Refrakter Malzemeler ve Üretim Prosesleri

Refrakter Malzemeler ve Üretim Prosesleri

Refrakter Malzemelerin Tanımı ve Önemi: Kullanıldıkları yerlerde yüksek sıcaklıklarda katı, sıvı ve gazların, mekanik, termal ve kimyasal etkilerine dayanabilen, ergime noktaları 1600 C den yüksek olan ve genelde oksit bileşiklerden oluşan malzemelere REFRAKTER adı verilir. Demir-çelik, çimento, kireç, bakır, kurşun,cam, seramik ve daha birçok endüstride kullanılması zorunlu olan malzemelerdir. Yüksek sıcaklıklara, korozif eriyiklere içinde toz bulunan fırın gazlarının akışına dayanıklı her çeşit fırın yapmaya elverişli malzemeye refrakter malzeme denir. Kavurma, ergitme, tasfiye ve ısıl işlemlerinde kullanılan fırınlar uygun refrakter malzemeyle yapılırlar.

Geleneksel tanımlamayla; yüksek sıcaklıkta çalışan fırın ve benzeri ünitelerin yapımında veya içinin kaplanmasında kullanılan, sıcaklık altında fiziksel ve kimyasal nitelikte çeşitli aşındırıcı etkilere karşı ergimeden ve fiziksel-kimyasal özelliklerini koruyarak dayanabilen malzemelere REFRAKTER MALZEMELER denilmektedir. Refrakter malzemeler iki esas amaç için üretilirler. 1. Isı izolasyonu 2. Isı iletkenliği

Refrakterlerin Ortaya Çıkışı Refrakterlerin ortaya çıkışı ateşin keşfinden sonra başlar. İlk refrakterler çeşitli kayalardan oyularak imal edilen kaplar şeklindedir. Refrakterlerin esas doğuşu 1800 lü yıllarda çeliğin elde edilesi ile başlar. Ülkemizde ilk çelik üretimi 1930 lu yıllarda Karabük Demir- Çelik işletmelerinin kurulmasıyla başlar. Karabük teki çelik üretimini desteklemek üzere Filyos Ateş Tuğla, Süprateş, Konya-Krom gibi refakter üreten fabrikalar kurulur. 1980 li yıllardan sonra Sörmaş ve Kümaş gibi kuruluşlar da refrakter üretmeye başlar.

Refrakter malzemeler kullanımı sırasında şu özelliklere ve şartlara sahip olmalıdır. 1. Erimeden ve deforme olmadan yüksek sıcaklıklara dayanmalıdır, 2. Termik şoka dayanıklı olmalıdır, 3. Fırın yapısının ve şarjın yapacağı basınca soğukta ve kullanım sıcaklığında dayanıklı olmalıdır, 4. Cürufun, ergimiş metalin SO 2,Cl 2, CO 2, Su buharı (H 2 O) ve metal buharına dayanıklı olmalıdır., 5. Şarjın aşındırmalarına dayanıklı olmalıdır, 6. Şarjdan ve cüruf yapıcı flakslardan oluşan gazlara dayanıklı olmalıdır, 7. Kullanım esnasında boyutları değişmemelidir, 8. Kullanım yerlerine bağlı olarak yüksek sıcaklıklarda yüksek elektrik direncine sahip olmalıdır

Refrakterlerin Sınıflandırılması

Fiziksel Şekillerine Göre Sınıflandırma

Refrakter Hammaddeleri Asidik Refrakter Hammaddeleri: Silika Fused Silika Alumina Silikat kil bazlı refrakter hammaddeleri Silisyum Karbür Zirkon Nötr Refrakter Hammaddeleri Alumina Kromit cevheri Spineller Grafit Bazik Refrakter Hammaddeleri Magnezya Dolomit Magnezyum- krom

Asidik Refrakterler Metal oksit + su Metalik Asit (asitli ortam)

Bazik Refrakterler

Nötr Refrakterler

Asidik Refrakter Hammaddeler Silika: Kuvars minerali zenginleştirildikten sonra ana komponent olan % SiO2 93-100 oranında çıkarılır. Zenginleştirilmiş silika içerisinde çok düşük oranda Al2O3, TiO2,CaO, Fe2O3, MgO ve alkali oksitler bulunur.

Refrakter yapımına uygun bir silika analizi:

Silika minerali, refrakter yapımıiçin pişirildiğinde kuvars, kristobalit ve tridimit fazları birbiri ile geçiş içerisindedir. Bu sıcaklık değişminde hacimsel değişimler çok önemlidir. Silika 1470 C ye pişirildiğinde ortaya çıkan Kristobalit fazıyla hacimsel olarak kararlı hale gelir. Hacimsel değişiklik sıfır olur.

Alumina silikat refrakter hammaddeleri: Profilit: Refrakter killer: Ateş killeri:

Grafit Grafit tabi olarak bulunan en iyi refrakterlerden biridir. İndirgen ortamda ergime sıcaklığı 3650 derecedir. Yüksek termal iletkenliği, düşük termal genleşmesi, termal streslere karşı büyük direnç, fluxlara ve ergimiş metallere karşı çok iyi dayanım özelliğine sahiptir. C oranı arttıkça refrakterlik artar.

Bazik Refrakterler Magnezya: Bazik refrakter malzemelerin ana hammaddesidir. Magnezya doğada serbest halde bulunmaz bu nedenle MgO içeren hammaddelerden çeşitli prosesler sonucu elde edilir.

MgO nun Üretiminde Kullanılan Hammaddeler: Tabii manyezit (MgCO 3 ) Deniz suyundaki Mg ++ iyonları Yer altındaki MgCl 2 ve MgSO 4 gibi tuzlar

Refrakter Üretimi Akım Şeması

1-REFRAKTER TUĞLALAR Üretimde 0,5 ile 5 mm büyüklüğündeki kaba taneler bağlayıcı madde ile karıştırılarak form verilir ve pişirilir. Tuğlalara form verilmesi çelik kalıplar içerisinde kuru preslemeyle, plastik şekil değiştirmeyle, elle ve ayrıca nadiren alçı kalıplara süspansiyon halinde dökmek suretiyle yapılabilir.

Tuğla üretiminde önce ham tuğlalar kurutularak içindeki kabası alınır ve ardından da daha çok tünel fırınlar kullanılarak pişirme yapılır. Böylece kristal su yada CO 2 gibi uçucu maddeler uzaklaştırılır, daha sonrada sinterleşme gerçekleşir ve tuğla mekanik mukavemet kazanır. Demir ve çelik endüstrisinde, enerji santrallerinde, kok ve gaz üretim tesislerinde, metal işletmede, seramik, cam, çimento endüstrisinde kullanılan tüm fırınlarda kullanılır.

Asidik Refrakterler: a) Şamot Tuğlalar: Refrakter tuğlaların toplam miktarının yaklaşık olarak % 65 kadarı şamot olarak üretilirler ve metalurji fırınlarında cam ve tavlama fırınlarında, kafes yapımında, çeliğin dökülmesinde aşınma malzemesi (kanal tuğlası, çarpma seti, yolluk ağzı) olarak, kazan tesislerinde ve ev pişirme fırınlarında, sobalarda ve şöminelerde kullanılır. Ateşe dayanıklı hamurun ana bileşimi kaolindir. ( % 64,6 SiO 2, % 39,5 Al 2 O 3 ve % 3,9 H 2 O ) Esas bileşim olan bu karışımın dışında tüm diğer hamur mineralleri daha düşük Al 2 O 3 içerirler.

Şamot tuğla yapılırken kil su ile karıştırılıp preslenerek şekillendirilir. Tünel fırınında 36 saat süre ile kurutulduktan sonra yakılır. 3-5 gün zarfında sıcaklık 1280 1350 o C dereceye yükseltilir. Tuğlalar, bu sıcaklıkta 2-3 gün tutulurlar. Soğuması için 3 gün daha fırında tutulurlar. Şamot tuğlalar yakıldıkları zaman, mekanik ve kimyasal olarak kompozisyonunda bulunan suyun kaybolmasından ötürü çekme yapıp küçülürler. Plastisitesi yüksek olan killer diğerlerine nazaran daha çok çekme yaparlar. Tuğla yapılırken yeni kullanılan kil malzemesine, daha önce yakılıp kırılan kil (şamot) malzemesinden karıştırmak suretiyle çekme miktarı azaltılabilmektedir. Böylece tuğlalar şekillendirilirlerken, yandıktan sonra istenen ölçülerden biraz daha büyük yapılırlar. Şamot tuğlalar; mullit, tridimit ve kristobalit karışımından meydana gelirler.

Şamot un üretimi için hamurda mümkün olduğu kadar yüksek Al 2 O 3 ve mümkün olduğu kadar düşük alkali ve toprak alkali bulunması gerekir. Şamot ta bileşim şöyledir : % 32-38 Al 2 O 3 - % 1-3 Fe 2 O 3 - % 0,5-2 TiO 2 ve geriye kalan SiO 2 dir.

b) Silika Tuğlaları: Silika tuğlaları içinde % 93 - % 98 arasında SiO 2 bulunur. Bu tuğlalar yüksek sıcaklıkta %3,5 a varan oranlarda genişleme gösterir. Bunun nedeni tuğla içinde bulunan kuvarsın önce tridimit haline daha sonrada kristobalit haline allotropik dönüşüm yapmasıdır. 870 o C 1470 o C Kuvars Tridimit Kristobalit d = 2,65 d= 2,26 d= 2,32 Bu dönüşüm sırasında özgül hacimde (d) önce küçülme sonra büyüme gözlenir. Bu durum silika tuğlaları yüksek sıcaklıkta dayanıksız yapar. Silika tuğlalar kuvarsitten 1470 o C nin üzerindeki sıcaklıkta üretilir. Tuğla pişirme sırasında % 14,3 hacim artışı yapar. Çok iyi ateşe dayanımları nedeniyle silika tuğlalar bir çok yerde kullanılır. Ancak asidik karakterde oluşları nedeniyle bazik karakterli cüruf ve eriyiklerle kullanılmazlar. Renkleri beyaz ile kahverengi arası lekeli fil dişi beyazıdır. Kok fırınlarında tercih edilirler.

c) Alüminyum Oksidi Yüksek Şamot Tuğlaları: Şamot üretimi için kullanılan ateşe dayanıklı maddelerin Al 2 O 3 miktarı en fazla % 45 kadardır. En iyi koşullarda 1450 o C ye kadar kullanılabilen şamot un ateşe dayanımını iyileştirmek için hammaddedeki alüminyum oksit oranını yükseltmesi gerekir. Çimento, döner fırınlarının sinterleşme bölgesi gibi çok fazla zorlanan yerlerde kullanılırlar. Bazik Refrakterler: MgO, CaO ve CrO 3 içeren tuğlalardır. Bunlar manyezit tuğla ( periklas tuğla, MgO ), krommanyezit tuğla, dolomit tuğla ( CaO, MgO ) ve forsterit tuğla (2MgO, 2SiO 2 ) tir.

Tablo: Bazik refrakter tuğlaların bileşimleri ve özellikleri Özellikler Manyezit Kromanyezit Dolomit Forsterit MgO % 80-90 25-30 30-40 10-25 CaO % 2-3 1-2 57-62 1-2 Al 2 O 3 % 0,5-2 5-10 0,5-3 10-20 Fe 2 O 3 % 4-8 10-15 1 12-20 CrO 3 % - 20-45 - 30-45 SiO 2 % 1-3 3-7 1-6 4-8 Porozite % 15-24 15-30 18-22 12-25 Refrakterlik 1600-1730 1500-1600 1500-1700 1400-1600 Basma dayanımı MPa 30-80 20-30 50 20-60 Isıl genleşme Katsayısı 10 1/K 140 95-115

3. Manyezit refrakterler : En çok kullanılan bazik refrakterler, manyezit tuğlalardır. Uygun bir bağlayıcı malzeme kullanarak şekillendirilen Periklas (MgO) dan yapılmaktadır. Periklas, manyezit (MgCO 3 ) veya Brusit (MgO.H 2 0)'in kalsinasyonu sonucu elde edilmektedir. Manyezit tuğla, öğütülmüş periklasın az miktarda demir oksit ile karıştırılıp şekillendirilmesi ve yakılması sonucu elde edilmektedir. Kompozisyonda bulunan demir oksit ve kuvars, manyeziferrit ve silikatlar yapıp Periklas tanelerini bağlamış olur. Manyezit tuğla, kompozisyondaki demir oksitten ötürü koyu kahverengindedir.

Manyezit refrakter malzeme, bazik cüruflara karşı çok dayanıklıdır. Yüksek sıcaklıklarda mekanik mukavemeti azalır. Oda sıcaklığında 490-700 Kg./cm 2 mukavemete karşılık 1455-1480 Csıcaklıkta1.7 Kg/cm 2 'e düşmektedir. 4. Krom refrakterler : Krom refrakterler, krom cevherlerinin refrakter özellikte olanlarından yapılmaktadır. Esas mineral spinel olup kromit; (Fe, Mg)O. (Cr, Al,Fe) 2 O 3 bileşimindedir. Krom refrakterler nötr özelliğe sahip oldukları için asit ve bazik cüruflara karşı aynı ölçüde dayanıklıdırlar. Fırın şartlarının refrakter yönünden zor olduğu hallerde ve bazik refrakter malzeme ile asit refrakter malzemenin bir biri ile temas etmemesi gerektiğinde arada nötr tabaka olarak kullanılırlar. Krom refrakter malzeme imalinde kullanılan krom cevherlerinde % Al 2 O 3 + % Cr 2 O 3 toplamının altmışın üzerinde olması istenir.

Krom tuğlası yapılacak ham madde içinde % SiO 2 ve % MgO içeriklerine de dikkat etmek gerekmektedir. Şayet bu maddeler MgO SiO 2 bileşimini yapacak miktarlarda iseler, bu durumda yapılacak refrakter malzemenin yumuşama sıcaklığı düşük olur. Krom tuğlaları 1600 1650 o C sıcaklığa kadar ısıtıldıklarında yok denecek kadar az bir hacim değişikliği gösterirler.

5. Forsterit : Forsterit refrakter malzeme, (2MgO SiO 2 ) kompozisyonundaki bir magnezyum silikattır. Bu çeşit refrakterler, içinde yaklaşık % 85 forsterit bulunan olivin'lerden yapılır. Forsterit tuğlalar; yüke oldukça dayanıklı olup, tekrar ısıtıldıklarında çok az miktarda çekme gösterirler. Genellikle fırınların tavan kısımlarında kullanılırlar.

7. Grafit: Grafit, karbonun bir kristal yapılı olanıdır. En yüksek refrakter özelliğe sahip malzemeden biridir. Çalışılan sıcaklıklarda hiç yumuşamayıp, ancak 3600 C civarında süblime olur (katı olan, gaz faza geçer). Hiçbir korozif madde ona etkide bulunamaz. Yüksek sıcaklıklarda okside olarak (CO) veya (CO 2 ) yapar. Grafit, ısıyı ve elektriği çok iyi iletmektedir. Bu nedenle indirekt ısıtmayı gerektiren hallerde grafit refrakter malzemeden geniş ölçüde faydalanılır. Son zamanlarda geniş uygulama alanı bulmuş olan sürekli metal dökümlerinde metalin akıtıldığı kalıp malzemesi olarak yine grafitten faydalanılmaktadır.

Grafit potalar, değişik oranda grafit tozu ve kil karışımından yapılmaktadır. Kil, bağlayıcı olarak kullanılmakta olup, onun % miktarı arttıkça potanın da kalitesi düşmektedir. Karbon ve grafit elektrotlar, sunî olarak petrol kok'undan elde edilen grafitten yapılırlar.

8. Metal refrakterler : İçi boş ve içinden hava veya su ile soğutulan çelik, pik veya bakırdan yapılmış ceketler refrakter malzeme olarak kullanılırlar. Hava veya su ile soğutulmaksızın olduğu gibi kullanılan hakiki anlamdaki refrakter metal olan platin, sadece laboratuar teçhizatında kullanılmaktadır. Demir ve demirden dışı metallerin üretiminde kullanılan su ceketli (water - jacket) fırınlar, metal refrakterin uygulamasına ait en iyi örnekleri oluştururlar.

9.Diğer refrakterler : (CaO) iyi bir refrakter olmakla beraber, havadan rutubet alarak hidrat, (CO 2 ) alarak karbonat yapmak suretiyle değişmektedir. Kalsine dolomit, kalsiyum magnezyum karbonat, Siemens Martin fırınlarında aşınan fırın kısımlarını tamir etmede dolgu maddesi olarak kullanılmaktadır. Özel olarak elektrik fırınlarında imal edilen diğer refrakter çeşitlerinden (ZrO 2.),Silisyum karbür (SiC), Korund (Al 2 O 3 ), Eritilmiş Kuvars (SiO 2 ), Manyetit (Fe 3 O 4 ) sayılabilir. Bunlardan silisyum karbür yüksek ısı iletkenliği istenen yerlerde tercih edilir. Manyetit, bakır konverterlerinde, magnezit tuğlanın korunmasında özel olarak kullanılır.

İzolasyon Tuğlaları: Fırınlarda ve ısıl işlemlerin yapıldığı her türlü tesiste ısı izolasyonu için yüksek gözenekli (% 40 - % 70 ) izolasyon tuğlaları kullanılır. Ancak bunlar ateşe dayanıklı değildir. Bunların üretiminde ya yanarak boşluk yapan maddeler ( odun talaşı, naftalin ) yada yüksek gözenekli hammadde ( kieselgur ) kullanılır. 1200 o C ye kadar hatta daha yüksek sıcaklıklara kadar kullanılabilen izolasyon tuğlaları hafif ateş tuğlası olarak adlandırılır. Bunlar şamot hafif tuğla, kaolin hafif tuğla ve alüminyum oksit hafif tuğlalardır. İzolasyon tuğlaları soğukta basma dayanımı yaklaşık 700 kg/m3 özgül ağırlıkta, 1,5 MPa ve 1100 kg/m3 ham özgül ağırlıkta 5 MPa olarak düşüktür.

Özel Tuğlalar: Silisyum karbür, forsterit, zirkon, grafit ve kromit gibi tuğlalardır. Bu tuğlalar hem ateşe dayanıklı hem de yüksek sıcaklıkta hacim değişikliği göstermemeleri nedeniyle normal refrakter tuğlaya göre üstünlükleri vardır. Elektrikli fırınlarda kullanılırlar.

Krom tuğlaları hammaddesi içinde (Cr 2 O 3 + Al 2 O 3 ) miktarı %60 veya daha fazla olan tuğlalardır. Kromit içine düşük erime sıcaklığına sahip silikatlar ve manyezit ilave edilerek imal edilirler. Böylece forsterit oluşur ve dayanıklılık artar.

2-SERAMİKLER Tablo: Seramik malzemelerin sembolleri, cinsleri ve kullanım yerleri Sembol Seramik Çeşidi Kullanıldığı Yerler KER 110 Sert porselen su alma % 0 İzolatörler, kimya sanayi KER 111 Porselen su alma % 0,5 den az Kimya ve tekstil sanayi KER 114 Kuvars porselen İzolatör kimya sanayi KER 118 Kil porselen Isıtma sanayi KER 410 Korderitli seramik Elektro ısıtma sanayi KER 515 Ateş tuğlası, aside dayanıklı Kimya sanayi KER 516 Ateş tuğlası, sıcaklık şokuna da Kimya sanayi KER 541 SiC içeren seramik Gaz ısıtma yapı elemanları KER 630 % 60 Al 2 O 3 li gözeneksiz seramik Termo eleman koruyucu KER 631 % 80 Al 2 O 3 li gözenekli seramik Boru KER 708 Sinter kurund Laboratuar makineleri KER 710 Sinter kurund Makine elemanları KER 712 Sinter kurund Kesme takımları