محسن پروان، هیراد عباس­زاده، حامد فتحی

شرکت فرآورده­های نسوز ایران

چکیده

در پژوهش حاضر، تولید دیرگدازهای آندالوزیتی و بررسی اثر دمای پخت بر خواص آن انجام شد. در این راستا، پس از طراحی فرمولاسیون، ساخت و پخت آجر آندالوزیتی در دماهای ^oC1290، ^oC1320، ^oC1350 و ^oC1380صورت گرفت. سپس بررسی خواص فیزیکی (چگالی، تخلخل ظاهری)، خواص مکانیکی (استحکام فشاری سرد (CCS)) و دیرگدازی تحت بار (RUL)انجام گرفت. نتایج نشان داد که عملاًخواص فیزیکی و مکانیکی بهینه با پخت در دمای ^oC1350ایجاد شده است و دانسیته (g/cm^۳۵۹/۲)، تخلخل ظاهری (۳/۱۲ %)، استحکام فشاری سرد (Kg/cm^۲۹۶۹) و بالاترین دیرگدازی تحت بار (^oC1650)بدست آمده است و همچنین پخت در دمای بالاتر ( ^oC1380) تاثیر چندانی بر خواص محصول نداشته است.

کلمات کلیدی:آندالوزیت، دیرگداز، خواص فیزیکی، خواص مکانیکی، خواص حرارتی.

مقدمه

آندالوزیت یک آلومینوسیلیکات طبیعی است و به عنوان یک منبع مولایت در تولیدات نسوز شکل‌دار و بی‌شکل به کار برده می‌شود. تبدیل آندالوزیت به مولایت در °C1200 آغاز و به یک ترکیب ۸۰% مولایت – ۲۰% فاز شیشه‌ای سیلیسی با یک ریز ساختار منحصربه‌فرد ختم می‌شود.آجرهای آندالوزیتی دارای مقاومت خزشی بالایی در مقایسه با سایر آجرهای نسوز هستند. مقاومت آنها در حرارت بالا بسیار زیاد است و در این حالت حجم ثابتی دارند. این آجرها در برابر نفوذ سرباره مقاوم هستند. نسوزهای آندالوزیتی در شرایطی که فشار و سایندگی بالا باشد، مناسب می باشند. در نسوزهای پخته­ شده، تبدیل آندالوزیت به مولایت در کوره تولید انجام می‌شود ولیکن در نسوزهای پخته­ نشده، این تبدیل تا اندازه‌ای در حین استفاده از محصول دیرگداز رخ می‌دهد. در پاتیل‌های فولادسازی، آجرهای پخته­ شده یا پخته نشده‌ آندالوزیتی در آستر کف کوره مورد استفاده قرار می­ گیرد. آندالوزیت در مقایسه با سیلیمانیت و کیانیت مزایایی دارد از جمله این که طی فرایند تولید مولایت، آندالوزیت دستخوش تغییرات کمی از نظر حجمی می شود و تا حدود ۴ درصد منبسط می‌شود که از دیدگاه صنعت نسوز مطلوب است. آندالوزیت در مقایسه با دیستن و سیلیمانیت آسان‌تر به مولایت تبدیل می‌شود. مولایتی شدن آندالوزیت در دمای حدود °C1200 به آهستگی و به ‌طور پیوسته صورت می‌گیرد و افزایش حجم کمتری در مقایسه با سیلیمانیت و دیستن نشان می‌دهد. تولید محصولات دیرگداز آندالوزیتی نیاز به کلسیناسیون ندارد، درصورتی‌که دیستن باید قبل از مصرف کلسینه شود. این ماده برای ساخت طیف گسترده‌ای از مواد نسوز مخصوصاً آجرهای استفاده شده در ذوب آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد. حوزه اصلی کاربرد نسوزهایی بر پایه آندالوزیت در ذوب آهن شامل گرم­کن­ های هوای کوره‌های بلند، مخلوط­ کن‌های متحرک، انتقال فلز مذاب و فولاد ریخته‌گری، پاتیل‌های واسطه و سقف میکسر است. نسوزهای آندالوزیتی همچنین در تجهیزات کمکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. دلایل دیگر استفاده از نسوزهای آندالوزیتی عبارتند از:

• خلوص بالاناشی از مقدار بسیار کم گدازآورها
• مقاومت به واکنش CO(ناشی از مقدار کم آهن)
• حجم واقعی پایدار و تخلخل کم که حفاظت مؤثر از نفوذ سرباره و فلز را ایجاد می­کند.
• هدایت حرارتی کم

با در نظر گرفتن مجموع این مزیت­ها، ساخت دیرگداز آندالوزیتی جهت کاربرد در صنایع آهن و فولاد به عنوان هدف پژوهش حاضر در نظر گرفته شد.

مواد و روش تحقیق

برای ساخت آجر، ازمواد اولیه با مشخصات ارائه­ شده در جدول ۱ استفاده شد. سپس مخلوط مواد اولیه طبق فرمول جدول ۲ تهیه و با پرس هیدرولیک تک محوره با فشار پرس bar90 در ابعاد استاندارد آجر mm^۳۷۶ ×۱۱۴×۲۳۰ شکل داده شد. سپس آجرها در دماهای ^oC1290، ^oC1320، ^oC1350 و ^oC1380 به مدت ۵ ساعت در کوره پخته شدند و دمای پخت بهینه تعیین شد. آنالیز شیمیایی مواد اولیه و محصولات به روش تیتراسیون انجام گرفت. چگالی (به روش ارشمیدس)، درصد تخلخل ظاهری، استحکام فشاری سرد و دیرگدازی تحت بار نیز بررسی گردید. بررسی استحکام فشاری سرد (CCS) توسط دستگاه Toni Technik GmbH ساخت آلمان انجام شد. آزمایش دیرگدازی تحت بار (RUL) نیز با دستگاه NETZSCH- Gerätebau GmbHساخت آلمان انجام و دمای T_۰.۵تعیین گردید. پراش پرتو ایکس (XRD) توسط دستگاه XpertPhilipsساخت هلند با ولتاژ KV40 و جریان mA30 با لامپ مس (A^o۵۴۰۵۹/۱=Cu _Kα) در زوایای ۸۰-۱۰ درجه انجام شد.

جدول ۱. آنالیز شیمیایی مواد اولیه

جدول ۲. فرمولاسیون محصول

بحث و نتایج

نتایج آنالیز فازی همه نمونه­ ها(الگوهای XRD)در شکل ۱ ارائه شده است. این نتایج نشان می­دهد که فاز مولایت در همه نمونه­ ها تشکیل شده است. همچنین بیشترین میزان فاز مولایت در دمای^oC1350 به دست آمد. نتایج آنالیز شیمیایی نمونه پخته شده در دمای ^oC1350نیز در جدول ۳ ارائه شده است.

شکل۱. الگوهای XRDنمونه ­های پخته ­شده در دماهای مختلف

جدول ۳. آنالیز شیمیایی محصول

بررسی نتایج اندازه ­گیری خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی نمونه­ های پخت­ شده در دماهای مختلف (شکل ۲ و جدول ۴) نشان می­دهد که عملا خواص فیزیکی و مکانیکی بهینه با پخت در دمای ^oC1350 ایجاد شده است. روند مشاهده ­شده برای چگالی نیز تایید کننده انجام واکنش تشکیل مولایت است و نشان می­دهد که با افزایش دما، مقدار مولایت بیشتری تشکیل­ شده است. همچنین تفاوت چشمگیری بین خواص مذکور در نمونه ­های پخته ­شده در دماهای ^oC1350 و ^oC1380 مشاهده نمی­ شود. در دماهای پایین­تر نیز زینترینگ به خوبی رخ نداده و کامل نشده است و بنابراین فازهای مطلوب تشکیل نشده­اند که باعث افت خواص محصول نهایی شده است. با توجه به این نتایج، دمای ^oC1350 به عنوان دمای بهینه برای پخت آجر آندالوزیتی انتخاب شد.

جدول ۴. خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه­ ها در دماهای پخت مختلف

شکل ۲. خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه­ ها در دماهای پخت مختلف

نتیجه­ گیری

در این پژوهش، دیرگداز آندالوزیتی با هدف کاربرد در صنایع آهن و فولاد طراحی و ساخته شد. نتایج نشان داد که خواص فیزیکی و مکانیکی بهینه با پخت در دمای ^oC1350 ایجاد شده است و دانسیته (g/cm^۳۵۹/۲)، تخلخل ظاهری (۳/۱۲ %)، استحکام فشاری سرد (Kg/cm^۲۹۶۹) و بالاترین دیرگدازی تحت بار (^oC1650) حاصل شد. دمای زینترینگ بهینه نیز ^oC1350 به دست آمد. بالاترین میزان مولایت نیز در دمای ^oC1350 ایجاد شد.

منابع

1. P. Dubreuiand V. M. Sobolev ” andalusite apromising material “Refractories and Industrial Ceramics, Vol. 40, Nos. 3- 4,1999

۲.E. Filari, “Minerals of the sillimanite group,” RivistaRefrattari Genova Sanac S.p.A., V(8), 561 – 567 (1980).

۳ l.solombel,bouchetou,” Thermal  shock  resistance of andalusite based bricks ” unites 07-2005

4. Ranchi, ” Mullite formation in refractory castables “,2000
5. J.P. Ildefonse, V. Gabis, F.” Cesbron, Mullitization of andalusite in refractory bricks “, Key Engineering Materials, vols. 132–۱۳۶, Trans
6. W. Pannhorts, H. Schneider, “The high-temperature transformation of andalusite (Al2SiO5) into 3/2 mullite (3Al2O32SiO2) and silica (SiO2), Mineral. Mag “. 42 (1978) 195–۱۹۸. ۱۰۰۴ M.-L. Bouchetou et al. / Ceramics International 31 (2005) 999–۱۰۰۵
7. Hulsmann, M. Schmucker, W. Mader, H. Schneider,” The transformation of andalusite to mullite and silica” part I. Transformationmechanism in [0 0 1] direction, Am. Mineral. 85 (2000) 980–۹۸۶.
8. Marie-Laure Bouchetoua, Jean-Pierre Ildefonsea, Jacques Poiriera, Pierre Daniellouc” Mullite grown from fired andalusite grains “DAMREC, 22110 Glomel, France, 2005
9. P. Dubreuil, 1 E. Filari, 1 and V. M. Sobolev I” USE OF ANDALUSITE REFRACTORIES IN FERROUS METALLURGY ” UDC 666.762.15,Vol. 40, Nos. 5 – 6, 1999
10. P.Prigent,”addition of andalusite in fireclay bricks for anode baking furnaces ” unitecr07 ,pp 420-423

۱۱. سالمی، ف.، کریمیان، ب.، اطرج، س.، “بررسی افزودن نانوذرات اکسید تیتانیوم بر دمای تشکیل مولایت در دیرگدازهای آندالوزیتی جهت کاربرد در صنعت آهن و فولاد”، سمپوزیو