بخشی از مقاله
کاربرد نسوزهای کوراندوم - مولایت - زیرکونیا در صنعت شیشه
چکیده :
تنشهای مکانیکی، شیمیایی ور حرارتی اعمال شده روری نسوزهای مورد مصرف در صنعت شیشه لزوم استفاده از مواد نسوز با کیفیت بالا را ایجاب می نماید. زیانهای ناشی از نفوذ مذاب، تغییرات در بافت ور سرشکن شدن بدنه های آلومین بالای برپایه بوکسیت، علل اصلی کوششی است که جهت بهبود خواص این مواد انجام گردیده است. بدنه های نسوز مورد مطالعه که متعلق به سیستم میباشند علاوه بر مقاومت بالا در برابر حملات شیمیایی قلیاییها و الومینوسیلیکاتها، از انبساط حرارتی پایین و نتیجتا مقاومت مطلوب در برابر شوکهای حرارتی برخوردار هستند. بررسیهای تفرقی و فلورسانس پرتو ایکس میکروسکوپ الکترونی روبشی ( SEM)، همچنین تعیین روابط نمودی از جمله مطالعات انجام شده در زمینه شناخت نسوزهای فوق می باشد. در بررسیهای میکروسکوپی نقش ترکهای دایرهای شکل در اطراف کریستالهای با دلایت در کاهش تنشهای ریزساختاری مشاهده شده است. نتایج آزمایشهای انجام شده در این بررسی نشان می دهد که افزودن ماده حاوی زیرکونیا مانند ماسه زیرکونی به الومینا یا بوکسیت، ضمن بهبود مقاومت بدنه در برابر شوکهای حرارتی، میزان نفوذ مذاب شیشه را به طور قابل توجهی در زمان کاربرد کاهش داده است.
مقدمه
تنشهای مکانیکی، شیمیایی و حرارتی اعمال شده روی نسوزهای مورد مصرف در صنعت شیشه، لزوم استفاده از مواد نسوز با کیفیت بالا را ایجاب می نماید. در این مقاله به منظور شناخت قطعات فیدرو قطعات نسوز مصرفی در صنعت شیشه، آزمایشهای مورد نیاز مینرالوژیکی، شیمیایی و فیزیکی انجام گرفته است. بدنه های نسوز مذکور که متعلق به سیستم میباشند، علاوه بر مقاومت بالا در برابر حملات شیمیایی قلیاییها و آلومینوسیلیکاتها از انبساط حرارتی پایین و نتیجتا مقاومت مطلوب در برابر شوکهای حرارتی برخوردار میباشند.
روش کار بررسیهای پراش و فلورسانس پرتو ایکس (XRF و XRD)، میکروسکوب الکترونی روبشی ( SEM) و همچنین تعیین روابط نمودی از جمله مطالعات انجام شده در زمینه شناخت قطعات نسوز مصرفی مورد اشاره
در صنعت شیشه میباشد.
مطالعات فازی توسط آزمون پراش پرتو ایکس (XRD)
در بررسیهای انجام شده، نمونه های قطعات نسوز فیدر، پس از آماده سازی مورد آزمایش شناخت فازی به روش عبوری (TranSmiSSiOn) توسط دستگاه پراش نگار ( StOe-Stadi) قرار گرفته است. نتایج به دست آمده با استفاده از برنامه نرم افزاری کامپیوتری با استانداردهای فازهای مربوط مورد انطباق و پردازش قرار گرفته است. دیاگرام شدت برحسب فازهای شناسایی شده نمونه فیدر در نمودار شماره ۱ ارائه گردیده است. همان گونه که در این نمودار مشاهده می شود، فاز بلوری اکثر نمونه ها کوراندوم است. همچنین بر طبق الگوهای پراش پرتو ایکس، سایر فازهای بلوری شناسایی شده به ترتیب با دلایت ، مولایت .تعیین گردیده است.
بررسیهای میکروسکوپ الکترونی
پس از عملیات آماده سازی و سایش سطح نمونه با پودرهای SIC و خمیر الماس (تا محدوده ۱ میکرومتر) با استفاده از دستگاه Sputter COater سطح نمونه با لایه ای از طلا پوشانیده شد. سپس نحوه توزیع اجزای متشکله و ریزساختار آنها با استفاده از تکنیک SEM مورد بررسی قرار گرفت. همچنین میکروآنالیز نقطهای و سطحی نقاط مورد نظر در ساختار نمونه با استفاده از طیف سنج که تفکیک کننده انرژی پرتو ایکس XRD بوده و از تجهیزات جنبی میکروسکوپ میباشد، تهیه گردیده است. با استفاده از طیف سنج مذکور از فازهای بلوری شناسایی شده توسط تکنیک XRD ، آنالیز نقطهای تهیه و ساختار میکروسکوپی آنها در تصویرهای ریزنگار پیوست به تصویر کشیده شده است.
شکل ۱ تصویر ریزنگار حاصل از مطالعات SEM، پراکندگی فازهای کوراندوم، ترکیبات زیرکونیوم
و بلورهای مولایت را با بزرگنمایی ه ۳۰ برابر نشان می دهد. همان گونه که در تصویر مشاهده میگردد، دانه های آزاد سیلیس نیز به مقدار جزیی در نمونه قابل مشاهده است. مطالعات انجام شده نشان می دهد که افزودن مادهای حاوی زیرکونیا مانند ماسه زیرکونی به آلومینا یا بوکسیت، ضمن بهبود مقاومت بدنه در برابر شوکهای حرارتی، استحکام مکانیکی بدنه را در درجه حرارتهای بالا افزایش داده است. همچنین میزان نفوذ مذاب شیشه به طور قابل توجهی در طی بهره برداری کاهش یافته است. زیرکون در درجه حرارتی در حدود ۱۷۰۰C به زیرکونیا و سیلیس تجزیه میگردد. در اثر افزودن زیرکون به آلومینا، ضمن آنکه دو فاز ارزشمند زیرکونیا و مولایت حاصل میگردد از تشکیل سیلیس آزاد که باعث کاهش مقاومت بدنه در برابر شوکهای حرارتی می شود نیز جلوگیری به عمل می آید. زیرکونیا با توجه به نقطه ذوب بالا (حدود ۲۷۰۰C) و نیز خواص شیمیایی مطلوب، به عنوان دیرگداز در درجه حرارتهای بالا مورد استفاده قرار میگیرد. به دلیل تبدیلات فازی توام با تغییر حجم، از زیرکونیای تثبیت شده و نیز از ترکیب آن با آلومینا در کاربردهای حرارت بالا استفاده میگردد. همان گونه که در شکل ۲ مشاهده میگردد، ترکیبات اکسیدی و سیلیکاته Zr با بکارگیری آشکارساز پس تابشی (Back SCatter) و براساسی مغایرت اعداد اتمی مورد تفکیک فازی قرار گرفته است. با استفاده از سیستم رنگ پردازی میکروسکوپ الکترونی، پراکندگی ترکیبات Zr موجود در نمونه (بخش زردرنگ) به تصویر کشیده شده است. بخش آبی رنگ موجود در تصویر، مربوط به فازهای کوراندوم ومولایت و بخشهای سیاهرنگ، تخلخل موجود در نمونه می باشد (شکل ۳).
ویژگیهای شیمیایی
بدنه های نسوز مربوط به سیستم توسط فرآیند ذوب و ریختهگری (fuSiOn Cast) و یا از طریق سینتر ساخته می شوند. نسوزهای سینتر شده نسبت به فیوزد کست، تخلخل بالاتری داشته و در
نتیجه آسانتر تحت نفوذ بخارات و مذاب شیشه قرار میگیرند. با وجود این، محصولات نسوز ذوب شده به
دلیل مسائل اقتصادی در تمام کارخانه های شیشه سازی مصرف نمی شوند. در این بررسی با استفاده از دستگاه فلور سانس پرتو ایکس آنالیز شیمیایی دو نمونه سینتر شده این سیستم که در صنعت شیشه مورد استفاده قرار میگیرند. ارائه شده است (جدول ۱).
به طور کلی ترکیبات مختلف شیشه، تاثیرات متفاوتی بر نسوزهای مورد استفاده دارند. مقاومت یک بدنه
نسوز در برابر خوردگی که به ترکیب شیمیایی مذاب شیشه و بخارات حاصل از ویسکوزیته شیشه و نیز نوع نسوز به کار رفته بستگی دارد مهمترین ویژگی تمام بدنه های نسوز در تماس با شیشه می باشد. ترکیب شیمیایی شیشه روی بخارات حاصل از آن تاثیر گذاشته و نوع خوردگی نسوزها را مشخص میسازد. در شیشه های سودا-آهک، بخارات موثر در خوردگی عمدتا اکسید و سولفات سدیم و در شیشه های بور و سیلیکات، ترابورات سدیم یا اسید بوریک میباشند. به عنوان مثال جذاب قلیایی هایی مانند موجود در اتمسفر سیستمهای بازیافت حرارتی میتواند منجر به تشکیل نفلین و یا لویسیت و در نهایت منجر به انبساط حجمی نسوز و تخریب آن گردد. به طور کلی در عملیات معمول ذوب شیشه، میزان خوردگی با افزایش درجه حرارت نسبت لگاریتمی دارد و معمولا به ازای هر ۵۰C افزایش دما، میزان خوردگی دو برابر می شود. ویسکوزیته شیشه که از خواص فیزیکی مهم شیشه مذاب است تاثیر زیادی در خوردگی نسوز دارد. زمانی که ویسکوزیته کاهش مییابد، میزان خوردگی به مقدار چشمگیری افزایش نشان خواهد داد. نوع بدنه های نسوز به کار رفته در فرآیند ساخت شیشه که علاوه بر تاثیر گذاشتن روی کیفیت محصولات، بر دوام و عمر کوره ها نیز تاثیر دارند، از عوامل مهم در کنترل مکانیسم خوردگی می باشد. به طور کلی در نسوزهای کوراندوم - زیرکونیا- مولایت که با ارزش ترین نسوزهای مورد مصرف در تماس با مذاب شیشه و یا بخارات حاصل از آن محسوب میگردند، با افزایش درصد ضمن بهبود استحکام مکانیکی بدنه، مقاومت در برابر خوردگی نیز افزایش مییابد. بنابراین بدنه های نسوز با میزان بالاتر در
نقاط بحرانی تر و بدنه های با محتوی در نواحی با حساسیت کمتر در کوره های ذوب شیشه مورد استفاده قرار میگیرند.
تعیین روابط نمودی
تخلخل، دانسیته، حد نسوزندگی (PCE)
برای یک بدنه نسوز در تماس با شیشه، تخلخل و آنالیز شیمیایی نمونه از اهمیت خاصی برخوردار
می باشد. چون ارتباط بسیار نزدیکی بین تخلخل و مقاومت در برابر خوردگی وجود دارد، بنابراین با هر نوع آنالیز و پیوند شیمیایی، پایین تر بودن میزان تخلخل کلی، مقاومت بالاتری را در برابر خوردگی ایجاد می نماید. دانسیته ظاهری که عاملی مرتبط با خواص شیمیایی، مینرالی و تخلخل نمونه می باشد به عنوان معیار منفردی برای قضاوت پیرامون یک نسوز در مقایسه با دیگری نیست مگر اینکه دو نمونه ترکیب شیمیایی قابل مقایسه ای داشته باشند. در جدول ۱ تخلخل و دانسیته اندازه گیری شده دو نمونه نسوز ZAC ارائه گردیده است. PCE و بیشینه درجه حرارت کاربرد، خصوصیاتی هستند که برای بدنه های نسوز بسیار مورد استفاده قرار میگیرند. دانستن بیشینه درجه حرارت کاری، باعث میشود تا از کاربرد یک نمونه نسوز با نسوزندگی غیر کافی در دماهای بالا اجتناب به عمل آید.
هدایت حرارتی هدایت حرارتی مواد نسوز مورد استفاده در کوره های شیشه، عامل مهمی در محاسبه اتلاف حرارتی و نیز طراحی مقدار مورد نیاز عایقهای حرارتی در بخشهای مختلف کوره است. در نسوزهای آلومین بالا، میزان هدایت حرارتی برای نمونه های با تخلخل یکسان، با افزایش محتوی آلومین، افزایش نشان می دهد. همچنین هدایت حرارتی یک نمونه با ترکیب شیمیایی مشخص ، با کاهش تخلخل و افزایش دانسیته، افزایش مییابد. در نمونه های بررسی شده (شماره های ۱ و ۲) با توجه به اختلاف تخلخل موجود، مشاهده می شود که نمونه با میزان تخلخل بالاتر از هدایت حرارتی پایین تری برخوردار است (جدول ۲).
انبساط حرارتی انبساط حرارتی عامل بسیار مهمی در انتخاب نسوزهای مورد استفاده در کوره های ذوب شیشه میباشد. به طور کلی ترکیب شیمیایی و مینرالی نسوزها عوامل کنترل کننده در انبساط حرارتی هستند در حالی که تخلخل تاثیر جزیی بر انبساط حرارتی هر ترکیب شیمیایی مفروض خواهد داشت. همان گونه که ذکر شد نسوزهای مورد مطالعه از انبساط حرارتی پایین و نتیجتا مقاومت مطلوبی در برابر شوکهای حرارتی برخوردار می باشند.
مقاومت در برابر شوکهای حرارتی نظر به اینکه در کوره های ذوب شیشه، درجه حرارت در شرایطی نسبتا یکنواخت قرار میگیرد نیاز به بدنه هایی با مقاومت بالا در برابر شوکهای حرارتی احساس نمیگردد. در چنین مواردی مسقاومت در برابر
شوکهای حرارتی بدنه های نسوز، تنها در زمان بالا بردن دما و سرد کردن کوره ها حائز اهمیت است. در بررسی
SEM نمونه های مورد مطالعه، شبکه ای از ترکهای میکروسکویی در اطراف فار زیرکونیای مونوکلینیک (کریستالهای با دلایت) مشاهده می شود که به آنها اجازه می دهد بدون تنهش های مخرب در ساختار، به صورت موضعی در اثر شوک های شوکهای حرارتی منبسط می شوند. به هرصورت به واسطه تشکیل این ترک های میکروسکوپی و نیز مقاومت بالای فازهای سینرالی موجود در برابر شوکهای حرارتی، بدنه های مورد مطالعه از شوکپذیری بسیار مطلوبی برخوردار میباشند.
تعیین استحکام مکانیکی سرد و مقاومت نسوزندگی تحت بار
در این بررسی استحکام مکانیکی سرد ( CCS) نسوزهای مورد مطالعه نیز مورد توجه بوده و با استفاده از دستگاه تعیین مقاومت استحکام فشاری سرد تعیین گردیده است. همان طور که در جدول ۱ مشاهده می شود با افزایش محتوی استحکام بدنه افزایش یافته است. همچنین به منظور ارزیابی رفتار ترمو مکانیکی نمونه ها در شرایط ازدیاد حرارت، آزمایش تعیین مقاومت نسوزندگی تحت بار (RUL) انجام گرفته است (جدول ۲).
نتیجه گیری
بدنه های نسوز مورد مطالعه مربوط به سیستم کوراندوم- زیرکونیا- مولایت هستند و با داشتن ویژگیهایی از جمله مقاومت شیمیایی، سایشی، استحکام مکانیکی و شوکپذیری بالا و نیز هدایت حرارتی پایین، کاربرد گسترده ای در صنعت شیشه دارند. با تغییر عوامل فیزیکی و شیمیایی، ترکیبات متنوع این سیستم را میتوان در بخشهای مختلف فرآیند ساخت شیشه مورد استفاده قرار داد.
