آزمایش شماره1: ساخت و بررسی دیرگدازهای شاموتی

تئوری آزمایش:

در ابتدا برای آشنایی بیشتر با وزن غوطه وری به توضیح اجمالی راجع به نیروی ارشمیدس میپردازیم .
نیروی ارشمیدس: هر گاه جسمی را داخل شاره ای غوطه ور کنیم ، نیرویی برابر وزن شاره جا به جا   می شود. توسط آن ، بر آن وارد میگردد، که این نیرو را نیروی ارشمیدس ، یا نیروی شناوری می گویند.این بیان در واقع همان اصل ارشمیدس است که از زمان یونان باستان شناخته شده است.
وفتی نیروی ارشمیدس از نیروی وزن بیشتر باشد جسم روی سطح آزاد شاره شناور می شود و وقتی نیروی وزن جسم از نیروی ارشمیدس بیشتر باشد جسم درون شاره غرق می شود.
 قانون ارشمیدس: به ما می گوید هر گاه جسمی را در یا روی آب بگذاریم به ان نیرویی به سمت بالا وارد میشود که اگر این نیرو برابر نیروی وزن جسم ( رو به پایین ) باشد، جسم شناور می ماند.
 قانون ارشمیدس در مورد مقدار نیروی ارشمیدس می گوید: نیروی ارشمیدس به اندازه ی وزن آبی است که به خاطر شناور شدن جسم در آب جا به جا شده است. (1)

چگالى:

در علوم پایه چگالى را مقدار جرم در واحد حجم ماده مى دانند.در صورتى که در علوم پیشرفته این تعریف از چگالى صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم یا جرم مخصوص یا همان دانسیته مى باشد.در علم کل،وزن مخصوص یک ماده به وزن آب هم حجم نشان مى دهند.همچنین بین چگالى و وزن مخصوص باید تفاوت قائل شد.s ان را در شرایط استاندارد،چگالى مى گویند و ان را با

چگالى مقدار جرم موجود در واحد حجم است،ولى وزن مخصوص به معنى وزن واحد حجم ماده است.جرم مخصوص  یا  دانسیته جرم واحد حجم است.براى تعاریف جرم مخصوص در یک نقطه ،حجم کوچکى در اطراف نقطه در نظر گرفته و جرم سیال را داخل آن حجم تقسیم نموده حد این نسبت را وقتى تغییرات حجم به اپسیلون میل مى کندمى گیریم.لازم به ذکر است که واحد بسیار کوچکى است اما از فاصله ى متوسط مولکول ها ى جسم،بزرگتر است.(3)

یکاهاى رایج:

 براى چگالى:SIیکاى

- کیلومتر بر متر مکعب

    :SI یکاهاى مترى بیرون از

- کیلومتر بر لیتر.آب عموما چگالى 1 کیلو متر بر لیتر دارد،که یکاى مناسبی را فراهم میسازد.

- کیلو گرم بر دسى مترمکعب

- گرم بر میلى لیتر

- گرم بر سانتى متر مکعب

در یکاهاى سفارشى ایالات متحده یا امپراتورى،یکاهاى چگالى موارد زیر را هم شامل مى شود:

- اونس بر اینچ مکعب

- پوند براینچ مکعب

- پوند بر فوت مکعب

- پوند بر یارد مکعب

- پوند بر گالون(براى امریکا یا گالون امپراتورى)

- پوند بر بوشل امریکایى

- اسلاگ بر فوت مکعب

جهان در حال انبساط است، اما نیروهاى جاذبه بین مواد، باعث کند شدن این انبساط مى شود.هرچه جرم جهان متراکم تر باشد ،به همان اندازه چگالى آن زیادتر شده و انبساط آن کند تر مى شود.جهانى که چگالى بالایى دارد ممکن است بالاخره بخاطر قدرت نیروى جاذبه بین قسمت هاى تشکیل دهنده اش ، منقبض شود.اگر جهان به اندازه ى کافى چگالى نداشته باشد، براى همیشه در حال انبساط خواهد بود.

چگالى بحرانى:

  کیلو گرم بر متر مکعب استکه چگالى بحرانى27X10-5 اندازه ى کافى‌ که براى چگالى گفته مى شود چه قدر است؟این اندازه برابر مى باشد.چگالى بحرانى معیارى است براى باز یا بسته بودن جهان ، اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى بیشتر باشد، جهان ، جهانى بسته خواهد بود.اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى کمتر باشد جهان ،جهان باز خواهد بود.(4)

چگالى نسبى:

مقایسه ى چگالى دو مایع با یکدیگر یا مقایسه ى چگالى یک جامد با یک مایع خیلى راحت است.اگر چگالى جسمى کمتر از مایع باشد، در آن شناور مى شود و در غیر این صورت در آن غرق مى شود.مثلا چگالى چوب از آب کمتر است و براى همین است که چوب روى آب شناور مى ماند ( نیروی ارشمیدس )

مواد چگال:

هسته ى اتم هاى تشکیل دهنده ى مواد و ستارگان از جمله کوتوله هاى سفید ، ستاره هاى نوترونى ، ابر نواختران ، سیاه چاله ها و ... چگال ترین موادند.

قیف جدا کننده:

وسیله اى است که مایعات را بر اساس شاخص چگالى از هم جدا مى کند ، مثلا اگر مخلوط روغن و آب را در مخزن این دستگاه بریزیم، بر حسب چگالى مواد داخل این ظرف تفکیک مى شوند. اگر شیر زیر ظرف را باز کنیم ، مایعى که داراى چگالى بالاست، در زیر قرار گرفته و از دستگاه خارج مى شود تا اینکه به مرز جدایى روغن و آب برسد، در چنین حالتى شیر را مى بندیم و دستگاه با موفقیت دو مایع مخلوط را از هم جدا مى کند.(3)

تخلخل:

 نمایش مى دهند.تخلخل نسبت فضاى حفره ه اى یک سنگ یا خاک است به Qیکى از خصوصیات سنگ

به فضاى کلى آن:

                                                                                                       Q=Vv/Vt

بنابراین تخلخل عددى است بین صفر تا یک.همچنین با ضرب کردن این میزان در 100 مى توان آن را به صورت درصد نیز بیان کرد.
تخلخل عبارت است از تمام خلل فرج هاى موجود در رسوب یا سنگ که به دو صورت کل یا موثر بیان می شود. تخلخل کل شامل تمام منافذ موجود در سنگ یا رسوب است که از نسبت حجم حفره هاى موجود در سنگ به حجم کل سنگ بدست مى اید و آن را به درصد بیان مى کنند.تخلخل موثر یا مفید شامل حفره هاى متصل به هم است که قادر است مایعات را از خود عبور دهد . این تخلخل از نسبت حجم حفره هاى متصل به هم به حجم کل سنگ بدست مى اید.لازم به ذکر است که در سنگ حفره هایى وجود دارد که قادر نیستند مایعات را از خود عبور دهند، این حفره ها به نام تخلخل غیر مفید هستند و ار تفاضل تخلخل مفید از تخلخل کل بدست مى اید.

پیکنومتر:

پیکنومتر ظرفى کوچک است که حجم آن در درجه حرارت خاص در آزمایشگاه تعیین شده است (حجم پیکنومتر ثابت است) اسبابى براى تعیین چگالى و ضریب انبساط یک مایع ، متشکل است از یک ظرف شیشه اى مدرج که گنجایش حجمى معینى از یک مایع را در دماى معینى داشته باشد با توزین ظرف پر از مایع در دماهاى مختلف تغییرات چگالى و در نتیجه انبساط ظاهرى مایع را مى توان معین کرد.(5)

مواد دیر گداز :

به موادی گفته می شود که نقطه خمیری شدن آن ها بالاتر از 1520 درجه سانتیگراد می باشد . 

تمام مواد تشکیل دهنده شیشه ها و سرامیک ها مواد اکسیدی می باشند .

نقطه خمیری شدن

برای تعیین نقطه خمیری شدن از مخروط زگر Seger یا مخروط اورتون Orton استفاده می کنند به این صورت که ابتدا مخروط تهیه شده را در کوره مورد نظر قرار داده و شروع به حرارت دادن می کنیم تا هنگامی که مخروط از کمر خم شود و در اصطلاح شکسته شود این دما را نقطه خمیره گویند که اگر بیش از 1520 درجه باشد به آن دیر گداز اطلاق می شود .

پارامتر های مهم یک دیر گداز و نحوه اندازه گیری آن ها :

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی 

پایداری در برابر سرباره 

استحکام در برابر شوک حرارتی (تغییرات ناگهانی درجه حرارت )

مقاومت در برابر فشار (در درجه حرارت اتاق و حرارت های بالا )

R.T (Room Temperature) و H.T ( High Temperature) که در دماهای

پایداری حجمی در عملیات حرارتی بعدی ( حرارت دادن مجدد )

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

این پارامتر که به وسیله دو مخروط به نام های زگر و اورتون سنجیده می شود بدین صورت است که مخروط دیر گداز را در کوره های عملیات حرارتی گذاشته و تا دمای مورد نیاز که معمولا 1520 درجه سانتی گراد است حرارت می دهند تا هنگامی که دیر گداز به نقطه خمیری خود رسیده و از کمر خم شود سپس زمان صرف شده در این عملیات را حساب کرده و رنج پایداری دیر گداز را به دست می آورند .  

استحکام(مقاومت) در مقابل شوک حرارتی

برای تعیین درجه شوک پذیری ابتدا قطعه دیر گداز مورد نظر را تا دمای کاربردی به مدت زمان معینی حرارت داده و سپس به طور ناگهانی و با سرعت زیاد آن را سرد می کنیم . باید توجه داشت که این کار را 30 مرتبه و بدون وقفه انجام داد . اگر دیر گداز بعد از 30 مرتبه ترک برداشته و یا خرد شود رنج شوک پذیری آن کم اما در غیر این صورت دیر گداز در مقابل شوک حرارتی مقاوم است.

عوامل موثر در شوک پذیری :

ضریب انبساط حرارتی 

قابلیت هدایت حرارتی 

 (Anisotropy) خاصیت آنیزوتروپی

فاز های تشکیل دهنده دیر گداز 

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی 

تخلخل و دانسیته 

(خواص الاستیک)

ضریب انبساط حرارتی

میزان تغییرات حجمی که جسم در مقابل حرارت از خود نشان می دهد که هر چه این ضریب پایین تر باشد پایداری این جسم بیشتر است .

نکته : شوک حرارتی تنش هایی است که بین دمای درون قطعه و دمای بیرون ایجاد می شود .*

اگر فاز های یک دیر گداز یکی باشد یعنی آن دیر گداز فقط از یک فاز تشکیل شده باشد استحکام دیر گداز در مقابل شوک حرارتی بیشتر است و هر چه تعداد فاز ها بیشتر باشد ناپایداری دیر گداز نیز بیشتر است . 

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی :

تغییرات فازی که بر اثر تغییر درجه حرارت به وجود می آید باعث ایجاد فاز های مایع در درجه حرارت های پایین می شود . 

تخلخل و دانسیته :

تخلخل و ضریب تراکم در یک دیر گداز هر چه بیشتر باشد مقاومت آن دیر گداز در برابر شوک حرارتی بیشتر است و هر چه دانسیته کمتر باشد پایداری دیر گداز بالا تر است .

الاستیک ( ضریب کشسانی ) :

هر چه الاستیسیته یک دیر گداز بیشتر باشد پایداری آن در مقابل شوک حرارتی بیشتر است .

توضیحات آزمایش:

اهمیت مواد رسی:

1-فقط خاک های رس هستند که حالت خمیری می گیرند.2-به خاطر اکسید های الومینیم وسیلیسیم که

دارای خواص فیزیکی  و شیمیایی بالا هستند

موادرسی از سه فاز مشخص تشکیل شده اند:اکسید آلومینیوم،اکسید سیلیسیم وآب.

شاموت:مواد رسی بدون آب ساختاری،اکسیدهای اصلی دارند.اکسید های اصلی دارای دمای ذوب بالا هستند و دارای ثبات شیمیایی و فیزیکی هستند.

 کمتراهمیت آن خاک رسی بیشتر می شود.SiO2 بیشتر، Al2O3 هر چه

خود آب باعث شکل پذیری و آب کار پذیری بیشتری می شود.ولی انقباض هنگام خشک شدن بیشتر می شود.

 دارد و فاز میانی ایجاد نمی کند پس بهتر است.Al2O3 دمایذوب بالاتری نسبت به Si2O

شاموت = بیسکوییت خرد شده یا خاک رسی سوخته.

اگر مونت موریلونیت داریم باید شیب سرمایش کم شود تا ترک نخورد.

هر چه دانه بندی بزرگتر تخلخل بیشتر،دانسیته کمتر،استحکام کمتر.

هرچه بالکلی بیشتر فاز شیشه بیشتر،دمای ذوب پایین تر می آید و مواد به هم می چسبندو انقباض بیشتر است.

برای جلوگیری از انقباض شدید و دیرگدازی خاک رس از مواد شاموتی استفاده می شود.

برای ساخت دیرگداز شاموتی از شاموت و یک خاک رس استفاده می شود.

 

مواد اولیه:                شاموت%                   رس%( زنوز)

                                                                40                        60

                                                           60گرم                    90گرم

 

+5% تالک+10% آب =7.5 گرم تالک +15 گرم آب

 

دانه بندی شاموت:          30 % زیر مش 50 روی مش 70 (27 گرم)

                            40% زیر مش 70 روی مش 100 (36گرم)                  

                                    30%زیر مش 100 روی مش 230(27 گرم)

 

روش شکل دهی:پرس نیمه خشک

روند آزمایش:

4 نمونه 30 گرمی در قالب مکعب مستطیل

3 نمونه  4 گرمی استوانه ای

و ا نمونه 5 گرمی مخروط زگر

نمونه ها را ساخته سپس در 1250 به مدت 2 ساعت زینتر کرده،سپس ست های مورد نظر را روی آن انجام می دهیم.

1-مهم ترین تست،تست دیرگدازی است. 10 گرم خمیر آلومینایی (90% آلومینا و10% کائولن)ساخته روی صفحه نسوز قرار داده(صفحه شیب0 5 دارد)نمون ههای مخروط زگر را روی آن قرار می دهیم. داخل کوره در دمای 12500 می گذاریم وهر 500-500 نمونه را چک می کنیم.15 دقیقه باید در هر دما بماند.در دمایی که خم شد آن دما دمای خمیری شدن است.

2-تست شوک پذیری: یک  نمونه  مکعب مستطیل شکل داخل کوره مافلی (برای شاموتی 10000 و برای آلومینایی 12000) قرار می دهیم ،30 دقیقه بماند با انبرک در می آوریم و در آب سرد به مدت 2 دقیقه می اندازیم اگر ترک نخورده بود دوباره داخل کوره می گذاریم و تعداد سیکل ها را یادداشت می کنیم.

3-استحکام فشاری:نمونه های استوانه ای

قطر نمونه ها را با کولیس اندازه می گیریم با دستگاه میزان استحکام هر کدام را اندازه گرفته بین سه نمونه میانگین می گیریم.

4- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیلی  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین

 می گیریم.

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

5-دانسیته و تخلخل  نمونه های ترک خورده یا شکسته را اندازه می گیریم.

اگر نمونه ها خوب ساخته شوند تلورانس کمی دارد.بالا ترین استحکام را کائولن زدلیتز دارد.

استوانه ها

قطر(mm)

عرض(mm)

ضخامت(mm)

                       1

12025

30

6.85

2

12

31

7

3

12

31

6.75

 

وزن خشک

وزن اشباع

وزن غوطه وری

نمونه1

14.92

16.9

9.2

نمونه2

15.89

18.18

9.53

نمونه3

15.63

17.62

9.36

میانگین

15.48

17.56

9.36

           

 

بالکلی طبس

زنوز

زنوزسوپر

زدلیتز

 

 

15.27

12.84

12.78

استحکام خمشی

 

33.77

33.34

46.31

استحکام فشاری

 

2.53

2.68

2.723

دانسیته ظاهری

 

1.88

1.98

2.055

دانسیته کلی

 

25.36

25.99

24.5

تخلخل باز

<23

>23

>23

>23

شوک پذیری

1550

1450

1450

1500

دیرگدازی

 

با توجه به نتایج سایر گروه ها بالکلی از همه خاک ها دیر گدازترو زنوز از استحکام خمشی بالاتری برخوردار است.استحکام فشاری نیز زدلیتز از سایر خاک ها بالاتر است .البته ما عددهای مربوط به بالکلی(گروه4) را نداریم.

دانسیته نیز،دانسیته ی زدلیتز بیشتر می باشدو به همین علت تخلخل آن نیز کمتر از سایرین است.

شوک پذیری همه خاک ها یکسان است.

خطاهای آزمایش:

1-خطا هنگام توزین

2-خطای دستگاه universal

3-خطای باز وبسته شدن در کوره

4-خطا به هنگام پرس

مراجع

در فصل نامه ى کاشى و سرامیک شماره ى دوم و سوم))D.Engmann ،Interceram 4/2000،Pag 25 *ترجمه ى مقاله ى

www.physic.persianblog.com*وب سایت تخصصى فیزیک

http:/dancshnamch.roshd.ir*

http:/fa.wikipcdia.org/wiki/*

www.aftab.ir*

 

فیروز رضائی ; ۱۱:٠۱ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٠/٩/٢۳