مواد نسوز و دیر گداز-بخش اول

درباره مواد نسوز

مواد نسوز و دیرگداز

به مواد سرامیکی و غیر فلزی که در درجه حرارت های بالا پایداری خود را حفظ کنند گفته می شود. علاوه بر پایداری در درجه حرارت های بالا، مواد نسوز باید در مقابل نیروهای مخرب دیگر محیط کاری که شامل سایش، بار مکانیکی زیاد ، حمله های شیمیایی و ضربه مقاومت خوبی از خود نشان دهند.

از مهمترین عناصر و اکسید های مواد نسوز می توان به زیرکونیوم (Zr)، کروم(Cr)، کلسیم(Ca)، منیزیم(Mg)، آلومینیم(Al)، سیلیسیم(Si)، اکسید آلومینیم(Al203)، اکسید سیلیسیم(SiO2)، اکسید منیزیم(MgO)، و اکسید زیرکونیوم(ZrO2) اشاره کرد.

دیر گدازها از مواد چند ترکیبی و متخلخلی ساخته شده اند و در ساختار آنها سنگدانه های پایدار مقاوم به حرارت به همراه فاز های چسبنده و سایر افزودنی ها در کنار یکدیگر وجود دارند. این مواد در دماهای پایین ترد و شکننده اند ولی در دماهای بالا ویسکوزیته خوبی دارند. به خاطر انعطاف پذیر نبودن و ریز ساختار متفاوت استحکام در قسمت های مختلف یک دیرگداز متفاوت است. شک پذیری در برابر حرارت در این مواد پایین است.

صنعت فولاد بیشترین سهم در مصرف مواد نسوز در دنیا را به خود اختصاص داده و از این رو تولید مواد نسوز با کیفیت به عنوان تکنولوژی پنهان در صنعت فولاد بسیار حائز اهمیت است. با توجه به توسعه صنعت فولاد سازی و افزایش حجم تولید در ایران و سایر کشورها و همچنین ابداع روش های جدید فولاد سازی، مواد نسوز بکار رفته در این صنعت متحمل شرایط سخت تری شده اند. به همین دلیل تولید و استفاده از نسوزهای پیشرفته اجتناب ناپذیر است.

موارد استفاده دیر گدازها در صنعت فولاد شامل کوره های ذوب فلزات، خطوط نقل و انتقال مذاب و سرباره، همچنین جداره دودکش ها و محفظه های عبور گاز و ... می باشد.

مواد دیرگداز در حالت خالص نقطه ذوبی در محدوده دمایی 1815-3315 درجه سانتی گراد دارند، ولی وجود عواملی همچون ناخالصی هایی که در هنگام تولید و یا ناخالصی هایی که در محیط کار ایجاد می شوند، سبب کاهش نقطه ذوب دیرگدازها می شود.

دیر گداز ها این توانایی را دارند که در شرایط کاری با وجود مقدار کمی از فاز مذاب (تا حدود 5%)، خواص ساختاری خود را حفظ کنند.

البته امروزه بسیاری از این مواد به علت ناپایداری در اتمسفر های خاص یا قیمت بالا کمتر مورد استفاده قرار می گیرند.

ویژگی های دیرگدازها:

از خواص مهم دیرگدازها می توان به استحکام آنها در دمای معمولی، گرانش ویژه نسبی، ترکیب شیمیایی، تخلخل ظاهری و دانسیته بالک اشاره کرد. این خواص غالباً از جمله ویژگی های مهمی هستند که در فرایند تولید و یا آزمون های کنترل کیفیت از اهمیت بالایی برخوردارند.

ترکیب شیمیایی: یکی از مهمترین عواملی است که به منظور دسته بندی دیرگدازها از نظر پایداری مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین استحکام، دانسیته و تخلخل محصولات تولید شده به کیفیت و نوع مواد اولیه ، شکل و اندازه ذرات، میزان رطوبت مواد در حین فرایند پرس کردن، فشار پرس، درجه حرارت و مدت زمان پخت، اتمسفر موجود در کوره و همچنین سرعت سرد کردن محصول بستگی دارد.

دمای ذوب: با توجه به اینکه مواد دیرگداز از به هم چسبیده شدن ذرات دیرگداز تشکیل می شوند، در دماهای بالا یک فاز شیشه ای مذاب تشکیل می شود و با بالاتر رفتن دما یک محلول از اجزای دیرگداز ایجاد می گردد. محدوده دمایی که در آن مخروط زگر به علت وزنش تغییر شکل دهد، دمای ذوب دیرگداز نامیده می شود.

اندازه: یکی از مباحث مهم در طراحی دیرگدازها اندازه و شکل دیرگدازهاست، زیرا بر روی پایداری ساختار تاثیرگذار است. دقت برای اندازه جاهایی از قطعات دیرگداز که قرار است با هم جفت شوند از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا سبب بهینه شدن ضخامت و جفت شدن بهتر ساختار می شود.

دانسیته بالک: نشان دهند میزان ماده موجود، در حجم مشخص است، هرچه دانسیته بالک در یک دیرگداز افزایش یابد، پایداری حجم و ظرفیت گرمایی آن نیز بالا می رود که این امر سبب جلوگیری از نفوذ مذاب در دیرگداز می شود.

تخلخل: تخلخل ظاهری یکی از خصوصیات مهم دیگر دیرگدازهاست که در تماس مذاب و سرباره با دیرگداز اهمیت زیادی دارد. هر چه تخلخل ظاهری کمتر باشد، از نفوذ مواد ناخواسته به داخل دیرگداز جلوگیری می شود. همچنین پیوسته بودن تخلخل ها، تاثیر مطلوبی بر رفتار دیرگدازی دارد. در هنگامی که تعداد تخلخل ها در یک دیرگداز برابر باشد، هر چه ابعاد تخلخل ها کوچکر باشد خواص مطلوب تری دارند. این خاصیت بر حسب درصد نسبت به حجم نشان داده می شود.

استحکام فشاری سرد: قابلیت تحمل فشار و بار اعمالی بر جسم را با استحکام فشاری می سنجند.

نقطه نرمی: با توجه به داشتن ترکیب شیمیایی پیچیده و همچنین با توجه به اینکه دیرگدازها دارای یک بازه دمایی ذوب هستند، دیرگدازی یا نقطه دیرگداز مواد به وسیله مخروط های زگر تعیین می گردد. البته در شرایط کاری بار وارد شده به دیرگدازها، همچنین دمای کاری و اتمسفر باعث پایین تر آمدن نقطه نرم شوندگی دیرگدازها می شود.

دیرگدازی تحت بارگذاری: با توجه به اینکه در شرایط کاری واقعی فقط یک طرف دیرگداز حرارت می بیند و طرف دیگر سردتر می باشد، لذا بخش سردتر تردی بیشتری از نیروی اعمالی را تحمل می کند که این خود یکی از شاخص های دیرگدازی است و طراحی دیرگدازها مورد استفاده قرار می گیرد. دمایی که دیرگدازها در آن شرایط کاری متلاشی می شوند به دیرگدازی تحت بارگذاری معروف است و آن را با تست آر یو ال(RUL) می سنجند.

خزش: عبارتست از تغییر شکل تحت بارگذاری در دما و زمان معین.دیرگدازی مطلوب است که مقدار خزش فشاری در آن در 50 ساعت اول بارگذاری کمتر از 0.3 باشد، چراکه سرعت خزش در انتهای منحنی خزش به مقدار کمی کاهش می یابد.

پایداری حجمی: انبساط یا انقباض دیرگدازها که در شرایط کاری اتفاق می افتد و سبب ایجاد تغییرات ابعادی دیرگداز می شود به علت وجود عواملی همچون ایجاد فاز مایع، واکنش های زینترینگ، تغییر در فرم های آلوتروپیک و وقوع یک واکنش شیمیایی در دیرگداز می باشد.

انبساط گرمایی بازگشت پذیر: بازتابی است که تغییرات فازی در هنگام گرم شدن برای ساخت نسوز در نظر گرفته می شود تا قطعاتی که به هم متصل می شوند در موقع سرد شدن دچار مشکل و تغییر خطی دائمی نشوند، چرا که در این صورت امکان خرد شدن و از هم پاشیده شدن آن ها وجود دارد.

رسانش گرمایی: با توجه به اینکه رسانش گرمایی با افزایش دما تغییر می کند و همچنین بسته به اینکه نیاز به انتقال حرارت داشته باشیم یا بخواهیم از انتقال حرارت جلوگیری کنیم، دیرگدازهایی با ضخامت متفاوت انتخاب می کنیم. دلیل این انتخاب رسانش گرمایی است که به ترکیب شیمیایی و مینرالی ماده، دمای کاربرد و فاز شیشه ای موجود در دیرگداز وابسته است.

دسته بندی دیرگدازها:

بر اساس ترکیب شیمیایی، روش تولید و یا شکل فیزیکی به دسته های مختلفی طبقه بندی می شوند.

از نظر ترکیب شیمیایی:

دیرگدازهای اسیدی:در برابر اسیدها مقاومند ولی در برابر مواد قلیایی ضعیف. به همین علت در جاهایی که اتمسفر سرباره اسیدی وجود دارد، استفاده می شوند. ماده اولیه عمده آن ها اکسید آلومینیوم(Al2O3)، اکسید زیرکونیم(ZrO2)، اکسید سیلیسیم(SiO2) هستند.

دیرگدازهای خنثی: در مقابل عوامل اسیدی و بازی پایدارند، لذا در محل هایی که اتمسفر وضعیت مشخصی ندارد استفاده می شوند. از مواد اولیه ای همچون کربن، اکسید کروم(CrO2) و اکسید آلومینیم ساخته می شوند.

دیر گدازهای بازی: در برابر بازها مقاومند ولی با اسید واکنش می دهند و در محل هایی که اتمسفر و سرباره بازی هستند کاربرد دارند.در این دسته می توان از دیرگدازهای دولومیتی و منیزیا کرومیتی و ... نام برد.

از نظر شکل فیزیکی:

به دو گروه شکل داده شده و بی شکل تقسیم می شوند.

دیرگدازهای شکل داده شده: به آن دسته از دیرگدازها گفته می شود که در هنگام مصرف دارای شکل معینی باشند.( آجرها )

دیرگدازهای بی شکل: دارای شکل هندسی معینی نیستند و در حین کاربرد شکل داده می شوند و با نام دیرگدازهای مونولیتیک شناخته می شوند که شامل انواع زیر می باشند:

الف- دیرگدازهای پلاستیک: موادی پلاستیک و سفت هستند که برای استفاده آن را به قطعات کوچکتر تقسیم کرده و در مکان مورد نظر پاشیده یا کوبیده می شوند، این مواد به راحتی به شکل و فرم دلخواه در می آیند.

ب- جرم های کوبیدنی: این مواد بصورت خشک و با درجه بندی معین ذرات در هنگام مصرف با مقداری آب مخلوط شده و سپس مورد استفاده قرار می گیرند.

ج- جرم های ریختنی: موادی که دارای مقداری سیمان آلومینایی هستند و هنگامی که با آب مخلوط می شوند دارای گیرش هیدرولیک می باشند، مواد چسبنده کلسیم آلومینایی باید پیوند خوبی در این دیرگدازها ایجاد نمایند چرا که از جذب رطوبت به داخل دیرگداز جلوگیری کنند. این مواد بصورت ریختگی استفاده می شوند که به بتن های دیرگداز نیز معروف اند.

د- جرم های پاشیدنی: بصورت گرانول تهیه می شوند و بر روی سطح مورد نظر اسپری می شوند و به وسیله حرارت مستحکم می گردند. اصولا برای کارهای ترمیمی یا اصلاحی در کوره و پاتیل استفاده می شوند.

هـ - جرم های محافظ: گرانول هایی با عملکردی شبیه به جرم های پاشیدنی هستند با این تفاوت که این ها بوسیله پارو به داخل نواحی آسیب دیده کوره ریخته می شوند.

و- ملات ها: به گروهی از دیرگدازها اطلاق می شود که در واقع نه جزء آجرهای دیرگداز و نه جزء دیرگدازهای مونولیتیک هستند. مواد نسوز نرمی هستند که پس از مخلوط شدن با آب خاصیت پلاستیک پیدا کرده و سبب ایجاد پیوند بین آجرهای نسوز در هنگام آجرکاری می شوند و از نفوذ عوامل خورنده مثل سرباره به داخل ساختاردیرگداز جلوگیری می کنند.

گرد آوری : رامین سعیدی