مواد خام اسپینلی(منیزیم آلومیناتی)(1)

مواد خام اسپینلی(منیزیم آلومیناتی) برای پاتیل های فولاد با کارایی ویژه

چکیده

تولید فولاد با کیفیت بالا نیازمند اعمال فرایند های فراوانی بر روی فولاد موجود در پاتیل مذاب است. این مسئله اثرشدیدی بر روی دیرگدازهای پاتیل دارد برای مثال درجاهای حساس این فرایند مثلا در خروجی ها(purging plugs ) نیاز است تا از دیرگدازهای با کارایی بالا استفاده شود. تغییرات عملیاتی مانند افزایش دمای برخورد ، زمان نگهداری طولانی تر و محیط های متالورژیکی خورنده تر باعث شده است تا نیاز به جداره های دیرگداز نازک تر و با عمر مفید بیشتر احساس شود. این فاکتورهای ترکیبی باعث شده است تا مواد اولیه ی اسپینلی(منیزیم آلومیناتی) دوباره مورد توجه قرار گیرد.
اسپینل های منیزیم آلومیناتی برای سالیان درازی در دیرگدازهای فولادسازی استفاده می شوند. این ماده در اشکال مختلف استفاده می شوند.این مقاله تولید، خواص و کاربردهای اسپینل ها را مورد بررسی قرار می دهد. همچنین توسعه های بوجود آمده ی اخیر در زمینه ی کاربرد اسپینل ها نیز مورد بحث قرار داده شده است.

مقدمه

این مقاله ساختار، خواص و کاربرد اسپینل های منیزیم آلومیناتی بااتوجه خاص به مزایای آنها در فرمولاسیون دیرگدازهای مورد استفاده در تولید فولاد خالص، مورد بررسی قرار می دهد.
اسپینل های منیزیم آلومیناتی به طور روزافزون در دیرگدازهای فولادسازی مورد مصرف قرار می گیرد.این مسئله به دلیل وجود خواص منحصر بفرد در این دیرگدازها مانند :مقاومت به خوردگی در برابر سرباره فولادسازی، مقاومت به شک حرارتی و استحکام گرم استثنایی بوجود آمده است. دیرگدازهای اسپینلی در ابتدا(میانه ی دهه ی 1960) بوسیله ی واکنش مستقیم آلومینا با فاز پریکلاز موجود در آجرهای منیزیایی تولید شد و از آن برای آسترکاری کوره های سیمان استفاده شد.دسترسی به مواد اولیه ی با کیفیت بالادر تولید اسپینل موجب شد تا دیرگدازهایی با کیفیت بالا در فرم های بی شکل و آجر بوجود آیند.

خواص

ساختار
اسپینل منیزیم آلومیناتی یکی از اعضای گروه اکسیدی است که دارای ساختار کریستالی اسپینلی است. گروه اسپینل دارای بیش از 20 عضو می باشد اما تنها تعداد کمی از آنها متداول هستند. فرمول عمومی گروه اسپینل است که در این فرمول A یک یون فلزی دوظرفیتی مانند منیزیم، آهن، نیکل، منگنز، و یا روی است. و B یک یون فلزی سه ظرفیتی مانند آلومینیوم، آهن، کروم ویا منگنز است.عبارت اسپینل بیان شده در این مقاله به اسپینل اشاره دارد، اسپینل معدنی که تنها ترکیب موجود در سیستم سه تایی است.
یکی از ویژگی های مهم این گروه از مواد معدنی قابلیت تشکیل محلول جامد بین نشینی است. درواقع درصد زیادی از یک یا هر دو جزء اسپینل می تواند بدون تغییر در ساختار با ترکیبات دیگر جایگزین شود. هر دو یون منیزیم و آلومینیوم می توانند با یون هایی که شعاع نزدیک به آنها دارند و از لحاظ ظرفیت نیز مشکلی ندارند، جایگزین شوند. در نتیجه در اعضای گروه اسپینل گستره ی وسیعی از محلول های جامد بوجود می آیند. علاوه بر این ساختار نشان می دهد که ناحیه ی فازی با افزایش دما افزایش می یابد.(مخصوصا در مورد محلول های جانشینی که میزان آلومینای آنها بیش از حد معمول است). تعادل الکتروشیمیایی در این ساختار بوسیله ی بوجود آمدن جاهای خالی کاتیون و آنیون(اکسیژن) بوجود می آید. این ویژگی که بعدا بیشتر در مورد آن صحبت می کنیم یک فاکتور اصلی در پیشرفت اسپینل مقاوم در برابر سرباره های فولاد سازی است.

خواص فیزیکی

اسپینل منیزیم آلومیناتی یک ماده ی با دیرگدازی بالا است که نقطه ذوب آن 2135 درجهی سانتیگراد است. جدول 1 مقایسه ای از دانسیته، ضریب انبساط حرارتی و رسانایی گرمایی منیزیا و آلومینا فاز اسپینل را نشان می دهد.تفاوت در ضریب انبساط حرارتی این فازها نشان دهنده ی مقاومت به شک حرارتی بالا در اسپینل است.کاهش دانسیته در اسپینل نشان دهنده ی افزایش حجم ویژه ی ماده در طی فرایند تشکیل اسپینل است که این مسئله بایددر کاربردهای فنی مانند ریختنی ها (جایی که اسپینل در محیط کار تشکیل می شود)باید مد نظر قرار گیرد.این اثرات و تاثیر آنها برروی کاربردها در ادامه توضیح داده می شود.

تولید

منابع طبیعی اسپینل برای مصرف در کاربردهای دیرگداز شناخته شده نیستند از این رو باید اسپینل را به صورت مصنوعی تولید کرد. دو روش اصلی در تولید اسپینل روش های زینترینگ و گداخت است. بیشتر گریدهای اسپینل که در صنعت دیرگداز مصرف می شوند از ترکیب اکسید آلومینیوم خالص و اکسید منیزیم گرید شیمیایی تولید می شود. تولید اسپینل به روش زینترینگ در یک کوره ی شافت (shaft kiln) ودر روش گداخت در یک کوره ی قوس الکتریکی انجام می شود. در تولید اسپینل نیاز است تا ماده بسیار ریز باشد و مواد اولیه فعال باشند زیرا تشکیل اسپینل در حالت جامد دارای سد سینتیکی است و از لحاظ جنبه های سینتیکی با مشکل روبروست. یکی از برتری های روش زینترینگ در تولید اسپینل این است که این فرایند یک فرایند مداوم است و سرعت ورود مواد اولیه به کوره و توزیع دما در کوره قابل کنترل است. این مسئله باعث می شود تا محصول نهایی بسیار یکنواخت باشد و اندازهی دانه ای در گسترهی 30-80 میکرون داشته باشد و همچنین میزان تخلخل محصول نهایی نیز کم(کمتر از 3 درصد) باشد. به عبارت دیگر در حقیقت فرایند گداخت یک فرایند غیر مداوم است. قطعات بزرگ(شمش های بزرگ) مورد استفاده در این فرایند را باید با دادن زمان فراوان سرد کرد. که این زمان دهی باعث می شود ریز ساختار اسپینل تولیدی غیر یکنواخت باشد. در اکثر موارد کریستال های موجود در سطح این قطعات کوچکترند که علت این مسئله سرعت سرد شدن بیشتر سطح نسبت به عمق است.در مرکز این قطعات ناخاصی ها تجمع پیدا می کنند. از این رو مواد اسپینلی تولید شده از فرایند ذوب تنها در هنگامی بدست می آیند که مواد اولیه با دقت بالا انتخاب شوند و میزان ناخالصی بالایی نداشته باشند.
استفاده از مواد با خلوص بالا در تولید اسپینل همچنین باعث پدید آمدن مزیت دیگری می شوند و آن این است که دانه های تولیدی ناخالصی بسیار کمی دارند. (بیش از 99 درصد از آنها را منیزیا و آلومینا تشکیل داده است). مخصوصا میزان سیلیس این دانه ها کم بوده واز این رو خواص آنها در دمای بالا استثنایی است.اسپینل های تولیدی بر پایه ی بوکسیت نیز مورد ارزیابی قرار گرفته اند Mooreو همکارانش (2) متوجه شدند که اسپینل های تولیدی از بوکسیت و دیاسپور سرعت خزش بسیار بالاتری نسبت به اسپینل های بر پایه ی آلومیتای سنتزی دارنذ.این سرعت خزش به خاطر فاز شیشه ای تشکیل شده در دانه ها یه دلیل وجود ناخالصی در بوکسیت(سیلیس، تیتانا، اکسید آهن و عناصر قلیایی)پدید می آید. اسپینل های بوکسیتی کاربردی شبیه به اسپینل های بر پایه ی آلومینای سنتزی را نداشته و تنها می توان از آنها در مکان هایی استفاده کرد که مقاومت به ایروژن بالا نیاز نیست و یا استحکام گرم مسئله ی مهمی نباشد.