تحقیق مقاله مواد نسوز

1 “ کاربرد مواد دیرگداز در صنایع آهن و فولاد”

حدود 70% کل تولیدات مواد نسوز در صنایع تولید آهن و فولاد مصرف می شود. بسیاری از تولید کنندگان فولاد در مراکز خود دارای پخش دیرگداز هستند که در این بخشها آزمایشهای متداول و معینی بر روی دیرگدازهای جدید دریافت شده انجام می دهند. بعضی از کارخانه ها نیز بخش های بزرگ تحقیقاتی دارند که در آنها تحقیقات مداومی بر روی ساخت انواع دیرگدازهای جدید صورت می پذیرد.

مذاب فلزات و سرباره اثرات مخربی بر روی آستر کوره های مورد مصرف در صنایع آهن و فولاد دارد. این مواد موجبات آلودگی، پوسیدگی، سائیدگی، شستن و حمل کردن آجرهای دیرگدازی را که ظاهراً باید در مقابل عوامل شیمیائی سخت و مقاوم باشند را فراهم می سازند. هدف اصلی طراحان و سازندگان مواد نسوز اینستکه موادی برای آسترها تهیه کنند که فلز و سرباره نه در آنها نفوذ نماید و نه با آنها وارد واکنش گردند. ایده آل این طراحان ساخت موادی است که بدون عیب بوده و مقاوم در مقابل شوکهای حرارتی باشند، البته آنها باید در عمل این ایده خود را تعدیل بخشند.

تولید آهن در کوره بلند

علیرغم احتمال وجود رقابتهائی از طرف روش احیا مستقیم در آینده، بنظر میرسد که استفاده از کوره بلند برای تهیه آهن خام لااقل برای سالهای زیاد دیگری همچنان متداول باقی بماند. شواهد و قرائن بسیاری تمایل بیشتر برای استفاده از کوره های بزرگتر از جانب تهیه کنندگان را نشان می دهد. استفاده از درجه حرارتهای بالاتر، دمش اکسیژن اضافی و کار در فشارهای بالاتر، شرایط انتخاب و کاربرد مواد نسوز بهتر، دقیقتر و بحرانی تری را فراهم می سازد.

کوره بلند عبارتست از یک سیلندر مخروطی فولادی که آستر آن بدلیل شرایط متفاوت ساختمان هر قسمت از کوره. توسط مواد دیرگداز مختلفی پوشیده شده است مواد شارژ شامل سنگ معدن آهن، کک و آهک از دهانه بالای کوره که می تواند تا حدود 36 متر نیز ارتفاع داشته باشد، وارد کوره بلند می گردد. هوای پیش گرم شده اغلب بهمراه مواد دیگری چون اکسیژن، بخار آب و دیگر گازها از میان لوله هایی بدرون توده شارژ دمیده می شود. در نتیجه این عمل کک سوخته و به CO2 تبدیل می گردد و آهن موجود در سنگ معدن شارژ را احیاء کرده و به آهن فلزی تبدیل می کند. واکنش زیر محصول کوره بلند را نشان می دهد:

مذاب آهن تهیه شده در ته کوره جمع آوری می گردد تا اینکه یا مستقیماً تحویل کوره فولاد سازی شود و یا برای انجام عملیات بعدی، ریخته گری و سرد گردد.

کوره بلند بر اساس تبادل متقابل انرژیهای شیمیائی و حرارتی عمل می کند. علیرغم وجود بیش از یک قرن سابقه تحقیقاتی در مورد تهیه آهن توسط کوره بلند، اطلاعات مختصری درباره توزیع درجه حرارت در هنگام کار این کوره ها موجود است. این امر مانع از عملکرد دقیق مواد دیرگداز بکار رفته در نقاط مختلف کوره می شود. بدنه، شکم و تنوره بخش های اصلی یک کوره بلند را تشکیل می دهد.( به شکل 1 توجه کنید). انتخاب دقیق مواد نسوز مناسب همراه با تعبیه سیستم خنک کننده در نقاط گرم کوره بخصوص نواحی شکم و بوته( محل جمع آوری مذاب) عمر کوره را افزایش می دهد اگر چه غالباً در اثر عملکرد عوامل مخرب ناشناخته، امکان بروز شکستهای ناگهانی وجود دارد.

گاز از ناحیه فوقانی کوره بلند خارج می شود و این در حالیست که در حدود 15 10 گرم بر سانتیمتر مکعب گرد و غبار حاوی ذرات سنگ معدن آهن، کک و مواد روانساز را به همراه دارد. در بعضی موارد غلظت این گردو غبارها به حدود100 نیز می‌رسد. مجموعه ای از عوامل چون درجه حرارت بالا، گرد و غبار معلق در کوره و مواد ساینده ناشی از حرکت نزولی شارژ کوره از بالا به پائین، مدت عمر آستر را معین می سازد. از آنجائیکه این اعمال با سرعت های متفاوتی در قسمت های مختلف کوره صورت می پذیرد لذا طراح می باید برای نواحی مختلف، مواد نسوز متفاوتی را انتخاب نماید.

برحسب مواد دیرگداز بکار رفته برای کوره بلند دو ناحیه متفاوت را می توان تصور نمود:

الف) منطقه فوقانی که بحرانی ترین ناحیه این قسمت، بدنه کوره بلند است.

ب) منطقه تحتانی شامل قسمت های تنوره، کف، شکم و لوله های دمنده هوا و…  

حدود تغییرات درجه حرارت در منطقه تحتانی با تقریب بسیار مابین C‌ْ 18001300 و در منطقه فوقانی بین C ْ1300200 می باشد. منطقه تحتانی که اجباراً در آن مذاب به همراه سرباره وجود دارد و فعل و انفعالات موجود در درجه حرارتهای بالا  صورت می پذیرد، موقعی می تواند پایدار بوده و عمل کند که آستر توسط جریان آب سرد خنک شود. نحوه ساخت منطقه فوقانی نیز باید بگونه ای باشد که در مقابل عملیات مکانیکی و خوردگی شیمیائی ناشی از گازها و بخاراتی که توسط شارژ ایجاد می شود مقاومت ورزد.

هنگامیکه کوره بلند در حال فعالیت می باشد تنوره آن در تمام طول عمرش تحت تأثیر مذاب آهن با درجه حرارتی حدود C ْ1500 و فشار  قرار دارد. باین ترتیب تنوره بزودی از بین خواهد رفت.

در این حالت مواد نسوز( آجرهای کربنی و یا خاک نسوز) در مذاب شناور شده و متصدیان کوره در معرض خطر نشت و نفوذ آهن به خارج کوره قرار می گیرند.

از آنجائیکه برای هر تعمیر اساسی لازم است کاملاً کار کوره متوقف گردد و بنابراین تنوره کوره بلند باید با مراقبت های ویژه ای ساخته شود. سرعت سایش و خوردگی مواد نسوز علاوه بر نوع و کیفیت دیرگداز بکار رفته تحت تأثیر نوع آهن شارژ شده نیز می باشد. ریخته گری چدن اسفنجی و فرو سیلیس ها نیاز به کوره های با درجه حرارت بالاتری نسبت به فولاد ریزیهای معمولی دارد. آهن های فسفر دار بدلیل ویسکوزیته کمتر دارای قدرت سایش بیشتری بر روی کف کوره هستند. سایش کف کوره های بلند نیز بسیار پیچیده و نامشخص است. علت این مسئله هم اینستکه از مواد دیرگداز کف کوره در طول انجام عملیات نمی توان بسادگی نمونه برداری و آزمایش نمود. کف کوره بصورت مداوم پوشیده از فلز مذاب آهن بوده و بنابراین تحت فشار زیاد قرار دارد.

“ فاکتورهای موثر در آستر کوره”

کارکرد خوب و موثر یک کوره بلند تحت تأثیر عوامل مختلفی چون طراحی کوره و  نحوه سرد شدن آن، کیفیت و خواص مواد دیرگداز بکار رفته، اندازه ذرات شارژ( سنگ آهن، کک و آهک)و روش کار عمومی آن به عنوان یک واحد تقریباً خودکار که بطور مداوم کار می کند، دارد. باید توجه عمده ای به اندازه ذرات مواد شارژ شده داشت زیرا که میزان ذرات ریز( بصورت گرد) موجود در شارژ تأثیر بحرانی و موثری بر روی مواردی چون عمر آستر بدنه و شکم کوره بلند دارد. استفاده از مواد نسوز کائولینی با دانسیته بالا در بدنه کوره موجب جلوگیری از نفوذ کربن مونواکسید می شود( به بحث های بعدی توجه کنید). جلوگیری از نفوذ CO باعث کاهش احتمال شکست آستر گردیده و این خود تائیدی برای این تئوری خواهد بود که شکست آستر توسط تجزیهCO و رسوب کربن صورت می پذیرد البته در این شرایط نیز ذرات کربن بخصوص بر روی نواحی اتصال آجرها با ملاط دیده می شود. این پدیده در مراحل ابتدائی آغاز کار کوره مهم است و باین خاطر اهمیت دارد که موجب انبساط حجمی

در ساختمان می گردد.

“ بوته کوره بلند”

هم اکنون در ایالات متحده آمریکا مصرف آجرهای کربنی برای کف بوته کوره بلند امری متداول است. برای چنین بوته هایی سرد کردن امری ضروری است. توپی مرکزی بوته از جنس آجر خاک نسوز ساخته می شود. اخیراً از سلیمانیت نیز برای این منظور استفاده می شود. تاکنون ترکیبات مختلفی از آجرهای کربنی و آجرهای خاک نسوز در دنیا برای بوته بکار گرفته شده اند اما برخی متخصصان نسبت به کار برد بلوک های کربنی در قسمت فوقانی بوته هشدار داده اند زیرا احتمال سایش آنها در اثر دمش هوا وجود دارد.

علاوه بر این وقتیکه آهن های کم کربن در کوره ذوب شوند احتمالاً کربن های موجود در آجر کربنی در مذاب حاصله حل شده و آجرها بیش از پیش متخلخل گردیده و در نتیجه سریعتر سائیده می شوند. استفاده از مخلوط کوبیدنی کربن کرم منیزیت در آستر عموماً به افزایش عمر بوته کمک می نماید.

در مواقعیکه آجر های کربنی با دانه های کربن ریز در دیواره های بوته قرار داشته باشد، رسوب نمودن کربن بر روی آجر نیز می تواند نقشی تعیین کننده در عمر بلوک‌ها داشته باشد. یک راه ممکن برای رفع این اشکال استفاده از آجرهای  کربنی با نفوذ پذیری کمتر می باشد. این امر ارتباط کامل به منبعی که کربن از آن تهیه شده است دارد( بعنوان مثال کربن حاصل از کک نفتی، آنتراسیت و… ) در مدت بهره برداری از آجرهای دیر گداز بوته کوره بلند، تغییرات مینرالوژیکی و شیمیائی مهمی در آنها رخ می دهد.

مواد قسمت تحتانی با موادی چون آهن، کاربید و گرافیت آغشته گردیده که این امر موجب افزایش دانسیته و بالا رفتن هدایت حرارتی آنها می شود. بالا رفتن هدایت حرارتی سبب افزایش راندمان سرد شدن و در نتیجه جلوگیری از سایش آستر می گردد. بمرور در ضمن فعالیت کوره صرفنظر از نوع آجر بکار رفته ناحیه مرکزی ته بوته بوسیله سرباره و آهن جایگزین می گردد.

در سالهای اخیر شکلهای غیر مترقبه و غیر منتظره از بین رفتن بوته های کوره بلند مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایشها نشان داده که برخی بوته ها حاوی ذرات فلزی کروی با قطر حدود 5/7 سانتی متر است. در نزدیکی دیواره بوته رگه های سفید رنگی که بعداً معلوم شده کریستوبالیت است با ضخامت حدود 5/1 سانتی متر نیز دیده شده است. بنظر می رسد که کریستوبالیت ها از تجزیه دیر گدازهای بوته ناشی شده اند.

“ شکم کوره”

مواد دیرگداز بکار رفته در آستر شکم کوره بلند تحت سایش و خوردگی حاصل از تماس سرباره مذاب با درجه حرارتی حدود C ْ1500 و عوامل ساینده ای چون کلوخه های بارکوره قرار دارند. نحوه عمل کوره بخصوص از نظر سرعت دمش هوا بسیار مهم است. بعضی از تولید کنندگان آهن خام معتقد بودند که سرعت کم دمش، اثر معکوسی بر روی عمر شکم کوره بلند دارد. هنوز هم مباحثه در مورد بهترین انواع مواد دیرگداز بکار گرفته شده در شکم کوره ادامه دارد، و بسیاری از تولید کنندگان مکرراً عقایدشان را تغییر می دهند.      

آجرهای کربنی، خاک نسوز و گاهی اوقات آجرهای آلومینائی ذوب و ریخته گری شده( شامل زیرکون آلومینا) بعنوان آستر شکم کوره بکار گرفته می شوند. آجرهای کربنی تعبیه شده در نزدیکی خنک کننده های جت های دمش هوا به سرعت بوسیله بخار آب، گاز CO2 و یا هوا اکسیده می گردند. با تحقیقات انجام شده آجرهای کربنی با نفوذ پذیری کم برای پیشگیری از رسوب کربن و تجزیه CO  پیشنهاد شده است. خواص مطلوب دیگر آجرهای کربنی مورد مصرف در شکم کوره بلند، بالا بودن هدایت حرارتی، مقاومت در برابر محیط های قلیائی، مقاومت بالا در مقابل اکسیداسیون و استحکام فشاری بالا می باشد. اثر نمکهای پتاسیمی که از طریق گازها و بار کوره بدرون خلل و فرج آستر نفوذ می کنند نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است، علت این اهمیت آنستکه یونهای پتاسیم توسط نفوذ در شبکه ذرات کربن آنها را منبسط کرده و موجب تجزیه آجر می گردند.

مقدار خوردگی شیمیائی در آستر شکم کوره ها مستقیماً به میزان قلیائیت سرباره و ویسکوزیته آن بستگی دارد، مثلاً سرباره ای حاوی 45% اکسید کلسیم بسیار خورنده هستند. عمر آستر شکم کوره به شکل گیری پوسته ای از آلومینا و سیلیس( ناشی از شاموت موجود در آجر در مورد آجرهای آلومینو سیلیکاتی) غنی شده از آهک، منیزیم و دیگر اکسیدهای حاصله از شارژ بستگی دارد.

تنوره کوره بلند

جنبه های شیمی فیزیکی کارکرد دیرگدازهای تنوره کوره بلند شاید یکی از جالب ترین وجوه تکنولوژی دیرگدازها از نقطه نظر تاثیر آن بر کوره بلند باشد. پدیده کلاسیک تجزیه در اثر کربن فقط یکی از دلایل شکست مواد نسوز بکار رفته در بدنه کوره است. اگرچه همانطور که قبلاً هم ذکر شد استفاده از آسترهای کائولینی با دانسیته بیشتر از وخامت و اهمیت این مسئله میکاهد ولی آنرا کاملاً از بین نبرده و همچنان این مسئله مطرح است. در هر حال مسایل بسیار دیگری نیز برای تولیدکنندگان دیرگدازها وجود دارد. با تحقیقات فراوان انجام شده معین شده است که:

شکست آستر تنوره کوره بستگی کامل به خواص دیرگدازها، سیستم خنک کنندگی آستر، سیکل عملکرد کوره، عمل قلیائیها، سرباره اولیه، اکسید روی(Zincite) ، رسوب کربن، شدت دمش کوره، تنش حرارتی حاصل در ساختمان، سایش حاصله توسط شارژ، و فاکتورهای دیگر دارد. جهت افزایش مقاومت آستر باید این موارد را رعایت کرد: اولاً باید از آجر متراکمی که از مواد کائولینی همراه با مقادیر زیادی از شاموت و حداقل مقدار مواد روانساز تهیه شده و در درجه حرارت بالائی پخته شده باشد استفاده نمود. ثانیاً بهترین سیستم خنک کنندگی را پیش بینی و اجرا کرد. ثالثاً سیکل کار کوره را مخصوصاً در آغاز سیکل پس از دمش هوا و قبل از مرحله خشک کردن نهائی آستر تنظیم و تثبیت نمود.

اخیراً یکی از محققین مقاله ای پس از راهنمائی های عملی در مورد آنچه که برای بهبود وضعیت مواد دیرگداز کوره بلند مورد نیاز است ارائه نموده و در این مقاله بر تفاوت شرایط بالا و پائین تنوره کوره تائید کرده است. آجرهای کائولینی و سلیمانیتی برای کاربرد در قسمت فوقانی تنوره مناسب است و امکان دارد در مواقعیکه آجرهای دیرگداز قسمت تحتانی که رضایتبخش نبوده اند تعویض می شوند آجرهای قسمت فوقانی در جای خود باقی بمانند. دیرگدازهای مختلفی در محدوده 42 95% آلومینا( سیلیمانیت، آجر نسوز، آجرهای ذوب و مواد روانسازشده) در قسمت تحتانی تنوره کوره بلند مورد استفاده واقع شده اند.

یکی از محققین تجربیات بدست آمده در مورد عمر آسترهای کوره بلند در ایالات متحده را مورد بحث قرار داده است.

نتیجه گیری های او که مبتنی بر تجربیات حاصل از سالیان متمادی کار در شرکت تهیه فولاد ایالات متحده است بر روی تغییرات مینرالورژیکی آجرها ضمن کار در کوره و اهمیت آماده سازی شارژ( شامل اندازه دانه های کک، سنگ معدن و آهک) تاکید فراوان دارد. اظهار نظر محققین انگلیسی در مورد کاهش اهمیت اثر کربن در شکست آستر در واقع نتایج این محقق آمریکائی را تائید می کند.

امروزه بنظر می رسد که مسئله محل اتصال آجرها اهمیت بیشتری دارد.

“ اثر قلیائیها بر تنوره کوره بلند”

در ناحیه تحتانی تنوره کوره مواد قلیائی قادرند تا عمق زیادی در آستر نفوذ کنند. عمماً غلظت مواد قلیائی 109% بوده که گاهی تا 25% نیز میرسد. در آمریکا توسط اضافه کردن سطوح مبردها میزان خسارت وارده به آستر تنوره کوره را کاهش می دهند. در گذشته خسارت وارده به آجرهای خاک نسوز آستر را مربوط به تجزیه کربن میدانستند ولی امروزه تحقیقات نشان داده است که این مسئله مربوط به نفوذ قلیائیها می باشد. مواد قلیائی بداخل آجر خاک نسوز نفوذ کرده و قبل از  اینکه رسوب کربن به مرحله خطرناک رسیده و باعث شکست آجر گردد، موجب ترکاندن آن می گردد. در واقع این امر بخاطر تشکیل کلسیت(Kalsite)   در آجر است. یک آزمایش نشان می دهد که ترکیب حاصله شامل K2O 4/28% و Na2O 2/4% می باشد.

مطالعات انجام شده بر روی مقطع آجر خاک نسوز تنوره کوره نفوذ قابل توجهی از مواد قلیائی را از بالا بسمت پائین مشخص کرده و نشان می دهد که واکنش های شیمیائی صورت گرفته در دیرگداز منجر به تشکیل ترکیبات آلومینا سیلیکاتی قلیائی گردیده است. ساختمان دیرگداز مخصوصاً میزان نفوذ پذیری آن در مقابل قلیائیها نسبت به ترکیب شیمیائی دیرگداز از اهمیت بیشتری برخوردار است. کربناتها، اکسیدها و همچنین سیانید پتاسیم می توانند مسئول روانسازی و تجزیه آستر تلقی گردند( به جدول شماره 2 نگاه کنید).

برخی محققان عقیده دارند هنگامیکه مواد قلیائی با آجر خاک نسوز آلومینای پائین واکنش می کند یک مایع شیشه ای حاصل می شود در حالیکه در صورت واکنش با مواد آلومینای بالا محصولی خشک و پودری شکل تولید می کنند، که می تواند موجبات ترکیدن مواد دیرگداز را فراهم کند. ترکیبی شامل 42% آلومینا ترکیب مناسبی است که می تواند مواد قلیائی را جذب کرده بدون اینکه تغییرات ابعادی داده و یا فازی مایع تولید نماید.

اثر CO بر روی آستر کوره بلند

بدلیل طبیعت فرآیندهای متالورژیکی که در کوره بلند اتفاق می افتد محیط کوره مملو از گاز CO می باشد. در حضور اکسید آهن که بعنوان ناخالصی در مواد رسی آجرهای خاک نسوز موجود است، مونواکسید کربن(CO) تجزیه شده بصورت ذرات ریز کربن در داخل خلل و فرج آجرها رسوب می کنند. این عمل در درجه حرارت حدود C ْ600300 برای خلل و فرج ریز کوچکتر از 5-10 سانتی متر صورت می گیرد، و به همین علت مقدار دقیق تخلخل آجرهای بکار رفته برای تنوره کوره بلند از اهمیت خاصی برخوردار است. کربن ناشی از تجزیه CO با آهن موجود در ماده اولیه آجر تشکیل سمنتیت(Fe3C) داده، مقداری انبساط حجمی بوجود میآورد. بدین ترتیب آجر ترد شده و سرانجام می شکند. حاصل این امر از بین رفتن آستر تنوره کوره می باشد.

واکنش مربوط به صورت :

می باشد. میزان نفوذ CO و در نتیجه رسوب کردن کربن مستقیماً به قابلیت نفوذ پذیری آستر کوره در مقابل گاز و فشار گازهای موجود در کوره بستگی دارد. از آنجائیکه تصور می شود ذرات کربن موجب تردی ساختمان آجرها می گردد. بنابراین هر چیزی که بتواند از میزان نفوذ گاز بکاهد در جلوگیری از تجزیه کربن مفید خواهد بود. لذا بعضی از متصدیان بر این عقیده اند که نفوذ مواد قلیائی بعلت کاهش دادن خاصیت نفوذ پذیری در مقابل گازها در بعضی موارد به کاهش تجزیه کربن کمک می‌کند.( به بخش قبلی در موارد قلیائی رجوع کنید).

اثر کاتالیتکی(Catalytic) اکسیدهای آهن در آجرهای خاک نسوز را می توان توسط پختن دیرگدازها در حرارتهای بالاتر(تا C ْ1500) و تبدیل ترکیبات آهن به سیلیکاتهای غیر قابل احیاء، کاهش داد. امروزه سعی می شود که از مواد رسی کائولینی با مقدار آهن کم استفاده شود و برای حصول به حداکثر دانسیته ممکن، پخت آنها در درجه حرارتهای بالا انجام می شود. ولی از آنجائیکه این امر ممکن است موجبات کم شدن مقاومت در مقابل پوسته ای شدن گردد، باید برخی خواص و مزایا را فدای برخی دیگر کرده، و با در نظر گرفتن کلیه جوانب ترکیبی مناسب را برای کار انتخاب نمود.

تاثیر اکسید روی

بعضی ها عقیده دارند که روی و اکسید روی که از طریق اکسید روی موجود در سنگ معدن آهن وارد آستر تنوره کوره بلند می شود می تواند عمل تجزیه مونواکسید کربن را که قبلاً ذکر شد تسریع بخشد. علیرغم انکار پدیده فوق توسط بعضی از افراد و اینکه هنوز در مورد نحوه انتقال و رسوب ترکیبات روی بر آستر کوره بلند اطلاعات کمی موجود است ولی بهرحال این ترکیبات بر روی آستر کوره بلند نقشی مخرب ایفا می نماید. طی آزمایشهای مختلف، مقدار زیادی فلز روی رسوب کرده در آستر از بین رفته تنوره کوره ها دیده شده است.( تا عمق 15 سانتی متری لایه ها.) احتمالاً واکنش صورت پذیرفته بشکل زیر است :

 : 1

 : 2

در اینجا نیز کربن رسوب کرده و این مسئله احتمالاً موجب تردی ساختمان می گردد.

“ گرمخانه های کوره بلند”

این گرمخانه ها عبارتند از سیلندرهای عمودی که بصورت لانه زنبوری توسط آجرهای نسوز آجر چینی شده اند. این شکل آجر چینی به منظور ایجاد سطح وسیعتر برای انجام بهتر تبادل حرارتی می باشد. هوای مصرفی پس از عبور از این گرمخانه ها تا حدود C ْ850 580 پیش گرم می گردد. در اینجا نیز کیفیت مواد دیرگداز مصرفی اهمیت بسزائی دارد زیرا که درجه حرارت آجر چینی ها به C ْ1500 می رسد. گاز کوره بلند در این گرمخانه ها سوخته و گرما تولید می کند. پس از مدتی عمل سوختن گاز را متوقف کرده و از جهت مخالف هوا را بدرون آنها می فرستند و در نتیجه هوا پیش گرم می شود.

گاهی اوقات بخار آب و اکسیژن به هوا اضافه می گردد تا راندمان کار کوره را بهبود بخشیده و در ضمن شرایط دمش هوا را یکنواخت تر نماید. عمر گرمخانه ها بین 15 الی 10 سال است. بدلیل تغییرات مکرر درجه حرارت، مواد نسوز بکار رفته در گرمخانه ها باید مقاومت در مقابل شوک حرارتی بالائی را داشته باشند. عموماً آجرهای خاک نسوز با حداقل 45% آلومینا در قسمت های درجه حرارت بالا استفاده می شوند. در این نواحی معمولاً آجرهای نسوز دیگر بدلیل کاهش دیرگدازی در رابطه با خاصیت روانسازی ناشی از مواد موجود در گاز کوره از بین می روند.

در ساختمان آجرهای مصرفی در گرمخانه های کوره بلند پس از مدتی مصرف نواحی مختلفی دیده شده است.             

دیرگدازی هر ناحیه نسبت به دیرگدازی آجرهای نسوز کار نکرده C ْ200100 کمتر است.

این موضوع به تشکیل کریستالهای سوزنی شکل مولایت در آجر نسوز نسبت داده می‌شود که بهمراه شرایط دیگر کوره، باعث جدائی کاملتر فاز شیشه ای در درجه حرارت های متوسط شده و تغییر حالت مواد را به فاز چینی شکل تسریع می کند که این امر موجب کاهش نقطه ذوب ماده نسوز می گردد. در اثر مواد  روانسازی که بصورت گرد و غبار هستند پوسته ای با نقطه ذوب کمتر در این نواحی بوجود می آید. محدوده ای معین از ترکیبات مختلف آجر نسوز برای استفاده در گرمخانه های کوره بلند وجود دارد.

در قسمت های بالای گرمخانه ها تخریب بدلیل انقباض و در نتیجه ریزش آجر صورت می پذیرد. تشکیل قطرات سرباره در سقف گرمخانه ها و چکه کردن آنها بر روی آجرهای لانه زنبوری شکل گرمخانه موجب آسیب ضربه ای و سرباره ای آجرها می گردد.

عمر مواد نسوز مصرفی در کوره بلند در حساس ترین قسمت های منطقه فوقانی به حدود 43 سال و برای نواحی تحتانی 10 الی 15 سال و در گرمخانه ها به 10 الی 16 سال می رسد.       

“ فولاد سازی”

فولاد بوسیله تصفیه و تغییر آهنی که از کوره بلند بدست آمده تهیه می شود. امروزه انواع مختلفی از کوره ها، با بهره گیری از قوانین مختلف شیمی فیزیک، برای فولاد‌سازی استفاده می شوند.

در این بخش سعی شده که شرح مختصری از انواع مهم دیرگدازها( اگر چه باید گفت صنعت آهن و فولاد تقریباً همه انواع دیرگدازهای تولیدی را مصرف می کند) و

شرایط مختلفی که هنگام ذوب فولاد در تماس با دیرگدازها بوجود می آید، داده شود.

فولاد در اثر دمیدن اکسیژن به آهن خام بوجود می آید، و سرباره ای تولید می شود که خاصیت شیمیائی سرباره از نظر اسیدی یا قلیائی بودن نام روش فولاد سازی مربوطه را معین می کند. اگر سرباره بطور عمده سیلیسی باشد فرآیند بنام فرآیند فولاد سازی اسیدی خوانده می شود. و اگر قلیائی باشد( برای مثال غنی از آهک) بنام فرآیند قلیائی از آن اسم می برند.

تاریخ صنایع فولاد سازی را تقریباً می توان به سه دوره تقسیم کرد: دوره فولاد بسمر که در سال 1910 خاتمه یافت. دوره کوره سرباز( روش زیمنس مارتین) که هنوز هم ادامه دارد، و دوره ای که از اواسط 1960 شروع شد و کوره های قلیائی اکسیژن، روش کوره های سرباز رامنسوخ کرد. پیشرفت فولاد سازی بگونه ای است که حتی کوره های “ انقلابی” قلیائی اکسیژن(BOF ) توسط فرآیند اسپری تهدید می شود. اگر چه تا زمانی که فرآیند اسپری جنبه های اقتصادی پیدا کند کوره های قلیائی اکسیژن به تهیه اکثر محصول فولاد دنیا ادامه خواهند داد.

بنابراین کوره های اصلی در تولید فولاد عبارتند از: کوره زیمنس مارتین، کوره الکتریکی و کنورتورها. اکنون از انواع دیرگدازها و واکنشهایی که بین فولاد، سرباره و مواد نسوز در این تاسیسات اتفاق می افتد بحث خواهد شد.

“ کوره های زیمنس مارتین”

دو نوع اصلی از کوره های زیمنس مارتین وجود دارد.

الف) ثابت

ب) گردان

کوره های ثابت بیشتر متداولند و معمولاً با گاز یا نفت گرم می شوند.

از کوره های زیمنس مارتین اسیدی بصورت محدود برای ساخت فولادهای مرغوب از طریق فرآیند احیاء سیلیسی استفاده می کنند. در این فرآیند تنها می توان از دیرگدازهای اسیدی( سیلیسی) استفاده کرد. ولی کوره های دارای آستر اسیدی نمی توانند فسفر و گوگرد را از فولاد خارج کنند و در نتیجه موادی که بداخل کوره وارد می شود باید دارای کیفیت بالایی باشند( فاقد فسفر و گوگرد)

اساس کار کوره های زیمنس مارتین، اکسیداسیون ناخالصیهای موجود در آهن با استفاده از استخر کم عمقی از مذاب است که سوخت در بالای آن می سوزد. سوخت با هوائی می سوزد که قبلاً در آجرهای لانه زنبوری شکل( محفظه ژنراتورها) که حاوی گرمای نهفته است پیشگرم می شود( این عمل هنگام عکس شدن جهت حرکت هوا و سوخت در کوره انجام می شود). معمولاً از یک جفت ژنراتور استفاده می کنند، یکی برای پیش گرم کردن گاز، دیگری برای هوا. گاز و هوا متناوباً هر 20 15 دقیقه از این محفظه ها عبور می کنند.

دیرگدازهای کوره های ثابت زیمنس مارتین، باید در برابر درجه حرارت های بسیار بالا و تغییرات ناگهانی درجه حرارت در قسمتهای مختلف ساختمان، مخصوصاً وقتی که سیکل کوره عوض می شود، مقاومت کند. دمش اکسیژن بداخل کوره که برای تسریع سیکل کوره انجام می شود بعلت درجه حرارت بالای ایجاد شده تنش زیادی به دیرگدازها وارد می سازد( صرفنظر از تولید گرد و غبار زیاد و آوردن اکسیدهای آهن و چسباندن آنها به آستر که باعث ایجاد اثرات مخرب سرباره و شیشه می شود). اثر سرباره ای مخصوصاً در سقف کوره ها بسیار شدید است، و همچنین در قسمت لانه زنبوری رژنراتورها چون حجم گاز آغشته به گرد و غبار که از آن ناحیه می گذرد بسیار زیاد است.

در کوره های زیمنس مارتین گردان پیش بینی های لازم شده است تا کوره بتواند شیبی برابر ْ3515 پیدا کند( کج شود). در نتیجه سرباره را میتوان در موقع مقتضی خارج کرده و یک قسمت یا همه فولاد را در یک عملیات ریخته گری کرد. اختلاف اصلی بین وظایف دیرگدازها در کوره های گردان و ثابت، شرایط کاری سخت تر در سقف و دیواره حمام مذاب در کوره گردان است. واضح است وقتی فولاد مذاب در کوره دوران می کند اثر آن بر آستر دیرگداز بسیار مخرب است. در موارد استثنائی وقتی کوره کج می شود ممکن است سقف پیچ بخورد و در نتیجه باید نگهدارنده های مخصوصی هنگام ساخت کوره طرح شود. بنابراین تعجب آور نیست که عمر کوره های گردان غالباً نصف عمر کوره های ثابت است.

تولید فولاد در این کوره ها رو به کاهش است و اکنون بیشتر از کنورتورهای قلیائی اکسیژن استفاده می کند.

سقف کوره های زیمنس مارتین

زمانی در سقف کوره های زیمنس مارتین فقط از آجرهای سیلیسی استفاده می‌کردند( بدلیل دیرگدازی تحت فشار بالای آنها و ثبات ابعاد در درجه حرارتهای بالا). امروزه آجرهای منیزیت کرمیتی و منیزیتی جای سیلیس را گرفته اند زیرا که بدلیل دمش اکسیژن، درجه حرارت ذوب خیلی بالا می رود، و سیلیس نمی تواند آنرا تحمل کند.

طراحی سقف های منیزیت کرمیتی خیلی پیچیده تر از سقفهای سیلیسی است که طرح بسیار ساده ای دارند، ولی هزینه زیاد و زحمت کار با این آجرها معمولاً بوسیله عمر طولانی و راندمان بالا جبران می شود.

نیاز به سقفهای بهتر و آسترهای مقاومتر باعث افزایش تولید منیزیا در جهان شده است( بخصوص منیزیای آب دریا).

بهبود خواص دیرگدازهای سقفی بوسیله استفاده از مواد خام خالصتر، کاهش خلل و فرج و افزایش استحکام گرم امکان پذیر شده است. طرح سقف نیز مهم است. معمولاً مواد خام مانند منیزیت و کرمیت تغلیظ شده را در کوره های دوار در C  ْ1900 باهم کلسینه می کنند تا کرم منیزیت با کیفیت بالا بدست آورند. در این فرآیند بسیاری از واکنشهای لازم برای اتصال مستقیم در محصول کلینکر انجام می شود. این کلینکر برای ساخت آجرهای با اتصال شیمیائی که پخته نمی شوند مناسب است. چنین سقفهایی تا 200 بار می توانند حرارت ببینند.

اخیراً انواع جدیدی از دانه های منیزیا – کرم زینتر شده در دیواره های جانبی کوره‌های قوس الکتریکی بکار رفته است.

این نوع جدید مواد خام دیرگداز که لزوماً حاوی 60% دانه های منیزیا کروم است دارای ساختمان میکروسکپی و خواص فیزیکی دیرگدازهای منیزیایی با اتصال مستقیم است. ادعا شده که این نمونه ساختمان همگنی داشته، و حاوی مقدار کمی Sio2 است که بطور یکنواخت توزیع شده، و دارای تخلخل ظاهری کم و دیگر مزایای لازم برای ساخت استر کوره های فولاد سازی می باشد.

برخی محققان نحوه تولید دیرگداز های ریز دانه منیزیت کرمی را توضیح داده اند که گفته می شود استحکام، مقاومت در برابر پوسته ای شدن و مقاومت در برابر سرباره آنها بسیار بهتر از دیرگدازهای منیزیا کروم ذوب و ریخته گری شده و یا با اتصال مستقیم است. همچنین گفته اند که بهبود خواص مواد دانه ریز، بدلیل داشتن تخلخل بسته زیاد بعلت انجام عملیات حرارتی درجه بالابر روی آنها است. تشکیل حفره های بسته بوسیله واکنش بین مواد ریز و مقدار و نحوه توزیع فاز سیلیکاتی کنترل می شود. بر اهمیت خلوص مواد اولیه برای تولید دیرگدازهای جدید یا با اتصال مستقیم برای فولاد سازی تاکید بسیار شده است، مخصوصاً بر مقدار سیلیس موجود در مواد خامی که برای ساخت دیرگدازهای منیزیت کروم استفاده می شود. مقدار مطلوبSio2 که میتوان بکمک آن حداقل تخلخل باز و دیرگدازی تحت فشار مناسب بدست آورد، 7/2 3/2% می باشد.

در بعضی کشورها منیزیت در C ْ2200 کلسینه می شود تا دیرگدازهای پایدارتری برای سقف بوجود آورد.

اخیراً آجرهای منیزیتی با اتصال مستقیم برای سقف کوره های زیمنس مارتین بسیار زیاد توصیه می شود ولی قیمت آن 50 30% بیشتر از منیزیتهای معمولی است و بنظر هم نمی رسد دوام آنها چندان زیادتر از انواع دیگر باشد.

ظرفیت تحمل تنش در سقف کوره زیمنس مارتین از عوامل بسیار مهم در کار این کوره ها است و ممکن است دیرگدازهای پایدار با دانسیته زیاد مانند مواد با اتصال مستقیم قدرت تحمل این تنشها را نداشته باشند. این موضوع می تواند در مورد جنبه های دیگر طراحی کوره ها مثلاً کوره های قوس الکتریک نیز صادق باشد. ممکن است حتی استفاده از دیرگدازهای خام یا کم پخته ارجحیت داشته باشد. اگر در ساختمان سقف کوره های زیمنس مارتین از صفحات فلزی برای اتصال استفاده شود، هنگامیکه دیرگدازها بسیار متراکم باشند احتمال اینکه بتوان به ساختمان یک پارچه ای دست یافت( در اثر امتزاج فلز و دیرگداز) بسیار کم خواهد بود. در صورت متراکم بودن آجرها ممکن است سقف حتی تا 3% منبسط شود که باعث افزایش تنش ها می شود. یک راه حل ممکن برای این مساله استفاده از قطعات فشرده نازک است که از صفحات کنگره دار و آزبستوس یا مقوا ساخته شده باشند یا استفاده از آجرهای روپوش دار است.

به تازگی از دیرگدازهای ذوب و ریخته گری شده هم در سقف این کوره ها استفاده  می کنند و احتمالاً صنایع فولاد سازی در آینده در زمینه های دیگری هم از این دیرگدازها استفاده خواهند کرد زیرا با گسترش این روش هزینه ها کم می شود.

در نقاطی از جهان که هنوز این کوره ها کار می کنند( زیمنس مارتین) روش جدید دیگری در ساخت آنها بکار می رود و آن استفاده از سیمانهای دیرگداز می باشد.

( بعنوان پوشش) برای مثال سقفی که بدون اکسیژن کار می کند و از آجرهای منیزیتی خام ساخته شده بکمک این روش توانسته تا 800 با حرارت ببیند( عمر آن دو برابر شده) بعد از 96 بار که از حرارت دادن کوره گذشت هر روز از این سیمانهای نسوز استفاده می کنند و در نتیجه نیاز به تعمیرات هنگامی که کوره گرم است از بین می‌رود.

مکانیسم شکست سقف کوره های زیمنس مارتین

واکنشهایی که در سقف این کوره ها اتفاق می افتد بسیار پیچیده است ولی در اینجا

واکنشهای اصلی شرح داده می شود. سقف منیزیت کرمیتی اکسیدهای آهن را جذب کرده و با پریکلاس تولید منیزیوفریت و محلولهای جامد می کند. اسپینلهای کروم هم تشکیل می شوند که اکسیدهای آهن را جذب کرده و تولید محلولهای جامد دیگری با انبساط حجمی می کنند که در نهایت باعث ترکیدن دانه های کرمیتی در دیرگداز سقف می شود.

همانطور که قبلاً شرح داده شد اگر ساختمان نتواند خود را با تنش های بوجود آمده از انبساط تطبیق دهد ممکن است عوارضی مانند پوسته ای شدن، ترک خوردن و ورقه ای شدن ظاهر شود.

بنظر می رسد یکی از روشهای اساسی افزایش عمر این دیرگدازها کاهش تشکیل مناطق بوجود آمده باشد، و این عمل بوسیله افزایش دانسیته آجر و جستجو برای یافتن ترکیب شیمیایی مناسب انجام می شود.

در شرایط احیائی نقطه ذوب دیرگدازهای آهن منیزیا بسرعت کم می شود و همواره بایستی مواظب بود تا عمل احتراق در کوره بطور کامل انجام شود.

آجرهای منیزیا اسپینل با تخلخل کم برای کوره های زیمنس مارتین قلیایی پیشنهاد شده است.

بوته کوره زیمنس مارتین

بوته کوره های زیمنس مارتین قلیائی شامل آستری از آجرهای منیزیتی است که بر

روی آن لایه ای از پودر منیزیت یا دیگر مواد قلیائی قرار دارد. در پشت این لایه ها ممکن است از آجرهای خاک نسوز، آجرهای عایق و آزبست استفاده کرد.

آجرهای دولومیتی و مواد مخصوص تعمیرات نیز مورد استفاده قرار می گیرند. چون کف بوته نگاهدارنده فولاد مذاب است بایستی بدقت ساخته شود تا در برابر احتمال شکست و نفوذ فلز مقاوم باشد.

هنگام ذوب اولیه درجه حرارت بوته ممکن است به C ْ1600 برسد و در ضمن مراحل نهایی حتی به C ْ1750 هم می رسد.

روشی که برای تعمیر یا بازسازی آستر کوره های زیمنس مارتین( و دیگر کوره‌ها) بکار می رود عبارت است از پاشیدن مقدار زیادی از پودر مواد دیرگداز در زمانی که کوره هنوز گرم است. این پودر که حاوی مخلوطی از مواد دیرگداز مانند منیزیت و دولومیت و اکسیدآهن است و توزیع اندازه دانه ها در آن بگونه ای انتخاب شده که بدیواره کوره بچسبند و جدا نشود، در اثر حرارت کوره زینتر شده و آستری یکپارچه ایجاد می کند. این عمل پودر پاشی در تمام مدت کار کوره ادامه می یابد. لایه تعمیراتی از منیزیو ووستیت تشکیل می شود که توسط فریت های کلسیم و سیلیکاتهای کلسیم بهم چسبیده و بصورت یک پارچه در آمده است.

کف کوره های زیمنس مارتین اسیدی از مواد کوارتزی بوسیله زینتر کردن لایه های پودری سیلیسی( مانند ماسه سیلیسی) ساخته می شود. این لایه ها سریعتر از کف کوره‌های قلیائی سائیده می شوند.

جنبه های دیگر طراحی

دیواره های پشت و جلو کوره های زیمنس مارتین و قسمت آجرهای لانه زنبوری رژنراتورها هم از قسمتهای حساس این کوره ها هستند. دیواره جلوئی در نزدیکی محل بارگیری شارژ قرار دارد و از چند ردیف آجر ساخته شده و باید در مقابل گرد و غبار شارژ، سرباره و پاشیدن فلز و همچنین ضربه های حاصل از شارژ مقاومت کند، در نتیجه دوام زیادی ندارد و مرتب باید تعمیر شود.

در این اواخر بجای آجرهای سیلیسی که عمده دیرگداز مصرفی در دیواره های پشت و جلو این کوره ها بود از آجرهای کروم منیزیتی و منیزیت کرمیتی با روپوش فلزی استفاده می کنند. دیواره عقبی اغلب شیبی حدود 45 درجه دارد. این قسمت حاوی روزنه هائی برای خالی کردن فولاد و سرباره است. معمولاً قسمت بیرونی بوسیله آجرهای نسوز کاملاً عایق بندی می شود و قسمت داخلی را هم با لایه ای از پودر منیزیت می پوشانند. در عمل شرایط کار دیواره عقبی نسبت به دیواره جلوئی کمی سهل تر است زیرا این دیواره ناگزیر از تحمل ضربات شارژ متالورژیکی کوره نمی باشد.