Tài liệu Nghiên cứu hạ thấp nhiệt độ nung gạch lát ceramic vẫn đảm bảo các yêu cầu về chất lượng theo tiêu chuẩn việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN ĐĂNG LONG NGHIÊN CỨU HẠ THẤP NHIỆT ĐỘ NUNG GẠCH LÁT CERAMIC VẪN ĐẢM BẢO CÁC YÊU CẦU VỀ CHẤT LƯỢNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM. Chuyên ngành : KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU PHI KIM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS HUỲNH ĐỨC MINH Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp cao học, được sự giúp đỡ của các thây cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà nội; Ban lanh đạo, cán bộ nhân viên Công ty Cổ phần Viglacera Thăng long; Đặc biệt thầy giáo PGS. TS. Huỳnh Đức Minh và bộ môn Công nghệ vật liệu Silicate; Cùng với sự nỗ lực của bản thân, đến nay đã hoàn thành luận văn thạc sĩ. Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS. TS. Huỳnh Đức Minh đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp các kiến thức khoa học cần thiết trong suốt quá trình làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo thuộc Bộ môn Công nghệ vật liệu Silicate và Viện đào tạo sau đại học – Trường đại học Bách khoa Hà nội đã quan tâm tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian học tập và hoàn thiện luận văn. Cũng trong dịp này, tôi xin tỏ lòng biết ơn tới Ban lãnh đạo và tập thể cán bộ nhân viên Công ty Cổ phần Viglacera Thăng long đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu để hoàn thiện luận văn. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu cũng như kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Hà nội, tháng 9 năm 2014 Tác giả Nguyễn Đăng Long Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK MỤC LỤC MỞ ĐẦU ………………………………………………………………….. Chương 1- TỔNG QUAN ………………………………………………... 1.1. KHÁI NIỆM VÀ TIÊU CHUẨN CỦA GẠCH LÁT CERAMIC 1.1.1. Khái niện …………………………………………………………… 1.1.2. Tiêu chuẩn cơ lý, hóa của sản phẩm gạch lát Ceramic ...…………… 1.2. GIỚI THIỆU DÂY CHUYỀN & NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT GẠCH LÁT CERAMIC ………………………………………………….. 1.2.1. Giới thiệu dây chuyền sản xuất …………………………………….. 1.2.2. Nguyên liệu sản xuất ……………………………………………….. 1.3. CẤU TRÚC GẠCH LÁT CERAMIC & ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHA ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ……………………………….... 1.3.1. Pha tinh thể ………………………...……………………………….. 1.3.2. Pha thủy tinh ………………………..………………………………. 1.3.3. Pha khí ……………………………..……………………………….. 1.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ KẾT KHỐI ………. 1.4.1. Thành phần hoá học ……………………………………………….. 1.4.2. Kích thước và thành phần hạt ……………………………………… 1.4.3. Mật độ của gạch mộc ………….……………………………………. 1.4.4. Đường cong nung ….……………………………………………….. 1.4.5. Phụ gia khoáng hóa ………………………………………………… Chương 2- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................... 2. 1. MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ………................. 2.1.1. Mục tiêu ............................................................................................. 2.1.2. Phương pháp xác định các tính chất của mẫu nghiên cứu .................. 2.2. PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ MẪU NGHIÊN CỨU........................... 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu nghiên cứu........................................................ 2.2.2. Chuẩn bị phối liệu nghiên cứu............................................................. 2.2.3. Các thông số hồ & bột......................................................................... 2.2.4. Tạo mẫu nghiêncứu............................................................................. 2.3. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ PHỐI LIỆU ĐỐI CHỨNG .......................... 2.3.1. Tiêu chuẩn của công ty về nguyên liệu sản xuất gạch ốp lát ............. 2.3.2. Nguyên liệu sử dụng trong bài phối liệu đối chứng ........................... 2.3.3. Thành phần hóa của nguyên liệu sử dụng trong bài phối liệu đối chứng ............................................................................................................. Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA 5 6 6 6 6 7 7 9 11 12 13 14 14 16 18 19 19 21 24 24 24 25 28 28 28 29 29 30 30 31 31 Page 3 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK 2.3.4. Đánh giá và phân tích phối liệu đối chứng ......................................... 2.3.5. Hướng khắc phục ................................................................................ 2.4. CÁC BÀI PHỐI LIỆU NGHIÊN CỨU ĐỂ HẠ THẤP NHIỆT ĐỘ NUNG ........................................................................................................... 2.4.1. Các nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu ........................................ 2.4.2. Các bài phối liệu với sự có mặt của feldspar mới (Feldspar F6 và feldspar Hải dương) ...................................................................................... 2.4.3. Các bài phối liệu với sự có mặt talc ……………………………….. Chương 3- ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ………..……… 3.1. ĐÁNH GIÁ VÀ THẢO LUẬN CÁC BÀI PHỐI LIỆU VỚI SỰ CÓ MẶT CỦA FELDSPAR F6 VÀ FELDSPAR HẢI DƯƠNG …………….. 3.2. ĐÁNH GIÁ VÀ THẢO LUẬN CÁC BÀI PHỐI LIỆU SỬ DỤNG TALC ……………………………………………………………………… KẾT LUẬN ……………………………………………………………….. TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………… 32 35 Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 4 35 35 38 44 54 54 54 56 57 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK MỞ ĐẦU Theo báo cáo tại Hội thảo quốc tế về ngành vật liệu xây dựng việt nam và báo cáo thị trường của Tổng công ty Viglacera, thì hiện nay (2013) trên thế giới có khoảng 45 tập đoàn sản xuất gạch ốp lát với công suất thiết kế khoảng 6 tỷ m2/năm; còn cả nước hiện nay có khoảng 59 Cty gạch ốp lát đang hoạt động, với công suất thiết kế khoảng 443 triệu m2/năm, sản lượng khoảng 304 triệu m2 và tiêu thụ nội địa khoảng 250 triệu m2. Hiện nay, các doanh nghiệp Việt nam đang phải cạnh tranh khá bất lợi với với các loại gạch ngoại có xuất xứ từ châu Âu (Italia, Tây ban nha, Đức, Ai Cập..) và đặc biệt là gạch Trung Quốc giá rẻ đã tràn ngập không chỉ ở các thành phố lớn như TPHCM, Hà nội …mà còn thâm nhập cả các vùng thôn quê. Khiến sự cạnh tranh nội địa vốn đã quyết liệt, thì nay lại càng quyết liệt hơn. Là đơn vị sản xuất, kinh doanh vật liệu xây dựng đương nhiên phải đương đầu với khó khăn trên. Để tồn tại và phát triển trong môi trường sản xuất và kinh doanh như hiện nay, buộc phải tìm cách giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm. Một trong những hướng để giảm được chi phí sản xuất là giảm chi phí về nhiên liệu, nhất là trong giai đoạn hiện nay giá nhiên liệu tăng cao, chi phi về nhiên liệu chiếm một phần lớn trong giá thành sản phẩm. Chính vì vậy, việc nghiên cứu giảm chi phí về nhiên liệu là một trong những hướng mà doanh nghiệp luôn quan tâm và đặt ra để hạ giá thành. Nhận thức rõ tầm quan trọng của việc giảm chi phí sản xuất mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, nên đề tài được lựa chọn là “Nghiên cứu hạ thấp nhiệt độ nung gạch lát Ceramic vẫn đảm bảo các yêu cầu về chất lượng theo tiêu chuẩn Việt nam”. Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 5 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK Chương 1- TỔNG QUAN 1.1. KHÁI NIỆM VÀ TIÊU CHUẨN CỦA GẠCH LÁT CERAMIC 1.1.1. Khái niện Gạch lát ceramic là một dòng sản phẩm lát nền có xương kết khối, độ xốp nhỏ, cấu trúc mịn và trên bề mặt được tráng men[4]. Các sản phẩm gạch lát Ceramic rất đa dạng về cả kích thước, chủng loại và mẫu mã. Phân loại theo kích thước sản phẩm: Như 300x300; 400x400; 500x500; 600x600 … Phân loại theo mẫu mã: Sản phẩm hoa văn hình học, vân đá, vân mây … 1.1.2. Tiêu chuẩn cơ lý, hóa của sản phẩm gạch lát Ceramic Bảng 1.1: Bảng TCVN của sản phẩm gạch lát Ceramic [5] Chỉ tiêu kỹ thuật Cường độ uốn Độ hút nước Độ cứng bề mặt Độ chịu mài mòn bề mặt + Đối với men bóng, men đục + Đối với men matte Hệ số dãn nở nhiệt dài Độ bền nhiệt, theo chu kỳ chịu được thay đổi nhiệt độ từ nhiệt độ phòng thí nghiệm đến 105oC Độ bền rạn men, tính theo sự xuất hiện vết rạn sau quá trình thử Độ bền hóa ĐV Tiêu chuẩn 2 N/mm % Mohs ≥ 22 3-6 ≥5 Cấp độ II III -1 m.k ≤ 8x10-6 ≥ 10 Chu kỳ Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Không rạn Phương pháp thử TCVN 6415: 2005 TCVN 6415: 2005 TCVN 6415: 2005 TCVN 6415: 2005 TCVN 6415: 2005 TCVN 6415: 2005 TCVN 6415: 2005 Bền với các hóa TCVN 6415: 2005 chất dùng trong gia đình. Page 6 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK 1.2. GIỚI THIỆU DÂY CHUYỀN & NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT GẠCH LÁT CERAMIC 1.2.1. Giới thiệu dây chuyền sản xuất a. Sơ đồ công nghệ Nguyên liệu cho xương gạch Nghiền phối liệu Nguyên liệu men, màu Gia công men màu Tạo hạt (bột ép) Ép sản phẩm Sấy sản phẩm mộc Tráng men Trang trí Nung sản phẩm Phân loại Đóng gói, xuất xưởng H1.1- Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất gạch lát ceramic Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 7 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK b. Tóm tắt công nghệ sản xuất Phối liệu xương gạch lát ceramic được tạo thành từ những nguyên liệu gồm đất sét, cao lanh, trường thạch, thạch anh, talc, dolomite ... hầu hết chúng đã được gia công sơ bộ. Nguyên liệu từ kho được đưa lên cân định lượng theo các bài phối liệu cho trước, sau đó các nguyên liệu này và phụ gia trợ nghiền được nạp vào máy nghiền bi cùng với một lượng nước từ 32 ÷ 34 % để nghiền mịn và đồng nhất, tạo thành hồ phối liệu. Hồ phối liệu xương sau khi nghiền đạt độ mịn tương ứng với độ sót sàng trong khoảng 5 – 7% trên sàng lỗ 10.000 lỗ/cm2 (sàng 63µm), thì được xả xuống bể chứa có máy khuấy chậm, sau đó được lọc qua sàng rung mesh 100 (1600 lỗ/cm2) và được lưu trữ trong bể chứa trung gian có máy khuấy chậm. Hồ phối liệu xương từ bể chứa trung gian được bơm lên tháp sấy phun với lưu lượng thích hợp, dưới dạng xương mù và sấy ở nhiệt độ 500 ÷ 600oC. Bột sấy phun được tạo thành có thành phần cỡ hạt chủ yếu từ 125 ÷ 600µm, độ ẩm 5.0 ÷ 6.5%. Để đáp ứng được yêu cầu của bột ép, thì bột sấy phun phải được lưu trữ trong silo chứa một khoảng thời gian từ 24 ÷ 48 giờ với mục đích chính là ủ để đồng nhất về độ ẩm. Bột ép từ silo được hệ thống băng tải chuyển đến máy ép để tạo hình bằng máy ép thủy lực. Mộc ép sau khi kiểm tra độ dày, độ bền uốn, độ xít đặc nếu đạt yêu cầu kỹ thuật sẽ được đưa vào lò sấy với chu kỳ và đường cong sấy thích hợp đã được xác lập. Ở đây gạch sau khi sấy cũng được kiểm tra các thông số độ bền uốn, độ ẩm của mộc sau sấy. Hồ men đã được gia công sẵn và dự trữ trong thùng cao vị có cánh khuấy được cấp ra ngoài dây chuyền để bơm lên hệ thống tráng men. Gạch sau sấy thường có nhiệt độ 90 ÷ 110oC chúng được qua hệ thống quét bụi làm sạch bề mặt, sau đó Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 8 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK qua hệ thống phun ẩm nhằm làm dịu bề mặt trước khi qua công đoạn tráng men và in lưới để không bị lỗ chân kim sau quá trình nung. Sau khi được tráng men in lưới, mộc được đưa thẳng vào lò nung hoặc đưa vào các xe tích sau đó mới được đưa vào lò nung. Tại đây sản phẩm mộc được nung ở nhiệt độ biến thiên từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ nung cao nhất có thể lên tới 1180oC. Sau đó được làm lạnh đột ngột xuống nhiệt độ khoảng 750 ÷ 800oC và sau đó tiếp tục làm nguội chậm xuống nhiệt độ dưới 573oC, cuối cùng được làm nguội dần đến nhiệt độ 50 ÷ 60oC. Toàn bộ công đoạn nung này được tiến hành với thời gian là 45 ÷ 55 phút. Cuối cùng sản phẩm gạch sẽ được đem đi phân loại, đóng gói và nhập kho 1.2.2. Nguyên liệu sản xuất Trong công nghiệp gốm sứ cũng như công nghệ sản xuất gạch lát ceramic thì các nguyên liệu để sản xuất bao gồm: Cao lanh, đất sét, thạch anh, feldspar trong đó cao lanh và đất sét được gọi là nguyên liệu dẻo; còn thạch anh và feldspar được gọi là nguyên liệu gầy. Ngoài ra trong công nghiệp sản xuất gạch lát ceramic còn có các nguyên liệu khác như: dolomite, talc, CMC, STPP, thủy tinh lỏng … Mỗi loại nguyên liệu đều có tính chất đặc trưng riêng về nguồn gốc, tính chất, ứng dụng của nó đối với toàn bộ quá trình chế tạo sản phẩm. Để sử dụng được các loại nguyên liệu trên một cách hiệu quả, cần khảo sát vai trò của từng loại nguyên liệu. 1.2.2.1. Vai trò của nguyên liệu dẻo Ở nhiệt độ bình thường thì cao lanh và đất sét là nguyên liệu dẻo[4] có vai trò quan trọng trong việc tạo hình và tạo ra cường độ ban đầu cho sản phẩm mộc. Nhưng ở nhiệt độ cao thì đất sét lại có vai trò trong việc tạo ra các tinh thể mulite để tạo ta cường độ cho sản phẩm. Vì mulite là một loại tinh thể rất phổ biến trong gốm sứ và nó có tác dụng tốt đối với cấu trúc của sứ, loại khoáng này mong muốn tạo ra càng nhiều càng tốt. Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 9 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK 1.2.2.2. Vai trò của trường thạch Trường thạch là nguyên liệu gầy rất có tác dụng đối với xương sứ, vì cho phép hạ thấp nhiệt độ nung, đặc biệt là trường thạch kali (K2O.Al2O3.6SiO2) có khoảng nung rộng nên xương ít bị biến hình. Còn trường thạch natri (Na2O.Al2O3.6SiO2) lại thích hợp cho men sứ, vì độ nhớt của men nhỏ, dễ chảy, men bóng láng hơn. Trong thực tế trường thạch tồn tại ở dạng dung dịch rắn. Đối với xương sứ khi hỗn hợp đó chiến tỷ lệ 60% trường thạch kali và 40 % trường thạch natri vẫn dùng rất tốt. Đối với men sứ thì tỷ lệ K2O/Na2O ≈1/1 thì tính chất men vẫn tương tự như trường thạch natri nguyên chất[4]. Ở nhiệt độ thấp (T< Tnc của feldspar), nó có vai trò là nguyên liệu gầy có tác dụng làm giảm độ co sấy của sản phẩm để tránh hiện tượng cong vênh và nứt, mặt khác tạo điều kiện thoát ẩm tốt hơn và sấy nhanh hơn. Nhưng ở nhiệt độ cao khi feldspar nóng chảy nó có khả năng hòa tan thạch anh (SiO2) và sản phẩm phân hủy của cao lanh, khi dung dịch đó đạt đến bão hòa sẽ tái kết tinh mulite dạng hình kim, để thúc đẩy nhanh quá trình kết khối, tạo ra nhiều mulite và pha thủy tinh cho sản phẩm gốm và hạ được nhiệt độ nung [4]. Vai trò của tràng thạch trong công nghiệp gốm sứ là rất quan trọng vì chẳng những nó quyết định điều kiện công nghệ (nhiệt độ nung) mà còn ảnh hưởng lớn đến các tính chất kĩ thuật của sứ. Sứ muốn có độ trong cao (khả năng cho áng sáng xuyên qua lớn) ngoài việc hạn chế các oxyt gây màu (Fe2O3 + TiO2) phải đưa vào một lượng tràng thạch đủ lớn (29 - 30 %) [4]. 1.2.2.3. Vai trò của thạch anh Trong gốm sứ nói chung, gạch ceramic nói riêng thạch anh cũng đóng vai trò là một nguyên liệu gầy để giảm độ co cho sản phẩm trong quá trình sấy, nung. Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 10 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK Trong quá trình nung nó cùng với feldspar và các tạp chất tạo nên pha thủy tinh hòa tan các vật chất rắn để kết tinh ra các tinh thể, pha mới. Khi có mặt của SiO2 trong pha thủy tinh thì nó làm cho pha thủy tinh có độ nhớt cao hơn nên chống được sự biến dạng cho sản phẩm khi nung. Tuy nhiên, trong quá trình đốt nóng và làm nguội thì thạch anh có sự biến đổi thù hình rất phức tạp nên trong quá trình nung luyện phải kiểm soát được những khoảng nhiệt độ biến đổi thù hình để tránh gây nứt vỡ sản phẩm[4]. Ngoài ra trong công nghiệp sản xuất gạch lát ceramic còn có các nguyên liệu khác như: calcite CaCO3, dolomite CaCO3.MgCO3, talc 3MgO.4SiO2.2H2O … chúng là những loại nguyên liệu bổ sung đáng kể oxit kim loại kiềm thổ[4]. Khi sử dụng trong các bài phối liệu, chúng đóng vai trò là chất khoáng hóa, đối với công nghiệp gốm sứ chất khoáng hóa có tác dụng thúc đẩy quá trình kết khối và cải thiện tính chất của sản phẩm nung (Tăng độ bền cơ, bền nhiệt, bền điện), đồng thời hạ thấp nhiệt độ nung khi lựa chọn đúng chất khoáng hóa với hàm lượng sử dụng tối ưu. 1.3. CẤU TRÚC GẠCH LÁT CERAMIC & ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHA ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM Trong vật liệu gốm sứ nói chung, vật liệu gạch lát ceramic nói riêng luôn tồn tại 3 thành phần pha là các pha tinh thể, pha thủy tinh và pha khí. Mỗi pha đều có đặc trưng riêng về modun đàn hồi E [2]. Pha khí: E = 0 [KG/cm2] Pha thuỷ tinh: E = 0.7 *106 [KG/cm2] Pha tinh thể * Thạch anh tàn dư : E = 0.9*106 [KG/cm2] * Mulite: E = (1.1 – 1.5)*106 [KG/cm2] Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 11 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK Sự tồn tại của các pha này có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của sản phẩm. Toàn bộ các tính chất cơ, lý, nhiệt, điện của sản phẩm đều phụ thuộc chủ yếu vào quan hệ định lượng giữa các pha. Các sản phẩm được sản xuất trong điều kiện khác nhau (Thành phần của phối liệu, số lượng và độ hoạt tính của các chất trợ dung; chế độ nung…), thì thành phần pha cũng khác nhau và do đó các tính chất của sản phẩm cũng khác nhau. Vì vậy, để cải thiện được nhiệt độ kết khối thì phải nghiên cứu và điều chỉnh thành phần, chất lượng, chủng loại của các pha trong cấu trúc. 1.3.1. Pha tinh thể Pha tinh thể của các sản phẩm có xương kết khối đặc chắc bao gồm chủ yếu là tinh thể mulite và những hạt quắc chưa tham gia phản ứng, một phần nhỏ các hạt được tách ra trong quá trình biến đổi khi nung của khoáng kaolinite[2]. Pha tinh thể có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, modun đàn hồi lớn[2]. Do đó pha tinh thể là thành phần quan trọng & ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm, đặc biệt là cường độ bề uốn. Khi nghiên cứu về cường độ cơ học của vật liệu gốm sứ, một số nhà khoa học đã rút ra được mối quan hệ giữa cường độ chịu uốn và modun đàn hồi được biểu thị theo công thức sau: σU = 10-3 E = 10-3. (V1E1 + V2E2 + ... + VnEn) [KG/cm2] Trong đó: σU: Cường độ chịu uốn của vật liệu [KG/cm2] E: modun đàn hồi của vật liệu [KG/cm2] Vi: phần trăm thể tích của pha i [%] Ei: modun đàn hồi của pha i [KG/cm2] Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 12 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK Công thức trên cho thấy, cường độ chịu uốn tỷ lệ thuận với modun đàn hồi. Trong hệ nhiều pha, modun đàn hồi của hệ được tính theo tổng của modun đàn hồi nhân với phần trăm thể tích của các pha thành phần. Như vậy trong hệ nhiều pha như gốm sứ thì cường độ uốn phụ thuộc vào hàm lượng của cả pha tinh thể, pha thủy tinh và pha khí (lỗ xốp). Sự có mặt của pha khí và pha thủy tinh đặc biệt là pha khí làm giảm mạnh modun đàn hối dẫn đến làm giảm mạnh cường độ cơ học của sản phẩm. Vì vậy, pha tinh thể cần phải có với lượng lớn nhất có thể, đặc biệt là các tinh thể như mulite nguyên sinh, mulite thứ sinh. Sự tạo thành các tinh thể cũng như mức độ và khả năng liên kết của bề mặt các tinh thể với pha thủy tinh phụ thuộc rất lớn vào hàm lượng và tính chất của pha thủy tinh. 1.3.2. Pha thủy tinh Pha thủy tinh được hình thành từ các chất nóng chảy alumo silicate kiềm với số lượng khác nhau[6]. Pha thủy tinh là một thành phần rất quan trọng trong xương gốm sứ. Nó có tác dụng tạo nên một mạng lưới không gian, gắn liền các tinh thể và điền đầy vào các lỗ xốp để giảm tới mức tổi thiểu hàm lượng của pha khí. Tuy nhiên, do tính chất cơ học của pha thủy tinh kém hơn so với pha tinh thể[2], nên trong xương gốm sứ hàm lượng pha thủy tinh cần được giảm xuống mức tối thiểu, nhưng phải đủ để liên kết các hạt tinh thể và điền đầy vào lỗ xốp. Chất lượng của pha thủy tinh có thể được cải thiện bằng cách bổ sung thêm loại feldspar có hàm lượng K2O cao thì sức căng bề mặt của pha thủy tinh giảm mạnh, khả năng thấm ướt và hòa tan lớn, pha thủy tinh sẽ trở thành một môi trường tốt, thuận lợi để các hạt vật chất rắn khuyếch tán, hòa tan và tạo ra tinh thể mới một cách dễ dàng[6]. Khi chất lượng của pha thủy tinh đã được cải thiện tốt hơn thì lượng pha thủy tinh cần thiết ở trong xương gốm sứ cũng sẽ được giảm xuống một cách thích hợp. Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 13 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK Pha thủy tinh ở trạng thái nóng chảy có vai trò quan trọng trong việc quyết định lên đường hướng hình thành cấu trúc của xương, của các loại tinh thể cũng như quyết định đến tốc độ kết khối của xương. Đối với pha thủy tinh ở trạng thái nóng chảy lỏng thì độ nhớt, sức căng bề mặt là tính chất đặc biệt quan trọng để thúc đẩy cho quá trình kết khối nhanh hơn, làm tăng nhanh quá trình hòa tan của các hạt vật chất rắn, các tàn dư của đất sét phân hủy, xúc tiến cho mulite nguyên sinh tái kết tinh thành mulite thứ sinh với số lượng nhiều hơn, đan xen nhau dày đặc hơn. Trong phối liệu gốm sứ, feldspar đưa vào có tác dụng tốt trong việc tạo pha thủy tinh để có độ nhớt nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho các vật chất rắn hoà tan và kết tinh thành tinh thể. 1.3.3. Pha khí Trong sản phẩm gốm sứ luôn tồn tại một lượng pha khí nhất định và nó có ảnh hưởng xấu đến các tính chất kỹ thuật của sản phẩm. Khi lượng pha khí lớn thì cường độ cơ học của sản phẩm giảm[2]. Vì vậy trong nghiên cứu cũng như trong sản xuất, pha khí cần được giảm xuống mức tối thiểu để giảm những ảnh hưởng của nó tới các tính kỹ thuật của sản phẩm. Để giảm lượng pha khí thì trong công nghệ sản xuất, quá trình tạo hình sản phẩm phải tách hết các bọt khí lẫn trong phối liệu, quá trình nung luyện phải đảm bảo độ kết khối tốt, nhiệt độ nung đủ cao để tạo ra pha thủy tinh có độ linh động lớn, sức căng bề mặt nhỏ để có thể chui vào các ngóc ngách lấp đầy các lỗ xốp[6]. 1.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG KẾT KHỐI Kết khối là quá trình giảm bề mặt (bên trong và bên ngoài hay ở chỗ tiếp xúc với nhau) của các phần tử vật chất do xuất hiện hay phát triển mối liên kết giữa các hạt và sự biến mất của lỗ xốp trong vật liệu để hình thành một khối Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 14 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK với thể tích bé nhất. Quá trình giảm bề mặt xảy ra đồng thời với sự xuất hiện hay tăng cường các cầu nối giữa các hạt vật thể dưới tác dụng của áp suất hay nhiệt độ [4]. Hiện tượng kết khối bao gồm nhiều quá trình hoá học và hoá lý rất phức tạp, các quá trình đó xảy ra kế tiếp nhau, hỗ trợ hoặc xảy ra cùng lúc. Tuỳ theo sản phẩm (Thành phần hoá học) mà lúc nung hiện tượng kết khối chỉ xảy ra ở trạng thái rắn hay kết khối có mặt pha lỏng. Kết khối pha rắn chỉ xảy ra lúc nung các loại gốm sứ đi từ các ôxít tinh khiết, còn đại bộ phận sản phẩm gốm sứ lúc nung thường có mặt pha lỏng. Quá trình kết khối có mặt pha lỏng, nói chung diễn ra nhanh hơn và mãnh liệt hơn nhiều so với quá trình kết khối chỉ có mặt pha rắn[4]. Quá trình này được tiến hành theo ba giai đoạn. Giai đoạn đầu của quá trình này là sự hình thành pha lỏng ở một khoảng nhiệt độ nhất định nhờ các chất trợ chảy tự nhiên hoặc nhân tạo đưa vào phối liệu. Do ảnh hưởng sức căng bề mặt của pha lỏng nằm trong hệ nên các hạt rắn xích lại gần nhau, mật độ của hệ tăng lên. Giai đoạn tiếp theo, nhiệt độ đốt nóng của hệ càng tăng và quá trình hòa tan của pha rắn trong pha lỏng được tăng cường, làm cho lượng pha lỏng dần được tăng lên. Tùy theo mức độ bão hòa của chất nóng chảy lỏng mà các tinh thể bắt đầu được kết tinh trong pha lỏng này. Giai đoạn thứ ba là quá trình hòa tan - kết tinh hoàn thiện, bộ khung tinh thể trong sản phẩm được tạo lập. Độ thấm ướt tốt của pha rắn bởi lỏng, đủ lượng pha lỏng và khả năng chui sâu của chất lỏng vào các lỗ xốp sẽ hỗ trợ cho giai đoạn tạo khung tinh thể và tăng mật độ của hệ. Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 15 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK Như vậy, trong khi kết khối luôn có hai quá trình hòa tan pha rắn trong pha lỏng và kết tinh các tinh thể từ pha lỏng xảy ra đồng thời, nghĩa là có quá trình chuyển chất qua pha lỏng. Kết quả của quá trình hòa tan, kết tinh là các tinh thể hình thành dần được phát triển về số lượng và kích thước, tạo điều kiện pha rắn sắp xếp chặt chẽ và sản phẩm co nhiều hơn. 1.4.1. Thành phần hoá học Bảng 1.2: Thành phần hóa của một số phối liệu xương trắng và đỏ [7] TYPE [%] SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O P.F Ws 67.93 18.70 1.15 1.51 1.35 0.35 1.20 3.44 4.49 Ws 66.8 18.09 1.50 1.96 1.42 0.38 1.50 3.36 5.46 Ws 66.35 21.33 0.76 1.22 0.68 0.40 1.76 3.18 4.50 R 68.00 15.85 0.53 4.56 0.36 0.46 3.00 1.91 4.81 R 66.37 16.00 1.07 4.79 0.98 0.96 2.91 1.52 5.70 R 68.30 17.15 0.53 3.04 0.54 0.54 2.80 1.73 5.65 R 65.35 15.60 0.76 4.25 1.15 1.55 3.33 1.63 6.15 Wp 66.75 19.95 0.48 1.71 0.57 0.51 5.00 1.80 3.66 Wp 67.03 18.00 0.54 1.52 0.67 0.95 4.00 1.55 5.78 Wp 66.18 18.80 0.54 1.52 0.67 0.95 4.37 1.30 5.78 Wp 67.54 18.76 0.71 1.06 0.57 0.48 4.37 1.30 5.50 Trên đây là thành phần hóa của một số bài phối liệu đã được nghiên cứu bởi hãng Sacmi. Trong đó có 3 bài phốii liệu xương trắng giàu natri (Ws) và 4 bài phối liệu xương trắng giàu kali (Wp), cùng với 4 bài phối liệu xương đỏ (R). Khác với xương trắng, xương đỏ được tạo thành từ các loại đất sét đỏ có hàm lượng Fe2O3 cao và Al2O3 hơi thấp, nên trong các bài phối liệu xương đỏ ở trên (Bảng 1.2) cũng cho thấy điều đó (Fe2O3 trong xương đỏ giao động khoảng 3.04 ÷ 4.79 %, cao hơn Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 16 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK so với xương trắng giao động khoảng 1.06 ÷ 1.96%; còn Al2O3 trong xương đỏ giao động khoảng 15.60 ÷ 17.15 % thấp hơn so với xương trắng giao động khoảng 18 ÷ 21.33%) và kết quả là xương đỏ đã phát triển pha lỏng nhiều hơn và độ nhớt thấp hơn làm cho sản phẩm nung độ co mạnh và giảm độ hút nước ngay ở nhiệt độ thấp (H1.2). Ngược lại, các bài xương trắng được tạo thành từ các loại đất sét trắng có hàm lượng Al2O3 cao hơn và Fe2O3 thấp hơn, nên nhiệt độ kết khối cao hơn và khoảng kết khối rộng hơn. b a b b a a H1.2- Đường cong kết khối cho các xương trắng và đỏ Như đã đề cập ở trên, thì thành phần hóa của sản phẩm nung có một vai trò rất quan trọng trong quá trình kết khối. Đó là sự xuất hiện pha lỏng ở một mhiệt độ nào đó, các tính chất của pha lỏng như “ Sức căng bề mặt, độ nhớt”, tốc độ hòa tan các cấu tử rắn vào pha lỏng và lượng pha lỏng được hình thành ở một giai đoạn nào đó trong quá trình kết khối… Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 17 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK Thành phần hoá học chủ yếu trong phối liệu để sản xuất gốm sứ nói chung, gạch lát ceramic nói riêng là các ôxit: SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O... Thành phần oxit SiO2 và Al2O3 sẽ làm tăng nhiệt độ nung của phối liệu vì chúng có nhiệt độ nóng chảy và kết khối khá cao, vì vậy nếu thành phần các ôxit này cao thì quá trình kết khối sẽ chậm hơn. K2O. Na2O: Oxit kiềm được đưa vào dưới dạng feldspar có tác dụng hạ thấp nhiệt độ nung rất tốt[2], thậm chí có tác dụng ngay từ vùng có nhiệt độ thấp. Fe2O3: Oxit sắt được đưa vào dưới dạng đất sét có tác dụng hạ thấp nhiệt độ kết khối ngay ở nhiệt độ thấp, nhưng khoảng kết khối hẹp và khó nung[7]. Các oxit CaO, MgO được đưa vào dưới dạng calcite, dolomite hoặc talc cũng có tác dụng hạ thấp nhiệt độ nung khi sử dụng với hàm lượng tối ưu [3]. Vì vậy khi thành phần hóa của phối liệu hợp lý thì quá trình kết khối có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn. 1.4.2. Kích thước và thành phần hạt Như trên đã nêu, thì hiện tượng kết khối thực chất là quá trình xảy ra trên bề mặt, giữa bề mặt tiếp xúc của các hạt vật thể nhất là trong trường hợp kết khối pha rắn[4]. Đối với sản phẩm gốm sứ, quá trình kết khối khi có mặt pha lỏng thì kích thước hạt vật liệu ban đầu ảnh hưởng đáng kể đến độ hòa tan của hạt rắn trong pha lỏng dẫn đến làm thay đổi mạnh các tính chất của pha đó (chẳng hạn như η,α,σ....). Kết quả là làm thay đổi mọi tính chất của sản phẩm[4]. Ví dụ sứ giàu SiO2 chỉ đạt độ bền cơ cao nhất khi các hạt SiO2 đạt độ mịn 515 µm[4]. Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 18 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật VLPK Như vậy kích thước và thành phần hạt chẳng những có tác dụng đến việc sắp xếp các hạt vật chất trong sản phẩm lúc mới tạo hình mà còn là nhân tố khá quan trọng ảnh hưởng đến quá trình kết khối. Thông thường, cỡ hạt càng bé thì sự kết khối càng tốt. 1.4.3. Mật độ của gạch mộc Bản chất của quá trình kết khối là liên kết chặt chẽ các hạt với nhau và điền đầy các lỗ xốp[4]. Vì vậy mật độ của các hạt nói riêng, của sản phẩm nói chung có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình kết khối, mật độ càng cao, kết khối càng thuận lợi. Mật độ của bán thành phẩm như đã nêu trên là có tác dụng rất tốt đến quá trình kết khối và rất có ý nghĩa với những sản phẩm có độ hút nước thấp. 1.4.4. Đường cong nung Đường cong nung thực chất là biểu đồ thể hiện nhiệt độ nung cực đại, tốc độ nâng nhiệt, lưu nhiệt và hạ nhiệt theo chiều dài từ đầu đến cuối lò; Đồng thời nó cũng là biểu đồ thể hiện nhiệt độ nung cực đại, tốc độ nâng nhiệt, lưu nhiệt và hạ nhiệt theo thời gian nung sản phẩm (Sản phẩm nung chuyển động còn lò thì cố định). Đường cong nung là một trong những yếu tố quan trọng có vai trò và ảnh hưởng rất đến chất lượng sản phẩm nung. VD: Tính nguyên vẹn của sản phẩm, lõi đen, châm kim, kích thước, độ phẳng, độ bóng, tông màu…. Để hiểu rõ hơn về vai trò và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng sản phẩm nung, thì phải nghiên cứu từng biến riêng rẽ của đường cong nung. Học viên: Nguyễn Đăng Long – Lớp 12VLPK VIGLA Page 19