بخشی از مقاله
اثر زيرکونيا بر روي ريزساختار و مقاومت به خوردگي ديرگدازهاي منيزيا – اسپينلي
چکيده :
در کار حاضر اثر افزودن زيرکونيا تثبيت نشده بر ريز ساختار و مقاومت به خوردگي ديرگدازهاي منيزيا – اسپينلي نسل دوم مورد بررسي قرار گرفت . بدين منظور درصد هاي مختلف زيرکونيا تثبيت نشده به فرمولاسيون پايه ديرگدازهاي منيزيا- اسپينلي نسل دوم افزوده شد. ويژگي هايي نظير دانسيته ، درصد تخلخل ظاهري ، استحکام فشاري و خمشي سرد و مدول گسيختگي گرم در دما هاي بالا و ديرگدازي تحت بار بر اساس استاندارد JIS و مطالعات ريزساختاري نمونه هاي تهيه شده به کمک ميکروسکوپ نوري (OM) و ميکروسکوپ الکتروني (SEM.EDS) مورد بررسي قرار گرفت . جهت شناخت فازهاي مينرالي ازXRD کمک گرفته شد. نتايج حاصله نشان داد که با افزايش زيرکونيا تثبيت نشده ، استحکام مکانيکي گرم وسرد افزايش و تخلخل ظاهري کاهش مي يابد. همچنين مطابق با نتايج XRD و SEM.EDS، مقاومت به خوردگي ديرگدازها در حضور زيرکونيا افزايش يافته است .
واژه هاي کليدي : ديرگدازهاي منيزيا- اسپينلي ، زيرکونيا، ريزساختار، مقاومت به خوردگي
١- مقدمه :
امروزه يکي از متنوع ترين ديرگداز هاي حاوي اسپينل شامل محصولات منيزيا- اسپينلي مي باشد[١]، که براي اولين بار در سال ١٩٣٢ در استراليا ثبت شد. اين محصولات توسط افزودن آلومينا به ترکيب هاي منيزيايي توليد مي شود [٢]. در طول فرآيند پخت ، آلومينا با پريکلاس واکنش مي کند و اسپينل درجا (Insitu) تشکيل مي شود. به علت اختلاف قابل توجه ضريب انبساط حرارتي اسپينل و پريکلاس ، ميکروترک هايي در ساختار ايجاد مي شود، که اين ميکروترک ها باعث افزايش مقاومت به شوک حرارتي مي گردد. يکي از دلايل استفاده از ديرگدازهاي منيزيا- اسپينلي ، مشکلات زيست محيطي سيمان هاي حاوي يون ٦+Cr مي باشد که ناشي از واکنش فليايي هاي موجود در کوره دوار با ٣+Cr موجود در آجر هاي منيزيا- کروميتي است . اين يون ٦+Cr از قابليت انحلال بالايي در آب برخوردار است و سريع جذب آب هاي زيرزميني مي شود و به شدت سرطان زا است و باعث بيماريهاي پوستي و تنفسي نيز مي شود. تکنولوژي ديرگدازهاي منيزيا – اسپينلي در ٣٠ سال گذشته به طور قابل توجه اي در ژاپن بررسي شده است [٣]. اين گرايش به سمت کشورهاي اروپايي نيز کشانده شد [٥و٤]. اسپينل استوکيومتري شامل % wt٢٨٢ منيزيا و% wt ٧١.٨ آلومينا مي باشد. دماي ذوب اسپينل C٢١٣٥ است [٦]. در صنعت سيمان بيشتر از ديرگدازهاي منيزيا- اسپينلي با ترکيب % wt٢٠ اسپينل استفاده مي شود [١٠-٨]. زماني استفاده از اين مواد با اطمينان مي باشد که آلومينا و منيزيا به طور کامل با هم واکنش کنند [٧]. حضور آلوميناي آزاد، فرآيند فرسايش را افزايش مي دهد. در تکنولوژي مدرن توليد کلينکر سيمان ، از مواد اوليه و سوخت هاي گوناگوني استفاده مي شود. اين عوامل سبب بر همکنش شديدتر بين اتمسفر کوره و سطح ديرگداز مي شود [١٣-١١]. در کار حاضر اثر افزودن زيرکونيا تثبيت نشده بر ريز ساختار و مقاومت به خوردگي ديرگدازهاي منيزيا – اسپينلي نسل دوم مورد بررسي قرار گرفته است .
٢- فعاليتهاي تجربي :
در پژوهش حاضر از منيزياي کاملاَ تثبيت شده ترکيه معروف به منيزياي کوماش با خلوص ٩٦.٦، اسپينل زينتري چيني غني از منيزيا و زيرکونياي تثبيت نشده صنعتي استراليا با خلوص بيش از ٩٨% و با ساختار منوکلينيک (باديليت ) با آناليز شيميايي مطابق جدول (١) به عنوان مواد اوليه در تهيه و ساخت نمونه ها مورد استفاده قرار گرفتند.
همچنين زيرکونيا در اندازه ٤٥ ميکرون و در مقادير ٠، ٢، ٤، ٦، ٨ درصد استفاده شده است . الگوي پراش اشعه x آن نيز در شکل (١) آمده است .
ترکيب مورد استفاده در فرمولاسيون هاي مختلف در جدول شماره (٢) آورده شده است . دانه بندي استفاده شده ٤-٠ ميليمتر بوده که در سه جزء ٤-١ ، ١› ، ٠.٠٧٥ › ميليمتر مورد استفاده قرار گرفته است . همچنين دانه بندي بچ هاي انتخاب شده با زيرکونياي مصرفي در جدول شماره (٣) نشان داده شده است .همين طور به جهت تنظيم دانه بندي معادل مقدار زيرکونيا از جزء پودر منيزيا کاسته شد.
عمليات مخلوط کردن به کمک مخلوط کن آزمايشگاهي غلطکي و با اضافه کردن ٣% چسب MgCl٢ به مدت ١٥ دقيقه انجام شد. به منظور انجام تست هاي مختلف از هر فرمولاسيون چند آجر با ابعاد استاندارد mm٦٩ ×٧٤ ×١٩٨×٢٢٠ با ضريب فشار (Kgf.cm٢)١٠٠٠ توسط پرس هيدروليکي شکل داده شدند و در دماي C ١١٠ خشک وسپس در کوره تونلي در دماي C١٧٤٠به مدت ٦ ساعت ، نمونه ها پخت شدند. خواص فيزيکي شامل دانسيته بالک، تخلخل ظاهري ، استحکام فشاري و خمشي سرد و همچنين استحکام خمشي گرم (HMOR) نمونه ها در دماهاي C١٤٠٠-١٠٠٠ و ديرگدازي تحت بار (RUL) طبق استاندارد JIS صورت پذيرفت . به منظور بررسي هاي فازي و ريز ساختاري نمونه ها، از ميکروسکوپ الکتروني روبشي SEM.EDS کمک گرفته شده است .
در اين پژوهش تست خوردگي به صورت استاتيک (بوته ) انجام گرفت . بدين منظور ابتدا استوانه هايي از نمونه مورد آزمايش را خارج نموده و بوته هايي در نمونه هاي مورد نظر ساخته مي شوند که پودر خوراک اوليه سيمان در درون آن ريخته شده و به مدت ٦ ساعت در دماي C١٧٤٠ در کوره تونلي حرارت داده شد. پس از انجام آزمايش بوته از وسط به دو قسمت مساوي برش داده شد و سه ناحيه خورده شده (ناحيه ١)، واکنش کرده (ناحيه ٢) با رنگ خاکستري مايل به تيره و واکنش نکرده (ناحيه ٣) براي هر نمونه مشخص گرديد. در اين پژوهش تست مقاومت به خوردگي به چهار بخش تقسيم مي شود:
بخش اول به منظور تعيين فازهاي حاصل از خوردگي مي باشد براي اين منظور قسمتي از نواحي واکنش کرده آجر را با تيغه الماسه برش زده ، در خشک کن آزمايشگاهي با دماي C١١٠ به مدت ٢٤ ساعت خشک و سپس با هاون عقيق ساخت شرکت EKO کشور ژاپن آسياب شده و در نهايت پودر حاصله با استفاده از دستگاه XRD تحت آناليز فازي قرار گرفت . آناليز شيميايي عنصري خوراک اوليه سيمان پرتلند (به روش XRF) نيز در جدول (٤) امده است .
در بخش دوم ، به منظور بررسي ريزساختاري ناحيه اي که نفوذ خوراک سيمان در آن انجام گرفته (ناحيه واکنش کرده ) از ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) استفاده شد. در بخش سوم ، به منظور مقايسه خوردگي نمونه ها، سطح خورده شده (مساحت خوردگي ) طبق روش ذيل محاسبه گرديد: ابتدا الگوي خوردگي را بر روي کاغذي (کاغذ کالک) که وزن سطح معيني از آن توسط ترازوي حساس آزمايشگاهي اندازه گيري شده بود، رسم گرديد. پس از آن ناحيه خورده شده توسط قيچي برش داده شد و وزن آن نيز اندازه گيري شد. سطح ناحيه خورده شده متناسب با وزن و سطح نمونه استاندارد تهيه شده ، محاسبه گرديد .
بخش چهارم ، تست خوردگي شامل محاسبه نفوذ خوراک سيمان در آجر مي باشد. اين پارامتر نيز بدين صورت انجام مي گيرد که يک نيمه بوته آجر که از وسط برش خورده است را برداشته و به طور متوسط سه ناحيه از نواحي واکنش کرده را تا لبه قسمت خورده شده از يک طرف و از طرف ديگر تا نواحي واکنش نکرده آجر ، اندازه گيري کرده و يک اندازه ميانگين را ثبت مي نماييم .
٣- بحث و نتيجه گيري :
شکل (٢) چگونگي تغييرات تخلخل ظاهري و شکل (٣) روند تغييرات دانسيته کلي نمونه ها با افزايش درصد زيرکونيا رانشان مي دهد. همانگونه که در نمودار مشاهده مي شود با افزايش زيرکونيا تا ٦ درصد وزني ، تخلخل ظاهري کاهش و دانسيته کلي افزايش يافته است ، اما با افزايش بيشتر زيرکونيا تا ٨ درصد وزني تخلخل ظاهري و دانسيته کلي به مقدار ناچيزي بترتيب افزايش و کاهش مي يابند. بنابراين نمونه NZ6 کمترين تخلخل ظاهري و بيشترين دانسيته کلي را دارد. به طور کلي در سيستم هاي ديرگداز با اتصال سراميکي نظير ديرگدازهاي منيزيا- اسپينلي ، تخلخل ظاهري و دانسيته از يک سو تابع توزيع اندازه ذرات و دانسيته هر يک از اجزاء مي باشد و از سوي ديگر به فرايند سينترينگ و انجام واکنش هاي در حين پخت که همراه با تغييرات حجمي هستند بستگي دارد [١٤]. از آن جايي که تشکيل زيرکونات کلسيم ناشي از واکنش ذرات زيرکونيا و کلسياي موجود در ترکيب همراه با يک انبساط است [١٥]، انتظار مي رود که با افزايش مقدار زيرکونياي ريزدانه در زمينه ديرگداز و تشکيل فاز زيرکونات کلسيم ناشي از واکنش با ذرات ناخالصي کلسيا (CaO) تخلخل کاهش و دانسيته افزايش يابد. از سوي ديگر فاز زيرکونات کلسيم تشکيل شده ناشي از واکنش ذرات زيرکونيا در زمينه قادر است باايجاد يک اتصال قوي در زمينه ديرگداز ميان ذرات منيزيا و اسپينل و همچنين زمينه منيزيايي باعث افزايش استحکام گردد، در حاليکه اسپينل از پيش سنتز شده به علت عدم تطابق رفتار حرارتي با منيزيا در اطراف خود ترک ايجاد مي کند که مانع ايجاد اتصالي مستحکم مي گردد. در نتيجه مقدار فاز زيرکونات کلسيم موجود نقش اساسي در تخلخل و استحکام ديرگدازهاي منيزيا- اسپينلي بازي مي کند که دو عامل مهم کاهش تخلخل بر اساس تشکيل زيرکونات کلسيم و ايجاد ميکروترکهاي ناشي از عدم انطباق رفتار حرارتي اسپينل و منيزيا در اين قضيه موثر است .
شکل (٤) تصوير ميکروسکوپ نوري نمونه NZ6 با بزرگ نمايي ٢٧٠ برابر را نشان مي دهد که حاکي از تشکيل ذرات زيرکونيا به صورت فاز زيرکونات کلسيم (نقاط سفيد رنگ ) در مرزدانه هاي منيزيا- منيزيا و منيزيا- اسپينل مي باشد. همچنين اين شکل نشان مي دهد که زيرکونيا در تراکم بدنه ديرگداز نقش موثري را ايفا مي کند.
