مواد و مصالح ساختمانی دیرگدازها
تاریخچه :
به لحاظ تاریخی کاملا معلوم نیست که ساخت مواد دیرگداز برای نخستین بار به دست چه کسی و در کدام کشور صورت گرفته است، اما احتمال می رود فینیقی ها و یا چینی ها پایه گذار این بخش از صنعت سرامیک باشند. بر طبق مدارک تاریخی، در ابتدا برای ساخت دیرگداز ها بیشتر از خاک های رسی معمولی استفاده می شد. از اوایل قرن نوزدهم میلادی به تدریج اندیشه افزودن مواد غیر پلاستیک به مواد اولیه مطرح شد که تاثیر بسزایی در کیفیت نهایی محصولات داشت. از این رو، با گذشت زمان محصولات بهتری وارد بازار شد. دستیابی به مواد اولیه مرغوب تر و خالص تر و استفاده از آن ها در صنایع دیرگداز گام بعدی در این راه بود و همزمان فنون ساخت نیز بهبود یافت که این دو در کنار هم به ارائه محصولات مناسب و مورد نیاز صنایع دیگر، از جمله صنایع تولیدی مادر، منجر شد، و نقش تعیین کننده ای در رشد این صنایع بر جای گذاشت.
در چهار دهه اخیر نیاز مبرم مصرف کنندگان مواد دیرگداز به استفاده ار محصولات جدید و مرغوب تر، موجب افزایش کمیت و کیفیت تولید انواع محصولات نوین دیرگداز ها شده است. گسترش تحقیقات همراه با مطالعات پیشرفته علمی – کاربردی باعث شد تا یافته های جدید محققان علم مواد وارد صنایع دیرگداز شود. تلفیق این عوامل باعث جهشی در گسترش صنایع دیرگداز، مخصوصا در چند کشور صنعتی شد.
دیرگدازها
دیرگدازها مواد غیرآلی، غیر فلزی و مقاوم در برابر حرارت هستند که این مواد می توانند در مقابل عوامل ساینده و یا خورنده در دماهای بالا مقاومت کنند. این عوامل خورنده و یا ساینده می توانند در حالت جامد، مایع و یا گاز باشند. به خاطر وجود شرایط متنوع محیطی، انواع متنوعی از دیرگدازها با خواص متفاوت ساخته شده اند. دیرگدازها از مواد پخته شده، مواد شیمیایی و انواع چسب های کربنی(بایندرهای کربنی) تشکیل شده اند. این مواد دارای گستره شیمیایی متنوع هستند و دارای اشکال مختلفی نیز هستند. (ترکیب شیمیایی و اشکال استفاده از دیرگدازها بر اساس کاربردهای گوناگون آنها تعیین می شود)
ساختار فازی مواد دیرگداز
دیرگدازها از مواد ناهمگون ، چند ترکیبی و دارای تخلخلی هستند. در ساختار این مواد ، سنگ دانه های پایدار در برابر حرارت بوسیله ی فازهای چسبنده و افزودنی ها در کنار هم قرار گرفته اند.
مواد دیرگداز در دماهای پایین شبه تردند و هنگامی که دما بالا می رود از خود رفتار ویسکوز نشان می دهند. بخاطر تغییرات نقطه به نقطه در ریزساختار دیرگدازها و انعطاف پذیر نبودن آنها، استحکام در محل های مختلف دیرگداز متفاوت است. این مواد به خاطر خزش در دمای بالا یا تغییر شکل پلاستیکشان شاخص هستند. تردی و مدول الاستیک بالای این مواد باعث شده است تا در برابر تنش های حرارتی و شک ها حساس بوده و در تحت این شک ها بشکنند.
مواد اصلی دیرگدازها
مواد خامی که عمدتاً در تولید دیرگدازهای اساسی استفاده می شوند عبارتند از:
منیزیم کربنات (magnesites) ، دولومیت، کانی های کروم دار (chrome ore)، اسپینل و کربن
آجرهای دیرگداز اساسی مانند آجرهای منیزیا-کرومیتی و منیزیا- اسپنلی از کلینکر مصنوعی اکسید منیزیم (synthetic magnesia clinker) یا منیزیای طبیعی پخته شده به همراه سنگ معدن کروم دار و پیش واکنش دهنده اسپنیل و یا مواد پوشش دهنده ی آلومینیایی ساخته می شوند. اسپینل که یک ساختار مقاوم در برابر شک های حرارتی است. یا در آجر اولیه وجود دارد و یا در طی حرارت دیدن آجر در محیط کار تولید می شود.
لازمه های دیرگدازی
لازمه های عمومی یک ماده ی دیرگداز را می توان به صورت زیر بیان کرد:
قابلیت تحمل در دماهای بالا
قابلیت تحمل در برابر تغیرات ناگهانی دما
قابلیت تحمل برخورد با فلزات مذاب، گازهای گرم و خوردگی سایشی(erosion) و…
قابلیت تحمل فشار در شرایط کارکرد
قابلیت تحمل در مقابل بارگذاری و نیروهای سایشی
ضریب انبساط حرارتی پایین
قابلیت نگهداری حرارت
نداشتن قابلیت ترشوندگی و جلوگیری از نفوذ مواد در تماس با آنها (مانند سرباره و مذاب فلزی)
ویژگی های دیرگدازها
خواص مهم دیرگدازها که بیشتر مورد بررسی قرار می گیرد عبارتند از : ترکیب شیمیایی، دانسیته بالک (density bulk)، تخلخل ظاهری (apparent porosity)، گرانش ویژه ی نسبی (specific gravity apparent) و استحکام در دماهای معمولی.
این خواص اغلب از جمله خواصی است که برای کنترل تولید و فرآیند کنترل کیفیت استفاده می شود. ترکیب شیمیایی به عنوان پایداری برای طبقه بندی دیرگدازها استفاده می شود.
. دانسیته، تخلخل و استحکام محصولات پخته شده از فاکتورهای زیادی تاثیر می پذیرد. از میان این فاکتورهای زیاد می توان به نوع و کیفیت مواد اولیه، اندازه و شکل ذرات، درصد رطوبت مواد در طی فرآیند پرس کردن، فشار پرس، دما و مدت پخت، اتمسفر کوره و سرعت سرد کردن اشاره کرد-.
همان گونه که در بالا اشاره گردید مواد نسوز باید حداقل چهار ویژگی مهم به شرح ذیل داشته باشند:
خاصیت دیرگدازی : این خا صیت به ترکیب شیمیایی و ساختمان بلورین مواد بستگی دارد . مثلاً در ترکیبات آلومینیم دار، رابطه مستقیمی بین پایداری حرارتی و مقدار آلومینیم هر ترکیب وجود دارد . برای مثال پایداری حرارتی رس با 45 درصد Al2O3تقریباً 1750 درجه سانتی گراد در حالی که پایداری حرارتی خالص Al2O3 حدود 2050 درجه سانتی گراد است.
مقاومت شیمیایی : مواد دیرگداز باید در حرارتهای بالا دارای مقاومت شیمیایی زیادی باشند به طوری که با مواد گداخته، گازها و بخار آب واکنش ندهند . این خصوصیت تابع ترکیب شیمیایی مواد اولیه، تخلخل و ساختمان بلوری آنهاست.
مقاومت در مقابل تغییرات ناگهانی حرارت : به افزایش یا کاهش بسیار سریع دما شوک حرارتی 1 گفته می شود . مواد نسوز باید بتوانند در مقابل شوکهای حرارتی مقاومت کرده و از هم نپاشند . با توجه به افزایش و کاهش ناگهانی دمای کوره های ذوب یا کوره های پخت سیمان و آهک، در صور ت عدم توانایی تحمل این شرایط توسط مواد دیرگداز، این مواد به سرعت تخریب شده و قابلیت استفاده خود را از دست خواهند داد.
مقاومت سایشی : دیرگدازها به نوعی باید از جنس مواد ساینده نیز باشند یا حداقل مقاومت سایشی خوبی داشته باشند . با توجه به تماس دائمی این مواد ب ا مواد گداخته شده و گاهاً سخت در داخل دیگهای ذوب یا کوره های پخت موا د ، در صورت نداشتن مقاومت سایشی، به شدت فرسوده شده و از بین خواهند رفت.
دمای ذوب melting point
مواد خالص در دمای معینی و در یک آن ذوب می شوند. اکثر مواد دیرگداز دارای ذرات دیرگدازی هستند که به هم چسبیده اند. در دمای بالا، فاز شیشه ای مذاب می شود و هنگامی که دما بالاتر رود، محلولی از اجزای دیرگداز پدید می آید. این محلول مانند یک دوغاب می ماند. دمایی که در آن مخروط زگر به علت وزن خودش تغییر شکل دهد، دمای ذوب دیرگداز نامیده می شود. .
اندازه (size)
اندازه و شکل دیرگداز یکی از خصوصیات طراحی است. این مساله یکی از مباحث مهم در طراحی بشمار می آید زیرا این مساله بر روی پایداری ساختار تاثیر می گذارد. دقت و اندازه برای جاهایی که قطعات دیرگدازها می خواهند با هم جفت شوند، بسیار مهم می باشد. دقت و اندازه مناسب باعث کمینه شدن ضخامت و جفت شدن بهتر ساختار می شود.
تخلخل Porosity
تخلخل ظاهری (apparent porosity)، اندازه گیری حجم تخلخل های باز است. (این تخلخل های باز می توانند بوسیله ی یک مایع پر شوند)
تخلخل ظاهری بر حسب درصد نسبت به حجم نشان داده می شود. این خصوصیت یکی از خصوصیات مهم دیرگدازهایی است که در تماس مستقیم با مذاب و سرباره هستند. تخلخل ظاهری پایین مطلوب است. زیرا این مساله از نفوذ مواد ناخواسته به داخل دیرگداز جلوگیری می کند. همچنین به هم پیوسته بودن تخلخل ها، تاثیرات مهمی بر رفتار دیرگدازها دارد.
عموماً در شرایطی که تعداد تخلخل ها برابر باشد، تخلخل ها با ابعاد کوچک تر مطلوب ترند. به هر حال، اندازه گیری واقعی تخلخل واقعی که در آن حجم تخلخل های بسته نیز محاسبه می شود،ایده مناسبی برای آگاهی از خصوصیات مواد مانند خواص زنیته شدن است.درحقیقت، تخلخل، دانسیته بالک و دانسیته ظاهری جامد از ویژگی های حیاتی اشکال دیرگداز است.
خزش در دمای بالا (Creep at high temperature)
خزش یک خاصیت وابسته به زمان است. که معین کننده تغییر شکل ماده ی تحت بارگذاری در زمان معین و در دمای معین است. ملاک مورد پذیرش برای مواد دیرگداز عموماً این است که مقدار خزش فشاری در دما و بارگذاری مورد نظر بیش از 0.3 درصد در50 ساعت اول بارگذاری نشود. این مقدار بدین علت تعیین شده است که سرعت خزش در انتهای منحنی خزش به مقدار ناچیزی کاهش می یابد. در صورتی که مقدار خزش فشاری دیرگدازی بیش از 0.3 درصد نرسد، این دیرگداز مناسب است و می توان آن را با ایمنی بالا استفاده کرد.
9) پایداری حجمی (Volume Stability)، انبساط (expansion) و انقباض (shrinkage) در دمای بالا
انقباض یا انبساط دیرگدازها می تواند در طی شرایط کاری اتفاق افتد.این تغییرات دائمی در ابعاد ممکن است به دلایل زیر رخ دهد:
تغییر در فرم های آلوتروپیک که باعث تغییر در وزن مخصوص می شود.
وقوع یک واکنش شیمیایی در دیرگدازها. که باعث بوجود آمدن یک ماده ی جدید با وزن مخصوص جدید می شود.
با تشکر از همراهی صمیمانه شما