آیا می دانید مواد نسوز چیست و چه کاربردهایی دارد؟
آیا با انواع مواد نسوز آشنا هستید؟
به طور کلی به موادی نسوز گفته می شود که در برابر حرارت های بالا از خود مقاومت زیادی نشان دهند و دارای دمای همجوشی بالایی باشند. در این مقاله قصد داریم به معرفی مواد نسوز از جمبه نسوزهای منیزیت، کرومیت، آلومینا، زیرکونیا، نسوزهای یکپارچه، خاک نسوز سیلیسی و ویژگی آن، پودر سرامیک نسوز، آجر نسوز و ترکیبات آن، سیمان نسوز و کاربردش بپردازیم. تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید.
مواد نسوز
مواد نسوز یا مواد دیرگداز مطابق با یک تعریف بین المللی به صورت زیر معرفی می‌شود:
“مواد نسوز یا دیرگذار به مواد سرامیکی و غیرفلزی گفته می‌شود که توانایی تحمل حرارت را دارند و این حرارت را به مقدار بسیار کمی انتقال می‌دهند.”
در تعریفی دیگر به مواد معدنی غیرفلزی که توانایی قرارگیری در دمای بالا بدون تغییرات فیزیکی و شیمیایی را دارند، مواد نسوز گفته می‌شود.
مواد نسوز در دماهای کم رفتاری شبه ترد دارند و با افزایش دما، رفتاری ویسکوز از خود نشان می‌دهند. همچنین به علت وجود استحکام بالا در پیوندهای شیمیایی مواد اولیه، دارای ترکیبات غیرمعمولی هستند و نیز نقطه ذوب بالا و واکنش ناپذیری شیمیایی از دیگر ویژگی‌های مواد دیرگداز است.
از مواد نسوز بیشتر در صنایع ریخته گری و فولاد استفاده می‌شود و میتوان گفت که مصرف 70 درصدی این مواد، در این صنایع است. از دیگر کاربردهای مواد دیرگداز استفاده در صنایعی مانند سیمان، پتروشیمی، آلومینیوم و تمام صنایعی که با درجه حرارت‌های بالا کار می‌کنند، است.
انواع مواد نسوز
مواد نسوز یا دیرگدازها دارای انواع مختلفی هستند که بر اساس نوع مواد مورد استفاده در ترکیبات آنها، شکل فیزیکی و دمای همجوشی دسته بندی می‌شوند که خواص و کاربردهای متفاوتی دارند. سیلیکون (سیلیس)، منیزیم (منیزیم) و اکسیدهای آلومینیوم (آلومینا) از مهم‌ترین مواد موجود در ساختار مواد نسوز هستند.
دسته بندی انواع مواد نسوز به صورت زیر است:
طبقه بندی انواع مواد نسوز بر اساس مواد اولیه
- اسیدی:
- دارای مواد اولیه سیلیسی
- دارایمواد اولیه آلومین پایین
- دارای مواد اولیه آلومین بالا
- قلیایی:
- منیزیت
- اولیوین
- دولومیت
- کرومیت
- ویژه:
- سیلیکون و سیلیکون کاربید
- زیرکون
- بادلیت
- گرافیت
طبقه بندی انواع مواد نسوز بر اساس شکل فیزیکی
- دیرگدازهای شکل دار شامل آجر نسوز، برد نسوز و …
- دیرگدازهای بی شکل شامل جرم های ریختنی نسوز
- مواد الیافی و عایق شامل نمدهای حرارتی و منسوجات نسوز
طبقه بندی انواع مواد نسوز بر اساس دمای همجوشی (ذوب)
- دیرگداز یا نسوز عادی: محدوده دمای همجوشی 1780 درجه سانتی گراد
- دیرگداز یا نسوز بالا: محدوده دمای همجوشی 1780-2000 درجه سانتی گراد
- فوق العاده نسوز: محدوده دمای همجوشی بیش از 2000 درجه سانتی گراد
مواد نسوز کوره
همانطور که در دو بخش قبل اشاره شد، مواد نسوز در کوره‌ها استفاده زیادی دارند و مطابق با تقسیم‌بندی‌های نامبرده شده در محل‌های خاص متناسب با کارایی خود استفاده می‌شوند. در ادامه قصد داریم به معرفی هرچه بیشتر مواد نسوز کوره و محل استفاده آن ها بپردازیم:
نسوزهای منیزیت
نسوزهای بر پایه مواد اولیه شیمیایی منیزیت دارای حداقل 85 درصد اکسید منیزیم هستند که از ترکیب منیزیت طبیعی (MgCO3) و سیلیس (SiO2) تشکیل شده است. از این گروه دیرگداز که دارای 15-35 درصد Cr2O3 و 42-50 درصد MgO هستند، بیشتر برای فرآیندهای اساسی ساخت فولاد و سرباره‌های آهکی و غنی از آهن استفاده می‌شود. علاوه بر آنکه از این مواد نسوز در کوره‌های متالوژی استفاده می‌شود، کاربرد آنها در بازررسی کننده‌های مخازن شیشه‌ای و در کوره‌های سیمان و آهک است.
نسوزهای کرومیت
نسوزهای کرومیت دارای حداقل 60 درصد MgO و 18-8 درصد Cr2O3 هستند که برای ایجاد مسیرهای حساس در کوره‌های با درجه حرارت بالا استفاده می‌شوند. این مواد نسوز در برابر سرباره‌ها و گازها مقاوم هستند. برای درجه حرارت در مقدار بسیار بالا و در تماس با اساسی‌ترین سرباره‌های ذوب فلز از محصولات منیزیت-کرومیت استفاده می‌گردد.
نسوزهای آلومینا
دیرگدازهای آلومینا با بیشتر از 45 درصد آلومینا را با نام مواد نسوز با آلومینا بالا می‌شناسند. مقاومت پذیری این نسوزها با افزایش میزان آلومینا افزایش یافته و در کوره‌های آهک و سرامیک، دیگ‌های بخار، کوره‌های سیمان، شافت کوره انفجار و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نسوزهای زیرکونیا
دیرگدازهای زیرکونیا دارای مقاومت بسیار بالایی هستند و می‌توانند تا دمای 15000 درجه سانتی‌گراد را نیز تحمل کنند. هدایت حرارتی این نسوزها نسبت به سایر نسوزها کمتر بوده و به راحتی با فلزات مایع و نیز شیشه مذاب واکنش نمی‌دهند. از نسوزهای زیرکونیا به عنوان ساختارهای با تحمل درجه حرارت بالا در کوره‌های متالوژی و کوره‌های شیشه‌ای استفاده می‌شود.
نسوزهای یکپارچه
دیرگدازها یا نسوزهای یکپارچه به همه محصولات نسوز بی شکل گفته می‌شود که به عنوان سیستم‌های تعلیقی نصب می‌شوند و پس از سخت شدن به شکل یک توده جامد در می‌آیند. نسوزهای یکپارچه در کوره‌های صنعتی جایگزین مناسبی برای نسوزهای معمولی هستند.
خاک نسوز سیلیسی
خاک نسوز نامی است که برای برخی از خاک‌های دیرگداز استفاده می‌شود و در ساخت آجرهای نسوز مورد استفاده قرار می‌گیرد. درصد وزنی موارد تشکیل دهنده خاک نسوز به صورت زیر است:
- 50-60 درصد وزنی سیلیس
- 34-23 درصد وزنی اکسید آلومینیوم
- 10-12 درصد وزنی مواد فرار
این نوع خاک‌ها می‌توانند حداقل دمای 1515 درجه سانتی گراد را تحمل نمایند. خاک نسوز سیلیسی مقاومت قابل قبولی در برابر سرباره‌های متشکل از اکسیدهای آهن، آلومینیوم، سیلیسیم و کروم دارند و دارای هدایت حرارتی پایین نیز هستند؛ به همین دلیل در کوره‌های القایی با ظرفیت‌های مختلف و برای تولید فولاد‌های کربنی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مواد تشکیل دهنده خاک نسوز سیلیسی معمولا از جرم نسوز سیلیسی با خلوص بالا است و این خاک عمدتا دارای ماهیت اسیدی می‌باشد. از کاربردهای خاک کوره القایی میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- ریخته‌گری فولاد نرم، فولاد آلیاژهای مختلف و ذوب آهن در کارگاه‌های ریخته گری
- ساخت فولاد با آهن اسفنجی در کارخانه‌های فولادی کوچک
- ذوب فولاد کربنی با مقدار کربن بیش از 1/0 درصد
خاک نسوز سیلیسی که به اندازه کافی کوبیده و تثبیت گردد، می‌تواند به کارکرد روان کوره، خروجی بهینه و نیز کنترل خوب واکنش‌های متالورژیکی کمک کند. بدین منظور رعایت نکات زیر لازم و ضروری است:
- روش خاک کوبی و لایه زنی دقیق و سیستماتیکی
- توجه به دانه بندی و کیفیت مناسب خاک نسوز سیلیسی
- توجه به هماهنگی در شرایط کار
ویژگی‌های خاک نسوز سیلیسی
کیفیت خاک نسوز سیلیسی به طور مستقیم با خلوص و عیار سیلیس مورد استفاده و نیز نحوه و میزان اختلاط آن با بایندر ارتباط دارد و می‌تواند به صورت مستقیم در میزان عمر آستر نسوز کوره تاثیرگذار باشد. از جمله ویژگی‌های خاک نسوز سیلیسی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- استحکام ساختاری در تمام شرایط
- مقاومت بسیار بالا در برابر فرسایش زیاد
- عملکرد خنثی شیمیایی در برابر فلز در حال ذوب
- قابلیت تعمیر دیواره‌ها
- نصب راحت
- اجرا و پیاده سازی آسان
- هزینه به صرفه و پایین
یکی از موضوعات مهم در کارایی هرچه بیشتر خاک نسوز، توجه به دانه بندی آن است. دانه بندی این نوع خاک در محدوده 0 تا 6 میلی متر است و باید متناسب با نوع خاک سیلیسی نسوز و ظرفیت کوره انتخاب شود. انتخاب این دانه بندی باید بنحوی باشد که حداکثر تراکم پس از کوبیدن حاصل شود و دانه بندی ریز، متوسط و درشت را دربرگیرد.
نکته مهم دیگر دستیابی به توزیع صحیح دانه بندی است و نباید دانه‌های درشت در یک منطقه و دانه‌های ریز در منطقه ای دیگر تجمع یابند، چرا که منجربه کاهش تراکم و نیز کاهش مقاومت در برابر خوردگی می‌گردد. در ناحیه ای که تجمع درشت دانه رخ می‌دهد، تخلخل زیاد منجربه نفوذ مواد مذاب به داخل جداره‌ها می‌شود و در مناطقی که تجمع ریزدانه اتفاق بیفتد، علاوه بر استحکام پایین، نقطه ذوب در اثر غنی شدن ناحیه از اسیدبوریک کم می‌شود و سطح جداره پوسته پوسته می‌شود.
پودر سرامیک نسوز
پودر نسوز در صنایع مختلفی همچون ساخت فولاد، شیشه، سیمان، سرامیک و … کاربرد دارد که به صورت‌های زیر است:
- صنعت فولاد: کاربرد در کوره‌های الکتریکی، گودال‌ها، کوره‌های حرارتی و گاز زدایی، مبدل‌ها و …
- صنعت شیشه: کاربرد به عنوان کوره‌های ذوب شیشه توخالی، حمام‌های حلبی و کوره های آنیل
- صنعت سیمان: مبدل‌های حرارتی، خنک کننده‌ها، کوره‌های دوار، هودهای کوره
- صنعت سرامیک: کوره‌های تونلی، کوره‌های محفظه‌ای و …
پودر سرامیک نسوز یکی از پرکاربردترین آنها است که به دلیل ساختار و اندازه بسیار کوچک آن دارای اهمیت بالایی است. این پودرها علاوه بر کاربرد در دماهای بالا، در پوشش‌ها نیز استفاده می‌شوند. از مزیت‌های پودر سرامیک نسوز، مقاومت بالا در برابر سایش، مقاومت بالا در برابر خوردگی و از عیب‌های این ماده میتوان به مقاومت پایین در برابر شکستگی و نیز قیمت بالای آن اشاره کرد.
از روش‌های تولید پودرهای نانو یا پودر نسوز میتوان به روش بالمینگ، فریزر، ژل سل و … اشاره کرد. در روش تولید پودر سرامیک نسوز به روش Ballmilling که از متداول‌ترین روش‌ها است، ابتدا ذرات پودر خرد می‌شوند و با استفاده از فرسایش مکانیکی تا اندازه نانو ریز می‌گردند. مزیت این روش ارزان بودن آن، قابلیت انجام فرآیند در مقیاس بزرگ و نیز امکان رسیدن به ذراتی در حدود 2 تا 20 نانومتر است.
آجر نسوز
آجر نسوز ترکیبی از خاک نسوز و چینی است که در دمای 1500 درجه پخته و تهیه می‌شود. این نوع آجرها دارای تنوع بالایی در ابعاد و رنگ هستند و در دکوراسیون داخلی، خارجی و همچنین کف فرش مورد استفاده قرار می‌گیرد. آجر نسوز به دلیل پخت در دمای بسیار بالا؛ در مقابل سرما، گرما و فرسایش مقاومت بسیار بالایی دارد.
از کاربردهای مهم آجرهای نسوز میتوان به استفاده در ساخت شومینه و روکش داخلی کوره‌های مسکونی، صنعتی و … اشاره کرد. این آجرها می‌توانند گرمای شدیدی را حفظ کنند، بدون آنکه دچار همجوشی شوند.
ترکیبات آجر نسوز
حضور مواد طبیعی مثل سیلیس، آلومینا و کائولینیت در ساختار خاک می‌تواند ویژگی‌های مورد نیاز برای نسوز شدن یا همان مقاومت زیاد در برابر حرارت‌های بالا را ایجاد کند. وجود این مواد طبیعی در ساختار خاک مورد استفاده در آجر، ترکیبات آجر نسوز را می‌سازند. در صنایع برای بهبود کیفیت این نوع آجرها از مواد معدنی مانند کلسیم و آهن برای ایجاد سیلیمینیت و مولیت استفاده می‌کنند.
به طور کلی در تولید آجرهای نسوز از فرمولاسیون‌های متفاوتی استفاده می‌شود. این فرمولاسیون و ترکیبات آجر نسوز دارای انواع مختلفی است که این تفاوت می‌تواند کاربردهای متفاوتی را نیز ایجاد کند.
به صورت کلی میتوان گفت که سه نوع آجر نسوز وجود دارد:
- آجر نسوز با مواد نسوز اسیدی
- آجر نسوز معمولی
- آجر گانیستر
- آجر سیلیکا
- آجر نسوز با مواد نسوز اساسی
- آجر بوکسیت
- آجر دولومیت
- آجر منیزت
- آجر نسوز با مواد نسوز خنثی
- آجر اسپینال
- آجر مگنزیت کروم
- آجر فورستریت
- آجر کرومیت
- آجر Carborundum
سیمان نسوز
سیمان به عنوان یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین مصالح مورد استفاده در صنعت ساخت و ساز دارای انواع مختلفی است که هر کدام با دارا بودن خواص متفاوتی مانند مقاومت، شکل‌پذیری، سخت شدگی و … در محل‌های خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از انواع این سیمان‌ها که دارای مقاومت بسیار بالایی در برابر درجه حرارت‌های زیاد است و به عنوان مواد نسوز شناخته می‌شود، سیمان نسوز نام دارد که در برابر فرسایش و خوردگی نیز مقاومت بالایی دارد.
کاربرد سیمان نسوز
از کاربرد سیمان نسوز میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- ساخت کوره‌ها به صورت تناوبی و تونلی
- ساخت کف و دیواره کوره‌ها
- اجرای خطوط برق زمینی و زیرزمینی
- اجرای پی و فونداسیون در زمین‌های باتلاقی و سولفاته
- استفاده به عنوان تجهیزات زباله سوزی از این مواد نسوز
- تولید گرانیت‌های مصنوعی قابل استفاده در کف و ساخت مجسمه
- ساخت انواع دودکش
- مخازن مواد خورنده شیمیایی
- صنایع پلیمری و شیمیایی
- پرکاربرد در صنایع ریخته گری
