مترجم: حبیب الله علیخانی

آدرس دهی موانع زیر که در واقع در ارتباط با کارایی مواد دیرگداز مورد استفاده در بخش های گازگیری می باشد، موجب کاهش میزان نیاز به انرژی می شود:
عدم دسترسی به مواد دیرگداز پیشرفته با مقاومت به خوردگی و ایروژن بهبود یافته و کاهش هزینه های نگهداری
فقدان وجود دیرگدازهایی که دارای مقاومت بالا در برابر اتمسفرهای قلیایی هستند و سطح بالای تنش که منجر به بروز مشکلات آلایندگی در بخش های گازگیری می شود.
فقدان طراحی های جایگزین دیرگدازها که می تواند موجب بهبود سطح دیرگدازها شود. این موارد شامل بهبود در خواص سایشی و حملات خوردگی در این دیرگدازها می باشد.
عدم دسترسی به مواد دیرگداز دارای تطابق گرمایی بیشتر با مواد فلزی مورد استفاده در ادوات گازگیری. استفاده از دیرگدازهای ریخته گری شده از دمای بالا (مانند دیرگدازهای آلومینا- زیرکونیایی) موجب می شود تا این مشکلات برطرف شود. البته استفاده از این دیرگدازها در تماس با سیلیس و سایر شیشه سازها، هنوز مشکل خوردگی و سایش را بوجود می آورد. این دیرگدازها باید مقاومت به خوردگی و خواص ترموالاستیک بهتری داشته باشند.

موانع موجود در سر راه تحقیقت و توسعه ی در زمینه مواد دیرگداز

ارزیابی استفاده از دیرگدازها، موانع و نیازهای موجود در صنایع با مصرف انرژی بالا نشاندهنده ی حرکت به سمت تولید مواد با بازده انرژی بالاتر می باشد. این روندها در واقع به دنبال بهبود بازده بواسطه ی کاهش در اتلاف انرژی و افزایش در بهره وری از طریق توسعه ی دیرگدازهای مستحکم تر و با قابلیت کار در دماهای بالا، می باشد. در این مورد همچنین محققین به دنبال توسعه ی دیرگدازهایی با رسانایی گرمایی پایین تر به منظور کاهش در اتلاف های حرارتی ایجاد شده در دیواره ها، اصلاح قابلیت انبساط حرارتی دیرگدازهای کنونی و ایجاد انطباق این ضرایب انبساط با مواد مرتبط دیگر و توسعه ی دیرگدازهایی با مقاومت به سایش شیمیایی و مکانیکی بالاتر می باشند. این مسئله در شکل 1 قابل مشاهده می باشد.
از طریق تجزیه و تحلیل استفاده از دیرگدازهای کنونی، موانع موجود، بهبود در بازده انرژی، و نیازهای تحقیق و توسعه ای در صنایع فرآوری مختلف، بسیاری از موضوعات در صنایع مختلف بروز می کنند. بخش های تحقیقاتی زیر در واقع بر روی مسائل فنی و تحقیق و توسعه ای تمرکز دارند که می توان بوسیله ی آنها موضوعات متداول در بسیاری از کاربردهای دیرگداز را تشخیص داد:
اگاهی یافتن از مکانیزم های تخریب مربوط به دیرگدازها در محیط های مختلف: مکانیزم هایی را تعیین کنید که بوسیله ی آنها دیرگدازها در محیط های مختلف، تخریب می شوند.
بهبود در زمینه ی کنترل گرمایی: خواص گرمایی مربوط به مواد دیرگداز را تعیین کنید و موادی را توسعه پیدا کنید که اجازه ی انجام عملیات ها در دماهای بالا را مقدور سازد. این مواد باید موجب کاهش میزان اتلاف حرارتی از دیواره ها و بخش های دیگر نیز شوند. این مسئله در واقع با استفاده از طراحی های جدید کوره، فرمولاسیون های جدید برای فرآیندهای بازطراحی شده و یا مهندسی مجدد اقدامات صنعتی انجام می شود.
خواص ترمومکانیکی در دماهای بالا را ارزیابی کنید: خواص کلیدی مربوط به دیرگداز را در دماهای بالا تعیین کنید. این خواص شامل مدول گسستگی در دماهای بالا، استحکام در برابر خرد شدن در دماهای بالا، رفتار خزشی، دیرگدازی تحت بارگذاری، مقاومت به ضربه در دماهای بالا، تغییرات ابعادی و رسانایی گرمایی می باشد.
کمیته ی متخصصین مشورتی: این کمیته از متخصصین صنعتی تشکیل شده اند که نقش آنها مشورت دادن در زمینه ی پروژه های تحقیق و توسعه ی مربوط به دیرگدازها، می باشد. علاوه بر این، کارهای مربوط به ذخایر انبار و تأسیسات و ادوات مرتبط با دیرگدازها، از طریق بررسی های سیستماتیک متخصصین دیرگداز مورد بررسی قرار می گیرند به نحوی که کوره های صنعتی و آزمایشگاه های موجود، می توانند مورد استفاده قرار گرفته و در زمان های مورد نیاز، الزامات سیستمی جدید، تدوین گردد.

بخش های تحقیق و توسعه ی خاص به همراه موانع و مسیرها

در ادامه، روش های فایق آمدن بر موانع موجود در زمینه ی بخش های تحقیق و توسعه ای صنعت دیرگداز، مورد بررسی قرار گرفته است.
دیرگدازهای مونولیتیکی و با قابلیت ریخته گری

موانع

مقاومت نامناسب در برابر خوردگی و سایش مکانیکی، از جمله موانعی است که استفاده از دیرگدازهای مونولیتیکی و با قابلیت ریخته گری را محدود می کند.

روش ها

استفاده از دیرگدازهای ریخته گری شده از دمای بالا (مانند دیرگدازهای آلومینا- زیرکونیایی) موجب می شود تا این مشکلات برطرف شود. البته استفاده از این دیرگدازها در تماس با سیلیس و سایر شیشه سازها، هنوز مشکل خوردگی و سایش را بوجود می آورد. این دیرگدازها باید مقاومت به خوردگی و خواص ترموالاستیک بهتری داشته باشند. این دیرگدازها در صنایعی همچون شیشه، پالپ و کاغذ و بسیاری از صنایع دیگر، استفاده می شوند.
اجزایی را برای اندازه گیری پیوسته ی پارامترهایی همچون دما، ترکیب شیمیایی حمام و ... تولید کنید. این بخش ها باید ثبات طولانی مدتی را در دمای بالا و در برخورد با حلال های صنعتی داشته باشند. مواد مناسبی همچون HfB_2، HfC، ZrB_2، ZrC، TaC می تواند برای تولید این ابزارها، استفاده شود.
افزودنی های مرزدانه ای از جنس اکسید/ نیترید منجر به تخلخل های بازتری در سیلیس، مولایت و منیزیم آلومینات می شوند.
مواد فیبری اصلاح شده

موانع

فقدان مواد عایق کاری فیبری شکل با رسانایی گرمایی پایین، مقاومت شیمیایی بالا و محدودیت های ثبات دمایی بالاتر.

روش ها

مخلوط هایی از لاتکس و فیبر تولید کنید و از آن برای کاهش انتقال الیاف در طی نصب، استفاده کنید. چسبندگی مواد را بر روی سطوح فلزی و فولادی با استفاده از کوره ی عملیات حرارتی، افزایش دهید. یک سیستم بایندر جدید توسعه دهید.
مواد فیبری شکلی با استحکام بالاتر و قابلیت آتش گیری کمتر تولید کنید و از آنها در عملیات حرارتی و صنایع شیمیایی و پتروشیمی، استفاده کنید.
اصلاح سطحی (ریخته گری، تغییرات گرمایی و یا فیزیکی)

موانع

فقدان روش ها و مواد برای اعمال پوشش های سطحی و کاهش تغییرات فیزیکی سطوح مواد دیرگداز از طریق روش های مکانیکی و گرمایی.

روش ها

سطوح آلومینای زینتر شده و دیرگدازهای مولایتی را با اعمال پوشش های ضد سایش و خوردگی مانند فازهای اسپینلی، بهبود دهید. این سطوح اصلاح شده می تواند در صنایعی از جمله صنعت شیشه، پالپ و کاغذ، مورد استفاده قرار گیرند.
اثرات مربوط به شرایط عملیات حرارتی قبل از پوشش دهی را تعیین کنید. در واقع پوشش باید به خوبی بر روی آجرها اتصال پیدا کند. یک مزیت این مورد، افزایش در دمای قابل تحمل بوسیله ی دیرگداز مورد استفاده می باشد.
کاربردپذیری مربوط به میرایی و افت حرارتی و تابشی دیرگداز را تعیین کنید و در صورت استفاده، ساختار دیرگداز را به گونه ای شبیه سازی کنید که میزان اثرات آن بر روی انتقال حرارت تابشی، بهینه شود.
اثرات مربوط به حرارت دهی تابشی و انتقال حرارت را در دیرگدازها بررسی کنید و بدین صورت اتلاف حرارتی از انواع مختلف کوره های مورد استفاده در صنایع مختلف را مینیمم کنید.
اگریگیت ها و پودرهای سنتزی

موانع

فقدان اگریگیت های با کارایی بالاتر که موجب افزایش عمر و دوام محصولات دیرگداز می شود و همچنین فقدان مواد زمینه ی با کیفیت بالا که موجب افزایش دوام دیرگدازها، می شود، از جمله موانع مطرح شده، می باشد.

روش ها

استحکام به عنوان تابعی از توزیع اندازه ی اگریگیت را اندازه گیری و مدل سازی کنید. ریزساختار را به گونه ای تعدیل کنید که استحکام خمشی و فشاری بهبود یابد.
پوشش موجود بر روی اگریگیت ها را مورد بررسی قرار دهید و بدین صورت میزان استحکام بین بایندرو مرزدانه ها را کنترل کنید.
خواص دما بالای دیرگدازها

موانع

فقدان اطلاعات در مورد خواص خوردگی و ترمومکانیکی مواد دیرگداز جدید

روش ها

روش های آزمون واقعی و تست های محیطی را برای ارزیابی خواص دما بالای مواد دیرگداز، ارزیابی کنید. رفتار خوردگی مربوط به دیرگدازهای مورد استفاده در بخش های گازگیری، را در مقادیر مختلف آب، دی اکسید کربن، مونوکسید کربن و مواد قلیایی، ارزیابی کنید. سیستم های آزمایشگاهی تدوین کنید که بتوان بوسیله ی آنها، تخریب دیرگدازها را تا دمای 2000 درجه ی سانتیگراد، ارزیابی کرد.
اثرات انبساط دائمی در زمان اعمال حرارت بر روی دیرگدازها را به صورت سیستماتیک ارزیابی و شناسایی کنید.
تجزیه و تحلیل های پس از خرابی را بر روی دیرگدازهای تخریب شده در چندین صنعت انجام دهید تا بتوانید انواع جریان های محدود کننده در زمان سرویس دهی را مورد مطالعه قرار دهید. از نمونه هایی از اجزا برای اندازه گیری استحکام و توزیع استفاده کنید. آنالیزهای احتمالی را به منظور ایجاد ارتباط میان استحکام نمونه ها و قطعات واقعی انجام دهید .
مقاومت به خوردگی دیرگدازهای اتصال یافته را به عنوان تابعی از دمای زینترینگ دیرگداز اندازه گیری کنید و ارتباط این خاصیت با کارایی را در دمای سرویس دهی، پیدا کنید.
اثر اندازه ی نمونه ی دیرگداز را با اندازه گیری استحکام به عنوان تابعی از اندازه ی نمونه، بررسی کنید.

مواد دیرگداز درجه بندی شده و درجا

دیرگدازهای درجا به عنوان آجرها و یا محصولات بی شکلی تعریف می شوند که در داخل اتمسفر کوره با اجزای سرباره و دیگر محصولات واکنش می دهند و موجب افزایش کارایی می شوند. تشکیل اسپینل های درجای آهن، منیزیم و اکسیژن در کوره های فولاد سازی، موجب می شود تا عمر مفید و دوام این کوره ها، افزایش یابد.

موانع

فقدان تحقیق و توسعه ی مناسب برای بهبود سیستم های دیرگداز درجا و توسعه ی سیستم های دیرگداز درجای جدید برای کاربردرهای صنعتی دیگر.

روش ها

ابداع مدل ترک و رشد آن به عنوان تابعی از عملکرد ماده، عمق و خواص سرویس دهی با استفاده از تجزیه و تحلیل المان محدود. شبیه سازی و بهینه سازی ریزساختارهایی که موجب جلوگیری از رشد ترک می شوند.
توسعه ی روش های حرارت دهی فروسرخ به منظور تولید ساختارهای دیرگداز با گرید بهینه و اندازه گیری پایداری حرارتی و مقاومت به خوردگی این سیستم ها.
مدل سازی، شبیه سازی و طراحی ریزساختار دیرگدازها که موجب بهبود مقاومت به خزش و خوردگی می شود.
تعیین اثر کریستالوگرافی بر روی فاز درجا و پایه در زمان ایجاد تنش های گرمایی و پایداری در لایه های درجا.
تعیین و بهینه سازی هندسه ی سطحی زیرلایه به منظور تنظیم گرادیان های گرمایی در ماده.
سنسورهای مورد استفاده در بررسی کارایی ماده

موانع

فقدان وجود سنسورهایی که قابلیت ارزیابی ویژگی های مربوط به دیرگداز را دارند مثلا رگرسیون ضخامت، فازهای گازی و سایر شرایط محیطی

روش ها

توسعه ی سنسورها و روش هایی برای اندازه گیری انتشار طیفی در تانک های شیشه و کوره های ذوب مواد فلزی
توسعه ی سنسورها و روش هایی برای ارزیابی رگرسیون دیواره ها که به دلیل خوردگی، ایروژن و سایش در تانک های شیشه، ایجاد می شود.
توسعه ی روش های اندازه گیری آنلاین، برای پارامترهایی مانند دما، فشار و آنالیز ذوب، آنالیز گازهای خروجی و بررسی فازهای گازی محیطی
تانک ها و صنایعی که از این پروژه منفعت می برند، در جدول 1 آورده شده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Refractories for industrial processing: opportunities for improved energy efficiency/ prepared by DOE- EERE industrial technologies program