علل و پیشگیری از ایجاد ترک در آجرهای سیلیسی

آجر سیلیسمواد نسوز مبتنی بر اسید- عمدتاً از تری دیمیت، کریستوبالیت و مقادیر کمی کوارتز باقیمانده و شیشه تشکیل شده‌اند. آنها مقاومت زیادی در برابر سرباره مبتنی بر اسید دارند، اما در برابر خوردگی توسط سرباره قلیایی حساس هستند و در برابر خوردگی توسط اکسیدهایی مانند Al2O3، K2O و Na2O آسیب پذیر هستند. نسوز آنها در زیر بار زیاد است، از 1640 درجه تا 1680 درجه، نزدیک به نقطه ذوب تریدیمیت و کریستوبالیت (به ترتیب 1670 درجه و 1713 درجه). بزرگترین ایراد آنها مقاومت در برابر شوک حرارتی کم است، اما نسوز بودن آنها مشابه نسوز بودن آنها در زیر بار است. آنها در برابر استفاده طولانی‌مدت در دماهای بالا بدون تغییر شکل مقاومت می‌کنند و به اطمینان از استحکام ساختاری سازه‌های بنایی در حین کار کمک می‌کنند.

آجرهای سیلیسی عمدتاً در دیوارهای جداکننده محفظه‌های کربن‌سازی و احتراق کوره‌های کک، و همچنین در سقف‌ها یا طاق‌های چاله‌های خیساندن، کوره‌های بلند داغ، کوره‌های{0}}باز اسیدی و کوره‌های شیشه استفاده می‌شوند. در فناوری آهن‌سازی، فناوری‌های جدید مانند احیای مستقیم و احیای مذاب به تدریج به نیروهای تولیدی تبدیل می‌شوند. در صنعت کک سازی، "کک تشکیل شده" تولید شده بدون استفاده از کوره کک تولید شده است که می تواند تا حدی جایگزین کک سنتی شود.

آجرهای نسوز سیلیس، مانند اکثر آجرهای نسوز متخلخل، با استفاده از فرآیند نیمه خشک تولید می‌شوند و در کوره‌های تونلی پخته می‌شوند. ترک هایی که در طول فرآیند تولید ایجاد می شود یکی از دلایل اصلی بالا بودن نرخ قراضه است.

انواع ترک در آجر سیلیس

ترک‌های آجرهای سیلیکونی را می‌توان به‌عنوان ترک‌های سطحی و ترک‌های داخلی دسته‌بندی کرد که این مورد به ترک‌های لایه‌ای نیز معروف است. ترک های سطحی بیشتر به عنوان ترک های عرضی، ترک های طولی و ترک های شبکه طبقه بندی می شوند. آجرهای سیلیسی با استفاده از روش شکل دهی نیمه{2}}پرس خشک{3}}برای ایجاد بدنه های سبز متراکم تولید می شوند. ترک هایی که در امتداد جهت فشار وارد شده به جسم سبز ایجاد می شوند، ترک های عرضی هستند، در حالی که ترک هایی که عمود بر جهت فشار ایجاد می شوند، ترک های عمودی هستند. ترک های شبکه از چندین ترک تشکیل شده اند که به صورت تار عنکبوتی بر روی سطح یک آجر سیلیسی توزیع شده اند.

به طور معمول، برای یک آجر سیلیسی استاندارد، بدنه سبز از طریق ضخامت آن فشرده می شود. فرآیند شکل‌دهی آجرهای آتش‌نشانی سیلیسی اساساً فرآیند فشرده‌سازی ذرات درون خالی و حذف هوا است و در نتیجه یک لایه متراکم تشکیل می‌شود. آجرها پس از پرس ماشینی{2}} مزایایی مانند چگالی بالا، استحکام، خشک شدن و انقباض حداقلی پخت و کنترل آسان ابعاد محصول را نشان می دهند. با این حال، اگر فرآیند پرس کردن دستگاه به‌درستی کنترل نشود، ممکن است در طول فرآیند فشار، ترک‌های لایه‌ای عمود بر جهت فشار در قسمت خالی ایجاد شود. بنابراین، ترک‌های لایه‌ای یا به‌طور ساده لایه‌گذاری‌های درون آجرهای نسوز سیلیس نیز ترک‌های طولی هستند.
لمینیت های بزرگ را می توان بلافاصله پس از تشکیل یا خشک شدن آجرها تشخیص داد. با این حال، ورقه‌های جزئی درون آجرها تنها پس از پخت قابل توجه می‌شوند، زیرا به دلیل تنش‌های حرارتی در حین پخت، گسترش می‌یابند. آجرهای حاوی ترک، به ویژه لمینیت‌ها، مستعد شکستگی هستند و باعث غیرقابل استفاده شدن آن‌ها و کاهش عملکرد محصولات آجر سیلیسی می‌شوند.

اقدامات کلیدی برای تشکیل و جلوگیری از ترک در آجرهای سیلیسی

1. ماشین پرس
لایه‌برداری در آجرهای سیلیسی عمدتاً به دلیل کنترل نامناسب دستگاه-فرآیند پرس ایجاد می‌شود و گاهی اوقات به‌عنوان ترک‌های پرس شده با دستگاه- شناخته می‌شوند. مواد اولیه و بلانک های آجرهای نسوز سیلیسی از سه فاز ماده تشکیل شده است: جامد، آب یا سایر چسب ها و هوا. در طول کل فرآیند قالب گیری فشاری مکانیکی یا پرس قالب، مقدار فاز جامد و مایع تغییر نمی کند، در حالی که مقدار هوای موجود در بلانک در اثر اعمال فشار فشرده و کاهش می یابد و حجم بلانک فشرده نیز به همین نسبت کاهش می یابد. فرآیند پرس قالب را می توان به طور تقریبی به سه مرحله زیر تقسیم کرد: (1) در مرحله اول، تحت عمل فشار، ذرات موجود در قسمت خالی شروع به حرکت کرده و دوباره به یک پشته متراکم تر تبدیل می شوند. ویژگی این فرآیند فشرده سازی آشکار است. هنگامی که فشار به مقدار مشخصی افزایش می یابد، وارد مرحله دوم می شود. (2) در مرحله دوم، ذرات دچار تغییر شکل شکننده و الاستیک می شوند. پس از فشرده شدن قسمت خالی تا حد معینی، فشرده سازی بیشتر مانع می شود. هنگامی که فشار افزایش می‌یابد و به نیروی خارجی می‌رسد که باعث تغییر شکل مجدد ذرات می‌شود، لایه خالی دوباره فشرده می‌شود و چگالی آن افزایش می‌یابد. این مرحله مرحله ای است که فشرده سازی و فشار کوتاه و مکرر می شود. (3) در مرحله سوم، تحت فشار حدی، چگالی نسبی بلانک اساساً پایدار است و افزایش آن دشوار است. پرس قالب آجر خالی کامل شده است. در طی فرآیند قالب گیری فشاری، انبساط تاخیری بدنه سبز به دلیل اثرات الاستیک باید کمتر از 2٪ کنترل شود. عدم انجام این کار اغلب منجر به رد شدن محصول در طول فرآیند پرس می شود. اگر بدنه سبز در جهت فشار اعمال شده، با اختلاف چگالی بیش از 2 درصد، "چگالی لایه ای" را تشکیل دهد، احتمالاً ترک های لایه ای در بدن سبز رخ می دهد. این منجر به انبساط حرارتی ناهموار در حین پخت می شود و در نتیجه تنش حرارتی قابل توجهی ایجاد می کند و ترک های طولی موازی با لایه های چگالی ایجاد می شود و در نتیجه محصول پس زده می شود.

در طی قالب گیری فشاری، فشار برای غلبه بر اصطکاک داخلی بین ذرات، اصطکاک خارجی بین ذرات و دیواره قالب و تغییر شکل بدنه سبز فشرده استفاده می شود. با افزایش فاصله از سر پرس، فشار داخلی بدنه سبز رنگ کاهش می یابد.

بنابراین، هنگام فشار دادن آجرهای سیلیسی، بهتر است از قالب های کوتاه با نسبت ابعاد کوچک به جای قالب های بلند با نسبت ابعاد بزرگ استفاده کنید تا از توزیع یکنواخت فشار در بدنه سبز اطمینان حاصل شود. در همان زمان، نرم‌کننده‌ها و سورفکتانت‌های خاصی برای کاهش اصطکاک داخلی و تلفات انتقال فشار وارد قسمت خالی می‌شوند. پوشش های قالب برای کاهش اصطکاک خارجی بهبود یافته یا روغن کاری می شوند. فشار دادن دو طرفه-برای کاهش نسبت L/D قسمت خالی استفاده می شود. و فشارهای متعدد، با شروع سبک و سپس سنگین، برای جلوگیری از تجمع فشار بیش از حد در قسمت خالی و از بین بردن اثرات الاستیک استفاده می شود. این اقدامات باعث بهبود یکنواختی فشار و چگالی در فضای خالی می شود. این امر از چگالی بالا در نزدیکی سطح فشار و چگالی کم دور از سطح فشار در آجر سیلیسی خالی جلوگیری می کند و در نتیجه تشکیل تراکم لایه و ترک را کاهش می دهد.

بعلاوه، بلنک های آجر سیلیسی با مخلوط کردن سنگدانه، کلینکر، پودر آسیاب گلوله ای، کانی ساز، مایع زائد خمیر سولفیت و نرم کننده تهیه می شوند. بهبود فرآیند ورز دادن خالی نیز می تواند به افزایش چگالی بلانک کمک کند. از نظر فناوری اختلاط فیزیکی، حرکت مواد در یک فاز را اختلاط، حرکت مواد در فازهای مختلف را هم زدن و به اختلاط مایعات و جامدات با ویسکوزیته بالا، خمیر کردن (خمیر و اختلاط) می گویند. از طریق ورز دادن مناسب، پودر ریز را می توان در اطراف ذرات بزرگتر پوشانده، به طور موثر گازها را حذف می کند و تراکم آجر را افزایش می دهد و در نتیجه تخلخل آجر را کاهش می دهد.

2. فرآیند شلیک
تف جوشی آجرهای سیلیسی اساساً یک تبدیل پلی کریستالی SiO2 است. تحت اثر کانی سازها، ماده خام سیلیس به آرامی تف جوشی می شود و اساساً با مقدار کمی کوارتز باقیمانده به تری دیمیت و کریستوبالیت تبدیل می شود. در حین استفاده، آجرهای نسوز سیلیس با حرارت دادن به 1450 درجه، انبساط حجمی 1.5% تا 2.2% را تجربه می کنند. این انبساط باقیمانده اتصالات ملات را آب بندی می کند و از سفتی و استحکام ساختاری خوب در سنگ تراشی آجر سیلیس اطمینان می دهد. علاوه بر این، این دگرگونی پلی کریستالی SiO2 حکم می‌کند که آجرهای آتش‌نشانی سیلیسی در مرحله پخت اولیه کوره، با سرعت گرمایش آهسته و یکنواخت، کانون نظارت بر مواد نسوز باشند. از آنجایی که تبدیل کریستالی - و -کریستوبالیت در آجرهای نسوز سیلیکا با اثر حجمی قابل توجهی در محدوده دمایی 150-300 درجه همراه است، باید مراقبت ویژه ای برای افزایش آهسته دما در این محدوده در طول پخت کوره انجام شود.

تغییرات فیزیکی و شیمیایی حاصل از پخت آجرهای سیلیسی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
① رطوبت باقیمانده در آجرها کمتر از 150 درجه حذف می شود.
② Ca(OH)2 بین 450-550 درجه شروع به تجزیه می کند و تا 550 درجه کامل می شود. در این مرحله، پیوند بین ذرات آجر سیلیسی در اثر عمل CaO و سایر مواد شکسته می شود و در نتیجه باعث کاهش استحکام و ایجاد آجر شکننده می شود.
③ در 550-650 درجه، آجرهای کوارتز به تک کوارتز تبدیل می‌شوند و باعث افزایش حجم می‌شوند.
④ در 600-700 درجه، یک واکنش فاز جامد بین CaO و SiO2 رخ می‌دهد و استحکام آجر را افزایش می‌دهد.
⑤ در 800-1100 درجه، یک واکنش فاز مایع- در آجرها رخ می‌دهد که استحکام آجر را به سرعت افزایش می‌دهد. با شروع از 1100 درجه، سرعت تبدیل کوارتز به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد و کوارتز با چگالی کم تشکیل می‌شود و باعث انبساط حجم قابل توجهی می‌شود.

⑥ در 1300-1350 درجه به دلیل افزایش میزان تری دیمیت و کریستوبالیت، وزن مخصوص واقعی جسم سبز کاهش یافته و انبساط حجمی افزایش می یابد که ممکن است منجر به ترک شود.

⑦ در 1350-1470 درجه، درجه تبدیل کوارتز و انبساط حاصل بسیار زیاد است. فقط مونو کوارتز، کریستوبالیت متقابل، کانی سازها و ناخالصی ها برای تشکیل فاز مایع برهم کنش می کنند و به ذرات کوارتز حمله می کنند تا در هنگام تشکیل کریستوبالیت متقابل، شکاف ایجاد کنند، که باعث انحلال مداوم مونو کوارتز و کریستوبالیت متقابل در فاز تشکیل شده می شود، و آن را تبدیل به یک فاز مایع پیوسته و سیال اکسلیک می کند. از مذاب به شکل تری دیمیت پایدار متبلور می شود. در این زمان، هر چه ویسکوزیته فاز مایع بیشتر باشد، سرعت تبدیل آجر سیلیسی بیشتر می شود و احتمال ایجاد ترک در بدنه سبز آجری بیشتر می شود. بنابراین، به منظور جلوگیری از تغییر شکل کریستالی آجر سیلیسی در طی فرآیند پخت، همراه با تغییرات حجم زیادی که منجر به ایجاد ترک می شود، اقدامات فرآیندی زیر باید انجام شود:

(1) نرخ گرمایش محدوده های مختلف دمای پخت را کنترل کنید. وقتی دما کمتر از 600 درجه است، سرعت گرمایش باید کاهش یابد. زمانی که دما بین 600 درجه تا 1000 درجه باشد سرعت گرمایش را می توان تسریع کرد. سرعت گرمایش زمانی که دما بین 1100 درجه تا 1300 درجه است باید کند باشد. هنگامی که دما بین 1300 درجه و دمای پخت (1430 درجه تا 1450 درجه) باشد، سرعت گرمایش باید در طول فرآیند پخت کمترین مقدار باشد. وقتی آجرهای سیلیسی پخته شده در دمای زیر 600 درجه سرد می شوند، مخصوصاً در دمای 300 درجه، باید به آرامی سرد شوند. این می تواند به طور موثری تغییر حجم تبدیل کریستال را مهار کند، محتوای تری دیمیت و کریستوبالیت را بالاتر می برد و از ایجاد ترک جلوگیری می کند.

(2) در مرحله پخت با درجه حرارت بالا باید از یک اتمسفر کاهنده استفاده شود که منجر به کانی سازی اکسید آهن کم-است و تولید تری دیمیت در مقیاس بزرگ را افزایش می دهد. در غیر این صورت، در یک جو اکسید کننده، به ویژه زمانی که کانی ساز ناکافی است، بیشتر کوارتز به -کریستوبالیت تبدیل می شود. این تبدیل "تبدیل خشک" نامیده می شود. در هنگام تبدیل خشک، به دلیل انبساط حجمی ناهموار بدنه آجری و عدم تنش بافر فاز مایع، ساختار محصول شل و ترک می‌خورد. در عین حال، عایق بندی مناسب باید در مراحل مختلف دمایی پخت آجر سیلیسی انجام شود تا اطمینان حاصل شود که آجرهای سیلیسی دارای ترکیب فازی معقول و مطابق با الزامات استفاده هستند.

(3) سیستم بارگیری محصول نیمه تمام-را برای کاهش احتمال ترک بهبود دهید. ترک های عرضی در آجرهای نسوز سیلیسی، یعنی ترک های موازی با جهت فشار محصول، معمولاً در اثر حرارت ناهموار قسمت های مختلف محصول در هنگام پخت ایجاد می شود. آنها بیشتر روی سطح در معرض آتش-خارج از پشته آجر ظاهر می شوند، به ویژه سطح محصول برتر. ترک های توری روی سطح آجرهای آتش نشانی سیلیسی، علاوه بر ناهمواری میکروسکوپی خود بدنه سبز رنگ به دلیل خمیر ناهموار یا تغییر مواد اولیه، معمولاً به دلیل گرم شدن محصول در دمای بسیار بالا با نوسانات زیاد ایجاد می شود. هنگام بارگیری، آجرهای سیلیکونی مخصوص باید در داخل کابین کوره و آجرهای معمولی استاندارد در خارج از کابین کوره قرار گیرند. قسمت‌های بیرون زده آجرهای{7}}شکل خاص یا قسمت‌های مستعد ترک باید به سمت داخل قرار گیرند. بالای کابین کوره باید با مقداری آجر نازک پوشیده شود تا از برخورد مستقیم شعله و غیره جلوگیری شود در غیر این صورت ترک های بیشتری ایجاد می شود.

ترک ها عامل اصلی تاثیرگذار بر عملکرد و عملکرد آجر سیلیکونی هستند. تسلط بر فرآیندهای قالب گیری و پخت پرس برای جلوگیری از ترک در آجرهای سیلیسی کلیدی است. تبدیل تئوری و واقعی مواد اولیه سیلیس متفاوت است و برنامه پخت باید در زمان واقعی بر اساس تغییرات مواد اولیه، نوع آجر و سایر عوامل تنظیم شود. تهیه و کیفیت بلنک های آجر سیلیسی از عوامل مهم و حتی حیاتی هستند. فقط با کنترل دقیق هر مرحله فرآیند می‌توان آجرهای سیلیسی با کارایی بالا-به‌طور کارآمد و با مصرف انرژی پایین تولید کرد.