معرفی مواد دیر گداز و سرامیک ها

[ghasem motamedi]

مواد دیر گداز:
به موادی گفته می شود که نقطه خمیری شدن آن ها بالاتر از 1520 درجه سانتیگراد می باشد .
تمام مواد تشکیل دهنده شیشه ها و سرامیک ها مواد اکسیدی می باشند .
نقطه خمیری شدن :
برای تعیین نقطه خمیری شدن از مخروط زگر Seger یا مخروط اورتون Orton استفاده می کنند به این صورت که ابتدا مخروط تهیه شده را در کوره مورد نظر قرار داده و شروع به حرارت دادن می کنیم تا هنگامی که مخروط از کمر خم شود و در اصطلاح شکسته شود این دما را نقطه خمیره گویند که اگر بیش از 1520 درجه باشد به آن دیر گداز اطلاق می شود .

مواد اولیه تشکیل دهنده دیر گداز ها :

این مواد اولیه عبارتند از :
Object-1
پارامتر های مهم یک دیر گداز و نحوه اندازه گیری آن ها :
1- تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی
2- پایداری در برابر سرباره
3- استحکام در برابر شوک حرارتی
4- مقاومت در برابر فشار
که در دماهای R.T (Room Temperature) و H.T ( High Temperature)
5- پایداری حجمی در عملیات حرارتی بعدی
6- میزان انبساط حرارتی
7- میزان انتقال هدایت حرارتی و گرمایی
8- میزان تخلخل و دانسیته و قابلیت نفوذ در مقابل گاز ها
9- مقاومت در مقابل ضربه
10- خزش

1) تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی
این پارامتر که به وسیله دو مخروط به نام های زگر و اورتون سنجیده می شود بدین صورت است که مخروط دیر گداز را در کوره های عملیات حرارتی گذاشته و تا دمای مورد نیاز که معمولا 1520 درجه سانتی گراد است حرارت می دهند تاهنگامی که دیر گداز به نقطه خمیری خود رسیده و از کمر خم شود سپس زمان صرف شده در این عملیات را حساب کرده و رنج پایداری دیر گداز را به دست می آورند .

2- پایداری در برابر سرباره
ابتدا یک قطعه دیر گداز را سوراخ کرده و حفره هایی را در داخل آن ایجاد می کنیم سپس سرباره را که از قبل به صورت ذوب تهیه نموده ایم در داخل حفره های دیر گداز می ریزیم و در داخل کوره قرار می دهیم و پس از گذشت مدت زمان معین بیرون می آوریم اگر سرباره با دیر گداز میل ترکیب شیمیایی داشته باشد وارد جسم دیر گداز میشود سپس قطعه دیرگداز را برش عرض داده و مورد متالوگرافی و بررسی قرار می دهیم . اگر میل ترکیبی دیر گداز با سرباره زیاد نباشد پایداری سرباره زیاد است در غیر این صورت به نسبت میل ترکیبی رنج دیر گداز را تعیین می کند .

3- استحکام در مقابل شوک حرارتی
برای تعیین درجه شوک پذیری ابتدا قطعه دیر گداز مورد نظر را تا دمای کاربردی به مدت زمان معیینی حرارت داده و سپس به طور ناگهانی و با سرعت زیاد آن را سرد می کنیم . باید توجه داشت که این کار را 30 مرتبه و بدون وقفه انجام داد . اگر دیر گداز بعد از 30 مرتبه ترک برداشته و یا خرد شود رنج شوک پذیری آن کم اما در غیر این صورت دیر گداز در مقابل شوک حرارتی مقاوم است .

عوامل موثر در شوک پذیری :

1- ضریب انبساط حرارتی
2- قابلیت هدایت حرارتی
3- خاصیت آن ایزوتروپی(Anisotropy)
4-فاز های تشکیل دهنده دیر گداز
5- تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی
6- تخلخل و دانسیته


1- ضریب انبساط حرارتی :
میزان تغییرات حجمی که جسم در مقابل حرارت از خود نشان می دهد که هر چه این ضریب پایین تر باشد پایداری این جسم بیشتر است .
نکته : شوک حرارتی تنش هایی است که بین دمای درون قطعه و دمای بیرون ایجاد می شود .

2- قابلیت هدایت حرارتی :
که اگر قابلیت هدایت حرارتی بالا باشد پایداری در مقابل حرارتی بیشتر است .

3- خاصیت آن ایزوتروپی
این خاصیت به این معنا است که خواص در جهات مختلف متفاوت است و هر چه این خواص ایزوتروپ تر باشد دیر گداز مقاومت تر است .

4- فاز های تشکیل دهنده دیر گداز ها :
اگر فاز های یک دیر گداز یکی باشد یعنی آن دیر گداز فقط از یک فاز تشکیل شده باشد استحکام دیر گداز در مقابل شوک حرارتی بیشتر است و هر چه تعداد فاز ها بیشتر باشد ناپایداری دیر گداز نیز بیشتر است .

5- تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی :
تغییرات فازی که بر اثر تغییر درجه حرارت به وجود می آید باعث ایجاد فاز های مایع در درجه حرارت های پایین می شود .

6- تخلخل و دانسیته :
تخلخل و ضریب تراکم در یک دیر گداز هر چه بیشتر باشد مقاومت آن دیر گداز در برابر شوک حرارتی بیشتر است و هر چه دانسیته کمتر باشد پایداری دیر گداز بالا تر است .

7- الاستیک ( ضریب کشسانی ) :
هر چه الاستیسیته یک دیر گداز بیشتر باشد پایداری آن در مقابل شوک حرارتی بیشتر است

[ghasem motamedi]

آجرهای نسوز: در واقع نوعی چينی (پرسلان) هستند که از ‌خاکهای نسوز تهیه می‌شود. چینی نوعی سراميک مرغوب است که دارای ساختاری ظریف‌تر و متراکم‌تر از سفال هستند. دمای پخت آجرهای نسوز حدود می‌باشد.
از آجرهای نسوز به دلیل مقاومت حرارتی بالا در پوشش درونی کوره‌های صنعتی استفاده می‌شود. آجرهای نسوز انواع مختلفی دارد، باتوجه به نوع ماده استفاده شده در ترکیبات آنها، گستره‌های مختلی را تحمل می‌کنند. تا دهه 1960 از کربن و خاک نسوز برای پوشش کوره‌ها استفاده می‌شد اما امروزه با ساخت انواع آجرهای نسوز از آنها در پوشش داخلی کوره استفاده می‌شود.

انواع آجرهای نسوز:
آجرهای سيليسی: قسمت عمده این آجرها را خاک‌های سیلیسی که به کوارتزيت معروف است تشکیل می‌دهد. کوارتزیت شامل 95% SiO2 و به مقدار جزئی Al2O3، Fe2O3، TiO2، K2O و Na2O می‌باشد. از این آجرها در گذشته برای پوشش جدار درونی کوره‌های فولادسازی استفاده می‌شد.
ولی به دلیل رسانایی گرمایی زیاد در نفوذناپذیری در مقابل گازها، امروزه بیشتر برای پوشش جدار درونی کوره‌های تولید خمیر شيشه در کارخانه‌های شیشه سازی، کوره‌های کک سازی گازسوز و کوره‌های سرامیک سازی استفاده می‌شود.
آجرهای آلومينيومی: این آجرها دارای درصد بالایی از آلومين ( Al2O3) می‌باشند. آنها را از مخلوط کائولن، بوکسيت و کروندوم که بیش از 70% آلومین دارد، تهیه می‌کنند دمای پخت این آجرها در حدود می‌باشد. آجرهای نسوز آلومینیومی برای پوشش جداره درونی کوره‌های ذوب فولاد مصرف می‌شوند. در مقابل مواد قلیایی مقاومند. بنابراین از آنها برای پوشش جداره درونی کوره‌های سیمان سازی و شیشه سازی هم استفاده می‌شود.
آجرهای نسوز قليايی: این آجرها شامل اکسید منیزیم (MgO) و SiO2 به فرمول 2MgO، SiO2 می‌باشند. برای تهیه اکسید منیزیم، کربنات منیزیم طبیعی (ماگنزيت) یا دولوميت را در دمای بین تا حرارت می‌دهند. اضافه کردن مقداری Cr2O3 ( اکسید کروم III ) یا Fe2O3 ( اکسید آهن III ) به مخلوط MgO و SiO2 باعث افزایش مقاومت گرمایی آجرهای نسوز قلیایی می‌شود. از این آجرها برای پوشش جدار درونی کوره‌های باز در فولادسازی، کوره‌های دوار در کارخانه‌های سیمان سازی و در قسمتهای بالای کوره‌های ذوب شیشه و صنایع فلزات غیرآهنی، استفاده می‌شود.
آجرهای نسوز ويژه: این آجرها نوع خاصی از آجرهای نسوز هستند و در صنعت برای منظورهای ویژه‌ای کاربرد دارند این آجرها از ترکیبات فلزات واسطه می‌شوند. متداولترین آجرهای این گروه عبارتند از:
آجر زيرکونيوم: این آجر از سولفات زيرکونيوم طبیعی با افزودن مقدار کمی آلومین به کوارتز تهیه می‌شود. بیشترین کاربرد آن در ساختن کوره ذوب آلومینیوم، کوره مخزن شیشه مذاب و کوره‌های دارای دمای بالا می‌باشد. همچنین از ذوب سولفات زيرکونيوم با آهک ناخالصی آن به همراه سیلیکات کلسیم جدا می‌شود و می‌توان ZrO2 (اکسید زيرکونيوم)(زيرکونيا) خالص بدست آورد. با افزودن مقدار 5 درصد وزنی از MgO یا CaO بلورهای مکعبی آن تشکیل می‌شود.
ZrO2 مقاومت گرمایی بالایی دارد از آن در ساختن بوته‌های ذوب فلز در صنایع ذوب فولاد و در راکتورهای اتمی به عنوان بازتاب دهتده نوترون استفاده می‌شود.
آجر اکسيد کروم - کوروندوم: این آجرها دارای 5 تا 10 درصد اکسيد کروم I , II و 90 تا 95 اکسید آلومینیوم (آلومینا) (Al2O3) هستند در مقابل مواد قلیایی مقاوم هستند. از این نوع آجر برای ساختن بخش درونی کوره بلند ذوب آهن استفاده می‌شود.
آجرهای اکسید کروم دارای 95 درصد Cr2O3 می‌باشد. برای تهیه آن از Cr2O3 سنتزی استفاده می‌شود. این نوع آجر در ساختن کوره ذوب خمیر شیشه مخزن در صنعت شیشه سازی مصرف دارند.

[ghasem motamedi]

تا چند سال پيش، آسترهاي مقاوم دردرجه حرارتهاي بالا در كوره ها و ديگر وسائل مشابه صنعتي با درجه حرارتهاي بالا كار مي كردند، تقريبا همگي به صورت آجرهاي از پيش ريخته و پخته شده با ابعاد نسبتا كوچك و طرحهاي مختلف ساخته مي شد.مهمترين استثناء در اين زمينه استفاده محدودي از بتن ها بود كه به عنوان ملات، بتن كوبيدني، بتن پاششي و پوشش جهت كارهاي تعميراتي و سطحي به كار مي رفت .تا پنجاه سال پيش هيچ كوشش جدي در مورد اين نوع مواد ديرگداز صورت نگرفته بود تا آنكه c.platzman ساخت بتن ديرگداز بر اساس سيمان پرتلند، با افزودن سيليس فعال را به ثبت رسانید .در سالهاي اخير استفاده از اين بتن ها رواج بسيار زيادي يافته است، به عنوان نمونه در آمريكا بتن هاي مقاوم در درجه حرارت هاي بالا تقريبا 19% تمامي مواد مقاوم در درجه حرارت بالا را تشكيل مي دهد .
امروزه بتن هاي ديرگداز نه تنها در صنايع متالوژيكي و سراميكي مثل توليد آهن و فولاد و فلزات غير آهني، ريخته گری،كك سازي و ... كار برد وسيع دارند، بلكه جاي خود را به نحو وسيعي در صنايع شيميائي، برق هسته اي، هواپيمائي و حتي مصارف خانگي باز نموده است . دامنه وسيع كاربرد استحكام حرارتي بتن هاي ديرگداز و وسعت كارآيي آنها نشان مي دهد امروزه حتي بتن هاي مقاوم در برابر درجه حرارتهاي تا2000درجه سانتیگراد با اتصال فسفاتي با موفقيت به كار گرفته مي شود . در حال حاضر مزاياي بتن هاي ديرگداز بر مواد ديگر دیرگداز معمولي بر كسي پوشيده نيست . جاذبه هاي مختلف از قبيل صرفه جويي در هزينه ساخت، توليد فراوان تر وسعت كم تر كارخانه جات مربوطه، سهولت استعمال، امكان استفاده به صورتهاي متنوع و مختلفي چون ريخته گري بصورت آجر، بلوک، ستونهاي يكپارچه، ملاط، مواد كوبيدني، مواد پاششي و ... استحكام بالا حتي در حالت خام، امكان به كار گيري اجزاء بزرگ در ساختمان كوره ها، كاهش زمان تعمير آستر كوره ها، مقاومت سايشي بهتر در برابر حملات شيميايي شوكهاي حرارتي، دوام و پايداري پوششها، سهولت در حمل و نقل و ... همه و همه در گسترش روز افزون استفاده از نوع بتن ها تاثير داشته است .
با وجود اينكه اطلاعات و تحقيقات انجام شده راجع به خواص و مسائل مختلف در رابطه با انواع بتن ها بسيار محدود، و فقط در بعضي از كشورها صنعتي انجام شده است . بعيد نيست كه همين جاذبه ها، كشورهاي ديگر به ويژه دارندگان مواد اوليه طبيعي را به سمت بهره گيري بيشتر از اين مواهب در زمينه هاي ياد شده را به تحرك و تلاش وا دارد.
توليد نسوز در دنيا از قدمت زيادي برخور دار است و از زماني كه صنعت آهن و فولاد پا گرفته است تهيه و توليد نسوز و مصرف آن متداول گرديده است. تهيه نسوز ها به صورت صنعتي در دنيا مربوط به قرن هفده و اوايل قرن هيجده ميلادي مي باشد، ولي در ايران كار خانه جات ساخت آجر هاي نسوز از اين قدمت بالا برخوردار نيست .اولين كارخانه توليد نسوز همزمان با راه اندازي كارخانه سيمان تهران و در جهت بر طرف نمودن نيازهاي قسمتي از نسوزهاي مورد نياز اين صنعت در امين آباد بنيان نهاده شد .اين كارخانه تا سالهاي اخير به صورت سنتي و با همان كوره هاي اوليه مشغول به كار بود و براي چندين سال پس از آن كارخانه ديگري كه توليد كننده اين محصول باشد، ايجاد نگرديد. تا اين كه در حدود 30 سال پيش اولين كارخانه توليد نسوز در شهر اصفهان تحت عنوان كارخانه فرآورده هاي نسوز ايران آغاز به كار نمود و بيشترين توليد اين كارخانه آجر نسوز مي باشد . بعد از انقلاب با توجه به اينكه كارخانه جات متعددي در زمينه سيمان، فولاد و چيني و كاشي ايجاد و راه اندازي گرديد، لذا در جهت تامين نسوزهاي مورد نياز اين كارخانه جات تصميمات جدي گرفته شد و تعداد 6 كارخانه بزرگ توليد نسوز راه اندازي شد . تمام اين كارخانه جات در درجه اول توليد كننده آجرهاي نسوز هستند و توليد جرمهاي نسوز آنها يك محصول فرعي و محدود مي باشد. البته در حال حاضر جرم نسوز در تمام دنيا نمي تواند يك محصول فرعي باشد، زيرا توانسته است در بازار مصرف براي خود جايي پيدا نمايد و بتدريج جانشين آجر نسوز گردد و با قيمت بسيار ارزانتر از آجر نسوز قابل عرضه گردد .

[ghasem motamedi]

تعريف، تاريخچه و تقسيم بندي ديرگدازها
1-1 تعريف ديرگداز
منابع مختلف تعاريف متفاوتي براي ديرگداز ها ذكر كرده اندكه هر يك جنبة خاصي از ديرگداز ها را در نظر گرفته است . به عنوان مثال به چند مورد اشاره مي شود . تعاريف قديم تر ، مواد نسوز را موادي مي دانستند كه دماهاي بيشتر ازc15000را تحمل كنند . تعريفي كامل تر چنين است : مواد ديرگداز موادي هستند كه به عنوان مصالح ساختماني كوره ها به كار مي روند و مي توانند خواص فيزيكي خود را در دماهاي بالا و شرايط محيطي كوره حفظ كنند. بديهي است كه اهميت يك ديرگداز فقط در پايداري حرارتي آن نيست، بلكه پايداري فيزيكي و شيميايي آن در مقابل آثار مخرب محيط در دماي بالا نيز مطرح است. مثلاً ممكن است نقطة ذوب دير گدازي حدودc0 2000 هم باشد، ولي نتواند مدت زيادي را در مقابل اثر سايشي و يا خوردگي مواد يا گازهاي داغ دوام بياورد .
در تعريف جامع تر مواد دير گداز حفظ خواص شيميايي، فيزيكي و مكانيكي در محيط كوره مطرح است. به عبارت ديگر، ديرگدازها موادي با نقطة ذوب و نقطة خميري شدن زياد می باشند كه قادر به حفظ خواص شيميايي، فيزيكي و مكانيكي و ترمومكانيكي ( خمشي، سايشي، شوك حرارتي و ... ) در شرايط كاربردي و در دماي بالا هستند . مطابق با يك تعريف بين المللي محصولات ديرگداز، مواد سراميكي غير فلزي هستند (سراميكهايي كه حاوي يك جزء فلزي مي باشند نيز مشمول اين تعريف می شوند).
1-2 تاريخچة ديرگداز ها
به لحاظ تاريخي كاملاً معلوم نيست كه ساخت مواد ديرگداز براي نخستين بار به دست چه كسي و در كدام كشور صورت گرفته است، اما احتمال مي رود فينيقيها و يا چينيها پايه گذار اين بخش از صنعت سراميك باشند . بر طبق مدارك تاريخي، در ابتدا براي ساخت ديرگداز ها بيشتر از خاكهاي رسي معمولي استفاده مي شد . از اوايل قرن نوزدهم ميلادي به تدريج انديشة افزودن مواد غير پلاستيك به مواد اوليه مطرح شد كه تأثير بسزايي در كيفيت نهايي محصولات داشت . از اين رو، با گذشت زمان محصولات بهتري وارد بازار شد. دستيابي به مواد اوليه مرغوب تر و خالص تر و استفاده از آنها در صنايع ديرگداز گام بعدي در اين راه بود و همزمان فنون ساخت نيز بهبود يافت كه اين دو در كنار هم به ارائة محصولات مناسب و مورد نياز صنايع ديگر، از جمله صنايع توليدي مادر، منجر شد، ونقش تعيين كننده اي در رشد اين صنايع بر جاي گذاشت . در چهار دهة اخير نياز مبرم مصرف كنندگان مواد ديرگداز به استفاده از محصولات جديد ومرغوب تر، موجب افزايش كميت و كيفيت توليد انواع محصولات نوين ديرگداز شده است. گسترش تحقيقات همراه با مطالعات پيشرفتة علمي – كاربردي باعث شد تا يافته هاي جديد محققان علم مواد وارد صنايع دير گداز شود . تلفيق اين عوامل باعث جهشي در گسترش صنايع ديرگداز، مخصوصاً در چند كشور صنعتي شد .
صنعت نسوز در ايران در مقايسه با ديگر كشورهاي صنعتي بسيار جوان است . براي مثال، شركت سهامي ديدير آلمان در 1834 ميلادي ساخت مواد نسوز و ديرگداز را شروع كرد، در حالي كه صنعت دير گداز در ايران همراه با ورود صنعت سيمان به كشور شروع شد و براي اولين بار در 1318 (1937-1938 ميلادي ) كارخانة نسوز امين آباد تهران با ظرفيت روزانه 5 هزار تن نسوز آغاز به كار نمود . با تأسيس كارخانة ذوب آهن اصفهان در سال 1350 كه براي توليد فولاد به مقدار زيادي مواد نسوز احتياج داشت، نخستين كارخانة بزرگ و مكانيزة توليد نسوز (كارخانة نسوز آذر فعلي) در كارخانة ذوب آهن اصفهان با ظرفيت اولية توليد سالانه 40 هزار تن آجر و جرم در سال 1352 راه اندازي شد. اكنون ظرفيت توليد نسوز در كشور، از حدود 60 هزار تن در سال 1357، با رشدي بيش از چهار برابر نسبت به قبل از پيروزي انقلاب اسلامي، به سالانه 250 هزار تن افزايش يافته است. شايان ذكر است كه امروزه كل نياز صنايع كشور به انواع فرآورده هاي نسوز سالانه250 هزار تن براورد شده است. با وجود واردات مقداري از نسوزهاي مصرفي، پتانسيل صادرات سالانه چندين هزار تن انواع فرآورده هاي نسوز در داخل نيز فراهم شده است . اگر در سالهاي گذشته راه حلهاي اصولي ارائه نشده بود، اكنون براي تأمين فراورده هاي نسوز بايد بيش از100 ميليون دلار ارز پرداخت می شد. البته، اين بدان معنا نيست كه در صنعت نسوز به وضعیت مطلوبي رسيده ايم، زيرا توليدات داخل از نوع نسوز هاي ارزان قيمت است و واردات از نوع بسيار گران قيمت و مرغوب مي باشد . براي رسيدن به حالت آرماني و كسب توان رقابت جهاني، راهي طولاني در پيش رو داريم .
1-3 كاربرد و اهميت صنعتي ديرگدازها
عملكرد كوره هاي صنعتي متأثر از نوع نسوز ها و ديرگداز هايي است كه در آن به كار رفته است . مرغوبيت و خواص ديرگدازهاي مصرفي به همراه نصب صحيح آنها، عواملي هستند كه عمر مفيد و بازدهي كوره ها را مشخص مي كنند. بررسي و شناخت دقيق و علمي ديرگداز ها به عنوان يك شاخص اصلي در صنايع ما دركشور، كه مصرف كنندة اصلي آنهااست، امري ضروري میباشد. البته به كار گيري و نصب صحيح دير گداز در كوره ها، طراحي دقيق و مهندسي، در بازدهي كوره ها حائز اهميت است . ارزيابيها نشان مي دهد كه حتي اگر ديرگداز هاي عالي و مناسب هم در دسترس باشند، ولي به طور صحيح از آنها استفاده نشود باز دهي مناسبي نخواهد داشت .
مطالعاتي كه بر روي مواد اولية مصرفي و تكنولوژي توليد، خصوصاً تكنولوژيهاي نوين وكاربرد فراورده هاي نسوز، انجام شده، نشانگر اين است كه كشور ما به اين بخش از صنعت سراميك وابستگي شديدي دارد. از طرف ديگر، با توجه به مشكلات ارزي و خريدهاي خارجي، بدون تأمين ديرگدازها در داخل، بسياري از صنايع داخلي كه بدون مواد نسوز نمي توانند به كار ادامه دهند، با مشكلات جدي مواجه خواهند شد. حساسيت نسوز در بسياري صنايع به حدي است كه در دسترس نبودن آن موجب توقف كامل توليد مي شود . با توجه به تحريمهايي كه از طرف كشورهاي صنعتي اعمال شده است، چه در بعد تكنولوژي و چه در بعد علمي – كاربردي، بعيد نيست در آينده اين تحريمها شامل نسوزهايي نيز بشود كه در صنايع حساس فولاد، سرب، روي، مس، شيشه و حتي برق كاربرد دارند .
يكي از مشكلات اصلي اين صنعت، كمبود تحقيقات و دسترسي نداشتن به دانش فني مربوط به آن است، هر چند كه در سالهاي اخير، گامهايي در اين جهت برداشته شده است. نكتة بعدي، استفاده از نسوزهاي جديد با كيفيت برتر در صنايع مي باشد، كه در بهبود عمر و كاركرد كوره ها، خوردگي كمتر و توليد محصولات برتر داراي اهميت است. در حقيقت، شرايط كاركرد به گونه است كه فقط چند نوع نسوز خاص براي آن مناسب می باشند. پس ضرورت دارد كه اهميت بيشتري براي اين بخش از صنعت سراميك قائل شويم، صنعتي كه مي توان آن را گلو گاه چرخة توليد صنايع مادر دانست .