یکی از ابتدایی ترین مراحل صنعت تولید فولاد، ذوب آهن است. برای تولید شمش های فولادی نورد گرم لازم است. عموما این محصولات در کوره هایی که بدنه آن ها از مواد نسوز ساخته شده‌اند انجام می شود. مواد نسوز نقش مهمی در صنایع مختلف ایفا می کند. مهم‌ترین کاربرد مواد نسوز در کوره ها ذوب است، زیرا دما در این کوره ها به میزان زیادی افزایش می یابد و باعث تمرکز حرارت در فضای محدود را فراهم می کند. در این مقاله از رسول دانیال زاده سعی داریم مواد نسوز را از تمامی زوایا مورد بررسی قرار دهیم. همچنین ببینیم در کدام صنایع کاربرد دارد. پس با ما همراه شوید.
مواد نسوز (مواد دیرگداز) چیست؟
مواد نسوز که با نام مواد دیرگداز هم شناخته می شود به موادی گفته می شود که در مقابل حرارت بالاتر از ۵۰۰۰ درجه فارنهایت مقاوم است. همچنین کلیه خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و ترمودینامیک این مواد تغییر نمی کند و در برابر سایش، خوردگی شیمیایی، فشار و شوک حرارتی بسیار مقاوم است. مواد نسوز به طور گسترده در صنایع مختلف مثل متالوژی، سرامیک سازی و شیشه سازی کاربرد دارد. این مواد در کوره ها، راکتورها و بخور سوزها استفاده می شود. امروز تقریبا ۷۰ درصد از کل نسوزهای تولید شده در صنایع آهن، فلزات و ریخته گری مورد استفاده قرار می گیرند.
مهم ترین خواص مواد نسوز
یکی از معیارهای مهم مواد نسوز، مقدار نسوز بودن آن ها در مواجه با دمای نسبتا بالا است به صورتی که تغییر شکل ندهد. این مسئله نشان دهنده آن است که مواد نسوز باید در دماهای مختلف از نظر جسمی و شیمیایی پایدار باشند. این معیار اغلب به وسیله مخروط های زیگر که خود از مواد سرامیکی هستند، اندازه گرفته می شود. وقتی که ماده نسوز در دماهای مختلف قرار می گیرد، این مخروط ها به خاطر دما نشست می کنند (مقدار نشست به ترکیبات مخروط بستگی دارد) پس از این که حرارت دهی تمام شد ماده نسوز با مخروط زیگر مقایسه می شود و به این صورت مقدار نسوز بودن این ماده اندازه گرفته می شود.
کاربرد مواد نسوز در صنایع چیست؟
همانطور که در بالا هم گفته شد مواد نسوز طیف گسترده‌ای از صنایع را شامل می شود از جمله متالورژی، شیشه سازی و سرامیک سازی را می توان نام برد. اما آنچه مسلم است بیشترین استفاده از این ماده در صنایع ریخته گری و فولاد به کار گرفته می شود. مواد نسوز در صنایع متالوژی مانند آستر کاری انواع کوره ها، جداره دودکش ها، سرباره، خطوط انتقال مواد مذاب وغیره استفاده می شود. حتی در صنایع غیر متالورژیکی، مبدل های هیدروژنی، گرمکن ها، کپرهای زباله سوز و گوگردی کاربرد دارد.
کاربردهای دیگر مواد نسوز عبارتند از:
- صنایع فولاد
- صنایع فلزات غیر آهنی
- صنایع پتروشیمی
- صنایع پالایشگاهی
- صنایع آهک و سیمان
- کوره های سرامیک سازی
- صنایع آلومینیوم
- صنایع شیشه سازی
- نیروگاه ها و راکتورهای هسته ای
- توربین های گازی
کاربرد مواد نسوز در صنعت فولاد سازی چیست؟
مهم‌ترین کاربردهای مواد نسوز در صنایع فولاد است. زیرا مواد مذاب و سرباره ها اثرات بسیار زیان باری را بر آستر کوره ها در صنایع ذوب آهن و فولاد وارد می کنند. این اثرات باعث آلودگی، پوسیدگی، سایش و شستن و حمل مواد نسوز می شود. هدف اصلی مواد نسوز که برای آستر کوره ها به کار می رود این است که در مقابل عوامل شیمیایی از خود واکنشی نشان ندهد و فلزات سرباره نتواند در آن نفوذ کند.
امروزه بیشترین میزان مصرف مواد نسوز در صنایع فولاد است به این صورت که برای تولید یک تن فولاد باید ۱۰ الی ۲۰ کیلو گرم مواد نسوز استفاده شود. این نمونه کوچک از مصرف مواد نسوز نشان می دهد، نقش مواد نسوز بسیار با اهمیت است به همین خاطر در صنایع بزرگ بخش های مخصوصی برای مواد نسوز دارند که آزمایشات لازم را بر روی این محصول انجام می دهند.
مواد نسوز چگونه دسته بندی می شوند؟
مواد نسوز را می توان برحسب ترکیبات شیمیایی و روش های تولید یا شکل فیزیکی تقسیم بندی می کنند. علاوه بر این دسته بندی ها، مواد نسوز را طبق کاربرد آن نیز طبقه بندی می کنند. از نظر شیمیایی این مواد را به سه دسته تقسیم می شود که عبارتند از:
مواد نسوز اسیدی
این مواد اسیدی در محل های که اتمسفر و سرباره های اسیدی استفاده می شود کاربرد دارد. این دیرگدازها در برابر اسیدها بسیار مقاوم هستند ولی در برابر مواد قلیایی ضعیف عمل می کنند.
مواد نسوز بازی
اصولا این نوع مواد نسوز در محل هایی استفاده می شود که اتمسفر و سرباره هستند. این مواد در برابر بازها مقاومت و در برابر اسیدها از خود واکنش نشان می دهد. مواد اولیه این نیروها متعلق به گروه RO هستند که از متداول‌ترین نوع آن می توان به اکسید منیزیم اشاره کرد.
مواد نسوز خنثی
این نوع مواد در محل های مورد استفاده قرار می گیرد که اتمسفر و سرباره وضعیت معینی ندارد و گاهی باز و گاهی اسیدی است که در مقابل بازها و اسیدها پایدار هستند. مواد اولیه این مواد به گروه R2O3 تعلق دارد.
انواع مواد نسوز بر اساس روش ساخت
امروزه مواد نسوز در فرم های مختلفی در بازار وجود دارند که سه فرم اصلی آن از همه مهم تر است. این سه فرم عبارتند از:
اشکال نسوز
همانطور که از نام آن مشخص است این مواد از قبل فرم داده شده‌اند مانند آجرهای که برای ساخت کوره های به محل نصب ارسال می شود.
مونولیت ها
این نوع نسوزها بدون شکل هستند و به عنوان نسوزهای بی شکل هم شناخته می شوند. این نسوزها از ترکیبات خرده های نسوز، خاک نسوز و سیمان نسوز تشکیل شده است. مونولیت ها به صورت خشک هستند و همانند سیمان با آب ترکیب می‌شود که به شکل مورد نظر فرم دهی و همان موقع حرارت داده می شود.
فیبرهای سرامیک
این نوع مواد نسوز از مواد بسیار سبک ساخته می شوند. حسن این نوع مواد نسوز این است که با شکل های مختلف و با کاربردهای متفاوت و دماهای مختلف وجود دارد. برای ساخت فیبرهایی سرامیکی از آموینا – سیلیکات و آلومینا – زیرکونیا استفاده می شود.
نمونه ای از ماده های نسوز عبارتند از:
آجر سیلیسی
یکی از ماده های نسوز آجر سیلیسی است که دارای ۹۳ درصد سیلیس هستند. این آجرهای نسوز در دمایی نزدیک به نقطه همجوشی واقعی است و در مقابل سرباره های مذاب اسیدی پایدار بسیاری دارد. برای همین در صنایع شیشه سازی و فولاد استفاده می شود.
نسوزهای آلومینا
نسوزهای آلومینا دارای بیش از ۴۵ درصد آلومینا هستند که غلظت آن ها می تواند تا ۹۵ درصد نیز تغییر کند. افزایش درصد آلومینا باعث افزایش مقاومت نسوزهای آلومینا می شود. این محصول در کوره های آهکی و سیمانی، دیگ های بخار کاربرد دارد.
نسوزهای منیزیت
این نسوزها از حداقل ۸۵ درصد اکسید منیزیم تشکیل شده اند. این مواد نسوز از سیلیس و منیزیت طبیعی ساخته شده است. این نوع نسوز در برابر سرباره های آهکی و آهنی مقاومت زیادی داشته باشد. نسوزهای منیزیت یکی از مهم ترین نسوزهای مورد استفاده در تولید فولاد است.
نسوزهای کرومیت
مواد این محصول اصولا حاوی ۱۵ الی ۳۵ درصد اکسید کروم و ۴۲ الی ۵۰ منیزیم هستند. همچنین دارای حداقل ۶۰ درصد اکسید منیزیم و ۸ الی ۱۸ درصد اکسید کروم است. این نمونه از نسوزها در مقابل گازها و سرباره ها مقاومت خوبی دارد.
نسوز زیرکونیا
این نسوزها دارای مقاومت زیادی هستند و در مقابل سایر نسوزها هدایت حرارتی خیلی پایینی دارند. این مواد با فلزات مایع و شیشه های مذاب واکنش نشان نمی دهند به همین خاطر در متالوژی و کوره های شیشه ای کاربرد دارد.
مواد نسوز عایق
مواد عایق، جزو نسوزهایی هستند که هدایت گرمایی پایینی دارند به همین خاطر برای کاهش هدر رفت گرما از آن استفاده می شود. این مواد مقاومت حرارتی بالایی نسبت به آجر دارند. مواد نسوز تاثیر زیادی بر ایمنی، مصرف انرژی و کیفیت محصولات می گذارند. هر کدام از آن ها بر حسب کاربردی که دارند از اهمیت زیادی برخوردار هستند.
انواع مواد نسوز بر اساس دمای همجوشی
مواد نسوز بر اساس دمای همجوشی به سه نوع تقسیم می شوند.
نسوز عادی
دما همجوشی ۱۷۸۰ درجه سانتیگراد است مانند خاک رس آت.
نسوز بالا
دمای همجوشی آن بین ۱۷۸۰ تا ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد است مانند .
فوق العاده نسوز
دمای همجوشی بیشتر از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد است مانند زیرکون ها.
ویژگی های مواد نسوز چیست؟
- مواد نسوز قادر است دماهای بالا را تحمل کند.
- پایداری حرارتی در دماهای بالا
- بعد از هر دوره دمایی تکرار شونده دارند.
- تمامی ویژگی های مکانیکی خود را در دمای بالا حفظ می کنند.
شرایط عملکرد مواد نسوز چگونه است؟
اصولا اتمسفری که در ماده نسوز به کار گرفته می شود مشخص می کند که چه موادی در آن بکار رفته است، مثلا در صورت نبودن اکسیژن و خلا، نسوزهای گرافیتی می توانند تا چند هزار درجه را تحمل کند. اما زمانی که در شرایطی قرار گیرد که اکسیژن وجود داشته باشد ممکن است دمای آن کمتر از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد شود.
همچنین نوع موادی که با ماده نسوز در تماس هستند هم می توانند مشخص کنند که برای کدام ماده مناسب است. مثلا در تولید فولاد، مواد نسوز پایه مورد استفاده قرار می گیرد؛ زیرا مواد نسوز با سرباره ها در تماس هستند که دارای منیزیم و اکسیدهای کلسیم است. اگر از نیروهای اسیدی در ساختار آن استفاده شود در تماس با سرباره ها به سرعت فرسوده می شوند.
نقش تخلخل مواد نسوز
مواد نسوز در ویژگی ها و چگالی های مختلفی ساخته می شوند. این موضوع نشان دهنده آن است که نسوزها با تخلخل کم در مقایسه با تخلخل های بالاتر، هدایت گرمایی بالاتری را خود نشان می‌دهد. معمولا آجرهای نسوز یک عایق حرارتی بسیار قوی است که مقدار زیادی هوا را در خود جای داده است و همانطور که می دانید هوا نیز هادی بسیار ضعیفی در برابر گرما است. اما باید این نکته را بدانید که مواد با تخلخل بالا در دمای بالا، انقباض یا چروک می شود و باعث می گردد عملکرد خوبی نداشته باشد. به همین خاطر از مواد نسوز با تخلخل کم در نواحی گرم و موادی که دارای تخلخل بیشتر است به عنوان پشتیبان حرارتی استفاده می شوند.
فاکتورهای مورد نیاز بر روی عملکرد مواد نسوز
برای اینکه عملکرد مواد نسوز یا دیرگدازها به خوبی پیش رود نیاز به فاکتورهای زیر است:
- دما
- ترکیبات شیمیایی
- ترکیب شیمیایی گاز یا سرباره
- سرعت حرکت سرباره
- تنش های ترمومکانیکی
- انتخاب نوع مواد نسوز
- نوع کوره و مقدار حرارت
- شرایط غالب در حین استفاده (شامل اتمسفر گازی، حضور سرباره، نوع فلز)
نتیجه گیری
مواد نسوز یا دیرگداز به موادی گفته می شود که می توانند در درجه حرارت بالا همچنان پایدار بمانند. مواد نسوز باید قابلیت حفظ تمامی خصوصیات شیمیایی و فیزیکی مورد نظر را در حرارت بالا و محیط مورد استفاده داشته باشند. همچنین عوامل مخرب مانند سایش، ضربه، بار مکانیکی، حمله شیمیایی و کاربرد آن در صنایع فولاد، پتروشیمی، توربین های گازی، صنایع فلزات غیر آهنی، صنایع آهک و سیمان را مورد بررسی قرار دادیم. امیدوارم نهایت استفاده را کرده باشید.