علم مواد

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 17:11 | بازدید : 1324 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

شیشه سرامیک ها (Glass ceramic) محصولاتی هستند که از طریق فرآیند معمول ساخت شیشه که عبارت است از ذوب مواد اولیه و شکل دادن آن (از طریق پرس، دمش، نورد، ریخته گری و غیره) ساخته می شوند. هر چند در سال های اخیر از روش های دیگر ساخت شیشه مانند سل - ژل یا رسوب از بخار نیز برای ساخت شیشه سرامیک ها استفاده شده است. اما این روش ها هنوز تجاری نشده اند. پس از تهیه قطعه شیشه ای به صورت دلخواه، در مرحله بعدی این قطعه تحت عملیات حرارتی مناسبی قرار می گیرد تا به صورت جزئی یا کامل تبلور یافته و به محصول به اصطلاح شیشه سرامیکی تبدیل شود. این قطعات معمولا در حالت نهایی دارای فاز های بلوری به مقدار 50 تا 100 درصد بوده و بقیه را فاز شیشه ای تشکیل می دهد. در مرحله عملیات حرارتی با کنترل شرایط جوانه زنی و رشد بلور ها از طریق رسوب دادن فاز های بلوری مطلوب، خواص دلخواه در قطعه ایجاد می شود. مقدار و نوع فاز های بلوری و ریزساختار (ابعاد و شکل ذرات بلوری، طرز آرایش آن ها، مقدار تخلخل و غیره) تعیین کننده ویژگی های نهایی قطعه خواهد بود. این روش نسبت به روش ساخت محصولات معمولی سرامیکی دارای مزایایی به شرح زیر است:

1- فرآیند ساخت شیشه معمولا دارای امکان استفاده از اتوماسیون بیشتر، سرعت تولید بالاتر و ضایعات کمتر است. امکان برگشت ضایعات به خط تولید نیز در آن بیشتر از روش های دیگر بوده و در این روش کنترل ابعاد قطعات نیز (به علت ایجاد تغییر کمتر) بهتر صورت می گیرد.

2- کنترل ریز ساختار و در نتیجه خواص در این فرآیند (در مرحله عملیات حرارتی) بهتر می تواند انجام گیرد و دست یابی به اندازه ذرات بسیار ریز یا حذف کامل تخلخل به سهولت امکان پذیر است.

شیشه سرامیک، شیشه - سرامیک، glass ceramic، glass-ceramic

3- با کنترل ترکیب، نوع جوانه زا و عملیات حرارتی می توان مقدار و نوع فاز های به وجود آمده را با سهولت بیشتری کنترل کرد (به ویژه در مرحله کینتیکی رسوب فازها). در نتیجه امکان کنترل خواص نهایی بهتر فراهم می شود. با اینکه مدت نسبتا زیادی از کشف روش ساخت شیشه سرامیک ها از طریق تبلور شیشه توسط رئومور (Reaumur) در سال 1739 می گذرد، اما استفاده از فرآیند شیشه سرامیک به عنوان روشی صنعتی و تجارتی برای ساخت محصولات قابل عرضه به بازار تقریبا از 50 سال پیش معمول شده است.

کارخانه شیشه کورنینگ آمریکا نخستین بار محصولات شیشه سرامیک شوک پذیر را به صورت ظروفی که می توانست مستقیما روی شعله قرار گیرد به بازار عرضه نمود. از آن زمان تا کنون صنعت شیشه سرامیک همگام با شناخت بهتر، ژرف تر و دقیق تر از پدیده های جدایش فازی در شیشه و جزئیات فرآیند های جوانه زنی و رشد و بررسی ریزساختارهای این مواد گسترش بسیار زیادی یافته است. امروزه شیشه سرامیک ها کاربردهای بسیار متنوع و فراوانی یافته اند که محصولاتی مانند ظروف شوک پذیر آشپزخانه، کاشی ها و سنگ های ساختمانی، مقره های برقی، لوله ها و پوشش های مقاوم در برابر خوردگی، قطعات الکترونیکی – اپتیکی، صنایع هوا - فضا، دماغه موشک ها (Radoms)، آینه تلسکوپ ها، بایو سرامیک ها با کاربردهای پزشکی و بسیاری از فرآورده های دیگر را در بر می گیرد.

برای تولید شیشه سرامیک ها باید ابتدا مواد اولیه تهیه شده عملیات ذوب و شکل دهی انجام شود و سپس در طی عملیات حرارتی محصول نهایی بدست آید. در این مطلب به بررسی مواد اولیه، عملیات ذوب و شکل دهی پرداخته می شود و عملیات حرارتی شیشه سرامیک ها به صورت جداگانه بررسی خواهد.

مواد اولیه شیشه سرامیک

ویرایش

برای ساخت شیشه سرامیک ها معمولا از همان مواد اولیه ساخت شیشه استفاده می شود. خلوص مواد اولیه بستگی به نوع محصول دارد. در مورد قطعات دقیق با کاربرد های حساس الکترونیکی یا اپتیکی، مواد بسیار خالص به کار می رود در صورتی که برای محصولات معمولی تر (مانند مصالح ساختمانی) می توان از مواد با خلوص پایین تر استفاده نمود. علاوه بر مواد اولیه معمول در صنعت شیشه، از مواد اولیه طبیعی نیز استفاده می شود. مثلا برای وارد کردن Li₂O به ترکیب شیشه می توان از پتالایت یا اسپیدومن طبیعی استفاده نمود که اقتصادی تر است. در مورد برخی محصولات و به ویژه محصولاتی با کاربرد های ساختمانی از مواد زائد صنعتی مانند سرباره های متالورژیکی یا مواد طبیعی ارزان قیمت مانند بازالت، توف یا گرانیت استفاده می شود.

برای تهیه بچ (Batch) یا مخلوط مواد اولیه از همان اصول تهیه، دانه بندی و مخلوط کردن مواد اولیه شیشه استفاده می شود. ناهمگنی هایی که باعث افت خواص می شوند در داخل ماده تبلور یافته، نمود بیشتری دارد بنابراین لازم است که حین آماده سازی بچ به همگن بودن مخلوط توجه زیادی معطوف کرد. مخلوط مواد اولیه شیشه سرامیک ها غالبا دارای اجزای فرعی است که به مقدار اندکی به آن افزوده می شود. این اجزا باید با دقت بسیار توزین شوند. این موضوع به ویژه باید در مورد جوانه زا ها و اجزاء فرعی که ممکن است اثرات نامطلوبی بر خواص بگذارند (مثلا باعث اعوجاج و تغییر شکل در حین تبلور شوند) رعایت شود. به منظور توزیع یکنواخت این اجزاء فرعی در کل مخلوط اولیه می توان ابتدا این مواد را با یکی از مواد اولیه بچ مخلوط کرده آنگاه آن را به کل مواد اضافه نمود. به هنگام استفاده از مواد طبیعی یا ضایعاتی ممکن است به علت عدم یکنواختی ترکیب مشکلاتی بروز کند که در این مورد باید تدابیری اندیشید. به منظور انجام عمل تصفیه (حباب زدایی) می توان از تصفیه کننده های معمولی مانند اکسید آرسنیک As₂O₃ و اکسید آنتیموان Sb₂O₃، سولفات ها، فلوئورید ها و غیره بسته به نوع شیشه استفاده نمود.

ذوب شیشه سرامیک

ویرایش

برای ذوب مواد اولیه شیشه سرامیک ها می توان از انواع کوره های معمولی در صنعت شیشه استفاده نمود . مثلا کوره پاتیلی، تانک روزانه (Day Tank) یا کوره های ذوب پیوسته. سرعت واکنش های ذوب و دمای انتخابی بستگی به ترکیب شیشه، ساختار کوره و سیستم حرارت دهی آن دارد. در مورد سیستم های شیشه سرامیکی معمول مقدار Al₂O₃ و SiO₂ و نسبت آن ها از نظر دمای ذوب اهمیت زیادی دارد. اگر مجموع این دو اکسید زیاد باشد دمای ذوب افزایش می یابد. به طور مثال اگر در شیشه سرامیک های سیستم SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO-Na₂O مجموع Al₂O₃ و SiO₂ در ترکیب بین 62 تا 74 درصد وزنی باشد، معمولا دمای ذوب در حدود 1400 تا 1500 درجه سانتی گراد خواهد بود. دمای ذوب شیشه سرامیک های سیستم SiO₂-Al₂O₃-Li₂O عمدتا بستگی به مقدارLi₂O دارد. اگر مقدار این اکسید در حد معمول (3 الی 4 درصد وزنی) باشد، دمای ذوب حدود 1600 درجه سانتی گراد خواهد بود. سایر اجزای ترکیب، اکسیدهایی نظیرMgO، ZnO، CaO، B₂O₃، P₂O₅ و غیره هستند. اگر مجموع دو اکسید Al₂O₃ و SiO₂ بیشتر از 85 درصد وزنی باشد، آنگاه باید دمای ذوب حدود 1650 درجه سانتی گراد یا بالاتر باشد. حباب زدایی این شیشه ها نیز به علت گرانروی بالا مشکل خواهد بود.

شکل دادن شیشه سرامیک

ویرایش

به هنگام تولید مواد شیشه سرامیکی تمام شیوه های شکل دادن معمول در صنعت شیشه مانند ریخته گری، پرس کردن، دمیدن، کشیدن، نورد کردن و غیره می تواند مورد استفاده قرار گیرد. روش های نسبتا ساده مانند ریخته گری در قالب برای شکل دادن قطعات بزرگ مانند آینه های تلسکوپ یا اشکال اولیه (شمش) برای ساخت شیشه سرامیک های ماشین کاری شونده به کار می رود. ریخته گری گریز از مرکز به صورتی موفقیت آمیز برای شکل دادن قطعات مخروطی شکل مانند دماغه موشک ها به کار گرفته شده است. کشیدن از حالت مذاب برای شکل دادن لوله ها به کار رفته است. شیشه سرامیک های تخت معمولا با روش نورد شکل داده می شوند. پرس کردن یا دمیدن به صورت دستی یا خودکار به منظور تولید قطعاتی با کاربردهای صنعتی یا خانگی (عمدتا ظروف) به کار می رود. هر چند مواد شیشه سرامیکی دارای ترکیبات بسیار متنوعی هستند، هر روش شکل دادنی، بدون توجه به ترکیب شیشه، نیاز به گرانروی خاص و در نتیجه محدوده دمایی (کارپذیری) خاصی دارد. دمای کارپذیری (محدوده دمایی مناسب برای شکل دادن شیشه) باید بالاتر از دمای لیکوئیدوس شیشه باشد (80 الی 120 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای لیکوئیدوس مناسب ترین دما است). این به خاطر جلوگیری از تبلور ناخواسته در حین شکل دادن شیشه است که باعث خرابی محصول می گردد. حین تولد شیشه سرامیک ها این موضوع نسبت به صنعت شیشه اهمیت بیشتری دارد، زیرا در این نوع محصولات سرعت تبلور به علت بالاتر بودن سرعت رشد بلورها بسیار بیشتر از شیشه های معمولی است (گاه تا ده ها هزار بار بالاتر) در نتیجه برخی روش های شکل دادن نمی تواند برای شیشه های معین مورد استفاده قرار گیرد.

اصل مهم دیگری که باید در حین شکل دادن شیشه ها مورد توجه قرار گیرد این موضوع است که اگر شیشه قبلا به زیر دمای بحرانی جوانه زنی سرد شده باشد (یعنی به زیر دمایی که امکان انجام جوانه زنی حجمی با سرعتی قابل توجه وجود دارد) پس از آن هیچگاه نباید مجددا به محدوده ای که در آن امکان رشد بلورها وجود دارد گرم شود. سرد کردن شیشه به زیر دمای بحرانی جوانه زنی ممکن است منجر به تشکیل تعدادی جوانه شود که گرمایش بعدی باعث رشد آن ها و مقداری تبلور گردیده و ترک خوردن و شکست نمونه ها (در اثر تنش های داخلی) را به دنبال داشته باشد. البته تشکیل بلور در حین حرارت دادن مجدد بستگی به سرعت رشد بلور ها در بالای دمای بحرانی جوانه زنی دارد. اگر در بخش های مختلف قطعه ای تاریخچه های حرارتی متفاوتی وجود داشته باشد، این امر ممکن است باعث تبلور غیر یکنواخت در بخش های مختلف قطعه شده و اثری منفی بر خواص آن بگذارد. این شرایط نامطلوب ممکن است حین شکل دادن دستی یا پرس کردن شیشه، هنگامی که لایه ای از شیشه گرمتر بر شیشه ای که قبلا سرد شده، پیچیده یا فشرده می شود، رخ دهد. هنگام تماس بین شیشه گرم و قالب فلزی، سطح شیشه سریعا سرد می شود در حالیکه ناحیه مرکزی آن هنوز گرم است. از سوی دیگر هنگام خروج شیشه از قالب، لایه های داخلی آن، بخش های سطحی قطعه را گرم می کنند. توزیع دما در دیواره محصول پرس شده بستگی به زمان دارد و می توان آن را طبق دستورالعملCoenen تخمین زد. مطابق این دستورالعمل می توان دمای بهینه قالب را به هنگام پرس با توجه به دمای قطعه شیشه ای و ضخامت آن پیدا کرد. در صورتی که این دما به درستی انتخاب نشود ممکن است اشکالاتی مانند ترک خوردن سطحی یا تبلور داخلی در حین شکل دادن قطعه به وجود آید.

موضوعات مرتبط: سرامیک , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

برنز بریلیم (Beryllium Bronze)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 17:10 | بازدید : 1350 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

برنز بریلیم (Beryllium Bronze) یا آلیاژهای مس بریلیم (Copper Beryllium Alloys) دارای 0.6 تا 2% بریلیم همراه با 0.2 تا 2.5% کبالت می‌باشند. این آلیاژها قابلیت رسوب سختی دارند و می‌توانند تا استحکام 212 ksi عملیات گرمایی شوند، که این بیشترین استحکام در آلیاژهای مس تجاری است. جدول زیر ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و کاربرد های خاص آلیاژهای منتخب مس بریلیم را نشان می ‌دهد.

آلیاژهای مس بریلیم برای ابزارهایی که نیاز به سختی زیاد و خواص غیرجرقه‌ زنی دارند به‌ کار می‌ روند، مانند صنایع شیمیایی. مقاومت به خوردگی و خستگی همچنین استحکام این آلیاژها موجب شده که آن‌ها برای ساخت قطعاتی مثل فنر، چرخ‌ دنده، دیافراگم‌ ها و سوپاپ‌ ها مناسب باشند. همچنین در اتصالات برقی و نیز به ‌عنوان قالب برای شکل ‌دهی پلاستیک ‌ها به‌کار می‌ روند. اگرچه این آلیاژها تنها مقدار کمی بریلیم دارند ولی نسبتاً گران‌ هستند و بنابراین زمانی به‌کار می‌ روند که آلیاژ ارزان ‌تر دیگری برای آن منظور وجود نداشته باشد.

ترکیب شیمیایی ، خواص مکانیکی و کاربرد های خاص آلیاژهای مس بریلیم منتخب
نام و شماره	درصد ترکیب شیمیایی	شکل تجاری	استحکام کششی ksi	استحکام تسلیم ksi	درصد ازدیاد طول در 2 اینچ	درصد مقاومت به خوردگی	درجه قابلیتماشین کاری	مشخصات ساخت و کاربرد های خاص
مس بریلیم 170	98.1Cu,1.7Si,0.20Co	F , R	70-190	32-170	3-45	G-E	20	ویژگی های ساخت مشابه با آلیاژ 162، معمولاً به روش پولک زنی، شکل دادن، خمش، سوراخ کاری، حدیده کاری و تراشکاری ساخته می شود. کاربردها: دم، لوله عصا، دیافراگم ها، بست ها، واشر قفل، فنر، قطعات کلید برق، شیر ها، ابزار جوشکاری و گیره فیوز.
مس بریلیم 172	97.9Cu,1.9Be,0.20Co	F, R, W, T, P	68-212	25-195	1-48	G-E	20	مشابه با آلیاژ 170 به خصوص خاصیت غیر جرقه زنی
مس بریلیم 173	97.7Cu,1.9Be,0.40Pb	R	68-200	25-182	3-48	G-E	50	ترکیب جذب از قابلیت ماشین کاری و ویژگی های ساخت آلیاژ شماره 172
مس کبالت بریلیم 175	96.9Cu,2.5Co,0.6Be	F, R	45-115	25-110	5-48	G-E	-	ویژگی ساخت مشابه با آلیاژ 162 ، کاربردها: بست، فنر، قطعات کلید برق و تقویت کننده، هدایت کننده الکتریسیته، ابزار جوشکاری.
مس کروم(182, 184,185)	99.1Cu,0.9Cr	F, W, R, S, T	34-86	14-77	5-40	G-E	20	قابلیت کار سرد عالی، قابلیت کار گرم خوب. کاربردها: الکترودهای جوشکاری مقاومتی، دنده کلید برق، اتصالات کابل، محورهای و بازوهای انتقال جریان، قطعات قطع و وصل مدار، قالب ها، الکترود جوشکاری نقطه ای، رساناهای الکتریکی و گرمایی که نیاز به استحکام دارند، اتصالات کلید برق.
F: محصولات مسطح ، T: تیوب ، W: سیم و R: میله. G: خوب ، E: عالی

ریزساختار آلیاژ مس بریلیم

ویرایش

ترتیب کلی رسوب‌ گذاری در آلیاژ Cu-2%Be که با اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی مطالعه شده است، به صورت زیر می باشد:

مناطق GP در آلیاژ Cu-2%Be صفحات تک لایه ای می باشد که به طور هم سیما در صفحات {100} زمینه تشکیل می شوند. اندازه این مناطق بر حسب مدت و دمای پیر شدن تغییر می کند. مناطقی با قطر 10 تا 30 آنگستروم و ضخامت 2 تا 3 آنگستروم، پس از 100 ساعت پیرسازی در دمای 100 درجه سانتیگراد به دست آمده است و بعد از یک ساعت در دمای 198 درجه سانتیگراد، تا قطر 70 آنگستروم و ضخامت 1 تا 3 صفحه اتمی رشد می کنند. شکل روبرو نشان دهنده مناطق GP است که در آلیاژ Cu-2%Be بعد از پیرسازی به مدت یک ساعت در دمای 198 درجه سانتیگراد تشکیل شده است. پیر شدن بیشتر، فاز میانی َγ را به وجود می آورد که نیمه هم سیما است. این فاز وقتی که مناطق GP حضور دارند روی آن ها جوانه می زند. بالای خط حلالیت مناطق GP، که حدوداً 320 درجه سانتیگراد است، فاز َγ به صورت ناهمگن جوانه می زند. فاز َγ، که ساختار کریستالی B.C.T دارد، در شکل زیر نشان داده شده است. وقتی که َγ اول تشکیل می شود، َγ و مناطقGP هر دو وجود دارند. تشکیل فاز γَ همراه با نرم شدن آلیاژ به هنگام پیر شدن است.

با افزایش دمای پیر شدن تا 380 درجه سانتیگراد فاز منظم CuBe با ساختار BCC به وجود می آید. این فاز برای ایجاد ساختار یوتکتوییدی با دگرگونی فازی ناپیوسته مطابق شکل زیر رشد می کند. رسوب های ناپیوسته γ در دانه ها جوانه می زنند و به تدریج به داخل دانه ها گسترش می یابند به نحوی که پس از 16 ساعت در دمای 400 درجه سانتیگراد، ساختار کلی از نوع یوتکتویید می باشد. با افزایش مقدار فاز γ با فراپیری، کاهش سختی بیشتر می شود.

موضوعات مرتبط: آلیاژها , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

عملیات حرارتی شیشه سرامیک ها (Glass Ceramics Heat treatment)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 17:9 | بازدید : 1733 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

عملیات حرارتی شیشه سرامیک ها (Glass Ceramics Heat treatment) از اهمیت بالایی برخوردار است. زیرا هنگامی که قطعه شیشه ای به شیشه سرامیک تبدیل می شود علاوه بر دست یابی به خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب باید از ایجاد عیوبی نظیر اعوجاج، ترک خوردن و سایر اشکالات نیز جلوگیری شود. فرآیند تبلور را می توان با توجه به وابستگی سرعت های جوانه زنی و رشد به دما کنترل نمود. اگر منحنی های سرعت جوانه زنی و رشد تداخل نداشته باشند، در این صورت فرآیند تبلور را می توان کنترل نمود. در این موارد می توان عملیات حرارتی دو مرحله ای کلاسیک را برای شیشه سرامیک ها اعمال کرد.

شیشه سرامیک، شیشه-سرامیک،ریزساختار شیشه سرامیک، glass ceramic

عملیات حرارتی دو مرحله ای

ویرایش

در عملیات حرارتی دو مرحله ای ابتدا دمای مناسب جوانه زنی (بین دما های T₁ و T₂) انتخاب گردیده و قطعه برای مدت زمان معینی در آن دما حرارت داده می شود. پس از آن دمای قطعه افزایش داده شده (به دمای رشد T₃ و T₄) و مدتی نیز در آن دما نگه داشته می شود تا تبلور کامل شود. سپس به دمای اتاق سرد می شود. معمولا دوره های زمانی را که دمای قطعه در مراحل جوانه زنی یا رشد ثابت نگه داشته می شود (معمولا 0.5 تا 2 ساعت) با توجه به منحنی های سرعت های جوانه زنی و رشد و خواصی که از قطعه انتظار می رود، تعیین می نمایند.

نمودار شماتیک وابستگی سرعت جوانه زنی I و سرعت رشد U به دما

گرمایش محصول از دمای اتاق تا دمای جوانه زنی می تواند با سرعت زیاد انجام شود. (با سرعت 5 تا 20 درجه بر دقیقه) این سرعت بستگی به مقاومت قطعه در برابر تنش های حرارتی دارد که حین حرارت دادن در آن ایجاد می شود. سرعت افزایش دما بین مراحل جوانه زنی و رشد باید با توجه به تغییرات حجمی قطعه در حین تبلور و امکان تغییر شکل آن در اثر سیلان ناروان شیشه تعیین گردد. در صورت به کار بردن سرعت های بالا ممکن است قطعه در اثر ایجاد تنش های حرارتی حاصل از تغییرات حجمی (حین تبلور) ترک بخورد. با سرد کردن آهسته ممکن است این تنش ها از طریق سیلان ناروان شیشه جبران گردد. اگر سرعت رشد بلورها نسبتا کم باشد، در صورت گرمایش سریع در این مرحله ممکن است قطعه دچار تغییر شکل و اعوجاج شود. با افزایش دما، گرانروی شیشه کاهش می یابد و در صورتی که ایجاد فازهای بلوری با سرعتی همگام با این کاهش گرانروی افزایش نیابد (تا با ایجاد چهارچوب های بلوری باعث افزایش استحکام و ثبات ابعاد قطعه گردند) قطعه تغییر شکل پیدا می کند. پس از انجام عملیات حرارتی، سرعت سرد کردن قطعات تا دمای اتاق می تواند نسبتا زیاد باشد (مثلا حدود 10 درجه بر دقیقه یا بیشتر) این سرعت بستگی به ضریب انبساط حرارتی قطعات و ابعاد آن ها دارد. در صورتی که در خلال سردکردن قطعه امکان انجام تغییرات فازی (در مورد فازهای بلوری تشکیل شده) وجود داشته باشد، در تعیین برنامه سرمایش باید دقت بیشتری نمود. اگر تبلور بلافاصله پس از شکل دادن قطعات انجام شود (مثلا در تولید قطعات مسطح از طریق نورد پیوسته)، می توان تغییراتی در روش عملیات حرارتی دو مرحله ای داد. در این حال دمای قطعه شکل داده شده، به دمای اتاق کاهش داده نمی شود و روش A’ می تواند با موفقیت به کار رود.

عملیات حرارتی یک مرحله ای

ویرایش

در صورتی که منحنی های جوانه زنی و رشد در محدوده دمایی T₂-T₃ تا حدودی تداخل داشته باشند، می توان از عملیات حرارتی یک مرحله ای استفاده نمود. در این حال کنترل کمتری روی فرآیند تبلور می توان داشت. مثلا هنگامی که مقدار گرمای آزاد شده در حین تبلور (در صورت استفاده از عملیات حرارتی دو مرحله ای)، زیاد باشد، این امر ممکن است اثر نامطلوبی بر روند تبلور بگذارد. در این صورت با استفاده از عملیات حرارتی یک مرحله ای که در آن جونه زنی آهسته و رشد آهسته که همزمان با آن انجام می شود، اجازه و فرصت توزیع یکنواخت دما را در قطعه می دهند، نتیجه مطلوب تری حاصل می شود. روند عملیات حرارتی 'B نشان گر روشی است که در آن قطعه مستقیما از حالت مذاب (پس از شکل گیری) به دمای تبلور سرد شده و مدتی در آن نگهداری می شود. در این حالت قطعه در حین شکل دادن و سرد کردن، به منظور جلوگیری از تغییر شکل، باید با استفاده از تکیه گاه های مناسب نگهداری شود.

شیشه سرامیک، شیشه-سرامیک،ریزساختار شیشه سرامیک، glass ceramic

امکان استفاده از عملیات حرارتی یک مرحله ای حتی زمانی که تداخل در منحنی های جوانه زنی و رشد وجود نداشته باشد نیز امکان پذیر است. در این صورت سرعت جوانه زنی باید آنقدر زیاد باشد که حین سرد کردن مذاب یا حرارت دادن پیوسته به دمای تبلور (رشد) جوانه زنی کافی انجام شود. با استفاده از این روش می توان زمان تبلور را نسبت به روش دو مرحله ای به میزان زیادی کاهش داد.

عملیات حرارتی می تواند در کوره های صنعتی ناپیوسته یا پیوسته انجام گیرد. کوره های ناپیوسته از نظر اقتصادی چندان با صرفه نیستند. در نتیجه هنگامی که میزان تولید بیش از یک حد معین باشد استفاده از کوره های پیوسته مناسب تر و گاه حتی ضروری است. ساختار کوره های عملیات حرارتی شیشه سرامیک ها مشابه کوره های معمولی پخت سرامیک ها است و گاهی عملا از همان کوره های سرامیکی استفاده می شود. مثلا کوره های محفظه ای یا تونلی و انواع مختلف کوره های رولری مورد استفاده قرار می گیرد. از نقطه نظر تنظیم دما، کوره های الکتریکی ترجیح داده می شوند اما کوره های گاز سوز نیز غالبا به کار می روند. توزیع دما در کوره عملیات حرارتی باید کاملا یکنواخت باشد و اختلاف دمایی بیش از 5 درجه نسبت به دمای انتخابی مورد نظر مجاز نیست.

موضوعات مرتبط: سرامیک , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

برنز نیکل (Nickel Bronze)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 17:6 | بازدید : 1337 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

برنز نیکل (Nickel Bronze) نام دیگر آلیاژهای مس – نیکل است. نیکل برای تشکیل یک سری آلیاژ محلول جامد به مس اضافه می‌شود که تقریباً 10، 20 و 30% نیکل دارد و مفرغ نیکل نیز نامیده می‌شود. جدول زیر ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و کاربرد خاص برخی از این آلیاژها را نشان می‌دهد. افزایش نیکل، استحکام و مقاومت به خوردگی و اکسایش را افزایش می‌دهد. از آنجا که استحکام آلیاژهای مس- نیکل نسبتاً زیاد است و نسبت به خوردگی و سایش ناشی از آب پرفشار دریا مقاوم‌ هستند، لذا در تولید مبرد های دریایی و لوله‌ های انتقال آب دریا به‌ کار می‌روند. چون آلیاژهای مس- نیکل به سرعت کار سخت نمی ‌شوند، در لوله‌ ها و صفحات مبرد، مبدل‌ های حرارتی و طیف گسترده ‌ای از تجهیزات فرآیند های شیمیایی به‌ کار می‌ روند.

ترکیب شیمیایی ، خواص مکانیکی و کاربرد های خاص آلیاژهای مس نیکل منتخب
نام و شماره	درصد ترکیب شیمیایی	شکل تجاری	استحکام کششی ksi	استحکام تسلیم ksi	درصد ازدیاد طول در 2 اینچ	درصد مقاومت به خوردگی	درجه قابلیتماشین کاری	مشخصات ساخت و کاربرد های خاص
706 مس-نیکل 10%	88.7Cu,1.3Fe,10.0Ni	F, T	44-60	16-57	10-42	E	20	قابلیت کار گرم و سرد خوب، ساخت به روش شکل دادن، خمش و جوشکاری. کاربردها: صفحات مبرد، لوله های تقطیر، لوله های مبدل گرما و بخار، لوله های آب شور، بست فلزی.
710 مس-نیکل 20%	79.0Cu,21.0Ni	F, W, T	49-95	13-85	3-40	E	20	قابلیت کار سرد و گرم، ساخت به روش پولک زنی، شکل دادن، خمش و جوشکاری. کلربردها: مبردهاا، تقویت کننده های ارتباطی، فنرهای الکتریکی، لوله های مبدل گرما و بخار، بست فلزی، مقاومت ها
715 مس-نیکل 30%	70.0Cu,30.0Ni	F, R, T	54-75	20-70	15-45	E	20	مشابه با آلیاژ مس 706
717	67.8Cu,0.7Fe,31.0Ni,0.5Be	F, R, W	70-200	30-180	4-40	G-E	20	قابلیت کاریرد و گرم خوب کاربردها: قطعات سازه ای استحکام بالا برای مقاومت به خوردگی در مقابل آب و دما، کابل های زمینی، فنرها، حلقه های نگهدارنده، مهر، پیچ، پین.
725	88.2Cu,9.5Ni,2.3Sn	F, R, W, T	55-120	22-108	1-35	E	20	قابلیت کار سرد و گرم عالی. ساخت به روش پولک زنی، لحیم کاری، سکه زنی، کشش، خمش، کله زنی، فشردن و سردکاری. کاربردها: فنرهای تقویت کننده، اتصال ها، آلیاژ لحیم، چارچوب، فانوس های کنترل دار حساس.
F: محصولات مسطح ، T: تیوب ، W: سیم و R: میله. G: خوب ، E: عالی

ویژگی های برنز نیکل

ویرایش

ریزساختار

ریزساختار آلیاژهای مس و نیکل شامل محلول جامد α است. به‌ عنوان مثال دانه‌های فاز α که تبلور مجدد یافته ‌اند، در آلیاژ %70Cu-%30Ni مطابق شکل روبرو نشان داده شده است.

خواص مکانیکی و الکتریکی

خواص مکانیکی آلیاژهای مس- نیکل در جدول بالا ارائه شده است. نیکل و مس هر دو ساختار FCC دارند، بنابراین آلیاژهای Cu-Ni در تمام محدوده ترکیباتشان شکل‌پذیر هستند. با افزایش نیکل، استحکام مس با مکانیزم استحکام‌ دهی محلول جامد افزایش می‌یابد در حالی که شکل‌ پذیری در حد مطلوبی باقی می‌ ماند.

نیکل شدیداً مقاومت الکتریکی مس را افزایش می‌دهد. مقاومت الکتریکی آلیاژ %55Cu-%45Ni بسیار زیاد است اما ضریب تغییرات نسبت به دما خیلی کم است. یعنی مقاومت الکتریکی تغییرات کمی برحسب دما دارد. بنابراین این آلیاژ برای مقاومت ‌های سیم‌ پیچی ‌شده در ابزارآلات الکتریکی مفید می باشد. در جدول زیر برخی از خواص فیزیکی، مکانیکی و الکتریکی آلیاژهای مس نیکل آورده شده است.

واحد	مقدار حداکثر	مقدار حداقل	خواص
Mg/m³	8.95	8.5	چگالی	Density
MJ/kg	180	140	محتوی انرژی	Energy Content
MPa	550	85	استحکام فشاری	Compressive Strength
%	0.44	0.03	انعطاف پذیری	Ductility
MPa	550	85	حد الاستیک	Elastic Limit
MPa	240	138	حد تحمل	Endurance Limit
MPa.m^0.5	79	26	چقرمگی	Fracture Toughness
-	0.35	0.34	ضریب پوآسون	Poisson s Ratio
GPa	58	45	مدول برشی	Shear Modulus
MPa	624	267	استحکام تسلیم	Tensile Strenght
GPa	156	120	مدول یانگ	Young s Modulus
KJ/kg	240	220	گرمای نهان ذوب	Latent Heat of Fusion
K	480	425	حداکثر دمای کاری	Maximum Service Temperature
K	1508	1384	نقطه ذوب	Melting Point
J/kg.K	386	384	گرمای ویژه	Specific Heat
W/m.K	66	19	رسانش گرمایی	Thermal Conductivity
K10^-6/K	17	16	ضریب انبساط حرارتی	Thermal Expansion
10^-8ohm.m	36.3	11.7	مقاومت ویژه	Resistivity

موضوعات مرتبط: آلیاژها , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

کانی های رسی (Clay Minerals)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:58 | بازدید : 1792 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

کانی های رسی (Clay Minerals) مهم ترین، پر مصرف ترین و قدیمی ترین مواد اولیه در صنعت سرامیک هستند. اگر چه امروزه در تولید بعضی از فرآورده های خاص سرامیک، از رس استفاده نمی شود، ولی در حقیقت صنعت سرامیک نه تنها نام خود، بلکه حیات خود را مدیون رس است. به طور کلی، مواد اولیه سرامیک را می توان بر حسب نقش آن ها در بدنه ها به سه دسته تقسیم نمود که رس ها در دسته مواد پلاستیک قرار می گیرند:

1- مواد پلاستیک

2- پر کننده ها (فیلرها - fillers)

3- کمک ذوب ها یا گدازآور ها (فلاکس ها – Fluxes)

چگونگی تشکیل کانی های رسی

ویرایش

به طور کلی کانی های رسی از تجزیه و هوازدگی سنگ های آذرین مثل گرانیت، گنیس، فلدسپات، پگماتیت و غیره به وجود آمده اند. گرانیت به عنوان مثال از سه کانی میکا6SiO₂.3Al₂O₃.K₂O.2H₂O ، کوارتز (SiO₂) و فلدسپات 6SiO₂.Al₂O₃.K₂O با نسبت های تقریبا برابر تشکیل شده است. در بین این سه نوع کانی، فلدسپات در برابر آب و هوازدگی از همه ضعیف تر و ناپایدارتر است. به این ترتیب فلدسپات موجود در گرانیت چنانچه در برابر آب و هوا قرار گیرد، در دراز مدت تخریب و باعث تشکیل کانی های رسی می شود. این عمل اصطلاحا به کائولینیزه شدن (Kaolinisation) مشهور است. در نتیجه این عمل قلیایی های موجود در فلدسپات تبدیل به نمک های محلول شده و از محیط خارج می شوند. معادلات شیمیایی زیر به صورت کاملا ساده و کلی این فرآیند را نشان می دهند:

هیدرولیز
سیلیس زدایی
سیلیس زدایی
آب گیری

و یا به طور خلاصه:

چنانچه عمل تجزیه هم چنان ادامه یابد، دیاسپور و ژیپسیت (گیبسیت) به وجود خواهند آمد:

	دیاسپور
سیلیس زدایی
	ژیپسیت
آب گیری

معادلات فوق تصویر کلی و ساده ای برای بیان کائولینیزه شدن فلدسپات هستند. در واقع هوازدگی فلدسپات که در اثر آب، باد، یخچال ها و حرکات زمین به همراه اثرات شیمیایی آب، دی اکسید کربن، اسیدهای هیومیک و در بعضی موارد گازهای گوگرد دار و فلوئور دار صورت می پذیرد بسیار پیچیده تر از موارد مذکور است. بنابراین کانی های رسی از نظر شیمیایی سیلیکات های آلومین آبدار هستند. بلور های این کانی ها به طور کلی به شکل شش وجهی های پهن و نازک هستند. همانطور که در تصویر مشخص است، اندازه این بلورها در جهات a و b در مقایسه با جهت c بسیار بزرگتر است.

بلور 6 وجهی کائولینیت، kaolinite crystal

هر یک از بلورهای شش وجهی در حقیقت خود از هزاران ورقه نازک کانی های رسی تشکیل شده اند. به عبارت دیگر این ورقه ها روی هم قرار گرفته و بدین وسیله بلورهای کانی های رسی را به وجود آورده اند، ولی با این همه اندازه بلور ها در نهایت بسیار کوچک است، به نحوی که بلور های کانی های رسی در ردیف ذرات کلوئیدی (0.001-1 میکرون) قرار می گیرند. اندازه بسیار کوچک و شکل پهن و نازک این بلورها عامل مهمی در بسیاری از خواص اصلی کانی های رسی است.

دسته بندی کانی های رسی

ویرایش

دسته بندی کانی های رسی در طول سالیان دراز مورد بحث متخصصین بوده و اگر چه در سال های اخیر توافق هایی کسب شده ولی هنوز نیز اختلافاتی در این مورد وجود دارد. جدول زیر یکی از رایج ترین تقسیم بندی های کانی های رسی را نشان می دهد. در این تقسیم بندی ابتدا کانی های رسی به دو دسته آمورف و متبلور تقسیم شده و در وهله دوم گروه کانی های رسی متبلور، با توجه به ساختمان آن ها (لایه ای یا زنجیری) و نیز تعداد لایه ها به چهار دسته دیگر تقسیم شده اند. در مرحله سوم کانی های هر گروه با توجه به رفتارشان هنگام اختلاط با آب به دو گروه منبسط شونده و غیر قابل انبساط تجزیه و نهایتا نیز نحوه انبساط گروه های قابل انبساط به عنوان معیار تقسیم بندی مورد توجه قرار گرفته اند.

بنابراین به طور خلاصه با توجه به جدول مذکور ، کانی های رسی به هشت گروه مستقیم تقسیم می گردند که عبارتند از: گروه های آلوفان، کائولینیت، هالویزیت، مونت موریلونیت و یا اسمکتیت، ورمیکولیت، ایلیت، کلریت و رس های زنجیری (آتاپولژیت، سپیبولیت و پالیگورسکیت). در صنعت سرامیک از بین گروه های مذکور گروه های کائولینیت، اسمکتیت و ایلیت بیشر از دیگر گروه ها مورد توجه هستند.

بی شکل	گروه آلوفان
متبلور	ساختمان دو لایه ای (هر یک از ورقه های این کانی ها از وجهی آلومین تشکیل شده اند)	کانی هایی که دارای انبساط یکسان در جهات مختلف می باشند. مانند گروه کائولینیت: کائولینیت، ناکریت و ...
		کانی هایی که در اثر انبساط، طول آن ها افزایش می یابد. مانند گروه هالویزیت
	ساختمان سه لایه ای (هر یک از ورقه های این کانی ها از دو لایه چهار وجهی سیلیس و یک لایه هشت وجهی آلومین تشکیل شده است.	دارای شبکه منبسط شونده	کانی هایی که دارای انبساط یکسان در جهات مختلف هستند. مانند گروه مونت موریلونیت: مونت موریلونیت، ساکونیت و غیره ورمیکولیت
			کانی هایی که در اثر انبساط، طول آن ها افزایش می یابد. مانند گروه مونت موریلونیت: نونترونیت، ساپونیت، هکتوریت.
		دارای شبکه غیر قابل انبساط	ایلیت
	کانی هایی با ساختمان متشکل از لایه های مختلط منظم	گروه کلریت
	ساختمان زنجیری: زنجیره هایی مشابه زنجیره های هورنبلند، متشکل از چهاروجهی های سیلیس، که به وسیله گروه های هشت وجهی اکسیژن و هیدروکسیل که دارای اتم های Al و Mg نیز هستند، به یکدیگر متصل شده اند.	آتاپولژیت، سپیولیت، پالیگورسکیت

آلوفان ((allophane یک اسم عام برای ژله های بی شکل (آمورف) آلومینو سیلیکات است و شامل یکی از چند گروه مواد بی شکل متداول در خاک می شود. ترکیب شیمیایی آلوفان تا حد زیادی متغیر است، اما بیشتر شامل Al₂O₃، SiO₂ و Fe₂O₃ هیدراته است. معمولا مقادیر جزئی از Na⁺، K⁺ وMg²⁺ نیز در آن وجود دارند. نسبتAl₂O₃/SiO₂ در آلوفان اغلب بین 1 و 2 است. رس ها به شکل چند کانی و تک کانی دیده می شوند. واژه چند کانی در مورد رس هایی به کار می رود که هیچ کدام از کانی های رسی آن ها از 50 درصد تجاوز نکند. اگر یکی از ترکیبات کانی های رسی بیش از 50 درصد باشد، رس را تک کانیایی می نامند و معمولا آن را به نام همین کانی نیز نامگذاری می کنند. یکی از انواع رس های تک کانیایی (monomineralic)، کائولین است که بیش از 50 درصد از ترکیب آن را کانی کائولینیت تشکیل می دهد. اغلب سایر کانی های رسی مانند ناکریت، دیکیت، هالوزیت که از نظر ترکیب شیمیایی به کائولینیت نزدیک هستند، در آن یافت می شوند. رس هایی که 70 درصد آن ها از کانی های گروه مونت موریلونیت تشکیل شده باشد، معمولا بنتونیت نامیده می شوند.

بعضی از رس ها در اثر حرارت، دارای سختی، نفوذ ناپذیری و رنگ های زیبا می شوند که آنها را برای صنعت سرامیک ارزشمند می نماید. رس ها معمولا دارای رنگ سفید هستند، ولی وجود ناخالصی ها در آن ها باعث تغییر رنگ می شود، مثلا لیمونیت (FeOOH.aq) رس ها را به رنگ زرد متمایل به قهوه ای، هماتیت آن ها را به رنگ قرمز تیره، کلریت رس ها را به رنگ سبز، اکسید های گوناگون منگنز آن ها را به رنگ قهوه ای و مواد آلی رس ها را به رنگ سیاه در می آورند. مواد آلی به دو صورت در رس ها وجود دارند:

1- به شکل ذرات ریز ذغالی یا لجن نیمه ذغالسنگی که باعث ایجاد رنگ خاکستری در رس ها می شود. وجود اینگونه ناخالصی ها در رس ها، سبب ایجاد تخلخل زیاد و پایین آمدن کیفیت فنی و فیزیکی فرآورده های رسی خواهد شد.

2- به شکل ترکیبات کربنی و یا باکتری که به صورت دانه های بسیار ریز و نرم در رس ها پراکنده می باشد.

موضوعات مرتبط: کانی های , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

سیلیس در بدنه های سرامیکی (Silica in ceramic bodies)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:42 | بازدید : 1501 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

در صنعت سرامیک تبدیل اشکال سیلیس در بدنه های سرامیکی (Silica in ceramic bodies) به دلیل تغییر حجم ناگهانی و سریعی که ایجاد می کند بسیار خطر ناک به شمار آمده و می توانند باعث ایجاد ترک و شکست در فرآورده ها گردند. به طور عملی در هنگام پخت بدنه های حاوی سیلیس، تبدیلات کوارتز α و β در 573 درجه سانتی گراد می توانند باعث ایجاد ترک و شکست در فرآورده ها شوند. این عمل در هنگام پخت بیسکوئیت به وقوع می پیوندد. از طرف دیگر در هنگام سرد شدن این بدنه ها، تبدیلات کریستوبالیت α و β در 226 درجه سانتی گراد نیز می توانند به وسیله ایجاد تغییر حجم باعث وقوع ترک و شکست شوند.

تبدیلات اشکال سیلیس همیشه عوامل مسئله سازی نبوده و در صنعت سرامیک در بسیار موارد به نحو جالبی از آن ها استفاده می شود. یکی از این کاربردها در خرد کردن فلینت ها است. هنگام حرارت دادن فلینت، کوارتز α و β به یکدیگر تبدیل شده و در نتیجه تنش های حاصل از این عمل فلینت خرد می شود.

سیلیس هایی که از منابع مختلف تامین می شوند، به علت وجود تفاوت ناخالصی های موجود در آن ها، رفتار متفاوت از خود بروز می دهند. این ناخاصی ها به پایین آمدن نقطه ذوب سیلیس کمک می کنند و از طرفی می توانند سبب ایجاد رنگ در آن ها شوند. افزودن سیلیس به بدنه سرامیکی باعث سخت تر و محکم تر شدن آن می شود. سیلیس بافت مطلوب تری را در بدنه ایجاد می کند و خاصیت دیرگدازی و نسوزندگی بیشتر به آن می بخشد.

دانتینگ

ویرایش

دانتینگ (Dunting) عبارت است از ترک فرآورده ها (بدنه) که معمولا در هنگام پخت به وقوع می پیوندد و ناشی از تبدیل اشکال کوارتز و یا کریستوبالیت است. دانتینگ در بدنه هایی ایجاد می شود که استحکام کافی نداشته و قدرت تحمل تنش های حاصل از تبدیلات مذکور را ندارند. به طور کلی ترک ها و شکست های حاصل از دانتینگ شکل خاصی دارند. یک سرامیست با تجربه می تواند با توجه به شکل خاص این ترک ها، دانتینگ را در محصول تشخیص دهد. نوع خاصی از شکست های دانتینگ وجود دارد که معمولا پس از گذشت مدتی، به عنوان مثال حدود چند هفته پس از این که فرآورده از کوره خارج شده است باعث شکست کامل قطعه شده و با مسئله انبساط رطوبتی و ترک های مویی حاصل از آن در سطح لعاب کاملا تفاوت دارد.

در عمل برای مقابله با دانتینگ، بر حسب اینکه دانتینگ چگونه و در چه مراحله ای از روند تولید صورت پذیرفته است و نیز با توجه به امکانات موجود، راه حل های متفاوتی می تواند ارائه شود. ولی به طور کلی پیشنهاد می شود که در این موارد مقدار سیلیس و سرعت افزایش درجه حرارت، به خصوص در حدود درجه حرارت های تبدیلات کاهش داده شده و یا در صورت امکان مقدار فلاکس و درجه حرارت پخت اول (بیسکویت) افزایش داده شود. اقدام اخیر باعث افزایش استحکام و در نتیجه مقاومت بیشتر بدنه در برابر تنش های حاصل از تبدیل اشکال سیلیس می شود.

جلوگیری از ترک لعاب

ویرایش

از تبدیلات اشکال سیلیس جهت جلوگیری از ترک خوردن سطح لعاب به خصوص در ارتن ور ها استفاده می شود. به طور کلی برای جلوگیری از ترک لعاب همواره سعی می شود که لعاب تا حدی به وسیله بدنه تحت فشار قرار گیرد. شکل زیر انقباض بدنه و لعاب را در یک نمونه ارتن ور در هنگام سرد شدن نشان می دهد. هم چنان که مشاهده می شود مقدار انقباض لعاب (خط چین) بیشتر از مقدار انقباض بدنه است. بنابراین در این حالت امکان بروز ترک در سطح لعاب ارتن ور وجود دارد. حال اگر فرض شود که به نحوی در بدنه مقداری کریستوبالیت ایجاد و یا اضافه شده است، کریستوبالیت موجود در 226 درجه سانتی گراد از شکل β به شکل α تبدیل شده و در نتیجه بدنه منقبض شده و لعاب را تحت فشار قرار می دهد. به این ترتیب از ترک خوردن لعاب جلوگیری به عمل آمده است. این پدیده به فشار کریستوبالیت یا Cristobalite Squeeze مشهور است.

معمولا کریستوبالیت در بدنه ارتن ور به وسیله مصرف فلینت ایجاد می شود. فلینت دارای ذرات بسیار کوارتز است و ذرات ریزتر کوارتز آمادگی بسیار بیشتری برای تبدیل به فاز کریستوبالیت دارند. از طرف دیگر ناخالصی کلسیم در فلینت به صورت کاتالیزور عمل نموده و این تبدیلات را تسریع می کند. بنابراین به طور خلاصه این دو عامل یعنی ذرات ریزتر کوارتز و وجود ناخالصی های کلسیم در فلینت باعث می شوند که ذرات کوارتز موجود در فلینت ها تمایل بسیار بیشتری را جهت تبدیل به کریستوبالیت از خود نشان دهند. به همین دلایل برای ایجاد کریستوبالیت در بدنه ارتن ور ها، سیلیس آزاد موجود در فرمول بدنه، از فلینت تامین می شود. در بعضی موارد نیز کریستوبالیت به صورت مصنوعی و به عنوان یکی از مواد اولیه به بدنه ارتن ور اضافه می شوند. باید توجه داشت که در بعضی از بدنه های متراکم، مثل بدنه های استون ور دقیقا عکس این عمل رخ می دهد. یعنی معمولا نه تنها از فلینت استفاده نشده بلکه سعی می شود که حتی المقدور از مصرف آن اجتناب شده و سیلیس آزاد موجود در فرمول بدنه از کوارتز صخره ای و یا ماسه سنگ و غیره تامین شود. این عمل به این دلیل انجام می شود که بدنه های استون ور دارای مقاومت بسیار کمتر و شکنندگی بیشتری هستند، بنابراین نمی توانند در برابر فشار کریستوبالیت مقاومت کنند و به طور خلاصه فشار کریستوبالیت در این بدنه ها نه تنها مفید نبوده بلکه عامل ایجاد دانتینگ خواهد بود. ضمنا باید اشاره شود که تبدیلات کوارتز α و β نمی توانند در اعمال تنش بین بدنه و لعاب موثر باشند. چرا که در درجه حرارت وقوع این تبدیل یعنی 573 درجه سانتی گراد عملا لعاب هنوز دارای خاصیت پلاستیک است و بنابراین به راحتی می تواند خود را با تغییرات بدنه انطباق دهد. در بدنه های ارتن ور فشار کریستوبالیت می تواند از بروز ترک های مویی لعاب ناشی از انبساط رطوبتی نیز جلوگیری کند. چرا که این عمل باعث ایجاد تنش فشاری در لعاب شده و چنانچه بدنه ها پس از مدتی در اثر جذب رطوبت منبسط شود، فقط مقدار تنش فشاری اعمال شده بر لعاب کاهش می یابد.

اثر فشار کریستوبالیت در جلوگیری از وقوع ترک در بدنه های ارتن ور

موضوعات مرتبط: سیلیسSiO2 , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

فازها و اشکال سیلیس (Silica Phases & Forms)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:42 | بازدید : 2171 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

جهت بررسی فازها و اشکال سیلیس (Silica Phases & Forms) یا پلی مورف های سیلیکا (Silica polymorphs) باید ابتدا به بررسی ساختمان آن پرداخت. چهار وجهی های SiO₂ می توانند از طریق چهار راس خود به یکدیگر متصل شده و به این ترتیب بار منفی یکدیگر را به طور کامل خنثی کنند. بدیهی است که در این صورت هر اتم اکسیژن به دو چهار وجهی مجاور تعلق داشته و در نتیجه هر چهار وجهی دارای یک اتم سیلیسم و چهار نیمه اتم اکسیژن خواهد بود. به همین دلیل فرمول سیلیس به صورت SiO₂ نمایش داده می شود. سیلیس آزاد بلورین به چند شکل یا پلی مورف در طبیعت یافت می شود که مهم ترین آن ها عبارتند از: کوارتز (Quartz) تریدیمیت (Tridymite) و کریستوبالیت (Cristobalite). هنگامی که دو چهار وجهی سیلیس به وسیله اتم مشترک راس خود به یکدیگر متصل می شوند، قاعده مثلثی شکل چهار وجهی پایینی و قاعده مثلثی شکل چهاروجهی بالایی نسبت به هم می توانند سه وضعیت مختلف داشته باشند.

در تریدیمیت این دو قاعده کاملا بر یکدیگر منطبق هستند در حالی که انطباق قاعده ها در کوارتز و کریستوبالیت دیده نمی شود. در کریستوبالیت یکی از قاعده ها نسبت به قاعده دیگر 60 درجه گردش نموده است. به طور کلی در تریدیمیت و کریستوبالیت اتصال چهار وجهی های مجاور به شکل مستقیم بوده و این اتصال ها حلقه هایی را متشکل از شش اتم سیلیسیم (به همراه اکسیژن های مربوطه) به وجود می آورند. در کوارتز اتصال چهار وجهی های مجاور مستقیم نبوده و به شکل مارپیچ است. به همین دلیل کوارتز دارای بیشترین تراکم در بین فاز های سیلیس است.وزن مخصوص کوارتز 3.65، تریدیمیت 2.28 و کریستوبالیت 2.32 است. شیشه سیلیسی و یا شیشه کوارتز فاز دیگر سیلیس آزاد است. به طور کلی سیلیس آزاد دارای فاز های کوارتز، تریدیمیت، کریستوبالیت و شیشه سیلیسی است.

وضعیت چهاروجهی ها نسبت به یکدیگر در کوارتز تریدیمیت و کریستوبالیت

هر یک از فاز ها یا شکل های اصلی سیلیس خود دارای اشکال فرعی دیگری (Forms) هستند. اشکال فرعی هر فاز بر حسب درجه حرارت خود معمولا به ترتیب با حروف α و β مشخص می شوند. فاز کوارتز دارای دو شکل فرعی α و β، فاز تریدیمیت دارای سه شکل β ،α و β₂ فاز کریستوبالیت دارای دو شکل فرعی α و β هستند. تفاوت بین اشکال مختلف فاز های سیلیس در زاویه پیوند سیلیسِم و اکسیژن است. به طور کلی در سیلیس، اشکال متعلق به درجه حرارت های پایین تر نظم کمتری دارند.

تحولات فازی سیلیس

ویرایش

کوارتز، تریدیمیت، کریستوبالیت و سیلیس مایع چهار فاز پایدار سیلیس در شرایط تعادل هستند. کوارتز فاز پایدار در شرایط معمولی محیط است. فاز کوارتز تا درجه حرارت 870 درجه سانتی گراد هم چنان به صورت پایدار باقی مانده و سپس طبق منحنی تعادلی به تریدیمیت تبدیل می شود. تریدیمیت نیز به صورت پایدار بین درجه حرارت های 870 تا 1470 درجه سانتی گراد وجود داشته و پس از آن کریستوبالیت در درجه حرارت 1470 به وجود می آید و در نهایت کریستوبالیت در 1713 درجه سانتی گراد ذوب شده و فاز سیلیس مایع ایجاد می شود.

تبدیلات مذکور در عمل و به خصوص در مقیاس تولید صنعتی به همان سادگی که دیاگرام فازی نشان می دهد به وقوع نمی پیوندد. تبدیل فاز های سیلیس در عمل بسیار به کندی صورت پذیرفته و اغلب مدت زمان بسیار زیادی را لازم دارند تا به تعادل برسند. زیرا این عمل مستلزم شکسته شدن پیوند چهار وجهی ها و اتصال مجدد آن ها به شکل جدید است. به عنوان مثال تبدیل کوارتز به تریدیمیت آنقدر آرام و کند است که عملا بدون استفاده از کاتالیزور ها امکان پذیر نیست.برای ایجاد فاز تریدیمیت، ابتدا باید کوارتز تا درجه حرارت تشکیل کریستوبالیت یعنی بالاتر از 1470 و پایین تر از 1713 درجه سانتی گراد سرد شود تا فاز تریدیمیت ایجاد شود. به همین دلیل در فرآورده های سرامیک فاز تریدیمیت کمیاب بوده و معمولا به اندازه فاز های کوارتز، کریستوبالیت و سیلیس مذاب مورد توجه نیست. در بین محصولات سرامیک فاز تریدیمیت در بعضی از آجر های نسوز به طور عمده وجود دارد.در هنگام سرد شدن، تبدیل فازها باز هم مشکل تر شده و به طور عملی در مقیاس صنعتی تقریبا امکان ناپذیر است. در این شرایط عملا فاز های سیلیس مطابق منحنی تعادلی رفتار نکرده و در حالت غیر تعادلی فاز های نیمه پایدار یا metastable ظاهر می شوند.

دیاگرام فازی سیلیس$تعداد پلی مورف های سیلیس$دیاگرام فازی SiO2

فازهای پایدار و نیمه پایدار سیلیس$stable and meta stable phases of sio2

شکل روبرو ضمن مشخص کردن فازهای پایدار سیلیس، فازهای نیمه پایدار را نیز نشان می دهد. در این سیستم پایدارترین فاز ها در یک درجه حرارت مشخص، فازهایی هستند که دارای پایین ترین فشار بخار هستند. این فازهای پایدار در شکل 27 با خطوط سیاه نشان داده شده و فازهای نیمه پایدار که دارای پایین ترین فشار بخار نیستند با خطوط نارنجی مشخص شده اند. همچنان که در این شکل مشخص است عملا در هنگام سرد شدن، فاز سیلیس مایع به کریستوبالیت تبدیل نشده بلکه شیشه سیلیسی را به وجود می آورد، به همین ترتیب هنگامی که فاز پایدار کریستوبالیت β تا درجه حرارتی کمتر از 1470 درجه سانتی گراد سرد می شود به تریدیمیت تبدیل نشده و در درجه حرارت اتاق فاز نیمه پایدار کریستوبالیت α وجود خواهد داشت. تریدیمیت نیز حین سرد شدن رفتاری مشابه کریستوبالیت را نشان می دهد، در هنگام سرد شدن، تریدیمیت β₂ به فاز کوارتز تبدیل تبدیل نشده بلکه ابتدا فاز نیمه پایدار تریدیمیت β و سپس فاز نیمه پایدار تریدیمیت را در درجه حرارت اتاق به وجود می آورد.

کلمه conversion در زبان انگلیسی به معنی تبدیلات یک طرفه و غیر قابل برگشت است. این کلمه برای بیان تبدیل فاز های سیلیس به کار می رود. دلیل استفاده از این کلمه برای بیان تبدیلات فاز های سیلیس تقریبا مشخص است. به طور خلاصه این کلمه به این دلیل در این مورد استفاده می شود که تبدیل فاز های سیلیس بسیار کند بوده و در شرایط معمولی به سادگی قابل برگشت نیستند و بنابراین در هنگام برگشت، فاز های پایداری را به وجود نمی آورند.

به عنوان مثال فاز های کریستوبالیت و یا تریدیمیت تحت فشار سرد شوند، مانند نمودار تعادلی سیلیس عمل نموده و فاز تریدیمیت به کوارتز و فاز کریستوبالیت ابتدا به تریدیمیت و سپس به کوارتز تبدیل می شوند. به همین دلیل نیز در طبیعت سیلیس معمولا به شکل کواتز یافت شده و به ندرت فاز های تریدیمیت و کریستوبالیت را می توان به طور طبیعی یافت، چرا که این فاز ها در طبیعت تحت فشار سرد می شوند.

نباید تصور کرد که فاز های نیمه پایدار سیلیس فقط در هنگام سرد شدن به وجود می آیند. در هنگام گرم شدن، چنانچه زمان لازم برای تبدیلات به آن ها داده نشود باز هم فاز های نیمه پایدار ایجاد می شوند. به عنوان مثال هنگامی که کوارتز سریعا گرم شود این فاز در درجه حرارتی بسیار کم تر از آن چیزی که منحنی تعادلی نشان می دهد یعنی در حرارتی حدود 1460 ذوب می شود.

نکات مهم در بررسی تحولات فازی سیلیس

ویرایش

باید در هنگام بررسی تحولات فازی سیلیس به نکات زیر توجه کرد:

1- دانه بندی و اندازه ذرات سیلیس در زمان مورد نیاز جهت انجام تبدیلات بسیار موثر است. به عنوان مثال تبدیلات در یک نمونه کوارتز ریز دانه سریعتر از نمونه کوارتز درشت دانه رخ می دهد.

2- وجود کاتالیزور های مناسب باعث تسریع در تبدیلات فاز ها می شوند. در تبدیل فاز کوارتز به کریستوبالیت، اکسید کلسیم و منیزیم، و در تبدیل فاز کوارتز به تریدیمیت علاوه بر اکسید های مذکور، اکسیدهای سدیم، پتاسیم، آهن و آلومینا کاتالیزور های مناسبی هستند.

3- تبدیل فاز ها به صورت تدریجی رخ می دهد. هنگامی که تبدیل شروع می شود مقدار کمی کریستوبالیت باعث تهییج و تحریک بیشتر شده و مقدار بیشتری کوارتز به کریستوبالیت تبدیل می شود. کریستوبالیت حاصل مجددا به صورت محرک عمل کرده و سرعت و شدت تبدیل را باز هم افزایش می دهد تا این که کوارتز کاملا به کریستوبالیت تبدیل شود. بنابراین کریستوبالیت در این تبدیلات خود به صورت کاتالیزور عمل می کند به همین دلیل در عمل برای تبدیل کوارتز به کریستوبالیت مقداری کریستوبالیت به صورت مصنوعی در ابتدا به کوارتز اضافه می شود.

4- زمان عامل بسیار مهمی در تبدیل فاز ها است، بنابراین عملا می توان از طریق عدم ایجاد زمان کافی، از تبدیلات فازی جلوگیری کرد.

تبدیل اشکال سیلیس

ویرایش

کلمه انگلیسی Inversion متضاد کلمه Conversion بوده و به معنی تبدیلات برگشت پذیر و سریع است. بنابراین مشخص است که تبدیلات اشکال برعکس تبدیلات فاز های سیلیس، تبدیلاتی برگشت پذیر و سریع بوده و به همین دلیل نیز در صنعت سرامیک بسیار مورد توجه است. چرا که به طور کلی هر تبدیلی معمولا به معنی تغییر حجم است و چنانچه تبدیلی به طور سریع صورت گیرد، تغییر حجم نیز بسیار سریع خواهد بود. تغییرات اشکال مختلف سیلیس در حقیقت تغییر در زوایای بین پیوند های سیلیسیم و اکسیژن بوده و به همین دلیل نیز به نسبت تغییرات فاز های سیلیس، تغیراتی محدود تر و جزئی تر است.

فاز کوارتز دارای دو شکل α و β است. وزن مخصوص کوارتز α برابر با 2.65 و وزن مخصوص کواتز β برابر با 2.6 است. به طور کلی در کوارتز تبدیل اشکال α و β به یکدیگر در درجه حرارت هایی بین 550 تا 575 درجه سانتی گراد به وقوع می پیوندد. ولی معمولا برای این تبدیل به طور مشخص درجه حرارت 573 درجه سانتی گراد قید می شود. اگر چه معمولا این تغییر، تغییر ناگهانی در نظر گرفته می شود ولی در حقیقت تغییر شکل α به β در کوارتز از حدود 550 درجه سانتی گراد آغاز شده و سپس سرعت آن افزایش می یابد تا اینکه در 573 درجه سانتی گراد به طور تقریبا ناگهانی به نهایت شدت خود می رسد. شکل روبرو منحنی انبساط تبدیل دو طرفه و قابل برگشت اشکال کوارتز را نشان می دهد. هم چنان که این منحنی نشان می دهد می توان نتیجه گیری نمود که به طور خلاصه تبدیل متقابل شکل α و β در کوارتز به طور نسبی ناگهانی نبوده بلکه تقریبا به مرور شدت آن افزایش می یابد ولی این تبدیل در درجه حرارت مشخصی یعنی در 573 درجه سانتی گراد انجام می شود.

با این توضیحات بدیهی است که فاز سیلیس بی شکل یا آمورف در معرض تبدیل اشکال قرار نمی گیرد، زیرا به طور کلی تبدیلات اشکال سیلیس، خاص فاز های بلورین است و در هر حال بر عکس تغییرات فازهای سیلیس غیر قابل اجتناب بوده و نمی توان از بروز آن ها جلوگیری به عمل آورد. بنابراین در لعاب ها که اساسا دارای ساختمان آمورف هستند، پس از ذوب و هنگام سرد شدن هیچ نوع تبدیل شکلی انجام نمی شود. در شکل زیر تغییرات حجمی شیشه سیلیسی در مقایسه با تغییرات کوارتز و کریستوبالیت نشان داده شده است.

موضوعات مرتبط: سیلیسSiO2 , ,

امتیاز مطلب : 5

تعداد امتیازدهندگان : 1

مجموع امتیاز : 1

پرتو ایکس (X-ray)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:35 | بازدید : 1273 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

پرتو ایکس (X-ray) بخشی از طیف امواج الکترومغناطیس را تشکیل می‌ دهد. اگر چه تمام این طیف در آنالیز و شناسایی مواد اهمیت دارد، ولی بخشی از پرتو ایکس به ویژه گستره 15-1 آنگستروم به خاطر استفاده بسیاری که در روش‌ های گوناگون شناخت مواد دارد، از اهمیت بیشتری برخوردار است. از طرفی بسیاری از روش‌ های شناسایی و آنالیز مواد، به گونه‌ای از پرتو ایکس به‌ عنوان چشمه برانگیختگی استفاده می‌ کنند و یا به‌ عنوان نتیجه برانگیختگی از این پرتو بهره می‌ برند. بنابراین، لازم است ویژگی‌ های پرتو ایکس مانند تولید، جذب، آشکارسازی و پدیده‌ های جانبی مربوط به آن، مانند پراش پرتو ایکس شناخته شوند.

طیف امواج الکترومغناطیس

تولید پرتو ایکس

ویرایش

پرتو ایکس در اثر بمباران ماده با الکترون‌ های پرانرژی پدید می‌ آید. هنگام برخورد الکترون‌ ها به اتم‌ های ماده، انرژی الکترون‌ های بمباران ‌کننده، به الکترون اتم‌ های ماده منتقل می‌ شود و بنابراین اتم‌ های ماده برانگیخته خواهند شد. اتم برانگیخته شده، در بازگشت به حالت ابتدایی، باید انرژی خود را از دست بدهد. این برگشت، همراه با تابش یک پرتو (از جمله پرتو ایکس) خواهد بود. باید توجه کرد که ورود الکترون‌ های بمباران کننده به درون ماده بمباران شونده، با دو پدیده همراه است. یکی ترمز شدن و کاهش تدریجی انرژی الکترون در برهم کنش با ابر الکترونی اتم‌ های ماده که همراه با تابش پرتو از ماده با طول موج‌ های گوناگون است و دیگری، برخورد الکترون با الکترون‌ های اتم و بیرون راندن آن‌ ها. در این حالت نیز اتم در حالت برانگیخته قرار می‌ گیرد و با انتقال یک الکترون از مدار بالاتر به مدار تخلیه شده، دوباره به حالت ابتدایی بر می‌ گردد. در برگشت از حالت برانگیخته به حالت ابتدایی، اتم باید انرژی خود را از دست بدهد که سبب تابش پرتو می‌ شود. در این حالت، پرتو ایکس خارج شده، طول مشخصی دارد که بستگی به تفاوت انرژی مدار های اتمی خواهد داشت و بنابراین می‌ توان آن را پرتو مشخصه نامید. در شکل روبرو این پدیده نشان داده شده است. بدیهی است که انرژی پرتو مشخصه، برابر با اختلاف دو تراز انرژی (K و L) خواهد بود. باید توجه کرد، وقتی که در مدار K یک جای خالی الکترونی پدید می‌ آید، امکان جایگزینی الکترون از مدار های دیگر نیز وجود دارد، ولی احتمال جایگزینی برای مدار نزدیک‌ تر به مدار K (مانند مدار L) بیشتر خواهد بود. در این حالت، پرتو مشخصه پدید آمده را K_α و در صورت جایگزینی الکترون از مدار M، آن راK_β می‌ نامند. بنابراین، هنگام بمباران ماده توسط الکترون، به دلیل پدیده ترمز شدن و توقف تدریجی الکترون‌ ها در میدان الکتریکی اتم و هم چنین در اثر انتقال الکترون از مدار های اتمی ماده، پرتو X پدید می‌ آید.

نمایش طیف پیوسته پرتو X و پرتوهای مشخصه مدارهای K و L

در حالت اول، پرتو پدید آمده، طول موج‌ های گوناگونی را برحسب مقدار انرژی خواهد داشت. در صورتی که در حالت دوم، پرتو ایکس پدید آمده، طول موج مشخص و ثابتی دارد. بنابراین، طیف پرتو پدید آمده در اثر بمباران، مطابق شکل روبرو یک طیف پیوسته است که پرتو های مشخصه روی آن قرار دارند. مطابق این شکل، پرتو های مربوط به انتقال الکترون از مدار L به مدارK به خاطر انتقال انرژی کمتر، در طول موج‌ های بلندتر پدید می‌ آید، در حالی کهK_β که مربوط به انتقال انرژی بیشتر است، در طول موج‌ های کوتاه‌ تر پدید خواهد آمد. جالب توجه است کهK_β شدت پایین‌ تری نسبت به K_α دارد و دلیل آن احتمال کمتر انتقال الکترون از مدار M به مدار K در مقایسه با مدار L به مدار K می‌باشد. پرتو X در لوله تولید پرتو ایکس پدید می‌ آید. این لوله، وسیله‌ ای است که در آن امکان بمباران یک هدف فلزی توسط الکترون‌های پرانرژی وجود دارد.

برای بمباران ماده با الکترون، باید فضای حرکت الکترون‌ ها خالی از هرگونه گازی باشد و برای این که الکترون‌ ها، انرژی زیاد داشته باشند، باید یک میدان قوی، بین چشمه پدید آورنده آن‌ ها و هدف بمباران شونده موجود باشد. در شکل زیر اجزای لوله تولید پرتو ایکس نشان داده شده است. بخش اصلی این لوله، یک محفظه شیشه‌ ای است که در یک طرف آن رشته تنگستنو در طرف دیگر آن آند فلزی (هدف) قرار دارد. بین رشته تنگستن و هدف، ولتاژ بالایی (به عنوان مثال 40 کیلوولت) پدید می‌ آید تا الکترون‌ های گسیل‌ شده از رشته فلزی (که در اثر عبور جریان الکتریکی گرم شده است) را به طرف هدف شتاب دهد.

این الکترون‌ ها در برخورد با هدف، به خاطر پدیده‌ هایی که پیشتر به آن‌ ها اشاره شد، پرتو ایکس پدید می‌ آورند. پرتو ایکس پدید آمده، از یک پنجره نازک از جنس برلیوم، از دیواره کناری لوله بیرون می‌ آید. انتخاب پنجره برلیومی به خاطر جذب کم پرتو ایکس توسط آن و نیز امکان آب‌ بندی آن با بدنه شیشه ای است.

اجزای لوله تولید پرتو ایکس

بمباران الکترونی در لوله تولید پرتو ایکس باعث گرم شدن شدید هدف فلزی می‌شود و باید برای جلوگیری از ذوب شدن، آن را با آب سرد کرد. فلز هدف، بیشتر از جنس مس و گاهی نیز از فلزات دیگر مانند مولیبدن، کبالت، تنگستن، کروم و رودیم انتخاب می‌ شود. پرتو خروجی از لوله، از نظر گستره طول موج و شدت، وابسته به جنس آند است و هر یک از طول موج‌ های پرتوایکس پدید آمده، کاربرد های ویژه‌ ای دارند. رایج‌ ترین لوله تولید پرتو ایکس دارای هدف فلزی از جنس مس است که در مراکز و آزمایشگاه‌ های داخل کشور نیز بیشتر از این نوع استفاده می‌ شود. در جدول زیر مشخصات لوله‌ های رایج تولید پرتو X و K_α پدید آمده در هر یک و نیز حدود ولتاژ لازم دیده می‌ شود. در برخی از لوله‌ ها، پنجره برلیومی در انتهای لوله قرار دارد که به آن‌ ها لوله از نوع پنجره در انتها می‌ گویند. در این نوع لوله‌ ها که بیشتر در دستگاه‌ های فلورسانس پرتو ایکس استفاده می‌ شوند، پنجره برلیومی را می‌ توان نازک‌ تر انتخاب کرد و بنابراین پرتو خروجی کمتر جذب می‌ شود. در برخی از لوله‌ های تولید پرتو ایکس، سرمایش آند توسط روغنی که در داخل لوله قرار دارد انجام می‌ شود و نیازی به سیستم گردش آب نیست.

جنس آند	عدد اتمی	K_α	گستره ولتاژ (KV)
مس	29	1.542	30-45
کروم	24	2.291	20-30
مولیبدن	42	0.710	60-80
آهن	26	1.937	20-35
کبالت	27	1.791	25-40
نقره	47	0.561	70-80

در فیلم زیر نحوه عملکرد لوله تولید پرتوی ایکس نمایش داده شده است:

جذب پرتوی ایکس

ویرایش

در اثر انتقال انرژی پرتو ایکس به الکترون‌ های موجود در ماده، پرتو X جذب می‌ شود. به عبارت دیگر اگر انرژی پرتو ایکس سبب جا به جا کردن الکترون‌ های ماده شود، از شدت پرتو خروجی کاسته خواهد شد. شکل روبرو وابستگی تغییرات جذب پرتو X را به طول موج آن نشان می‌ دهد. در این شکل مشاهده می‌ شود که در طول موج‌ های پایین (یعنی زمانی که پرتو ایکس انرژی زیادی دارد) مقدار جذب کم است و با افزایش طول موج، به خاطر کم شدن انرژی پرتو، جذب افزایش می‌یابد. میزان جذب متناسب با توان سوم طول موج پرتو X است. وقتی که طول موج پرتو، بیش از لبه جذب مدار (به عنوان مثال K) باشد، میزان جذب به طور ناگهانی کاهش پیدا می‌ کند. بدیهی است که در این حالت، از آنجا که انرژی پرتو آنقدر نیست که بتواند باعث جدا کردن الکترون از مدار K شود، جذب نمی‌ شود و بنابراین مقدار بیشتری از پرتو ایکس از ماده عبور می‌ کند. به عبارت دیگر، پرتویی که طول موج آن بالاتر از لبه جذب K باشد، چون نمی‌ تواند الکترون را از مدار خارج کند صرف این کار نمی‌ شود و بنابراین جذب هم نمی‌ شود. پس از لبه جذب، با افزایش طول موج، چون انرژی پرتو، کاهش می‌ یابد جذب آن دوباره افزایش خواهد یافت. زمانی که طول موج بالاتر از لبه جذب L₁ می‌ شود، چون پرتو نمی‌ تواند از مدار L، الکترون خارج کند، بنابراین میزان جذب کاهش می‌ یابد.

از آنجا که جذب پرتو ایکس، نتیجه بر هم کنش این پرتو با الکترون‌ های ماده است، مقدار جذب نه تنها به طول موج پرتو بستگی پیدا می‌ کند، بلکه ساختار اتمی ماده یا به عبارت دیگر آرایش الکترونی آن نیز در پدیده جذب تعیین‌ کننده خواهد بود. جذب پرتو ایکس، متناسب با توان چهارم عدد اتمی عنصر های تشکیل‌ دهنده ماده است. بنابراین، عنصرهای سنگین (مانند سرب) پرتو ایکس را به شدت جذب می‌ کنند. جذب پرتو ایکس توسط ماده، نه تنها به ویژگی‌ های اتمی آن بستگی دارد، بلکه به چگالی و ضخامت آن نیز وابسته است. اگر شدت پرتو تابیده ابتدایی I_oباشد، پس از عبور از لایه‌ای به ضخامت x و ضریب جذب جرمی μ، شدت آن برابر خواهد بود با:

ρ چگالی ماده و I شدت پرتو عبوری می‌باشد. همانطور که پیشتر اشاره شد مقدار ضریب جذب جرمی به طول موج پرتو تابیده بستگی دارد. در جدول زیر ضریب جذب جرمی چند نوع ماده با هم مقایسه شده است. با افزایش عدد اتمی جذب پرتو ایکس افزایش خواهد یافت.

ماده	خط مشخصه
ماده	MoK_α	FeK_α
آلومینیم	5.05	94
آهن	38.5	71
مس	51	96
سرب	135	430

از پدیده جذب می توان برای تکفام کردن پرتوهای ایکس تولید شده استفاده کرد. بدین معنی که باریکه یک لامپ پرتوی ایکس که در ولتاژی بالاتر از V_K کار می کند نه تنها دارای خط K_α قوی، بلکه دربردارنده ی خطوط K ضعیف تر و طیف پیوسته نیز هست. شدت این مولفه های ناخواسته نسبت به شدت خط K_α را می توان با عبور این باریکه از فیلتر کاهش داد. این فیلتر از ماده ای تهیه شده است که لبه جذب K در آن، میان طول موج های K_α و K ماده هدف قرار دارد.ماده فیلتر کننده برای فلزاتی با عدد اتمی نزدیک به 30 باید دارای عدد اتمی یک واحد کوچکتر داشته باشد. فیلتری با این ویژگی ها، به دلیل تغییر ناگهانی ضریب جذب آن در میان این دو طول موج، مولفه K را بسیار بیشتر از مولفه K_α جذب خواهد کرد. تاثیر عمل فیلتر کردن در شکل زیر نمایش داده شده است و این شکل بخشی از طیف باریکه فیلتر نشده و شده از هدف مسی (با عدد اتمی 29) را نشان می دهدکه روی نموداری از ضریب جذب جرمی نیکل (با عدد اتمی 29) قرار گرفته اند.

موضوعات مرتبط: پرتو ایکس , ,

امتیاز مطلب : 1

تعداد امتیازدهندگان : 1

مجموع امتیاز : 1

پراش پرتو ایکس (XRD) یا X-ray Diffraction

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:33 | بازدید : 2803 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

روش پراش پرتو ایکس (XRD) یا X-ray Diffraction از آن جهت که روش مستقیمی برای تعیین نوع فاز ها و ساختار بلورین مواد است، بسیار اهمیت دارد. در واقع، پیشرفت هفتاد سال اخیر شناسایی فازی، کانی ‌شناسی و کریستالوگرافی، در گرو کشف روش پراش پرتو ایکس بوده است. این روش، دارای جنبه‌ های نظری و عملی بسیار وسیعی بوده که تاکنون تألیف ده ‌ها کتاب را به خود اختصاص داده است.

پدیده پراش پرتو ایکس

ویرایش

پدید پراش پرتو ایکس (X-ray diffraction phenomena) که توسط مجموعه اتم‌ ها پدید می ‌آید، ناشی از تقویت پرتو پراکنده شده در جهت ‌های ویژه فضایی است. پرتو ایکس پس از برخورد به الکترون ‌های ماده، آن ‌ها را به نوسان وادار می‌ کند و این الکترون ‌ها نیز باعث تابش پرتو ایکس در فضای اطراف خود، با همان بسامد پرتو ابتدایی خواهند شد. اگر پرتو های پراکنده، با هم جمع شوند موج برآیند پدید می ‌آید که دامنه آن بستگی به تعداد الکترون‌ ها و اختلاف فاز موج‌ های تابیده خواهد داشت. اختلاف فاز پدید آمده، بستگی به اختلاف مسیر پیموده شده توسط پرتو ها دارد.

پرتو پدید آمده توسط اتم ‌های گوناگون نیز با یکدیگر و به دلیل اختلاف مسیر پیموده شده، اختلاف فاز پیدا خواهند کرد و این اختلاف فاز، باعث تغییر دامنه پرتو تابیده از مجموعه اتم خواهد شد. از آنجا که شدت یک پرتو، متناسب با توان دوم دامنه آن است، تغییرات موجود در فاصله‌ های پیموده شده توسط پرتو ها، سبب تغییر دامنه آن‌ ها می ‌شود. بنابراین در حالت‌ های ویژه ‌ای که دامنه پرتو ها با هم جمع شوند، پرتو تابیده از مجموعه اتم ‌ها، تقویت می ‌شود و به آن پراش گویند. برای درک این نکته باید توجه کرد که پرتو های پراکنده شده از یک مجموعه اتمی، در بیشتر حالت ‌ها، به خاطر موجود نبودن فاصله مناسب و به دنبال آن جمع نشدن دامنه‌ ها، یکدیگر را تضعیف می‌کنند و شدت پرتو نهایی بسیار ناچیز خواهد بود.

رابطه براگ

ویرایش

دو پرتو با طول موج λ را در نظر بگیرید که با یکدیگر هم‌ فاز هستند. پس از پیمودن مسافت مشخص x، آن‌ ها دوباره هم‌ فاز خواهند بود و بنابراین می‌ توانند یکدیگر را تقویت کنند. حال اگر یکی از این دو پرتو، مسیری برابر با 2/ λ بیشتر از پرتو دیگر را بپیماید، دامنه پرتو برآیند از این دو پرتو در فاصله x، برابر صفر است و به عبارت دیگر همدیگر را حذف می‌ کنند. حال اگر اختلاف مسیر پیموده شده، مضرب صحیحی از λ باشد، دو پرتو پس از پیمودن مسافت x، دوباره هم‌ فاز هستند و یکدیگر را تقویت می‌ کنند. پس به طور خلاصه، تقویت پرتو در جهت‌ های ویژه، بستگی به اختلاف مسیر پیموده شده دارد و بنابراین می‌ توان نتیجه گرفت که تقویت، به موقعیت اتم در بلور بستگی پیدا می‌کند. در شکل فوق دو صفحه بلوری با فاصله d نشان داده شده است. بر اساس آنچه پیشتر توضیح داده شد، تمام پرتو هایی که به صفحه اول اتمی برخورد می‌ کنند، پس از بازتاب، به دلیل این که مسافت پیموده شده آن‌ ها یکسان است می‌ توانند یکدیگر را تقویت کنند. پرتو بازتابیده از لایه دوم، مسافت بیشتری را می‌ پیماید. اگر این اختلاف فاصله، مضربی از λ باشد، دو پرتو یکدیگر را تقویت خواهند کرد. حال اگر مسافت پیموده شده توسط پرتو بازتابیده از لایه دوم، به اندازه 2dsinθ باشد، بنابراین شرط پراش پرتو X، مطابق رابطه معروف براگ (Bragg's Law) به صورت

پراش پرتو ایکس از صفحات اتمی

خواهد بود. در این رابطه n ضریب بازتاب است و می‌توان آن را یک در نظر گرفت. در این حالت، رابطه براگ به صورت ساده زیر درمی‌ آید:

با توجه به این که sinθ کوچکتر یا مساوی یک است، پس λ/2d هم باید کوچکتر یا مساوی یک باشد. اندازه d در حد 3-1 آنگستروم است، پس می توان نتیجه گرفت که طول موج پرتو ایکس کمتر از 6 آنگستروم خواهد بود. مفهوم این نکته آن است که تنها پرتویی از طیف الکترومغناطیس توسط شبکه بلوری پراشیده می شود که طول موج آن کمتر از 6 آنگستروم باشد. اگر پرتو ایکس با طول موج λ به صفحات گوناگون یک بلور تابانده شود، هر گروه از این صفحه ها، در یک زاویه ویژه که با رابطه بالا سازگار باشد، عمل پراش را انجام می دهد. با افزایش فاصله صفحه های اتمی، پراش پرتو ایکس توسط آن ها در زاویه های بزرگتری پدید می آید.

جهت و شدت پرتو ایکس

ویرایش

براساس رابطه براگ، طول موج پرتو ایکس یعنی λ ثابت است و در آزمایش XRD زاویه‌ هایی که پراش در آن‌ ها صورت می‌گیرد، مشخص و سپس مقدار d محاسبه می‌شود. مهم آن است که در یک ماده با ساختار بلوری ویژه، در چه زاویه‌ هایی پرتو ایکس پراشیده می‌ شود. برای مثال در یک ماده با ساختار مکعبی، رابطه زیر بین فاصله صفحه‌ های بلوری و اندیس‌ میلر آن صفحه‌ ها (hkl) برقرار است:

در این رابطه a ثابت شبکه می‌ باشد. با قرار دادن مقدار d از رابطه براگ، رابطه زیر به‌ دست می‌ آید:

این رابطه، همه زاویه‌ های براگ را که سیستم مکعبی با ثابت شبکه a دارند و می‌ توانند طول موج λ را پراشیده کنند، پیش‌بینی می‌ کند. این رابطه برای صفحه‌ های (110) به صورت زیر درمی‌ آید:

و در صورتی که سیستم بلوری، تتراگونال باشد، رابطه به صورت زیر در می‌ آید:

در این رابطه a و c ثابت‌ های شبکه هستند. رابطه‌ های یکسانی را می‌ توان برای سیستم‌ های دیگر بلوری به‌ دست آورد. این مثال‌ ها نشان می‌ دهد که یک پرتو با طول موج ویژه، توسط صفحه‌ های اتمی، در جهت‌ هایی که به سیستم بلوری و اندازه ثابت شبکه بستگی دارد، پراشیده می‌ شود. جهت‌ های پراش فقط توسط اندازه ثابت شبکه بلوری تعیین خواهد شد. این نکته بسیار مهمی است زیرا با اندازه‌ گیری جهت‌ های پرتو پراشیده از نمونه مجهول می‌توان اندازه ثابت شبکه را مشخص کرد. به عبارت دیگر، جای اتم‌ ها در داخل واحد شبکه را نمی‌ توان فقط با تعیین جهت‌ ها، مشخص نمود. شدت پرتو بازتابیده از صفحه‌ های بلورین، به عوامل گوناگونی بستگی دارد. به عنوان مثال، آرایش الکترونی یک عامل مهم است. از طرف دیگر، از آنجا که پرتو پراشیده توسط اتم‌ های بلور، باید با هم، پرتو کلی پراشیده را بسازند، پس موقعیت اتم در شبکه بلوری، عامل مؤثر دیگری بر میزان شدت پرتو خواهد بود. همین‌ طور، موقعیت اتم‌ ها، از نظر اثر قطبش بر هم نیز، بر پرتو پراشیده اثر دارد. افزون بر این‌ ها، چگالی اتمی در صفحه‌ های پراش‌ کننده نیز مؤثر خواهد بود. پس به طور کلی برای هر ماده که صفحه‌ های گوناگون آن می‌ توانند در زاویه‌ های ویژه‌ای (که رابطه براگ تعیین می‌کند) پراش پرتو ایکس را انجام دهند، نباید انتظار داشت که شدت پرتو برای همه صفحه‌ ها یک اندازه باشد. همین طور برای برخی از صفحه‌ های ویژه (به عنوان مثال 111) دو ماده گوناگون، ولی با ساختار بلوری یکسان، شدت پرتو پراشیده یکسان نخواهد بود. نکته دیگری که در مورد شدت پرتو پراشیده باید توجه کرد، آن است که به هر حال شدت پرتو، بستگی به تعداد صفحه‌ های پراش‌ دهنده و یا به عبارت دیگر غلظت ترکیب یا فاز در نمونه مجهول دارد. به این ترتیب می‌ توان شدت پرتو را به مقدار فاز مورد نظر در نمونه مجهول نسبت داد.

اثر عدد اتمی، پارامتر شبکه و اندازه کریستالیت در فلش زیر نمایش داده شده است. با تغییر مقادیر عدد اتمی، پارامتر شبکه و اندازه کریستالیت مس توان تغییر در ویژگی های الگوی پراش را ملاحظه نمود.

اجزای دستگاه پراش پرتو ایکس

ویرایش

در دستگاه پراش، پرتو ایکس از یک لوله پدیدآورنده پرتو، بر روی نمونه مجهول می‌ تابد و شدت پرتو پراشیده در زاویه‌ های گوناگون اندازه‌گیری می‌ شود. بدین ترتیب، وظیفه دستگاه پراش، تعیین زاویه‌ هایی است که طبق رابطه براگ پدیده پراش در آن‌ ها صورت می‌ گیرد. همچنین شدت این پرتو ها نیز اندازه‌ گیری می‌ شود. مطابق شکل روبرو دستگاه پراش از یک دایره فلزی به نام دایره پراش تشکیل شده است که لوله پدیدآورنده پرتو ایکس وآشکارساز روی محیط آن و نمونه مجهول در مرکز آن قرار دارند.

مطابق این شکل، نمونه مجهول در مرکز دایره (در موقعیت C) و روی یک سکوی قابل چرخش (نقطه H) قرار می‌ گیرد. این سکو می‌ تواند نمونه را به دور محور O (عمود بر صفحه کاغذ) در برابر پرتو بچرخاند. بنابراین، نمونه مجهول زاویه‌ های گوناگونی نسبت به پرتو اختیار می‌ کند. تولید پرتو ایکس (قسمت T) به صورت ثابت و در همسایگی محیط دایره پراش، به گونه‌ ای قرار می‌ گیرد که نقطه کانونی خروج پرتو ایکس از آن (S) روی محیط واقع شود. پرتو ایکس که از نقطه S سرچشمه می‌ گیرد، به صورت واگرا و پس از عبور از دریچه A با زاویه θ به نمونه مجهول برخورد می‌ کند و پرتو پراشیده به صورت همگرا با زاویه θ نسبت به نمونه، پس از عبور از دریچه‌های B و F به آشکارساز G وارد می‌ شود. A و B دریچه‌ های ویژه‌ ای هستند که پرتو اولیه و ثانویه را با هندسه مورد نظر، جمع و هدایت می‌ کنند.

پراش سنج پرتو ایکس

در صورتی که این دریچه‌ ها وجود نداشته باشند، نمی‌ توان پرتو ها را با هندسه مطلوب به طوری که نقاط S، C و F بر روی دایره قرار بگیرند، تامین نمود. در شکل زیر صافی لازم برای تک رنگ کردن پرتو نشان داده شده است. این صافی (تکفام کننده) را به جای قرار دادن در محل خروج پرتو از لوله پدید آورنده پرتو ایکس، در محل ورود به آشکارساز قرار می‌ دهند. در این حالت، علاوه بر تک رنگ کردن پرتو ایکس، پرتو های فلورسانس تابیده از نمونه مجهول که در کار پراش‌ سنجی مزاحم هستند نیز حذف می‌ شوند و به آشکارساز وارد نخواهند شد.

آشکارساز و دریچه‌ های دریافت‌ کننده پرتو ثانویه، بر روی یک قسمت حمل‌کننده (E) که می‌تواند به دور محور O بچرخد قرار گرفته‌ اند. زاویه بین پرتو ورودی به آشکارساز و پرتو ابتدایی، 2θاست و بنابراین سیستم حمل‌ کننده، روی مسیر درجه‌ بندی شده K، با سرعتی دو برابر سرعت گردش نمونه مجهول می‌چرخد. نمونه را با سرعت 1 درجه بر دقیقه در برابر پرتو ایکس به چرخش درمی‌آورند و در این حالت، سرعت آشکارساز دو درجه بر دقیقه خواهد بود. پرتو دریافتی در آشکارساز، به یک جریان الکتریکی متناسب تبدیل می‌ شود. یک مدار الکترونیکی، این جریان الکتریکی را به شدت پرتو تبدیل و روی کاغذ قسمت ثبت‌ کننده ثبت می‌ کند. آنچه در پایان به عنوان الگوی پراش، از پراش‌ سنج به دست می‌ آید، تغییر شدت پرتو برحسب زاویه (2θ) است. الگوی پرتو ایکس ترکیب NaCl در شکل زیر دیده می‌ شود. آنچه روی پیک‌ های این الگو نوشته شده است مقدار d است. آزمایش پراش‌ سنجی را در گستره ده تا هفتاد درجه انجام می‌دهند ولی گاهی می‌توان گسترۀ 2θ را از صفر تا 160 درجه نیز انتخاب کرد. از آنجا که شدت پرتو پراشیده، به تدریج ثبت می‌ شود و شدت جریان و همچنین ولتاژ لوله پدید آورنده پرتو X، بر مقدار شدت پرتو اثر دارند، باید دستگاه پراش‌ سنجی، دارای قسمت یکنواخت‌ ساز ولتاژ و جریان باشد.

الگوی پراش پرتوایکس نمک طعام به دست آمده از تابش CuKα

در فلش زیر یک دستگاه پراش سنج پرتوی ایکس نمایش داده شده است. با تغییر زاویه می توان نحوه تشکیل الگوی پراش را مشاهده کرد.

موضوعات مرتبط: پرتو ایکس , ,

امتیاز مطلب : 5

تعداد امتیازدهندگان : 1

مجموع امتیاز : 1

پخت گندله خام (Sintering of Green Pellets)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:27 | بازدید : 1134 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

پخت گندله خام (Sintering of Green Pellets) پس از خشک شدن گندله ها انجام می گیرد. دمای گندله ها در مرحله خشک شدن تا حدود 1000 و در مرحله پخت تا حدود 1300 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. در پخت گندله خام نکات زیر از اهمیت ویژه ای برخوردارند:

- سرعت گرم شدن یکنواخت گندله ها

- یکنواخت بودن دما در بستر بار

- انتقال حرارت بالا از گاز به گندله ها جهت تامین بازده بالا

تغییر دما در فرآیند خشک شدن، گرم شدن، پخت و سرد شدن گندله به طور تجربی اندازه گیری و به طور نظری محاسبه و در شکل زیر نشان داده شده است. بدیهی است منحنی های نظری و تجربی برای یک نوع خاص گندله از نظر خواص فیزیکی – شیمیایی و نیز واحد مشخصی از نظر ویژگی دستگاه و دوره های حرارتی معتبر می باشد.

فرآیند خشک کردن، پیش گرم و پخت گندله های خام تجربی و نظری

- تغییر دمای بسترها پس از اولین مرحله خشک کردن دمای بستر بالایی 40 درجه سانتی گراد

- در اثر مکش از بالا به پایین، بستر زیرین 20 درجه سانتی گراد

- کل زمان خشک کردن برای بستری با همق 40 سانتی متر 8 دقیقه

پروفیل دمای بستری از گندله ها در فرآیند خشک شدن در شکل زیر نشان داده شده است.

الگوی گرم کردن و پخت گندله های مگنتیتی

ویرایش

الگوی گرم کردن گندله ها در سطح صنعتی تابع نتایج آزمایش روی گندله ها در واحدهای آزمایشگاهی است. براساس مراحل انجام فرآیند، جهت جریان گاز در فرآیندها تغییر می کند. معمولا برای خشک کردن مکش از بالا و پایین، برای پیش گرم کردن، پخت و پس از پخت مکش از بالا به پایین و برای سرد کردن گندله ها مکش از پایین به بالا می باشد. دمای گندله ها برای کنترل فرآیند پخت دمای بالای بستر بار (T₁)، وسط بستر بار (T₂) ، بین گندله های خام و بستر بار زیرین (T₃) و در جعبه بار (T₆) و نیز فشار مکش ثبت می شود. دمای بحرانی درجه حرارتی است که گندله ها در اثر فشار بخار آب متصاعد شده، ترک بر می دارند.

خشک کردن زیر دمای بحرانی (400 درجه سانتی گراد) صورت می گیرد و واکنش زیر به وقوع می پیوندد:

حرارت حاصل از واکنش فوق به لایه های بالایی منتقل می شود و برای اکسایش مگنتیت باقیمانده و تکمیل تغییرات ساختار بلوری مصرف می گردد. تغییرات دما در جریان پخت گندله هایی با ترکیب متفاوت در شکل زیر نشان داده شده است.

تغییر دما در جریان پخت گندله

مراحل پخت گندله خام

ویرایش

آخرین مرحله فرآیند گندله سازی پخت است. در حین این فرآیند دو تغییر اساسی در گندله رخ می دهد:

- تغییر ساختار بلوری ناشی از اکسایش مگنتیت به هماتیت و رشد بلورهای آن

- واکنش بین اجزای تشکیل دهنده سرباره : سیلیس، آلومین و آهک با یکدیگر. اکسید آهن نیز می تواند وارد واکنش آن ها شود. فرآیند پخت شامل مراحل پیش گرم شدن و پخت است:

مرحله اول : پیش گرم شدن گندله خام

این مرحله در ادامه منطقه خشک شدن و از همان درجه حرارت شروع می شود و دما به طور پیوسته از 320 تا 1000 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. در این مرحله تحولات زیر رخ می دهد:

- تبخیر آب بلوری

- تجزیه هیدروکسید کلسیم

- جدا شدن گوگرد از پیریت

- اکسایش مگنتیت

سرعت فرآیند پخت و پیش گرم شدن بیشتر به اکسایش مگنتیت وابسته است. پیشرفت مرحله توسط تغییر دمای گاز خروجی کنترل می شود. فشار ها و دمش ها در این مرحله برای کنترل جریان گاز و حرارت تنظیم می شود. در دوره پخت گندله های مگنتیتی زمان پیش گرم شدن طولانی تر و زمان پخت کوتاه تر می باشد.

مرحله دوم : پخت گندله های خام

در این مرحله بستر بار گندله ها تا دمای 1300 درجه سانتی گراد گرم می شود. مدت نگهداری بار در این دما که زیر نقطه ذوب اجزای بار گندله است باید به اندازه ای باشد که اتصالسرامیکی برقرار شود تا خواص مکانیکی لازم در گندله ایجاد شود. در حین پخت، مگنتیت به هماتیت تبدیل می شود و شبکه مکعبی آن به هگزاگوانل تغییر می کند. این تغییر ساختار بلوری از دمای 300 تا 600 درجه سانتی گراد شروع می شود تا دمای 1100 درجه سانتی گراد ادامه می یابد و از گرمای واکنش نیز جهت پخت استفاده می شود. در این مرحله نخست بلورهای ریز جدید تشکیل می شود و همزمان پل های بین دانه ای در مرز بلور ها شکل گرفته و تشکیل پل های بین دانه ای مجزا تشدید می شود. در دمایی حدود 1250 درجه سانتی گراد با تبلور مجدد و رشد بلورها، استحکام مطلوب در گندله ها حاصل می شود.

سردکردن گندله پخته

گندله های پخته مقدار معینی گرما دارند که در صورت عدم بازیابی تلف خواهند شد، لذا با سرد کردن آن ها بخشی از این گرما به چرخه برگردانده می شود و اجزای بلوری و شیشه ای تشکیل شده در حین پخت، در اثر سرد شدن گندله ها تخریب نمی شوند. اما به علت ترک های ناشی از سرد کردن سریع، مقاومت گندله ها تا حدود 50 درصد می تواند افت نماید.

احیا پذیری گندله پخته

برای احیای گندله های پخته لازم است آن ها خواص زیر را داشته باشند:

- احیا پذیری خوب همراه با بازده بالا و مصرف انرژی پایین

-تمایل کم به تورم همراه با نفوذ پذیری خوب گاز

- مقاومت مکانیکی بالا در تمام مراحل احیا در دمایی حدود 1000 درجه سانتی گراد از جمله تخریب کم، سایش کم و ماکزیمم استحکام و نیز قابلیت بالابرای عبور گاز،

تمایل کم به خرد شدن و یکنواختی برای عبور گاز

تحت شرایط عادی احیا از دمای 500 تا 1000 درجه سانتی گراد ممکن است به علت تورم گندله، استحکام مکانیکی کاهش یابد. در شکل زیر وابستگی ویژگی های فیزیکی – مکانیکی گندله ها به دمای پخت نشان داده شده است.

اکسایش در روند پخت گندله

در یک فرآیند متداول، سخت کردن گندله های خام سنگ آهن از طریق اکسایش صورت می گیرد. گندله ها در اثر تبلور مجدد اکسیدهای آهن، تشکیل فازهای سرباره و ترکیبات ثانویه، سخت می شوند. این تغییر و تحولات در درجه حرارت بالا رخ می دهد. اکسایش مگنتیت گندله با اکسیژن هوا در فرآیند خشک کردن و پخت یک عملکرد غیر همگن از نوع واکنش زیر است:

با توجه به این که هماتیت در فازهای آلفا و گاما می تواند وجود داشته و پایدار باشد، لذا محلول های جامد متعدد می تواند تولید شوند:

اکسایش و تغییر کامل ساختار بلوری مگنتیت به ترکیب اولیه بار گندله به ویژه ناخالصی های آن و شرایط اکسایش از جمله به دما بستگی دارد. تجزیه حرارتی هماتیت نیز می تواند در فرآیند پخت به وقوع بپیوندد:

هر گاه بار اولیه، آهک (CaO) وجود داشته باشد اثر کاتالیتکی آن موجب کاهش دمای تجزیه در حدود 1200 تا 1300 درجه سانتی گراد می شود.

موضوعات مرتبط: گندله , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

بوته کوره بلند (Hearth of the Blast Furnace)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:23 | بازدید : 1022 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

بوته کوره بلند (Hearth of the Blast Furnace) قسمت استوانه ای کوره بلند است که در آن چدن مذاب و سرباره نگهداری می شود. به دلیل اختلاف چگالی سرباره و چدن مذاب، سرباره در بالا و چدن مذاب در پایین بوته قرار می گیرد. در بوته مجراهایی برای خروج چدن و سرباره و ورود هوا ایجاد شده است. لوله های دم در قسمت بالای بوته و زیر شکم کوره بلند قرار دارند. در گذشته ارتفاع بوته را به طور نسبی بلندتر انتخاب کرده و لوله های دم را تا حدودی بالاتر از بوته قرار می دادند. به عبارت دیگر قسمت استوانه ای از سطح لوله های دم بالاتر ساخته می شد. این امر باعث می شد که حرارت در قسمت مشخصی از بوته کوره بلند متمرکز شود و احیای سیلیس و ذوب سرباره هایی با ویسکوزیته بالاتر، آسان تر گردد. امروزه با دمیدن هوای گرم، نیازی به این کار نیست و لوله های دم در بالاترین قسمت بوته قرار داده می شوند.

مقطع بوته کوره بلند تابعی از میزان مصرف کک (ظرفیت تولید) و میزان تماس سرباره و چدن می باشد. قطر بوته توسط عامل اول (میزان مصرف کک) و ارتفاع آن بوسیله عامل دوم کنترل می شود. در یک بوته با قطر مشخص، نمی توان با ازدیاد فشار و مقدار هوای دم، مقدار مصرف کک را در ناحیه احتراق افزایش داد و در نتیجه تولید را افزایش داد. زیرا این کار باعث افزایش ارتفاع ناحیه احتراق شده و عملکرد منظم کوره را مختل خواهد کرد.

بنابراین برای افزایش تولید، باید قطر بوته را زیاد کرد. افزایش بیش از حد قطر بوته باعث افزایش ناحیه غیر فعال یا مرده در مرکز کوره می شود. پس نمی توان قطر بوته را از بیش از حد معینی افزایش داد که بستگی به فشار هوای دم دارد. به طور کلی انتخاب قطر بوته تجربی است. تجربه نشان داده است که بسته به شرایط کار، مصرف کک در هر متر مربع سطح بوته کوره بلندمی تواند از 700 تا 1100 کیلوگرم درساعت تغییر کند. به عبارت دیگر چنانچه مصرف کک را 500 کیلوگرم برای یک تن چدن فرض کنیم، به ازای هر متر مربع سطح بوته، تولیدی معادل 1.4 تا 2.2 تن در ساعت به دست می آید.

هر چه ارتفاع بوته کوره بلند بیشتر باشد، گنجایش بیشتری برای مذاب وجود خواهد داشت هم چنین مذاب مدت بیشتری با سرباره در تماس خواهد بود. از طرفی افزایش ارتفاع بوته سطح تماس مذاب و سرباره را زیاد نمی کند و تصفیه مذاب که مبتنی بر نفوذ است، کاهش می یابد. ارتفاع بوته ممکن است بین 2.5 تا 3 متر باشد.

شکل زیر جزئیات کف بوته کوره بلند را نشان می دهد. در زیر بوته چندین لایه بلوک نسوز، معمولا به ضخامت 3 تا 5 متر (10 تا 15 فوت) قرار داده شده است. دیواره های بوته نیز از نسوزهای با کیفیت بالا (معمولا از آجرهای کربنی)، به ضخامت 60 تا 90 سانتی متر (2 تا 3 فوت) ساخته می شود. کل بوته بوسیله یک پوشش فولادی به ضخامت 25 تا 40 میلیمتر محافظت می شود. بین این پوشش فولادی و نسوز، مدار یا حلقه های سرد کننده از جنس چدن قرار دارد که توسط جریان آب مناطق اطراف بوته را خنک می کنند. این مدارهای خنک کننده طبق شکل از زیر لوله های دم آغاز شده و تا سه متر (10 فوت) پایین تر از کف کوره ادامه دارد.

مقطعی از ساختمان کف کوره بلند

در بسیاری از کوره ها، کل دیواره های بوته از آجرهای کربنی ساخته شده و این دیواره تا چندین سانتیمتر پایین تر از کف کوره نیز ادامه دارد. به علت هدایت حرارتی خوب کربن، امتداد دیوارهای بوته می تواند عاملی برای خنک کردن بلوک های کف کوره بلند باشد. برای بهتر شدن این اثر چند لایه از بلوک های کف کوره بلند را از جنس کربن انتخاب می کنند. وقتی قطر بوته کوره بلند کمتر باشد هدایت حرارتی کربن برای انتقال گرما از مرکز بوته به دیواره ها و خنک کن ها کفایت می کند، اما در مورد کوره هایی که قطر بوته آن ها بیش از 9 متر (29 فوت) است، بایستی خنک کننده های اضافی در کف کوره ایجاد شود.

وضعیت عمومی مجرای خروجی مذاب در شکل زیر نشان داده شده است و جزئیات آن ممکن است از کوره ای به کوره دیگر تغییر کند. مجرا زاویه شیبی در حدود 22 تا 26 درجه دارد. این شیب برای سادگی باز شدن مجرا و کیفیت خروج مذاب می باشد. مجرای خروج مذاب حدود 90 سانتی متر (3 فوت) بالاتر از کف بوته قرار دارد. سرباره مذاب بایستی از طریق مجرای جداگانه تخلیه شود. چون سرباره سبک تر از چدن مذاب است، مجرای خروج سرباره حدود 1 تا 1.5 متر بالاتر از مجرای خروج مذاب قرار دارد.

مقطعی از مجرای خروج چدن مذاب

شکل زیر وضعیت مجرای خروج سرباره را نشان می دهد.

نمایی از مقطع مجرای خروجی سرباره

در بالاترین قسمت بوته در حد فاصل بین بوته کوره بلند و شکم کوره بلند، افشانک لوله های دم ایجاد شده است. هوای گرم که از پیشگرم کن ها خاج می شود، توسط لوله های فولادی که در داخل به پوشش نسوز مجهزند، به محل لوله های دم هدایت می شود سپس وارد لوله ای به نام کمربند هوا (Bustle Pipe)، که مقطع آن به شکل نعل اسب است، می شود. سیستمی که در بین این مرحله هوا را به داخل کوره می فرستد، در شکل زیر نشان داده شده است. این قسمت که طبق شکل از اجزای مختلف تشکیل شده، لوله دم نامیده می شود و تعداد آن ها در یک کوره بر حسب قطر بوته، ممکن است 8 تا 20 عدد باشد. سر لوله های دم (افشانک) از چندین سیستم خنک کننده تشکیل شده که از جنس مس است. نوک لوله های دم مقداری به داخل بوته فرو رفته تا از چسبندگی و خسارت به دیواره بلند جلوگیری شود. گاهی تعدادی لوله های دم کمکی در کوره بلند ساخته می شود. هدف از وجود این لوله های کمکی این است که چنانچه بار ایجاد شود، با بکار انداختن آن ها بتوان حرارت بیشتری به کوره وارد کرد تا از چسبندگی جلوگیری شود.

تجهیزات دم و لوله دمش هوا

موضوعات مرتبط: کوره بلند , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

بدنه کوره بلند

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:20 | بازدید : 1159 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

بدنه کوره بلند (Blast Furnace Stack) یا تنوره کوره بلند نام تمامی قسمت های کوره بلند است که در بالای شکم قرار گرفته اند. در بیشتر کوره ها، در بالای منطقه مخروطی شکم، ناحیه ای به شکل استوانه قرار دارد که شکم استوانه ای نام دارد و در برخی از مراجع کمربند نامیده شده است. بدنه کوره بلند به شکل مخروط ناقص بوده و قاعده بزرگ آن به طرف پایین است. علت انتخاب این شکل به دلایل زیر است:

1- تنظیم پایین آمدن بار و کاهش اصطکاک جانبی

2- کاهش گرد و غبار

3- توزیع منظم گاز در تمام مقطع کوره

هنگامی که بار در کوره بلند پایین می آید، دمای آن به تدریج افزایش یافته و حجم آن زیاد می شود. بر عکس گازها، هنگام بالا رفتن در طول کوره بلند سرد می شوند و حجم آن ها کاهش می یابد. بنابراین باید مقطع کوره به طرف بالا کوچکتر شود تا سرعت گازها ثابت بماند. چنانچه مقطع استوانه ای باشد، هنگام پایین آمدن بار درکوره بلند، سایش بدنه افزایش یافته هم چنین به علت چسبندگی بار، نزول آن دچار اشکال خواهد شد. بدنه کوره از پایین به قسمت استوانه ای به نام کمر بند یا شکم استوانه ای و از بالا نیز به قسمت استوانه ای به نام دهانه یا گلو منتهی می شود. قطر دهانه در کاهش گرد و غبار خروجی از کوره بلند تاثیر به سزایی دارد و به صورتی انتخاب می شود که سرعت خروج گاز زیاد نباشد و گرد و غبار کمتری را با خود حمل کند. ارتفاع بدنه نیز تابع عوامل زیر است:

1- مقاومت مکانیکی کک

2- سرعت احیای اکسیدهای آهن یا احیا پذیری بار کوره بلند

در گذشته با افزایش ظرفیت، طول بدنه کوره بلند آن را نیز افزایش می دادند تا تبادل حرارتی گاز و جامد بیشتر شود. در این حالت دمای گازهای خروجی کوره بلند، حدود 160 درجه سانتی گراد بود. اما در بیست سال گذشته با مصرف کلوخه، گندله و در کل بار کنترل شده و مرغوب که احیا پذیری بالایی دارد، تماس جامد - گاز در کوره بلند بهتر شده است. بنابراین با افزایش ظرفیت کوره بلند نیازی به افزایش تنوره نیست. در نتیجه ارتفاع کوره بلند متناسب با ظرفیت آن افزایش نیافته است و کوره های جدید ارتفاع نسبتا کمتری دارند. با مصرف بار مرغوب تر در کوره بلند، انتقال حرارت بهتر انجام می شود، سرعت احیا بالاتر رفته، مصرف کک کمتر و بازدهی کوره افزایش می یابد.

دیواره های داخلی تنوره کوره بلند از آجر نسوز ساخته شده است. بیشتر از سه چهارم طول تنوره توسط صفحات یا جعبه های خنک کننده که لابه لای آجرهای نسوز دیواره های داخلی قرار دارند، خنک می شود. شیب تنوره را معمولا بر حسب سانتی متر در یک متر ارتفاع (اینچ در یک فوت ارتفاع) بیان می کنند. شیب تنوره معمولا حدود 2.5 سانتی متر (یک اینچ) است در این حالت زاویه آن با افق حدود 85 درجه می شود. اشکال شیب کمتر از 2.5 سانتی متر (1 اینچ) در بالا بیان شد. اگر شیب بیشتر از 2.5 سانتی متر باشد، سبب می شود بار در قسمت های پایین تنوره از دیوارها فاصله بگیرد در نتیجه گازهای کوره بلند، عمدتا از نزدیکی دیوارها متصاعد شوند.

بدنه کوره بلند نیز بوسیله یک پوشش فولادی به نام جوشن نگهداری می شود. جوشن از حلقه های فولادی به ضخامت حدود 2.5 سانتیمتر تشکیل شده است که به یکدیگر جوش خورده اند. این حلقه ها در بالا و پایین تنوره ضخامت بیشتری دارند. تمامی تنوره روی یک کمربند فولادی بنام تیر حمال قرار دارد که این کمربند توسط تعدادی ستون فولادی (8 عدد یا بیشتر) نگهداری می شود. تیر حمال یک حلقه فولادی است به ضخامت 5 تا 10 سانتی متر که روی تعدادی ستون سوار است و تمامی وزن کوره بلند از قسمت شکم به بالا توسط این حلقه فولادی و ستون های مربوط تحمل می شود. چنانچه بخواهند ناحیه شکم و یا بوته را تعمیر یا تعویض نمایند، نواحی بالای کوره (تنوره) دست نخورده باقی می ماند.

حجم مفید کوره بلند

ویرایش

برای حجم مفید کوره بلند تعریف های متفاوتی ارائه شده است که دو نمونه از آن ها عبارتند از:

الف) حجمی از کوره که بین مجرای تخلیه چدن و بالاترین سطح بار قرار گرفته است.

ب) حجمی که بین سطح لوله های دم و بالاترین سطح بار قرار گرفته است.

حجم مفید کوره بلند را می توان از رابطه زیر بدست آورد:

در رابطه فوق، P تولید چدن در 24 ساعت بر حسب تن، V حجم بار لازم برای تولید یک تن چدن و t زمانی که بار از بالای کوره تا حدود لوله های دم می رسد، است.

حجم مخصوص کوره بلند

ویرایش

حجم مخصوص کوره بلند عبارت است از حجمی که برای تهیه یک تن چدن در روز در نظر گرفته می شود. مشخص است هر چه کانه مصرفی غنی تر و قابلیت احیا آن بیشتر باشد (مصرف کک کمتر)، دمش هوا بیشتر و دمای آن بالاتر باشد، حجم مخصوص کمتر خواهد بود. در سال های اخیر با پیشرفت های انجام شده، حجم مخصوص کوره بلند را از 2.5 متر مکعب به کمتر از 0.7 متر مکعب کاهش داده اند.

روابط تجربی برای تعیین ابعاد کوره بلند

ویرایش

اگر فرض شود حجم مفید کوره بلند (حجم از سطح بار تا سطح لوله های دم) فقط از دو مخروط ناقص با ابعاد نشان داده شده در شکل روبرو تشکیل شده باشد، در این صورت با توجه به شکل می توان نوشت:

با استفاده از رابطه هندسی که بین ابعاد قسمت های مختلف کوره و حجم مفید کوره برقرار است و روابط تجربی دیگر می توان تا حدودی مشخصات یا ابعاد کوره بلند را تعیین کرد.

1- زاویه α و β بر حسب مشخصات اجرایی (نوع، دانه بندی و کیفیت بار و ...) به ترتیب بین 75 تا 82 و 84 تا 87 درجه متغیر است.

2- معمولا یک رابطه تجربی بین قطر دهانه کوره (D_t) و قط شکم وجود دارد. به عنوان مثال روابط زیر زا می توان برای بارهای گوناگون نوشت:

برای بار دانه ریز و پر عیار Dt=0.67 D_B

برای بار دانه درشت و کم عیار Dt=0.75 D_B

3- قطر بوته (D_C) همانطور که گفته شد تابعی است از مقدار کک که در واحد زمان و واحد سطح می سوزد به عبارت دیگر تابعی از شدت احتراق می باشد. چنانچه p تولید روزانه چدن وm میزان مصرف کک به ازای هر تن چدن باشد

C=p×m

رابطه فوق میزان مصرف کک در 24 ساعت را نشان می دهد. شدت احتراق از رابطه زیر بدست می آید. شدت احتراق به طور تجربی تعیین می شود و می تواند در حدود 0.7 تا 1 تن بر متر در ساعت باشد.

مقدار D_c از رابطه زیر محاسبه می شود:

ارتفاع کوره بلند تابعی از مقاومت مکانیکی کک مصرفی، نوع بار مصرفی و ظرفیت کوره است. هر چه ارتفاع کوره بیشتر شود، تبادل حرارتی بین گاز و مواد جامد بهتر صورت گرفته و به علت افزایش وزن ستون بار، خطر چسبیدن بار به بدنه کاهش می یابد، ولی افزایش ارتفاع از دو جهت محدودیت دارد. مورد اول به خاطر استحکام کک است. زیرا با افزایش ارتفاع کوره، فشار ستون بار زیاد شده و منجر به خرد شدن کک های کم استحکام می شود. دوم این که حرکت بالا رونده گازها دچار اختلال شده و منجر به بی نظمی در کار کوره بلند می شود. معمولا بین ارتفاع مفید کوره بلند و قطر شکم، نسبت مشخصی برقرار است. این نسبت در گذشته در حدود 4 انتخاب می شد ولی در کوره های جدید که از بار همگن و دانه بندی ریز استفاده می کنند، این نسبت به 3.5 و کمتر کاهش یافته است. مجاری تخلیه و ارتفاع بوته، با توجه به حجم سرباره، زمان تناوب تخلیه و غیره تعیین می شود و ممکن است برای یک کوره بلند با تولید سه هزار تن در روز 2 تا 3 متر باشد.

موضوعات مرتبط: کوره بلند , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

دهانه کوره بلند و تجهیزات بار گیری

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:18 | بازدید : 1658 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

دهانه کوره بلند و تجهیزات بار گیری (Blast Furnace Throat and Loading Equipment) در طی سالیان مختلف تغییر کرده است. تا سال 1829 میلادی، کوره بلنددارای دهانه باز و در تماس با هوا بود در نتیجه گازهای خروجی کوره بلند در هوا می سوخت. اولین تلاش ها برای استفاده از گاز کوره بلند در جهت گرم کردن هوای مصرفی از سال های 1830 شروع شد. در سال 1845 اولین گرمکن های مجزا (مبدل حرارتی یا رکوپراتور) ساخته شد و از گاز کوره بلند برای گرم کردن هوای دم در این مبدل ها استفاده گردید. مهار کردن گاز دهانه کوره بلند نیاز به تاسیسات جدیدی در دهانه داشت در نتیجه تاسیساتی که به نام قیف و زنگ خوانده می شود، اولین بار در سال 1850 مورد استفاده قرار گرفت.

ابتدا از سیستم های تک زنگ استفاده شد و به تدریج سیستم دو زنگ و قیف دوار بکار گرفته شد. شکل روبرو تجهیزات اصلی بالای کوره های بلند و شکل زیر نیز تاسیسات دهانه دو زنگ با قیف دوار و مراحل شارژ به کوره بلند را نشان می دهند و زنگ ها از جنس فولاد بوده و به روش ریخته گری تولید می شوند و دارای زاویه شیبی در حدود 50 تا 55 درجه هستند.

نمایی از تاسیسات بالایی کوره بلند با دهانه دو زنگ

در مورد کوره های فشاری که فشار گاز در بالای کوره بلند بیش از یک اتمسفر است، باید در هر مرحله که زنگ بزرگ برای تخلیه به طرف پایین حرکت می کند، محفظه بالایی زنگ بزرگ را با گاز یا هوای فشرده پر کرد و فشار آن را برابر فشار بالای کوره کرد. بر عکس، هنگامی که زنگ کوچک می خواهد باز شود، می بایست مجددا فضای بین دو زنگ بزرگ و کوچک تخلیه شده و فشار آن برابر با یک اتمسفر گردد. گاهی در این کوره ها از دو زنگ کوچک و یک زنگ بزرگ استفاده می شود، به طوری که فضای بین زنگ بزرگ و کوچک همیشه فشاری برابر با فشار گاز کوره بلند را داشته باشد و فضای بین دو زنگ کوچک متناوبا فشرده و تخلیه می شود. برای شارژ کردن مواد به کوره بلند از سه وسیله به نام های اسکیپ، بیل مکانیکی و نوار نقاله استفاده می شود. از هر کدام از این سه روش که برای شارژ کردن مواد به کوره بلند استفاده شود، بایستی دهانه کوره برای آن روش طراحی شده باشد.

اسکیپ

ویرایش

اسکیپ وسیله ای است استوانه ای شکل که به کمک قرقره روی ریل های مخصوص حرکت می کند و مواد مصرفی کوره بلند را از بونکر ها به دهانه کوره حمل و در آنجا تخلیه می کند و معمولا از دو اسکیپ استفاده می شود که یکی در حال بالا رفتن (حاوی مواد شارژ) و دیگری خالی و در حال پایین آمدن است. دهانه ای که برای بارگیری توسط اسکیپ طراحی می شود به نام سیستم مک کی خوانده می شود.

این نوع دهانه از یک قیف ثابت و یک قیف دوار در بالای زنگ کوچک و یک قیف ثابت بین زنگ بزرگ و زنگ کوچک تشکیل شده است. چون اسکیپ ها در یک نقطه بار را تخلیه می کنند، با دوران قیف (سیستم توزیع کننده) بار به خوبی در اطراف زنگ کوچک توزیع می شود و پس از جمع شدن چند اسکیپ متوالی بار از روی زنگ کوچک تخلیه می شود. گاهی پس از هر اسکیپ، بار کوره بلند بر روی زنگ بزرگ تخلیه می شود. اسکیپ ها توسط دو موتور الکتریکی با قدرتی در حدود 250 اسب بخار (186500 وات) تغذیه می شوند. مثال زیر نحوه محاسبه شارژ و ظرفیت اسکیپ را نشان می دهد.

فرض کنید کوره بلندی که دارای دهانه ای در خط بار در حدود 7 متر است با دو اسکیپ بارگیری شود. چنانچه کک به صورت لایه ای با ضخامت متوسط 45 سانتی متر شارژ شود، حجم این لایه حدود 17.69 متر مکعب خواهد شد. این حجم کک را چنانچه به وسیله دو اسکیپ شارژ کرده، حجم مفید اسکیپ بایستی 8.8 متر مکعب باشد. بنابراین باید از دو اسکیپ با حجمی در حدود 9.91 متر مکعب استفاده کرد. چنانچه وزن مخصوص کک (512.6 کیلوگرم بر متر مکعب) باشد، 17.7 متر مکعب کک در حدود 9072 کیلوگرم وزن دارد. بنابراین در هر نوبت بایستی 9072 کیلوگرم کک شارژ نمود. فرض کنید در این کوره بلند برای تولید هر تن آهن خام، به 1.65 تن کانه، 0.525 تن کک، 0.3 تن مواد گداز آور و 0.05 تن قراضه نیاز باشد. در این صورت لازم است مقدار هر کدام از مواد بالا را که همراه 9072 کیلوگرم کک بایستی شارژ شود، محاسبه کرد. مثلا برای 1.65 تن کانه مصرفی می توان نوشت:

به همین ترتیب در هر مرتبه از شارژ مواد، بایستی حدود 5171 کیلوگرم مواد گداز آور و 862 کیلوگرم قراضه وجود داشته باشد. مقدار شارژ مواد برای این نمونه از کوره بلند در جدول زیر آمده است.

نوع ماده	شارژ (کیلوگرم)	شارژ (متر مکعب)	تعداد اسکیپ	حجم در هر اسکیپ (متر مکعب)
کک	9072	17.7	2	8.8
کانه	28512	13.7	2	6.8
مواد گداز آور	5171	3.1	1	-
قراضه	862	1.4	-	4.53
مجموع	43617	35.9	5

862 کیلوگرم از سبک ترین نوع قراضه، در حدود 1.4 متر مکعب حجم دارد. در مثال بالا قراضه همراه با مواد گداز آور شارژ می شود. چنانچه تولید روزانه در چنین کوره ای 3400 تن در روز و مصرف کک 476 کیلوگرم برای یک تن چدن باشد، مصرف روزانه کک حدود 1620 تن خواهد شد که طبق محاسبات بالا باید در 178 نوبت شارژ شود.

بنابراین روزانه باید تعداد 890 اسکیپ (5*178) شارژ نمود. چنانچه زمان لازم از یک توقف تا توقف بعدی اسکیپ یک دقیقه باشد، اسکیپ ها 890 دقیقه در شبانه روز (شبانه روز 1440 دقیقه) در حال حرکت خواهند بود. بارگیری فرآیند بالا به صورت زیر است:

فرض کنید اسکیپ شماره یک در حال پایین آمدن و اسکیپ شماره 2 در حال بار گیری باشد. اسکیپ شماره 2 در زیر قیف کانه که قبلا توزین شده است و حامل 14.27 تن کانه است، قرار گرفته و پر می شود وقتی تمام کانه به داخل اسکیپ تخلیه شد، تابلو، علامت داده و اسکیپ به طرف بالا فرستاده می شود. در این هنگام، زنگ کوچک کنترل می شود که بسته باشد. در صورت بسته بودن آن، محتویات اسکیپ روی زنگ کوچک تخلیه می شود. هم چنین سیستم توزیع کننده بار می چرخد تا تمامی بار در اطراف زنگ توزیع شود. هم زمان با تخلیه این اسکیپ، اسکیپ شماره 1 در حال بارگیری می باشد. زمانی که اسکیپ شماره 1 پر از کانه در حال بالا رفتن است و اسکیپ شماره 2 خالی و در حال پایین آمدن است، زنگ کوچک باز شده و محتویات خود را روی زنگ بزرگ تخلیه می کند. به همین ترتیب 2 اسکیپ کانه و یک اسکیپ کک و یک اسکیپ مواد گداز آور بر روی زنگ بزرگ ذخیره می شود. سپس هر گاه دستگاه اندازه گیری سطح بار در تنوره کوره بلند علامت داد (یعنی اینکه سطح بار با اندازه کافی پایین رفته و می توان بارگیری نمود)، زنگ بزرگ باز شده و محتویات خود را در کوره تخلیه می کند. بنابراین هر بار که زنگ بزرگ باز می شود، 43.7 تن مواد شامل کانه، کک و مواد گداز آور را در کوره تخلیه می نماید.

بیل مکانیکی

ویرایش

بیل مکانیکی، واگن یا سبد بزرگی است که کف آن می تواند باز شود. وقتی از بیل مکانیکی برای بارگیری استفاده می شود دهانه مخصوص آن باید طراحی شود تا بتواند به راحتی بر روی دهانه کوره بلند قرار بگیرد. این وسیله بارگیری توسط جرثقیل حرکت کرده و روی دهانه کوره قرار داده می شود سپس دریچه های کف بیل باز شده تا محتویات آن درون کوره تخلیه شود. چنانچه سیستم دهانه کوره بلند تک زنگ باشد، هنگام قرار گرفتن بیل مکانیکی بر روی دهانه، زنگ باز می شود و بار مستقیما داخل کوره تخلیه می شود. در این حالت مقداری از گازهای کوره بلند وارد بیل مکانیکی می شود که بعدا تخلیه می گردد. اسکیپ نسبت به بیل مکانیکی دارای مزایای زیر است:

1- سرعت حرکت اسکیپ نسبت به بیل مکانیکی بیشتر است.

2- چون در اسکیپ بار بر روی سطح شیبدار حرکت می کند، نیروی کمتری لازم دارد پس قدرت موتورهای بالابرنده کمتر است.

بیل مکانیکی چون با جرثقیل حمل می شود، سرعت کمتری نسبت به اسکیپ دارد هم چنین بایستی در دهانه کوره بلند جایگاه مخصوصی برای آن درست کرد. ارتفاع بار در بیل مکانیکی کمتر از اسکیپ است و از این جهت مزیت محسوب می شود.

نوار نقاله

ویرایش

به جز بیل مکانیکی و اسکیپ، در برخی کارخانه ها از نوار نقاله برای بارگیری استفاده می کنند. این سیستم بر خلاف روش های دیگر، به کنترل بسیار دقیق نیاز دارد.

به طور کلی ریزش بار در کوره بلند توسط یکی از روش های زیر انجام شود:

الف) باردهی مرکزی: در این روش بار در مرکز کوره بلند ریخته می شود بنابراین به علت یکسان نبودن زاویه غلتیدن کانه و کک، درصد کک در جداره کوره بلند بیشتر از مرکز آن خواهد بود.

ب) باردهی جانبی: در این روش بار از یک طرف وارد کوره بلند می شود بنابراین درصد کک در یک طرف بیشتر از طرف مقابل خواهد بود.

ج) باردهی محیطی: در این روش بار به طور یکنواخت بر روی محیط دایره داخل کوره بلند ریخته می شود (شکل روبرو). چنانچه مقطعی از کوره را در نظر گرفته، بار در دو نقطه A و B ریخته می شود. بنابراین درصد کک در نقاط D ، C و E بیشتر از سایر نقاط خواهد بود. این روش بارگیری مناسب تر از دو روش قبل است. بایستی یادآوری کرد که شارژ کردن مواد به درون کوره بلند با سیستم های دوزنگ همراه با توزیع کننده، علاوه بر مزایای گفته شده این ویژگی را هم دارد که ریزش ار درون کوره به شکل (M) می باشد. بنابراین دارای یکنواختی بیشتری است.

موضوعات مرتبط: کوره بلند , ,

امتیاز مطلب : 4

تعداد امتیازدهندگان : 1

مجموع امتیاز : 1

تخلیه مذاب و تجهیزات آن در کوره بلند

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:15 | بازدید : 1261 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

تخلیه مذاب و تجهیزات آن در کوره بلند (Melt Tapping Equipments in Blast Furnace) در سطح یا طبقه ای از کوره بلند صورت می گیرد که مجاری تخلیه مذاب و سرباره در آن سطح واقع است و منطقه تخلیه مذاب خواند می شود. کلیه عملیات مربوط به تخلیه مذاب و سرباره و هدایت آن ها به واگن های حمل در این طبقه انجام می شود. بیشتر کوره های با ظرفیت کم و متوسط شامل دو مجرای خروج سرباره و یک مجرای خروج مذاب هستند ولی در کوره های بزرگتر ممکن است مجرای خروج مذاب نیز دو عدد یا بیشتر باشد. معمولا در اطراف مجرای خروج مذاب، از خنک کننده های آبی استفاده نمی کنند زیرا سوراخ شدن احتمالی آن باعث انفجار خواهد شد.

بستن مجرای خروج مذاب

ویرایش

مجرای خروج مذاب را پس از تخلیه چدن خام، توسط گلوله هایی از خمیر خاک رس همراه با 10 تا 20 درصد پودر کک مسدود می کنند. این گلوله ها، توسط دستگاهی به نام توپ ملات نسوز، به داخل مجرای خروج مذاب فرستاده می شود. این دستگاه ها ممکن است مانند شکل روبرو توسط یک پیستون که با نیروی بخار کار می کند، عمل شلیک گلوله را درون مجرای مذاب انجام دهند و یا شبیه شکل زیر توسط یک پیچ حلزونی، مواد مسدود کننده را به داخل مجرا بفرستند. توپ های الکتریکی ملات نسوز، امروزه بیشتر از نوع اول ساخته می شوند که با نیروی محرکه الکتریکی کار می کنند.

نوعی از توپ برای بستن مجرای مذاب کوره بلند

مدلی از توپ الکتریکی برای بستن مجرای خروج مذاب در دو نما

برای اینکه هنگام بستن مجرای مذاب خطری ایجاد نشود، کار با توپ مسدود کننده مجرا به وسیله کنترل از راه دور انجام می شود. هنگام مسدود کردن مجرای مذاب، نه تنها بایستی کانال مجرا از مخلوط نسوز انباشته گردد، بلکه لازم است که خاک نسوز وارد قسمت داخلی کوره شده و قسمتی از آجر چینی اطراف مجرای مذاب را که در هنگام باز کردن صدمه دیده بپوشاند. برای این کار می بایست ملات نسوز با فشاری معادل با فشار داخلی کوره توسط توپ الکتریکی وارد مجرای مذاب شود. در هنگام شلیک ملات نسوز به داخل مجرای آهن، دستگاه های مشخصی از عقب نشینی توپ جلوگیری می کند و معمولا لوله توپ به مدت مشخص (مثلا نیم ساعت) در جلوی مجرای مذاب باقی می ماند تا ملات خشک شده و به اصطلاح خود را بگیرد. درترکیب ملات نسوز، همانطور که گفته شد از مخلوط های خاک رس و پودر کک استفاده می کنند. در عین حال هر کارخانه ای ممکن است درصد مشخصی از این دو ماده را ترجیح دهد و یا مواد دیگری چون پودر شاموت و قیر با درجه نرم شدن زیاد به میزان حدود 10 درصد همراه با خاک رس و کک استفاده کنند.

باز کردن مجرای چدن خام مذاب

ویرایش

باز کردن مجرای مذاب چدن خام، معمولا در دو مرحله انجام می شود. ابتدا توسط یک مته بادی یا الکتریکی بر اساس شکل زیر ملات نسوزی را که قبلا درون مجرا گذاشته اند، سوراخ می کنند و تا نزدیکی جدار داخلی کوره پیش می روند. در مرحله دوم از یک لوله دمش اکسیژن استفاده می کنند. لوله دمش اکسیژن، یک لوله فولادی به طول تقریبی 12 متر است که گاز اکسیژن به داخل آن فرستاده می شود. لوله اکسیژن را داخل مجرای مذاب می کنند و در این حال سرباره ای که جدار کوره و جلوی مجرای مذاب را گرفته، با اکسید آهن حاصل از سوختن لوله فولادی ترکیب شده و سیالیت لازم را پیدا می کند و کم کم خارج می شود در نتیجه مجرا باز می گردد. پس از باز شدن مجرا، چدن مذاب با فشار زیاد خارج می شود البته مقداری سرباره نیز ممکن است همراه آن خارج شود. چدن مذاب از طریق کانال هایی به داخل پاتیل های مذاب هدایت می شود و در عین حال سرباره همراه با مذاب نیز گرفته می شود.

دستگاه بازکننده مجرای مذاب کوره بلند

مجرای خروج سرباره به طور کامل بوسیله آب خنک می شود و معمولا از سه سرد کننده مخروطی که در داخل هم قرار گرفته اند، تشکیل شده است. بستن مجرای خروج سرباره بوسیله ماشین مسدود کننده یا نگهدارنده بر اساس شکل زیر انجام می شود. قسمت جلوی اهرم اصلی دستگاه یک توپی ( به شکل چوب پنبه) قرار دارد که کاملا داخل مجرای سرباره می شود. توپی و اهرم اصلی به وسیله آب خنک می شوند. در گذشته مجرای خروج سرباره را با گلوله ای از گل رس که با دست به داخل مجرا پرتاب می کردند مسدود می نمودند. باز نمودن مجرای سرباره نیز آسان بوده و به وسیله میله نوک تیزی انجام می شود.

دستگاه مسدود کننده مجرای خروج سرباره

موضوعات مرتبط: کوره بلند , ,

امتیاز مطلب : 5

تعداد امتیازدهندگان : 1

مجموع امتیاز : 1

نسوز کوره بلند

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 16:9 | بازدید : 1931 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

خصوصیات نسوز کوره بلند (Blast Furnace Refractories) در قسمت های مختلف را با توجه به شرایط کار آن ناحیه می توان به شکل زیر تقسیم بندی نمود:

الف) گلوی کوره تا خط بار

این ناحیه کوره بلند، تحت تاثیر نیروهای ضربه ای و سایشی شدید قرار دارد. عامل مخرب دیگری که در این ناحیه وجود دارد، رسوب کربن است. به منظور جلوگیری از اثرات مضر ضربه و سایش، نسوز گلوی کوره بلند، با صفحات فولادی مقاوم به سایش پوشیده و تجهیز می شود. اما این صفحات کاتالیزور مناسبی برای واکنش رسوب کربن هستند. به منظور کم کردن این اثر، می توان صفحات مزبور را پوشش داد یا از عملیات ماسه زنی استفاده کرد. طراحی دهانه کوره بلند نیز سهم به سزایی در خوردگی و سایش دیواره ها دارد. شکل زیر دو نوع دهانه را در حالت ابتدایی و پس از فرسایش نشان می دهد.

نحوه فرسایش نسوز در کوره بلند دو نوع دهانه مختلف ، پیش از فرسایش (سمت چپ) و پس از فرسایش (سمت راست) 1

مسئله دیگری که در نسوز این ناحیه از کوره ممکن است رخ دهد، رسوب فلزاتی مثل روی و سرب در داخل نسوز است که باعث انهدام آن ها می شود. اگر چه تخریب قلیایی ها در قسمت های پایین تنوره کوره بلند چشمگیرتر است، ولی تا حدود خط بار نیز تاثیر قلیایی هایی مانند اکسیدهای سدیم و پتاسیم و ... بر روی نسوزها مشاهده شده است.

ب) بدنه کوره یا تنوره

تنوره کوره بلند فعال ترین محل برای واکنش رسوب کربن است. با توجه به اینکه واکنش به دما وابسته است و در دمای حدود 450 درجه سانتی گراد بیشترین سرعت را دارد، بنابراین واکنش مزبور بر حسب فاصله از خط بار می تواند در مقاطع و ضخامت های مختلف از نسوز تنوره کوره بلند رخ دهد. مثلا در قسمت های پایین تنوره کوره بلند، بیشترین رسوب کربن در مناطقی از دیواره نسوز که نزدیک به جوشن است رخ می دهد در حالیکه در قسمت های بالای تنوره، رسوب کربن بیشتر در آجرهای نزدیک به داخل کوره و در سطح داخلی کوره بلند رخ می دهد. بنابراین، خسارت مربوط به رسوب کربن در تمام طول تنوره و در تمام ضخامت دیواره کوره بلند وارد می شود.

در کوره های جدید که دیواره تنوره به وسیله جعبه های آب سرد می شود مسئله ذکر شده در بالا وجود ندارد. دو سوم پایین تنوره کوره بلند حساس ترین ناحیه برای فعالیت و خسارت ناشی از قلیایی ها است. در نسوز های تخریب شده که از این نواحی بدست آمده گاهی تا 30 درصد عناصر قلیایی مشاهده شده است. واکنش عناصر قلیایی با نسوز دیواره کوره بلند باعث تشکیل ترکیبات سه تایی در قشر سطحی آجر شده (ترکیباتی با دمای یوتکتیک پایین) که خود باعث ایجاد پوسته ای با مقاومت کم به ضخامت چند سانتی متر در سطح نسوز می شود. بنابراین، به نظر می رسد فرسایش نسوز در قسمت تنوره بیشتر به علت تراشه شدن یا پوسته شدن قشر مذکور باشد. با توجه به آنچه گفته شد نسوز کوره بلند در قسمت تنوره یا بدنه باید نسبت به رسوب کربن و قلیایی ها مقاوم باشد. بنابراین باید کاملا متراکم بوده و نفوذ پذیری کمی نسبت به گازها داشته باشد. آجرهای نسوز در این قسمت باید حاوی حداقل مقدار آهنباشد زیرا وجود آهن در نسوز، واکنش رسوب کربن را تسریع می کند. نسوزی که در این قسمت استفاده می شود معمولا رسی بوده و دارای 39 تا 42 درصد آلومینا می باشد. حتی از نسوز هایی با بیش از 42 درصد آلومینا هم استفاده شده است.

ج) نسوز ناحیه شکم و لوله های دم

نسوزهای ناحیه شکم کوره بلند در معرض دمای بالا و مواد سرباره هستند و بیشترین خسارت وارده به نسوزهای این منطقه بدین دلیل می باشد. بدون استفاده از خنک کننده، از مواد نسوز متداول مانند نسوزهای آلومینایی، آلومینوسیلیکاتی و حتی مواد نسوز مرغوب تر مانند مولایت هم نمی توان برای مدت زیاد استفاده کرد. نحوه و الگوی فرسایش در نسوزهای این قسمت بستگی به محل و فاصله خنک کننده ها دارد و منطبق بر الگوی درجه حرارت است. به عبارت دیگر بیشترین فرسایش در نواحی بین دو سرد کننده، جایی که اثر سرد کنندگی کمتر و دما بالاتر می باشد، رخ می دهد. در کوره های بلند جدید برای افزایش بازده تولید، دمش هوا با سرعت بیشتر و دماهای بالاتر انجام می شود، هم چنین مواد سوختی کمکی (مانند گاز یا سوخت مایع) نیز توسط هوای دم به کوره تزریق می شود. این شرایط، کار مواد نسوز را در ناحیه شکم و لوله های دم مشکل تر نموده و باعث فرسایش بیشتر آن ها می شود. به طوری که حتی از آجرهای نسوز متداول هم نمی توان در ناحیه شکم استفاده نمود. استفاده از نسوزهای کربنی درناحیه شکم به مقدار زیادی مشکلات این ناحیه را حل کرده است و نسوزهای کربنی ممکن است از مواد نفتی، آنتراسیت یا کک ساخته شوند. آجرهای پایه گرافیتی دارای 98-96 درصد کربن و در حدود 2.5-1 درصد مخلوط سیلیس و آلومینا دارند. در آجر های پایه آنتراسیتی مقدار کربن در حدود 94-88 درصد و مقدار مخلوط آلومینا و سیلس آن ها در محدوده 5 تا 10 درصد است.

به طور کلی، آجرهای نسوز کربنی مزایای زیر را در مقایسه با نسوزهای رسی دارند:

1- مقاومت شیمیایی بسیار خوبی در مقابل سرباره و فلز مذاب دارند.

2- ضریب هدایت حرارتی نسوزهای کربنی بیش از نسوز های رسی است بنابراین بهتر سرد می شوند.

3- تغییرات حجمی کمی دارند به عبارت دیگر، ضریب انبساط کمی دارند.

4- استحکام کافی در دماهای بالا دارند.

5- تخلخل کم داشته و غیر قابل نفوذ در مقابل مذاب می باشند.

تنها عیبی که آجرهای نسوز کربنی دارند، خطر اکسیداسیون آن ها در تماس با اکسیژن و آب است. چنانچه آب یا هوا از جایی به سطح نسوزهای کربنی نفوذ کند، باعث اکسیداسیون و تخریب آن ها می شود، هم چنین اکسیدهای موجود در سرباره ممکن است باعث خورده شدن این نسوزها شوند. در هر صورت نسوزهای کربنی گران قیمت تر هستند و نیاز به طراحی دقیق تری دارند ولی در عوض عمر طولانی تر دارند و می توان با استفاده از آن ها ضخامت نسوز دیواره های کوره بلند را کاهش داد. هدایت حرارتی خوب نسوز های کربنی باعث شده که خنک کردن کوره بلند بهتر شود ولی همانطور که گفته شد، بایستی از سیستم خنک کننده دقیقی استفاده کرد تا از نشت احتمالی آب جلوگیری شود (استفاده از خنک کننده های خارجی). نسوزهای ساخته شده از مواد نفتی مقاومت کمتری دارند. بنابراین، استفاده از آن ها برای ناحیه شکم کوره بلند توصیه نمی شود. در اطراف لوله های دم و مجاری خروج مذاب و سرباره به علت شرایط اکسید کننده، از نسوزهای رسی استفاده می شود.

د) نسوز بوته کوره بلند

بوته کوره بلند، محل جمع آوی مذاب و سرباره است. بنابراین نسوز آن بایستی در شرایط بسیار سختی کار کند و باید دارای شرایط زیر باشد:

1- دماهای بالا را تحمل کند (حدود 1600 درجه سانتی گراد).

2- با سرباره و فلز مذاب واکنش ندهد.

3- در مقابل نفوذ فلز مذاب مقاوم باشد.

4- در مقابل شوک حرارتی مقاوم بوده و در عین حال تخلخل آن کم باشد.

در گذشته برای این قسمت کوره بلند، از آجرهای نسوز آلومینوسیلیکاتی با درصد بالای آلومینای استفاده می شد ولی امروزه از نسوزهای کربنی استفاده می شود. مسئله مهمی که در آجر چینی بوته وجود دارد، امکان نشت مذاب از بین اتصالات آجرهای نسوز است. برای پیشگیری از این مسئله، آجرهای نسوز مصرفی در این قسمت را بایستی در حد امکان بزرگ ساخت ( به صورت بلوک های نسوز) و ابعاد آن نیز بایستی دقیق باشد تا فصل مشترک بین آجرها (یا بند آجرها) ظریف و حداقل باشد. به علت هدایت حرارتی خوب کربن، سرد کردن بوته با آب مفید بوده و عمر نسوز بوته را طولانی می کند. از آنجا که نسوزهای کربنی هیچ نوع واکنشی با سرباره نمی دهند، فرسایش نسوز دیواره های بوته منحصرا به علت سایش در اثر حرکت فلز مذاب و اکسیداسیون است. مسئله اکسیداسیون در اطراف مجرای خروج مذاب جدی تر است و گاهی رطوبت موجود در مذاب نسوز که برای مسدود کردن مجرا به کار می رود، عامل اکسید شدن نسوز می شود.

کف بوته کوره بلند علاوه بر دمای بالا، تحت تاثیر نیروی فشاری زیادی است. بنابراین استفاده از آجر یا بلوک های نسوز با تخلخل زیاد ممکن است باعث نفوذ مواد به کف کوره و در نتیجه نشست آن (انقباض) شود. در گذشته کف کوره تماما از نسوزهای رسی با 40 تا 45 درصد آلومین ساخته می شد ولی امروزه استفاده از بلوک های کربنی در کف کوره نیز متداول شده است. در اولین تلاش های انجام شده برای این منظور ، ابتدا در آمریکا 112 سانتیمتر (45 اینچ) از ضخامت کف کوره بلند از نسوز کربنی ساخته و در زیر آن از نسوز رسی استفاده شد. این طراحی با شکست مواجه شد زیرا به علت هدایت حرارتی خوب کربن، خط انجماد پایین تر از نسوز کربنی و در داخل نسوز های رسی واقع می شود هم چنین نسوزهای کربنی به علت وزن مخصوص کم، در جای خود باقی نمانده و آجرها یا بلوک های نسوز در سطح مذاب شناور می شوند. برای رفع اشکال دوم، کف کوره را به شکل مقعر ساختند و از بلوک های کربنی موج دار استفاده نمودند. برای رفع اشکال اول ضخامت نسوز کربنی را در کف تا 270 سانتیکتر (9 فوت) افزایش دادند و استفاده از خنک کننده های افقی برای کف بوته پیشنهاد شد. استفاده از خنک کننده های آبی افقی برای کف بوته کوره بلند اگرچه بسیار موثر است ولی ریسک بسیار بزرگی است زیرا نفوذ احتمالی آب از این خنک کننده ها، ایجاد انفجار در کف کوره می کند که صدمات زیادی به همراه دارد. اخیرا برخی از کوره ها از سیستم های خنک کننده به صورت دمش هوا در کف کوره بلند استفاده کرده اند.

نسوز برج های گرم کننده هوا

برج گرم کننده از دو قسمت اصلی محفظه احتراق و ناحیه مشبک یا لانه زنبوری تشکیل شده است. شراط خاصی که در این برج ها وجود دارد، مسئله نوسان های حرارتی (شوک حرارتی) در اثر سرد شدن و گرم شدن متوالی، گرد و غبار موجود در گاز مورد مصرف و نیاز به بیشترین سطح برای تبادل حرارت در ناحیه مشبک است. نسوز مورد استفاده در این برج ها باید نسبت به شوک حرارتی حداقل حساسیت را داشته باشد و در برابر سرد و گرم شدن، مقاومت خوبی داشته باشد. برای اینکه نسوز مقاومت بالایی در مقابل شوک حرارتی داشته باشد، بایستی میزان تخلخل آن زیاد باشد ولی با توجه به اینکه آجرهای نسوز در مناطق پایین بایستی وزن آجرهای بالایی را تحمل کنند و از طرفی مشکل نفوذ گرد و غبار موجود در گاز به داخل منافذ آجر، عملا نمی توان تخلخل آجرهای نسوز را افزایش داد.

در برج های گرم کننده، از گاز کوره بلند به عنوان سوخت استفاده می شود. این گاز اگر چه قبلا توسط دستگاه های مختلف تمیز شده است اما باز هم مقداری مواد جامد ریز با خود دارد. این مواد شامل اکسیدهای آهن، ذرات آهک و مواد قلیایی است. رسوب این مواد روی نسوز برج های گرم کننده باعث تخریب آن ها می شود، بنابراین بایستی نسوز در مقابل این مواد نیز مقاوم باشد. هم چنین گاز مصرفی بایستی کاملا تمیز باشد. در مورد آجرهای نسوز ناحیه لایه زنبوری علاوه بر خصوصیاتی که ذکر شد، بایستی بیشترین سطح تبادل گرما را داشته باشند. آجرهای این ناحیه به علت شکل خاصی که دارند سال ها به صورت دستی تهیه می شدند که کیفیت مناسبی نداشتند اما امروزه با دستگاه های پیشرفته می توان به کیفیت مطلوب تری رسید. برای داشتن حداکثر تبادل حرارت، آجرهای ناحیه مشبک را به اشکال هندسی مشخصی می سازند که انواع آن ها در شکل روبرو آمده است. ساده ترین و ارزان ترین نوع آجر چینی که بیشترین کاربرد را دارد، نوع حصیری می باشد. در این روش، آجرهای ساده را طوری کنار هم قرار می دهند که بین آن ها فضاهای خالی مکعب مستطیل شکل ایجاد شود. این نوع آجرچینی کیفیت یکنواخت تری دارد. آجر چینی ناحیه مشبک به دو صورت انجام می شود:

- روش قدیمی

در این روش، آجر چینی ناحیه مشبک به صورت کاملا متحدالشکل و یکنواخت می باشد. به عبارت دیگر مجراهایی که بین آجرها برای عبور گاز تعبیه شده، از بالا تا پایین ناحیه مشبک یک اندازه و دارای سطح مساوی برای انتقال حرارت هستند.

2- روش جدید

در این روش، آجر چینی ناحیه مشبک طوری طراحی شده که ظرفیت گرمایی بر حسب متر مربع سطح گرم کننده به طور یکنواخت توزیع شود و از بالا به پایین کم می شود. در اغلب سیستم ها، مقطع کانال ها از بالا به پایین کم می شود یعنی مجاری عبور هوا و گاز در بالا بزرگتر و در پایین کوچکترند. به عبارت دیگر سطح گرم کننده در پایین زیادتر است. این روش طراحی رژیم حرارتی بهتری را در ناحیه مشبک ایجاد می کند.

بر حسب شرایط کار قسمت های مختلف برج گرم کننده، ممکن است از نسوزهای مختلفی استفاده شود. نسوز های نقاط مختلف برج های گرم کننده به صورتی انتخاب شده که مقاومت خزشی مناسب بر حسب دمای مورد استفاده را داشته باشند. نسوزهای مورد مصرف در برج های گرم کننده بایستی در مقابل نوسان های حرارتی و اثرات مواد گداز آور قلیایی و اکسیدهای آهن مقاوم باشند. در قسمت هایی از برج که دما بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد نیست و در لایه های خارجی دیواره، می توان از نسوز های رسی با حدود 40 درصد آلومینا استفاده کرد. در دیواره مقابل مشعل،نقاط بالای محفظه احتراق و نواحی مشبک که نسوز بایستی دماهای بالا را تحمل کند هم چنین مقدار گرمای زیادی را در خود ذخیره کند، معمولا از نسوزهایی با مقادیر زیاد آلومینا مانند مولایت و یا سیلیمانیت استفاده می کنند. این نسوزها دارای وزن مخصوص، نقطه خمیری شدن و ثبات حجمی بالاتری در مقایسه با نسوزهای رسی معمولی هستند. بالا بودن وزن مخصوص این نسوز ها برای داشتن ذخیره حرارتی بیشتر است و در هر صورت برخی از کارخانه های جدید که از برج های گرم کننده بزرگ استفاده می کنند، ترجیح داده اند که تناوب زمانی کار برج ها را کوتاه تر کنند تا از نسوزهای ارزان تر استفاده کنند. عمر نسوزهای برج های گرم کننده شدیدا به مقدار ناخالصی ها و آلودگی های گاز (به خصوص مواد قلیایی و اکسیدهای آهن) و دوره فعالیت آن ها بستگی دارد.

علل تخریب نسوزهای کوره های بلند

ویرایش

علل عمده از بین رفتن و فرسایش نسوزها در داخل کوره بلند به قرار زیر است:

1- سایش و ضربه

نسوز کوره بلند، به خصوص در قسمت های بالا (گلو و خط بار) در اثر برخورد و تماس با مواد شارژ، تحت تاثیر نیروهای سایشی و ضربه ای قرار دارند. میزان تاثیر این نیروها در خراب شدن نسوز کوره بلند تابع شرایط فیزیکی بار کوره بلند و نحوه بارگیری است. سایش نسوز اگر چه در قسمت های پایین کوره بلند کمتر است ولی خطرناک تر می باشد زیرا ایجاد خراش در نسوز کوره بلند در قسمت های زیر خط بار، باعث تشدید نفوذ تجزیه کننده هایی مانند اکسید کربن و قلیایی ها می شود.

2- رسوب کربن

گاز CO در دمای بالا پایدارتر از گاز دی اکسید کربن است و هر چه دما کمتر شود، ترتیب پایداری برعکس می شود. بنابراین در کوره بلند در قسمت های بالای تنوره در اثر کاهش دما، گاز طبق واکنش رسوب کربن تجزیه خواهد شد. در شرایط کوره بلند، این واکنش در دمای حدود 500 درجه سانتی گراد رخ می دهد. عامل دیگری که درانجام واکنش رسوب کربن موثر است، وجود اکسید آهن است که به عنوان کاتالیزور عمل می کند. بنابراین واکنش بالا در حضور اکسید آهن، سریع تر انجام می شود. انجام واکنش رسوب کربن در سطح آجرهای نسوز کوره بلند، باعث رسوب کربن در منافذ آجرها و روی سطح آجر ها می شود در نتیجه باعث ترک خوردن و تجزیه آجر می شود. معمولا مقاومت آجر و مصالح نسوز را در مقابل رسوب کربن توسط عبور دادن جریان گاز CO از روی آجر در دمای حدود 450 درجه سانتی گراد و اندازه گیری زمان لازم جهت تجزیه آن تعیین می کنند. این آزمایش با استاندارد های مختلف انجام می شود. روش های دیگری هم برای تعیین مقاومت آجر و یا حساسیت آجر نسبت به رسوب کربن، وجود دارد. در روش دیگر، از درون استوانه ای که شامل آجر نسوز خرد شده است به مدت 4 ساعت گاز CO در دمای 450 درجه سانتی گراد عبور می دهند و وزن گاز دی اکسید کربن خارج شده از استوانه را که مقیاسی از رسوب کربن و خوردگی آجر است، اندازه گیری می کنند. با توجه به آنچه گفته شد، برای اینکه آجر نسوز یا آستر کوره بلند در مقابل رسوب کربن مقاوم باشد بایستی اولا کاملا متراکم با قابلیت نفوذ پذیری کم باشد، ثانیا عاری از مواد آهن دار باشد و ثالثا خوب پخته شده باشد.

3- بخار های فلزات قلیایی

چنانچه در بار کوره بلند ترکیبات قلیایی که دمای تبخیر پایین دارند وجود داشته باشند، در قسمت های پایین کوره بخار می شوند و در قسمت های بالای کوره هنگام نفوذ در داخل آجرها مجددا متبلور می شوند. این عمل که همراه با تشکیل ترکیباتی مانند نفلین یا کالیوفیلیت در آجر نسوز است، باعث ترک برداشتن و تجزیه آجر می شود. از جمله مواد مضر در کوره بلند روی و سرب است. روی و سرب در قسمت های گرم کوره بخار شده و در قسمت های سرد ضمن نفوذ به داخل آجرها اکسید و منجمد می شوند. اکسیداسیون این مواد در داخل منافذ آجر نسوز همراه با افزایش حجم است که باعث متلاشی شدن آجر می شود.

4- تاثیر سرباره

با توجه به بازیسیته سرباره در کوره بلند، بایستی مواد نسوزی که در تماس با سرباره هستند به صورتی انتخاب شوند که با سرباره واکنش شیمیایی انجام ندهند. در این رابطه باید تاثیر خاکستر کک را در ناحیه لوله های دم در نظر داشت.

5- دما

تنها نسوز ناحیه احتراق و بوته کوره بلند است که در دماهای بالا کار می کند در نتیجه نسوزهای این ناحیه بایستی نقطه خمیر شدن بالایی داشته باشد.

خنک کردن کوره بلند

ویرایش

برای اینکه عمر نسوز کوره بلند افزایش یابد، خنک کردن نسوزهای کوره بلند لازم است. ساده ترین راه برای خنک کردن پوسته خارجی و نهایتا آجر چینی کوره، ریختن آب بر روی جوشن یا پوسته فلزی کوره بلند است. این روش امروزه فقط در مواقع اضطراری به کار می رود و معمولا از سرد کننده های داخلی استفاده می شود. برای سرد کردن بدنه یا تنوره کوره بلند، از خنک کننده های جعبه ای که ابعاد آن به اندازه آجر نسوز است و از جنس برنز، مس یا فولاد می باشد، استفاده می شود. این جعبه ها که در داخل آن ها آب جریان دارد، به صورت شطرنجی در داخل دیواره کوره نصب می شود. دستگاه های سرد کننده صفحه ای از صفحات چدنی تشکیل شده اند که داخل آن ها لوله های فولادی بدون درز برای گردش آب قرار داده شده است. این صفحات با ابعاد و شکل های مخصوص برای قسمت های مختلف کوره بلند ساخته می شوند. سرد کننده های صفحه ای که در تنوره کوره بلند به کار می روند، بر اساس شکل، دارای جریان آب افقی و عمودی است. در قسمت های بوته، شکم کوره بلند و ناحیه لوله های دم نیز از خنک کننده های صفحه ای استفاده می شود. کف بوته کوره بلند، یعنی زیر بلوک های کربنی نیز توسط خنک کننده های صفحه ای یا لوله های هوا سرد می شود.