Tài liệu Giáo trình lò luyện kim P6 pptx

Chơng 6
Vật liệu xây, thể xây và khung lò
6.1. Vật liệu xây lò
Để xây lò luyện kim, ngoài việc sử dụng những vật liệu xây dựng thông dụng nh
sắt thép, xi măng, cát, sỏi ... còn dùng một lợng rất lớn vật liệu chuyên dụng là vật
liệu chịu lửa và vật liệu cách nhiệt. Trong phần này chủ yếu đề cập tới một số vấn đề
chung và tính chất của các loại vật liệu chịu lửa, cách nhiệt thông dụng, kích thớc
hình học của một số vật phẩm phổ biến dùng trong xây lò.
6.1.1. Yêu cầu chung đối với vật liệu chịu lửa
Vật liệu chịu lửa là những vật liệu có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ trên
1000
o
C mà vẫn giữa đợc độ bền cơ học và hình dạng hình học. Nhìn chung, vật liệu
chịu lửa sử dụng để xây lò cần đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Độ chịu nóng trên 1580
o
C.
+ Có đủ độ bền cơ học ở nhiệt độ trên 1000
o
C.
+ Có khả năng chịu đợc sự dao động của nhiệt độ.
+ Bền về mặt hóa học đối với các chất tiếp xúc trong quá trình làm việc.
+ Có tính ổn định về thể tích và hình dạng khi ở nhiệt độ cao.
+ Có thể sản xuất hàng loạt với giá thành phải chăng.
+ Đảm bảo một số tính chất nhiệt vật lý cần thiết theo yêu cầu công nghệ.
6.1.2. Một số tính chất cơ bản của vật liệu chịu lửa
Chất lợng của vật liệu chịu lửa đợc đánh giá qua các tính chất nhiệt vật lý và
các tính chất sử dụng.
a) Tính chất nhiệt vật lý
- Độ xốp: Độ xốp của vật liệu chịu lửa là tỉ số giữa tổng thể tích lỗ rỗng chứa trong
khối vật liệu và thể tích của khối.

100.
V
v
f

=
[%] (6.1)
Trong đó:
v - tổng thể tích lỗ rỗng trong khối vật liệu [m
3
].
V- thể tích khối vật liệu [m
3
].
- Khối lợng thể tích: là khối lợng của một đơn vị thể tích kể cả lỗ rỗng [kg/m
3
]:
- 107 -

V
G
v
=
[kg/m
3
] (6.2)
Trong đó:
G - khối lợng khối vật liệu kể cả lỗ rỗng [kg].
V- thể tích khối vật liệu [m

3
].
- Độ thấm khí: đặc trng cho khả năng cho khí đi qua của vật liệu, đợc xác định
theo công thức:

p..F
L.V
K
k

=
[lít/m.h.mmH
2
O] (6.3)
Trong đó:
V
k
- lợng khí thấm qua khối vật liệu [lít].
F - diện tích bề mặt khí thấm qua [m
2
].
- thời gian khí thấm qua[h].
p - độ chênh lệch áp suất giữa hai bề mặt khí đi qua [mmH
2
O].
L - chiều dày khối vật liệu mà khí đi qua [m].
- Độ hút nớc: Đặc trng cho khả năng chứa nớc của vật liệu, đợc xác định theo
công thức:

100.

G
GG
W
1
12

=
[%] (6.4)
Trong đó:
G
1
, G
2
là khối lợng của khối vật liệu khi khô và khi bão hòa nớc [kg].
Khi bảo hoà nớc, độ bền cơ học của vật liệu bị giảm đáng kể, mức độ giảm độ bền cơ
học đợc đánh giá qua hệ số biến mềm:

k
bh
E


=
(6.5)
Trong đó:

- độ bền cơ học khi ở trạng thái bảo hòa nớc [N/m
bh

2

].

- độ bền cơ học khi ở trạng thái khô [N/m
k

2
].
- Độ bốc ẩm: đặc trng cho khả năng cho lợng ẩm trong vật liệu thoát ra ngoài.
- 108 -
- Nhiệt dung: là đại lợng có giá trị bằng lợng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ một
đơn vị khối lợng vật liệu lên một đơn vị. Nhiệt dung của vật liệu thay đổi khi nhiệt độ
thay đổi, sự phụ thuộc này có dạng:

t.bac
t
+=
[kj/kg.độ] (6.6)
Trong đó: a, b là các hệ số phụ thuộc vật liệu.
- Độ dẫn nhiệt: đặc trng cho khả năng truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt của vật liệu,
đợc đánh giá qua hệ số dẫn nhiệt . Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu chịu lửa thay đổi theo
nhiệt độ:

[W/m.độ] (6.7)
t.
0t
+=
Trong đó:

0
,

t
- là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ở
o
C và ở t
o
C.
- hệ số phụ thuộc vật liệu.
- Độ dẫn điện: đặc trng cho khả năng dẫn điện của vật liệu, có giá trị bằng nghịch
đảo của điện trở suất:

r
1

=
[m/]
ở nhiệt độ thờng, phần lớn vật liệu chịu lửa không dẫn điện, nhng khi nhiệt độ cao
điện trở của chúng giản rõ rệt nên với các lò có nhiệt độ cao cần quan tâm đến vấn đề
này. Sự phụ thuộc của điện trở vật liệu vào nhiệt độ có dạng:

B
T
A
Rlg +=
(6.8)
Trong đó A, B là các hệ số phụ thuộc vật liệu.
b) Các tính chất sử dụng
- Độ chịu nóng: đặc trng cho khả năng chịu đợc tác động của nhiệt độ cao mà
không bị biến mềm hoặc chảy lỏng. Độ chịu nóng đợc đánh giá qua mẫu thử hình
tháp bằng cách nung mẫu thử cùng với các mẫu chuẩn đã biết trớc độ chịu nóng.
Nhiệt độ mà tại đó mẫu thử hình tháp gục xuống chạm đáy lò cùng với một mẫu chuẩn

đợc gọi là độ chịu nóng của vật liệu.
- Độ bền nhiệt: đặc trng cho khả năng chịu đợc tác động của sự thay đổi nhiệt độ
trong quá trình làm việc, đợc đánh giá bằng mẩu thử. Ngời ta nung nóng và làm
nguội liên tục mẫu thử theo một chu trình chuẩn khi đó số lần nung nóng và nguội mẫu
- 109 -
cho đến khi khối lợng mẫu giảm đi 20% so với ban đầu đợc gọi là độ bền nhiệt của
vật liệu.
- Độ cứng và độ bền cơ học ở nhiệt độ cao: là độ cứng và độ bền của vật liệu xác
định ở điều kiện nhiệt độ cao, thông thờng ngời ta xác định độ cứng và độ bền nén là
hai chỉ tiêu quan trọng khi sử dụng.
- Tính ổn định thể tích: đặc trng cho khả năng giữ nguyên thể tích khi chịu tác
động của tải trọng cơ học hoặc nhiệt độ thay đổi, đợc đánh giá qua độ co (hoặc độ
giản nở) của vật liệu. Độ co hoặc giản nở thể tích của vật liệu chịu lửa đợc khống chế
dới 1%.
- Độ bền về mặt hóa học: đặc trng cho khả năng chống lại sự phá hủy vật liệu do
các phản ứng hóa học với các chất trong môi trờng tiếp xúc.
Các tính chất trên là những tính chất chung của vật liệu chịu lửa, trong thực tế
không có loại vật liệu chịu lửa nào thoả mãn đồng thời các yêu cầu trên, do đó tùy điều
kiện sử dụng ngời ta lựa chọn loại vật liệu thích hợp về phơng diện sử dụng cũng nh
phơng diện kinh tế.
6.1.3. Vật liệu chịu lửa thông dụng
a) Vật phẩm đinat: là vật phẩm chịu lửa chứa khoáng chất thạch anh SiO
2
>93%.
Tính chất của vật phẩm đi-nat:
+ Độ chịu nóng từ 1600 - 1710
o
C.
+ Bền với môi trờng axit.
+ Giản nở nhiệt lớn.

+ Độ bền nhiệt thấp.
b) Vật phẩm samôt: là vật phẩm chịu lửa chứa từ 30 - 45 % Al
2
O
3
.
Tính chất của vật phẩm sa-môt:
+ Độ chịu nóng 1610 - 1730
o
C.
+ Có tính axit yếu.
+ Độ bền nhiệt tơng đối lớn (10 - 50 lần).
+ Giản nở nhiệt lớn.
c) Vật phẩm alumin cao: là vật phẩm chịu lửa có hàm lợng Al
2
O
3
từ 46 - 100%.
Tính chất:
+ Độ chịu nóng cao và phụ thuộc hàm lợng Al
2
O
3
.
+ Bền với cả môi trờng kiềm và môi trờng axit.
- 110 -
+ Độ bền cơ học và độ bền nhiệt cao (trên 100 lần).
d) Vật phẩm bán axit: là vật phẩm chịu lửa chứa 15 - 30 % Al
2
O

3
và > 65 % SiO
2
.
Tính chất:
+ Độ chịu nóng 1610 - 1700
o
C.
+ Bền với môi trờng axit.
+ Bền nhiệt thấp.
e) Vật phẩm manhêdit: là vật phẩm chịu lửa chứa 90 - 96 % MgO.
Tính chất:
+ Độ chịu nóng cao, trên 2000
o
C.
+ Bền với môi trờng kiềm.
+ Bền nhiệt thấp.
+ Giản nở nhiệt lớn.
+ Giảm chất lợng mạnh khi bị ẩm.
g) Vật phẩm crômit: là vật phẩm chịu lửa chứa 80 - 90 % crômit, 10 - 12 %
manhêdit và 7 - 10 % dumit.
Tính chất:
+ Độ chịu nóng 1900
o
C.
+ Có tính trung hoà, bền với cả môi trờng axit và môi trờng kiềm.
+ Bền nhiệt thấp (3 - 5 lần).
h) Vật phẩm crômit - ma nhêdit: là vật phẩm chịu lửa chứa 30 - 70 % crômit và 70 -
30 % manhêdit. Tính chất tơng tự manhêdit nhng chất lợng cao hơn.
i) Vật phẩm cacbon: Gồm các loại: cacbôrun, graphit, các bon.

- Vật phẩm cacbôrun: vật phẩm sản xuất từ bột SiC có chất dính kết là đất sét chịu lửa
và silicat sắt.
Tính chất:
+ Độ chịu nóng cao, trên 2000
o
C.
+ Độ bền nhiệt cao.
+ Tính chống mài mòn và độ bền cơ học tốt.
+ Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.
+ Khi nhiệt độ trên 1300
o
C dễ bị oxy hóa và bị kiềm ăn mòn.
- Vật phẩm graphit: đợc sản xuất từ hỗn hợp 20 - 60 % graphit, 30 - 40 % đất sét
chịu lửa và 10 - 40 % samốt.

- 111 -
Tính chất:
+ Độ chịu nóng > 2000
o
C.
+ Độ bền nhiệt tốt.
+ Hệ số giản nở nhiệt nhỏ.
+ Dẫn nhiệt tốt.
+ Bền với môi trờng xỉ và kim loại lỏng.
- Vật phẩm cacbon: thành phần chủ yếu là cac bon, chứa 80 - 90 %C.
+ Độ chịu nóng cao > 2500
o
C.
+ Độ bền nhiệt tốt.
+ Dẫn điện và dẫn nhiệt tốt.

+ Hệ số giản nở nhiệt nhỏ.
6.1.4. Vật liệu cách nhiệt
Vật liệu cách nhiệt dùng trong lò luyện kim gồm hai nhóm:
+ Vật liệu cách nhiệt thiên nhiên: điatômit, inphuđôrit, amiăng.
+ Vật liệu cách nhiệt nhân tạo: vật phẩm chịu lửa nhẹ, xỉ bông ...
a) Vật liệu cách nhiệt thiên nhiên
- Điatômit, inphuđôrit có thành phần chủ yếu là SiO
2
nhng có độ xốp rất lớn do đó
dẫn nhiệt kém, hệ số dẫn nhiệt 0,014 - 0,06 W/m.độ.
- Amiăng: thành phần chính là silicat manhê ngậm nớc, hệ số dẫn nhiệt khoảng
0,15 W/m.độ.
b) Vật liệu cách nhiệt nhân tạo
- Vật phẩm chịu lửa nhẹ: có thành phần tơng tự các vật phẩm chịu lửa cùng loại
nhng có độ xốp lớn ( 50 - 80 %), do đó khối lợng thể tích bé (0,27 - 1,3 kg/m
3
) và
dẫn nhiệt kém, hệ số dẫn nhiệt 0,11 - 0,81 W/m.độ. Độ chịu nóng của vật phẩm cách
nhiệt thấp hơn độ chịu nóng của vật phẩm chịu lửa cùng loại.
- Xỉ bông: đợc sản xuất từ xỉ luyện kim ở dạng sợi, có độ xốp lớn, cách nhiệt và chịu
nóng tốt.
6.1.5. Các thể gạch xây lò
Để xây lò, ngời ta sử dụng các thể gạch chịu lửa và cách nhiệt sản xuất theo
hình dạng và kích thớc đợc tiêu chuẩn hóa. Trên hình 6.1 giới thiệu một số thể gạch
xây thông dụng.

- 112 -

a
c
b
d
d
c
a
c
b
a
b
c)
b)
a)
d

e
a
b
c
d
c
b
a
e
b
d
f
ca
g)
e)
d)
Hình 6.1 Hình dạng và kích thớc một số loại gạch quy chuẩn
a) Gạch thẳng b) Gạch vát nằm c) Gạch vát đứng
d) Gạch chân vòm e) Gạch vòm cầu g) Gạch vòm treo
- Gạch thẳng: dùng để xây tờng thẳng, đáy lò hoặc phối hợp với gạch vát xây vòm
và tờng cong, kích thớc phổ biến là 230x113x65.
Gạch vát nằm: dùng để xây tờng cong hoặc vòm lò có chiều dày mỏng, kích thớc
phổ biến là 230x113x65/55 hoặc 230x113x65/45
- Gạch vát đứng: dùng để xây tờng cong hoặc vòm lò có chiều dày lớn, kích thớc
phổ biến là 230x113x65/55 hoặc 230x113x65/45.
- Gạch chân vòm: dùng để xây chân vòm cong, kích thớc phổ biến là
230x113x135/56/37.
- Gạch vòm treo: dùng để xây vòm lò phẳng bằng móc treo, kích thớc phổ biến là
300x276x260/100/75/30.
Khi chọn gạch xây lò nên dùng các loại gạch tiêu chuẩn đợc chế tạo hàng loạt

và dễ kiếm. Trong trờng hợp cần dùng các loại gạch phi tiêu chuẩn cũng nên đa về
gần với dạng gạch tiêu chuẩn để việc chế tạo cũng dễ dàng hơn.

- 113 -
6.2. Thể xây lò
6.2.1. Khái niệm chung
a) Cấp xây
Lớp gạch chịu lửa trong các lò luyện kim (còn gọi là lớp lót) là bộ phận trọng yếu
nhất của lò. Chất lợng xây lớp này ảnh hởng trực tiếp đến tuổi thọ làm việc và các
chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của lò. Bởi vậy, tùy vào thể xây và điều kiện làm việc của thể
xây, ngời ta chọn mức độ cẩn thận khi xây khác nhau. Theo mức độ cẩn thận khi xây
ngời ta phân ra năm cấp xây.
Bảng 6.1. Các cấp xây gạch chịu lửa
Cấp xây Yêu cầu khi xây Chiều dày mạch xây (mm) Loại vữa xây
I Xây đặc biệt cẩn thận
1
II Xây cẩn thận
2
Bột mịn khô
hay vữa lỏng
III Xây tơng đối cẩn thận
3
IV Xây thông thờng
4
Vữa nhão
V Xây gạch đỏ 5 - 10 Vữa đặc

- Cấp xây I và II: dùng để xây các lò nấu chảy kim loại hoặc nấu chảy các vật liệu
phi kim. Các thể xây tiếp xúc với kim loại lỏng, xỉ hoặc yêu cầu kín khí thì dùng cấp
xây I. Đối với các cấp xây I và II, để đảm bảo mạch xây nhỏ cần chọn gạch có cùng

kích thớc và bề mặt bằng phẳng (đôi khi phải mài gạch trớc). Khi xây vữa lỏng,
nhúng gạch vào vữa lỏng rồi đặt vào lớp xây, trờng hợp gạch cần xây khô (nh gạch
manhêdit) thì dùng bột mịn điền đầy vào các khe hở giữa các viên gạch xây.
- Cấp xây III: dùng phổ biến khi xây các thể xây của lò nung, lò sấy ... tiến hành với
vữa nhão.
- Cấp xây IV: dùng khi xây những bộ phận không quan trọng có nhiệt độ làm việc
thấp của lò, lớp lót các đờng ống dẫn bằng phơng pháp xây đẩy hoặc xây ép với vữa
nhão.
- Cấp xây V: dùng khi xây các thể xây gạch đỏ.
b) Mạch nhiệt
Trong quá trình làm việc, các thể xây chịu tác động của sự thay đổi nhiệt độ gây
ra sự giản nở nhiệt. Để thể xây không bị phá hủy khi giản nở ngời ta bố trí trong thể
- 114 -
xây các khe giản nở nhiệt gọi là mạch nhiệt. Số lợng và kích thớc mạch nhiệt đợc
chọn dựa vào hệ số giản nở nhiệt của gạch và kích thớc của thể xây. Chiều dày mạch
nhiệt tính cho một mét chiều dài thể xây ứng với các loại gạch khác nhau cho ở bảng
6.2.
Bảng 6.2. Giá trị trung bình của mạch nhiệt
Thể xây gạch
Chiều dày mạch nhiệt cho 1 m
chiều dài thể xây (mm)
Samôt 5 - 6
Đinat 12
Manhêdit 12 - 14
Điatômit 5 - 6

1
2
1
2
1
2
2
1
b)
a)
d)
c)
1
2

2
1
2
1
1
f)
e)
Hình 6.2. Cách đặt mạch nhiệt trong các thể xây
a) Tờng thẳng b) Tờng nhiều lớp gạch khác loại
c) Góc tờng thẳng d) Vòm lò e) Tờng cong f) Đáy lò
1) Mạch nhiệt 2) Gạch
- 115 -