مقدمه ای در مورد آجر های عایق
مواد نسوز سرامیکی برای کارکردهای زیر مفید هستند:
1. عملکرد به عنوان یک مانع حرارتی بین محیط داغ داخلی و دیوارۀ بیرونی کوره
2. تحمل تنش های فیزیکی و جلوگیری از فرسایش دیواره کوره ناشی از گرما
3. محافظت در برابر خوردگی
4. عملکرد به عنوان عایق حرارتی
مواد نسوز کاربردهاي مفيد متعددي دارند. در صنایع متالورژی و سرامیک از دیرگدازها در آستر کوره ها، رآکتورها، و دیگر تجهیزاتی که حاوی یا انتقال دهندۀ مواد داغ مانند فلز و سرباره هستند، استفاده می شود. مواد نسوز کاربردهای دمای بالای دیگری مانند گرم کننده های شعله دار، ریفرمرهای هیدروژن، ریفرمرهای اولیه و ثانویه آمونیا، کوره های کراکینگ، دیگ های بخار، واحدهای کراکینگ کاتالیزوری، بخاری های دمندۀ هوا و کوره های فرآوری گوگرد، دارند.
این مقاله مروری دارد بر آجرهای نسوز عایق (Insulating Fire Bricks) که زیرمجموعه آجرهای عایق حرارتی محسوب می شوند. این محصولات نسوزهای شکل‌داری هستند که دمای کارکردی بالاتر از حدود C 1000 و تخلخلی بیش از 45% دارند.
ساختار کلی آجرهای عایق
آجر عایق ، محصولی نسبتاً نرمی بوده که از مواد سرامیکی نسوز ساخته شده‌اند که همزمان دماهای بالا را تحمل نموده و هدایت حرارتی پایین دارند. هدایت حرارتی محصول نهایی به ترکیب شیمیایی، چگالی، و ساختار تخلخل‌های آن بستگی دارد. آجر عایق به طور کلی سبک بوده و با اره دستی و یا هر ابزار دستی دیگر مانند اسکنه یا مته قابل شکل دهی و برش است. آجرهای عایق برای شکل داده شدن در قالب شکل های بخصوص شامل منحنی‌ها و حفره‌های سفارشی ایده‌آل هستند. با این حال، به دلیل تخلخل ظاهری زیاد، ساختار سست، استحکام کم و همچنین مقاومت ضعیف در برابر انواع مختلف فرسایش و سایش، آنها را بیشتر می توان در لایه عایق حرارتی کوره ها و سایر تجهیزات حرارتی با دمای بالا مورد استفاده قرار داد. به‌طور کلی، آجر های عایق برای استفاده در لایه اصلی و سازه های تحت بار سنگین یا محیط‌های در معرض خوردگی و سایش شدید، مناسب نیستند.
انواع آجر عایق و مواد اولیه تشکیل دهنده آجر عایق
انواع آجر های عایق موجود در بازار عبارتند از آجرهای نسوز آلومینو سیلیکاتی، آجرهای سیلیکاتی یا آجرهای سبک وزن کوراندومی (آلومینایی) و به‌طور کلی، هرچه میزان آلومینا و دمای پخت آجر نسوز عایق بیشتر باشد، دمای کاربردی آن نیز بیشتر می‌شود. رایج ترین مواد خام مورد استفاده برای آجر عایق شامل خاک رس، کائولن، کیانیت، مولایت، شاموت (سبک)، سیلیمانیت یا آندالوزیت است.
عوامل تاثیرگذار بر روی هدایت حرارتی آجرهای عایق
هدایت حرارتی تحت تأثیر مواد تشکیل دهنده و همچنین تخلخل کل، شکل حفره ها و توزیع اندازه حفره ها استرایج ترین مواد خام مورد استفاده برای آجر عایق شامل خاک رس، کائولن، کیانیت، مولایت، شاموت (سبک)، سیلیمانیت یا آندالوزیت است.
روش های ایجاد تخلخل در آجرهای عایق
در آجر های عایق تخلخل به‌واسطه حذف مواد سوختنی و آب ایجاد می شود. مواد سوختنی متداول عبارتند از خاک اره، کاه، حباب های استایرن، کُک و سلولز. علاوه بر این، برای افزایش تخلخل می‌توان فوم یا عامل کف‌کننده اضافه کرد.
نحوه تولید آجر عایق
مواد خام و مواد قابل اشتعال به هر دو صورت خشک و یا با آب مخلوط می شوند. مقدار آب مورد نیاز به فرآیند شکل دهی بستگی دارد.
تامین کنندگان مختلف آجرهای عایق را با تکنیکهای مختلفی از جمله ریخته گری، اسلینجرینگ، اکستروژن یا پرس خشک تولید می‌کنند. این تکنیکهای مختلف می‌توانند به خواص و کیفیت های عایق متفاوتی منجر شوند.
تولید آجر عایق به روش ریخته گری
در فرآیند ریخته گری آجر های عایق صابون یا ساپونین ها به عنوان فوم استفاده می شود، در حالی که پودرهای فلزی یا کاربید به عنوان عوامل کف کننده استفاده می شوند. آجرهای سبک با تخلخل بالا را می توان از این طریق تولید کرد. برای فرآیند ریخته‌گری، آجرها مستقیماً در قالب‌های بزرگی که اغلب از گچ ساخته می‌شوند، با کمک‌های ارتعاشی برای کمک به جریان بهتر دوغاب ریخته می‌شوند. مواد اولیه آب‌دوست موجود در ترکیب آب دوغاب را خارج نموده و یا آن را به‌صورت ژل در می‌آورند و به این روش به شکل‌گیری بدنه خام کمک می‌نمایند. فرآیند ژل شدن را می توان با افزودن گچ یا سیمان به مخلوط تسریع کرد. با توجه به حجم بالای آب مورد استفاده در این روش، خشک شدن بدنه‌های خام ریخته‌گری شده می‌تواند مدت زمان زیادی طول بکشد. روش‌ریخته گری برای شکل‌دهی احجام بزرگ یا قطعات پیچیده‌تر با حجم کم تا متوسط استفاده می شود.
تولید آجر عایق به روش اسلینگرینگ
فرآیند “اسلینگرینگ” فرآیندی پیوسته است که در آن توده ها در قالب های بزرگ یا بر روی یک تسمه نقاله قلاب می شوند. فرآیند اسلینگر شکلی از اکستروژن کم فشار مخلوط خاک رس مرطوب است که حاوی مقادیر زیادی از مواد افزودنی قابل اشتعال است، با یک مرحله پردازش اضافی که طی آن مادۀ نیمه اکسترود شده روی یک تسمه پیوسته آویزان می شود تا قبل از خشک شدن و پختن تخلخل بیشتری در آن ایجاد شود. آجرهای نسوز عایق با چگالی متوسط را می توان از این طریق تولید کرد
تولید آجر عایق به روش اکستروژن
در فرآیند اکستروژن، یک مخلوط خاک رس مرطوب حاوی مواد افزودنی قابل اشتعال از مسیر یک قالب اکسترود شده و سپس مقطع اکسترود شده به شکل آجر بریده شده و متعاقباً خشک می شود و پخته می شود. پرس خشک معمولا در یک جهت انجام می شود. روش پرس برای تولید آجرهایی با تراکم بالاتر مناسب است، بنابراین بیشتر برای آجرهای با تراکم بالا استفاده می شود.
جدول مقایسه ای آجرهای عایق
فرآیند شکل دهی و افزودنی‌های تخلخل‌زا باعث ایجاد ساختارهای متخلخل معمول در آجرهای نسوز عایق می شود. این موضوع منجر به ایجاد طیف گسترده‌ای از رسانایی حرارتی در یک گروه محصول می شود که به نوبه خود منجر به تغییرات در قابلیت‌های انواع مختلف آجر های عایق برای کنترل اتلاف انرژی از کوره می شود (جدول 1).
فرآیند تولید IFBهای کلاس 23 | واحد | ریخته گری | اسلینگر | اکستروژن | پرس خشک/ سیمان |
|---|---|---|---|---|---|
| دانسیته | Kg/m3 | 483 | 611 | 569 | 520 |
| ASTM C-155 | lb/ft3 | 30 | 38 | 36 | 33 |
| ضریب شکست (MOR) | MPa | 1 | 0.7 | 0.9 | 1.2 |
| ASTM C-93 | lb/in2 | 145 | 102 | 131 | 174 |
| استحکام فشاری سرد (CCS) | Mpa | 1.2 | 0.9 | 1.1 | 2 |
| ASTM C-93 | lb/in2 | 174 | 131 | 160 | 290 |
جدول 1: مقدار میانگین خواص فیزیکی چهار ردۀ تجاری آجر های عایق کلاس 23، که تفاوت در آنها بیانگر تفاوت در فرآیندهای اصلی تولید مورد استفاده تولیدکنندگان است. در آجر های عایق ، چگالی کم با استحکام کم همراه است.
مقاومت فشاری سرد به عنوان شاخصی برای دسته بندی آجر اندازه‌گیری می‌شود. خواص “گرم” ماده باید به اندازه کافی خوب باشد تا دیوارها و قوس ها را در دمای کاربردی مورد نظر پشتیبانی کند. مقاومت خمشی گرم یا خزش تحت بار نیز شاخصه ای برای دسته بندی آجرهای مورد استفاده در دماهای بالا هستند.