اثر استفاده از هگزامتافسفات سديم بر خواص فيزيکي و مکانيکي ديرگدازها يکپارچه
تهيه شده ازضايعات آجرها منيزيا -کربني سارا علی زاده1*، احمد منشی1 و ابراهیم کرمیان1
چکيده
دیرگدازهاي منیزیا -کربن به گونه گسترده در کنورتورها، کوره هـاي قـوس الکتریکـی و پاتیـل هـاي فـولاد سـازي اسـتفادهمیشوند. این دیرگدازها مقاومت به سرباره و مقاومت به شوك حرارتی خوبی دارند کـه ناشـی از خـواص مناسـب کـربن ماننـدترشوندگی ضعیف، هدایت حرارتی بالا و انبساط حرارتی پایین می باشد. مشکل اصلی، فرسایش دیرگدازهاي خط سرباره در اثـراکسیداسیون و خوردگی شیمیایی و سایش مکانیکی دیرگداز به وسیله سرباره و نیاز به تعمیر و تعویض آجر دیرگداز مـی باشـد .
در این پژوهش، اثر استفاده از پیونددهنده هگزامتافسفات سدیم در حضور آب و بکارگیري ضایعات آجر دیرگداز منیزیـا-کـربنفرسوده مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور، ترکیبات گونـاگونی متـشکل از 0، 3 و 5 درصـد هگزامتافـسفات سـدیم تهیـه ومیزان دانسیته حجمی (BD)، تخلخل ظاهري (AP%) و استحکام فشاري سرد (CCS) نمونـه هـا در درجـه حـرارت هـاي 200، 500 و 1100 درجه سانتی گراد اندازه گیري و نیز مطالعات فازي (XRD) و ریزساختاري (SEM) انجام شد. نتایج نـشان داد کـهاستفاده از 5% هگزامتافسفات سدیم باعث ایجاد اتصالات فسفاتی با ریخت شناسی سوزنی شکل نظیـر 7Mg3(PO4)2 ،MgP2O و 4AlPO (با توجه به حضور مقداري 3Al2O در ترکیب آجر ضایعاتی) می گردد و خواص فیزیکی و مکانیکی دیرگـداز را بـویژه در دماي پایین بهبود می بخشد. بنابراین، از این جرم ها براي تعمیر سرد پاتیل می توان استفاده کرد.

واژهها کليد : منیزیا، کربن، هگزامتافسفات سدیم، آجر ضایعاتی، دیرگدازهاي یکپارچه.

1 -مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران. 2 – نویسنده مسئول مقاله: [email protected]
پيشگفتار
بوجود آمدن کاربردها و شرایط کار نوین و توسعه فناوريهاي نوین جهت تولید فولاد ارتباط نزدیکی با توسعه مواد دیرگداز مناسب و داراي کیفیت بالا دارد و تولید مواد دیرگداز جدید با خواص مناسب را الزام آور می سازد که در این راستا همواره توجهی ویژه به مواد دیرگداز یکپارچه و به گونه خاص دیرگدازهاي ریختنی و پاشیدنی وجود داشته است. استفاده از جرم هاي دیرگداز امروزه در صنایع گوناگون از جمله صنایع فولادسازي که نیاز به استفاده از موادي با مقاومت مناسب در شرایط گوناگون در فرآیندهاي فولادسازي دارند، به شدت گسترش یافته است. مزایاي دیرگدازهاي یکپارچه باعث افزایش تمایل به مصرف این گروه از مواد و جایگزینی تدریجی آنها با دیرگدازهاي شکل دار شده است. افزایش استفاده از جرم هاي دیرگداز از سال 1990 به ویژه در کاربردهاي فولادسازي مانند آستر پاتیل ها و تاندیش هاي فولادسازي متداول شده است [4-1].
سالانه هزاران تن دیرگداز ضایعاتی در صنایع گوناگون به دلیل فرسودگی و تخریب دور ریخته می شود با توجـهب ه روش ه اي ن وین، م ی ت وان ب ا بازیاف ت دیرگ دازهاي فرسوده، میزان ضایعات را کمینه کـرد . بازیـابی تمـام یـا بخشی از آن ها مـی توانـد مزیـت هـاي فنـی و اقتـصادي فراوانی در برداشته باشد. قوانین زیست محیطـی و کنتـرلضایعات از جمله عوامل موثر براي تبدیل مفهوم ضایعه بـهمفهوم استفاده میباشند. دیرگدازهاي فرسوده را میتـوانبه عنوان افزودنی به ترکیب آجر دیرگـداز، جـرم دیرگـداز،سرباره پفکی و یا به عنوان مواد تعمیراتی در پاتیلها مورد استفاده قرار داد که براي ایـن منظـور پـس از خـردایش ودانه بندي، دیرگدازهاي فرسوده مجـدداً در صـنعت فـولادمورد استفاده قرار می گیرند [8-5].
از جمله فـرآورده هـاي دیرگـدازي کـه در فرآینـدهايفولادس ازي ،ب راي مث ال، در ک وره ه اي پای ه اک سیژنی (BOF)، آستر پاتیل ها، کوره هاي قـوس الکتریکـی (EAF) و انواع کنورتورها کاربرد گـستردهاي دارنـد، دیرگـدازهايمنیزیا-کربنی است . این فرآوردهها در بیست سال اخیر بـهواسطه شرایط تنـشی موجـود در روش هـاي نـوین تولیـدفولاد ا همیتی ویژه یافتهاند که به خاطر خواص دیرگدازيعالی آنها میباشد [12-9]. ایـن دیرگـدازها مقاومـت بـهسرباره و مقاومت به شوك حرارتی خوبی دارند که ناشی ازوجود مقدار مناسب کربن است. اگرچـه بـه خـاطر حـضورکـربن ب ا دو م شکل عمـده، اس تحکام مک انیکی پ ایین ومقاومت کم در مقابل اکسیدشدن مواجهاند، لذا ایـن مـوادمعمولاً در اتمسفرهاي احیایی مورد استفاده قرار میگیرند
[14 و 13].
انواع پیونددهنـدههـاي شـیمیایی کـه در دیرگـدازهايیکپارچه استفاده میشوند شامل فسفات هـا، سـولفات هـا وکروماتها میباشند. در برخی از پژوهشهاي انجـام شـدهاسـتفاده از ات صالات شـیمیایی و از می ان آن هـا ات صالاتفسفاتی جهـت جـایگزینی کامـل در برخـی از دیرگـدازهاپیشنهاد شده است[17-15].
از جمله فسفات هاي بکار رفته براي دیرگدازها شامل انواع گوناگون فسفات هاي سدیم است که عمدتاً براي دفلوکولاسیون (پخش کردن) و به عنوان اتصال براي برخی از دیرگدازها استفاده می شود. هگزامتافسفات سدیم از جمله پیونددهنده هاي فسفاتی پایه سدیمی است که به شدت مورد استفاده قرار می گیرد. طبیعت چند ظرفیتی اتم فسفر که منجر به اتصال متقاطع می شود و همچنین، واکنش هاي شیمیایی که بین کلوخه هاي دیرگداز و پیونددهنده اتفاق می افتد، باعث افزایش استحکام جرم هاي حاوي این پیونددهنده ها در دماهاي پایین می گردد [20 -18].
در صنعت فولاد تلاشهاي زیادي جهت سـاخت آسـترریختنی دائمی براي پاتیلهاي فولاد سازي شده اسـت. در بیشتر مورد ها این جرمهاي ریختنی بر پایه مخلـوطهـايمنیزیا- آلومینا – اسپینل بدون کربن بوده و تنها بـه دلیـلمقاومت ناکافی در مقابل سایش سرباره، براي بدنه مناسببودهاند و در خط سـرباره بکـار نرفتـه انـد. بنـا براین، خـطسرباره همچنان باید با آجرهاي منیزیـا-کـربن (MgO-C) آس تر ش ود. از ای ن رو ت لاش ه اي ب سیاري ب راي تهی ه جرمهـاي ریختنـیMgO-C بـا خـواص قابـل مقایـسه بـاآجرهايMgO-C انجام شده اسـت از جملـه ه. افنـدي وهمک اران در س ال ه اي 2007 و 2010 ت اثیر اس تفاده از بایندر قیر – رزین و آنتی اکسیدانهاي فلزي را بـر خـواصدیرگ دازهاي یکپارچ ه منیزی ا- ک ربن (MgO-C) مـورد بررسی قرار دادند و دریافتند که مواد آنتی اکسیدان نقشی مهم در بهبود خواص مکانیکی بر عهده دارند و اسـتفاده ازچسب رزین – قیر باعـث افـزایش اسـتحکام و مقاومـت بـهسایش می شود [21 و 22].
جانسن و همکاران در سال 2008 یک جـرم ریختنـیمنیزیا-کربن (MgO-C) با یک سیستم اتصال جدید تهیـهکردند که به گونه خالص بر پایه کربن بوده و همچنـان بـامقادیر کم آب (حدود 5/4%) کارپذیر باشـد. ایـن سیـستمشامل یک رزین مخصوص و دیگر اجزاء کربنی بـود. هـردوجزء با هم باند کربنی مورد نظر را با درصد محاسـبه شـدهکربن برابر 10% تامین کردند. جرم مستحکم شـده پـس از پیرولیز، جزء دیگري به غیر از کربن و منیزیا نداشـت و درمقایسه با فرآورده هاي پرس شده متداول MgO-C مـدولشکست سرد بالاتري پس از پیرولیز بدست آمد [23].
در ایـ ن پـ ژوهش اثـ ر اسـ تفاده از پیونـ د دهنـ ده هگزامتاف سفات ســدیم و هــم چن ین، بازیافــت آجرهــاي دیرگداز منیزیا -کربن و استفاده از آنها به عنوان اگریگیتمورد بررسی قرار گرفته است.

فعاليتها تجربي بررسي آجرها ضايعاتي
با توجه به اهمیت تولید دیرگدازهاي بی شکل با کیفیت و قابلیت کاربرد بالا در ایران و در راستاي به تحقق رسیدن خودکفایی در صنعت دیرگداز کشور، کمبود منابع منیزیا با خلوص بالا در ایران و لزوم واردات از چین، تا حد امکان سعی شد از مواد اولیه مصرفی که از نظر اقتصادي مقرون به صرفه باشند، استفاده شود. بدین منظور از آجرهاي فرسوده منیزیا کربنی تهیه شده از پاتیل فولادسازي استفاده گردید. در جدول 1 و شکل 1 به ترتیب نتایج طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس (XRF) که به صورت اکسیدي محاسبه شده و الگوي پراش پرتوایکس (XRD) گرفته شده از آجرهاي ضایعاتی منیزیا-کربن آورده شده است. با توجه به نتایج بدست آمده ،می توان گفت آجرهاي دیرگداز بکار رفته از نوع آجر دیرگداز منیزیا- کربن پرآلومین (MAC) بوده اند که دراثر پدیده هاي نفوذ و واکنش هاي انجام شده، مقدار MgOدر اثر پدیده انحلال در سرباره کاهش یافته است. ضمن آنکه درصد ترکیبات سرباره اي نظیر قلیایی ها و قلیایی هاي خاکی ،2Al2O3 ،CaO ،SiO و 3Fe2O نیز افزایش داشته است.
وجود اسپینل گویاي واکنش منیزیاي موجود در بدنه آجر با آلومینایی است که از قبل به ترکیب آجر افزوده شده است.

تهيه اگريگيتها ديرگـداز بازيـافتي از آجرهـاضايعاتي
بمنظور تهیه اگریگیتهاي دیرگداز بازیافتی از آجرهايضایعاتی، ابتدا آجرها به وسیله سنگ شکن فکی خـردایشیافته و سپس با استفاده از الک در اندازه هـاي 5-3، 3-1 و 1-0 میلی متر دانه بندي شده و به عنـوان اگریگیـت هـاياصلی بدنـه دیرگـداز مـورد اسـتفاده قـرار گرفـت. پـس ازخردایش آجرهاي فرسوده و عبور آنها از الـک بـا شـمارهمش 4، 6 و 18 از معادله آنـدریازن بـصورت رابطـه زیـر ، براي محاسبه توزیع اندازه ذرات استفاده شد.
(1) 100 × CPFT = (d/D)n در معادله بالا CPFT: درصد تجمعی ذرات کوچکتر از اندازه d ، d: اندازه ذرات ،D: اندازه بزرگترین ذرات در توزیع و n: ضریب توزیع (0.4 ~ 2.0 :n) می باشد. در این محاسبه بهترین ضریب توزیع بدست آمده 25/0 بود.

آماده ساز و بررسي خواص نمونهها ابتدا ترکیبات گوناگونی از مواد اولیه بر اساس جدول 2 تهیه شد. مخلوط هر یک از ترکیبات پس از افزودن آب در قالب هاي مکعبی با ابعاد 50×50×50 میلی متر ریخته شد و پس از قرارگیري به مدت 24 ساعت در دماي محیط از قالب خارج گردیده و به مدت 7 ساعت در دماي 200 درجه سانتی گراد بمنظور تمپرکردن نمونه ها جهت ایجاد اتصال اولیه، انسجام بیشتر و خروج آرام آب فیزیکی از آن ها در خشک کن قرار داده شدند.

جدول 1- آنالیز عنصري فلورسانس پرتو ایکس آجرهاي فرسوده.
عنصر مقدار (%)
MgO 71/22
Al2O3 6/10
SiO2 4/73
Fe2O3 3/39
CaO 3/21
TiO2 0/34
Cr2O3 0/76
S 0/44
K2O 0/43
MnO 0/18
P2O5 0/29
CuO 0/08
ZnO 0/03
Graphite 9/80
مجموع 100/00

شکل۱ – الگو پراش پرتو ايکس آجرها فرسوده.
جدول ۲ – ترکيبات گوناگون حاو پيونددهندهها فسفاتي.
مواد اولیه

نمونه

کد

F

H1

H2

نمونه

کد

F

H1

H2

85% 87% 90% اگریگیت بازیافت شده
5% 5% 5% میکروسیلیس
5% 5% 5% نانوکربن (دوده)
5% 3% – هگزامتافسفات سدیم
10%



قیمت: تومان


پاسخ دهید