انبساط حرارتی دیرگدازها (تا 1800 درجه سانتی گراد)

همان‌طور که می‌دانید، تمام مواد در هنگام گرم شدن و سرد شدن انبساط و انقباض خواهند داشت. با این حال، به دلیل اینکه مواد دیرگداز تقریباً همیشه در محیط‌های بسیار گرم قرار می‌گیرند (همین کار آن‌هاست!)، انبساط حرارتی دیرگدازها می‌تواند یکی از عوامل مهم در عملکرد کلی لایه‌ی دیرگداز باشد و باید با دقت مورد بررسی قرار گیرد.

امّا «انبساط حرارتی» تنها یکی از دو پارامتر کمّی است که باید در زمان طراحی یک لایه‌ی دیرگداز یکپارچه در نظر گرفته شود. اندازه‌گیری دیگر، که اغلب نادیده گرفته می‌شود، تغییر خطی دائمی (PLC) است. انبساط حرارتی دیرگدازها یا بصورت کلی یک ماده به عنوان نرخ رشد برای هر اینچ، در دمایی درجه‌ای افزایش یافته محاسبه می‌شود. تغییر خطی دائمی (PLC) یک ماده به صورت درصدی بیان می‌شود و معمولاً منفی است.

انبساط حرارتی دیرگدازها بصورت معکوس از ویژگی اجزای آن ماده است. در تمامی گرم شدن‌های بعدی، تقریباً یکسان خواهد بود مگر آنکه ماده به دلیل شرایط سرویس، تغییر کند.

تغییر خطی دائمی در یک دیرگداز یکپارچه به عنوان یک درصد تغییر در طولی که در طی گرم شدن اولیه رخ می‌دهد تعریف می‌شود. تنها یک بار در هنگام گرم شدن اولیه، به عنوان دیرگداز به دمای کاری خود گرم می‌شود و نتیجه‌ی آن، آزاد شدن رطوبت از ماده و تغییرات کانی‌شناختی در مواد تشکیل‌دهنده آن است. PLC معمولاً منفی است به این معنی که در گرم شدن اولیه، انقباض رخ می‌دهد.

بنابراین برای نمای کامل در انبساط حرارتی دیرگدازها و طراحی لایه دیرگداز، باید هم انبساط حرارتی معکوس را و هم تغییر خطی دائمی را در نظر گرفت. نمودار زیر نشان می‌دهد که آن‌ها چگونه با یکدیگر هم‌راستا هستند:

اما در ادامه این مقاله، یک پژوهش منحصر به فرد که در رابطه با انبساط حرارتی طیف گسترده ای از مواد دیرگداز است و توسط واحد تحقیق و توسعه شرکت ویستا آسمان تهیه و گردآوری شده است را ارئه می کنیم. در این مطالعه، انبساط حرارتی دیرگدازها بصورت خطی برای ۳۶ جنس مختلف شامل: شن سرباره آفریقایی، مواد معدنی کرومی کوبایی، یونانی، آفریقایی قابل شکست، رودزیایی امپریال، هندی و ترکی؛ منیزیت‌های اتریشی، کالیفرنیایی و الکتریکی؛ بلوک پریکلاز؛ آجر نسوز اسپینلی؛ دو نوع آجر نسوز و دو نوع خاک رس نسوز؛ خاک‌های توپی کنتاکی، تنسی و انگلیسی؛ کائولن گرجستانی و خاک سفید انگلیسی؛ بلوک آلومینای۸۰ درصد؛ کوراندوم مصنوعی، دیاسپور، بوکسیت؛ پنج عدد مولایت، هرکدام از جنس‌های مختلفی تهیه شده است؛ دو بلوک زیرکون و سیلیکات زیرکونیم فورنیسید؛ کاربید سیلیکون، آجر نسوز سیلیسی و بلوک عایق نیز اندازه‌گیری شده‌اند. همچنین داده‌هایی در مورد گرافیت مصنوعی نیز ارائه شده است که تحت چندین بار پیش گرمایی به ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار گرفته بود. اندازه‌گیری‌ها در دماهای کمتر از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد در هر دو جو اکسید کننده و احیاکننده صورت گرفته است. در دماهای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، مواد تنها در جو احیاکننده آزمایش شده‌اند. در صورتی که مقاومت‌حرارتی مواد اجازه می‌داد، تست‌ها تا ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شدند. همچنین، تحلیلات پتروگرافی بر روی مواد قبل و بعد از عملیات حرارتی صورت گرفته است.

افزایش تعداد گزارش‌ها درباره این موضوع نشان دهنده نیاز به اطلاعاتی درباره انبساط حرارتی مواد شامل دیرگداز (نسوز) تا و فراتر از محدوده دمایی است که در حال حاضر استفاده می‌شوند. نورتون دلایل ارائه کرده است که برای ارزش این اطلاعات ضروری است. همچنین باید توجه داشت که اغلب دیرگداز (نسوز)در دماهای قابل توجهی بالاتر از دمای فرآیند ساخت استفاده می‌شوند که باعث تغییرات فیزیکی و شیمیایی می‌شود که در طول فرآیند ساخت به پایان نرسیده‌اند. در بسیاری از موارد، این گرمای اضافی انبساط حرارتیحرارتی خطی را تحت تأثیر قرار می‌دهد که ممکن است تأثیر قابل توجهی بر روی تنش‌هایی که در طول استفاده در دیرگدازها (نسوز)ایجاد می‌شوند، داشته باشد.

این گزارش نه تنها انبساط حرارتی نوع‌های معروف مواد دیرگداز (نسوز) به دماهای بالایی که باعث نرم شدن یا تغییر شکل می‌شود را پوشش می‌دهد، بلکه تأثیر انبساط حرارتی آنها (انبساط حرارتی دیرگدازها) در هنگام گرم شدن به دمای بیشتر از حرارت اولیه قبل از آزمایش اولیه را نیز مورد بررسی قرار می‌دهد.

مواد و نمونه‌ها:

در این مطالعه هفت نوع کروم، چهار نوع منیزیت، پنج نوع مولایت، دو نوع آجر نسوز، دو نوع خاک نسوز، سه نوع خاک توپی، دو نوع کائولن، سه نوع زیرکون و هر یک از اسپینل، کاربید سیلیکون، آلومینای مصنوعی، دیاسپور، بوکسیت، آجر نسوز ۸۰ درصد المینیوم اکسید، آجر سیلیکا و آجر عایق قرار دارند. بخش قابل توجهی از این مواد توسط تولیدکنندگان تهیه شده است و دیگر مواد در آزمایشگاه‌های اداره قابل دسترس بودند.

نمونه‌های آزمایشی حدود 5.5  اینچ طول و یک چهارم اینچ مربع اندازه گیری شده و در صورت وجود آجر تجاری، از آن استفاده شده‌اند. در صورت عدم وجود آجر تجاری، نمونه‌های با ابعاد مشابه از مواد خامی که قبلاً به گذرانیدن سرنشینی ۴۰ مش پرداخته بودند، تهیه شده‌اند. نمونه‌ها با اضافه کردن آب یا گام تراگاکانت به هر ماده خرد شده به حالتی قابل تراش شدن تبدیل شده‌اند. پس از جدا کردن نمونه‌های مرطوب از قالب، آنها خشک شده و سپس به اندازه مورد نیاز برش داده شده‌اند تا بررسی برای آزمایش انبساط حرارتی دیرگدازها صورت گیرد. نمونه‌های برش داده شده از آجرها بدون پردازش دیگری آزمایش شدند، در حالی که بیشتر نمونه‌های تهیه شده از مواد خام پس از گرم شدن در دمای 1400 درجه سانتیگراد به مدت 5 ساعت و خنک شدن در 36 ساعت با کوره آزمایش شدند.

ابزار مورد نیاز برای تست:

۱. توضیحات

کوره دما بالا با فرکانس بالا برای تعیین انبساط حرارتی دیرگدازها ی مختلف تا دمای ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد استفاده شد. حرارت از طریق یک حلقه گرافیتی استوانه‌ای به طول ۱۲ اینچ، قطر ۶ اینچ و دارای دیواره‌ای با ضخامت یک چهارم اینچ تولید شده است. اکسیداسیون گرادیوال حلقه گرافیتی دلیل فضای احیا کننده داخلی درون کوره است. تبدیل‌کننده برای کنترل ورودی توان به کوره در شکل سمت راست نشان داده شده است. دستگاه Ames با مقیاس هزارم اینچی برای اندازه‌گیری انبساط حرارتی، مستقل از کوره، توسط یک چارچوب که پایه‌های آن لوله‌های کوآرتزی بودند، حمایت شد.

ساختار نمونه با مرور در شکل 2 نشان داده شده است. این ساختار یک سیستم پیوسته را شکل می‌دهد که می‌تواند به طور مستقل از کوره انبساط حرارتی عمل کند. برگه‌های وولفرامی به قطر یک چهارم اینچ و ضخامت 0.015 اینچ بین نمونه آزمایشی و قطعات گرافیتی قرار گرفتند. نمونه درون یک حلقه با قطر داخلی 25.2 اینچ، تهیه شده از سیلیکات زیرکونیوم، قرار گرفته است. وزن قطعات قرار گرفته بر روی نمونه که با میله‌ی دستگاه اندازه‌گیری در تماس است، ۴ اونس است.

برای بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها دو ترموکوپل پلاتینیوم به ردیاب پلاتینیوم-رودیوم در کنار نمونه قرار گرفتند. یکی تقریباً سه چهارم از بالای نوک نمونه و دیگری با همین فاصله از پایین نوک نمونه قرار گرفت. این ترموکوپل‌ها می‌توانستند در طول آزمایش به راحتی از طریق پایین ترین قسمت کوره بدون اختلال در برپایی، جدا شوند. پیرامون تست، پیرامون بسته نمونه گرافیتی که در شکل ۲ نشان داده شده است، یک پیرامون نوری (اپتیکال پیرامون) ثابت بود. این پیرامون روی پایین‌ترین نقطه بسته نمونه گرافیتی که در شکل ۲ نشان داده شده است، حرکت می کرد. این لوله در نزدیکی مرکز نمونه قرار گرفته بود و به حد امکان نزدیک به آن بوده که به طور مستقیم با آن تماس نداشته باشد.

2. کالیبراسیون

حرکت‌هایی که توسط شمارشگر میکرومتر در هنگام آزمایش انبساط حرارتی دیرگدازها  نشان داده می‌شود، نمایانگر تفاوت بین کل انبساط ستون ساخته شده از قطعات مختلفی که در شکل ۲ نشان داده شده است و انبساط عمودی چارچوب خارجی و پشتیبانی شماره‌گذار نشان داده شده در شکل ۱ است. قدم اول در کالیبراسیون آزمایش‌هایی با یک نوار گرافیت مصنوعی به طول ۵.۷۳۷ اینچ و قطر ۱ اینچ به عنوان نمونه انجام شد. در هر یک از این آزمایش‌ها دما به حداکثر ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد افزایش داده شد و اعداد نمایشی شمارشگر به همان نرخ ثبت شد. پس از حرارت دادن اولیه، خوانا بودن شمارشگر در دماهای مشابه در آزمایش‌های مختلف تقریباً یکسان بودند و وقتی در نمودار رسم شدند، در خط صاف A در شکل ۳ قرار گرفتند. این نتیجه نشان می‌داد که انبساط حرارتی دیرگدازها بسته به انبساط سیستم کلی اندازه‌گیری در آزمایش‌های تکراری با همان نمونه و ستون ساخته شده تقریباً یکسان است. در طول مدت بررسی، چندین آزمایش اضافی با نوار گرافیت به عنوان نمونه انجام شد و در این آزمایش‌ها، خواندگی‌ها با شروع در حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد بیشتر از ۲٪ از خط A در شکل ۳ کم نشدند.

در ادامه، اعداد تکراری در بازه دمایی ۲۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد با استفاده از نوار کوارتز آب شده (طول آن ۵.۸۵۲ اینچ) انجام شد، که انبساط حرارتی آن مشخص بود. در این آزمایش‌ها، نرخ افزایش دما همانند آزمایش‌های دیگر بود. اعداد نمایشی شمارشگر در آزمایش‌های مختلف کوارتز آب شده بررسی شدند که تایید کرد که تأثیرات انبساط پشتیبان‌های نمونه و شمارشگر به طور قابل توجهی تغییر نمی‌کند. کاستی انبساط میله کوارتز آب شده از اعداد نمایشی شمارشگر در این آزمایش‌ها کم شده و این تصحیحات باید از اعداد نمایشی شمارشگر در آزمایش‌های بعدی کم شوند تا انبساط حرارتی دیرگدازها و نمونه مورد بررسی به‌دست آید. این تصحیحات توسط قسمت جامد منحنی C در شکل ۳ نشان داده شده است. اعمال این تصحیحات به اعداد نمایشی حاصل از آزمایش با میله گرافیت (منحنی A) مقادیر انبساط میله را در زیر ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد به‌دست آورد که توسط بخش جامد منحنی B در شکل ۳ نشان داده شده است. منحنی A بین ۱۰۰۰ و ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد هیچ ناهمواری‌ای نداشت؛ بنابراین منطقی است که هیچ ناهمواری‌ای در منحنی‌های B و C در بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد وجود نداشته باشد.

علاوه بر این، با توجه به ثابت بودن شیب منحنی A در بازه دمایی ۵۰۰ تا ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد و همچنین شیب منحنی B در بازه ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد، به نظر می‌رسید منطقی است که شیب منحنی B از ۵۰۰ تا ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد تقریباً ثابت باشد. بنابراین، منحنی B از ۱۰۰۰ تا ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد بر اساس این فرض انبساط حرارتی دیرگدازها داده شده است. منحنی کالیبراسیون یا تصحیح C سپس با انبساط حرارتی منحنی‌های A و B تا دمای ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد، با گرفتن تفاوت بین این دو منحنی در بازه ۱۰۰ درجه سانتیگرادی در بازه ۱۰۰۰ تا ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد، به ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد بیشتر شد.در این آزمایش، پیش‌از هر آزمایش مواد، کالیبراسیون کوره با استفاده از نمونه کوارتز آب شده انجام شد.

روش آزمایشی

در این تحقیق، اندازه گیری انبساط حرارتی دیرگدازها بصورت خطی همان نمونه از هریک از مواد با مراحل زیر صورت گرفت:

 (1) تا دمای 1000 درجه سانتیگراد با فواصل حدود 100 درجه سانتیگراد، با استفاده از کل نمونه و دستگاه توصیف شده در گزارش پیشرفت دوم تحقیقات Sagger 5 یا با استفاده از قطعات کوچکی از نمونه و اینترفرومتر به کار رفت.

(2) در کوره القایی مورد استفاده برای بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها تا دمایی بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد، با این شرط که در هیچ کدام از موارد دمای بیش از 1800 درجه سانتیگراد نباشد.

 (3) روش توضیح داده شده در (1) با نمونه از کوره القایی تکرار شد.

 (4) پس از انجام اندازه گیری های توصیف شده در (3)، نمونه به دماهای بالاتری در کوره القایی آزمایش شد. دو دلیل برای این روش وجود داشت: (الف) زمان لازم برای انجام آزمایش ها در کوره القایی با تنها چند مشاهده زیر 1000 درجه سانتیگراد، به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد، و (ب) خطا در تنظیم نمونه در کوره القایی به سرعت شناسایی می شود زیرا داده های به دست آمده در زیر 1000 درجه سانتیگراد با کوره هایی که فقط تا 1000 درجه سانتیگراد عمل می کنند، به طور کلی تطابق دارند.

دماهای کوره القایی با ترموکوپل‌ها تا حدود 1,500 درجه سانتیگراد اندازه گیری شدند و پس از آن، ترموکوپل‌ها برداشته شدند و دماها با یک پایرومتر نوری مشاهده شدند. در آزمایش با کوره القایی، دماهای تا و شامل 1,000 درجه سانتیگراد بطور تقریبی به فواصل 250 درجه سانتیگراد اندازه گیری شدند و سپس به فواصل حدود 100 درجه سانتیگراد اندازه گیری شدند. همیشه عملیات بررسی پایرومتر نوری نسبت به ترموکوپل قبل از برداشتن آن‌ها صورت می‌گرفت. دماها حدود ۱۵ دقیقه در هر درجه سانتیگراد حفظ می‌شدند تا خواندن نهایی دیال میکرومتر برای هر دما تا 1,500 درجه سانتیگراد ثبت شود. پس از آن، تلاشی برای توقف در هر دمای خاص نشده است. با این حال، تلاشی برای تنظیم ورودی قدرت به کوره صورت گرفت تا فقط در حین افزایش دمای کوره به نرخ نسبتاً کم یا به هیچ عنوان، اعداد خروجی انبساط حرارتی دیرگدازها ثبت شود.

حداکثر دمایی که در آن جابجایی انبساط حرارتی دیرگدازها یا تقلیصی مشاهده شد، به توان مقاومت حرارتی ماده وابسته بود، با این حال در هیچ کدام از موارد 1800 درجه سانتیگراد را نتوانست. در بیشتر موارد، مشاهدات در دماهای بالای 1000 درجه سانتیگراد برای هر نمونه دو بار صورت گرفت، به عبارت دیگر (1) پس از آماده سازی آن و (2) پس از آزمایش اولیه در کوره القایی. این روش، میانه‌ای برای تعیین این بود که آیا هر گونه تغییری در انبساط مواد اتفاق افتاده است نتیجه بخشیده است به دنبال گرم شدن در کوره القایی در دماهای قابل توجهی بالاتر از دماهایی که در ابتدا گرم شده بودند.

نتایج

1. انبساط حرارتی دیرگدازها به صورت خطی

مقادیر انبساط حرارتی دیرگدازها به صورت خطی یا تقلیصی برای همه مواد در منحنی های شکل 4 تا 9 نشان داده شده است. مشاهدات (دایره های پر شده) با کوره القایی در دماهای زیر 1000 درجه سانتیگراد در شکل های 5 تا 9 داده نشده است زیرا بسیار نزدیک به مشاهدات (دایره‌های شفاف) دریافت شده در کوره هایی که فقط تا 1000 درجه سانتیگراد کار می کرده اند، بوده است.

داده های به دست آمده تا 1000 درجه سانتیگراد دقتی حدود ±2٪ دارند و تخمین زده شده است که داده های بالای 1000 درجه سانتیگراد دقتی حدود ±5٪ دارند. منحنی‌ها اطلاعات زیر را در مورد انبساط حرارتی دیرگدازها ارائه می دهند:

(الف) نوع، آیا یکنواخت است یا نامنظم، (ب) تأثیر، اگر وجود دارد، گرمایش مجدد، و (ج) دمای شروع انبساط حرارتی دیرگدازها یا تقلیص.

(دماهای مجاور منحنی ها نشان دهنده حداکثر عملیات حرارتی است که نمونه قبل از آزمایش دریافت کرده است. دایره‌های پر شده روی منحنی‌ها مقادیر به‌دست‌آمده در یک جو احیا کننده و دایره‌های شفاف آن‌هایی را نشان می‌دهند که در یک اتمسفر اکسیدکننده به دست می‌آیند.)

بررسی مواد مختلف نشان داد که می‌توان در خصوص آن‌ها به نتایج کلی زیر در خصوص انبساط حرارتی دیرگدازها برسیم:

1. مقایسه نتایج حاصل از اتمسفرهای های اکسید کننده و احیا کننده  نشان داد که انبساط حرارتی سنگ‌های معدنی کروم تحت تأثیر جو احیا کننده  بیشتر از سایر مواد است.

2. منیزیت ها بین موادی که نرخ انبساط حرارتی آن‌ها به صورت یکنواختی صورت می‌گیرد، بیشترین انبساط حرارتی کل را نشان می‌دهند.

3. منحنی‌های انبساط حرارتی زیرکون در آزمایش‌های دوم نسبت به منحنی‌های دیگر مواد در دماهای بالاتر از 950 درجه سانتیگراد عدم قطعیت بیشتری دارند. این احتمالا به دلیل تجزیه سیلیس روی کادمیم به اکسید زیرکونیم و شیشه باشد.

4. تمام مواد در آزمایش دوم نسبت به آزمایش اول تغییری در انبساط حرارتی دیرگدازها به صورت کلی نشان دادند، هرچند در برخی موارد تفاوت کمی وجود دارد.

5. تقریبا تمام مواد در طول آزمایش به وزن و طول خود کاهش دادند. کاهش وزن به دلیل تبخیر یک یا چند ماده‌ی تشکیل‌دهنده آن‌ها است. این ماده‌ی تبخیر شده در بالای لوله قرار دارد. در بیشتر موارد این ماده، سیلیکا است. رشد بلوری بر روی برخی از نمونه‌ها مشاهده شد. در پایان آزمایش، تمام سنگ‌های کروم با مهره‌های فلزی (احتمالا آلیاژی از آهن و کروم) پوشیده شده بودند که در طول بررسی انبساط حرارتی دیرگداز های مختلف دیده شد.

2. تحلیل پتروگرافی

 ۸ تحلیل پتروگرافی بر روی تکه هایی که از نمونه های مواد قبل و بعد از دوره‌های حرارتی مختلف جهت پایش انبساط حرارتی دیرگدازها گرفته شده است، انجام شد تا اطلاعات مربوط به اثر دوره‌های حرارتی مختلف بر تشکیل معدنی آن‌ها به دست آید. تحلیل‌ها به شرح زیر است:

ماسه کروم آفریقایی در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

اغلب کرومیت است. دانه ها اغلب شفاف هستند و شاخص شکست 2.07 است. ممکن است کمی هماتیت وجود داشته باشد که غیر مغناطیسی است. درجه حرارت 1,400 درجه سانتیگراد: سه عنصر اصلی وجود دارد: (a) کرومیت قرمز رنگ با شاخص شکست 2.07، ایزوتروپیک؛ (b) مناطق واضح محدود شده از مواد نامعین در دانه های کرومیت؛ (c) دانه های بی رنگ و شفاف با شاخص شکستی کمتر از 1.50.  درجه حرارت 1,800 درجه سانتیگراد: با بافتی جامد دیده می‌شود. عناصر اصلی شامل (a) کرومیت و (b) مواد نامعین، کمتر از نمونه های قبلی و (c) مواد فضایی در شکل‌های اسفرولیتی یا سوزنی با شاخص تقریبی 1.65، به طور نزدیک با مواد ایزوتروپیک با شاخص کمتر، به احتمال زیاد شیشه، همراه است.

کرومیت کوبایی و رفتار آن در دماهای مختلف در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

کرومیت در حالت دریافتی به‌طور قابل توجّهی شفاف بوده و با مقدار کمی سرپنتین همراه بوده و مادّه‌ای نافذ پیدا نمی‌شود. با گرمایش کرومیت به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، بیشتر آن به شکل کرومیت با تعدادی بلورهای بیرفرینژ نوک‌نما شکل گرفت. هنگام گرم کردن به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، کرومیت به طرز قابل توجّهی تغییر نکرد. با این حال، بسیاری از دانه‌هایی که دارای رنگ قرمز و اندیس معامله‌ای بالایی بودند، نشان دهنده یک کمی دوگانگی انحرافی بودند که ممکن است به دلیل کشش باشد.

کرومیت یونانی و رفتار آن در دماهای مختلف در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، بیشتر کرومیت به شکل قهوه‌ای شفاف با مقدار کمی سرپنتین و چند دانه از مادّه نافذ موجود است. با گرمایش کرومیت به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، مادّه‌ای بیرفرینژ با اندیس بیشتر از 1/70 و پلئوکرویسم با کرومیت، شاید یک پیروکسن باشد، شناسایی شد. با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، دانه‌های کرومیت رنگشان روشن‌تر شده‌اند. مادّه‌ی نافذ در دانه‌های مجزا با مرزهای تیز حضور دارد.

کرومیت نرم آفریقایی و رفتار آن در دماهای مختلف در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، این کرومیت شامل (a) کرومیت، (b) مقدار زیادی مادّه‌ی نافذ، (c) توده‌کوچکی از ذرات قرمز با اندیس و بیرفرینژ بالا (شاید هماتیت)، (d) مقدار کمی کوارتز است. با گرمایش به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، مادّه تفاوت چندانی با مادّه‌ی دریافتی نداشت. با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، دانه‌های کرومیت رنگشان روشن‌تر شده‌اند. مقدار کمتری از مادّه‌ی نافذ نسبت به حالت اولیه وجود دارد. به صورت دانه‌های مجزا واقع شده‌اند.

کرومیت امپریال رودزیایی و رفتار آن در دماهای مختلف در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی و پس از گرمایش در دمای 1580 درجه سانتی‌گراد و 1800 درجه سانتی‌گراد، هیچ تفاوت چشمگیری بین نمونه‌ها وجود ندارد. علاوه بر کرومیت، مقدار کمی شیشه با اندیس پایین و مادّه‌ی نافذ (شاید هماتیت) وجود دارد.

کرومیت هندی و رفتار آن در دماهای مختلف در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، بخش قابل توجّهی از کرومیت شفاف و قهوه‌ای است و به همراه مادّه‌ی نافذی وجود دارد. با گرمایش به دمای 1580 درجه سانتی‌گراد، مادّه اصلی چندان با نمونه دریافتی تفاوتی ندارد به جز اینکه دانه‌های نافذ گرد شده و با حدود خوبی در برابر کرومیت تفکیک شده‌اند. الواره‌های سوزنی در کرومیت ممکن است روتیل باشند. با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، دانه‌های کرومیت کمی رنگشان روشن‌تر شده‌اند. دانه‌های نافذ بیشتر تغییری نکرده‌اند. دانه‌های بلوری از مادّه‌ی دوگانگی با اندیس حدود 1/70، به تعداد قابل توجّهی ظاهر شده‌اند.

کرومیت ترکیه‌ای و رفتار آن در دماهای مختلف در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، بخش قابل توجّهی از کرومیت دانه‌های عمیق قرمز رنگ و سرپنتین دارد که به همراه مقدار کمی پیروکسن است. با گرمایش به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، مقدار کمتری از مادّه‌ی نافذ موجود است. مادّه‌ی بلوری کروی یا الیافی با دوگانگی پایین و اندیس حدود 1/70 که شاید یک پیروکسن باشد، در نزدیکی دانه‌های کرومیت یافت شده و توسط مادّه‌ی با اندیس پایین و همگن (شاید شیشه) احاطه شده است. با گرمایش به دمای 1555 درجه سانتی‌گراد، شامل: (a) کرومیت معمولاً قهوه‌ای، (b) مادّه‌ی نافذ با اندیس بالا و تقریباً نافذ، که ممکن است یک اسپینل مانند هرسینیت باشد، (c) دانه‌های دوگانگی (اندیس 1.65-1.70) شاید پیروکسن باشند، (d) مادّه‌ی با اندیس کم، شاید شیشه.

مگنزیت اتریشی و رفتار آن در دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی (آهک شده)، مادّه بسیار ناهمگن است. مادّه‌ی همگن (پریکلاز) با اندیس شکست 1.735 تا 1.76 تقریباً 85 درصد نمونه را تشکیل می‌دهد. اصلی‌ترین آلودگی‌ها عبارتند از: (a) فورستریت، (b) توده‌هایی از آنچه احتمالاً هماتیت است و (c) مقدار کمی از مادّه‌ی با اندیس پایین که شاید شیشه باشد.با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، دانه‌های پریکلاز بزرگ و گرد شده‌اند. مادّه قرمز دوگانگی (هماتیت) به شدت کاهش یافته است. دانه‌های فورستریت بزرگ و تقریباً خالص 2MgO.SiO2 هستند.

منیزیت کالیفرنیا و رفتار آن در دماهای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی (آهک شده)، این نمونه شامل: (a) بیش از 90 درصد پریکلاز با اندیس 1.735، (b) فورستریت به‌عنوان مادّه فضایی است. با گرمایش به دمای 1580 و 1800 درجه سانتی‌گراد، پریکلاز شفاف و بی‌رنگ است و به صورت دانه‌های گرد یا بلورهای چهار وجهی وجود دارد. بلورهای فورستریت در اندازه بزرگتر شده‌اند. مادّه‌ی نافذ به صورت جاذبهای کروی در پریکلاز وجود دارد.

منیزیت الکتریکی فوق‌درجه و رفتار آن در دماهای مختلف در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی و پس از گرمایش به دمای 1580 و 1800 درجه سانتی‌گراد، شامل: (a) بیش از 90 درصد پریکلاز، (b) کمتر از 1 درصد شیشه و (c) فورستریت هستند. تمام اجزاء بی‌رنگ هستند. هیچ تغییر قابل مشاهده‌ای ناشی از گرمایش به دماهای مختلف وجود ندارد.

آجر نسوز اسپینلی و رفتار آن در دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، بیش از 90 درصد از مادّه‌ی آن اسپینل با اندیس شکست 1.72 است. مقدار کمی شیشه و مادّه‌ی بلوری دوگانگی (احتمالاً کلینوئنستات یا فورستریت) بهطور منظم در مرز دانه‌های اسپینل توزیع شده‌اند. با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، دانه‌های اسپینل و شیشه بزرگتر شده‌اند و مادّه‌ی دوگانگی ناپدید شده است.

آجر نسوز خاک رس فلینت “برند کیو” و رفتار آن در دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، بخش قابل توجّهی از آن شامل شیشه است و برخی دانه‌های کوچک و ناپایدار از بلورهای مولایت به همراه تعداد کمی دانه‌های کوارتز وجود دارد. با گرمایش به دمای 1630 درجه سانتی‌گراد، دانه‌های مولایت در اندازه بزرگتر شده‌اند و کوارتز حل شده است. به‌ظاهر، بازهم مقدار بیشتری از شیشه نسبت به مولایت وجود دارد.

آجر نسوز نیمه‌سیلیسیوس “برند اف” و رفتار آن در دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، بخش اعظم آن شامل توده‌هایی با میانگین اندیس شکست 1.56 است. احتمالاً این توده‌ها شامل شیشه یا کریستوبالیت به همراه سوزن‌های ناپایدار مولایت هستند. چند دانه‌ی کوارتز قابل مشاهده است.با گرمایش به دمای 1660 درجه سانتی‌گراد، سوزن‌های مولایت به خوبی پدیدار شده‌اند. کوارتز به‌طور کامل ناپدید شده است. به‌ظاهر، مقدار بیشتری از شیشه (اندیس 1.50) نسبت به مولایت وجود دارد.

خاک نسوز، پر سیلیسیوس “اچ-ال-1” و رفتار آن در دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

با گرمایش به دمای 1155 درجه سانتی‌گراد، این نمونه اصلی‌ترین‌ش شامل شیشه است و دانه‌های کوارتز با کریستوبالیت احاطه شده و همچنین سوزن‌های ناپایدار مولایت دیده می‌شود. با گرمایش به دمای 1585 درجه سانتی‌گراد، تفاوت چندانی با مادّه قبلی وجود ندارد.

خاک نسوز “ام-ال-1” و رفتار آن در دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

با گرمایش به دمای 1155 درجه سانتی‌گراد، مادّه بی‌ساختار (میانگین اندیس شکست 1.56) شامل مادّه‌ی الیافی با اندیس شکست پایین است. مولایت شناسایی نشد.با گرمایش به دمای 1670 درجه سانتی‌گراد، سوزن‌های کوچک و نامتناهی شکل مولایت و یک مادّه فضایی شناسایی نشده وجود دارد.

خاک نسوز کنتاکی “کاولینیت” و رفتار آن با گرمایش به دماهای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، شامل: (a) مادّه‌ی خاکستری صفحه‌ای، اغلب با رشد کرم خارزوئیدی، احتمالاً کائولینیت؛ (b) کوارتز؛ (c) مادّه بی‌ساختار (احتمالاً یک کانی خاکی) با اندیس شکست حدود 1.55؛ (d) مادّه قهوه‌ای بی‌ساختار؛ (e) کمی روتیل است.با گرمایش به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، بخش عظیمی از توده شامل سوزن‌های ناپایدار مولایت است که در ماتریسی با اندیس شکست پایین قرار گرفته‌اند.با گرمایش به دمای 1600 درجه سانتی‌گراد، اصلی‌ترین توده‌ها شامل مولایت و شیشه هستند.

خاک نسوز تنسی “تقریباً شبیه به خاک نسوز کنتاکی” است و رفتار آن با گرمایش به دماهای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، ترکیب آن شبیه به خاک توپی کنتاکی می‌باشد. با گرمایش به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، بخش عظیمی از توده شامل مولایت و شیشه است و به نظر می‌رسد که مقدار بیشتری از شیشه نسبت به مولایت وجود دارد.با گرمایش به دمای 1635 درجه سانتی‌گراد، بلورهای مولایت به خوبی پدیدار شده‌اند و شیشه بیش از مولایت وجود دارد.

خاک نسوز انگلیسی و رفتار آن با گرمایش به دماهای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، ماده بسیار پودری است که شامل مواد بی‌ساختار و مادّه خاکستری صفحه‌ای است. مقدار قابل توجّهی مادّه آلی، کمی روتیل، کوارتز و موسکوویت نیز موجود هستند.با گرمایش به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، توده‌ای از سوزن‌های ناپایدار مولایت در یک ماتریس وجود دارد.با گرمایش به دمای 1650 درجه سانتی‌گراد، مقدار قابل توجّهی از شیشه نسبت به مولایت وجود دارد، و دانه‌های مولایت نشانگر حل شدن زیادی هستند.

کائولن جورجیا و رفتار آن با گرمایش به دماهای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، شامل حدود 2 درصد میکا و کمتر از 1 درصد کوارتز است. سایر قسمت‌های آن شامل کائولینیت هستد.با گرمایش به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، توده شامل سوزن‌های ناپایدار بسیار کوچک مولایت و یک مادّه فضایی است.با گرمایش به دمای 1660 درجه سانتی‌گراد، کاملاً از بلورهای خوب تشکیل شده از مولایت و شیشه است.

خاک نسوز چینی انگلیسی است و رفتار آن با گرمایش به دماهای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، شامل 9 تا 11 درصد موسکوویت، کمتر از 1 درصد کوارتز، و کمتر از 2 درصد فلدسپات است. سایر قسمت‌های آن شامل کائولینیت هستند. با گرمایش به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، تقریباً کاملاً از سوزن‌های خوب تشکیل شده از مولایت و شیشه با دومرتبگی شیشه نسبت به مولایت است. با گرمایش به دمای 1680 درجه سانتی‌گراد، مقدار شیشه افزایش یافته است، که نشانگر حل شدن مولایت است.

آجر نسوز 80 درصد آلومیناست و رفتار آن با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، شامل بخش عظیمی از کوروندوم و مولایت است. مقدار کمی شیشه و تعدادی دانه از ماده با اندیس و شکست بالا (روتیل یا زیرکون) نیز وجود دارد.با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، مولایت و کوروندوم به نسبت تقریباً برابر حضور دارند. مقدار کمی شیشه هنوز وجود دارد، اما ماده با اندیس و شکست بالا قبلاً ذکر شده نیست.

کوروندوم مصنوعی و رفتار آن با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، شامل بخش عظیمی از کوروندوم با مقادیر کمی شیشه و مادّه‌ای با اندیس و شکست بالا (احتمالاً روتیل) است.با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، تغییر چندانی نسبت به حالت دریافتی ندارد.

دیاسپور و رفتار آن با گرمایش به دماهای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، شامل اصلی‌ترین قسمت دیاسپور با مقدار کمی از کانی خاکی پودری است.با گرمایش به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، تقریباً کاملاً از کوروندوم و شیشه تشکیل شده است.با گرمایش به دمای 1720 درجه سانتی‌گراد، دانه‌های کوروندوم بزرگتر هستند. مقدار کمی از مولایت به عنوان مادّه فضایی به همراه شیشه وجود دارد.

بوکسیت و رفتار آن با گرمایش به دماهای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

با گرمایش به دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، تقریباً کاملاً از کوروندوم با مقادیر کمتری از مولایت، شیشه و ترکیبی احتمالی از Fe2O3 و TiO2 تشکیل شده است.با گرمایش به دمای 1690 درجه سانتی‌گراد، تغییر قابل توجّهی ندارد، با این حال، اندازه بلورهای مولایت بزرگتر شده و بلورهای کوروندوم نشانگر واکنش با فلوکس‌های حاضر هستند.

مولایت (دیومورتیئریت) و رفتار آن با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

با گرمایش به دمای 1780 درجه سانتی‌گراد، کاملاً از مولایت و شیشه تشکیل شده است و مقداری بیشتر از 30 درصد نمونه را شیشه تشکیل می‌دهد.

مولایت (اندالوسیت) و رفتار آن با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، مولایت، کوروندوم و شیشه تشکیل شده‌اند. مقدار کوروندوم حدود 15 درصد و مقدار شیشه از 5 تا 10 درصد تخمین زده شده است.

مولایت (سینتر شده) و رفتار آن با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، مولایت، کوروندوم و شیشه تشکیل شده‌اند. مقدار کوروندوم حدود 25 درصد و مقدار شیشه بین 15 تا 20 درصد تخمین زده شده است.

مولایت (سیانیت هندی) و رفتار آن با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، شیشه، کوروندوم و بلورهای خوب تشکیل شده از مولایت وجود دارند. مقدار کوروندوم حدود کمتر از 15 درصد تخمین زده شده است.

مولایت (مصنوعی) و رفتار آن با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

با گرمایش به دمای 1750 درجه سانتی‌گراد، اصلی‌ترین قسمت آن مولایت است که درصدهای بسیار کمی از کوروندوم و شیشه حاوی است.

آجر نسوز زیرکون A و رفتار آن با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، شامل ذرات خشک زیرکون با اندازه دانه‌های نسبتاً بزرگ و مقدار کمی از شیشه است.با گرمایش به دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، دو فاز حضور داشت: (الف) تجمعاتی از اکسید زیرکونیم، (ب) شیشه قهوه‌ای. الگوی پراش پرتو ایکس بلورهای اکسید زیرکونیوم را شناسایی کرد.

آجر زیرکون B و سیلیکات زیرکونیوم و رفتار آن‌ها با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، شامل بخش عظیمی از تریدیمایت با مقدار کمتری از کریستوبالیت است. تعدادی از ذرات کوارتز همچنین مشاهده شدند و مادّه فضایی به میزان تقریباً 5 درصد وجود دارد.با گرمایش به دمای 1670 درجه سانتی‌گراد، تقریباً کاملاً از کریستوبالیت با مقدار کمی از ماده فضایی ایزوتروپیک (شیشه) تشکیل شده است.

آجر نسوز عایق و رفتار آن با گرمایش به دمای بالا در تست و بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها

در حالت دریافتی، فقط بلورات کوچکی از مولایت در قسمتی از ماده ماتریسی به نظر می‌رسند، درصد بیشتری احتمالاً شیشه است.با گرمایش به دمای 1380 درجه سانتی‌گراد، تغییر چندانی ندارد.

نتیجه گیری:

چهل مادّه نسوز (دیرگداز) با استفاده از اندازه‌گیری تغییرات انبساط حرارتی دیرگدازها در طول یک چرخه شامل چهار مرحله به دست آمده است. با استفاده از این روش، اطلاعاتی در مورد اثر هر مادّه در شرایط اکسیداسیون و یا احیا و در دمای بالاتری نسبت به آنچه قبلاً آنها دریافت کرده‌اند، بدست آمد.

آنالیز پتروگرافی نیز اطلاعاتی درباره ترکیبات مادّه قبل و بعد از تجربه حرارتی ارائه می‌دهد.

در نتیجه، مشاهده شد که:

1. در دمای اتاق تا 1000 درجه سانتی گراد، هیچ تفاوت قابل مشاهده‌ای در انبساط حرارتی با استفاده از جریان احیایی و یا اکسیداسیونی برا ی مقایسه انبساط حرارتی دیرگدازها به دست نیامده است، به جز مواردی که در صورت کرومات ها، بین 700 تا 1000 درجه سانتی گراد به طور استثنایی انبساط حرارتی بالایی را در شرایط احیاکنندگی نشان داده اند.

2. منیزیت هابیشترین انبساط حرارتی کل ماده را نشان دادند و نرخ انبساط حرارتی آنها در مسیر بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها،نزدیک به یکنواخت بود.

3. منحنی‌های انبساط حرارتی زیرکون ها در آزمایش دوم در بیشترین موارد، بیشتر از 950 درجه سانتی گراد نامنظم بودند، که احتمالاً به تجزیه سیلیکات زیرکونیوم به اکسید زیرکونیم و شیشه بازمی‌گردد.

4. تمامی مواد با توجه به آزمایش‌های اولیه، در آزمایش‌های دومی که انجام شده، انبساط حرارتی خود را تغییر داده‌اند، هر چند در برخی موارد تفاوت کمی وجود داشته است.

5. تقریباً تمامی مواد در طول آزمایش بررسی انبساط حرارتی دیرگدازها، وزن و طول کمی را از دست داده‌اند. کاهش وزن به تبخیر یک یا چند عنصر تشکیل دهنده مواد برمی‌گردد. در بیشتر موارد، احتمالاً سیلیس است. رشد بلورها در برخی نمونه‌ها دیده شده‌است. در پایان آزمایش، تمامی کرومات‌ها با روکش فلزی پوشیده شده‌اند، احتمالاً آلیاژی از آهن و کروم

آکادمی ویستا پیشرو در ارائه مطالب مفید و کاربردی مورد استفاده در صنایع فولاد، نفت، گاز و پتروشیمی.

واحد تحقیق و توسعه شرکت ویستا آسمان دوشنبه و چهارشنبه هر هفته یکی از بهترین مقالات کاربردی روز دنیا را برای همگام شدن شما همراهان عزیز با آنچه در دنیا رخ می دهد، ارائه می کند. جهت بهره مندی از خدمات و محصولات منحصر بفرد شرکت ویستا آسمان با ما در تماس باشید.