دیر گدازها

 


۱- دیر گداز

     دیرگدازها در حالت ایده آل باید خصوصیات خوبی مثل استحکام مناسب، دانسیته ی پایین، مقاومت به خوردگی بالا، هدایت حرارتی بسیار پایین و قیمت تمام شده ی مناسبی داشته باشند. به طور کلی دیرگدازها سیستم های سرامیکی پیچیده ای هستند.

    خصوصیات موثر دیر گداز به پارامترهای حساسی مثل توزیع اندازه ی ذرات، مورفولوژی ماده، ترکیبات فاز تعادلی، زمان پخت و دما، پتانسیل اکسیژن و سرعت خوردگی با توجه به اتمسفر ونهایتا اثر فلز و سرباره بستگی دارد.

ریخته گری آلومینیوم در محیط هایی بسیار خورنده صورت می گیرد، که این امر ضرورت داشتن دیرگدازهایی با کیفیت بالا را نشان می دهد.

    قبل از قرن بیستم فایرکلی ها اصلی ترین دیر گداز مصرفی بودند. افزودن آلومینا به ترکیبات آجر، خاصیت دیر گدازی را افزایش داده و مقاومت خوردگی به سرباره های اسیدی را بسیار بهتر کرد. با تولید آلومینای تبولار واکسیدهای ذوب شده برای بهبود اثر منفی پیوند فاز ثانویه، تحولی در صنعت دیر گداز اتفاق افتاد که در نتیجه آن مقاومت به شوک حرارتی بهبود قابل ملاحظه­ای یافت.

 

1-1- جرم نسوز

    در حال حاضر دیرگدازهای بی­شکل (مونولیتیک­ها) بیش از نیمی از محصولات دیرگداز تولید شده را به خود اختصاص می­دهند. سطوحی با تخلخل بالاتر یا دارای فازهای میانی سرامیکی، هنگام پخت تمایل بیشتری به ایجاد جرم های حساس به خوردگی دارند. به طور کلی دیر گداز آلومینا بالا به عنوان پوشش حرارتی کوره های ریخته گری بازیافتی، برای تولید آلومینیوم بکار می رود.

   در صنعت آلومینیوم به طور مرسوم از مواد آلومینا سیلیکاتی و آلومینا بالا برای پوشش دیرگداز استفاده می شوند که عملکرد آن ها تحت تاثیر نفوذ آلومینیوم و تشکیل لایه کوراندوم است]1[.

از جمله اگریگیت های آلومینا سیلیکاتی مورد استفاده در جرمهای نسوز، آندولوزیت و بوکسیت را می توان نام برد که به شرح زیرند:

1-1-1- آندولوزیت

    کیانیت ،آندولوزیت و سلمانیت مینرال های آلومینوسیلیکاتی بدون آب هستند که فرمول شیمیایی یکسان  (Al2SiO5)اما ساختار کریستالی و خواص فیزیکی متفاوتی دارند.

    آندولوزیت یک آلومینوسیلیکات حاوی 60 درصد Al2O3و40 درصد SiO2 می باشد و هنگامی که در دمای بالا کلسینه شود، به مواد دیرگدازی همچون مولایت  (3Al2O3.2SiO2)وسیلیس (SiO2) تبدیل می شود.

    مینرال های گروه آندولوزیت حاصل دگرگونی رسوبات آلومین دار احتمالا رسی هستند. فشار و حرارت در بوجود آمدن هر یک از کانی های این گروه نقش مهم و تاثیر بسزایی دارند. کیانیت در فشار بالا، سلمانیت در دمای بالا و آندولوزیت در دمای پایین تشکیل می شوند.

    بدلیل خواص مناسبی که برای مولایت ذکر شد، حضور آن در دیرگدازها، در دماهای بالا بسیار مطلوب است و آندولوزیت انتخاب مناسبی برای تشکیل باند مولایتی است و به همین دلیل در سال های اخیر در صنعت دیرگداز توجه خاصی به آن شده است. در آندولوزیت به دلیل وجود ناخالصی هایی که عمدتا اکسید آهن و قلیایی ها می باشند، ذوب موضعی در دمایی پایین تر از سیستم دوتایی Al2O3.SiO2 (دمای یوتکتیک: oC 1587) اتفاق می افتد، که نقش مهمی در مولایته شدن آن دارد. تشکیل مذاب در دمای پایین، نفوذ اتمی را تسریع می کند و در نتیجه رشد مولایت بهبود می یابد. در واقع آندولوزیت در دمای بالای 1300 به علت پروسه ی مولایتی شدن ،مینرالی فعال می گردد. استحاله ی آندولوزیت به مولایت فرایندی است، که دیرگدازی تحت بار بالا، مقاومت خزشی خوب، مقاومت شوک حرارتی بالای دیرگدازهای آندولوزیتی را توجیه می کند[16].

    مهم ترین و بیشترین کاربرد آندولوزیت در صنعت آهن، فولاد، آلومینیوم، شیشه و سیمان است. از کاربردهای دیگر آن می توان به بدنه های چینی الکتریکی، عایق های الکتریکی، چینی های پخت سفید، کاشی ساینده ی تجهیزات کوره و ریخته گری دقیق را نام برد.

     این ماده یک ماده ی اولیه ی دیرگداز نسبتا خنثی است که پیش از استفاده نیازی به کلسیناسیون ندارد وبه صورت کریستال های ارتورومبیک  خاکستری رنگ یا قرمز،صورتی، قهوه ای مایل به قرمزو بنفش با سختی 5/7در مقیاس موس و دانسیته ی 5/3-2/3 گرم بر سانتی متر مربع وجود دارد و معمولا در تماس با نواحی دگرگونی بوجود می آید.

    آندولوزیت اولین بار در اندلس اسپانیا کشف شد. چین، فرانسه و آفریقای جنوبی بیشترین ذخایر آندولوزیت دنیا را دارا هستند که از این بین فرانسه و آفریقای جنوبی عمده آندولوزیت مصرفی دنیا را تولید می کنند. در کشور ما نیز وجود کانی های گروه کیانیت در ورقه های دگرگونی همبری اطراف همدان، اطراف کوه ده سلیم خراسان و همچنین ورقه های ایران مرکزی نواحی شیرکوه و کوه مازون گزارش شده است.

    کانی های دیرگداز در این ذخایر به سبب وجود کانی های ناخالصی همچون فلدسپار، کوارتز، میکا، کلریت اکسیدهای آهن،گارنت، استارولیت و ...می بایست تحت فرآیند کانه آرایی وفراوری قرار گیرند. در حال حاضر سالانه بیش از 30000 تن آندولوزیت با عیار بسیار مطلوب (57-5/59) درصد در معادن ایران تولید می شود.

1-1-1-1 ویژگی های اصلی آندولوزیت

این ماده سه ویژگی اصلی از خود نشان می دهد که آن را ماده ی اولیه ایده آلی  برای دیرگدازهای آلومینا با عملکرد عالی ساخته است.

1- فاقد آب است : کریستال آندولوزیت بدون هیچ تغییری در دانسیته و تراکم پس از پخت به صورت دست نخورده باقی می ماند.بنابراین هیچ گونه تخلخل داخلی نخواهد داشت به همین دلیل پیش از مصرف نیازی به کلسیناسیون ندارد.

2- منشوری شکل است: کریستال های آن اندازه ی ثابتی دارند(تاحدود چندین میلی متر)و هر دانه یک تک کریستال مونولوتیک یا بخشی از یک تک کریستال است.

3- مولایته شدن آسان: مولایته شدن در آندولوزیت بسیار متفاوت از کیانیت و سلمانیت است و در دماهای نسبتا پایین شروع شده و اهسته و پیوسته به پیش می شود.این استحاله حین حرارت دهی هیچ گونه آسیبی به آجر یا جرم ریختنی دیرگداز نمی رساند.

1-1-1-2- مولایت

    مولایت یک آلومینوسیلیکات معروف با ترکیب (  (3Al2O3.2SiO2 بوده که 8/71 درصد آن Al2O3می باشد، گونه ی طبیعی آن به ندرت یافت شده و معمولا سنتز می شود. این ماده در سیستم های دیرگداز خواص جالبی از خود نشان می دهد که از جمله ی آن می توان به دیرگدازی بالا، انبساط حرارتی کم، هدایت حرارتی پایین، پایداری شیمیایی خوب و خواص مکانیکی عالی در دماهای بالا اشاره کرد. با استفاده از آندولوزیت طبیعی نیز می توان پس از پخت به مقدار مولایت بالایی دست یافت[16].

 

1-2- بوکسیت

    یکی دیگر از مواد اولیه ای که می توان توسط آن به خانواده ی آلومینوسیلیکاتی ها دست یافت، بوکسیت است که دارای سه کانی به نام های گیبسیت (γAl2O3.3H2O)، دیاسپور (Al2O3.H2Oα) وبوهمیت (γAl2O3. H2O) می باشد وهر سه حاوی ترکیبات هیدروکسید آلومینیوم هستند. ناخالصی های موجود در این ماده ی اولیه شامل ترکیبات Fe2O3,SiO2,TiO2 هست که خواص محصول نهایی به مقدار آن ها بستگی دارد.

    بر اثر حرارت بوکسیت مقدار زیادی کاهش وزن دارد و سرانجام به مولایت وکوراندوم و فازهای دیگر تبدیل می شود. حضور قلیایی ها در مولایت باعث کاهش فاز مولایت و به جای آن افزایش فاز شیشه ای می شود. چون کاهش وزن بوکسیت هنگام پخت زیاد است قبل از استفاده باید آن را در دمای زیاد تکلیس کنیم. بر اثر فرایند تکلیس ذرات بوکسیت به دانه های متراکمی تبدیل می شود که عمدتا حاوی ذرات کوراندوم و مولایت است.

    بوکسیت دیرگداز نسبتا کمیابی است و وجود مقادیر زیاد آهن باعث شده بوکسیت ها مواد دیرگداز نامناسبی به حساب آیند. مناطقی که معادن بوکسیت ایران در آن قرار دارند، شامل مناطق شاهین دژ، دورود، تاچلگرد و بازافت در چهارمحال و بختیاری، دوپلان و سمیرم، قشلاق در مازندران و برخی معادن دیگرمی شود.

    انواع بوکسیت های خارجی در بازارایران یافت می شود. بوکسیت مناسب جهت مصرف در دیرگدازهای آلومینایی باید آلومینای بیشتر و قلیای کمتری داشته باشد. به عنوان مثال در انواع بوکسیت های وارداتی، مقدار آلومینا از 50 تا 70 درصد متغیر است. توصیه می شود، پس از خرید ترکیب شیمیایی دقیق آن تعیین شود.

    برای ایجاد فاز پیوندی یا ایجاد پیوند مستقسم بین ذرات  به دمای پخت زیاد نیاز است که معمولا بیشتر از1700درجه سانتی گراد می باشد. در صورت استفاده از آلومینای خالص، دمای تف جوشی از این هم بیشتر می شود. مگر آن که افزودن برخی ناخالصی ها، باعث تشکیل فاز شیشه ای یا فازبین دانه ای  دیگری شود که در آن صورت پیوند مستقیم دانه به دانه کاهش می یابد یا اصلا چنین اتصالی وجود نخواهد داشت. اگر فاز شیشه ای بیشتر از فاز پیوندی باشد، آن گاه ویژگی های فاز شیشه ای تعیین کننده ی خواص دیرگداز خواهد بود.[17]

1-2-1- تولید دیرگدازهای بوکسیتی

    یکی از راه های تهیه ی این دیرگدازها حرارت دادن مخلوط بوکسیت و کائولن  یا رس های دیگر است. ابتدا این مخلوط را در حدود 1600درجه سانتی گراد می پزند. سپس حدود 60 درصد از آن را با 40 درصد از مخلوط اولیه (کائولن و بوکسیت) آمیخته و دوباره در دمای حدود  1550 درجه سانتی گراد تف جوشی  می کنند. از سایر مواد اولیه ی حاوی آلومینای نسبتا زیاد نیز می توان این دیرگداز ها را تهیه کرد.

 

1-3- کارایی و کیفیت دیرگدازها

    در شکل ( 2-1 ) شماتیکی از کوره های مورد استفاده در فرآیند فلزات غیرآهنی نشان داده شده است که معمولا دارای سه منطقه کاملاً مجزا است. حساس ترین منطقه، بخش فوقانی است، همان بخش در تماس با مذاب غیرفلزی که در آن شوک حرارتی، آسیب های مکانیکی و واکنش با اتمسفر خورنده (شامل CO، بخار آب و بخار های نمک های خورنده) شدید است.

شکل2-1: شماتیک رفتار آلومینیوم در کوره]1[.

 

    پایین ترین بخش دیواره کوره در تماس دائم با مذاب فلزی (Metal Line) است. منطقه واسط (Belly Band) که دارای عمق 14-4 اینچ است، به خاطرمجاورت با سطوح مذاب فلزی در نوسان، دچار آسیب های شیمیایی و فیزیکی می شود. دیرگدازهایی که در منطقه واسط هستند در معرض دو خطر کاملا مجزا قرار دارند. نخست در مرز جدایش سه جزئی (بین فلز مذاب- سطح دیرگداز جامد- اتمسفر گازی)، و دوم به خاطر وجود گرادیان حرارتی که از اختلاف دمای زیر 0C800 در پایین خط فلزی تا بالای 0C1300 در دیواره های جانبی ناشی می شود؛ هنگامی که دمای کوره ذوب در حدود 0C940 است، برای کوره ذوب مجدد از دمای 0C730 استفاده می کنند. این کوره ها اغلب در دماهای بالاتر برای به حداکثر رساندن کارآیی استفاده می شود. در نتیجه ممکن است، دما در دیواره های جانبی بالای حمام تا دمای 0C1430 افزایش یابد، در حالی که دما در منطقه واسط بالای 0C1100 است. بنابراین دمای مشخصه کار کوره ذوب غیرآهنی در محدوده دمایی بین 0C(1400-700)  است.

از مواد دیرگداز موارد زیر انتظار می رود:

-         تخلخل ظاهری کم.

-        مقاومت شیمیایی مناسب در مقابل هالیدهای مایع و بخار و نمک های قلیایی.

-        مقاومت عالی در مقابل شوک حرارتی.

-        مقاومت به خوردگی بالا در مقابل مذاب آلومینیوم و آلیازهای آن]1[.

در حالت کلی در صنعت آلومینیوم، مواد دیرگداز برای برآوردن اهداف زیر بکار می روند:

-        حفظ و نگهداری انرژی و جلوگیری از هدر رفت آن.

-        محافظت لایه های عایق زیرین از حمله مذاب.

-        محافظت بدنه ی فولادی در دماهای بالا در مقابل مایع مذاب.

-        بالا بردن و حفظ کیفیت آلومینیوم حاصل شده]4[.

     دیرگدازهای مورد استفاده در صنعت آلومینیوم معمولاً نسبت به دیرگداز های صنعت فولاد دیرگدازهای ضعیف­تری هستند و حداکثر در محدوده  دیر گدازی  0C1200- 800  قرار می­گیرند]1[.

به طور کلی عوامل موثر بر استحکام جرم های دیرگداز عبارتند از:

1- نوع و مقدار بایندر مصرفی.

2- توزیع اندازه ذرات (PSD).

3- دمای پیش پخت]4[.

جرم های نسوز صنعت آلومینیوم معمولاً آلومیناسیلیکات های آلومینا بالا و فازهای حاوی سیمان پایین هستند]1[.

    جرم های سنتی دارای (30-15) درصد سیمان هستند تا استحکام کافی داشته باشند. این مقدار سیمان برای استفاده به بیش از % (10-7) آب نیاز دارد. خصوصیات فیزیکی چون استحکام به شدت تحت تاثیر مقدار آب مورد نیاز هستند. افزایش %1 آب منجر به افزایش %3 تخلخل بعد از خشک و پخت می شود و مقاومت به نفوذ سرباره یا گازها را به مقدار قابل توجهی کاهش می دهد. جرم­های LCC و ULCC دارای سیمان پایین هستند که شامل % (5-2) اجزای ریزدانه مخصوص با توزیع اندازه ذرات اصلاح شده هستند و آب مورد نیازشان نیز کمتر است.

     یک جرم معمولاً متشکل از چندین نوع اگریگیت دیرگداز مثل آلومینای تبولار، اسپنیل و بونیت (CA6) با اندازه های مختلف تا mm10، یک بایندر مثل سیمان کلسیم آلومینات و اجزای دانه ریزی چون آلومینای کلسینه شده، آلومینای واکنشی و میکروسیلیس(Fumed Silica) است. حضور دانه ریزها برای جرم های LCC و ULCC ضروری است. جزء دانه ریز به همراه بایندر زمینه را تشکیل می دهند. زمینه برای ذرات ریز mµ45 در مورد دو نوع جرم ویبره­ شونده و خودروان به ترتیب %25 و %35 وزن کل جرم را تشکیل می دهد. کلید کمینه کردن آب مصرفی برای تولید جرم با رئولوژی مناسب، کاهش اندازه ذرات زمینه، به محدوده ی زیر میکرون است.

    به علت پایداری کم SiO2 تحت شرایط احیاء، نیاز به جایگزین است. برای این منظور مقداری آلومینای بسیار ریز جایگزین ریزترین بخش از سیلیس میکرونیزه می شود. این نوع آلومینا را آلومینای واکنشی (Reactive Alumina) می نامند که تمایل به سینترینگ بالایی دارد. آلومینای واکنشی زیر گروهی از آلومینای کلسینه شده است و سطح مخصوص آن  m2/g 5/1 می باشد که مقدار قلیایی آن کمتر از % 6/0 است]4[.

 

 

 

 


 

فیروز رضائی ; ۱۱:۱٠ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٠/۳/٢۱