ديرگدازها (4)

انتخاب ديرگدازها (Selection of refractories)

فاکتورهاي اساسي که بر روي عملکرد ديرگدازها اثر مي گذارد عبارتند از:
دما، ترکيب شيميايي، ترکيب شيميايي گاز يا سرباره، سرعت حرکت سرباره (حالت آرام يا توربلانت)، تنش هاي ترمومکانيکي. علاوه براين، انتخاب نوع ديرگداز به نوع کوره و يا واحد حرارتي و شرايط غالب در حين کاربرد بستگي دارد. شرايط غالب در حين کاربرد عبارت است از:
اتمسفر گازي ، حضور سرباره ، نوع فلز شارژ شده به کوره و ... .
دماي کاربرد ممکن است مهمترين عامل باشد اما قطعً تنها عامل قطعي براي انتخاب ديرگدازها نيست. انتخاب صحيح ديرگدازها براي کاربردي خاص باعث مي گردد تا عملکرد آن فرآيند به خاطر خواص آن ديرگداز تحت تأثير قرار گيرد. و بهبود يابد. هر طراح کوره بايد اطلاعات کافي در مورد وضعيتي که ديرگدازهاي يک کوره با آنها روبرو مي شوند، داشته باشد. سازندگان و استفاده کنندگان از ديرگدازها بايد قبل از انتخاب ديرگداز به نکات زير توجه کنند.
1) ناحيه ي مورد استفاده
2) دماي کارکرد
3) ميزان سايش و ضربات اعمالي
4) نيروهاي ساختاري وارد بر کوره
5) استرسهاي اعمالي به خاطر گراديان دما در ساختار و نوسان دمايي
6) سازگاري شيميايي با محيط کوره
7) انتقال حرارت و صرفه جويي در مصرف انرژي
8) صرفه جويي اقتصادي
از ميان فاکتورهاي بالا بايد ارزيابي هدفمند صورت گيرد. تخمين مناسب از ويژگي هاي مورد نياز بايد به عنوان خطوط راهنما براي انتخاب مواد ديرگداز در نظر گرفته شود.
مسئله ي حفاظت از انرژي مسئله ي بسيار مهمي است که مورد توجه توليد کنندگان و مصرف کنندگان کوره ها است. مصرف سوخت را مي توان به دو روش کاهش داد. يکي با عايق کاري و دومي با افزايش سرعت فرآيند توليد. هر دو روش گفته شده باعث کاهش مصرف انرژي براي هر تن محصول توليدي مي شوند.
- واقعيات در مورد ديرگدازهاي انتخابي
1) واکنش ها و سايش به صورت اکسپنانسيلي با افزايش دما، افزايش مي يابد.
2) سيکل هاي گرمايي باعث پديد آمدن ترک، کاهش استحکام و خردشدن مواد مي شود.
3) فعل و انفعالات در ديرگدازها عادي است.
4) محکم تر همواره بهتر نيست.
) عمر مفيد آستر ديرگداز بوسيله ي ضعيف ترين بخش آن تعيين مي شود.
6) عمر مفيد کوتاه تر مي تواند ارزش افزوده ي بيشتري داشته باشد.
7) ساخت ديرگدازها بايد با استفاده از مواد خالص تر و بسيار ظريف توليد شود.
8) طراحي ريزساختار-کنترل شکل دانه ها
اجزاي تشکيل دهنده ي آستر هاي دير گداز
جداره هاي پوشش داده شده با ديرگداز از يک غشاء فولادي در بيرون و چندين غشاء ديرگداز در داخل تشکيل شده است.
آسترهاي ديرگداز ممکن است از مواد مونوليتيک ريختني يا آجرچيني (با ملات يا بدون ملات) تشکيل شده باشد.
در اکثر موارد، آستري ها از چندين لايه ديرگداز با خواص متفاوت تشکيل شده اند:
- لايه ي داخلي آستر ديرگداز که با فرآيند (مذاب فلز، سرباره و گازهاي خورنده) در تماس است.
- لايه هاي بين پوسته و لايه ي داخلي که در اغلب موارد براي ايجاد ايمني و عايق کاري استفاده مي شوند. لايه هاي عايق براي جلوگيري از هدررفتن انرژي و نگه داشتن دماي پوسته در سطح مناسب، استفاده مي شود.
ديرگدازها در هنگام حرارت ديدن داراي انبساط معناداري هستند. در شرايط کاري، تحت شرايط محدود کننده ي مکانيکي و گرمايي، آسترهاي ديرگداز بواسطه ي گراديان دمايي و نيروهاي گرمايي تغيير ضخامت پيدا مي کنند.
انبساط گرمايي آزاد آستر نسوز بوسيله ي ساختار فولادي بيروني (پوسته) کنترل مي شود. در اکثر موارد،تنش هاي گرمايي بوجود آمده به دليل وجود موانع حرارتي بسيار بيشتر از تنش هاي بوجود آمده بوسيله ي وزن کوره است. (تنش هاي حاصل از وزن به عنوان مثال در گستره ي 0.2 تا 1 مگاپاسکال است در حالي که تنش هاي حاصل از انبساط گرمايي مي تواند در گستره ي 15-100 مگاپاسکال باشد.) از ميان تمام شکل هاي مورد استفاده در ساخت ديواره هاي صنعتي، به نظر مي رسد که ساختارهاي ديرگداز مسطح و استوانه اي بهترين هندسه را داشته باشند. ديواره هاي عايق کاري شده با نسوزها عموماً به دو صورت ساخته مي شوند: يکي به صورت استوانه اي و يکي مسطح.
- آسترهاي استوانه اي که به خاطر انبساط حرارتي و فشار هيدرواستاتيک (حاصل از مذاب فلزي) در تماس کامل با پوسته ي فولادي است. بنابراين هر دو نيروي وارده بر بدنه ي ديرگداز به صورت يکنواخت بر بدنه ي استوانه اي وارد مي شود.
-رفتار آسترهاي ديرگداز مسطح به طور قابل ملاحظه اي از آسترهاي استوانه اي متفاوت است. آسترهاي مسطح ديرگداز در معرض جابجايي به سمت بيرون و داخل است. اين جابجايي ها ممکن است موجب پيچش آستر ديرگداز شوند. اين پيچش ها که در هنگام ايجاد فشارهاي سيکلي و نيروهاي انبساطي ايجاد مي شوند ممکن است به آستر آسيب برساند.
براي جلوگيري از ايجاد شکست هاي قابل توجه و آسيب ديدن آستر ديرگداز بوسيله ي نيروهاي حرارتي در مرحله ي ساخت اين آسترها بايد به مسائل زير توجه کرد:
1) انتخاب مواد ديرگداز سازگار براي ساخت آسترهاي ديرگداز
2) آناليز ترمومکانيکي منطقي و طراحي درست جهت توزيع مناسب تنش-کرنش
3) محاسبه ي شرايط عملياتي بهينه (مخصوصا دياگرام حرارت دهي)

ديرگدازها در کوره ها و پاتيل ها

کوره ها و پاتيل ها به طور خاص به عمليات حرارتي و کاربردهاي ذوب کردن مربوط مي شوند. که معمولاً اين فرآيندها در دماهاي بسيار بالا انجام مي شود. آجرهاي ديرگداز براي آسترکاري داخلي کوره ها مورد استفاده قرار مي گيرد. هنگامي که يک کوره از دماي پايين حرارت مي بيند و گرم مي شود، در مرحله ي اوليه اين حرارت صرف مي شود تا دماي آستر به دماي بالا برسد. انرژي حرارتي مورد نياز براي افزايش دماي کوره به زمان سيکل کاري کوره بستگي دارد. مصرف انرژي در مورد کوره هاي با سيکل هفتگي زياد است زيرا اين کوره ها معمولاً در آخر هفته مورد استفاده قرار نمي گيرند. در مورد کوره هاي با سيکل روزانه نيز مصرف انرژي بالاست. در واقع اين کوره ها در طي شب خاموش هستند. در نهايت در کوره هايي که در هر بار استفاده (در هنگام شارژ بدنه) روشن و در پايان عمليات خاموش مي شوند، مصرف انرژي بوسيله ي آستر آجرکاري شده مناسب است.
حرارت ذخيره شده در داخل کوره به وزن، ظرفيت حرارتي و دماي اجزاي کوره بستگي دارد.
بدون توجه به دو نوع کوره ي مورد استفاده اتلاف گرمايي نتيجه اي از:
1) اتلاف گرما از ديواره هاي کوره بوسيله ي فرآيند رسانش، تابش و همرفت
2) اتلاف گرمايي که حاصل از ذخيره شدن گرما در بخش هاي غيرضروري است.
به هرحال تفاوت هايي در مقادير اين اتلاف وجود دارد. در کوره هايي که به صورت مداوم در دماي کارشان، کار مي کنند، مقدار اتلاف انرژي از ديواره ها بسيار بيشتر از مقدار اتلاف گرمايي است که در بدنه ي کوره ذخيره مي شود. در کوره هايي که به طور متناوب روشن و خاموش مي شوند، ممکن است مقدار اتلاف حاصل از ذخيره ي گرما در بدنه ي کوره بيشتر باشد (در واقع در هر بار گرم شدن و سرد شدن کوره اين اتلاف اتفاق مي افتد).
برخي اوقات عايق هاي خارجي براي کاهش اتلاف گرمايي استفاده مي شود. در کوره هاي مداوم و يا آنهايي که داراي سيکل گرمايي طولاني مدت هستند، عايق کاري از اتلاف گرما از ديواره ها و سقف جلوگيري مي کند. در کوره هاي با سيکل گرمايي کوتاه مدت (کوره هاي متناوب)، عايق کاري سبب کاهش اتلاف گرمايي مي شود ولي با اين حال اين مسئله هنوز هم مورد توجه قرار نگرفته است.
مزيت هاي برجسته ي استفاده از عايق کاري در کوره ها را مي توان بوسيله ي مثال زير بيان کرد:
يک کوره ي آجرکاري شده ي ديرگداز با ضخامت عايق کاري 4 اينچ و دماي جداره ي داخلي 2000F، داراي اتلاف گرمايي برابر BTU 145 (واحد بريتانيايي گرما) بر فوت مربع است. هنگامي که ضخامت به 8 اينچ برسد، اتلاف گرما کاهش مي يابد و به BTU 32 بر فوت مربع مي رسد. و هنگامي که ضخامت به 9 اينچ برسد، اين اتلاف دوباره کاهش يافته و به BTU 18 بر فوت مربع مي رسد.
اتلاف گرمايي را همچنين مي توان با افزايش صخامت آجر ديرگداز به مقدار قابل قبولي کاهش دهيم اما اين روش، روش مؤثري نيست، زيرا باعث افزايش هزينه ي ساخت کوره مي شود. البته اين روش از روش عايق کاري بهتر است.

اثرعايق کاري بر روي دماي ديرگدازها

هنگامي که ديواره ي خارجي يک کوره عايق کاري شود، اتلاف گرمايي بايستي کاهش يابد و يا گرماي توليدي در داخل کوره بهتر نگهداري مي شود. اين بدين معناست که در عمل، دماي ميانگين ديواره هاي ديرگداز حتي هنگامي که مصرف سوخت کاسته مي شود، همچنان افزايش يافته و اين مسئله مي تواند باعث گردد که ديرگداز و يا عايق گداخته شود بنابراين:
1) ديرگداز ممکن است ذوب شود و کوره متلاشي شود.
2) عايق ممکن است آسيب ببيند و غيرفعال شود.
اتلاف گرمايي از ديواره هاي کوره
اتلاف گرمايي از جداره هاي پاتيل و کوره مي تواند به طور اساسي بر مقدار مصرف سوخت و هزينه ي صرف شده براي توليد محصولات اثر بگذارد. مقدار اتلاف گرمايي از ديواره ها به موارد زير وابسته است:
1) قابليت نشر (emissivity) ديواره
2) رسانش ديرگداز
3) صخامت ديواره
4) مداوم بودن يا متناوب بودن کوره
مواد مختلف قابليت نشر متفاوتي دارند مثلاً قابليت نشر ديواره هاي پوشش داده شده با دوغاب آلومينيومي کمتر از آجرهاست.

شکل يک نشان دهنده ي ضريب اتلاف گرمايي براي شرايط زير است :

1) سطح معمولي
2) سطح پوشش داده شده با دوغاب آلومينيومي
نمودار رسانش گرمايي مواد ديرگداز متنوعي مانند آجر سيليس، آجر ساخته شده از رس نسوز و آجر عايق (Insulation) نسبت به دما در شکل دو آورده شده است.

بنابراين در دماي 600 درجه سانتيگراد که دمايي متوسط محسوب مي شود، رسانش آجر عايق تنها 20% آجر ساخته شده با رس نسوز است.
اتلاف گرمايي را مي توان با افزايش ضخامت جداره و يا استفاده از آجرهاي عايق کاهش دهيم. دماي جداره ي بيروني و اتلاف گرمايي براي يک ديواره ي مرکب از آجر عايق و آجر ساخته شده بارس نسوز بسيار پايين تر است زيرا رسانايي آجر عايق در مقايسه با آجرهاي ديرگداز کمتر است.
اگر ضخامت ديواره ي کوره کم باشد و همچنين در ساخت آن از آجر عايق استفاده نشده باشد، اتلاف گرمايي در اين ديواره افزايش مي يابد. اين مسأله بوسيله ي شکل سه نشان داده شده است.

بنابراين اتلاف گرمايي براي ديواره ي کوره اي با ضخامت 115 ميلي متر در دماي 650 درجه سانتيگراد، 2650 کيلوکالري بر متر مربع بر ساعت [kcol/m2.hr] است که در صورتي که از عايق استفاده شود اين مقدار به 850 کيلوکالري بر مترمربع بر ساعت کاهش مي يابد.

اتلاف گرمايي از جداره ي کوره به عوامل زير بستگي دارد :

1) دماي داخل کوره
2) دماي هواي بيرون
3) سرعت جريان هواي بيرون
4) پيکربندي ديواره هاي کوره
5) قابليت نشر ديواره ها
6) ضخامت ديواره ها
7) رسانايي گرمايي ديواره ها
دو مورد آخر که در بالا اشاره شد به راحتي بوسيله ي توليدکنندگان کوره قابل کنترل است. از بحث انجام شده مي توان موارد زير را نتيجه گرفت :
1) هنگامي که ضخامت ديواره افزايش يابد،اتلاف گرما کاهش مي يابد.
2) هنگامي که ضخامت عايق افزايش يابد، اتلاف گرما کاهش مي يابد.
3) تأثير عايق کاري در کاهش اتلاف گرما از افزايش ضخامت ديرگداز بيشتر است (تقريباً يک سانتيمتر از يک آجر عايق تأثيري برابر با 5-8سانتيمتر آجر ساخته شده از رس را دارد.)
4) در کوره هاي غيرمداوم، جداره ي عايق کاري شده ي نازک نسبت به جداره هاي ضخيم تر ترجيح داده مي شود زيرا در جداره هاي نازک تر انرژي کمتري ذخيره مي گردد.
5) يکي از روش هايي که مي تواند استفاده گردد تا گرماي ذخيره شده را کاهش دهيم اين است که ديرگدازهاي بخش داخلي آستر نسوز را از نوع مواد عايق استفاده کنيم.
ديرگدازهاي مناسب با استحکام خوب و مقاوم در برابر خردشدن را مي توان در گستره ي دمايي 1300 درجه سانتيگرد استفاده کرد. اين ديرگدازها که از جمله مواد عايق محسوب مي شوند را عايق هاي هات فيس (hot face insulation) ناميده مي شوند.
6) آجرهاي ساخته شده از عايق هاي هات فيس از ديرگدازهاي معمولي سبک ترند. اين آجرها معمولاً وزني معادل يک سوم يا يک دوم آجرهاي ديرگداز معمولي دارند. بنابراين گرماي ذخيره شده در داخل اين آجرها بسيار کم است.
منبع انگلیسی : www.PDHcenter.com
/ن