جایگزینی آجرهای منیزیایی لایه‌کاری پاتیل‌های فولادی با
جرم‌های مونولیتیک منیزیا-گرافیت
شهرام شمس[1]، افشین رزمی2، آرزو کریمی3، حسن احمدی4
1 مشاور صنعت نسوز
2 مدیرعامل گروه صنعتی بهین
3 معاونت بازرگانی گروه صنعتی بهین
4 مدیر کارخانه گروه صنعتی بهین
چکیده
جرم‌های ریختنی منیزیایی از دیرباز مورد توجه تولیدکنندگان بوده‌اند ولی به دلیل شوک‌پذیری بالا مورد استقبال مصرف‌کنندگان قرار نگرفتند. اخیراً محصولاتی تولید شده است که جایگزینی آن‌ها به عنوان لایه‌کاری پاتیل‌های فولاد به سرعت در حال توسعه است. عواملی از جمله مسائل اقتصادی، کاهش توقفات و امکان تعمیرات موضعی سریع، از جمله ویژگی‌های مثبت این طرح میباشد. در انجام این پروژه و فایق آمدن بر مشکل مذکور، تحقیقات متنوعی انجام گردید. نمونه‌های متنوعی تولید و خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها از جمله تست‌های شوک‌پذیری، PLC، خوردگی و CCS بررسی شد. انواع متنوعی از نانو افزودنی‌های مختلف مورد استفاده و تأثیرات ترکیبی آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت. نهایتاً با توجه به اصلی‌ترین خواص مؤثر بر کیفیت محصول، هم‌چون انتقال حرارت، تغییرات ابعادی و شوک‌پذیری، بهترین ترکیب درصد انتخاب شد. سپس نمونه‌ای بر اساس فرمولاسیون نهایی تولید و با توجه به بررسی نتایج حاصله، محصول نهایی با آجرهای MC مورد مقایسه قرار گرفت. در نهایت نمونه‌ای از این محصول به منظور تست نیمه صنعتی و جهت ترمیم پوشش‌های منیزیتی پاتیل‌های فولادی تولید شد. بر اساس نتایج رضایت‌بخش حاصل از گانینگ پوشش منیزیتی فوق‌الذکر، محصول اشاره شده به منظور نصب در پاتیل فولاد تولید گردید.
کلمات کلیدی: نانو افزودنی، گانینگ، آجرهای MC، PLC، CCS.
مقدمه
از جمله موارد مورد توجه صنایع مصرف‌کننده دیرگداز، می‌توان به کاهش مصرف دیرگداز و هم‌چنین کاهش توقفات تعمیراتی اشاره کرد. لذا ارتقاء کیفیت محصولات دیرگداز همواره مطلوب صنایع مصرف‌کننده بوده است. در این بین، گاهاً نوآوری‌هایی صورت گرفته که اثرات رضایت بخش‌تری به همراه داشته است. [1]
لایه‌کاری پاتیل‌های فولاد عمدتاً با انواع آجرهای کربن منیزیایی ساخته می‌شوند. این محصولات در شرکت‌های مختلف، بسته به حجم پاتیل، نوع مواد اولیه و نوع فولاد تولیدی متفاوت است. این لایه نسوز پس از چندین ذوب تخریب شده و مجدداً نسوزکاری می‌شود. سال‌هاست که در کوره‌های فولادی نظیر کوره قوس الکتریکی پوشش نسوز قلیایی عمدتاً از طریق گانینگ ترمیم شده و ضمن به تعویق انداختن زمان تخریب پوشش نسوز مذکور، بهره‌وری تولید افزایش می‌یابد[2]. در عین حال ترمیم پوشش نسوز پاتیل‌ها از طریق گانینگ، به سختی صورت می‌گیرد. بخش ترمیم شده به دلیل عدم بافت یکسان و فقدان باند قوی، فرسوده و از بین می‌رود. اخیراً بسیاری از شرکت‌های تولیدی در صدد جایگزینی آجرهای قلیایی مذکور با جرم‌های منیزیایی برآمده و در برخی موارد، موفقیت‌هایی نیز حاصل کرده‌اند. این شرکت‌های اروپایی در این نوآوری پیشرو می‌باشند. از جمله مزایای عنوان شده برای جایگزینی این محصول می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- سهولت نصب سریع و آسان
- امکان گانینگ و به تعویق انداختن تخریب پوشش نسوز و نوسازی آن
- کاهش ضریب نفوذ فولاد به دلیل عدم وجود درز آجرها
- کاهش هزینه تمام شده پوشش نسوز
- افزایش تعداد سیکل کاری پاتیل‌های مذاب [3و4]
در عین حال باید توجه داشت که مشکل اساسی جرم‌های منیزیتی، شوک‌پذیری بالای و هم‌چنین تغییرات ابعادی این محصولات میباشد. این مشکل منحصر به محصولات بی‌شکل نبوده و در محصولات شکل‌دار هم نمایان میباشد[5]. علت اصلی به درازا کشیدن تحقیقات در رابطه با جایگزینی آجرهای پاتیل با جرم‌های منیزیتی، غلبه بر مشکلات مذکور بوده است. در این پروژه با تمرکز بر یافتن شیوه‌های مناسب و در عین حال اقتصادی جهت برطرف نمودن این مشکلات، تحقیقات زیادی صورت گرفت. عملاً می‌توان چنین عنوان کرد که با توجه خاص بر اصلاح معایب جرم‌های منیزیایی، نمونه‌های متنوعی تولید و بر اساس فرمولاسیون‌های جدید مشخصات عمده آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت. سپس نتایج حاصله با مشخصات آجرهای MC پاتیل مورد مقایسه واقع شد. در این راستا فرمولاسیون پایه جرم منیزیایی به عنوان مبنا انتخاب شد. با بکارگیری دانش نانو افزودنی‌های خاص دیرگدازها، فرمولاسیون‌های متعددی طرح‌ریزی شد. در ادامه اثرات ترکیبی این افزودنی‌ها مورد تحقیق قرار گرفت. نمونه‌های زیادی تولید و برخی خواص آن‌ها از جمله PLC ,RUL، شوک‌پذیری و استحکام و مقاومت به سایش و خوردگی آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت.
متعاقباً بهترین نمونه تولیدی که از کیفیت قابل قبولی برخوردار بود، تعیین و پس از گذراندن تست‌های مجدد، صحت انتخاب آن مورد تحقیق و بررسی مجدد قرار گرفت. در انتخاب فرمول نهایی ملاک اصلی، نزدیکی مشخصات فنی محصول به آجرهای MC بود. پس از آن، هماهنگی لازم با یکی از صنایع فولادی به عمل آمد تا مرحله تست نیمه صنعتی آن مورد آزمون قرار گیرد. محصول پیشنهادی به لحاظ کیفی از خواص مطلوبی برخوردار بوده و از دیدگاه تئوری علم نسوز مورد تأیید قرار گرفت. اعداد و ارقام نتیجه شده از تست‌های مختلف نیز مؤید این موضوع میباشد.
روش تحقیق
در بدو امر نمونه‌هایی از آجرهای منیزیا گرافیت مورد مصرف در لایه کاری پاتیل‌های فولاد به عنوان نمونه‌های شاهد تهیه و برخی مشخصات فنی آن‌ها از جمله دانسیته، استحکام، تخلخل و وزن حجمی اندازه‌گیری گردید (جدول 1). در ادامه از هر کدام از نمونه‌ها سطح مقطعی تهیه گردید تا زیر میکروسکوپ مورد مطالعه قرار گیرد. آجرهای MC عمدتاً دایرکت باند نبوده و صرفاً در دمای حدود 200 درجه سانتی‌گراد تمپر می‌شوند. این آجرها که دارای بایندرهای رزینی پرکربن هستند، از طریق پرس تولید می‌شوند. پس از تمپر، شبکه کربنی حاصل از رزین مصرفی، استحکام کافی پیدا کرده و آجرها عملاً در درجه حرارت‌های بالا و در مجاورت فولاد سینتر می‌شوند.
پس از آن دو نمونه از اگریگیت جرم ریختنی منیزیایی، بر اساس یک توزیع دانه‌بندی نرمال و پیوسته تهیه گردید و 6 درصد گرافیت به آن اضافه شد. پس از آن حدود 2 درصد از بایندر شیمیایی به نمونه اول و 3 درصد از بایندر اکسیدی به نمونه دوم اضافه گردید. پیش از این در انتخاب بایندرها به نحوی عمل شد که استعداد تشکیل باند شیمیایی در دماهای پایین‌تر از دمای سینترینگ منیزیا را داشته باشد. بایندرها بایستی از لحاظ ظرفیت عناصر پیوند دهنده، قابلیت تشکیل (پیوندهای عرضی)[2] را هم داشته باشد تا از این طریق، شبکه‌ای از پیوندهای قوی ایجاد کند. سپس از جرم‌های تهیه شده 1 و 2، قالب‌هایی ریخته شد و در محیط احیایی و در دمای 200 درجه سانتی‌گراد تمپر شدند. در مرحله بعد نمونه‌های تمپر شده 1 و 2 با نمونه‌های آجر کربن منیزیتی شاهد مورد مطالعه قرار گرفت و استحکام سرد و دانسیته تخلخل آن‌ها اندازه‌گیری و با مشخصات آجرهای MC مقایسه شد. نتایج حاصله در جدول شماره 2 آمده است. در ادامه، با توجه به اثر بایندر 2 و واکنش‌پذیری آن در دمای بالاتر، از هر یک از نمونه‌های تولیدی و شاهد، یک قطعه در شرایط احیایی و در دمای حدود 700 درجه سانتی‌گراد پخت شد و مجدداً استحکام و دانسیته و تخلخل نمونه‌ها اندازه‌گیری شد. نتایج در جدول 3 ارائه شده است. بر این اساس نمونه جدیدی (کد 3) با ترکیب درصدی متشکل از هر دو بایندر تهیه گردید. پس از آن مشخصات فیزیکی استحکام سرد، تخلخل و دانسیته نمونه‌های خام و تمپر و پخت احیایی اندازه‌گیری و با مشخصات فنی نمونه آجرهای منیزیا گرافیتی مورد مقایسه قرار گرفت (جدول 4). سپس سطح مقطع نمونه‌های تولیدی نیز در مقایسه با نمونه‌های شاهد در زیر میکروسکوپ مورد مطالعه قرار گرفت (شکل 1). در ادامه فعالیت ها، جهت بررسی میزان اثر سوختگی و نفوذ مذاب، تست خوردگی روی نمونه تولیدی نهایی و هم‌چنین قطعات آجر منیزیا کربن صورت گرفت (شکل 2).
نتایج و بحث
با توجه به جدول شماره 2 به وضوح مشهود است که تراکم آجرها بیش‌تر از جرم‌های منیزیا گرافیتی 1 و 2 میباشد. در عین حال استحکام نمونه 1 در مقایسه با نمونه شاهد بیش‌تر و در مقایسه با نمونه 2 بسیار بالاتر میباشد. این امر ناشی از فعالیت و تشکیل پیوند شیمیایی قوی به دلیل حضور بایندر شیمیایی بوده که در دمای پایین واکنش داده و منجر به ایجاد پیوند شیمیایی شده است. در ادامه، همان‌طور که انتظار می‌رفت، بنابر نتایج جدول 3، در این شرایط دمایی، نمونه آزمایشی 1 از مشخصات کیفی بهتری برخوردار میباشد.
با مشاهده شکل 1 و جدول 4 به وضوح نمایان است که جرم منیزیا گرافیت تولیدی در مقایسه با نمونه‌های آجر منیزیا گرافیت، از شرایط مطلوب و قابل قبولی برخوردار میباشد. هم‌چنین با توجه به شکل شماره 2 می‌توان چنین اظهار کرد که میزان سوختگی و نفوذ مذاب در شرایط یکسان برای نمونه تولیدی و نمونه آجر MC تقریباً یکسان میباشد.
آجرهای منیزیا کربن به لحاظ شرایط تولید و پرس و تمپر بسیار گران‌تر از جرم‌های ریختنی منیزیا-کربن می‌باشند. ضمناً تعمیر موضعی آن‌ها از طریق گانینگ نیز علاوه بر تحمیل هزینه گزاف، آن‌چنان مطلوب و اثر بخش نمی‌باشد. به دلیل بافت زمینه غیر یکسان آجر MC و جرم گانینگ، بخش ترمیم شده مجدداً از بدنه اصلی جدا شده و از بین می‌روند. با توجه به نتایج حاصل از این مطالعات، می‌توان اظهار داشت که استفاده از جرم منیزیا گرافیت تولیدی جهت نصب به عنوان پوشش نسوز لایه کاری پاتیل، هزینه و زمان کم‌تری را می‌طلبد. مصرف این محصول بسیار مقرون به صرفه‌تر است. استفاده ترکیبی از دو بایندر با دمای واکنش‌پذیری متفاوت نیز کیفیت مطلوب‌تری را برای پوشش ریختنی نسوز نتیجه می‌دهد. لذا جرم نصب شده از شرایط کیفی مطلوب‌تر برخوردار است. علاوه بر این، گانینگ تعمیری این پوشش نسوز هم مثمر ثمر‌تر خواهد بود. چرا که بافت زمینه یکسانی داشته و شرایط تشکیل باند قوی بهتری را دارا میباشد. عدم وجود درزهای ناشی از نصب آجرهای منیزیا گرافیت نیز از نفوذ مذاب و خوردگی‌های موضعی ممانعت بعمل خواهد آورد.
نتیجه‌گیری
جرم ریختنی منیزیا کربن علاوه بر صرفه اقتصادی ناشی از قیمت تمام شده محصول، نصب راحت‌تری را به همراه دارد. ضمناً از حیث زمان نصب نیز، افزایش بهره‌وری شرکت فولادی را به همراه داشته و مطلوب مصرف‌کننده میباشد.
امکان تعمیر موضعی جرم از طریق گانینگ نیز به دلیل ماتریکس یکسان و شرایط تشکیل پیوند قوی در محدوده دماهای مختلف (که در اثر استفاده ترکیبی از هر دو افزودنی میباشد) را امکان‌پذیر می‌نماید. لذا مصرف این محصول هم از صرفه اقتصادی برخوردار بوده و هم به زمان نصب و تعمیر کم‌تری نیاز دارد.
تشکر و قدردانی
نویسندگان این مقاله از جناب آقایان مهندس مرتضی رستمی، مهندس مسعود بنده‌زاده و محمد رحمانی که در مراحل مختلف انجام این پروژه همکاری نمودند، کمال تشکر را دارند.
مراجع
[1] Dal Maschio, R., Fabbri, B., and Fiori, C. Industrial applications of refractories containing magnesium aluminate spinel. Ind. Ceram., 1988, 8(3), 121–126.
[2] Li, H., Wei, H-Y., Cui, Y., Sang, R-L., Bu, J-L., Wei, Y-N., et al. Synthesis and characterisation of MgAl2O4 spinel nanopowders via nonhydrolytic sol–gel route. J. Ceram. Soc. Jpn., 2017, 125(3), 100–104.
[3] Yan, W., Lin, X., Chen, J., Li, N., Wei, Y., and Han, B. Effect of TiO2 addition on microstructure and strength of porous spinel (MgAl2O4) ceramics prepared from magnesite and Al(OH)3. J. Alloys Compd., 2015, 618, 287–291.
[4] Ganesh, I. Fabrication of magnesium aluminate (MgAl2O4) spinel foams. Ceram. Int., 2011, 37, 2237–2245.
[5] Ganesh, I. A review on magnesium aluminate (MgAl2O4) spinel: synthesis, processing and applications. Int. Mater. Rev., 2013, 58(2), 63–112.
جداول، نمودار و اشکال
جدول 1. متوسط مشخصات فنی آجرهای MC مصرفی در پاتیل فولاد (نمونه‌های شاهد)
| CCS (kg/cm2) | A.P (%) | B.D (g/cm3) | کد نمونه |
| 260 | 1/8 | 93/2 | آجر MC |
جدول 2. مشخصات فنی نمونه‌های تولید شده در مقایسه با آجرهای MC تمپر شده در دمای 200
| CCS (kg/cm2) | A.P (%) | B.D (g/cm3) | کد نمونه |
| 260 | 1/8 | 93/2 | آجر MC |
| 382 | 2/7 | 97/2 | نمونه 1 |
| 325 | 9/7 | 95/2 | نمونه 2 |
جدول 3. مشخصات فنی نمونه‌های تولید شده در مقایسه با آجرهای MC پخت احیایی در دمای 700
| CCS (kg/cm2) | A.P (%) | B.D (g/cm3) | کد نمونه |
| 346 | 7/7 | 94/2 | آجر MC |
| 424 | 7/6 | 96/2 | نمونه 1 |
| 362 | 3/7 | 95/2 | نمونه 2 |
جدول 4. مشخصات فنی نمونه کد 3 تولید شده حاوی هر دو افزودنی در مقایسه با آجرهای MC پخت احیایی در دمای 700
| CCS (kg/cm2) | A.P (%) | B.D (g/cm3) | کد نمونه |
| 346 | 7/7 | 94/2 | آجر MC |
| 682 | 6/5 | 05/3 | نمونه 3 |
شکل 1. تصاویر سطح مقطع‌های تهیه شده
شکل 2. تصاویر برش سوختگی و نفوذ مذاب
[1] shahrameshams@yahoo.com
[2] Cross Link
