مقدمه :

دیرگدازها اساسا مواد اولیه طبیعی هستند که مانند سایر منابع طبیعی دارای ذخایر محدودی هستند. یکی از عرصه های پر کاربرد دیرگدازها، صنعت فولاد است که در آن به وفور از دیرگدازهای منیزیائی استفاده می شود. ذخایر مواد اولیه این دیرگدازها محدود بوده و دسترسی به آن ها هر روز دشوارتر می شود. یافتن جایگزین های مناسب و در دسترس همواره باید در دستور کار تولیدکنندگان مواد نسوز قرار داشته باشد. یکی از این مواد اولیه دولومیت و محصولات فراوری شده حاصل از آن است که خوشبختانه مواد اولیه آن بوفور در اکثر مناطق کشور یافت می شود. در این مقاله ضمن بررسی امکان کاربرد این نوع محصولات در صنعت فولاد، نگاهی اجمالی به مکانیسم های مختلف خوردگی دیرگدازها در تجهیزات فولاد سازی و پالایش آن دارد. در شماره های بعدی کاربرد این دیرگدازها را در صنعت سیمان بررسی خواهیم نمود

انواع و دامنه های کاربرد دولوما

دولوما که حاوی حدود ۶۰ درصد وزنی CaO و ۴۰ درصد وزنی MgO است، در تماس با ترکیبات مختلف سرباره و مذاب فلزی به لحاظ ترمودینامیکی پایدار و یک دیرگداز مقاوم در برابر حرارت برای کاربردهای فولاد سازی است. با این حال، همچون سایر انواع نسوز چندین مکانیسم خوردگی، در اکثر موارد هماهنگ عمل نموده و منجر به از هم پاشیدگی لایه های نسوز در حین عملیات می شود.

درک مکانیزم های رفتار اکسیدهای جامد در نسوز های دولومائی، هنگام تماس با محیط شیمیایی سرباره کمک می کند تا خواص این دیرگدازها بهبود یابد. نسوزهای دولومائی برای کاربرد در طیف گسترده ای از لایه نسوز کوره های آهک و دولومیت عمودی، کوره های دوار سیمان و انواع تجهیزات انتقال مورد استفاده در فرآیند تولید فولاد، مورد استفاده قرار می گیرند. همانگونه که گفته شد، صنعت فولاد مصرف کننده اصلی این مواد است. در فرایند فسفر زدائی و سولفور زدائی؛ دیرگداز های قلیائی در مقایسه با انواع اسیدی موثر تر عمل می نماید برای نخستین بار استفاده از دولومیت به عنوان لایه نسوز برای کنورتور های توماس در سال ۱۸۷۸ رایج شد. سهولت فسفر زدائی در یک کنورتور بسمر با دیرگداز دولومائی، استفاده از سنگ آهن غنی از فسفر را در تهیه فولاد امکان پذیر ساخت. در ابتدا دولومیت دانه بندی شده با استفاده از سیلیکات سدیم، بصورت آجر شکل گرفته و درکنورتور نصب می شد. کلسیناسیون در کنورتور انجام می شد.

آجرهای دیرگداز دولومائی به صورت اتصال مستقیم (زینتر) و یا باند کربنی (قیر یا رزین) در پاتیل های فولاد، کوره های مختلف، و همچنین در کربن زدائی آرگون – اکسیژن ( Decarburization Oxygen Argon AOD ،(اکسیژن زدائی در خلاء ( VOD Degassing Oxygen Vacuum (و گاز زدائی با قوس در خلاء (VAD Degassing Arc Vacuum (جهت تولید فولاد ضد زنگ استفاده می شوند.

دیرگدازهای دولومائی مونولیتیک جهت مصرف در تاندیش ها و کوره های قوس الکتریکی در کنار آجرهای منیزیتی برای پاتیل ها، AOD ها و سایر انواع تجهیزات انتقال و نگهداری فولاد بکار می روند

مزایای استفاده از دیرگدازهای دولومائی ناشی از کاهش منبع تامین اکسیژن در مذاب فولاد، بعلت پایداری نسبتا بالا (تحت خلاء و اتمسفر احیا) و مقاومت بالا به سرباره های قلیائی است. همچنین یک دیرگداز بسیار اقتصادی برای مصارف فولاد سازی است. معایب اصلی آن ها حساسیت به هیدراتاسیون در محیط های مرطوب و از همه مهم تر پوسته ای شدن آجرها و نفوذ سرباره به هنگام تغییر دما در طول عملیات می باشد.

مکانیزم خوردگی مواد نسوز در تماس با سرباره

خوردگی دیرگدازها در واحدهای تولید فولاد یک فرایند پیچیده شامل فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی است که ممکن است به طور مستقل و یا دراغلب موارد به صورت همزمان عمل کنند. خوردگی ناشی از واکنش های شیمیایی اجزا دولوما با سرباره بوده و می توان آن را به فرآیندهای اصلی زیر تقسیم نمود:

> نفوذ: نفوذ سرباره مایع به نسوز از طریق تخلخل باز.

>> انتشار: ناشی از فعالیت و حرکت تصادفی ذرات در مقیاس اندازه اتمی، در اثر حرارت.

>> انحلال: یک فرآیند شیمیایی است که اجزای نسوز به طور مداوم در سرباره مایع حل می شوند.

> فرسایش: سایش مواد متشکله نسوز (مواد اصلی و همچنین فازهای تازه تشکیل شده) به علت حرکت سرباره.

خوردگی را می توان به خوردگی فعال و غیر فعال تقسیم کرد. خوردگی فعال زمانی است که فازهای تشکیل شده به علت واکنش سرباره و نسوز، محلول و سپس جدا شده مستقیما منجر به تخریب دیرگداز می شود. در مقابل، خوردگی غیر فعال زمانی رخ می دهد که محصول واکنش محلول نیست یا فقط تا حدودی در سرباره مایع حل می شود و گاه می تواند یک لایه محافظ برای جلوگیری از خوردگی بیشتر ایجاد کند.

بر هم کنش شیمیایی بین سرباره و دیرگداز دولومائی

کارکرد آستر نسوز دولومائی به شدت به کیفیت دیرگداز، محل مصرف، و فرآیند متالورژی بستگی دارد. بنابراین روند تخریب آستر نسوز به سه صورت زیر خلاصه می شود:

تلاشی ریزساختار به دلیل سوختن فاز اتصال دهنده (در مورد اتصال کربن).

>> فشار های زیاد مکانیکی

>> واکنش های شیمیایی ناشی از حرارت، بین مواد نسوز و سرباره.

در مورد آخر، اجزای جامد اکسید دیرگداز شروع به واکنش با سرباره مایع در طول عملیات نموده که منجر به تشکیل فازهای ترمودینامیکی پایدار می شود. به طور کلی، دانه های دولومای حاوی CaO وMgO بقدری در سرباره حل می شوند تا یک تعادل شیمیایی به دست آید.

حضور آهک آزاد، از نظر مقاومت در برابر سرباره در هنگام تماس با سرباره هایی که به طور کامل اشباع شده با آهک نیستند، یک مزیت عالی است. نفوذ بیشتر سرباره به علت تشکیل یک لایه متراکم از آهک کریستالیزه و کلسیم سیلیکات ها به ویژه SiO2 • ۳CaO) فاز آلیت با دمای ذوب بالاتر از ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد) در سطح داغ آجر است. لیکن سرباره های با آهک کم و غنی از اکسیدهای سه ظرفیتی (به عنوان مثال، Al2O3 (ممکن است خوردگی اجزای دیرگداز دولومائی را عمدتا به علت تشکیل کلسیم آلومینات و کلسیم فریت های با نقطه ذوب بسیار پایین تر از ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد در پی داشته باشند. (جدول ۱ .(این فازهای تازه تشکیل شده که در طول فرایند تصفیه فولاد مایع هستند، امکان نفوذ سرباره را در دمای ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد تسریع و منجر به افزایش فرسایش در حالت گرم می شود. فازهایی که عمدتا تشکیل می دهند، به مقدار اکسیدهای سه ظرفیتی ، محتوای .دارد بستگی

بررسی و تحلیل خوردگی دیرگداز پس از مصرف

خوردگی مستقیم دیرگدازهای دولومائی باند مستقیم و مگدول از طریق نفوذ سرباره از تخلخل های باز شروع می شود. میزان نفوذ سرباره بستگی به عوامل مختلفی نظیر نفوذ پذیری ریزساختار نسوز، ویسکوزیته سرباره و درجه حرارت دارد. از آنجا که میزان انحلال CaO بالاتر از MgO است، در ابتدا آهک به علت واکنش آن با اکسید های فلزی ( به عنوان مثال Fe2O3 و Al2O3( آسیب دیده، که عمدتا منجر به تشکیل دی کلسیم فریت و اکسید های Al-Ca) کلسیم آلومینات ، تری کلسیم آلومینات ، و ماینایت) در سطوح داغ آجر می شود.

نسبت فازهای با نقطه ذوب بالا و پایین تازه تشکیل شده (بسته به رفتار شیمیایی سرباره)، عمق نفوذ و مقاومت آجر در برابر سرباره را تنظیم می کند.

کوتینگ سرباره در سطح داغ آجر ، عمدتا از دی کلسیم سیلیکات تشکیل شده و در هنگام سرد شدن به فاز های چندگانه ای تبدیل می شود.

تبدیل مونوکلینیک (تک وجهی )به اورتورمبیک پلی مورف (چند وجهی راست گوشه) با افزایش حجم بیش از ۱۰ درصد همراه، و منجر به تلاشی سرباره منجمد شده می شود.

ترک ها موازی با سطح داغ آجر، در مرز ناحیه نفوذ سرباره و ناحیه سالم ظاهر می شوند. این نوع ترک ها بواسطه تغییر رفتار فیزیکی ناحیه نفوذ و ناحیه سالم ایجاد شده وتخریب ناگهانی لایه نسوز را در پی دارد. عمر لایه نسوز به طور قابل توجهی می تواند با حفظ دما در بالاترین حد ممکن در طی توقف های فرایند فولاد سازی، بهبود یابد. در مقایسه با آجرهای دولوما و مگدول باند مستقیم (زینتر و پخته)، در آجرهای باند کربنی نفوذ سرباره هنگامی رخ می دهد که پیوند کربنی تخریب شود. منطقه واکنش های تخریبی در این آجرها بسیار کوچکتر از انواع باند مستقیم، و صرفا محدود به عمقی از آجر است که در تماس با سرباره مایع می باشد. (شکل ۴ و ۵ .(در نمونه های کارکرده به علت نابودی باند کربن فرسایش یکنواخت بوده و نفوذ سرباره منجر به واکنش سرباره و CaO و تشکیل ترکیبات زود ذوب غنی از آهک، و نهایتا شسته شدن اجزا متشکله آجر (از جمله MgO (می شود.

 تأثیر ترکیب سرباره بر خوردگی

بررسی آماری رفتار خوردگی آجرهای دولومائی مورد استفاده در کنورتورها و تجهیزات تصفیه ثانویه فولاد که ترکیبات CaO – SiO2 – Fe2O3 – MgO در آن ها حضور داشتند معمولا نشان داده است که میزان سایش به طور کلی با افزایش بازیسیته سرباره کاهش می یابد (شکل ۶ .(افزایش Fe2O3 منجر به کاهش بازیسیته (۰٫۱ / C = S (و در نتیجه افزایش سایش شده است.

 جمع بندی

دولوما یک جایگزین با کیفیت بسیار موثر، جهت آستر نسوز است که کارکرد بالا و کاهش قابل ملاحظه هزینه ها را در پی دارد. علاوه بر این، دارای پتانسیل اکسیداسیون پایین بوده و گوگرد زدائی را تسهیل می کند. خواص شیمیایی و فیزیکی دولومیت آن را با شیوه های متالورژی شامل سرباره قلیائی سازگار می سازد. با این حال، ممکن است خوردگی اجزای دولوما در سرباره هایی با میزان آهک کم و غنی از اکسید های سه ظرفیتی، به علت تشکیل ترکیبات با نقطه ذوب کمتر از ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد افزایش یابد. با درک دقیق مکانیزم های خوردگی از طریق مطالعات پس از تخریب، شیمی سرباره و بهینه سازی پروسس فولاسازی می توان طول عمر لایه نسوز را به حداکثر رساند.

مهندس بهزاد امین پور

مشاور امور فروش و خدمات مهندسی

RHI Bulletin 2015 (Harald Taferner, Rainer Neuböck and Ferdinand Schüssler) :منبع