Tài liệu Nghiên cứu sản xuất cyclon thủy lực bằng vật liệu gốm bền cơ chịu mài mòn

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CYCLON THỦY LỰC BẰNG VẬT LIỆU GỐM BỀN CƠ CHỊU MÀI MÒN” Chủ nhiệm đề tài: Ths. Nguyễn Tuấn Anh 7607 22/01/2010 HÀ NỘI, 12-2009 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ: “NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CYCLONE THỦY LỰC BằNG VẬT LIỆU GỐM BỀN CƠ CHỊU MÀI MÒN” Thực hiện theo Hợp đồng số: /HĐ-KHCN ký ngày tháng năm 2009, giữa Bộ Công Thương và Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp Chủ nhiệm đề tài : Ths. Nguyễn Tuấn Anh Cộng tác viên : Ks. Nguyễn Trung Kiên Cơ quan chủ trì đề tài : Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp Đơn vị phối hợp : - Công ty Cổ phần Sứ cách điện Đông Hải - Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Tuấn Anh HÀ NỘI, 12-2009 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp khoáng sản trong nước, các phương pháp xử lý khoáng sản cho hiệu quả và năng suất cao ngày càng được áp dụng phổ biến tại Việt Nam. Một trong các phương pháp đó là phương pháp phân tách theo kích thước các hạt nguyên liệu ở trạng thái huyền phù bằng hệ thống Cyclon thủy lực. Hệ thống Cyclon thuỷ lực được ứng dụng trong rất nhiều ngành khác nhau để phân tách rắn-lỏng nói chung và phân tách theo cấp hạt nói riêng. Nhiều ngành sản xuất yêu cầu chất lượng nguyên liệu đầu vào rất khắt khe, đặc biệt là chỉ tiêu về kích thước hạt nguyên liệu và độ sạch của nguyên liệu. Do vậy, loại Cyclon thủy lực đáp ứng đầy đủ yêu cầu về kích thước hạt phân cấp, tiêu chuẩn sạch, độ bền chịu mài mòn của từng ngành có tính đặc trưng rõ rệt. Ở Việt nam, các loại Cyclon thủy lực hiện đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp xử lý khoáng sản, công nghiệp giấy, công nghiệp sơn, xử lý nước thải... Các thiết bị này đều có một yêu cầu chung là bề mặt làm việc phải được chế tạo bằng các vật liệu chịu mài mòn như: hợp kim siêu bền chịu mài mòn, Polyme chịu mài mòn, gốm-sứ chịu mài mòn, hoặc một số loại vật liệu khác. Vật liệu gốm làm cyclone thủy lực có những ưu điểm dễ nhận thấy là: độ bền mài mòn, bền hóa , bền nhiệt cao. Vật liệu gốm có tính trơ với các phản ứng hóa-sinh nên rất an toàn trong sử dụng và thân thiện với môi trường. Tỷ trọng của vật liệu gốm thấp hơn với vật liệu kim loại. Trên thế giới, vật liệu gốm chịu mài mòn được sử dụng làm Cyclon thủy lực hiện nay cũng rất đa dạng: gốm cao nhôm hệ mulit-corun, các gốm kỹ thuật hệ đơn oxyt như gốm corun, gốm ZrO2, gốm - sứ bền cơ chịu mài mòn. Tuy nhiên, tuỳ từng phạm vi sử dụng của cyclon mà nhà sản xuất áp dụng các hệ vật liệu gốm thích hợp. Cyclon chịu mài mòn dùng cho lĩnh vực xử lý khoáng sản (cao lanh, đất sét...), chế biến nguyên liệu cho sản xuất giấy, sơn... vật liệu gốm cao Al2O3 và các hệ gốm-sứ có độ bền cơ chịu mài mòn cao được lựa chọn sử dụng. Ở Việt Nam hiện nay, đa phần các Cyclon đều phải nhập khẩu từ các nước như: Italia, Úc, CH Séc, Trung Quốc... Theo từng quy mô và đặc thù công nghệ sản xuất khác nhau mà các đơn vị trong nước phải đặt hàng các sản phẩm Cyclon với kích thước chủng loại khác nhau. Cách làm này khiến chi phí đầu tư tăng cao và kém linh hoạt trong tổ chức sản xuất. Việc chế tạo sản phẩm gốm bền cơ chịu mài mòn dùng làm Cyclon thuỷ trong công nghiệp tuyển khoáng, công nghiệp giấy chưa được đầu tư nghiên cứu và sản xuất tại Việt Nam, trong khi tính khả thi về chí phí, khả 1 năng sản xuất và ứng dụng trong các lĩnh vực này là rất cao. Sản phẩm được sản xuất thành công sẽ đáp ứng được yêu cầu thực tiễn cấp thiết tại Việt Nam, đồng thời mở ra một hướng phát triển và ứng dụng vật liệu gốm chịu mài mòn cho nhiều ngành công nghiệp trong nước. Với yêu cầu thực tiễn về chủng loại Cyclon phục vụ cho công nghiệp chế biến giấy, sơn, cao lanh, Viện Nghiên cưú Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp đã đề nghị và được Bộ Công Thương đồng ý đặt hàng thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ: ‘‘Nghiên cứu công nghệ sản xuất Cyclon thủy lực bằng vật liệu gốm bền cơ chịu mài mòn“ theo hợp đồng số 072/09.RD/HĐ-KHCN, ngày 04 tháng 3 năm 2009. Mục tiêu của đề tài: - Nghiên cứu xây dựng quy trình kỹ thuật sản xuất cyclon thủy lực bằng vật liệu gốm bền cơ chịu mài mòn. - Xác định đơn phối liệu cho sản xuất vật liệu gốm bền cơ chịu mài mòn dùng làm cyclon thủy lực trong ngành công nghiệp xử lý cao lanh và công nghiệp giấy. - Sản xuất thử 100 sản phẩm cyclon. Nội dung nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu lựa chọn nguyên liệu, chủng loại, thông số kỹ thuật của cyclon và xây dựng quy trình công nghệ sản xuất cyclon thủy lực dùng trong công nghiệp xử lý cao lanh và công nghiệp giấy. - Thử nghiệm quy trình sản xuất thử sản phẩm. - Đánh giá chất lượng, thử nghiệm sản phẩm. 2 PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I.1. Giới thiệu chung về cylone thủy lực I.1.1. Cấu tạo của Cyclon thủy lực [13,19] Quá trình phân cấp vật liệu trong Cyclon thủy lực được tiến hành trong trường lực ly tâm. Về cấu tạo đây là một thiết bị cố định có dạng một dung tích hình trụ ngắn ở phía trên nối với hình nón cụt ở phía dưới. (1) Cửa cấp liệu theo phương tiếp tuyến với thân hình trụ (2) Cửa tháo nước tràn trên đỉnh Phần thân hình trụ của Cyclon Phần thân hình côn của Cyclon (3) Cửa tháo hạt nặng ở đáy, đầu hình côn Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của Cyclon thủy lực [19] Cyclon thủy lực cấu tạo bao gồm các phần chủ yếu sau: - Phần thân hình trụ: đây là phần có lối dẫn huyền phù đi vào Cyclon theo đường tiếp tuyến để tạo ra lực ly tâm cho cả khối chất lỏng. - Phần hình chóp: phần này tạo ra lực xoáy ly tâm theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang tạo sự phân cấp trong Cyclon thủy lực. Tại đây xảy ra quá trình phân chia dòng liệu theo kích thước và tỷ trọng của hạt. - Đầu cấp liệu vào Cyclon: được thiết kế để dẫn liệu dạng huyền phù vào Cyclon theo phương tiếp tuyến với thân hình trụ. 3 - Đầu tháo nước tràn: được lắp ở phần trên Cyclon thủy lực, đây là nơi dẫn các thành phần có tỷ trọng nhẹ, độ hạt mịn hoặc nước trong ra khỏi Cyclon. - Đầu thoát hạt nặng: được lắp ở phía dưới Cyclon thủy lực để thải các hạt nặng. Phần liệu đi qua đầu này có độ hạt lớn và tỷ trọng cao hoặc tách pha có nồng độ đậm đặc. Cyclon thủy lực có 3 đường vận chuyển liệu: (1). Ống cấp liệu theo phương tiếp tuyến với thân hình trụ (2) Ống tháo nước tràn ở trên đỉnh (ống chảy tràn) (3) Ống tháo hạt nặng ở đáy đầu hình côn (ống xả đáy) I.1.2. Nguyên lí làm việc của Cyclon thủy lực[13,19] Trong công nghệ tuyển tách khoáng dạng huyền phù Rắn – Lỏng, người ta ứng dụng Cyclon thủy lực dựa trên sự kết hợp của hai lực cơ bản đó là: - Lực trọng trường - Lực ly tâm Hình 2: Mô tả nguyên lý dòng chuyển động trong Cyclon [19] Quá trình xảy ra của huyền phù là rất phức tạp, khó xác định theo một quy luật chính xác vì nó xảy ra theo hai hướng lực: ly tâm theo chiều ngang và đi xuống theo chiều dọc. Sự kết hợp của hai lực đó quyết định sự phân chia thành phần hạt trong Cyclon thủy lực. Người ta cho hỗn hợp rắn - lỏng vào trong Cyclon thủy lực làm bằng thủy tinh trong suốt và quan sát thấy rằng, vận tốc dọc trục ở thành thiết bị hướng xuống dưới, còn ở gần tâm thì hướng lên trên. Vận tốc hướng tâm tăng theo hướng từ ngoài đến tâm. Nếu dung dịch cho vào Cyclon với áp suất lớn thì vận tốc góc sẽ lớn làm tăng quá trình văng dòng chất lỏng ở thành Cyclon, tạo nên ‘‘vùng tự do“. Nếu áp suất tăng đến một giới hạn nào đó thì quá trình phân ly không xảy ra được. Hiệu quả của quá trình 4 phân ly phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số giữa đường kính lỗ tháo phía dưới và đường kính ống tách nước trong phía trên. Tỷ số này được chọn kinh nghiệm trong khoảng 0,37 ÷ 0,4. Huyền phù được cấp vào Cyclon với áp lực (do bơm hoặc do bể tạo áp) theo phương tiếp tuyến với phần hình trụ tạo thành một dòng xoáy rất mạnh. Ở giữa Cyclon theo hướng trục hình thành một cột lõi không khí nối với khí quyển qua ống xả đáy. Do cấu tạo đặc biệt của Cyclon dạng hình trụ - côn của Cyclon mà luồng vật liệu được phân thành hai luồng (dòng) xoáy: +Luồng ngoài chuyển động xoắn theo thành hình côn, đi xuống và tháo thoát ra ở đầu hình côn qua ống xả đáy. + Luồng bên trong xoáy xung quanh cột dọc trục, đi lên trên và theo thành trong của ống tháo nước tràn ra ngoài. Các hạt thô và nặng hơn do chịu tách dụng của lực ly tâm mạnh hơn thường có xu hướng đi vào luồng bùn ngoài, trong khi đó các hạt mịn và nhẹ vào luồng bên trong. Như vậy, luồng cấp liệu và Cyclon được phân thành hai sản phẩm hạt đáy thô và sản phẩm nước tràn mịn. I.1.3. Sự phân cấp hạt trong Cyclon [6,13,19] Độ phân cấp hạt là kích thước hạt mà có sự phân bố đồng đều vào sản phẩm đáy cũng như sản phẩm nước tràn. Độ hạt phân tách phụ thuộc vào nhiều yếu tố: + Các thông số cấu tạo của Cyclon (đường kính Cyclon, đường kính ống cấp liệu, ống nước tràn, ống tháo cát) + Áp lực cấp liệu + Tỷ lệ rắn/lỏng của huyền phù cấp liệu + Thành phần hạt của huyền phù cấp liệu Đường kính Cyclon là quy cách chính của Cyclon. Trong thực tế người ta chế tạo các Cyclon có đường kính từ 10 đến 1500 mm. Các Cyclon có đường kính nhỏ (thường dưới 50 mm) được ghép lại thành bộ Cyclon. Đường kính là một thông số quan trong bậc nhất trong hoạt động của Cyclon. Năng suất của Cyclon tỷ lệ thuận với bình phương của đường kính. Khi tăng đường kính của Cyclon thì độ phân cấp hạt tăng lên (kích thước hạt qua ống chảy tràn tăng). Chính vì vậy, để phân tách các cấp hạt cực min (< 5 ÷ 10 µn) người ta phải sử dụng những Cyclon có đường kính nhỏ (10 ÷ 50 mm). Do những Cyclon này có năng suất rất thấp nên người ta phải ghép chúng thành bộ (vài chục đến vài trăm chiếc). Các thông số cấu tạo khác của Cyclon đều phụ thuộc vào đường kính Cyclon; do = (0,08 ÷ 0,25)D 5 dp = (0,2 ÷ 0,4)D Trong đó: D; do; dp lần lượt là đường kính Cyclon; đường kính ống cấp liệu; đường kính ống nước tràn. Thường thì ống tháo nước tràn lớn hơn ống cấp liệu khoảng 20÷25%. Đường kính ống xả đáy thay đổi không ảnh hưởng đến năng suất của Cyclon nhưng ảnh hưởng đến các thông số về chất lượng phân cấp. Khi giảm đường kính ống xả đáy thì: - hàm lượng rắn trong sản phẩm xả đáy tăng lên - kích thước hạt sản phẩm nước tràn tăng - giảm thu sản phẩm xả đáy và tăng thu sản phẩm nước tràn. Trong thực tế, đường kính ống xả đáy (dxd) thường được chọn trong giới hạn: dxd = (0,15 ÷ 0,8) dp Áp lực cấp liệu của Cyclon thường từ 1 ÷ 3 at. Khi năng suất theo thể tích của cylone đã cho thì áp lực cấp liệu phụ thuộc vào do. Để nhận được sản phẩm nước tràn tương đối thô thì có thể cho phép áp lực cấp liệu 0,5 at, nhưng nếu muốn nhận được sản phẩm nước tràn mịn thì áp lực cấp liệu phải lớn hơn 2 atm. I.1.4. Tính toán thiết kế Cyclon thủy lực Việc tính toán thiết kế Cyclon thủy lực phải dựa vào các thông số chính, bao gồm: năng suất, áp suất dòng liệu vào và độ phân cấp hạt mong muốn với Cyclon. Đường kính ống chảy tràn của Cyclon: dp = 2. r1 = 4√(Qs/π.vt) (m) Qs – năng suất làm việc Cyclon thủy lực, m3/s. vt – vận tốc của dòng huyền phù đi qua ống chảy tràn. r1 – bán kính ống chảy tràn Ống cấp liệu Cyclon đặt tiếp tuyến với phần thân hình trụ và tiết diện có dạng chữ nhật có chiều cao h, chiều rộng b. Thường lấy tỷ số : k = (h/b) = 2 ÷ 4. Diện tích thiết diện của vào được tính theo công thức: S = h.b = Qs / vv (m2) vv - tốc độ dòng huyền phù trong ống cấp liệu, thường chọn 15 ÷ 20 m/s 6 Đường kính thân hình trụ Cyclon được tính theo công thức: D = 2.r2= 2(r1 + S1 + ∆r) (m) S1 – chiều dày ống chảy tràn, m. ∆r – khoảng cách từ vỏ ống chảy tràn đến thành trong của thân hình trụ, m. Điều kiện, ∆r ≥ b. Vận tốc góc của dòng liệu vào thân chính Cyclon tính theo công thức: ω = vtb / rtb (1/s) vtb – vận tốc khí trung bình trong Cyclon, lấy nhỏ hơn 1,4 lần so với vận tốc dòng vào. Bán kính quay trung bình của dòng huyền phù trong Cyclon, m. rtb = 0,5.(r2 + r1 + S1) (m) Thể tích làm việc của Cyclon được tính theo công thức: (m3) Vlv = Qs .∆r/ω Chiều cao phần trụ của Cyclon được tính theo công thức: Ht = K.Vlv/(π[r2 – (r1 + S1)2]) (m) K – hệ số dự trữ chiều cao, thường lấy K = 1,15 ÷ 1,25. Chiều cao phần nón của Cyclon được tính theo công thức Hn = (r2 – rxd)tg(90 – α/2) (m) rxd – bán kính ống xả đáy, lấy theo thực nghiệm điều chỉnh độ phân cấp hạt. Thông thường, bán kính lỗ xả đáy được lấy theo đường kính thân hình trụ của Cyclon, rxd = (0,07 ÷ 0,15)D (m) α – góc côn của Cyclon chọn phụ thuộc vào mục đích sử dụng của Cyclon. Nếu dùng để phân cấp hạt thì góc chọn khoảng 20o. Nếu dùng để cô đặc hoặc làm trong nước thì chọn góc khoảng 10 ÷ 15o. 7 I.2. Phân loại và ứng dụng của Cyclon thủy lực I.2.1. Phân loại Cyclon thủy lực [6, 7, 19] Cyclon thủy lực được nghiên cứu và ứng dụng từ 1939 tại các nước Mỹ, Hà Lan, Ba lan và nhiều nước khác ở Châu Âu trong lĩnh vực phân tách hạt và các sản phẩm của ngành giấy, hóa chất. Khoảng 10 năm sau, Cyclon thủy lực được sử dụng trong các ngành khai thác khoáng sản. Theo mục đích sử dụng, Cyclon thủy lực được chia làm 3 loại như sau: - Cyclon thủy lực phân cấp hạt - Cyclon thủy lực cô đặc sản phẩm - Cyclon thủy lực làm giàu quặng Theo áp suất làm việc, Cyclon thủy lực cũng được chia làm 3 loại sau: - Cyclon thủy lực hoạt động áp suất đầu vào thấp, dưới 1,0 atm. - Cyclon thủy lực hoạt động áp suất đầu vào trung bình, từ 1 ÷ 3,0 atm. - Cyclon thủy lực hoạt động áp suất đầu vào cao, trên 3,0 atm Hình 3:Một số mẫu thiết kế Cyclon cô phân cấp hạt bằng vật liệu hợp kim [19] 8 I.2.2. Ứng dụng của Cyclon thủy lực [15, 19] Với công nghệ xử lý áp dụng Cyclon thủy lực năng suất phân tách có hiệu quả rõ rệt với chi phí năng lượng thấp. Một ưu điểm nữa của Cyclon thủy lực là gọn nhẹ, chiếm ít diện tích mặt bằng. Cyclon thủy lực được áp dụng để phân cấp độ hạt trong phạm vi từ 5 ÷ 100 µm. Ngoài chức năng phân cấp, Cyclon thủy lực còn được áp dụng để khử slam, cô đặc, tách hạt thô trong quặng cuối dây truyền tuyển nổi. Trong thực tế, Cyclon thủy lực được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh đường kính cửa xả đáy và điều chỉnh hàm lượng chất rắn của liệu cấp vào. Cyclon thủy lực được ứng dụng công nghiệp vào các mục đích sau: - Phân cấp độ hạt: Cyclon thủy lực có khả năng phân cấp độ hạt từ 5 ÷ 250 µm với độ chính xác cao và hiệu quả kinh tế. Quá trình phân cấp độ hạt được ứng dụng đối với công nghệ tuyển quặng và các nguyên liệu hóa chất nhất là trong khâu nghiền – phân cấp khép kín. Việc phân cấp các loại nguyên liệu có độ hạt dưới 20 µm chỉ có thể thực hiện khi sử dụng hệ đa cấp Cyclon thủy lực. - Cô đặc sản phẩm và làm sạch nước: trong quá trình tuyển nổi vấn đề cô đặc sản phẩm rất quan trọng. Do đó người ta thường sử dụng Cyclon thủy lực để cô đặc sản phẩm tinh quặng. Quá trình cô đặc sản phẩm dựa trên nguyên tắc: nước sau khi phân tách theo đường thoát phía trên Cyclon thủy lực (đường thoát bùn) còn sản phẩm đi theo đường thoát phái dưới Cyclon thủy lực (đường thải cát). Khi làm sạch nước người ta cho vào một loại dung dịch kết bông để keo tụ chất bẩn trong nước sau đó lại dùng Cyclon thủy lực để tách và làm sạch nước. Cyclon làm sạch nước được thiết kế với chiều cao phần hình trụ ngắn và chiều cao phần hình côn dài, có thiết kế cấu tạo như hình 4. - Làm giàu quặng bằng Cyclon thủy lực: Quá trình tuyển khoáng bằng Cyclon thủy lực được ứng dụng trong hai trường hợp sử dụng huyền phù bằng Manhetit, Feussilic, sunphit chì... và môi trường không huyền phù. Đối với quặng cỡ hạt có thể từ 6 – 10 mm với than cỡ hạt 30 – 50 mm. Cyclone có thiết kế như hình 5. 9 Hình 4: Thiết kế Cyclon dùng làm sạch nước bằng vật liệu hợp kim [19] 10 Hình 5: Thiết kế Cyclon cho làm giàu quặng sử dụng vật liệu hợp kim [19] 11 I.2.3. Một số đặc tính kỹ thuật các loại Cyclon thủy lực Người ta thường sử dụng các loại Cyclon thủy lực có đường kính từ 75, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 610, 760, 915, 1220, 1500 mm trong công nghiệp vào các mục đích làm giàu, phân cấp và cô đặc sản phẩm. Đặc tính kỹ thuật của một số loại Cyclon thủy lực được trình bày trong Bảng 1. Bảng 1: Đặc tính kỹ thuật của một số loại Cyclon thủy lực [19] Phân loại theo đường kính Cyclon thủy lực (mm) Đặc tính kỹ thuật Góc tuyển Thiết diện cửa vào, α cm2 75 20o 2 22 8 8 0,19 150 20o 8 76 13 12 – 15 4 200 20o 16 95 20 21 5,7 250 20o 23 100 50 14 11,3 300 20o 16,2 75 25 22 12 350 20o 15,0 80 32 ÷ 40 21 13,3 400 20o 36 100 15 23 21,5 500 20o 135 190 44 ÷48 31 64 610 20o 130 200 90 30 69,3 760 20o 548 264 179 55 68,0 915 20o 360 200 75 27,1 50,0 1220 20o 345 190 100 15 47 1500 20o 370 250 70 ÷ 90 10 - 12 26 - 32 Đường kính ống chảy tràn, mm 12 Đường kính ống xả đáy, mm Tỷ lệ Năng suất, Rắn/Lỏng, Tấn nguyên liệu rắn/h % I.3. Các loại vật liệu chịu mài mòn cho chế tạo Cyclon thủy lực Ở những thập kỷ 50s ÷ 60s của thế kỷ trước, Cyclon thường được đúc bằng gang, bên trong được lót bằng vật liệu chịu mài mòn (kim loại, polime, gốm – sứ...) hoặc được đúc trực tiếp bằng vật liệu chịu mài mòn như hiện nay. Vật liệu chế tạo Cyclon thủy lực cần đảm bảo các tiêu chí: chịu được điều kiện mài mòn khắc nghiệt vì khi Cyclon thủy lực vận hành ở áp suất và tốc độ dòng huyền phù cao, quá trình tạo ra xoáy lốc các hạt như thạch anh, đá, hạt khoáng sét có độ cứng cao, cạnh sắc sẽ liên tục va chạm vào thành của Cyclon thủy lực gây ra sự mài mòn. Nếu vật liệu không có khả năng chống chịu được điều kiện làm việc như trên thì sẽ bị mài mòn nhanh chóng. I.3.1. Hợp kim chịu mài mòn [17,18,19] Từ nhiều năm trước đây, Cyclon thủy lực được chế tạo từ hợp kim của các kim loại như: Sắt, Crom, Mangan, Ni.. Vật liệu đi từ kim loại có thuận lợi là dễ gia công chế tạo theo các phương pháp luyện kim và gia công cơ khí, cho sản phẩm có kích thước chính xác và ổn định. Tuy nhiên, vật liệu hợp kim khi làm việc có thể đưa vào sản phẩm những hạt kim loại nói chung và kim loại nặng nói riêng. Trong nhiều trường hợp ứng dụng của công nghiệp sơn, mỹ phẩm, dược phẩm, việc tồn tại kim loại trong sản phẩm phân ly là không mong muốn, do chúng có thể gây biến đổi màu khi sản xuất sơn, gây mất an toàn khi sử dụng mỹ phẩm, dược phẩm. Hình 6: Cyclon thủy lực bằng vật liệu kim loại, chế tạo tại Việt Nam 13 I.3.2. Các vật liệu đi từ Polyme, Composit [15,16,17] Một số năm gần đây, do yêu cầu của một số ngành hóa chất, sản xuất giấy... người ta đã phát triển và chế tạo Cyclon thủy lực đi từ vật liệu là Polyme và Composit. Loại Cyclon thủy lực này có ưu điểm là nhẹ, độ bền hóa, bền nhiệt tốt, độ bền va đập tốt, khi vận hành là không bị mài mòn các kim loại nặng vào sản phẩm . Tuy nhiên, yếu điểm của loại Cyclon thủy lực này là giá thành cao; trong quá trình bị mài mòn có thể phát sinh các tạp Polyme khó phân hủy, khi bị nung đốt có thể sinh ra những khí độc hại, không có lợi cho môi trường sống. Vì vậy, chúng được ưu tiên sử dụng cho những công nghiệp có mức độ mài mòn vật liệu thấp. Hiện nay, vật liệu Polyurethane (PU) được ứng dụng trong nhiều sản xuất Cyclon thủy lực cho những công nghiệp chế biến có đặc thù riêng. Ưu điểm chính của vật liệu này là có tính dai và chịu mài mòn khá tốt, việc tạo hình sản phẩm có nhiều thuận lợi. Tuy nhiên, vật liệu PU có giá thành rất cao và trong nhiều trường hợp vẫn gây phát sinh tạp PU không mong muốn vào sản phẩm, do bị mài mòn trong quá trình làm việc. Hình 7: Cyclon thủy lực bằng vật liệu Polyurethane, nhập ngoại 14 I.3.3. Vật liệu đi từ gốm – sứ kỹ thuật bền cơ chịu mài mòn [17,19] Do yêu cầu đặc thù của thực tế sản xuất, người ta đã nghiên cứu và chế tạo sản phẩm Cyclon thủy lực bằng các loại gốm - sứ kỹ thuật có độ bền mài mòn cao nhằm khắc phục các yếu điểm của hai loại Cyclon thủy lực chế tạo từ hợp kim và Polyme. Vật liệu gốm chịu mài mòn so với các vật liệu Kim loại, Polyme, Composit có những ưu điểm trong sử dụng làm Cyclon như sau: + Tính chịu mài mòn của nhiều hệ vật liệu gốm là rất cao. + Tính trơ với các phản ứng hóa – sinh nên không gây ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm sau phân ly Cyclon. Điều này rất quan trọng với nhiều ngành công nghiệp như sơn, giấy, dược phẩm, mỹ phẩm... + Tính bền hóa, bền nhiệt tốt, ổn định trong nhiều điều kiện làm việc. Tuy nhiên, vật liệu gốm cũng có một số điểm yếu là tính ròn, nên chịu tác động va đập kém, tỷ trọng so với vật liệu Polyme cao. Dưới đây, nhóm thực hiện đề tài xin giới thiệu một số hệ vật liệu đã được sử dụng làm vật liệu chịu mài mòn dùng trong Cyclon. I.3.3.1. Vật liệu cao nhôm hệ Mulite – Corun [1,2,3] Thành phần tổng hợp vật liệu Mulite – Corun dựa theo biểu đồ pha 2 cấu tử Bowen – Greig [3]. Theo đó, Mulite nóng chảy hoàn toàn tại nhiệt độ 1910oC và tạo thành Eutecti nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn so với Corun ở 1850oC, có thành phần 2Al2O3.SiO2 (79% Al2O3, 21% SiO2). Trong đó, Mulite – 3Al2O3.2SiO2 tạo với Corun thành dung dịch rắn. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện tổng hợp, tùy theo hàm lượng và loại phụ gia khoáng hóa cũng như quá trình xử lý kết tinh, cấu trúc của hệ vật liệu sẽ khác nhau. Trong vùng hỗn hợp các cấu tử đạt trạng thái cân bằng có thể tồn tại cả 3 pha: Mulite, Corun và Cristobalite. Mulite và Corun là các pha chủ yếu tạo thành trong vật liệu gốm cao nhôm. Sự tồn tại của Cristobalite trong thành phần pha của xương gốm cao nhôm không đáng kể do khi kết khối, Cristobalite sẽ kết hợp với các tạp oxyt khác tạo thành pha thủy tinh. Mức độ kết khối của gốm Mulite – Corun chịu ảnh hưởng rất lớn của độ mịn nguyên liệu và việc sử dụng các phụ gia tăng cường kết khối như MgO, CaO, TiO2, MnO, Fe2O3... Ví dụ, việc đưa vào 2% MgO và 1% TiO2, độ co khi nung kết khối tăng từ 19 đến 24%. Việc hạ thấp nhiệt độ nung kết khối vật liệu cũng có thể đạt được bằng cách đưa vào phụ gia hỗn hợp MgO – CaO, MnO – TiO2 với hàm lượng từ 2-3%. Nhiệt độ kết khối thấp nhất từ 1380oC – 1450oC có thể đạt được khi thêm vào một tỷ lệ phụ gia hợp lý giữa MgO-CaOBaO-TiO2.[2] Theo nhiều công trình nghiên cứu thì không có sự khác biệt đáng kể nào khi đưa các hợp chất trợ chảy vào phối liệu dưới dạng oxyt, frit hay hợp chất nóng chảy. Tuy nhiên, để cải thiện tốc độ kết khối nên đưa vào các phụ gia trợ 15 chảy dưới dạng frit hoặc hợp chất nóng chảy. Các pha thủy tinh hệ MgO-BaOSiO2-Al2O3, B2O3-MgO-SiO2 sẽ cho phép thu được xương gốm kết khối cao và chịu mài mòn tốt. Điều này có thể được giải thích là do sự hòa tan một lượng Al2O3 vào trong pha thủy tinh và tạo thành pha liên kết thủy tinh có khả năng chịu mài mòn cao. I.3.3.2. Hệ vật liệu mulite – zirconia Cơ sở lý thuyết của hệ gốm mulite – zirconia là hệ 2 cấu tử ZrO2 – SiO2 và hệ 3 cấu tử ZrO2 – SiO2 – Al2O3. Pha tinh thể quan trong nhất trong hệ gốm này là mulite 3Al2O3. 2SiO2 và octosilicate-zircon ZrO2.SiO2. Vật liệu hệ này cho độ bền hóa, bền nhiệt, đặc biệt là bền cơ cao. Vật liệu này có khối lượng thể thích cao hơn so với hệ vật liệu mulite – corun. Các phụ gia chủ yếu sử dụng để tăng tính kết khối cũng như cường độ cơ học cho hệ này là CaO, MgO, TiO2, CeO2, SrO2... Đối với hệ vật liệu này, để có độ kết khối tốt thường thay thế một lượng nguyên liệu dẻo truyền thống (cao lanh và đất sét chịu lửa) bằng các loại thủy tinh có tính bền cơ, chịu mài mòn tốt như CaO-B2O3-Al2O3-SiO2 hoặc CaO-TiO2-Al2O3-SiO2... Với hàm lượng khoảng từ 8 – 10 % xương gốm Mulite – Zirconia có thể kết khối ở nhiệt độ 1450 – 1500oC và cho độ bền cơ cao. I.3.3.3. Hệ vật liệu gốm đặc biệt gốc ZrO2 [1,2] Gốm đặc biệt trên cơ sở ZrO2 đã được thế giới đặc biệt quan tâm vì nó có nhiều tính năng kỹ thuật quý hiếm, đa dạng mà các hệ khác không có được. Theo các đánh giá của các nhà công nghệ vật liệu mới: thành tựu lớn nhất về mặt lý thuyết với hệ này là phát hiện và sử dụng hiệu ứng tăng bền Mactensit của phụ gia ZrO2 đơn tà trong các hệ vật liệu gốm kỹ thuật như: Corun, Si3N4; SiC; Mulite, Spinel MgO.Al2O3, MgO.ZrO2... Có thể nói vật liệu đi từ ZrO2 hiện đang chiếm một mảng lớn để tạo ra các hệ gốm siêu cứng, bền dai và chịu mài mòn cao. Những năm gần đây người ta đã sử dụng phụ gia đất hiếm như CeO2, Y2O3... để tạo ra các vật liệu gốm gốc ZrO2 với các tính chất kỹ thuật đặc biệt. Phương pháp ổn định ZrO2 và công nghệ chế tạo gốm trên cơ sở ZrO2 cũng rất phong phú song cách ổn định tốt nhất là thực hiện kết hợp các muối chưa Ziercon và các phụ gia ổn định, sau đó cho sa lắng với kích thước phân tử tạo ra hydroxyt Zircon chứa các pha ổn định ở trạng thái khuyếch tán trong quá trinh keo gel của toàn hỗn hợp. Bằng phương pháp này có thể tạo được sản phẩm gốm đặc biệt bền cơ từ ZrO2 mà nhiệt độ nung có thể hạ thấp xuống 1450 – 1500oC (hệ gốm bền cơ theo phương pháp này có thể đạt bền uốn từ 80 – 100 MPa). I.3.3.4. Hệ vật liệu sứ bền cơ cao Sứ bền cơ cao thường được tổng hợp từ hệ SiO2 – Al2O3 – K2O với hàm lượng SiO2 hoặc Al2O3 cao để tạo độ cứng, độ bền cơ cao cho sản phẩm. Biểu đồ pha của hệ SiO2 – Al2O3 – K2O giúp ta xác định thành phần lý thuyết của 16 cấu trúc sứ sau khi nung ở các điều kiện cụ thể. Tuy nhiên, muốn làm chủ được kỹ thuật sản xuất sứ cần phải có sự hiểu biết đầy đủ về các quá trình khác như sự biến đổi thảnh phần nguyên liệu sứ theo nhiệt độ, khả năng kết khối và ảnh hưởng của phụ gia kết hối khi nung. Việc bổ sung các phụ gia như MgO, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3... có thể làm tăng cường độ cơ học và các tính chất kĩ thuật khác của vật liệu như tính chịu mài mòn, tinh chống ăn mòn hóa học của vật liệu. Với hệ sứ SiO2 – Al2O3 – K2O, có thể đạt được các chỉ tiêu như sau[1,4,5]: + Khối lượng thể tích, [g/cm3] : 2,3 ÷ 2,5 + Cường độ chịu uốn, [N/mm2]: 80 ÷ 100 + Cường độ chịu nén, [N/mm2]: 500 ÷ 700 + Cường độ chống va đập, [N.mm/mm2]: 2,2 ÷ 3 + Độ cứng thang Mohs: 7÷8 Theo nhiều tác giả, sứ hệ giàu SiO2 đạt độ bền cực đại do trong cấu trúc của nó phát sinh ứng suất nội. Theo Dietzel lúc làm nguội, bản thân các hạt quazt dư tồn tại lực nén. Độ bền cơ học của sứ giàu quazt chỉ đạt được một giới hạn nhất định, đồng thời không tạo ra tính bền dai và bền mài mòn cao. Để có các tính chất bền cơ và bền mài mòn cao hơn nữa, người ta nghiên cứu ảnh hưởng của một số oxyt hay hợp chất thêm vào phối liệu ví dụ Al2O3, ZrO2, ZrSiO4, CeO2, Y2O3... Ảnh hưởng của chất phụ gia khoáng hóa khác nhau đến tính chất của sứ rất phức tạp. MgO, Li2O, ZnO... là các chất khoáng hóa xúc tiến sự tạo thành Mulite tốt. Với sứ hệ giàu SiO2, các oxyt có tác dụng khoáng hóa tốt là ZrO2, MgO, SnO2, CeO2, Ce2O3... với hàm lượng từ 2 ÷ 3 %. Oxyt nhôm có tác dụng nâng cao độ bền cơ và bền nhiệt, khi hàm lượng Al2O3 thêm vào từ 20 ÷ 40%. Bằng biện pháp thêm oxyt nhôm vào phối liệu sứ SiO2 – Al2O3 – K2O có thể nâng độ bền uốn của sứ lên đến 200MPa. Sứ rất giàu Al2O3 (đến 70%) có thể cho độ bền uốn cực đại, 326Mpa, và chỉ cần nung ở nhiệt độ 1500oC nếu có mặt chất khoáng hóa với hàm lượng thích hợp.[2] Các cấu tử ZrO2, ZrSiO4, CeO2 có tác dụng tăng độ bền chịu mài mòn, bền hóa, bền nhiệt cho vật liệu. Ngoài yếu tố thành phần, để thu được vật liệu sứ có tính bền cơ cao, độ cứng cao, độ bền mài mòn cao thì phương pháp tổng hợp cũng chiếm vị trí rất quan trọng. Các yếu tố then chốt làm tăng tính chất vật liệu bao gồm: độ mịn phối liệu, tính chất xít đặc của phối liệu trước và sau tạo hình sản phẩm, chế độ xử lý nhiệt với sản phẩm. Để đạt được các chỉ tiêu bền cơ học, bền mài mòn tối ưu, phối liệu cần được nghiền mịn đến cỡ hạt dưới 45 µm, tạo hình ép phối liệu bán khô với áp lực cao hoặc luyện hút chân không tạo độ xít đặc cao trước khi tạo hình. Cuối cùng là chế độ gia nhiệt tối ưu để tạo vật liệu. 17 PHẦN II: THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU II.1. Nội dung nghiên cứu II.1.1. Xác định chủng loại Cyclon thủy lực cho nghiên cứu Trong xử lý phân cấp hạt phục vụ cho các ngành như công nghiệp ceramic, công nghiệp giấy, công nghiệp sơn, sản xuất các phụ gia... hiện nay, các kích thước hạt mong muốn được phân tách thường gồm những mức phân tách sau + Kích thước trên 63 µm (không quá 100 µm) + Kích thước từ 45 ÷ 63 µm + Kích thước từ 10 ÷ 45 µm + Kích thước từ 3 ÷ 10 µm + Kích thước dưới 3 µm Với công nghiệp Ceramic chủ yếu sử dụng nguyên liệu có kích thước hạt từ 30 ÷ 63 µm. Tùy theo đối tượng sử dụng là sản xuất men hay làm xương gốm mà cấp hạt yêu cầu có thể thay đổi. Với công nghiệp sản xuất giấy và sơn phục vụ xây dựng, các nguyên liệu sử dụng thường yêu cầu cấp hạt từ 10 ÷ 45 µm.Với công nghiệp sản xuất phụ gia, tùy ngành mà có yêu cầu cấp hạt khác nhau nhưng thường chọn kích thước hạt từ 3 ÷ 20 µm. Căn cứ vào nhu cầu sản lượng và yêu cầu kích thước hạt phổ biến của các ngành công nghiệp trên, nhóm thực hiện đề tài đã chọn ra chủng loại Cyclon có đường kính ∅=75 là đối tượng nghiên cứu sản xuất chính.[6,9,10,15,19] Bảng 4: Thông số kỹ thuật cơ bản của chủng loại Cyclon ∅75 [19] Đường kính Cyclon thủy lực (mm) 75 Đặc tính kỹ thuật Góc tuyển 20o Thiết diện cửa vào, Đường kính cửa tràn, Đường kính cửa đáy, cm2 mm mm 2 22 8 Tỷ lệ Rắn/Lỏng, Năng suất, Tấn/h % 8 0,19 Kết hợp với tính linh hoạt trong điều chỉnh kích thước hạt được phân tách của Cyclon thông qua đường kính cửa chảy tràn, đường kính cửa xả đáy, thiết diện và áp suất dòng huyền phù cấp vào, nhóm đề tài xác định được rằng: bằng cách sản xuất bổ sung các chi tiết liên quan với kích thước lỗ khác nhau 18