ریخته گری فلزات

عملیات های صنعتی کنونی و دیرگدازهای مورد استفاده
مصرف انرژی در بخش ریخته گری فلزات در حدود 0.2 کوارد در هر سال است. این مسئله موجب می شود تا هزینه های ریخته گری در ایالات متحده در سال 1997، در حدود 1.2 میلیارد دلار و در سال 1998، در حدود 1.5 میلیارد دلار باشد. این مسئله نشاندهنده ی رشد 10 % در طی یک سال می باشد. بنابراین، این صنعت آرزو دارد تا بتواند فرایند ذوب، نگهداری و کوره های خود را بهینه سازی کرده و موجب کاهش 20 % در مصرف انرژی شود. با این کار، میزان گازهای آلاینده نیز کاهش قابل توجهی پیدا می کند. اگر چه عمر آسترهای دیرگداز برای تمام اقدامات ریخته گری در طی دهه های اخیر، افزایش قابل توجهی پیدا کرده است، بسیاری از مشکلات در واقع هنوز پا بر جاست. برای مثال، بیشتر کانال ها و کوره های القایی بدون پیچه در ریخته گری فولادها و آهن، از مواد ریختنی خشکی تشکیل شده اند که قابلیت تشکیل اسپینل را دارند. علاوه بر این، این صنعت آرزو دارد تا عمر مفید دیرگدازها و اجزایی که در تماس مستقیم با مواد مذاب است را نیز افزایش دهد.
واحدهای موجود در این زمینه، با انواع مختلفی از مواد دیرگداز (دیرگدازهای سیلیسی، آلومینا- سیلیکاتی، پر آلومینا، زیرکنی، منیزیایی، اسپینلی، کروم دار و منیزیا- کربن) در اشکال مختلف (مونولیتیک، اشکال پیش ریخته گری شده و آجرها)، آسترکاری می شوند. بیشتر بخش های صنعت ریخته گری فلزات و کوره ها نگهداری با استفاده از دیرگدازهایی آسترکاری می شوند که بتوانند واکنش با فلز را مینیمم کنند. واحدهای اصلی آسترکاری شده با دیرگدازها عبارتند از: کوره های بازتابشی، کوره های بوته ای، کوره های القایی کانالی، کوره های القایی بدون پیچه، کوره های قوس الکتریکی و ظرف های مورد استفاده برای انتقال مذاب. این کوره ها با انواع مختلفی از مواد دیرگداز مانند دیرگدازهای سیلیسی، آلومینو- سیلیکاتی، پر آلومینا، زیرکنی، منیزیایی، اسپینلی، کروم دار و منیزیا- کربن، آسترکاری می شوند.
مشکلات اصلی مربوط به این بخش، بیشتر در بخش انتقال مذاب و آلودگی های وردی به مذاب، نمود دارد. برای مثال، آسترهای کوره کوپوله که برای ذوب آلیاژهای آهنی استفاده می شوند، معمولاً به صورت هفتگی تعمیر می شوند زیرا خوردگی و تخریب مکانیکی در آنها قابل توجه است. یک روش جایگزین، استفاده از روشی موسوم به روش "ذوب شدن جمجمه ای" (skull melting) (برای مثال در ذوب تیتانیم) می باشد که مکانیزمی شبیه به پراش سرباره (slag splashing) در فولاد سازی دارد. در این روش، یک لایه ی فلزی بر روی سطح ظرف موجود ایجاد می شود تا بدین صورت در برابر خوردگی، مقاومت ایجاد شود.
ریخته گری آهن یک مصرف کننده ی اصلی انرژی برای این بخش است. این بخش در واقع 12 % از مصرف انرژی در این بخش را به خود اختصاص می دهد. در داخل هر یک از این فرایندها، در حدود 55 % از کل هزینه ی انرژی برای ذوب شدن فلز می باشد و بقیه برای فرایندهایی همچون کک سازی، قالب گیری، عملیات حرارتی و فرایندهای پس از قالب گیری و ریخته گری، استفاده می شود. استفاده های انرژی در بخش های مختلف صنعت ریخته گری در جدول ۱ آورده شده است.
اگر چه عمر آسترهای دیرگداز برای تمام اقدامات ریخته گری در طی دهه های اخیر، افزایش قابل توجهی پیدا کرده است، بسیاری از مشکلات در واقع هنوز پا بر جاست. برای مثال، بیشتر کانال ها و کوره های القایی بدون پیچه در ریخته گری فولادها و آهن، از مواد ریختنی خشکی تشکیل شده اند که قابلیت تشکیل اسپینل را دارند. این مواد موجب افزایش عمر آستر دیرگداز این بخش ها می شوند اما همزمان فلز در این دیرگدازها نیز نفوذ کرده و موجب خوردگی شیمیایی آنها می شود. همچنین برخی مطالعه های موردی وجود دارد که نشاندهنده ی این است که مدیریت حفظ و نگهداری خوب در زمینه ی دیرگدازها، توسعه ی دیرگدازهای جدید و انتخاب روش های مناسب، منجر به صرفه جویی در انرژی و کاهش در هزینه های ذوب می شود. با افزایش بیشتر تقاضا برای فلزات ریخته گری شده ی با کیفیت بالا، انتخاب دیرگدازها با چالش های بیشتری روبرو شده است. با این وجود، صنعت ریخته گری فلزی هنوز هم یکی از بزرگترین بخش های صنعتی در ایالات متحده ی محسوب می شود.
برای ریخته گری فولاد، سایش دیرگداز و واکنش دیرگدازهای بازی، می تواند منجر به ورود ناخالصی به فولاد شود. دیرگدازهای آلومینایی با کیفیت بالا عموماً در این فرایندها استفاده می شوند. همچنین استفاده از مواد دیرگداز بر پایه ی زیرکونیا نیز در بخش هایی که متحمل سایش و یا شوک های حرارتی می شوند نیز متداول است. استفاده از دیرگدازهای بر پایه ی منیزیا نیز در بخش هایی که خوردگی بواسطه ی سرباره قابل توجه است، نمود دارد.
مواد کربنی نمی توانند در این کاربردها استفاده شوند. علت این مسئله واکنش دیرگدازهای اکسیدی با کربن و تشکیل مونوکسید کربن می باشد. این مونوکسید با آلومینیوم واکنش داده و منجر به تشکیل آلومینا می شود. به طور مشابه، استفاده از دیرگدازهای پایه سیلیسی نیز به دلیل ورود ناخالصی، ممنوع می باشد.
فقدان داده ها در مورد خواص مکانیکی، گرمایی و شیمیایی دیرگدازهای مونولیتیکی نیز یکی از مسائل پیش روست. تنها منابع مرجع اندکی در مورد یک چنین داده هایی یافت می شود. صدها ورژن جدید از مواد مونولیتیکی امروزه وارد بازار شده اند اما داده های طراحی و اطلاعات اندکی در مورد این محصولات وجود دارد.

موانع

دیرگدازها در انواع مختلفی از فرایندهای صنعت ریخته گری، استفاده می شوند. تقریباً 90 % از انرژی استفاده شده به صورت مستقیم در این صنعت، در ارتباط با دیرگدازهاست. بر اساس تجزیه و تحلیل انجام شده بر روی کوره های نمونه وار و واحدهای فرآوری، بهبود در سیستم های دیرگداز مورد استفاده در صنعت ریخته گری، منجر به صرفه جویی 8.5 TBtu در سال می شود. موانع نمونه وار این بخش، عبارتند از:
• فقدان روش ها و مواد مناسب برای کاهش شکستگی در دیرگدازها به دلیل ایروژن فیزیکی و خوردگی شیمیایی ایجاد شده از فلزات مذاب و سرباره ها در ذوب، تصفیه و فرایندهای جابجایی مذاب (بخش هایی که دیرگداز در تماس مستقیم با مذاب است).
• فقدان روش ها و مواد مناسب برای کاهش شکستگی ایجاد شده به دلیل نفوذ در دیرگدازها و عوامل خورنده ای مانند اکسید منگنز و FeO در ریخته گری فولاد.
• فقدان روش ها و مواد برای کاهش در گیر کردن و یا بسته شدن کانال های عبور مذاب در بیشتر عملیات های ریخته گری.
• فقدان روش ها و مواد برای کاهش سایش دیرگدازها در کوره های قوس الکتریکی برای ذوب فولاد. در این بخش ها، کاهش سایش و صرفه جویی در انرژی از جمله مزیت های مورد نظر می باشد.
• فقدان روش ها و مواد برای سایش و جلوگیری از واکنش دیرگدازها با سرباره های بازی در ریخته گری فولاد.
• فقدان اطلاعات در مورد خواص مکانیکی، گرمایی و شیمیایی مربوط به دیرگدازهای مونولیتیکی.

روش های تحقیق و توسعه

• توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته که بتوانند در برابر سایش و خوردگی شیمیایی مذاب و سرباره، مقاومت کنند. مخصوصاٌ توسعه ی سیستم هایی برای ریخته گری فولاد به صورتی که در برابر فلز مذاب مقاومت ایجاد شود.
• توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته که در برابر خوردگی ایجاد شده در ریخته گری فولاد که، به دلیل اکسید منگنز و FeO ایجاد می شوند، مقاومت کنند.
• توسعه ی دیرگدازهایی که در برابر چسبیدن مذاب فلزی و در نتیجه بستن و یا تشکیل رسوبات در جداره ها، جلوگیری کند.
• توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته برای استفاده در کوره های قوس الکتریکی ریخته گری فولاد که در حقیقت مقاومت به سایش خوبی داشته باشند و صرفه جویی انرژی در آنها بواسطه ی عایق کاری، افزایش یابد.
• تعیین خواص مکانیکی، گرمایی و شیمیایی مربوط به دیرگدازهای مونولیتیکی مورد استفاده در ریخته گری فلزات.
• توسعه ی مواد دیرگدازمونولیتیکی جدید و با هزینه های پایین ، مخلوط های با اتصال بازی و مخلوط های ریختنی اکسید منیزیم- گرافییت برای ترمیم کوره های قوس الکتریکی.
• توسعه ی مدل هایی برای مقایسه ی شیمی سرباره با ترکیب آستر دیرگداز و افزایش خواص فومی شدن سرباره و کاهش میزان ترمیم های مورد نیاز برای کوره ی قوس الکتریکی که بواسطه ی سایش دیرگداز، مورد نیاز می باشد.
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