بررسی تاثیر استفاده از زیرکونیا بر خواص رئولوژی، فیزیکی و مکانیکی جرم ریختنی آلومینا بالا فوق کم سیمان مورد استفاده در سر مشعل کوره کارخانه سیمان

چکیده

در این تحقیق، تاثیر زیرکونیا بر خواص رئولوژی، فیزیکی و مکانیکی جرم های ریختنی آلومینا بالا فوق کم سیمان بررسی شده­است. برای این منظور از تابولار آلومینا، سیمان آلومینات کلسیم 71، آلومینای ری­اکتیو، زیرکونیا و افزودنی روانساز مخصوص جرم­های ریختنی به عنوان مواد اولیه استفاده شد. سپس ترکیبات مختلف در دمای 110°C خشک، و در دمای 400°C، 815°C و 1400°C پخت شده و از نقطه نظر دانسیته، درصد تغییرات خطی دائمی، استحکام فشاری سرد (CCS) و استحکام خمشی سه نقطه­ای سرد (CMOR) طبق استاندارد مورد بررسی قرار گرفت. آنالیز شیمیایی با استفاده از فلورسنس اشعه ایکس، آنالیز فازی با استفاده از پراش اشعه ایکس مورد سنجش قرار گرفتند. نتایج نشان دادند که بهینه خواص رئولوژی، فیزیکی و مکانیکی در دمای 110°C مربوط به نمونه فاقد زیرکونیا و بهینه خواص فیزیکی و مکانیکی در دمای 1400°C مربوط به نمونه دارای 2% وزنی زیرکونیا است و افزایش زیرکونیا تا 4% وزنی تاثیر چندانی بر خواص ندارد.

کلمات کلیدی: دیرگداز، ریختنی، آلومینایی، فوق کم سیمان، سر مشعل

1. معرفی

طبق استاندارد ISO 836-2001، ماده نسوز به عنوان یک ماده یا محصول غیرفلزی تعریف می­شود که خواص فیزیکی و شیمیایی آن اجازه می­دهد تا در محیط با دمای بالا استفاده شود[1]. نسوزها را می­توان به دو دسته شکل­دار و بی­شکل تقسیم­بندی کرد. دیرگدازهای شکل­دار که به آنها آجر نیز می گویند، شکل مشخصی دارند، در حالی که دیرگدازهای بی­شکل یا یکپارچه مانند جرم­های ریختنی یا ملات، می توانند به هر شکل دلخواه تبدیل شوند[2].

توسعه جرم­های ریختنی نسوز به دلیل کاربردهای فراوان آن­ها در صنایع متالورژی، سیمان و پتروشیمی اهمیت یافته­است. 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[3]. در سال­های اخیر، استفاده از جرم­های ریختنی برای سر مشعل کوره سیمان رایج شده­است. میزان عملکرد این جرم برای صنعت سیمان بسیار حیاتی است زیرا عدم کارکرد و عمر کوتاه آن سبب توقف کوره سیمان می­گردد.

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[4]. در حین حرارت دادن، تجزیه تدریجی فازهای هیدراته منجر به تخریب پیوندهای شیمیایی و افزایش تخلخل می شود و در نتیجه خواص مکانیکی دیرگداز به شدت کاهش می یابد. با کاهش محتوای سیمان افزایش قابل توجهی در طول عمر مواد ریختنی نسوز بر پایه آلومینا، ایجاد شده­است[5]. 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. این دماهای ذوب پایین برای بسیاری از فرآیندهای متالورژی قابل قبول نیستند[6].

حضور این فازها در سیستم دیرگدازها، به­دلیل تضعیف نسوزندگی و کاهش مقاومت در برابر خوردگی مطلوب نیست. در همین راستا در دهه‌های قبل دائما تلاش بر این بوده است که سیمان آلومینات کلسیم با سیستم اتصال دیگری جایگزین شود. جرم­های ریختنی بسیار کم سیمان (ULCC) به دلیل محتوای کم اکسید کلسیم و در نتیجه خواص نسوزندگی بالا به طور فزاینده­ای در صنایع با دمای بالا مورد استفاده قرار گرفته­اند[7]. جرم­های ریختنی فوق 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[8].

سرامیک­های برپایه زیرکونیا به­طور گسترده در صنعت در مناطق با تنش­های حرارتی و شیمیایی بالا و به­عنوان قطعات با مقاومت به سایش بالا استفاده می­شوند. مواد مقاوم در برابر سایش به طور گسترده در صنایع مختلف از جمله فولاد، سیمان، زغال سنگ و … استفاده می‌شوند[9]. ساینده های سخت می توانند به سرعت منجر به شکست ناشی از سایش مواد ساینده شوند که عمر مفید دیرگداز را کاهش می دهد. استفاده از افزودنی­های با اندازه ذرات زیرمیکرون در جرم­های ریختنی دیرگداز پیشرفت دیگری­ست که سبب کاهش مقدار سیمان می­گردد[10]. جهت بهبود کیفیت جرم­های ریختنی یا فرمول بندی بهتر آنها برای کاربردهای خاص، درک عمیق خواص ترمومکانیکی و تحولات ریزساختاری آنها در طول گرمایش و سرمایش مهم است. قبل از استفاده می­توان عملیات حرارتی روی نسوزها انجام داد تا از طریق فرآیند زینترینگ استحکام آن­ها بهبود یابد. با این حال، حتی عملیات حرارتی آهسته و همگن نیز گاهی منجر به آسیب­های حرارتی عمدتا به شکل میکروترک­ها می­گردد[11]. این اتفاق معمولا به دو دلیل رخ می­دهد، یکی عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی بین فاز و دیگری انتقالات فیزیکوشیمیایی مانند دهیدراتاسیون فازهای هیدارته سیمان و یا تبدیل فاز زیرکونیا[12].

Yanshan Liu و همکاران [13] اثرات اندازه ذرات زیرکونیا را بر خواص مکانیکی، حرارتی و ریزساختار جرم­های ریختنی آلومینا اسپینل بررسی کردند. از این تحقیق نتیجه گرفته شد که ذرات ریز زیرکونیا (<88 mm)، به دلیل تشکیل میکروترک­ها در اثر انتقال فاز زیرکونیا سبب بهبود خواص مکانیکی مانند CMOR و HMOR می گردد. در تحقیق دیگری، R. Vargas و همکاران [14] اثر دمای پخت را بر انرژی شکست جرم ریختنی آلومینا-مولایت-زیرکونیا مورد ارزیابی قرار دادند. افزایش 50°C دمای پخت باعث افزایش 30% انرژی شکست می­گردد. در این پژوهش، اثر زیرکونیا در درصدهای وزنی 0، 2 و 4 بر خواص رئولوژی و مکانیکی جرم ریختنی فوق کم سیمان آلومینا بالا، مخصوص سر مشعل کارخانه سیمان بررسی شده­است.

2. مواد و روش تحقیق

   • مواد اولیه

در این پژوهش از مواد اولیه تابولار­آلومینا­­ (­ Zhejian Zili Alumina Materials Technology Co. Lt., China)، سیمان 71 (VICAL71, )، ری­اکتیو آلومینا (CTC20,Almatis)، زیرکونیا با خلوص 99% و افزودنی روانساز مخصوص جرم­های ریختنی FF26 استفاده شد. آنالیز شیمیایی و برخی خواص فیزیکی مواد اولیه در جدول 1 آورده شده است. فرمولاسیون ها بر اساس ضریب آندریازن q=0.34 طراحی شدند. ترکیب نمونه های مورد آزمایش در جدول 2 آورده شده است.

جدول 1. خواص فیزیکی و شیمیایی مواد اولیه

سیمان 71	ری اکتیو آلومینا	تابولار آلومینا	انالیز شیمیایی (%)
70	99.5	99.2	AL2O3
0.22	0.1	0.2	SiO2
28.9	–	–	CaO
0.1	0.02	0.1	Fe2O3
0.25	–	–	MgO
–	0.05	–	TiO2
0.5	0.05	0.4	Alkalies
–	–	3.67	دانسیته
CA,CA2,α-Al2O3	Corundom	Corundom	فاز

 

 

 

جدول 2. ترکیب نمونه­های مورد آزمایش

 

	تابولارآلومینا	سیمان 71	ری‌اکتیو آلومینا	زیرکونیا	FF26
Z0	90	3	7	0	0.5
Z2	88	3	7	2	0.5
Z4	86	3	7	4	0.5

 

• روش آزمایش

نمونه ها با درصدهای مصرفی مطابق با جدول 2 آماده­سازی شدند. نمونه­ها در دما و رطوبت اتاق (30% , 23°C) به مدت زمان 2 دقیقه در میکسر هوبارت به صورت خشک میکس شد. سپس آب مصرفی مناسب (نمونه کد Z1 با 4.9%، نمونه کد Z2 با 4.9% و نمونه کد Z3 با %5) تا رسیدن به خواص رئولوژی مورد نظر به نمونه­ها افزوده­ شد و نمونه­ها برای مدت زمان 3 دقیقه به صورت تر میکس شدند (ASTM C860). میزان جریان­یابی نمونه­ها توسط میز جریان­یابی به حالت خود جریان­یاب (سلف فلو) سنجیده شد (ASTM C1446). سپس از هر فرمولاسیون تعداد 12 نمونه به ابعاد 5*5*5 (cm)  و 12 نمونه به ابعاد 16*4*4 (cm) آماده گردید (ASTM C862). نمونه­ها درون قالب برای مدت زمان 24 ساعت در محفظه رطوبت با رطوبت نسبی %75 قرار گرفتند. سپس نمونه­ها از قالب خارج شده و برای مدت زمان 24 ساعت در خشک­کن در دمای 110°C قرار گرفتند.

تمامی نمونه­ها پس از خارج شدن از آون در دمای محیط (23°C) سرد شده و وزن و ابعاد آن­ها اندازه­گیری شد. نمونه­ها در دمای °C400، °C815 و °C1400 پخت شدند و در 4 دمای °C110 ، °C400، °C815 و °C1400 از نقطه­نظر دانسیته بالک (به روش ارشمیدس ASTM C357)، استحکام فشاری سرد و استحکام خمشی سرد (ASTM C133) و میزان تغییرات ابعادی مورد بررسی قرار گرفتند. آنالیز شیمیایی مواد اولیه و ترکیبات با استفاده از اشعه ایکس فلورسانس (ICP-OOS agilent735) و آنالیز فازی نمونه‌ها پس از پخت، با پراش پرتو ایکس (PW1800) با استفاده از تابش مس (Cukα، λ = 1.5418 å) در40kv/30ma بررسی شدند.

3. بحث و نتایج

   • آنالیز شیمیایی

آنالیز شیمیایی ترکیبات، توسط فلورسانس اشعه ایکس مورد بررسی قرار گرفت. نتایج در جدول 3 نشان داده شده است. از ترکیب Z0 تا Z4 از درصد مصرفی تبولار آلومینا کاسته شده و به درصد زیرکونیا اضافه شده­است. بدین ترتیب در آنالیز شیمیایی %Al₂O₃ کاسته شده و به درصد ZrO₂ افزوده شده­است. درصد CaO در همه ترکیبات زیر 1 درصد است که نشان از فوق کم سیمان بودن ترکیبات دارد.

جدول 3. آنالیز شیمیایی ترکیبات

آنالیز شیمیایی (% وزنی)	Z0	Z2	Z4
AL2O3	98.32	96.33	94.35
SiO2	0.19	0.19	0.19
CaO	0.87	0.87	0.87
Fe2O3	0.09	0.1	0.1
ZrO2	–	1.98	3.96
Alkalies	0.38	0.37	0.36

 

• رفتار رئولوژی

جریان­یابی همه نمونه ها در حالت خود جریان­یاب (سلف فلو) اندازه­گیری شد. در نمونه Z0 با آب مصرفی 4.9%، جریان­یابی 100 میلی متر، نمونه Z2 با آب مصرفی 4.9% جریان­یابی 75 میلی متر و نمونه Z4 با آب مصرفی 5% جریان­یابی 75 میلی متر حاصل شد. لذا افزودن زیرکونیا سبب افزایش آب مصرفی و کاهش جریان­یابی می­گردد. علت این امر تفاوت در اندازه ذرات و مساحت سطح ویژه پودر تبولار آلومینا و پودر زیرکونیا است. زیرکونیا دارای اندازه ذرات ریزتر بوده و با پر کردن تخلخل­ها باعث کاهش آب مصرفی می­گردد. از جهت دیگر ساختار زیرکونیا جذب آب بالاتری نسبت به آلومینا تبولار دارد و آب مصرفی افزایش می­­یابد. این افزایش آب مصرفی بر کاهش آب مصرفی غلبه کرده و در حالت کلی آب مصرفی افزایش می­یابد.

• آنالیز فازی

تصاویر 1-3 آنالیز فازی ترکیبات در دماهای مختلف را نشان می­دهد. در تمامی دماها و در هر 3 ترکیب فاز اصلی و غالب کوراندوم است که این امر به دلیل استفاده از ماده اولیه تبولار آلومینا بدیهی­ست. در دمای 400°C، در هر سه ترکیب فاز CaO.10Al₂O₃ شناسایی شده­است. این فاز در اثر واکنش Al2O3 حاصل از آلومینای تبولار و CaO حاصل از سیمان تشکیل شده ­است. در نمونه­های Z2 و Z4 به دلیل حضور زیرکونیا، فاز CaO.4ZrO₂ تشکیل شده و در نمونه Z4، به دلیل مقدا بیشتر زیرکونیا، فاز AlZr نیز تشکیل شده­است.

در دمای 815°C، فاز CaO.10Al₂O₃ شناسایی شده است اما فاز CaO.4ZrO₂ از بین رفته­است. در نمونه­های دارای زیرکونیا فاز ZrO₂ شناسایی شده­است. در دمای 1400°C، شکل دیگری از فاز آلومینات کلسیم به نام هیبونیت (CaO.10Al₂O₃) که در دمای بالا پایدار می­باشد، تشکیل شده­است. در این دما در نمونه­های دارای زیرکونیا، فاز CaO.4ZrO₂ دوباره شناسایی شده­است.

تصویر1. آنالیز فازی ترکیبات در دمای 400°C

 

تصویر2. آنالیز فازی ترکیبات در دمای 815°C

 

تصویر3. آنالیز فازی ترکیبات در دمای 1400°C

 

• خواص فیزیکی و مکانیکی

خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه­ها از قبیل دانسیته بالک، استحکام فشاری سرد (CCS)، استحکام خمشی سرد (CMOR) در دماهای 110°C ، °C400، °C815 و °C1400 و درصد تغییرات خطی دائمی بعد از پخت در سه دمای °C400، °C815 و °C1400 بررسی شدند. نتایج در جداول (4-7) آورده شده­است.

• دانسیته بالک

دانسیته بالک نمونه­ها در دماهای °C110، 400°C، 815°C و °C1400 مورد بررسی قرار گرفت. در دمای 110°C دانسیته بالک هر سه ترکیب در یک محدوده و تقریبا مشابه یکدیگر حاصل شده­است (جدول 4). زمانی که مواد اولیه مورد استفاده یکسان است، در دمای °C110 دانسیته بالک تحت تاثیر دو عامل میزان آب مصرفی و درصد مصرفی سیمان قرار دارد. درصد مصرفی سیمان در تمامی ترکیبات مورد آزمایش ثابت است. میزان آب مصرفی در نمونه Z0 و Z2 یکسان و در نمونه Z4 به مقدار 0.1% افزایش یافته­است. میزان آب مصرفی یکسان بوده و در نتیجه خروج آب یکسان بوده­است. بدین­ترتیب دانسیته بالک هر سه نمونه تقریبا یکسان حاصل شده­است.

در دمای °C040، آب ساختاری از ترکیبات خارج شده و دهیدراتاسیون فازهای سیمان آغاز شده­است. بررسی تغییرات ابعادی نشان می­دهد که نمونه­ها دچار انقباض شده­اند. در نتیجه برهمکنش کاهش وزن ناشی از خروج آب از ساختار و کاهش حجم، دانسیته بالک بدون تغییر باقی مانده­است. در دمای 815°C، دهیدراتاسیون فازهای سیمان کامل شده و در نتیجه کاهش وزن بر کاهش حجم غالب شده و دانسیته بالک مقدار کمی کاهش یافته­است. در دمای 1400°C، طبق آنالیز فازی (تصویر 3)، فاز هیبونیت تشکیل شده­است. تشکیل این فاز با انبساط همراه است. میزان تغییرات ابعادی نشان­دهنده این امر است (جدول 7). در نتیجه انبساط ساختار، دانسیته بالک میزان کمی کاهش یافته­است.

• استحکام فشاری سرد

در دمای 110°C، استحکام فشاری سرد نمونه Z4، به­دلیل میزان آب مصرفی بیشتر کمترین مقدار است. در جرم­های فوق کم سیمان به­دلیل کمبود میزان سیمان در ترکیب، افزایش آب مصرفی حتی به میزان بسیار کم تاثیر زیادی بر روی استحکام فشاری سرد در دمای 110°C دارد. زیرا در این دما استحکام حاصل فقط ناشی از فازهای هیدراته سیمان است. از طرفی با افزودن زیرکونیا، تخلخل­های درون جرم که مانع از رشد ترک می­شوند، توسط ذرات ریز زیرکونیا پر شده و درنتیجه استحکام فشاری کاهش یافته­است. پس بیشترین مقدار استحکام فشاری سرد در این دما در نمونه Z0 حاصل شده­است (جدول 4).

در دمای 400°C، در تمامی نمونه­ها فاز CaO.10Al₂O₃ تشکیل شده­است. از طرفی در نمونه­های Z0 و Z4 فاز CaO.4ZrO2 و در نمونه Z4 فاز AlZr شناسایی شده­اند (تصویر 2). حضور این فازها سبب افزایش استحکام نسبت به دمای 110°C شده­است. در این دما در حالت کلی نمونه­های دارای زیرکونیا عدد استحکام کمتری نسبت به نمونه فاقد زیرکونیا نشان داده­اند (جدول 5). در دمای 815°C، استحکام فشاری سرد در هر سه ترکیب کاهش یافته­است (جدول 6). در این دما، فازهای حاصل از زیرکونیا از بین رفته و در تمامی نمونه­ها فقط فاز CaO.10Al₂O₃ وجود دارد (تصویر 2). این فاز در دمای400°C، منجر به افزایش استحکام شده اما با افزایش دما پایداری آن کمتر شده و در نتیجه استحکام نسبت به دمای 400°C کاهش می­یابد اما همچنان نسبت به 110°C، بیشتر است.

در دمای 1400°C، در تمامی نمونه ها فاز هیبونیت تشکیل شده­است (تصویر 3). این فاز با انبساط همراه است در نتیجه در اندازه­گیری تغییرات ابعادی، تمامی نمونه­ها منبسط شده­اند. تشکیل فاز هیبونیت سبب افزایش استحکام فشاری سرد می­گردد. در نمونه­های دارای زیرکونیا، فاز CaO.4ZrO تشکیل شده است (تصویر 3). این فاز سرامیکی سبب تقویت زمینه دیرگداز شده و استحکام را افزایش می­دهد. درنتیجه بیشترین مقدار استحکام فشاری سرد در این دما مربوط به نمونه Z4 می­باشد (جدول 7).

• استحکام خمشی سرد

در دمای 110°C، بیشترین استحکام خمشی مربوط به نمونه Z0 است (جدول 4). با افزودن زیرکونیا، تخلخل­های درون ساختار که مانع از رشد ترک می­گردند، کاهش یافته، درنتیجه استحکام خمشی کاهش می­یابد. علاوه­براین در نمونه Z4 افزایش آب مصرفی نیز سبب کاهش استحکام خمشی شده­است. در دمای 400°C، فازهای سیمان دهیدراته شده درنتیجه استحکام خمشی کاهش می­یابد (جدول 5). حضور فازهای CaO.10Al₂O₃، CaO.4ZrO₂ سبب تقویت زمینه می­گردند. بررسی تغییرات ابعادی نشان می­دهد نمونه­ها دچار انقباض شده­اند. به سبب انقباض حاصل از حضور این فازها، میکروترک­های موجود در ساختار از بین می­روند، درنتیجه این فازها سبب افزایش استحکام فشاری شده اما استحکام خمشی را کاهش می­دهند. با افزایش دما تا 815°C، فازهای دارای زیرکونیا در آنالیز فازی شناسایی نشده و فقط فاز کوراندوم و آلومینات کلسیم شناسایی شده­است (تصویر 1). با توجه به عدم تغییرات فازی، تغییری در استحکام خمشی سرد در این دما رخ نداده است و استحکام نسبت به دمای 400°C تقریبا بدون تغییر باقی مانده­است.

در دمای 1400°C، تشکیل فاز هیبونیت سبب افزایش استحکام خمشی می­گردد (جدول 7). میزان افزایش در نمونه­های دارای زیرکونیا بیشتر است و در نمونه­های Z2 و Z4 اعداد استحکام خمشی بالاتری حاصل شده­است. علت این امر تشکیل حضور زیرکونیا و تفاوت ضریب انبساط حرارتی آن با فاز زمینه است. این تفاوت در ضریب انبساط حرارتی سبب ایجاد میکروترک­هایی شده که منجر به افزایش استحکام خمشی می­گردد.

 

جدول 4. خواص فیزیکی و مکانیکی در دمای 110 ^◦C

کد نمونه	Z0	Z2	Z4
دانسیته بالک (g/cm3)	3.17	3.19	3.18
استحکام فشاری سرد (N/mm2)	47.67	38.33	36.33
استحکام خمشی سرد (N/mm2)	8.14	8.31	6.77

 

جدول 5. خواص فیزیکی و مکانیکی در دمای 400 ^◦C

کد نمونه	Z0	Z2	Z4
دانسیته بالک (g/cm3)	3.17	3.16	3.17
استحکام فشاری سرد (N/mm2)	65.67	57.33	44
استحکام خمشی سرد (N/mm2)	5.69	7.17	4.93
تغییر ابعادی (mm)	-0.09	-0.2	-0.46

 

جدول 6. خواص فیزیکی و مکانیکی در دمای 815^◦C

کد نمونه	Z0	Z2	Z4
دانسیته بالک (g/cm3)	3.14	3.14	3.14
استحکام فشاری سرد (N/mm2)	52	45.33	41.67
استحکام خمشی سرد (N/mm2)	5.97	6.16	5
تغییر ابعادی (mm)	-0.11	-0.24	-0.85

 

جدول 7. خواص فیزیکی و مکانیکی در دمای 1400^◦C

کد نمونه	Z0	Z2	Z4
دانسیته بالک (g/cm3)	3.12	3.12	3.10
استحکام فشاری سرد (N/mm2)	94.67	99.67	102.33
استحکام خمشی سرد (N/mm2)	19.8	26.15	26.46
تغییر ابعادی (mm)	0.13	0.21	0.20

 

4. نتیجه گیری

در این تحقیق اثر افزودن زیرکونیا بر خواص رئولوژی، فیزیکی و مکانیکی جرم­های فوق کم سیمان آلومینا بالا مخصوص سر مشعل کارخانه سیمان بررسی شده­است. فازهای پایدار شناسایی شده در آنالیز فازی در همه­ی دماها کوراندوم و آلومینات­های کلسیم بوده­است. در نمونه­های دارای زیرکونیا در دمای 400°C و 1400°C فاز CaO.4ZrO₂ نیز تشکیل شده­است. در بررسی خواص رئولوژی، افزودن زیرکونیا به­دلیل نوع ساختار نسبت به آلومینای تبولار باعث افزایش آب مصرفی و کاهش جر­یان­یابی می­گردد. در اثر افزایش آب مصرفی، خواص مکانیکی اعم از استحکام فشاری سرد و استحکام خمشی سرد در دمای 110°C، کاهش می­یابند.

با افزایش دما تا 400°C، به­دلیل تشکیل فازهای آلومینات کلسیم و در نمونه­های دارای زیرکونیا فاز CaO.4ZrO₂، زمینه تقویت شده و استحکام فشاری سرد افزایش یافته و استحکام خمشی سرد کاهش یافته­است. افزایش دما تا 815°C، باعث کمی افت استحکام فشاری شده اما بر استحکام خمشی تاثیر چندانی نداشته­است. در دمای 1400°C، تشکیل فاز هیبونیت سبب افزایش استحکام فشاری و خمشی سرد شده­است. در نمونه­های دارای زیرکونیا میزان افزایش استحکام خمشی به­دلیل وجود میکروترک­ها در زمینه ناشی از اختلاف ضریب انبساط حرارتی فاز زیرکونیا و زمینه، بسیار بیشتر است. با توجه به نتایج حاصل، افزایش مقدار مصرفی زیرکونیا از 2% تا 4% تاثیر چندانی بر خواص فیزیکی و مکانیکی نداشته و از این جهت مقدار بهینه زیرکونیا جهت دستیابی به خواص بهینه مکانیکی در دمای بالا 2% وزنی است.

 

 

 

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]     L. A. Díaz, R. Torrecillas, F. Simonin, and G. Fantozzi, “Room temperature mechanical properties of high alumina refractory castables with spinel, periclase and dolomite additions,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 28, no. 15, pp. 2853–2858, 2008, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.04.019.

[3]     A. V. Gutiérrez, J. L. Cuevas, A. G. Ángeles, and N. Pilalua, “Addition of ceramics materials to improve the corrosion resistance of alumina refractories,” SN Appl. Sci., vol. 1, no. 7, pp. 1–7, 2019, doi: 10.1007/s42452-019-0789-5.

[4]     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, doi: 10.1016/j.ceramint.2012.02.001.

[5]     E. a Firoozjaei, A. Saidi, A. Monshi, and P. Koshy, “The effect of microsilica and refractory cement content on the properties of andalusite based Low Cement Castables used in aluminum casthouse ( O efeito do teor de microsílica e de cimento refratário nas propriedades de,” Cerâmica, vol. 56, pp. 411–421, 2010.

[6]     E. Y. Sako, M. A. L. Braulio, D. H. Milanez, P. O. Brant, and V. C. Pandolfelli, “Microsilica Role in the CA6 Formation in Cement-Bonded Spinel Refractory Castables Journal of Materials Processing Technology Microsilica role in the CA 6 formation in cement-bonded spinel refractory castables,” no. August, 2009, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2009.05.013.

[7]     G. V Rusakova and P. E. Alekseev, “art%3A10.1007%2Fs11148-012-9452-z.pdf,” vol. 53, no. 1, pp. 4–8, 2012.

[8]     M. G. Kakroudi, E. Yeugo-Fogaing, C. Gault, M. Huger, and T. Chotard, “Effect of thermal treatment on damage mechanical behaviour of refractory castables: Comparison between bauxite and andalusite aggregates,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 28, no. 13, pp. 2471–2478, 2008, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.03.048.

[9]     C. Heuer, S. Dudczig, C. G. Aneziris, R. Soth, A. Priese, and W. Christoph, “Effect of stabilizer and binder on the phase formation in zirconia castables for application in secondary steel industry,” vol. 16, no. July, 2023, doi: 10.1016/j.oceram.2023.100455.

[10]   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.

[11]   M. D. M. Innocentini, F. A. Cardoso, M. M. Akyioshi, and V. C. Pandolfelli, “Drying stages during the heating of high-alumina, ultra-low-cement refractory castables,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 86, no. 7, pp. 1146–1148, 2003, doi: 10.1111/j.1151-2916.2003.tb03438.x.

[12]   R. Vargas, X. Pinelli, B. Smaniotto, F. Hild, and R. B. Canto, “Journal of the European Ceramic Society On the effect of sintering temperature on the fracture energy of an Alumina-Mullite-Zirconia castable at 600 ◦ C,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 41, no. 7, pp. 4406–4418, 2021, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.01.023.

[13]   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.

[14]   R. Yu, L. Zhang, X. Zhang, P. Liu, H. Qi, and J. Wang, “Fracture behavior and thermal shock resistance of alumina-spinel castables- E ff ect of added fused zirconia-alumina,” Ceram. Int., vol. 46, no. 13, pp. 20732–20741, 2020, doi: 10.1016/j.ceramint.2020.05.016.

یاسمن محمدی (رییس واحد توسعه و تحقیقات شرکت صنعت ذوب و نسوز ایرانیان)

بهزاد عظیمی (مدیریت کارخانه شرکت صنعت ذوب و نسوز ایرانیان)