بررسی و مقایسه خواص جرم ریختنی و جرم کوبیدنی مخصوص بدنه کوره پورینگ (ریخته­گری) مذاب چدن

چکیده

دیرگدازها برای تمام فرآیندهای دما بالا مانند تولید فولاد، چدن، سیمان، شیشه و … ضروری هستند. در سال­های اخیر دیرگدازهای بی­شکل به دلیل سهولت در دسترسی و نصب تا حد زیادی جایگزین آجرهای دیرگداز شده­اند. در این میان کارخانه­های تولید چدن جهت پوشش نسوز کوره­های پورینگ از جرم­های ریختنی و کوبیدنی استفاده می­کنند. در این مقاله جرم­های ریختنی و کوبیدنی کوره پورینگ از نقطه نظر روش نصب، نحوه فرآیند خشک کردن و پخت، آنالیز شیمیایی، آنالیز فازی و خواص فیزیکی و مکانیکی مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته­اند. نتایج نشان می­دهد، جرم کوبیدنی در صورتی­که محل نصب پیچیدگی نداشته و قابلیت کوبیدن جرم داشته باشد، خواص دمای بالا مورد تاییدتری نسب به جرم ریختنی دارد.

کلمات کلیدی: دیرگداز، نسوز، کوره پورینگ، ریخته­گری، مذاب چدن

1. معرفی

توسعه جرم­های دیرگداز ریختنی و کوبیدنی، به دلیل کاربردهای فراوان آن­ها در صنایع فولاد، چدن، فلزات غیرآهنی، سیمان و پتروشیمی اهمیت یافته­است. در مقایسه با دیرگدازهای شکل­دار، استفاده روزافزون از دیرگدازهای بدون شکل، به ویژه در کاربردهای فولادسازی مانند لایه نسوز کوره القایی، پاتیل و تاندیش فولادی، به یک عمل رایج تبدیل شده است[1]. درسال­های اخیر استفاده از این نوع دیرگدازها در کوره­های پورینگ (ریخته­گری) صنعت چدن نیز به شدت توسعه یافته­است[2]. مزاياي ديرگدازهاي بی­شکل از جمله روش نصب سریع­تر و ارزان تر آن­ها، باعث افزايش تمايل به مصرف اين گروه از مواد و جايگزيني تدريجي آن­ها به­جاي ديرگدازهاي شكل­دار شده­است. تفاوت دیرگدازهای بی­شکل با آجرهای دیرگداز در این است که دیرگدازهای بی­شکل پیش از استفاده شکل داده نشده و پخت نمی­شوند. در نتیجه میزان قابل توجهی در انرژی صرفه­جویی می­شود. حذف فرآیند شکل­دهی و پخت پیش از استفاده، سبب کوتاه تر شدن زمان تولید و تحویل محصول می­گردد[3].

جهت نصب آجرهای دیرگداز از ملات­ها استفاده می­گردد که به­عنوان نقاط ضعف محسوب می­شوند. همچنین آجرهای دیرگداز در مقایسه با جرم­های بی­شکل دارای انبساط حرارتی بیشتری هستند که منجر به تغییر شکل ساختار و پوسته شدن می­گردد. در نتیجه جرم­های بی­شکل دیرگداز دارای عمر کارکرد و دوام طولانی­تری هستند. دیرگدازهای بی­شکل براساس روش استفاده و نصب آن­ها دسته­بندی می­شوند. دو گروه از آن­ها که در اینجا به آن می­پردازیم دیرگدازهای ریختنی و دیرگدازهای کوبیدنی هستند[4]. دیرگدازهای ریختنی به صورت مواد مخلوط خشک عرضه می­شوند و در محل کاربرد با آب یا سایر مایعات مشخص شده مخلوط می­شوند. جرم­های ریختنی معمولا با ریختن در محل مورد نظر و به دنبال آن ارتعاش و ویبره نصب می­شوند. دیرگدازهای کوبیدنی مانند جرم­های ریختنی به صورت خشک عرضه می­شوند و در محل کاربرد به صورت خشک با استفاده از ویبراتور یا با استفاده از تجهیزات کوبش مانند چکش پنوماتیک نصب می­شوند[5].

تفاوت عمده دیرگدازهای ریختنی و کوبیدنی وجود سیمان آلومینات کلسیم و آب در ساختار دیرگدازهای ریختنی است. در جرم­های نسوز ریختنی، سیمان آلومینات کلسیم، یکی از پرکاربردترین سیستم‌های اتصال است. سیمان آلومینات کلسیم در مقایسه با دیگر باندهای اتصال مورد استفاده در صنعت نسوز، خواص مکانیکی پایدارتری را در محدوده وسیعی از شرایط ارائه می­دهد. به چندین دلیل مقدار محتوای سیمان در جرم­های ریختنی باید کاهش یابد[6].

مقدار بیشتر سیمان موجب دستیابی به استحکام بیشتر در دمای 110°C، افزایش مقدار آب مصرفی و کاهش دانسیته بالک و افزایش درصد تخلخل می­گردد. اغلب، در سیستم­های جرم­های نسوز ریختنی، حضور اکسید کلسیم ممکن است ترکیبات با دمای ذوب پایین و یا یوتکتیک با نقطه ذوب پایین­تری از طریق انجام واکنش­ها ایجاد کند. به عنوان مثال، در سیستم سه تایی CaO-Al₂O₃-SiO₂، پنج یوتکتیک سه تایی با نقطه ذوب زیر 1350°C وجود دارد[7]. این دماهای ذوب پایین برای بسیاری از فرآیندهای متالورژی قابل قبول نیستند. حضور این فازها در سیستم دیرگدازها، سبب تضعیف نسوزندگی، کاهش استحکام در دمای بالا و کاهش مقاومت در برابر خوردگی می­گردد. در همین راستا در دهه‌های قبل دائما تلاش بر این بوده است که سیمان آلومینات کلسیم با سیستم اتصال دیگری جایگزین شود[8]. جرم­های ریختنی کم سیمان (LCC) به دلیل محتوای کم اکسید کلسیم و در نتیجه خواص نسوزندگی بالا به طور فزاینده­ای در صنایع با دمای بالا مورد استفاده قرار گرفته­اند. جرم­های ریختنی کم سیمان دارای خواص مطلوبی نظیر استحکام خوب در دمای پایین و بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین، هدایت حرارتی خوب، مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب، مقاومت بالا در برابر خوردگی فلزات و سرباره هستند[9].

نکته اصلی در مورد دیرگدازهای بی­شکل کوبیدنی این است که آن­ها را در مدت کوتاهی پس از نصب می­توان استفاده کرد. از آنجایی که هیچ آب یا مایع دیگری در ساختار وجود ندارد دلیلی برای فرآیند گرمایش آهسته یا طولانی برای جلوگیری از ترک خوردن و پوسته شدن ناشی از خروج مایعات وجود ندارد. در این دیرگدازها سطح در تماس با حرارت (سطحی که میزان دما در آن بیشتر است، مثلا سطح در تماس با مذاب) زینتر شده و سخت می­شود و یک گرادیان دمایی در طول ضخامت پوشش نسوز ایجاد می­گردد و یک اثر عایق داخلی ایجاد می­کند[10].

اصل اساسی در استفاده از دیرگدازهای کوبیدنی خشک، استفاده از مقادیر کمی کمک زینتر است به گونه­ای که در دمای حدود 400-600°C پیوندهای اولیه و در دماهای بالاتر از 1200-1300°C پیوندهای سرامیکی دما بالا تشکیل شوند. خواص یک جرم کوبیدنی تا حد زیادی به دانسیته آن بستگی دارد[11]. توزیع اندازه دانه کلید اصلی دستیابی به یک محصول با دانسیته و استحکام بالا است. از آنجایی که هیچ مایعی در ساختار وجود ندارد، مرزدانه­ها باید به یکدیگر نزدیک باشد تا بهترین حالت واکنش جامد-جامد رخ دهد[12]. در این مقاله جرم­های ریختنی و کوبیدنی مخصوص کوره پورینگ صنایع چدن از نقطه نظر فرمولاسیون، نحوه فرآیند نصب، نحوه فرآیند خشک کردن و پخت، خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته­است.

2. مواد و روش ها

   • فرمولاسیون

در یک محصول دیرگداز فرمولاسیون شامل نوع مواد اولیه مصرفی و توزیع اندازه دانه است. جهت جرم ریختنی بدنه کوره پورینگ به­دلیل کاهش مقدار فاز CaO و افزایش نسوزندگی جرم کم سیمان و فوق کم سیمان پیشنهاد می­گردد. جهت انتخاب اگریگیت از ماده با دانسیته بالا، جذب آب کم و ناخالصی کم مانند تابولار آلومینا (Zhejian Zili Alumina Materials Technology Co. Lt., China) استفاده شده­است. در جرم­های کم سیمان به­دلیل پایین بودن مقدار سیمان، مقدار آب مصرفی باید در کمترین حد ممکن باشد به ­گونه­ای که استحکام کاهش نیابد. به­همین دلیل برای کاهش مقدار آب مصرفی باید از اگریگیت با جذب آب پایین استفاده گردد. اگریگیت­ها در دانه­بندی (0-5) در کنار جزء پودر، سیمان و افزودنی­ها با ضریب آندریازن q=0.34 جهت توزیع اندازه دانه برای دستیابی به بهینه رفتار رئولوژی و خواص فیزیکی اعم از دانسیته و تخلخل قرار گرفته­اند. جرم کوبیدنی بر پایه اگریگیت­های با درصد آلومینای بالا و دانسیته بالا طراحی شده­است.

در جرم کوبیدنی به دلیل الزام حضور کمک زینترها از ماده اولیه دارای درصد کمی ناخالصی مانند آلومینای ذوبی قهوه­ای (Zhejian Zili Alumina Materials Technology Co. Lt., China) استفاده می­شود. ناخالصی­های موجود در ماده اولیه به­عنوان گدازآور عمل کرده و به اتصال اگریگیت­ها و سفت شدن سطح دیرگداز کمک می کنند. در جرم کوبیدنی از یک افزودنی شیمیایی که با ایجاد باند شیمیایی سبب سفت شدن دیرگداز شود، استفاده شده­است. در هر دو فرمولاسیون از اکسید کروم استفاده شده­است. استفاده از اکسید کروم به دلیل استحکام در دمای بالا، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر سرباره در همه­ی ترکیبات مفید است. خواص فیزیکی و شیمیایی برخی مواد اولیه مورد استفاده در جدول 1 آمده است.

اکسید کروم	ری اکتیو آلومینا	سیمان 80	آلومینای ذوبی قهوه­ای	تابولار آلومینا	انالیز شیمیایی (%)
0.2	99.5	80	94.64	99.2	AL2O3
0.09	0.1	–	0.85	0.2	SiO2
0.06	–	19	0.26	–	CaO
–	0.02	–	0.96	0.1	Fe2O3
–	–	–	0.23	–	MgO
–	0.05	0.5	2.98	–	TiO2
99.25	–	–	–	–	Cr2O3
–	0.05	0.5	0.09	0.4	Alkalies
–	–	–	3.26	3.67	دانسیته
Choromium oxide	Corundom	CA, CA2, α-Al2O3	Corundom	Corundom	فاز

جدول 1. خواص فیزیکی و شیمیایی مواد اولیه

 

• روش نصب

جرم­های دیرگداز ریختنی در محل مصرف با آب یا مایعات دیگر مخلوط می­شوند و پس از اختلاط در محل مورد نظر ریخته شده و ویبره می­شوند. تعیین میزان آب مصرفی مناسب از عوامل مهم در خواص نهایی دیرگداز است.  افزایش آب مصرفی سبب کاهش استحکام فشاری سرد و افزایش تخلخل می­گردد. علاوه بر آن افزایش آب مصرفی، در مرحله خشک کردن خطر پوسته­ای شدن ساختار را افزایش می­دهد. در نصب جرم ریختنی مفهومی به نام کارپذیری مدت زمان کار کردن جرم را محدود می کند. به دلیل حضور فاز سیمان و آب و انجام واکنش­های هیدراتاسیون، جرم ریختنی با گذشت زمان از حالت اولیه خارج شده و سفت می­شود. زمان کارپذیری جرم به انجام واکنش­های هیدراتاسیون فازهای مختلف موجود در سیمان بستگی دارد. برای مثال، فاز C₁₂A₇ به سرعت هیدراته می­شود اما سرعت هیدراتاسیون فازهای CA و CA₂ آهسته­تر است. در این مقایسه فازهای C₂S و C₂AS دارای کمترین سرعت هیدراتاسیون هستند. پس اگر در سیمان مقدار فاز C₁₂A₇ زیاد باشد، مدت زمان کارپذیری به دلیل سرعت هیدراتاسیون بالا کاهش می­یابد. در این هنگام اصطلاحا گفته می­شود جرم کارپذیری خود را از دست داده است و هنگام ویبره کردن به درستی ویبره نشده و سطح جرم ترک می خورد. پس در نصب جرم ریختنی باید دقت شود که قبل از اتمام مدت زمان کارپذیری، عملیات نصب آن انجام شود. واکنش­های هیدراتاسیون فازهای سیمان مطابق زیر می­باشد:

• 6CA+60H                 6CAH₁₀
• 6CA+33H                 3C₂AH₁₈ + 3AH₃
• 6CA+24H                 2C₃AH₆ + 4AH₃
• 6CA₂+78H               6CAH₁₀ + 6AH₃
• 6CA₂+51H               63C₂AH₈ + 9AH₃
• 6CA₂+42H  2C₃AH₆ + 10AH₃

پس از ریختن جرم در محل مورد نظر باید جرم ویبره شده تا بیشترین دانسیته بالک و کمترین مقدار تخلخل حاصل شود. اگر عملیات ویبره شدن جرم به درستی انجام نشود به­دلیل توزیع غیر یکنواخت کاهش استحکام، افزایش خوردگی و کاهش عمر کاری بدنه دیرگداز حاصل می­گردد.

معمولا جرم­های کوبیدنی به صورت چندلایه نصب می­شوند، زیرا به دلیل اصطکاک بین دانه­ای نیروی اعمال شده در فاصله­ی زیادی منتقل نمی­شود. بدین­ترتیب معمولا به­صورت لایه­ای در ضخامت­های 100-150 میلی­متر نصب می­شوند. جهت اعمال یک لایه روی لایه زیرین، سطح لایه زیرین را خراش می­دهند تا اتصال بهتری بین لایه­ها ایجاد شود. پس از ریختن لایه مورد نظر جرم ویبره می­شود تا تخلخل­ها به کمترین مقدار ممکن برسد و بیشترین دانسیته بالک حاصل گردد.

در مقایسه فرآیند نصب جرم ریختنی و کوبیدنی چندین تفاوت وجود دارد. جرم ریختنی به­دلیل افزودن آب و واکنش­های سیمان تخصص و دقت بیشتری در فرآیند نصب نیاز دارد. جرم ریختنی به دلیل استحکام اولیه که در اثر حضور سیمان حاصل می­شود، قابل ریختن در محل­های با شکل­های پیچیده است اما جرم کوبیدنی نیاز به افزایش دما جهت زینترینگ و حفظ شکل خود دارد. پس در این حالت شابلون مورد استفاده باید تا دمای بالا گرم شود تا جرم کوبیدنی به استحکام اولیه برسد و سپس شابلون برداشته­شود.

• فرآیند خشک و پخت

جرم­های ریختنی پس از نصب در ساختار خود از نظر فیزیکی دارای آب هستند که در تخلخل­ها و منافذ حفظ شده­است و از نظر شیمیایی به­عنوان فازهای هیدراته سیمان به یکدیگر متصل شده­اند. بنابراین فرآیند خشک کردن آن­ها باید در محدوده وسیعی از دما و به صورت آهسته انجام گیرد. استفاده از یک برنامه خشک کردن مناسب، برای جلوگیری از آسیب مکانیکی به بدنه دیرگداز از طریق فشار بیش از حد ناشی از بخار تولید شده در مرحله گرمایش، بسیار مهم است. سرعت خشک شدن تاثیر بسزایی در خواص دیرگداز ریختنی دارد. سرعت گرمایش خیلی سریع ممکن است با افزایش فشار بخار درون جرم باعث انفجار ناشی از فشار خروج سریع بخار شود. در جرم­های ریختنی بیشتر محتوای آب ساختاری و هیدراتاسیون در دمای °C110 الی °C550 از سیستم خارج می­شود. اغلب استحکام پس از خشک شدن در دمای °C110 مطلوب است اما با افزایش دما و دهیدراتاسیون فازهای سیمان، استحکام کاهش می­یابد. پیوندهای هیدرولیک در دمای بین 100-370°C آب خود را از دست می­دهند و فازهای آلومینات کلسیم تشکیل می­شوند و استحکام کاهش می­یابد. استحکام تا زمانی که فازهای سرامیکی در اثر زینتر در دمای بالا در بدنه تشکیل نشوند، افزایش نمی­یابد.

در فرآیند ریختن جرم و افزودن آب به جرم، در دمای کمتر از 21°C، در سیمان فاز CAH₁₀ تشکیل می­شود. با افزایش دما این فاز به فازهای C₂AH₈ و C₃AH₆ تبدیل می­شود. این تغییرات فازی با تغییر سایز کریستال­ها (انقباض) و افزایش تخلخل همراه است. این واکنش­ها سبب ایجاد دو مشکل اساسی می­شوند. یکی امکان پوسته­ای شدن در طی دوره گرمایش پوشش نسوز و دیگری کاهش استحکام به دلیل تبدیلات فازی است. خواص فیزیکی و ترمومکانیکی جرم­های ریختنی، به دلیل فرآیندهای پیچیده هیدراتاسیون به­شدت وابسته به دما است. بنابراین، شرایط پخت به طور قابل توجهی بر ساختار و خواص جرم­های ریختنی نسوز تأثیر می­گذارد. جرم­های ریختنی باید مقاومت در برابر پوسته­ای شدن در طول عملیات حرارتی اولیه و در دمای بالا را داشته باشند.در طی فرآیند زینترینگ، فازهای حاصل از دهیدراتاسیون سیمان مانند C₁₂A₇، CA و CA₂ شکل می­گیرند. همچنین در جرم­های ریختنی آلومینوسیلیکاتی حاوی سیمان، فازهای C₂S و C₂AS (ژلنیت) تشکیل می­شوند. دمای دهیدراتاسیون فازهای سیمان در جدول 2 آورده شده­است.

در جرم­ کوبیدنی برخلاف جرم ریختنی امکان پوسته­ای شدن جرم در حین فرآیند خشک کردن و پخت وجود ندارد. نکته حائز اهمیت در نصب این جرم­ها افزایش دما تا حدی که در بدنه پیوندهای شیمیایی جهت اتصال ذرات به یکدیگر تشکیل شود و استحکام اولیه حاصل شود، است. به گونه­ای که پس از خروج شابلون جرم نریخته و بر روی دیواره کوره پورینگ باقی بماند.

دمای هیدراتاسیون (°C)	فاز هیدارته
120	CAH10
170-195	C2AH8
240-370	C3AH6
210-300	AH3 (gibbsite)
100	AH3 (gel)

جدول 2. دمای دهیدراتاسیون فازهای سیمان

 

• زمان فرآیند نصب و بهره­وری

در یک کوره پورینگ مدت زمان نصب جرم ریختنی و کوبیدنی اندازه­گیری شده­است. نصب جرم ریختنی شامل شابلون گذاری، عمل آوری جرم (اختلاط خشک و تر)، انتقال جرم به محل نصب، فرآیند ویبره شدن جرم، گیرش جرم، خروج شابلون و عملیات خشک کردن و پخت جرم می­باشد. نصب جرم کوبیدنی شامل شابلون گذاری، کوبیدن و ویبره کردن جرم به صورت خشک، افزایش دما جهت ایجاد اتصال اولیه، خروج شابلون، افزایش دما تا زینترینگ جرم است. زمان نصب جرم ریختنی در یک کوره پورینگ تقریبا 7 ساعت و زمان نصب جرم کوبیدنی تقریبا 27 ساعت است. مدت زمان فرآیند خشک و پخت در حالت ایده­آل برای جرم ریختنی، 136 ساعت و برای جرم کوبیدنی 165 ساعت است. بنابراین در مجموع جرم کوبیدنی مدت زمان نصب و بهره­وری طولانی­تری دارد.

3. مقایسه خواص

   • آنالیز شیمیایی

آنالیز شیمیایی ترکیبات، توسط فلورسانس اشعه ایکس مورد بررسی قرار گرفت. نتایج در جدول 3 نشان داده شده است. همانطور که مشخص است تفاوت دو فرمولاسیون در اجزای ناخالص آن­ها است. جرم ریختنی دارای درصد CaO که نشان از حضور سیمان دارد است در صورتی که جرم کوبیدنی فقط به میزان جزئی دارای فاز CaO می­باشد که آن هم از ناخالصی اگریگیت­ها حاصل شده­است. جرم کوبیدنی حاوی مقدار زیادی از فاز TiO₂ و Fe₂O₃ است. این فازها به عنوان گدازآور عمل کرده و به اتصال بین ذرات در دیرگداز کوبیدنی کمک می­کند. در هر دو نمونه اکسید کروم به­دلیل کاهش زاویه ترشوندگی توسط مذاب و سرباره چدن، افزایش مقاومت به خوردگی و بهبود خواص دمای بالا استفاده شده­است.

جدول 3. آنالیز شیمیایی ترکیبات

آنالیز شیمیایی (% وزنی)		جرم ریختنی	جرم کوبیدنی
AL2O3		93	92.79
SiO2		1	1
CaO		1.91	0.26
Fe2O3		0.18	0.61
TiO2		–	2.3
Cr2O3		2.97	1.93
P2O5		–	0.5
Alkalies		0.42	0.1

 

• آنالیز فازی

در تصویر 1، آنالیز فازی جرم ریختنی مخصوص کوره پورینگ بعد از پخت در سه دمای 815°C ، 1200°C و °C1500 نشان داده شده­است. تصویر 2 نیز نشان دهنده آنالیز فازی جرم کوبیدنی مخصوص کوره پورینگ بعد از پخت در دمای1500°C  است. در جرم ریختنی در همه ی دماها، به دلیل حضور ماده اولیه تبولار آلومینا، فاز اصلی و غالب فاز کوراندوم (Al₂O₃) است. در دمای 815°C فاز اکسید کروم (Cr₂O₃) نیز شناسایی شده است. در این دما فازهای هیدراته سیمان، دهیدراته شده و هیچ فاز سرامیکی تشکیل نشده است. در دمای 1200°C، فازهای ژلنیت (2CaO.Al₂O₃.SiO₂) و گروسیت (CaO.2Al₂O₃) شناسایی شده­است. این امر نشان می دهد که در این دما واکنش ها انجام شده و فازهای کلسیم آلومینا سیلیکاتی تشکیل شده­اند. در دمای 1500°C، فاز کلسیم آلومینا سیلیکات به نام هیبونیت (CaO.6Al₂O₃) تشکیل شده و همچنین یک فاز محلول جامد آلومینا کروم (AlCr₂) تشخیص داده شده ­است.

در جرم کوبیدنی بعد از پخت در دمای 1500°C، به دلیل استفاده از آلومینای ذوبی قهوه­ای فاز اصلی کوراندوم شناسایی شده است. فاز اکسید تیتانیوم نیز به دلیل حضور در ماده اولیه آلومینای ذوبی قهوه­ای نشان داده شده­است. فاز دیگر یک فاز سرامیکی بوده که در اثر واکنش بین افزودنی باند شیمیایی و زمینه آلومینا تشکیل شده­است. این فاز نشان­دهنده اتصال سرامیکی در حالت پخت در نمونه جرم کوبیدنی است.

 

تصویر 1. آنالیز فازی (XRD) جرم ریختنی بعد از پخت در دماهای 815°C ، 1200°C و 1500°C

 

تصویر 2. آنالیز فازی (XRD) جرم کوبیدنی بعد از پخت در دمای 1500°C

 

 

• خواص فیزیکی و مکانیکی

استحکام فشاری سرد در دمای 110°C، از فاز سیمان حاصل می­شود. در جرم کوبیدنی فاز سیمان وجود نداشته، در نتیجه استحکام فشاری سرد در دمای 110°C بسیار ناچیز است. خواص فیزیکی و مکانیکی جرم ریختنی از قبیل دانسیته بالک، استحکام فشاری سرد (CCS)، استحکام خمشی سرد (CMOR) در دماهای 110°C ، °C815، °C1200، 1500°C و درصد تغییرات خطی دائمی بعد از پخت در سه دمای °C815، 1200°C و °C1500 بررسی شدند. نتایج در جدول­ 4 آورده شده­است. برای جرم کوبیدنی دانسیته بالک و استحکام فشاری در دو دمای 110°C و 1500°C بررسی شده است ( جدول 5).

همانطور که از نتایج مشخص است، دانسیته در دمای 110°C برای جرم کوبیدنی بیشتر از جرم ریختنی است. آب موجود در ساختار جرم ریختنی، در این دما تبخیر شده و سبب ایجاد تخلخل می­گردد در نتیجه دانسیته مقادیر کمتری نسبت به جرم کوبیدنی که کاملا فشرده شده است، دارد. در جرم ریختنی با افزایش دما تا °C815 دانسیته و استحکام هر دو کاهش می­یابند. دلیل این امر، دهیدراتاسیون فازهای سیمان و عدم زینتر شدن جرم و تشکیل نشدن پیوندهای سرامیکی در این دما است که این مورد در آنالیز فازی نیز مشهود است. در این دما فقط فازهای کوراندوم و اکسید کروم شناسایی شده­اند. با افزایش دما تا 1200°C، به­دلیل فرآیند زینترینگ و تشکیل فازهای سرامیکی از قبیل گروسیت و ژلنیت، دانسیته بالک و استحکام افزایش یافته­است. در دمای 1500°C، تشکیل فاز هیبونیت سبب افزایش استحکام شده­است.

در جرم کوبیدنی در دمای 1500°C، فرآیند زینترینگ اتفاق افتاده و فاز سرامیکی تشکیل شده­است. این فاز سبب افزایش استحکام در جرم کوبیدنی شده­است.

 

جدول 4. خواص فیزیکی و مکانیکی جرم ریختنی در دماهای مختلف

دما		110°C	815°C	1200°C	1500°C
دانسیته بالک (g/cm3)		3.12	3.04	3.05	3.08
استحکام فشاری سرد (N/mm2)		100.75	67.33	75.33	119.5
استحکام خمشی سرد (N/mm2)		17.63	12.83	22.55	39.65
تغییرات ابعادی (mm)		–	-0.3	-0.25	-0.42

 

جدول 5. خواص فیزیکی و مکانیکی جرم کوبیدنی

کد نمونه	110°C	1500°C
دانسیته بالک (g/cm3)	3.49	3.40
استحکام فشاری سرد (N/mm2)	10	119
تغییر ابعادی (mm)	–	-0.2

 

 

4. نتیجه گیری

استفاده روزافزون از دیرگدازهای بی شکل، به دلیل سهولت در دسترسی و نصب، صرفه­جویی در هزینه تولید و انرژی سبب ایجاد چالش بزرگ در طراحی این گروه از دیرگدازها شده­است. امروزه در صنعت چدن، استفاده از جرم­های بی شکل کوبیدنی و یا ریختنی افزایش یافته است. در این تحقیق، خواص جرم ریختنی و جرم کوبیدنی مخصوص بدنه کوره پورینگ چدن، بررسی شده­است.

جرم­های ریختنی به­دلیل حضور آب در ساختار آن­ها و انجام واکنش­های هیدراتاسیون فرآیند خشک کردن و پخت آن­ها نیاز به دقت بیشتری داشته تا از ایجاد ترک و پوسته­ای شدن جرم جلوگیری شود. پس جرم ریختنی درصورت صحیح اجرا نشدن فرآیند خشک و پخت، مستعد ایجاد ترک و پوسته­ای شدن است. مفهومی به نام کارپذیری در جرم ریختنی به دلیل انجام واکنش­های هیدراتاسیون، زمان فرآیند نصب جرم ریختنی را محدود می­کند. نصب جرم ریختنی در مکان­های با اشکال پیچیده راحت تر بوده که ممکن است جرم کوبیدنی قابلیت نصب در آن محل را نداشته­باشد. زمان فرآیند نصب و بهره­وری در جرم کوبیدنی طولانی­تر است.

بعد از پخت در دمای 1500°C، هر دو جرم ریختنی و کوبیدنی دارای استحکام فشاری سرد مشابه بوده است. در جرم ریختنی استحکام به دست آمده مربوط به فاز هیبونیت است و در جرم کوبیدنی مربوط به فاز سرامیکی است. تفاوت این دوفاز این است که، فاز هیبونیت دمای ذوب پایین تری داشته و خاصیت دیرگدازی نداشته و برای بسیاری از فرآیندهای متالورژیکی قابل قبول نمی­باشد. دمای ذوب پایین فاز هیبونیت سبب کاهش دیرگدازی و افزایش خوردگی می­گردد. در حالتی که فاز سرامیکی تشکیل شده، فاز دیرگداز با نقطه ذوب بالا است.

در نهایت، هر کارخانه تولیدکننده چدن باید با توجه به شرایط محیطی و کاری و تجهیزات خود و همچنین با توجه به مزایا و معایب گفته شده در این مقاله، نوع جرم مناسب خود اعم از ریختنی و یا کوبیدنی را انتخاب کند.

 

 

 

 

 

5. منابع

[1]       W. E. Lee, W. Vieira, S. Zhang, K. Ghanbari Ahari, H. Sarpoolaky, and C. Parr, “Castable refractory concretes,” Int. Mater. Rev., vol. 46, no. 3, pp. 145–167, 2001, doi: 10.1179/095066001101528439.

[2]       H. Sarpoolaky, S. Zhang, B. B. Argent, and W. E. Lee, “Low-Cement Castable Refractories,” vol. 34, no. 188529, pp. 426–434, 2001.

[3]       A. P. Luz, M. H. Moreira, M. A. L. Braulio, C. Parr, and V. C. Pandolfelli, “Drying behavior of dense refractory ceramic castables . Part 1 – General aspects and experimental techniques used to assess water removal,” Ceram. Int., no. May, 2021, doi: 10.1016/j.ceramint.2021.05.022.

[4]       I. During and P. The, “CHAPTER IX : DRY VIBRATABLES,” pp. 211–217.

[5]       I. Ramming, “CHAPTER V : RAMMING MIXES.”

[6]       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, doi: 10.1016/j.ceramint.2005.12.019.

[7]       E. Karadeniz, C. Gurcan, S. Ozgen, and S. Aydin, “Properties of alumina based low-cement self flowing castable refractories,” vol. 27, no. June 2006, pp. 1849–1853, 2007, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2006.05.050.

[8]       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, doi: 10.1016/S0272-8842(02)00034-2.

[9]       M. Ghassemi Kakroudi, E. Yeugo-Fogaing, M. Huger, C. Gault, and T. Chotard, “Influence of the thermal history on the mechanical properties of two alumina based castables,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 29, no. 15, pp. 3197–3204, 2009, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2009.05.052.

[10]    D. Eylu and E. U. Campus, “Effect of temperature on the mechanical properties of self-flowing low cement refractory concrete,” vol. 31, pp. 1233–1237, 2001.

[11]    K. M. Huang et al., “Stabilization of the thermal decomposition process of self-reducible copper ion ink for direct printed conductive patterns,” RSC Adv., vol. 7, no. 40, pp. 25095–25100, 2017, doi: 10.1039/c7ra01005b.

[12]    F. Simonin, C. Olagnon, S. Maximilien, G. Fantozzi, L. A. Diaz, and R. Torrecillas, “Thermomechanical behavior of high-alumina refractory castables with synthetic spinel additions,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 83, no. 10, pp. 2481–2490, 2000, doi: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01579.x.

یاسمن محمدی (رئیس واحد توسعه و تحقیقات کارخانه ذوب و نسوز ایرانیان)

بهزاد عظیمی (مدیریت کارخانه ذوب و نسوز ایرانیان)