulit, 10-12% corun và 15-25% pha thuỷ tinh, hàm lượng Al2O3=66-67% và
SiO2=31-32%. Huyền phù có các tính chất sau: mật độ ρ=2,36g/cm3, nồng độ thể
tích pha rắn Cv=0,66, độ ẩm W=14,7%, độ pH tối ưu =9,6.
Hỗn hợp bê tông gốm mullit- SiC gồm 48% chất kết dính (tính theo vật chất
khô) và 52% cốt liệu gầy có đặc trưng lưu biến tốt khi tạo hình rung đúc trong
khuôn thạch cao. Sản phẩm đúc sau sấy có cường độ nén đạt 65-70 kG/cm2 nghĩa là
cao gấp hai lần các phối liệu gốm truyền thống sử dụng liên kết đất sét.
Bê tông gốm mullits-SiC liên kết mulít có mức độ oxy hoá thấp, nung ở
13500C tổn thất trọng lượng do SiC bị cháy chỉ cỡ 0,06-0,11% tương ứng với hàm
lượng SiC trong cấu trúc của bê tông gốm Cvd = 0,35 và 0,4.

5

Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

Mẫu với Cvd = 0,4 nung ở 13000C, sau đó thử chỉ tiêu nhiệt độ biến dạng
dưới tải trọng cho kết quả cao. T0,6=15700C, T4=1710-17200C nghĩa là cao hơn mẫu
gạch chịu lửa hệ mulít-SiC ép bán khô nung xít đặc với thành phần tương tự khoảng
70-800C. Kết quả này đã chứng minh tính ưu việt của kỹ thuật bê tông gốm trong
chế tạo sản phẩm chịu lửa.
b. Tại Việt Nam
Tại Việt Nam, lĩnh vực sản xuất vật liệu chịu lửa theo công nghệ bê tông
gốm, sử dụng chất kết dính huyền phù nồng độ cao đang còn là một vấn đề mới mẻ,
chưa thực sự được quan tâm nhiều. Từ trước tới nay chỉ có đề tài “Nghiên cứu chế
tạo vật liệu gốm chịu lửa hệ mulit-cacbuasilic theo công nghệ bê tông gốm” của
PGS.TS Đào Xuân Phái –Khoa hóa -Trường ĐHBKHN thực hiện, đã thu được một
số thành công đáng kể cả về mặt công nghệ lẫn ứng dụng. Sản phẩm của đề tài hiện
nay đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế như bê tông gốm SiC hay chế tạo côn
đầu lò dùng trong các lò nung gốm sứ.
Còn ứng dụng công nghệ này vào sản xuất VLCL sa mốt A thì chưa có
công trình nghiên cứu nào.
4. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
a. Mục đích của đề tài
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và công nghệ bê tông gốm chế tạo VLCL Samot.

-

Nghiên cứu chế tạo chất liên kết huyền phù gốm nồng độ cao HCBS.

-

Ổn định và làm tăng khả năng lưu động của chất liên kết huyền phù gốm nồng
độ cao HCBS.

- Chế tạo mẫu thử trong phòng thí nghiệm sử dụng chất liên kết HCBS và ảnh
hưởng của hàm lượng chất liên kết đến tính các tính chất của bê tông hay gạch chịu
lửa.
b. Cơ sở khoa học, thực tiễn

6


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

-

Từ cơ sở các nguồn thông tin, tư liệu nghiên cứu về công nghệ bê tông gốm.

-

Phân tích đánh giá và tham khảo đặc điểm kỹ thuật của từng loại nguyên
liệu.

-

Áp sát các tiêu chuẩn về phương pháp thử trong và ngoài nước để tiến hành
nghiên cứu thí nghiệm.

-

Phương pháp vật lý: Kính hiển vi điện tử quét để quan sát bề mặt nguyên liệu
và mẫu thử.

-

Phương pháp hóa học: để xác định thành phần hóa nguyên liệu nghiên cứu.

-

Kết hợp định tính với định lượng để nội suy

-

Ứng dụng vào thực tế sản xuất để khẳng định các kết quả nghiên cứu

c. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài:
Xác lập quy trình chuẩn cho một số các công đoạn như sau:
- Lựa chọn nguyên liệu, phụ gia phù hợp.
- Phương pháp nghiền, thời gian nghiền hợp lý.
- Khảo sát ảnh hưởng của HCBS đến phát triển cường độ của mẫu bê tông trong
phòng Thí nghiệm dựa trên thiết kế cấp phối hạt của phối liệu mẫu bê tông truyền
thống).
- Khảo sát ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt mẫu bê tông đến tính chất của mẫu
bê tông.
- Phân tích đánh giá kết quả

5. Phương pháp nghiên cứu
a. Phương pháp kế thừa:
Áp dụng kiến thức đã học và tổng kết của những bậc tiền bối đi trước trong
lĩnh vực chế tạo bê tông gốm sử dụng chất liên kết HCBS.
b. Phương pháp thực nghiệm:

7


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

- Phương pháp phân tích hoá học.
- Phương pháp phân tích thành phần hạt (bằng sa lắng hoặc tán sạ laze).
- Phương pháp xác định tỷ trọng (khối lượng thể tích).
- Phương pháp kiểm tra các kích thước và độ biến dạng của sản phẩm (TCVN 54361998).
- Xác định độ hút nước TCVN 5436-1998 mục 6
Trình tự nghiên cứu được thực hiện theo các bước sau:
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của cấp phối nguyên liệu, phụ gia điều chỉnh đến tính
chất của chất kết dính huyền phù gốm, từ đó lựa chọn cấp phối tối ưu cho phối liệu.
- Sử dụng kết quả nghiên cứu cấp phối tối ưu để đưa ra phương pháp nghiền phối
liệu cho phù hợp để tăng Cv và tăng tính linh động của hồ đồng thời ổn định hồ.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng HCBS đến tính chất của sản phẩm mẫu
đúc.
- Một số tính chất cơ lý của vật liệu chịu lửa, bê tông chịu lửa được thực hiện theo
các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.
6. Ý nghĩa của đề tài
Trong hàng loạt các thiết bị nhiệt của công nghiệp luyện kim và hóa chất làm
việc ở nhiệt độ cao thường xây dựng lớp lót chịu lửa từ bê tông chịu lửa dạng khối,

phối liệu đầm hoặc các chi tiết vật liệu chịu lửa không định hình khác. Nhược điểm
chung của các loại bê tông này là có mật độ không cao, giảm cường độ trong
khoảng nhiệt độ xác định (8000C – 10000C), ổn định thể tích kém, có sự tương tác
phụ giữa chất kết dính và cốt liệu độn khi làm việc ở nhiệt độ cao hạ thấp độ chịu
lửa của bê tông và khả năng chịu mài mòn tốt,… Để khắc phục các nhược điểm đó
của các hệ bê tông chịu lửa truyền thống người ta tìm cách thay thế chúng bằng bê
tông gốm (ceramobetone). Bê tông gốm là hệ vật liệu Composit đa cỡ hạt dị thể
(nhiều pha), gồm các hạt thô của cốt liệu gầy (50 – 80% thể tích), các hạt trung gian

8


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

và được lấp đầy các khoảng trống bởi hệ chất kết dính gốm đa pha phân tán (chất
kết dính HCBS của bê tông gốm). Sau khi tạo hình theo kỹ thuật rung ép ta thu
được sản phẩm có kết cấu xít chặt và bền vững sau khi đóng rắn. Vật liệu như vậy
có cấu trúc tương tự như “bê tông” song lại có “khung xương cốt liệu gốm”. Ở đây
cốt liệu độn và chất kết dính có cùng một bản chất giống nhau (thành phần hóa học,
dạng cấu trúc)
Áp dụng công nghệ bê tông gốm này vào sản xuất VLCL sa mốt A ta có thể
tận dụng được sản phẩm phế thải công nghiệp của các lò nung, nguyên liệu trong
nước rẻ tiền,..và đặc biệt là sản phẩm của ta không nung, hoặc nếu có thể chỉ cần
gia nhiệt ở nhiệt độ thấp mà vẫn đảm bảo các tính năng kỹ thuật của sản phẩm
VLCL. Chính vì điều này mà nó có ý nghĩa rất lớn trong việc bảo vệ môi trường của
chúng ta.
7. Dự kiến áp dụng kết quả nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm dự kiến sẽ được triển khai và áp

dụng sản xuất thử nghiệm tại xưởng sản xuất VLCL – Bát Tràng.
8. Kết cấu của luận văn
Luận văn được trình bày trên 60 trang A4 gồm các phần: mở đầu, 03 chương,
kết luận và kiến nghị.
Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm của bộ môn CNVL Silicat –
trường Đại học Bách khoa – Hà Nội và phòng thí nghiệm của khoa CNVL trường
Cao đẳng hóa chất – Lâm Thao – Phú Thọ dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo
PGS.TS Đào Xuân Phái.
Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy hướng dẫn,
các thầy cô trong Bộ môn CNVL Silicat trường ĐHBK Hà Nội, đã giúp đỡ tôi hoàn
thành bản luận văn này.

9


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

CHƯƠNG I : CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG GỐM
1.1. Công nghệ chế tạo gạch chịu lửa và ý nghĩa của chất liên kết trong sản
xuất VLCL
1.1.1 Sơ đồ mô tả công nghệ chế tạo gạch chịu lửa sa mốt A truyền thống:
Kho ®Êt sÐt

Kho samèt

§Ëp nhá

§Ëp hµm

SÊy

NghiÒn

NghiÒn

Sµng

Sµng rung

KÐt h¹t th«

KÐt chøa

NghiÒn mÞn

KÐt h¹t TB

§Þnh l−îng

N−íc, phô gia, keo dÝnh

Trén (ñ)

T¹o h×nh

SÊy

Nung

Ph©n lo¹i

10

KÐt h¹t mÞn


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền sản xuất gạch chịu lửa sa mốt A truyền thống
* Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu
Chuẩn bị đất sét làm chất kết dính
Đất sét trong kho nhà máy thường có độ ẩm W=15-25% và kích thước lớn.
Qua máy thái cắt hoặc nghiền trục răng để cắt sơ bộ thành những mẫu nhỏ rồi sấy
khô. Thường dùng máy sấy thùng quay cùng chiều để sấy đất sét đạt W=7-8%.
Nhiệt độ khí vào sấy 250-400 0C, nhiệt độ khí ra 110-120 0C. Đất sét trước khi vào
bunke dự trữ phải làm nguội để tránh hiện tượng ngưng tụ hơi nước trong lòng bun
ke.
Yêu cầu đất sét làm chất kết dính phải phân phối đều giữa các hạt Sa mốt,
nên sau khi làm nguội đất sét phải được nghiền mịn, thường sử dụng máy nghiền
lồng cho cỡ hạt <1,5-2mm. trong đó cỡ hạt <0,5 mm đạt 80%. Hiệu quả nhất là
dùng máy sấy nghiền liên hợp chu trình kín.
Chuẩn bị phụ gia gầy Sa mốt
Phụ gia gầy Sa mốt được sản xuất bằng cách nung đất sét và cao lanh đến
nhiệt độ kết khối (1200-1250 0C). Tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng Sa mốt là độ
hút nước. Độ hút nước ≥ 5% cho Sa mốt thường và <2% cho loại đặc biệt.
Sa mốt được gia công lựa chọn thành phần hạt của Sa mốt: Thành phần hạt

ảnh hưởng đến chất lượng gạch chịu lửa sau này. Trong đó quan trọng nhất là thành
phần <0,1-0,2 mm nếu tăng hàm lượng thành phần hạt này lên thì tăng cường độ
mật độ của sản phẩm, giảm độ thẩm thấu khí, nhưng độ bền nhiệt cũng giảm một ít.
Nếu tăng kích thước hạt lớn nhất lên, độ bền nhiệt tăng. Lượng và tỉ lệ các hạt trung
bình (0,5-1,5mm) không có giá trị quyết định nhiều.
* Phối liệu
- Tỉ lệ:

Phụ gia gầy Sa mốt: 50-80%
Đất sét làm chất kết dính: 50-20%

11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

Đối với sản phẩm giàu Sa mốt: CLG 80-90%. Đất sét làm chất kết dính 10-20%
(loại này có độ ẩm nhỏ, sức co nhỏ, chính xác về hình dạng, kích thước, cường độ
sản phẩm cao, giá thành cao).
-

Độ ẩm của phối liệu: Phụ thuộc vào phương pháp tạo hình
+ Phương pháp bán khô W= 8-9%
+ Phương pháp dẻo W=16-20%
+ Phương pháp đúc rót W= 35-45%

-

Trộn phối liệu ở phương pháp bán khô là chủ yếu: Dùng máy trộn bánh xe.
Đầu tiên thấm ướt hạt Sa mốt bằng bùn đất sét kết dính để tạo nên bề mặt các
hạt Sa mốt một màng mỏng đất sét, sau đó cho đất sét dạng bột mịn vào. Tùy
theo độ ẩm của đất sét và sa mốt mà điều chỉnh lượng đất sét bùn và đất sét
bột để đạt độ ẩm tạo hình thích hợp. Dùng máy trộn bánh xe vì nó vừa trộn
vừa miết, vừa làm sít đặc phối liệu dưới tác dụng của bánh xe. Máy trộn có
nhiệm vụ làm kết dính và liên kết các hạt Sa mốt với nhau.

-

Phương pháp đúc rót: Cho thẳng bùn đất sét kết dính vào trộn với các hạt Sa
mốt.

-

Phương pháp dẻo: Để đạt phối liệu là 1 khối dẻo, đất sét dẻo phải được
nghiền ướt (W=30%) cho 50-60% Sa mốt vào nhào trộn phối liệu dẻo
W=16-20%.

* Tạo hình sản phẩm:
Có 3 phương pháp tạo hình:
+ Phương pháp bán khô thông thường với sản phẩm thường, phức tạp, khối
lớn
+ Phương pháp dẻo tạo hình bằng tay đối với các sản phẩm phức tạp
+ Phương pháp đúc rót : ít dùng

12


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

Phương pháp tạo hình ép bán khô bảo đảm cho sản phẩm có chất lượng cao, bảo
đảm các yêu cầu kỹ thuật:
-

Kích thước hình dạng ổn đinh

-

Cấu tạo viên gạch đồng nhất

-

Gạch có độ bền nhiệt cao

-

Mật độ và cường độ đạt cao

-

Thay đổi thể tích khi nung nhỏ.

* Sấy sản phẩm
Độ ẩm của viên mộc sau khi tạo hình tùy phương pháp sản xuất dao động
khoảng 5-20% vì vậy cần phải sấy để còn lại 1-3% trước khi vào lò nung. Đặc biệt
đối với sản phẩm tạo hình bằng phương pháp dẻo và đổ rót. Sản phẩm tạo hình bằng
phương pháp nén bán khô sau khi nén xong có thể xếp lên xe goòng vào lò nung ở

đó tiến hành sấy và nung.
Thời gian sấy: phụ thuộc vào loại sản phẩm. Ép bán khô 12-18 h sản phẩm
ép dẻo 20-30h.
* Nung sản phẩm
Nung sản phẩm Sa mốt nhằm làm kết khối, làm sít đặc sản phẩm đến mức
cần thiết đảm bảo độ ổn định thể tích khi sử dụng. Giai đoạn nung là giai đoạn
quyết định chất lượng sản phẩm nhất. Vì vậy cần phải có 1 chế độ nung và nhiệt độ
thích hợp. Nếu nhiệt độ quá cao sản phẩm sau này có cường độ cao, mật độ lớn
nhưng do nhiệt độ quá cao khi nung sản phẩm bị mềm đi và biến dạng do clinke
hóa, độ bền nhiệt giảm. Ngoài ra sản phẩm còn có thể bị nứt nẻ do ứng suất quá lớn
xuất hiện khi nung, do nhiệt độ phân phối không đều khi đốt nóng và làm nguội.

13


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: CNVL Vô cơ

Bảng 1.1 Tính chất cơ lý của sản phẩm samot theo TCVN 4710:1989 [I – 161]
Loại sản phẩm samot
Các chỉ tiêu
SMA

SMB

SMC

35

30

28

1730

1650

1580

0,6

0,6

0,6

Ở nhiệt độ 0C

1400

1300

1200

Nhiệt độ 0C bắt đầu biến dạng dưới tải trọng
2kg/cm2 không nhỏ hơn

1400

1300

1200

Cường độ nén kG/cm2 không nhỏ hơn

250

200

150

Độ xốp biểu kiến % không lớn hơn

22

23

24

Khối lượng thể tích g/cm3 không nhỏ hơn

2,0

1,95

1,9

Hàm lượng % Al2O3 không nhỏ hơn
Độ chịu lửa không nhỏ hơn 0C
Sức co phụ % không quá

1.1.2. Ý nghĩa của chất liên kết trong sản xuất VLCL
Liên kết - kết dính là những khái niệm kỹ thuật có từ xưa. Tuy nhiên để hiểu
đúng về cơ chế của lực dính kết giữa chất liên kết và các vật liệu nói chung và của
vật liệu chịu lửa nói riêng, cần phải nắm được những luận đề cơ bản về lý thuyết kết
dính. Những vấn đề mang tính chất lý thuyết về lực dính kết thực chất chỉ mới trở
thành những đề tài nghiên cứu khoa học trong khoảng 40 năm về trước.
Lúc mới đầu người ta cho rằng quá trình dính-dán giữa các vật thể là quá
trình đưa vào giữa bề mặt hai vật thể một lớp chất lỏng, chất này sẽ đóng rắn sau
một thời gian nào đó rồi làm cho các vật thể gắn chặt vào nhau [7].
Các chất lỏng dán - dính có thể là một màng mỏng sau khi keo hoá (giêlatin
hoá) sẽ biến thành keo cứng.

14