بخشی از مقاله
تاثير افزودني نانو کربن بلک بر تحولات فازي و خواص رئولوژي ديرگدازهاي ريختني
آلومينا - سيليکون کاربيد
چکيده
درکار حاضر که براي اولين بار در دنيا مطرح مي شود، تاثير درصد هاي مختلف افزودني (صفر تا بيست درصد وزني ) پودر کربن بلک در ابعاد نانومتري بر تحولات فازي و خواص رئولوژي جرم هاي آلومينا- سيليکون کاربيد بررسي شد. نتايج نشان دادند که حضور مقادير کم کربن بلک به عنوان افزودني ، باعث کاهش درصد خودجاري بودن جرم مي شود. درحالي که افزايش بيشتر افزودني کربن بلک نانومتري به نمونه ، منجر به افزايش جريان يابي مي شود. همچنين در حضور افزودني کربن بلک ، زمان کارپذيري و تخلخل ظاهري جرم ريختني تا حدي افزايش يافته و دانسيته بدنه پس از پخت کاهش قابل توجه خواهد داشت . مطالعات فازي نشان داد که با افزايش کربن بلک به سيستم ، هيچ گونه تحول فازي قابل تشخيصي مشاهده نمي شود و تنها بر شدت پيک هاي مربوط به فاز
SiC افزوده مي شود.
واژه هاي کليدي : نانوکربن ، ديرگدازريختني ، آلومينا،سيليکون کربيد، کربن .
۱- مقدمه
مواد ديرگداز در صنايع مختلف کاربردهاي زيادي داشته و به عنوان گلوگاه تکنولوژي بسياري از صنايع مادر مطرح هستند. صنعت آهن و فولاد از مهمترين صنايع مصرف کننده اين فراورده ها مي باشند به طوري که بيش از هفتاد درصد مصرف مواد ديرگداز را به خود اختصاص داده اند[١]. در بين ديرگدازها، مواد ديرگداز حاوي کربن در صنايع امروز جايگزيني ندارند. بزرگترين مصرف کننده اين گروه محصولات ،صنايع فولادسازي هستند.
انواع ديرگدازهاي حاوي کربن در اشکال مختلف در صنايع فولادسازي مورد استفاده قرار مي گيرند.
در سال هاي اخير، توسعه وگسترش استفاده از ديرگدازهاي بي شکل (منوليتيک ) به ويژه جرم هاي ريختني يکي از مهم ترين دلايل کاهش مصرف ويژه ديرگدازها بوده است . جرم هاي ريختني يا بتن هاي ديرگداز مخلوطي پيچيده از اجزاي مختلف ، شامل سيمان آلومينايي (سيمان ديرگداز)، پرکننده ها، مواد خيلي ريز و افزودني مي باشد. مکانيزم عملکرد اين جرم ها بدين صورت است که در اثر واکنش آب با بايندر هيدروليک ، در دماي پايين ، جرم ريختني استحکام اوليه لازم را کسب نموده و با بالا رفتن دما اين اتصال هيدروليکي به اتصال سراميکي تبديل گشته و خواص کاري لازم جهت دماهاي بالا را فراهم مي سازد.
يکي از مهم ترين انواع دير گدازهاي بي شکل ، ديرگدازهاي ريختني است . منابع نشان مي دهند که ديرگدازهاي ريختني داراي آلومينات کلسيم براي اولين بار در سال ١٨٥٦ ابداع شدند، يعني زماني که
H.SC.DEVILLE براي اولين بار بوته هاي دير گدازي را با استفاده از سنگ دانه هاي آلومينا وسيمان ديرگداز تهيه کرد[٢]. اما توليد صنعتي اين نوع دير گدازها همزمان با توليد صنعتي سيمان آلومينات کلسيم در سال ١٩٢٩ در آمريکا و در سال ١٩٣٩ در ژاپن شروع گرديد. ديرگدازهاي ريختني داراي اتصال سيمان آلومينات کلسيم با تاريخچه تقريباً ٧٠ ساله به مرور زمان از ترکيب هاي معمولي داراي سيمان زياد تا کم سيمان وخيلي کم سيمان وهمچنين از روش نصب نوساني تا سيستم هاي خود جاري توسعه و پيشرفت زيادي داشته اند[٣و٤].
ديرگدازهاي با سيستم SiC-C-AlO٢٣ به عنوان پوششي مجرا براي اولين بار در ژاپن ارائه گرديد. آلوميناي زينتر شده يا فيوزشده عموما به جهت مقاومت در برابر خوردگي و سايش و SiC و کربن بخاطر پايداري حجمي و جلوگيري از پوسته شدن و مقاومت به خوردگي سرباره در اين ديرگدازها استفاده مي شوند. درصدهاي بهينه اجزاء تشکيل دهنده در مواد ديرگداز بسته به محل و شرايط کاربرد متفاوت است . به عنوان نمونه ، مواد ديرگداز پوشش مجراها شامل حدودا ۱۵ تا ۲۵ درصد SiC ، ۶۰تا ۷۰درصد AlO٢٣ و يک تا ۸ درصد کربن گزارش شده است [٥].
استفاده از کربن وگرافيت در ديرگدازها به اين دليل است که کربن قابليت تر کنندگي کمي توسط سرباره دارد.
در واقع کشش سطحي بين کربن و سرباره کم است ، لذا سرباره نمي تواند به راحتي ديرگدازهاي حاوي کربن را تر کند. بنابراين نفوذ پذيري سرباره و در نتيجه خوردگي ديرگداز کاهش مي يابد[٦]. همچنين کربن بدليل قابليت هدايت حرارتي مطلوبي که از خود نشان مي دهد، مقاومت به شوک پذيري ديرگدازها را بهبود مي بخشد.
پس از معرفي اين سيستم ، بر روي باند هاي سيليکاتي و رزيني در اين سيستم پژوهش هاي زيادي انجام گرفته است . بنا به دلايل متعدد از جمله ضعيف بودن مقاومت به شوک حرارتي و مقاومت در برابر خوردگي ، گرايش عمومي به سمت ايجاد باندهاي کربني (رزيني ) بيشتر بوده است .
درکار حاضر که براي اولين بار در دنيا مطرح مي شود، سعي شده است که استفاده از مقادير مختلف افزودني پودر کربن بلک در ابعاد نانومتري در بدنه مورد ارزيابي قرار گرفته و پاسخ هاي براي پرسش هاي موجود در محافل علمي در اين زمينه بيابد. به علاوه ، انتظار مي رود که بتوان با جايگزيني گرافيت به وسيله نانو ذرات کربن بلک ، ضمن حفظ مقاومت به خوردگي و شوک حرارتي اين ديرگدازها، از ميزان کربن مورد نياز کاسته و در نتيجه طول عمر آن ها افزايش يابد.
۲- فعاليت هاي تجربي
در کار حاضر، عملکرد کربن بلک نانومتري به صورت افزودني بر خواص جرم ريختني SiC-C-AlO٢٣، نظير جريان يابي ، زمان کارپذيري ، درصد تخلخل ، چگالي و تحولات فازي جرم ريختني SiC-C-AlO٢٣ در حضور مقادير مختلف افزودني نانوذرات کربن بلک از صفر تا ١٠ درصد وزني مورد ارزيابي قرار گرفت .
مواد اوليه اصلي شامل يک نوع آلوميناي تبولار با مشخصه ٣٠-Alfa-tab ساخت شرکت Silkem کشور اسلووني ، کاربيد سيليسيم با مشخصه F٢٢٠-EC٦ ساخت شرکت Treibacher کشور اتريش ، آلوميناي فعال شده ٤ با مشخصه ٢٠ PFR ساخت شرکت Pechiney کشور فرانسه ، ميکروسيليس با مشخصه ٩٧١ Elkem U ساخت شرکت Elkem کشور نروژ، سيمان آلومينا بالا با مشخصه ٧١ Secar ساخت شرکت Lafarge
کشورفرانسه ، گرافيت پولکي ٥ ساخت شرکت Great Wall Group کشور چين ، پودر کربن بلک داخلي توليدي شرکت کربن ايران با نام تجاري ٦ V و شماره استانداردASTM - ٢٢٠-N و الياف پليمري توليدي شرکت Fibertech مي باشد. خصوصيات و ترکيب شيميايي مواد مورد استفاده که بوسيله آناليز شيمي تر تعيين شده ، در جدول هاي (١) تا (٤) ارائه شده است با توجه به کار هاي تحقيقاتي قبلي [٩-٧]، که بالاترين ميزان عامل کربني به کار رفته در ساخت جرم ها به ميزان ٤ درصد وزني بصورت گرافيت گزارش شده است ، در کار حاضر، ٢ درصد گرافيت همراه با افزودني کربن بلک جهت استفاده در ترکيب جرم ريختني در نظر گرفته شد. همچنين با توجه به اينکه در به کارگيري مدل آندريازن اصلاح شده براي جرم هاي لرزه روان استفاده از >q> توصيه شده [١٠]، در تحقيق حاضر مقدار =q و dm برابر با ٠.١ ميکرومتر در نظر گرفته شد. فرمولاسيون پايه جرم مطابق جدول (٥) در نظر گرفته شد.
جدول ١: آناليز شيميايي مواد اوليه مورد استفاده (درصد وزني )
ترکيب شيميايي Al2O3 Si+SiO2 Fe2O3 Na2O CaO SiC Free Carbon Fe Magnetic
آلوميناي تبولار ٩٩.٤٠٠ ٠.٠٥٠ ٠.٠٨٠ ٠.٤٠٠ ٠.٠٢٠ - - <٠.٠٢٥
کاربيد سيليسيم (SiC) ٠.١٥ ١.٢٥ ٠.٥٠ - - ٩٧.٥٠ <٠.٦٠ -
آلوميناي فعال شده ٩٩.٨٤ ٠.٠٨ ٠.٠١ ٠.٠٥ ٠.٠٢ - - -
ميکروسيليس <٠.٥ ٩٧.٨ <٠.٢ ٠.٥ <٠.٢ - <٠.٦ -
سيمان آلومينا بالا ٧٠.٣ ٠.٨ ٠.٤ ٢٨.٥ - - -
جدول ٢ : خصوصيات گرافيت پولکي مورد استفاده
خصوصيات کربن رطوبت مواد فرار خاکستر
درصد وزني ٩٤.٤٨ ٠.٠٢ ١.٦٠ ٣.٩٠
جدول ٣: آناليز شيميايي خاکستر گرافيت پولکي مورد استفاده
ترکيب شيميايي Al2O3 CaO MgO SiO2 Na2O K2O Total Fe
درصد وزني ١٧.١٠ ٥.٠٦ ٧.٦٧ ٥٠.٢٠ ٠.٧٩ ١.٣٧ ١٧.٨١
جدول ٤: چگالي مواد اوليه استفاده شده
ماده اوليه آلوميناي تبولار کاربيد سيليسيم گرافيت پولکي آلوميناي فعال شده ميکرو سيليس سيمان آلومينا بالا
چگالي (g.cm3) ٣.٥٥ ٣.١٠ ١.٨٠ ٣.٩٢ ٢.٢٠ ٢.٩٣
جدول ٥ : ترکيب شيميايي پايه جرم ريختني مورد استفاده
ترکيب شيمايي Al2O3 SiC C SiO2 افزودني هاي ديگر
درصد وزني ٧٥ ١٦ ٢ ٥ ٢
٥٤٧
تعيين جاري شوندگي جرم ريختني ، مطابق با استاندارد ملي ايران شماره ٦٧٣١ و زمان کارپذيري با روش
استاندارد٦٧٣١ ISIRI انجام گرفت . چگالي و تخلخل بدنه ها به روش ارشميدس مطابق با استاندارد ASTM (١٩٩٧)٨٧-C٢٠ محاسبه شد[١١]. جهت تعيين نسبت آب به جامد مناسب ، همزمان از روش هاي آزمون گلوله در دست مطابق با استاندارد ٦٧٣٠- ISIRI و ميز جريان مطابق با استاندارد ٦٧٣٢- ISIRI استفاده شد.
شناسائي فازها به روش پراش اشعه ايکس (XRD) توسط دستگاه PW٣٧١٠ محصول شرکت Philips
تحت اختلاف پتانسيل kv و جريان mA به وسيله اشعه Cu Kα در زواياي ٥ تا ٧٥ درجه انجام شد.
۳- نتايج و بحث
بر اساس آناليزBET ، سطح ويزه کربن بلک مورد استفاده g.m١٠٢٢ مي باشد، همچنين مطالعات ريزساختاري نشان مي دهد که ميانگين قطر ذرات کربن بلک ٢٥٩ نانومتر مي باشد.
نتايج مربوط به تعيين درصد جريان يابي جرم ريختني SiC-C-AlO٢٣ در حضور مقادير از صفر تا ١٠ درصد وزني کربن بلک نانومتري ، در شکل (١) نشان داده شده است . همانطور که مشاهده مي شود با افزايش درصد افزودني کربن بلک نانومتري ، جريان يابي جرم ريختني ابتدا کاهش و سپس افزايش مي يابد.
شکل ١: درصد جريان يابي جرم ريختني در حضور مقاديرمختلف کربن بلک نانومتري
