Trong lĩnh vực vật liệu phi kim loại và vật liệu chịu lửa, đặc biệt là vật liệu chịu lửa, kyanite, sillimanite và andalusite được gọi chung là "ba khoáng chất", tất cả đều thuộc về nguyên liệu khoáng chất có hàm lượng nhôm cao.
Các ứng dụng chính của ba khoáng chất này trong vật liệu chịu lửa nguyên khối bao gồm: (1) làm cốt liệu chịu lửa, chẳng hạn như sử dụng andalusite thô làm cốt liệu chịu lửa; (2) dưới dạng bột chịu lửa, chẳng hạn như sử dụng chất cô đặc andalusite và sillimanite làm bột; (3) làm chất phụ gia, chủ yếu được sử dụng làm tác nhân giãn nở. Trong số ba loại khoáng chất, kyanite được sử dụng rộng rãi nhất. Điều này là do giá trị giãn nở liên quan đến phản ứng mulitization của kyanite là cao nhất, khiến nó trở thành tác nhân giãn nở tuyệt vời cho vật liệu chịu lửa nguyên khối, giúp bù đắp sự co ngót của vật liệu chịu lửa ở nhiệt độ cao và cải thiện hiệu suất nhiệt độ cao của chúng.
I. Ứng dụng của ba loại khoáng chất trong vật liệu đúc chịu lửa
Các nghiên cứu gần đây về ứng dụng ba khoáng chất này trong vật liệu đúc chịu lửa đã tập trung vào bốn lĩnh vực chính:
Ứng dụng Kyanite trong vật liệu đúc chịu lửaViệc thêm kyanite vào vật liệu đúc chủ yếu liên quan đến việc sử dụng kyanite có nguồn gốc từ Hushan và Shuyang, với kyanite từ Tongbai cho thấy giá trị giãn nở cao nhất, khiến nó đặc biệt thích hợp làm tác nhân giãn nở trong vật liệu chịu lửa nguyên khối. Khi kyanite từ Nanyang được thêm vào vật đúc dạng muôi, nó sẽ cải thiện tốc độ thay đổi tuyến tính của vật đúc, loại bỏ các vết nứt co ngót có thể xảy ra trong quá trình sử dụng và làm mát ở nhiệt độ cao, do đó kéo dài tuổi thọ của vật liệu. Trong thực tế, với những sửa chữa cần thiết ở đáy muôi, một muôi có thể được sử dụng trong 1.200 đến 1.300 chu kỳ. Vật liệu đúc có hàm lượng nhôm cao được tạo thành từ kyanite làm tác nhân giãn nở cho thấy sự thay đổi tuyến tính sau nung được cải thiện. Không có kyanite, những thay đổi tuyến tính sau nung đều mang tính âm, tăng theo nhiệt độ. Ở 1.300°C, tỷ lệ này là -0,09% và ở 1.500°C, tỷ lệ này là -1,05%. Tuy nhiên, khi thêm kyanite vào, độ co rút giảm đi hoặc trở thành độ giãn nở dương; đối với các loại kyanite khác nhau (0,175 mm hoặc 0,09 mm) được thêm vào ở mức 8% hoặc 10%, vật đúc thể hiện giá trị dương ở nhiệt độ từ 1.300°C đến 1.500°C, bù đắp hiệu quả sự co ngót ở nhiệt độ cao đồng thời thể hiện sự giãn nở. Trong sản xuất, việc lựa chọn kích thước hạt cô đặc kyanite thích hợp đảm bảo độ co rút tối thiểu (hoặc rất ít) ở nhiệt độ cao, đồng thời duy trì độ bền cao. Nói chung, kích thước hạt 0,174–0,074 mm được coi là vừa phải.
2.Tác động của việc thêm Andalusite vào các thuộc tính có thể đúc được(1)Ứng dụng Andalusite trong vật liệu máng sắt
(1)Với việc lò cao hoạt động với quy mô lớn, lực cọ rửa của sắt nóng chảy và xỉ ngày càng tăng, đặc biệt ở máng chính nơi điều kiện làm việc ngày càng khắc nghiệt dẫn đến tuổi thọ bị giảm. Andalusite được sử dụng trong sản xuất vật liệu máng chính để nâng cao hiệu suất của chúng. Tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng khác nhau, các kích thước hạt khác nhau (0–1 mm, 0,074 mm) andalusite được thêm vào vật liệu đúc máng sắt, giúp giảm độ xốp và cải thiện cường độ nén ở nhiệt độ phòng, tăng cường độ ổn định sốc nhiệt. Chất lượng của andalusite càng tốt thì hiệu suất của nó càng cao ở nhiệt độ cao. Vật liệu đúc có bổ sung andalusite có thể đạt được sản lượng sắt từ 80.000 đến 120.000 tấn từ lò cao 250 m³, với việc sửa chữa và vá lỗi ở giữa, dẫn đến tuổi thọ vượt quá 1,5 triệu tấn và giảm chi phí sản xuất. Cơ chế này chủ yếu sử dụng sự phân hủy andalusite ở nhiệt độ cao để tạo ra một lượng mullite và pha lỏng nhất định, giúp cải thiện độ ổn định sốc nhiệt và nhiệt độ làm mềm dưới tải trọng của vật đúc. Pha lỏng được tạo ra không chỉ thúc đẩy quá trình thiêu kết để liên kết chặt chẽ với nền và cốt liệu mà còn lấp đầy các khoảng trống, làm giảm độ xốp biểu kiến và tăng cường cường độ nén của vật đúc.
(2)Tiền xử lý súng khử lưu huỳnh bằng vật liệu đúcSúng khử lưu huỳnh trải qua những thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt, trong đó hư hỏng thường phát sinh từ các vết nứt do ứng suất nhiệt hơn là xói mòn. Tăng cường khả năng chống sốc nhiệt của vật đúc giúp ngăn ngừa các vết nứt, vỡ trên thân súng. Việc bổ sung andalusite sẽ bù đắp cho sự co ngót, đảm bảo độ ổn định về thể tích và cải thiện hiệu suất. Trong các cuộc thử nghiệm tại một nhà máy thép ở Ninh Ba, súng đã đạt tới hơn 200 chu kỳ với số lần sửa chữa tối thiểu.
Tác động của việc thêm Sillimanite và Kyanite lên các thuộc tính có thể đúc đượcViệc thêm sillimanite hoặc sự kết hợp của tinh quặng sillimanite và kyanite vào vật liệu đúc sẽ cải thiện những thay đổi tuyến tính sau khi nung. Điều này cũng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ hóa mềm dưới tải trọng và cường độ nén. Chất cô đặc sillimanite cao cấp mang lại hiệu quả rõ rệt hơn. Ví dụ: sử dụng sillimanite có hàm lượng Al2O3 là 59% và bauxite loại một làm cốt liệu, nhiệt độ làm mềm (4%) vượt quá 1.600°C; trong khi sử dụng sillimanite với 48% Al2O3 làm giảm nhiệt độ hóa mềm, như đã thấy ở mẫu SC-12 ở 1.565°C.
Tác động của việc bổ sung bột khoáng tổng hợp Sillimanite tự nhiên và Andalusite lên các đặc tính có thể đúc đượcViệc kết hợp bột khoáng tổng hợp giúp cải thiện khả năng chống sốc nhiệt của vật đúc và giảm những thay đổi tuyến tính sau khi nung. Việc bổ sung một cách thích hợp bột khoáng tổng hợp sillimanite tự nhiên và andalusite vào vật liệu đúc có hàm lượng xi măng thấp, hàm lượng nhôm cao sẽ giúp cải thiện các chỉ số kỹ thuật chính. Điều này chủ yếu là do sự hình thành đáng kể mullite trong nền. Bột khoáng tổng hợp tạo thành pha lỏng ở nhiệt độ thấp hơn (1.000–1.300°C), tạo điều kiện cho sự hình thành mullite tại chỗ và mullite thứ cấp, do đó tác động tích cực đến hiệu suất của vật đúc. Lượng bổ sung tối ưu cho bột khoáng composite là khoảng 5%. Trong lịch sử, kyanite chủ yếu được sử dụng làm tác nhân giãn nở để bù đắp sự co ngót trong vật liệu đúc chịu lửa. Tuy nhiên, với sự hiểu biết ngày càng tăng, sự kết hợp của andalusite, sillimanite hoặc ba khoáng chất này sẽ cải thiện hiệu quả chất lượng của vật liệu gốc Al2O3-SiO2, áp dụng cho cả vật liệu chịu lửa định hình và không định hình.
II. Ứng dụng của ba loại khoáng chất trong nhựa chịu lửa
Trong nhựa chịu lửa, so sánh các mẫu có và không có kyanite cho thấy mẫu trước có sự thay đổi tuyến tính lớn hơn sau khi nung ở nhiệt độ 1.400°C, cho thấy độ giãn nở tăng lên, có lợi cho sự ổn định của khung cấu trúc và giảm nứt và vỡ. Những thay đổi tuyến tính ở 1.600°C cho thấy sự giãn nở nhẹ so với những thay đổi ở 1.400°C.
III. Ứng dụng của ba loại khoáng chất trong vật liệu chịu lửa
Sau khi thêm ba loại khoáng chất này, sự thay đổi tuyến tính trong vật liệu nén có hàm lượng nhôm cao sẽ chuyển từ co ngót sang giãn nở sau khi nung. Trong số này, kyanite cho thấy hiệu quả tốt nhất, với sự thay đổi tuyến tính ở 1.400°C tăng từ -0,40% đến +1,60%, thể hiện vai trò tác nhân giãn nở của ba loại khoáng chất này. Tuy nhiên, việc bổ sung ba khoáng chất này không có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ nén của vật liệu nén có hàm lượng nhôm cao ở 1.400–1.500°C, vì kyanite và andalusite phân hủy nhanh chóng và không bị nghiền nát hoàn toàn ở giai đoạn nhiệt độ này.
IV. Ứng dụng của ba loại khoáng chất trong vật liệu phun chịu lửa
Vật liệu phun chịu lửa là vật liệu chịu lửa vô định hình được áp dụng bằng các công cụ khí nén. Bao gồm các cốt liệu chịu lửa, bột và chất kết dính (hoặc chất phụ gia), chúng được phân loại thành vật liệu phun nhẹ, trung bình và nặng dựa trên mật độ khối. Vật liệu phun nhẹ (0,5–1,39 g/cm³) thường được sử dụng làm lớp lót cách điện, trong khi vật liệu trung bình và nặng (lần lượt là 1,3–1,8 g/cm³ và lớn hơn 1,89 g/cm³) có thể dùng làm lớp lót làm việc ở nhiệt độ thấp đến trung bình lò nung. Các loại vật liệu phun chịu lửa được sử dụng ở các khu vực như bụng trên lò cao, buồng đốt của lò cao nóng, buồng tái sinh, buồng trộn và các vách trong ống dẫn khí nóng khác nhau, có tác dụng cách nhiệt, giữ nhiệt, tăng cường khí. độ kín, và bảo vệ da sắt của lò. Lò cao lớn nhất Trung Quốc (có thể tích lớn hơn 5.500 m³) cũng sử dụng vật liệu phun chịu lửa. Việc đưa vào ba loại khoáng chất này không chỉ cải thiện tốc độ thay đổi tuyến tính của vật liệu phun vật liệu chịu lửa mà còn nâng cao hiệu suất vật liệu bằng cách đưa ra các pha mới của mullite. Các khoáng chất bổ sung có thể là loại đơn chất hoặc hỗn hợp. Trong cả vật liệu phun chịu lửa và vật liệu đúc, việc bổ sung ba loại khoáng chất này đều mang lại kết quả khả quan. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể đối với vật liệu chịu lửa có hình dạng hoặc không có hình dạng, nên chọn loại hoặc loại hỗn hợp thích hợp của ba loại khoáng chất.
V. Ứng dụng ba loại khoáng chất trong bùn chịu lửa
Với sự phát triển của vật liệu chịu lửa không định hình, hỗn hợp vữa chịu lửa đã chứng kiến những tiến bộ vượt bậc trong hoạt động R&D, sản xuất và thử nghiệm. Khi phạm vi ứng dụng của bùn chịu lửa mở rộng, bùn thông thường không còn có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của việc xây dựng lò nung. Sự kết hợp của kyanite đóng một vai trò quan trọng trong các loại bùn chịu lửa mới. Bằng cách thêm chất cô đặc kyanite vào hỗn hợp bùn, phản ứng giãn nở mulit hóa sẽ bù đắp cho sự co ngót ở nhiệt độ cao.
VI. Ứng dụng của ba loại khoáng chất trong các bộ phận đúc sẵn khối xỉ cường độ cao
Trong các thành phần đúc sẵn khối xỉ cường độ cao dành cho kênh khai thác lò cao, việc bổ sung các tác nhân giãn nở cho phép vật liệu giãn nở đồng đều ở các nhiệt độ khác nhau, đặc biệt là trong khoảng 1000 đến 1500°C. Sự giãn nở này bù đắp hoặc làm giảm độ co ngót xảy ra ở các giai đoạn nhiệt độ khác nhau. Việc sử dụng các chất giãn nở có thể lấp đầy các vết nứt nhỏ do co rút ma trận và ứng suất bên trong, do đó cải thiện độ ổn định thể tích của vật liệu.
Tóm lại, nhiều loại vật liệu chịu lửa vô định hình, chẳng hạn như vật liệu đúc, nhựa, vật liệu nén và vữa chịu lửa, sử dụng ba khoáng chất—andalusite, kyanite và sillimanite—ở các mức độ khác nhau, trong đó kyanite được sử dụng rộng rãi nhất. Cơ chế chính liên quan đến sự phân hủy các khoáng chất này ở nhiệt độ cao, dẫn đến sự giãn nở thể tích do phản ứng mulit hóa, bù đắp cho sự co lại của vật liệu chịu lửa vô định hình ở nhiệt độ cao. Quá trình này dẫn đến sự giãn nở tuyến tính tích cực, giảm thiểu sự nứt vỡ cấu trúc và tăng cường độ ổn định thể tích của vật liệu.
Ngoài ra, sự phân hủy của ba khoáng chất này góp phần tích cực vào nhiệt độ làm mềm tải và độ bền của vật liệu. Các tác nhân giãn nở khác cho vật liệu chịu lửa vô định hình bao gồm thạch anh (SiO2), cũng bù đắp cho sự co ngót ở nhiệt độ cao thông qua các phép biến đổi pha, chủ yếu là sự giãn nở liên quan đến sự biến đổi của thạch anh α-thạch anh (thạch anh nhiệt độ cao) thành thạch anh β, như quá trình chuyển đổi này thể hiện sự thay đổi khối lượng đáng kể nhất.
Tuy nhiên, kyanite vượt trội hơn thạch anh trong ứng dụng này. Kyanite cung cấp giá trị giãn nở tương đối lớn hơn và khi phân hủy sẽ tạo ra các tinh thể mullite có lợi cho hiệu suất nhiệt độ cao của vật liệu. Do đó, kyanite thường được sử dụng làm tác nhân giãn nở trong vật liệu chịu lửa vô định hình, riêng lẻ hoặc kết hợp với andalusite hoặc sillimanite.
Việc sử dụng hiệu quả kyanite, andalusite và sillimanite thông qua phản ứng mulitization của chúng có thể tăng cường đáng kể các tính chất vật liệu. Việc lựa chọn cẩn thận cấp độ, liều lượng và kích thước hạt dựa trên nhiệt độ vận hành là điều cần thiết; nếu không, nó có thể dẫn đến hư hỏng bên trong, gây ra các vết nứt giãn nở và giảm mật độ cũng như độ bền của vật liệu.
Những phương pháp này thúc đẩy quá trình phân hủy và các phản ứng giãn nở kèm theo của ba khoáng chất, cũng như sự giãn nở liên quan đến sự biến đổi pha thạch anh, để bù đắp cho sự co ngót ở nhiệt độ cao trong vật liệu chịu lửa vô định hình và cải thiện độ ổn định thể tích. Tuy nhiên, lợi ích của phản ứng giãn nở còn vượt xa điều này; ví dụ, gạch có độ rão thấp và dòng gạch có hàm lượng nhôm cao biến tính được sử dụng trong lò nung nóng sử dụng phản ứng giãn nở bên trong để tăng cường nhiệt độ làm mềm tải, khả năng chống rão và khả năng chống sốc nhiệt. Vì vậy, điều quan trọng là sử dụng hiệu quả ba khoáng chất này để cải thiện hiệu suất của vật liệu chịu lửa.
