فرآيندفرآورى ديرگدازهاو توليد انواع آجرهاى نسوز

فرآيندفرآورى ديرگدازهاو توليد انواع آجرهاى نسوز

فرآيند فرآورى ديرگدازها و توليدانواع آجر و سراميك نسوز:

مواد اولیه تشکیل دهنده دیر گداز ها :
این مواد اولیه عبارتند از :
نام اکسید مواد دیر گداز و نقطه ذوب
1. اکسید سیلیسیم با 1723 درجه سانتیگراد SiO2

2. اکسید آلومینیم با2020 درجه سانتیگراد Al2O3

3. اکسید کرم با 2262 درجه سانتیگراد Cr2O3

4. اکسید کلسیم با 2570 درجه سانتیگراد CaO

5. اکسید زیر کنیم با2750 درجه سانتیگراد ZrO

6. اکسید منیزیم با 2800 درجه سانتیگرادMgO


پارامتر های مهم یک دیر گداز و نحوه اندازه گیری آن ها :

1. تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

2. پایداری در برابر سرباره

3. استحکام در برابر شوک حرارتی (تغییرات ناگهانی درجه حرارت)

4. مقاومت در برابر فشار ( در درجه حرارت اتاق و حرارت های بالا ) که در دماهای Room Temperature وHigh Temperature

5. پایداری حجمی در عملیات حرارتی بعدی ( حرارت دادن مجدد )

6. میزان انبساط حرارتی

7. میزان انتقال هدایت حرارتی و گرمایی ( قابلیت هدایت حرارتی )

8. میزان تخلخل و دانسیته و قابلیت نفوذ در مقابل گازها

9. مقاومت در مقابل ضربه

10. خزش

1- تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

این پارامتر که به وسیله دو مخروط به نام های زگر و اورتون سنجیده می شود بدین صورت است که مخروط دیر گداز را در کوره های عملیات حرارتی گذاشته و تا دمای مورد نیاز که معمولا 1520 درجه سانتی گراد است حرارت می دهند تا هنگامی که دیر گداز به نقطه خمیری خود رسیده و از کمر خم شود سپس زمان صرف شده در این عملیات را حساب کرده و رنج پایداری دیر گداز را به دست می آورند .


تصویر از مخروط زگر یا اورتون seger or Orton


2- پایداری در برابر سرباره

معمولا آجر های دیرگداز ممکن است د رکوره ها یا پاتیل ها در تماس با سرباره قرار گیرند . سرباره ها از نظر خواص شیمیایی به دو دسته اسیدی و قلیایی تقسیم می شوند ، بسته به خواص سرباره و آ‍جر امکان واکنش بین آن ها وجود دارد ( آجر اسیدی با سرباره قلیایی و بالعکس) .

ابتدا یک قطعه دیر گداز را سوراخ کرده و حفره هایی را در داخل آن ایجاد می کنیم سپس سرباره را که از قبل به صورت ذوب تهیه نموده ایم در داخل حفره های دیر گداز می ریزیم و در داخل کوره قرار می دهیم و پس از گذشت مدت زمان معین بیرون می آوریم اگر سرباره با دیر گداز میل ترکیب شیمیایی داشته باشد وارد جسم دیر گداز میشود سپس قطعه دیرگداز را برش عرض داده و مورد متالوگرافی و ( در زیر میکروسکوپ مورد ) بررسی قرار می دهیم . اگر میل ترکیبی دیر گداز با سرباره زیاد نباشد پایداری سرباره زیاد است در غیر این صورت به نسبت میل ترکیبی رنج دیر گداز را تعیین می کند .

3- استحکام(مقاومت) در مقابل شوک حرارتی

برای تعیین درجه شوک پذیری ابتدا قطعه دیر گداز مورد نظر را تا دمای کاربردی به مدت زمان معینی حرارت داده و سپس به طور ناگهانی و با سرعت زیاد آن را سرد می کنیم . باید توجه داشت که این کار را 30 مرتبه و بدون وقفه انجام داد . اگر دیر گداز بعد از 30 مرتبه ترک برداشته و یا خرد شود رنج شوک پذیری آن کم اما در غیر این صورت دیر گداز در مقابل شوک حرارتی مقاوم است .

عوامل موثر در شوک پذیری :

1. ضریب انبساط حرارتی

2. قابلیت هدایت حرارتی

3. خاصیت آن ایزوتروپی(Anisotropy)

4. فاز های تشکیل دهنده دیر گداز

5. تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی

6. تخلخل و دانسیته (خواص الاستیک)


1- ضریب انبساط حرارتی :

میزان تغییرات حجمی که جسم در مقابل حرارت از خود نشان می دهد که هر چه این ضریب پایین تر باشد پایداری این جسم بیشتر است .
نکته : شوک حرارتی تنش هایی است که بین دمای درون قطعه و دمای بیرون ایجاد می شود .


2- قابلیت هدایت حرارتی :

که اگر قابلیت هدایت حرارتی بالا باشد پایداری در مقابل شوک حرارتی بیشتر است .


3- خاصیت آن ایزوتروپی :

این خاصیت به این معنا است که خواص در جهات مختلف متفاوت است و هر چه این خواص ایزوتروپ تر باشد دیر گداز مقاومت تر است .


4- فاز های تشکیل دهنده دیر گداز ها :

اگر فاز های یک دیر گداز یکی باشد یعنی آن دیر گداز فقط از یک فاز تشکیل شده باشد استحکام دیر گداز در مقابل شوک حرارتی بیشتر است و هر چه تعداد فاز ها بیشتر باشد ناپایداری دیر گداز نیز بیشتر است .


5- تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی :

تغییرات فازی که بر اثر تغییر درجه حرارت به وجود می آید باعث ایجاد فاز های مایع در درجه حرارت های پایین می شود .



6- تخلخل و دانسیته :

تخلخل و ضریب تراکم در یک دیر گداز هر چه بیشتر باشد مقاومت آن دیر گداز در برابر شوک حرارتی بیشتر است و هر چه دانسیته کمتر باشد پایداری دیر گداز بالا تر است .


7- الاستیک ( ضریب کشسانی ) :

هر چه الاستیسیته یک دیر گداز بیشتر باشد پایداری آن در مقابل شوک حرارتی بیشتر است .

4- پایداری در برابر فشار :

که به دو صورت پایداری در برابر فشار در درجه حرارت محیط و در دماهای بالا محاسبه می شود


الف ) میزان پایداری دیرگداز در دمای محیط ( R.T) :

در این عملیات دیر گداز را در دمای محیط زیر فشار قرار می دهند تا زمانی که قطعه دیر گداز خرد شود و ترک در آن به وجود آید (فشار در این روش افزاینده می باشد )


نکته : در این روش هدف به دست آوردن فشار است
تخلخل در این کمیت اثر منفی دارد .

ب ) پایداری در برابر فشار در دماهای بالا ( H.T ) :

که این روش به دو صورت انجام می شود .

الف: قطعه تحت فشار همراه با افزایش دما(روش درجه حرارت فزاینده )

ب: قطعه تحت فشار همراه با دمای ثابت(روش درجه حرارت ثابت )


الف : پایداری در برابر فشار تحت فشار همراه با افزایش دما :


در این روش قطعه دیر گداز را تحت فشار استاندارد 28Psi قرار میدهند سپس قطعه را شروع به حرارت دادن می کنند تا زمانی که قطعه 10 درصد کاهش طول پیدا کند . این دما که قطعه در مقابل آن از خود مقاومت نشان می دهد را معیاری برای اندازه فشار می نامند .

نکته 1) : در قطعات دیر گداز سیلیسی فشار استاندارد 50Psiمی باشد .

نکته 2): هر اتمسفر فشار برابر 14/7 psi می باشد .

نکته 3) : هدف در این آزمایش به دست آوردن فشار توسط دما می باشد .


ب : پایداری در برابر فشار تحت فشار در دمای ثابت :

در این روش قطعه را تحت دمای معین و فشار ثابت 28 psi قرار می دهند تا آنکه پس از گذشت زمان معین قطعه 10 درصد تغییر طول پیدا کند که زمان به دست آمده در این روش معیاری است برای تعیین میزان مقاومت دیر گداز در مقابل فشار .


نکته : هدف در این آزمایش به دست آوردن فشار توسط زمان صرف شده در آزمایش می باشد .



5 – تخلخل

اگر مک های یک قطعه با سطح بیرونی آن ارتباط داشته باشند تخلخل را باز می نامند و اگر همین مک ها با سطح بیرونی قطعه ارتباط نداشته باشند و در درون قطعه ایجاد شده باشند تخلخل بسته می نامند .

تخلخل ظاهری (porosity) : به خارج قسمت حجم تخلخل باز به حجم قطعه تخلخل ظاهری گویند .

تخلخل بسته : به خارج قسمت حجم تخلخل بسته به حجم کل نمونه تخلخل بسته گفته می شود .

تخلخل حقیقی : به خارج قسمت حجم تخلخل باز و بسته به حجم نمونه تخلخل حقیقی گویند .


دانسیته کلی : piknometry
به خارج قسمت جرم یک جسم به حجم همان مقدار از جسم اصطلاحا دانسیته کلی گویند که واحد آن گرم بر سانتیمتر مکعب است
دانسیته ظاهری :
به خارج قسمت جرم یک جسم به حجم یک جسم بدون در نظر گرفتن تخلخل ظاهری دانسیته ظاهری گویند .
دانسیته حقیقی :
به خارج قسمت جرم یک جسم به حجم جسم بدون در نظر گرفتن حجم تخلخل باز و بسته دانسیته حقیقی گویند .
در این روش وزن به دست آمده را توسط ترازو وزن کرده و سپس برای بدست آوردن حجم حقیقی آن را به طور کامل خرد کرده و سپس در ظرفی به نام پیکنومتر می ریزند . که در این روش ابتدا ظرف را تا 50 سی سی پر کرده و درب آن را می بندیم سپس قطعه خرد شده مورد نظر را در آن ریخته و مقدار آب بیرون ریخته از ظرف را حساب می کنیم چون دانسیته آب یک است مقدار به دست آمده را در فرمول مورد نظر قرار داده و حجم واقعی قطعه به دست می آید .
پایداری حجمی :
به میزان مقاومتی که یک جسم دیر گداز در مقابل انجام عملیات های حرارتی از خود نشان می دهد پایداری حجمی گویند . که هر چه این تغییرات حجمی کمتر باشد قطعه پایداری حجمی بیشتری دارد . باید توجه داشت که یکی از عوامل ایجاد تغییرات حجمی ایجاد فاز ها در حرارت های مختلف می باشد که به علت آن که هر فاز حجم مربوط به خود را شامل می شود باعث ایجاد تغییرات حجمی در یک قطعه خواهد شد .
انبساط حرارتی :
به میزان مقاومت حجمی که یک دیر گداز در مقابل افزایش دما از خود نشان می دهد پایداری در مقابل انبساط حرارتی گویند که توسط دستگاهی به نام دیلاتومتر thermo mechanical analyzer (TMA) اندازه گیری می شود . روش استفاده از این دستگاه به این صورت می باشد که ابتدا قطعه را درمیان دو میلگرد با انبساط حرارتی کم و تحت حالت کالیبره قرار داده که یکی از این میلگرد ها ثابت و دیگری متحرک می باشد سپس با اضافه کردن دما طول قطعه تغییر پیدا می کند . که تغییرات طولی قطعه توسط میلگرد به صفحه مدرج منتقل می شود .
تعیین دانسیته کلی :
برای تعیین دانسیته کلی از رابطه استفاده می شود که در این رابطه
Wa : وزن دیر گداز در هوا
Wc: وزن دیر گداز پس از جوشاندن در آب و خشک کردن با پارچه مرطوب
Wb: وزن دیر گداز در درون آب
نکته : استفاده از آب جوش در این آزمایش به علت این می باشد که آب جوش خلخل و فرج داخلی قطعه را پر نماید و خشک کردن با پارچه مرطوب به این علت می باشد که پارچه فقط سطح قطعه را خشک کند . و هنگامی که آن را در آب می اندازند به این دلیل می باشد که خلخل و فرج های موجود در قطعه با آب پر شود و با مایع قابل استفاده برابر شود .
تعیین میزان تخلخل :
برای تعیین میزان تخلخل از رابطه
چقرمگی :
به میزان جذب انرژی که یک جسم تا قبل از شکست از خود نشان می دهد چقرمگی گویند .
تعیین مقاومت یک دیرگداز در برابر ضربه :
برای تعیین مقاومت یک دیرگداز در مقابل ضربه از آزمایش شارپی استفاده می کنند همچنین می توان از زیر نمودار تنش و کرنش نیز به میزان مقاومت یک دیرگداز در برابر ضربه پی برد .
خزش:
عبارت است از تغییر شکل یک دیر گداز بر حسب زمان در درجه حرارت های بالا و تحت تنش وارده بر جسم نکته قابل توجه این است که تنشی وارد بر قطعه تنشی می باشد که در دمای معمولی قطعه می تواند آن را تحمل کن

تقسیم بندی انواع آجر های دیر گداز :
آجر های دیر گداز را به سه شکل تقسیم بندی می کند :
1- شیمیایی: این آجر ها را می توان به سه دسته آجر های الف : اسیدی مثل آجر های سیلیکاتی ، آجر های زیر کونیایی آجر های خاک نسوز و آجر های کائولین ب: قلیایی مانند آجر های منیزیتی آجر های دولومیتی و آجر های منیزیت کرومیتی ج: آجر های خنثی مانند آجر های آلومینایی آجرهای کربنی آجر های کروم منیزیتی و آجر های کرومیتی تقسیم بندی کرد .
2- روش تولید : این آجر ها را با توجه به روش تولید به چهار دسته تقسیم می کنند :
الف: پرس خشک : در این روش قطعه را تا درجه زینتر کردن حرارت داده و سپس پرس می کنند
ب: اکستروژن : در این روش معمولا قطعه را به صورت خمیری در آورده و تحت فشار آن را تولید می کنند .
ج: ریخته گری (ذوب و انجماد ) : در این روش دیرگداز را ذوب کرده و پس از آماده سازی ذوب آن را در درجه های تعبیه شده می ریزند .
د: دوغ آبی : که در این روش دیر گداز مورد نظر را به شکل دوغ آب در آورده و در قالب های گچی مورد نظر ریخته و حرارت می دهند .
3- درجه دیر گدازی :که این روش را به چهار دسته تقسیم بندی می کنند
الف: در درجه حرارت های پایین : LOW DUTY که بین درجه حرارت 19 تا 28 درجه زگر یا 1635 تا 1530 درجه می باشد
ب: در درجه حرارت های متوسط INTERMEDITT DUTY که بین درجه حرارت های 30 الی 28 زگر 1635 تا 1680 درجه می باشد
ج: در درجه حرارت های بالا : HIGHT DUTY که بین درجه حرارت های 30 تا 33 زگر یا 1680 تا 1730 می باشد .
د: درجه حرارت های فوق بالا : SUPER DUTYکه بالاتر از 33 زگر یا 1730 درجه می باشد .

آجر های سیلیسی
این نوع آجر های از دسته آجر های اسیدی بوده که ماده اصلی آن اکسید سیلیسیم می باشد که 93 تا 98 درصد یک آجر سیلیسی را تشکیل می دهد
دگر گونی جابه جا ساز : displacive : این نوع استحاله برگشت پذیر بوده و تنها در اثر جابه جایی مختصر اتم ها و تغییرات جزئی در طول اتصالات و یا زاویه آن ها به وجود می آید . در تغییرات جابه جاساز تغییرات حجمی کم بوده و در نتیجه انبساط حجمی نیز کم می باشد . که باعث پایداری قطعه می شود و یک پارامتر مثبت محسوب می شود .
آلوتروپی درجه حرارت ساختار نوع دگر گونی
کوارتز آلفا تا 573 تریگونال جابه جاساز
کوارتز بتا 867-573 هگزاگونال جابه جاساز
تریدیمیت 1470-867 اورترومبیک بازساز
کریستوبالیت 1723-1470 تتراگونال بازساز

دگرگونی بازسازی : reconstructive: این نوع دگرگونی دگرگونی می باشد که باعث تغییر ساختار شده و از یک ساختار به ساختار دیگر تبدیل می شود . در دگر گونی بازساز تغییرات حجمی قابل ملاحظه بوده و قطعه دارای تغییرات حجمی زیاد می باشد .
واضح است دگر گونی فوق همراه با تنش های حرارتی در دیرگداز می باشد زیرا ضرایب انبساط حرارتی آلوتروپی های یاد شده با یکدیگر متفاوت است . به عنوان مثال در آجر های سیلیسی تبدیل کوارتز بتا به تریدیمیت بتا (تریدیمیت و کریستوبالیت نیز مانند کوارتز دارای دو استحاله جابه جاساز می باشند ) توام با تغییر انبساط حرارتی خیلی زیاد است بنابراین این استحاله باید قبل از کاربرد و در حین پخت صورت گیرد و چون در حین پخت استحاله از نوع بتا به آلفا می باشد با انبساط کمتری همراه خواهد بود از طرفی چون تبدیل کوارتز بتا به تریدیمیت بتا در شرایط معمولی انجام نمی شود می توان در حین پخت آجر های سیلیسی برای تصریح در این عمل از کانی ساز آهک یا اکسید کلسیم ( CaO) استفاده کرد
مواد اولیه آجر های سیلیسی : ماده اولیه آجر های سیلیسی کوارتزیتی است که حدود 98 درصد سیلیس دارد می باشد کوارتزیت ها در حقیقت دانه های ریز کوارتز هستند که به هم متصل شده اند کوارتزیت در طبیعت بر خلاف کواتز خالص فراوان بوده و قیمت آن نسبتا ارزان است همان طور که در قسمت قبل گفته شد وجود یک تا 2.5 درصد اکسید کلسیم (CaO) در کوارتزیت مفید باشد ولی اکسید آلومینیم (Al2O3) در آجر های سیلیسی به عنوان یک ترکیب قلیایی مضر بوده و نباید بیشتر از 0.2 درصد باشد .
به طور کلی افزودن آهک به میزان 1 تا 2.5 درصد در آجر های سیلسی سبب :
1- به عنوان یک کانی ساز عمل تبدیل فاز کواتز به تریدیمیت را در مرحله پخت آسان می کند
2- تشکیل فاز شیشه ای SiO2-CaO داده که این امر باعث چسبندگی ذرات کواتز به یکدیگر می گردد .

مراحل تولید آجر های سیلیسی:
1- آماده سازی مواد :
کوارتزیت را به منظور خارج نمودن مواد رسی آن شست و شو داده و آن را به کمک آسیاب فکی و سپس آسیاب مخروطی خرد می کنند آن گاه به مواد خرد شده آب آهک و چسب اضافه می نمایند باید توجه داشت که بهترین دانه بندی که می تواند بیشترین تراکم را ایجاد کند 45 درصد ذرات درشت و 45 ذرات ریز و 10 درصد ذرات متوسط می باشد
2- مرحله شکل دهی:
در این مرحله مواد خرد شده را با 4 تا 6 درصد آب مخروط می نمایند و به کمک پرس هیدرولیکی فشرده می کنند
3- خشک کردن :
قطعه فشرده شده چون دارای آب می باشد و به این دلیل که در مرحله پخت به خاطر تنش ترک بر می دارد به همین دلیل آن را با حرارت های معمولی خشک می کنند
4- پختن :
عمل پخت در درجه حرارت های بین 1430 تا 1500 درجه سانتی گراد صورت می گیرد که این عمل در کوره تونلی انجام می شود و کل زمان پخت طی مراحل گرم و سرد شدن مجموعا 250 ساعت به طول می انجامد


خواص آجر های سیلیسی:
1- تخلخل : از آنجایی که در حین پخت در درجه حرارت های مختلف آلوتروپی های مختلف کوارتز تشکیل می شود که به طور میانگین دانسیته این آلوتروپی های با افزایش دما کاهش پیدا می کند
به همین جهت تهیه آجر های سیلیسی با تراکم زیاد و یا با تخلخل کم مشکل می باشد و میزان تخلخل در این آجر ها تا حدود 20 الی 26 درصد می باشد البته در مواردی خاص میزان تخلخل به زیر 20 درصد می رسد .
2- پایداری حجمی : آجر های سیلیسی در صورت خوب پخته شدن پایداری حجمی خوبی دارند .
3- استحکام فشاری در دماهای بالا :آجر های سیلیسی دارای مقاومت بسیار خوبی در برابر فشار در درجه حرارت های بالا می باشند به طوری که فشار 50 Psi را حتی تا دمای 1700 درجه سانتیگراد به خوبی تحمل می کند البته حضور مواد قلیایی مانند آلومینا به میزان 1.5 تا 2 درصد در دماهای زیر 1600 درجه موجب شکست در آجر های سیلیسی می شوند
4- مقاومت در برابر شوک حرارتی : مقاومت این آجر های در خارج از محدوده 450 تا 600 درجه در برابر شوک حرارتی خوب است ولی به علت تبدیل کوارتز α به کوارتزβ در این محدوده دمایی کار در این دما ها مقاومت آجر های سیلیس را در برابر شوک های حرارتی کاهش می دهد .
و : هدایت حرارتی آجر های سیلیسی : این آجر ها از ضریب هدایت حرارتی خوبی در مقایسه با آجر های قلیایی برخوردار هستند .
ه: مقاومت در برابر سرباره : این آجر ها مقاومت پایینی در برابر سرباره های قلیایی دارد با افزودن موادی نظیر Cr2O3مقاومت آن در برابر سرباره های قلیایی افزایش می یابد
ط: رطوبت : آجر های سیلیسی در دمای 1200 درجه سانتی گراد در مجاورت رطوبت دچار ذوب سطحی و بعضی مواقع ذوب کامل می شود .
مزایای آجر های سیلیسی :
به طور خلاصه آجر های سیلیسی از مقاومت خوبی در برابر فشار در دماهای بالا برخوردارند همچنین مقاومت خوبی در برابر سرباره های اسیدی دارند و نیز مقاومت خوبی در برابر سایش دارند و مواد اولیه آن ارزان می باشد .
معایب آجرهای سیلیسی:
مقاومت کم در مقابل سرباره های قلیایی
شوک پذیری در زیر دمای 600 درجه سانتیگراد همان طور که قبلا گفته شد این آجر ها در فاصله دمایی 450 تا 700 درجه باید آهسته حرارت داده شوند

موارد استفاده از آجر های سیلیسی :
تا سال 1960 مصرف آجر های سیلیسی عمدتا در صنعت فولاد ، شیشه سازی تهیه کک و ... کاربرد داشت و از سال 1967 در صنایع یاد شده به جز صنایع شیشه سازی کاهش یافته است امروزه از این آجر ها در ساخت کوره های اتاقی (تونلی ) استفاده می شود البته به دلیل اینکه آجر های شبه سیلیسی که دارای 88-93% SiO2 سیلیس می باشد و مخلوطی از ماسه و رس است به خاطر مقاومت شوک پذیری و حرارتی و پایداری حجمی بهتر و ارزانی آن بیشتر استفاده می شود علاوه بر این در آجر های شبه سیلیسی برای ایجاد پوشش از نفوذ سرباره که پوشش یا لعاب ایجاد می کند برای جلوگیری از نفود فلز به داخل آن استفاده می کرد .
تعیین چگونگی درصد عناصر در دیاگرام های آلیاژ های سه تایی :
در این نوع نمودار می بایست نقطه مورد نظر پس از انتخاب در نمودار به موازات هر ضلع نمودار خطی را رسم کنیم که از ضلع نمودار شروع شده و پس از گذشتن از نقطه مورد نظر به ضلع دیگر نمودار ختم شود .
آجر های دیرگداز آلومینوسیلیکاتی :
این آجر ها ترکیبی از Al2¬O3 و SiO2 می باشند با درصد متفاوتی هستند و شامل تمام دیرگداز هایی که از SiO2 شروع شده و به Al2¬O3 آجرهای آلومینیایی سیلیکاتی ختم می شوند می باشد با نگاهی به دیاگرام فازی تعادلی Al2¬O3- SiO2 می توان دو نقطه یوتکتیک در دماهای 1590-1840 درجه سانتیگراد را یافت که با توجه به درصد ترکیب اکسید های یاد شده هر گاه درصد ترکیب 5تا6 درصد Al2¬O3 و بقیه SiO2 باشد ترکیب در دمای 1590 درجه شروع به ذوب می کند در حالی که اگر درصد وزنی Al2-O3 در آجر های آلومینا سیلیکاتی بیش از 72% باشد در دمای 1840 درجه شروع به ذوب می نماید در درجه حرارت های پایین در ترکیب کمتر از 5% وزنی Al2¬O3 مولایت و تری دیمیت تشکیل می گردد و با توجه به دیاگرام فازی SiO2 Al2¬O3 دلیل مقاومت پایین آجر های سیلیس با درصد وزنی بیش از 5% Al2¬O3 به خاطر این است که نقطه ذوب تا دمای 1590 درجه پایین می آید آجر های سیلیکاتی با توجه به درصد وزنی Al2¬O3 به صورت زیر نام گذاری می شوند :
1. آجر های خاک نسوز 45-25 Al2¬O3
2. آجر های سیلیمانیتی (کیانیتی ) آندالوسینی 65-45 Al2¬O3
3. آجر های مولایتی 75-65 Al2¬O3
4. آجر های بوکسیتی 90-75 Al2¬O3
5. آجر های کوراندومی 90-100 Al2¬O3


مواد معدنی مهم در آجر های آلومینو سیلیکاتی :
1- رس ها : رس ها با آلومینو سیلیکات های آب دار با ذرات ریز هستند که هنگامی که با آب مخلوط می شوند خاصیت شکل پذیری خوبی پیدا نموده و به راحتی به صورت مایه ای روی هم می لغزند خاصیت نرمی –صابونی- کلیداژ ( تبلور پذیر ) از ویژگی های رس ها می باشند .میکا یکی از مواد معدنی رس می باشد .
2- سیلیمانیت ، کیانیت ، آندالوسیت: هر سه مینرال دارای فرمول شیمیایی یکسانAl2¬O3 SiO2 با ساختار های کریستالی متفاوت می باشد که پس از حرارت همگی به مولایت تبدیل می شود از آنجایی که وزن مخصوص سیلیمانیت – کیانیت و آندالومیت از مولایت بیشتر است به همین دلیل پس از پخت انبساط قابل ملاحظه ای می یابد .
3- مولایت : مولایت دارای فرمول شیمیایی SiO2 2Al2¬O33 بوده و ساختار کریستالی آن شبیه سیلیمانیت بود و ارتورومبیک ( مکعب مستطیل ) می باشد .
4- کراندوم : آلومینا در حقیقت دارای سه آلوتروپی می باشد که آلومینای را کراندوم نامند که پایدارترین آلوتروپی آلومینا می باشد و ساختار آن رومبوهدرال (لوزوجهی ) میباشد .
5- مینرال بوکسیت : بوکسیت مخلوط سه مینرال را بوکسیت نامند هر گاه بوکسیت زیر دمای 500 درجه حرارت داده شود آلومینای با مقدار کمی آلومینای آلفا به وجودمی آید که آلومینای صنعتی نامیده می شود .
هر گاه آلومینای صنعتی در یک حلال شیمیایی حل نماییم آلومینای خالص رسوب می نماید اگر این آلومینا را تکلیس و سپس تا 2000 درجه سانتیگراد حرارت داده شود آلومینای تبولار (tabular) به دست می آید که از نوع آلومینای آلفا با درجه خلوص 99.5 درصد و انقباض پخت ناچیز است
مواد خام مصرفی در ساخت آجر های آلومینا سیلیکاتی
مواد مصرفی در ساخت آجر های خاک نسوز : عبارتند از کائولن ( خاک چینی ) 2- بال کلی Ball clay خاک نسوز خاک فلینت flint clay
مواد خام مصرفی در ساخت آجر های سیلیمانیتی و نظایر آن ها :
مینران سیلیمانیتی و خاک رس مواد اولیه این آجر ها می باشد .
مواد خام مصرفی در ساخت آجر های مولایتی : باتوجه به این که مولایت در طبیعت کم یاب است برای تهیه آجر های مولایتی از خاک های رس و آلومینا استفاده می شود .
مواد خام مصرفی در ساخت آجر های کوراندومی : برای ساخت این آجر ها از کوراندوم و آلومینای آلفا که در طبیعت وجود دارند استفاده می شود البته از آلومینای صنعتی که خود از بوکسیت به دست می آید نیز می توان برای این منظور استفاده نمود .


تولید آجر های آلومینو سیلیکاتی :
1- تولید آجر های خاک نسوز ( شاموتی ) : برای شکل دهی این آجر ها از دو روش پرس خشک و اکستروژن استفاده می شود در روش پرس خشک مواد اولیه را همراه با شاموت ( شاموت یکی از خاک های رس مانن کاتوس می باشد که تا حدود نقطه جوش پخته شده و از آن برای کاهش انقباض هنگام پخت آجر ها استفاده می شود که درصد آن 20 درصد میباشد )و (8-5%) آب مخلوط کرده و تحت پرس مکانیکی یا هیدرولیکی قرار می دهند و به منظور کاهش خطر لایه ای شدن یا ترک عمل پرس در خلا انجام می شود در روش شکل دهی اکستروژن پس از پاگمیل(pugmill)( وسیله ای که جهت مخلوط کردن کل به کار می رود ) با 15-10% آب مخلوط نموده و سپس اکستروژن در شرایط خلا صورت می گیرد .
پخت آجر های آلومینوسیلیکاتی از نوع خاک نسوز طبق منحنی پخت زیر انجام می شود افزایش درصد آلومینادرجه حرارت پخت را تا 1400 درجه بالا می برد در هر صورت دمای پخت بین 1400 -1100 می باشد که این دما بستگی به خواص آجر دارد هنگامی که مقاومت در برابر ترک پذیری اهمیت داشته باشد ذرات را درشت و درصد شاموت را زیاد و نقطه پخت کم خواهد بود اصولا حضور ناخالصی ها مانندناخالصی های قلیایی باعث پایین آمدن نقطه ذوب و شیشه ای شدن و تشکیل فاز مایع را افزایش می دهد
ناخالصی ها مانند ناخالصی های قلیایی باعث پایین آمدن نقطه ذوب شیشه شده و فاز مایع را افزایش می دهد یکی از نکات مهم هنگام پخت حرارت دادن آهسته تا قبل از 1000 درجه می باشد زیرا اگر سریع گرم شود پدیده black hearting اتفاق می افتد در پدیده ی بلک هرتینگ به علت افزایش سریع دما مواد آلی مجال سوختن در دماهای پایین و خارج شدن از آجر را نمی یابد و در داخل آجر حبس می شود چنین آجر هایی هنگامی که در مجاورت فلزات گرم مانند پاتیل ها قرار می گیرند فلز مذاب به داخل آجر نفوذ کرده و پس از رسیدن به منطقه بلک هرتینگ باعث خوردگی این ناحیه شده و آجر را از بین می برد هرگاه عمل پخت ناقص انجام شود آلومینا متخلخل گردیده و ازنظر مکانیکی ضعیف خواهد بود لازم به ذکر است امروزه برای خشک کردن آجر های خاک نسوز از کوره های تونلی استفاده می شود .
مرحله آماده سازی مواد اولیه :پس از خرد کردن دانه بندی مخلوط کردن اضافه نمودن 35-10% خاک رس معمولا بالکلی جهت چسبندگی و شکل پذیری می باشد در مرحله شکل دهی از پرس های هیدرولیکی با حداقل آب استفاده می شود پس از شکل دهی و خشک کردن عمل پخت صورت می گیرد دمای پخت برای آجر های سیلیمانیتی 1550تا 1600 درجه سانتیگراد و برای آجر های کیانیتی 1380تا 1400 درجه سانتیگراد و برای آجر های آندالوسیتی 1400تا1900 درجه سانتیگراد می باشد چون پخت آجر های کیانیتی با انبساط بالا همراه است پس از پخت اولیه آجر ها را مجددا خرد کرده و پخت مجدد در دمای 1460تا 1500 درجه سانتی گراد صورت می گیرد .
تولید آجر های بوکسیتی :
یکی از روش های تولید این آجر ها این است که ابتدا مخلوطی از اکسید و یکی از رس ها معمولا کائولن را مخلوط کرده و تا 1560 در جه سانتیگراد حرارت می دهند پس 60%از این مخلوط پخته شده را با 40%از مخلوط اولیه خام مجددا مخلوط کرده و تا دمای یاد شده حرارت می دهند .

تولید آجرهای مولایتی:
این آجر ها به روش های متفاوتی تهیه می گردند :
1) در روش ذوب و ریخته گری درصد های مناسبی از آلومینا و سیلیس را با یکدیگر مخلوط کرده آن را ذوب نموده و در قالب های مخصوص می ریزند به کمک این روش می توان آجر هایی با تخلخل صفر به دست آورد
2) در روش دیگری مخلوط کائولینیت و آلومینا را تا دمای 1620 درجه پخته و از آن شاموت grog تهیه می کنند سپس 75% از این شاموت را با 25% از مواد خام مخلوط شده ی اولیه آمیخته و مجددا تا 1650 درجه سانتیگراد حرارت می دهند در این روش برای جلوگیری از فاز شیشه ای حاصل از تجزیه کائولینیت از آلومینای گاما استفاده می نمایند زیرا میل ترکیبی خوبی با SiO2 آزاد شده از کائولینیت دارد .
3) از روش های دیگر تهیه آجر های مولایتی تهیه مخلوطی از 25%سیلیس 72%آلومینا 3%اکسید منیزیم می باشد که این مخلوط را به مدت 5 الی 6 ساعت در دمای 1500 درجه سپس به مدت 30 دقیقه در دمای 1700 درجه تا 1750 درجه می پزند
تولید آجر های کوراندمی :
آجر های کوراندمی نیز مانند آجر های مولایتی به روش های متفاوتی تهیه می شوند
که عبارتند از :
1- زینتر کردن با پرس گرم :روش زینتر کردن با روش گرم یک روش معمول برای تهیه آجر های کوراندمی می باشد آلومینای خالص را تحت فشار همزمان زینتر می کنند که با توجه به میزان فشار تف جوشی در یک طیف نسبتا وسیع از 1100 تا 1700 می تواند تغییر کند واضح است که هر چه فشار بیشتر باشد نقطه تف جوشی پایین تر است به کمک این روش می توان آجر هایی با تخلخل صفر تیهه نمود این روش به علت کندی تولید در مقیاس وسیع مقرون به صرفه نمی باشد
2- زینتر کردن با پرس سرد : چنانچه از پرس سرد استفده شود نقطه تف جوشی همان 1700 درجه سانتیگراد می باشد افزایش بعضی از ناخالصی ها مانند اکسید تیتانیوم TiO2 دمای تف جوشی را تا 1600 درجه سانتیگراد کاهش می دهد چنانچه درصد آلومینا بالا باشد نمی توان از چسب هایی مانند کائولن – که ناخالصی دارند استفاده نمود زیرا نقطه ی ذوب را پایین می آورند در این صورت باید از چسب های آلی مانند دکسترین ( چسب نشاسته ) سولفیت لای- پلی وینیل الکتل –میتل سلولز که در دماهای پایین تبخیر شده و خارج می شود .
3- استفاده از روش ذوب و ریخته گری :
سیستم های سه تایی مهم در آجر های آلومینو سیلیکاتی :
نمودار تعادلی FeO-Al2O3-MnO : اکسید آهن در سیلیس نقطه ذوب را چندان تغییر نمی دهد به عبارت دیگر سیلیس در مقابل اکسید آهن مقاومت خوب دارد ولی افزایش اکسید الومینیم نقطه ذوب ترکیب را در این سیستم سه تایی به شدت کاهش می دهد
سیستم SiO2Al2O3MnO منگنز موجود در فولاد در شکم کوره های بلند سبب کاهش نقطه ذوب آجر های آلومینو سیلیکاتی می گردد ولی چنانچه درصد آلومینا بالا باشد آجر در مقابل MnO مقاومت خوبی دارد .
سیستم سه تایی SiO2-Al2O3-MgO : حضور اکسید منیزیم در این سیستم فاز کوردیریت که نقطه ذوب نسبتا پایینی را دارد ایجاد می کند به عبارت دیگر آجر های آلومینوسیلیکاتی نباید در تماس با اکسید منیزیم در درجه حرارت های فولاد سازی باشد .
سیستم سه تایی (SiO2Al2O3K2O)(SiO2Al2O3Na2O) : در هر یک از این سیتسم ها کسید های سدیم و پتاسیم نقش روان ساز را داشته و نقاط ذوب را به شدت تا 800 درجه سانتی گراد کاهش می دهد این واکنش در سیتسم های غنی از سیلیس چشم گیرتر است
خواص آ‍جرهای آلومینو سیلیکات :
خواص این آجر ها را به طور جداگانه در آجرهای خاک نسوز سیلیکاتی مولایتی بوکسیتی و کراندومی بررسی می کنیم .
خواص آجرهای خاک نسوز رجوع شود به صفحه 61تا71
موارد کاربرد آجرهای خاک نسوز :در بین آج‍ر های دیگر از آجر های آلومینو سیلیکاتی بیشترین کاربرد را دارد که در بین نیز مصرف آجر های خاک نسوز بیشتر است آجر های آلومینو سیلیکاتی تقریبا در تمام صنایع من جمله متالورژی –شیشه – نیروگاه سیمان کک سازی و.... کاربرد دارد اصولا استفاده از آجرهای آلومینوسیلیکاتی در جاهایی که حساسیت و دقت مطرح است کاربرد چندانی ندارد همچنین درباره آجر های آلومینوسیلیکاتی نباید بحث مربوط به اتصال فسفاتی را از نظر دور داشت واکنش اتصال فسفاتی به دین ترتیب است که اسید فسفریک یا محلول های فسفاتی با Al2O3 واکنش نموده و تولید یک ارتوفسفات اولیه Al(H2PO4) را میدهد که دارای استحکام گرم بسیار بالایی است شاموت آلومینایی تف جوش شده دارای اتصال فسفاتی بوده و تا درجه حرارت 1870 درجه قابل استفاده است .
خواص آجر های آلومینو سیلیکاتی :
الف : آجر های خاک نسوز : تخلخل ظاهری :بین 9 الی 22 درصد
ب: وزن مخصوص بین 1.96 تا 2.36 گرم بر سانتی متر مکعب
ج: استحکام عالی تا 10 کیپس
درجه دیرگدازی با افزایش Al2O3 از 1600 درجه تا 1750 تغییر می کند
مقاومت در برابر شوک حرارتی نسبتا خوب است
تغییر طولی حدود 2% می باشد .
آجرهای سیلیماتی :
تخلخل ظاهری بین 9 تا 25%
وزن مخصوص در حدود 2.65 یعنی بیشتر از آجر های خاک نسوز است
استحکام بالاتری از آجر های خاک نسوز دارند
تغییرات طولی در حدود 1% و بالاتر از خاک نسوز است
استحکام فشاری گرم و دیرگدازیشان نیز بهتر از خاک نسوز است و درجه دیرگدازی آن ها تا 1830 می باشد
به علت نداشتن Na2 و K2O که نقش روانساز را در آجر های خاک نسوز دارند کمتر محیط را آلوده می کنند .


خواص آجر های مولایتی
تخلخل ظاهری در محدوده 25 تا 10 درصد
تغییرات طولی در حدود 0.29% است که بهترین آجر جهت کوره های 1700 درجه سانتیگرادی می باشد
دیرگدازی ، مقاومت فشاری گرم و شوک پذیری بسیار بالایی دارند .
آجر های بوکسیتی :
تخلخل کمتری نسبت به آجر های فوق داشته ولی به دلیل حضور فازکراندوم وزن مخصوص آن ها بیشتر است
استحکام فشاری سرد خوبی دارند ولی استحکام فشاری گرم آن با افزیاش Al¬2¬O3¬ بیشتر می گردد که دیرگدازی این آجر ها تا دمای 1920درجه می رسد
تغییر طول آن ها بین 31% در دمای 1700 به مدت 2 ساعت می باشد.
خواص آجر های کراندومی :
تخلخل به کمک پرس گرم یا روش ریخته گری تا صفر کاهش می یابد
وزن مخصوص بالا
تغییرات طول حداکثر تا 0.04% بوده
شوک پذیری بسیار بالا بوده
جهت پوشش ترموکوپلها استفاده می شود
آجر های دیرگداز کربنی :
کربن به سه صورت الماس گرافیت و کک می باشد از نظر خواص الماس آنقدر سخت است که در دستگاه های تراش به عنوان تراشنده استفاده می شود در حالی که گرافیت آن قدر نرم است که به عنوان ماده روغن کاری کنند قابل استفاده است الماس دارای ساختار الماس ( هر اتم کربن با چهار اتم دیگر که دارای پیوند کوالانس است متصل شده است ) و گرافیت دارای ساختار لایه ای که اتم های هر لایه دارای پیوند کوالانس می باشند به همین علت صفحات می توانند به راحتی بر روی یکدیگر لغزیده و خاصیت ناهمسان گردی شدیدی دارد مثلا انبساط حرارتی در جهت عمود بر لایه ها 27 برابر جهت موازی با لایه هاست .
کک دارای ساختار آمورف می باشد ولی اخیرا ساختاری شبیه گیاه کاکتوس که به جای برگهای کاکتوس حلقه های شش گوش که کاملا نامنظم هستند قرار گرفته است چنانچه کک را در دمای بسیار بالاتر از دمای ایجاد کک حرارت دهند لایه ها مرتب شده و تبدیل به گرافیت می شوند .
مواد اولیه ساخت آجر های کربنی :
کک متالوژیکی
کک حاصل از تصفیه نفت خام
آنتراسیت و گرافیت طبیعی و مصنوعی
کک متالورژیکی : استحکام فشاری این آجر 120 کیلو گرم بر سانتی متر مربع می باشد و دارای تخلخل ظاهری بسیار بالا در حدود 40 تا 50 و دارای حداکثر 1.5 درصد گوگرد است
کک حاصل از تصفیه نفت خام : این کک از کربن غنی بوده و دارای درصد کمی خاکستر است
آنتراسیت : این ماده قبل از اینکه به عنوان ماده ی اولیه ی آجر های کربنی استفاده شود در دماهای 1100 تا 1200 درجه سانتی گراد تکلیس می شود ( گاز CO2 آن خارج استخراج می شود )
چنانچه در کوره های الکتریکی تا 2000 درجه سانتیگراد حرارت داده شود ساختار نیمه گرافیتی را می یابد
گرافیت طبیعی و مصنوعی : گرافیت مصنوعی از حرارت دادن کک حاصل از تصفیه نفت با زغال سنگ در درجه حرارت های بالا به دست می آید .

تولید آجر های کربنی
تولید این آجرها شامل سه مرحله
1- تهیه مواد اولیه
2- شکل دهی
3- پخت می شود
تهیه مواد اولیه :مواد اولیه این نوع آجر ها یکی از سه ماده کک ، گرافیت یا آنتراسیت می باشد این مواد با قطران یا غیره به عنوان چسب بعد از خورد کردن و دانه بندی مخلوط شده و شکل می گیرد .
در مرحله شکل دهی از پرس هیدرولیکی در حالت گرم استفاده می شود
پخت : پخت این آجر ها را با لایه ای از پودر کک پوشانده و سپس حرار می دهند که در این صورت کک سوخته و تولید گاز اکسید کربن می کند که برای آجر پوشیده از کک بی اثر است پخت آجر ها نباید به سرعت انجام شود که در این صورت چسب مجال خارج شدن را نیافته و آجر باد می کند سرعت دمای مناسب برای پخت آجر های کربنی به صورت زیر است از دمای 400تا 650 درجه سانتیگراد 10 الی 120 درجه سانتی گراد در ساعت 0.1 درجه حرارت 650 درجه تا دمای پخت 1400 تا 1450 با سرعت 15 الی 15 درجه در ساعت
خواص آجر های کربنی
تخلخل : که تخلخل این آجر ها 1.561.69 می باشد
استحکام فشاری سرد : بین 2-15 kips
هدایت حرارتی : با توجه به نوع آجر کربن میزان ضریب هدایت متفاوت است ولی در آجر های گرافیتی هدایت بیشتر و در آجر های کک متالورژیکی به خاطر تخلخل هدایت کمتر است
قابلیت نفوذ گاز : نفوذ گازهایی مانند اکسیژن گازکربنیک بخار آب و گازهای مختلف از طریق نفوذ به آجر وارد می شود که در عمر آجر موثر است .
سرعت اکسیداسیون : : هر چه سرعت رسیدن اکسیژن و یا سایر گاز های اکسید کننده به آجر بیشتر باعث اکسیداسیون افزایش می یابد :
تغییرات طولی : تغییرات طولی این آجر ها بسیار ناچیز بوده و در دمای 1500 درجه تغییرات طولی کمتر از یک درصد می باشد که قابل قبول است
مقاومت در برابر سایش :
مقاومت در برابر سایش به کمک آزمایش مارشال margin marshal انجام می شود که در این نوع آزمایش آجر تحت بمباران مواد ساینده قرار گرفته و از روی کاهش وزن مقاومت در برابر سایش اندازه گیری می شود
میزان حلالیت کربن در آهن مذاب :
میزان حلالیت گرافیت بیش از کک متالورژیکی در آهن مذاب می باشد ولی به علت هدایت حرارتی بیشتر در گرافیت نسبت به کک متالورژیکی و نفوذ کمتر آن حلالیت آن در آهن و در نتیجه خوردگی آن کمتر است
اثر قلیایی ها بر آجر های کربنی : به طور کلی قلیایی ها می توانند به لا به لای صفحات کربنی نفوذ کرده و با ایجاد ترکیباتی مانند C16K6C24K باعث انبساط و ترک آجر های کربنی گردد حضور سیلیسیم در خاکستر آجر های کربنی سبب ایجاد واکنش با قلیایی ها گردید و مانع انجام واکنش قلیایی با کربن می گردد .
موارد استفاده آجر های کربنی :
این آجر ها در ساخت بوته های گرافیتی که جنس آن ها مخلوطی از گرافیت و خاک رس ( معمولا کائولن ) به کار می رود قسمت تحتانی بدنه به ویژه بوته و کف کوره های بلند و کوره های کوپل استفاده می شود از موارد استفاده ی دیگر این آجر ها در افشانک (ناظر ) پاتیل الکترود های کوره های قوسی قالب های ریخته گری تحت فشار 0 راکتور ها و... استفاده می شود
نکته : از آنجایی که کربن در اتمسفر هوا می سوزد نقطه ذوب مشخصی ندارد ولی در اتمسفر خنثی در دمای 3500 درجه سانتیگراد تصعید می شود
تعصید : به تبدیل حالت جامد ماده به مایع تصعید گویند


آجر های منیزیتی :
ماده ی اصلی آجر های منیزیتی اکسید منیزیم ( منیزیا ) دارای فرمول شیمیایی MgOبر خلاف تصور قبلی ساختار کریستالی آن ماده بوده و مانند نمک طعام ساختار مکعبی ساده دارد نقطه ذوب این ماده 2800 درجه می باشد .
مواد اولیه ی آجر های منیزیتی :
منیزیت با دانه های درشت : این مینرال سنگ معدن شامل کربنات منیزیم ( منیزیت) و کربنات آهن است که پس از تکلیس دارای 4 تا 8% Fe2O3 می باشد
ترکیب معدنی کربنات منیزیم و کربنات آهن پرونووئیت ) بروفرایت ) bererunnerite موسوم است .
منیزیت متراکم : ( کدیپتو کریستالیت ) دارای دانه های بسیار ریزی است که حتی با میکروسکوپ های معمولی قابل رویت نیستند هرگاه منیزیت متراکم درجه حرارت های بالا فشرده شوند ماده ی بسیار مناسبی برای آجر های منیزیتی دردرجه حرارت های بالا فشرده شونده ماده ی بسیار مناسبی برای آجر های منیزیتی می باشد
بروسیت (berocite) بروسیت ماده ی معدنی Mg(OH)2¬¬ که داری ناخالصی های زیادی با دیگر مینرال ها می باشد که در صورت استفاده برای تولید آجر باید تخلیص شود .
منیزیای آب دریا : بیشترین منیزیای مصرفی در کشور هایی مانند انگلستان آمریکا و ژاپن به کمک آب دریا به دست می آید تهیه به این ترتیب است که ابتدا آب دریا را با مواد قلیایی ترکیب می کنند که سبب رسوب هیدرواکسید منیزیم می گردد