آجرهای سیلیسی بدون باند آهک

چکیده

نوع جدیدی از آجرها که با نام Stella GNL معروف هستند، یک گرید جدید از سیلیس است که به خاطر داشتن 99 % وزنی سیلیس و عدم وجود فاز باند آهکی، معروف می باشند. برخلاف این نوع از آجرهای سیلیسی، گریدهای استاندارد از آجرهای سیلیسی، دارای 95 تا 97 % وزنی سیلیس و 2.5 % وزنی آهک می باشد. بر اساس ترکیب شیمیایی بهبود یافته، این گرید جدید از سیلیس، دارای مقاومت به خوردگی بالاتری در برابر مواد قلیایی است و برای استفاده در سقف کوره های اکسیژن- سوخت مورد استفاده در تولید شیشه های سودالایم، مناسب تر می باشند. برای کوره های با احتراق هوا- سوخت، این گرید جدید می تواند در دماهای بالاتر نسبت به گریدهای استاندارد، مورد استفاده قرار گیرد.

مقدمه

با توسعه ی احتراق اکسیژن- سوخت، محدودیت های مربوط به مواد سیلیسی سنتی، مشهود تر شد. اندکی بعد از نصب اولین سقف ها در کوره های با مشعل های اکسیژن- سوخت، بررسی های زیادی به منظور بررسی دلایل بروز سایش های پیش از موعد در این آجرها، انجام شد. در طی بررسی این پدیده، این نشان داده شد که غلظت مواد قلیایی، مخصوصاً غلظت NaOH، در کوره های اکسیژن- سوخت، 1.5 تا 6 برابر در مقایسه با کوره های معمولی، بالاتر است. دلیل این مسئله، عدم وجود نیتروژن در اتسفر کوره می باشد که موجب می شود، میزان گاز خروجی از کوره، کاهش یابد. علاوه بر این، میزان بخار بیشتر در فضای احتراق موجب افزایش میزان بخارهای NaOH می شود. علاوه بر تغییر شرایط در کوره های جدید، ویژگی های ماده ی گرید استاندارد شیشه، برای یادگیری این مشکل، مهم می باشد. ترکیب شیمیایی نمونه وار و خواص فیزیکی آجرهای سیلسی در جدول 1 آورده شده است. شیمی این مواد به دلیل وجود 2.5 % وزنی اکسید کلسیم، شاخص می باشد. به همراه سیلیس، آهک موجود، فازهای پیونده دهنده یا باندی با نام ولاستونیت (CaO-SiO_2) تولید می کند. علاوه بر این، انبساط حرارتی یکی دیگر از ویژگی های مهم این فاز می باشد. این مسئله عمدتاً بوسیله ی فازهای تریدیمیت و کریستوبالیت، تحت تأثیر قرار می گیرد و منجر به افزایش انبساط در دماهایی در گستره ی 100 تا 400 ℃ می شود. اگر میزان کوارتز باقیمانده بسیار بالا باشد، یک افزایش حجم بیشتر در طی حرارت دهی و رسیدن به دمای بالا، بوجود می آید.
بر اساس این حقیقت که سایش پیش از موعد گریدهای استاندارد آجرهای سیلیسی تحت شرایط احتراق اکسیژن- سوخت، ایجاد می شود، دو کار توسعه ای در این زمینه، انجام شد. اولاً پتانسیل مواد دیگر برای جایگزینی با آجرهای سیلیسی، مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس بررسی های انجام شده با این هدف، AZS ریخته گری شده از حالت مذاب و آلومینای آلفا- بتا، بهترین مواد با قابلیت جایگزین در این بخش ها می باشند. آلومینای آلفا- بتا، تحت شرایط خورنده ی موجود در کوره های شیشه ی خاص، عملکرد بهتری دارند. دوم اینکه، گرید های سیلیس به طور جزئی تر مورد بررسی قرار گرفت تا بدین وسیله، آگاهی کاملی در مورد سایش پیش از موعد، بدست آید. بررسی های دیگر همچنین نشاندهنده ی این است که خوردگی مشاهده شده، تحت تأثیر فاز باند ولاستونیتی می باشد. این فاز باند به سهولت بوسیله ی مواد قلیایی مثلاً NaOH، خورده می شود. به عنوان نتیجه ای از واکنش بین ولاستونیت و NaOH، تشکیل فاز شیشه ای در آجر سیلیسی شروع می شود و این مسئله به خودی خود منحر به حل شدن دانه های درشت تر سیلیس می شود. در یک زمان کوتاه، آجر سیلیسی از فاز شیشه ای غنی می شود و بدین صورت شروع به ریزش می کند. این واکنش های بوسیله ی بررسی های ترمودینامیکی، مورد تأیید قرار گرفته است و این نشان داده شده است که میزان اکسید کلسیم بالاتر، یک مورد کلیدی در این آجرها تلقی می گردد.
بر اساس این یافته ها، آزمایش های عملی بیشتری بر روی این آجرها انجام شد و بدین صورت مقاومت به خوردگی آنها با کاهش میزان اکسید کلسیم در داخل آنها، افزایش یافت. به هر حال، محدودیت های این نوع از دیرگدازها، شرینکیج در دماهای بالاتر از 1100 ℃ می باشد. به دلیل این رفتار، کاربرد این نوع از مواد، محدود است.

مزیت های این توسعه ی جدید

بر اساس آزمایش های انجام شده، RHI یک آجر سیلیسی کاملاً جدید، توسعه داد که آن را Stella GNL نامید. این آجر بیش از 99 % سیلس دارد. جنبه ی محوری این گرید جدید از آجر سیلیسی، فاز باند خاصی است که جایگزین فاز باند قدیمی (ولاستونیت) شده است. این فاز باند ویژه، به عنوان نتیجه ای از شرایط تولید خاص، در طی آماده سازی و فرایند پخت، حاصل شده است. این فاز باند منجر به این مسئله می شود که دیرگدازهای سیلیسی، دارای خواص مقاومتی قابل توجهی باشند که در جدول 2 به آنها اشاره شده است.

ترکیب شیمیایی

99 % سیلیس در این گرید جدید، در واقع مقدار قابل توجهی است. علاوه بر این، به دلیل این حقیقت که این آجر بر پایه ی مواد اولیه ی سنتزی، تولید شده است، میزان مواد قلیایی و اکسید آهن موجود در آن، واقعاً پایین است. به هر حال، از این مهم تر، عدم وجود CaO از افت خواص به دلیل وجود فاز ولاستونیت، جلوگیری می کند. بررسی های آزمایشگاهی و یک بررسی عملی در کوره های اکسیژن - سوخت، نشاندهنده ی وجود مقاومت به خوردگی قابل توجه این آجر در مقایسه با گریدهای دیگر، می باشد (شکل 1).

رفتار انبساط حرارتی

رفتار انبساط حرارتی آجرهای بدون آهک در مقایسه با گریدهای استاندارد، به طور کامل، متفاوت است (شکل 2). تا دمای 700℃، انبساط ماکزیمم تنها در حدود 0.65 % است. علاوه بر این، در دماهای بالاتر، انبساط حرارتی، قابل توجه نیست. بنابراین، رویه ی حرارت دهی که برای آجرهای سیلسی بسیار تعیین کننده بود، در این آجرها، مسئله ساز نیست. علاوه بر این، شرینکیج نمونه وار گریدهای سیلیس تولید شده با روش ریخته گری از حالت مذاب، در این آجرها، مشاهده نشده است.

خزش و رفتار دیرگدازی تحت بارگذاری

به دلیل کاهش در میزان اکسید قلیایی در گرید جدید، خزش و رفتار دیرگدازی تحت بارگذاری در دمای بالا، به طور قابل توجهی کاهش یافته است. در حالی که آجرهای سیلیسی استاندارد، معمولاً دارای خزش نمونه وار برابر با 0.6 % در دمای 1600 ℃ هستند، مقدار این خزش برای آجرهای جدید، تقریباً صفر است.
از سال 2005 به بعد، RHI تقریباً 400 تن از آجر Stella GNL را برای نصب در 10 کوره ی مختلف تولید شیشه، فروخته است. کاربردهای این آجرها، عبارتند از بخش های با تنش بالا در کوره های تولید شیشه ی فلوت و سقف کوره های تولید شیشه های با درصد مواد قلیایی بالا.