مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
خواص محصولات دیرگداز در حین سرویس دهی
ارزیابی قابلیت استفاده ی محصولات دیرگداز در یک زمینه ی صنعتی معین، رویه ای مشکل و تکنیکی است. خواص ماده باید به طور کامل شناخته شود و اثر آن بر روی رفتار ماده حین قرار گیری در محیط کاری، نیر مورد ارزیابی قرار گیرد. اطلاعات مورد نیاز برای بررسی خواص ماده در حین سرویس دهی از بررسی مواد اولیه ی مورد استفاده در تولید این دیرگدازها شروع می شود. در حقیقت، یک دیرگدازباید به گونه ای فراوری شود که طبیعت ماده ی اولیه حفظ گردد. تا جاییکه، رفتار ماده ی دیرگداز عمدتا بوسیله ی پدیده ی خوردگی و اشباع شوندگی کاپیلاری، ترکیب شیمیایی، تخلخل های باز (حجم و توزیع اندازه ی تخلخل ها) و ریزساختار تعیین می شود. آرایش اجزای مختلف نیز باید در نظر گرفته شود. این آرایش ها عبارتند از:
1) توزیع فازهای مینرالوژیکی
2) طبیعت و توزیع ناخالصی ها
3) توزیع اندازه ی ذرات
4) اندازه ی کریستال ها در اگریگیت های زینتر شده
5) تغییرات محلی در ترکیب شیمیایی
6) توسعه ی باند اتصال دهنده
7) محل قرار گیری افزودنی های خاص
1) ضریب انبساط حرارتی
2) رسانایی گرمایی و حرارت ویژه
3) مدول الاستیک
4) استحکام پیوند دهی، استحکام کششی، مقاومت در برابر خرد شدن
5) خزش و رفتار مکانیکی که موجب تجمیع پدیده ی ویسکوالاستیک و تخریب ها می شود.
سایش و فاکتورهای تخریب
سایش دیرگدازها دارای دو منشع اصلی است: یکی خوردگی و دیگری تخریب ترمومکانیکی. در عمل، در تأسیسات صنعتی، این دو نوع از تخریب بسیار متداول هستند. برای مثال، نفوذ سرباره در داخل تخلخل های یک دیرگداز می تواند منجر به ایجاد خوردگی شیمیایی شود. این خوردگی به طور قابل توجهی بر روی طبیعت و آرایش فازها اثر می گذارد و موجب می شود تا خواص ترمومکانیکی ماده تغییر کند. استفاده کنندگان از این دیرگدازها سپس مشاهده می کنند که لایه هایی که سرباره در آنها نفوذ کرده به طور مکرر جدا می شوند. این پدیده مقیاس گذاری ساختاری نامیده می شود و منجر به محدود شدن عمر مفید آسترکاری بخش می شود. خوردگی و تخریب های ترمومکانیکی ممکن است تشیدید و یا محدود شود. این مسئله به پارمترهای مختلفی بستگی دارد. این پارمترها نیز به نوع ماده و شرایط محیطی بستگی دارند. شکل 1 پارامترهای مختلفی را نشان می دهد که بر روی سایش دیرگدازها اثرگذار هستند.
رفتار ترموشیمیایی دیرگدازها
ابزارهای خوردگی
برای توضیح پدیده های مربوط به خوردگی، ما نیازمندیم تا:ادراک مقدماتی در زمینه ی ترمودینامیک حاصل شود. همچنین ما نمی توانیم از قوانین شیمی و مخصوصا قوانین ترمودینامیک صرفنظر کنیم. ما مجبوریم تا از آنها استفاده کنیم و بواسطه ی آنها از خطاهای متداول جلوگیری کنیم. همچنین با استفاده از این قوانین می توانیم حالت تعادل میان عوامل خورنده و مواد دیرگداز را تعیین کنیم.
فاکتورهای کینتیکی مربوط به طبیعت گذرای واکنش ها باید در نظر گرفته شوند. در نظر گرفتن این فاکتورها با توجه به ریزساختار ماده، پارامترهای ویسکوزیته، کشش سطحی و ترشوندگی با سرباره، انجام می شود.
باید طبیعت ویژه ی محصولات دیرگداز در نظر گرفته شود. این طبیعت شامل میزان تخلخل و درصد غیر هموژن بودن اجزای مختلف است.
در بیشتر موارد، ما نمی توانیم از روش های شبیه سازی استفاده نکنیم. این روش ها به همراه آزمون های آزمایشگاهی می تواند ما را در انتخاب دیرگداز کمک کند. به هر حال، واقعیت های صنعتی ایجاد شده در این حالت، پیچیده هستند. بررسی دیرگدازهای مورد استفاده در مقیاس های مختلف، به روش های آنالیز بستگی دارد (روش شیمیایی، تفرق اشعه ی X، میکروسکوپ الکترونی). با استفاده از این روش ها، می توان مکانیزم های بوجود آمده در این واکنش ها را تشخیص دهیم و به سمت پیدا کردن راه حل های مناسب حرکت کنیم.
مکانیزم های فعال خوردگی
موارد زیر مکانیزم های خوردگی اصلی هستند:نفوذ مواد مذاب (سرباره) به داخل تخلخل های دیرگداز و تشکیل فازهای هوازده شده.
انحلال
نفوذ اکسیدهای مایع به داخل زمینه ی مادهواکنش های میان فازهای جامد، مایع و گاز مانند اکسایش و کاهش و انحلال
در عمل، چندین مکانیزم می تواند به طور همزمان اتفاق افتد.
نفوذ کاپیلاری
دیرگدازها دارای تخلخل های بازی هستند که سرباره به داخل آنها نفوذ می کند. این نفوذ به طبیعت ماده بستگی دارد. این نوع از نفوذها و اشباع شوندگی ها در دیرگدازهای بدون کربن ایجاد می شود. به هر حال، نفوذ و اشباع شوندگی بسیار محدود است و در دیرگدازهای کربن دار بوجود نمی آید (زیرا کربن دارای اثر ضد تر شوندگی است). برای یک مقدار تخلخل معین، دامنه ی این پدیده به نیروی محرکه ی کاپیلاری وابسته است. این نیرو تابعی از کشش سطحی سرباره، زاویه ی اتصال سرباره بر روی سطح دیرگداز و ویسکوزیته است. با افزایش سطح مشترک سرباره- دیرگداز، نفوذ سرباره افزایش یافته و ازاین رو ترکیب شیمیایی سرباره تغییر می کند. با این تغییر، ویسکوزیته و پارامتر ترشوندگی نیز تغییر می کنند. شکل 2 ریزساختار یک دیرگداز را که در داخل سرباره شناور شده است، نشان می دهد.
در دیرگدازهای آلومینایی و آلومینوسیلیکاتی، مایع های با خاصیت بازی کمتر، به شدت پلیمریزاسیون انجام می دهند و از این رو ویسکوزیته ی این مایعات بالا می رود. مهاجرت در این مایعات آهسته است و سرعت این مهاجرت کمتر از 1 mm/hr می باشد. در این حالت، سرباره با دانه های ریز بایندر اتصال دهنده، واکنش می دهد.
نتایج حاصل از تجمیع فازهای موجود در لایه های اشباع شده و حالت فیزیکی آنها در دمای سرویس دهی واضح است:
در دیرگدازهای بازی، مایعات به سمت عقب مهاجرت می کنند و به سمت دیواره ی دیرگداز حرکت می کنند تا وقتی که به نقطه ی ایزوترم انجماد برسند. در سر راه این حرکت، این مایعات در شبکه ی تخلخل های موجود رسوب می دهند و موجب ایجاد فازهای دیرگداز جدید می شوند.
در دیرگدازهای آلومینایی، مایعات نمی توانند به انتهای ایزوترم کریستالیزاسیون برسند. در این حالت اشباع شوندگی به از عمقی تجاوز نمی کند که در آن مهاجرت مایع سریع تر از حل شدگی سطحی نمی باشد. در این شرایط، یک بخشی از مایع در سراسر لایه ی اشباع شده، باقی می ماند و در حین سرد شدن، فاز شیشه ای تشکیل می دهد.
انحلال
از آنجایی که سرباره های صنعتی هرگز بوسیله ی اجزای دیرگداز اشباع نمی شوند، انحلال اتفاق می افتد و این انحلال بوسیله ی نفوذ و تفاوت میان پتانسیل شیمیایی اکسیدهای موجود در دیرگداز و سرباره، کنترل می شود (شکل 4 و 5).
نفوذ اکسیدهای مایع به داخل زمینه ی ماده
این مکانیزم خوردگی که در دیرگدازهای کربن دار رخ می دهد، مشابه ایروژنی است که به دلیل فروپاشی و انتقال در بخش های جامد سرباره ایجاد می شود. در این حالت انحلال قابل توجهی در دیرگداز ایجاد نمی شود. این تخریب با نفوذ سرباره به داخل زمینه ی دیرگداز بوجود می آید. مقاومت به خوردگی ضرورتا به ساختمان و ساختار زمینه ی ماده، استحکام و اندازه ی ذرات گرافیتی، افزودنی ها و مقدار ذرات ریز بستگی دارد.واکنش های میان فاز جامد، مایع و گازی
این واکنش ها معمولا واکنش های غیر هموژنی هستند که در میان انواع مختلفی از فازها بوقوع می پیوندند. این فازها می توانند مایع، گاز یا جامد باشند. یک لیست کلی از تمام واکنش های ممکنه وجود دارد. این واکنش ها از خانواده ی واکنش های انحلالی، تبخیری، کاهشی، ترکیب شدن با کربن، اکسایش و کاهش و تشکیل ترکیبات جدید می باشند.همانگونه که در جدول 1 نشان داده شده است، واکنش های کاهشی زیادی در دیرگدازهای منیزیا- کربنی در دمای بالا، ایجاد می شود. این واکنش ها به واسطه ی وجود کربن، دانه های پریکلاژ و سیلیکات های آهکی بوجود می آید.
رفتار ترمومکانیکی دیرگدازها
ابزارهای ترمومکانیکی
مکانیزم های ترمومکانیکی شامل مکانیزم های زیرهستند:مطالعه ی حالت های ایجاد تنش و نتایج حاصل از ایجاد تنش در یکپارچگی آسترکاری های دیرگداز و بخش های نسوز به منظور پیش بینی رفتار ماده در حین سرویس دهی
طراحی راه حل های فنی به منظور اطمینان یافتن از کنترل پدیده های مکانیکی
تعیین خاصیت مواد در برابر تنش های ترمومکانیکی یک نقش کنترلی ایفا می کند. این کار با استفاده از ابزارهای مدل سازی المان محدود انجام می شود. در این زمینه، مدل سازی به طور قابل ملاحظه ای توسه یافته است. این توسعه به دلیل پیشرفت کامپیوترها و گسترش نرم افزارها در این زمینه، انجام شده است.
ابزار ثانویه در این زمینه، مشاهدات انجام شده می باشد. این مشاهده بیشتر سنتی است و هنوز هم ابزاری مهم است. در حقیقت این مشاهداتی هستند که می تواند با اندازه گیری همراه باشد. و می تواند به ما کمک کند تا تخریب های ترمومکانیکی ایجاد شده را تشخیص دهیم.
تخریب ترمومکانیکی
تخریب ترمومکانیکی دیرگدازها می تواند به سه گروه تقسیم بندی شود:تخریب
تخریب در مقیاس ریزساختاری ماده ایجاد می شود. این تخریب در سطح آگریگیت ها و باند اتصالی آنها ایجاد می شود. ایجاد این تخریب موجب افت صلبیت می شود. نتایج حاصله موجب افزایش تخریب ماده با فرایند ایروژن و شوک های مکانیکی می شود. این نوع از تخریب با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نمی باشد اما از طریق تست های غیر مخرب یا مخرب قابل تشخیص است.پوسته ای شدن
این تخریب نوعی تخریب پوسته ای است که در دیرگدازها ایجاد می شود. این تخریب از چند میلی متر تا چند سانتیمتر متغیر است. نتایجه حاصله از این نوع تخریب عبارتست از اتلاف ماده و رشد ترک های موازی با سطح آجرها. در این نوع تخریب، حجم تخریب بالاست اما با توجه به این موضوع که آسترکاری مواد دیرگداز ضخیم است، این نوع تخریب زیاد مهم نیست. پوسته ای شدن اغلب در طی اعمال رژیم های گرمایی و تغییرات سریع دما در سطوح داغ آجرها، حاصل می شود. با استفاده از در نظر گرفتن اصول ساده ی شکست در مدل سازی ها می توان پوسته ای شدن را در بسیاری موارد پیش بینی کرد.شکست
شکست نتیجه ای از گسترش یک ترک به داخل یک آجر می باشد. در عمل، شکست تا جایی پیش می رود که قطعات شکل دهی شده از همدیگر جدا می شوند و شکست موجب اتلاف ماده می شود. این پدیده یک پدیده ی فاجعه آفرین است.این تخریب های مختلف از سه فاکتور نشئت می گیرند:
1) تنش های اعمال شده بوسیله ی فرایند و شرایط عملیاتی
2) قوانین رفتاری ماده
3) طراحی دیرگداز
تنش های اعمالی بوسیله ی محیط پیرامون
تنش های ترمومکانیکی ایجاد شده بوسیله ی محیط پیرامون دو نوع هستند:1) آن تنش هایی که از برخورد مواد جامد و وزن ابزار ایجاد می شوند. همچنین آن دسته از تنش هایی که از ایروژن ایجاد شده بوسیله ی حرکت بار بر روی دیرگدازها ایجاد می شود نیز از این دسته هستند.
2) آن تنش هایی که به دلیل وجود شرایط حرارتی خاص درحین سیکل های عملیاتی درابزار ایجاد می شود. این تنش ها را می توان با دما، سرعت حرارت دهی و شار حرارتی تابشی و همزفت، مرتبط ساخت. شرایط مرزی ایجاد شده در این بخش ها به گونه ای است که سطح داغ ماده بر روی سطح دیرگداز واقع شده و سطح دیگر دیرگداز در داخل هوا قرار دارد.
خواص و قوانین رفتاری ماده
توزیع دما در داخل ماده تابع خصوصیت های زیر است: دانسیته (p)، گرمای ویژه (c)، رسانایی گرمایی (λ) و ضریب پخش حرارتی (a=λ/pc). تمام این شاخصه ها به ترکیب شیمیایی دیرگداز وابسته اند. رسانایی و ضریب پخش همچنین به نوع مینرال ها و مرفولوژی فازها نیز وابسته اند. میدان های تنشی ایجاد شده به خاطر توزیع گرمایی و شرایط مرزی مکانیکی، تابع انبساط حرارتی و قوانین رفتاری ماده است. انبساط گرمایی به ماهیت شیمیایی و کریستالوگرافی ماده بستگی دارد.قوانین رفتاری روابطی میان تنش (σ) و تغییر شکل (ε) بیان می کنند و بوسیله ی آنها می توان ε را به صورت تابعی از زمان ترسیم کرد. این قوانین رفتاری به طور قابل توجهی به ریزساختار ماده و فرایند تولید آن، بستگی دارد. رفتار ترمومکانیکی دیرگدازها بوسیله ی دو اثر اصلی شناسایی می شود:
1) اثرات غیر خطی و ویسکوالاستیکی که بوسیله ی دو مکانیزم زیر توصیف می شوند: تخریبی که در دمای پایین ایجاد می شود و تنشی که اغلب به دلیل جریان فازهای شیشه ای در دمای بالا، آزاد می شود.
2) یک عدم تقارن میان کشش و فشار. در حقیقت، نقاطی وجود دارد که در آنها رفتار دیرگداز یک رفتار متقارن کششی- فشاری است. این نقطه که مربوط به میدان الاستیک است، دارای ابعاد کوچکی هستند.
در شکل 7 نمودار تنش- تغییر شکل را برای دیرگدازهای منیزیایی- کربنی مشاهده می کنید.
طراحی چیدمان دیرگدازها
آسترکاری دیرگدازها معمولا به دو گروه تقسیم بندی می شود:
1) چیدمان استوانه ای: این طراحی دارای یک محور چرخش است و دارای شار حرارتی شعاعی است.
2) چیدمان دیواره ای: این چیدمان مسطح است و دارای شار حرارتی عمود بر سطح آنها می باشد.
طراحی یک چیدمان دیرگداز با تعریف شکل و آرایش هندسی آجرها و یا شکل های خاص انجام می شود. علاوه بر این اطلاعات، اطلاعات دیگری در زمینه ی ابعاد و فاصله ی هوایی نیز آورده می شود. مکانیزم های اصلی که تابع رفتار ترمومکانیکی یک ساختار دیرگداز هستند، جذب انبساط می باشد. این مسئله به محدود شدن حرکت اشاره دارد که این محدود شدن ها به دلیل ایجاد برهمکنش میان المان های مختلف ساختار دیرگداز ایجاد می شود. این برهمکنش ها از طریق اتصال ها و برهمکنش ها اتفاق می افتد. محصولات دیرگداز با رژیم های گرمایی انتقالی و به دو روش واکنش می دهند:
ابتدا، هر آجر یا المان به روشی غیر وابسته و بدون برهمکنش با همسایه ها، تغییر شکل می دهد. برای آجرها، این مسئله به صورت ایجاد تنش هایی موازی با شار گرمایی، انعکاس می یابند.
دوم اینکه، این برهمکنش ها افزایش می یایند و ما می توانیم رفتارهای ویژه ی تجمعی مانند شکست، پوسته ای شدن، ایجاد کمانش و ... را ببینیم.
رفتار ترمومکانیکی همچنین خواصی را از خود نشان می دهد که غیر خطی هستند. هیچ تناسبی میان تنش و کرنش در هیچ نقطه ای وجود ندارد. این نتایج از اتصال ها و برهمکنش ها ایجاد می شود. بیشتر مسائل ترمومکانیکی در مورد ساختارهای بلوکه شده ی دیرگداز است. طراحی یک چنین ساختاری باید با کاهش تنش ها و فشارهای ایجاد شده در ساختار تطبیق یابد.
نتیجه گیری
دیرگدازها بخشی ازمواد سرامیکی هستند. این مواد از ترکیبات مختلفی تشکیل شده اند و از این رو ترکیبات پیچیده ای هستند. از جمله مسائل مهم در این زمینه، میزان هموژن بودن، تنوع نوع بایندر، اگریگیت و افزودنی، شبکه ی کاپیلاری، ایجاد خوردگی از طریق فرایندهای فیزیکوشیمیایی، غیر خطی بودن رفتار ترمومکانیکی و ... می باشد.بهبود عمر دیرگدازها از طریق روش های زیر انجام می شود:
1) معیار انتخاب مواد بر اساس آگاهی بهتر از تنش های ایجاد شده در دیرگدازها
2) بهبود مستمر در خواص دیرگدازها
3) آگاهی از نحوه ی ایجاد تنش های ترمومکانیکی در آسترکاری دیرگداز
4) دقت بیشتر در نصب تأسیسات دیرگداز
/ج
