Alumina dạng bảng thiêu kết có hoạt tính thiêu kết cao, có thể thúc đẩy sự kết hợp giữa chất nền và hạt. Bằng cách áp dụng alumina dạng bảng thiêu kết vào sản xuất gạch alumina có độ tinh khiết cao và sau đó quan sát ảnh hưởng của các corundum thiêu kết khác nhau đến hiệu suất của gạch alumina, các kỹ sư nhận thấy rằng các hạt alumina dạng bảng thiêu kết nhỏ và có nhiều lỗ chân lông. Trong quá trình thiêu kết, đặc tính đó giúp lan truyền quá trình thiêu kết chất nền, đồng thời có thể cải thiện cường độ thiêu kết và khả năng chống thấm của gạch alumina bằng cách kết hợp chất nền và các hạt chặt chẽ hơn.
Gạch Alumina là sản phẩm chịu lửa có corundum là pha tinh thể chính. Chúng có tính ổn định hóa học tốt và khả năng chống chịu mạnh với xỉ axit và kiềm, kim loại và thủy tinh nóng chảy. Chủ yếu được sử dụng trong lò cao luyện sắt, lò cao lò cao, lò luyện ngoài lò luyện thép, lò nấu chảy thủy tinh và lò công nghiệp hóa dầu. Hiện nay, gạch alumina có độ tinh khiết cao trên thị trường chủ yếu được sản xuất bằng nguyên liệu alumina nung chảy. Việc sản xuất alumina nung chảy tiêu tốn nhiều năng lượng và thất thoát lớn, không thân thiện với môi trường. Việc sử dụng nguyên liệu thô corundum nung chảy để sản xuất gạch alumina có độ tinh khiết cao rất khó thiêu kết và khả năng chống xỉ thấp. Trong những năm gần đây, với tư cách là vật liệu chịu lửa cao cấp, công nghệ và sản lượng của alumina dạng bảng thiêu kết đã được cải thiện nhờ những bước nhảy vọt. Chúng ta hãy xem lợi thế của việc làm gạch alumina bằng alumina dạng bảng thiêu kết.
1 bài kiểm tra
1.1 Chất liệu
Chúng tôi sử dụng alumina dạng bảng thiêu kết làm nguyên liệu để sản xuất thử nghiệm. Alumina dạng bảng chúng tôi sử dụng có độ xốp bề ngoài là 5,7%, tỷ lệ hấp thụ nước 1,6%, mật độ khối là 3,48g/cm3. Vật liệu đối thủ là alumina nung chảy với tỷ lệ độ xốp bề ngoài 8,8%, tỷ lệ hấp thụ nước 2,4%, mật độ khối 3,61g/cm3. Các chỉ số như sau:
| Mục | % | ||||
| C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | |
| Alulmina dạng bảng | 90 | 70 | 50 | 25 | 0 |
| alumina hợp nhất | 0 | 20 | 40 | 65 | 90 |
| Bột hoạt tínhα-Al2O3 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| Chất kết dính (đã thêm) | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
1.2 Sản xuất thử nghiệm
Sử dụng máy trộn con lăn 15Kg, thêm đá xay để trộn trước trong 3 phút, sau đó thêm 3% chất kết dính và nhào trong 1 phút, cuối cùng thêm bột mịn và nhào trong 15 phút, tạo hình trên máy ép thủy lực 100 tấn với áp suất đúc là 280 MPa. Mẫu đúc là gạch hình trụ có gạch hình khối φ50mm×50mm có kích thước 150mm×25mm×25mm và nồi nấu kim loại có kích thước bên ngoài φ50mm×50mm và kích thước lỗ bên trong φ25mm×25mm. Các mẫu gạch được làm trong lò điện nhiệt độ cực cao được nung nóng ở 1750oC trong 3 giờ sau khi giữ ở 110oC trong 3 giờ và sấy khô.
1.3 Kiểm tra hiệu suất
Kiểm tra sự thay đổi đường cố định gia nhiệt, mật độ thể tích và độ xốp biểu kiến, cường độ nén và cường độ uốn ở nhiệt độ thường, cường độ uốn ở nhiệt độ cao (ở 1400°C trong 0,5h) của các mẫu theo tiêu chuẩn quốc gia. Kiểm tra khả năng chống xỉ bằng phương pháp chén nung tĩnh và quan sát vi cấu trúc của mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM.
2 Kết quả và kết luận
2.1 Cấu trúc vi mô của vật liệu
Hình ảnh 1 dưới đây cho thấy cấu trúc vi mô của các hạt nguyên liệu thô. Người ta tìm thấy alumina dạng bảng thiêu kết bao gồm các tinh thể oi-Al2O3 với kích thước hạt 40 ~ 120μm, và có một lượng lỗ hình cầu kín nhất định. Cấu trúc của alumina nung chảy dày đặc hơn, có một số lỗ hở với kích thước lớn hơn.
(a) Hạt alumina dạng bảng thiêu kết (b) hạt alumina dạng bảng nung chảy
Hình ảnh 1.
2.2 Làm nóng lại sự thay đổi tuyến tính
Hình 2 thể hiện đường cong thay đổi tuyến tính khi hâm nóng của các mẫu được làm từ các nguyên liệu thô khác nhau. Kết quả thực nghiệm cho thấy tất cả các mẫu đều có xu hướng co ngót khi nung. Tuy nhiên, khi hàm lượng alumina dạng bảng thiêu kết tăng lên thì độ co ngót khi nung cũng tăng lên trong thời gian đó. So sánh các chỉ số nguyên liệu thô, chúng tôi thấy rằng các hạt alumina dạng bảng thiêu kết chứa nhiều lỗ chân lông hơn. Nếu mật độ thực của α-Al2O3 là 3,99g/cm3 và mật độ khối là 3,48g/cm3 thì tổng độ xốp là khoảng 13%. Hơn nữa, với kích thước tinh thể rất nhỏ của alumina dạng bảng thiêu kết, nó làm cho quá trình thiêu kết lan rộng và chuyển khối dễ dàng trong quá trình thiêu kết. Do đó, có sự co rút thể tích do một số lỗ chân lông bị loại bỏ khỏi ranh giới tinh thể cùng với sự chuyển động của các chất. Mật độ khối của các hạt alumina nung chảy là 3,61g/cm3 và tỷ lệ phần trăm của tất cả các lỗ chân lông là khoảng 9%. Vì alumina nung chảy được sản xuất bằng cách nấu chảy và ngưng tụ trong lò hồ quang điện ở nhiệt độ cao, nguyên liệu thô có kích thước tinh thể lớn và ít kênh ranh giới tinh thể. Do đó, độ co ngót khi thiêu kết nhỏ hơn so với các hạt alumina dạng bảng thiêu kết.
Hình 2 Gia nhiệt lại sự thay đổi tuyến tính trên các mẫu khác nhau.
2.3 Độ xốp và mật độ khối biểu kiến
Trong Hình 3 nhìn chung cho thấy các mẫu có hàm lượng alumina dạng bảng thiêu kết cao hơn có độ xốp biểu kiến thấp hơn và mật độ khối cao hơn. Điều này là do độ xốp biểu kiến của alumina dạng bảng thiêu kết rất nhỏ khoảng 5,7%, trong khi độ xốp biểu kiến của alumina nung chảy là 8,8%. Ngoài ra, so với alumina nung chảy, các lỗ trong alumina dạng bảng thiêu kết dễ dàng loại bỏ khỏi tinh thể hơn, điều này làm giảm độ xốp và thu được độ co thể tích lớn hơn, đồng thời làm tăng thêm mật độ khối của mẫu. Do đó, độ xốp biểu kiến của mẫu nung giảm khi tăng tỷ lệ phần trăm alumina dạng bảng thiêu kết.
Hình 3 Độ xốp và mật độ khối biểu kiến của các mẫu khác nhau
Hình 4 cho thấy cường độ nén nhiệt độ bình thường (CCS) của gạch alumina dạng bảng thiêu kết nguyên chất C1 lớn hơn nhiều so với gạch alumina nung chảy nguyên chất C5. Có hai lý do chính cho nó. Thứ nhất, từ khía cạnh cường độ nguyên liệu thô, kích thước tinh thể của vật liệu alumina dạng bảng thiêu kết nhỏ và cường độ đứt gãy (σ) của vật liệu và kích thước tinh thể (G) có mối quan hệ chức năng sau:
σ=f(G-1/2)
Do đó, độ bền của vật liệu alumina dạng bảng thiêu kết tương đối cao, trong khi vật liệu alumina nung chảy giòn và dễ bong tróc (như trong Hình 5(a) ), và cũng có một lượng nhỏ pha β-Al2O3 trong đó , làm giảm độ bền của vật liệu.
Thứ hai, từ khía cạnh trạng thái liên kết của vật liệu, liên kết giữa các hạt alumina dạng bảng thiêu kết và chất nền là tốt, gần như thiêu kết thành một tổng thể. Các hạt alumina nung chảy không liên kết tốt với nền và các vết nứt hình vòng dễ dàng hình thành xung quanh các hạt (Hình 5) (b) ). Do hai lý do trên, độ bền cơ học của gạch C1 nguyên chất dạng bảng thiêu kết tốt hơn so với gạch C5 nguyên liệu nung chảy nguyên chất.
Hình 4 Cường độ chịu nén ở nhiệt độ bình thường và cường độ chịu uốn của các mẫu khác nhau
Hình 5 cấu trúc vi mô của các mẫu được làm từ alumina nung chảy
Sau khi thêm 20g xỉ khí hóa vào chén nung (xem Bảng 2 về thành phần xỉ), nung chén nung đến 1550oC trong lò điện thử nghiệm với tốc độ gia nhiệt 100oC/h và giữ trong 3h, sau đó cắt chén nung dọc theo hướng trục sau khi làm nguội đến nhiệt độ phòng, quan sát sự thay đổi cấu trúc vi mô trên mặt cắt dọc.
Thành phần hóa học của xỉ lò như sau:
| Hóa chất | SiO2 | Al2O2 | Fe2O3 | TiO2 | CaO | MgO | K2O | Na2O |
| Nội dungω% | 40,8 | 23,6 | 5.1 | 1.1 | 20.9 | 3,8 | 1.1 | 3.6 |
Hình 6 Profile nồi nấu kim loại tĩnh chống xỉ
Sau khi kiểm tra ăn mòn xỉ lò khí hóa bùn nước than, quan sát cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi điện tử. Xỉ khí hóa bùn nước than có dạng xương cá, chủ yếu là pha anorthit (như hình 7(a) ); xỉ phản ứng với alumina trong gạch thử nghiệm và thu được pha Spinel hỗn hợp magie-nhôm-sắt. Phân tích phổ năng lượng cho thấy thành phần của pha Spinel composite là (x/%): MgO 40,43%, Al2O 347,61%, Fe2O3 11,96%. Pha Spinel hỗn hợp magie-nhôm-sắt được hình thành do phản ứng tạo thành một vòng bao quanh các hạt alumina (như trong Hình7(b) ). Độ dày của vòng xung quanh các hạt alumina dạng bảng thiêu kết là 60 ~ 90μm, và độ dày của vòng xung quanh các hạt alumina nung chảy là 50 ~ 70μm, có thể thấy rằng xỉ dễ phản ứng hơn với dạng bảng thiêu kết vì quá trình thiêu kết alumina có hoạt tính thiêu kết lớn, tinh thể nhỏ hơn, lỗ chân lông kín hơn và ranh giới tinh thể nhiều hơn. Xỉ dễ dàng xâm nhập dọc theo ranh giới tinh thể và phản ứng hóa học với alumina dạng bảng thiêu kết.
(a)Xỉ (b)C2 Bề mặt làm việc
Hình 7 Cấu trúc vi mô của mẫu gạch alumina sau khi thử độ bền xỉ và ăn mòn
Không có sự khác biệt rõ ràng về độ sâu xói mòn của C1, C2, C3, C4 và C5. Chúng đều có kích thước khoảng 1mm. Hình 8 cho thấy hình ảnh vi cấu trúc của gạch C1 và gạch C5 sau khi bị xói mòn. , làm cho các hạt corundum xuất hiện dưới dạng các hòn đảo biệt lập, sau đó phản ứng với các hạt và ăn mòn các hạt.
Tất cả độ sâu xói mòn của C1, C2, C3, C4 và C5 đều khoảng 1mm, không có sự khác biệt rõ ràng. Hình 8 thể hiện hình ảnh vi cấu trúc của gạch C1 và gạch C5 sau khi bị xói mòn. Đầu tiên xỉ phản ứng với nền gạch làm cho các hạt alumina trở thành hình dạng hòn đảo, sau đó phản ứng với các hạt để ăn mòn các hạt.
Hình 8 Cấu trúc vi mô của mẫu gạch nhôm sau khi thử nghiệm khả năng chống xỉ
Hình 9 cho thấy cách xuyên thấu của các loại gạch thử nghiệm có công thức khác nhau là tương tự nhau. Xỉ thẩm thấu vào gạch dọc theo các lỗ rỗng, tồn tại ở dạng gian hạt và lỗ rỗng dưới dạng pha thủy tinh và pha anorthit.
Hình 9 Cấu trúc tế vi của lớp thấm C5 của mẫu gạch alumina sau thử nghiệm khả năng chống xỉ
Nhưng các mẫu khác nhau cho thấy đặc tính chống thấm khác nhau: bảng dưới đây cho thấy độ sâu thâm nhập của SiO2 trong các mẫu khác nhau. Khi hàm lượng alumina dạng bảng thiêu kết trong gạch giảm đi, độ sâu thâm nhập của xỉ có xu hướng tăng lên.
| Khoảng cách từ bề mặt làm việc | Hàm lượng SiO2(ω%) | ||||
| 0,2mm | 4mm | 8mm | 12mm | 16mm | |
| C1 | 5,64 | 5,78 | 3,73 | 1.1 | 0 |
| C2 | 6,99 | 5.12 | 3,32 | 3.14 | 0 |
| C3 | 7.08 | 4,42 | 4,73 | 3,57 | 0 |
| C4 | 6,38 | 5,95 | 6,34 | 4.12 | 3.3 |
| C5 | 6,47 | 6,7 | 5,21 | 5,46 | 2,74 |
Có hai lý do cho kết quả này:
- Mẫu có hàm lượng alumina dạng bảng thiêu kết cao có độ xốp biểu kiến thấp hơn;
- Các hạt vật liệu dạng bảng thiêu kết được liên kết tốt hơn với nền, giúp ngăn chặn sự xâm nhập của xỉ vào gạch.
3. Kết luận
Do kích thước tinh thể nhỏ của alumina dạng bảng, nên có một số lượng lớn lỗ chân lông tồn tại trong các hạt, rất hữu ích cho quá trình thiêu kết chuyển khối. Một số lỗ chân lông được loại bỏ khỏi tinh thể dọc theo ranh giới tinh thể với sự chuyển động của các chất, bị co lại về thể tích. Điều đó dẫn đến tốc độ co ngót tăng lên và độ xốp biểu kiến giảm trong quá trình thiêu kết bằng cách tăng hàm lượng alumina dạng bảng thiêu kết.
Alumina dạng bảng thiêu kết nguyên chất có cấu trúc hạt mịn với độ bền cao và hoạt tính thiêu kết cao. Các hạt alumina dạng bảng thiêu kết trong gạch có liên kết tốt với các chất nền, do đó hiệu suất độ bền cơ học tăng lên khi hàm lượng corundum thiêu kết tăng lên.
Vì alumina dạng bảng có hai ưu điểm đáng kể: Độ xốp biểu kiến thấp và khả năng liên kết tuyệt vời với chất nền, điều đó cho thấy alumina dạng bảng thiêu kết có thể làm chậm sự xâm nhập của xỉ vào gạch.
