ميزة الألومينا الجدولية الملبدة في الطوب الحراري المشكل

تتمتع الألومينا الجدولية الملبدة بنشاط تلبد عالي، مما يمكن أن يعزز مزيج الركائز والجزيئات. من خلال اعتماد الألومينا الجدولية الملبدة في إنتاج طوب الألومينا عالي النقاء ومن ثم ملاحظة تأثير اكسيد الالمونيوم الملبد المختلف على أداء طوب الألومينا، وجد المهندسون أن جزيئات الألومينا الجدولية الملبدة صغيرة ومليئة بالمسام. في عملية التلبيد، تساعد هذه الخاصية على نشر تلبيد الركائز، والذي يمكن أن يحسن أيضًا قوة التلبيد ومقاومة النفاذية لطوب الألومينا من خلال الجمع بين الركيزة والجسيمات بشكل أكثر إحكامًا.

طوب الألومينا عبارة عن منتجات حرارية مع اكسيد الالمونيوم باعتباره المرحلة البلورية الرئيسية. لديهم استقرار كيميائي جيد ومقاومة قوية للحمض والخبث القلوي والمعادن والزجاج المنصهر. تستخدم بشكل رئيسي في أفران صهر الحديد، أفران الصهر الساخن، أفران التكرير خارج أفران صناعة الصلب، أفران صهر الزجاج والأفران الصناعية البتروكيماوية. في الوقت الحاضر، يتم إنتاج طوب الألومينا عالي النقاء الموجود في السوق بشكل أساسي باستخدام مواد خام الألومينا المنصهرة. إن إنتاج الألومينا المنصهرة يستهلك الكثير من الطاقة مع خسارة كبيرة وهي ليست صديقة للبيئة. من الصعب تلبيد استخدام المواد الخام اكسيد الالمونيوم المنصهرة لإنتاج طوب الألومينا عالي النقاء مع قدرة منخفضة على مقاومة الخبث. في السنوات الأخيرة، باعتبارها مادة حرارية عالية الجودة، تم تحسين تكنولوجيا وإنتاج الألومينا الجدولية الملبدة على قدم وساق. دعونا نرى ميزة صنع طوب الألومينا باستخدام الألومينا الجدولية الملبدة.

1 اختبار

1.1 المواد

نحن نستخدم الألومينا الجدولية الملبدة كمواد للقيام بالإنتاج التجريبي. الألومينا الجدولية التي نستخدمها تتميز بمعدل مسامية المظهر 5.7%، معدل امتصاص الماء 1.6%، الكثافة الظاهرية 3.48 جم/سم 3. المادة المنافسة هي الألومينا المصهورة بمعدل مسامية مظهر 8.8%، ومعدل امتصاص الماء 2.4%، والكثافة الظاهرية 3.61 جم/سم3. المؤشرات هي كما يلي:

1.2 التصنيع التجريبي

باستخدام خلاط أسطواني سعة 15 كجم، أضف الحبيبات للخلط المسبق لمدة 3 دقائق، ثم أضف 3٪ رابطًا واعجن لمدة دقيقة واحدة، وأخيرًا أضف مسحوقًا ناعمًا واعجن لمدة 15 دقيقة، وشكل على مكبس هيدروليكي 100 طن مع ضغط قولبة قدره 280 ميجا باسكال. العينات المقولبة عبارة عن طوب أسطواني مع طوب مكعبφ50mm×50mm مع 150mm×25mm×25mm وبوتقة بأبعاد خارجية φ50mm×50mm وحجم الثقب الداخلي φ25mm×25mm. يتم تصنيع عينات الطوب في فرن كهربائي بدرجة حرارة عالية جدًا يتم تسخينه عند 1750 درجة مئوية لمدة 3 ساعات بعد الحفاظ على 110 درجة مئوية لمدة 3 ساعات والتجفيف.

1.3 اختبار الأداء

اختبار تغيير خط التسخين الدائم، وكثافة الحجم والمسامية الظاهرة، وقوة الضغط وقوة الانثناء عند درجة الحرارة العادية، وقوة الانثناء عند درجة حرارة عالية (عند 1400 درجة مئوية لمدة 0.5 ساعة) للعينات وفقًا للمعايير الوطنية. اختبار قدرة مقاومة الخبث بطريقة البوتقة الثابتة ومراقبة البنية المجهرية للعينة بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح SEM.

2 النتيجة والاستنتاج

2.1 البنية المجهرية للمادة

الصورة  1  أدناه توضح البنية المجهرية لجزيئات المادة الخام. لقد وجد أن الألومينا الجدولية الملبدة تتكون من بلورات oi-Al2O3 بحجم جسيم يتراوح بين 40 إلى 120 ميكرومتر، وهناك كمية معينة من المسام الكروية المغلقة. هيكل الألومينا المنصهرة أكثر كثافة، وهناك بعض المسام المفتوحة بحجم أكبر.

(أ) حبيبات الألومينا الجدولية الملبدة (ب) حبيبات الألومينا الجدولية المنصهرة

الصورة 1.

 2.2 إعادة تسخين التغيير الخطي

تُظهر الصورة 2  منحنى التغيير الخطي لإعادة التسخين للعينات المصنوعة من مواد خام مختلفة. أظهرت النتائج التجريبية أن جميع العينات لديها اتجاه الانكماش الحراري. ومع ذلك، مع زيادة محتوى الألومينا الجدولية الملبدة، زاد انكماش الحرق في هذه الأثناء. وبمقارنة فهارس المواد الخام، وجدنا أن جزيئات الألومينا الجدولية الملبدة تحتوي على مسام أكثر بكثير. إذا كانت الكثافة الحقيقية لـ α-Al2O3 هي 3.99 جم/سم 3 والكثافة الظاهرية 3.48 جم/سم 3، فإن إجمالي كمية المسامية يبلغ حوالي 13%. علاوة على ذلك، مع الحجم البلوري الصغير جدًا للألومينا الجدولية الملبدة، فإنها تجعل عملية التلبيد والنقل الجماعي سهلة في عملية التلبيد. وبالتالي الحصول على انكماش في الحجم بسبب إزالة بعض المسام من الحدود البلورية مع حركة المواد. تبلغ الكثافة الظاهرية لجزيئات الألومينا المنصهرة 3.61 جم/سم 3، وتبلغ النسبة المئوية لجميع المسام حوالي 9%. بما أن الألومينا المنصهرة يتم إنتاجها عن طريق الذوبان والتكثيف في فرن القوس الكهربائي ذو درجة الحرارة العالية، فإن المادة الخام لها حجم بلوري كبير وعدد قليل من القنوات الحدودية البلورية. ولذلك، فإن انكماش التلبيد أصغر من انكماش جزيئات الألومينا الجدولية الملبدة.

الصورة 2 إعادة تسخين التغيير الخطي على عينات مختلفة.

2.3 المسامية الظاهرة والكثافة الظاهرية

في الصورة 3، تظهر بشكل عام أن العينات التي تحتوي على محتوى ألومينا جدولي ملبد أعلى لها مسامية ظاهرة أقل وكثافة كبيرة أعلى. وذلك لأن المسامية الظاهرية للألومينا الجدولية الملبدة صغيرة جدًا حوالي 5.7%، في حين أن المسامية الظاهرية للألومينا المنصهرة تبلغ 8.8%. بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع الألومينا المنصهرة، فإن المسام الموجودة في الألومينا الجدولية الملبدة تكون أسهل في إزالتها من البلورة، مما يقلل من المسامية ويحصل على انكماش أكبر في الحجم، ويزيد من الكثافة الظاهرية للعينة. ولذلك فإن المسامية الظاهرية للعينة المطحونة تتناقص مع زيادة نسبة الألومينا الجدولية الملبدة.

الصورة 3 المسامية الظاهرة والكثافة الظاهرية لعينات مختلفة

توضح الصورة 4  أن قوة الضغط في درجة الحرارة العادية (CCS) للطوب C1 من مادة الألومينا الجدولية الملبدة النقية أكبر بكثير من تلك الخاصة بالطوب C5 من مادة الألومينا المنصهرة النقية. هناك سببان رئيسيان لذلك. أولاً، من ناحية قوة المادة الخام، يكون الحجم البلوري لمادة الألومينا الجدولية الملبدة صغيراً، كما أن قوة الكسر (σ) للمادة وحجم البلورة (G) لهما العلاقة الوظيفية التالية:

σ=و(ز-1/2)

لذلك، فإن قوة مادة الألومينا الجدولية الملبدة عالية نسبيًا، في حين أن مادة الألومينا المنصهرة هشة وسهلة التقشير (كما هو موضح في  الصورة 5 (أ) )، ويوجد أيضًا كمية صغيرة من طور β-Al2O3 فيها مما يقلل من قوة المادة.

ثانيًا، من ناحية حالة الترابط للمادة، يكون الترابط بين جزيئات الألومينا الجدولية الملبدة والركيزة جيدًا، ومتكلسًا تقريبًا في الكل. لا يتم ربط جزيئات الألومينا المندمجة بشكل جيد مع الركيزة وتتشكل بسهولة شقوق على شكل حلقة حول الجسيمات  (الصورة 5) (ب) ). نظرًا للسببين المذكورين أعلاه، فإن القوة الميكانيكية للطوب C1 من مادة جدولية ملبدة نقية أفضل من مادة الألومينا المنصهرة النقية من الطوب C5.

الصورة 4 قوة الضغط في درجة الحرارة العادية وقوة مقاومة الانحناء لعينات مختلفة

الصورة 5: البنية المجهرية للعينات المصنوعة من الألومينا المنصهرة

بعد إضافة 20 جرام من خبث التغويز إلى البوتقة (انظر الجدول 2 لمعرفة تركيبة الخبث)، قم بتسخين البوتقة إلى 1550 درجة مئوية في الفرن الكهربائي الاختباري بمعدل تسخين 100 درجة مئوية/ساعة واحتفظ بها لمدة 3 ساعات، ثم قطع البوتقة على طول الخط الاتجاه المحوري بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة، ومراقبة التغيرات في البنية المجهرية في القسم الطولي.

يظهر التركيب الكيميائي لخبث الفرن على النحو التالي:

الصورة 6 ملف تعريف بوتقة ثابتة مضادة للخبث

 بعد اختبار التآكل لخبث فرن تغويز الطين بالفحم والماء، لاحظ البنية المجهرية بواسطة المجهر الإلكتروني. يكون الخبث الناتج عن تغويز ملاط ​​ماء الفحم على شكل هيكل السمكة، ويكون بشكل أساسي في طور الأنورثيت (كما هو موضح في  الصورة 7 (أ) )؛ تفاعل الخبث مع الألومينا الموجودة في طوب الاختبار وحصل على مرحلة الإسبنيل المركب من المغنيسيوم والألمنيوم والحديد. يوضح تحليل طيف الطاقة أن تكوين طور الإسبنيل المركب هو (x/%): MgO 40.43%، Al2O 347.61%، Fe2O3 11.96%. يشكل طور الإسبنيل المركب من المغنيسيوم والألومنيوم والحديد الناتج عن التفاعل حلقة حول جزيئات الألومينا (كما هو موضح في  الصورة 7 (ب) ). سمك الحلقة حول جزيئات الألومينا الجدولية الملبدة هو 60 ~ 90 ميكرومتر، وسمك الحلقة حول جزيئات الألومينا المنصهرة هو 50 ~ 70 ميكرومتر، ويمكن ملاحظة أن الخبث أسهل في التفاعل مع الجدول الملبد لأن تتمتع الألومينا بنشاط تلبيد كبير، وبلورات أصغر، ومسام مغلقة أكثر، وحدود بلورية أكثر. من السهل اختراق الخبث على طول الحدود البلورية والتفاعل كيميائيًا مع الألومينا الجدولية الملبدة.

(أ) الخبث (ب) سطح العمل C2

الصورة 7: البنية المجهرية لعينة طوب الألومينا بعد اختبار مقاومة الخبث والتآكل

لا يوجد فرق واضح في عمق التآكل للطوب C1 وC2 وC3 وC4 وC5، حيث يبلغ طولها حوالي 1 مم. ويوضح الشكل 8 صور البنية المجهرية للطوب C1 والطوب C5 بعد التآكل على التوالي مما يجعل جزيئات الكوراندوم تظهر على شكل جزر معزولة، ثم تتفاعل مع الجزيئات وتأكل الجزيئات.

تبلغ جميع أعماق التآكل لـ C1 وC2 وC3 وC4 وC5 حوالي 1 مم، ولا يوجد فرق واضح.  الصورة 8  توضح صور البنية المجهرية للطوب C1 والطوب C5 على التوالي بعد التآكل. يتفاعل الخبث أولاً مع ركيزة الطوب ليجعل جزيئات الألومينا تصبح على شكل جزيرة ثم تتفاعل مع الجزيئات لتأكل الجزيئات.

الصورة 8: البنية المجهرية لعينة طوب الألومينا بعد اختبار مقاومة الخبث

 الصورة 9 توضح تشابه طرق اختراق الطوب الاختباري بتركيبات مختلفة. يخترق الخبث الطوب عبر المسام، ويوجد في الحبيبات والمسام مثل الطور الزجاجي ومراحل الأنورثيت.

الصورة 9 البنية المجهرية لطبقة C5 المنفذة لعينة طوب الألومينا بعد اختبار مقاومة الخبث

لكن العينات المختلفة تظهر خصائص مختلفة مضادة للنفاذية: يوضح الجدول التالي عمق اختراق SiO2 في عينات مختلفة. مع انخفاض محتوى الألومينا الجدولية الملبدة في الطوب، يظهر عمق اختراق الخبث اتجاهًا متزايدًا.

هناك سببان لهذه النتيجة:

1. العينة التي تحتوي على نسبة عالية من الألومينا الجدولية الملبدة لها مسامية ظاهرة أقل؛
2. يتم ربط جزيئات المواد الجدولية الملبدة بشكل أفضل مع الركيزة، مما يمنع تغلغل الخبث في الطوب.

3 – الخلاصة

نظرًا للحجم البلوري الصغير للألومينا الجدولية، يوجد عدد كبير من المسام الموجودة في الجزيئات، مما يساعد في إجراء عملية تلبيد النقل الجماعي. تتم إزالة بعض المسام من البلورة على طول الحدود البلورية مع حركة المواد، مما يؤدي إلى انكماش الحجم. يؤدي ذلك إلى زيادة معدل الانكماش وانخفاض المسامية الظاهرة في التلبيد عن طريق زيادة محتوى الألومينا الجدولي الملبد.

تتميز الألومينا الجدولية الملبدة النقية ببنية دقيقة الحبيبات مع قوة عالية ونشاط تلبد عالي. تتمتع جزيئات الألومينا الجدولية الملبدة الموجودة في الطوب برابطة جيدة مع الركائز، وبالتالي يزداد أداء القوة الميكانيكية مع زيادة محتوى اكسيد الالمونيوم الملبد.

نظرًا لأن الألومينا الجدولية لها ميزتان مهمتان: المسامية الظاهرة المنخفضة وقدرة الترابط الممتازة مع الركيزة، فهذا يوضح أن الألومينا الجدولية الملبدة يمكن أن تبطئ تغلغل الخبث في الطوب.