مواد ديرگداز Refractories Material 1

[spow 44197]

مواد ديرگداز (Refractories Material)

 

 

مواد ديرگداز مواد داراي مقاومت حرارتي هستند که در دماهاي بالا پايدار هستند و خواص فيزيکي و شيميايي شان در اين دماها حفظ مي گردد.

مواد ديرگداز گران بها هستند و هرگونه خرابي در اين مواد باعث افزايش زمان توليد،از بين رفتن ادوات و در برخي مواقع باعث از بين رفتن محصول مي گردد. نوع ديرگداز مصرفي بر روي ميزان مصرف انرژي و کيفيت محصول تأثير مي گذارد. بنابراين انتخاب نوع ديرگداز براي کاربردهاي معين بسيار مهم مي باشد. ديرگدازها همچنين براي فرآيند ايمن در توليد مواد ضروري است. نبايد براي پرسنل خط توليد و کساني که آنها را نصب مي کنند،شرايط خطرناک ايجاد کنند. ضمناً ديرگدازها نبايد در شرايط استفاده شدن و هم پس از اينکه به صورت زباله صنعتي در مي آيند،موجب آلودگي زيست محيطي شوند.

در اين مقاله نوع و خواص ديرگدازها را مورد بررسي قرار مي دهيم.

 

ديرگداز چيست ؟

 

 

ديرگدازها مواد غيرآلي، غير فلزي و مقاوم در برابر حرارت هستند که اين مواد مي توانند در مقابل عوامل ساينده و يا خورنده در دماهاي بالا مقاومت کنند. اين عوامل خورنده و يا ساينده مي توانند در حالت جامد، مايع و يا گاز باشند. به خاطر وجود شرايط متنوع محيطي، انواع متنوعي از ديرگدازها با خواص متفاوت ساخته شده اند. ديرگدازها از مواد پخته شده، مواد شيميايي و انواع چسب هاي کربني(بايندرهاي کربني) تشکيل شده اند. اين مواد داراي گستره شيميايي متنوع هستند و داراي اشکال مختلفي نيز هستند. (ترکيب شيميايي و اشکال استفاده از ديرگدازها بر اساس کاربردهاي گوناگون آنها تعيين مي شود)

 

ساختار فازي مواد ديرگداز

 

 

ديرگدازها از مواد ناهمگون ، چند ترکيبي و داراي تخلخلي هستند. در ساختار اين مواد ، سنگ دانه هاي پايدار در برابر حرارت بوسيله ي فازهاي چسبنده و افزودني ها در کنار هم قرار گرفته اند.

مواد ديرگداز در دماهاي پايين شبه تردند و هنگامي که دما بالا مي رود از خود رفتار ويسکوز نشان مي دهند. بخاطر تغييرات نقطه به نقطه در ريزساختار ديرگدازها و انعطاف پذير نبودن آنها، استحکام در محل هاي مختلف ديرگداز متفاوت است. اين مواد به خاطر خزش در دماي بالا يا تغيير شکل پلاستيکشان شاخص هستند. تردي و مدول الاستيک بالاي اين مواد باعث شده است تا در برابر تنش هاي حرارتي و شک ها حساس بوده و در تحت اين شک ها بشکنند.

ديرگدازها براي چه کاربردهايي مصرف مي شوند؟

 

ديرگدازها ابتدائاً بوسيله صنعت متالوژي مورد استفاده قرار مي گرفت. در اين صنعت کوره هاي ذوب فلزات و خطوط نقل و انتقالات مذاب و سرباره بوسيله ي مواد نسوز پوشش داده مي شد.همچنين جداره هاي دودکش ها و مجاري عبور گاز نيز بوسيله مواد ديرگداز پوشش دهي مي شود. با توجه به کاربردها، ديرگدازها بايد تأثيرات مخربي همچون مواد سايش، فشار، عوامل شيميايي، شک حرارتي، ضربات فيزيکي، تجزيه هاي حرارتي، و... تحمل کند. اين عوامل مخرب معمولاً در دماي بالا اتفاق مي افتد.

از آنجايي که فرآيندهاي متالوژي نيازمند دماهاي عملياتي بالاست، مواد ديرگداز مورد استفاده در اين صنعت بايد در دماهاي بالا و پايين تر از دماي عملياتي پايدار باشند. در جدول يک دماي ذوب برخي از عناصر که در متالوژي از آنها استفاده مي شود، آورده شده است.

 

[spow 44197]

لازمه هاي ديرگدازي

 

 

لازمه هاي عمومي يک ماده ي ديرگداز را مي توان به صورت زير بيان کرد:

1) قابليت تحمل در دماهاي بالا

2) قابليت تحمل در برابر تغيرات ناگهاني دما

3) قابليت تحمل برخورد با فلزات مذاب، گازهاي گرم و خوردگي سايشي(erosion)و...

4) قابليت تحمل فشار در شرايط کارکرد

5) قابليت تحمل در مقابل بارگذاري و نيروهاي سايشي

6) ضريب انبساط حرارتي پايين

7) قابليت نگهداري حرارت

8) نداشتن قابليت ترشوندگي و جلوگيري از نفوذ مواد در تماس با آنها (مانند سرباره و مذاب فلزي)

 

ديرگدازها از چه موادي ساخته مي شوند؟

 

 

مواد خامي که عمدتاً در توليد ديرگدازهاي اساسي استفاده مي شوند عبارتند از:

منيزيم کربنات (magnesites) ، دولوميت، کاني هاي کروم دار (chrome ore)، اسپينل و کربن

آجرهاي ديرگداز اساسي مانند آجرهاي منيزيا-کروميتي و منيزيا- اسپنلي از کلينکر مصنوعي اکسيد منيزيم (synthetic magnesia clinker) يا منيزياي طبيعي پخته شده به همراه سنگ معدن کروم دار و پيش واکنش دهنده اسپنيل و يا مواد پوشش دهنده ي آلومينيايي ساخته مي شوند. اسپينل که يک ساختار مقاوم در برابر شک هاي حرارتي است. يا در آجر اوليه وجود دارد و يا در طي حرارت ديدن آجر در محيط کار توليد مي شود.

 

توسعه ي ديرگدازها با گذر زمان

 

 

سال 1950، تکامل و استفاده از ديرگدازهاي منيزيايي به همراه کربن. اين ديرگدازها با ديرگدازهاي دولوميتي و به صورت ترکيبي استفاده مي شوند. اين ديرگدازها در ابتدا براي کوره هاي اوليه اکسيژني (furnace basic oxygen) توسعه يافتند. تقريباً در همان سال ها خلوص منيزيا به عنوان يک فاکتور مهم مورد توجه قرار گرفت و دانه هاي منيزيايي با خلوص بالا و با درصد بورکم ( % 96 ) به صورت وسيع مورد استفاده قرار گرفت.در اين نوع ديرگدازها نسبت آهک به سيليس 1-3-2است.سال 1980 ، دير گدازهاي منيزيا گرافيتي توسعه يافتند .در ابتدا اين ديرگدازها با درصد کربن بيشتر و سپس با اضافه کردن افزودني هاي آنتي اکسيدان ميزان کربن باقي مانده در اين نوع ديرگدازها افزايش يافت. در سال هاي اخير، تمايلات به سمت استفاده از ديرگدازهاي مهندسي (engineered refractories) افزايش يافته است. اين نوع ديرگدازها داراي مکانيزم هاي سايش خاص هستند. در اين نوع ديرگدازها، افزودني هايي از جمله اکسيدآهن خالص و کربنات منيزيم فيوزد (fused magnesite) در مقادير کم اضافه مي شود تا ويژگي هاي خالص در آجرها بوجود آيد. اين افزودني ها عمدتاً کمتر از 6% کل مخلوط را تشکيل مي دهند. هنگامي که دانه هاي منيزيايي زنيته شده درشت تر شوند، ديرگدازها مقاومت خوردگي بهتري پيدا مي کند.

 

نقطه ذوب مواد ديرگداز در حالتي که خالص باشند در گستره 1815-3315 درجه سانتيگراد است. در جداول 2و3 نقطه ذوب چندين ترکيب ديرگداز آورده شده است. ديرگدازها در شرايط کاري تنها مي توانند مقدار کمي فاز مذاب(حدود 5-1 درصد) را در ساختارشان تحمل کنند و خواص ساختاري شان را حفظ کنند. البته بحث هاي بعدي نشان مي دهد که به هر حال استفاده از بسياري از اين مواد به دليل عواملي همچون قيمت يا ناپايداريشان در اتمسفرهاي خاص محدود شده است. همچنين وجود ناخالصي هاي ابتدايي و يا ناخالصي هايي که در محيط کاربرد به نسوز وارد مي شوند، باعث کاهش چشم گير نقطه ذوب آنها مي شود.

 

[spow 44197]

ويژگي هاي ديرگدازها

 

 

خواص مهم ديرگدازها که بيشتر مورد بررسي قرار مي گيرد عبارتند از : ترکيب شيميايي، دانسيته بالک (density bulk)، تخلخل ظاهري(apparent porosity)، گرانش ويژه ي نسبي (specific gravity apparent) و استحکام در دماهاي معمولي.

اين خواص اغلب از جمله خواصي است که براي کنترل توليد و فرآيند کنترل کيفيت استفاده مي شود. ترکيب شيميايي به عنوان پايداري براي طبقه بندي ديرگدازها استفاده مي شود. دانسيته، تخلخل و استحکام محصولات پخته شده از فاکتورهاي زيادي تأثير مي پذيرد. از ميان اين فاکتورهاي زياد مي توان به نوع و کيفيت مواد اوليه، اندازه و شکل ذرات، درصد رطوبت مواد در طي فرآيند پرس کردن، فشار پرس، دما و مدت پخت، اتمسفر کوره و سرعت سرد کردن اشاره کرد.

تعدادي از خواص مهم ديرگدازها در زير آورده شده است:

 

1) دماي ذوب (melting point)

 

 

مواد خالص در دماي معيني و در يک آن ذوب مي شوند. اکثر مواد ديرگداز داراي ذرات ديرگدازي هستند که به هم چسبيده اند. در دماي بالا، فاز شيشه اي مذاب مي شود و هنگامي که دما بالاتر رود، محلولي از اجزاي ديرگداز پديد مي آيد. اين محلول مانند يک دوغاب مي ماند. دمايي که در آن مخروط زگر به علت وزن خودش تغيير شکل دهد، دماي ذوب ديرگداز ناميده مي شود. جدول بالا نشان دهنده ي چند ترکيب خالص است که به عنوان ديرگداز از آنها استفاده مي شود.

 

2) اندازه (size)

 

 

اندازه و شکل ديرگداز يکي از خصوصيات طراحي است. اين مسأله يکي از مباحث مهم در طراحي بشمار مي آيد زيرا اين مسأله بر روي پايداري ساختار تأثير مي گذارد. دقت و اندازه براي جاهايي که قطعات ديرگدازها مي خواهند با هم جفت شوند، بسيار مهم مي باشد. دقت و اندازه مناسب باعث کمينه شدن ضخامت و جفت شدن بهتر ساختار مي شود.

 

3) دانسيته ي بالک (Bulk Density)

 

 

يک خصوصيت مفيد براي ديرگدازها دانسيته بالک است. اين خاصيت نشان دهنده ي ميزان ماده موجود در حجم معين است. افزايش دانسيته بالک يک ديرگداز باعث افزايش پايداري حجم و ظرفيت گرمايي ديرگداز مي شود. و نفوذ مذاب را در ديرگداز کاهش مي دهد.

 

4) تخلخل (Porosity)

 

 

تخلخل ظاهري (apparent porosity)، اندازه گيري حجم تخلخل هاي باز است. (اين تخلخل هاي باز مي توانند بوسيله ي يک مايع پر شوند)

تخلخل ظاهري بر حسب درصد نسبت به حجم نشان داده مي شود. اين خصوصيت يکي از خصوصيات مهم ديرگدازهايي است که در تماس مستقيم با مذاب و سرباره هستند. تخلخل ظاهري پايين مطلوب است. زيرا اين مسأله از نفوذ مواد ناخواسته به داخل ديرگداز جلوگيري مي کند. همچنين به هم پيوسته بودن تخلخل ها، تأثيرات مهمي بر رفتار ديرگدازها دارد. عموماً در شرايطي که تعداد تخلخل ها برابر باشد، تخلخل ها با ابعاد کوچک تر مطلوب ترند. به هر حال، اندازه گيري واقعي تخلخل واقعي که در آن حجم تخلخل هاي بسته نيز محاسبه مي شود،ايده مناسبي براي آگاهي از خصوصيات مواد مانند خواص زنيته شدن است.درحقيقت، تخلخل، دانسيته بالک و دانسيته ظاهري جامد از ويژگي هاي حياتي اشکال ديرگداز است.

 

5) استحکام فشاري سرد (cold Crushing Strength)

 

 

استحکام فشاري سرد نيز يکي از خواص خوبي است که به همراه ديگر خواص مورد بررسي قرار مي گيرد. اين خاصيت نشان دهنده ي قابليت تحمل بار اعمالي بر جسم است. و مي تواند به همراه ساير خواص مانند دانسيته بالک و تخلخل به عنوان نشانه اي براي ميزان پخت قطعه و يا مقاومت به سايش قطعه است.

[spow 44197]

6) نقطه نرمي (Pyrometric cone Equivalent)

 

 

دمايي که در آن يک ديرگداز بواسطه وزن خودش تغيير شکل مي دهد دماي نرم شدگي (Softening tempreture) ناميده مي شود. اين دما بوسيله ي مخروط هاي آذر سنجي اندازه گيري مي شود. ديرگدازها به خاطر داشتن ترکيب شيميايي پيچيده، به طور تدريجي ذوب مي شوند. در واقع اين مواد در يک گستره ي دمايي ذوب مي شوند. از اين رو ديرگدازي يا نقطه ي گداز اين مواد به روش مخروط هاي استاندارد تعيين مي شود. مخروط هاي استاندارد آذرسنجي براي تعيين دما، تنها دماي نرم شدگي را به ما نشان مي دهند. اما در شرايط کاري ديرگدازها، علاوه بر دما، بار نيز ديرگداز وارد مي شود که مي تواند باعث تغيير فرم ديرگداز در دماهاي بسيار پايين تر از نقطه نرم شدگي بشود. با تغيير در شرايط محيطي مانند اتمسفر کاهنده، اعداد به دست آمده از اين روش دماسنجي تغيير بسياري مي کند.

 

7) ديرگدازي تحت بارگذاري (refractoriness under load)

 

 

تست ديرگدازي تحت بارگذاري (the refractoriness under load) که به آن تست RUL نيز مي گويند، به ما دماي متلاشي شدن آجرها در شرايط کاري را مي دهد.

به هرحال، در شرايط کاري واقعي که تنها يک سمت آجر حرارت مي بيند،بخش سردتر آجر که حالت سبک تري دارد، مقدار بيشتري از نيروي اعمالي بر آن را تحمل مي کند. از اين رو، تست RUL نشان دهنده شاخصي از ميزان ديرگدازي است. و مي توان از آن در طراحي استفاده کرد. در شرايط کاري که ديرگداز از همه ي جهات تحت حرارت دهي است مانند شبکه ها (checkers)، تيغه ها (Partion walls) و...، داده هاي مربوط به تست RUL، کاملاً معنادارند.

 

8) خزش در دماي بالا (Creep at high tempreture)

 

 

خزش يک خاصيت وابسته به زمان است. که معين کننده تغيير شکل ماده ي تحت بارگذاري در زمان معين و در دماي معين است. ملاک مورد پذيرش براي مواد ديرگداز عموماً اين است که مقدار خزش فشاري در دما و بارگذاري مورد نظر بيش از 0.3 درصد در 50 ساعت اول بارگذاري نشود. اين مقدار بدين علت تعيين شده است که سرعت خزش در انتهاي منحني خزش به مقدار ناچيزي کاهش مي يابد. در صورتي که مقدار خزش فشاري ديرگدازي بيش از 0.3 درصد نرسد، اين ديرگداز مناسب است و مي توان آن را با ايمني بالا استفاده کرد.

 

9) پايداري حجمي (Volume Stability)، انبساط (expansion) و شرنيکيج (shrinkage)در دماي بالا

 

 

انقباض يا انبساط ديرگدازها مي تواند در طي شرايط کاري اتفاق افتد.اين تغييرات دائمي در ابعاد ممکن است به دلايل زير رخ دهد:

الف) تغيير در فرم هاي آلوتروپيک که باعث تغيير در وزن مخصوص مي شود.

ب) وقوع يک واکنش شيميايي در ديرگدازها. که باعث بوجود آمدن يک ماده ي جديد با وزن مخصوص جديد مي شود.

ج) ايجاد فاز مايع

د) واکنش هاي زينترينگ

ه) اين مسئله ممکن است اتفاق افتد که بر روي ديرگداز واکنش خاصي رخ دهد و سيليکات آلوميناي - قليايي بوجود آيد. اين ماده انبساط زيادي دارد و باعث شکستن قطعه مي شود. تشکيل سيليکات آلوميناي قليايي مثالي از تخريب و تغيير شکل ديرگدازها است که عموماً در کوره بلند رخ مي دهد.

در حالي که اين مسأله روشن شده است که تمام اين تغييرات در طي فرآيند ساخت رخ مي دهد ولي به خاطر مسائل اقتصادي برطرف کردن آن ها ممکن نيست زيرا فرآيندهاي توليد تصحيح شده زمان بر هستند. تغيير خطي دائمي (PLC) بر روي پيش گرم کردن و سرد کردن آجرها دلالتي بر پايداري حجمي محصول است. اين مسأله به طور خاص در هنگام اندازه گيري درجه ي تبديل در توليد آجرهاي سيليسي، اهميت پيدا مي کند.

 

10) انبساط گرمايي بازگشت پذير

 

 

هر ماده اي در هنگام حرارت ديدن، منبسط مي شود و در هنگام سرد شدن منقبض مي شود. انبساط گرمايي بازگشت پذير بازتابي است از تغييرات فازي که در هنگام گرم وسرد کردن رخ مي دهد. تغيير خطي دائمي (PLC) و انبساط گرمايي برگشت پذير براي ساخت نسوزها در نظر گرفته مي شود. تا قطعات به هم متصل دچار مشکل نشوند. به عنوان نمونه يک قانون کلي،احتمال خرد شدن و از هم پاشيدن آن دسته از موادي که ضريب انبساط حرارتي کمتري دارند، کمتر است.

 

11) رسانش گرمايي (Thermal Conductivity)

 

 

رسانش گرمايي به ترکيب شيميايي و مينرالي ماده، دماي کاربرد و فاز شيشه اي موجود در ديرگداز وابسته است. اگرچه اين خاصيت يکي از خاصيت هاي کم اهميت در بررسي ديرگدازهاست ولي اين خاصيت مشخص کننده ضخامت آجر کاري است. رسانش معمولاً با افزايش دما تغيير مي کند. در مواردي که نياز به انتقال حرارت از بين ديواره باشد براي مثال در تقويت کننده ها و بخش هاي بازيافت انرژي، ديرگداز بايد رسانش گرمايي بالايي داشته باشد. رسانش گرمايي پايين براي صرفه جويي در مصرف انرژي مناسب مي باشند. در اين حالت ديرگداز مانند يک عايق عمل مي کند. براي بدست آوردن خاصيت عايق کاري بايد از هدر رفت گرما جلوگيري کند اما اين خاصيت موجب افزايش دماي سطح مي گردد و از اين دو بايد از ديرگداز با کيفيت بالايي استفاده کنيم. با توجه به اين مسأله، معمولاً عايق کاري در سقف کوره ي فولادسازي دهانه باز (Open- hearth furnaces) انجام نمي شود. به عبارت ديگر اين مسأله باعث مي گردد که عايق به دليل ايجاد چکه هايي برروي سطحش ، بشکند. بسته به خواص ديرگداز از مصرفي در بخش ارتباط با حرارت مانند ظرفيت تحمل بار در دماي بالا (Capacity high temperature load bearing)، اين مسئله ممکن است نياز باشد که کيفيت آجر مصرفي را بالا ببريم که علت آن بالا رفتن دما به خاطر خاصيت عايق کاري آنهاست.

ديرگدازهاي سبک با رسانش گرمايي پايين در کوره هايي کاربرد دارند که در آنها با استفاده از دماهاي نسبتاً پايين کار عمل آوري گرمايي صورت مي گيرد. در اين کاربردها، عملکرد ثانويه ي ديرگداز معمولاً صرفه جويي در مصرف انرژي است. مصرف اين نوع ديرگدازها در کوره هاي نوع منقطع (furnaces batch type) بيشتر است. در اين کوره ها ظرفيت گرمايي پايين ساختار ديرگداز باعث مي شود تا گرماي ذخيره شده در طي فرآيند سردو گرم کردن سيکلي کمينه شود.