جرم نسوز دسته‌ای از مواد شیمیایی است که از تجمع ذرات ریز ایجاد شده و جزء مواد غیرفلزی هستند و تحت تأثیر دمای بالا پایداری خود را حفظ می‌کنند. این ماده در ترکیب خاک‌های سیلیکاتی، جرم‌های آلومینیمی و خاک‌های اسپینلی وجود دارد. جرم نسوز در صنایع مختلفی که محیط‌های تهاجمی دارند، کاربرد دارد؛ بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که این ماده از خواص و ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و حرارتی متنوعی برخوردار است. در ادامه بیشتر راجع به جرم نسوز، ویژگی ها، انواع و کاربردهای آن صحبت می‌کنیم.
خواص جرم نسوز
- قابلیت نصب آسان
- مقاومت بالا در برابر خوردگی و سایش
- قابل طراحی برای انواع مصارف
- پایداری شیمایی و مکانیکی
- استحکام خمشی و فشاری بالا
- مقاوم در برابر انواع شوک حرارتی
- مقاوم در برابر ساییدگ
قبلاً این ماده نقش آستر مقاوم به حرارت در کوره القایی، تولید بلوک‌های کوره، نازل تاندیش و پاتیل مورد استفاده قرار می‌گرفت. امروزه هم در صنایع برقی، شیمیایی، پتروشیمی، صنایع آهنی و فولاد و حتی در لوازم خانگی کاربرد دارد.
از جرم نسوز در صنایع مختلفی استفاده می‌شود که عبارتند از:
- فولاد
- فولاد یکپارچه
- شیشه
- فلزات
- سیمان
- ضایعات
- پتروشیمی
- شیمیایی
- برقی
- آهن
- سرامیک
- لوازم خانگی و…
ویژگی‌های جرم نسوز
این ماده ثبات بالا و مقاومت حرارتی بالایی دارد و تحت شرایط مختلف، دچار تغییرات فیزیکی و شیمیایی نمی‌شود. همچنین دارای نقطه ذوب مشخصی نیست. جرم نسوز و در کل مواد نسوز، به دلیل اینکه در دماهای بالا، خواص خود را حفظ می‌کنند، می‌توانند صرفه اقتصادی خوبی داشته باشند.
ویژگی‌های شیمیایی
این ماده می‌تواند ویژگی واکنشی مواد اعم از اسیدی، اساسی یا خنثی را نشان دهد، مقاومت بالایی در حرارت‌های بالا، سرباره‌ها و حمام‌هایی دارد که در آنها واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد.
ترکیب شیمیایی
با توجه به درصد ترکیباتی که دارد به گروه‌ها و زیرگروه‌های مختلفی تقسیم می شود:
- سیستم‌های سیلیس، سیلیکا آلومینا، آلومینا، بر اساس اکسید منیزم و…
- بر اساس افزودن کربن، زیرکون، کاربید سیلیکون و…
- به صورت ترکیبی از این فرمول‌های و یا فرمول‌های خاص
ماهیت شیمیایی
از لحاظ ماهیت شیمیایی در طبقه‌بندی‌های مختلفی قرار می‌گیرد که از هر طبقه برای تحقیقات و یا توسعه محصولات مختلف جدید استفاده می‌شود.
شکل
مواد نسوز به صورت شکل دار و بی‌شکل وجود دارند. نوع شکل دار آن شامل موادی مثل آجر و بلوک‌های پیش ریخته‌گری است. نوع بی‌شکل آن هم شامل بتن/ریخته‌گری و موادی مثل عایق محصولات الیاف سرامیکی است.
مزایای جرم نسوز
- به دلیل اینکه نیازی به پخت و شکل دهی ندارد، بنابراین صرفه اقتصادی بالایی دارد.
- به این دلیل که در جرم نسوز از سیستم‌های نگهداره گوناگونی استفاده می‌شود، می‌توان لایه‌های بزرگتر با قدرت بیشتر فراهم کرد.
- نصب این جرم‌ها در کوره‌های با ساختار هندسی پیچیده، خیلی راحت‌تر و سریع‌تر از آجرهای نسوز است.
- چون با جرم نسوز، دیواره‌های نسوز به شکل یکپارچه نصب می‌شوند، بنابراین عایق مناسب‌تری در برابر نفوذگار و حرارت به داخل و خارج کوره محسوب می‌شوند.
- لایه‌هایی که با استفاده از جرم نسوز ساخته می‌شوند، نسبت به آجر نسوز مقاومت بیشتری دارند، حتی اگر نازک‌تر از آجر نسوز باشند.
انواع جرم نسوز
جرم نسوز اسپینلی این نوع جرم نسوز، چون فازهای اسپینلی دارد، دیرگدازی بالاتری دارد. و به دلیل اینکه ضریب انبساط حرارتی اسپینل پایین است، نسبت به دیرگدازهای دیگر، مقاومت بهتری در برابر شوک حرارتی داشته و از لحاظ خواص شیمیایی و میل ترکیبی، حالت خنثی دارد. همچنین به دلیل مقاومت در برابر سرباره‌های اسیدی و قلیایی، می‌توان از آن برای ساخت انواع فولادها و چدن‌های آلیاژی، فولادهای نسوز و ضد سایش و همچنین فولادهایی که نقطه ذوب بالایی دارند استفاده کرد.
- جرم‌های پیشرفته
- قابلیت سفارشی‌سازی طرح، طبق خواست مشتری
- قابلیت نصب سریع و ساده در جرم‌های خودروان (Self Flow) و جرم‌های گانینگ (پاشیدنی)
- مقاومت بالا در برابر مواد خورنده و دیرگداز، در برابر خزش، تابش و سایش
- انعطاف در دانسیته و تولید جرم‌های عایق پیشرفته مثل جرم‌های سبک شاموتی، پرلیتی و بابل آلومینایی
- جرم نسوز آلومینایی کم سیمان
این نوع جرم به دلیل اینکه نصب آسانی و راحتی دارد و از خواص دیرگدازی بالایی برخوردارد، در صنایع کاربرد زیادی پیدا کرده است. این نوع جرم کم سیمان از آلومینای خالص و بوکسیت ایرانی با ترکیب مقادیر مختلف ترکیب پایه نسوز، سیمان و افزودنی ساخته می‌شود. به کمک ریزساختار، خواص مکانیکی و دانسیته نهایی نمونه می‌توان تعیین کرد که چه مقدار از هر یک از این مواد، در ساخت جرم نسوز آلومینایی کم سیمان استفاده شود.
- جرم نسوز اسیدی سیلیسی بر پایه اکسید بور
کوره‌های القایی فاقد هسته که در چدن ریزی کاربرد دارند، دارای جداره‌های نسوز با ضخامت ۸-۲۰ سانتی متر تا ظرفیت‌های ۶۵ تن هستند. جداره نسوز رایجی که برای این کوره‌های استفاده می‌شود، خاک نسوز اسیدی است که جنس آن کوراتزیت دانه‌بندی شده است. این نسوزها برای کوره‌های تا ظرفیت ۱۵ تن چدن، از دانه‌های گوشه داری هستند که دانه‌بندی ۰ الی ۴ میلی متر دارند و برای کوره‌های تا ظرفیت بیشتر از ۱۵ تن از دانه‌های گوشه دار با دانه‌بندی ۰ الی ۷ میلی متر هستند.
میزان خلوص سیلیسی که در این نوع نسوزها استفاده می‌شود، بیشتر از ۵/۹۸ درصد است. معروف‌ترین عامل زینتر کننده دیرگداز فوق اکسید بور هست که این امکان را فراهم می‌کند تا بتوان از اسید بوریک نیز به عنوان یک منبع اکسید بور استفاده نمود. جداره این کوره‌ها را، توسط شابلون یک بار مصرف می‌کوبند. کوبیدن این شابلون‌ها با روش‌هایی مثل کوبه دستی، کوبه‌ی بادی یا ویبراتور انجام می‌شود. از آنجایی که در زمان کوبیدن و زینتر شدن خاک نسوز، جداره به وسیله شابلون پوشانده می‌شود، نمی‌توان به صورت چشمی جداره را کنترل کرد. اما اگر شابلون به صورت دائمی باشد، می‌توان تا وقتی که کوره از فلز مذاب پر می‌شود، جداره کوره را به صورت چشمی مشاهده کرد.
- جرم نسوز سیلیسی
جرم نسوز سیلیسی، در مقابل سرباره‌هایی که ترکیبات خود اکسیدهای آهن، سیلیسیم، آلومینیم و کروم دارند، مقاومت مطلوبی دارند. همچنین از هدایت حرارتی پایینی برخوردارند. بنابراین، از این نوع جرم‌های نسوز، برای کوره‌های القائی با ظرفیت‌های مختلف و همچنین تولید فولادهای کربنی ساده و تولید چدن استفاده می‌شود. جرم نسوز سیلیسی از لحاظ نوع مذاب و درجه حرارت کاربردی، در ۴ گروه قرار می‌گیرد. از دیگر ویژگی‌های این جرم نسوز سیلیسی می‌توان به سختی یکنواخت، مقاومت در برابر خوردگی‌های شدید، سرعت کم کرسیتالیزاسیون و درجه خلوص Sio2 مصرفی اشاره کرد که باعث شده کاربرد زیادی داشته باشد.
جرم نسوز سنگین این جرم نسبت به جرم عایق سبک، درصد آلومینای بیشتری بوده و همچنین دانسیته بالاتری دارد. این نوع جرم‌ها در دماهای بالا، کاربرد دارند و برای استفاده در این دماها ساخته می‌شوند. محصولات از نوع جرم نسوز سنگین، حاوی جرم‌هایی با سیمان معمولی، کم سیمان و فوق کم سیمان می‌باشند. تولید محصولات نسوز جرم سنگین بر پایه ترکیبات آلومینیایی و آلومینوسیلیکاتی است.
- جرم ریختنی نسوز
جرم ریختنی نسوز، به مخلوط سیمان هیدرولیک نسوز و دانه‌های نسوز گفته می‌شود. برای استفاده از این نوع جرم، آن را با آب ترکیب کرده و در محل مورد نظر می‌کوبند یا می‌پاشند.
در کل جرم‌های ریختنی به دو نوع زیر تقسیم می‌شوند:
- جرم ریختنی نسوز سنگین:
ساختار فشرده و یکپارچه‌ای را ایجاد می‌کنند که مستحکم بوده و این قابلیت را دارد که در برابر ساییدگی، ضربه و بار در دماهای بالا مقاومت زیادی داشته باشد.
- جرم ریختنی نسوز سبک:
می‌توانند یک ساختار متخلخل و عایق ایجاد کنند. جرم‌های ریختنی نسوز بر اساس کاربردهایی که دارند، با نوع خاصی از دانه‌های نسوز تولید می‌شوند. دانه‌های نسوز با سیمان نسوز فوندو، منجر به ایجاد یک جرم ریختنی می‌شوند. رایج‌ترین دانه استفاده شده، شاموت یا همان خاک نسوز پخته شده است. جرم ریختنی‌ای که از شاموت و سیمان نسوز فوندو تا حداکثر ساخته می‌شود، می‌تواند تا دماهای ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد را تحمل کند. اگر به همراه شاموت از دانه‌های سبک‌تری مانند پرلیت، ورمیکولیت، دیاتومیت پخته شده، پوزولان، سرباره و دانه‌های این چنینی استفاده شود، جرم ریختنی سبک شده و در جایی که کاربرد دارد، نقش عایق را ایفا می‌کند.
جرم نسوز منولیتیکی:
نسوزهای منیزیت کرومیت در صنایع فولاد، سیمان، مس و… کاربرد دارند. ضایعات این نسوزها هم چون حاوی یون کروم شش ظرفیتی هستند، به محیط زیست آسیب می‌زنند. بنابراین به منظور جلوگیری از این آسیب، باید این ضایعات بازیابی شوند. از مواد ضایع این نوع جرم نسوز در صنعت مس، دو نوع جرم در سیستم معمولی با درصد ۲۵ و ۱۸ سیمان و دو بتن دفلو کوله با درصد سیمان ۱۰ و ۵ ساخته می‌شود.
دیرگدازه‌های مونولیتیک چون به هیچ گونه عملیاتی برای شکل دهی و عملیات پیش از پخت نیاز ندارند، بنابراین در دهه‌های اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. علاوه بر این فاز فاز اسپینل آلومینا – منیزیا نیز به خاطر خواصی مثل مقاومت در برابر خوردگی سرباره و بهبود خواصی مکانیکی کاربرد زیادی پیدا کرده است. از آنجایی که مواد ریزدانه و خیلی ریزدانه تأثیر خیلی زیادی بر خاصیت دیرگدازه‌های ریختنی دارند و از طرف دیگر، فناوری نانو نیز در زمینه‌های مهندسی مواد گسترش زیادی یافته است؛ شرایط خوبی برای انجام تحقیقات گسترده در رابطه با کاربرد ذرات نانو برای دیرگدازه‌های ریختنی شروع شده است. در نسل جدید جرم‌های نسوز مونولیتیکی فاقد سیمان، در زمینه نسوز و به وسیله واکنش درجا میان مواد اولیه، فاز اسپینل در ابعاد نانو به وجود می‌آید. ایجاد این نوع نانو اسپینل درجا، در کنترل انبساط ناشی از این فرایند، تأثیر قابل توجهی دارد.
زمانی که در نسوزهای منیزیت – کرومیتی، کروم در کنار منیزیا قرار می‌گیرد، انعطاف‌پذیری آجر زیاد شده و به این ترتیب در برابر شوک‌های حرارتی مختلف و همچنین سایر تنش ها، ایمن می‌شود. اما در هر صورت اتصال اتصال سیلیکاتی، باعث ایجاد محدودیت‌هایی برای آجر نسوز، به لحاظ ترمومکانیکی و شیمیایی می‌شود.
- آجرهای منیزیت – کرومیتی به سه دسته می‌شوند که هر سه ترکیب شیمیایی یکسانی دارند و دسته‌بندی آنها به دلیل شرایط پخت متفاوت آن‌هاست.
- آجرهای منیزیت – کرومیتی اتصال مستقیمآ
- اگر قرار باشد تولید آجر فرایند طولانی‌ای باشد تا کروم نرم شود و اثرگذاری بیشتری داشته باشد، در این صورت افزایش دما به صورت جزئی بوده و آجر منیزیت – کرومیت، اتصال مستقیم خواهد بود.
- آجرهای منیزیت – کرومیتی اتصال سیلیکاتی
- اما اگر در فرایند پخت آجر، افزایش دما خیلی سریع صورت بگیرد، در این صورت، فاز سیلیکانی که در ترکیبات وجود دارد، به آرامی دانه‌های mgo را در خودش به حالت شناور درآورده و به این ترتیب در اثر پخت، آجر منیزیت – کرومیت اتصال سیلیکاتی تولید می‌شود. این نوع آجرها که انعطاف‌پذیری بالایی دارند، برخلاف آجرهای اتصال مستقیم، ترد بوده و شکننده هستند. از این نوع آجرها، در قسمت‌های حساس کوره مثل قسمت رینگ یا قسمت‌های oval کره استفاده می‌شود.
- آجرهای منیزیت – کرومیتی اتصال اسپینل
- آجرهای اتصال اسپینل حالتی بین دو آجر اتصال مستقیم و اتصال سیلیکاتی دارند. آجرهای که اتصال سیلیکاتی دارند، حساسیت بالایی در برابر حملات نفوذ عوامل مزاحم دارند، اما آجرهای اتصال مستقیم، باعث امنیت آجر در برابر نفوذ عوامل مزاحم می‌شود.
