تأ ثير پيونددهندههاي مختلف سيليكاتي، فسفاتي و سولفاتي بر ميزان بلوكهشدن جرمهاي تانديش ريختهگري پيوسته فولاد

سيدموسي سيادتي1، احمد منشي2، ابراهيم كرميان3
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشگاه صنعتي اصفهان
استاد، دانشگاه صنعتي اصفهان
دانشجوي دكتري، دانشگاه صنعتي اصفهان
S_m_siadati@ma.iut.ac.ir

چكيده
يكي از مشكلات دامنگير صنايع فولادسازي، بلوكهشدن دو لايهكاري و دائمي تانديش ميباشد كه موجب مـصرف زيـاد مـواد نـسوز و ايجـادهزينه هاي بالا مي شود. اين مشكل در اثر استفاده از پيونددهندههاي حاوي اكـسيدهاي زودذوب رخ مـي دهـد ، بـه طـوري كـه در دماهـاي بـالايپروسه ريختهگري پيوسته، در اثر تشكيل فازهاي زودذوب و واكنش اين فازها با دو لايهكاري و دائمي، در قسمتهايي از تانديش اين دو لايـهدر هم نفوذ كرده و بههم ميچسبند. نفوذ دو لايه در يكديگر، پروسه تخليه پوسـته باقيمانـده را مـشكل و در برخـي مـوارد غيـرممكن سـاخته و باعث آسيب رساندن بهلايه دائمي و كاهش عمر مفيد اين لايه ميشود. در تحقيق حاضر بهمطالعه و بررسي خواص سه گروه از پيونددهندههاي فسفاتي، سيليكاتي كمپلكس و سولفاتي جهت انتخاب مناسبترين پيونددهنده براي به كارگيري در تركيب جرمهاي تانديش و كاهش مـشكلاتمربوط به پروسه تخليه پوسته باقيمانده پرداخته شده است. نتايج مطالعات ريزساختاري بـا اسـتفاده از ميكروسـكوپ الكترونـي روبـشي(SEM) و آناليز فازي با پراش پرتو ايكس(XRD) نشان داد كه در ميان پيونددهندههاي مورد آزمايش، پيونددهنده سولفات منيزيم پتانسيل بهتري را براي استفاده در تركيب جرمها دارا است، به نحويكه اين پيونددهنده در دماهاي پايين ، استحكام فوق العـادهاي را ايجـاد مـيكنـد و در دماهـاي بـالا بهدليل اينكه هيچگونه اكسيد زودذوبي را كه باعث ايجاد فاز مذاب و بهبود زينترينگ شود بـا خـود بـههمـراه نمـيآورد، پروسـه تخليـه پوسـته باقيمانده راحت تر انجام شده و آسيبي بهلايه دائمي نيز نميرسد.

واژه هاي كليدي:
پيونددهنده، تانديش، تخليه پوسته باقيمانده، زينترينگ، باندهاي سولفاته.

1- مقدمه
صنعت آ هن و فولاد بـا مـصرف حـدوداً 70% مـواد ديرگـداز، از مهمترين مصرفكنندگان اين محصولات مـي باشـد [1]. تانـديش ريخته گري پ يوسته ي ـكي از واحـدهاي مصرف كننده د يـرگدازها در صنايع فولادسازي ميباشد. امروزه از تانـديش تنهـا بـهعنـواني ك ظ رف مي اني ب راي انتق ال ف ولاد م ذاب از پاتي ل ب هقال ب ريخت ه گ ري ن ام ب رده نم ي ش ود، بلك ه آنرا ب ه عن وان آخ رين مرحله اي كه در آن خواص مـوردنظر را مـي تـوان تـأمين كـرد و همچنين محفظـه اي بـراي تـصفيه نهـايي فـولاد مـذاب و كـاهشآخال هاي آن قبل از ورود بهقالب ريخته گري م ي شناسند[2 و 3]. ديرگ دازهاي ب ه ك ار رفت ه در ج داره تان ديش ش امل س ه لاي ه ديرگداز با وظايف مختلف ميباشد. در لايه اول كه لايـه ايمنـينيز ناميـده مـي شـود از آجرهـاي شـاموتي بـهمنظـور محافظـت و نگهداري بدنه فولادي تانديش در زير دماي بحراني آن در طـولعملكرد تانديش استفاده ميگردد. لايه دوم كه لايه دائمي ناميده ميشود از جرم هاي ريختني كم سيمان يا از آجرهـاي آلومينـاييتشكيل شدهاست.
در نهايت خارجي ترين لايه در داخـل تانـديش لايـه مـصرفي يـالايهكاري مـي باشـد كـه در حقيقـت نـوعي جـرم ديرگـداز پايـهمنيزيتي است . وظيفه اصلي اين لايه امكان خارج كردن سرباره و مذاب باقيمانده بدون وارد آمدن آسيب بـهلايـه دائمـي اسـت. از جمله وظايف ديگـر ايـن لايـه مـي تـوان بـهجلـوگيري از تلفـاتحرارتي، محافظت آجرهاي لايه ايمني از آسيبهـاي حرارتـي وشيميايي ناشي از تمـاس مـستقيم بـا مـذاب فلـز و كـاهش ميـزانناخالصي هاي اكسيدي اشاره كرد[4].
پس از اعمال لايهكاري بهتانديش، تانديش به مدت 12 ساعت در ه وا خ شك ش ده و س پس ب ه م دت 3 ت ا 5 س اعت در دم ـاي 600-500 درجه سانتيگراد حرارت داده مي شود. همچنـين قبـلاز عملكرد تانديش و مذابريزي، به علـت پـايين بـودن مقاومـت بهشوك حرارتي منيزيت مورد استفاده در تركيب جرم، تانـديشبهمدت 2 تا 3 ساعت در دمـاي 1250-1200 درجـه سـانتيگـرادپيشگرم ميشود[5].
يكي از مشكلات مطرح موجـود در اسـتفاده از تانـديش، پديـ ده بلوكهشدن م ي باشد كه باعث ايجاد هز ينه هاي بالا و مصرف زيـ اد مواد م ي گردد. اين اتفاق وقتي رخ مي دهد كه در قسمت هـايي ازتان ديش دو لاي هك اري و دائم ي در ه م نف وذ ك رده و ب هه م مي چسبند. در نتيجه، هنگام برگرداندن تانديش، عوامل سـرباره و مذاب باق يمانده به صورت قفل شـده در جـرم قـرار گرفتـه و از آن خارج نم يشود.
در ا ين حالت بهتانديش حالت بلوكه اطلاق مي گـردد. مهمتـرينعامل در بلوكهشدن جرم هاي تانديش نـوع پيوند دهنـده مـصرفيدر تركيب جرم مي باشـد ، بـه طـوريكـه پيونددهنـده هـاي شـاملاكسيدهاي قليـايي بـا تـشكيل فازهـاي مـذاب در دماهـاي بـالا و واكنش اين فازها با لايـه دائمـي منجـر بـهنفـوذ دو لايـه درهـم و بالطبع بلوكه شدن تانديش مي شـوند . در نتيجـه ايـن عمـل، تخليـه پوسته باقيمانده لايه كاري دشوار شده و بهلايـه دائمـي در هنگـامپروسه تخليه پوسته باقيمانده آسيب وارد ميشـود . تغييـر تركيـبشيميايي لايه دائمي كـه توسـط ذوب دو لايـه ايجـاد مـيگـردد، ضريب انبساط حرارتي سـطح لايـه دائمـي را افـزايش مـي دهـد .
اختلاف در ميزان انبـساط سـطح و باقيمانـده لايـه دائمـي، منجـر بهپوسته اي شدن لايه دائمي و تخريب آن مي شود[6 و 7].
از جمل ه پيونددهن دهه اي مت داول م ـورد اس تفاده در تركيـ ـب جرمهاي تانديش مي تـوان بـهسـيليكات هـاي فلـزات قليـايي و يـافسفات هـاي فلـزات قليـايي و يـا تركيبـي از هـر دو اشـاره كـرد.
تحقيقات زيادي استفاده از سيليكات هاي س ديم يـا آب شيـشه رادر جرم هاي تانديش كه در دماهاي بالا، باعث افزايش اسـتحكاممي شوند، گزارش كردهاند[11- 8]. اين پيونددهنـده هـا بـا ايجـادفازهاي شيشه اي در دماهاي بالا باعث بهبود فرآينـد زينترينـگ و در نتيجــه افــزايش اســتحكام مــي شــوند[12]. دســته ديگــر ازپيونددهن دهه ايي ك ه ش ديداً م ورد اس تفاده ق رار م يگيرن د، پيونددهن دهه اي ف سفاتي پاي ه س ديمي ه ستند ك ه از آن جمل ه مــي تــوان بــه تــري پلــي فــسفات ســديم، منوفــسفات ســديم و هگزامتافسفات سديم اشاره كرد. طبيعت چند ظرفيتي اتـمP كـهمنجر بهاتصال متقاطع مي شود و همچنـين واكـنش هـاي شـيمياييكه بي ن كلوخه هـاي نـسوز و پيونددهنـده اتفـاق مـي افتـد، باعـثافزايش استحكام جرم هاي حاوي اين پيونددهنـده هـا در دماهـايپ ايين م يگ ردد. بان دهاي ف سفاتي ناش ي از ب ه ك ارگيري اي ن پيونددهن دهه ا عم دتاً در مح دوده دم اي 1800-1000 درج ه ســانتي گــراد بــه تــدريج بــهاكــسيدهاي ســازنده بانــد تجزيــه مي شوند[13].
در مي ان اي ن اك سيدها، اك سيد شي شه س از ف سفر (5(P2O ك ه اصلي ترين جزء پيونددهنده اسـت تـا دمـاي حـدود 1800 درجـهسانتيگراد تبخير نشده و باعث به وجود آمدن مشكلاتي ميشود.
در دماهاي بالا اين اكسيد بـا ديگـر اكـسيدهاي آزاد شـده ماننـد
جدول (1): آناليز اكسيدي منيزيت مورد استفاده در تهيه نمونه ها.
Na2O
MgO SiO2 CaO Fe2O3 Al2O3 + K2O
91 4/5 3/3 0/8 0/3 0/1

CaO و Na2O ت شكيل فازه اي شي شهاي داده و باع ث نف وذ دو لايهكاري و دائمي در هم مي شود[14]. بنـابراين در هـر صـورت ب ـ ا ب هك ارگيري پيونددهن دهه اي ف سفاتي، ه ر چن د ك ه اي ن پيونددهن ده ش امل فلـزات قلي ايي نباش د ب هخ اطر تجزي ه اي ن پيونددهنده و آزاد شدن اكسيد فسفر كه اكسيد شيـشه سـاز قـوياست و واكنش اين اكسيد با ناخالصيهـايي مثـل 2Al2O3 ،SiO، Na2O و K2O ك ه از طري ق م واد اولي ه وارد م ي ش ود، فازه اي زودذوب تشكيل شده كـه زينترينـگ لايـهكـاري و دائمـي و در نتيجه تخليه پوسته باقيمانده مشكل را باعث مي شود.
يكي ديگر از مشكلات پيونددهندههاي مورد استفاده در صنعت وجود اكسيد سديم در تركيب آنها ميباشد. علاوه بر مشكلات ذكر شده، اكسيد سديم مي تواند بهلايه دائمي نفوذ كرده و آلومين α را بهآلومين β تبديل كند. در اثر اين تغيير فاز، تغييرات حجمي حدود 15% به وجود مي آيد. اين تغيير حجمي زياد باعث پوسته اي شدن سطح لايه دائمي و كاهش استحكام آن نيز مي گردد[15 و 16]. در تحقيق حاضر بررسي مفصلي بر روي سه گروه پيونددهنده فسفاتي، سيليكاتي و سولفاتي جهت انتخاب و جايگزيني پيونددهندهاي كه مشكلات تخليه پوسته باقيمانده را بهحداقل ممكن برساند، انجام شده است.
پيونددهندههاي فسفاتي مورد آزمايش تري پليفسفات سديم (TPP)، هگزامتافسفات سديم (HMP) و مونوسديم فسفات
(MSP)، پيونددهندههاي سولفاتي مورد آزمايش سولفات آلومينيوم (AlS)، آمونيوم(AmS) ، منيزيم (MgS)، سديم (SoS)، كلسيم (CaS)، پتاسيم (PoS) و اسيدسولفاميك (AS) و
پيونددهندههاي سيليكاتي كمپلكس مورد آزمايش
پيونددهندههاي وارداتي از يكي از شركتهاي آلماني ميباشند. 2- روش تحقيق
در اين تحقيق از منيزياي زينتر شده ايراني به عنوان ماده اوليه اصلي استفاده شد كه آناليز اكسيدي آن در جدول (1) نشان داده شدهاست. همان طوركه ديده ميشود منيزياي انتخابي داراي مقادير عمدهاي از اكسيد منيزيم به عنوان اكسيد اصلي مي باشد.
از آنجاييكه مهمترين هدف اين تحقيق اثر نوع پيونددهنده مصرفي بر خواص جرم روكش تانديش و ميزان بلوكهشدن آن مي باشد، از وارد كردن ساير افزودني ها در تركيب جرم خودداري شده تا فقط اثر افزودن پيونددهنده بررسي شود. براي بررسي اثر نوع پيونددهنده بر خواص فيزيكي و مكانيكي جرم، نظير دانسيته، تخلخل و استحكام فشاري سرد، نمونه هايي در قالب فولادي با ابعاد cm5×5×5 كه شامل 96% كلوخه منيزيا و 4% از هر نوع پيونددهنده بههمراه مقدار كافي آب مي باشد، شكل داده شد. سپس نمونه ها در دماي اتاق خشك شده و در دماي 110 درجه سانتي گراد به مدت 2 ساعت در معرض حرارت قرار گرفتند.
سپس تعدادي از نمونه ها در دماي 1100 درجه سانتيگراد بهمدت 3 ساعت و تعدادي ديگر در دماي 1400 درجه سانتي گراد به مدت 3 ساعت مطابق با برنامه حرارتي مشخص در كوره الكتريكي حرارت داده شدند. آنگاه مطابق با استانداردهاي 97 ASTM C-133- و ASTM C-20- 92 به ترتيب استحكام فشاري سرد، دانسيته و تخلخل ظاهري نمونه ها اندازه گيري شد. همچنين مطالعات فازشناسي با استفاده از روش پراش اشعه ايكس (XRD) و مطالعات ريزساختاري با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) بهمنظور مقايسه بهتر رفتار نمونه ها انجام گرديد. تركيب شيميايي پيونددهندههاي سيليكاتي مورد آزمايش در جدول (2) آورده شده است.

3- نتايج و بحث
مقادير استحكام فشاري سرد نمونه ها در دماهاي مختلف عمليات حرارتي در شكل (1) نشان داده شده است. همـان طوركه مشاهده مـي شـود، بيشتريـن مقـاديــر استحـكـام در دمـاهـاي پـايين(25 و 110 درجه سانتيگراد) مربوط بهنمونه هاي سولفاتي AS، MgS ،AlS و AmS و نمونه فسفاتي TPP ميباشد. در ساير نمونه ها مقادير استحكام، نسبت بهاستحكام نمونه هاي ذكــر شده اعداد قابل توجهي نيستند. دو نوع رفتار كاملاً متفاوت در پيونددهندههاي سولفاتي مورد آزمايش ديده مي شود. دستهاي از اين پيونددهندهها استحكام هاي بسيار بالايي را در دماهاي پايين به ارمغان مي آورند و دسته اي ديگر استحكام هاي خيلي پاييني را ايجاد مي كنند، به طوريكه ميزان اين اختلاف تا حدود 30 برابر نيز مشاهده شدهاست.
بررسي ها نشان داد علت تفاوت مقادير استحكام در دماهاي پايين بهخاصيت اسيدي يا بازي ذاتي اين پيونددهندههاي سولفاتي برميگردد. چنانكه پيونددهندههاي اسيدي چون سولفات آلومينيوم، منيزيم، آمونيوم و اسيدسولفاميك كه داراي خاصيت اسيدي هستند، استحكام هاي بالايي را ايجاد كـرده و پيونددهندههاي سولفات كلسيم، سديم و پتاسيم كه بازي هستند، استحكامهاي پاييني را ايجاد ميكنند. اين پيونددهندههاي اسيدي وقتي در كنار MgO بازي قرار مي گيرند بهدليل تمايل بالا براي واكنش، با يكديگر بهسرعت واكنش كرده و ضمن
ايجاد 2Mg(OH) و تركيبات پيچيده اي از اكسيد منيزيم و سولفات، باندهاي مستحكمي را به وجود مي آورند. شكل (2) كه گاهي اين اتصالات از لحاظ استحكام، با اتصال ناشي از سيمان سورل مطابقت مي كند. باندهاي سولفاته به صورت سوزنهاي بسيار ريزي در نمونههاي سولفاتي با خاصيت اسيدي قابل مشاهده است.
جدول (2): تركيب شي ميايي پيونددهندههاي سيليكاتي كمپلكس مورد استفاده.
K2O(%wt) Na2O(%wt) Al2O3(%wt) CaO(%wt) SiO2(%wt) نام پيونددهنده
14 – – 19 54 ST5
– 18 – 19 39 S12
– 30 19 – 43 AS21
– 17 10 – 56 KB7195
مقدار استحكام بالاي 4 نمونه سولفاتي مذكور را ميتوان بهمقدار باندهاي سولفاته كه بستگي مستقيمي بهمقدار 3SO در تركيب پيونددهنده دارد، ربط داد به طوري كه پيونددهنده اسيد سولفاميك با مقدار 5/82% وزني 3SO كه منجر بهخاصيت اسيدي بيشتر آن مي شود (3/1pH = ) بالاترين استحكام را در بين نمونه ها دار ا است. مشاهده مي شود كه با افزايش مقدار pH استحكام نمونه ها كاهش مي يابد.
جدول (3) اطلاعات مربوط بهپيونددهندههاي سولفاتي مورد آزمايش را نشان مي دهد. در سه نمونه ديگر با وجود اينكه مقادير نسبتاً زيادي 3SO در ساختار پيونددهندهها وجود دارد، اما بهدليل خاصيت بازي ذاتي اين پيونددهندهها، هيچگونه واكنش شيميايي ما بين پيونددهندهها و ذرات كلوخه بهمنظور تشكيل باندهاي سولفاته و در نتيجه افزايش استحكام صورت نمي گيرد.
منشاء تفاوت در خاصيت اسيدي و بازي اين پيونددهندهها بهاجزاي تشكيلدهنده آنها برمي گردد. همان طوركه مي دانيم سولفات ها در دستهبندي شيميايي جزء گروه نمك ها مي باشند، حال برخي نمك ها، نمك بازي بوده و برخي ديگر اسيدي.
نمك حاصل از اسيد ضعيف و باز قوي، يك نمك بازي است و بالعكس نمك حاصل از يك باز ضعيف و اسيد قوي، نمك اسيدي است. سولفات منيزيم يا آلومينيوم داراي خاصيت اسيدي هستند، زيرا از اسيد سولفوريك قوي و بازهاي ضعيفي همچون منيزيم هيدروكسيد يا آلومينيم هيدروكسيد بهوجود آمده اند. اما سولفات سديم يا پتاسيم نمك بازي هستند، زيرا بازهايي همچون سديم هيدروكسيد يا پتاسيم هيدروكسيد بازهاي قوي هستند كه خاصيت بازي آنها قويتر از خاصيت اسيدي اسيد سولفوريك مي باشد. در واقع وقتي اين پيونددهنده ها در آب حل ميشوند، تعداد يون هاي هيدروكسيدي كه آزاد مي كنند بيشتر از يونهاي هيدرونيوم مي باشد و اين منشاء بازي بودن اين پيونددهندهها مي شود. همچنين شكل (1) نشان مي دهد كه در ميان پيونددهندههاي سيليكاتي مورد آزمايش دو نمونه S12 و ST5 مقادير استحكام بيشتري را نسبت بهساير پيونددهندههاي سيليكاتي ايجاد ميكنند. تركيب شيميايي اين دو پيونددهنده علت بيشتر بودن مقادير استحكام را نمايان مي سازد، مشاهده ميشود كه در تركيب شيميايي دو پيونددهنده S12 و ST5 مقاديري اكسيد كلسيم وجود دارد، در حاليكه دو پيونددهنده

نكسابلانسلبسكشبنمنكماتيبلسلايبلسيبنتماسبيلتنستمشنميبنكساليبمسينبتامنسيلنبصخقثهاتهلبمسيبتماسشيمالصمعقبلاينيمسياتيشساشتس
922029985

25ºC
110ºC
1100ºC 1400ºC
شكل (1): استحكام فشاري سرد نمونه هاي مورد آزمايش بعد از عمليات حرارتي در دماهاي مختلف.

0
5
10
15
20
25
30
35
AS
AlS
AmS
MgS
CaS
SoS
PoS
S12
ST5
AS21
KB
7195
TPP
HMP
MSP
Binder Type
CCS (M Pa)



قیمت: تومان


پاسخ دهید