www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) 1-8 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale Refrakter Malzemelerin Termal Çevrimlerinde Soğutma Ortamlarının Malzeme Özelliklerine Etkisi N. Sinan KÖKSAL*, B. Sadık ÜNLÜ *Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Bölümü, 45140 Manisa, TÜRKİYE (Geliş Tarihi: 10 Ocak 2004, Kabul Tarihi: 20 Ocak 2004) Özet Refrakter malzemelerin üretiminde ve kullanımda karşılaştığı sıcaklık değişimleri, malzemelerin yapısında bazı değişiklikler oluşturur. Bunların en önemlileri dayanım değerlerinde azalma, yapıda oluşan çatlaklar veya mevcut çatlakların birleşerek ilerlemesidir. Bu çalışmada, alümina ve magnezya refrakter malzemelere, sıcaklık farkları 400, 500, 600 ve 800 C, su ve hava soğutma ortamlarında termal şok deneyleri uygulanmıştır. Termal şok uygulanan örneklerin üç nokta eğme deneyleri ile eğilme dayanım değerleri ölçülmüş ve dayanım kayıpları hesaplanmıştır. Termal şok öncesi ve sonrası alınan yüzey görüntülerinde, yüzeylerde oluşan ve hasarın başlangıcı olan çatlaklar belirlenmiştir. Su ortamında soğutulan örneklerin hava ortamındakilere göre özelliklerinde daha belirgin bir kayıp oluştuğu, grafiklerde ve yüzey görüntülerinde elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Refrakter malzemeler, termal şok, eğilme dayanımı, çatlak başlangıcı. 1. Giriş Dökümhanelerdeki ocaklarda, termal işlem fırınlarında, termik santral kazanlarında vb. birçok alanda refrakter malzeme kullanılmaktadır. Demir çelik endüstrisinde son yıllardaki gelişmelere bağlı olarak, refrakterlerin üretiminde ve kullanımında birçok yenilik, gelişme ve çeşitlilik görülmektedir. Birçok uygulama alanı olan bu tuğlalar işletmenin verimli ve sürekli çalışması için; ürünün kullanıldığı yerdeki şartların çok iyi bilinmesi ve kullanım yerine ve çalışma şartlarına uygun olması gerekmektedir. Çalışma ortamına uygun tuğla kullanılmaması durumunda, işletmelerde beklenmedik hasarlar, üretim ve işgücü kaybı ortaya çıkacaktır [1]. Malzeme serviste kullanılırken, termal aşınmalara yani, termal-şok, yüksek sıcaklık, termal yorgunluk gibi termik etkiler minerallerde değişiklere, dönüşümlere yol açar. Ayrıca cürufun kimyasal bileşimi, cüruf atağı, korozyon, sıvı ve gaz halindeki maddelerle tuğla arasında oluşan kimyasal reaksiyonlar tuğlayı aşındırır. Fırın atmosferinin etkisiyle beraber sıvı ve gaz fazları da tuğlada erozyona sebep olurlar. Yüksek alüminalı tuğlalar, Al 2 O 3 içeriği % 45 den büyük olan Al 2 O 3 -SiO 2 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. Elektrik ark ocağı kapağı ve duvarları, çimento ve cam ergitme fırınları alümina refrakterlerin kullanım alanlarıdır. Çelik üretiminde kullanılan için önemli bir refrakter malzeme de magnezyadır. Magnezya; yüksek refrakterlik özelliği, kabul edilebilir düzeydeki hidrasyon direnci, yüksek sıcaklık ve bazik ortamlardaki
Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) 1-8 Refrakter Malzemelerin Termal Çevrimlerinde soğutma ortamlarının etkisi kimyasal kararlılığa sahiptir. Diğer refrakter ürünler ile birlikte çelik yapım ünitelerinin refrakter astar dizaynlarının vazgeçilmez parçaları olmuşlardır [2]. Refrakter malzemelerde kullanılan hammaddeleri refrakterlik ve diğer özellikleri yalnızca kimyasal ve fiziksel analizlerle tespit etmek mümkün değildir. Çok iyi kimyasal bileşime sahip ve fiziksel özellikleri iyi sinter magnezyalar, iç yapısındaki özelliklerinden dolayı daha sonra kullanımda kötü sonuç verebilir. Bu nedenle kullanılan hammaddelerin mikro yapıları da açıkça bilinmelidir. Sinter - magnezyanın kalite kriterleri porozitesi, hacim ağırlığı ve periklas kristallerinin büyüklüğü, kimyasal ve mineralojik bileşimleridir. Kaliteli sinterin hacim ağırlığı yüksek, porozitesi düşük ve safsızlıklar SiO 2, Al 2 O, Fe 2 O v.d. en aza indirilmelidir. Magnezya tuğlası yüksek genleşmeye sahip ve servis anında termal şoka karşı aşırı derecede hassastır. 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. Seramiklerin termal gerilme hassasiyeti, genellikle su, hava veya yağda uygulanan soğutma yöntemiyle, kritik sıcaklık farkının ölçülmesiyle veya kırılma enerjisi değişimleri kullanılarak hesaplanabilir [3, 4]. Refrakterlerin kullanımında en fazla termal şok hasarı ile karşılaşılır. Ani ısı değişimlerine karşı malzemenin hasara uğramadan ve ağırlık kaybına neden olmadan dayanmasına o malzemenin termal şok direnci adı verilir. Bu konuda özellikle Hasselman ın [5] tanım ve çalışmaları bir başlangıç olup,daha sonraki araştırmacılar ise [6, 8] termal şok ile başlayan çatlakların yayılmasının etkilerini incelemiştir. Çalışma ortamında değişik nedenlerle ısı değişimleriyle karşılaşan refrakterler, malzeme özeliklerinde birtakım değişikliklere uğrar. Bu değişimlerin belirli sınırlar içerisinde kalmasını sağlamak yani malzemeyi hasarsız kullanarak tuğla ömrünü artırmak en önemli sorunlardan biridir. Yüzeyde veya malzeme içerisinde değişik nedenlerle oluşan çatlaklar ilerleyerek ve yapıda mevcut olan çatlaklar birleşerek ani kırılmalara neden olur. Bu çalışmada; alümina ve magnezya refrakter malzemeler, su ve hava ortamında, 400, 500, 600 ve 800 C sıcaklık farkları olacak şekilde termal şok deneyleri uygulanmıştır. Refrakter malzemelerde termal şok uygulaması sonrası oluşan çatlakların mekanizması, hasara ve mekanik özelliklerde kayıplara neden olması araştırılmıştır. Malzemenin dayanım değerlerinde oluşan kayıplarda standartlara uygun yapılan üç nokta eğme deneyleri ile belirlenmiştir. Alümina malzemeler magnezyadan daha büyük dayanım değerlerine sahip olduğu görülmüş ve termal şok uygulandıktan sonra daha az çatlaklı yapı elde edilmiştir. 2. Malzemeler ve Deneyler Refrakter malzemelerden ticari ürünlerden seçilen yüksek alümina ve magnezya örneklerin kimyasal bileşimleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Örneklerin kimyasal bileşimleri (%ağırlık) MALZEME Al 2 O 3 MgO TiO 2 Fe 2 O 3 CaO SiO 2 Magnezya 0,2 95-0,5 2,5 1,5 Alümina (I) 80 0,3 3,3 1,7 0,3 11 Alümina (II) 45 0,2 1,8 1,6 0,3 46 Deney örnekleri, 230x114x64 mm boyutlarındaki ticari refrakter tuğlalardan boyutları 15x15x100 mm olacak şekilde kesilip, temizlenmiş ve 110 C sıcaklıkta fırında kurutularak hazırlanmıştır. Örneklere uygulanacak termal şok deneyleri, uygulanan sıcaklık farkları ( T) 400, 500, 600 ve 800 C, örneklerin soğutma ortamları su ve hava olacak şekilde seçilmiştir. Her bir sıcaklık farkı için, beş adet örneğe termal şok deneyi uygulanmıştır. Termal şok çevrimi için belirlenen sıcaklıklarda 30 dakika fırında bekletilen örnekler, fırından çıkarılıp hemen ortam sıcaklığındaki suya atılarak soğutulmuştur. Su içerisinde 3 2
Köksal, N. S. Ünlü, B. S. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) 1-8 dakika bekleyerek tamamen soğuyan örnekler daha sonra 110 C de fırında 10 dakika bekletilerek tamamen kuruması sağlanmıştır [9, 10]. Soğutma ortamı hava olan termal çevrimlerde, belirlenen sıcaklıktaki fırından çıkartılan örnekler, bir atmosfer basınçlı hava ile yüzeye beş dakika süreyle basınçlı hava tutularak oda sıcaklığına soğutuldu. Bu şekilde, belirlenen sıcaklık farkında örneklere bir termal çevrim uygulanmış olmaktadır. Örneklere termal çevrim sayısı beş olacak şekilde termal şok deneyleri uygulanmıştır. Her çevrimden sonra, herhangi bir çatlak veya tane düşmesi olup olmadığı kontrol edildi. Termal şok uygulanarak hazırlanan örneklere Shimadzu AG 50 kn cihazında, oda sıcaklığında, L= 80 mm ve makine basma hızı 1 mm/dakika olacak şekilde, üç nokta eğme deneyleri uygulanmıştır [11] ve örneklerin kırılma kuvveti değerleri (F) ölçülerek eğilme dayanımı değerleri denklem 1 e göre hesaplanmıştır. 3 F.L σ = (1) 2 2 b.h σ=eğilme dayanımı (MPa), F= Kırılma kuvveti değeri (N), L=Destekler arası açıklık (mm), b=genişlik (mm), h=kalınlık (mm) olarak alınmıştır. Her bir malzeme ve sıcaklık farkı için en az beş örneğin ortalama eğilme dayanımları (σ) değerleri hesaplandı. Örneklerin mekanik özelliklerinin karşılaştırılmasında; termal çevrim sayısı beş olup, sıcaklık farkına bağlı olarak değişen eğilme dayanımı değerlerinin grafikleri çizilmiştir. 3. Deney Sonuçları Alümina (I), (II) ve magnezya refrakter malzemelere hava ve su soğutma ortamlarında, sıcaklık farkları ( T) 400, 500, 600 ve 800 C olarak termal şok deneyleri uygulanmıştır. Malzemelerin termal şok sonrası eğilme dayanımlarında oluşan değişiklikler üç nokta eğme deneyi yardımıyla ölçülmüş ve grafiklerde verilmiştir (Şekil 1-3). Aynı veya farklı malzemeler karşılaştırıldığında, su ortamında yapılan soğutma işleminde hava ortamındakine göre daha büyük dayanım kaybı oluştuğu görülmüştür. Alümina (I) örneği daha homojen bir yapıya sahip olması nedeniyle T=800 C değerine kadar eğilme dayanım değerleri çok fazla değişim göstermemiştir (Şekil 1 ve 2). (MPa) 70 60 50 40 30 20 10 N=5 Alümina (I) Alümina (II) Magnezya 0 200 400 600 800 1000 T ( C) Şekil 1. Örneklerin hava ile soğutulmasındaki eğilme dayanımı-sıcaklık farkı grafiği 3
Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) 1-8 Refrakter Malzemelerin Termal Çevrimlerinde soğutma ortamlarının etkisi 10 8 N=5 Alümina (I) Alümina (II) Magnezya (MPa) 6 4 2 0 200 400 600 800 1000 T ( C) Şekil 2. Örneklerin su ile soğutulmasındaki eğilme dayanımı-sıcaklık farkı grafiği. Termal şok deneylerinde kullanılan örneklerin termal şok işlemi uygulanmadan önceki ve su ortamında uygulamadan sonraki görüntüleri Şekil 3 de gösterilmiştir. Burada, sıcaklık farkının düşük değerlerinde ( T= 400 C) ve yapıda belirgin değişiklik oluşmayan (özellikle hava ortamında uygulanan termal şok sonrası) örneklerin görüntüleri verilmemiştir. 25 N=5 20 (MPa) 15 10 5 Magnezya (Su) Magnezya (Hava) 0 200 400 600 800 1000 T ( C) Şekil 3. Magnezya örneklerin soğutma ortamına göre eğilme dayanımı-sıcaklık farkı grafiği. Şekil 4. Termal çevrimsiz alümina (I) örneğinin yüzey görüntüsü (Ölçek:1x1). 4
Köksal, N. S. Ünlü, B. S. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) 1-8 Şekil 5. T = 600 o C de 5 termal çevrimli alümina (I) örneğinin yüzey görüntüsü (Ölçek:1x1). Şekil 6. Termal çevrimsiz alümina (I) örneğinin yüzey görüntüsü (Ölçek:1x1). Şekil 7. T = 800 C de 5 termal çevrimli alümina (I) örneğinin yüzey görüntüsü (Ölçek:1x1). Bu bakımdan, refrakter malzemelerin sıcaklık farkı ve su ve hava soğutma ortamlarına bağlı uygulanan termal şok sonrası yüzey resimleri alınmıştır. Bu resimlerin termal şok işlemi görmemiş örnek resimleri (Şekil 4, 6, 8 ve 10) ile karşılaştırılması verilmiştir. Termal şok deneyleri uygulandığında alümina refrakter malzemelerin tane dökülmesi veya parça atma şeklinde oluşan malzeme kaybı magnezya örneğe göre daha az oluşmuştur. (Şekil 4-9) Ancak bu malzemelerden alümina (I) malzemesinde, yüzeylerde oluşan çatlaklar, tanelerin etrafında, tane dökülmesi veya kenar bölgelerinde başlayıp malzeme içlerine doğru yayılmaktadır. Alümina (II) de uygulanan termal çevrimler sonucunda oluşan malzeme kaybı ve eğilme dayanımı değerlerindeki azalma oranı, alümina (I) e göre daha fazla olmuştur (Şekil 8 ve Şekil 9). Şekil 8. Termal çevrimsiz alümina (II) örneğinin yüzey görüntüsü (Ölçek:1x1). Şekil 9. T = 800 C de 5 termal çevrimli alümina (II) örneğinin yüzey görüntüsü (Ölçek:1x1). 5
Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) 1-8 Refrakter Malzemelerin Termal Çevrimlerinde soğutma ortamlarının etkisi Şekil 10. Termal çevrimsiz magnezya örneğinin yüzey görüntüsü (Ölçek:1x1). Şekil 11 T = 600 o C de 5 çevrimli magnezya.örneğinin yüzey görüntüsü (Ölçek:1x1). Şekil 12. T=800 C de 5 çevrimli magnezya örneğinin yüzey görüntüsü (Ölçek:1x1). Malzemelerin termal şok sonrası yapılarında oluşan değişikliklerin en önemli ölçüsü, yüzeyde veya iç bölgelerde oluşan çatlaklardır. Ani sıcaklık değişimine bağlı olarak oluşan çatlak sayısı ve kalınlığı, tuğlanın hasarını oluşturan kırılmanın başlangıcını saptamak açısından önemlidir. (a) (b) Şekil 13. a) T=800 C de 5 çevrimli magnezya örneğinin yüzey görüntüsü b) Alümina (I) örneğinin kırılma sonrası yüzey görüntüsü. 6
Köksal, N. S. Ünlü, B. S. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) 1-8 Şekil 14. Alümina (II) örneğinin kırılma sonrası yüzey Görüntüsü. Magnezya örneklerin eğilme dayanımı, alümina örneklere göre oldukça küçüktür ve sıcaklık farkının büyük değerlerinde önemli oranda azalmaktadır. Termal şok deneylerinin her iki ortamda da uygulanması sonrasında yüzeylerden başlayarak malzeme içlerine doğru ilerleyen çatlaklar belirgin olarak görülmektedir (Şekil 11 ve 12). Gerçek boyutlardaki tuğlanın yüzey bölgesinden hazırlanan örnekte, 800 C sıcaklık farkında ve su ortamında uygulanan termal şok sonrası oluşan çatlakları ve bunların yayılmaları esnasındaki izledikleri yol açık bir şekilde görülmüştür (Şekil 13a). Malzemelerin kırılma şekli ve çatlak ilerleme yolunu belirlemek için, üç nokta eğme deneyi sonrası kırılan parçaların kırılma yüzeyleri incelemesinde, özellikle alümina (I) örneğinde taneler arası kırılma (Şekil 13b), alümina (II) de ise hem taneler arası hem de tane içi kırılma açıkça gözlenmiştir (Şekil 14). 5. Sonuçlar ve Tartışma Refrakter malzemelerde en önemli sorun, çatlak oluşması veya herhangi bir nedenle oluşan çatlakların birleşerek yayılmasıdır. Bunun da en öncelikli ve önemli nedeni; seramik malzemelerin yapısı ve üretimde veya serviste kullanım sırasında karşılaşılan sıcaklık değişiklikleridir. Fırınların farklı bölgelerinde kullanılan refrakter malzemeler, sıcaklık değişikliği durumu ile sıklıkla karşılaştığı için, termal şok uygulamasının uygulanan sıcaklık farkını ve soğutma ortamını değiştirerek malzeme özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Refrakter malzemelerde sıcaklık değişimleri sonucunda, mekanik özelliklerindeki bağıl kayıplar ve ortaya çıkan ve birleşen çatlaklar, tuğlanın hasarına neden olacağından, bunun malzeme ömrüne etkisi belirlenmeye çalışılmış ve uygun çalışma koşulları araştırılmıştır. Kaynaklar 1. Bradt R.C., 1987, Fracture Testing of Refractories, Past, Present and Future, In Proc. 2nd International Conf. On Refractories 87, Tokyo, Vol. 1, 61-68. 2. Bilgiç M., 2001, Magnezya nın ve Çelik Yapım Refrakterlerinin Geleceğine Kısa Bir Bakış, TMMO Metalürji Dergisi, 127, 43-48. 3. Husovic T, Jancic R, Cvetkovic M, Mitrakovic M, and Popovic Z, 1999, Thermal Shock Behaviour of Based Refractories: Fracture Resistance Parameters and Water Quench Test. Materials Letters Vol. 38 372-378. 4. Collin M, D Rowcliffed, 2000, Analysis and Prediction of Thermal Shock in Brittle Materials, Acta Material Vol. 48, 1655-1665. 5. Hasselman DPH, 1969, Unified Theory of Thermal Shock Fracture Initiation and Crack Propagation in Brittle Ceramics, J.Am. Soc.,Vol 52 Issue 11, 600-604. 6. Shevchenko A.V., Ruban K., and Dudnik V., 2000, Highly-workable Alumina-base Ceramics, Refractories and Industrial Ceramics. Vol. 41, No: 9 10. 7
Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (1) 1-8 Refrakter Malzemelerin Termal Çevrimlerinde soğutma ortamlarının etkisi 7. Wang J., Zheng X. H, and Stevens R., 1992, Fabrication and Microstructure-Mechanical Property Relationships in Ce TZP, J. Mater. Sci, Lett, 27(19), 5348 5356. 8. Wang L J, Shi L, Chen H.R, Hua Z, Yen T., 2001, Effect of Size of the Starting Powders on the Thermal Shock Resistance of Alumina Ceramics J. Mater. Sci. Lett., 20, 341-342. 9. TS 4401 Refrakter Tuğlaların Suda Soğutma Metodu ile Isıl Şoka Dayanımının Tayini Ankara 1985. 10. TS 4402 Refrakter Tuğlaların Havada Soğutma Metodu ile Isıl Şoka Dayanımının Tayini Ankara 1985. 11. ASTM C1161-90, 1991, Standard Test Methods for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 15.01, 327. 8