REFRAKTER MALZEME ÜRETĐMĐ

Transkript

1 MYO-ÖS Ulusal Meslek Yüksekokulları Öğrenci Sempozyumu EKĐM 2010-DÜZCE REFRAKTER MALZEME ÜRETĐMĐ Harun YILMAZ 1 Ferhan KARA 1 1 Pazaryeri Meslek Yüksekokulu Bilecik Üniversitesi - BĐLECĐK Harun.yilmaz@bilecik.edu.tr Ferhankara@ferhankara.com ÖZET Seramik fırınlarında kullanılan pişirme araçları olarak kullanılan plakalar, kasetler ve taşıyıcı kolonlar refrakter fırın malzemeleridir. Bu malzemelerin ısı değişimine dayanabilme mukavemeti iyi olmalıdır. Seramik sektöründe kullanılacak olan fırın malzemeleri, maruz kalacakları özel şartlar ve temel esaslar dikkate alınarak imal edilmelidir. Kullanılan ham ve yardımcı maddeler, bunların tane irilikleri, pişirme rejimi ve sıcaklığı imalatta önemli olanıdır. Pişirme araca için önceleri genellikle kullanılan ilk malzeme şimot iken, günümüzde üstün verimliliğinden dolayı silisyum karbür ve kordiyeritten yapılan refrakter malzeme kullanılmaktadır. Taşıyıcı plaka üzerinde kullanılan ve 2MgO.Al 2 O 3.5SiO 2 formülü ile gösterilen Kordiyerit stokiyometrik hesaba göre % 13,8 MgO, %34,8 Al 2 O 3 ve % 51,4 SiO 2 içermektedir. Kordiyeritin termal genleşme katsayısı çok düşük ve termal şok dayanımı çok iyi olduğundan, termal söz konusu uygulamalarda kullanılmaktadır. Deneysel çalışmada Aydın Çine yöresinden alına cevher, sentetik kordiyerit, Uşak kaolini, Sivas steatiti Talkı, Bağlama kili ve Alümina kullanılmıştır. Hammaddeler kırılıp öğütüldükten sonra 63 µm lik elekten elenmiş elek altı tozları homojen olarak karıştırıldıktan sonra % 8-9 su ile rutubetlendirilmiştir. Tozlar iki ayrı kalıpta 10 Mpa basma gerilmesi etkisinde preslenmiştir. Preslenen kalıplar C de pişirilmiş bu numuneler üzerine, su emme, porozite, mukavemet ve basma mukavemeti testleri uygulanmıştır. Anahtar Kelimeler: Refrakter malzeme, Seramik Fırınları 1.GĐRĐŞ Refrakter malzemeler ateşe dayanımları ile tanınmaktadır. Üstün şekillendirme özellikleri nedeniyle, ilk refrakterin seramik killerin şekillendirilip pişirilmesiyle elde edildiği tahmin edilmektedir. Ancak XIX yüzyılda üretim kalitelerinin özellikle fiziksel özelliklerin geliştirilmesi amacıyla kil kompozisyonlarına plastik olmayan malzemelerin katılması düşünülmüştür. 1

2 Teknolojik ilerlemelere daha üstün kalitede katkı maddelerinin kullanılmasıyla sanayi kollarının taleplerine cevap verebilecek çok çeşitli refrakter malzemelerinin geliştirildiğini bilmekteyiz[1]. Fırın tipi, üretim teknolojisi ve üretim cinsine göre fırınlarda uygulanan proses, değişmekte ve her değişen proses, değişik tip ve kalitede refrakter gerektirmektedir. Bu nedenle çok değişik refrakterler üretilmektedir. Kötü fırın atmosferinden korumak ve fırında ekonomik bir şekilde yetiştirilmelerini sağlamak gayesiyle özel refrakter malzemeler kullanılır. Seramik fırın malzemeleri olarak adlandırılan bu özel refrakterler, kullanma yerine ve şekline göre kaset, plaka, manşet ve kolon olarak çeşitlendirilir. Seramik fırın malzemeleri genel olarak alümina silikat bünyelerinden imal edilir. Seramik fırın malzemelerinin üretiminde önceleri şamot kullanılırdı. Ancak, şamot gelişen teknolojinin isteklerine uymaz hale geldiğinden son zamanlarda silisyum karbür ve kordiyerit bünyeler önem kazanmıştır. Kordiyerit 2MgO.2AL 2 O 3.5SiO 2 formülüne sahip ve ağırlık yüzdeleri ; % 13,8 MgO, %34,8 Al 2 O 3 ve %51,4 SiO 2 içeren bir seramik mineralidir. Doğal kordiyerit tabiatta yaygın olarak bulunmaz. Bulunan doğal minerallerde demir oksit oranı yüksek olduğu için üretime elverişli değildir[2]. Amerika da sürekli fırınlara çıkan arabaların üzerinde uzun yıllar ateş tuğlası kullanılmıştır yılında fırın arabaları için silisyum karbür tuğla üretiminde ateş kiline talk katılmış ve bunun tuğlanın örünü arttırdığı görülmüştür[3]. Doğal kordiyerit minerali ilk defa jeolog Cordiere tarafından bulunmuştur. MgO- Al 2 O 3 -SiO 2 sistemi ilk kez 1918 yılında Rankin ve Mervin tarafından incelenmiş ve bu çalışmalar sonucunda üçlü denge diyagramı çizilmiştir[4]. Singer ve Cohn bu çalışmalar üzerine kordiyerit i termal genleşme katsayısını çok düşük ve termal şok dayanımını yüksek olduğunu bulmuşlardır. Böylece ilk kordiyerit 1929 da üretilmiş oldu. Kordiyerit in termal genleşme katsayısı çok düşük ve termal şok dayanımı çok iyidir. Fayans gibi seramik malzemeler tünel fırına kordiyeritten yapılmış bir taşıyıcı içinde veya üzerinde girer. Bu taşıyıcılar tünel fırına kere girebilirler. Sürekli fırına giren fırın arabalarının üzerinde kordiyerit refrakterler 1.5 yıl tamir görmeden görev yapabilmektedirler. Buda kordiyeritli refrakterlerin diğerlerinden daha ekonomik olduğunu göstermektedir. Termal şok söz konusu ısıl işlem fırınlarında cam,tav fırınlarında seramik fırınlarda,mufl tipi fırınlarda vb C ye kadar olan fırınlarda kullanılmaktadır.curuf söz konusu olan fırınlarda kordiyerit kullanılmaz[5]. Vitriye kordiyerit bünyeler ise kimya endüstrisinde kullanılmaya elverişlidir. Kordiyerit yalıtkanlık özelliğinin Đyi olması nedeniyle elektrik fırınlarında direnç malzemelerini taşıyıcı olarak ve ayrıca yüksek frekans tekniğinde yalıtkan olarak kullanılmaktadır[6]. Bu amaçla kullanılacak parçalardan alkali ve demir oksitler bulunmamalıdır. Deneysel çalışmalarda, Aydın Çine yöresinden temin edilmiş cevherin kimyasal bileşimi, kordiyerit e yakın bileşime sahip olup bunun seramik fırınlarında fırın arabalarında kullanılan taşıyıcı plaka üretiminde kullanılabilirliği araştırılmıştır. 2

3 2. DENEYSEL veya TEORĐK ÇALIŞMA Deneysel çalışma için Çitosan Genel Müdürlüğü ne bağlı yarımca porselen Fabrikası nın kimya lab.dan bir kordiyerit plaka harman reçetesini baz alınmış ve bu reçeteye göre kordiyerit plaka denemeleri yapılmıştır. Sonra bu reçetedeki sentetik kordiyerit ve talk yerine cevherimizden konulmuştur. Bununla mevcut reçete ve üç ayrı reçete ile 4 adet numune kordiyerit plaka yapılmıştır. Times New Roman 12 punto olarak yazılmalıdır. Tablo ve resimler tek sütunu veya iki sütunu kaplayacak şekilde yerleştirilebilir Materyal Temini ve Kimyasal Analizi Çalışmalarda kullanılmak üzere izmir de bulunan Komet A.Ş firmasından, Aydın Çine yöresine ait ve kordiyerit bileşimine sahip olan cevher temin edilmiştir. -0,149 mm tane boyutunda öğütülmüş olan cevher, yarımca porselen sanayide bulunan Oxford marka QX model XRF spektrometre cihazı ile kimyasal analiz yapılmış ve bu analizler sonucunda, cevherde aşağıdaki element oksitleri tayin edilmiştir. SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 CaO MgO K 2 O Na 2 O TiO Kullanılan Hammadde Yapılan çalışmalarda baz olarak alınan reçetede sentetik kordiyerit talk, alümina, yıkanmış uşak kaolini ve bağlama ikili hammaddeleri kullanılmıştır. Numune plakalarda ise sentetik kordiyerit ve talk yerine cevherimizden kullanılmıştır. Kordiyerit plaka üretiminde kullanılan hammaddelerde çok az demir oksit bulunması mineralizör etki yapmakta fakat demir oksit in fazla olması hiçbir zaman istenmemektedir. Hammadde seçimi ticari seramik üretiminde kullanılan hammaddeler içinde göz denetimi ile demir oksidi düşük ve özellikleri birbirine yakın olan parçaların ayrılması şeklinde yapılmıştır. Sentetik kordiyerit, talk, kaolin bağlama kili ve kullanacağımız cevherin kimyasal analizi sırasıyla tablo1. de verilmiştir. Tablo 1. Kullanılan hammaddelerin kimyasal analizleri Hammadde AK SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO K 2 O Na 2 O TiO 2 Sentetik Kordiyerit 0, ,5 0-0, ,5 0-0,2 0-0,5 Talk 4,99 60,59 2,35 0,37 0,60 31,87 0,09 0,05 0,10 Bağlama Kili 10,0 55,35 28,77 1,93 0,35 0,80 1,41 0,17 0,80 Yıkanmış Uşak kaolini 5,60 67,91 19,91 0,80 0,92 0,15 4,38 0,0 0,02 Al 2 O 3 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Cevher 6, ,02 1,70 0,46 11,20 5,20 1,48 0,82 3

4 2.3. Numunelerin hazırlanması ve fırın malzemeleri denemeleri Denemelerde kullanılacak şekilde kurutulan ve öğütülen cevherin, fırınlarda numuneleri taşıyan arabalarda kullanılan ve yarımca porselen sanayi fırın malzemeleri üretiminde yaranılan taşıyıcı plaka reçetelerinden birinde hammadde girdisi olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. Bu amaçla taşıyıcı plaka reçetesinde yer alan hammaddeler ayrı ayrı öğütülerek reçetede belirtilen oranlarda karıştırılmış ve bu karışımdan aşağıda anlatıldığı şekilde kuru yöntemde çamur hazırlanır Kırma ve Öğütme Seçilen hammaddeler tablo 2. de verilen reçetelerde belirtilen oranlarda 3 kg lık bir karışım sağlayacak şekilde öğütme işlemine başlanılmıştır. Kordiyerit, talk ve kaolin oldukça sert oldukları için öğütme işlemine çeneli kırıcılardan başlanmıştır. Tablo 2. Fırın malzemeleri mevcut ve deneme reçeteleri Hammadde Mevcut (%) Deneme 1 (%) Deneme 2 (%) Deneme 3 (%) Sent. Kordiyerit Talk Bağlama kili Yık. Uşak Kaolini Al 2 O Cevher Daha sonra öğütmede iç çapı 170 mm. Derinliği 200mm olan bilyalı değirmen kullanılmıştır. Đki saatlik öğütme işinden sonra 63 mikrometrelik elekte elenmiştir. Elek üstü tozlar yeniden değirmene konmuştur. Toz miktarı azaldığı için elek altına geçen miktar kadar kaba toz değirmene ilave edilmiş ve tekrar 2 saat öğütme işlemi yapılmıştır. Bu işleme seçilmiş hammaddelerin tamamının öğütülmesine kadar devam edilmiştir. Kil yumuşak olduğu için daha kolay toz haline gelmektedir. Bu nedenle değirmende birer saat öğütme işleminden sonra ekleme yoluna gidilmiştir. Öğütme işlemi daha uzun süreli devam etmesi aşırı tane incelmesi ne neden olacağı için tercih edilmemiştir. Alümina piyasada alındığı şekilde 63 mikrometrelik elekten geçtikleri için ayrıca öğütme işlemine tabii tutulmamışlardır. Öğütme işleminden sonra tozlar C de altışar saat süre ile kurutulmuş ve daha sonra naylon torbalara konularak hava almayacak şekilde ağızları kapatılmıştır Karıştırma Kordiyerit, talk, kil, kaolin ve alüminanın yoğunlukları birbirine yakın olması nedeniyle homojen bir karışım elde edilmiştir. Sadece alüminanın birim hacim ağırlığı daha azdır. Sentetik kordiyerit ve kaolin tozu sarımtrak, alümina tozları ve cevher beyazımsı bağlama kilide kahverengidir. Hammaddenin ne kadar katılması gerektiği reçetelerden hesaplanmış ve tartılarak ayrılmıştır. Tartılan numuneler temiz bir leğende el ile karıştırılarak homojen bir renk dağılımı elde edilinceye kadar el ile karışıma devam edilmiştir. Daha sonra karışan numune bilyeli değirmene konularak karıştırmanın yanı sıra öğütme işleminin devam edeceği göz önünde tutularak karıştırma zamanı yarım saat olarak belirlenmiştir. Karışımın homojen olup olmadığını belirlemek için bir partide üçer numune preslenmiştir 4

5 Nemlendirme Karıştırma işlemi bittikten sonra hammaddeler ağırlıkça %8-9 a kadar su ile nemlendirilmiştir. Nemlendirmenin amacı presleme sırasında taneciklerin birbirine yapışmasını sağlamak ve parçaya mukavemet kazandırmaktır. Kuru ve yarı kuru preslemelerde rutubet oranı düşük olduğu için kuruma sırasında boyut değişimi çok az olmakta ve bu nedenle kil bozulması sorunları en aza inmektedir. Tozlar geniş bir yüzeye yayıldıktan sonra bir filit pompa ile su çok ince zerrecikler şeklinde üzerine püskürtülmüştür. Tozların üzerinde ıslanma nedeniyle renk ton farkı görülünce karıştırma yapılmış ve daha sonra su püskürtmeye devam edilmiştir. Rutubetlendirme sırasında sık sık tartımlar yapılmış ve %9 u geçmemesine özen gösterilmiştir. Đşlem sırasında çok küçük de olsa topraklanmalar olmuş, bunun olumsuz bir etki meydana getirmemesi için rutubetlendirme işleminden sonra 0.5 mm lik elekten geçirilmiştir. Elekten geçirme sırasında, yüzeyine su alan parçacıklar dağılmış ve daha küçük parçacıklara ayrılmıştır Kullanılan kalıplar ve presleme Kuru yöntemle hazırlanan bu çamurlardan preslerde dikdörtgen ve silindirik kalıplarda silindirik deneme numuneleri elde edilmiştir. (Şekil 1). Kuru preslemede, 7 ile 10.5 Mpa arasında basma gerilmesi uygulaması tavsiye edilmektedir. Deneysel çalışmalarda %8-9 rutubetli tozlar preslendiğinde ve gözenek yüzdesi yüksek bünye arzu edildiğinden presleme basıncı 10Mpa olarak seçilmiştir Numuneler 10 tonluk çekme ve basma makinesinde preslenmiştir. Presleme sırasında toz taneleri arasındaki havanın çıkması zor olduğundan bu havanın kaçmasını sağlamak için 5Mpa basınca erişildiğinde yük kaldırılmış daha sonra yeniden yükleme yapılarak 10 Mpa basınca çıkarılmıştır. Darbeli presleme hava çıkışını zorlaştıracağından yüklemeler yavaş ve darbesiz yapılmıştır. Şekil 1.Mukavemet ve basma kalıpları Kurutma ve pişirme Ağırlıkça yaklaşık %9 rutubet suyu içeren preslenmiş numuneler oda sıcaklığında 1 hafta bekletilmiştir. Hızlı kuruma olması için etüvde 85 0 C de iki saat daha sonra C de 3 saat 5

6 bekletilerek kurutulmuştur. Direk C de kılcal çatlamalar olabilir bu sebeple yavaş yapılmıştır. Pişirme işleminde parçalar kurutulduktan sonra fırınlanmış ve pişme sıcaklığına kadar fırınla ısıtılmıştır. Sıcaklık C ye kadar çıkarılmış ve süre 72 saat tünel fırının başından sonuna kadar sürmüştür Denemeler Pişirilmiş bünyelerden dikdörtgen olanlarda pişme mukavemeti, su emme ve porozite, silindir numunelerde ise basma mukavemetleri testleri uygulanmıştır Pişmiş mekanik mukavemet Fırın malzemeleri üretiminde kullanılan kuru çamur standart ölçülerdeki (160x40x80) metal kalıplarda yük altında (30 ton) basılarak şekillendirilir. Standart çubuklar halinde şekillendirilen çubuklar önce oda sıcaklığında daha sonrada etüvde kurutulup, bu kurutulmuş çubuklar işletme şartlarında pişirilirler. Pişirilmiş çubuklar mukavemet cihazında yük uygulanarak kırılırlar ve elde edilen değerler aşağıdaki formülde pişirilmiş mekanik mukavemet tespit edilir. 3 x P x L Mekanik Mukavemet = (1) 2 x b x h 2 P = Kırma ağırlığı (Kp) b = Çubuk genişliği L = Destek aralığı(cm) h = Çubuk kalınlığı(cm) Basma mukavemeti Seramik bir malzemenin basınca mukavemeti yük altında ezilmeye karşı gösterdiği mukavemetin bir ölçüsüdür. Çünkü seramik gerilim altında kırılır. Basma mukavemeti için kuru yöntemle elde elde edilen çamur silindirik kalıplarda 12 ton yük altında şekillenir. Banma mukavemeti; σh = A P (2) P = Uygulanan yük (Kp) A = Numunenin kesit alanı (π r 2 ) 6

7 Su emme Preslerde kalıplanmış ve pişirilmiş numunelerden mekanik mukavemet testine tabi tutulanlar ve bu test esnasında kırılan parçaların değişmez ağırlıkta tartımı yapılır. Bu parçalar su içine konarak 12 saat beklenir yada 4 saat kaynatılır. Yaş tartımları alınır, yaş ile kuru tartım arasındaki fark parçaların emdiği su miktarını verir. Her bir parçanın su emme yüzdesi saptanır. Yaş pişirme Ağırlığı Kuru Pişmiş Ağırlık % Su Emme = x 100 (3) Kuru Pişmiş Ağırlık Porozite % su emmesi tespit edilen parçaların su içindeki askıdaki ağırlıkları tespit edilerek, aşağıdaki formüle göre % porozitesi hesaplanır. a - b % Porozite = (4) a - s a = Islak ağırlık b = Kuru ağırlık s = Askıdaki ağırlık 3. BULGULAR 3.1. Kimyasal analiz sonuçları Çalışılan cevher üzerinde yapılan analizlerin sonucu olarak cevherin bileşimi tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3. Cevherin kimyasal analizi BĐLEŞEN SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO K 2 O Na 2 O TiO 2 K.K CEVHER(%) 40,92 31,02 1,70 0,46 11,20 5,20 1,48 0,82 6, Fırın malzemeleri Yapılan incelemeler sonucunda elde edilen değerler tablo 4 de verilmiştir. Tablo 4. Fırın malzemeleri deney sonuçları Fiziksel Testler Mevcut Deneme 1 Deneme 2 Deneme 3 Pişirme Mukavemeti (Kp / cm 2 ) 121,31 123,60 136,49 247,97 Su emme (%) Porozite (%) Basınca Dayanım (Kp / cm 2 ) 14,90 13,50 13,50 2,3 27,70 25,24 25,40 5,6 725,90 756,6 696,90 778,93 7

8 4.SONUÇLAR VE ÖNERĐLER Yaptığımız denemeler sonucunda, mevcut reçete sonucu elde edilen taşıyıcı plaka numunesi ile deneme 1 ve deneneme 2 reçeteleri sonucu elde edilen taşıyıcı plaka numuneleri arasında, pişme mukavemeti, su emme yüzdesi ve basınca dayanım kuvveti testleri sonucu elde edilen değerler tablo 4 de görüldüğü gibi birbirine yakındır. Ancak sentetik kordiyerit yerine tamamen cevher katılarak yapılan deneme 3 çalışmasının sonucu olarak elde edilen taşıyıcı plaka numunesine yapılan test sonuçları, mevcut reçete ve deneme 1-2 sonuçlarına göre daha farklı çıkmıştır. Deneme 3 numunesinin su emme ve porozitesinin düşük çıkması numunenin ağırlaşmasına neden olsa da, pişme mukavemetinin ve basınca dayanımının yüksek olmasından dolayı cevher taşıyıcı plaka üretiminde kullanılabilir. 5.KAYNAKLAR [1] Sümer S., Seramik Endüstrisi III, Anadolu Üniveristesi yayınları,1988. [2] Singer, F., Industrial Ceramic, Chapman and Hall, 1963, pg23. [3] Yaman C., Kordiyerit özelliklerine ve pişirme aralığına silikanın etkisi. Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, s.3, Đstanbul, [4] Norton F.H., Fine Ceramics, Technologoy and Applications, McGraw-Hill, New York,s.65, [5] Pankratova. G.F., Poluboyarınov D.N., Zaıonts R.M., Cordierite Cramic, Thermal Shock Resistant Refractıry Meterial, Ceramic Abstracts[4] 88,