طراحی و ساخت دیرگدازهای کم آهن سیستم Al2O3-SiO2 مورد استفاده در صنعت آهن و فولاد

چکیده

۷۰% تولیدات فولاد در جهان به روش احیا غیرمستقیم و با استفاده از کوره­بلند تولید می­شود. در ایران، روش احیا غیرمستقیم تنها ۳۰% از تولید فولاد را به خود اختصاص می­دهد ولی با توجه به شرایط موجود، صرفه اقتصادی روش کوره­بلند بیشتر شده است. از طرفی با وجود بیش از یک قرن سابقه تحقیقاتی درباره­ی تهیه آهن توسط کوره بلند، اطلاعات مختصری درباره­ی توزیع درجه حرارت در هنگام کار این کوره­ها موجود است. این امر باعث اهمیت و حساسیت دیرگدازهای مورد استفاده در این بخش می­شود. بر این اساس اهمیت بهینه­سازی و بومی سازی دیرگدازهای مورد استفاده در کوره بلند مورد توجه قرار گرفته است. پژوهش حاضر نیز در راستای بهینه سازی و بومی­سازی دیرگدازهای مورد استفاده در کوره بلند ذوب­آهن است.

هدف از پژوهش حاضر، طراحی یک نوع دیرگداز کم­آهن در سیستم فازی Al₂O₃-SiO₂ بوده است که مواد اولیه بگونه­ای استفاده شده است که فاز مولایت (۳Al₂O₃.2SiO₂) در زمینه و بعد از پخت ایجاد شود. با توجه به اهمیت میزان اکسید آهن در محصول نهایی و شرایط کاربردی محصول موردنظر، در طراحی محصول فوق الذکر، نوع ماده اولیه، دانه­بندی و شرایط پخت به عنوان متغییرهای تأثیر گذار در نظر گرفته شده است. نتایج حاصل از بررسی­های خواص فیزیکی، مکانیکی، ترمومکانیکی، فازی و ریزساختاری نشان داد که محصول مورد نظر در مقایسه با محصول خارجی از کیفیت قابل قبولی برخوردار است.

 

واژه های کلیدی: دیرگداز، کوره بلند، اکسیدآهن، آلومینا، مولایت.

مقدمه

صنایع آهن و فولاد از مهم­ترین تولیدکنندگان صنعتی هستند. مذاب فلزات، سرباره و اتمسفر کوره، اثرات مخربی روی آستر کوره­های مورداستفاده در این صنایع دارد و باعث آلودگی، سایش و تخریب آجرهای نسوز کوره می­شوند. بنابراین، آجرهای نسوز برای استفاده در کوره­های صنایع مذکور باید در برابر سایش، خوردگی و شوک حرارتی مقاوم باشند. با وجود توسعه روش­های جدید برای تولید آهن، همچنان استفاده از کوره بلند برای تهیه آهن مورداستفاده قرار می­گیرد. نخستین کوره بلند در قرن ۱۶ میلادی در اروپا ساخته شد و تاکنون تغییراتی در قسمت­های مختلف آن ایجاد شده است. کوره بلند متشکل از یک سیلندر فولادی است که آستر آن به دلیل شرایط متفاوت در هر قسمت از کوره، توسط مواد نسوز مختلفی پوشانده شده است. کوره بلند بر اساس تبادل متقابل انرژی­های شیمیایی و حرارتی عمل می­کند و شامل سه بخش اصلی دیواره، شکم و تنوره است. به منظور تحمل بار زیاد مواد و گرمای بالا، به آجرهای نسوز مناسب در کوره نیاز است. انتخاب دقیق و صحیح نسوز در نقاط مختلف، عمر کوره را افزایش می­دهد [۲-۱].طبق آمار، بیش از نیمی از محصولات نسوز، در صنایع آهن و فولاد مصرف می­شوند. آجرهای نسوز، یکی از انواع محصولات نسوز مصرفی در این صنایع هستند که معمولاً در ابعاد استاندارد در ساختمان­های کوره­های صنعتی استفاده می­گردند [۳].

مولایت یک آلومینوسیلیکات با فرمول شیمیایی Al₆Si₂O₁₃ و ترکیب شیمیایی ۷۹/۷۱ % اتمی Al₂O₃ و ۲۱/۲۸ %  اتمی SiO₂ است [۴]. نمودار تعادلی دوجزیی سیستم Al₂O₃-SiO₂ در شکل ۱ ارائه شده است.

شکل ۱٫ نمودار دوجزیی سیستم Al₂O₃-SiO₂ [5].

مولایت در شرایط دمای بالا و فشار پایین سنتز می­شود. به همین علت در طبیعت به ندرت یافت می­شود. مولایت از تماس مذاب آتشفشانی فوق داغ با رسوبات غنی از Al₂O₃در جزیره مول[۴] واقع در اسکاتلند مشاهده شد و دلیل نامگذاری آن نیز، مکان مذکور است. مواد اولیه مولایت شامل آلومینا، سیلیس، آندالوزیت در طبیعت به وفور یافت می­شوند [۶]. مولایت یک فاز پایدار در سیستم Al₂O₃-SiO₂ است که دارای رفتار مکانیکی دمابالای خوب، پایداری عالی در برابر شوک حرارتی و نسوزندگی بالا است. همچنین به دلیل طبیعت خنثی، پایداری شیمیایی بالایی دارد. آلومینا از نظر شیمیایی، تقریباً خنثی است و دارای نسوزندگی و مقاومت به شوک حرارتی بالایی است [۷]. پایداری حرارتی بالا، ضریب انبساط و رسانایی حرارتی پایین، مقاومت به خزش بالا، مقاومت به خوردگی بالا، استحکام و چقرمگی شکست مناسب مولایت، باعث اهمیت علمی و فنی مولایت شده است [۶]. به دلیل این خواص مطلوب، آجرهای نسوز دارای دو فاز آلومینا و یا مولایت، متداول هستند. مشخص شده است که رفتار حرارتی و مکانیکی نسوزهای آلومینا مولایتی، با تغییر ترکیب شیمیایی و توزیع اندازه ذرات فازها بهبود می­یابد. گزارش شده است که کاهش اندازه ذرات آلومینا و مولایت باعث افزایش مقاومت به شوک حرارتی و بهبود خواص مکانیکی (سختی، استحکام، مدول الاستیک، چقرمگی شکست) می­گردد [۸-۹].آجر دارای ۸/۷۱ % آلومینا اگر به طور کامل تبدیل فازی داشته باشد، کاملاً از مولایت تشکیل شده است. اگرچه کانی­های طبیعی زیادی وجود دارند که آلومیناسیلیکاتی هستند (کیانیت، آندالوزیت، سیلیمانیت) ولی مولایت تنها آلومیناسیلیکاتی است که در دماهای بالا پایدار است [۱۰-۱۱]. مقدار مولایت در محصولات شاموتی، رابطه نزدیکی با میزان Al₂O₃ دارد. در محصولات آلومینایی، میزان فاز مولایت می­تواند نوسانات زیادی داشته باشد که به نوع مواد اولیه مصرفی، میزان گدازآورها، دمای پخت و شرایط تعادلی حین پخت (مثلاً تاثیر اندازه دانه­ها) دارد [۵].

در پژوهش حاضر، پروژه ساخت آجر آلومینا-مولایت جهت رفع مشکلات فنی کوره بلند شماره ۱ ذوب آهن اصفهان که به علت نبود آجر با کیفیت مناسب داخلی بیشتر از سه سال از چرخه تولید خارج شده بود انجام شد. با توجه به شرایط کاربرد این محصول در جداره دیواره کوره بلند و قرارگیری لایه نسوز فوقانی در معرض انواع مواد خورنده (گازهای احیاکننده و نمک­های قلیایی) و همچنین فشار مکانیکی در دمای بالا، به کارگیری دیرگدازی با درصد اکسید آهن پایین (جهت جلوگیری از تشکیل کاربید آهن که به دلیل افزایش حجم، باعث ترک خوردن آجر می­گردد)، استحکام مکانیکی بالا و نسوزندگی تحت بار بالا الزامی است. به همین دلیل، آجر حاوی فاز مولایت (با تحمل حرارتی ^oC1500، استحکام مکانیکی بسیار بالا، نسوزندگی تحت بار بالای ^oC1470، درصد اکسید آهن زیر ۹/۰ درصد و پایداری بالا در محیط­های احیایی) برای این کاربرد انتخاب شد تا جایگزین مناسبی برای محصول وارداتی باشد.

مواد و روش­ها

مشخصات فنی موردنیاز آجر دیواره کوره بلند موردنیاز (بر اساس خواص محصول مصرفی وارداتی)، توسط ذوب آهن اصفهان اعلام شد (جدول ۱).

جدول ۱- مشخصات آجرهای دیواره کوره بلند ذوب آهن اصفهان.

دانسیته بالک (g/cm3)	تخلخل ظاهری (%)	R.U.L. (T0.5) (oC)	C.C.S (kg/cm2)	آنالیز شیمیایی
Min 2.3	Max 15	Min 1450	Min 600	Al2O3: Min 42% SiO2: Max 53% Fe2O3: Max 1.1%

آلومینا و سیلیس در نسبت استوکیومتری مخلوط شدند. برای ساخت آجر، مخلوط با حدود ۵/۰ % بایندر مناسب و مولایت آماده، تهیه شد و با پرس هیدرولیک تک محوره با فشار پرس bar180 در ابعاد استاندارد آجر  mm³76 ×۱۱۴×۲۳۰ شکل داده شد. سپس آجرها در دماهای ^oC1380، ^oC 1410، ^oC 1430 و ^oC 1460 به مدت ۶ ساعت در کوره پخته شدند و دمای پخت بهینه تعیین شد. آنالیز شیمیایی به روش تیتراسیون انجام گرفت. چگالی (به روش ارشمیدس)، درصد تخلخل ظاهری، استحکام فشاری سرد، دیرگدازی تحت بار نیز بررسی گردید. بررسی استحکام فشاری سرد (CCS) توسط دستگاه Toni Technik GmbH ساخت آلمان انجام شد. آزمایش دیرگدازی تحت بار (RUL) نیز با دستگاه NETZSCH-Gerätebau GmbH ساخت آلمان انجام شد و دمای T_0.5 تعیین گردید. پراش پرتو ایکس (XRD) توسط دستگاه Xpert Philips ساخت هلند با ولتاژ KV 40 و جریان mA 30 با لامپ مس (A^o 54059/1=Cu _Kα) در زوایای ۸۰-۱۰ درجه انجام شد. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) QUANTA200 ساخت آمریکا نیز برای تهیه تصاویر میکروسکوپی استفاده شد. لازم به توضیح است که نتایج آنالیز عنصری توسط نرم­افزار به آنالیز اکسیدی تبدیل شد.

 

نتایج و بحث

پس از بررسی ظاهری نمونه­های پخته­شده در دماهای مختلف، دمای ^oC 1410 به عنوان دمای پخت مناسب انتخاب شد. آنالیز شیمیایی نمونه­ بهینه در جدول ۲ ارائه شده است. مشاهده می­شود که درصدهای اکسیدهای موجود مطابق با مقادیر موردانتظار هستند.

جدول ۲٫ آنالیز شیمیایی نمونه ساخته­شده.

SiO2	Al2O3	Fe2O3	اکسید
۵۰>	۴۷<	۷/۱>	درصد

الگوی پراش پرتو ایکس (شکل ۲) محصول آلومینا مولایتی مشخص کرد که فاز مولایت با ساختار کریستالی اورتورومبیک (که به عنوان پایدارترین ساختار کریستالی مولایت شناخته می­شود) تشکیل­شده است و با فازهای اولیه Al₂O₃ و SiO₂ همراه است.

شکل ۲٫ الگوی پراش پرتو ایکس نمونه ساخته­شده.

خواص فیزیکی و مکانیکی نهایی محصول بهینه در جدول ۳ خلاصه شده است. خواص مذکور، در محدوده تعیین­شده موردقبول توسط شرکت ذوب آهن اصفهان قرار دارد.

جدول ۳٫ خواص فیزیکی و مکانیکی محصول نمونه ساخته­شده.

تخلخل ظاهری (%)	مقاومت مکانیکی سرد (Kg/cm3)	دانسیته بالک (g/cm3)	کمیت
۸/۱۳	۸۹۱	۳۶/۲	مقدار

منحنی دیرگدازی تحت بار نمونه بهینه (شکل ۴)، T_0.5 برابر با ^o C1439 را مشخص کرد که برای کاربرد موردنظر، قابل قبول است.

شکل ۴٫ منحنی دیرگدازی تحت بار محصول نمونه ساخته­شده.

 

نتیجه ­گیری 

ساخت آجرهای آلومینا مولایتی (به صورت درجا) با اکسید آهن کم، به منظور جایگزینی محصول وارداتی مصرفی در کوره بلند ذوب آهن اصفهان با موفقیت انجام شد. نتایج نشان داد که فاز مولایت تشکیل­شده، خواص مطلوبی مانند درصد تخلخل ۸/۱۳ %، مقاومت مکانیکی سرد از Kg/cm³891 و دیرگدازی تحت بار ^oC1439 را ایجاد کرده است.