دیرگداز ها چه موادی هستند؟

دیرگداز هر ماده ای است که نقطه ذوب غیرمعمول بالایی داشته باشد و خواص ساختاری خود را در دماهای بسیار بالا حفظ کند. دیرگداز هاکه عمدتاً از سرامیک تشکیل شده‌اند، در مقادیر زیادی در صنایع متالورژی، شیشه‌سازی و سرامیک به کار می‌روند، جایی که به اشکال مختلف برای پوشش داخلی کوره‌ها و سایر دستگاه‌هایی که مواد را در دماهای بالا پردازش می‌کنند، شکل می‌گیرند.

در این مقاله، خواص ضروری دیرگدازهای سرامیکی و همچنین مواد دیرگداز اصلی و کاربردهای آنها بررسی شده است. در بخش‌های خاصی از مقاله، به تکنیک‌های فرآوری مورد استفاده در ساخت دیرگداز های سرامیکی اشاره شده است. شرح مفصل تری از این فرآیندها را می توان در سرامیک های سنتی و سرامیک های پیشرفته مقاله یافت. ارتباط بین خواص دیرگداز های سرامیکی و شیمی و ریزساختار آنها در ترکیب و خواص سرامیکی توضیح داده شده است.

خواص

به دلیل استحکام بالایی که پیوندهای شیمیایی اولیه آنها نشان می دهد، بسیاری از سرامیک ها دارای ترکیبات غیرمعمول خوبی از نقاط ذوب بالا و بی اثری شیمیایی هستند. این باعث می شود آنها به عنوان دیرگداز مفید باشند. (کلمه دیرگداز از واژه فرانسوی réfractaire به معنای «ذوب بالا» گرفته شده است.) خاصیت بی اثری شیمیایی در متالورژی و شیشه سازی از اهمیت ویژه ای برخوردار است، جایی که کوره ها در معرض مواد مذاب و گازهای بسیار خورنده هستند. علاوه بر مقاومت در برابر دما و خوردگی، دیرگداز ها باید مقاومت فیزیکی یا سایش بالایی داشته باشند و همچنین باید در برابر شوک حرارتی مقاوم باشند. شوک حرارتی زمانی رخ می دهد که یک جسم به سرعت در دمای بالا خنک شود. لایه‌های سطحی در برابر لایه‌های داخلی منقبض می‌شوند که منجر به ایجاد تنش کششی و انتشار ترک‌ها می‌شود. سرامیک ها، علیرغم شکنندگی شناخته شده شان، می توانند با تنظیم ریزساختارشان در حین پردازش، در برابر شوک حرارتی مقاوم شوند. ریزساختار دیرگداز های سرامیکی در مقایسه با ظروف سفید مانند چینی یا حتی با محصولات رسی ساختاری با بافت ریزتر مانند آجر کاملاً درشت است. اندازه دانه های پرکننده می تواند در مقیاس میلی متر باشد، به جای مقیاس میکرومتری که در سرامیک های ظروف سفید مشاهده می شود. علاوه بر این، بیشتر محصولات دیرگداز سرامیکی کاملاً متخلخل هستند و مقادیر زیادی فضاهای هوایی با اندازه های مختلف در مواد گنجانده شده است. وجود دانه‌ها و منافذ درشت می‌تواند مقاومت تحت بار محصول را کاهش دهد، اما همچنین می‌تواند ترک‌ها را کند و در نتیجه حساسیت به شوک حرارتی را کاهش دهد. با این حال، در مواردی که یک دیرگداز با مواد خورنده تماس پیدا می کند (به عنوان مثال، در کوره های ذوب شیشه)، ساختار متخلخل نامطلوب است. سپس می توان مواد سرامیکی را با چگالی بالاتر ساخته و دارای منافذ کمتری باشد.

ترکیب و پردازش

ترکیب و فرآوری دیرگداز های سرامیکی با توجه به کاربرد و نوع بسیار متفاوت است. اکثر دیرگداز ها را می توان بر اساس ترکیب به دو دسته خاک رس یا غیر رس طبقه بندی کرد. علاوه بر این، آنها را می توان به عنوان اسیدی (حاوی سیلیس [SiO2] یا زیرکونیا [ZrO2]) یا بازی (حاوی آلومینا [Al2O3] یا اکسیدهای قلیایی خاکی مانند آهک [CaO] یا منیزیم [MgO]) طبقه بندی کرد. از جمله دیرگداز های مبتنی بر رسی می توان به سرامیک های دیرگداز، با آلومینا بالا و مولایت اشاره کرد. گستره وسیعی از دیرگداز های غیر رسی، از جمله مواد پایه، آلومینا بسیار بالا، سیلیس، کاربید سیلیکون و زیرکون وجود دارد. بیشتر محصولات مبتنی بر خاک رس مانند سایر سرامیک های سنتی مانند محصولات رسی ساختاری پردازش می شوند. به عنوان مثال، فرآیندهای گل سفت مانند شکل دهی پرس یا اکستروژن برای تشکیل ظروف مورد استفاده قرار می گیرد، که متعاقباً خشک می شود و برای پخت از کوره های تونلی طولانی عبور می کند. پخت، همانطور که در مقاله سرامیک های سنتی توضیح داده شد، باعث انجماد جزئی یا تشکیل شیشه می شود، که یک فرآیند تف جوشی مذاب است که ذرات را به یکدیگر متصل می کند. از سوی دیگر، دیرگداز های مبتنی بر غیر خاک رس با استفاده از تکنیک های اختصاص داده شده برای مواد سرامیکی پیشرفته به هم متصل می شوند. به عنوان مثال، سرامیک‌های آلومینا و زیرکون بسیار بالا با تف جوشی گذرا-مذاب یا حالت جامد، آجرهای اساسی با واکنش‌های شیمیایی بین اجزاء تشکیل‌دهنده پیوند می‌شوند، و کاربید سیلیکون از ماسه سیلیس و کک به صورت واکنش پیوند می‌یابد. این فرآیندها در مقاله سرامیک پیشرفته توضیح داده شده است.

دیرگداز های بر پایه خاک رس

در این بخش، ترکیب و خواص دیرگداز های مبتنی بر خاک رس شرح داده شده است. بیشتر آنها به صورت آجر اجرا شده تولید می شوند. بسیاری از محصولات باقی مانده به اصطلاح یکپارچه هستند، موادی که می توانند در محل تشکیل و جامد شوند. این دسته شامل ملات برای سیمان کاری آجر و مخلوط برای کوبیدن یا گانینگ (پاشیدن از تفنگ فشار) در محل می شود. علاوه بر این، عایق های دیرگداز سبک را می توان به شکل تخته های فیبر، پتو و شکل های ریخته گری خلاء ساخت.

خاک نسوز

اصلی­ترین عملکرد دیرگداز های بر پایه رسی، به اصطلاح خاک نسوز است. این ها از خاک رس حاوی کائولینیت معدنی آلومینوسیلیکات (Al2[Si2O5][OH]4) به اضافه ناخالصی هایی مانند قلیایی ها و اکسیدهای آهن ساخته شده اند. میزان آلومینا بین 25 تا 45 درصد است. بسته به محتوای ناخالصی و نسبت آلومینا به سیلیس، خاک نسوزها به دو دسته کم وظیفه، متوسط، کارکرد بالا و فوق العاده طبقه بندی می شوند که با افزایش میزان آلومینا، دمای استفاده افزایش می یابد. آجرهای نسوز یا آجرهای نسوز در هنگام گرم شدن انبساط نسبتاً کمی از خود نشان می دهند و بنابراین در برابر شوک حرارتی نسبتاً مقاوم هستند. آنها در محیط های اسیدی نسبتاً بی اثر هستند اما در محیط های بازی کاملاً واکنش پذیر هستند. آجرهای نسوز برای پوشش بخش‌هایی از فضای داخلی کوره‌های بلند، اجاق‌های کوره بلند و کوره‌های کک استفاده می‌شوند.

آلومینا بالا

دیرگداز های با آلومینا بالا از بوکسیت، ماده ای طبیعی حاوی هیدروکسید آلومینیوم (Al[OH]3) و رس های کائولینیتی ساخته می شوند. این مواد خام برای تولید مخلوطی از آلومینا مصنوعی و مولایت (یک کانی آلومینوسیلیکات با فرمول شیمیایی 3Al2O3 · 2SiO2) برشته می شوند. طبق تعریف دیرگداز های با آلومینا بالا بین 50 تا 87.5 درصد آلومینا دارند. آنها در دماهای بالا و در محیط های اولیه بسیار مقاوم تر از دیرگداز های بازی هستند. علاوه بر این، آنها ثبات حجم و مقاومت در برابر سایش بهتری را نشان می دهند. آجرهای با آلومینا بالا در کوره‌های بلند، اجاق‌های کوره بلند و پاتیل های فولاد مذاب استفاده می‌شوند.

مولایت

مولایت یک ترکیب آلومینوسیلیکات با فرمول خاص 3Al2O3 · 2SiO3 و محتوای آلومینا تقریباً 70 درصد است. نقطه ذوب آن 1850 درجه سانتیگراد (3360 درجه فارنهایت) است. خاک رس های مختلف با بوکسیت مخلوط می شوند تا این ترکیب حاصل شود. دیرگداز های مولایت با پخت در کوره های الکتریکی در دماهای بالا جامد می شوند. آنها پایدارترین دیرگداز های آلومینوسیلیکات هستند و مقاومت بسیار خوبی در برابر بارگذاری در دمای بالا دارند. آجرهای مولایت در کوره های  بلند و سقف‌های کوره‌های ذوب شیشه استفاده می‌شوند.

نسوزهای غیر رسی

دیرگداز های غیررس مانند مواردی که در زیر توضیح داده شده است تقریباً منحصراً به صورت آجر و اشکال فشرده تولید می شوند، اگرچه برخی از مواد منیزیت-کروم و آلومینا به صورت فیوز در قالب ریخته می شوند. مواد اولیه معمول برای این محصولات کربنات ها یا اکسیدهای فلزاتی مانند منیزیم، آلومینیوم و زیرکونیوم هستند.

دیرگداز های بازی

دیرگداز های بازی شامل منیزیا، دولومیت، کروم و ترکیبی از این مواد می باشد. آجر منیزیا از پریکلاز، شکل معدنی منیزیا (MgO) ساخته شده است. پریکلاز از منیزیت (کربنات منیزیم، MgCO3) یا از هیدروکسید منیزیم (Mg[OH]2) تولید می شود که به نوبه خود از آب دریا یا محلول های آب نمک زیرزمینی به دست می آید.

دیرگدازهای دولومیت نام خود را از سنگ معدن دولومیت، ترکیبی از کربنات های کلسیم و منیزیم (CaCO3 · MgCO3) گرفته اند که از آن تولید می شوند. پس از سوزاندن آنها باید با قیر آغشته شوند تا از آبرسانی مجدد آهک (CaO) جلوگیری شود.

 آجر کروم از سنگ معدن کروم که محلول های جامد پیچیده ای از نوع اسپینل (یک سری مواد معدنی اکسیدی از جمله کرومیت و مگنتیت) به اضافه گانگ سیلیکات یا فازهای ناخالصی هستند ساخته می شود.

همه دیرگداز های بازی مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر اکسیدهای آهن و سرباره‌های بازی مرتبط با فولادسازی از خود نشان می‌دهند – به‌ویژه زمانی که کربن اضافه‌شده را به صورت تکه‌ها یا کربن باقی‌مانده از چسباندن سطحی یا آغشته به قیر ترکیب می‌کنند. به همین دلیل، آنها در آسترهای کوره های اکسیژن اولیه، کوره های برقی و کوره های اجاق باز کاربرد زیادی پیدا می کنند. آنها همچنین برای پوشش داخلی مبدل های مسی استفاده می شوند.

آلومینا فوق العاده بالا

دیرگداز های آلومینا بسیار بالا به عنوان دارای محتوای بین 87.5 تا 100 درصد Al2O3 طبقه بندی می شوند. دانه های آلومینا برای به دست آوردن چگالی بالا با هم ذوب شده یا به طور متراکم تف جوشی می شوند. دیرگداز های آلومینا بسیار بالا پایداری حجمی عالی را تا بیش از 1800 درجه سانتیگراد (3275 درجه فارنهایت) نشان می دهند.

سیلیس

دیرگداز های سیلیکا از کوارتزیت ها و رسوبات شن سیلیس با محتوای آلومینا و قلیایی کم ساخته می شوند. آنها از نظر شیمیایی با 3-3.5 درصد آهک پیوند خورده اند. دیرگداز های سیلیس مقاومت بار خوبی در دماهای بالا دارند، در برابر سایش مقاوم هستند و مخصوصاً برای حاوی سرباره های اسیدی مناسب هستند. از درجات مختلف ، که دارای ناخالصی بسیار کم است، در روبنای کوره های ذوب شیشه استفاده می شود.

زیرکون

دیرگداز های ساخته شده از زیرکون (یک سیلیکات زیرکونیوم، ZrSiO4) نیز به دلیل مقاومت خوب آنها در برابر عمل خورندگی شیشه های مذاب در مخازن شیشه ای استفاده می شود. آنها پایداری حجمی خوبی برای دوره های طولانی در دماهای بالا دارند و همچنین مقاومت خزشی خوبی از خود نشان می دهند (یعنی تغییر شکل کم تحت بارگذاری گرم).

کاربید سیلیکون

سرامیک های کاربید سیلیکون (SiC) با فرآیندی به نام پیوند واکنشی ساخته می شوند که توسط ادوارد جی آچسون آمریکایی در سال 1891 اختراع شد. در فرآیند آچسون، ماسه سیلیس خالص و کربن ریز تقسیم شده (کک) در یک کوره الکتریکی در دما در محدوده 2200-2480 درجه سانتیگراد (4000-4500 درجه فارنهایت). سرامیک های SiC دارای مقاومت تحت بار در دمای بالا و پایداری ابعادی فوق العاده ای هستند. آنها همچنین به دلیل رسانایی حرارتی بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی بالایی دارند. (در این حالت، رسانایی حرارتی بالا از ایجاد اختلاف دمای شدید بین لایه‌های داخلی و خارجی یک ماده که اغلب منبع تنش‌های انبساط حرارتی هستند، جلوگیری می‌کند.) بنابراین، SiC مبلمان کوره‌ای مناسبی برای حمایت از سایر سرامیک‌ها در طول پخت آنها می‌سازد. .

سایر دیرگداز های غیر رسی

سایر دیرگداز های تولید شده در مقادیر کمتر برای کاربردهای خاص عبارتند از: گرافیت (شکل لایه ای و چند کریستالی کربن)، زیرکونیا (ZrO2)، فورستریت (Mg2SiO4) و ترکیباتی مانند منیزیم-آلومینا، منیزیت-کروم، کروم-آلومینا و آلومینا. -زیرکونیا-سیلیس آلومینا-زیرکونیا-سیلیکا (AZS) که ذوب شده و در قالب ها یا مستقیماً در مخازن ذوب کوره های شیشه ریخته می شود، یک ماده دیرگداز عالی مقاوم در برابر خوردگی است که ناخالصی ها را در مذاب شیشه آزاد نمی کند. AZS همچنین برای ساخت بلوک های تانک (که بلوک های سرباز یا بلوک های کناری نیز نامیده می شود) ریخته می شود که در ساخت و تعمیر کوره های شیشه ای استفاده می شود.

جهت دستیابی به مقالات روز دنیا در زمینه صنایع فولاد، نفت، گاز و پتروشیمی با ما در آکادمی ویستا همراه باشید.

برای کسب اطلاعات بیشتر و دریافت خدمات و محصولات با ما در تماس باشید.