Nghiên cứu công nghệ sản xuất gốm xốp bền cơ làm phin lọc xỉ cho kim loại nóng chảy

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NC SÀNH SỨ THUỶ TINH CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GỐM XỐP BỀN CƠ
LÀM PHIN LỌC XỈ CHO KIM LOẠI NĨNG CHẢY
Chủ nhiệm đề tài: DƯƠNG HẢI HỒN

7295
15/4/2009

HÀ NỘI - 2009


MỞ ðẦU
Sản phẩm phin lọc xỉ sử dụng trong công nghiệp luyện kim ñen và luyện
kim mầu ñã ñược nghiên cứu khá nhiều trong những năm gần đây. Với mục
đích nâng cao chất lượng phơi kim loại nóng chảy, sản phẩm phin lọc xỉ ñược
sử dụng khá rộng rãi với mục đích loại bỏ đến mức tối đa xỉ rắn và xỉ dẻo
cũng như các tạp chất không mong muốn có trong phối liệu kim loại nóng
chảy. Q trình cơng nghệ này cải thiện đáng kể chất lượng phơi kim loại của
sản phẩm đúc tạo hình u cầu độ đồng nhất cao và không khuyết tật.
Do làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, ăn mịn và xâm thực rất lớn
của kim loại nóng chảy, sản phẩm phin lọc xỉ u cầu các thơng số và chỉ tiêu
hóa lý rất khắt khe, ñộ bền nhiệt, bền cơ cũng ñặc biệt cao. Ngồi ra, trong
q trình đúc tạo hình sản phẩm từ kim loại nóng chảy, tùy thuộc vào đặc tính
của từng loại kim loại và hợp kim, nhiệt ñộ tạo hình cũng như thời gian tạo
hình, u cầu về độ xốp hở của phin lọc xỉ cũng phải được tính tốn một cách
hết sức chính xác.
Do cấu trúc đặc biệt của phin lọc xỉ, cấu trúc không gian ba chiều liên kết
mạng trong phin lọc xỉ là yêu cầu bắt buộc nhằm tăng cường tối ña khả năng

chịu bền cơ học và bền sốc nhiệt của phin lọc, ñồng thời không tạo ra trở lực
và suy giảm tiết diện bề mặt trong q trình đúc rót. ðặc tính vật liệu gốm
làm phin lọc xỉ cũng ñược nghiên cứu một cách tỷ mỷ với mục đích giảm tối
đa mức độ ăn mịn và thẩm thấu của thép và hợp kim nóng chảy nhiệt ñộ cao.
ðây là một sản phẩm gốm kỹ thuật ñặc thù cho ngành ñúc và luyện kim.
Hiện tại, phin lọc xỉ đã được thương phẩm hóa và cung cấp trên thế giới.
Nhưng do công nghệ sản xuất và yêu cầu chất lượng vật liệu cao, giá thành
của phin lọc xỉ hồn tồn khơng rẻ, đặc biệt là khi phin lọc xỉ là sản phẩm sử
dụng một lần, không tái sử dụng.
Vì nhiệt độ cao và mơi trường làm việc khắc nghiệt, sản phẩm phin lọc xỉ
chế tạo từ vật liệu gốm kỹ thuật yêu cầu các thông số cơ, lý, hóa nhiệt đặc biệt
để đáp ứng mơi trường làm việc ñặc biệt này. Hiện tại trong nước chưa có
một đơn vị nghiên cứu chun ngành vật liệu nào có hướng đầu tư tiếp cận
nghiên cứu và khai thác tiềm năng của họ vật liệu này. Các doanh nghiệp sản
xuất sản phẩm và chi tiết ñúc chất lượng cao từ thép và hợp kim nóng chảy

1


hàng năm phải nhập một số lượng phin lọc rất lớn nhằm đáp ứng nhu cầu cấp
thiết cho sản xuất.
Ngồi khó khăn trong việc tổng hợp vật liệu sản xuất phin lọc xỉ, chúng ta
còn phải tập trung giải quyết cơng nghệ tạo hình cho sản phẩm này. ðộ xốp,
kích thước lỗ và cấu trúc của phin lọc là yếu tố quan trọng quyết ñịnh ñến
chất lượng của sản phẩm ñúc. Việc tạo hình khung cấu trúc ba chiều tăng bền
dạng tổ ong cùng với việc tính tốn mật độ lỗ xốp tối ưu nhằm ưu tiên ñộ bền
và các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu sẽ có tác ñộng quyết ñịnh tới chất lượng và
ñộ ổn ñịnh của phin lọc.
Mỗi sản phẩm ñúc sẽ yêu cầu sử dụng tối thiểu một chiếc phin lọc xỉ. ðơn
cử một công ty như Công ty TNHH Thép Việt Nhật hàng năm sản xuất hàng

chục ngàn sản phẩm và chi tiết ñúc, nhu cầu sử dụng phin lọc và chất lượng
phin lọc sẽ là yếu tố quyết ñịnh ảnh hưởng trực tiếp ñến chất lượng sản phẩm
của các doanh nghiệp.
1. Mục tiêu của đề tài:
• Xác định được các loại ngun liệu dùng ñể sản xuất phin lọc xỉ cho
gang và thép nóng chảy.
• Xác định được cơng nghệ tạo lỗ xốp hở kết cấu ba chiều dạng tổ ong
cho phin lọc xỉ.
• Xác định được các đơn phối liệu tối ưu dùng để sản xuất vật liệu chế
tạo phin lọc xỉ.
• Xây dựng được qui trình cơng nghệ sản xuất sản phẩm phin lọc xỉ từ
vật liệu gốm kỹ thuật.
• Sản xuất thử 1.000 sản phẩm.
2. Phương pháp nghiên cứu:
• ðịnh hướng nghiên cứu của ñề tài dựa trên phương pháp thực nghiệm
thống kê, kế thừa các thành tựu nghiên cứu về mặt học thuật và bí
quyết cơng nghệ, sáng chế của thế giới trong những năm gần đây.
• Xác lập cơng nghệ và q trình sản xuất phin lọc xỉ cho kim loại nóng
chảy.
3. Nội dung nghiên cứu và kết quả dự kiến ñạt ñược:

2


• Nghiên cứu sử dụng các nguồn nguyên liệu và phối trộn cho việc tổng
hợp vật liệu phin lọc gốm.
• Xác ñịnh phối liệu tối ưu, ñánh giá khả năng tăng bền cơ nhiệt và tăng
cường tuổi thọ vật liệu trong mơi trường sốc nhiệt khắc nghiệt.
• Nghiên cứu phương pháp và cơng nghệ tạo hình khung cấu trúc ba
chiều, xác lập quy trình sản xuất tối ưu.

• ðánh giá các thơng số và đặc tính kỹ thuật của vật liệu.
• Tổ chức sản xuất thử nghiệm 1.000 sản phẩm
Thử nghiệm thực tế sản xuất và so sánh với sản phẩm nhập ngoại.

3


PHẦN I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Tổng quan về phin lọc xỉ cho kim loại nóng chảy:
Phin lọc xỉ gốm sử dụng cho cơng nghiệp đúc các sản phẩm kim loại nóng
chảy được sử dụng rộng rãi trong ngành đúc nhằm nâng cao chất lượng sản
phẩm, giảm thiểu tỷ lệ khuyết tật sản phẩm do lẫn xỉ rắn hoặc dẻo, các tạp
chất phi kim loại, vật liệu chịu lửa nồi nấu chảy… gây ra. Việc sử dụng phin
lọc xỉ có ý nghĩa ñặc biệt quan trọng ñối với những chi tiết đúc địi hỏi độ
chính xác cao, thành mỏng, u cầu ñồng nhất vật liệu và không khuyết tật bề
mặt.
Phin lọc xỉ bao gồm những lỗ xốp hở dạng tổ ong cấu trúc ba chiều zigzag với kích thước từ 4-50 lỗ/inch chiều dài tùy thuộc vào loại hợp kim và sản
phẩm ñúc. Hệ vật liệu gốm thường ñược sử dụng chế tạo phin lọc xỉ được
phân chia thành 3 nhóm chính tùy thuộc vào thành phần kim loại, nhiệt độ
đúc, cấu trúc sản phẩm và ñộ chi tiết của sản phẩm đúc, mức độ ăn mịn thẩm
thấu của kim loại nóng chảy, khả năng tương tác của vật liệu gốm với kim
loại nóng chảy…
Bảng 1: Hệ vật liệu chế tạo phin lọc xỉ.
Hệ vật liệu

Sản phẩm ñúc

Zirconia

Thép, hợp kim ñặc biệt, t0 > 15500C

SiC/SiC liên kết gốm Gang, và các sản phẩm tương đương
12500C < t0 < 14500C
Alumina/mullite

Nhơm, hợp kim nhôm và kim loại mầu
7500C < t0 < 11500C

Việc phân loại hệ vật liệu gốm sử dụng ñể chế tạo phin lọc xỉ cho cơng
nghiệp đúc đã được đề cập và nghiên cứu khá tỷ mỉ. Thông số quan trọng
nhất ñược sử dụng ñể ñánh giá và phân loại vật liệu dựa trên ñộ thấm ướt, ñộ
bền xỉ và khả năng hạn chế mức độ thẩm thấu, ăn mịn và xâm thực của kim
loại nóng chảy đối với cấu trúc và thành phần khống hóa của hệ vật liệu
gốm. Tùy thuộc vào nhiệt ñộ ñúc, ñộ chịu lửa của vật liệu chế tạo phin lọc

4


cũng là một chỉ tiêu ñánh giá mức ñộ ổn ñịnh và khả năng làm việc an toàn
của phin lọc.
ðối với sản phẩm thép và hợp kim ñặc biệt ñược gia cơng đúc rót ở nhiệt
độ cao trên 15500C, việc lựa chọn zirconia ổn ñịnh làm hệ gốm cơ sở chế tạo
phin lọc gốm là hết sức cần thiết [1]. Ngồi việc zirconia có độ chịu lửa cao,
hệ gốm cấu trúc này cịn chứa đựng nhiều đặc tính cơ nhiệt rất quý. ðộ thấm
ướt kim loại lỏng nóng chảy trên bề mặt vật liệu ở nhiệt ñộ cao của zirconia
rất thấp. ðộ bền hóa, bền xỉ và khả năng chống thẩm thấu, xâm thực của kim
loại lỏng là một trong những ưu thế của zirconia mà ít có vật liệu gốm kỹ
thuật nào so sánh ñược [1-3]. Tuy nhiên, việc tổng hợp zirconia ổn định thơng
thường địi hỏi nhiệt độ cao trên 1550-16000C [1,2], chưa tính đến giá thành

ngun liệu cũng là một trong những hạn chế của hệ vật liệu này.
Hệ vật liệu gốm trên cơ sở cao nhôm và mullite cao nhơm được biết đến
như một hệ vật liệu có độ chịu lửa cao, làm việc ổn định trong khoảng nhiệt
độ đến 16500C. Tùy thuộc thành phần khống cũng như mức ñộ phát triển và
ổn ñịnh của mullite có trong vật liệu, độ bền cơ học của hệ vật liệu này và khả
năng chống chịu sốc nhiệt của chúng cũng ñều ñạt chỉ số cơ lý rất cao.
Tuy nhiên, mức ñộ thấm ướt của gang và thép lỏng nóng chảy đối với
mullite thường được ghi nhận cao hơn ñáng kể so với SiC. Mặc dù phin lọc xỉ
hệ gốm mullite có khả năng ngăn chặn và loại bỏ xỉ nóng chảy rất tốt, nhưng
do mức độ thấm ướt cao, vật liệu gốm mau chóng bị xâm thực bởi kim loại
lỏng, biến dạng dẫn tới phá hủy do nhiệt độ cao. Dịng kim loại lỏng nóng
chảy sẽ kéo theo các mảnh vụn vật liệu và xỉ nóng chảy bám dính bề mặt vào
sản phẩm đúc, dẫn đến tỷ lệ khuyết tật sản phẩm tăng cao [4].
Hiện tượng này trên thực tế lại khơng xảy ra đối với nhơm và hợp kim
nhơm nóng chảy. Nhơm và hợp kim nhơm nóng chảy được gia cơng đúc rót
trong khoảng từ 750-10500C, độ thấm ướt bề mặt của nhơm lỏng đối với
mullite là khá nhỏ. Hơn nữa, mức ñộ tương tác và phản ứng giữa mullite với
xỉ nhôm hầu như không xảy ra. Do đó, phin lọc xỉ chế tạo trên cơ sở hệ vật
liệu gốm mullite, mullite cao nhơm trái lại, hồn tồn phù hợp với sản phẩm
đúc nhơm và hợp kim nhôm [5].

5


ðối với các sản phẩm đúc gang và thép nóng chảy, thơng thường hệ vật
liệu gốm sử dụng để chế tạo phin lọc xỉ ñược lựa chọn chủ yếu từ hai hệ
chính: zirconia ổn định và SiC. Trong đó hệ vật liệu trên cơ sở nền SiC có thể
sử dụng công nghệ tổng hợp liên kết tái kết tinh dưới sự hỗ trợ của phụ gia
tăng cuờng kết khối hoặc vật liệu tổ hợp SiC liên kết gốm. Vật liệu gốm hệ
Zirconia được lựa chọn sử dụng cho đúc rót các chi tiết và sản phẩm hợp kim

thép ñặc biệt. Với sản phẩm ñúc gang và thép, nhiệt ñộ ñúc dao động trong
khoảng 1320-14500C, do đó điều kiện làm việc của phin lọc xỉ ít khắc nghiệt
hơn. Thơng thường hệ vật liệu trên cơ sở SiC liên kết gốm ñược lựa chọn và
sử dụng rộng rãi.
Trên thực tế, vật liệu trên cơ sở nền SiC liên kết gốm thường ñược chế tạo
dưới dạng cấu trúc tổ hợp trong đó SiC đóng vai trị như một khống chịu lửa,
cường độ cơ học cao tạo khung cấu trúc. Silica hoặc aluminum silicate,
alumium phosphate được sử dụng như pha liên kết kết dính.
Trong q trình đúc, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, SiC trong cấu trúc vật
liệu chế tạo phin lọc gốm bị oxy hóa và tạo ra SiO2. SiO2 mới sinh có hoạt
tính cao tiếp tục tham gia q trình phản ứng với pha liên kết aluminum
silicate tăng cường cường ñộ và ñộ chịu lửa cho phin lọc [4]. Trong quá trình
đúc, bề mặt phin lọc xỉ tiếp xúc với gang hoặc thép nóng chảy, xỉ giàu FeO có
khả năng thấm ướt bề mặt phin lọc rất thấp do phản ứng của xỉ với carbon
phân hủy từ SiC cộng với lượng carbon graphite luôn tồn tại trong SiC tạo
thành CO ngăn cách bề mặt phin lọc với kim loại nóng chảy, do đó góp phần
tăng cường tính ổn định và khả năng làm việc của phin lọc xỉ [4-5].
2. Vật liệu gốm trên cơ sở nền SiC:
Vật liệu gốm sử dụng làm phin lọc xỉ kim loại nóng chảy trên cơ sở hệ SiC
hiện ñang ñược sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp đúc, đặc biệt là sản phẩm
gang và thép. Hệ vật liệu này ñược tổng hợp trên cơ sở sử dụng sạn SiC liên
kết ñất sét chịu lửa hoặc silica vơ định hình kết khối trong dải nhiệt độ từ
1100-14500C [6]. Pha liên kết gốm được hình thành do phản ứng kết khối ñất
sét chịu lửa, sử dụng với hàm lượng thấp nhất có thể, trong thành phần phối
liệu. Do lượng ñất sét sử dụng trong thành phần ñược hạn chế, ñộ co nung của
hệ vật liệu gốm khá thấp ngay cả trong trường hợp thiêu kết ở nhiệt ñộ cao.

6

ðộ co nung của hệ gốm sử dụng chế tạo phin lọc xỉ ảnh hưởng rất lớn đến
đặc tính và cấu trúc của sản phẩm. Do toàn hệ mạng xốp ñược hình thành từ
cấu trúc xốp của polyurethane ñược phủ phối liệu gốm chịu lửa. Khi thiêu kết,
nếu ñộ co nung của vật liệu gốm quá lớn sẽ dẫn ñến tình trạng phá hủy hoặc
sai lệch cấu trúc mạng xốp của phin lọc.
Rất nhiều cơng trình nghiên cứu, các giải pháp cơng nghệ đề cập đến q
trình cơng nghệ chế tạo phin lọc xỉ trên cơ sở hệ vật liệu gốm SiC liên kết
aluminum silicate. Tùy thuộc nhiệt ñộ sử dụng, khối lượng gang hoặc thép
lỏng ñược sử dụng cho một chi tiết đúc, thành phần hóa và mức độ ăn mịn
vật liệu của kim loại lỏng nóng chảy… tỷ lệ SiC sử dụng có thể dao động
trong khoảng từ 50-99,5% trong thành phần phối liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ.
Theo Brockmeyer, J., Aubrey, L., và các cộng sự, phin lọc xỉ sử dụng cho
sản phẩm đúc gang nóng chảy có thể chế tạo thành cơng từ hệ phối liệu gốm
SiC có tỷ lệ sau [7]:
Bảng 2: Thành phần phối liệu cơ bản được cơng bố:
Ngun liệu

Tỷ lệ [%]

SiC (D50=45µm)

65,65

Alumina

24,08

Silica

8,94

Montmonriollite

1,23

Phụ gia

0,1

Hồ phối liệu gốm được chuẩn bị từ ngun liệu đầu có độ mịn nhỏ hơn
45µm và phủ lên vật liệu xốp polyurethane cấu trúc mạng không gian ba
chiều có kích thước 10 lỗ/inch dài. Mẫu mộc tạo hình ñược sấy khô và nung
tại 13700C với tốc ñộ nâng nhiệt 1000C/phút, lưu nhiệt ñộ cao trong 1h.
Phin lọc xỉ ñược chế tạo từ hệ vật liệu gốm SiC liên kết giàu silica và
aluminum silicate này cho phép làm việc ổn định và an tồn trong khoảng
nhiệt độ đến 13500C [7].
Một trong những hướng nghiên cứu nhằm tăng cường khả năng chịu bền
sốc nhiệt của phin lọc xỉ cũng ñược ñề cập ñến nhờ việc bổ xung một tỷ lệ

7


thích hợp cốt liệu sợi gốm alumino-silicate. Trong nghiên cứu này, Azumi, S.
ñã chỉ ra rằng, việc sử dụng sợi gốm alumino-silicate với tỷ lệ từ 1-3% cải
thiện ñáng kể ñặc tính cơ nhiệt của vật liệu. SiC ở ñây giữ vai trò khung cấu
trúc chịu lửa và tải trọng [8].
Bảng 3: Thành phần phối liệu cơ bản được cơng bố:
Nguyên liệu

Tỷ lệ [%]

SiC (D50=25µm)

47,00

Alumina (D50=4µm)

25,00

Sợi Alumino-silicate (3mm)

2,00

ðất sét

3,00

Silica fume

2,50

Silica sol

5,50

PVA

3,25

Alumino-silicate cấu trúc dạng sợi tương tác với alumina và silica siêu mịn

có trong thành phần pha liên kết đưa vào phối liệu, bao xung quanh các hạt
SiC hình thành một hệ vật liệu cấu trúc mạng lưới ổn ñịnh và tăng cường
cường ñộ cơ học. Do ñộ bền cơ học ñược cải thiện, hệ vật liệu này cho phép
chế tạo phin lọc gốm với kích thước mỏng hơn khi so sánh với vật liệu SiC
liên kết gốm không sử dụng sợi alumino-silicate tăng cường.
Hồ phối liệu trên chuẩn bị trong máy nghiền bi, ñược bổ xung nước và
ñiện giải và phủ lên vật liệu xốp polyurethane kích thước 50x50x22mm. Mẫu
nhận được được sấy khơ tại nhiệt độ 180-1900c và nung thiêu kết tại 12000C,
lưu 1h. Mẫu phin lọc xỉ ñược kiểm nghiệm ñạt cường ñộ kháng nén trung
bình 2,7kg/cm2.
Mẫu phin lọc được thử nghiệm thực tế với gang nóng chảy ñúc tại nhiệt ñộ
13500C ñạt chất lượng yêu cầu [8].
Một hướng tiếp cận hệ vật liệu gốm trên cơ sở nền SiC khác cũng ñược ñặt
mối quan tâm nghiên cứu là hệ SiC tái kết tinh. Theo Adler, J. và các ñồng
nghiệp [9], hệ vật liệu SiC ñược tổng hợp trên cơ sở cấp phối hạt SiC kích
thước từ 10-50µm với hạt siêu mịn kích thước trung bình 2µm, tỷ lệ 40/60.
8


Một lượng nhỏ 0,6% phụ gia tăng cường kết khối boron carbide hoặc
alumium carbide ñược bổ xung trong thành phần phối liệu. Phối liệu cấp phối
ñược chuẩn bị và phủ lên vật liệu xốp polyurethane kích thước 40x40x25mm
với kích thước lỗ xốp 10 lỗ/inch dài. Mẫu thử nghiệm ñược thiêu kết ở 180023000C trong môi trường argon bảo vệ, lưu 1h tại nhiệt ñộ cao.
Do ñịnh hướng sử dụng cấp phối hạt SiC trong thành phần phối liệu, ñộ co
nung của phin lọc xỉ ñược giảm xuống mức tối thiểu và nằm trong khoảng 48%. Mẫu gốm thu được có cấu trúc rất mịn, xít đặc, độ xốp rất thấp với các lỗ
xốp có cấu trúc kín. Lượng phụ gia tăng cường hỗ trợ kết khối tái kết tinh
ñược sử dụng với tỷ lệ thấp, do đó độ co gây ra do q trình kết khối thứ sinh
hầu như khơng có ảnh hưởng một cách đáng kể.
Tải trọng phá hủy trung bình đối với mẫu thử kích thước đường kính
20mm ñạt 300N (~30,5kg) tại nhiệt ñộ thường và giảm xuống 285N

(~29,0kg) ñối với mẫu qua thử nhiệt tại 10000C.
3. ðịnh hướng nghiên cứu:
Trên cơ sở tham khảo, nghiên cứu và kế thừa những thành tựu công nghệ
của các hãng sản xuất sản phẩm phin lọc xỉ cho kim loại nóng chảy nước
ngồi, kết hợp với việc phân tích và khảo sát, kiểm nghiệm đặc tính cơ nhiệt
của sản phẩm nhập ngoại hiện ñang ñược sử dụng tại các cơ sở sản xuất trong
nước, nhóm thực hiện đề tài rút ra một số nhận ñịnh cơ bản sau:
- Nguyên liệu sử dụng ñể tổng hợp vật liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ kim
loại nóng chảy dựa trên nền vật liệu SiC liên kết gốm.
- ðất sét chịu lửa, alumina và zircon được bổ xung nhằm mục đích
tổng hợp pha liên kết thứ sinh liên kết các hạt SiC.
- Tỷ lệ hàm lượng SiC và các phụ gia liên kết tái kết tinh tinh thể thứ
sinh có ảnh hưởng rất lớn ñến ñặc tính cơ lý và ñộ bền xỉ, chống thẩm
thấu và xâm thực của gang hoặc thép lỏng nóng chảy.
- Cấu trúc phin lọc xỉ là những lỗ xốp hở, liên kết mạng lưới ba chiều
dàn ñều tải trọng. Cấu trúc này ñược tạo thành từ việc sử dụng vật liệu
xốp polyurethane định hình phủ phối liệu gốm chịu lửa, thiêu kết ở
nhiệt ñộ cao.

9


- Trọng lượng phối liệu gốm ñược phủ lên bề mặt xốp polyurethane,
mật ñộ lỗ xốp của vật liệu này, ñược xác ñịnh theo số lỗ/1 inch chiều
dài (ppi), sẽ quyết ñịnh ñộ xốp hở và mật ñộ lỗ xốp của phin lọc xỉ.
Bảng 4: Thành phần hóa cơ bản của vật liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ
nhập ngoại:
Sản phẩm

SiO2

Al2O3

Fe2O3

ZrO2

SiC

DH-1803-004 1)

3~8

18~25

≤ 0,2

-

65~75

CFF-SC 2)

≤ 10

≥ 22

≤ 0,5

-

≥ 62

FPCP 3)

10

35

-

2~4

≥ 50

1)

Dahua Casting & New Materials Co., Ltd.

2)

Jiangxi Jintai Special Material Co.,Ltd.

3)

M.N.Rama Rao & Company.

Bảng 5: Thông số kỹ thuật cơ bản của một số phin lọc xỉ:
ðơn vị

DH-1803

CFF-SC

FPCP

ðộ chịu lửa

[0C]

1550

1540

1500

ðộ xốp hở

[%]

80~90

80~90

70~95

≥ 10,2

≥ 10,0

9,0

8~60

10~30

10~30

-

tốt

tốt

tốt

[lần]

5

5

-

Thơng số kỹ thuật

Cường độ kháng nén
Kích thước lỗ xốp
ðộ bền xỉ
ðộ bền nhiệt 1000-250C

1)

[kg/cm2]
[ppi]

1)

pores per inch (ppi): số lỗ xốp/inch chiều dài

10


PHẦN II
NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Nhiệm vụ của ñề tài:
- Nghiên cứu, lựa chọn nguồn nguyên liệu sử dụng ñể sản xuất phin lọc
xỉ cho sản phẩm đúc gang và thép nóng chảy.
- Nghiên cứu cơng nghệ tạo hình phin lọc xỉ cấu trúc mạng lỗ xốp hở
khơng gian ba chiều.
- Nghiên cứu các đặc tính và thơng số cơ, lý, hóa của sản phẩm.
- Xác lập bài phối liệu tối ưu.
- Xây dựng quy trình cơng nghệ sản xuất sản phẩm
- Kiểm định các thơng số cơng nghệ và tính năng sản phẩm
- Tiến hành triển khai sản xuất thử
- Thử nghiệm sản phẩm trong ñiều kiện thực tế và ñánh giá kết quả
2. Phương pháp nghiên cứu:
Từ mục tiêu ñặt ra nghiên cứu ñặt ra của đề tài, nhóm thực hiện đề tài trên
cơ sở nghiên cứu ñánh giá thực trạng nhu cầu thực tế sản xuất, tham khảo các
tài liệu nghiên cứu công nghệ và kỹ thuật của các hãng sản xuất vật liệu
chuyên ngành, kết hợp với việc kế thừa các thành tựu nghiên cứu khoa học và

cơng nghệ những năm gần đây:
- Phương pháp nghiên cứu: khoa học và công nghệ thực nghiệm.
- Phân tích và đánh giá, lựa chọn nguồn ngun liệu chính, kết hợp với
việc tham khảo các thơng số cơng nghệ đã được các hãng nước ngồi
sử dụng trong việc tổng hợp thành công sản phẩm phin lọc xỉ ñúc gang
và thép nóng chảy ñã thương phẩm hóa.
- Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm với các mẫu nhỏ,
kiểm nghiệm các thông số kỹ thuật, xác ñịnh các thông số công nghệ
tối ưu của phối liệu lựa chọn, lựa chọn phối liệu tối ưu.
- Xây dựng quy trình cơng nghệ sản xuất sản phẩm phin lọc xỉ kim loại
nóng chảy. Thử nghiệm sản phẩm trong điều kiện thực tế sản xuất.
ðánh giá các thông số công nghệ, kết hợp với việc ñiều chỉnh tối ưu

11


các thơng số đó, tiến hành sản xuất thử nghiệm quy mô nhỏ. Sản xuất
phin lọc xỉ cho các sản phẩm ñúc gang và thép.
Thiết bị thực nghiệm:
- Thiết bị ñập nghiền và gia công nguyên liệu.
- Thiết bị sấy và nung mẫu thử nghiệm nhiệt ñộ cao.
- Thiết bị kiểm ñịnh cường ñộ kháng uốn, kháng nén vạn năng.
- Thiết bị phân tích thành phần hóa theo phương pháp quang phổ.
- Thiết bị phân tích thành phần hạt theo phương pháp laser và sàng tiêu
chuẩn.
- Thiết bị phân tích thành phần pha khoáng theo phương pháp nhiễu xạ
x-ray.
- Các thiết bị khuấy, trộn và phụ trợ.

12

PHẦN III
THỰC NGHIỆM
1. Nguyên liệu:
Nguyên liệu cho quá trình tổng hợp phin lọc xỉ cho kim loại nóng chảy
được lựa chọn trên cơ sở ñáp ứng ñầy ñủ các chỉ tiêu cơ, lý, hóa, nhiệt của sản
phẩm tương đương nhập ngoại, xét ñến cả khả năng cung cấp ổn ñịnh và lâu
dài của từng nhà cung cấp cùng với giá thành của nguyên liệu và cước phí vận
chuyển cũng như biểu thuế nhập khẩu.
Mặc dù nhóm nghiên cứu đã cố gắng tìm hiểu, phân loại, lựa chọn các
nguồn nguyên liệu trong nước, tuy nhiên do ñặc ñiểm phân bố tài nguyên, trữ
lượng và chất lượng nguyên liệu trong nước hiện tại hầu như khơng thể đảm
bảo cho chất lượng sản phẩm tạo ra cũng như ñáp ứng nhu cầu ổn ñịnh và lâu
dài về cả số lượng cũng như chất lượng. Giải pháp mang tính khả thi trong
thời điểm hiện tại cho nguồn nguyên liệu là nhập khẩu từ các nhà phân phối
lớn tại Trung Quốc:
- Sạn Green Silicon Carbide Micropowder #600, hàm lượng trên 98,5%
SiC, kích thước ≤ 25µm. Zhengzhou Xindaxin Science & Technology
Co., Ltd.
- Alumina Micropowder, hàm lượng 99.5%, kích thước ≤ 2µm: Shanghai
Yuejiang Titanium Chemical Manufacturer Co., Ltd.
- Zirconium Silicate, hàm lượng 99,5%: South Africa.
- 92/1734 Clay ball. Doulton & Co., Ltd. England.
- Polyvinyl Alcohol (PVA), CAS No.: 9002-89-5. Zhejiang Cathaya
International Co., Ltd.
- Polyurethane foam 10-15ppi. Dongguan Dihui Foam Sponge Co., Ltd.
2. Nghiên cứu thực nghiệm:
2.1. Chuẩn bị phối liệu:
Với ñịnh hướng tổng hợp hệ vật liệu gốm trên cơ sở SiC liên kết gốm

aluminum silicate chịu lửa, bền sốc nhiệt, tăng cường khả năng chống chịu ăn
mịn và thẩm thấu của xỉ kim loại nóng chảy, nhóm thực hiện đề tài kế thừa
những thành tựu nghiên cứu khoa học vật liệu ñạt ñược trong thời gian gần
13


ñây, tham khảo và phân tích ñối chứng các chỉ tiêu và thông số công nghệ của
các hãng sản xuất nước ngồi, cùng với việc tính tốn lý thuyết và lựa chọn
ngun liệu đầu cũng như thành phần hóa phối liệu một cách tối ưu sao cho
sản phẩm thử nghiệm ñạt ñược những chỉ tiêu cơ lý cao nhất có thể trong điều
kiện cơng nghệ hiện có, đáp ứng các ñòi hỏi khắt khe của thực tế sản xuất tại
các cơ sở.
Thông qua việc khảo sát các chỉ tiêu cơ, lý, hóa, nhiệt của sản phẩm đối
chứng nhập ngoại, so sánh với điều kiện sử dụng thực tế, nhóm thực hiện ñề
tài sơ bộ rút ra ñịnh hướng sau:
- Tỷ lệ và hàm lượng SiC có trong thành phần phối liệu gốm sẽ quyết
ñịnh dải nhiệt ñộ làm việc ổn ñịnh và tăng cường khả năng chống chịu
ăn mòn, xâm thực của xỉ kim loại nóng chảy.
- Hàm lượng sét kết dính sử dụng trong thành phần phối liệu với mục
đích tạo pha liên kết gốm aluminum silicate tái kết tinh liên kết bao bọc
SiC nhằm tăng cường cường ñộ cơ học của vật liệu, ñồng thời giảm
thiểu mức ñộ oxy hóa và phá hủy SiC.
- Alumia và zircon sử dụng trong thành phần phối liệu với mục đích tổng
hợp pha tinh thể mullite, mullite-zirconia thứ sinh, kết hợp với sét kết
dính tạo pha liên kết phát triển cường độ cho hệ vật liệu.
- Do lượng sét kết dính sử dụng trong phối liệu với tỷ lệ thấp, ñộ linh
ñộng của hồ phối liệu tương ñối thấp, cường ñộ cơ học và khả năng
bám dính hồ phối liệu vào bề mặt vật liệu xốp polyurethane thấp, việc
sử dụng PVA không nằm ngồi mục đích tăng cường cường độ cơ học
và bám dính cho phối liệu hồ, tăng độ linh động hồ phối liệu.

- Dung dịch potasium silicate 30% ñược sử dụng ñể ñiều chỉ ñộ linh
ñộng của hồ phối liệu.
Phối liệu nghiên cứu sử dụng SiC (Zhengzhou Xindaxin) với tỷ lệ dao
ñộng từ 60-75% ñược cân ñịnh lượng, bổ xung ñất sét kết dính (Doulton),
alumina (Shanghai Yuejiang) và zircon (South Africa) tùy theo từng bài. PVA
(Zhejiang Cathaya) và dung dịch ñiện giải potassium silicate (Việt nam) ñược
ñưa vào lần lượt với tỷ lệ 2,5% và 0,5% cho tất cả các bài phối liệu.

14


Phối liệu ñịnh lượng ñược ñiều chỉnh lượng nước cho ñến ñộ ẩm 31-33%
và nghiền mịn trong máy nghiền bi với tỷ lệ bi/liệu=1/1 trong 8h.
Hồ phối liệu nhận ñược có độ nhớt dao động trong khoảng 34-36s/100ml
hồ, tỷ trọng hồ 1,93-1,96g/cm3.
Xốp polyurethane (Dongguan Dihui) 75x75x25mm có mật độ lỗ 10ppi
ñược sử dụng ñể tạo cấu trúc lỗ xốp ba chiều cho phin lọc gốm.
Cấu trúc liên kết chéo ba chiều điển hình của xốp Polyurethane.

Sản phẩm phin lọc xỉ mộc được tạo hình bằng phương pháp nhúng lần lượt
từ 2-3 lần trong hồ phối liệu. Trọng lượng hồ bám dính trên bề mặt tấm xốp sẽ
quyết định kích thước lỗ xốp và ñộ xốp hở của phin lọc xỉ.
Phin lọc xỉ mộc được sấy khơ tại nhiệt độ từ 100-1100C và nung trong lị
điện cực SiC trong khoảng nhiệt ñộ từ 1360-14300C. Tốc ñộ nâng nhiệt
1000C/h, lưu 1h tại nhiệt ñộ max.
Sản phẩm mẫu thu ñược sau nung ñược kiểm tra và đánh giá các chỉ tiêu
cơ, lý, hóa, ñộ bền thấm xỉ và ñộ chịu lửa.
Bảng 6: Tỷ lệ phối liệu vật liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ:
Nguyên liệu [%]

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

SiC

60

65

70

75

Sét Doulton

17

12

7

7

Alumina hoạt tính

15

15

15

10

Zirconium Silicate

8

8

8

8

15


Bảng 7: Thành phần hóa phối liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ:
Thành phần [%]

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

SiO2

16,00

10,40

7,41

7,34

Al2O3

17,17

17,40

16,39

11,27

Fe2O3

0,13

0,11

0,10

0,1

CaO

0,04

0,03

0,05

0,04

MgO

0,03

0,02

0,02

0,02

K2O

0,17

0,16

0,15

0,15

Na2O

0,04

0,04

0,03

0,03

TiO2

0,01

0,01

0,01

0,01

ZrO2

4,56

4,67

4,64

4,60

SiC

61,85

67,16

71,20

76,44

2.2. Ảnh hưởng của ñộ linh ñộ hồ phối liệu ñến khả năng tạo hình:
Hồ phối liệu trên cơ sở nền SiC
chuẩn bị trong máy nghiền bi với
bi/liệu=1/1. PVA 2,5% ñược bổ xung
lắng và tăng cường cường ñộ phối

liên kết gốm aluminum silicate ñược
ñộ ẩm từ 31-33% trong 8h. Tỷ lệ
nhằm hỗ trợ khả năng lưu biến, chống
liệu mộc bám dính trên bề mặt xốp

polyurethane. Dung dịch potassium silicate 5‰ ñược sử dụng ñể ñiều chỉnh
ñộ linh ñộng của hồ phối liệu gốm SiC.
Xốp polyurethane sử dụng cho chế tạo thử nghiệm phin lọc xỉ có cấu trúc
kếnh xốp hở ba chiều liên kết chéo, kích thước 75x75x25mm, mật ñộ 10ppi.
Trọng lượng hồ phối liệu bám dính trên bề mặt mẫu sau khi sấy khơ được
kiểm tra và khống chế trong giới hạn từ 80-81g/mẫu nhằm chế tạo vật liệu
phin lọc xỉ có độ xốp hở trung bình đồng đều khoảng 80%, khối lượng thể

tích phin lọc xỉ cấu trúc lỗ xốp hở có mật độ 10ppi ñạt khoảng 0,55g/cm3.
ðộ nhớt và tỷ trọng hồ phối liệu ñược kiểm tra bằng viscometter 100ml
tiêu chuẩn. Ảnh hưởng của ñộ ẩm ñến khả năng linh ñộng của hồ và cường độ
phối liệu mộc bám dính lên vật liệu xốp polyurethane, trọng lượng phối liệu
và mức ñộ ñồng ñều của phối liệu khi bám dính trên bề mặt xốp ñược nghiên
cứu và ñánh giá kết quả.

16


Bảng 8: Ảnh hưởng tính chất hồ phối liệu đến khả năng tạo hình.
ðộ ẩm tương đối: 28%

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

ðộ nhớt hồ phối liệu [s]

47

47

45

44

2,11

2,11

2,14

2,14

ðộ ẩm tương ñối: 32%

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

ðộ nhớt hồ phối liệu [s]

36

35

34

34

1,93

1,93

1,96

1,96

ðộ ẩm tương ñối: 36%

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

ðộ nhớt hồ phối liệu [s]

31

30

29

29

1,90

1,91

1,92

1,92

Tỷ trọng hồ phối liệu [g/cm3]

Tỷ trọng hồ phối liệu [g/cm3]

Tỷ trọng hồ phối liệu [g/cm3]

ðộ linh ñộng của hồ phối liệu có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ bám dính,
độ dày mỗi lớp hồ phối liệu trên bề mặt xốp sau mỗi lần nhúng trong dung
dịch huyền phù phối liệu gốm. ðộ nhớt này chịu ảnh hưởng của ñộ ẩm tương
ñối của phối liệu hồ, hàm lượng PVA bổ xung và tỷ lệ dung dịch ñiện giải
potassium silicate.
Với cùng hàm lượng PVA và ñiện giải potassium silicate, ñộ nhớt của hồ
phối liệu chịu ảnh hưởng khá nhiều vào ñộ ẩm tương ñối của huyền phù. Khi
ñộ ẩm phối liệu hồ nằm trong dải dưới 28%, ñộ nhớt của tất cả các bài hồ
phối liệu ñều nằm ở giá trị khá cao từ 44-47s. Trong trường hợp này, mẫu xốp
polyurethane chỉ cần duy nhất một lần nhúng trong phối liệu hồ là đạt được
trọng lượng 80-81g/mẫu, trọng lượng tính tốn khống chế. Tuy nhiên, mức độ
bám dính của hồ trên tồn bộ bề mặt xốp khơng đều, cường độ cơ học của hồ
bám dính sau sấy khơng cao dẫn ñến tình trạng khuyết tật, ñứt gãy các liên kết
chéo trong cấu trúc của phin lọc xỉ.
Ngược lại, trường hợp ñộ ẩm của phối liệu hồ vượt trên mức 36%. ðộ
nhớt hồ khá nhỏ và nằm trong khoảng 29-31s, hồ linh động và lỗng. ðể đạt
17

ñược trọng lượng khô 80-81g/mẫu, mẫu xốp polyurethane cần phải nhúng từ
5-6 lần trong phối liệu hồ. Hồ bám ñồng ñều trên bề mặt, cường ñộ bám dính
tốt tuy nhiên do phải nhúng nhiều lần, thời gian tạo hình một mẫu gốm
thường phải kéo khá dài.
ðể phối liệu hồ có khả năng bám dính tốt và đồng đều trên bề mặt vật liệu
xốp polyurethane, ñộ linh ñộng của hồ phối liệu cần ñược ñiều chỉnh trong
khoảng từ 34-36s tương ñương với độ ẩm tương đối khoảng 31-33%. Mẫu
xốp polyurethane kích thước 75x75x25mm, 10ppi ñược nhúng trong huyền
phù phối liệu gốm từ 2-3 lần. Trọng lượng hồ phối liệu sau khi sấy khơ bám
dính trên bề mặt xốp trung bình dao ñộng trong khoảng 80-81g/mẫu. Hồ phối
liệu bám dính tốt, ñồng ñều, cường ñộ cao và không gây khuyết tật trên toàn
bộ cấu trúc xương xốp của polyurethane.
2.3. ðánh giá mức ñộ kết khối của vật liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ:
Mẫu thử nghiệm phin lọc xỉ kim loại nóng chảy được tạo hình từ khung
cấu trúc xốp polyurethane kích thước 75x75x25mm, mật ñộ lỗ xốp 10ppi,
trọng lượng phối liệu phủ 80-81g/mẫu và được nung thiêu kết trong lị điện
cực SiC tại nhiệt ñộ 1360, 1400 và 14300C, tốc ñộ nâng nhiệt 1000C/h, lưu tại
nhiệt ñộ cao 1h.
Tại nhiệt ñộ 13600C, FS-60 và 65 bắt đầu có biểu hiện kết khối, ñộ xốp vật
liệu lần lượt nằm trong khoảng 7,6 - 7,9%, khối lượng thể tích đạt 2,63g/cm3.
Các phối liệu cịn lại do tỷ lệ hàm lượng sét có trong phối liệu khá thấp, mức
ñộ kết khối tương kém hơn. Hơn nữa, tổng tỷ lệ alumina trong thành phần pha
liên kết kết khối khá cao, do đó các mẫu FS-70 và 75 đều địi hỏi nhiệt độ kêt
khối cao. ðộ xốp và khối lượng thể tích trung bình của FS-70 và 75 lần lượt
ñạt 14,6 – 17,2%, khối lượng thể tích lần lượt đạt 2,31 – 2,40g/cm3.
Khi nhiệt độ kết khối vật liệu tăng, mức độ kết khối và xít ñặc vật liệu ñều
tăng. Tại 14000C, tất cả các hệ vật liệu ñều ñạt ñược giá trị ñộ xốp và tỷ trọng
cao. ðặc biệt ñối với mẫu FS-60 và 65. Ở nhiệt độ này, FS-60 có độ xốp trung
bình khá nhỏ, đạt 3,75% với khối lượng thể tích 2,72g/cm3. Khi kết khối tốt,
tồn hệ vật liệu đạt mức độ xít ñặc cao, các chỉ tiêu cơ lý cũng tăng cao ñáng

kể.

18


Hiện tượng này cũng xảy ra tương tự với FS-65. Mặc dù tỷ lệ hàm lượng
sét liên kết có trong thành phần phối liệu của FS-65 thấp hơn, tuy nhiên sự
khác biệt thành phần hóa của FS-65 so với FS-60 khơng q lớn. Do đó, tại
nhiệt độ nung 14000C, phối liệu FS-65 cũng ñạt ñược chỉ số cơ lý tương ñối
cao. ðộ xốp và khối lượng thể tích ñều nằm mức lần lượt 4,3% và 2,75g/cm3.
Với phối liệu FS-70 và FS-75, tỷ lệ hàm lượng sét kết dính có trong thành
phần phối liệu khá thấp thấp, tỷ lệ alumina và phụ gia zircon tham gia quá
trình tổng hợp pha tinh thể gốm liên kết tái kết tinh có hàm lượng khá cao,
~54,5% ñối với FS-70 và ~45,0% ñối với FS-75. Do đó, hai hệ phối liệu này
địi hỏi nhiệt độ kết khối cao hơn ñáng kể so với phối liệu FS-60 và 65.
Tại 14000C, ñộ kết khối và khối lượng thể tích của FS-70 và 75 được cải
thiện tốt hơn ñáng kể khi so sánh với nhiệt ñộ nung tại 13600C. ðộ xốp lần
lượt ñạt ñược cho phối liệu FS-70 và 75 là 9,2 và 10,1%; khối lượng thể tích
nằm trong khoảng 2,70 và 2,68g/cm3.
Bảng 9: ðộ xốp và khối lượng thể tích của hệ vật liệu trên nền SiC
Thiêu kết tại 13600C

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

ðộ xốp [%]

7,60

7,90

14,60

17,20

Khối lượng thể tích [g/cm3]

2,63

2,63

2,40

2,31

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

ðộ xốp [%]

3,75

4,30

9,20

10,10

Khối lượng thể tích [g/cm3]

2,72

2,75

2,70

2,68

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

ðộ xốp [%]

2,20

2,40

3,61

3,84

Khối lượng thể tích [g/cm3]

2,73

2,79

2,91

2,94

Thiêu kết tại 14000C

Thiêu kết tại 14300C

Tại nhiệt ñộ khảo sát 14300C, các phối liệu FS-60 và 65 có biểu hiện quá
nhiệt. Bề mặt mẫu xuất hiện một lượng nhỏ pha thủy tinh. Mặc dù ñộ xốp và
khối lượng thể tích cũng giảm, tuy nhiên mức độ khơng đột biến. ðiều này
19


chứng tỏ hai phối liệu FS60 và 65 ñã ñạt ñộ kết khối khá tốt ngay tại nhiệt ñộ
nung 14000C.
Biểu ñồ 1: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ với ñộ xốp phối liệu SiC

Biểu ñồ 2: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ với khối lượng thể tích:

Khơng giống như FS-60 và 65, hai phối liệu FS-70 và 75 đều có nhận
được giá trị khối lượng thể tích tăng cao đáng kể. Tồn hệ vật liệu kết khối

20


tốt, xít đặc, độ xốp giảm mạnh dẫn tới khối lượng thể tích tăng cao, đồng thời
các đặc tính cơ lý cũng được cải thiện.
ðộ xốp trung bình của FS-70 và 75 tại nhiệt ñộ nung 14300C lần lượt ñạt
ñược giá trị 3,61 và 3,84%, khối lượng thể tích tăng cao và lần lượt nhận ñược
các giá trị tại 2,91 và 2,94g/cm3.
Nhận xét:
- Nhiệt ñộ kết khối phụ thuộc tỷ lệ hàm lượng SiC có trong thành phần
phối liệu, tỷ lệ hàm lượng alumina tham gia quá trình tổng hợp pha liên
kết kết tinh tinh thể thứ sinh của chất liên kết. Hàm lượng phụ gia
zircon tăng cường cường ñộ và độ bền sốc nhiệt cũng góp phần làm
tăng nhiệt ñộ kết khối của hệ vật liệu.
- Nhiệt ñộ bắt ñầu kết khối ñối với các hệ phối liệu sử dụng chế tạo phin
lọc xỉ với tỷ lệ SiC từ 60-75% tham gia trong thành phần tạo khung cấu
trúc chịu lửa ổn ñịnh của vật liệu bắt ñầu từ 13600C và kết thúc tại
14300C tùy từng phối liệu.
- Phối liệu FS-60 và 65 kết khối tốt tại nhiệt ñộ 14000C. Trong khi đó,
phối liệu FS-70 và 75 kết khối tốt tại 14300C. Tại nhiệt ñộ kết khối, cấu
trúc vật liệu xít đặc, độ xốp thấp và khối lượng thể tích tăng cao. Hệ vật
liệu ổn ñịnh và tiếp tục ñược thử nghiệm các chỉ tiêu cơ, lý, nhiệt.
- Phối liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ cho kim loại nóng chảy thiêu kết tại
nhiệt độ ngồi khoảng 1360-14300C đều khơng ñạt ñược các chỉ tiêu cơ
lý yêu cầu dành cho phin lọc xỉ.

2.4. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ nung ñối với ñộ bền cơ học phin lọc xỉ:
ðộ bền kháng uốn và ñộ bền kháng nén của vật liệu gốm chế tạo phin lọc
xỉ cho kim loại nóng chảy là một trong những chỉ tiêu quan trọng. Nó phản
ảnh mức ñộ và khả năng làm việc an toàn của phin lọc xỉ trong q trình đúc
rót phơi kim loại. ðộ bền kháng nén yêu cầu ñối với phin lọc xỉ trung bình
nằm trong khoảng từ 8-10kg/cm2 tùy thuộc độ xốp hở và kích thước lỗ lọc.
Việc định hướng tổng hợp hệ vật liệu gốm chế tạo phin lọc xỉ trong ñó SiC
ñược sử dụng như hệ xương cấu trúc chịu lửa và ổn ñịnh, kết hợp với pha liên
kết gốm ñịnh hướng kết tinh hàm lượng khoáng mullite và cao nhôm. Với
hàm lượng nhôm tham gia tổng hợp pha liên kết trên 45%, kết hợp với phụ
21


gia zircon tăng cường cường ñộ và ñộ bền sốc nhiệt, sự lựa chọn này cũng
khơng nằm ngồi mục đích ñịnh hưởng tổng hợp hệ gốm bền cơ và sốc nhiệt.
Cường ñộ cơ học của vật liệu chỉ thực sự ñược phát huy trong trường hợp
phối liệu tổng hợp ñuợc tính tốn lý thuyết định hướng hàm lượng pha mullite
kết tinh hợp lý, kết hợp việc sử dụng zircon nhằm bổ xung ZrO2 tăng bền cơ
và sốc nhiệt một cách tối ưu. Ngồi ra, độ kết khối và xít đặc cao, mức độ
hồn thiện, ổn định và tỷ lệ hàm lượng khống thứ sinh sẽ ảnh hưởng trực tiếp
đến độ bền cơ học của toàn hệ vật liệu.
Phin lọc xỉ chế tạo trên cơ sở hệ vật liệu gốm SiC liên kết aluminum
silicate được thử nghiệm với kích thước 75x75x25mm, kích thước lỗ xốp
10ppi, độ xốp hở 80% nung thiêu kết tại các nhiệt ñộ trong khoảng từ 1360 –
14300C.
Bảng 10: Cường ñộ kháng uốn và nén của phin lọc xỉ thử nghiệm:
Thiêu kết tại 13600C

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

Cường ñộ kháng uốn [kg/cm2]

2,5

2,0

-

-

Cường ñộ kháng nén [kg/cm2]

8,5

8,5

-

-

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

Cường ñộ kháng uốn [kg/cm2]

3,1

2,8

3,5

3,5

Cường ñộ kháng nén [kg/cm2]

11,0

10,0

9,4

8,0

FS-60

FS-65

FS-70

FS-75

Cường ñộ kháng uốn [kg/cm2]

4,2

5,0

6,1

5,0

Cường ñộ kháng nén [kg/cm2]

12,0

12,3

12,4

10,1

Thiêu kết tại 14000C

Thiêu kết tại 14300C

Do ñộ cấu tạo mạng lưới lỗ xốp của phin lọc xỉ kim loại nóng chảy được
hình thành từ vật liệu xốp polyurethane có cấu trúc mạng lưới ba chiều, các
mắt lưới liên kết chặt chẽ, liên tục và dàn ñều tải trọng. Kiểu cấu trúc này về
mặt lý thuyết được tối ưu hóa nhằm tăng cường cường độ của phin lọc xỉ.

Ngồi ra, cấu trúc lỗ xốp phân bố zig-zag, ñều ñặn theo mọi hướng góp phần
22


ngăn cản một cách tối ña xỉ rắn và lỏng tồn tại trong kim loại nóng chảy cũng
như những tạp chất khơng mong muốn xâm nhập vào chi tiết đúc.
Biểu ñồ 3: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ thiêu kết ñến cường ñộ kháng uốn

Biểu ñồ 4: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ thiêu kết ñến cường ñộ kháng nén.

Cường ñộ cơ học của phối liệu gốm trên nền SiC sử dụng ñể chế tạo phin
lọc xỉ cho kim loại nóng chảy thay ñổi tùy thuộc nhiệt ñộ nung thiêu kết. Tại

23


nhiệt ñộ kết khối tối ưu, hệ vật liệu ñạt ñược giá trị cường ñộ kháng uốn và
nén cao nhất.
Tại nhiệt độ nung 13600C, do tồn bộ bốn hệ vật liệu từ FS-60 ñến 75 ñều
chưa ñạt ñộ kết khối, cường độ cơ học nói chung đều nhận giá trị thấp. ðặc
biệt, hai phối liệu FS-70 và 75 hầu như khơng xác định được cường độ kháng
uốn và nén do mẫu thử nghiệm phin lọc xỉ chế tạo từ hai hệ vật liệu này có độ
xốp khá cao, cường độ cơ học thấp. Mẫu thử nghiệm bị phá hủy trong q
trình thử mà khơng thu được kết quả, ngay cả khi tải trọng đặt vào mẫu cịn ở
mức thấp.
Giá trị cường ñộ kháng nén của phối liệu FS-60 và 65 ñều ñạt ñược ở mức
8,5kg/cm2 ñối với cường ñộ kháng nén. Giá trị này tương ñối thấp so với chỉ
tiêu cơ lý của sản phẩm phin lọc xỉ cho gang và thép nóng chảy nhập ngoại.
Với nhiệt độ nung cao hơn tại 14000C, do phối liệu FS-60 và 65 ñã ñạt
ñược ñộ kết khối tối ưu. Do ñó, cường ñộ cơ học của hệ vật liệu chế tao phin

lọc xỉ cũng ñược cải thiện ñáng kể. Cường ñộ kháng nén của chúng lần lượt
ñạt ñược mức 11kg/cm2 ñối với FS-60 và 10kg/cm2 ñối với FS-65. Cường ñộ
kháng uốn của hai hệ này cũng ñồng thời tăng theo chiều tăng của nhiệt độ.
Trong khi đó, hai hệ FS-70 và 75 có hàm lượng SiC khá cao, tỷ lệ alumina
tham gia trong thành phần tạo pha liên kết hạt SiC khá cao, do đó chưa đạt
nhiệt độ kết khối tối ưu. Cường ñộ cơ học của cả hai hệ này, mặc dù tăng
nhưng vẫn còn nằm trong giới hạn thấp. Giá trị cường ñộ kháng nén ñạt ñược
9,4kg/cm2 ñối với FS-70 và giảm xuống 8,0 ñối với FS-75 do thành phần phối
liệu FS-75 chứa hàm lượng SiC cao hơn cộng với hàm lượng pha gốm liên kết
ít hơn đáng kể so với các phối liệu còn lại.
Khảo sát các phối liệu tại nhiệt ñộ nung 14300C cho kết quả khá khả quan.
Cường ñộ cơ học của tất cả các hệ vật liệu ñều tăng ñáng kể. Nguyên nhân rất
dễ nhận thấy ở ñây là do cả bốn hệ vật liệu ñã bắt ñầu ñạt ñược ñộ kết khối
cao. Cấu trúc vật liệu trở nên xít đặc, độ xốp khá thấp và mức ñộ phát triển
cũng như tỷ lệ hàm lượng pha tinh thể kết tinh ñịnh hướng liên kết cao cùng
với chiều tăng của nhiệt ñộ.
Tại 14300C, cường ñộ kháng nén của tất cả bốn hệ vật liệu ñều ñạt trên
10kg/cm2 và cao nhất ñối với phối liệu FS-70, ñạt 12,4kg/cm2. Cũng tại nhiệt

24