نسوزها و دیرگدازها
کلیات
نسوزها یا مواد دیرگداز (refractory) به کلیه موادی گفته می‌شود که در برابر حرارت مقاوم بوده و در درجات بالا خواص فیزیکی و شیمیایی آنها تغییر نمی‌کند. این مواد، باید دارای ویژگیهایی دارند که این ویژگیها بصورت پارامترهای کنترل کیفیت آنها محسوب می‌شوند. ویژگیهایی از جمله بافت، درجه حرارت، انتقال گرما، استحکام، رسانایی الکتریکی و پایداری و مقاومت در برابر خوردگی عواملی هستند که باعث انتخاب یک ماده معدنی بعنوان دیرگداز می‌شود. این بدان معنی است که یک دیرگداز در برابر بار تحمیل‌شده بر آن، سایش، فشار، شوک حرارتی و خوردگی، مقاوم است و در طی کل فرآیند ذوب، اثری بر ترکیب شیمیایی ثابت می‌ماند. کلیه این خصوصیات و ویژگیها، ماده‌ی دیرگداز را به عنوان یک محصول مهم و استراتژیک در صنعت مطرح می‌نماید. بطوریکه بدون داشتن همچنین موادی، رشد و توسعه امکان‌پذیر نخواهد بود. با توجه به وجود انواع نسوزها و کاربرد هر کدام در صنعت لازم است که دسته‌بندی و تقسیمبندی جامعی در مورد نسوزها صورت گیرد. به همین منظور مواد نسوز و دیرگدازها را با در نظر گرفتن چندین ویژگی و از دیدگاه‌های مختلف رده‌بندی می‌کنند:
- ساده‌ترین رده‌بندی در مورد مواد نسوز بر پایه ترکیب شیمیایی است. طبق این رده‌بندی مواد نسوز به سه دسته سیلیسی، قلیایی و خنثی تقسیم می‌شوند. فرآورده‌های حاوی سیلیس بالا، آلومینای بالا و شاموتی در رده سیلیسی و فرآورده‌های منیزیایی، کروم منیزیا و همچنین MgO-CaO در شمار دیرگدازهای قلیایی و ترکیبات فورستریتی و کرومیتی نیز در رده خنثی دسته‌بندی می‌شوند.
- رده‌بندی دیگری از مواد نسوز بر مبنای چگونگی روشهای تولید است. برخی از دیرگدازها به‌صورت آجر، قطعه یا بدنه شکل داده شده، تولید می‌شوند، و برخی دیگر به‌صورت مواد شکل داده نشده، که جدای از هم فرآوری می‌شوند و کاربر، خود به شکل دادن آنها می‌پردازد.
- رده‌بندی دیگری بر اساس معیارهای سازمانهای معتبر استاندارد جهانی انجام میگیرد. به عنوان مثال در جدول 1 طبق استاندارد ISO1109 مواد نسوز با تخلخل کلی کمتر از 45 درصد رده‌بندی شده‌اند.
- رده‌بندی دیگر، کاربرد دیرگداز بر حسب استانداردهای داخلی کشورهاست.
یک نوع رده‌بندی نیز وجود دارد که حالت کلی داشته و معیار خاصی برای رده‌بندی در آن وجود ندارد. به عنوان مثال جدول 2 رده‌بندی عمومی دیرگدازها را نشان
می‌دهد
انواع نسوزها و دیرگدازها
نسوزهای سیلیسی
یکی از انواع نسوزها مواد سیلیسی است که مهمترین کاربرد آن در تهیه آجرهای سیلیسی است. از لحاظ استاندارد، آجر سیلیسی دربرگیرندة همة آجرهای سیلیکاتی است که کمتر از 5/1 درصد آلومینا، کمتر از 2/0 درصد TiO2، کمتر از 5/2 درصد Fe2O3، کمتر از 4 درصد اکسید کلسیم و حدود 3 Mpa (500 Psi) مدول گسیختگی دارد.
انواع کانیهای سیلیسی که در دیرگدازهای سیلیسی استفاده می‌شوند عبارت‌اند از کوارتز، تریدیمیت، کریستوبالیت.
ماده خام اولیه برای آجرهای نسوز سیلیسی، کوارتزیت است که خلوص شیمیایی و ویژگی نسوزندگی آن عامل اصلی جهت انتخاب به‌عنوان یک نسوز است. در جدول 3 ترکیبی شیمیایی ماسه سیلیسی را که به‌عنوان نسوز بکار می‌رود می‌بینید.
وجود ناخالصی در کوارتزیت، باعث مشکلاتی در تهیه این ماده به‌عنوان نسوز می‌شود. در تولید آجر نسوز، برای زدودن رس و ناخالصی‌ها، ماده‌ی خام، خردایش و شسته می‌شود و پس از دانه‌بندی و دسته‌بندی در یک مخلوط‌کن با آب آهک 3 درصد حرارت داده می‌شود. برای ساخت آجر از پرس سنگین و یا پرس سبک‌تر همراه با لرزش برای فشرده کردن دانه‌ها استفاده می‌شود. آجر تهیه‌شده نخست خشک و سپس در دمای 2700 درجه فارنهایت حرارت داده می‌شود.
در ایران منابع سیلیسی‌ای وجود دارد که با توجه به آنالیزهای شیمیایی‌شان می‌توانند به‌عنوان نسوز مورد استفاده قرار گیرند که در زیر به‌طور مختصر به برخی از آنها پرداخته می‌شود.
منابع سیلیسی مناسب برای تولید آجرهای نسوز سیلیسی
طبق جدول 3 ذخایری که ترکیب سیلیس آنها در حدود مواد نسوز باشد می‌توانند به‌عنوان پتانسیل نسوز مطرح باشند.
Ø کانسار کوارتزیت دربند شهمیرزاد
این کانسار در 28 کیلومتری شمال سمنان و در جنوب شرقی شهمیرزاد واقع است. کانسنگ در این کانسار بصورت لایه‌ای و به دو صورت کوارتزیت دانه‌ریز شکری و کنگلومرا با بافت پیزولیتیک دانه درشت میباشد. نتیجه آنالیز 20 نمونه از این کانسار به صورت زیر است:
SiO2: 96.92-98.4 %
Fe2O3: 0.125-0.8 %
Al2O3: 1.04-1.56 %
CaO: 0-0.1 %
این اعداد و ارقام نشان می‌دهد که این کانسار مذکور قابلیت استفاده در زمینه دیرگدازها را دارد.
Ø کانسار سیلیس مبارک‌آباد- تپه‌فرج- مشا
کانسار مبارک‌آباد- تپه‌فرج- مشا در 63 کیلومتری شرق تهران قرار دارد. نتیجه آنالیز شیمیایی مربوط به یک نمونه از این کانسار به‌صورت زیر است:
SiO2: 97.48 %
Fe2O3: 0.14 %
Al2O3: 1.5 %
CaO: 0.08 %
در کانسنگ این کانسار مقادیر سیلیس و آلومینیم در حد مطلوب ولی مقادیر آهن و کلسیم کمتر از حد مطلوب است.
Ø کانسار سیلیس قارجه فید
این کانسار در 90 کیلومتری جنوب غربی قزوین در کنار روستای قراجه فید تاکستان قرار دارد. کانسار بصورت رگه‌ای از کوارتزیت سفیدرنگ و خالص است. از این کانسار اطلاعات آنالیزی در دسترس نیست. ولی با توجه به خلوص سیلیس آن شاید بتوان از آن به عنوان نسوز استفاده کرد.
کانسار قرمزآباد زنجان
کانسار قرمزآباد زنجان در 181 کیلومتری جنوب‌شرقی زنجان قرار دارد. نوع کانسنگ کوارتزیت سفید رنگ تا خاکستری ابری و مایل به صورتی و در برخی جاها صورتی مایل به کرم است. در بخشهای پایینی این کانسار کوارتزیت خالص با رنگ سفید و درجه خلوص بالا مشاهده می‌شود. نتیجه متوسط آنالیز شیمیایی نمونه‌هایی از کانسنگ این کانسار به شرح زیر است:
SiO2: 97-97.1 %
Fe2O3: 0.07-0.87 %
Al2O3: 1.32- 1.9 %
CaO: 0-0.17 %
ذخیره قطعی کانسار حدود 140 هزارتن و ذخیره احتمالی آن حدود 300 هزار تن است.
کاربرد آجرهای سیلیسی
آجرهای سیلیسی به‌دلیل ارزانی و هدایت حرارتی مناسب در گذشته بسیار مورد توجه بوده‌اند اما امروزه بنا به‌دلایلی از استعمال آنها کاسته شده است. از معایب این نسوزها که باعث کاسته شدن تقریباً 90 درصدی استفاده از آنها شده است می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- آجرهای سیلیسی در اثر تبدیلات پلی‌مورفی کانیها در روند گرمایش و سرمایش دچار تغییر حجم می‌شوند که این عامل ممکن است ساختمان کوره را به هم بریزد.
- دیرگدازهای سیلیسی در محدودة دمایی 450 تا 600 درجة سانتیگراد از پایداری ناچیزی در برابر تنش‌های حرارتی برخوردارند.
- نقطة ذوب آجر سیلیسی حدود °C1700 است که این درجه حرارت امروزه در صنعت جایگاهی ندارد.
همانطور که گفته شد در گذشته آجرهای سیلیسی به عنوان دیرگداز، کاربردی گسترده در پوشش سقف کوره‌های گداز فولاد زیمنس- مارتین داشته‌اند اما امروزه تحول در فناوری ساخت فولاد، باعث کاهش کوره‌های ذوبی زیمنس- مارتین شده و در عوض کوره‌های الکتریکی زیمنس- مارتین گسترش یافته‌اند. دمای این کوره‌ها بسیار بالاتر از توانایی تحمل آجرهای سیلیسی است که همین امر باعث کاهش مصرف آجرهای سیلیسی در ذوب فولاد شده است. سقف کوره‌های قوس الکتریکی امروزه توسط آجرهای پرآلومینا پوشیده می‌شود. همچنین در گذشته از آجر سیلیسی برای پوشش سقف کوره‌های ذوب مس نیز استفاده می‌شد که اینک با آجرهای قلیایی (منیزیا) جایگزین شده‌اند.
با این تفاصیل امروزه از آجرهای سیلیسی به دلیل توانایی پایدار در برابر دماهای نزدیک به نقطة گداز، در کوره‌های کک‌سازی، کوره‌های سرامیک، کراون‌های مخزن شیشه و به‌عنوان یک کنترل‌کننده در بازیافت‌کننده‌های مخازن شیشه‌ای استفاده می‌کنند.
· رسهای نسوز یا گل آتش‌خوار (Fire clays)
رس نسوز یا خاک رس دیرگداز از سیلیکاتهای آبدار آلومینیم و یا از سیلیکاتهای هیدراته آلومینیم و منیزیم با دانه‌های ریز تشکیل شده است که توانایی تحمل دماهای بالا بدون تغییرشکل را دارند. اینگونه رسها در اثر حرارت سفیدرنگ نمی‌شوند و دمای بالاتر از 15 PCE را تاب می‌آورند بی‌آنکه در آنها رس شیشه‌ای پدید آید. منظور از PCE (مرتبه آذرسنجی: (Pyrometric Cone Equivalent میزان تحمل دما توسط رس است. این عامل در رسها تعیین‌کننده کیفیت رسهاست که از 19 شروع و تا 37 می‌رسد. رسهای نسوز را به سه دسته با نسوزندگی پایین (PCE بین 19 تا 26)، نسوزندگی متوسط (PCE بین 26 تا 5/31) و نسوزندگی عالی (PCE بین 32 تا 37) دسته‌بندی می‌شوند. از نظر ترکیب شیمیایی رسهای نسوز باید عاری از آهن، کلسیم و قلیایی‌ها و پس از پخت، 35 درصد آلومینا داشته باشند. به همین دلیل کانیهای اصلی رسهای نسوز اعضاء خانواده کائولینیت، هالیوزیت، آلوفان، دیکیت، ناکریت و پیروفیلیت هستند. ترکیب شیمیایی یک رس نسوز بسیار عالی در جدول 4 آمده است.
به‌طور کلی در مورد نسوزهای رسی نمی‌توان کانی خاصی را برشمرد، بلکه می‌توان از یک سری کانیایی رس نسوز تهیه کرد. مهمترین رسها برای مواد خام دیرگداز رسهای فلینتی یا نیمه‌فلینتی، رسهای پلاستیک، نیمه‌پلاستیک و کائولن هستند.
رسهای فلینتی (Flint clay) و نیمه فلینتی به عنوان سنگ نسوز معرفی می‌شوند و بهترین نوع رسهای فلینتی، درجه PCE برابر با 33 تا 35 و کمترین اندازه ممکن اکسید آهن و قلیایی‌ها را دارند.
رسهای پلاستیک (Plastic clay) و نیمه‌پلاستیک که همان خاک نسوز می‌باشند خاستگاه رسوبی دارند. درجه آذرسنجی رسهای پلاستیک (PCE) 26 تا 33 است و بطور معمول مقدار آهن و قلیایی آنها پایین است. از سنگ‌نسوز به طرف خاک نسوز سختی و درصد آلومین کمتر می‌شود و میزان پلاستیسیته افزایش می‌یابد.
کائولن، مادة اولیه همه انواع خاکهای نسوز- فلینت، رسهای فلینتی، نیمه‌پلاستیک و غیره است. کائولن سنگی است نرم، ریزدانه، خاکی، شکل‌پذیر و معمولاً سفید که از هوازدگی درجای سنگهای دارای کانیهای آلومینیم‌دار نظیر فلدسپاتها به‌همراه کانیهای دیگر نظیر کوارتز یا میکا بدست می‌آید. کائولنی که در صنعت دیرگداز بکار می‌رود دارای درجه دیرگدازی (PCE) 28 تا 35 و پلاستیسیته متوسط است.
گروه‌بندی ASTM آجرهای خاک نسوز با آلومینای بالا را در پنج نوع بصورت زیر درجه‌بندی کرده است (Crookston et al, 1983):
1- دیرگداز عالی((super duty، با هم‌ارز مخروط پیرومتریک 33
2- دیرگداز بالا (high duty)، با هم‌ارز مخروط پیرومتریک 5/31
3- نیمه سیلیسی (semisilica)
4- دیرگداز متوسط (medium duty) با هم‌ارز مخروط پیرومتریک 29
5- دیرگداز پایین (low duty) با هم‌ارز مخروط پیرومتریک 15
آجرهای نسوز در کوره‌های بلند، تجهیزات واسطه‌ای و حمل مواد گداخته، کوره‌های پخت الکترود- کک بکار رفته در تولید آلومینیم- آجر آسیا، آجر تون، ساخت کوره سرامیک، کوره‌های پخت سرامیک، دیوار ژنراتور مخزن‌های شیشه و خطوط کوره‌های حرارتی کاربرد دارند.
کائولن و رسهای نسوز
ز میان 66 کانسار یا اندیس معدنی رسی و دیرگداز رسی گزارش‌شده در ایران، 52 کانسار تعیین ذخیره شده است و رقمی برابر با 5/776 میلیون تن ذخیرة رس نسوز و معمولی بدست آمده که بر روی هم به یک میلیارد تن کائولن می‌رسد. از این میان خاک نسوز دوپلان با ذخیرة 5/1 میلیون تن، چپوی شاهین‌دژ با ذخیرة 54 هزار تن، نوروزآباد شاهین‌دژ با ذخیرة 250 هزار تن و سنگرود 400 هزار تن، از نوع نسوزهای آلومینای بالا هستند. اگر کانسار جاجرم نتواند برای تهیة آلومینا کاربرد داشته باشد، ذخیرة این کانسار را نیز باید در شمار نسوزهای آلومینا بالا به حساب آورد.
Ø رسهای کائولینی نسوز در منطقه آباده
در منطقه آباده انباشته‌های کائولن نسوز وجود دارد که از نظر زمین‌شناسی در تشکیلات دونین تا تریاس جای دارند.
الف- مناطق نسوزدار دونین بالایی شامل کانسار کویر 5 و استقلال
ب- مناطق نسوزدار کربونیفر و پرمین شامل معادن کویر
ج- مناطق نسوزدار تریاس بالایی که بنام سازند شورجستان معروف است
ترکیب شیمیایی رسهای نسوز آباده به شرح زیر است:
Al2O3 + TiO2: 25.66-30.31 %
Fe2O3: 5.6-0.75 %
CaO + MgO: 0.75-0.41 %
Na2O: 0.36 %
L.O.I: 9.36-13.75 %
Plasticity coefficient: 6-20 Et
در ناحیه آباده 18 منطقه نسوزدار کشف شده که مهمترین آنها عبارتنداز: استقلال، کویر 5، کویر 1، کویر 2، کویر 4، کویر 16 و کویر 17.
رسهای نسوز آباده از بهترین نسوزهای ایران برای استفاده در کارخانه‌های فولادسازی است. آمیزه‌ای از نسوزهای کویر و دوپلان برای فرآورده‌های شاموتی و آجرنسوز بکار می‌رود.
Ø منطقه نسوزدار رباط‌خان طبس
در استان یزد در منطقه رباط‌خان طبس چند کانسار کائولن و رس نسوز وجود دارد که تحت اختیار شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور میباشد. مواد نسوز در این منطقه یک افق لاتریتی است که در مرز پرمین- تریاس واقع شده است.
Ø کانسار کائولن و نسوز سنگرود
این کانسار در 25 کیلومتری شرق لوشان در کنار معدن زغال‌سنگ سنگرود واقع شده است. ماده معدنی بیشتر کائولینیت و آرژیلیت بوده که ترکیب شیمیایی نمونه تکلیس شده آن به شرح زیر است:
SiO2: 43.38 %
Fe2O3: 0.41 %
Al2O3: 38.89 %
CaO: 0.21 %
TiO2: 3.07 %
MgO: 0.29 %
L.O.I: 13.98 %
ذخیره احتمالی این کانسار حدود 400 هزار تن برآورد شده است.
Ø کانسار پشته سمیرم
این کانسار در 180 کیلومتری جنوب اصفهان و در 110 کیلومتری جنوب غربی شهرضا و در 29 کیلومتری جنوب‌باختری سمیرم واقع است. لایه خاک نسوز که متعلق به کرتاسه بالایی است دارای ترکیب کانی‌شناسی کائولن به رنگ سفید تا خاکستری روشن همراه با عدسیهای آرژیلیت قرمز مایل به قهوه‌ای و کلاً پیزولیتی میباشد و بطور میانگین 5 متر ضخامت دارد. ماده معدنی این کانسار هم‌اکنون جهت تهیه آجر و ملات نسوز برای کوره‌های ذوب فلزات بهره‌برداری می‌شود. معدن پشته سمیرم دارای سه افق معدنی a,b,c میباشد که از نظر کیفی با هم تفاوت دارند. افق c لایه اصلی معدن میباشد که خود بر مبنای میزان آهن به سه بخش تقسیم می‌شود. بطور کلی از نظر کیفی خاک نسوز معدن به دو درجه 1 و 2 تقسیم می‌شود. میانگین ترکیب شیمیایی این دو نوع خاک در جدول 5 آورده شده است.
از نظر ذخیره نوع درجه 1 حدود 4/2 میلیون تن و نوع درجه 2 حدود 5/6 میلیون تن برآورد شده است.
Ø کانسار خاک نسوز دوپلان
این کانسار در جنوب باختری اصفهان و جنوب شهرکرد واقع شده است. لایه نسوز در میان سنگهای پرمین- تریاس قرار دارد و ابعاد آن به صورت 600 × 160 × 6 متر میباشد. ترکیب کانی‌شناسی کانسنگ معدن شامل دیاسپور، کائولینیت، ایلیت، آناتاز، روتیل و به مقدار کم بوهمیت، هماتیت، گوتیت و کلسیت است. تجزیه شیمیایی کانسنگ معدن به‌صورت زیر است:
Fe2O3: 2.4 %
Al2O3: 60 %
SiO2: 20 %
TiO2: 2.7 %
L.O.I: 14 %
ذخیره معدن حدود 5/1 میلیون تن برآورد شده است.
· دیرگدازهای آلومینیم بالا (سیلیکاتهای آلومینیم)
در این گونه دیرگدازها و نسوزها عیار آلومینیم بیش از 50 درصد ترکیب کل است. ویژگیهای دیرگداز آلومینیم بالا بر مبنای استاندارد ASTM در جدول 6 نشان داده شده است.
مولیت (3Al2O3.2SiO2) یک دیرگداز با آلومینای بالا است که ماده فرآوری شده از مواد خام دیرگداز آلومینیم بالا است. این فرآورده به شرط بلورین بودن باید دارای ویژگیهای زیر باشد تا بعنوان نسوز مورد استفاده قرار گیرد:
- حداقل عیار برای آلومینا از 56 تا 79 درصد و بقیة اکسیدها 5 درصد متغیر باشد.چ
در فشار KPa 172 (25 Psi) و درجه حرارت 1593 درجة سانتیگراد در 90 دقیقه تغییرشکل باید حداکثر5 درصد باشد.
مولیت Al6Si2O13
مولیت کانی‌ای است با فرمول شیمیایی Al6Si2O13 که برای نخستین‌بار در ادخال‌ها و میانبارهای آرژیلتی درون سنگهای خروجی ترسیر، در جزیرة مول اسکاتلند دیده شده و به همان نام خوانده شده است. سیستم تبلور آن اورتورومبیک با کریستال‌های بلند منشوری است که در راستای {001} درازشدگی دارند. رخ کامل در راستای {010} و سختی 6 تا 7 دارد. اسیدها، حتی HF بر آن بی‌اثر است. در ترکیب شیمیایی مولیت 79/71 درصد Al2O3 و21/28 درصد SiO2 وجود دارد.
کانی مولیت به دلیل فراوانی بسیار ناچیز در طبیعت، چندان مورد توجه زمین‌شناسان نبوده است. از سوی دیگر بدلیل ویژگیهای دیرگدازی آن، علم مواد همة تلاش خود را برای دست‌یافتن بدان کرده است.
این کانی که بعنوان دیرگداز آلومینیمی بکار می‌رود به روشهای زیر تهیه و فراهم می‌شود:
- آمیزه‌ای از بوکسیت [Al(OH)5] و کائولینیت Al2O3.2SiO2.2H2O، به نسبت 1 (کائولینیت) به 4 (بوکسیت)
- بکارگیری کانی‌هایی که در ترکیب خود حاوی عیارهایی از SiO2 و Al2O3 نزدیک به فرمول مولیت باشند. کائولن طی دگرسانی تا حد ایجاد خانواده دیستن پیش می‌رود و به پیدایش مولیت می‌رسد.
- ترکیب سیلیس و آلومینا به نسبتی که بتواند ترکیب شیمیایی کانی مولایت را تحقق بخشد.
- کانیهای گروه دیستن
چون آلومینا درجات حرارت بالای 2000 درجه سانتیگراد را تحمل می‌نماید از این لحاظ مورد توجه صنایع دیرگداز قرار دارد. کانیهای آلومینیم‌دار که عیار آلومینیم آنها بیش از 60 درصد میباشد می‌توانند ماده اولیه و خام مولیت باشند که در این میان سیلیکاتهای آلومینیم (سیلیمانیت، آندالوزیت و کیانیت) بدلیل داشتن بیشترین مقدار آلومینا، فراوانی و ارزانی قیمت، مناسب‌ترین کانیها برای تهیه مولیت می‌باشند. برای اینکه بتوان از این کانیها مولیت تهیه نمود باید فرآوری شوند که این امر مستلزم تغییر در نسبت آلومینا با افزودن خالص آن به ترکیب کانیایی مادة نسوز، است. با توجه به جدول 7 که ویژگیهای کانیهای سیلکات آلومینیم را مشخص می‌نماید کانیهای سیلیمانیت و آندالوزیت برای این موضوع مناسب‌تر می‌باشند.
مولیت حاصل شده از فرآوری سیلیکاتهای آلومینیم در برابر اسیدها، از جمله اسیدفلوئوریدریک و قلیاها مقاوم بوده و درجه حرارتهای بسیار بالا را بدون تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی تحمل می‌کند. به همین خاطر در مواردی که در واکنشهایی که اسیدها نقش دارند این نوع دیرگداز به دیرگدازهای دیگری همچون کوارتز ترجیح داده می‌شود. از مولیت همچنین در تولید عایق‌های ویژه، جرقه‌زن‌ها، بوته‌ها و پاتیل‌های فولاد، تیوب‌های پیرومتر و غیره استفاده می‌کنند.
از دیگر کاربردهای نسوزهای آلومینا استفاده در کوره‌های دوار پخت سیمان و تولید آهک، آجر سقف کوره‌های گداز الکتریکی فولاد، کوره‌های بلند، آجرهای کوره‌های بلند، آجر پاتیل و دیرگدازهای کنتاکت از آلومینیم به عنوان ملاقة جابجاکنندة گداختة فلزی، میباشد. مهمترین کاربرد کانیهای دارای ترکیب آلومینای بالا در تولید آجرهای عایق حرارتی است، زیرا آجرهای ساخته‌شده از این مواد به دلیل تخلخل زیاد و چگالی کم رسانایی گرمایی بسیار اندک دارند. مصرف آلومینا در سیمان سبب بالا رفتن درجة دیرگدازی آن می‌شود.
· دیرگدازهای قلیایی
این گروه از نسوزها خود به چهار دسته نسوزهای دولومیتی، منیزیتی، فورستریتی و کرومیتی تقسیمبندی می‌شوند. سازنده اصلی این نسوزها، آهک (CaO)، منیزیا (MgO) و یا نسبتی از ترکیب هر دو میباشد. در حقیقت نسوزهای قلیایی کربناتهای منیزیم‌دار و گاه منیزیتهای کلسیم‌دار هستند.
الف- نسوزهای دولومیتی
دولومیت در کنار کلسیت یک از کانیهای فراوان طبیعت است که ترکیب شیمیایی آن حاوی 4/30 درصد CaO و 7/21 درصد MgO است.در این کانی بندرت ناخالصی‌های Fe، Mn، Zn و Ni یافت می‌شود. دولومیت نیز به عنوان یک دیرگداز، پایداری کافی در برابر اثرات شیمیایی سرباره‌های قلیایی در مبدل‌ها را دارد. تکلیس این ماده در دمای 900 درجه به پیدایش دو اکسید CaO و MgO می‌انجامد. آجر دیرگداز حاصل از آن باید 60درصد CaO و 40 درصد MgO داشته باشد.
آجرهای دولومیتی بر دو گونه‌اند، یکی با دولومیت مرده و دیگری دولومیت کمک‌ذوب که با مقدار کمتر اکسیدهایی غیر از CaO و MgO ساخته می‌شوند.
امروزه دیرگداز پاتیل‌های شاموتی، از نوع دولومیتی است. در کوره‌های دوار پخت سیمان از آجر دولومیتی زینترشده اتصال قیری استفاده می‌شود. آجرهای نسوز کوره پخت آهک از جنس دولومیت است.
ب- نسوزهای کرومیتی
از کرومیت در صورتی می‌توان به عنوان دیرگداز استفاده نمود که مجموع دو اکسید Al2O3 و MgO بیشتر از 60 درصد و همچنین عیار سیلیکا کمتر از 6 درصد باشد.
ج- نسوزهای فورستریتی
فورستریت یک کانی از گروه اولیوین با فرمول شیمیایی (Fe,Mg)2(SiO4) است که با داشتن ترکیب مناسب می‌تواند به عنوان یک دیرگداز مورد استفاده قرار گیرد. هرگاه در این کانی نسبت مولکولی MgO به SiO2 یک به دو باشد به عنوان دیرگداز می‌توان از آن استفاده نمود، ولی در صورت وجود Fe در کانی، این نسبت خواه‌ناخواه به هم می‌ریزد و به هنگام برشته‌کردن، فورستریت با اکسیژن کوره ترکیب می‌شود و کانی منیتیت را پدید می‌آورد. SiO2 اضافه مانده از ترکیب فورستریت، پیروکسن غنی از SiO2 را می‌سازد که درجة دیرگدازی پایین دارد و وجود آن باعث پایین آمدن درجة نسوزندگی فورستریت برشته‌شده می‌شود. برای جلوگیری از این کار با توجه به آنالیز شیمیایی فورستریت، آنقدر بدان MgO افزوده می‌شود تا نسبت 1:2 در آن پایدار شود. فزون بر آن از آن رو که ماده فورستریتی و برشتة آن شکل‌پذیر نیستند، با یک مادة شکل‌پذیر آمیخته و قالب زده می‌شود.
فراوانی کانیهای فورستریتی و همراهی آن با توده‌های کرومیتی از یک سو، فشارهای مقررات زیست‌محیطی برای پاک‌سازی محیط از باطله‌های معدنی از سوی دیگر و دیرگدازی فورستریت انگیزه‌ای برای تلاش در راه وارد کردن باطله‌های معدنکاری و کانه‌آرایی کانسارهای فورستریتی به صنعت دیرگداز شده است.
این ماده می‌تواند به عنوان آجر قلیایی کوره‌های پخت آهک و سیمان، یا در کوره‌هایی که دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد در آن نیاز نباشد و یا آغشتگی بار به Mg و یا Fe موجود در فورستریت برای آن مسأله‌ساز نباشد، مصرف شود.
د- نسوزهای منیزیتی
منیزیت یکی دیگر از کانیهای دیرگداز است که دارای ترکیب کانی‌شناسی MgCO3 است. منیزیت خالص بندرت در طبیعت یافت می‌شود. از منیزیت در صنعت نسوزها برای تهیه پریکلاز استفاده می‌شود.
پریکلاز کانی دیرگداز منیزیم‌داری است که از نظر کانی‌شناسی شکل دما بالای MgO (منیزیا) میباشد. این کانی در طبیعت نیز وجود دارد ولی مقدار آن بسیار کم است بدین سبب به روش مصنوعی جهت استفاده در صنعت نسوزها آن را به دو روش تهیه می‌نمایند.
1- تکلیس منیزیت طبیعی: تکلیس منیزیت در دمای 1450 تا 1500 درجه سانتیگراد به پیدایش MgO می‌انجامد.
2- تکلیس کانی بروسیت Mg(OH)2، بروسیت یک منبع طبیعی است ولی بدلیل کمیابی آن نسبت به منیزیت نمی‌توان به عنوان یک منبع قابل اطمینان روی آن حساب کرد.
از آنجاییکه برای تهیه پریکلاز احتیاج به منیزیت میباشد و از طرفی ممکن است دسترسی به این منابع مقدور نباشد لذا در کشورهای پیشرفته روش استحصال منیزیا را از آب دریا به صورت یک صنعت تولید دیرگداز جا افتاده است. در این روش با کاربرد آهک مرده، دولومیت مرده و یا سود سوزآور یونهای منیزیم محلول در آب دریا را به صورت هیدروکسید وادار به ته‌نشینی می‌کنند. نهشته بدست آمده پس از جداشدن از محلول در کوره‌های دوار (shaft) در دمای بسیار بالا تکلیس می‌شود. دانه‌های منیزیای تکلیس شده چه از نوع طبیعی چه شیمیایی، نسبت به رطوبت یا گازکربنیک هوا بی‌اثرند، از این رو می‌توان آنها را مرده به شمار آورد. منیزیای بدست‌آمده از آب دریا فرآورده‌‌ای است یکدست و یکنواخت که خلوصی از 98 درصد به بالا دارد.
بزرگترین کاربرد آجرهای قلیایی در صنایع فولاد در کوره‌های زیمنس- مارتین، کوره‌های الکتریکی، تشویه سیمان، کوره‌های فرآیندهای گداز صنایع مس و همچنین در بازسازی مخزن شیشه است.
· نسوزها و دیگر دیرگدازهای کمیاب
گروه دیگری از دیرگدازها وجود دارد که با توجه به نبودهای فراوان آنها در طبیعت از اصطلاح دیرگدازهای کمیاب استفاده می‌شود. این دیرگدازها بطور فهرست‌وار شامل دیرگدازهای زیرکنی، دیرگدازهای کاربیدی، آلومینای خلوص بالا، اکسید کروم، کربن و گرافیت می‌باشند. بطور کلی این دیرگدازها گران می‌باشند و در موارد خاص از آنها استفاده می‌گردد.
منیزیت
بعد از توصیف مختصری در مورد انواع نسوزها در این قسمت به بحث در مورد یکی از انواع دیرگدازها که در ایران نسبت به دیگر دیرگدازها بیشتر تولید می‌شود، می‌پردازیم.
منیزیم از نظر فراوانی در پوسته زمین، هشتمین عنصر است و در بیش از 60 کانی یافت می‌شود که مهمترین آنها، از نظر اقتصادی، عبارتند از: منیزیت(MgCO3)، بروسیت Mg(OH)2، دولومیت CaMg(CO3)2، اپسومیتMgSO4.7H2O املاح کلرید و سولفات منیزیم در شورآبه‌های طبیعی (بخصوص کارنالیتKMgCl3.6H2O )، اولیوین(Mg,Fe)2 SiO4، تالک Mg3Si4O10(OH)2 و سرپانتین Mg6Si4O10(OH)8.
این کانیها به عنوان مواد اولیه برای تولید فلز منیزیم، انواع مختلف منیزیا (MgO) و دیگر ترکیبات منیزیمی استفاده می‌شود که در ساخت نسوز، کمک ذوب، پرکننده، عایق، سیمان، رنگ‌بر، کود و مواد شیمیایی بکار می‌روند.
گروه منیزیت شامل کانیهای منیزیت، هونتیت و هیدرومنیزیت است. منیزیت معروفترین و فراوانترین کانی است که به منظور تهیه منیزیا بکار گرفته می‌شود. این کانی عضوی از گروه کربناتها با سیستم تری‌گونال است. هونتیت از دیگر کانیهای گروه منیزیت است که تشکیل آن تنها با منیزیت و تقریباً با لایه‌های تک‌کانی صورت میگیرد. هیدرومنیزیت نیز فراوانترین کانی کربنات منیزیم‌دار و لایه‌های آن همراه با سوزنهای آراگونیتی و رسوبهای دریاچه‌ای نهشته می‌شود.
در طبیعت، منیزیت بندرت به شکل متبلور درشت‌دانه یافت می‌شود. بطور معمول مقادیری از کربناتها، اکسیدها و سیلیکاتهای آهن، کلسیم، منگنز و آلومینیم به عنوان کانیهای همراه حضور دارند.
شرایط تشکیل و ژنز منیزیت
منیزیت از نظر بلورشناسی به دو صورت درشت بلور و ریزبلور یافت می‌شود. منیزیتهای درشت بلور از یک محلول اشباع از یون منیزیم با زمان و حرارت کافی بوجود آمده‌اند. در صورتیکه منیزیتهای ریزبلور بسرعت نهشته شده‌اند.
همین اندازه بلورها بازتابی از شرایط و محیط تشکیل منیزیت است. بر همین اساس انواع منیزیت را بر مبنای محیط تشکیل به شرح زیر دسته‌بندی می‌کنند:
الف) منیزیتهای گرمابی
پیدایش این گونه ذخایر، نتیجة دگرسانی محلولهای گرمابی حامل CO2 بر روی سنگهای اولترابازی است.
منیزیتهای تشکیل شده در این فرآیندها، معمولاً به صورت تودهای و نهان بلورین هستند و اغلب دارای عیار خوب می‌باشند.
ب) منیزیتهای تراوشی
در این نوع، CO2 موجود در آبهای جوی بر روی سنگهای سرپانتینی و اولترامافیکی اثر می‌کند و سبب واکنشهای شیمیایی و تشکیل منیزیت می‌شود. سنگهای الترابازیک شامل دونیت‌ها، پریدوتیت‌ها و پیروکسنیت‌ها می‌باشند که در اثر فرسایش تحت شرایط خاص جوی و محیط اکسیداسیون به سرپانتین تبدیل می‌شوند. فرآیند سرپانتینیتی شدن به وسیله واکنشهای زیر انجام میگیرد:
2 forsterite + 3 H2O serpentine + 1 brucite
1 serpentine + 3CO2 2quartz + 3 magnesite
تحت شرایط ویژه حاکم در برخی از نواحی سطحی یا نیمه عمیق، منیزیت بعنوان یک فرآورده فرسایشی تشکیل می‌شود. تجزیه سرپانتینیت‌ها به تدریج در مراحل مختلف انجام میگیرد:
(brucite) Mg(OH)2 MgCO3.xH2O MgCO3(magnesite)
ذخایر منیزیتی از این نوع، اغلب کوچک و به صورت رگچهای و دارای خلوص بالا و دانه‌بندی بسیار ریز (1 تا 10 میکرون) می‌باشند. همچنین میزان تخلخل این نوع کانسارها نیز بالا و متغیر است (5 تا 25 درصد). بیشتر ذخایر منیزیتی از این نوع در نزدیکی سطح زمین پدیدار می‌شوند و در نتیجه دارای عمق زیادی نیستند.
در ایران، در ناحیة افیولیتهای نایین (سهیل پاکوه) و سبزوار این گونهها دیده می‌شود.
پ) منیزیتهای جانشینی گرمابی
این ذخایر از محلولهای گرمابی که از ژرفای زمین سرچشمه میگیرند، تشکیل می‌شوند. این محلولها در هنگام مهاجرت بر سطح و در برخورد با آهکها، دولومیتها، یا شیلها بر اثر متاسوماتیسم جانشینی، ذخایر منیزیتی متبلور را به وجود می‌آورند. منیزیت تشکیل شده بصورت درشت بلور و کریستالین میباشد.
منیزیتهای بلورین بطور معمول طی دو مرحله تشکیل می‌شوند:
مرحله اول: حمله آبهای غنی از دی‌اکسید‌کربن با دمای کمتر از 200 درجه سانتیگراد به سنگهای دولومیتی و شسته‌شدن یونهای کلسیم و منیزیم .
مرحله دوم: بالارفتن دمای آبهای حاوی یونهای منیزیم و کلسیم که سرانجام باعث کاهش حلالیت کربنات‌کلسیم و نهشته شدن کلسیت و حمل منیزیت را در پی دارد. سپس در پایان، در شرایط مناسب حرارت و فشار، کانی منیزیت انباشته خواهد شد
این گونه ذخایر در ایران مورد توجه قرار نگرفته است، هر چند امید به تشکیل این ذخایر در خاور ایران، شمال باختری ایران (آذربایجان باختری) و نقاط دیگر می‌رود.
ت) منیزیتهای رسوبی
این گونه ذخایر در محیطهای رسوبی نزدیک به سنگهای غنی از منیزیم و به صورت تودهای و نهان بلورین (یا به صورت تراورتن) تشکیل می‌شوند.
این گونه ذخایر در پاره‌ای موارد می‌توانند از لحاظ اقتصادی قابل بهره‌برداری باشند، اما اغلب کم عیار هستند.
پیدایش ذخایر تودهای منیزیت در محیطهای آب شیرین، نیازمند فراهم بودن یون منیزیم است. یونهای منیزیم حاصل از تخریب شیمیایی سنگهای غنی از منیزیم، به محیطهای دریاچه‌ای یا آبگیرهای فصلی آورده شده و سرانجام ذخایر منیزیتی را پدید می‌آورند. در این مورد باید نسبت منیزیم به کلسیم حدود 20 تا 40 باشد تا کانسار منیزیت تشکیل گردد.
در بسیاری از نقاط ایران، همة شرایط یاد شده موجود است، ولی برای اکتشاف منیزیتهای رسوبی تاکنون فکری نشده است. ذخایر منیزیت ایران از کرتاسه پسین تا کواترنر تشکیل شده‌اند. در این فاصله زمانی، با توجه به شرایط منیزیت، دوره به خصوصی را نمی‌توان برای تشکیل آن مشخص کرد.
ث) منیزیتهای تبخیری
این قبیل کانسارها در محیطهای شور یا بسیار شور تشکیل می‌شوند. وجود یک محیط بسیار شور با نسبت بالای منیزیم به کلسیم در آبهای آن، زمینه پیدایش انباشته‌های منیزیتی اعم از نوع اولیه یا دیاژنتیک (دگرنهادی کربناتهای پیشین) را فراهم می‌کند.
· کاربرد منیزیت
منیزیت کانی‌ای است که نقش اصلی را در صنایع دیرگداز و نسوز دارد. فرآورده‌های منیزیتی، به‌طور عمده شامل دیرگدازها می‌باشند که در بخش صنایع دیرگداز به فراوانی استفاده می‌شود. بخش دیگری از این فرآوردهها، در مصارف کشاورزی، داروسازی، شیمی و… به‌کار برده می‌شود. امروزه فولادسازی مدرن و درحالتوسعه، نیاز به افزایش تولید دیرگدازهای منیزیتی با کیفیت بالا دارد.
منیزیت کاملاً تکلیس شده، شامل بلورهای پریکلاز در یک زمینة بلورین دانه‌ریز میباشد و نقطة ذوب آن، 2800 درجه سانتیگراد و وزن مخصوص آن 6/3 گرم بر سانتیگراد متر مکعب است. برای افزایش مقاومتگرمایی و پایداری فرآورده‌های منیزیتی، 5 تا 12 درصد آلومین افزوده می‌شود که این عمل منجر به تشکیل یک فاز اسپنیلی از MgO می‌گردد. دو نوع مهم تجاری- صنعتی آن عبارتست از:
منیزیت سیاه سوز (dead-burned magnesite) یا منیزیای نسوز و منیزیت تکلیس شده(caustic- calcined magnesite).
منیزیت سیاه سوز محصولی زینتر شده و دانه‌ای شکل است که با حرارت دادن هیدروکسیدمنیزیم، منیزیت طبیعی یا موادی مشابه در دمای 1450 تا 2000 درجه سانتیگراد به دست می‌آید. این مواد متراکم، نسبت به شرایط جوی پایداری بالایی نشان می‌دهد. بیش از 75 درصد میزان تولید این نوع منیزیا به نوعی در صنعت فولادسازی مصرف می‌شود. آجرهای نسوز منیزیتی در جداره کوره‌های فولادسازی با روشهای bessemer و basic open- hearth furnace مصرف می‌شوند. در روشهای دیگر از قبیل LD با استفاده از اکسیژن برای فولادسازی، آجرهای دولومیت غنی از منیزیت بکار گرفته می‌شود. روند افزایش در استفاده از این نوع نسوز به دو دلیل است:
1- در بین اکسیدهای نسوز با قیمت متوسط، MgO بالاترین نقطه ذوب را دارد. در حقیقت به استثنای اکسیدزیرکنیم (ZrO2)، منیزیا تنها ماده‌ای است که می‌تواند دماهای بیش از 2000 درجه سانتیگراد را برای مدت طولانی تحمل کند.
2- در کوره‌های گوناگون فولاد سازی (قوس الکتریکی، BOF) با استفاده از آجرهای منیزیتی، جدایش فسفر و گوگرد موجود در کانسنگ همراه با سربارة بازیک امکان‌پذیر است.
هرچند که هزینه اولیه آجرهای نسوز منیزیتی بالا است ولی به دلیل عمر طولانی در دراز مدت اقتصادی است. میزان مصرف منیزیای نسوز نزدیک به 2 تا 5 کیلوگرم در ازای هر تن فولاد تولید شده است.
فزون بر صنعت فولاد، نسوزهای منیزیتی در دیگر صنایع از جمله تولید آهک، شیشه، فلزات غیرآهنی و بویژه سیمان سازی کاربرد دارد.
منیزیت تکلیس شده که light-burned magnesite نیز نامیده می‌شود، با حرارت دادن کانسنگ منیزیت در دمای 700 تا 1000 درجه سانتیگراد به دست می‌آید. این محصول دارای پرت حرارتی کمتر از 10 درصد است و خاصیت جذب رطوبت دارد. کاربردهای مهم آن عبارتند از:
1- در کشاورزی بویژه در دهه های 1970 تا 1980، در بیشتر کودهای شیمیایی و انواع خوراک دام بکار گرفته شد. پودر منیزیت تکلیس شده با دانه‌بندی کمتر از 2 میلیمتر و عیار حداقل 85 درصد MgO به عنوان مواد تکمیلی در خوراک دام مصرف می‌شود.
2- مخلوطی از منیزیت تکلیس شده در واکنش با محلولهای غنی از منیزیم و کمی فسفات سدیم، در برابر هوا سفت می‌شود و بدین سان یک نوع چسب یا بایندر محکمی را پدید می‌آورد که در ساختمان سازی با ارزش است. عیار منیزیای تکلیس شده برای این منظور 75 تا 87 درصد MgO با میزان کم آهن و دانه بندی 40 تا 45 درصد زیر 10 میکرون است.
3- در پالایش و تصفیه فاضلابها، خلوص منیزیت تکلیس شده مورد نیاز 70 تا 99 درصد MgO است. با کاربرد این ماده، زدودن فلزات سنگین و سیلیکاتها امکان پذیر می‌شود. همچنین با استفاده همزمان این نوع منیزیا همراه با اسیدفسفریک، عمل آمونیم‌زدائی نیز انجام میگیرد. محصول به دست آمده (Mg.NH4.PO4.6H2O) می‌تواند به عنوان یک کود شیمیایی مصرف شود.
4- بعنوان مواد پرکننده در صنایع پلاستیک و لاستیک مصرف می‌شود و در کنترل ویسکوزیته و صلابت محصول سودمند است.
5- منیزیت تکلیس شده خلوص بالا در تهیه ترکیبات شیمیایی منیزیمی بکار می‌رود.
6- در صنایع کاغذ و سلولزسازی (روش انحلال bisulfite) منیزیت تکلیس شده مصرف می‌شود.
7- با دانه‌بندی کنترل شده بعنوان عامل پوشش دهنده کاربرد دارد.
8- همراه با کربنات منیزیم و منیزیای خالص در تهیه لوازم آرایش به‌کار می‌رود.
9- در صنعت داروسازی، منیزیت تکلیس شده با خلوص بالا(بیش از 98درصد MgO) به عنوان داروی ضد اسید و پایه پودر بهداشتی بکار می‌رود.
10- در صنعت سرامیک، شیشه و رزین نیز از منیزیت استفاده می‌شود.
· ذخایر و تولید منیزیت در جهان
ذخایر قطعی منیزیت جهان حدود 2/2 میلیارد تن و ذخایر پایه آن حدود 6/3 میلیارد تن تخمین زده شده است که کشورهای روسیه (650 میلیون تن)، کره (450 میلیون تن) و چین (380 میلیون تن) بزرگترین دارندگان ذخایر قطعی منیزیت در جهان می‌باشند (USGS, 2005). کل منابع شناخته شده منیزیت جهان حدود 12 میلیارد تن میباشد. منابع بروسیت جهان نیز چیزی حدود چند میلیون تن خواهد بود. اگر منابع دولومیت، فورستریت، کانیهای تبخیری منیزیم‌دار، شورابه‌های حاوی منیزیم و فرآوری منیزیم از آب دریا را نیز در نظر بگیریم، می‌توان گفت که منابع منیزیم جهان نامحدود میباشد.
در سال 2004 میزان تولید منیزیت جهان بجز ایالات متحده حدود 5/3 میلیون تن بوده است. بزرگترین تولیدکنندگان منیزیت جهان نیز در همان سال به ترتیب کشورهای چین، ترکیه، روسیه و کره شمالی بوده‌اند.
· وضعیت منیزیت در ایران
بیش از 100 کانسار و نشانه معدنی منیزیت در ایران شناسایی شده که بیشتر این منابع، در استان خراسان و حوالی بیرجند قرار دارند. کل ذخایر قطعی که مورد اکتشاف سیستماتیک واقع شده، افزون بر 10 میلیون تن است. اگر به ذخایر کم‌عیار توجه شود و در جهت فرآوری و پرعیارشدن آنها برنامهریزی گردد، آنگاه ذخایر منیزیت ایران چندین برابر افزایش خواهد یافت.
سهم جهانی منیزیت ایران از نظر ذخیره حدود 46/0 درصد و از نظر تولید 73/0 درصد میباشد (Mines & Mining in Iran, 2005). جدول 10 وضعیت و جایگاه منیزیت در ایران و جهان را نشان می‌دهد.
· تولید منیزیت و سایر دیرگدازها در ایران
هم‌اکنون در کشور حدود هشت شرکت اصلی در صنعت تولید دیرگدازها فعال هستند که صنعت دیرگدازها را در ایران در اختیار دارند. شرکتهای فرآورده‌های نسوز آذر، فرآورده‌های نسوز ایران، فرآورده‌های نسوز پارس، فرآورده‌های دیرگداز ایران، شرکت مهرگداز، شرکت نسوز تبریز، آذرشهاب تبریز و توکانسوز اصفهان از جمله مهمترین شرکتهای تولیدی فرآورده‌های نسوز در کشور هستند که شرکت فرآورده‌های نسوز آذر با بیشترین ظرفیت مشغول به‌کار است. شرکت‌هایی همچون شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور و شرکت تهیه و تولید مواد معدنی کشور نیز مواد خام و معدنی نسوز را تولید می‌کنند.
ظرفیت اسمی واحدهای تولیدکننده نسوز کشور سالیانه 384 هزار تن است که از این میان 200 هزارتن مربوط به تولید آجرنسوز و 184 هزارتن مابقی مربوط به تولید جرم نسوز میباشد.
مصرف داخلی کشور در خصوص دیرگدازها سالیانه حدود 300 هزار تن است که حدود 260 هزار تن آن از تولید داخلی تأمین می‌گردد و 40 هزار تن مانده از خارج وارد می‌شود.
شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور که متولی تولید مواد نسوز قلیایی و دولومیتی در کشور است عمدتاً به تولید منیزیت از معادن منیزیت شرق کشور می پردازد. اسامی این معادن در جدول 10 آورده شده است.
میزان تولید مواد نسوز قلیایی که شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور متولی آن است سالیانه حدود 100 هزار تن ماده خام منیزیت و 270 هزار تن دولومیت میباشد.
بر اساس آمار ارائه شده از شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور، تولید کل مواد خام نسوز کشور که شامل رسهای نسوز، سنگ‌نسوز، خاکهای چسبنده، منیزیت، کانیهای آلومینیم‌دار (آندالوزیت، سیلیمانیت و کیانیت) و دولومیت می‌باشند، 445 هزار تن در سال 85 بوده است (گفتگوی شفاهی با مهندس باقری). اما محصولات فرآوری شده به شرح زیر میباشد:
منیزیت فرآوری شده (منیزیای سینتره) 40 هزارتن
شاموت 60 هزارتن
دولومیت (سینتره دولوما) 100 هزارتن
دولومیت خام از معادن زفره نطنز، شهرضا، نهاوند و غیره برداشت می‌شود. همچنین رس نسوز از معدن پشتی سمیرم، سنگ نسوز از معادن رباط‌خان طبس و دیگر معادن اطراف طبس برداشت می‌گردد. از معدن آرژیلیت دوپلان نیز بعنوان خاک چسبنده نسوز استفاده می‌گردد.
نیازها و کاستی‌های در منابع نسوز در ایران
موضوع دیرگدازها بحثی است که رابطه مستقیم با تکنولوژی و پیشرفت و توسعه یک کشور دارد. مصرف این ماده در صنعت نشانه‌ای از صنعتی بودن آن کشور دارد. همانطور که در بحث کاربرد این مواد معدنی باارزش گفته شد این مواد در کوره‌های ذوب فولاد، مس، کوره‌های سیمان و در سطح تکنولوژی بالاتر و پیشرفته‌تر عایق موتورهای جت و موشک و راکتها مورد استفاده دارد.
خوشبختانه کشورمان در راه توسعه و گسترش صنایع فولاد و سیمان است که این امر لزوم استفاده از منابع دیرگداز داخلی را توجیه‌پذیرتر می‌نماید. طبق برنامه توسعه چهارم در پایان سال 1388 باید تولید فولاد کشور به 1/28 میلیون برسد که در این زمینه نیاز به 478 هزار تن مواد نسوز میباشد. این عدد جدا از دیگر موارد استفاده دیرگدازها و مواد نسوز در کشور میباشد. با یک نگاه به تولید کشور می‌توان به سادگی دریافت که سرمایه‌ها و پول مردم ایران به جیب کشورهای دیگر خواهد رفت در صورتیکه منابع نسوز داخلی هنوز بدرستی شناخته نشده‌اند و سرمایه‌گذاری در این زمینه صورت نگرفته است.
همانطور که آمار و ارقام نشان می‌دهند بخشی از نیاز داخلی نسوزهای کشور از خارج تأمین می‌شود و این در حالی است که به‌خاطر داشتن صنعت فولاد کشور و افزایش تولید پاره‌ای از فلزات در کشور و پاره‌ای از صنایع وابسته به نسوز تقاضای داخلی به مواد نسوز رو به افزایش است. همچنین ذخایر منیزیت کشور که یکی از اصلی‌ترین منابع نسوز کشورند، مرتباً رو به کاهش هستند و ذخایر جدیدی در چند سال اخیر اکتشاف نشده است و با توجه به ویژگیهای زمین‌شناسی اکتشاف ذخایر پرعیار بزرگ دور از انتظار است. انواع مواد نسوز و دیرگداز کشور عبارت‌اند از: منیزیت، دولومیت، رسهای نسوز، بوکسیت، سیلیس، سیلیکاتهای آلومینیوم (آندالوزیت، دیستن، سیلیمانیت)، فورستریت و کرومیت. تمام این مواد معدنی یا در کشور در حال استخراج هستند و یا منابعی هستند که می‌توان روی آنها به‌عنوان منابع بالقوه فکر کرد.
منیزیت: همانطور که گفته شد با توجه به ویژگیهای زمین‌شناسی منیزیت و جایگاه آن در کشور پیدا کردن ذخایر بزرگ و پرعیار در کشور دور از انتظار است، در این راستا راهکارهای زیر جهت تأمین منیزیت مفید می‌تواند باشد.
- بهره‌گیری از ذخایر کم‌عیار و رفتن به سراغ فرآوری ذخایر کم‌عیار و توجه به اکتشاف ذخایر منیزیت هرچند کم‌عیار
- روی آوردن به منابع منیزیم‌دار نظیر استفاده از منیزیم شورابه‌ها و کفه‌های تبخیری منیزیم‌دار برای تولید منیزیت.مساحت کل دریاچه‌ها وشورابه‌های ایران بالغ بر 87 هزار کیلومتر است که با محاسبه مقدار5 گرم در لیتر منیزیا در‌آنها و با محاسبة یک عمق میانگین 6 متری، ذخیره‌ای در حدود 5/2 میلیارد تن منیزیای خالص برای آن می‌توان در نظر گرفت. دشواری کار استحصال منیزیا از آب دریا مقدار B2O3 همراه شده با محلول های منیزیایی است که باید در نظر داشت.
دولومیت: خوشبختانه ذخایر دولومیت کشور بسیار قابل توجه هستند. سوق دارد صنعت نسوز به‌سمت بهره‌گیری هرچه بیشتر از دولومیت آینده پایداری برای صنعت نسوز کشور در پی خواهد داشت. خوشبختانه ذخایر دولومیت پراکندگی قابل توجهی نیز در کشور دارند و به یک منطقه خاص محدود نمی‌شوند. در حال حاضر از معادن زفره نطنز، شهررضا و نهاوند برای دستیابی به دولومیت مناسب در صنعت نسوزها استفاده می‌شود.
رسهای نسوز: در کشور ما رسهای نسوز با آلومینیوم بالا (البته تیتان آنها نیز بالا است) فراوان می‌باشند. هرچند که عمده ذخایر آن در منطقه آباده هستند ولی این ذخایر در افق پرمو- تریاس کشور در ناحیه طبس، آباده، البرز و آذربایجان قابل پی‌گیری هستند.
سیلیکاتهای آلومینیوم: یکی از نسوزهای قابل توجه که اخیراً در کشور ما مطرح شده و صنعت آن نیز رو به گسترش است سیلیکاتهای آلومینیوم یعنی آندالوزیت، دیستن و سیلیمانیت می‌باشند. خوشبختانه در کشور ما اینگونه ذخایر در نواحی دگرگونی فراوان هستند، مانند ناحیه همدان، کوه گبری کرمان، ناحیه خلج در مشهد و ... مواد یاد شده تاکنون در کشور ما مورد توجه نبوده‌اند.
فورستریت: هرچند تاکنون در مجموعه افیولیتی ایران سنگهای الترامافیک خاصی مانند فورستریت خالص گزارش نشده است، اما وجود چنین ذخایری البته در مجموعه افیولیتی و الترامافیک کشور دور از انتظار نیست و ممکن است با فرآوری آنها به‌عنوان ذخایر قابل توجه استفاده کرد. در کانسارهای کرومیت فورستریت بصورت باطله حجم انبوهی از فضای کاری را اشغال می‌نماید. چنانچه این باطله‌ها با 10 درصد کرومیت موجود در آنها برای تهیه مواد دیرگداز استفاده شوند، دیرگدازی ارزان قیمت در دسترس فناوری گداز فلزات خواهد بود.
کرومیت: هرچند تاکنون به‌کارگیری کرومیت در کشور ما به‌عنوان نسوز مطرح نبوده است اما واقعیت این است که کرومیتهای ناحیه بلوچستان در داخل کانسنگ کرومیت Al اغلب به‌مقدار قابل توجهی جانشین Cr شده و چنین کرومیتهایی هرچند به‌عنوان کرومیت نامرغوب هستند ولی به‌عنوان نسوز می‌توانند مفید واقع شوند.
گروه آزبستها: کانیهای گروه آزبست مانند اکتینولیت، ترمولیت، آنتی‌گوریت، کریزوتیل در مجموعه‌های الترامافیک و دگرگونی ایران فراوان اما نه به‌طور متمرکز یافت می‌شوند که می‌توانند به‌عنوان یک منبع بالقوه نسوز مطرح باشند.
مواد دیرگداز
مقدمه
مواد دیرگداز امروزه دارای کاربردهای بسیار زیادی هستند. کلیه صنایعی که در مرحله ای از فرآیند تولید خود با درجه حرارتهای بالا سروکار دارند احتیاج به مواد دیرگداز دارند. صنایع متالورژیکی، صنایع شیشه و سرامیک، صنایع هسته ای، صنایع تولید انرژی، صنایع شیمیایی و غیره همگی نیازمند مواد دیرگداز هستند.
بوجود آمدن کاربردها و شرایط کار نوین، تولید مواد دیرگداز جدید با خواص مناسب را الزام آور می سازد. از این رو صنعت ساخت و تولید مواد دیرگداز ، صنعتی پویا و در حال گسترش و تحول بوده و دائما در حال پدیدآوردن مواد نوین با خواص مناسب و مطلوب می باشد.
مواد دیرگداز جدیدی که هر روز بوجود می آیند علاوه بر تحمل درجه حرارتهای بالا می توانند شرایط مختلف کاری از جمله شوک حرارتی، خوردگی، سایش، ضربات مکانیکی، خزش وغیره را به خوبی تحمل نمایند.
تعریف مواد دیرگداز
طبق تعریف به موادی دیرگداز گفته می شود که نقطه خمیری شدن آنها بالاتر از 1520 درجه سانتیگراد باشد. معمولا نقطه خمیری شدن را با مخروط زگر می سنجند.این مخروطها از مواد دیرگداز ساخته می شوند و دارای نقطه خمیری شدن مشخص هستند. برای تعیین نقطه خمیری شدن یک آجر دیرگداز معمولا آنرا به شکل مخروط زگر با همان ابعاد استاندارد در آورده و در کوره مخصوصی که بتوان اجسام را در حین حرارت دادن رویت کرد قرار می دهند.
دور جسم را مخروطهای زگر با شماره های مختلف می چینند، در حین بالا بردن درجه حرارت کوره ، دائما وضعیت داخل را مشاهده می کنند و هنگامی که جسم کاملا نرم شده و راس آن خم شده و با قاعده در یک سطح قرار گرفت حرارت دادن را قطع می کنند، آنگاه نمونه و مخروطها را پس از سرد شدن از کوره خارج نموده و وضعیت مخروطهای زگر را مورد بررسی قرار می دهند. هر کدام از مخروطها که به شکل جسم مورد نظر در آمده بود(از نظر خم شدن راس و قرار گرفتن آن در سطح قاعده ) شماره دیرگدازی آجر مورد نظر با شماره آن مخروط زگر مساوی خواهد بود.
ساختمان مواد دیرگداز
مواد دیرگداز از مخلوطی از فازهای بلوری مختلف و فازهای شیشه ای گوناگون و تخلخل تشکیل می شوند.
نقش مواد دیرگداز
نقش این مواد محافظت از محفظه هائیست که در آنها واکنشها یا عملیاتی در درجه حرارتهای بالا انجام می گیرد، منظور از واکنشها یا عملیات عبارت از عملیات یا واکنشهای فیزیکی ، شیمیائی و مکانیکی است. مکانهائی که این مواد به کار می روند معمولا مکانهایی هستند که با دماهای بالا سروکار دارند، مانند صنایع آهن و فولاد ، صنایع غیرآهنی، ریخته گری، کارخانه جات شیشه و سرامیک، کارخانه جات مولد نیرو ، راکتورهای اتمی، صنایع سیمان و آهک و کوره های صنعتی.
خواص مهم مواد دیرگداز
1-دیرگدازی
2-مقاومت در برابر سرباره
3-پایداری در برابر شوک حرارتی(تغییرات ناگهانی درجه حرارت)
4-پایداری در برابر فشار در درجه حرارت اطاق(سرد)
5-پایداری در برابر فشار در درجه حرارت بالا
6-پایداری حجمی در هنگام حرارت دادن مجدد
7 -انبساط حرارتی
8-قابلیت هدایت حرارت
9-تخلخل و دانسیته
-10قابلیت نفوذ(در مقابل گازها)
-11مقاومت در برابر ضربه
-12خزش
انواع نسوزها
1- نسوزهای سیلیسی
این آجرها از نوع اسیدی هستند و ماده اصلی آنهاSiO2 است که نقطه ذوب آن 17230c است و معمولا دارای 93-98 درصد SiO2 هستند.
2-1 مراحل تولید نسوزهای سیلیسی
1-مرحله آماده کردن مواد اولیه
2-مرحله شکل دادن
3-خشک کردن
4-پخت
3-1 مزایا و مضرات نسوزهای سیلیسی
مزایا:
-1ارزانی مواد اولیه
-2تحمل فشارهای نسبتا زیاد در درجه حرارتهای بالا. مثلا می تواند فشاری نظیرPSI 50 را تا نزدیکی نقطه ذوب خود (1710-1730) تحمل کنند.
-3مقاومت خوب در برابر اکسیدهای آهن و CaO و به طور کلی سرباره های اسیدی.
-4انقباض کم در هنگام کاربرد در درجه حرارتهای بالا.
-5مقاومت سایشی خوب.
مضرات:
-1مقاومت کم در برابر شوک حرارتی در زیر 600 درجه سانتیگراد
-2مقاومت کم در برابر سرباره های بازی و قلیائیها
-2نسوزهای آلومینا سیلیکاته
1-2 مقدمه
در جدول تقسیمبندی نسوزهای دیرگداز، ستون نسوزهای آلومینوسیلیکاتی از سیلیس شروع شده و به آلومینا (اکسید آلومینیوم) ختم می شود. البته باید توجه داشت که نسوزهای و آلومینائی، دوحد بالا و پایین این محدوده را تشکیل داده و آنها را نمی توان آلومینوسیلیکاتی نامید.اصولا آجرهای آلومینوسیلیکاتی بر اساس دیاگرام Al2O3-SiO2 تشکیل می شوند. با توجه به این نمودار می توان دید که نقطه ذوب سیلیس 1723 درجه سانتیگراد ونقطه ذوب آلومینا حدودا 2050 درجه سانتیگراد است که این دو جسم دیرگداز در درجه حرارتهای 1590 و 1840 درجه سانتیگراد یوتکتیک تشکیل می دهند.
در مورد سیلیس خالص افزودن 5 الی 6 درصد آلومینا نقطه ذوب سیلیس را از 1723 به 1590 درجه سانتیگراد می رساند. Mullite ترکیبی با فرمول3Al2O3.2SiO2 و 72% وزنی آلومینا و نقطه ذوب آن در حدود 1850 درجه سانتیگراد است، این ترکیب درواقع مرز بین دو نوع نسوز آلومینوسیلیکاتی را نشان می دهد. تمام مخلوطهائی که کمتر از 72% دارند اولین مایع در آنها در 1590 درجه سانتیگراد ظاهر می شود درحالیکه تمام سیستمهائی که بیش از 72% آلومینا دارند نخستین مایع آنها در 1840 درجه پدید می آید. سیستمهائی که بیش از 72% الومینا دارند در درجه حرارتهای پائین از فازهای mullite و کوراندوم تشکیل می شوند در صورتیکه مخلوطهائی که کمتر از 72% آلومینا دارند، در درجات حرارت پایین دارای mullite و تریدیمیت هستند.
2-2 تقسیمبندی نسوزهای آلومینوسیلیکاتی
1-آجرهای خاک نسوز دارای 25-45%Al2O3
آجرهای سیلیمانیتی(کیانیت، آندالوزیت) دارای 45-65% Al2O3
جرهای مولایتی دارای 65-75% Al2O3
آجرهای بوکسیتی دارای 75-90%Al2O3
آجرهای کوراندومی دارای 90-100%Al2O3
لازم به یادآوریست که نام این محدوده ها گاهی از روی نام مواد اولیه (بوکسیت، سیلیمانیت...) انتخاب شده است و گاهی از روی موادی که در آجر پس از پخت به وجود می آیند(مولایت).
3-2 مینرالهای مهم آلومینوسیلیکاتی
1-3-2 رسها-مینرالهای رسی عبارت از آلومینوسیلیکاتهای آبدار با ذرات ریز می باشندکه هنگام مخلوط شدن با آب خاصیت پلاستیسیته و شکل پذیری خوبی پیدا می کنند. از نظر ویژگیهای شیمیایی ، فیزیکی و مینرالوژیکی بسیار متغیر هستند ولی دارای خواص مشترکی نیز می باشند. یکی از مهمترین خواص مشترک آنها ساختمان لایه لایه آنهاست.
همه آنها از لایه های آلومینوسیلیکاتی که به آسانی می توانند بر روی هم حرکت کنند تشکیل می شوند. خواصی نظیر نرمی و خاصیت صابونی و کلیواژ آسان از نتایج چنین ساختمانهائی هستند. مینرالهای رسی را می توان به طور کلی طبق زیر طبقه بندی کرد:
1 -کائولینیت
2-هالویزیت
-3پیروفیلیت
4-میکا
-5 مونت موریونیت
6-ایلیت
معمولا این مینرالها با مواد اضافی نظیر کوارتز، فلدسپار، قلیائیها و اکسید آهن همراه هستند
2-3-2-سیلیمانیت،کیانیت،آندالوزیت – همه این مینرالها از نظر شیمیایی دارای ترکیب یکسانی هستند و آنها را می توان با فرمول Al2O3.SiO نشان داد. اما از نظر کریستالوگرافی دارای ساختمان های بسیار متفاوتی هستند. همه مینرالهای فوق پس از حرارت دادن به صورت مولایت درآمده و سیلیس اضافی معمولا به صورت فاز شیشه ای باقی می ماند.درجه حرارت تجزیه مینرالهای فوق به مولایت و شیشه در مورد سیلیمانیت 1550 و در مورد کیانیت و آندالویت حدود 1350 درجه سانتیگراد است.درجه حرارتهای فوق ممکن است درصورت حضور ناخالصی ها تغییر کند.
چون وزن مخصوص هر سه این مینرالها نسبت به وزن مخصوص مولایت بیشتر است، پس از پخت مقداری انبساط پیدا می کند. بدین منظور معمولا مینرالهای فوق را برای جبران انقباض سایر آلومینوسیلیکاتها به کار می برند.
نام
سیلیمانیت
آندالوزیت
کیانیت
وزن مخصوص
3.10-3.20
3.10-3.20
3.50-3.70
سیستم کریستالی
رومبیک
رومبیک
تری کلینیک
با توجه به جدول فوق می توان دید که انبساط کیانیت پس از پخت بیش از سایرین خواهد بود زیرا اختلاف بین وزن مخصوص آن با وزن مخصوص مولایت(3.06) بیش از سایر مینرالهای Al2O3SiO2 است.
3-3-2-مولایت- مولایت در طبیعت کمیاب است . نام آن از نام جزیره Mull در اسکاتلند گرفته شده زیرا نخستین بار در آنجا کشف شده است.
4-3-2 کوراندوم- آلومینا به اشکال مختلف دیده می شود. پایدارترین نوع آن دارای ساختمان رمبوهدرال بوده و به کوراندوم موسوم است.
4-2 خواص نسوزهای آلومینوسیلیکاتی
1-4-2 خواص آجرهای خاک نسوز
الف- تخلخل ظاهری و وزن مخصوص
تخلخل ظاهری از 9 الی 22.5% تغییر می کند. وزن مخصوص کلی bulk از 1.96 تا 2.36 gr/cm3 در تغییر است.
ب- استحکام فشاری سرد
این استحکام بسیار خوب است و تا 10000PSIنیز می رسد(که عالی است). این خاصیت با مقاومت سایشی در ارتباط است و برای کوره هایی نظیر کوره بلند بسیار مهم است.
ج- تغییرات طولی پایدار
تا 9000c انبساط وجود دارد(انبساط حرارتی) پس از آن انقباض شروع می شود که تا 1200 ادامه پیدا می کند پس از آن انبساط آجر شروع می شود. این انبساط یا باد کردگی آجر به نظر می رسد که در اثر تجزیه مواد سولفیدی، سولفاتی یا کربناتی موجود در مواد اولیه باشد که در حین فرآیند تولید تجزیه نشده اند. این انبساط چون در حالت پلاستیک اتفاق می افتد اگر بیش از حد نباشد می تواند در برخی موارد(مثل پاتیلها) مثبت باشد زیرا باعث پر کردن درزها می شود و از نفوذ فلز مذاب به داخل جلوگیری می کند. پس از این انبساط ، دوباره انقباض شروع می شود و تا 1400 درجه ممکن است به 2% برسد. البته همه نسوزها چنین رفتاری از خود نشان نمی دهند و معمولا انبساط یا انقباضی در حدود 1% قابل قبول است و اغلب نسوزها چنین خاصیتی را در درجه حرارتهای 1400 الی 1500 درجه از خود نشان می دهند.
د- دیرگدازی و دیرگدازی تحت فشار
دیرگدازی با افزایش درصد آلومینا بالا می رود و در این نسوزها از 1600 تا 1750 درجه تغییر می کند، این خاصیت تحت تاثیر شدید روانسازها از جمله اکسید آهن و قلیائی ها می باشد. درمورد نسوزهایی که سیلیس بیشتری دارند معمولا ناخالصی ها هم بیشتر است. دیرگدازی تحت فشار این این نسوزها معمولا خوب نیست زیرا در درجه حرارت نسبتا پایین مقدار فاز شیشه ای که تشکیل می شود زیاد است. اما نباید فراموش کرد که در حین حرارت دادن (در موقع کاربرد این آجرها ) فقط یک طرف آجرها زیاد گرم می شود و طرف دیگر نسبتا سرد است و به غیر از مواقعی که اقتصاد سوخت طلب می کند که عایق بندی خوبی به کار رود، مساله دیر گدازی تحت فشار مانند حالت آزمایشگاهی(که همه آجر گرم شده و شیب حرارتی وجود ندارد) مهم نخواهد بود. در مکانهائی مانند سقف کوره زیمنس مارتین یا کوره های غیر مداومی که در بالای 1400 درجه سانتیگراد کار می کنند، عایق بندی خوبی به کار می رود و در اینطور موارد باید در انتخاب آجر دقت کرد که دیرگدازی تحت فشار آن خوب باشد.
ه- مقاومت در برابر شوک حرارتی- نسبتا خوب
2-4-2 خواص نسوزهای سیلیمانیتی(45-65 درصد )
الف- تخلخل و وزن مخصوص
معمولا تخلخل پائین بوده و تخلخل ظاهری بین 9 تا 25 % تغییر می کند.وزن مخصوص این نسوزها بالاتر از خاک نسوز است زیرا هم مینرالهای نوع سیلیمانیت و هم مولایت وزن مخصوصشان بیشتر از خاک نسوز است. وزن مخصوص ظاهری جامد در حدود 2.65gr/cm3 است.
ب-استحکام فشاری سرد
استحکام فشاری سرد این نسوزها بالاتر از خاک نسوز است.باید توجه داشت که با افزایش درصد آلومینا استحکام فشاری سرد(و در نتیجه مقاومت سایشی که مرتبط با آن است ) افزایش می یابد.
ج- تغییرات طولی پایدار
ابعاد این نسوزها نسبت به ابعاد آجرهای خاک نسوزپایدارتر بوده و در حین حرارت دادن انقباض و انبساط کمتری خواهند داشت. این نسوزها معمولا انبساطی در حدود 1% از خود نشان می دهند.
د- دیرگدازی ودیرگدازی تحت فشار
دیرگدازی این آجرها در محدوده 1770- 1830 درجه می باشد. واضح است که این رقم بالاتر از دیرگدازی آجرهای خاک نسوز است زیرا با افزایش درصد Al2O3 دیرگدازی افزایش می یابد. استحکام فشاری گرم این آجرها نیز بهتر از آجرهای خاک نسوز استَ.
ه- مقاومت د ربرابر شوک حرارتی
مقاومت این آجرها در مقابل شوک حرارتی بسیار خوب است و عموما برای نگهداری المانهای حرارتی در کوره های الکتریکی به کار می روند.
و- آنالیز شیمیایی
مقدار مواد روانساز این آجرها کمتر از خاک نسوز است.بنابراین ممقاومت این آجرها در برابر سرباره خوب بوده و محصولات را هم کمتر آلوده می کند. معمولا از این آجرها برای نگهداری شیشه مذاب و فلز مذاب استفاده می کنند. زیرا هم مقاوم بوده و هم این مواد را کمتر آلوده می کند(ناخالصی ها وارد مذاب نمی شوند).
3-4-2 خواص نسوزهای مولایتی
الف-تخلخل و وزن مخصوص
تخلخل در محدوده 10-25% است. به علت کم بودن وزن مخصوص مولایت نسبت به سیلیمانیت، وزن مخصوص نسوزهای مولایتی کمتر از نسوزهای سیلیمانیتی است.
ب- استحکام فشاری سرد
بین 5000 تا PSI 14000 است.
ج- تغییرات طولی پایدار
برخی از این آجرها در 18000 پس از 2 ساعت ماندن فقط 0.29% انقباض نشان می دهند، به طور کلی پایداری حجمی این آجرها در بالای 1500 درجه بسیار عالی بوده و این خاصیت، به اضافه دیرگدازی باعث می شودکه این آجرها در کوره هائی که تا به کار می روند مورد استفاده قرار گیرند.
د- دیرگدازی و دیرگدازی تحت فشار
دیرگدازی از 1825 تا 1920 درجه است. مقاومت فشاری گرم آن نیز خوب است.
و- مقاومت در برابر شوک حرارتی
این آجرها در برابر شوک حرارتی بسیار مقاومند و برخی از آنها تعداد 30+ سیکل را تحمل می کنند، چنانچه قبلا هم ذکر شداین بواسطه انبساط حرارتی کم این نسوزهاست.
ه- آنالیز شیمیایی
مقدار ناخالصی ها و روانسازهای آن حتی کمتر از سیلیمانیت است. این خلوص بالا همراه با دانسیته بالا و مقاومت در برابر شوک حرارتی و پایداری حجمی باعث می شود که این آجرها کاربردهای زیادی را در ساخت راکتورهای شیمیایی و کوره های درجه حرارت بالا داشته باشند.
4-4-2 خواص نسوزهای بوکسیتی
الف- تخلخل و دانسیته
تخلخل نسبت به نسوزهای قبلی کمی بیشتر است اما وزن مخصوص هم به علت وجود فاز کوراندوم (که وزن مخصوص آن زیاد است) بیشتر می باشد. مهمترین فاز در این آجرها همان کوراندوم است.
ب- استحکام فشاری سرد
بسیار بالا است زیرا با افزایش درصد Al2O3 استحکام فشاری سرد هم بالا می رود.
ج- تغییرات طولی پایدار
برخی از انواع آن پس از 2 ساعت حرارت دیدن در 1700درجه فقط 1-3% انقباض نشان می دهند، اما اغلب انواع آن پس از حرارت دادن مقدار کمی انبساط نشان می دهند.
د- دیرگدازی و دیرگدازی تحت فشار
دیرگدازی این نسوزها از 1770 الی 1920 درجه سانتیگراد تغییر می کند. اکثر این آجرها در سقف کوره قوس الکتریکی مصرف می شوند که درجه حرارت آن 17000c است. در اینجا استحکام فشاری گرم بسیار مهم است به همین دلیل هم قبلا از نسوزهای سیلیسی استفاده می شد(به علت استحکام فشاری گرم بالای این نسوزها).
ه- آنالیز شیمیایی-معمولا درصد روانسازهای آنها بیشتر از نسوزهای مولایتی است اما این موضوع در برخی از کاربردها مثل سقف کوره بلند اهمیت ندارد.
5-4-2 خواص نسوزهای کوراندومی
الف-تخلخل و وزن مخصوص
به کمک ذوب وریخته گری یا پرس گرم می توان آجرهائی با تخلخل صفر هم تهیه کرد اما در صورت استفاده از روشهای معمولی برای ساخت این نوع آجرها تخلخل آنها در حدود سایر آجرهای آلومینوسیلیکاتی خواهد بود. وزن مخصوص این نسوزها به علت اینکه فاز اصلی آنها کوراندوم است بسیار بالا می باشد.
ب- استحکام فشاری سرد
در محدوده 9000-PSI15000 است که همراه با مقاومت سایشی خوب است.
ج- تغییرات طولی پایدار
حتی در1800 درجه پس از 2 ساعت حرارت دادن فقط در حدود 1% تغییر طول دارد.
د- دیرگدازی و استحکام فشاری گرم
دیرگدازی آن بالای 2000 درجه می باشد که خیلی بالاست، استحکام فشاری گرم هم بالاست.
ه- مقاومت در برابر شوک حرارتی
مقاومت در برابر شوک حرارتی آن خوب است. از آن برای ساختن پوششهای ترموکوپل استفاده می کنند. دلیل بالا بودن مقاومت آن در برابر شوک به علت پائین بودن انبساط حرارتی نیست. به نظر می رسد که هدایت حرارتی بالای این نسوزها دلیل اصلی این امر باشد.
3-خواص نسوزهای کربنی
الف-تخلخل و وزن مخصوص
تخلخل از 13 الی 20 % تغییر می کند. وزن مخصوص از 1.56 تا 1.69 گرم بر سانتی متر مکعب تغییر می کند.
ب- استحکام فشاری سرد
این خاصیت از نسوزی به نسوز دیگر(بسته به مواد اولیه و روش تولید) شدیدا تغییر می کند.ارقامی نظیر 2000 تا PSI15000 ذکر شده است.
ج- تغییرات طولی پایدار
معمولا این آجرها در 1500 درجه سانتیگراد انقباضی کمتر از 1% دارند که قابل قبول است.درجه حرارت کاربرد این آجرها هم به ندرت از این درجه حرارت تجاوز می کند.
د- مقاومت در برابر سایش
معمولا سنجش این خاصیت به وسیله آزمایش Morgan-Marshal انجام می گیرد. این آزمایش اصولا در رابطه با آجرهای دیرگداز کوره بلند به وجود آمده و روش انجام آن عبارت از بمباران نسوز با با مواد ساینده با سرعت زیاد و سپس اندازه گیری کاهش وزن آن می باشد. این خاصیت نیز به نوع مواد اولیه و روش تولید بستگی دارد. نسوزهائی که از گرافیت ساخته می شوند نرمتر از نسوزهائی هستند که از کک متالورژیکی ساخته می شوند.
ه- هدایت حرارتی
حتی در صورت مساوی بودن تخلخل، نسوزی که از گرافیت ساخته شده است ممکن است در 200 درجه سانتیگراد هدایتش 25 برابر هدایت نسوزی باشد که از کک متالورژیکی ساخته می شود، در 800 درجه این اختلاف به 10 برابر می رسد و این نشان می دهد که ساختمان بلوری چقدر می تواند در هدایت حرارتی موثر باشد. این موضوع در رابطه با شیب حرارتی متفاوتی که این آجرها می توانند داشته باشند مهم است. مثلا اگر موضوع نفوذ آهن خام را به داخل دیرگداز کربنی بوته کوره بلند در نظر بگیریم، در مورد نسوز گرافیتی که هدایتش بیشتر است عمق نفوذ کمتر است. یعنی مقطعی از نسوز که دارای درجه حرارت حدود1100 درجه است در مورد نسوز گرافیتی نزدیکتر به سطح گرم(1500 درجه سانتیگراد) قرار گرفته است تا در مورد نسوز کک متالورژیکی که عایق تر است.
و- قابلیت نفوذ
چون اکسیداسیون کربن و واکنش با بخارات قلیائی و غیره از طریق نفوذ به داخل نسوز انجام میگیرد، قابلیت نفوذ از نظر مقاومت نسوزها در برابر خوردگی و اکسیداسیون اهمیت دارد هرچند نمی توان گفت عمر نسوزهایی که قابلیت نفوذ کمتری دارند حتما بیشتر از سایر نسوزهاست. نسوزهای کربنی که از طریق پرس گرم تهیه می شوند دارای قابلیت نفوذ بسیار کمی هستند.
ز- سرعت اکسیداسیون
هرچند نسوزهای مختلف در اکسیژن و گازکربنیک سرعتهای اکسیداسیونی مختلفی دارند، اما در درجات حرارت بالا سرعت اکسیداسیون بیشتر از طریق سرعت رسیدن گازهای اکسیدکننده به سطح نسوز تعیین می شود و نه خواص نسوز ونوع آن ، یعنی در درجه حرارتهای بالا آهسته ترین مرحله واکنش که سرعت رسیدن گازهای اکسیدکننده به نسوز می باشد، سرعت واکنش اکسیداسیون را تعیین می کند.
ح- میزان حلالیت کربن در آهن مذاب
گرافیت بیشتر از موادی مانند کک متالورژیکی در آهن مذاب حل می شود. گرافیت با وجود حلالیت بیشتر در آهن خام مذاب، به علت داشتن هدایت بیشتر و نفوذ کمتر آهن مذاب به داخل آن ممکن است کمتر خورده شود.
ط- اثر قلیایی ها
خاکستر نسوزهای کربنی با مواد قلیائی سرباره وارد واکنش می شود. وجود سیلیس در خاکستر مثبت است زیرا با قلیائی ها واکنش می کند و اجازه نمی دهد که قلیائی ها با کربن وارد واکنش شوند. قلیائی ها به لابه لای صفحات کربن در ساختمان نسوز نفوذ کرده و با کربن وارد ترکیب شده و ترکیباتی نظیرc24k,c16k به وجود می آورند.
4-نسوزهای منیزیتی
مصرف این نسوزها برخلاف نسوزهای سیلیسی در سالهای اخیر افزایش یافته است. کاهش مصرف این نسوزها در کوره های زیمنس مارتین (قلیائی) به وسیله افزایش مصرف آن در محفظه های L.D و همچنین در سقف کوره های قوس الکتریکی جبران شده است.
کلیات
نسوزها یا مواد دیرگداز (refractory) به کلیه موادی گفته می‌شود که در برابر حرارت مقاوم بوده و در درجات بالا خواص فیزیکی و شیمیایی آنها تغییر نمی‌کند. این مواد، باید دارای ویژگیهایی دارند که این ویژگیها بصورت پارامترهای کنترل کیفیت آنها محسوب می‌شوند. ویژگیهایی از جمله بافت، درجه حرارت، انتقال گرما، استحکام، رسانایی الکتریکی و پایداری و مقاومت در برابر خوردگی عواملی هستند که باعث انتخاب یک ماده معدنی بعنوان دیرگداز می‌شود. این بدان معنی است که یک دیرگداز در برابر بار تحمیل‌شده بر آن، سایش، فشار، شوک حرارتی و خوردگی، مقاوم است و در طی کل فرآیند ذوب، اثری بر ترکیب شیمیایی ثابت می‌ماند. کلیه این خصوصیات و ویژگیها، ماده‌ی دیرگداز را به عنوان یک محصول مهم و استراتژیک در صنعت مطرح می‌نماید. بطوریکه بدون داشتن همچنین موادی، رشد و توسعه امکان‌پذیر نخواهد بود. با توجه به وجود انواع نسوزها و کاربرد هر کدام در صنعت لازم است که دسته‌بندی و تقسیمبندی جامعی در مورد نسوزها صورت گیرد. به همین منظور مواد نسوز و دیرگدازها را با در نظر گرفتن چندین ویژگی و از دیدگاه‌های مختلف رده‌بندی می‌کنند:
- ساده‌ترین رده‌بندی در مورد مواد نسوز بر پایه ترکیب شیمیایی است. طبق این رده‌بندی مواد نسوز به سه دسته سیلیسی، قلیایی و خنثی تقسیم می‌شوند. فرآورده‌های حاوی سیلیس بالا، آلومینای بالا و شاموتی در رده سیلیسی و فرآورده‌های منیزیایی، کروم منیزیا و همچنین MgO-CaO در شمار دیرگدازهای قلیایی و ترکیبات فورستریتی و کرومیتی نیز در رده خنثی دسته‌بندی می‌شوند.
- رده‌بندی دیگری از مواد نسوز بر مبنای چگونگی روشهای تولید است. برخی از دیرگدازها به‌صورت آجر، قطعه یا بدنه شکل داده شده، تولید می‌شوند، و برخی دیگر به‌صورت مواد شکل داده نشده، که جدای از هم فرآوری می‌شوند و کاربر، خود به شکل دادن آنها می‌پردازد.
- رده‌بندی دیگری بر اساس معیارهای سازمانهای معتبر استاندارد جهانی انجام میگیرد. به عنوان مثال در جدول 1 طبق استاندارد ISO1109 مواد نسوز با تخلخل کلی کمتر از 45 درصد رده‌بندی شده‌اند.
- رده‌بندی دیگر، کاربرد دیرگداز بر حسب استانداردهای داخلی کشورهاست.
یک نوع رده‌بندی نیز وجود دارد که حالت کلی داشته و معیار خاصی برای رده‌بندی در آن وجود ندارد. به عنوان مثال جدول 2 رده‌بندی عمومی دیرگدازها را نشان
می‌دهد
انواع نسوزها و دیرگدازها
نسوزهای سیلیسی
یکی از انواع نسوزها مواد سیلیسی است که مهمترین کاربرد آن در تهیه آجرهای سیلیسی است. از لحاظ استاندارد، آجر سیلیسی دربرگیرندة همة آجرهای سیلیکاتی است که کمتر از 5/1 درصد آلومینا، کمتر از 2/0 درصد TiO2، کمتر از 5/2 درصد Fe2O3، کمتر از 4 درصد اکسید کلسیم و حدود 3 Mpa (500 Psi) مدول گسیختگی دارد.
انواع کانیهای سیلیسی که در دیرگدازهای سیلیسی استفاده می‌شوند عبارت‌اند از کوارتز، تریدیمیت، کریستوبالیت.
ماده خام اولیه برای آجرهای نسوز سیلیسی، کوارتزیت است که خلوص شیمیایی و ویژگی نسوزندگی آن عامل اصلی جهت انتخاب به‌عنوان یک نسوز است. در جدول 3 ترکیبی شیمیایی ماسه سیلیسی را که به‌عنوان نسوز بکار می‌رود می‌بینید.
وجود ناخالصی در کوارتزیت، باعث مشکلاتی در تهیه این ماده به‌عنوان نسوز می‌شود. در تولید آجر نسوز، برای زدودن رس و ناخالصی‌ها، ماده‌ی خام، خردایش و شسته می‌شود و پس از دانه‌بندی و دسته‌بندی در یک مخلوط‌کن با آب آهک 3 درصد حرارت داده می‌شود. برای ساخت آجر از پرس سنگین و یا پرس سبک‌تر همراه با لرزش برای فشرده کردن دانه‌ها استفاده می‌شود. آجر تهیه‌شده نخست خشک و سپس در دمای 2700 درجه فارنهایت حرارت داده می‌شود.
در ایران منابع سیلیسی‌ای وجود دارد که با توجه به آنالیزهای شیمیایی‌شان می‌توانند به‌عنوان نسوز مورد استفاده قرار گیرند که در زیر به‌طور مختصر به برخی از آنها پرداخته می‌شود.
منابع سیلیسی مناسب برای تولید آجرهای نسوز سیلیسی
طبق جدول 3 ذخایری که ترکیب سیلیس آنها در حدود مواد نسوز باشد می‌توانند به‌عنوان پتانسیل نسوز مطرح باشند.
Ø کانسار کوارتزیت دربند شهمیرزاد
این کانسار در 28 کیلومتری شمال سمنان و در جنوب شرقی شهمیرزاد واقع است. کانسنگ در این کانسار بصورت لایه‌ای و به دو صورت کوارتزیت دانه‌ریز شکری و کنگلومرا با بافت پیزولیتیک دانه درشت میباشد. نتیجه آنالیز 20 نمونه از این کانسار به صورت زیر است:
SiO2: 96.92-98.4 %
Fe2O3: 0.125-0.8 %
Al2O3: 1.04-1.56 %
CaO: 0-0.1 %
این اعداد و ارقام نشان می‌دهد که این کانسار مذکور قابلیت استفاده در زمینه دیرگدازها را دارد.
Ø کانسار سیلیس مبارک‌آباد- تپه‌فرج- مشا
کانسار مبارک‌آباد- تپه‌فرج- مشا در 63 کیلومتری شرق تهران قرار دارد. نتیجه آنالیز شیمیایی مربوط به یک نمونه از این کانسار به‌صورت زیر است:
SiO2: 97.48 %
Fe2O3: 0.14 %
Al2O3: 1.5 %
CaO: 0.08 %
در کانسنگ این کانسار مقادیر سیلیس و آلومینیم در حد مطلوب ولی مقادیر آهن و کلسیم کمتر از حد مطلوب است.
Ø کانسار سیلیس قارجه فید
این کانسار در 90 کیلومتری جنوب غربی قزوین در کنار روستای قراجه فید تاکستان قرار دارد. کانسار بصورت رگه‌ای از کوارتزیت سفیدرنگ و خالص است. از این کانسار اطلاعات آنالیزی در دسترس نیست. ولی با توجه به خلوص سیلیس آن شاید بتوان از آن به عنوان نسوز استفاده کرد.
کانسار قرمزآباد زنجان
کانسار قرمزآباد زنجان در 181 کیلومتری جنوب‌شرقی زنجان قرار دارد. نوع کانسنگ کوارتزیت سفید رنگ تا خاکستری ابری و مایل به صورتی و در برخی جاها صورتی مایل به کرم است. در بخشهای پایینی این کانسار کوارتزیت خالص با رنگ سفید و درجه خلوص بالا مشاهده می‌شود. نتیجه متوسط آنالیز شیمیایی نمونه‌هایی از کانسنگ این کانسار به شرح زیر است:
SiO2: 97-97.1 %
Fe2O3: 0.07-0.87 %
Al2O3: 1.32- 1.9 %
CaO: 0-0.17 %
ذخیره قطعی کانسار حدود 140 هزارتن و ذخیره احتمالی آن حدود 300 هزار تن است.
کاربرد آجرهای سیلیسی
آجرهای سیلیسی به‌دلیل ارزانی و هدایت حرارتی مناسب در گذشته بسیار مورد توجه بوده‌اند اما امروزه بنا به‌دلایلی از استعمال آنها کاسته شده است. از معایب این نسوزها که باعث کاسته شدن تقریباً 90 درصدی استفاده از آنها شده است می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- آجرهای سیلیسی در اثر تبدیلات پلی‌مورفی کانیها در روند گرمایش و سرمایش دچار تغییر حجم می‌شوند که این عامل ممکن است ساختمان کوره را به هم بریزد.
- دیرگدازهای سیلیسی در محدودة دمایی 450 تا 600 درجة سانتیگراد از پایداری ناچیزی در برابر تنش‌های حرارتی برخوردارند.
- نقطة ذوب آجر سیلیسی حدود °C1700 است که این درجه حرارت امروزه در صنعت جایگاهی ندارد.
همانطور که گفته شد در گذشته آجرهای سیلیسی به عنوان دیرگداز، کاربردی گسترده در پوشش سقف کوره‌های گداز فولاد زیمنس- مارتین داشته‌اند اما امروزه تحول در فناوری ساخت فولاد، باعث کاهش کوره‌های ذوبی زیمنس- مارتین شده و در عوض کوره‌های الکتریکی زیمنس- مارتین گسترش یافته‌اند. دمای این کوره‌ها بسیار بالاتر از توانایی تحمل آجرهای سیلیسی است که همین امر باعث کاهش مصرف آجرهای سیلیسی در ذوب فولاد شده است. سقف کوره‌های قوس الکتریکی امروزه توسط آجرهای پرآلومینا پوشیده می‌شود. همچنین در گذشته از آجر سیلیسی برای پوشش سقف کوره‌های ذوب مس نیز استفاده می‌شد که اینک با آجرهای قلیایی (منیزیا) جایگزین شده‌اند.
با این تفاصیل امروزه از آجرهای سیلیسی به دلیل توانایی پایدار در برابر دماهای نزدیک به نقطة گداز، در کوره‌های کک‌سازی، کوره‌های سرامیک، کراون‌های مخزن شیشه و به‌عنوان یک کنترل‌کننده در بازیافت‌کننده‌های مخازن شیشه‌ای استفاده می‌کنند.
· رسهای نسوز یا گل آتش‌خوار (Fire clays)
رس نسوز یا خاک رس دیرگداز از سیلیکاتهای آبدار آلومینیم و یا از سیلیکاتهای هیدراته آلومینیم و منیزیم با دانه‌های ریز تشکیل شده است که توانایی تحمل دماهای بالا بدون تغییرشکل را دارند. اینگونه رسها در اثر حرارت سفیدرنگ نمی‌شوند و دمای بالاتر از 15 PCE را تاب می‌آورند بی‌آنکه در آنها رس شیشه‌ای پدید آید. منظور از PCE (مرتبه آذرسنجی: (Pyrometric Cone Equivalent میزان تحمل دما توسط رس است. این عامل در رسها تعیین‌کننده کیفیت رسهاست که از 19 شروع و تا 37 می‌رسد. رسهای نسوز را به سه دسته با نسوزندگی پایین (PCE بین 19 تا 26)، نسوزندگی متوسط (PCE بین 26 تا 5/31) و نسوزندگی عالی (PCE بین 32 تا 37) دسته‌بندی می‌شوند. از نظر ترکیب شیمیایی رسهای نسوز باید عاری از آهن، کلسیم و قلیایی‌ها و پس از پخت، 35 درصد آلومینا داشته باشند. به همین دلیل کانیهای اصلی رسهای نسوز اعضاء خانواده کائولینیت، هالیوزیت، آلوفان، دیکیت، ناکریت و پیروفیلیت هستند. ترکیب شیمیایی یک رس نسوز بسیار عالی در جدول 4 آمده است.
به‌طور کلی در مورد نسوزهای رسی نمی‌توان کانی خاصی را برشمرد، بلکه می‌توان از یک سری کانیایی رس نسوز تهیه کرد. مهمترین رسها برای مواد خام دیرگداز رسهای فلینتی یا نیمه‌فلینتی، رسهای پلاستیک، نیمه‌پلاستیک و کائولن هستند.
رسهای فلینتی (Flint clay) و نیمه فلینتی به عنوان سنگ نسوز معرفی می‌شوند و بهترین نوع رسهای فلینتی، درجه PCE برابر با 33 تا 35 و کمترین اندازه ممکن اکسید آهن و قلیایی‌ها را دارند.
رسهای پلاستیک (Plastic clay) و نیمه‌پلاستیک که همان خاک نسوز می‌باشند خاستگاه رسوبی دارند. درجه آذرسنجی رسهای پلاستیک (PCE) 26 تا 33 است و بطور معمول مقدار آهن و قلیایی آنها پایین است. از سنگ‌نسوز به طرف خاک نسوز سختی و درصد آلومین کمتر می‌شود و میزان پلاستیسیته افزایش می‌یابد.
کائولن، مادة اولیه همه انواع خاکهای نسوز- فلینت، رسهای فلینتی، نیمه‌پلاستیک و غیره است. کائولن سنگی است نرم، ریزدانه، خاکی، شکل‌پذیر و معمولاً سفید که از هوازدگی درجای سنگهای دارای کانیهای آلومینیم‌دار نظیر فلدسپاتها به‌همراه کانیهای دیگر نظیر کوارتز یا میکا بدست می‌آید. کائولنی که در صنعت دیرگداز بکار می‌رود دارای درجه دیرگدازی (PCE) 28 تا 35 و پلاستیسیته متوسط است.
گروه‌بندی ASTM آجرهای خاک نسوز با آلومینای بالا را در پنج نوع بصورت زیر درجه‌بندی کرده است (Crookston et al, 1983):
1- دیرگداز عالی((super duty، با هم‌ارز مخروط پیرومتریک 33
2- دیرگداز بالا (high duty)، با هم‌ارز مخروط پیرومتریک 5/31
3- نیمه سیلیسی (semisilica)
4- دیرگداز متوسط (medium duty) با هم‌ارز مخروط پیرومتریک 29
5- دیرگداز پایین (low duty) با هم‌ارز مخروط پیرومتریک 15
آجرهای نسوز در کوره‌های بلند، تجهیزات واسطه‌ای و حمل مواد گداخته، کوره‌های پخت الکترود- کک بکار رفته در تولید آلومینیم- آجر آسیا، آجر تون، ساخت کوره سرامیک، کوره‌های پخت سرامیک، دیوار ژنراتور مخزن‌های شیشه و خطوط کوره‌های حرارتی کاربرد دارند.
کائولن و رسهای نسوز
ز میان 66 کانسار یا اندیس معدنی رسی و دیرگداز رسی گزارش‌شده در ایران، 52 کانسار تعیین ذخیره شده است و رقمی برابر با 5/776 میلیون تن ذخیرة رس نسوز و معمولی بدست آمده که بر روی هم به یک میلیارد تن کائولن می‌رسد. از این میان خاک نسوز دوپلان با ذخیرة 5/1 میلیون تن، چپوی شاهین‌دژ با ذخیرة 54 هزار تن، نوروزآباد شاهین‌دژ با ذخیرة 250 هزار تن و سنگرود 400 هزار تن، از نوع نسوزهای آلومینای بالا هستند. اگر کانسار جاجرم نتواند برای تهیة آلومینا کاربرد داشته باشد، ذخیرة این کانسار را نیز باید در شمار نسوزهای آلومینا بالا به حساب آورد.
Ø رسهای کائولینی نسوز در منطقه آباده
در منطقه آباده انباشته‌های کائولن نسوز وجود دارد که از نظر زمین‌شناسی در تشکیلات دونین تا تریاس جای دارند.
الف- مناطق نسوزدار دونین بالایی شامل کانسار کویر 5 و استقلال
ب- مناطق نسوزدار کربونیفر و پرمین شامل معادن کویر
ج- مناطق نسوزدار تریاس بالایی که بنام سازند شورجستان معروف است
ترکیب شیمیایی رسهای نسوز آباده به شرح زیر است:
Al2O3 + TiO2: 25.66-30.31 %
Fe2O3: 5.6-0.75 %
CaO + MgO: 0.75-0.41 %
Na2O: 0.36 %
L.O.I: 9.36-13.75 %
Plasticity coefficient: 6-20 Et
در ناحیه آباده 18 منطقه نسوزدار کشف شده که مهمترین آنها عبارتنداز: استقلال، کویر 5، کویر 1، کویر 2، کویر 4، کویر 16 و کویر 17.
رسهای نسوز آباده از بهترین نسوزهای ایران برای استفاده در کارخانه‌های فولادسازی است. آمیزه‌ای از نسوزهای کویر و دوپلان برای فرآورده‌های شاموتی و آجرنسوز بکار می‌رود.
Ø منطقه نسوزدار رباط‌خان طبس
در استان یزد در منطقه رباط‌خان طبس چند کانسار کائولن و رس نسوز وجود دارد که تحت اختیار شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور میباشد. مواد نسوز در این منطقه یک افق لاتریتی است که در مرز پرمین- تریاس واقع شده است.
Ø کانسار کائولن و نسوز سنگرود
این کانسار در 25 کیلومتری شرق لوشان در کنار معدن زغال‌سنگ سنگرود واقع شده است. ماده معدنی بیشتر کائولینیت و آرژیلیت بوده که ترکیب شیمیایی نمونه تکلیس شده آن به شرح زیر است:
SiO2: 43.38 %
Fe2O3: 0.41 %
Al2O3: 38.89 %
CaO: 0.21 %
TiO2: 3.07 %
MgO: 0.29 %
L.O.I: 13.98 %
ذخیره احتمالی این کانسار حدود 400 هزار تن برآورد شده است.
Ø کانسار پشته سمیرم
این کانسار در 180 کیلومتری جنوب اصفهان و در 110 کیلومتری جنوب غربی شهرضا و در 29 کیلومتری جنوب‌باختری سمیرم واقع است. لایه خاک نسوز که متعلق به کرتاسه بالایی است دارای ترکیب کانی‌شناسی کائولن به رنگ سفید تا خاکستری روشن همراه با عدسیهای آرژیلیت قرمز مایل به قهوه‌ای و کلاً پیزولیتی میباشد و بطور میانگین 5 متر ضخامت دارد. ماده معدنی این کانسار هم‌اکنون جهت تهیه آجر و ملات نسوز برای کوره‌های ذوب فلزات بهره‌برداری می‌شود. معدن پشته سمیرم دارای سه افق معدنی a,b,c میباشد که از نظر کیفی با هم تفاوت دارند. افق c لایه اصلی معدن میباشد که خود بر مبنای میزان آهن به سه بخش تقسیم می‌شود. بطور کلی از نظر کیفی خاک نسوز معدن به دو درجه 1 و 2 تقسیم می‌شود. میانگین ترکیب شیمیایی این دو نوع خاک در جدول 5 آورده شده است.
از نظر ذخیره نوع درجه 1 حدود 4/2 میلیون تن و نوع درجه 2 حدود 5/6 میلیون تن برآورد شده است.
Ø کانسار خاک نسوز دوپلان
این کانسار در جنوب باختری اصفهان و جنوب شهرکرد واقع شده است. لایه نسوز در میان سنگهای پرمین- تریاس قرار دارد و ابعاد آن به صورت 600 × 160 × 6 متر میباشد. ترکیب کانی‌شناسی کانسنگ معدن شامل دیاسپور، کائولینیت، ایلیت، آناتاز، روتیل و به مقدار کم بوهمیت، هماتیت، گوتیت و کلسیت است. تجزیه شیمیایی کانسنگ معدن به‌صورت زیر است:
Fe2O3: 2.4 %
Al2O3: 60 %
SiO2: 20 %
TiO2: 2.7 %
L.O.I: 14 %
ذخیره معدن حدود 5/1 میلیون تن برآورد شده است.
· دیرگدازهای آلومینیم بالا (سیلیکاتهای آلومینیم)
در این گونه دیرگدازها و نسوزها عیار آلومینیم بیش از 50 درصد ترکیب کل است. ویژگیهای دیرگداز آلومینیم بالا بر مبنای استاندارد ASTM در جدول 6 نشان داده شده است.
مولیت (3Al2O3.2SiO2) یک دیرگداز با آلومینای بالا است که ماده فرآوری شده از مواد خام دیرگداز آلومینیم بالا است. این فرآورده به شرط بلورین بودن باید دارای ویژگیهای زیر باشد تا بعنوان نسوز مورد استفاده قرار گیرد:
- حداقل عیار برای آلومینا از 56 تا 79 درصد و بقیة اکسیدها 5 درصد متغیر باشد.چ
در فشار KPa 172 (25 Psi) و درجه حرارت 1593 درجة سانتیگراد در 90 دقیقه تغییرشکل باید حداکثر5 درصد باشد.
مولیت Al6Si2O13
مولیت کانی‌ای است با فرمول شیمیایی Al6Si2O13 که برای نخستین‌بار در ادخال‌ها و میانبارهای آرژیلتی درون سنگهای خروجی ترسیر، در جزیرة مول اسکاتلند دیده شده و به همان نام خوانده شده است. سیستم تبلور آن اورتورومبیک با کریستال‌های بلند منشوری است که در راستای {001} درازشدگی دارند. رخ کامل در راستای {010} و سختی 6 تا 7 دارد. اسیدها، حتی HF بر آن بی‌اثر است. در ترکیب شیمیایی مولیت 79/71 درصد Al2O3 و21/28 درصد SiO2 وجود دارد.
کانی مولیت به دلیل فراوانی بسیار ناچیز در طبیعت، چندان مورد توجه زمین‌شناسان نبوده است. از سوی دیگر بدلیل ویژگیهای دیرگدازی آن، علم مواد همة تلاش خود را برای دست‌یافتن بدان کرده است.
این کانی که بعنوان دیرگداز آلومینیمی بکار می‌رود به روشهای زیر تهیه و فراهم می‌شود:
- آمیزه‌ای از بوکسیت [Al(OH)5] و کائولینیت Al2O3.2SiO2.2H2O، به نسبت 1 (کائولینیت) به 4 (بوکسیت)
- بکارگیری کانی‌هایی که در ترکیب خود حاوی عیارهایی از SiO2 و Al2O3 نزدیک به فرمول مولیت باشند. کائولن طی دگرسانی تا حد ایجاد خانواده دیستن پیش می‌رود و به پیدایش مولیت می‌رسد.
- ترکیب سیلیس و آلومینا به نسبتی که بتواند ترکیب شیمیایی کانی مولایت را تحقق بخشد.
- کانیهای گروه دیستن
چون آلومینا درجات حرارت بالای 2000 درجه سانتیگراد را تحمل می‌نماید از این لحاظ مورد توجه صنایع دیرگداز قرار دارد. کانیهای آلومینیم‌دار که عیار آلومینیم آنها بیش از 60 درصد میباشد می‌توانند ماده اولیه و خام مولیت باشند که در این میان سیلیکاتهای آلومینیم (سیلیمانیت، آندالوزیت و کیانیت) بدلیل داشتن بیشترین مقدار آلومینا، فراوانی و ارزانی قیمت، مناسب‌ترین کانیها برای تهیه مولیت می‌باشند. برای اینکه بتوان از این کانیها مولیت تهیه نمود باید فرآوری شوند که این امر مستلزم تغییر در نسبت آلومینا با افزودن خالص آن به ترکیب کانیایی مادة نسوز، است. با توجه به جدول 7 که ویژگیهای کانیهای سیلکات آلومینیم را مشخص می‌نماید کانیهای سیلیمانیت و آندالوزیت برای این موضوع مناسب‌تر می‌باشند.
مولیت حاصل شده از فرآوری سیلیکاتهای آلومینیم در برابر اسیدها، از جمله اسیدفلوئوریدریک و قلیاها مقاوم بوده و درجه حرارتهای بسیار بالا را بدون تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی تحمل می‌کند. به همین خاطر در مواردی که در واکنشهایی که اسیدها نقش دارند این نوع دیرگداز به دیرگدازهای دیگری همچون کوارتز ترجیح داده می‌شود. از مولیت همچنین در تولید عایق‌های ویژه، جرقه‌زن‌ها، بوته‌ها و پاتیل‌های فولاد، تیوب‌های پیرومتر و غیره استفاده می‌کنند.
از دیگر کاربردهای نسوزهای آلومینا استفاده در کوره‌های دوار پخت سیمان و تولید آهک، آجر سقف کوره‌های گداز الکتریکی فولاد، کوره‌های بلند، آجرهای کوره‌های بلند، آجر پاتیل و دیرگدازهای کنتاکت از آلومینیم به عنوان ملاقة جابجاکنندة گداختة فلزی، میباشد. مهمترین کاربرد کانیهای دارای ترکیب آلومینای بالا در تولید آجرهای عایق حرارتی است، زیرا آجرهای ساخته‌شده از این مواد به دلیل تخلخل زیاد و چگالی کم رسانایی گرمایی بسیار اندک دارند. مصرف آلومینا در سیمان سبب بالا رفتن درجة دیرگدازی آن می‌شود.
· دیرگدازهای قلیایی
این گروه از نسوزها خود به چهار دسته نسوزهای دولومیتی، منیزیتی، فورستریتی و کرومیتی تقسیمبندی می‌شوند. سازنده اصلی این نسوزها، آهک (CaO)، منیزیا (MgO) و یا نسبتی از ترکیب هر دو میباشد. در حقیقت نسوزهای قلیایی کربناتهای منیزیم‌دار و گاه منیزیتهای کلسیم‌دار هستند.
الف- نسوزهای دولومیتی
دولومیت در کنار کلسیت یک از کانیهای فراوان طبیعت است که ترکیب شیمیایی آن حاوی 4/30 درصد CaO و 7/21 درصد MgO است.در این کانی بندرت ناخالصی‌های Fe، Mn، Zn و Ni یافت می‌شود. دولومیت نیز به عنوان یک دیرگداز، پایداری کافی در برابر اثرات شیمیایی سرباره‌های قلیایی در مبدل‌ها را دارد. تکلیس این ماده در دمای 900 درجه به پیدایش دو اکسید CaO و MgO می‌انجامد. آجر دیرگداز حاصل از آن باید 60درصد CaO و 40 درصد MgO داشته باشد.
آجرهای دولومیتی بر دو گونه‌اند، یکی با دولومیت مرده و دیگری دولومیت کمک‌ذوب که با مقدار کمتر اکسیدهایی غیر از CaO و MgO ساخته می‌شوند.
امروزه دیرگداز پاتیل‌های شاموتی، از نوع دولومیتی است. در کوره‌های دوار پخت سیمان از آجر دولومیتی زینترشده اتصال قیری استفاده می‌شود. آجرهای نسوز کوره پخت آهک از جنس دولومیت است.
ب- نسوزهای کرومیتی
از کرومیت در صورتی می‌توان به عنوان دیرگداز استفاده نمود که مجموع دو اکسید Al2O3 و MgO بیشتر از 60 درصد و همچنین عیار سیلیکا کمتر از 6 درصد باشد.
ج- نسوزهای فورستریتی
فورستریت یک کانی از گروه اولیوین با فرمول شیمیایی (Fe,Mg)2(SiO4) است که با داشتن ترکیب مناسب می‌تواند به عنوان یک دیرگداز مورد استفاده قرار گیرد. هرگاه در این کانی نسبت مولکولی MgO به SiO2 یک به دو باشد به عنوان دیرگداز می‌توان از آن استفاده نمود، ولی در صورت وجود Fe در کانی، این نسبت خواه‌ناخواه به هم می‌ریزد و به هنگام برشته‌کردن، فورستریت با اکسیژن کوره ترکیب می‌شود و کانی منیتیت را پدید می‌آورد. SiO2 اضافه مانده از ترکیب فورستریت، پیروکسن غنی از SiO2 را می‌سازد که درجة دیرگدازی پایین دارد و وجود آن باعث پایین آمدن درجة نسوزندگی فورستریت برشته‌شده می‌شود. برای جلوگیری از این کار با توجه به آنالیز شیمیایی فورستریت، آنقدر بدان MgO افزوده می‌شود تا نسبت 1:2 در آن پایدار شود. فزون بر آن از آن رو که ماده فورستریتی و برشتة آن شکل‌پذیر نیستند، با یک مادة شکل‌پذیر آمیخته و قالب زده می‌شود.
فراوانی کانیهای فورستریتی و همراهی آن با توده‌های کرومیتی از یک سو، فشارهای مقررات زیست‌محیطی برای پاک‌سازی محیط از باطله‌های معدنی از سوی دیگر و دیرگدازی فورستریت انگیزه‌ای برای تلاش در راه وارد کردن باطله‌های معدنکاری و کانه‌آرایی کانسارهای فورستریتی به صنعت دیرگداز شده است.
این ماده می‌تواند به عنوان آجر قلیایی کوره‌های پخت آهک و سیمان، یا در کوره‌هایی که دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد در آن نیاز نباشد و یا آغشتگی بار به Mg و یا Fe موجود در فورستریت برای آن مسأله‌ساز نباشد، مصرف شود.
د- نسوزهای منیزیتی
منیزیت یکی دیگر از کانیهای دیرگداز است که دارای ترکیب کانی‌شناسی MgCO3 است. منیزیت خالص بندرت در طبیعت یافت می‌شود. از منیزیت در صنعت نسوزها برای تهیه پریکلاز استفاده می‌شود.
پریکلاز کانی دیرگداز منیزیم‌داری است که از نظر کانی‌شناسی شکل دما بالای MgO (منیزیا) میباشد. این کانی در طبیعت نیز وجود دارد ولی مقدار آن بسیار کم است بدین سبب به روش مصنوعی جهت استفاده در صنعت نسوزها آن را به دو روش تهیه می‌نمایند.
1- تکلیس منیزیت طبیعی: تکلیس منیزیت در دمای 1450 تا 1500 درجه سانتیگراد به پیدایش MgO می‌انجامد.
2- تکلیس کانی بروسیت Mg(OH)2، بروسیت یک منبع طبیعی است ولی بدلیل کمیابی آن نسبت به منیزیت نمی‌توان به عنوان یک منبع قابل اطمینان روی آن حساب کرد.
از آنجاییکه برای تهیه پریکلاز احتیاج به منیزیت میباشد و از طرفی ممکن است دسترسی به این منابع مقدور نباشد لذا در کشورهای پیشرفته روش استحصال منیزیا را از آب دریا به صورت یک صنعت تولید دیرگداز جا افتاده است. در این روش با کاربرد آهک مرده، دولومیت مرده و یا سود سوزآور یونهای منیزیم محلول در آب دریا را به صورت هیدروکسید وادار به ته‌نشینی می‌کنند. نهشته بدست آمده پس از جداشدن از محلول در کوره‌های دوار (shaft) در دمای بسیار بالا تکلیس می‌شود. دانه‌های منیزیای تکلیس شده چه از نوع طبیعی چه شیمیایی، نسبت به رطوبت یا گازکربنیک هوا بی‌اثرند، از این رو می‌توان آنها را مرده به شمار آورد. منیزیای بدست‌آمده از آب دریا فرآورده‌‌ای است یکدست و یکنواخت که خلوصی از 98 درصد به بالا دارد.
بزرگترین کاربرد آجرهای قلیایی در صنایع فولاد در کوره‌های زیمنس- مارتین، کوره‌های الکتریکی، تشویه سیمان، کوره‌های فرآیندهای گداز صنایع مس و همچنین در بازسازی مخزن شیشه است.
· نسوزها و دیگر دیرگدازهای کمیاب
گروه دیگری از دیرگدازها وجود دارد که با توجه به نبودهای فراوان آنها در طبیعت از اصطلاح دیرگدازهای کمیاب استفاده می‌شود. این دیرگدازها بطور فهرست‌وار شامل دیرگدازهای زیرکنی، دیرگدازهای کاربیدی، آلومینای خلوص بالا، اکسید کروم، کربن و گرافیت می‌باشند. بطور کلی این دیرگدازها گران می‌باشند و در موارد خاص از آنها استفاده می‌گردد.
منیزیت
بعد از توصیف مختصری در مورد انواع نسوزها در این قسمت به بحث در مورد یکی از انواع دیرگدازها که در ایران نسبت به دیگر دیرگدازها بیشتر تولید می‌شود، می‌پردازیم.
منیزیم از نظر فراوانی در پوسته زمین، هشتمین عنصر است و در بیش از 60 کانی یافت می‌شود که مهمترین آنها، از نظر اقتصادی، عبارتند از: منیزیت(MgCO3)، بروسیت Mg(OH)2، دولومیت CaMg(CO3)2، اپسومیتMgSO4.7H2O املاح کلرید و سولفات منیزیم در شورآبه‌های طبیعی (بخصوص کارنالیتKMgCl3.6H2O )، اولیوین(Mg,Fe)2 SiO4، تالک Mg3Si4O10(OH)2 و سرپانتین Mg6Si4O10(OH)8.
این کانیها به عنوان مواد اولیه برای تولید فلز منیزیم، انواع مختلف منیزیا (MgO) و دیگر ترکیبات منیزیمی استفاده می‌شود که در ساخت نسوز، کمک ذوب، پرکننده، عایق، سیمان، رنگ‌بر، کود و مواد شیمیایی بکار می‌روند.
گروه منیزیت شامل کانیهای منیزیت، هونتیت و هیدرومنیزیت است. منیزیت معروفترین و فراوانترین کانی است که به منظور تهیه منیزیا بکار گرفته می‌شود. این کانی عضوی از گروه کربناتها با سیستم تری‌گونال است. هونتیت از دیگر کانیهای گروه منیزیت است که تشکیل آن تنها با منیزیت و تقریباً با لایه‌های تک‌کانی صورت میگیرد. هیدرومنیزیت نیز فراوانترین کانی کربنات منیزیم‌دار و لایه‌های آن همراه با سوزنهای آراگونیتی و رسوبهای دریاچه‌ای نهشته می‌شود.
در طبیعت، منیزیت بندرت به شکل متبلور درشت‌دانه یافت می‌شود. بطور معمول مقادیری از کربناتها، اکسیدها و سیلیکاتهای آهن، کلسیم، منگنز و آلومینیم به عنوان کانیهای همراه حضور دارند.
شرایط تشکیل و ژنز منیزیت
منیزیت از نظر بلورشناسی به دو صورت درشت بلور و ریزبلور یافت می‌شود. منیزیتهای درشت بلور از یک محلول اشباع از یون منیزیم با زمان و حرارت کافی بوجود آمده‌اند. در صورتیکه منیزیتهای ریزبلور بسرعت نهشته شده‌اند.
همین اندازه بلورها بازتابی از شرایط و محیط تشکیل منیزیت است. بر همین اساس انواع منیزیت را بر مبنای محیط تشکیل به شرح زیر دسته‌بندی می‌کنند:
الف) منیزیتهای گرمابی
پیدایش این گونه ذخایر، نتیجة دگرسانی محلولهای گرمابی حامل CO2 بر روی سنگهای اولترابازی است.
منیزیتهای تشکیل شده در این فرآیندها، معمولاً به صورت تودهای و نهان بلورین هستند و اغلب دارای عیار خوب می‌باشند.
ب) منیزیتهای تراوشی
در این نوع، CO2 موجود در آبهای جوی بر روی سنگهای سرپانتینی و اولترامافیکی اثر می‌کند و سبب واکنشهای شیمیایی و تشکیل منیزیت می‌شود. سنگهای الترابازیک شامل دونیت‌ها، پریدوتیت‌ها و پیروکسنیت‌ها می‌باشند که در اثر فرسایش تحت شرایط خاص جوی و محیط اکسیداسیون به سرپانتین تبدیل می‌شوند. فرآیند سرپانتینیتی شدن به وسیله واکنشهای زیر انجام میگیرد:
2 forsterite + 3 H2O serpentine + 1 brucite
1 serpentine + 3CO2 2quartz + 3 magnesite
تحت شرایط ویژه حاکم در برخی از نواحی سطحی یا نیمه عمیق، منیزیت بعنوان یک فرآورده فرسایشی تشکیل می‌شود. تجزیه سرپانتینیت‌ها به تدریج در مراحل مختلف انجام میگیرد:
(brucite) Mg(OH)2 MgCO3.xH2O MgCO3(magnesite)
ذخایر منیزیتی از این نوع، اغلب کوچک و به صورت رگچهای و دارای خلوص بالا و دانه‌بندی بسیار ریز (1 تا 10 میکرون) می‌باشند. همچنین میزان تخلخل این نوع کانسارها نیز بالا و متغیر است (5 تا 25 درصد). بیشتر ذخایر منیزیتی از این نوع در نزدیکی سطح زمین پدیدار می‌شوند و در نتیجه دارای عمق زیادی نیستند.
در ایران، در ناحیة افیولیتهای نایین (سهیل پاکوه) و سبزوار این گونهها دیده می‌شود.
پ) منیزیتهای جانشینی گرمابی
این ذخایر از محلولهای گرمابی که از ژرفای زمین سرچشمه میگیرند، تشکیل می‌شوند. این محلولها در هنگام مهاجرت بر سطح و در برخورد با آهکها، دولومیتها، یا شیلها بر اثر متاسوماتیسم جانشینی، ذخایر منیزیتی متبلور را به وجود می‌آورند. منیزیت تشکیل شده بصورت درشت بلور و کریستالین میباشد.
منیزیتهای بلورین بطور معمول طی دو مرحله تشکیل می‌شوند:
مرحله اول: حمله آبهای غنی از دی‌اکسید‌کربن با دمای کمتر از 200 درجه سانتیگراد به سنگهای دولومیتی و شسته‌شدن یونهای کلسیم و منیزیم .
مرحله دوم: بالارفتن دمای آبهای حاوی یونهای منیزیم و کلسیم که سرانجام باعث کاهش حلالیت کربنات‌کلسیم و نهشته شدن کلسیت و حمل منیزیت را در پی دارد. سپس در پایان، در شرایط مناسب حرارت و فشار، کانی منیزیت انباشته خواهد شد
این گونه ذخایر در ایران مورد توجه قرار نگرفته است، هر چند امید به تشکیل این ذخایر در خاور ایران، شمال باختری ایران (آذربایجان باختری) و نقاط دیگر می‌رود.
ت) منیزیتهای رسوبی
این گونه ذخایر در محیطهای رسوبی نزدیک به سنگهای غنی از منیزیم و به صورت تودهای و نهان بلورین (یا به صورت تراورتن) تشکیل می‌شوند.
این گونه ذخایر در پاره‌ای موارد می‌توانند از لحاظ اقتصادی قابل بهره‌برداری باشند، اما اغلب کم عیار هستند.
پیدایش ذخایر تودهای منیزیت در محیطهای آب شیرین، نیازمند فراهم بودن یون منیزیم است. یونهای منیزیم حاصل از تخریب شیمیایی سنگهای غنی از منیزیم، به محیطهای دریاچه‌ای یا آبگیرهای فصلی آورده شده و سرانجام ذخایر منیزیتی را پدید می‌آورند. در این مورد باید نسبت منیزیم به کلسیم حدود 20 تا 40 باشد تا کانسار منیزیت تشکیل گردد.
در بسیاری از نقاط ایران، همة شرایط یاد شده موجود است، ولی برای اکتشاف منیزیتهای رسوبی تاکنون فکری نشده است. ذخایر منیزیت ایران از کرتاسه پسین تا کواترنر تشکیل شده‌اند. در این فاصله زمانی، با توجه به شرایط منیزیت، دوره به خصوصی را نمی‌توان برای تشکیل آن مشخص کرد.
ث) منیزیتهای تبخیری
این قبیل کانسارها در محیطهای شور یا بسیار شور تشکیل می‌شوند. وجود یک محیط بسیار شور با نسبت بالای منیزیم به کلسیم در آبهای آن، زمینه پیدایش انباشته‌های منیزیتی اعم از نوع اولیه یا دیاژنتیک (دگرنهادی کربناتهای پیشین) را فراهم می‌کند.
· کاربرد منیزیت
منیزیت کانی‌ای است که نقش اصلی را در صنایع دیرگداز و نسوز دارد. فرآورده‌های منیزیتی، به‌طور عمده شامل دیرگدازها می‌باشند که در بخش صنایع دیرگداز به فراوانی استفاده می‌شود. بخش دیگری از این فرآوردهها، در مصارف کشاورزی، داروسازی، شیمی و… به‌کار برده می‌شود. امروزه فولادسازی مدرن و درحالتوسعه، نیاز به افزایش تولید دیرگدازهای منیزیتی با کیفیت بالا دارد.
منیزیت کاملاً تکلیس شده، شامل بلورهای پریکلاز در یک زمینة بلورین دانه‌ریز میباشد و نقطة ذوب آن، 2800 درجه سانتیگراد و وزن مخصوص آن 6/3 گرم بر سانتیگراد متر مکعب است. برای افزایش مقاومتگرمایی و پایداری فرآورده‌های منیزیتی، 5 تا 12 درصد آلومین افزوده می‌شود که این عمل منجر به تشکیل یک فاز اسپنیلی از MgO می‌گردد. دو نوع مهم تجاری- صنعتی آن عبارتست از:
منیزیت سیاه سوز (dead-burned magnesite) یا منیزیای نسوز و منیزیت تکلیس شده(caustic- calcined magnesite).
منیزیت سیاه سوز محصولی زینتر شده و دانه‌ای شکل است که با حرارت دادن هیدروکسیدمنیزیم، منیزیت طبیعی یا موادی مشابه در دمای 1450 تا 2000 درجه سانتیگراد به دست می‌آید. این مواد متراکم، نسبت به شرایط جوی پایداری بالایی نشان می‌دهد. بیش از 75 درصد میزان تولید این نوع منیزیا به نوعی در صنعت فولادسازی مصرف می‌شود. آجرهای نسوز منیزیتی در جداره کوره‌های فولادسازی با روشهای bessemer و basic open- hearth furnace مصرف می‌شوند. در روشهای دیگر از قبیل LD با استفاده از اکسیژن برای فولادسازی، آجرهای دولومیت غنی از منیزیت بکار گرفته می‌شود. روند افزایش در استفاده از این نوع نسوز به دو دلیل است:
1- در بین اکسیدهای نسوز با قیمت متوسط، MgO بالاترین نقطه ذوب را دارد. در حقیقت به استثنای اکسیدزیرکنیم (ZrO2)، منیزیا تنها ماده‌ای است که می‌تواند دماهای بیش از 2000 درجه سانتیگراد را برای مدت طولانی تحمل کند.
2- در کوره‌های گوناگون فولاد سازی (قوس الکتریکی، BOF) با استفاده از آجرهای منیزیتی، جدایش فسفر و گوگرد موجود در کانسنگ همراه با سربارة بازیک امکان‌پذیر است.
هرچند که هزینه اولیه آجرهای نسوز منیزیتی بالا است ولی به دلیل عمر طولانی در دراز مدت اقتصادی است. میزان مصرف منیزیای نسوز نزدیک به 2 تا 5 کیلوگرم در ازای هر تن فولاد تولید شده است.
فزون بر صنعت فولاد، نسوزهای منیزیتی در دیگر صنایع از جمله تولید آهک، شیشه، فلزات غیرآهنی و بویژه سیمان سازی کاربرد دارد.
منیزیت تکلیس شده که light-burned magnesite نیز نامیده می‌شود، با حرارت دادن کانسنگ منیزیت در دمای 700 تا 1000 درجه سانتیگراد به دست می‌آید. این محصول دارای پرت حرارتی کمتر از 10 درصد است و خاصیت جذب رطوبت دارد. کاربردهای مهم آن عبارتند از:
1- در کشاورزی بویژه در دهه های 1970 تا 1980، در بیشتر کودهای شیمیایی و انواع خوراک دام بکار گرفته شد. پودر منیزیت تکلیس شده با دانه‌بندی کمتر از 2 میلیمتر و عیار حداقل 85 درصد MgO به عنوان مواد تکمیلی در خوراک دام مصرف می‌شود.
2- مخلوطی از منیزیت تکلیس شده در واکنش با محلولهای غنی از منیزیم و کمی فسفات سدیم، در برابر هوا سفت می‌شود و بدین سان یک نوع چسب یا بایندر محکمی را پدید می‌آورد که در ساختمان سازی با ارزش است. عیار منیزیای تکلیس شده برای این منظور 75 تا 87 درصد MgO با میزان کم آهن و دانه بندی 40 تا 45 درصد زیر 10 میکرون است.
3- در پالایش و تصفیه فاضلابها، خلوص منیزیت تکلیس شده مورد نیاز 70 تا 99 درصد MgO است. با کاربرد این ماده، زدودن فلزات سنگین و سیلیکاتها امکان پذیر می‌شود. همچنین با استفاده همزمان این نوع منیزیا همراه با اسیدفسفریک، عمل آمونیم‌زدائی نیز انجام میگیرد. محصول به دست آمده (Mg.NH4.PO4.6H2O) می‌تواند به عنوان یک کود شیمیایی مصرف شود.
4- بعنوان مواد پرکننده در صنایع پلاستیک و لاستیک مصرف می‌شود و در کنترل ویسکوزیته و صلابت محصول سودمند است.
5- منیزیت تکلیس شده خلوص بالا در تهیه ترکیبات شیمیایی منیزیمی بکار می‌رود.
6- در صنایع کاغذ و سلولزسازی (روش انحلال bisulfite) منیزیت تکلیس شده مصرف می‌شود.
7- با دانه‌بندی کنترل شده بعنوان عامل پوشش دهنده کاربرد دارد.
8- همراه با کربنات منیزیم و منیزیای خالص در تهیه لوازم آرایش به‌کار می‌رود.
9- در صنعت داروسازی، منیزیت تکلیس شده با خلوص بالا(بیش از 98درصد MgO) به عنوان داروی ضد اسید و پایه پودر بهداشتی بکار می‌رود.
10- در صنعت سرامیک، شیشه و رزین نیز از منیزیت استفاده می‌شود.
· ذخایر و تولید منیزیت در جهان
ذخایر قطعی منیزیت جهان حدود 2/2 میلیارد تن و ذخایر پایه آن حدود 6/3 میلیارد تن تخمین زده شده است که کشورهای روسیه (650 میلیون تن)، کره (450 میلیون تن) و چین (380 میلیون تن) بزرگترین دارندگان ذخایر قطعی منیزیت در جهان می‌باشند (USGS, 2005). کل منابع شناخته شده منیزیت جهان حدود 12 میلیارد تن میباشد. منابع بروسیت جهان نیز چیزی حدود چند میلیون تن خواهد بود. اگر منابع دولومیت، فورستریت، کانیهای تبخیری منیزیم‌دار، شورابه‌های حاوی منیزیم و فرآوری منیزیم از آب دریا را نیز در نظر بگیریم، می‌توان گفت که منابع منیزیم جهان نامحدود میباشد.
در سال 2004 میزان تولید منیزیت جهان بجز ایالات متحده حدود 5/3 میلیون تن بوده است. بزرگترین تولیدکنندگان منیزیت جهان نیز در همان سال به ترتیب کشورهای چین، ترکیه، روسیه و کره شمالی بوده‌اند.
· وضعیت منیزیت در ایران
بیش از 100 کانسار و نشانه معدنی منیزیت در ایران شناسایی شده که بیشتر این منابع، در استان خراسان و حوالی بیرجند قرار دارند. کل ذخایر قطعی که مورد اکتشاف سیستماتیک واقع شده، افزون بر 10 میلیون تن است. اگر به ذخایر کم‌عیار توجه شود و در جهت فرآوری و پرعیارشدن آنها برنامهریزی گردد، آنگاه ذخایر منیزیت ایران چندین برابر افزایش خواهد یافت.
سهم جهانی منیزیت ایران از نظر ذخیره حدود 46/0 درصد و از نظر تولید 73/0 درصد میباشد (Mines & Mining in Iran, 2005). جدول 10 وضعیت و جایگاه منیزیت در ایران و جهان را نشان می‌دهد.
· تولید منیزیت و سایر دیرگدازها در ایران
هم‌اکنون در کشور حدود هشت شرکت اصلی در صنعت تولید دیرگدازها فعال هستند که صنعت دیرگدازها را در ایران در اختیار دارند. شرکتهای فرآورده‌های نسوز آذر، فرآورده‌های نسوز ایران، فرآورده‌های نسوز پارس، فرآورده‌های دیرگداز ایران، شرکت مهرگداز، شرکت نسوز تبریز، آذرشهاب تبریز و توکانسوز اصفهان از جمله مهمترین شرکتهای تولیدی فرآورده‌های نسوز در کشور هستند که شرکت فرآورده‌های نسوز آذر با بیشترین ظرفیت مشغول به‌کار است. شرکت‌هایی همچون شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور و شرکت تهیه و تولید مواد معدنی کشور نیز مواد خام و معدنی نسوز را تولید می‌کنند.
ظرفیت اسمی واحدهای تولیدکننده نسوز کشور سالیانه 384 هزار تن است که از این میان 200 هزارتن مربوط به تولید آجرنسوز و 184 هزارتن مابقی مربوط به تولید جرم نسوز میباشد.
مصرف داخلی کشور در خصوص دیرگدازها سالیانه حدود 300 هزار تن است که حدود 260 هزار تن آن از تولید داخلی تأمین می‌گردد و 40 هزار تن مانده از خارج وارد می‌شود.
شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور که متولی تولید مواد نسوز قلیایی و دولومیتی در کشور است عمدتاً به تولید منیزیت از معادن منیزیت شرق کشور می پردازد. اسامی این معادن در جدول 10 آورده شده است.
میزان تولید مواد نسوز قلیایی که شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور متولی آن است سالیانه حدود 100 هزار تن ماده خام منیزیت و 270 هزار تن دولومیت میباشد.
بر اساس آمار ارائه شده از شرکت تهیه و تولید مواد نسوز کشور، تولید کل مواد خام نسوز کشور که شامل رسهای نسوز، سنگ‌نسوز، خاکهای چسبنده، منیزیت، کانیهای آلومینیم‌دار (آندالوزیت، سیلیمانیت و کیانیت) و دولومیت می‌باشند، 445 هزار تن در سال 85 بوده است (گفتگوی شفاهی با مهندس باقری). اما محصولات فرآوری شده به شرح زیر میباشد:
منیزیت فرآوری شده (منیزیای سینتره) 40 هزارتن
شاموت 60 هزارتن
دولومیت (سینتره دولوما) 100 هزارتن
دولومیت خام از معادن زفره نطنز، شهرضا، نهاوند و غیره برداشت می‌شود. همچنین رس نسوز از معدن پشتی سمیرم، سنگ نسوز از معادن رباط‌خان طبس و دیگر معادن اطراف طبس برداشت می‌گردد. از معدن آرژیلیت دوپلان نیز بعنوان خاک چسبنده نسوز استفاده می‌گردد.
نیازها و کاستی‌های در منابع نسوز در ایران
موضوع دیرگدازها بحثی است که رابطه مستقیم با تکنولوژی و پیشرفت و توسعه یک کشور دارد. مصرف این ماده در صنعت نشانه‌ای از صنعتی بودن آن کشور دارد. همانطور که در بحث کاربرد این مواد معدنی باارزش گفته شد این مواد در کوره‌های ذوب فولاد، مس، کوره‌های سیمان و در سطح تکنولوژی بالاتر و پیشرفته‌تر عایق موتورهای جت و موشک و راکتها مورد استفاده دارد.
خوشبختانه کشورمان در راه توسعه و گسترش صنایع فولاد و سیمان است که این امر لزوم استفاده از منابع دیرگداز داخلی را توجیه‌پذیرتر می‌نماید. طبق برنامه توسعه چهارم در پایان سال 1388 باید تولید فولاد کشور به 1/28 میلیون برسد که در این زمینه نیاز به 478 هزار تن مواد نسوز میباشد. این عدد جدا از دیگر موارد استفاده دیرگدازها و مواد نسوز در کشور میباشد. با یک نگاه به تولید کشور می‌توان به سادگی دریافت که سرمایه‌ها و پول مردم ایران به جیب کشورهای دیگر خواهد رفت در صورتیکه منابع نسوز داخلی هنوز بدرستی شناخته نشده‌اند و سرمایه‌گذاری در این زمینه صورت نگرفته است.
همانطور که آمار و ارقام نشان می‌دهند بخشی از نیاز داخلی نسوزهای کشور از خارج تأمین می‌شود و این در حالی است که به‌خاطر داشتن صنعت فولاد کشور و افزایش تولید پاره‌ای از فلزات در کشور و پاره‌ای از صنایع وابسته به نسوز تقاضای داخلی به مواد نسوز رو به افزایش است. همچنین ذخایر منیزیت کشور که یکی از اصلی‌ترین منابع نسوز کشورند، مرتباً رو به کاهش هستند و ذخایر جدیدی در چند سال اخیر اکتشاف نشده است و با توجه به ویژگیهای زمین‌شناسی اکتشاف ذخایر پرعیار بزرگ دور از انتظار است. انواع مواد نسوز و دیرگداز کشور عبارت‌اند از: منیزیت، دولومیت، رسهای نسوز، بوکسیت، سیلیس، سیلیکاتهای آلومینیوم (آندالوزیت، دیستن، سیلیمانیت)، فورستریت و کرومیت. تمام این مواد معدنی یا در کشور در حال استخراج هستند و یا منابعی هستند که می‌توان روی آنها به‌عنوان منابع بالقوه فکر کرد.
منیزیت: همانطور که گفته شد با توجه به ویژگیهای زمین‌شناسی منیزیت و جایگاه آن در کشور پیدا کردن ذخایر بزرگ و پرعیار در کشور دور از انتظار است، در این راستا راهکارهای زیر جهت تأمین منیزیت مفید می‌تواند باشد.
- بهره‌گیری از ذخایر کم‌عیار و رفتن به سراغ فرآوری ذخایر کم‌عیار و توجه به اکتشاف ذخایر منیزیت هرچند کم‌عیار
- روی آوردن به منابع منیزیم‌دار نظیر استفاده از منیزیم شورابه‌ها و کفه‌های تبخیری منیزیم‌دار برای تولید منیزیت.مساحت کل دریاچه‌ها وشورابه‌های ایران بالغ بر 87 هزار کیلومتر است که با محاسبه مقدار5 گرم در لیتر منیزیا در‌آنها و با محاسبة یک عمق میانگین 6 متری، ذخیره‌ای در حدود 5/2 میلیارد تن منیزیای خالص برای آن می‌توان در نظر گرفت. دشواری کار استحصال منیزیا از آب دریا مقدار B2O3 همراه شده با محلول های منیزیایی است که باید در نظر داشت.
دولومیت: خوشبختانه ذخایر دولومیت کشور بسیار قابل توجه هستند. سوق دارد صنعت نسوز به‌سمت بهره‌گیری هرچه بیشتر از دولومیت آینده پایداری برای صنعت نسوز کشور در پی خواهد داشت. خوشبختانه ذخایر دولومیت پراکندگی قابل توجهی نیز در کشور دارند و به یک منطقه خاص محدود نمی‌شوند. در حال حاضر از معادن زفره نطنز، شهررضا و نهاوند برای دستیابی به دولومیت مناسب در صنعت نسوزها استفاده می‌شود.
رسهای نسوز: در کشور ما رسهای نسوز با آلومینیوم بالا (البته تیتان آنها نیز بالا است) فراوان می‌باشند. هرچند که عمده ذخایر آن در منطقه آباده هستند ولی این ذخایر در افق پرمو- تریاس کشور در ناحیه طبس، آباده، البرز و آذربایجان قابل پی‌گیری هستند.
سیلیکاتهای آلومینیوم: یکی از نسوزهای قابل توجه که اخیراً در کشور ما مطرح شده و صنعت آن نیز رو به گسترش است سیلیکاتهای آلومینیوم یعنی آندالوزیت، دیستن و سیلیمانیت می‌باشند. خوشبختانه در کشور ما اینگونه ذخایر در نواحی دگرگونی فراوان هستند، مانند ناحیه همدان، کوه گبری کرمان، ناحیه خلج در مشهد و ... مواد یاد شده تاکنون در کشور ما مورد توجه نبوده‌اند.
فورستریت: هرچند تاکنون در مجموعه افیولیتی ایران سنگهای الترامافیک خاصی مانند فورستریت خالص گزارش نشده است، اما وجود چنین ذخایری البته در مجموعه افیولیتی و الترامافیک کشور دور از انتظار نیست و ممکن است با فرآوری آنها به‌عنوان ذخایر قابل توجه استفاده کرد. در کانسارهای کرومیت فورستریت بصورت باطله حجم انبوهی از فضای کاری را اشغال می‌نماید. چنانچه این باطله‌ها با 10 درصد کرومیت موجود در آنها برای تهیه مواد دیرگداز استفاده شوند، دیرگدازی ارزان قیمت در دسترس فناوری گداز فلزات خواهد بود.
کرومیت: هرچند تاکنون به‌کارگیری کرومیت در کشور ما به‌عنوان نسوز مطرح نبوده است اما واقعیت این است که کرومیتهای ناحیه بلوچستان در داخل کانسنگ کرومیت Al اغلب به‌مقدار قابل توجهی جانشین Cr شده و چنین کرومیتهایی هرچند به‌عنوان کرومیت نامرغوب هستند ولی به‌عنوان نسوز می‌توانند مفید واقع شوند.
گروه آزبستها: کانیهای گروه آزبست مانند اکتینولیت، ترمولیت، آنتی‌گوریت، کریزوتیل در مجموعه‌های الترامافیک و دگرگونی ایران فراوان اما نه به‌طور متمرکز یافت می‌شوند که می‌توانند به‌عنوان یک منبع بالقوه نسوز مطرح باشند.
مواد دیرگداز
مقدمه
مواد دیرگداز امروزه دارای کاربردهای بسیار زیادی هستند. کلیه صنایعی که در مرحله ای از فرآیند تولید خود با درجه حرارتهای بالا سروکار دارند احتیاج به مواد دیرگداز دارند. صنایع متالورژیکی، صنایع شیشه و سرامیک، صنایع هسته ای، صنایع تولید انرژی، صنایع شیمیایی و غیره همگی نیازمند مواد دیرگداز هستند.
بوجود آمدن کاربردها و شرایط کار نوین، تولید مواد دیرگداز جدید با خواص مناسب را الزام آور می سازد. از این رو صنعت ساخت و تولید مواد دیرگداز ، صنعتی پویا و در حال گسترش و تحول بوده و دائما در حال پدیدآوردن مواد نوین با خواص مناسب و مطلوب می باشد.
مواد دیرگداز جدیدی که هر روز بوجود می آیند علاوه بر تحمل درجه حرارتهای بالا می توانند شرایط مختلف کاری از جمله شوک حرارتی، خوردگی، سایش، ضربات مکانیکی، خزش وغیره را به خوبی تحمل نمایند.
تعریف مواد دیرگداز
طبق تعریف به موادی دیرگداز گفته می شود که نقطه خمیری شدن آنها بالاتر از 1520 درجه سانتیگراد باشد. معمولا نقطه خمیری شدن را با مخروط زگر می سنجند.این مخروطها از مواد دیرگداز ساخته می شوند و دارای نقطه خمیری شدن مشخص هستند. برای تعیین نقطه خمیری شدن یک آجر دیرگداز معمولا آنرا به شکل مخروط زگر با همان ابعاد استاندارد در آورده و در کوره مخصوصی که بتوان اجسام را در حین حرارت دادن رویت کرد قرار می دهند.
دور جسم را مخروطهای زگر با شماره های مختلف می چینند، در حین بالا بردن درجه حرارت کوره ، دائما وضعیت داخل را مشاهده می کنند و هنگامی که جسم کاملا نرم شده و راس آن خم شده و با قاعده در یک سطح قرار گرفت حرارت دادن را قطع می کنند، آنگاه نمونه و مخروطها را پس از سرد شدن از کوره خارج نموده و وضعیت مخروطهای زگر را مورد بررسی قرار می دهند. هر کدام از مخروطها که به شکل جسم مورد نظر در آمده بود(از نظر خم شدن راس و قرار گرفتن آن در سطح قاعده ) شماره دیرگدازی آجر مورد نظر با شماره آن مخروط زگر مساوی خواهد بود.
ساختمان مواد دیرگداز
مواد دیرگداز از مخلوطی از فازهای بلوری مختلف و فازهای شیشه ای گوناگون و تخلخل تشکیل می شوند.
نقش مواد دیرگداز
نقش این مواد محافظت از محفظه هائیست که در آنها واکنشها یا عملیاتی در درجه حرارتهای بالا انجام می گیرد، منظور از واکنشها یا عملیات عبارت از عملیات یا واکنشهای فیزیکی ، شیمیائی و مکانیکی است. مکانهائی که این مواد به کار می روند معمولا مکانهایی هستند که با دماهای بالا سروکار دارند، مانند صنایع آهن و فولاد ، صنایع غیرآهنی، ریخته گری، کارخانه جات شیشه و سرامیک، کارخانه جات مولد نیرو ، راکتورهای اتمی، صنایع سیمان و آهک و کوره های صنعتی.
خواص مهم مواد دیرگداز
1-دیرگدازی
2-مقاومت در برابر سرباره
3-پایداری در برابر شوک حرارتی(تغییرات ناگهانی درجه حرارت)
4-پایداری در برابر فشار در درجه حرارت اطاق(سرد)
5-پایداری در برابر فشار در درجه حرارت بالا
6-پایداری حجمی در هنگام حرارت دادن مجدد
7 -انبساط حرارتی
8-قابلیت هدایت حرارت
9-تخلخل و دانسیته
-10قابلیت نفوذ(در مقابل گازها)
-11مقاومت در برابر ضربه
-12خزش
انواع نسوزها
1- نسوزهای سیلیسی
این آجرها از نوع اسیدی هستند و ماده اصلی آنهاSiO2 است که نقطه ذوب آن 17230c است و معمولا دارای 93-98 درصد SiO2 هستند.
2-1 مراحل تولید نسوزهای سیلیسی
1-مرحله آماده کردن مواد اولیه
2-مرحله شکل دادن
3-خشک کردن
4-پخت
3-1 مزایا و مضرات نسوزهای سیلیسی
مزایا:
-1ارزانی مواد اولیه
-2تحمل فشارهای نسبتا زیاد در درجه حرارتهای بالا. مثلا می تواند فشاری نظیرPSI 50 را تا نزدیکی نقطه ذوب خود (1710-1730) تحمل کنند.
-3مقاومت خوب در برابر اکسیدهای آهن و CaO و به طور کلی سرباره های اسیدی.
-4انقباض کم در هنگام کاربرد در درجه حرارتهای بالا.
-5مقاومت سایشی خوب.
مضرات:
-1مقاومت کم در برابر شوک حرارتی در زیر 600 درجه سانتیگراد
-2مقاومت کم در برابر سرباره های بازی و قلیائیها
-2نسوزهای آلومینا سیلیکاته
1-2 مقدمه
در جدول تقسیمبندی نسوزهای دیرگداز، ستون نسوزهای آلومینوسیلیکاتی از سیلیس شروع شده و به آلومینا (اکسید آلومینیوم) ختم می شود. البته باید توجه داشت که نسوزهای و آلومینائی، دوحد بالا و پایین این محدوده را تشکیل داده و آنها را نمی توان آلومینوسیلیکاتی نامید.اصولا آجرهای آلومینوسیلیکاتی بر اساس دیاگرام Al2O3-SiO2 تشکیل می شوند. با توجه به این نمودار می توان دید که نقطه ذوب سیلیس 1723 درجه سانتیگراد ونقطه ذوب آلومینا حدودا 2050 درجه سانتیگراد است که این دو جسم دیرگداز در درجه حرارتهای 1590 و 1840 درجه سانتیگراد یوتکتیک تشکیل می دهند.
در مورد سیلیس خالص افزودن 5 الی 6 درصد آلومینا نقطه ذوب سیلیس را از 1723 به 1590 درجه سانتیگراد می رساند. Mullite ترکیبی با فرمول3Al2O3.2SiO2 و 72% وزنی آلومینا و نقطه ذوب آن در حدود 1850 درجه سانتیگراد است، این ترکیب درواقع مرز بین دو نوع نسوز آلومینوسیلیکاتی را نشان می دهد. تمام مخلوطهائی که کمتر از 72% دارند اولین مایع در آنها در 1590 درجه سانتیگراد ظاهر می شود درحالیکه تمام سیستمهائی که بیش از 72% آلومینا دارند نخستین مایع آنها در 1840 درجه پدید می آید. سیستمهائی که بیش از 72% الومینا دارند در درجه حرارتهای پائین از فازهای mullite و کوراندوم تشکیل می شوند در صورتیکه مخلوطهائی که کمتر از 72% آلومینا دارند، در درجات حرارت پایین دارای mullite و تریدیمیت هستند.
2-2 تقسیمبندی نسوزهای آلومینوسیلیکاتی
1-آجرهای خاک نسوز دارای 25-45%Al2O3
آجرهای سیلیمانیتی(کیانیت، آندالوزیت) دارای 45-65% Al2O3
جرهای مولایتی دارای 65-75% Al2O3
آجرهای بوکسیتی دارای 75-90%Al2O3
آجرهای کوراندومی دارای 90-100%Al2O3
لازم به یادآوریست که نام این محدوده ها گاهی از روی نام مواد اولیه (بوکسیت، سیلیمانیت...) انتخاب شده است و گاهی از روی موادی که در آجر پس از پخت به وجود می آیند(مولایت).
3-2 مینرالهای مهم آلومینوسیلیکاتی
1-3-2 رسها-مینرالهای رسی عبارت از آلومینوسیلیکاتهای آبدار با ذرات ریز می باشندکه هنگام مخلوط شدن با آب خاصیت پلاستیسیته و شکل پذیری خوبی پیدا می کنند. از نظر ویژگیهای شیمیایی ، فیزیکی و مینرالوژیکی بسیار متغیر هستند ولی دارای خواص مشترکی نیز می باشند. یکی از مهمترین خواص مشترک آنها ساختمان لایه لایه آنهاست.
همه آنها از لایه های آلومینوسیلیکاتی که به آسانی می توانند بر روی هم حرکت کنند تشکیل می شوند. خواصی نظیر نرمی و خاصیت صابونی و کلیواژ آسان از نتایج چنین ساختمانهائی هستند. مینرالهای رسی را می توان به طور کلی طبق زیر طبقه بندی کرد:
1 -کائولینیت
2-هالویزیت
-3پیروفیلیت
4-میکا
-5 مونت موریونیت
6-ایلیت
معمولا این مینرالها با مواد اضافی نظیر کوارتز، فلدسپار، قلیائیها و اکسید آهن همراه هستند
2-3-2-سیلیمانیت،کیانیت،آندالوزیت – همه این مینرالها از نظر شیمیایی دارای ترکیب یکسانی هستند و آنها را می توان با فرمول Al2O3.SiO نشان داد. اما از نظر کریستالوگرافی دارای ساختمان های بسیار متفاوتی هستند. همه مینرالهای فوق پس از حرارت دادن به صورت مولایت درآمده و سیلیس اضافی معمولا به صورت فاز شیشه ای باقی می ماند.درجه حرارت تجزیه مینرالهای فوق به مولایت و شیشه در مورد سیلیمانیت 1550 و در مورد کیانیت و آندالویت حدود 1350 درجه سانتیگراد است.درجه حرارتهای فوق ممکن است درصورت حضور ناخالصی ها تغییر کند.
چون وزن مخصوص هر سه این مینرالها نسبت به وزن مخصوص مولایت بیشتر است، پس از پخت مقداری انبساط پیدا می کند. بدین منظور معمولا مینرالهای فوق را برای جبران انقباض سایر آلومینوسیلیکاتها به کار می برند.
نام
سیلیمانیت
آندالوزیت
کیانیت
وزن مخصوص
3.10-3.20
3.10-3.20
3.50-3.70
سیستم کریستالی
رومبیک
رومبیک
تری کلینیک
با توجه به جدول فوق می توان دید که انبساط کیانیت پس از پخت بیش از سایرین خواهد بود زیرا اختلاف بین وزن مخصوص آن با وزن مخصوص مولایت(3.06) بیش از سایر مینرالهای Al2O3SiO2 است.
3-3-2-مولایت- مولایت در طبیعت کمیاب است . نام آن از نام جزیره Mull در اسکاتلند گرفته شده زیرا نخستین بار در آنجا کشف شده است.
4-3-2 کوراندوم- آلومینا به اشکال مختلف دیده می شود. پایدارترین نوع آن دارای ساختمان رمبوهدرال بوده و به کوراندوم موسوم است.
4-2 خواص نسوزهای آلومینوسیلیکاتی
1-4-2 خواص آجرهای خاک نسوز
الف- تخلخل ظاهری و وزن مخصوص
تخلخل ظاهری از 9 الی 22.5% تغییر می کند. وزن مخصوص کلی bulk از 1.96 تا 2.36 gr/cm3 در تغییر است.
ب- استحکام فشاری سرد
این استحکام بسیار خوب است و تا 10000PSIنیز می رسد(که عالی است). این خاصیت با مقاومت سایشی در ارتباط است و برای کوره هایی نظیر کوره بلند بسیار مهم است.
ج- تغییرات طولی پایدار
تا 9000c انبساط وجود دارد(انبساط حرارتی) پس از آن انقباض شروع می شود که تا 1200 ادامه پیدا می کند پس از آن انبساط آجر شروع می شود. این انبساط یا باد کردگی آجر به نظر می رسد که در اثر تجزیه مواد سولفیدی، سولفاتی یا کربناتی موجود در مواد اولیه باشد که در حین فرآیند تولید تجزیه نشده اند. این انبساط چون در حالت پلاستیک اتفاق می افتد اگر بیش از حد نباشد می تواند در برخی موارد(مثل پاتیلها) مثبت باشد زیرا باعث پر کردن درزها می شود و از نفوذ فلز مذاب به داخل جلوگیری می کند. پس از این انبساط ، دوباره انقباض شروع می شود و تا 1400 درجه ممکن است به 2% برسد. البته همه نسوزها چنین رفتاری از خود نشان نمی دهند و معمولا انبساط یا انقباضی در حدود 1% قابل قبول است و اغلب نسوزها چنین خاصیتی را در درجه حرارتهای 1400 الی 1500 درجه از خود نشان می دهند.
د- دیرگدازی و دیرگدازی تحت فشار
دیرگدازی با افزایش درصد آلومینا بالا می رود و در این نسوزها از 1600 تا 1750 درجه تغییر می کند، این خاصیت تحت تاثیر شدید روانسازها از جمله اکسید آهن و قلیائی ها می باشد. درمورد نسوزهایی که سیلیس بیشتری دارند معمولا ناخالصی ها هم بیشتر است. دیرگدازی تحت فشار این این نسوزها معمولا خوب نیست زیرا در درجه حرارت نسبتا پایین مقدار فاز شیشه ای که تشکیل می شود زیاد است. اما نباید فراموش کرد که در حین حرارت دادن (در موقع کاربرد این آجرها ) فقط یک طرف آجرها زیاد گرم می شود و طرف دیگر نسبتا سرد است و به غیر از مواقعی که اقتصاد سوخت طلب می کند که عایق بندی خوبی به کار رود، مساله دیر گدازی تحت فشار مانند حالت آزمایشگاهی(که همه آجر گرم شده و شیب حرارتی وجود ندارد) مهم نخواهد بود. در مکانهائی مانند سقف کوره زیمنس مارتین یا کوره های غیر مداومی که در بالای 1400 درجه سانتیگراد کار می کنند، عایق بندی خوبی به کار می رود و در اینطور موارد باید در انتخاب آجر دقت کرد که دیرگدازی تحت فشار آن خوب باشد.
ه- مقاومت در برابر شوک حرارتی- نسبتا خوب
2-4-2 خواص نسوزهای سیلیمانیتی(45-65 درصد )
الف- تخلخل و وزن مخصوص
معمولا تخلخل پائین بوده و تخلخل ظاهری بین 9 تا 25 % تغییر می کند.وزن مخصوص این نسوزها بالاتر از خاک نسوز است زیرا هم مینرالهای نوع سیلیمانیت و هم مولایت وزن مخصوصشان بیشتر از خاک نسوز است. وزن مخصوص ظاهری جامد در حدود 2.65gr/cm3 است.
ب-استحکام فشاری سرد
استحکام فشاری سرد این نسوزها بالاتر از خاک نسوز است.باید توجه داشت که با افزایش درصد آلومینا استحکام فشاری سرد(و در نتیجه مقاومت سایشی که مرتبط با آن است ) افزایش می یابد.
ج- تغییرات طولی پایدار
ابعاد این نسوزها نسبت به ابعاد آجرهای خاک نسوزپایدارتر بوده و در حین حرارت دادن انقباض و انبساط کمتری خواهند داشت. این نسوزها معمولا انبساطی در حدود 1% از خود نشان می دهند.
د- دیرگدازی ودیرگدازی تحت فشار
دیرگدازی این آجرها در محدوده 1770- 1830 درجه می باشد. واضح است که این رقم بالاتر از دیرگدازی آجرهای خاک نسوز است زیرا با افزایش درصد Al2O3 دیرگدازی افزایش می یابد. استحکام فشاری گرم این آجرها نیز بهتر از آجرهای خاک نسوز استَ.
ه- مقاومت د ربرابر شوک حرارتی
مقاومت این آجرها در مقابل شوک حرارتی بسیار خوب است و عموما برای نگهداری المانهای حرارتی در کوره های الکتریکی به کار می روند.
و- آنالیز شیمیایی
مقدار مواد روانساز این آجرها کمتر از خاک نسوز است.بنابراین ممقاومت این آجرها در برابر سرباره خوب بوده و محصولات را هم کمتر آلوده می کند. معمولا از این آجرها برای نگهداری شیشه مذاب و فلز مذاب استفاده می کنند. زیرا هم مقاوم بوده و هم این مواد را کمتر آلوده می کند(ناخالصی ها وارد مذاب نمی شوند).
3-4-2 خواص نسوزهای مولایتی
الف-تخلخل و وزن مخصوص
تخلخل در محدوده 10-25% است. به علت کم بودن وزن مخصوص مولایت نسبت به سیلیمانیت، وزن مخصوص نسوزهای مولایتی کمتر از نسوزهای سیلیمانیتی است.
ب- استحکام فشاری سرد
بین 5000 تا PSI 14000 است.
ج- تغییرات طولی پایدار
برخی از این آجرها در 18000 پس از 2 ساعت ماندن فقط 0.29% انقباض نشان می دهند، به طور کلی پایداری حجمی این آجرها در بالای 1500 درجه بسیار عالی بوده و این خاصیت، به اضافه دیرگدازی باعث می شودکه این آجرها در کوره هائی که تا به کار می روند مورد استفاده قرار گیرند.
د- دیرگدازی و دیرگدازی تحت فشار
دیرگدازی از 1825 تا 1920 درجه است. مقاومت فشاری گرم آن نیز خوب است.
و- مقاومت در برابر شوک حرارتی
این آجرها در برابر شوک حرارتی بسیار مقاومند و برخی از آنها تعداد 30+ سیکل را تحمل می کنند، چنانچه قبلا هم ذکر شداین بواسطه انبساط حرارتی کم این نسوزهاست.
ه- آنالیز شیمیایی
مقدار ناخالصی ها و روانسازهای آن حتی کمتر از سیلیمانیت است. این خلوص بالا همراه با دانسیته بالا و مقاومت در برابر شوک حرارتی و پایداری حجمی باعث می شود که این آجرها کاربردهای زیادی را در ساخت راکتورهای شیمیایی و کوره های درجه حرارت بالا داشته باشند.
4-4-2 خواص نسوزهای بوکسیتی
الف- تخلخل و دانسیته
تخلخل نسبت به نسوزهای قبلی کمی بیشتر است اما وزن مخصوص هم به علت وجود فاز کوراندوم (که وزن مخصوص آن زیاد است) بیشتر می باشد. مهمترین فاز در این آجرها همان کوراندوم است.
ب- استحکام فشاری سرد
بسیار بالا است زیرا با افزایش درصد Al2O3 استحکام فشاری سرد هم بالا می رود.
ج- تغییرات طولی پایدار
برخی از انواع آن پس از 2 ساعت حرارت دیدن در 1700درجه فقط 1-3% انقباض نشان می دهند، اما اغلب انواع آن پس از حرارت دادن مقدار کمی انبساط نشان می دهند.
د- دیرگدازی و دیرگدازی تحت فشار
دیرگدازی این نسوزها از 1770 الی 1920 درجه سانتیگراد تغییر می کند. اکثر این آجرها در سقف کوره قوس الکتریکی مصرف می شوند که درجه حرارت آن 17000c است. در اینجا استحکام فشاری گرم بسیار مهم است به همین دلیل هم قبلا از نسوزهای سیلیسی استفاده می شد(به علت استحکام فشاری گرم بالای این نسوزها).
ه- آنالیز شیمیایی-معمولا درصد روانسازهای آنها بیشتر از نسوزهای مولایتی است اما این موضوع در برخی از کاربردها مثل سقف کوره بلند اهمیت ندارد.
5-4-2 خواص نسوزهای کوراندومی
الف-تخلخل و وزن مخصوص
به کمک ذوب وریخته گری یا پرس گرم می توان آجرهائی با تخلخل صفر هم تهیه کرد اما در صورت استفاده از روشهای معمولی برای ساخت این نوع آجرها تخلخل آنها در حدود سایر آجرهای آلومینوسیلیکاتی خواهد بود. وزن مخصوص این نسوزها به علت اینکه فاز اصلی آنها کوراندوم است بسیار بالا می باشد.
ب- استحکام فشاری سرد
در محدوده 9000-PSI15000 است که همراه با مقاومت سایشی خوب است.
ج- تغییرات طولی پایدار
حتی در1800 درجه پس از 2 ساعت حرارت دادن فقط در حدود 1% تغییر طول دارد.
د- دیرگدازی و استحکام فشاری گرم
دیرگدازی آن بالای 2000 درجه می باشد که خیلی بالاست، استحکام فشاری گرم هم بالاست.
ه- مقاومت در برابر شوک حرارتی
مقاومت در برابر شوک حرارتی آن خوب است. از آن برای ساختن پوششهای ترموکوپل استفاده می کنند. دلیل بالا بودن مقاومت آن در برابر شوک به علت پائین بودن انبساط حرارتی نیست. به نظر می رسد که هدایت حرارتی بالای این نسوزها دلیل اصلی این امر باشد.
3-خواص نسوزهای کربنی
الف-تخلخل و وزن مخصوص
تخلخل از 13 الی 20 % تغییر می کند. وزن مخصوص از 1.56 تا 1.69 گرم بر سانتی متر مکعب تغییر می کند.
ب- استحکام فشاری سرد
این خاصیت از نسوزی به نسوز دیگر(بسته به مواد اولیه و روش تولید) شدیدا تغییر می کند.ارقامی نظیر 2000 تا PSI15000 ذکر شده است.
ج- تغییرات طولی پایدار
معمولا این آجرها در 1500 درجه سانتیگراد انقباضی کمتر از 1% دارند که قابل قبول است.درجه حرارت کاربرد این آجرها هم به ندرت از این درجه حرارت تجاوز می کند.
د- مقاومت در برابر سایش
معمولا سنجش این خاصیت به وسیله آزمایش Morgan-Marshal انجام می گیرد. این آزمایش اصولا در رابطه با آجرهای دیرگداز کوره بلند به وجود آمده و روش انجام آن عبارت از بمباران نسوز با با مواد ساینده با سرعت زیاد و سپس اندازه گیری کاهش وزن آن می باشد. این خاصیت نیز به نوع مواد اولیه و روش تولید بستگی دارد. نسوزهائی که از گرافیت ساخته می شوند نرمتر از نسوزهائی هستند که از کک متالورژیکی ساخته می شوند.
ه- هدایت حرارتی
حتی در صورت مساوی بودن تخلخل، نسوزی که از گرافیت ساخته شده است ممکن است در 200 درجه سانتیگراد هدایتش 25 برابر هدایت نسوزی باشد که از کک متالورژیکی ساخته می شود، در 800 درجه این اختلاف به 10 برابر می رسد و این نشان می دهد که ساختمان بلوری چقدر می تواند در هدایت حرارتی موثر باشد. این موضوع در رابطه با شیب حرارتی متفاوتی که این آجرها می توانند داشته باشند مهم است. مثلا اگر موضوع نفوذ آهن خام را به داخل دیرگداز کربنی بوته کوره بلند در نظر بگیریم، در مورد نسوز گرافیتی که هدایتش بیشتر است عمق نفوذ کمتر است. یعنی مقطعی از نسوز که دارای درجه حرارت حدود1100 درجه است در مورد نسوز گرافیتی نزدیکتر به سطح گرم(1500 درجه سانتیگراد) قرار گرفته است تا در مورد نسوز کک متالورژیکی که عایق تر است.
و- قابلیت نفوذ
چون اکسیداسیون کربن و واکنش با بخارات قلیائی و غیره از طریق نفوذ به داخل نسوز انجام میگیرد، قابلیت نفوذ از نظر مقاومت نسوزها در برابر خوردگی و اکسیداسیون اهمیت دارد هرچند نمی توان گفت عمر نسوزهایی که قابلیت نفوذ کمتری دارند حتما بیشتر از سایر نسوزهاست. نسوزهای کربنی که از طریق پرس گرم تهیه می شوند دارای قابلیت نفوذ بسیار کمی هستند.
ز- سرعت اکسیداسیون
هرچند نسوزهای مختلف در اکسیژن و گازکربنیک سرعتهای اکسیداسیونی مختلفی دارند، اما در درجات حرارت بالا سرعت اکسیداسیون بیشتر از طریق سرعت رسیدن گازهای اکسیدکننده به سطح نسوز تعیین می شود و نه خواص نسوز ونوع آن ، یعنی در درجه حرارتهای بالا آهسته ترین مرحله واکنش که سرعت رسیدن گازهای اکسیدکننده به نسوز می باشد، سرعت واکنش اکسیداسیون را تعیین می کند.
ح- میزان حلالیت کربن در آهن مذاب
گرافیت بیشتر از موادی مانند کک متالورژیکی در آهن مذاب حل می شود. گرافیت با وجود حلالیت بیشتر در آهن خام مذاب، به علت داشتن هدایت بیشتر و نفوذ کمتر آهن مذاب به داخل آن ممکن است کمتر خورده شود.
ط- اثر قلیایی ها
خاکستر نسوزهای کربنی با مواد قلیائی سرباره وارد واکنش می شود. وجود سیلیس در خاکستر مثبت است زیرا با قلیائی ها واکنش می کند و اجازه نمی دهد که قلیائی ها با کربن وارد واکنش شوند. قلیائی ها به لابه لای صفحات کربن در ساختمان نسوز نفوذ کرده و با کربن وارد ترکیب شده و ترکیباتی نظیرc24k,c16k به وجود می آورند.
4-نسوزهای منیزیتی
مصرف این نسوزها برخلاف نسوزهای سیلیسی در سالهای اخیر افزایش یافته است. کاهش مصرف این نسوزها در کوره های زیمنس مارتین (قلیائی) به وسیله افزایش مصرف آن در محفظه های L.D و همچنین در سقف کوره های قوس الکتریکی جبران شده است.
+ نوشته شده در دوشنبه بیست و سوم اردیبهشت ۱۳۹۲ ساعت 0:37 توسط مهندس ایمان رستگار
|
سرامیک مشتق از کلمه keramos یونانی است که به معنی سفالینه یا شئی پخته شده است. در واقع منشا پیدایش این علم همان سفالینههای ساخته شده توسط انسانهای اولیه هستند. در واقع قبل از کشف و استفاده فلزات، بشر از گلهای رس به علت وفور و فراوانی آنها و همچنین شکلگیری بسیار خوب آنها در در صورت مخلوط شدن با آب و درجه حرارت نسبتاً پایین پخت آنها استفاده میکرد. آلومینوسیلیکاتها که خاکهای رسی خود آنها به حساب میآیند، از عناصر آلومینیوم، سیلیسم و اکسیژن ساخته می‌شوند که این سه عنصر بر روی هم حدود 85 درصد پوسته جامد کره زمین را تشکیل می‌دهند. این سه عنصر فراوانترین عناصر پوسته زمین هستند.