بررسی تاثیر مقادیر مختلف آلومینای فعال بر خواص جریان‌یابی، فیزیکی و مکانیکی جرم‌های نسوز ریختنی آلومینا بالای فوق کم سیمان

چکیده

در این پژوهش تاثیر مقادیر مختلف آلومینای فعال (تا 11 درصد وزنی) بر خواص جرم‌های نسوز ریختنی فوق کم سیمان مورد بررسی قرار گرفته است.. در این راستا تمامی نمونه‌های ریخته شده با مقادیر مختلف آلومینای فعال در سه دمای 110، 1100 و 1500 درجه سانتی‌گراد پخت شده و سپس برای بررسی‌ خواص مختلف، آزمون­های تعیین جریان‌یابی، محاسبه چگالی، درصد تغییرات خطی دائمی، استحکام فشاری سرد و پراش پرتو ایکس انجام گرفته است. بر این اساس مشخص گردیده است که نمونه‌ی حاوی 11 درصد آلومینای فعال نمونه‌ی بهینه می‌باشد.

کلمات کلیدی: دیرگداز، جرم نسوز، ریختنی، آلومینا، فوق کم سیمان، آلومینای فعال

 

1- مقدمه

نسوزهای بی‌شکل نسبت به نسوزهای شکل‌دار دارای مزایای فراوانی از جمله راحتی در فرآیند تولید و نصب و خواص مطلوب‌تر می‌باشند[1]. از میان نسوزهای بی‌شکل نیز توسعه و بهبود دیرگدازهای ریختنی به دلیل کاربرد رو به رشد آن‌ها در صنایع متالورژی، سیمان و شیمیایی از اهمیت بالایی برخوردار  میباشند. در نسوزهای ریختنی، سیمان آلومینات کلسیم، یکی از پرکاربردترین سیستم‌های اتصال است که با تشکیل هیدرات‌های آلومینات کلسیم، استحکام قبل از پخت را در مراحل اولیه سخت شدن تامین می‌نماید[2]. نکته حائز اهمیت در این باره آن است که کاهش میزان سیمان منجر به افزایش قابل توجهی در طول عمر جرم‌های ریختنی بر پایه آلومینا می‌شود چراکه میزان سیمان کمتر، از تشکیل فازهای مایع در دمای بالا جلوگیری کرده و در نتیجه مقاومت به خوردگی و استحکام خزش را بالا می‌برد. بر همین اساس در دهه‌های قبل دائما تلاش بر این بوده است که سیمان آلومینات کلسیم با سیستم اتصال دیگری جایگزین شود. دلیل این امر نیز به تاثیر حضور اکسید کلسیم[1] در مواد نسوز مرتبط می‌شود که می‌تواند ترکیبات با نقطه ذوب پایین تشکیل دهد و این ترکیبات در بسیاری از فرآیندهای متالورژیکی زیان‌بار هستند[3]. بنابراین توسعه جرم‌های ریختنی فوق کم سیمان از اواخر دهه 1970 میلادی شروع شده و پیشرفت‌های متعددی در این زمینه صورت گرفته است[4].

پژوهش‌های متعددی در راستای معرفی سیستم‌های اتصال متفاوت برای کاهش سیمان آلومینات کلسیم در جرم‌های ریختنی حاوی سیمان صورت گرفته است. Zawrah [3] تاثیر افزودن زیرکون در ازای کاهش سیمان آلومینا بالا، بر خواص جرم‌های ریختنی فوق کم سیمان بر پایه آلومینا را مورد بررسی قرار داد و نتیجه گرفت که کامپوزیت درجای مولایت-زیرکونیای حاصل شده منجر به بهبود ریزساختار و خواص فیزیکی و شیمیایی می‌شود. در پژوهش دیگری Shan و همکاران[5] با افزودن زئولیت سنتزی و کاهش سیمان آلومینات کلسیم نتیجه گرفتند که هیدراتاسیون سیمان تسریع و استحکام خام و همچنین خواص دما بالا نیز بهبود داده می‌شود. استفاده از سل‌های مولایت و اسپینل به عنوان عوامل اتصال در جرم‌های ریختنی فوق کم سیمان نیز توسط Mukhopadhyay و همکاران[6] بررسی شد و نتیجه گرفتند که سل مولایت افزوده شده به ترکیب نسوز ریختنی فوق کم سیمان، ترکیبی از خواص مطلوب را ارائه می‌دهد درحالیکه سل اسپینل با ترکیب موردنظر سازگار نمی‌باشد.

در این پژوهش به بررسی تاثیر آلومینای فعال به عنوان جایگزین قسمتی از سیمان آلومینات کلسیم، بر رفتار جرم‌های ریختنی فوق کم سیمان پرداخته و در این راستا از فازشناسی و خواص جریان‌یابی، فیزیکی و مکانیکی بهره برده می‌شود.

2- مواد و روش تحقیق

در جدول زیر ترکیب نمونه‌های مورد آزمایش آورده شده است.

جدول 1- ترکیب مخلوط‌های مورد آزمایش

مخلوط 7	مخلوط 6	مخلوط 5	مخلوط 4	مخلوط 3	مخلوط 2	مخلوط 1	شماره نمونه مواد اولیه(wt%)
86	88	90	92	94	96	97	آلومینای تبولار[2]
11	9	7	5	3	1	0	آلومینای فعال[3]
3	3	3	3	3	3	3	سیمان 70
3/0	3/0	3/0	3/0	3/0	3/0	3/0	FF26

 

ترکیب شیمیایی مواد اولیه مورد استفاده در جدول زیر آورده شده است.

جدول 2- ترکیب شیمیایی مواد اولیه مورد استفاده

LOI[4]	Alkalies	TiO2	Fe2O3	MgO	CaO	SiO2	Al2O3	ترکیب(wt%) مواد اولیه
1/0	4/0	–	1/0	–	–	2/0	2/99	آلومینای تبولار
4/0	5/0	4/0	1/0	3/0	29	3/0	69	سیمان 70
33/0	–	05/0	02/0	–	–	1/0	5/99	آلومینای فعال

 

در این پژوهش از مواد اولیه آلومینای تبولار (Zhejian Zili Alumina Materials Technology Co. Lt., China)، سیمان 70 (70N, Union)، آلومینای فعال (CTC20, Almatis) و افزودنی روانساز FF26 استفاده شده است. برای آماده‌سازی نمونه‌ها، پس از توزین مواد اولیه برای هر نمونه براساس ضریب آندریازن 34/0، نمونه‌ در مخلوط‌کن هوبارت[5] به مدت دو دقیقه به صورت خشک مخلوط شد. در ادامه پس از افزودن میزان آب مناسب، به مدت سه دقیقه اختلاط تر صورت گرفت(استاندارد ASTM C860). بعد از آن، نمونه‌ از مخلوط‌کن خارج و مقداری از نمونه برای بررسی‌های رئولوژیکی برداشته شد (استاندارد ASTM C1445). سپس مابقی آن در 9 قالب مکعبی با اضلاع 5 سانتی‌متر ریخته شد(استاندارد ASTM C862)؛ بدین ترتیب که ابتدا قالب‌های حاوی نمونه‌ بر روی دستگاه ویبراتور، ویبره شده تا به صورت کامل نمونه قالب را پر کرده و تا حد امکان حباب‌های هوای موجود خارج گردد. سپس نمونه‌ها در دمای اتاق به مدت زمان 24 ساعت در محفظه رطوبت با درصد رطوبت 75% قرار گرفتند. پس از آن، نمونه‌ها برای مدت زمان 24 ساعت در دمای 110 درجه سانتی‌گراد خشک شدند و سپس تعدادی از نمونه‌ها در دمای 1100 درجه سانتی‌گراد و تعدادی نیز در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد به مدت دو ساعت پخت شدند.

در ادامه برای بررسی‌های بیشتر از آزمون­های مختلف بهره گرفته شد. آزمون استحکام فشاری سرد[6] بر اساس استاندارد ASTM C133 صورت گرفته و بر اساس آن میزان نیرو و تنش وارده بر نمونه محاسبه گردید. برای محسابه چگالی نمونه‌ها از آزمون ارشمیدس و برای محاسبه درصد تغییرات خطی دائمی[7] نمونه‌ها نیز از فرمول زیر استفاده شد(استاندارد ASTM C179):

منظور از L_f اندازه بعد پس از پخت و L₀ اندازه قبل از پخت است.

3- نتایج و بحث

1-3- بررسی درصد آب مصرفی

شکل 1 درصد آب مصرفی را برای مخلوط‌های مختلف نشان می‌دهد. همانطور که مشخص است با افزایش درصد آلومینای فعال، درصد آب مصرفی کاهش می‌یابد. علت این امر را می‌توان در اندازه ریزتر ذرات آلومینای فعال(D₅₀=1-2μm) در مقایسه با پودر آلومینا(D₅₀=45μm) بیان نمود که منجر به پر شدن فضاهای ریز و خالی موجود در نمونه (تخلخل­های بسته نمونه) گردیده است. بدین­ترتیب فضاهای خالی جهت جذب آب کاهش یافته و درنتیجه میزان آب مصرفی کاهش می­یابد.

نکته حائز اهمیت دیگر ثابت شدن تقریبی میزان آب مصرفی در سه مخلوط آخر می‌باشد که علت این پدیده را می‌توان در پر شدن تقریبی تمامی فضاهای خالی و در نتیجه عدم تغییر آب مصرفی عنوان کرد.

شکل 1- درصد آب مصرفی برای مخلوط‌های مختلف.

2-3- بررسی میزان جریان‌یابی

شکل 2 میزان جریان‌یابی(برحسب میلی‌متر) برای نمونه‌های مختلف را نشان می‌دهد. جریان‌یابی نمونه‌ها در حالت ویبره و طبق استاندارد گفته شده در قبل اندازه‌گیری شده است. همانطور که در شکل مشاهده می‌گردد، با افزودن آلومینای فعال، میزان جریان یابی از 110 به بالای 130 میلی‌متر می‌رسد که به دلیل افزایش درصد آلومینای فعال و در نتیجه پر شدن فضاهای بسیار ریز خالی، محبوس نشدن آب در این فضاها و آمدن آب بر روی سطح دانه­ها می‌باشد که در نهایت منجر به افزایش جریان‌یابی می‌‌شود. از طرف دیگر، عملکرد افزودنی روانساز FF26 بر پایه ایجاد بار سطحی  و زنجیره پلیمری روی سطح ذرات ریزدانه می­باشد. با افزایش درصد مصرفی آلومینای فعال، میزان ذرات ریزدانه افزایش یافته که منجر به ایجاد زنجیره­های پلیمری طولانی­تر می­گردد و بدین­ترتیب جریان یابی افزایش می­یابد.

قابل ذکر است که در ارتباط با مخلوط 1، ظاهر جرم پیوستگی مناسب را نداشته است. دلیل این امر عدم پر شدن فضاهای خالی بین دانه­ها توسط جزء ریزدانه می­باشد. با افزودن آلومینای فعال به تدریج این فضاهای خالی پر شده و پیوستگی مناسبی در نمونه­ها ایجاد می­گردد.

قابل ذکر است که تمامی نمونه‌های حاوی آلومینای فعال میزان جریان‌یابی بالا و قابل قبولی را دارا بوده و از این حیث تمامی این نمونه‌ها مناسب می‌باشند.

شکل 2- میزان جریان‌یابی(برحسب میلی‌متر) برای مخلوط‌های مختلف.

3-3- فازشناسی

در شکل 3 می‌توان تصاویر پراش پرتوی ایکس برای سه مخلوط 1، 4 و 7 که در دمای 1100 درجه سانتی‌گراد مورد عملیات پخت قرار گرفته اند را مشاهده نمود. همانطور که مشخص است در هر سه نمونه علاوه بر کوراندوم، فازهای CA₂ و Ca_0.55Al₁₁O_17.05 تشکیل شده است. لازم به ذکر است که یکسان بودن فازهای تشکیل شده در هر سه نمونه به دلیل آن است که نوع ترکیبات شیمیایی در سه نمونه تغییری نکرده است.

در شکل 4 نیز می‌توان تصاویر پراش پرتوی ایکس را برای سه مخلوط 1، 4 و 7 پخته شده در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد مشاهده نمود. همانطور که مشخص است در هر سه نمونه علاوه بر کوراندوم، فازهای CA₆ و Ca_0.55Al₁₁O_17.05 تشکیل شده است. علت یکسان بودن فازهای تشکیل شده در هر سه نمونه نیز مشابه دلیل گفته شده در قبل می‌باشد.

بدین­ترتیب درصدهای مختلف آلومینای فعال، تاثیری بر آنالیز فازی نداشته و آنالیز فازی نمونه­ها در دو دمای 1100 و 1500 درجه سانتی­گراد یکسان است. لازم به ذکر است که تشکیل فازهای CA₂ و CA₆ مطابق با دیاگرام فازی دوتایی Al₂O₃-CaO بوده و قابل‌ پیش‌بینی می‌باشد(شکل 5).

شکل 3- تصاویر پراش پرتوی ایکس در دمای 1100 درجه سانتی‌گراد برای الف) مخلوط 1، ب) مخلوط4، ج) مخلوط 7.

 

شکل 4- تصاویر پراش پرتوی ایکس در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد برای الف) مخلوط 1، ب) مخلوط4، ج) مخلوط 7.

 

شکل 5- دیاگرام فازی [7] Al₂O₃-CaO.

4-3- بررسی درصد تغییرات خطی دائمی

در شکل 6 می‌توان درصد تغییرات خطی دائمی را برای نمونه‌های مختلف مشاهده نمود. همانطور که در شکل مشاهده می‌گردد، تمامی نمونه‌های پخته شده در دمای 1100 درجه سانتیگراد دچار انبساط شده‌اند که علت این امر را می‌توان تشکیل فاز CA₂ عنوان کرد چراکه تشکیل آن با انبساط همراه است[8]. در این دما تمامی نمونه­ها انبساط نزدیک به هم دارند.

در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد، تمامی نمونه‌ها منبسط شده‌اند که علت آن تشکیل فاز CA₆ در نمونه‌ها می‌باشد[8]. همانطور که در شکل مشاهده می‌شود، در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد مخلوط 3 دارای بیشترین انبساط است. در این دما، با افزایش درصد آلومینای فعال به مقادیر بالای 3% وزنی، به دلیل سطح ویژه بیشتر ذرات آلومینای فعال، احتمال آغاز  فرآیند زینترینگ افزایش یافته است. فرآیند زینترینگ با انقباض همراه است. در نتیجه برهمکنش انقباض در اثر فرآیند زینترینگ و انبساط در اثر تشکیل فاز CA₆ در مخلوط­های حاوی بیش از 3% وزنی آلومینای فعال منجر به کاهش انبساط شده­است.

همچنین می‌توان گفت در مخلوط 7 که دارای کمترین میزان تغییرات ابعادی در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد می­باشد، فرآیند زینترینگ پیشرفت بیشتری داشته است.

شکل 6- درصد تغییرات خطی دائمی برای مخلوط‌های مختلف.

5-3- بررسی چگالی

در شکل 7 می‌توان میزان چگالی(برحسب گرم بر سانتی‌متر مکعب) را برای نمونه‌های مختلف مشاهده نمود. همانطور که در شکل مشاهده می‌شود در دمای 110 درجه سانتی‌گراد، با افزایش درصد آلومینای فعال، چگالی افزایش یافته است. علت این امر را می‌توان در فشردگی بیشتر نمونه‌ها با درصد آلومینای فعال بیشتر عنوان نمود؛ به عبارت دیگر درصد آلومینای فعال بیشتر فضاهای خالی ریز موجود در نمونه‌ها را پر کرده و در نتیجه در یک حجم مشخص، جرم و ماده‌ی بیشتری قرار دارد که باعث افزایش چگالی می‌شود.

در دمای 1100 درجه سانتی­گراد تشکیل فاز CA₂ سبب انبساط شده­است. بدین ­ترتیب چگالی در این دما کاهش یافته­است. در دمای 1500 درجه سانتی­گراد در مقایسه با دمای 110 درجه سانتی­گراد به طور کلی به دلیل تشکیل فاز CA₆ و انبساط، چگالی نمونه­ها کاهش یافته­است. در این دما، با افزایش درصد مصرفی آلومینای فعال در مقادیر بالاتر از 3% وزنی، چگالی نمونه­ها افزایش یافته­است. به ­عبارت دیگر، کمترین مقدار دانسیته مربوط به مخلوط 3 است. همانطور که در بخش (3-4) اشاره شده است، این مخلوط دارای بیشترین مقدار انبساط و در نتیجه کمترین مقدار چگالی است. با افزایش مقدار آلومینای فعال به مقادیر بالاتر از 3% وزنی، به دلیل آغاز فرآیند زینترینگ، چگالی نمونه­ها روند افزایشی داشته است.

می‌توان گفت که مخلوط 7 به دلیل میزان آلومینای فعال بالای آن، دارای بالاترین چگالی در تمامی دماها بوده و نمونه بهینه می‌باشد.

شکل 7- نمودار چگالی(گرم بر سانتی‌متر مکعب) بر حسب دما(درجه سانتی‌گراد) برای مخلوط‌های مختلف.

6-3- بررسی استحکام فشاری سرد

در شکل 8 می‌توان استحکام فشاری سرد(بر حسب مگاپاسکال) را برای نمونه‌های مختلف مشاهده نمود. همانطور که در شکل مشاهده می‌شود با افزایش درصد آلومینای فعال در تمامی دماها استحکام افزایش یافته است. علت این امر را به صورت کلی می‌توان به چند مورد مرتبط دانست:

1. با کاهش درصد آلومینای فعال، میزان آب مصرفی افزایش یافته و به تبع آن با افزایش دما این آب تبخیر شده و از خود تخلخل بجا گذاشته است؛ بنابراین میزان آب مصرفی بیشتر به معنای تخلخل بیشتر و در نتیجه استحکام کمتر بوده است.
2. با افزایش درصد آلومینای فعال، ذرات بسیار ریز موجود در نمونه‌ها افزایش یافته و در نتیجه فضاهای بسیار ریز موجود نیز کاهش یافته است. این اتفاق هم منجر به افزایش تراکم نمونه‌ها شده و هم محل‌های مستعد برای جوانه‌زنی ترک را کاهش می‌دهد و بنابراین استحکام نمونه‌ها افزایش می‌یابد.

نکته حائز اهمیت دیگر کاهش استحکام در دمای 1100 درجه سانتی‌گراد می‌باشد که علت این امر را می‌توان در دی‌هیداراسیون فازهای هیدراته و از دست دادن آب آن‌ها عنوان نمود که منجر به کاهش استحکام می‌گردد. همچنین تشکیل فاز CA₂ در این دما که با انبساط همراه است، استعداد ایجاد ترک را در نمونه‌ها افزایش داده و استحکام را کاهش می‌دهد.

علت افزایش استحکام در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد نیز به علت تشکیل فاز CA₆ در این دما است چراکه ذرات هگزاگونال صفحه‌ای شکل این فاز با تشکیل خود ساختار نمونه‌ها را تقویت کرده[8] و استحکام به شدت افزایش می‌یابد. لازم به ذکر است که در عموم پژوهش‌ها علت اصلی افزایش استحکام در این دما به فرآیند زینترینگ مرتبط دانسته می‌شود ولی در اینجا همانطور که قبل از این گفته شد به دلیل انبساط نمونه‌ها در این دما، زینترینگ صورت نگرفته و علت افزایش استحکام تشکیل فاز CA₆ می‌باشد.

در مقایسه نمونه‌ها برای یافتن نمونه بهینه می‌توان گفت که از بین نمونه های خشک شده در دمای 110 و پخته شده در 1100 درجه سانتی‌گراد، مخلوط 5 و در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد مخلوط 7 بالاترین استحکام‌ را داشته و در نتیجه نمونه‌های بهینه هستند؛ بنابراین با توجه به دمای کاری مورد استفاده می‌توان از مخلوط مربوطه بهره برد.

شکل 8- نمودار استحکام فشاری سرد(مگاپاسکال) بر حسب دما(درجه سانتی‌گراد) برای مخلوط‌های مختلف.

4- نتیجه‌گیری

در این پژوهش تاثیر درصد آلومینای فعال برای خواص جرم‌های نسوز ریختنی فوق کم سیمان مورد بررسی قرار گرفت و نتیجه گرفته شد که با افزایش درصد آلومینای فعال، میزان آب مصرفی کاهش می‌یابد و میزان جریان یابی افزایش می­یابد. هم‌چنین با بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی نیز مشخص شد که در تمامی دماها نمونه با 11 درصد آلومینای فعال دارای بیشترین چگالی بوده و از نظر استحکام نیز نمونه با 7 درصد آلومینای فعال در دو دمای 110 و 1100 درجه سانتی‌گراد بهینه بوده و در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد نیز نمونه با 11 درصد آلومینای فعال دارای بیشترین استحکام می‌باشد. همچنین نمونه با 11 درصد آلومینای فعال نیز دارای کمترین تغییرات ابعادی است. بنابراین به صورت کلی می‌توان عنوان نمود که نمونه حاوی 11 درصد آلومینای فعال، حالت بهینه را دارا است.

منابع

[1]     R. E. Fisher, New developments in monolithic refractories, vol. 13. Amer Ceramic Society, 1985.

[2]     A. Gungor, O. Celikcioglu, and S. Sahin, “The physical and mechanical properties of alumina-based ultralow cement castable refractories,” Ceram. Int., vol. 38, no. 5, pp. 4189–4194, 2012.

[3]     M. F. Zawrah, “Effect of zircon additions on low and ultra-low cement alumina and bauxite castables,” Ceram. Int., vol. 33, no. 5, pp. 751–759, 2007.

[4]     A. R. Abbasian, M. R. Rahimipour, H. Nouranian, A. A. Salardini, and M. H. Amin, “Effect of deflocculants on microsilica containing ultra low cement Al 2 O 3-SiC refractory castable.,” Ind. Ceram., vol. 30, no. 2, 2010.

[5]     J. Shan, Y. Li, N. Liao, M. Nath, L. Pan, and S. Sang, “Critical roles of synthetic zeolite on the properties of ultra-low cement-bonded Al2O3-SiC-C castables,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 40, no. 15, pp. 6132–6140, 2020.

[6]     S. Mukhopadhyay et al., “Easy-to-use mullite and spinel sols as bonding agents in a high-alumina based ultra low cement castable,” Ceram. Int., vol. 28, no. 7, pp. 719–729, 2002.

[7]     A. K. Singh, “Study on the effect of different sols on high alumina castable refractory.” 2017.

[8]     Y. Wang, X. Li, B. Zhu, and P. Chen, “Microstructure evolution during the heating process and its effect on the elastic properties of CAC-bonded alumina castables,” Ceram. Int., vol. 42, no. 9, pp. 11355–11362, 2016.

[1] CaO

[2] Tabular alumina

[3] Reactive Alumina

[4] Loss On Ignition

[5] Hobart mixer

[6] Cold Crushing Strength(CCS)

[7] Permanent Linear Change(PLC)

یاسمن محمدی(کارشناس واحد تحقیق و توسعه شرکت صنعت ذوب و نسوز ایرانیان)

محمد مبشری(کارشناس واحد تحقیق و توسعه شرکت صنعت ذوب و نسوز ایرانیان)

بهزاد عظیمی(مدیر واحد تحقیق و توسعه شرکت صنعت ذوب و نسوز ایرانیان)