خواص دیرگدازها

نویسنده: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 

خواص مواد دیرگداز

کیفیت دیرگدازی و میزان مناسب بودن دیرگدازها برای یک کاربرد خاص در اصل به خواص فیزیکی، شیمیایی و مینرالی ماده وابسته می باشد. این ممکن است که کیفیت دیرگداز را بر اساس یک خاصیت منفرد و یا یک گروه از خواص مورد بررسی قرار دهیم. متداول ترین خواصی که در انتخاب ساختار آسترهای نسوز مؤثرند، عبارتند از:
1. تخلخل ظاهری
2. دانسیته ی بالک
3. مدول گسستگی (MOR)
4. مدول گسستگی گرم (HMOR)
5. استحکام سرد در برابر خردایش
6. مخروط پیرومتری معادل
7. انبساط حرارتی
8. انبساط گرمایی تحت بار (TEUL) و خزش
9. رسانایی گرمایی
انبساط حرارتی یک ویژگی ذاتی محصولات دیرگداز است که در حین سرد کردن و گرم کردن این مواد، ایجاد می شود. تغییر ابعادی یک دیرگداز که بواسطه ی انبساط گرمایی ایجاد می شود، عموماً به عنوان پارامتر خطی و بر اساس درصد بیان می شود. هر دو دیرگداز بی شکل و شکل دار در بازار تحت نام های تجاری متفاوتی و با ویژگی های خاص و مختلف برای کاربردهای مختلف، موجود می باشند. داده های تحلیلی در مورد این محصولات، عموماً در بروشورهای محصولات شرکت ها موجود می باشد. به هر حال، به خریداران توصیه می شود تا یکبار نمونه های دیرگداز را مورد آنالیز قرار دهند تا ببینید گفته های فروشنده در مورد کیفیت محصول دیرگداز چگونه است.

دانسته ی ظاهری

دانسیته ی ظاهری یک معیار برای بررسی فضاهای خالی مؤثر حفرات در یک دیرگداز می باشد که مذاب فلزی، سرباره، فلاکس ها، بخارات و سایر مواد می توانند در داخل آن نفوذ کنند و از این رو، در تخریب موضعی ساختار، مؤثر باشند. تخلخل هر محصول در واقع به صورت متوسط درصد فضاهای بازی تعریف می شود که در کل حجم دیرگداز قرار دارند.

دانسیته ی بالک

دانسیته ی بالک عموماً به همراه دانسیته ی ظاهری در نظر گرفته می شود. این دانسیته در حقیقت معیاری است از وزنی که یک حجم معین از دیرگداز دارد. برای بسیاری از دیرگدازها، دانسیته ی بالک یک شاخص کلی در مورد کیفیت محصول می باشد. در حالی که صرفنظر از برند و نوع محصول، دیرگدازهای با دانسیته ی بالک بالاتر، کیفیت بهتری دارند. ساختار مربوط به یک دیرگداز که دارای دانسیته ی بالک بالاتری است، متراکم تر است و این مسئله منجر به مقاومت بالاتر آن در برابر نفوذ مواد شیمیایی، مقاومت به سایش بهتر و سایر مزیت های مربوطه می شود.

مدول گسستگی (MOR)

مدول گسستگی در واقع یک استحکام خمشی از دیرگداز می باشد. MOR در دمای اتاق اندازه گیری می شود و به صورت پوند بر اینچ مربع و یا کیلوگرم بر سانتی متر مربع اندازه گیری می شود.

مدول گسستگی گرم (HMOR)

این مدول در حقیقت یک میزان از استحکام شکست در حال خمشی در دمای بالا و یا در یک گستره ی دمایی می باشد. یکپارچگی ساختاری مربوطه و همچنین ویژگی های عمومی سایش یک دیرگداز می تواند تحت تأثیر HMOR باشد. در واقع این خاصیت، یک خاصیت مهم در تعیین پایداری دیرگداز در دماهای معین و برای یک سری از کاربردهای خاص می باشد.

استحکام سرد در برابر خردایش

استحکام سرد در برابر خردایش یک ظرفیت دیرگداز است که بیان کننده ی مقاومت آن در برابر بارهای فشاری در دمای اتاق، می باشد. این استحکام در حقیقت بر اساس میزان بار بر واحد اینچ مربع و یا کیلوگرم بر رواحد سانتیمتر مربع، اندازه گیری می شود.

مخروط پیرومتری معادل (PCE)

مخروط پیرومتری معادل یک میزان از دیرگدازی و حالت تکامل یک ترکیب ماده ی دیرگداز بعد از پخت می باشد. این معیار بیان کننده ی حالتی است که در آن، دیرگداز یا ترکیب دیرگداز شروع به نرم شدن و تغییر شکل می کند. این کار در یک گستره ی دمایی رخ می دهد و به الگوی حرارت دهی در حالت پخت، بستگی دارد.
مقادیر نمونه وار PCE برای دیرگدازهای انتخاب شده عبارتند از: مخروط 33-34 برای گل آتشخوار با کاربرد بالا، مخروط 29- 31، گل آتشخوار با کاربرد متوسط و مخروط 36-37، برای محصولات آلومینایی با 60 % آلومینا، می باشد. مقادیر مخروط گزارش شده برای دیرگدازها، بر اساس روابط زمان- دمای استاندارد تعریف می شوند، بنابراین، نرخ های حرارت دهی مختلف منجر به مقادیر PCE مختلف می شود. PCE می تواند به عنوان یک فاکتور مهم در اهداف کنترل کیفیت و تشخیص تغییرات ایجاد شده در مواد اولیه مورد استفاده قرار گیرد.

انبساط حرارتی

انبساط حرارتی یک ویژگی ذاتی محصولات دیرگداز است که در حین سرد کردن و گرم کردن این مواد، ایجاد می شود. تغییر ابعادی یک دیرگداز که بواسطه ی انبساط گرمایی ایجاد می شود، عموماً به عنوان پارامتر خطی و بر اساس درصد بیان می شود.

انبساط گرمایی تحت بار (TEUL) و خزش

تغییرات ابعادی که در یک دیرگداز و تحت بارهای فشاری و دماهای بالا اتفاق می افتد، انبساط گرمایی تحت بار و خزش، نامیده می شود. تغییر ابعادی ممکن است به صورت خطی و در زمان افزایش دما بیان شود. این ضریب، انبساط گرمایی تحت بار (TEUL) نامیده می شود. تغییرات ابعادی به دلیل نگهداری یک دیرگداز در یک دمای پیش تعیین شده، حالت غیر خطی دارد و منجر به تغییر شکل پلاستیکی می شود که خزش نامیده می شود. علاوه بر این، خزش در واقع یک تغییر شکل پلاستیک فعال سازی شده با حرارت است که تحت تنش و به عنوان تابعی از زمان، رخ می دهد. TEUL و خزش به صورت نمونه وار در یک آزمون و بوسیله ی یک نمونه اندازه گیری می شود.

رسانایی گرمایی

رسانایی گرمایی به عنوان میزان حرارتی تعریف می شود که در داخل یک واحد از سطح و در یک جهت عمود بر سطح ناحیه ی ذکر شده، جریان می یابد. این فاکتور نشاندهنده ی ویژگی های جریان یافتن در یک دیرگداز می باشد. پتانسیل جریان یافتن بالاتر موجب افزایش میزان رسانایی گرمایی می شود و برعکس. مواد دیرگداز با رسانایی گرمایی بالا برای برخی کاربردها، ضروری می باشند. در این کاربردها، نیاز است تا حرارت به صورت مناسب انتقال یابد. این مسئله در دیواره ی آون ها، ری ژنراتورها، مافل ها و دیواره های آب گرد کوره ها، مشاهده می شود. به هر حال، دیرگدازهایی که دارای رسانایی گرمایی پایین تری هستند نیز برای کاربردهای عایق کاری مناسب می باشند و موجب حفظ حرارت می شوند.
رسانایی گرمایی دیرگدازها به فاکتورهایی مانند ترکیب شیمیایی و مینرالی، دما، تخلخل، میزان زینترینگ و محیط کوره، وابسته می باشد. تخلخل در واقع فاکتور مهمی در جریان حرارت در دیرگدازها می باشد. رسانایی گرمایی یک دیرگداز با افزایش تخلخل، کاهش می یابد.
ارزیابی کیفیت مربوط به مواد دیرگداز
خواص حیاتی مربوط به یک دیرگداز، باید برای ارزیابی عمومی کیفیت آن، مورد بررسی قرار گیرد و با نتایج تحلیلی مربوط به خواص کمی دیرگداز مقایسه شود.

بیشتر بخوانید: دیرگدازها (1)

 

آنالیز فیزیکی

تمام مواد دیرگداز حاوی تخلخل هایی هستند که میزان آن متغیر است. اکثر خواص فیزیکی مانند دانسیته، استحکام، انبساط گرمایی و رسانایی گرمایی، به صورت مستقیم تحت تأثیر میزان و کیفیت این تخلخل ها می باشد. دو نوع از تخلخل ها که در حقیقت تخلخل های باز و بسته نامیده می شود، در دیرگدازها یافت می شوند. تخلخل هایی که هیچ ارتباطی با اتمسفر ندارند، تخلخل های بسته و آن دسته که با اتمسفر در تماس هستند، تخلخل های باز نامیده می شوند. این تخلخل ها به صورت نرمال بر اساس درصد حجمی بیان می شوند و می توان آن را از طریق بررسی جرم و حجم کل ماده ی دیرگداز، محاسبه کرد. جرم یک دیرگداز می تواند هم در حالت جامد و هم در حالت پودری اندازه گیری شود. به طور مشابه، حجم آن نیز می تواند به صورت حجم جامد و حجم پودری اندازه گیری شود. این همچنین ممکن است که حجم تخلخل های موجود در حالت جامد را اندازه گیری کرد.
با تجزیه و تحلیل منفرد تخلخل ها، این ممکن است که کیفیت دیرگداز مورد ارزیابی قرار گیرد. تخلخل ها در واقع به عنوان نسبت حجم بخش های ت=خالی نسبت به حجم کل ماده و به صورت درصد بیان می شود. بنابراین:
تخلخل (درصد)= حجم حفرات/ حجم کل (درصد)
دانسیته ی ویژه و یا واقعی در حقیقت به عنوان نسبت وزن ماده در حالت پودری به حجم آن در حالت پودری، تعریف می شود. ماده ابتدا پودر می شود به نحوی که هیچ تخلخلی در آن یافت نشود.
بنابراین، دانسیته ی واقعی (TD) = جرم / حجم کل جامد (بر اساس واحد گرم بر سانتیمتر مکعب)
دانسیته ی بالک برای مواد دیرگدازی تعیین می شود که دارای تخلخل های باز و بسته می باشند. این دانسیته در واقع نسبت میان جرم در حالت جامد به حجم در حالت بالک می باشد.
حجم تخلخل های باز می تواند با برخی روش های ساده (برای مثال پر کردن نواحی تخلخل با آب و یا سایر مایع ها و اندازه گیری حجم آب یا مایع) اندازه گیری شود و بدین صورت دانسیته ی ظاهری دیرگداز محاسبه شود. دانسیته ی ظاهری در واقع به عنوان نسبت جرم در حالت جامد به حجم منتج شده، تعریف شود. این حجم در واقع حجم ماده ی جامد به همراه حجم تخلخل های بسته می باشد.
دانسیته ی ظاهری = وزن جامد / حجم جامد + حجم تخلخل های بسته
میزان تخلخل های کل یعنی تخلخل های باز و بسته می تواند با استفاده از سه داده ی دانسیته ای یعنی دانسیته ی واقعی، دانسیته ی بالک و دانسیته ی ظاهری تعیین شود. این مقادیر برای هر دیرگداز می تواند به سهولت بدست آید و ضرورتاً برای ارزیابی کیفیت و کارایی این ماده نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

آنالیز شیمیایی و مینرالی

دیرگدازها در واقع به واسطه ی اجزای شیمیایی اصلی، تشخیص داده می شوند. این اجزا تعیین کننده ی کیفیت و خواص مواد می باشند. این ضروری است که آنالیز شیمیایی مواد دیرگداز را برای ارزیابی کیفیت آن، انجام دهیم. به عنوان یک قانون، این فهمیده شده است که میزان آلومینای بیشتر، موجب می شود تا کیفیت ماده بهبود یابد. به هر حال، این مشاهده شده است که در حالی که اجزای شیمیایی اصلی یک دیرگداز، در خواص آن نقش دارند، اجزای اندک نیز می توانند نقش مهمی در کارایی آن ایفا کنند.
مواد دیرگداز به صورت نرمال اکسیدهایی هستند که دارای تمایل به واکنش با همدیگر را در دماهای بالا دارند و می توانند موجب تشکیل ترکیبات مختلف با ساختار کریستالی مختلف شوند. ترکیب کریستالی و ساختاری مربوط به اجزای تشکیل دهنده ی این مواد به طور قابل توجهی به میزان برخورد حرارت این مواد در طی فرایند تولید، وابسته می باشند. ساختار کریستالی که تشکیل می شوند، نشاندهنده ی کارایی ماده ی دیرگداز و همچنین مقاومت در برابر خوردگی و ایروژن می باشند. بنابراین، این ضروری است که ریزساختار دیرگدازها به همراه اجزای شیمیایی آنها، تشخیص داده شوند.
ارزیابی کیفیت مربوط به ماده می تواند از طریق نمونه گیری های تصادفی از بچ ماده ی اولیه و خط تولید انجام شود و بدین صورت ترکیب شیمیایی، تخلخل های ظاهری، دانسیته ی بالک، HMOR و میزان مولایت، تعیین شود. به هر حال، تخمین ها در مورد میزان مولایت موجود در این مواد نیازمند انجام آنالیز XRD می باشد. به دلیل در دسترس نبودن این تست در همه جاها، باید روشی برای تخمین این درصد از روی سایر آزمون های فیزیکی، وجود داشته باشد.
دیرگدازی برای آسترهای کوره ی تولید کوزه
ساخت یک کوره نیازمند استفاده از انواع مختلفی از دیرگداز می باشد که هر کدام توانایی تحمل پروفایل دمایی خاصی را دارند و در یک ناحیه ی خاص استفاده می شوند. جزئیات مربوط به مواد دیرگدازی که در کوره های کوزه پزی، استفاده می شوند، در جدول 1 آورده شده است.
خواص دیرگدازها
آجر قرمز، آجرهای IS-6 و IS-8 تماما آجرهای دیرگداز گل آتشخواری هستند که برای تولید کوره های این چنینی مورد استفاده قرار می گیرند.

بلوک های سیلمانیتی

عبارت سیلیمانیت در حقیقت یک نام گذاری اشتباه است. دیرگدازهای سیلیمانیتی عموماً بیان کننده ی دیرگدازهای با میزان آلومینای بالا و دارای درصد بالای مولایت می باشند. دیرگدازهای پر آلومینا به صورت خاص برای استفاده در کاربردهای دما بالا، مناسب هستند. این دیرگدازها در برابر تنش های گرمایی و محیط های شیمیایی، مقاوم هستند.
دیرگدازهای با میزان آلومینای بالا که دارای ویژگی های زیر می باشند، برای استفاده در ساخت کف کوره مناسبند:
• مقاومت در برابر دماهای بالا (حداقل تا دمای 1450 درجه ی سانتیگراد)
• مقاومت به خوردگی بالا (مقاومت در برابر مواد قلیایی)
• مقاومت در برابر نوسانات گرمایی
جدول 2 نشاندهنده ی جزئیات مربوط به خواص فیزیکی و شیمیایی دیرگدازهای سیلیمانیتی است.
خواص دیرگدازها
بهبود عمر عملیاتی مربوط به آسترهای کوره
کارهای زیر می توانند در حین آسترکاری کوره انجام شوند تا بدین صورت کارایی کوره افزایش یابد. این فرایند موجب افزایش کیفیت مواد دیرگداز می شود.

کیفیت پایدار

کیفیت دیرگدازهای مورد استفاده در کف کوره ی کوزه پزی، باید بالا باشد. بلوک ها باید از تولید کننده های خوب خریداری شود و کیفیت آنها باید یکنواخت باشد. به صورت نرمال، تولید کننده ها دارای ریزساختارهای مورد نیاز برای توسعه ی خواص فیزیکی و شیمیایی مناسب در این بلوک ها می باشند. وقتی خواص مناسبی در طی فرایند تولید در این مواد ایجاد شود، کارایی مواد دیرگداز قابل پیش بینی می شود.

استفاده از بلوک های دیرگداز بزرگتر

استفاده از بلوک های دیرگداز بزرگتر، موجب کاهش میزان درزهای موجود می شود. به هر حال، این مسئله همواره منجر به بهبود کارایی نیز نخواهد شد. تولید بلوک های بزرگ نیازمند پرس های بزرگتر در حین فرایند تولید می باشند. از این رو، این ضروری است که ابعاد بلوک ها و همچنین خواص مربوط به آنها در نظر گرفته شود تا بدین صورت از ثبات دیرگداز در یک کاربرد خاص، اطمینان حاصل شود. علاوه بر این، نمونه گیری تصادفی از مواد اولیه و خط تولید باید انجام شود و این نمونه ها باید از لحاظ کیفیت، مورد بررسی قرار گیرند.

کیفیت ملات

کیفیت مربوط به ملات مورد استفاده در آسترکاری کوره، باید مشابه کیفیت خود دیرگداز باشد. مواد با شرینکیج پایین حاوی مقادیر بالای آلومینا برای اتصال دهی بلوک های پر آلومینا، پیشنهاد می شود.

ابعاد مناسب

دقت ابعادی و وجود فاصله ی هوایی مناسب، برای آسترکاری کوره ها، حیاتی است.

استفاده از پوشش های ضد خوردگی

کف کوره احتمالا زودتر تخریب می شود که علت این مسئله، پوسته ای شدن مواد کف به دلیل حرکت مواد شارژ شده و وجود ناخالصی های قلیایی و یا وجود شیشه ی مذاب می باشد. عموماً این فهمیده شده است که پوسته ای شدن و خوردگی دلیل اصلی سایش در دیرگدازهای مورد استفاده در این صنایع می باشد. صنعت شیشه نیز از این مسئله مستثنی نیست. آجرهایی با مقاومت به پوسته ای شدن و مقاوم در برار خوردگی، برای استفاده در کف کوره و بخش های مختلف کوره ی ذوب شیشه، پیشنهاد می شوند. به طور نمونه وار، پوشش های ضد خوردگی برای جلوگیری از حملات مواد قلیایی مناسب می باشند. این پوشش ها یکنواخت هستند و ممکن است 5 میلی متر ضخامت داشته باشند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.