مروری بر نسوزهای مورد استفاده در صنعت فولاد

در صنعت فولاد، رقابت در زمینه‌هایی مانند تقاضا، هزینه بالای انرژی مقررات زیست محیطی و ایمنی، مواد، نیاز مصرف کننده به کیفیت بالا و همچنین ارزش بالای سرمایه، نیاز به تغییرات در صنعت را ایجاد است. نسوزهای مورد نیاز در فرآیندهای تولید بر اساس عمر طولانی و تولید فولاد تمیز انتخاب می‌شوند. انواع مختلف نسوزها بر ایمنی، مصرف انرژی و کیفیت محصول تاثیر دارند و بنابراین انتخاب نسوزها برای هر کاربرد، اهمیت بسیاری دارد. مقاله حاضر، به بررسی انواع نسوزها، ویژگی‌ها و خواص آنها برای کاربرد در پاتیل‌های صنعت فولاد می‌پردازد.

مقدمه

پاتیل فولاد سازی، دلوی است که برای انتقال مذاب فولاد از کوره فولاد سازی اولیه به ناحیه ریخته گری استفاده می‌شود. پاتیل‌ها معمولا استوانه ای شکل، روباز و دارای یک نازل کوچک در کف هستند. پاتیل‌ها یک پوسته فولادی خارجی (با ضخامت 50-100mm) و لایه‌های آستر نسوز داخلی (ضخامت تا 400mm) دارند. سرپوش فولادی یا آستر نسوز نیز می‌تواند برای پوشش بالای پاتیل استفاده شود. وقتی مذاب در پاتیل وجود دارد، گرما را به نسوزهای موجود در دیواره و کف منتقل می‌کند. به دلیل لایه سرباره عایق، گرمای بسیار کمی نیز از طریق سطح بالایی از دست می‌رود. همرفت طبیعی موجب گردش فولاد می‌شود، جریان نزولی در نزدیکی دیواره‌ها و جریان صعودی در مرکز پاتیل رخ می‌دهد و تحت شرایط کاری طبیعی، شیب دمایی عمودی در پاتیل ایجاد می‌گردد.

دلایل استفاده از نسوزها

نسوزها در صنعت متالورژی در آستر کاری کوره‌ها، راکتورها و مجرا‌ها برای نگهداری و انتقال فلز و سرباره استفاده می‌شوند. در صنایع غیر متالورژیکی، نسوزها عمدتاً در گرمکن ها، مبدل‌های هیدروژن و یا آمونیاک، کوره‌های کراکینگ و واحدهای کراکینگ کاتالیستی، کوره‌های سوزاندن زباله، بویلرها، کلسینه کک، کوره‌های سولفور، مجراها، دودکش‌ها و لوله‌ها استفاده می‌شوند. اغلب این تجهیزات، تحت فشار بالا کار می‌کنند و دمای کاری آنها ممکن است از دمای بسیار پایین تا دمای بسیار بالا (F° 2900-900) متغیر باشد. بنابراین ضروری است که مواد نسوز قادر به تحمل دماهای بالاتر از دماهای مذکور باشند.

به دلیل دمای ذوب فوق العاده بالای مواد متداول مانند آهن، نیکل و مس، مهندسین متالورژی مجبور هستند دمای کوره را تا بالاتر از 2800 °F افزایش دهند. بنابراین، کوره‌ها با مواد نسوزی مانند منیزیا که دمای ذوب بالایی دارد آسترکاری می‌شوند.

شرایط نسوز مناسب

شرایط کلی یک ماده نسوز عبارت است از:

• قابلیت تحمل دماهای بالا و به دام انداختن گرما در یک فضای محدود مانند کوره
• قابلیت تحمل واکنش با فلز مذاب، گازهای داغ و فرسایش ناشی از سرباره
• قابلیت تحمل بار در شرایط کاری
• قابلیت مقاومت در برابر آلودگی مواد در هنگام تماس با آنها
• قابلیت حفظ پایداری ابعادی کافی در دماهای بالا و پس از چرخه‌های گرمایی یا حین آنها
• قابلیت نگه داشتن حرارت

ویژگی‌های نسوزها

برخی از ویژگی‌های مهم نسوزها عبارت اند از:

دمای ذوب: دمای ذوب، قابلیت مواد برای تحمل دماهای بالا بدون تغییر شیمیایی و آسیب فیزیکی را نشان می‌دهد. نقطه ذوب برخی از عناصر که در ترکیبات نسوز حضور دارند در بازه °F 3100-6300 متغیر است که در جدول زیر ارائه شده است. دمای ذوب به عنوان اساس پایداری حرارتی نسوزها در نظر گرفته می‌شود و ویژگی مهمی است که حداکثر دمای قابل استفاده را مشخص می کند.

اندازه و پایداری ابعادی: اندازه و شکل نسوزها ویژگی مهمی در طراحی است، زیرا پایداری ساختار را تحت تاثیر قرار می‌دهد. اندازه و دقت ابعادی، عامل بسیار مهمی برای قابلیت تطبیق مناسب شکل نسوز، کاهش ضخامت و اتصالات در بنا است.

تخلخل: تخلخل میزان فضای منافذ باز موثر در نسوز است که فلز مذاب، سرباره، گدازآوازها و بخارات می‌توانند در آن نفوذ کنند و در نتیجه، منجر به تخریب تدریجی ساختار شوند. مواد دارای تخلخل بالا، به علت اینکه حجم زیادی از هوا (که رسانای ضعیف گرما است) را به دام می‌اندازند، نارسانایی بالایی دارند. معمولا مواد نسوز دارای تخلخل بالا در مواردی که ماده با سرباره تماس داشته باشد انتخاب نمی‌گردد، زیرا مذاب به آسانی در آن نفوذ می‌کند.

چگالی بالک: چگالی بالک معمولا در ارتباط با تخلخل ظاهری است و میزانی از وزن حجم مشخصی از نسوز است. برای بسیاری از نسوزها، چگالی بالک نشانه ای کلی از کیفیت محصول است، زیرا محصول دارای چگالی بالک بالاتر (تخلخل پایین تر) کیفیت بهتری خواهد داشت. افزایش چگالی بالک باعث افزایش پایداری حجمی، ظرفیت گرمایی، مقاومت در برابر سایش و نفوذ سرباره است.

استحکام شکست سرد: استحکام شکست سرد می تواند به عنوان شاخصی مفید از پخت مناسب و مقاومت به سایش و همچنین در تایید چگالی بالک و تخلخل در نظر گرفته شود.

مخروط پیرومتری معادل: نسوزها به دلیل پیچیدگی شیمیایی، در بالاتر از محدوده دمایی خاصی به صورت تصاعدی ذوب می‌گردند. بنابراین نسوزندگی یا دمای ذوب ایده آل توسط روش مخروط ذوب ارزیابی می‌شود. مخروط استاندارد معادل که به عنوان مخروط آزمایشی تا حد مشابهی ذوب می‌گردد، به عنوان مخروط پیرومتری معادل شناخته می‌شود.

نسوزندگی تحت بار: توانایی تحمل قرارگیری در معرض دماهای بالا بدون تغییر شکل محسوس بر حسب نسوزندگی اندازه گیری می‌شود. آزمایش نسوزندگی تحت بار، دمایی را مشخص می‌کند که در آن، آجرها در شرایط کاری مشابه فرو می‌ریزند.

خزش در دمای بالا: خزش یک ویژگی وابسته به زمان است و تغییر شکل در زمان معین و در دمای مشخص توسط یک ماده تحت تنش را نشان می‌دهد. مواد نسوز باید پایداری ابعادی خود را تحت دمای فوق العاده بالا (شامل چرخه حرارتی)، خوردگی دائمی توسط مذاب‌ها و گازهای بسیار داغ حفظ کند.

طبقه بندی نسوزها بر اساس روش ساخت

نسوزها به روش های زیر تهیه می‌شوند:

• پرس خشک
• ریخته‌گری ذوبی
• قالب سخت
• شکل دار
• بی شکل (مونولییتیک)

طبقه بندی نسوزها بر اساس شکل فیزیکی

نسوزها بر اساس شکل فیزیکی خود می‌توانند به انواع شکل دار(آجر) و بی شکل(مونولیتیک) دسته بندی شوند. نسوزهای شکل دار(آجر)، شکل ثابت و مشخصی دارند. آجرها خود به دو گروه اشکال استاندارد و اشکال ویژه تقسیم می‌شوند. اشکال استاندارد در ابعادی هستند که توسط اغلب تولید کنندگان نسوز برای کوره‌های مشابه و همنوع، مورد تایید هستند. اشکال ویژه به طور خاص برای کوره‌های مخصوص ساخته شده‌اند. نسوزهای بی‌شکل، شکل مشخصی ندارند و فقط در هنگام کاربرد، شکل داده می‌شوند. این نسوزها شام جرم‌های ریختنی، کوبیدنی، پاشیدنی و ملات ها هستند.

عوامل موثر در سایش نسوزها

• خوردگی شیمیایی
• هیدراته شدن
• نفوذ فولاد و سرباره
• اتمسفر دارای اکسیژن بسیار زیاد
• دی سلفوره شدن
• فرسایش مکانیکی
• سایش مکانیکی و ضربه
• تنش‌های ترمومکانیکی
• خستگی ترمومکانیکی
• عملیات پیش گرم نسوز
• شرایط جریان گاز
• تابش جرقه
• نرخ توان ورودی مجرا
• مهارت نگهداری نسوز
• زمان کاری
• دمای کاری
• طراحی نسوز مجرا
• تزریق CaSi

بررسی هزینه‌های نسوز

مواد، طراحی و نگهداری نسوز، بر بهبود و یا تضعیف بازده انرژی و نرخ ذوب موثر است. به علاوه، معمولاً بیشترین هزینه نگهداری یک کوره مربوط به هزینه نسوز آن است. مجموع هزینه‌های نسوز شامل مواد، نصب، انرژی و عمر کاری است. روش‌های مختلفی برای کاهش این هزینه‌ها به روش‌های مختلف توسط سازمان‌ها انجام شده است که کاهش هزینه مواد نسوز، کاهش زمان نصب، عایق کاری با بازدهی انرژی بالا، افزایش عمر کاری نسوز و همچنین تعمیر به جای آسترکاری کلی مجدد است.

برخی نسوزهای مهم برای پاتیل

• گروه منیزیا یا منیزیا-آهک
• دولومیت
• گروه منیزیا-کروم
• کاربید سیلیسم
• زیرکن (زیرکنیا)
• رس ها
• کائولن های بوکسیتی
• سیلیمانیت
• بوکسیت
• گروه کربن