این مقاله در مجله صنعت نسوز، شماره هشتم، تابستان ۱۳۹۶، از صفحه ۵۸ تا صفحه ۷۲ به چاپ رسیده است.

روش ساخت زمینه مولایتی در شرکت الکم

چگونه در دیرگدازها زمینه مولایتی ایجاد کنیم؟

 

برگردانندگان:

محمدحمید وکیل­ نژاد^۱*، حسن بداغی^۲، محسن امین^۳

۱ کارشناس ارشد مهندسی نانوفناوری – نانومواد دانشگاه علم و صنعت ایران و کارشناس سابق تحقیق و توسعه شرکت دانش ­بنیان گروه پاترون

۲ مدیر تحقیق و توسعه شرکت دانش ­بنیان گروه پاترون

۳ مدیر سابق طراحی محصول و کنترل کیفیت شرکت دانش­ بنیان گروه پاترون

 

جهت دریافت فایل پی دی اف این مقاله لطفا اینجا را کلیک بفرمایید.

 

مقدمه

در مقاله قبلی با عنوان ” جرم ریختنی بسازیم ” ، به دنبال ساخت جرم های ریختنی متناسب رفتیم و اثر مثبت میکروسیلیس بر روی خواص جریان پذیری را بررسی کردیم. با توجه به اینکه میکروسیلیس، نه تنها بر جریان یابی و فشردگی تأثیر دارد بلکه بر خواص دمای بالا مثل استحکام گرم هم تاثیر می­گذارد، در مقاله پیش رو افزودن میکروسیلیس با درصدهای نسبتاً بالا خواص بهتری در جرم ریختنی آلومینوسیلیکاتی ایجاد کرده است. همچنین این مقاله نشان می دهد که  جایگزینی میکروسیلیس با رآکتیو آلومینا ممکن است همیشه ایده جالبی نباشد.

 

برای شروع، به تصویر زیر نگاه کنید:

 

این کریستال­ها، کریستال­های مولایت هستند که بر سطح ساختار جرم ریختنی فوق کم سیمان (uLCC) برپایه آلومینای ذوبی سفید، میکروسیلیس و فقط با ۰٫۵%وزنی سیمان قرار دارند که پس از تست HMoR در دمای ۱۵۰۰درجه سانتیگراد در تصویر فوق نشان ادده شده است. اگر درصد میکروسیلیس بسیار پایین باشد یا سیمان بالا باشد، کریستال­های مولایت تشکیل نخواهند شد. به صورت کاملا برعکس ، به جای این پیوند محکم و قوی ، فاز مایعی تشکیل می­شود که باعث پایین آمدن استحکام گرم می­شود. علت این امر چیست؟

دیرگدازهای آلومینوسیلیکاتی

معمولاً فاز پیوندی مولایت برای خواص دما بالا مثل مقاومت در برابر شوک حرارتی و استحکام گرم مفید است. در آجردیرگداز، پیوند قبل از نصب و مصرف تشکیل می­شود. در جرم ریختنی دیرگداز، در حین حرارت دهی فازهای میانی متعددی به عنوان باندینگ تشکیل می گردد و خوشبختانه در نهایت خواص فیزیکی مطلوب و خواص مینرالوژیکی مناسب در دمای کابرد حاصل می گردد. اگر ترکیب شیمیایی فاز پیوند نادرست باشدنتیجه ممکن است نا امید کننده باشد به طوریکه باعث نرم شوندگی و تخریب نسوز در دماهای پایین تر از دمای نسوزندگی پیش بینی شده از قبل باشد.اگر تشکیل سیستم پیوند با تشکیل فاز مولایت صورت گیرد، دمای نرم شوندگی نسوز چندین درجه سانتیگراد بالاتر می رود و معمولاً عمر نسوز افزایش می­یابد.

فرضیات بارز:

در این مقاله، فرضیات بر این اساس است  که جرم ریختنی دیرگداز برپایه اگریگیت­های آلومینوسیلیکاتی با ذرات آلومینای ریز دانه و میکروسیلیس به همراه سیمان می باشد. پارامترهای متغیر در این آزمایش میکروسیلیس و سیمان است و همچنین فرض بر این است که همیشه مقدار کافی آلومینا برای واکنش تشیکل مولایت وجود دارد. منابع اصلی آلومینا مثل: کلسایند آلومینا، رآکتیو آلومینا، آلومینای ذوبی سفید آسیاب شده (۷۴میکرون)، آلومینای تابولار آسیاب شده (۴۵میکرون) می­باشد.رس و آلومینا سیلیکات ها از گروه سیلیمانیت ها برای این فرمولاسیون مناسب نیستند زیرا دارای سیلیس مازاد هستند و بنابراین واکنش دهنده های ایده آلی برای میکرو سیلیس نمی باشند. در این مقاله از میکروسیلیس به عنوان تنها منبع تامین سیلیس استفاده شده است . اگر از ترکیبات آلومینوسیلیکات­ دیگر استفاده شود، بخشی از سیلیس موجود در  آنها  ممکن است در واکنش شرکت کند . اگرچه تخمین مقدار دقیق آن مشکل است.

 

در شکل۱، دیاگرام فازی دوتایی توسط Risbud و Pask با سیستم نیمه­پایدار[۱] نشان داده شده است. دیاگرام فازی نشان می­دهد که اگر ما به مخلوط سیلیس و آلومینا حرارت بدهیم، در ابتدا همه فازها در دمای ۱۳۰۰-۱۲۰۰ درجه سانتیگراد مایع تشکیل و از این مایع، مولایت متبلور می­شود. در دماهای پایین تر، این مورد فرآیند کندی ناشی از ویسکوزیته بالای شیشه سیلیکاتی است و مولایت مناسب در ابتدا پس از چند ساعت تشکیل شود. شکل۲ وابستگی دما به جرم ریختنی با ۰٫۵%سیمان و ۸% میکروسیلیس را نشان می­ دهد. جرم ریختنی برپایه آلومینای ذوبی سفید بوده و مدول گسیختگی گرم (HMoR) پس از زمان­های مختلف ماندگاری مختلف اندازه­گیری می­شود.

[۱] Metastable System

 شکل۲- مدول گسیختگی داغ برحسب زمان در دمای ۱۴۰۰-۱۵۰۰ درجه سانتیگراد برای جرم ریختنی برپایه فیوزدآلومینا با ۰٫۵% آلومینای هیدرولیک در ترکیب با ۰٫۵% سیمان و ۸% میکروسیلیس.

 

در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد، استحکام بخشی (که به دلیل تشکیل فاز مولایت است) بیش از یک روز ادامه دارد و در دمای ۱۵۰۰درجه سانتیگراد واکنش در طی چند ساعتی در این دما تکمیل می­شود. در دمای ۱۳۰۰درجه سانتیگراد داده­های منتشرنشده نشان می­دهد که استحکام بخشی جرم­ ریختنی دیرگداز با تشکیل فاز مولایت با سرعت بسیار کندی صورت می­گیرد. چنانچه فاز پیوندی مولایت تشکیل شود، دائمی و پایدار خواهد بود. بدین معناست که اگر مثلاً جرم ریختنی مثل شکل۲ به مدت ۵ساعت در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد پیش پخت شود، سپس در دمای ۱۴۰۰درجه سانتیگراد تست HMoR انجام شود مدول گسیختگی گرم این نمونه بیشتر از نمونه­ای است که در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد به مدت۵ساعت زینتر شده است. حدوداً MPa ۲۵-۳۰ احتمالاً عددی است که در این تست بدست می­آید. این مثال برای جرم ریختنی با درصد اندکی سیمان (مثل اکسیدکلسیم) می­باشد به نحوی که ممکن است استحکام بخشی با پیش­بینی از دیاگرام فازی افزایش یابد، شکل۱، فاز مایع تشکیل می­شود و مولایت از این مذاب تشکیل می­شود. جرم­های ریختنی که معمولاً استحکام خام بالاتری دارند، از درصد سیمان بیشتری در آنها استفاده شده است.

 

دیاگرام فازی سه تایی Al₂O₃-SiO₂-CaO در سیمان نسوز:

بطورکلی سیمان در ترکیب با میکروسیلیس و آلومینا استحکام گرم کمتری با افزایش درصد سیمان می­دهد. اگر برای شما سوالی پیش آید که چرا اینگونه می­شود، در پاسخ باید گفت که معمولاً مرجع گنگی در ارتباط با ”مایعات با نقطه ذوب پایین در سیستم” که توضیحی است که ممکن است شاید به اندازه کافی برای اکثر مردم کافی باشد اما هرگز مرا توجیه نکرده است. چندسالی از تحقیقات برروی جرم ریختنی دیرگداز می­گذرد، حکم زیر ترجیحاً بیان شده است:

براساس همه این توضیحات باید دیاگرام فازی را در نظر گرفت. به ویژه برای جرم ریختنی برپایه اجزای خالص سیلیس، آلومینا و آهک، که می­توان بسیاری از مشاهدات را با تفسیر دیاگرام فازی Al₂O₃-SiO₂-CaO توضیح داد. با این حال، همیشه باید بخاطر داشت که دیاگرام فازی در حالت تعادل فرض می­شود، که معمولاً در جرم ریختنی شما وجود نخواهد داشت. شکل۳ دیاگرام فازی سه تایی Al₂O₃-SiO₂-CaO به علاوه موضوع پیش رو را نشان می­دهد.

 

ترکیب شیمیایی نهایی:

در ابتدا، زمانیکه بحث باند مولایت است، منظور مولایتی است که پایدار باشد. بدین معناست که ترکیب شیمیایی جرم ریختنی و فاز باند باید یکی از دو مثلث سازگاری نشان داده شده در شکل۳ مثل کوراندوم، آنورتیت و مولایت یا مولایت، آنورتیت و سیلیس باشد. اگر ترکیب شیمیایی خارج از این موارد باشد، مولایت پایدار نخواهد بود و اگر هم تشکیل شود، در طی زمان حل می­شود. اکثر جرمهای ریختنی آلومینایی خوشبختانه در کنج دیاگرام فازی، فاز کوراندوم تشکیل می­شود. منطقه هاشورخورده در کنج دیاگرام ترکیب شیمیایی احتمالی (جرم ریختنی آلومینا بالا) را نشان می­دهد و درصد سیمان و سیلیس معلوم است.

 

واکنش بین میکروسیلیس و سیمان:

سیمان و میکروسیلیس در طی حرارتدهی واکنش می­کنند. اگر ترکیب شیمیایی سیمان در محل اتصال کلسیا-کوراندم (سیمان ۷۱%) باشد و خط به سمت گوشه سیلیسی ترسیم شود، ممکن است با استفاده از قانون اهرم حداقل نسبت CaO/SiO₂ تعیین شود و نیاز به مناطق پایداری مولایت باشد.مشخص شده که حداقل درصد میکروسیلیس درمقایسه با سیمان حدوداً ۳۵%وزنی میکروسیلیس و ۶۵% سیمان است. به عبارت دیگر، جرم ریختنی با کمتر از ۳٫۵% میکروسیلیس و سیمان ۶٫۵% در اثر حرارت مولایت حل می­شود. یکی از مهمترین نتایج ممکن است در دیاگرام فازی نقطه پری تکتیک دردمای ۱۵۱۲ درجه سانتیگراد باشد که مربوط به ترکیب شیمیایی آنورتیت است. دانش اصلی دیاگرام فازی و مسیر تبلور به ما می­گوید که اگر مذابی داشته باشیم با ترکیب شیمیایی مولایت-کوراندوم-آنورتیت (جرم ریختنی مذاب) و سرمایش آن سازگار است و سپس داریم:

• کوراندوم رسوب می­کند و ترکیب شیمیایی فاز مذاب باقیمانده از سمت کوراندوم دور می­شود.
• مولایت شروع می­کند به رسوب­گذاری
• مذاب در دمای ۱۵۱۲ درجه سانتیگراد در ترکیب شیمیایی سیستم پری تکتیک از بین می­رود.

بمنظور تشکیل فاز مولایت در جرم ریختنی، الگوی واکنش بصورت زیر باید باشد:

در ابتدا، همه میکروسیلیس و سیمان و احتمالا آلومینا، یک فاز مایع فوق اشباعی در سیلیس در دماهای حدود ۱۳۰۰درجه سانتیگراد می­سازد. مولایت از مذاب فوق اشباع جوانه می­زند و متبلور می­شود تا به یک ترکیب شیمیایی پایدار برسد. این مذاب پایدار سیستم پری تکتیکی دارد و ممکن است در اثر گرمایش تا ۱۵۱۲درجه سانتیگراد مولایت در این محیط پایدار باشد و مولایت شروع به انحلال در الگوی خلاف آن تبلور در موارد فوق کند.

مذاب پری تکتیک هم مستقیماً هم غیرمستقیم در جرم ریختنی با تشکیل مولایت شناسایی شده است. حضور فاز مایع ناشی از تشکیل فاز مولایت فقط در سیستم حاوی سیمان نیست بلکه درنتیجه سیستم دوتایی نیمه ­پایدار در شکل۱ می­تواند وجود داشته باشد. تشکیل فاز مولایت در شکل۲ با اثر استحکام بخشی جرم ریختنی برحسب زمان نشان داده شده است.

 

نتایج عملی:

پس از اینکه در دیاگرام فازی یک فاز مذاب پایدار حاوی ۱۵%کلسیا، ۴۸% سیلیس، ۳۷% آلومینا دیدیم، میکروسیلیس و سیمان بمنظور تشکیل این فاز مایع واکنش می­کنند و انتظار نداریم مولایت خارج شود مگر اینکه میکروسیلیس اضافی در سیستم باشد. در جرم کم سیمان LCC با ۶% سیمان (۷۰% آلومینا و ۳۰% کلسیا) بیش از ۵٫۷% میکروسیلیس اتصال و باندینگ توسط مذاب پری تکتیکی حاصل می­شود. اگر ۶% میکروسیلیس در جرم ریختنی استفاده شود، کمتر از ۱% مولایت در دیرگداز نهایی خواهیم داشت و نرم شوندگی نهایی در دمای زیر ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد آغاز می­شود. با افزایش درصد میکروسیلیس مولایت نسبتاً بیشتری داریم و استحکام بیشتری درنتیجه آن بوجود می­آید. باید تاکید کرد که فقط پایداری مولایت مد نظر نیست. مولایت از مایع خارج می­شود و درصد فاز مایع پسماند نیز اهمیت دارد. برای استحکام بخشی جرم ریختنی، هر کریستال مولایت باید به دو یا چند دانه اگریگیت بچسبد. با بیشتر شدن فاز مایع باقیمانده، مولایت بیشتری نیاز است و تأثیر افزایش دما شدیداً مشهود خواهد شد. ابزار قدرتمند برای غلبه بر این مشکلات کاهش درصد سیمان است.

 

مثال­ها:

در این بخش از مقاله، تعدادی مثال از تشکیل مولایت در نشان می­دهد. یکی از سیستم­ها برپایه آلومینای ذوبی سفید است که بعنوان سیستم مدل درنظر گرفته شده است و دیگری برپایه اگریگیت بوکسیت چینی می­باشد.

 

 

روش­شناسی:

۱– مدول گسیختگی گرم (استحکام خمشی گرم H-MoR)

این تصویر تست HMoR یک نمونه جرم ریختنی با ابعاد ۲۵×۲۵×۱۵۰mm در دماهای حدود ۷۰۰-۸۰۰ درجه سانتیگراد را نشان می­دهد. تست HMoR به ما داده­های مشخصی از استحکام جرم ریختنی در برابر گرما نشان می­دهد اما در بسیاری از موارد، استاندارد به زمان ماندگاری بسیار کوتاه اشاره دارد که مقدار تعادل هرگز مطرح نیست. این مورد به ویژه در اکثر واکنش­های تشکیل فاز مولایت کاربرد دارد و بنابراین پیشنهاد می­ کنیم که ۲۴ساعت حداقل زمان ماندگاری جهت انجام تست برای واکنش­های کندتر سپری شود. استانداردهای مرسوم در مورد تست HMoR معمولاً برای متغیر مختلف در زمان ­بندی گرمایش و زمان­ های زمان ماندگاری استفاده می­شوند و همیشه در گزارش ها نشان می­دهند. در آزمایشگاه نسوز شرکت نروژی Elkem سرعت گرمایش ۳۰۰K/hr یا ۵K/min با افزایش دما با زمان ماندگاری ثانویه اکثراً در ۳۰ دقیقه جهت برقراری تعادل است و زمان ماندگاری طولانی تر بسته به تاریخچه حرارتی و هدف دارد.

 

 

۲- دیرگدازی تحت بار (RUL):

دیرگدازی تحت بار روش ترمومکانیکی دیگری است که در بررسی جرم ریختنی دیرگداز استفاده می­شود. بطور مختصر، تست شامل یک دستگاه کوره با هولدر نمونه است که اجازه می­دهد به ما تا ارتفاع نمونه برحسب دما در بار اعمالی را اندازه­گیری کنیم.

دما معمولاً با نرخ ۳۰۰K/hr افزایش می­یابد و مشابه با تست HMoR است. در آزمایشگاه Elkem بار ۰٫۲MPa معمولاً اعمال می ­شود که البته اکثر استانداردها بارهای کمتری برای فرآورده ­های دیرگداز بی شکل در نظر می ­گیرند. نمونه به شکل استوانه ­ای با ایجاد یک حفره در مرکز آن که محل قرارگیری ترموکوپل است و میله اندازه گیری به در مسیر بین نقطه بالایی و پایینی نمونه استوانه ای شکل قرار می ­گیرد. خواندن عدد باید دقیق باشد تا ضریب انبساط حرارتی میله اندازه­ گیری عدد صحیحی به ما بدهد.

در این شکل، راه اندازی تجربی نشان داده شده است. نمونه استوانه ای شکل بین دو صفحه آلومینایی زرد در بالای آن قرار داده می­شود. بالای نمونه کوره قرار دارد که برروی نمونه قرار داده می­شود و بار بصورت منظم با شمارش وزن برروی نمونه تنظیم می­گردد. به نظر می رسد که این نمونه با دما تست شده چون شکل درام نازکی از سوی سیلندر درطی تست باعث دفرمگی نمونه شده است. با توجه به اندازه­گیری HMoR، بطورکلی اندازه­گیری به پارامترهای تاریخچه حرارتی و شرایط پیش پخت بستگی دارد و تفسیر تست ممکن است در بسیاری از موارد بسیار دشوار بوده است.

 

جرم ریختنی دیرگداز برپایه آلومینای ذوبی سفید:

در این بخش، اثر میکروسیلیس و درصد سیمان برروی تشکیل فاز مولایت برای سیستم مدل ما برپایه فیوزدآلومینا سفید بررسی شده است. همه اگریگیت­ها دارای خلوص بسیار بالایی هستند. به همراه موادی همچون کلسایند آلومینا، رآکتیو آلومینا، سیمان و میکروسیلیس، همراه با توزیع اندازه ذرات مشابه مخلوط شده اند و آب به ترکیب اضافه گردیده است. برای حفظ توزیع اندازه ذرات تا جای ممکن میکروسیلیس و رآکتیوآلومینا با توزیع اندازه ذرات مشابه جایگزین یکدیگر می شوند. فرمولاسیون را می ­توان در مقالات ۶و۸و۹ دید. ترکیب شیمیایی در پیوست جدول۱و۲ آمده است. اکثر نتایج (شکل۴و۷و۸) از بررسی­های اخیر ۱۹۹۹-۱۹۹۷ گرفته شده و شکل۵و۶و۹و۱۰ این مخلوط­ها را در سال ۲۰۰۷ مجددا تولید شده است. دستورالعمل اصلی هنوز در دسترس نیست، اما آنها با مواد جایگزین اخیر ساخته می­شوند. از آنجاییکه ترکیب شیمیایی و توزیع اندازه ذرات بسیار مشابه یکدیگر هستند برای مقایسه دو فرمولاسیون با یکدیگر در نظر گرفته می شوند.

 شکل۴- مدول گسیخنگی گرم دیرگداز ریختنی کم سیمان (۶% سیمان)، برپایه فیوزدآلومینا سفید برحسب دما. جرم ریختنی با درصدهای مختلف میکروسیلیس درنظر گرفته شده است. ۲۴ساعت در دما، q=0.25، بزرگترین ذره ۴mm و ۱۳% حجمی آب برای ریختن جرم (۴٫۲-۳٫۸%).

 

در شکل۴، نتایج حاصل از جرم ریختنی کم سیمان LCC با ۶% سیمان با درصدهای مختلف میکروسیلیس نشان داده شده است. ما دیدیم که در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد، استحکام با افزایش درصد میکروسیلیس بسیار زیاد افزایش یافته است. به ویژه در بازه ۶-۸% میکروسیلیس به نظر می­رسد که استحکام بهینه است. میتوان خاطر نشان ساخت که مولایت دردمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد دیده نشده مگر اینکه ۶-۸% میکروسیلیس افزوده شود. با ۶% میکروسیلیس فقط ۱% مولایت یافت می­شود، که تناظر خوبی با واکنش­ها دارد و درنتیجه آن در این مقاله به آن ذکر شده است. فاز مذاب پری تکتیکی، تقریباً ۱۱% وزنی جرم ریختنی را ممکن است در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد با ویسکوزیته بالا و کریستالی جزئی به خود اختصاص دهد و اثر استحکام بخشی در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد بوجود می آید. در دمای ۱۵۰۰درجه سانتیگراد، ترکیب پری تکتیک ذوب می شود و شروع به حمله به فاز مولایت کرده و استحکام تدریجاً کاهش خواهد یافت. در شکل۵، اثر پیش پخت در جرم ریختنی کم سیمان LCC برروی تست RUL دیده شد. در این مورد پیش پخت در دمای بالا باعث کاهش نرم شوندگی نمونه و کاهش طول نمونه می گردد. براساس دستاوردهای نمونه با پیش پخت دردمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد، می تواند منجر به جرمی با مقاومت در برابر ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد باشد. با این حال، اگر HMoR در شکل۴ نشان داده را در نظر بگیریم، باید از دیاگرام فازی کمک بگیریم. دلیل این افت دیرگدازی با پیش پخت، می­ توان اینگونه توضیح داد که رفتار زیر را دارند:

وقتی فاز مولایت سریعاً تشکیل می­ شود و فاز اتصال به تعادل نخواهد رسید. سپس تعادل کم کم برقرار می­شود و فاز اتصال مورد حمله قرار می­ گیرد و رفته رفته با فاز مایع حاوی آهک انحلال می ­یابد و هرچند که مقدار آن کم است ولی همین مقدار جزئی کاهش سریع ارتفاع نمونه در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد کفایت می کند.

 شکل۵- دیرگدازی تحت بار برای جرم ریختنی کم سیمان برپایه آلومینای ذوبی سفید با ۶% سیمان و ۸% میکروسیلیس. نمونه ها در دمای ۱۵۰۰-۱۰۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲۴ساعت پیش پخت شده اند.

 

 شکل۶- دیرگدازی تحت بار برای جرم ریختنی کم سیمان برپایه آلومینای ذوبی سفید با ۶% سیمان و ۸-۴% میکروسیلیس. نمونه ها در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد پیش پخت شده اند.

 

در شکل۶ می بینید که اختلافی بین RUL جرم LCC با ۶% سیمان بهمراه ۴% یا ۸% میکروسیلیس بصورت خام یا پیش پخت دیده نمی شود. حتی اگر دیرگدازی افزایش نیابد (RUL) باز نیازمند ۸% میکروسیلیس هستیم، اگرچه هیچ بخشی از ۸٪ میکروسیلیس استفاده شده با رآکتیو آلومینا جایگزین نگشته است.

 

کاهش محتوای سیمان در جرم ریختنی دیرگداز:

در شکل۴ دیدیم که نقطه ذوب پایین (در دمای ۱۵۰۰درجه سانتیگراد) درصد بالایی از مایع پری تکتیکی (۱۱%) جرم ریختنی را شدیداً نرم می­ کند. درصد این فاز مایع ممکن است به دو روش کاهش یابد، یکی پایین آوردن درصد سیمان ودیگری کاهش درصد سیلیس است. اگر انتخاب دوم مد نظر است، طبق دیاگرام فازی، هیچ فاز مولایتی تشکیل نمی­شود و همچنین با ورود مثلث سازگاری دیگر (مثلا کمتر از ۳٫۵%میکروسیلیس برای ۶٫۵% سیمان) فازهای یوتکتیک و پری تکتیک بر نقش پری تکتیک ما غلبه خواهد کرد. این فازهای جدید دارای نقطه ذوب پایین (۱۳۸۰درجه سانتیگراد) هستند. فرمولاسیون دوم با مقداری میکروسیلیس بین ۰٫۶% تا ۳٫۲% و ۶% سیمان بدست آمد که ممکن است میکروسیلیس کاملاً حذف شود اما مصرف اگریگیت ریزدانه آلومینوسیلیکات افزایش می­یابد. با توجه به دیرگدازی، پیشنهاد بهتر این است که درصد سیمان کاهش یابد. کاهش درصد سیمان در جرم های ریختنی معمولا زمانی اتفاق می افتد که جرم ریختنی در معرض دمای نزدیک ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد و یا بیشتر باشد.

شکل۷ اثر کاهش درصد سیمان بر HMoR را دارد. این جرم ریختنی باید دارای فیوزدآلومینا سفید و ۸% میکروسیلیس  و درصد سیمان متغیر باشد. همه جرم ریختنی تشکیل فاز مولایت دارند که HMoR از دمای ۱۳۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد افزایش پیدا می­کند. حداقل در دمای ۱۳۰۰ درجه نوعاً وجود دارد و در این دما، پلاستیسیته ممکن است بوجود آید. نرم شوندگی ممکن است با جرم های حداقل ۰٫۵% سیمان و بدون سیمان هم بواسطه تشکیل مایع فراپایدار سیستم دوتایی Al₂O₃-SiO₂ (شکل۱) بوجود آید. در دمای ۱۵۰۰ درجه برای جرم ریختنی بدون سیمان و فوق کم سیمان (۰٫۵%سیمان) استحکام ویژه دمای بالایی در مقایسه با LCC از خود بروز دهند. عملکرد بهتری در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد برای جرم های بدون سیمان نسبت به جرم های حاوی ۰.۵٪ سیمان دارند. دلیل این امر حضور فازهای پری تکتیک (۱٪) می باشد که باعث حمله به فاز مولایت در دمای بالاتر می گردد. این نقطه باید مجددا تشکیل گردد و دمای زیر خط سالیدوس دیاگرام فاز مولایت برگشت ناپذیر است و استحکام اندازه گیری در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد برای جرم هایی که پیش پخت شده اند در دمای بالا بیشتر خواهد بود این بدین دلیل است که تشکیل فاز مولایت در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد از نظر سینتیکی متوقف می گردد که دلیل این امر ویسکوزیته زیاد فاز مذاب می باشد.

 

جرم ریختنی فوق کم سیمان:

در جرمهای فوق کم سیمان ULCC، درصد فاز مایع پری تکتیکی بسیار پایین بوده و اثر تشکیل فرآیند فاز مذاب کمتر است. درنتیجه آن اگریگیت­ها مقاومت به نسوزندگی بیشتری نسبته اگریگیت های جرم ریختنی دیرگداز LCC دارند. این اختلاف کاملاً در شکل۷ دیده می­شود. شکل۸، وابستگی HMoR به درصد میکروسیلیس برحسب دما را نشان داده است. بدیهی است که میکروسیلیس بیشتر، مولایت بیشتر رسوب می­کند و جرم ریختنی دیرگداز قوی تری ساخته می­شود. از نظر تئوری پری تکتیک فقط با ۰٫۵% میکروسیلیس دارد و فاز مولایت باید از اضافه آن تشکیل شود. با این حال، درصد بالایی از آن معمولاً شناسایی نمی­شود و احتمالاً مربوط به سد سینتیکی است.

 شکل۷- مدول گسیختگی جرم ریختنی برپایه آلومینای ذوبی با ۸%میکروسیلیس برحسب دما. q=0.25 و بزرگترین ذره ۴mm و ۴٫۲% آب مورد نیاز برای کارپذیری.

 

وابستگی شدید HMoR به درصد میکروسیلیس در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد در شکل۸ دیده می­شود و احتمالاً اثر ذوب شدن فاز پری تکتیک هست. با این حال، نقطه ذوب از نظر تئوری ۱۵۱۲ درجه سانتیگراد است، اما بررسی نشان داد که درصد مشخصی ناخالصی مثل قلیایی­ها وجود دارند که نقطه ذوب پایین تر می­آید. نقطه ذوب حدود ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد شاید باشد. با افزایش گرمایش، این مذاب به مولایت حمله ور می­شود و از همه مهمتر رسوبات حجیم برای حفظ استحکام در دماهای بالا پایدار می­مانند.

شکل۸- مدول گسیختگی گرم در جرم ریختنی فوق کم سیمان برپایه آلومینای ذوبی سفید برحسب دما. جرم با درصدهای مختلف میکروسیلیس می­باشد. ۲۴ساعت در دما. q=0.25، بزرگترین ذره ۴mm و درصد آب موردنیاز ۴٫۲% است.

 

ماهیت برگشت ناپذیر تشکیل مولایت باید درنظر گرفته شود و نرم شوندگی در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد فقط یک پدیده فراپایدار برای تشکیل فاز مولایت است ولاغیر. در شکل۹ می ­توانید ببینید.

شکل۹ مقایسه دیرگدازی تحت بار (۵K/min) برای دو شرایط پیش پخت مختلف را نشان داده است. نمونه ها در دمای ۱۰۰۰درجه سانتیگراد شروع به واگذاری در دمای ۱۳۰۰ درجه کرده و سپس تقریباً در دمای ۱۵۰۰درجه سانتیگراد، مولایت نمونه را کاملاً در منطقه استحکام، استحکامبخشی می­کند. نرم شوندگی نهایی در دمای ۱۷۵۰-۱۷۰۰ درجه اتفاق می­افتد. با مولایتی شدن در محل پیش از تست، پیش پخت در دمای ۱۵۰۰ درجه انجام می­شود و نرم شوندگی حتی در دماهای ۱۷۰۰-۱۶۵۰درجه در جرم ریختنی دیده نخواهد شد. در همه آنها، جرم ریختنی خواص خوبی به ما می­دهد و با توجه به درصد ۸% میکروسیلیس و افزایش آن درمقایسه با جرم ریختنی دیرگداز کم سیمان (شکل۵و۶) است.

خواص این جرم ریختنی­ها به جز جرم حاوی میکروسیلیس و رآکتیوآلومینا، هرچیزی دیگری باید ثابت بماند. توزیع اندازه ذرات ثابت است (با جایگزینی میکروسیلیس توسط رآکتیوآلومینا)، افزودن آب (برحسب vol%) ثابت بوده و مواداولیه ثابت است ووو… . همانطورکه در شکل ۸ تا ۱۰ می ­بیند حداقل درصد میکروسیلیس ۴% بوده که اثر تشکیل فاز مولایت مشهود می­شود. ممکن است فقط به دلیل کاهش مولایت نباشد که با پایین آمدن درصد میکروسیلیس تشکیل نشود که این مورد مربوط سینتیک بازدارندگی آن است. توضیح دیگری برای باندینگ دانه­های آلومینا وجود دارد این است که درصد اندکی مولایت نیاز است. مورد دیگر، شکل۱۰ است که به ما می­گوید که ممکن است جایگزینی میکروسیلیس با رآکتیو آلومینا ایده جالبی حداقل در جرم ریختنی برپایه فیوزدآلومینا سفید نباشد. با مواد اولیه آلومینوسیلیکاتی، تصویر ممکن است واضح نباشد اما این موارد بصورت مفصل بحث خواهند شد.

 

جرم های ریختنی برپایه اگریگیت بوکسیت:

نمونه­ های ما برپایه مواداولیه خالص مثل فیوزدآلومینا سفید ساخته شده­اند. مواداولیه طبیعی معمولاً مورد استفاده قرار می­گیرند که جالب ببینیم چطور اجزای ناخواسته برروی تشکیل فاز مولایت و استحکام اثر می­گذارند. سپس، سری­های مخلوط برپایه بوکسیت آماده سازی شده است. ترکیبات شیمیایی در جدول۳ در بخش پیوست آمده است. جرم ریختنی دیرگداز برپایه اگریگیت بوکسیت بوده اما با فاز باندینگ میکروسیلیس و سیمان بهمراه کلسایند آلومینا و فیوزدآلومینا میکرونیزه می­باشد. افزودنی Calgon (SHMP) بعنوان دیسپرسانت (پراکنده­ساز) استفاده می­شود. در شکل ۱۱، توسعه HMoR برحسب زمان برای دو ترکیب شیمیایی در دمای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد و ۱۳۰۰درجه سانتیگراد نشان داده شده است. ترکیب شیمیایی برای تشکیل فاز مولایت باید: ترکیبی از ۶%میکروسیلیس و ۶% سیمان باشد. جرم ریختنی با ۶% سیمان استحکام کمی برحسب زمان داشته و از ۱۲۰۰ به ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد افت پیدا می­کند. درحالیکه با ۲٫۵% سیمان و ۸% میکروسیلیس در دمای ۱۳۰۰درجه سانتیگراد نسبت به زمان شدیدتر است. درطی ساعت اولیه، جرم ریختنی ۲٫۵% سیمان از جرم ریختنی ۶% سیمان به دلیل تشکیل فاز مایع نسبت به فاز مولایت ضعیفتر است. این مورد در دمای حدوداً کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد در سیستم آلومینای ذوبی سفید طبق بالا تشریح شده ولی دراصل واکنش­های یکنواخت اتفاق می­افتد. اگر جرم ریختنی نیاز به تشکیل فاز مولایت داشته باشد، فاز مایع تشکیل می­شود و از این مایع مولایت استحکام بخشی رسوب می­کند. نوعاً، بسیاری از جرم های ریختنی دیرگداز برپایه نسبت سیمان به میکروسیلیس ۱ هست (۶%سیمان + ۶% میکروسیلیس) و استاندارد آزمون HMoR برای اکثر کشورها به مدت ۳ یا ۵ ساعت پخت انجام شده و ممکن است انتخاب ۶% سیمان + ۶% میکروسیلیس راحت تر از ۲٫۵% سیمان + ۸% میکروسیلیس است. پس از ۲۴ساعت پیش پخت، فاز مولایت کاملاً تشکیل می­شود. شکل۱۲ HMoR جرم ریختنی بوکسیتی با ۳، ۶ و ۹% میکروسیلیس و ۶% سیمان نشان داده شده و همچنین با ۸% میکروسیلیس + ۲٫۵% سیمان برحسب دما می­باشد. انتخاب ترکیب ۶% سیمان + ۶% میکروسیلیس بهترین نبوده به شرطی که استحکام گرم در شکل ۱۲ مورد آزمون قرار گرفته است. مگر اینکه درصد بیشتر از ۶% میکروسیلیس استفاده شود، علامتی از خواص استحکام بخشی توسط تشکیل فاز مولایت دیده نشده است. طبق مکانیزم تعریف شده برای جرم ریختنی برپایه فیوزدآلومینا سفید در این ارائه تشریح شده اما در دمای کمتر از سیستم خالص ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد است. بهترین نتایج توسط کاهش درصد سیمان و ثابت نگهداشتن درصد میکروسیلیس بوده است. در اینجا ۲٫۵% سیمان با ۸% میکروسیلیس مورد استفاده قرار گرفته است.

آزمون دیرگدازی تحت بار (RUL) اغلب برای دسترسی به دیرگدازی ماده استفاده می­شود. اندازه­گیری استحکام (HMoR) ابزار مفیدی است. شکل۱۳ خواص مکانیکی RUL جرم ریختنی شکل۱۲ را نشان می­دهد. همه نمونه­ها در دمای ۱۰۰۰درجه سانتیگراد به مدت ۲۴ساعت برای انجام تست RUL لازم است. بدیهی است که همه نمونه­ها بین دمای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد و ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد نرم می­شود اما برای جرم ریختنی با بیش از ۶% میکروسیلیس حدود ۱۴۰۰درجه سانتیگراد در ابتدا افت پیدا می­کند. این الگو برای جرم ریختنی با استحکام بخشی فاز مولایت بوده و تشکیل مولایت برگشت ناپذیر است، تغییرات بیشتر پیش پخت مشخصاً پدیدار می­گردد، می­توانید در شکل ۵و۹و۱۴و۱۵ ببینید.

برای جرم ریختنی کم سیمان برپایه فیوزدآلومینا سفید، مقرر شده که پیش پخت در دماهای بالای کمتر از دمای انجماد فاز مایع (شکل۵) می­باشد و توضیح اینکه تشکیل فاز مولایت خیلی سریع به تعادل می رسد و باندینگ توسط فاز مایع در سیمان بمنظور رسیدن به تعادل مورد حمله قرار می­گیرد. این توضیح طبق نتایج شکل ۱۴ است. دلیل اینکه چرا جرم ریختنی دیرگداز با درصد سیمان کمتر تمایل چندانی نداشته (شکل۹و۱۵) و احتمالاً بهترین توضیح با درصد این فاز مایع حمله کننده قابل انجام باشد. هر چه درصد فاز مایع کمتر، درصد تشکیل باند مولایت بیشتر و کمتر مورد حمله قرار می­گیرد.

 

نتیجه­ گیری:

هدف از این مقاله این است که دلیل رفتار حرارتی جرم ریختنی را بتوان پیدا کرد و از تفسیر دقیق اصول اساسی مثل دیاگرام فازها بتوان استفاده کرد. این تفسیر همیشه ساده نیست و اینکه با توجه به نیرنگ برخی افراد، استفاده درست بیشتر به هنر تبدیل شده است. همچنین درنتیجه کاربرد میکروسیلیس در جرم ریختنی آلومینا بالا وابستگی شدیدی به دانش فنی مناسب دارد. اختلاف فاحش در رفتار فقط با تغییرات اندکی در نسبت سیمان به میکروسیلیس می­توان دید. متاسفانه، روندها به سمت پیشرفت راه حل های بهینه در نظر گرفته شود و با حداقل میکروسیلیس درصد مناسبی سیمان بدست آوریم. اکثر شرایط به ذوب سریع کمک می­کنند.

تشکیل فاز مولایت شدیداً مورد اهمیت است و مولایت یکی از عوامل مهم زمانیکه استحکام گرم سیستم آلومینوسیلیکاتی در نظر گرفته شده باشد. نیازی به نتایج بهینه نیست چون پایداری و تشکیل فاز اهمیت دوچندانی دارد. نتایج نشان داد و مکانیزم های پیشنهادی فقط برای سیستم های بوکسیتی و فیوزدآلومینا است و کاملاً مواداولیه خاصی باید استفاده شود. مواد گروه سیلیمانیت خیلی مهم اند اما احتمالاً سیستم آلومینا بالا در حد تئوری این گروه را نیاز دارد.

 شکل۹- دیرگدازی تحت بار برای جرم ریختنی فوق کم سیمان بر پایه آلومینای ذوبی سفید با ۰٫۵% سیمان و ۸%میکروسیلیس برحسب عملیات حرارتی.

 

 شکل۱۰- دیرگدازی تحت بار جرم ULCC پخت در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲۴ساعت. بخشی از میکروسیلیس جرم ریختنی با رآکتیو آلومینا جایگزین شده است. درصد میکروسیلیس در منحنی بعدی نشان داده شده است.

 

 شکل۱۱- مدول گسیختگی گرم جرم ریختنی دیرگداز برپایه بوکسیت برحسب زمان.

 

 شکل۱۲- مدول گسیختگی گرم جرم ریختنی دیرگداز برپایه بوکسیت برحسب دما. جرم در دمای تست به مدت ۲۴ساعت پخت شده است.

 

 شکل۱۳- دیرگدازی تحت بار جرم ریختنی دیرگداز برحسب میکروسیلیس و درصد سیمان. نمونه­ها در دمای ۱۰۰۰درجه به مدت ۲۴ساعت پیش پخت شده اند.

 

 شکل۱۴- دیرگدازی تحت بار جرم ریختنی دیرگداز بر پایه بوکسیت با ۹% میکروسیلیس و ۶% سیمان برحسب دمای پیش پخت. به مدت ۲۴ساعت در دمای ۱۵۰۰-۱۰۰۰درجه سانتیگراد.

 

 شکل۱۵- دیرگدازی تحت بار جرم ریختنی برپایه بوکسیت با ۸% میکروسیلیس و ۲٫۵% سیمان برحسب دمای پیش پخت به مدت ۲۴ساعت در دمای ۱۵۰۰-۱۰۰۰درجه سانتیگراد.