REFRAKTER MALZEMELER 5. REFRAKTER MALZEMELER Ateşe dayanıklı malzemeler olarak tanımlanır. Refrakter malzemeler 1000 o C nin üzerindeki sıcaklıklarda uzun süre kullanılabilir. Başta endüstrinin temel izolasyon malzemesi olan ateş - 0 -
tuğlaları olmak üzere, camlar, mutfak eşyaları gibi büyük bir malzeme grubunu oluşturur. Bunlar metalik malzemelerin pahalı olduğu veya kullanılmadığı yerlerde tercih edilir. Refrakterler: 1-Yapay olarak hammaddeden tek madde olarak üretilir. 2-Doğal olarak oksitlerden meydana gelir Endüstride ateş ve alevin bulunduğu tesislerde tavlama ve indüksiyon eritme fırınlarında, metalürji fırınlarında ve silikat endüstrisinde, metallerin ve camların eritilmesi için, pota malzemesi olarak, termo elemanların korunmasında ve elektrikli ısıtıcıların izolasyon malzemesi olarak kullanılır. REFRAKTER MALZEMELERĐN GENEL ÖZELLĐKLERĐ: a) Kimyasal ve Mineralojik Yapı: Metalorjik işlemlerde kullanılan refrakter malzemeler asidik, bazik ve nötr olmak üzere 3 grup altında toplanır. Bünyesinde bulunan SiO 2 nin bazik bileşenlere oranı malzemenin asitlik derecesini belirler. Bazik karakterdeki cüruflar bazik refrakterlere, asidik cüruflarda asidik refrakterlere etki etmezler. Ancak bu kimyasal özellik yanında malzemenin gözenekliliği önemli rol oynar. Daha poröz olan refrakter malzemeler çabuk ısınır. Mineralojik yapıya bağlı olarak değişik sıcaklıklardaki farklı kristal bünyeleri oluşur. Bu nedenle refrakter malzeme yoğunluğunda değişmeler meydana gelir. b) Genişleme ve Çekme: Şamot ve magnezit tuğlalar üretimleri sırasında daralma, silika tipi tuğlalar genişleme gösterir. Fazla miktarda hacim değişimi çatlamalara neden olur. Çekme olayının meydana gelmesi genellikle malzemenin üretim sırasında yeterli derecede pişmemesinde veya refrakter özelliğinin olmayışından ileri gelir. Genişleme nedeni ise malzemenin yapıldığı hammaddenin parça büyüklüğünün yetersiz olmasındandır. c) Yoğunluk ve Porozite: Sıcaklığın yükselmesi ile katı hacimde meydana gelen genişleme ile birlikte porozite azalır. Porozitenin azalması ile refrakter malzeme yumuşar. Bu özellik malzemenin karakterini tayin eder. Porozitenin azalmasıyla orantılı olarak yoğunlukta artış görülür. Refrakter malzemenin yoğunluğunun erime sırasında değişimi büyük önem taşır. Erime olayı ile birlikte hacim değişir ve malzemenin fiziksel özelliklerinde büyük sapmalar olur. d) Fırın Sıcaklığında Basınca Direnç: Refrakter malzeme kullanma sırasında genellikle basınç, gerilme gibi çeşitli kuvvetlerin etkisi altında kalır. Yumuşama sunucu boyut değişikliği olması halinde sakıncalar ortaya çıkar. Bu nedenle normalde yüksek bir basınçta parçalanan malzeme fırın sıcaklığında bu değerden çok daha düşük sıcaklıkta parçalanabilir. Sıcaklığın etkime süresinde etkili olur. e) Isıl Özellikler: Refrakter malzemelerin ısıl özellikleri özgül ısı, ısıl iletkenlik ve ısıl genişlemedir. Malzemenin Özgül ısı ve ısıl iletkenliği kullanılma yerine göre farklı şekilde değerlendirilir. Bazı halde yüksek, bazen de düşük olması arzu edilir. Oysa ısıl genişleme özelliği malzemenin tamamen bünyesinden ileri gelen ısı karşısında genişlemeyi temsil ettiğinden fonksiyonel etkiye sahiptir. Bu nedenle fırın tasarımlarında kullanılan refrakter malzemenin ısıl genişlemesi, işletme sırasında bir zarara meydan vermemek için özenle seçilir. f) Isıl Çatlama ve Parçalanma: Sıcaklık değişimlerine dayanım ısıl şok dayanım olarak tanımlanır. Đşletme esnasına ısıtma ve soğutma veya sıcaklık salınımları malzemenin yüzeyi ve merkezi arasında sıcaklık farkları ve bunun sonucu olarak da genleşme gerilmeleri meydana gelir. Bir cisim her tarafından soğutulduğunda yüzey boyunca çekme gerilmeleri ve - 1 -
merkezinde basma gerilmeleri meydana gelir. Böylece oluşan ısıl gerilmeler malzemenin dayanımını aşarsa çatlaklar meydana getirerek malzemenin parçalanmasına neden olur. g) Mekanik Dayanıklılık: Refrakter malzemelerin soğukta basınç dayanımına malzemenin yapısı ve özellikle gözenek miktarı etkir. Ateşe dayanıklı tuğlalar oda sıcaklığında pek az şekil değiştirme gösterirler. Yüksek sıcaklıkta farklı tane büyüklüğü ve gözenek dağılımı ile yapıdaki değişik fazların arasındaki gerilmeler nedeniyle çatlaklar oluşabilir. Mekanik dayanım ve aşınma direnci yaklaşık 1000 o C ye kadar durumunu muhafaza eder. Daha yüksek sıcaklıklarda cam fazının artmasıyla birlikte aşınma dayanımı azalır. REFRAKTER MALZEME ÇEŞĐTLERĐ 1-Refrakter Tuğlalar: Asidik seri : Şamot T. Silika T. Yüksek alümina tuğlaları Bazik seri : Manyezit T. Krom T. Dolomit T. Forsterit T. 2-Seramikler: Taşıl S. Vicro S. Özel oksit seramik 3-Camlar: Kuvars camı Borosilikat camları Pencere camları Kurşun camları Su camı Özler camlar 1-REFRAKTER TUĞLALAR: Üretimde 0,5 ile 5 mm büyüklüğündeki kaba tanelerin bağlayıcı madde ile karıştırılarak form verilir ve pişirilir. Tuğlalara form verilmesi çelik kalıplar içerisinde kuru preslemeyle, helisel beslemeli presle 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 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, - 2 -
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 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 0,8 M 2 O ve geriye kalan SiO 2 dir. b) Silika Tuğlaları: Silika tuğlaları içinde yüksek oranda SiO 2 bulunur. % 93 - % 98 arasındadır. 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 ( periskas kromit 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 Đzolasyon Tuğlaları: Fırınlarda ve ısıl işlemlerin yapıldığı her türlü tesiste ısı izolasyonu için yüksek gözenekli (% 40 - % 70 ) izolasyon tuğlaları kullanılır. Ancak bunlar ateşe dayanıklı - 3 -
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. Đzolasyon tuğlaları soğukta basma dayanımı yaklaşık 700 kg/m 3 özgül ağırlıkta, 1,5 MPa ve 1100 kg/m 3 ham özgül ağırlıkta 5 MPa olarak düşüktür. Özel Tuğlalar: Silisyum karbür, forsterit, zikon, 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 kullanılır. 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-SERAMĐKLER Tablo: Seramik malzemelerin sembolleri, cinsleri ve kullanım yerleri Sembol Seramik Çeşidi Kullanıldığı Yerler KER 110 Sert porselen su alma % 0 Đzolatörler, kimya sanayi KER 111 Porselen su alma % 0,5 den az Kimya ve tekstil sanayi KER 114 Kuvars porselen Đzolatör 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 Not: Türk standartlarında sembolle belirtme yapılmamıştır. Yabancı standartlarda seramiklerde sembollerle sınıflandırılmıştır. Seramik anlamında KER harfleri ve 3 haneli rakamla çeşidi tamamlamaktadır. a) Taşıl Seramikleri: Çok sıkı yapıya sahip ve genellikle üzeri bir sırla kaplı özel seramiklerdir. Dış yüzeylerinin sırlı oluşu ve sıkı bir yapıya sahip oluşu nedeniyle su tutma kapasiteleri % 0,1 in altındadır. Dayanımı poroziteye ve mineral yapıya bağlıdır. Florik asidin dışında tüm asitlere dayanıklıdır. Kaba ve ince T.S olmak üzere gruplara ayrılır. Bu seramiklerin eğilme dayanımları diğer seramiklerde olduğu gibi düşüktür. Kullanım yerleri 3200 litreye kadar sabit tanklar, demir yollarında asit taşıma tankları, metal dağlama ve galvaniz banyolarında tekneler, manşon ve flanş boruları, kısma vanaları, iletme gücü 120 m 3 /h a kadar olan agresif sıvalar için salyangoz pompa yapımı, karıştırma kazanları, soğutma dolapları. - 4 -
b) Vicro Seramikler: Özel bir malzeme grubunu oluşturur. Üretim prosesi, form verilmesinde daha camlara benzer şekildedir. Form vermeden sonra ürünlere ışıl işlem uygulanır. Bu sırada kristalin form yapısında çok yada az tam dönüşme meydana geldiğinden daha sonra ısıl olarak tekrar şekil verilemez. Düşük ısıl genleşmeli vitro seramik Li 2 O - MgO - Al 2 O 3 - SiO 2 sistemindedir. Li 2 O çekirdek teşekkül ettiricidir. Bunların ısıl genleşme katsayıları düşüktür hatta negatif değerdedir. Radar antenleri için gövde, uçak parçaları, roket burunları, kompresörler için türbin kanadı, pistan, astroayna ve taban plakaları kullanım yerleridir. c) Özel Seramikler: Sinter Korund (Korundum): En geniş kullanıma sahip oksit seramik malzemedir. Yalnızca α Al 2 O 3 den meydana gelir ve sıcaklık yükselmesinde dönüşüm meydana getirmez. Yüksek sıcaklıklarda elektriksel izolatör olarak kullanılır. Ayrıca metallerin eritilmesinde pota malzemesi olarak kullanılır. Silisyum Karbür: Özel seramikler içinde ısı iletme yeteneği en üstün olan seramik malzemedir. Bu özelliği termal şok işleminde gerilmelerin bir kısmını ısı artışı ile dengelenmesine neden olur. Pota malzemesi olarak ve kazanlarda ateş tuğlası olarak kullanılır. Karbon Refrakter: Karbon refrakterlerin üretiminde farklı tane büyüklüğünde öğütülmüş kok,granit ve antrasit ilave edilerek ve bağlayıcı madde ( kömür katranı ) katılarak karıştırılır, preslerde plastik şekil verilir. Daha sonra form parçalar en fazla 1400 o C de pişirilir. Makine tesis yapımında karbon refrakterler kullanılır. Ayrıca ark fırınlarında ve elektroliz tesislerinde elektronlar, boru donanımları, kaynamalı yatak, sürekli döküm için kalıplarda kullanılır. Porselen: Porselen saf kaolen, feldispat ve kuvarstan üretilen beyaz renkli bir seramik malzemedir. Yapısı oldukça sıkıdır. Đnce kesitlerde saydam özellik gösterir. Hammaddeler yaklaşık % 50 kaplen, %25 feldispat ve % 25 kuvarstan oluşur. Şekil verme, sürekli presleme yada döküm şeklinde olur. Pişirme sırasında kaolenden ince kristal halda mullit meydana gelir. Kaolen esaslı mullit iğnelerinin içerisinde alkali difüzyonu sonucu feldispattanda fazı teşekkül eder. Kuvars feldispat eriği ile reaksiyona girer ve porseleni oluşturur. Taşıl seramiklerde olduğu gibi boru ve armatürler için pompalarda, reaksiyon kazanı ve vakum aparatlarında, öğütme kabı yapımında, küresel değirmenlerin kaplanmasında ve laboratuar porseleni olarak kullanılır. 3-CAMLAR - 5 -
Hammaddeleri kum, soda, kireç, feldispat ve borakstır. Cam üretimi eritme, şekil verme, tavlama ve bitirme işlemi olarak 4 grupta incelenir. Tablo: Önemli teknik camlar ve özellikleri Sembol Genleşme kat sayısı 10-6 l/k Ana bileşenler Kullanım yerleri Ggl 320 3,2 SiO 2,B 2 O 3,Na 2 O, Al 2 O 3 Boru donanımı Ggl 380 3,8 SiO 2,B 2 O 3,Na 2 O, Al 2 O 3 Termometre Ggl 480 4,8 SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3 Yayın borusu Ggl 481 4,8 Na 2 O 3,K 2 O,BaO FeNi28 in eritilmesinde Ggl 482 4,8 CaO,ZnO,BaO,MgO Isıl olarak preslenmiş cam Ggl 483 4,8 Na 2 O, K 2 O,NaF FeNi28 in eritilmesinde Ggl 490 4,9 Na 2 O, BaO SiO 2, B 2 O 3,Al 2 O 3 Laboratuar cihazları Ggl 940 9,4 Na 2 O, CaO,SiO 2, B 2 O 3,Al 2 O 3 Teknik malzemeler Ggl 942 9,4 Na 2 O,K 2 O,SiO,SiO 2,B 2 O 3, Ampuller Al 2 O 3 Not: Cihaz camı - Teknik cam Ggl sembolü ile belirtilir ve tanıtma sayısı belirtilir. Tanıtma sayısı olarak 20 ile 300 o C sıcaklık arasında ortalama ısıl genleşme kat sayısının 10 7 katı ve değişik anlamlara gelen 0 9 (son rakamı) birleşik yazılır. Bu son rakam olarak kullanılan (0) camın her durumunda kullanılabileceğini gösterir. Endüstride en çok kullanılan cam çeşidi pencere camıdır. Teknik adı yassı camdır. Güneş enerjisi sağlayan kolektörlerde de kullanılır. Endüstride kullanılan diğer camlar ise ; Kuvars camı Borasilikat camı Kurşun camları Su camı Özel camlardır. REFRAKTER MALZEMELERĐN TEKNĐK ÖZELLĐKLERĐ Mukavemet: Refrakter malzemelerin en önemli özelliği yük altında şekil değiştirmeye karşı göstermiş oldukları dirençtir. Refrakter malzemelerin soğukta basma dayanımına malzemenin yapısı ve özellikle gözenek miktarı oldukça fazla etki edebilir. Kural olarak cam fazının miktarının yükselmesiyle dayanım artar. Fırın içerisinde kullanım için bu yeterlidir. Taşıma esnasında kayıpları önlemek için en azında 3Mpa dayanım gereklidir. Mekanik dayanım ve aşınma direnci yaklaşık 1000 o C ye kadar durumunu muhafaza eder. Daha yüksek sıcaklıklarda cam fazının artmasıyla birlikte aşınma dayanımı azalır. - 6 -
Bazı refrakter malzemelerin basınç altında yumuşama eğrileri Tablo: Bazı refrakter tuğlaların önemli özellikleri Malzeme türü Soğukta basma dayanımı Elastiklik modülü Poisson sabiti Yoğunluk Mpa Gpa Silika tuğla 15-50 11-25 0,6-0,25 1,8-2,2 Şamot tuğla 13-60 24-30 0,20-0,40 1,8-2,2 Periklas tuğla 30-100 110-140 0,19-0,30 2,8-3,3 SiC tuğla 30-90 - - 2,3-2,8 Karbon tuğla 20-60 12-13 0,21-0,23 1,3-1,6 Ateş tuğlası 3-10 2-8 0,12-0,17 0,4-1,2 Al 2 O 3 1960-300 240-400 0,2-0,3 3,3-3,6 Isıl Đletme Kat Sayısı: Çoğu zaman refrakter malzemenin görevi yüksek sıcaklıklı reaksiyon ortamını dıştan perdelemek yada mufl fırınlarda aksine olarak sıcak ortamdaki ısıyı fırın içerisine taşımak olabilir. Yapısal düzenlerinden dolayı camların ısı iletme katsayıları özgül ısı ya göre değişir ve ısı iletme kabiliyeti sıcaklık yükseldikçe artar. Bu karakteristik cam fazlı ateşe dayanıklı malzemelerde az yada çok etkili olur. Hafif tuğlada olduğu gibi çok büyük gözeneklere sahip malzemelerde gözenek cidarları radyasyon alışverişine iştirak ettiklerinden dolayı ısı iletme kabiliyetlerinde yükselme gösterirler. Bazı refrakter malzemelerin ortalama ısınma ısıları ( 0 t o C ) - 7 -
Bazı refrakter tuğlaların lineer genleşme yüzdeleri Isıl Genleşme Katsayısı: Refrakter malzemelerin ısıl genleşmesi fırın yapımında büyük önem taşır. Duvarların genleşmeyle uzaması genleşme boşluklarıyla karşılanmalı ve böylece yüksek gerilmeler sonucu tahribat meydana gelmesi önlenmelidir. Camlarda olduğu gibi ısıl genleşme seramiklerde de sıcaklık dayanımı da etkilemektedir. Genellikle ısıl genleşme tersinirdir ve düzenlidir. Ancak silika tuğlada olduğu dibi kuvars içeren malzemeler bir ayrıcalık oluşturur. Isıl şok dayanım refrakter malzemelerin önemli özelliğidir. Đşletme esnasında ısıtma ve soğutma veya sıcaklık salınımları malzemenin yüzeyi ve merkezi arasında sıcaklık farkları ve bunun sonucu olarak ısıl genleşme gerilmeleri meydana getirir. Isıl gerilmeler malzemenin dayanımını aşarsa çatlaklar yada kopmalar meydana getirerek malzemeyi tahrip eder. - 8 -