مواد نسوز و دیرگداز - بخش دوم
استفاده صنعتی دیرگدازهای خاص
خاک نسوز: از سیلیکات های آلومینا با مقادیر متنوع از سیلیس( تا حدود 78%) تشکیل شده اند.این دیرگدازها دارای مقادیر کمتر از 44% آلومینا و در واقع دارای سیلیکات آلومینای هیدراته با مقادیر بسیار ناچیز از سایر مینرال ها هستند. به خاطر قیمت مناسب کاربرد فراوانی در کوره ها و پاتیل ها، گرمکن ها و ... دارند. معمول ترین شکل مورد استفاده از این نوع دیرگداز آجر نسوز می باشد که در صنایع مختلف کاربرد دارند.
آجرهای نسوز نوعی سرامیک مرغوب با ساختاری متراکم هستند که از خاک نسوز تهیه می شوند.دمای پخت آن ها حدود 1500 درجه سانتی گراد می باشد، این آجرها به علت مقاومت حرارتی بالایی که دارند در کوره های صنعتی و پاتیل های حمل مذاب و ... مورد استفاده قرار می گیرند.
آجرهای سیلیسی: این آجرها از کوارتزیت دارای 15% اکسید سیلیسیم(SiO2) تهیه می شوند.به دلیل رسانایی گرمایی زیاد و نفوذ ناپذیری در مقابل گازها، امروزه بیشتر برای پوشش جداره داخلی دیوارهای کوره مذاب، تولید خمیر شیشه در کارخانه جات شیشه سازی، کوره های کک سازی گاز سوز و کوره های سرامیک سازی استفاده می شود.
آجرهای آلومینایی: این آجرها دارای درصد بالایی از آلومین هستند و آن ها را از مخلوط بوکسیت و کوراندوم که بیش از 70% اکسید آلومینیم(Al2O3) دارد و کائولن تهیه می کنند. دمای پخت آن ها 1200 تا 1800 درجه سانتی گراد است و از آن ها به عنوان پوشش درونی کوره های ذوب فولاد استفاده می کنند. در مقابل مواد قلیایی مقاومند و به همین خاطر می توان از آن ها برای پوشش دیواره های درونی کوره های سیمان سازی و ششیه سازی هم استفاده کرد.
آجرهای نسوز قلیایی: این آجرها از ترکیب اکسید منیزم طبیعی و کربنات منیزیم یا دولومیت در دمای 550 تا 1800 درجه سانتی گراد بدست می آیند. با اضافه کردن مقداری اکسید منیزیم(MgO) و اکسید سیلیسیم(SiO2) به مخلوط اکسید آهن III ( Fe2O3) یا اکسید کروم III (Cr2O3) مقاومت گرمایی آجرهای نسوز قلیایی افزایش می یابد.کاربرد این آجرها در کوره های باز در فولاد سازی، کوره های دوار و در کارخانه های سیمان سازی و صنایع فلزات غیر آهنی است.
دسته بندی مواد مهندسی:
1.مواد فلزی
الف- آهنی
فولاد : غیر آلیاژی، کم آلیاژ، پر آلیاژ
چدن : غیر آلیاژی، کم آلیاژ، پر آلیاژ
ب- غیر آهنی
سنگین، نیمه سنگین، سبک
- مواد غیر فلزی
الف- پلیمرها: ترموست، الاستومر، ترموپلاستیک
ب- سرامیک ها: اکسیدی، غیر اکسیدی، تک عنصری
- مواد مرکب
الف- ذره ای
ب- رشته ای:CMC, MMC, PMC
ج- لایه ای
آلیاژهای آهنی که بخش عمده مواد مهندسی در جهان را شامل می شود عمدتاً حاوی درصد بالایی از آهن هستند. فولاد های ساده کربنی با بیش از 98% آهن تا فولاد هایی با حدود 50% انوع متف عناصر آلیاژی در این گروه قرار می گیرند.
فلزات غیر آهنی شامل فلزات سبک مثل AL, TI, Mg, ، فلزاتی با نقطه ذوب پایین مثل Bi, Pb, Sn, ، فلزات نسوز مثلMo, Nb, Wو فلزات گرانبها مانند طلا، نقره و پلاتین می باشند.
مواد غیر فلزی شامل سرامیک ها و پلیمرها می باشند. پلیمرها مواد مصنوعی یا پلاستکی هستند که از کنار هم قرار گرفتن زنجیره ای شکل یا ترموپلاستیک تعداد زیادی از مولکول ها به صورت شبکه سه بعدی( ترموست ) از عناصر آلی مانند کربن، هیدروژن، کلر، فلئور، اکسیژن و نیتروژن بوجود می آیند.
سرامیک ها بخش عمده مواد معدنی غیر فلزی را تشکیل میدهند، که شامل ترکیباتی از عناصر فلزی و غیر فلزی مانند اکسیده، کاربیدها، نیتریدها هستند.
مواد سرامیکی دارای ساختمان بلوری، آمورف و یا مخلوطی از هر دو هستند. پیوند بین مواد سرامیکی یونی و کوالانسی است.
سرامیک های سیلیکاتی مثل پرسلان ها نوع دیگری از مواد سرامیکی هستند که بخش عمده آن ها ترکیبات اکسیدی مانند سیمان ، بتن، آجر، آجر نسوز و شیشه های سرامیکی است.
سرامیک ها بسته به درصد پیوندهای یونی و کووالانسی موجود بین اتم های تشکیل دهنده شان دارای خواص بسیار متفاوتی هستند. معمولا استحکام فشاری در سرامیک ها حدود 5 تا 10 برابر استحکام کششی می باشد.
سرامیک ها موادی ترد هستند و چکش خواری و شکل پذیری و مقاومت به ضربه پایینی دارند ولی عایق الکتریمکی و حرارتی مناسبی هستند، به همین خاطر به عنوان مواُد عایق مورد استفاده قرار می گیرند.
سرامیک ها دارای مقاومت عالی در دماهای بالا و همچنین مقاومت به خوردگی خوب ، نقطه ذوب بالا و مقاومت در مقابل واکنش های شیمیایی می باشند، به همین خاطر در صنایع مختلف کاربرد وسیعی پیدا کرده اند.
سیلیس
اکسید سیلیسیم یا سیلیکا به فراوانی در پوسته زمین یافت می شود.این عنصر در ترکیب با دیگر اکسیدها مثل سیلیکات ها موجود می باشد و در طبیعت بصورت آزاد وجود ندارد.
عمده ترین معادن سیلیس در دنیا در کشورهای آمریکا، آلمان، برزیل، فرانسه و بلژیک قرار دارد.
انواع سیلیس: سیلیس در طبیعت به دو صورت متبلور و بی شکل وجود دارد.
سیلیس بی شکل(شیشه ای):این نوع سیلیس دارای چگالی gr/cm32.21 می باشد. در اثر افزایش تدریجی دما از 0 تا 1000 درجه سانتی گراد حدود 0.15 انبساط خطی دارد.ناخالصی هایی نظیر اکسیدهای قلیایی و قلیایی خاکی غالباً سبب تبدیل سیلیس متبلور به سیلیس بی شکل هستند.
کوارتز:چگالی کوارتز gr/cm32.65 است و در دمای 537 درجه سانتی گراد از نوع α به β تبدیل می گردد، همین امر سبب بلوری شدن شکل آن می شود.تبدیل α به β در اثر دما انبساط شدیدی در کوارتز ایجاد می کند و ابعاد کریستال آن کمی بزرگتر می شود.
کوارتز در دمای محیط پایدار است و به همین خاطر در طبیعت سیلیس آزاد بصورت کوارتز موجود می باشد و سایر فازهای سیلیس عمدتاً در درجه حرارت های بالاتر پایدار می شوند.
کوارتزها معمولا بصورت رگه هایی در بین سنگ های اولیه مانند گرانیت و نیز بصورت دانه هایی در بین دیگر کانی ها وجود دارد. کوارتز در برابر آب و هوا مقاوم است و هیچ تغییری در آن بوجود نمی آید.
تری دیمیت: شکل بلوری دیگری از سیلیس است که در اثر گرم کردن تدریجی کوارتز در 780 درجه سانتی گراد ایجاد می شود. چگالی آنgr/cm3 2.26 بوده و به صورت α، β، βً یافت می شود.
کریستوبالیت: با گرم کردن تدریجی تری دیمیت در دمای 1470 درجه سانتی گراد تحول دیگری ایجاد شده و بلور کریستوبالیت بوجود می آید که چگالی آن برابر gr/cm32.32 بوده و به دو صورت α و β موجود است.
نقطه ذوب سیلیس برابر 1713 درجه سانتی گراد می باشد که در واقع همان نقطه ذوب کریستوبالیت β است.
شکل های بلوری سیلیس (کوارتز، تری دیمیت و کریستوبالیت) نقطه زینتر بالایی داشته و بر خلاف سیلیس بی شکل به سهولت خمیری نمی شود.
کاربردهای سیلیس: سیلیس در صنایع شیشه سازی، خمیرسازی، سرامیک سازی، تولید آجر ماسه آهکی، تولید سیلیکات سدیم، تولید نیمه هادی ها در صنعت الکترونیک، تولید پشم شیشه و تولید فروسیلیس و در صنعت ریخته گردی کاربرد دارد.
سیلیس مصرفی در هر یک از صنایع فوق باید دارای کیفیت و ترکیب شیمیایی خاصی باشد.ترکیب شیمیایی سیلیسی در واقع همان درصد SiO2 موجود در سنگ و یا درصد هر یک از اکسیدها که همراه SiO2 در کانی می باشد.
اکسید آلومینیوم:
حدود 90% از اکسید آلومینیوم برای تولید فلز آلومینیوم و بیقه برای مواردی چون کاتالیست ها، نسوزها، عایق ها، ساینده ها و ... مورد استفاده قرار می گیرد.
اکسید آلومینیم به خاطر داشتن نقطه ذوب بالا، مقاومت شیمیایی خوب و عایقبدن به عنوان لوله های نسوز، بلوک، غلاف ترموکوپل و بوته ذوب مواد مورد استفاده قرار می گیرد.
رات آلومینا که درای اندازه متوسط دانه های کریستالی بالاتر از 200 میکرون است در موارد فوق کاربرد بیشتری دارند و به همین خاطر ترکیبات دیگری مثل CaO-MgO-SiO2 و یا CaO- SiO2
به میزان 2-4 % به آلومینا اضافه می شود که در دمای پخت ایجاد فاز مایع نموده و زمینه را برای رشد دانه ایجاد می کند.
نسوز آلومینایی به علت پایداری حرارتی و شیمیایی خوب در هر دو محیط اسیدی و قلیایی مورد استفاده قرار می گیرد.
کاربردهای آلومینا:
صنایع الکترونیک- به علت مقاومت دی الکتریک بالا و هدایت حرارتی بالا، پایداری بالا در برابر ولتاژ، پایداری شیمیایی، زبری کم سطح، استحکام مکانیکی و قیمت مناسب در این صنایع کاربرد دارد.
صنایع شیمیایی- به دلیل سازگاری بالا و آب بندی خوب با فلزات و داشنت مقاومت به خوردگی بالا در این صنعت کاربردهای زیادی دارد.
صنعت نساجی- به علت مقاومت به سایش خوب و داشتن سطح سیقلی و ضد اصطکاک به عنوان هدایت کننده الیاف نساجی به کار می رود.
مهندسی پزشکی- به علت مقاومت به خوردگی بالا، تحمل بار خوب، خنثی بودن وسازگار بودن با فیزیولوژی بدن در مهندسی پزشکی به کار می روند.
صنعت سرامیک- برای ساخت لعاب ها، پوشش مورد استفاده در کوره های پخت سرامیک، به عنوان پر کننده در بدنه های سرامیکی ظریف و جهت افزایش خواص مکانیکی، کاهش تغییر شکل قطعه در ضمن
منیزیت:
منیزیت ترکیبی از هشتمین عنصر پوسته زمین ( از نظر فراوانی) است و با فرمول شیمیایی MgCO3 مهمترین کانی منیزیم دار است که ارزش اقتصادی زیادی دارد. منیزیت معمولاً بصورت رگه ها و توده های نامنظم در سنگ های آذرین، رسوبی و دگرگونی غنی از منیزیم مانند سنگ های آلترامافیک، مافیک و سنگ های دولومیتی مشاهده می شود.
ذخایر منیزیت به شکل های متفاوتی وجود دارند که شامل منیزیت های گرمابی، منیزیت جانشنی، منیزیت تراوشی و منیزیت رسوبی است.
محصولات منیزیتی در ایران بطور عمده شامل مواد اکسید منیزیم زینتر (DBM)، منیزیای کلسینه (CCM) و جرم نسوز(FM) هستند.
منیزیت در رده بندی مواد جز کربنات ها قرار می گیرد. اشکال بلوری منیزیت شامل رمبوئد و اسکالنوئدر می باشد و از نظر شکا ظاهری شامل انواع بلوری، توده های مجتمع، دانه ای و به رنگ های سفید، خاکستری، زرد، قهوه ای و سیاه می باشد.
منیزیت شبیه خاک های رسی فروان است ودر کشور های ایتالیا، یونان، اتریش، چین، آمریکا، برزیل و نروژ وجود دارد.
کلسیم Ca
عدد اتمی 20 است و در جدول تناوبی در گروه فلزات قلیایی خاکی قرار دارد. نقطه ذوب آن 1115 درجه سانتی گراد است.
کلسیم از قدرت فعالیت کمتری نسبت به فلزات قلیایی و سایر فلزات قلیایی خاکی برخوردار است.در مجاورت هوا لایه نازکی از اکسید و نیترید بر روی کلسیم تشکیل می شود که این لایه بصورت عایق در برابر اثرات بعدی هوا بر روی کلسیم عمل می کند.
از کلسیم می توان به عنوان یک عامل آلیاژ کننده برای فلزات حاوی آلومینیوم و به منظور حذف Bi از Pb استفاده کرد. همچنین در چدن ها به عنوان کنترل کننده کربن کرافیتی کاربرد دارد، این ماده با افزوده شدن به آلیاژ های منیزیم خاصیت نسوزندگی پیدا میکند.
آهک (اکسید کلسیم) از زمان های گذشته به عنوان ملات در ساختمان ها استفاده می شد. در صنعت فلز کلسیم را می توان از الکترولیز کلسیم کلرید و مخلوط فلوئورید و پتاسیم کلرید تهیه نمود.
کلسیم به فراوانی در جای جای کره زمین یافت می شود.
کرومCr
عدد اتمی کروم 24 و در جدول تناوبی در گروه فلزات واسطه قرار دارد. نقطه ذوب آن 2180 درجه سانتی گراد است.
کروم از سنگ معدن کرومیت Cr2O4(Fe,Mg) استخراج می شود. بیشتر منابع کروم در آفریقای جنوبی، قزاقستان، هند، زیمباوه، فنلاند، برزیل، روسیه، ترکیه و ایران قرار دارد.
فلز کروم میتواند به عنوان عایق ضد زنگ در برابر خوردگی فلزات دیگر را محافظت کند و به همین دلیل از آلیاژهای اصلی فولاد ضد زنگ به شمار می رود.
از کرومیت در صنعت نسوز به عنوان ساخت قالب های پخت آجر استفاده می شود.
زیرکونیوم Zr
عدد اتمی زیرکونیوم 40 است و در جدول تناوبی در گروه فلزات انتقالی قرار دارد. نقطه ذوب آن 2128 درجه سانتی گراد است.
زیرکونیوم در طبیعت به صورت آزاد وجود ندارد و از معدن سیلیکات زیرکونیوم بدست می آید. مهمترین منابع زیرکونیوم در جهان در کشور های استرالیا، برزیل، هند، روسیه و آمریکا قرار دارد.
زیرکونیوم سبک تر از فولاد بوده و در برابر زنگ زدگی مقاوم است.
از مهمترین کاربردهای زیرکونیوم استفاده از آن به عنوان ماسه ریخته گری می باشد همچنین اکسید زیرکونیوم ناخالص (زیرکونیا) به دلیل خاصیت دیرگدازی و مقاومت زیاد در برابر حرارت برای پوشاندن کوره ذوب و نیز به عنوان جسم نسوز در صنایع شیشه سازی و سفال سازی کاربرد دارد.
کربن C
عدد اتمی کربن 6 است و در گروه غیر فلزات در جدول تناوبی قرار دارد.
کربن به حالت های مختلف وجود دارد که از جمله می توان به گرافیت به عنوان نرم ترین حالت و نیز الماس که یکی از سخت ترین مواد شناخته شده می باشد اشاره کرد.
عمده ترین کاربرد اقتصادی کربن، به شکل هیدروکربن ها می باشد. که از مهمترین آن ها می توان به سوخت های فسیلی، گاز متان و نفت خام اشاره کرد.
همچنین کربن کاربردهای فراونی در صنایع مختلف دارد، از جمله در صنعت فولاد برای تولید فولاد، به آهن کربن اضافه می شود.
اکسیدآهن:
ترکیب شیمیایی از آهن و اکسیژن است، بطور کلی حدود شانزده نوع اکسی آهن و اکسی هیدروکسید وجود دارد، که بیشتر به عنوان سنگ آهن، رنگ دانه و کاتالیزور مورد استفاده قرار می گیرند.
انواع اکسیدها:اکسید آهن II(FeO)
اکسید آهن IIوIII، مگنتیت(Fe3O4)
اکسید آهن III(Fe2O3)
انواع هیدروکسیدها: هیدروکسید آهن II(Fe(OH)2)
هیدروکسید آهن III(Fe(OH)3)
روش تهیه آهن از طریق رسوب دهی سولفات آهن:در این روش سولفات آهن با PH<3 در آب حل می شود و به محلول حاصل سدیم هیدروکسید اضافه کرده و سپس هوا دهی انجام می گردد. با افزایش تدریجی PH تا 7، هیدروکسید آهن زرد رنگ تشکیل می شود و سپس محصول حاصل فیلتر شده که شاما هیدروکسید آهن می باشد. جهت خشک و آسیاب شدن آن را به گرم خانه منتقل می کنند که این هیدروکسید آهن بلافاصله در مواجه با هوای محیط به حالت پایدار درآمده و به اکسید آهن زرد تبدیل می شود. این محصول در صورت افزایش دما به رنگ های نارنجی، قرمز، قهوه ای و سیاه تبدیل می شود.
اکسید آهن II -نام دیگر آن Ferrous Oxide می باشد و با فرمول شیمیایی FeO شناخته می شود و شکل ظاهری آن بلورهای سیاه می باشد.
هماتیت – با فرمول شیمیایی Fe2O3 از مجموعه کانی هاست، از نظر شکل بلوری شامل انواع دانه ای، توده ای، نودولار و شعاعی می باشد و در انواع رنگ های قهوه ای، قرمز، خاکستری تیره و سیاه موجود است. ظاهری نیمه شفا دارد. هماتیت از کانساره های مهم آهن است، پودر آن در رنگ سازی و ضد زنگ مصرفدارد و در گذشه برای به رنگ قرمز درآوردن شیشه و بلور نیز به کار می رفت.
مگنتیت – با فرمول شیمیایی Fe3O4 از مجموعه کانی هاست و از واژه یونانی Magnec به معنای آهنربا گرفته شده است. ظاهری سیاه رنگ و کدر دارد و در گروه اکسیدها قرر دارد. دارای خاصیت مغناطیسی بسیار قوی است.
بوریک اسید:
بوریک اسید یا اورتوبوریک اسید یا بوراسیک اسید، یک اسید ملایم است که بیشتر به عنوان ضد عفونی کننده بکار می رود. بوریک اسید به دو صورت بلورهای بی رنگ و یا پودر سفید حلال در آب وجود دارد، عمدتاً از کانی ها و معادن بورات تهیه می شود، بدین صورت که از ترکیب این کانی هاسولفوریک اسید حاصل می شود.
اکسید بور(بورتری اکسید):
با فرمول شیمیایی B2O3 جامدی نسوز (دیرگداز) جزء گروه اکسیدهاست. حلال پذیری این ماده در آب متوسط بوده و بدون بو و بدون رنگ م یباشد. از نظر شکل ظاهری جامدو پودری است، دمای ذوب آن 450 درجه سانتی گراد می باشد.
آهک CaCo3:
از جمله موادی است که از دوران باستان کاربردهای زیادی داشته و از آن برای استحکام انواع بناها استفاده می شده است. اگر سنگ آهک بیش از 90% وزنش کربنات کلسیم داشته باشد، آهکی که از آن بدست می آید آهک پر مایه ست و در صورتی که میزان کربنات کلسیم کمتر از 75% وزنش باشد، اهک بدست آمده آهک کم مایه است.
ویژگی های آهک: ماده ای سفید رنگ است که از پختن سنگ آهک بدست می آید. هر چه درجه گرمای پختن سنگ آهک زیادتر شود، سرعت ترکیب با آب آن کندتر می شود. آهک بلوری به شکل مکعب، بی رنگ و متمایل به زرد است و آب به سختی از سطح آن به درون آن نفوذ می کند.
اکسید منیزیم Magnesium Oxide :
با فرمول شیمیایی MgO و شکل ظاهری پودر سفید شناخته می شود. چگالی آن gr/cm33.58 و دمای ذوب آن 2852 درجه سانتی گراد می باشد. از نظر انحلال پذیری در اسید و آمونیاک حلال و در الکل حل نمی شود، غیر قابل اشتعال و بی بو است و توانایی انتقال حرارت خوبی دارد.
بنتونیت:
از تجزیه خاکستر های آتش فشانی بوجود می آید و حاوی مقدار زیادی ذرات ریز مونت مور پلونیت می باشد. اندازه بنتونیت ها کمتر از 0.5 میکرون است و دارای پلاستیسیته بسیاز زیاد بوده و قادر است تا 5 برابر حجم خشک خود آب جذب کند.
نکته قابل توجه در مورد بنتونیت ها این است که ذرات آن در آب در بعضی موارد تا حد واحد های مولکولی از یکدیگر جدا می شوند. بنتونیت ها به دو صورت گرمابی و رسوبی تشکیل می شوند. ذخایر بنتونیت گرمابی در شرایط خاص ترکیب محلول گرمابی تشکیل می شوند. ذخایر بنتونیت رسوبی مهمترین ذخایر بنتونیت در دنیا هستند، بنتونیت های رسوبی متعلق به دوران سوم زمین شناسی هستند.
کاربردهای بنتونیت: صنایع غذایی، صنایع شیمیایی، تهیه گوگرد، صنعت نفت، کاغذ سازی، تمیز کننده، مواد معدنی، کشاورزی، حفاری، سرامیک و ریخته گری.
بنتونیت به دو صورت سدیم دار و کلسیم دار وجود دارد، که نوع سدیم دار آن به دلیل خاصیت چسبندگی و پلاستیکی در تهیه قالب های ریخته گری استفاده می شود و نوع کلسیم دار آن در سایر صنایع به کار می رود.
گرد آوری : رامین سعیدی
