ASC (ANDALUZİT, SİLİSYUM KARBÜR) VE AZS (ANDALUZİT, ZİRKON, SİLİSYUM KARBÜR) MALZEMELERİN ALKALİ VE AŞINMA DİRENÇLERİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 ASC (ANDALUZİT, SİLİSYUM KARBÜR) VE AZS (ANDALUZİT, ZİRKON, SİLİSYUM KARBÜR) MALZEMELERİN ALKALİ VE AŞINMA DİRENÇLERİNİN İNCELENMESİ İlyas CAN*, İbrahim BÜYÜKÇAYIR* *Durer Refrakter Malzemeleri San. Ve Tic. A.Ş. İstanbul ÖZET Bu çalışmada, Çimento sanayinde karşılaşılan alkali ve aşınma problemlerinin çözümüne yönelik olarak refrakter malzemelere SiC ve ZrO 2 ilavesinin etkileri incelenmiştir. Durer bünyesinde üretilmekte olan Gundur LC 7610 ASC ve Gundur LC 7699 AZS püskürtme malzemeleri ile Vibradur 610 ASC ve Ultradur AZS 5099 malzemelerinin alkali ve aşınma dirençleri, diğer fiziksel özellikleri ve kimyasal kompozisyonları da verilerek karşılaştırılmıştır. Anahtar kelimeler: Alkali direnci, aşınma direnci, silisyum karbür, zirkon GİRİŞ Çimento sanayiinde alkali problemleri sıkça karşılaşılan sorunlardan biridir. Özellikle son zamanlarda artan alternatif yakıt ve hammadde kullanımı bu sorunun etkisinin artmasında önemli rol oynamıştır. Alkali direnci yüksek refrakter malzeme kullanımı ile alkali sorunlarına çözüm aranırken, aşınma direnci yüksek malzeme gereksinimi de ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle SiC veya ZrO 2 katkısı veya her ikisinin birlikte kullanımı, istenen bu iki özelliği de aynı anda sağlamaya olanak tanımaktadır. Bu tür ürünlerde çoğunlukla SiC katkısı içeren malzemeler olup, alkali etkisinin yoğunluğuna göre SiC oranı %5 ile %60 arasında değişmektedir. Ancak pratik tecrübeler göstermiştir ki %30 un üzerinde SiC katkısının alkali direncine pozitif bir getirisi olmamaktadır. ZrO 2 katkısının ise SiC kadar alkali direncine yüksek seviyede olumlu bir etkisi olmamakla birlikte aşınma direncinin iyileşmesini istenen düzeyde sağlamaktadır. Bunun yanında alkali direncinin arttırılmasında en önemli etken, refrakter yapının porozite, por çapı ve por dağılımıdır. Yüksek alkali direnci için porozite değeri düşük, por çapının mümkün olduğunca küçük ve por dağılımının da düzgün olması gerekmektedir. Bu yapı refrakter bünyede sağlanmadığı takdirde, alkali ve aşınma dirençleri, SiC ve ZrO 2 katkısı olsa dahi, düşebilmektedir. Bu nedenle tuğlanın veya monolitiklerin tane dağılımı, döküm suyunun miktarı, mutlaka vibrasyon uygulanması ve püskürtme refrakterlerin yeterli su ve hava miktarı ile uygun basınçla püskürtülmesi büyük önem taşımaktadır. 1

2 Ayrıca refrakter malzemenin ana hammaddesinin karakteri de çok önemlidir. Kullanılan hammaddenin aşınma direncinin yüksek, kararlı bir hammadde olması gerekir. Aksi takdirde zayıf bir hammadde yapısının üzerine SiC ve/veya ZrO 2 ilavesiyle yeterli düzeyde sağlam bir yapı oluşturmak mümkün olmayacaktır. Bu tür ürünler için en uygun hammadde, dünyada birçok refrakter üreticisi tarafından tercih edilmiş olmasından da anlaşılacağı üzere Andaluzittir. Bu çalışmada Andaluzit bazlı %10 SiC içeren malzemeler ile %10 SiC ve % 9 civarında ZrO 2 içeren ve DURER in rutin üretim programı içerisinde bulunan Ultradur AZS 5019, Vibradur 610 ASC, Gundur LC 7610 ASC ve Gundur LC 7699 AZS ürünlerinin alkali ve aşınma dirençlerinin yanı sıra diğer fiziksel özellikleri ile kimyasal kompozisyonları incelenmiştir. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bahsi geçen ürünlerin numuneleri uygun miktarda su ilavesiyle, PRE R 26 standardına uygun olarak hazırlanmış olan 230*64*54 mm ölçülerindeki çelik kalıplara dökülerek (Resim 1.) oda sıcaklığında 24 saat kurumaya bırakılmıştır. Daha sonra numuneler kalıptan çıkarılarak 120 o C de 4 saat kurutulmuştur. Son olarak her ürün sınıfına dahil olan numuneler kendi arasında farklı sıcaklıklarda (800, 1000, 1200, 1350 o C) pişirilerek, yapılacak testlere hazır hale getirilmiştir. Resim 1. PRE R 26 standardına göre hazırlanmış numune kalıplarının döküm öncesi ve sonrası görünümü Numunelere sırasıyla hacim ağırlığı ve görünür porozite (ASTM C20), soğuk basma dayanımı (ASTM C133), ısıl şok direnci (DIN 51068), aşınma direnci (ASTM C704) ve alkali direnci testleri yapılmış ve kimyasal analizleri ISO standardına uygun olarak XRF cihazı ile tayin edilmiştir. Isıl şok direnci testi DIN [1] standardına uygun olarak 50 mm çapında ve 50 mm yüksekliğindeki silindirler halinde kesilmiş numunelere uygulanmıştır. Numuneler 110 o C de sabit ağırlığa gelinceye kadar kurutulduktan sonra laboratuvar fırını içerisinde 950 o C de 30 dakika bekletilmiş (Resim 2(a)) ve süre sonunda çıkarılarak hızlı bir şekilde daimi beslemeli su havuzuna atılmışlardır (Resim 2(b)). Elle tutulabilir sıcaklığa gelen numuneler su içerisinden alınarak, 110 o C lik etüv içerisinde 30 dakika kurumaya bırakılmıştır (Resim 2(c)). Sonraki çevrimlerde, yalnızca fırında bekleme süresi 15 dakikaya indirilmiş, diğer süreler aynı kalmıştır. Bu şekilde numuneler 30 çevrim tamamlanıncaya kadar teste tabi tutulmuştur. 2

3 (a) Isıtma (b) Şoklama (c) Kurutma Resim 2. Isıl şok direnci testinin aşamaları Aşınma dayanımı testi ASTM C704 [2] standardına uygun olarak hazırlanmış bir test düzeneği ile yapılmıştır (Resim 3.). Numuneler 100*100*25 mm ölçülerinde kalıplara dökülerek şekillendirilmiş, oda sıcaklığında 24 saat kurumaya bırakıldıktan sonra 24 saat boyunca 120 o C de kurutulmuş ve kuru ağırlıkları tartılarak ağırlık ve yoğunluk değerleri kaydedilmiştir. Numuneler tek tek aşınma test cihazı içerisine yerleştirilerek üzerlerine 1 kg lık SiC tozu, sabit bir mesafeden, basınçlı hava yardımıyla 7,5 dakika süresince püskürtülmüştür. Daha sonra numuneler tekrar tartılarak ağırlık değerleri kaydedilmiş ve ağırlık kaybı ile yoğunluk değerlerinden aşınma miktarları cm 3 cinsinden hesaplanmıştır. Resim 3. Aşınma Test Cihazı Alkali direnci testi için numuneler 100*100*100 mm ölçülerinde ve bir yüzeylerinin ortasında 35 mm çapında ve 35 mm derinliğinde bir delik olacak şekilde kalıba dökülerek şekillendirilmiştir. Oda sıcaklığında 24 bekletildikten sonra kalıptan çıkarılan numuneler 110 o C de 12 saat kurutulup her bir ürün için, farklı sıcaklıklarda 3

4 alkaliye maruz bırakılmak üzere, üçer adet numune takımına ayrılmıştır. Her numune takımındaki numunelerin delik haznelerine sırasıyla 30 g potasyum karbonat (K 2 CO 3 ) tozu, 30 g sodyum karbonat (Na 2 CO 3 ) tozu ve 15 g K 2 CO g Na 2 CO 3 tozları karışımı doldurulmuştur. Numuneler fırında sırasıyla 900 o C, 1000 o C ve 1100 o C sıcaklıklarda 5 saat süresince bekletilmiş ve süre sonunda soğumaya bırakılarak oda sıcaklığına düşmeleri beklenmiştir. Oda sıcaklığına gelen numuneler ortalarından kesilerek içyapılarındaki alkali nüfuzu incelenmiştir. LABORATUVAR SONUÇLARI Numunelere uygulanan fiziksel test ve kimyasal analiz sonuçları topluca Tablo 1 ve Tablo 2 de verilmiştir. Bileşen Tablo 1. Numunelerin kimyasal analiz sonuçları Gundur Gundur Ultradur LC 7610 LC 7699 AZS ASC AZS 5099 Vibradur 610 ASC Al 2 O 3 (%) 54,58 50,34 49,46 53,70 SiO 2 (%) 30,67 24,13 26,56 33,11 Fe 2 O 3 (%) 0,57 0,46 0,38 0,48 CaO (%) 3,48 3,55 2,20 2,13 ZrO 2 (%) - 10,78 10,82 - SiC (%) 9,86 9,93 9,88 9,81 Kalite Gundur LC 7610 ASC Gundur LC 7699 AZS Ultradur AZS 5099 Vibradur 610 ASC Tablo 2. Numunelerin fiziksel test sonuçları Isıl Şok Aşınma Sıcaklık H.Ağırlığı G.Porozite S.B.D. o C g/cm 3 % hacim kg/cm 2 Direnci Direnci çevrim cm ,37 17, , ,30 26, , ,30 25,8 311 > 30 16, ,29 25,3 309 > 30 15, ,30 19,8 514 > ,55 15, , ,48 23, , ,49 22,2 326 > 30 12, ,48 21,8 394 > 30 12, ,52 16,5 834 > ,85 8, , ,81 12, , ,79 13, > 30 4, ,82 10, > ,79 12, > ,80 8, , ,75 11, , ,72 11, > 30 7, ,71 11, > ,70 11, > 30-4

5 Alkali testi sonrası numunelerin kesit yüzeyleri takip eden resimlerde verilmiştir. Resim 4. Gundur LC 7699 AZS nin 1000 o C de alkali direnci testi sonrası kesit Resim 5. Gundur LC 7699 AZS nin 1200 o C de alkali direnci testi sonrası kesit Resim 6. Gundur LC 7610 ASC nin 1000 o C de alkali direnci testi sonrası kesit görünümüleri Resim 7. Gundur LC 7610 ASC nin 1200 o C de alkali direnci testi sonrası kesit 5

6 Resim 8. Vibradur 610 ASC nin 900 o C de alkali direnci testi sonrası kesit Resim 9. Vibradur 610 ASC nin 1000 o C de alkali direnci testi sonrası kesit Resim 10. Vibradur 610 ASC nin 1100 o C de alkali direnci testi sonrası kesit Resim 11. Ultradur AZS 5099 un 900 o C de alkali direnci testi sonrası kesit 6

7 Resim 12. Ultradur AZS 5099 un 1000 o C de alkali direnci testi sonrası kesit Resim 13. Ultradur AZS 5099 un 1100 o C de alkali direnci testi sonrası kesit Alkali direnci sonuçlarının daha iyi yorumlanabilmesi amacıyla SiC veya ZrO 2 içermeyen boksit ve müllit bazlı iki farklı refrakter malzeme de alkali testine tabi tutularak test sonrası Resim 14 te verilmiştir. (a) (b) Resim 14. Boksit (a) ve Müllit (b) bazlı refrakter malzemelerin alkali direnci testi sonrası Numunelerin kesit incelendiğinde alkali direnci açısından Tablo 3 teki gibi bir derecelendirme yapılabilir. 7

8 Tablo 3. Numunelerin alkali direnci derecelendirmeleri K 2 CO 3 Na 2 CO 3 K 2 CO 3 + Na 2 CO o C 1000 o C 1100 o C 1200 o C 900 o C 1000 o C 1100 o C 1200 o C 900 o C 1000 o C 1100 o C 1200 o C Vibradur 610 ASC ***** ***** ***** - ***** ***** ***** - ***** ***** ***** - Ultradur AZS 5099 ***** ***** ***** - ***** ***** ***** - ***** ***** ***** - Gundur LC 7699 AZS - ***** - ***** - ***** - **** - ***** - **** Gundur LC 7610 ASC - ***** - **** - **** - **** - ***** - **** Burada; ***** Çok yüksek **** Yüksek *** İyi ** Vasat * Düşük, alkali direnci değerlerini ifade etmektedir. Ürünlerin 120, 800 ve 1000 o C de pişirilmiş numunelerine uygulanan aşınma direnci testi sonrası Resim 15, 16, 17 ve 18 de verilmiştir. Resim 15. Vibradur 610 ASC nin 120, 800 ve 1000 o C de pişmiş numunelerinin aşınma testi sonrası Resim 16. Ultradur AZS 5099 un 120, 800 ve 1000 o C de pişmiş numunelerinin aşınma testi sonrası Resim 17. Gundur LC 7699 AZS nin 120, 800, 1000 ve 1200 o C de pişmiş numunelerinin aşınma testi sonrası 8

9 Resim 18. Gundur LC 7610 ASC nin 120, 800, 1000 ve 1200 o C de pişmiş numunelerinin aşınma testi sonrası Ürünlerin 1000, 1200 ve 1350 o C de pişirilmiş numunelerine yapılan ısıl şok testi sonrası Resim 19 da verilmiştir. Resim 19. Isıl şok testi numunelerinin 30 çevrim sonrası SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME Tane dağılımı iyi ayarlanmış, şekillendirme basıncı yeteri derecede yüksek ve yeterli sıcaklık ve sürede pişirilmiş bir refrakter tuğlada porozite düşük, por çapı 40 ila 90 mikron arasında gerçekleşir. Por çapı yeteri kadar su ilave edilerek vibrasyonla dökülmüş, düşük çimentolu bir betonda 10 ila 20 mikron arası iken 9

10 püskürtme betonlarda tuğla ve dökme beton arası bir değerde kalır. Doğal olarak bunu sağlayabilmek için püskürtme basıncının minimum 7 atm. ve hava miktarının 12 m 3 /dk olması, bunların yanı sıra püskürtme makinesinin de uygun özellikte ve bilhassa nozulunun su / malzeme karışımını optimum şekilde sağlayabilecek konumda olması gerekmektedir. Malzemelere SiC ve/veya ZrO 2 ilavesiyle alkali direnci üzerindeki olumlu etkinin yüksek oranda arttığı açıktır. Farklı tipte alkalilerle farklı sıcaklıklarda yapılan testler sonucunda numunelerin kesit yüzeylerinde penetrasyon ve beraberinde deformasyon oluşmadığı, dolayısıyla alkali direncinin ihtiyaç duyulduğu bölgelerde bu tür ürünlerin kullanılabilecektir. Aşınma direnci testi sonuçları incelendiğinde ZrO 2 ilavesinin aşınmaya daha dirençli bir yapı ortaya koyduğu görülmektedir. 16 cm 3 e kadar aşınma direncine sahip malzemelerin iyi olarak kabul edildiği göz önüne alındığında zirkon ilavesiz, sadece SiC içeren ürünlerin de aşınma direncini istenen düzeyde sağladığı ifade edilebilir. Numunelerin fiziksel test sonuçları karşılaştırıldığında düşük çimentolu dökme betonların püskürtme betonlara göre daha iyi sonuçlar verdiği açıkça görülmektedir. Burada en büyük etken püskürtme malzemelerin de laboratuar şartlarında döküm yolu ile şekillendirilmiş olmalarıdır. Uygun bir püskürtme cihazı kullanılarak, uygun basınç, hava ve su miktarıyla hazırlandığı takdirde püskürtme betonlarından daha iyi sonuçların alınacağı dikkate alınmalıdır. Sonuç olarak çimento sanayinde fırın girişi, fırın kafası ve soğutma gibi aşınma, alkali ve ısıl şok gibi etkenlerin üçünün birden önemli olduğu bölgelerde SiC ve/veya ZrO2 ilaveli andaluzit bazlı refrakter malzemeler güvenli bir kullanıma imkan tanımaktadır. Bunun yanı sıra söz konusu proses gerekliliği olan etkenlerden birinin veya herhangi ikisinin var olduğu bölgelerde de rahatlıkla kullanılabileceğini kanıtlamaktadır. Ancak şu da belirtilmelidir ki; andaluzit bazlı SiC içeren malzemelere göre, SiC ile birlikte ZrO2 katkısının sadece aşınma direncinde bir farklılık göstermektedir. Sadece SiC içeren malzemenin aşınma direncinin de yüksek değerler olduğunu belirtmek gerekmektedir. Çok özel şartların dışında kullanımda büyük farklar gözlenmeyeceğini belirtmek mümkündür. 10