مواد ديرگداز و نسوز

فهرست مطالب
عنوان صفحه
مواد ديرگداز و نسوز ۱
مواد اصلي ديرگداز ۳
شناسايي بر اساس رفتار شيميايي ۴
كاربرد مواد دير گداز ۶

فرايند توليد مواد ديرگداز ۷
توليد به روش سراميك هاي درشت دانه ۷
آماده سازي ۸
شكل دادن ۹

خشك كردن و عمليات حرارتي تادماي ۸۰۰ درجه سانتيگراد ۱۰
پخت ۱۰
عمليات نهايي ۱۲
آزمايشات معمول در مورد مواد ومحصولات نسوز ۱۲
آزمايشات ديگر ۲۳
مواد دير گداز و نسوز
مواد دير گداز به مواد معمولاً غير فلزي گفته مي شود كه مي توانند در درجه حرارتهاي بالا پايدار باشند . بنابراين مواد نسوز بايد قابليت حفظ خصوصيات فيزيكي و شيميايي مورد نظر را در درجه حرارتهاي بالا و شرايط محيط عمل داشته باشند .

قدرت پايداري در درجه حرارتهاي زياد اگر چه يك عامل تعيين كننده براي گروه بندي يك ماده به عنوان يك دير گداز مي باشد ولي با اين حال انتظار مي رود كه ماده نسوز در مقابل نيروهاي مخرب ديگري كه احياناً در شرايط عمل رو به رو مي شوند نيز مقاوم باشد . عوامل مخرب عبارتند از سايش ، ضربه ، ضربه هاي حرارتي ، حمله شيميايي و بار مكانيكي زياد در درجه حرارت بالا . موارد استعمال گوناگون مواد نسوز و شدت وضعيت نسوز را براي ارضاي آن شرايط روشن مي گرداند تعداد محصولات نسوز كه با توجه به تركيبات متنوع و نامحدود موارد موارد دير گداز مختلف به دست مي آيد آنقدر زياد است كه براي بحث در مورد اين محصولات ، بايد مواد نسوز را طبقه بندي نمود .
نسوزها را به چندين طريق مي توان بندي كرد ولي مناسبترين آنها بر پايه تركيبات كلي و در درجه دوم شرايط فيزيكي و خواص مشخصه آنها مي باشد .

نمونه هاي اوليه آجر نسوز شامل موارد زير است :
۱- آجرهاي آلومينو سيليكاتي
۲- آجرهاي بازي
۳- آجرهاي سيليسي
۴- آجرهاي عايق بندي
۵- نسوزهاي مخصوص : C-Sic –Zro2 زيركن – بريدها و نيتريدها
البته آجرها قبلاً شكل داده شده و معمولاً قبل از مصرف در درجه حرارت بالا حرارت داده مي شوند ولي در بعضي موارد گرما نديده و با پيوند هاي شيميايي محكم مي گردند مانند گروهي از آجرهاي دو لوميتي و منيزيتي زفت اندود شده كه اساس به هم پيوستگي آنها اتصالات شيميايي است .
آجرها از نظر ابعاد و شكل خارجي نيز طبقه بندي مي شوند و معمولاً به صورت اندازه هاي استاندارد و شكل هاي مخصوص به كار مي روند كه در قسمت شكلهاي استاندارد آجرها مفصلاً به آنها خواهيم پرداخت .
از نگاهي ديگر مي توان محصولاتي را كه در دماهاي بالا (بين ۶۰۰ تا ۲۰۰۰درجه سانتيگراد ) در دستگاههاي و كوره ها در صنايع مختلف به كار گرفته مي شوند را به عنوان دير گدازها توصيف كرد و مي توان چهار گروه از موارد دير گداز را به صورت زير از يكديگر متمايز كرد :
۱- محصولات شكل دار (آجرها)

۲- محصولات بي شكل كه مونوليتيك نيز ناميده مي شوند (جرمهاي سازه اي و تعميراتي و مواد اتصال دهنده )
۳- محصولات ويژه (المانهاي سازه اي)
۴- محصولات عايق
از آنجايي كه نقطه خميري شدن مواد نسوز در بكارگيري آنها هميت به سزايي دارد نمونه آزمايشي ان را به صورت مخروطهاي زيگر مي سازند و ابتدا در آزمايشگاه نقطه خميري شدن آن را بدست مي آورند . مخروط زيگر يك مخروط سه گوش مثلث القاعده باريك و بلندي مي باشد و روي قاعده اش در كوره آزمايش قرار داده مي شود . مخروط بر حسب تركيب خود در درجه حرارت معيني نرم و سرش به سمت قاعده خم مي گردد . در موقع آزمايش با بهره گيري از نمودارهاي استاندارد كه درجه حرارت خميري شدن آنها معلوم است ،

درجه حرارت كوره را به تدريج بالا مي برند و زماني كه نمونه آزمايشي نرم و خميري گرديد در مقايسه با مثلاً سه مخروط استاندارد ديگر كه يكي وا رفته و ديگري خم گشته و سومي هنوز نرم نشده به درجه حرارت خميري شدن ماده نسوز مورد آزمايش پي مي برند .

مواد اصلي دير گداز
مواد دير گداز بر پايه شش اكسيد اصلي Sio2,AL2O3 ,Mgo ,cao,cr2o3 ,zro2 و تركيبات بين انها كه اخيراً اغلب در تركيب با كربن نيز هستند ، قرار دارند .(شكل ۱)
علاوه بر كربن و كاربيد سيلسيم مقدار كمي كاربيد بور (B4C) و نيتريدها (si3N4) و (BN) نيز براي كاربردهاي ويژه به مجموعه فوق اضافه مي شود . اين مواد و تركيبات اصلي بواسطه اين حقيقت كه در دماهاي بالا ذوب مي شوند ، اهميت دارند . (جدول ۱) به منظور درك رفتار پيچيده نرم شوندگي مواد چند فازي ساخته شده از مواد دير گداز ، مي توان به دياگرام هاي فازي مراجعه كرد .
شناسايي بر اساس رفتار شيميايي
شناخت رفتار واكنشي يا مواد شيميايي مواد دير گداز براي اطمينان از كاربرد صحيح اين محصولاي اهميت زيادي دارد . بيشترين سازگاري اين مواد با سرباره ها و ذرات معلق كه جزيي از محصولات فرايند هستند مطرح است تاكمترين واكنش را داشته باشند و در نتيجه ، فرسايش حاصل از خوردگي كاهش مي يابد . ا ز ديدگاه شيميايي مواد دير گداز با عنوان اسيدي ، قليايي و يا تقريباً خنثي نامگذاري مي شود .

اجسامي كه مواد دير گداز مورد حمله قرار مي دهند نيز اغلب بر اساس رفتار واكنش شيميايي نام گذاري مي شوند . در رابطه با سرباره ها نسبت مولي cao/cio2 پايين تر از يك ، به عنوان سرباره اسيدي و نسبت دو و بالاتر به عنوان سرباره قليايي مطرح هستند . محدوده مياني براي هر دو نوع اكسيدهاي قليايي و اسيدي مقدار كمي خورنده است .

طبقه بندي مواد ديرگداز
طبقه بندي مواد ديرگداز بر اساس تك تك ويژگي هاي اصلي آنها كه معمولاً داراي محدوديت هستند انجام مي شود . مواد اوليه مصرفي ، همچنين روش هاي ساخت و كاربرد ، فاكتورهاي ديگري هستند كه معيارهاي طبقه بندي مواد ديرگداز را تشكيل مي دهند .

خواص زير به عنوان معيارهاي ديگري براي تعيين ويژگي هاي مواد دير گداز بكار مي روند :
– طبقه بندي گروهي بر طبق اجزاي شيميايي اصلي (يعني AL2O3 يا Mgo)
– نوع ماده اوليه اصلي (طبيعي ،سنتز شده يا ماده مركب ، بعني پيش زينتر شده و نپخته ، كليسينه شده ، زينتر شده يا ذوب شده )

– نوع اتصال (سراميكي با پخت در دماي كمتر از ۸۰۰ درجه سانتيگراد ، شيميايي ، معدني با واكنش در دماي بيشتر از ۸۰۰ درجه سانتيگراد ، هيدروليك ، ((گيرش در دماي اتاق )) و آلي و ذوب شده )
– نوع عمليات نهايي (عمليات حرارتي شده تا دماي ۸۰۰ درجه سانتيگراد و غوطه ور شده)
– وضعيت هنگام تحويل (شكل دار ، بي شكل)
– تخلخل واقعي (مرتكم > 45% حجمي ، عايقي حرارتي < حجمي )
– روش نصب (براي مواد بي شكل )
– مورد مصرف

كاربردهاي مواد دير گداز
محصولات دير گداز براي كاربردهاي زير مورد استفاده قرار مي گيرند :
– جداره دستگاههايي كه فرايند هاي حرارتي دارند (كوره هاي ذوب ، پخت و عمليات حرارتي ) و مخازن حمل مذاب
– ساخت قطعات طراحي شده (محصولات ويژه)
– بازيافت گرما (ژنراتورها و ركوپراتورها )
– عايق كاري گرمايي

صنعت آهن و فولاد بزرگترين مصرف كننده محصولات دير گداز خصوصاً ديرگدازهاي بي شكل (مونوليتيك) است . طول عمر ، قابل دسترس بودن و اقتصادي بودن هر پوشش ديرگدازي وابسته به :
– كيفيت و انتخاب صحيح محصولات ديرگداز
– نصب صحيح (شيوه طراحي و نصب )
– شرايط كار كرد
اين نيازها همكاري بين اپراتور دستگاه يا كوره ، سازنده مواد دير گداز و شركت هاي مهندسي سازنده دستگاهها يا كورهها را مي طلبد . امروزه محصولات ديرگداز اغلب براي كاربدهاي ويژه طراحي مي شوند .
فرايند توليد مواد ديرگداز
به طور كلي روشهاي ذيل در ارتباط با توليد محصولات ديرگداز بكار گرفته مي شوند:
– توليد محصولات به روش سراميكهاي درشت دانه و به اندازه دانه حدود ۶ميليمتر و در موراد خاص حدود ۲۵ ميليمتر (آجرها و مواد ديرگداز بي شكل )
– توليد محصولات به روش سراميكهاي ريزدانه با استفاده از مواد اوليه سراميكي با اندازه دانه ريز حدود ۱ ميليمتر (آجرها و قطعات فرمي)

– توليد مواد دير گداز به روش ذوب (محصولات ريخته گري ذوبي )
– توليد محصولات متخلل ، مثلاً آجرهاي دير گداز عايق
– توليد مواد سراميكي اليافي
توليد به روش سراميكهاي درشت دانه
به طور كلي اين روش به مراحل ذيل تقسيم مي گردد :

– آماده سازي Preparation
– شكل دادن shaping
– خشك كردن
– عمليات حرارتي تا دماي ۸۰۰ درجه سانتيگراد
– عمليات نهايي
– بسته بندي و حمل و نقل
آماده سازي

آماده سازي شامل خردايش مواد اوليه از طريق خرد كردن يا آسياب كردن همه مواد به اندازه مورد نظر به وسيله طبقه بندي و سرند كردن «الك كردن » و سپس ايجاد يك مخروط شكل پذير بر اساس ماده اوليه خاص و اندازه ذرات مورد نياز است كه با اختلاط همگن توسط آب و يا يك چسب مناسب اين مرحه كامي مي شود . بنا به دلايل اقتصادي فقط ۳ تا ۴ فراكسيون دانه ها براي تهيه مخلوط استفاده مي شود .

(دانه درشت – دانه متوسط – دانه ريز كوچكتر از ۱۱/. ميلي متر ) براي دستيابي به ماكزيمم تراكم ذرات در حين فرايند شكل دادن مثلاً براي بتونهاي دير گداز منحني هاي دانه بندي به صورت تئوريكي و عملي براي دانه هاي تا ۱ ميلي متر تهيه مي شوند . اين منحني هاي اندازه دانه همچنين تا حدي تاثير شكل دانه (مكعبي ،نوك تيز ،گرد) را رعايت مي كنند . همچنين بهبود مقاومت در برابر شوك حرارتي مي تواند با افزايش در صد دانه هاي درشت به جاي دانه هاي متوسط با دانه بندي مواد اوليه بدون فراكسيون دانه هاي درشت به جاي دانه هاي متوسط با دانه بندي مواد

اوليه اي بدون فراكسيون دانه هاي متوسط ايجاد شود . خصوصيات مخلوط و در نتيجه محصول نهايي مي تواند به طور خاصي بوسيله انتخخاب توزيع اندازه دانه تحت تاثير قرار مي گيرد . براي اين محصولات همچنين امكان ساخت آنها از انواع مواد اوليه به وسيله تغيير اندازه دانه هاي تك تك مواد اوليه وجود دارد .

شكل دادن shaping
انتخاب نوع روش شكل دهي بستگي به خاصيت شكل پذيري مخلوط (مقدار آب و پلاستيسيته ) شكل محصول نمايي دارد .
انواع روشهاي شكل دادن عبارتند از :
– روش اكستروژن براي مخلوط پلاستيك

– پرسهاي هيدروليك و ضربه اي براي مخلوط هاي خشك با مقدار رطوبت ۲ تا ۶ درصد ،فشار پرس در محدوده ۴۰-۱۲۰ N/mm2 است .
در فشارهاي بالاتر امكان خرد شدن دانه ها و در نتيجه تبديل به توزيع اندازه دانه جديد وجود دارد .
– پرسهاي ارتعاشي ، با فشار پايين خصوصاً براي ساخت قطعات يش ساخته از محصولات دير گداز بي شكل
– كوبش دستي يا مكانيكي براي شكل هاي پيچيده يا قطعات با تعداد محدود
– پرس ايزواستاتيك معمولاً براي محصولات با ارزش و ريز دانه با فشار هاي بيشتر يا مساوي ۳۰۰n/mm2

– ريخته گري دوغابي نيز معمولاً براي سراميكهاي ريز دانه و قطعات مخصوص و حتي بلوكهاي بزرگ ميزان آب دوغاب ۱۰ الي ۲۰ در صد
خشك كردن و عمليات حرارتي تا دماي ۸۰۰ درجه سانتيگراد
تقريباً همه قطعات پرس شده خصوصاً قطعات پرس شده بزرگ بايد به دقت خشك شوند . بدين ترتيب از ايجاد تركهاي مرحله خشك كردن يا عيب بعد از پخت جلوگيري مي شود . با توجه به شكل آجر ورفتار خشك شدن آن زمان خشككردن از چندين دور تاچندين هفته طول نمي كشد. آجرهايي كه اتصال شيميايي يا آلي دارند و قبل از كاربرد پخته نمي شوند در دماي بالاي ۱۵۰ درجه سانتيگراد خشك مي شوند و يا عمليات حرارتي مي شوند

تااستحكام به وسيله واكنشهاي شيميايي افزايش يافته و يا اجزاء فرار يا آب هيدراته خارج گردد .
پخت firing
هنگام پخت در نتيجه استحاله ها ، واكنش هاي حالت جامد ، تبلور مجدد Recrystallization ، تشكيل فاز مذاب ، فرايند انحلال و رسوب ، خصوصيات ريز ساختاري مواد دير گداز تشكيل مي گردد . عموماً ريزساختار يك ماده دير گداز بر اساس نوع ، مقدار ، اندازه ، شكل ، جهت گيري و نظم فازهاي تشيكل دهنده تعريف مي شود .

سه جزء اصلي زير ساختار مواد دير گداز پخت شده عبارتند از :
– دانه ، كه معمولاً به طور قابل توجهي در هنگام پخت تغيير نمي كند .
– زمينه (ماتريكس ) كه ابتدا در حين پروسه پخت تشكيل مي شود و معمولاً متخلخل تر از دانه است .

– حفرات كه اصولاً بسياري از خواص مواد در يك جهت يكسان را تعيين مي كنند.
زمينه براي رسيدن به خواص مناسب استحكام گرم ، مقتومت در برابر شوك حرارتي ومقاومت خوردگي از اهميت خاصي برخوردار است . با افزايش دما و زمان پخت ، تحت بار ، متوسط اندازه حفره ونتيجتاً قابليت نفوذ گاز Gas permeabillity همچنين اندازه كريستاليتها افزايش مي يابد . البته بايد توجه كرد كه دماهاي پخت از يك حدي بيشترنمي توانند بالا روند. افزايش بيش از حد دماي پخت موجب ظهور انقباض زياد يا تغيير فرم وله شدگي مي گردد كه در نهايت دقت ابعاد و شكل خاص قطعه را از بين مي برد .

معمولاً در مرحله پخت كوره هاي تونلي ، كوره هاي شاتلي و كوره هاي هودي كه با گاز يا نفت كار مي كنند مورد استفاده قرار مي گيرند . منحني پخت و در بعضي موارد نيز اتمسفر براي پخت محصولات دير گداز ، بهينه مي شود . كل زمان پخت براي محصولات ديرگداز مي تواند از سه روز تا چندين هفته متغير باشد .
عمليات نهايي
در بعضي موارد براي مثال هنگام نصب آجرها يا بلوكها بدون استفاده از ملات دقت ابعاد آجرهاي پخت شده كافي نيست و بنابراين برشكاري يا صيقل كاري مورد نياز خواهد بود . به منظور بهبود مقاومت خوردگي ، آجرهاي پخته شده با قطران ، رزين يا محلولهاي فسفاتي تحت شرايط خلاء تلقيح مي شوند .

آزمايشات معمول در مورد مواد و محصولات نسوز
وجود آزمايشگاه براي كنترل كيفيت مواد اوليه و محصولات ساخته شدهدر توليدات نسوز از اهميت ويژه اي برخوردار است زيرا اين محصولات در شرايط معمولاً سختي مورد مصرف قرار مي گيرند . در اينجا به تشريح برخي از آزمايشات معمول مي پردازيم . البته براي موارد خاص و يا مسائل تحقيقاتي آزمايشات گسترده تري مي توان انجام داد .

۱- آناليز مواد
در اين آزمايش كه به روشهاي آناليز محلول شيمايي ،‌طيف سنجي (اسپكترومتري ) جذب اتمي (اتميك ابزوريشن) ، تفريق اشعه ايكس و غيره انجام مي گيرد ، در صد اكسيدهاي موجود در ماده اوليه يا محصول نهايي كه به طور عمده عبارتند از :
سيليس (sio2) آلومين (Al2o3) ، منيزي (Mgo) ، اكسيد كروم (cr2o3) آهك (cao) اكسيد تيتانيم (tio2) اكسيد آهن (fe2o3) قلياي ها (Lio2 ,k2o, na2o) و … مشخص مي گرند .
۲- تعيين در صد رطوبت

براي بدست اوردن ميزان رطوبت مواد اوليه و يا فراورده هاي نسوز براي كنترل مشخصات لازم ، پس از وزن كردن دقيق آنها را دماي ۱۱۰ درجه سانتي گراد در خشك كن مدتي حرارت مي دهند تا آب آنها تبخير شود و سپس دوباره دقيقاً وزن مي كنند . اختلاف دو وزن ميزان رطوبت تبخير شده را بدست مي دهند .

w1 : وزن اوليه ماده اوليه قبل از خشك كردن
w2 : وزن ثانويه ماده اوليه بعد از خشك كردن
D1 : در صد رطوبت بر مبناي تر
D2 : در صد رطوبت بر مبناي خشك
D1= * 100

D2 = *100
طبق آزمايشي كه انجام شد نتيجه به صورت زير مي باشد :
W1 = 27.48 gr
W2 =22.13 gr
D1 = * 100 D1 = *100
D1 = 19.46%
D2 =

D2 = * 100

D2 = 24 .17 %
3- تعيين در صد مواد فرار
براي مشخص نمودن در صد مواد فرار كه احتمالاً در مواد اوليه وجود دارد ، پس از خارج ساختن رطوبت نمونه را دقيقاً وزن كرده و سپس در كوره آزمايشگاهي در حرارت ۱۱۰۰ درجه سانتي گراد براي مدتي قرار مي دهند و آنگاه كه ماد فرار خارج شد دوباره دقيقاً وزن مي نمايند و اختلاف اين دو توزين مقدار مواد فرار خارج شده را مشخص مي نمايد .

۴- تعيين وزن مخصوص مواد اوليه
پس از توزيع مواد اوليه آنها را به درون يك ستون استوانه اي مدرج كه حجم معيني از يك مايع مناسب دارد مي ريزند و با اندازه گيري تغيير حجم مايع ، حجم مواد اوليه را بدست مي آورند .
تقسيم وزن بر حجم مخصوص مواد اوليه را بدست خواهد داد .
طبق آزمايش :

حجم مايع درون استوانه مدرج = ۱۰۰ سي سي
حجم ماده اوليه پس از اندازه گيري دقيق حجم آن = v
v= 63cc
m=141.3 gr وزن ماده اوليه
دانستيه d = = = 20242 gr / cm3
5- تعيين وزن مخصوص حجمي محصولات نسوز
بعد از توزيع آجر نسوز اگر ابعاد آن قابل اندازه گيري و حجم آن قابل محاسبه باشد ، از اين طريق حجم محاسبه مي شود . در صورتيكه محصول نسوز شكل هندسي نا منظمي داشته باشد لايه نازكي زا پارافين مذاب به روي سطح آن كشيده و سپس آن را در ظرف مدرج محتوي مايع فرو مي برند تا از روي تغيير حجم ، حجم قطعه مورد آزمايش بدست آيد . در اين حال وجود پارافين در سطح مانع نفوذ مايع به درون سوراخهاي باز واقع در سطح قطعه خواهد شد . در هر حال حاصل تقسيم وزن بر حجم وزن مخصوص حجمي است .

۶- تعيين دانه بندي
براي مشخص نمودن نحوه توزيع ذرات ريز و درشت در مواد اوليه ، مخلوط هاي قبل از شكل گيري و يا حالت هاي ويژه نظير ملات ها و جرم هاي ريختي و مخلوط هاي قبيل از شكل گيري و يا حالت هاي ويژه نظير ملات ها و جرم هاي ريختني و مخلوط هاي كوبيدني و غيره ، آنها را بالاي يك سري الكهاي استاندارد كه به وسيله يك دستگاه لرزاننده غربال مي شود قرار مي دهند و به تدريج در هر الك با اندازه سوراخ مشخص مقداري از مواد باقي مي ماند . در خاتمه در صد اندازه هاي مختلف ذرات با توربين مقداري از مواد كه روي هر الك مانده محاسبه مي شود .

۷- تعيين پلاسيتسيته مواد
مواد اوليه را همراه مقدار معيني آب به صورت خمير درست كرده و در قسمت كفه مانندي قرار ميدهند و سپس آن را وسط به دو نيم مي كنند .آنگاه تحت ضربه هاي متوالي دو نيمه به يكديگر نزديك مي گردند. دستگاه مربوط گاز گراند نام دارد و در واقع رابطه بين حد رواني و حد خميري خاك نسوز رااز مقايسه تعداد ضربه هاي متوالي و مقدار آب جذب شده بدست مي دهند .

آزمايشات ديگري كه براي بدست آوردن پلاستيسيته مواد اوليه انجام مي شوند تحت عنوان ففركورن و ريكه و آتربرگ مطرح مي شوند كه آزمايش آتربرگ كار و آزمايش با دستگاه گاز گراند است .