www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:- Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi () -8 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale Alümina Refrakter Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi N. Sinan KÖKSAL Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Bölümü, Muradiye-MANİSA ÖZET Alümina esaslı refrakter malzemelerde termal işlemlerle mekanik özelliklerde ve yapıda oluşan değişimler araştırılmıştır. Örneklere sıcaklık farkları, 6 ve 9 C, su soğutma ortamında,, ve çevrim termal işlemler uygulanmıştır. Bu örneklere oda sıcaklığında üç nokta eğme deneyi yapılmıştır. Sıcaklık farkına bağlı olarak eğilme dayanımı değişimleri grafiklerde verilmiştir. Termal çevrimler süresince yüzeylerde oluşan değişimler incelenmiştir. Termal şok uygulanan örneklerde eğilme dayanımı değerlerinde çevrim sayısı ve sıcaklık farkına bağlı olarak azalmalar elde edilmiştir. Anahtar kelimeler : Alümina, termal şok, eğilme dayanımı, kırılma. GİRİŞ Çimento sektöründe kullanılan refrakter malzemeler; çimento fırınlarının ön ısıtıcı, döner fırın, kapak ve soğutucu kısımlarında kullanılır. Magnezya krom tuğlalar, spinel tuğlalar, yüksek alümina tuğlalar, izolasyon ve ateş kili tuğlalar çimento fırınlarında kullanılan tipik tuğla çeşitleridir. Çimento yatay döner fırın çimento pişirme bölgeleri; kalsinasyon bölgesi (8 C), geçiş bölgesi (- C), sinter bölgesi (-6 C) ve klinker soğutma bölgesi ( 9 C) olmak üzere dört bölgeden oluşmaktadır. Kalsinasyon bölgesinde kullanılacak tuğlalar; yüksek izolasyon kabiliyeti, yüksek sıcaklığa dayanım, aşınma dayanımı özelliklerine sahip olmalıdır. Çimento klinkerinin soğutulduğu bölge klinker soğutma bölgesidir. Bu kısımda fırın mantosunun dönüş etkisiyle oluşan mekanik gerilmelerin ve aşınmanın daha fazla olduğu görülmektedir. Bu bölgede kullanılacak tuğlalardan ise, yüksek sıcaklığa dayanım, sıvı faza karşı kimyasal dayanım, kabuk oluşumuna karşı dayanım, aşınmaya karşı dayanım, termal şoka karşı dayanım gibi özellikler beklenmektedir. Bu özelliklerden dolayı kalsinasyon bölgesinde ve klinker soğutma bölgesinde yüksek alüminalı tuğlalar kullanılmaktadır []. Yüksek alüminalı tuğlalar, Al O içeriği % den büyük olan Al O -SiO bileşen grubudur. Refrakterlik özellikleri iyi, aşınmaya karşı dayanıklı, soğukta ve sıcakta yüksek basınca dayanıklı, asit esaslı cüruflara karşı düşük, bazik esaslı cüruflara karşı yüksek direnç gösterirler. Piyasada mevcut alümina refrakterler % ile % 99 arasında alümina içeriğine sahiptir. Çok amaçlı refrakterler olup 87 C ye kadar olan sıcaklıklarda rahatlıkla kullanılabilirler. Refrakterlik özellikleri alümina içeriğine bağlı olarak değişkenlik gösterir. Yüksek mukavemet, sürünme ve yük dayanımları oldukça yüksek olan refrakterlerdir. Bu yüksek niteliklerinden dolayı yüksek sıcaklık uygulamalarında gittikçe artan bir kullanım alanına sahiptirler [].
Teknolojik Araştırmalar : MTED () -8 Alümina Refrakter Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi Çimento sektöründe fırın tuğla örtüsü, sıcak fırın gazlarına ve klinkere ve soğuk pişme maddesine maruz kaldığından sürekli sıcaklık değişimleriyle karşılaşmaktadır. Yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarda ideal bir malzeme olan seramikler hızlı sıcaklık değişiklerinde oluşan termal gerilmelere karşı ise zayıftır. Mekanik yüklerle birleşen termal gerilmelerin büyüklüğü malzemelerin taşıyabileceği gerilmeleri kabul edilemez düzeylere ulaştırabilir [-]. Refrakter tuğlaların bu sıcaklık değişimlerine karşı hasara uğramaması önemlidir. Bu hasar, tane atma ile oluşan ağırlık kaybı, çatlak oluşumu veya kırılarak olmaktadır. Refrakter malzemelerde sıcaklık değişimlerine dayanabilirliğinin ölçüsü termal şok dayanımıdır. Kullanım koşullarına göre mekanik ve termal şok özelliklerinin optimum çözümüne ulaşmak için çalışmalar yapılmıştır[6-]. Refrakter malzemelerde termal şok durumunda eğilme dayanımı değerinde % azalmaya veya % 6 a kadar ağırlık kaybına izin verilmektedir. Bu değerlerden sonra ise malzeme artık kullanılmaz olmaktadır [, ]. Bu çalışmada, (ağırlık olarak) %, 6 ve 7 alümina içeren refrakter tuğlaların termal şok davranışını saptamak için;, 6 ve 9 C sıcaklık farklarında, su ortamında soğutularak termal şok deneyi uygulanmıştır. Çalışma koşullarında sürekli olarak sıcaklık değişimleri ile karşılaşıldığında malzemelerde oluşabilecek değişimler araştırılmıştır. Örneklerin mekanik özellikleri ve malzeme yapılarında termal işlemlere bağlı olarak oluşan değişimler incelenmiştir.. MALZEME VE YÖNTEM Alümina (Al O ) oranı esas alınarak ticari ürünlerden üç farklı örnek seçilmiştir. Deneylerde kullanılan örneklerin bileşimleri ve bazı fiziksel özellikleri Tablo de verilmiştir. Tablo. Örneklerin kimyasal bileşimleri (% ağırlık ) ve bazı fiziksel özellikleri. Örnek Al O SiO TiO Fe O CaO MgO Hacim Ağırlık (gr/cm ) Görünür Porozite (%) A,6,8,,, 9 B 6,9,,,, C 7,,,,,6 Deney örnekleri, xx6 mm boyutlarındaki ticari ürün refrakter tuğlalardan xx mm boyutlarında üç nokta eğme deneyi standartlarına uygun olarak hazırlanmıştır []. Termal çevrim uygulanacak işlem sıcaklık farkları, 6, ve 9 C seçilmiş ve her bir sıcaklık aralığı için beş adet örnek hazırlanmıştır.termal şok çevrimi için belirlenen sıcaklıklarda dakika fırında bekletilen örnekler, fırından çıkarılıp hemen ortam sıcaklığındaki suya atılarak soğutulmuştur. Su içerisinde dakika bekleyerek tamamen soğuyan örnekler daha sonra C de fırında dakika bekletilerek tamamen kuruması sağlanmıştır. Böylece belirtilen sıcaklık farkında bir çevrim yapılmış olur. Örneklere sıcaklık farkları, 6, ve 9 C için, ve defa termal çevrim uygulanmıştır. Malzemelerin sıcaklık farkı ve çevrim sayılarına bağlı eğilme dayanımı değerlerini ve bu değerlerdeki değişimi saptamak için üç nokta eğme deneyi yapılmıştır. Belirtilen sıcaklıklarda termal çevrimler yapılarak hazırlanan örneklerin üç nokta eğme deneyi, Shimadzu AG kn cihazında destekler arası açıklık, L = mm ve makine basma hızı mm/dakika ile yapılmıştır. Örnek kırılana veya makine durana kadar belirtilen koşullarda deney yapılmış ve örneklerin kırılma kuvveti değeri (F) bulunmuştur. Herhangi bir termal işlem yapılmadan belirtilen boyutlardaki örneklere de üç nokta eğme deneyi uygulanmıştır [, ].
Köksal, N.S. Teknolojik Araştırmalar: MTED () -8 Buradan da örneklerin eğilme dayanımı (σ) değerleri; σ =. F L / b h () formülü ile hesaplanmıştır. Termal şok işlemi uygulanan örneklerde tane atma veya dökülmesi, yüzeylerde veya iç bölgelerde çatlak oluşumu gibi etkileri görmek için her çevrim sonrası yüzeylerin kontrolü yapılmıştır. Çok sayıda derin çatlak içeren veya hasara uğrayan örneklerle deneye devam edilmemiştir.. DENEY SONUÇLARI Üretimden sonra herhangi bir termal işlem görmemiş örneklerin eğilme dayanımı değerleri Şekil de ve, 6, 9 C sıcaklık farklarında termal şok uygulanarak hazırlanmış diğer örneklerin ise oda sıcaklığında yapılan üç nokta eğme deneyi yardımıyla hesaplanan eğilme dayanımı değerlerinden, sıcaklık farklarına ( T) bağlı değişimleri Şekil -Şekil de grafiklerle verilmiştir. 8 7 Eğilme Dayanımı (MPa) 6 A B C Örnek Şekil. Örneklerin işlem görmemiş durumda eğilme dayanımı değerleri 8 Eğilme Dayanımı (MPa) 7 6 6 9 Sıcaklık Farkı (ºC) Çevrim çevrim çevrim Şekil. A örneğinin, ve termal çevrimde sıcaklık farkı eğilme dayanımı grafiği.
Teknolojik Araştırmalar : MTED () -8 Alümina Refrakter Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi Eğilme Dayanımı (MPa) Çevrim çevrim çevrim 6 9 Sıcaklık Değişimi (ºC) Şekil. B örneğinin, ve termal çevrimde sıcaklık farkı eğilme dayanımı grafiği. 8 Eğilme Dayanımı ( MPa) 7 6 Çevrim çevrim çevrim 6 9 Sıcaklık Farkı(ºC) Şekil. C örneğinin, ve termal çevrimde sıcaklık farkı eğilme dayanımı grafiği. Termal şok uygulama sıcaklığına ve uygulanan çevrim sayılarına bağlı olarak malzemelerin yapılarında gözle de görülebilen tane dökülmesi, çatlaklar gibi değişimler oluşmaktadır. Termal çevrimler süresince alınan yüzey görüntülerinde bu değişiklikler açıkça görülmektedir (Şekil, Şekil 6). Malzeme yapılarında oluşan bu çatlaklar ve tane dökülmeleri etkileri eğilme dayanımı değerlerinde önemli azalmalara neden olmaktadır.. Şekil. Sıcaklık farkı 6 C ve çevrim termal şok uygulanmış A, B ve C örnekleri. 6
Köksal, N.S. Teknolojik Araştırmalar: MTED () -8 Şekil 6. Sıcaklık farkı 9 C ve çevrim termal şok uygulanmış A, B ve C örnekleri.. SONUÇLAR VE TARTIŞMA. Farklı oranlarda alümina içeren refrakter malzemelerde kimyasal bileşimin malzemelerin mekanik özelliklerine etkisi araştırılmıştır (Şekil ). %, 6 ve 7 alümina içeren refrakter malzemelerin mekanik özellikleriyle kimyasal bileşim arasında doğrusal bir bağıntı görülememiştir.. Alümina refrakter malzemelerde,, 6 ve 9 C deki sıcaklık farklarında uygulanan termal şok deneyleri sonucunda malzemelerin eğilme dayanımı değerlerinde azalmalar belirlenmiştir (Şekil - Şekil ). Bu malzemelerde oluşan termal gerilmelerin etkisiyle, kenarlarda ve bünyedeki çok sayıda çatlak oluşması veya oluşan çatlakların birleşmesi ile eğilme dayanım değerlerindeki azalmalarda etkili olmuştur.. Her çevrim sonrası yapılan yüzey incelemelerinde tane dökülmesi ve çatlak oluşumu şeklinde hasarlar oluştuğu gözlenmiştir (Şekil ve Şekil 6). Dökülen tane miktarı ve yüzeylerde görülen çatlak sayısı artan sıcaklık farkıyla ve çevrim sayısı ile daha fazla olmuştur.. Malzemelerin kimyasal yapısı ve üretim aşamasındaki (tane boyutu, gözeneklilik, yoğunluk, vb.) etkilerin sonucu bazı değerlerde farklılıklar görülmüştür. Ayrıca seçilen örnek boyutlarının bu değişimlerde önemli olduğu söylenilebilir.. KAYNAKLAR. Erdoğan N., Yıldız R., Magnezit ve Bazik Refrakter Malzeme Teknolojisi, Kütahya, 99, 8-6.. Turkish Commission of Industrial Raw Materials, Raw Materials Working Group Report on Ceramic, Refractory, Glass, Vol., Undersecretary of Turkish State Planning Organization, Ankara-Turkey, 99.. Husovic T, Jancic R, Cvetkovic M, Mitrakovic M, and Popovic Z. 999. Thermal Shock Behavior of Based Refractories: Fracture Resistance Parameters and Water Quench Test. Materials Letters Vol. 8, 7-78. 7
Teknolojik Araştırmalar : MTED () -8 Alümina Refrakter Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi. Collin M, D Rowcliffed. Analysis and Prediction of Thermal Shock in Brittle Materials, Acta Material Vol. 8, 6-66.. Bradt R.C., 987. Fracture Testing of Refractories, Past, Present and Future. In Proc. nd International Conf. On Refractories 87 Tokyo Vol., 6-68. 6. Hasselman DPH, 969. Unified Theory of Thermal Shock Fracture Initiation and Crack Propagation in Brittle Ceramics, J.American Soc.,Vol. (), 6-6. 7. Nakayama J, Ishizuka M. 966. Experimental Evidence for Thermal Shock Damage Resistance, Ceramic Bulletin Vol. (7), 666-669. 8. Lanin A.G, Tkachev A.L.,. Numerical Method of Thermal Shock Resistance Estimation by Quenching of Samples in Water, Journal of Materials Science, Vol., -9. 9. Shevchenko A.V.,. Ruban K, and. Dudnik V.. Highly-workable Alumina-base Ceramics, Refractories and Industrial Ceramics. Vol., 9-.. Wang,L J,. Shı L, Chen H.R,. Hua Z, Yen T.. Effect of Size of the Starting Powders on the Thermal Shock Resistance of Alumina Ceramics, J. Mater. Sci. Lett.,. -.. TS, Refrakter Tuğlaların Suda Soğutma Metodu İle Termal Şoka Dayanımının Tayini, Ankara 98.. ASTM C6-9, 99. Standard Test Methods for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature, Annual Book of ASTM Standards, Vol.., 7. 8