(Binders for Refractory Castables: An Overview)
R.Sarkar
بخش اول
چسبهای (بایندرها) جرمهای دیرگداز ریختنی
در جرمهای دیرگداز (نسوز)، چسب نقش یک عامل پیوند دهنده را دارد و مخلوط حاوی ذرات پودری با استحکام کم را به هم می چسباند که این موجب می شود تا قطعه ریختنی شکل خود را حفظ کرده و در طی فرایند، استحکام بیشتری بیاید.
بدون عامل اتصال دهنده، جرمهای ریخته شده به خوبی فشرده نمی شوند و در نتیجه دارای تراکم کم و استحکام ضعیفی هستند، لذا وجود یک عامل اتصال دهنده، حتی موجب بهبود فرآیند پخت هم می شود. در ابتدا رس پلاستیک به عنوان چسب، برای دیرگدازها (نسوزها) استفاده می شد، اما خیلی سریع مشخص شد که معایب بیشتری نسبت به مزایای آن دارد. سپس سیمانهای دیرگداز(نسوز) با مقدار آلومینای کمتر از 50 درصد مورد استفاده قرار گرفت، اما این آمیزها به دلیل تشکیل فاز مایع در دمای پایین، با کاهش خواص دما بالا روبرو شدند.
عملکرد دیرگداز (نسوز)، با افزایش آلومینای سیمان بهبود یافت. اما همچنان وجود اکسید کلسیم، به عنوان یک نگرانی در کاربرد دمای بالا مطرح بود. سپس مواد پیوند دهنده بدون اکسید کلسیم، مانند سیلیکا ژل، آلومینای هیدراته، فسفات ها و... به میان آمدند.
سیستمهای مختلف پیوندی، مزایا و محدودیتهای خاص خود را دارند و مطابق الزامات جرم دیرگداز (نسوز) مورد نظر، استفاده می شوند.
جرم های نسوز، به دلیل مزایای مختلف، مانند سهولت تولید و تکنیک آسان نصب، دیرگدازی و...، در صنایع مصرف کننده نسوز، جایگزین نسوزهای معمولی شدند. وجود این مزایا، محققان حوزه نسوز و تولیدکنندگان را بر آن داشت تا این مواد را عمیقاً بررسی کرده و کیفیت و عملکرد آنها را بهبود بخشند. از اوایل دهه 1960 و همزمان با در دسترس قرار گرفتن تجاری سیمان آلومینات کلسیم خالص با مقدار بیشتر آلومینا، جرم های نسوز نسل جدید ساخته و در دمای بالا کاربرد بیشتری پیدا کردند. جرم های نسوز مخلوطی از نسبتهای مختلف اگریگیت های دیرگداز و مواد نسوز همراه با چسبها و افزودنیها می باشند که توسط تولیدکنندگان به شکل پودر خشک و همچنین مخلوط با مایع (معمولاً آب) به شکل ملات عرضه می شوند. مصرف کننده، آنها را در قسمت مشخص ریخته تا شکل و ابعاد دلخواه بدست آید، سپس با گیرش هیدرولیکی یا شیمیایی سفت شده و سپس برای تراکم و بهبود استحکام پخت می شوند.
نسبت هریک از اجزای مورد استفاده در ترکیب جرم برای دستیابی به ویژگی های دلخواه و متناسب با کاربرد مورد نظر متفاوت است. وجود عوامل اتصال دهنده در ترکیب جرم نسوز به علت کمک به ایجاد استحکام در دمای محیط و دمای بالا ضروری است. اتصال دهنده ها همچنین به حفظ شکل جرم خام هم کمک می کنند، زیرا جرم های ساخته و ریخته شده، فشرده نمی شوند. مواد اتصال دهنده در فرایند پخت جرم آماده شده نیز نقش دارد. چسب ها ذرات ریزتری را فراهم می کنند، که در نتیجه فرایند زینترینگ را بهبود داده و استحکام آنها افزایش می یابد. در گذشته، حدود یک قرن پیش، رس پلاستیک به عنوان عامل چسباننده نسوزهای بدون شکل استفاده می شد. طبیعت پلاستیک توده رس به حفظ شکل کمک می کند، چسبندگی و استحکام را در دمای پایین فراهم می کند و ذرات ریزتر زینترینگ را بهبود می بخشند. با این حال معایبی چون نیاز بیشتر به آب، انقباض شدید، استحکام ضعیف هم در دمای محیط و هم در دمای بالا و خواص دما بالای ضعیف نیز با چسب های رسی، همراه بود.
چسب رس پلاستیک بلافاصله با سیمان های حاوی آلومینا جایگزین شدند. در ابتدا، درصد آلومینای سیمان کمتر بود، که منجر به افت خواص دمای بالا شد. به تدریج با گذشت زمان، میزان آلومینا در سیمان بیشتر شد و کیفیت و خواص جرم نسوز همراه با افزایش مقدار آلومینای آن، به میزان قابل توجهی بهبود یافت. به هر حال ، تقاضا برای نسوزهای دما بالاتر از سوی صنایع به طور مداوم افزایش یافت. وجود اکسید کلسیم در ترکیب سیمان منجر به افت خواص دما بالا، به دلیل تشکیل فاز با دمای ذوب پایین می شود. بنابراین، روند کاهش مقدار اکسید کلسیم در ترکیب جرم نسوز، چه با کاهش مقدار سیمان و چه با کاهش مقدار آهک در سیمان، با افزودن افزودنیهای با خواص مختلف، عملی شد. هنوز نمی توان از وجود اکسید کلسیم اجتناب کرد و محدودیت هایی در دمای کار وجود دارد. محققان حوزه نسوز، تولیدکنندگان و مصرف کنندگان نسوز به طور مستمر برای یافتن جایگزینی برای اتصال دهنده های سیمانی تلاش کرده و در نهایت سیستم های مختلف اتصال بدون سیمان مثل سل-ژل ، آلومینای هیدراته، فسفاتها و غیره را عرضه داشتند. با این حال، همه سیستم های مختلف اتصال، محدودیت های خاص خود را دارند و عملاً با شرایط و محدودیت های خاصی مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این، سیمان تجاری آلومینا بالا هنوز هم امروزه به عنوان اصلی ترین ماده اتصال دهنده جرم نسوز استفاده می شود.
سیمان آلومینایی (بخش اول)
در اوایل قرن نوزدهم ، هنگامی که نسوزهای بدون شکل در حال ظهور بودند ، مردم به دلیل شباهت نسوزها با بتن قصد داشتند از سیمان معمولی پرتلند (OPC) به عنوان چسب استفاده کنند. با این حال، OPC حاوی حدود 60 تا 65 درصد CaO است که بسیار جاذب رطوبت بوده و تمام شدن آب در باندهای هیدراته منجر به فروپاشی ساختار بالای 625 درجه سانتیگراد و حتی در 400 درجه سانتی گراد در شرایط وجود سیکل حرارتی می شود. از این رو ، استفاده از OPC در نسوز بدون شکل از ابتدا یک شکست بود.
اولین پتنت سیمان بر پایه آلومینا توسط Lafarge در سال 1908 در فرانسه انجام شد و تولید تجاری سیمان بر پایه آلومینا نیز توسط Lafarge در سال 1913 صورت گرفت. با این حال ، این سیمان آلومینایی با توجه به مقاومت بهتر در برابر خوردگی درصنعت ساختمانی گسترش یافت. کاربردهای دما بالای سیمان های مبتنی بر آلومینیوم در اواسط دهه 1920 در ایالات متحده و فرانسه آغاز شد. در ابتدا، خاک رس کلسینه شده و آجرهای خرد شده با سیمان آلومینایی بر پایه بوکسیت مخلوط شدند. با این حال ، این مواد به دلیل ضعیف بودن اختلاط و اشکالات تکنیکال فقط برای کاربردهای دما پایین استفاده شدند.
اوایل تولید، مقدار آلومینا در سیمان کم بوده ، کیفیت سیمان آلومینایی پایین تر و تکنولوژی تولید آن کاملاً توسعه نیافته بود. برای به دست آوردن استحکام سرد مناسب در جرم ها ، مقدار بیشتری سیمان در محدوده وزنی 15-20 درصد جرمی استفاده شد. از این رو ، نیاز به آب برای هیدراتاسیون سیمان نیز بسیار بالا ، و در حدود 12-20 درصد جرمی بود. این جرم ها ، CCC (conventional cement castables) جرم سیمانی مرسوم، در حین خشک شدن رطوبت خود را به صورت فیزیکی و در حین پخت به شکل شیمیایی (هیدرولیکی) ، از دست می دهند ، که این امر باعث ایجاد ساختار متخلخل و ضعیف برای نسوز می شود. بنابراین ، چگالی و استحکام بالا به سختی قابل دستیابی است. مقدار زیادی CaO در سیمان به راحتی با ذرات ریز آلومینا و آلومینو سیلیکات واکنش داده و در دمای بسیار پایین تر ، فازهای مایع را تشکیل می دهد.
فازهای با دمای ذوب پایین مثل آنورتیت و ژلنیت در دمای کاربرد در این جرم ها حضور داشتند و عملکرد ترمومکانیکی و مقاومت شیمیایی خود را محدود کردند. بنابراین، این جرم ها فقط برای دمای پایین قابل استفاده بودند.
با گذشت زمان ، دمای کاربردی در صنایع مصرف کننده نسوز ، به ویژه صنعت متالورژی ، به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافت تا محصولات با کیفیت و خالص تری تولید شود. این امر به نوبه خود منجر به افزایش تقاضای جرم نسوز مناسب برای دمای بالا شد. مجدداً ، از آنجا که CaO در ترکیب جرم عامل محدود کننده اصلی برای کاربردهای دما بالا است ، مقدار اکسید کلسیم باید کاهش می یافت. منبع اصلی CaO در جرم های نسوز سیمان بوده و بنابراین برای بهبود عملکرد جرم نسوز ، نیازمند کاهش میزان CaO یا سیمان در ترکیب بودند.
... ادامه دارد
