فرایندها و تکنیک های مورد استفاده در تولید سرامیک ها (4)

محصولات دیرگداز

محصولات دیرگداز با توجه به اجزای اصلی تشکیل دهنده ی آنها، به گروه های زیر تقسیم بندی می شوند:
محصولات با آلومینای بالا، گروه 1 (دارای بیش از 56 % آلومینا)
محصولات با آلومینای بالا، گروه 2 (دارای درصد آلومینایی بین 45 تا 56 %)
محصولات تولیدی از خاک نسوز ( دارای 30 تا 45 % آلومینا)
محصولات تولیدی از خاک نسوز کم آلومینا (دارای 10 تا 30 % آلومینا و کمتر از 85 % سیلیس)
محصولات سیلیسی یا محصولات نیمه سیلیسی (دارای 85 تا 93 % سیلیس)
محصولات سیلیسی (دارای بیش از 93 % سیلیس)
محصولات بازی، بر پایه ی منیزیا، منیزیا- کروم، کروم- منیزیا، کرومیت، فورستریت، دولومیت
محصولات دیرگداز خاص بر پایه ی کربن، گرافیت، زیرکن، زیرکونیا، سیلکون کاربید، کاربیدهای سایر عناصر، نیتریدها، بوریدها، اسپینل ها (غیر از کرومیت)، آهک ذوب شده و ریخته گری شده.
روش های مختلفی در صنعت دیرگداز برای تولید آجرها مورد استفاده قرار می گیرد. ساده ترین روش، برش اشکال مورد نظر از محصولات طبیعی و محصولاتی است که از منشأ طبیعی تولید شده اند. محصولات ریخته گری شده، بوسیله ی ریخته گری مستقیم از حالت مذاب، تولید می شوند. امروزه مواد با سطح دیرگدازی بالا، با روش سایش، مخلوط کردن تر و شکل دهی (با استفاده از یکی از روش های اکسترودری، ریخته گری دوغابی و یا پرس ایزواستاتیک)، تولید می شوند. به هر حال، امروزه این روش که روش سرامیکی- رسی سخت نامیده می شود، در تولید آجرهای دیرگداز ترجیح داده می شود. فرایند تولید شامل ذخیره سازی مواد اولیه، آماده سازی آنها، شکل دهی، خشک کردن، پخت و عملیات های ثانویه، می باشد. شکل 1 شماتیکی از فرایند تولید آجرها از معادن با خاک های کروم دار را نشان می دهد.

مواد خام

رس، شاموت، سنگ های طبیعی مانند کوارتزیت، دولومیت، منیزیت و بوکسیت و همچنین مواد سنتزی مانند کوراندوم زینتر شده، سیلکون کاربید، مولایت فیوزد شده یا اسپینل از جمله موادی هستند که در تولید محصولات دیرگداز مورد استفاده قرار می گیرند. برای تولید توده های به هم فشرده، بایندرها و اگریگیت ها به مواد اولیه ی آسیاب شده، اضافه می شوند. انواع مختلفی از بایندرها و اگریگیت ها مورد استفاده قرار می گیرند مانند دوغاب رسی، آب قلیایی سولفیتی، قیر قطران زغال سنگ، نفتالن، رزین سنتزی، شیره ی آهک، واکس، اسید فسفوریک، دوده، گرافیت و گوگرد. مواد اولیه در جعبه های مسقفی ذخیره سازی می شوند. مواد اولیه ی پیش خردایش یافته، در سیلوها ذخیره سازی می شوند تا از برهمکنش آنها با آب جلوگیری گردد.
در جدول 1 اکسیدهای متداول مورد استفاده در فرایند ذوب و ریخته گری محصولات دیرگداز به همراه دمای ذوب شان، نشان داده شده است.

آماده سازی مواد اولیه

مواد اولیه عمدتا به صورت درشت تر، خردایش می یابند و سپس یک فرایند خردایش ثانویه بر روی آنها انجام می شود تا اندازه ی ذراتشان کاهش یابد. خردایش زبرتر بوسیله ی سنگ شکن فکی، سنگ شکن ضربه ای، سنگ شکن غلطکی و سنگ شکن مخروطی انجام می شود. سایش نرم نیز با استفاده از آسیاب غلطکی- حلقه ای، آسیاب گلوله ای و آسیاب لرزشی انجام می شود. مواد اولیه ی خردایش یافته بوسیله ی الک های لرزان، طبقه بندی می شوند. با عبور مواد اولیه از میان این الک ها، مواد با اندازه ی بزرگ تر از حد مجاز، به داخل آسیاب ها برگشت داده می شوند. کسرهای مواد اولیه ی با اندازه ی ذرات مناسب، به طور موقت در داخل سیلوها ذخیره سازی می شوند. این بخش های ذخیره سازی در میان بخش آماده سازی و بخش شکل دهی واقع شده اند. درصد مواد اولیه بر اساس وزن با هم مخلوط می شوند. در صورت نیاز، بایندر، مواد تخلخل زا، عوامل محافظتی و روان سازهای قالب نیز مورد استفاده قرار می گیرد. مواد اولیه با درصدهای مناسب به داخل میکسرها تزریق می شود و بعد از هموژن سازی، برای مرحله ی شکل دهی ارسال می شوند. برای انجام این کار، میکسرهای مولر، میکسرهای با جریان معکوس و آسیاب های گل مخلوط کن دو محوره، بهترین انتخاب ها هستند.
ریخته گری دوغابی با مخلوط کردن مواد اولیه با یک عامل معلق ساز (عمدتا آب) انجام می شود. بعد از این مرحله، یک پودر با قابلیت پرس کردن، تولید می شود. این کار در فرایندی موسوم به اسپری درایر انجام می شود.

شکل دهی

ریخته گری دوغابی و پرس پودر در فرایند شکل دهی این قطعات مورد استفاده قرار می گیرد. ریخته گری دوغابی با ریخته شدن دوغاب به داخل قالب انجام می شود. بعد از زمان معینی بدنه ی مورد نظر در داخل قالب تشکیل شده و بعد از جداسازی از قالب به بخش دیگر می رود.
فرایند پرس پودر یک روش شکل دهی مناسب با استفاده از پرس می باشد. امروزه، نسل جدیدی از پرس ها با نام پرس های هیدرولیک مورد استفاده قرار می گیرند. این پرس ها دارای واحد کنترل الکتریکی پیشرفته هستند. در این فرایند، پرس به طور مداوم آجرها را مورد بررسی قرار می دهد و در صورت نیاز، ابعاد آنها را تنظیم می کند. یک پرس نمونه وار می تواند نیرویی بین 80 تا 200 مگاپاسکال ایجاد کند. استفاده از برنامه نویسی های مختلف برای این پرس ها موجب شده تا بتوان آجرهایی با کیفیت و نیاز مشتری ها، تولید گردد.
پرس ایزواستاتیک برای تولید نمونه های دیرگداز با کیفیت بالا مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش، قالب های پلاستیکی با قابلیت انعطاف پذیری از ذرات سرامیکی ریز پر می شوند. بعد از بستن قالب، مخلوط تحت فشار قرار داده می شود. این فشار معمولا با استفاده از یک اتوکلاو هیدرولیک انجام می شود. فشار اعمال شده در این روش در تمام جهات یکنواخت است و موجب می شود تا پودر به توده ای محکم تبدیل شود. فشار در این روش تا میزان 300 مگاپاسکال نیز بالا می آید. از این روش در تولید بلوک های با اندازه ی بزرگ و اشکال خاص، استفاده می شود.
گریدهای مختلف از مخلوط های سرامیکی می توانند با استفاده از اعمال فشار اندک به همراه ایجاد نوسانات مکانیکی (با استفاده از لرزش)، تولید شوند. اخیرا، این فرایند شکل دهی به صورت جدید انجام می شود. در واقع مخلوط های سرامیکی که باید شکل دهی شوند، با استفاده از بایندرهای حساس به سرد شدن، مخلوط می شوند. سپس مخلوط به داخل قالب ریخته می شود و در دمایی زیر -30℃ سخت می شود.

خشک کردن

فرایند خشک کردن در خشک کن های محفظه ای یا تونلی انجام می شود. این فرایند به اندازه ی آجرها بستگی دارد و ممکن است از یک روز تا چند روز به طول انجامد. اشکال بزرگ تحت رطوبت کنترل شده، خشک می شوند. رطوبت باقیمانده قبل از فرایند پخت، باید کمتر از یک درصد باشد. جدول 2 مثال های در مواد داده های عملیاتی نشان می دهد که مربوط به خشک کن های متناوب است.
جدول 3 داده های عملیاتی مربوط به کوره ی تونلی و خشک کن با اتمسفر کنترل شده را نشان می دهد.

پخت

محصولات دیرگداز در دمایی بین 1250 تا 1850℃ پخت می شوند. دمای مناسب برای پخت به ترکیب شیمیایی مواد اولیه بستگی دارد. این دما همچنین به فرایند تغییر شکل نیز بستگی دارد. دماهای پخت برای بیشتر گروه های مختلف مواد، به صورت زیر می باشد:
آجرهای تولید شده از خاک نسوز: دمایی بین 1250 تا 1500℃
آجرهای سیلیسی: دمایی بین 1450 تا 1500℃
آجرهای با درصد آلومینای بالا: دمایی بین 1500 تا 1800℃
آجرهای منیزیایی: دمایی بین 1400 تا 1800℃
محصولات در کوره های تونلی، کوره های شاتلی و کوره های و کوره های کلاهکی، پخت می شوند. جدول 4 مثال هایی از داده های عملیاتی مربوط به کوره های تونلی مورد استفاده در صنعت دیرگداز را نشان می دهد.
جدول 5 مثال هایی از داده های عملیاتی مربوط به کوره های شاتلی مورد استفاده در پخت آجرهای سیلسی، آجرهای با آلومینای بالا و محصولات تولیدی از خاک نسوز را نشان می دهد.
چیدمان آجرها مخصوصا در کوره های تونلی به طور روز افزون با استفاده از ماشین آلات مخصوص این کار، انجام می شود. این آجرها از قسمت پرس به طور اتوماتیک حمل و بر روی واگن های کوره چیدمان می شوند. این کار با استفاده از برنامه ریزی های خاصی انجام می شود به نحوی که الگوهای خاصی در چیدمان ایجاد می شود. الگوی چیدمان برخورد گازها و شعله ها به همه ی جهات نمونه ها را می دهد و از این رو با این چیدمان، حداقل میزان انرژی برای پخت مورد نیاز است. در برخی موارد، حرارت دهی الکتریکی برای محصولات با زمان پخت پایین مورد استفاده قرار می گیرند.

عملیات های ثانویه

در برخی موارد خاص، این ضروری است که برای محصولات دیرگداز پخت شده، عملیات سایش، پولیش و تراشکاری انجام شود. این فرایند به صورت تر و خشک انجام می شود. بعد از این فرایند، محصول بسته بندی می شود. بسته بندی باید به گونه ای باشد که از ورود آب بداخل آنها، جلوگیری شود.

روش های خاص

روش های خاصی برای تولید محصولات دیرگداز با ویژگی های خاص، مورد استفاده قرار می گیرد. تشکیل پیوند کربنی و نفوذ قیر به داخل محصول دیرگداز یکی از این روش هاست. آجرهای با پیوند کربنی اغلب در تولید فولاد مورد استفاده قرار می گیرند. مواد اولیه اغلب در دمای بالا تحت فرآوری قرار می گیرند و با قطران زغال سنگ، قیر یا رزین های مختلف پرس می شوند. این مواد نقش بایندر را ایفا می کنند. اتصال بخش های پرسی به طور قابل توجهی بوسیله ی عملیات های حرارتی خاص، ایجاد می شود. عامل اتصال دهنده ی زغال کک در دمایی بین 320 تا 550 درجه ی سانتیگراد تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد. در طی فرایند سخت کردن، محصولات در دمایی در حدود 150 تا 220 درجه ی سانتیگراد در کوره های الکتریکی، حرارت دهی می شوند. آجرهای دیرگداز در برخی موارد با قطرات قیر و قیر اشباع می شود تا بدین صورت سوراخ های باز آنها پوشیده شود.
رویه ی تولید محصولات دیرگداز به طور کلی در شکل 2 نشان داده شده است.

سبک دانه های رسی منبسط شده

سبک دانه های رسی منبسط شده، سرامیک های متخلخلی هستند که دارای ساختار متخلخل یکنواخت هستند. این ساختار متخلخل، سلولی بسته را تشکیل می دهد و به طور کامل زینتر شده است. این ساختار متخلخل دارای پوسته ی بیرونی سخت است. این محصولات از مواد اولیه های دارای مینرال های رسی به همراه افزودنی های خاص، تولید می شوند. مواد اولیه آماده سازی می شوند و قالب گیری شده و در دمایی بین 1100 تا 1300℃ پخت می شوند. بدنه ی حاصله، بدنه ای با انبساط حجمی قابل توجه می باشد.
برای تولید صنعتی سبک دانه های رسی منبسط شده، باید نیازمندی های خاصی در ماده ایجاد شود. یکی از فاکتورهای مهم در طراحی کوره، این است که خواص کوره باید متناسب با مواد اولیه و مقدار تولید باشد. پارامترهای زیر می تواند بر روی فرایند انبساط تأثیرگذار باشد:
ترکیب مواد اولیه
افزودنی ها
نمودار دمایی
اتمسفر کوره

ویسکوزیته به عنوان تابعی از فاکتورهای تأثیرگذار بالا

تجربیات بدست آمده در زمینه ی تولید این مواد، نشان می دهد که قابلیت انبساط رس به مواد اولیه، افزودنی ها و تکنولوژی حرارت دهی، بستگی دارد. فاکتورهای فنی و اصلی تأثیرگذار بر روی قابلیت انبساط رس، سرعت حرارت دهی و اتمسفر کوره می باشد.
تولید رس های منبسط شده شامل مراحل زیر است: معدن کاری، آماده سازی مواد اولیه، شکل دهی، عملیات حرارتی (پخت و خشک کردن)، عملیات های ثانویه، طبقه بندی و آماده سازی محصول برای فروش. شکل 3 شماتیکی از فرایند تولید سبک دانه های رسی را نشان می دهد. فرایند شکل دهی در تمامی کارخانه های تولید این محصول مشابه نیست.

مواد اولیه، افزودنی ها و عوامل کمکی

مواد اولیه برای تولید رس های منبسط شده، رس های زینتر شده می باشند. با کنترل سرعت حرارت دهی و زینترینگ در گستره ی دمای 1100 تا 1300 درجه ی سانتیگراد، این محصولات انبساط قابل توجهی پیدا می کنند. تنها آن دسته از مواد اولیه ای که در ابتدا پیروپلاستیسیته ایجاد می کنند، به طور مناسبی زینتر می شوند یا در هنگام پخت در دمای مناسب، پوشش مذاب بر روی آنها تشکیل می شود، برای تولید سبک دانه های رسی، مناسب هستند. یکی دیگر از ویژگی های این مواد، این است که در حین انبساط، قادر باشند به طور ویسکوز، انبساط پیدا کنند. وجود محیط های فلاکس مانند اکسیدهای آهن، مواد قلیایی و مواد قلیایی خاکی در داخل مواد اولیه موجب می شود تا فرایند تشکیل گاز در طی فرایند تولید، تسریع گردد.
مطالعات قبلی نشان داده است که ویژگی های انبساطی یک رس به عنوان ماده ی اولیه، نمی تواند از آنالیز تشخیص داده شود. تنها ویژگی هایی را باید برشمرد که در مواد رسی با ویژگی انبساط مناسب، وجود دارد. این ویژگی ها، عبارتند از:

پلاستیسیته ی نسبتا بالا با درصد مواد ریز بالا

مقدار بالای سیلیکات های لایه ای مخصوصا از گروه های ایلیت و میکا (بالاتر از 40 %). کائولینیت معمولا دارای درصد پایینی از این گروه هاست.
مقدار کلسیت و دولومیت با افزایش زمان انبساط، کاهش می یابد. آهک توده ای مضر است زیرا موجب پوسته ای شدن سبک دانه می شود.

ترکیب شیمیایی:

آلومینا: 12 تا 25 %
سیلیس: 47 تا 78 %
مواد فلاکس: 8 تا 29 %
کربن آلی: 0 تا 2.5 %
سولفید آهن: این ماده باید به خوبی ریز باشد
ترکیب مینرالی:
کوارتز: 7 تا 45 %
کربنات ها: 0.1 تا 17 %
مینرال رسی: 40 تا 80 %
فلدسپار: 5 تا 25 %
سایر مینرال ها: 3 تا 17 %
نرم شدگی پیروپلاستیک توده یا گرانول ها باید در طی مرحله ی تشکیل گاز ایجاد شود.
رس هایی که به طور طبیعی برای انبساط مناسب نباشند را می توان با استفاده از افزودنی های مناسب اصلاح کرد و برای تولید سبک دانه های منبسط، استفاده کرد. مثال هایی از این افزودنی ها (فلاکس ها و عوامل رهایش) و عوامل کمکی (کمک منبسط شونده ها) درجدول 6 نشان داده شده است.
نوع افزودنی ها و عوامل کمکی به ترکیب شیمیایی ماده ی اولیه، فرایند تولید، قیمت و فرآوانی افزودنی، بستگی دارد. میزان این افزودنی ها معمولا در گستره ی 0 تا 10 % وزنی می باشد.

شکل دهی

دو روش اصلی برای آماده سازی مواد اولیه وجود دارد و شکل دهی به میزان رطوبت رس، بستگی دارد.
برای رس های با رطوبت نسبتا بالا، استفاده از فرایند تر متداول تر است. در این فرایند رس آماده سازی شده، به داخل خشک کن های دوار هدایت می شود. با وجود بخش های خاصی در این خشک کن ها مانند زنجیرهای به هم پیوسته، قطعات رسی از هم جدا می شوند و اندازه های ریز پیدا می کنند.
برای رس های با رطوبت کمتر، فرایند نیمه خشک متداول ترین روش است. در این روش، یک خردایش اولیه بر روی مواد اولیه انجام می شود تا دانه های آن به زیر 100 میلی متر برسد. این ماده می تواند در طی ذخیره سازی اتوماتیک و چرخش بر روی نوار نقاله، هموژن سازی شود. در واحد سایش خشک، رس خام از میان مسیرهای خردایش و غلطک های آسیاب کننده، عبور می کند. رس پودر شده به دستگاه دانه بندی تزریق شده و به آن آب افزوده می شود. حرکت دوار این بخش موجب می شود تا گرانول های کروی تشکیل شود. این گرانول ها از لبه ی پایین تر خارج می شوند. عوامل واکنشی خاصی برای کاهش کشش سطحی به آب اضافه شده به این فرایند، اضافه می شود. اندازه ی گرانول ها بوسیله ی فاکتورهای مختلفی مانند میزان کج بودن سینی های این بخش و ارتفاع لبه ی سینی، بستگی دارد. این گرانول ها از میان یک غلطک دارای پودر عبور می کنند که در آن پودر آهک بر روی سطح گرانول ها تشکیل می شود. این مسئله از چسبیدن گرانول ها به همدیگر جلوگیری می کند و از آنها تا رسیدن به کوره ی انبساط، محافظت می کند.

تکنولوژی فرآوری گرمایی

رویه های موجود در طراحی کوره در جهتی است که انعطاف پذیری در زمینه ی استفاده از مواد اولیه افزایش یابد و ویژگی های محصول حاصله نیز بهبود یابد. یکی از روش ها برای نیل به این هدف، کنترل پخت و میزان هوای ورودی به کوره می باشد. همچنین با استفاده از تغییر زمان انتقال برای مراحل حرارتی مختلف، می توان به این هدف رسید. برای بهینه سازی این رویه، پیش گرم کن ها در بخش بالایی کوره نصب می شوند. متداول ترین نوع پیش گرم کن ها، پیش گرم کن دوار است. برای سرد کردن نیز می توان از سردکن های شافتی، سرد کن های دوار، سرد کن های سیاره ای و ... استفاده کرد.
کوره های دوار مورد استفاده در تولید سبک دانه های رسی، معمولا به صورت جریان معکوس کار می کنند. یعنی مواد و محیط حرارت دهی در جهات مخالف همدیگر قرار گرفته اند. مواد اولیه در جهت سرد کوره وارد می شوند. به دلیل شیب دار بودن استوانه ی دوار کوره و چرخش آن، مواد به سمت بخش داغ کوره فرستاده می شوند. زمان انتقال به میزان شیب کوره، سرعت چرخش و اتصالات داخلی کوره، بستگی دارد. زمان به طور قابل توجهی بر روی ویژگی های محصولات اثرگذاراست. برای جلوگیری از چسبندگی میان گرانول ها، در داخل کوره، بخش های خاصی نصب می شود تا از این چسبندگی جلوگیری کند. ابعاد کوره با توجه به تکنیک مورد استفاده، تغییر می کند. طول لوله ی کوره بین 4 تا 80 متر است و قطر آن نیز از 1 تا 4.5 متر متغیر است. سوخت متداول مورد استفاده در این کوره ها، نفت، زغال سنگ، گاز و سوخت های جایگزین دیگر هستند.

واکنش های شیمیایی اتفاق افتاده در حین انبساط

در طی حرارت دهی گرانول ها، بخار آب به دلیل وجود آب در گرانول ها، بوجود می آید. همچنین گازهای فرار دیگر مانند گازهای حاصل از تجزیه ی مواد آلی نیز در این گرانول ها تشکیل می شود. در همین زمان، تخلخل های موجود در سطح این گروانول ها نیز پر می شوند. محصولات منبسط شده به دلیل این ایجاد می شوند که با افزایش دما، حجم گاز موجود در این گرانول ها، افزایش می یابد. واکنش های اصلی اتفاق افتاده در حین انبساط در شکل 4 آورده شده است.
در نهایت، عناصر و ترکیبات گازی اصلی مانند اکسیژن، کربن مونوکسید و اکسید گوگرد تشکیل می شوند. این فرایند در دمای تقریبی 750 تا 1300 درجه ی سانتیگراد، اتفاق می افتد.

خردایش و الک کردن ثانویه

در تولید سبک دانه های رسی منبسط شده، بعد از اعمال فرایند پخت، آگریگیت ها از میان الک ها عبور داده می شوند و خردایش می یابند تا بدین وسیله گرانول های با کیفیت بالا حاصل شود.
بخش های مهم در تولید سبک دانه های رسی در شکل 5 نشان داده شده است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.