بررسي اثر توزيع اندازه ذرات و ميزان فاز اسپينل در خواص جرمهاي كمسيمان آلومينا اسپينلي

مليحه قاسمزاده1 و زيارتعلي نعمتي2
مربي، دانشكده فني و مهندسي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج
دانشيار، دانشكده مهندسي و علم مواد، دانشگاه صنعتي شريف
ghasemzadeh@kiau.ac.ir

چكيده
ديرگدازهاي ريختني آلومينا- اسپينل بهدليل مقاومت بهتر در برابر مذاب و سربارهها به تدريج در حال جايگزيني بهجاي آجرهـاي ديرگـداز در صنعت بهويژه براي ساخت فولاد ميباشند. اين جرمها بهطرق گوناگون از قبيل مخلوط كردن اگريگيت هاي آلومينـاي تبـولار بـا اسـپينلغني از آلومينا، سيمان ديرگداز، مواد ريزدانه و دفلوكولانتها تهيه ميشوند. در روش ديگر بهجاي اسپينل سـنتزي آمـاده از منيزيـا اسـتفادهميشود كه در نتيجه واكنش منيزيا با آلومينا در دماي بالا اسپينل تشكيل ميشـود . ويژگـي هـايي نظيـر جريـانيـابي، اسـتحكام خمـشي سـرد (CMOR)1، استحكام فشاري سرد (CCS)2، دانسيته، آناليز فازي نمونهها به روش تفرق اشعهXRD) X ) و بررسي ريزسـاختاري آنهـا توسـطميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) تحت مطالعه قرار گرفتهاست. مقاله حاضر بهبررسي اثر توزيع انـدازه ذرات و ميـزان فـاز اسـپينل بـر خواص جرم آلومينا- اسپينل كمسيمان مي پردازد. هدف توليدكنندگان ديرگداز عمدتاً تهيه محصولات با دانسيته بـالا اسـت. از نظـر تئـوريانتظار اين است كه ذرات ديرگداز ريختني كاملاً فشرده شوند تا دانسيته صد در صد حاصل شود. در اين صورت آب اضـافه شـده كمتـرينمقدار را خواهد داشت اگر چه دانسيتة انباشتگي 100% مخالف با سياليت است، لذا يك ساختار جامد با انباشـتگي بهينـه از نظـر تئـوري آب كمتري نسبت بهانباشتگي كم براي نصب نياز دارد. در اين ميان براي رسيدن بهدانسيته بهينه توزيع انـدازه ذرات از اهميـت برخـوردار اسـت.
توزيع اندازه ذرات تعيين مي كند كه آيا ديرگداز ريختني از نوع خود جاري است يا از نـوع ويبـره اي اسـت . ابتـدا بـا اسـتفاده از مـواد اوليـهمناسب يك جرم نسوز كمسيمان با قابليت استفاده در سقف كورههاي قوس الكتريك ساخته شده [5- 1] و اثر توزيع انـدازه ذرات و ميـزاناسپينل [6 و 7] بر خواص آن بررسي شد.

واژه هاي كليدي:
جرم آلومينا- اسپينل، جرم كمسيمان، ديرگدازهاي ريختني، پركنندهها، توزيع اندازه ذرات.

1- مقدمه
توسعه تكنولوژي هاي جديد توليـد فـولاد و ديگـر فلـزات باعـثتوسعه مواد ديرگداز نيز گرديـدهاسـت كـه در ايـن راسـتا توجـهبيـشتري ب هديرگ دازهاي ريختن ي و ج ايگزيني آنه ا ب ه ج اي ديرگدازهاي شكلدار شدهاست.
توســعه ديرگــدازهاي ريختنــي كــمســيمان (LCC)3 و خيلــي كمسيمان (ULCC)4 در دهه 1970 با جايگزيني بخشي از سيمانبــا ذرات ريــز (µm 100-1) و خيلــي ريــز (µm 1< ) هماننــد ميكروسيليس و آلوميناي فعالشده آغاز شد. [8] عملكرد خـوبو اجراي موفقيـتآميـز ايـن نـوع ديرگـدازها بـه هنگـام نـصب وهمچنين خواص دماي بالاي آنها بهتوانايي پر كردن حفرات بـينسـنگدانه هـا (µm 100 >) توسـط ذرات ريـز و خيلـي ريـز دانـهتركيب نـسبت داده مـيشـود . پـر شـدن حفـرات تركيـب باعـثافزايش چگالي و كاهش قابل ملاحظـه آب مـصرفي مـيگـردد . بن ابراين ديرگ دازهاي ريختن ي ك مس يمان و خيل ي ك مس يمان خواص فيزيكـي بهتـري را در مقايـسه بـا ديرگـدازهاي ريختنـيداراي مق دار س يمان معم ولي (CC)5 ن شان م يدهن د. همچن ين مشخص شده است كه توزيع اندازه ذرات ديرگـدازهاي ريختنـييك عامل مهـم در بهبـود خـواص جريـانيـاب ي ايـن ديرگـدازهامحسوب مي شـود . ذرات ريـز و خيلـي ريـز دانـه باعـث افـزايشفاصله جدايش بين ذرات درشت ميشود و در نتيجه جريـانيـابيرا افزايش ميدهند. در اين نوع ديرگدازها علاوه بر توزيع اندازه ذرات و طبيعت و ويژگي مـواد اوليـه، نـوع مـواد افزودنـي مـوردمصرف به ويژه مواد پراكنده ساز و ضـد انعقـاد از اهميـت زيـاديبرخوردار است. ديرگدازهاي ريختني كمسيمان (LCC) بهعلـتمقدار كم سـيمان مـورد اسـتفاده (8 – 5%) داراي اسـتحكامهـايگرم و سرد بسيار خوبي هستند. اما به خاطر ساختارهاي متـراكم ومي زان تخلخ ل ك م در اي ن ن وع ديرگ دازها م شكلاتي همانن د حساسيت زياد نسبت بـهخـشك شـدن و مقاومـت انفجـاري كـموجود دارد.
بهطور كلي سيستم ماتريكس بهعنوان جزء ريز تركيب (µm 100 <) كه شامل مواد پركننده و سيمان آلومينات كلسيم ميباشد، همراه با سنگدانهها بهعنوان جزء درشت تركيب (µm 100 > ) تشكيل توزيع اندازه ذرات (PSD)6 ديرگدازهاي ريختني را ميدهد. هر يك از اجزاء تشكيلدهنده ديرگداز ريختني محدوده مشخصي از اندازه ذرات تركيب ديرگداز را تشكيل ميدهد.
تاكنون مدلهاي چندي جهت بيان توزيع اندازه ذرات و طراحي ديرگدازهاي ريختني ارائه شدهاند. اين مدلها كه شامل فورناس7، فولر8، آندريازن9 و دينگر و فونك10 ميباشند. بر اساس فرمولهاي رياضي كه در آنها هدف كسب بيشترين تراكم و فشردگي بين ذرات است، ميباشند. مدلهاي فورناس و فولر بهخاطر پارامترهاي متعددي كه در فرمول آنها در نظر گرفته شدهاست جهت استفاده مشكلساز ميباشد و بههمين دليل كمتر مورد توجه است. در حاليكه مدل آندريازن بسيار ساده است ولي تا حدودي طبيعت نيمه تجربي دارد. جرمهاي ديرگداز كه در سقف كوره قوس الكتريك بهكار ميروند بايستي بعضي از نيازها مانند: عمليات حرارتي سيكلي، دماي بالا و خوردگي توسط گازها را ارضا كنند.
بنابراين يك ماده ديرگداز براي اين عمليات بايد داراي خواص زير باشد:
مدول گسيختگي بالا، تخلخل كم، چگالي بالا، مقاومت شوك حرارتي بالا، خاصيت نسوزندگي بالا، مقاومت خوردگي بالا، در اين ميان جرمهاي ديرگداز آلومينا- اسپينل خواص مطلوبي را نشان ميدهند.
يكي از پارامترهاي مهم كه بر روي عمر سرويسدهي سقف كورهها اثر دارد [9]، مقاومت شوك حرارتي است كه پودرهاي
ريز و افزودنيها بر مقاومت شوك حرارتي مؤثر ميباشند.
جـرم هـاي ريختنـي آلومين ا- اسـپينل بـهدو صـورت وج ود دارد . حالت اول اينكه اسپينل غني از آلومينا را بهجرم آلومينايي اضـافه ميكنند اما در دسته دوم منيزيا را بهجرم آلومينـايي اضـافه كـردهكه در حين كاربرد منيزيا با آلومينا واكنش داده و تشكيل اسپينلدرجا ميدهد [10 و 11].
مطالعات و نتايج حـاكي از آن اسـت كـه ديرگـدازهاي ريختنـيآلومينا- اسپي نل به علت مقاومت نفوذ سرباره و مقاومت خوردگي خوب جهت كاربرد در سقف كورههاي قوس الكتريكي مناسب هستند. البته در توزيع اندازه ذرات اسپينل بايد كنترل دقيق انجـامشود.

روش تحقيق
2-1- مواد اوليه مصرفي
تاكنون تركيبهاي مختلفي براي جرمهاي ريختني آلومينا- اسپينل مورد آزمايش قرار گرفتهاست. اما با توجه بهمنابع در اين زمينه مناسبترين تركيب شيميايي براي اين ديرگدازها بهصورت كمسيمان انتخاب گرديد كه در جدول (1) ارائه شدهاست.
جهت ايجاد تركيـب شـيميايي مـورد نظـر از مـواد اوليـه مناسـبمطابق گزارشات مراجع استفاده شد.
جدول (1): تركيب شيميايي مورد استفاده براي ديرگدازهاي ريختني كمسيمان آلومينا- اسپينل.
تركيب شيميايي wt%
Al2O3 > 68
SiO2 4
CaO 1/8
MgO 4/5 – 5/5

جدول (2): آناليز شيميايي مواد اوليه مصرفي.
مشخصات مواد اوليه مصرفي آلوميناي تبولار ميكروسيليس ايراني سيمان آلومينات كلسيم MAS 76 اسپينل آلومينا كلسينه شده
Al2O3 ≥ 99/4 < 0/7 69/8 – 72/2 75/3 ≥ 99/5
SiO2 ≤ 0/09 > 97/5 0/2 – 0/6 0/3 ≤ 0/03
Fe2O3 ≤ 0/02 < 0/3 0/1 – 0/3 0/28 ≤ 0/05
TiO2 – – < 0/4 – –
K2O – < 0/6 – – –
Na2O ≤ 0/4 < 0/3 < 0/5 – ≤ 0/3
MgO – < 0/5 < 0/5 23/1 –
α− Alumina – – – – ≥ 95
CaO – < 0/3 26/8 – 29/2 0/5 –
H2O – – < 0/8 –
دانسيته كلي (3(g/cm 3/5 – – – –
تخلخل ظاهري ≤ 5 – – – –
جذب آب ≤ 1/5 – – – –
سطح مخصوص m2/g – – 3800 – 4000 – –
اگريگيت مصرفي در اين پروژه آلوميناي تبولار شركت آلكوآ11 است و سيمان آلومينات كلسيم (Secar 71) محصول شركت لافارژ12 بهعنوان عامل اتصالدهنده هيدروليكي، آلومينا كلسينه شده و پودر ريز ميكروسيليس بهعنوان پركننده و اسپينل MAS76 استفاده گرديد.
آناليز شيميايي و فيزيكي مواد اوليه مصرفي در جدول (2) آورده شدهاست.

2-2- انتخاب دانهبندي مناسب
بهمنظور بررسي اثر توزيع اندازه ذرات بر خواص جرم هاي كمسيمان آلومينا- اسپينل معادلات متفاوتي مورد بررسي قرار گرفت و در نهايت توزيع اصلاح شده آندريازن بهدليل عمليتر بودن انتخاب شد [12] كه بهصورت زير است:
qq d d
CPTF=

q − mq ×100 (1)
D d−
md: اندازه ذرات dm: مينيمم اندازه ذرات D: ماكزيمم اندازه ذرات q: ضريب توزيع CPFT: درصد انباشتگي ذرات كوچكتر از اندازه d بنــابراين ابتــدا فرمولاســيون بــر اســاس (29/0 = q = 0/25 , q , 22/0 = q) آماده شد و خواص فيزيكي و مكانيكي اين سه نمونـهمورد بررسي قرار گرفت، فرمولاسيونهاي مورد بررسي بهترتيب جدول (3) مي باشد.
در اين سه فرمولاسيون، تنها دانهبندي اگريگيتها تغيير يافت ولي درصد بقيه مواد از قبيل ميكروسيليس و اسپينل و سيمان و آلوميناي كلسينه ثابت ميباشد.

جدول (3): توزيع اندازه ذرات.
(BZ , CZ , DZ)انواع جرم شماره الكلها 118872-10400

−14
312 1

−3

-170
BZ سايز ذرات درشت: (mm 35/6) 27%
سايز ذرات ريز: ((q=0/29) %30 (0/09 mm 3 4 10 7 4 7 14 11 5 5 30
CZ سايز ذرات درشت: (mm 35/6) 23%
سايز ذرات ريز: ((q=0/25) %35 (0/09 mm 3 4 8 7 3 6 13 11 5 5 35
DZ سايز ذرات درشت: (mm 35/6) 21%
سايز ذرات ريز: ((q=0/22) %40 (0/09 mm 3 3 7 6 3 6 12 10 5 5 39
براساس استانداردASTM C860 مخلوط بهمدت يك دقيقه بهصورت خشك و با سرعت آهسته مخلوط شد و سپس 90% آب محاسبه شده يك چهارم دقيقه بهبچ اضافه شد. مخلوطكن سپس بهمدت يك دقيقه كار كرده و در خاتمه آب باقي مانده بهمخلوط اضافه شد و تا رسيدن بهمقدار برش مطلوب مخلوط شد كه اين زمان در مورد جرم هاي ريختني نبايد از 5 دقيقه تجاوز كند.
پس از آمادهسازي جرم، از قالبهاي استاندارد با ابعاد mm160×40×40 از جنس فولاد مطابق استاندارد
ASTM C860 بهمنظور تهيه نمونه تست استحكام فشاري سرد استفاده شد. بدين ترتيب كه ابتدا قالبها را تا نيمه از جرم پر كرده و تحت ويبره قرار داده تا حبابها خارج شوند و سپس قالب كاملاً پر شده و دوباره تحت ويبره قرار ميگيرد. لازم بهذكر است كه مدت زمان ويبره نبايد آنقدر كوتاه باشد كه حبابها بهصورت ناقص خارج شوند و نه آنقدر طولاني باشد كه باعث جدايش ذرات ريز و مهاجرت آنها بهسطح شود. پس از تهيه نمونهها آنها را در رطوبت بالاي 90% بهمدت زمان 24 ساعت براي عملآوري13 نگهداري كرده، سپس آنها را از قالب خارج كرده و بهمدت 24 ساعت در خشككن 110 درجه سانتيگراد قرار داده شدند. پس از آن نمونهها بهمنظور انجام عمليات حرارت ي مجدد14 آماده گرديدند.

0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
CCS (kg/cm
2
)

ريز

ذرات

BZ 30 wt%

ريز

ذرات
CZ 35 wt%
ريز

ذرات
DZ 39 wt%

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

CCS (kg/cm



قیمت: تومان


پاسخ دهید