مواد خام اسپینلی(منیزیم آلومیناتی)(2)

انواع محصولات

محصولات تجاری اسپینلی به دو گروه تقسیم می شوند. این دو گروه در دو طرف نسبت استوکیومتری 71.8 درصد آلومینا (28.2 درصد منیزیا) قرار دارند. محصولات غنی از منیزیا (MR66) دارای منیزیای اضافی و محصولات غنی از آلومینا(AR78وAR90) دارای آلومینای اضافی هستند.باتوجه به ناحیه ی فازی اسپینل، در دمای بالاتر از 1900 درجه ی سانتیگراد یک فاز اسپینل دارای 90درصد آلومینا وجود دارد که می توان با سریع سرد کردن آن را تا دمای محیط حفظ کرد.
در دماهای پایین تر مثلا 1600 درجه ی سانتیگراد که در فولادسازی با آن رو برو می شویم، درصد بالای آلومینا در AR90 ناپیدار می شود و مخلوطی از اسپینل و کوراندوم (آلومینا) آزاد تشکیل می دهد. فاز اسپینلی AR78 در نزدیک دمای 1600 درجه ی سانتیگراد پایدار می ماند. به سمت منیزیا، تشکیل محلول جامد فاز اسپینلی بسیار کمتر است از این رو MR66 دارای میزان کمی پریکلاز( منیزیا) است.

اسپینل های غنی از منیزیا ( )

خواص و کاربرد های اسپینل های غنی از منیزیا بوسیله ی میزان پریکلاز موجود در آنها کنترل می شود. به دلیل آنکه MR66 دارای آلومینای آزاد نیست؛ با اضافه شدن آن با آجرهای منیزیایی اسپینل تشکیل نمی شود و از این رو انبساط ثانویه در آجر رخ نمی دهد( این گونه انبساط ها مخرب هستند). افزودن MR66 به آجرهای منیزیایی برای مثال در نسوز های مورد استفاده در کوره های دوار سیمان به طور چشم گیری مقاومت به شک حرارتی را بهبود می دهد و ازاین رو می توان این افزودنی ها را به جای افزودنی های سنگ کروم استفاده کرد. این مسئله باعث می شود تا نگرانی در مورد مشکلات زیست محیطی استفاده ازسنگ معدن کروم دار ازبین برود. مکانیزم بهبود مقاومت به شک حرارتی در این دیرگدازها، انبساط حرارتی پایین اسپینل(برخلاف پریکلاز) است که باعث پدید آمدن میکروترکها می شود. این میکروترک ها در مقابل گسترش ترک مقاومت می کنند.
مقدار کم منیزیا موجود در MR66 باعث می شود که نتوانیم از اسپینل غنی از منیزیا در سیستم های مایع مانند دیرگداز های ریختنی استفاده کرد؛ علت این مسئله این است که هیدراسیون پریکلاز ممکن است باعث تشکیل هیدروکسید منیزیم شود که تشکیل این ماده باعث پدید آمدن تغییرات حجمی ثانویه می شود و این تغییرات حجمی نیز سبب پدید آمدن ترک هایی در دیرگداز ریختنی می شود. اسپینل غنی از منیزیا در کوره های سیمان مخصوصا در noserings و نقاط گرم کاربرد دارد.

اسپینل های غنی از آلومینا( )

اسپینل های غنی از آلومینا بزرگترین حجم را در بین اسپینل های دیرگداز را دارد. این نوع اسپینل دیرگداز در اجزای دیرگداز فولادسازی مصرف می شود. دلیل استفاده از این نوع دیرگداز به دلیل دو خاصیت مهم این دیرگدازهاست خاصیت اول ویژگی های حرارتی مانند بهبود استحکام گرم و مقاومت به شک حرارتی است و ویژگی دوم مقاومت به خوردگیدر برابر سرباره ی فولادسازی است.افزودن اسپینل های غنی از آلومینای با خلوص بالا به دیرگداز های ریختنی آلومینایی به طور چشم گیری استحکام گرم آنها را بهبود می دهد(شکل 2)
درصد اسپینل موجود در این دیرگدازها بین 15-30 درصد است که باعث می شود میزان منیزیا در آنها بین 4-10 درصد باشد. توسعه های که اخیرا در این زمینه و به وسیله ی Franken و همکارانش (4) انجام شد، نشان داد که استفاده از دیرگدازهای اسپینلی پخته شده برای مثال در آسترهای ایجاد شده برروی فولاد باعث کاهش 0 درصدی عمر مفید می شود. این تحقیقات در مقایسه با آجرهای اسپینلی کم سیلیس ( کمتر از0.1 درصد سیلیس) تا پرسیلیس (1.0 درصد سیلیس) انجام شده است. این مسئله ثابت کرد که عملکرد بهینه تنها زمانی بدست می آید که از مواد مصنوعی با خلوص بالا استفاده شود.
مقاومت به سرباره ی اسپینل غنی از آلومینا مهم ترین ویژگی این ماده است. این ویژگی دلیل اولیه برای استفاده از این دیرگداز در فولادسازی است. اسپینل های غنی از آلومینا مانند AR78وAR90 که به ترتیب دارای 78 و 90 درصد جرمی آلومینا هستند دارای ساختار کریستالی اسپینل هستند. اجزای بانقطه ذوب پایین و ویسکوزیته ی کم مانند MnO و FeO نیز مانند دو جزو بالا عمل می کنند(این اجزا در سرباره ی نفوذکننده وجود دارد(شکل 3)). همین طور که ترکیب سرباره از اکسید آهن و اکسید منگنز فقیر می شود، ویسکوزیته ی سرباره افزایش می یابد و تمایل به نفوذ و ایروژن کاهش می یابد.
برای اسپینلی که از آلومینا غنی تر است مانند AR90 ، محلول جامد اسپینل غنی آلومینا در دمای فولادسازی از لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار می شود و آلومینا از اسپینل جدا می شود(شکل 4). این آلومینا با اکسید کلسیم موجود در سرباره واکنش می دهد و یک فاز داخل دانه ای به نام کلسیم هگزاآلومینات (CA6) بوجود می آورد. کلسیم هگزاآلومینات یک فاز بسیار دیرگداز است(نقطه ذوب این ماده از دمای 1875درجه ی سانتیگراد شروع می شود) و علاوه بر واکنش تشکیل
آن با انبساط حجمی توام است که این مسئله باعث کاهش تخلخل سطحی دیرگداز شده و تمایل به نفوذ سرباره را در دیرگداز کاهش می دهد.
تست های عملی مقاومت به سرباره در یک کوره ی القایی با دمای 1600 درجه ی سانتیگراد و در حضور سرباره های اسیدی و بازی انجام شده است. فرمولاسیونی از دیرگدازهای دارای اسپینل و بدون اسپینل تولید شده اند،قالب گیری شده و بر روی دیرگداز های کورهی القایی قرار داده شده اند. بمحض کامل شدن آزمایش، میله های مورد آزمایش به دو نیم تقسیم شدند نا بتوان میزان نفوذ سرباره و ایروژن را در آنها ارزیانی کرد. نتایج این کار در شکل 5 آورده شده است. این نتایج حاکی از آن است که دیرگدازهای حاوی اسپینل عملکرد بسیار خوبی در برابر حملات عوامل سرباره دارند. با افزودن اسپینل نفوذ سرباره و خوردگی در سطح تماس فلز-سرباره به طور چشمگیری کاهش می یابد.
میزان جاهای خالی و نوع اسپینلی افزوده شده به دیرگداز به شیوه ی خاصی بر روی مقاومت سرباره تاثیر دارد. حضور اسپینل AR78 در دیرگداز به صورت ریزخواصی مانند استحکام گرم را بهبود می دهد. خوب است بدانید که اگر همین مقدار اسپینل به صورت درشت در دیرگداز پخش باشد خواص را به اندازه ی حالت قبل بهبود نمی دهد. بنابر این تولید AR78 با اندازه ی دانه ی 20 الی 45 میکرون گستره ی مناسب اندازه ی دانه می باشد. اسپینل AR90 دارای عملکرد دیگری است و این امر ضروری است که اندازه ی دانه های آلومینای تابولار مورد استفاده درشت باشد. آزمایشات تجاری زیادی که در این زمینه انجام شده است که دانه های AR78 باید ریز باشد و AR90دارای آلومینای درشت باشد.
Itose و همکارانش(5) بهبود مشابه درمقاومت به خوردگی و نفوذ سرباره در هنگام افزوده شدن پودر نرم اسپینل به دیرگدازهای ریختنی آلومینا-اسپینل گزارش داده اند. این گروه دیرگدازهای ریختنی حاوی بیش از 20 درصد پودر نرم اسپینل را مورد مقایسه قرار داده اند و مشاهده کرده اند که میزان خوردگی و نفوذ به میزان 40-50 درصد کاسته شده است.