طوب السيليكاهي مواد حرارية ذات أساس حمضي وتتكون بشكل أساسي من التريديميت والكريستوبالايت وكميات صغيرة من بقايا الكوارتز والزجاج. إنها توفر مقاومة قوية للخبث الحمضي-، ولكنها تكون عرضة للتآكل بواسطة الخبث القلوي وتكون عرضة للتآكل بواسطة الأكاسيد مثل Al₂O₃، وK₂O، وNa₂O. تكون درجة انكسارها تحت الحمل عالية، وتتراوح من 1640 درجة إلى 1680 درجة، بالقرب من نقاط انصهار التريديميت والكريستوبالايت (1670 درجة و1713 درجة، على التوالي). أكبر عيب لها هو انخفاض مقاومتها للصدمات الحرارية، لكن حرانها يشبه حرانها تحت الحمل. فهي تتحمل الاستخدام طويل الأمد{10} في درجات حرارة عالية دون تشوه، مما يساعد على ضمان القوة الهيكلية لهياكل البناء أثناء التشغيل.
يتم استخدام طوب السيليكا في المقام الأول في الجدران الفاصلة لغرف الكربنة والاحتراق في أفران فحم الكوك، وكذلك في أسطح أو أقبية حفر النقع، وأفران الصهر الساخنة، وأفران المجمرة الحمضية المفتوحة، وأفران الزجاج. في تكنولوجيا صناعة الحديد، يتم تحويل التقنيات الجديدة مثل الاختزال المباشر والاختزال المنصهر تدريجياً إلى قوى إنتاجية. في صناعة فحم الكوك، تم تطوير "فحم الكوك المُشكل" الذي يتم إنتاجه دون استخدام فرن فحم الكوك، والذي يمكن أن يحل محل فحم الكوك التقليدي جزئيًا.
يتم إنتاج الطوب الحراري المصنوع من السيليكا، مثل معظم الطوب الحراري الملبد، باستخدام عملية شبه جافة ويتم حرقه في أفران نفقية. تعتبر التشققات التي تحدث أثناء عملية الإنتاج أحد الأسباب الرئيسية لارتفاع معدل الخردة.
أنواع الشقوق في طوب السيليكا
يمكن تصنيف الشقوق في طوب السيليكون على أنها شقوق سطحية وشقوق داخلية، وتعرف الأخيرة أيضًا باسم شقوق الطبقة. يتم تصنيف الشقوق السطحية أيضًا على أنها شقوق عرضية، وشقوق طولية، وشقوق شبكية. يتم إنتاج طوب السيليكا باستخدام طريقة التشكيل-الضغط شبه الجاف-لتكوين أجسام خضراء كثيفة. الشقوق التي تحدث على طول اتجاه الضغط المطبق على الجسم الأخضر هي شقوق عرضية، في حين أن الشقوق التي تحدث بشكل متعامد مع اتجاه الضغط هي شقوق رأسية. تتكون شقوق الشبكة من عدة شقوق موزعة على شكل شبكة عنكبوتية على سطح قالب طوب السيليكا.
عادة، بالنسبة لبنة السيليكا القياسية، يتم ضغط الجسم الأخضر من خلال سمكه. إن عملية تشكيل طوب السيليكا الناري هي في الأساس عملية ضغط الجزيئات داخل الفراغ وإزالة الهواء، وبالتالي تشكيل فراغ كثيف. بعد أن يتم ضغطه آليًا-، يظهر الطوب مزايا مثل الكثافة العالية، والقوة، والحد الأدنى من التجفيف والانكماش بالحرق، وأبعاد المنتج التي يمكن التحكم فيها بسهولة. ومع ذلك، إذا تم التحكم في عملية الضغط في الماكينة- بشكل غير صحيح، فقد تتشكل شقوق صفائحية متعامدة مع اتجاه الضغط في الفراغ أثناء عملية الضغط. ولذلك، فإن الشقوق الصفائحية، أو ببساطة التصفيحات، داخل الطوب الحراري السيليكا هي أيضًا شقوق طولية.
يمكن اكتشاف الصفائح الكبيرة مباشرة بعد تشكيل الطوب أو تجفيفه. ومع ذلك، فإن التصفيحات البسيطة داخل الطوب تصبح ملحوظة فقط بعد الحرق، حيث تستمر في التوسع بسبب الضغوط الحرارية أثناء الحرق. الطوب الذي يحتوي على شقوق، وخاصة الصفائح، يكون عرضة للكسر، مما يجعله غير صالح للاستخدام ويقلل من إنتاجية منتجات الطوب السيليكا.
التدابير الرئيسية لتشكيل ومنع الشقوق في طوب السيليكا
1. آلة الضغط
تنتج التصفيحات في طوب السيليكا في المقام الأول عن التحكم غير المناسب في عملية الضغط بالماكينة-ويشار إليها أحيانًا باسم الشقوق المضغوطة بالماكينة-. تتكون المواد الخام والفراغات من طوب السيليكا الحراري من ثلاث مراحل من المادة: الصلبة أو الماء أو المواد الرابطة الأخرى والهواء. أثناء العملية الكاملة لقولبة الضغط الميكانيكي أو ضغط القالب، لا تتغير كمية المراحل الصلبة والسائلة، في حين يتم ضغط كمية الهواء في الفراغ وتقليلها بسبب تأثير الضغط، كما يتم أيضًا تقليل حجم الفراغ المضغوط وفقًا لذلك. يمكن تقسيم عملية ضغط القالب تقريبًا إلى المراحل الثلاث التالية: (1) في المرحلة الأولى، تحت تأثير الضغط، تبدأ الجزيئات الموجودة في الفراغ في التحرك وإعادة التكوين في كومة أكثر كثافة. ما يميز هذه العملية هو الضغط الواضح. وعندما يرتفع الضغط إلى قيمة معينة، فإنه يدخل في المرحلة الثانية. (2) في المرحلة الثانية، تخضع الجزيئات لتشوه هش ومرن. بعد ضغط الفراغ إلى حد ما، يتم إعاقة المزيد من الضغط. عندما يزيد الضغط ويصل إلى القوة الخارجية التي تتسبب في تشوه الجزيئات مرة أخرى، يتم إعادة ضغط الفراغ -، وتزداد كثافة الفراغ وفقًا لذلك. هذه المرحلة هي المرحلة التي يصبح فيها الضغط والضغط قصيرين ومتكررين. (3) في المرحلة الثالثة، تحت ضغط الحد، تكون الكثافة النسبية للفراغ مستقرة بشكل أساسي ويصعب زيادتها. تم الانتهاء من ضغط القالب للطوب الفارغ. أثناء عملية القولبة بالضغط، يجب التحكم في التمدد المتأخر للجسم الأخضر بسبب التأثيرات اللاحقة المرنة إلى أقل من 2%. غالبًا ما يؤدي عدم القيام بذلك إلى رفض المنتج أثناء عملية الضغط. إذا شكل الجسم الأخضر "كثافة طبقات" على طول اتجاه الضغط المطبق، مع اختلاف كثافة يتجاوز 2%، فمن المحتمل أن يحدث تشقق الطبقات داخل الجسم الأخضر. ويؤدي ذلك إلى تمدد حراري غير متساوي أثناء الحرق، مما يؤدي إلى إجهاد حراري كبير وتكوين شقوق طولية موازية لطبقات الكثافة، مما يؤدي إلى رفض المنتج.
أثناء صب الضغط، يتم استخدام الضغط للتغلب على الاحتكاك الداخلي بين الجسيمات، والاحتكاك الخارجي بين الجسيمات وجدار القالب، وتشوه الجسم الأخضر المضغوط. ومع زيادة المسافة من رأس الضغط، ينخفض الضغط الداخلي للجسم الأخضر.
لذلك، عند ضغط طوب السيليكا، من الأفضل استخدام قوالب قصيرة ذات نسبة عرض إلى ارتفاع صغيرة، بدلاً من القوالب الطويلة ذات نسبة عرض إلى ارتفاع كبيرة، لضمان توزيع الضغط بشكل موحد داخل الجسم الأخضر. في الوقت نفسه، يتم إدخال بعض الملدنات والمواد الخافضة للتوتر السطحي في الفراغ لتقليل الاحتكاك الداخلي وفقدان نقل الضغط؛ يتم تحسين التشطيبات النهائية للقالب أو تشحيمها لتقليل الاحتكاك الخارجي؛ يتم استخدام الضغط على الوجهين - لتقليل نسبة L/D للفراغ؛ ويتم استخدام ضغوطات متعددة، بدءًا من الضغط الخفيف ثم الثقيل، لمنع تراكم الضغط المفرط داخل الفراغ والقضاء على التأثيرات اللاحقة المرنة. تعمل هذه التدابير على تحسين توحيد الضغط والكثافة داخل الفراغ. وهذا يمنع الكثافة العالية بالقرب من سطح الضغط والكثافة المنخفضة بعيدًا عن سطح الضغط داخل فراغ طوبة السيليكا، مما يقلل من تكوين كثافة الطبقة والشقوق.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تحضير فراغات طوب السيليكا عن طريق خلط الركام، والكلنكر، ومسحوق مطحنة الكرة، والمعادن، ومحاليل نفايات لب الكبريتيت، والملدنات. يمكن أن يساعد تحسين عملية العجن الفارغة أيضًا في زيادة كثافة الفراغ. من حيث تكنولوجيا الخلط الفيزيائي، فإن حركة المواد في نفس الطور تسمى خلط، وحركة المواد في مراحل مختلفة تسمى تحريك، وخلط السوائل والمواد الصلبة عالية اللزوجة - يسمى عجن (عجن وخلط). من خلال العجن المناسب، يمكن طلاء المسحوق الناعم حول جزيئات أكبر، مما يؤدي إلى إزالة الغازات بشكل فعال وزيادة تكثيف الطوب، وبالتالي تقليل مسامية الطوب.
2. عملية إطلاق النار
تلبيد طوب السيليكا هو في الأساس تحول متعدد البلورات لـ SiO2. تحت تأثير المعادن، يتم تلبيد مادة السيليكا الخام ببطء، وتتحول بشكل أساسي إلى ترايديميت وكريستوباليت، مع كمية صغيرة فقط من الكوارتز المتبقي. أثناء الاستخدام، يتعرض طوب السيليكا الحراري لتوسع إجمالي في الحجم يتراوح من 1.5% إلى 2.2% عند تسخينه إلى 1450 درجة. يعمل هذا التمدد المتبقي على إغلاق وصلات الملاط، مما يضمن إحكامًا جيدًا وقوة هيكلية في بناء طوب السيليكا. علاوة على ذلك، فإن هذا التحول متعدد البلورات لـ SiO2 يفرض أن يكون طوب السيليكا الناري هو محور مراقبة المواد المقاومة للحرارة أثناء مرحلة حرق الفرن الأولية، مع كون معدل التسخين البطيء والموحد هو السمة المميزة. نظرًا لأن التحول البلوري لـ - و-الكريستوبالايت في الطوب الحراري السيليكا يصاحبه تأثير كبير في الحجم ضمن نطاق درجة الحرارة من 150 إلى 300 درجة، فيجب توخي الحذر بشكل خاص لزيادة درجة الحرارة ببطء ضمن هذا النطاق أثناء حرق الفرن.
ويمكن تلخيص التغيرات الفيزيائية والكيميائية التي تحدث أثناء حرق الطوب السيليكا على النحو التالي:
① تتم إزالة الرطوبة المتبقية في الطوب تحت 150 درجة.
② يبدأ Ca(OH)2 في التحلل بين 450-550 درجة ويكتمل عند 550 درجة. عند هذه النقطة، يتم كسر الروابط بين جزيئات طوب السيليكا بفعل CaO والمواد الأخرى، مما يؤدي إلى انخفاض القوة وهشاشة الطوب.
③ عند درجة حرارة 550-650 درجة، يتحول طوب الكوارتز إلى كوارتز أحادي، مما يؤدي إلى تمدد الحجم.
④ عند 600-700 درجة، يحدث تفاعل في الطور الصلب بين CaO وSiO2، مما يزيد من قوة الطوب.
⑤ عند درجة حرارة 800-1100 درجة، يحدث تفاعل طور -سائل في الطوب، مما يؤدي إلى زيادة قوة الطوب بسرعة. بدءًا من 1100 درجة، يزداد معدل تحويل الكوارتز بشكل ملحوظ، ويتشكل الكوارتز منخفض الكثافة، مما يسبب توسعًا كبيرًا في الحجم.
⑥ عند درجة حرارة 1300-1350 درجة، بسبب زيادة كمية التريديميت والكريستوبالايت، تنخفض الجاذبية النوعية الحقيقية للجسم الأخضر، ويزداد تمدد الحجم، مما قد يؤدي إلى التشقق.
⑦ عند درجة 1350-1470، تكون درجة تحويل الكوارتز والتوسع الناتج كبيرة جدًا. فقط المونوكارتز والكريستوبالايت شبه المستقر والمعادن والشوائب تتفاعل لتشكل مرحلة سائلة، وتغزو جزيئات الكوارتز لتشكل شقوقًا عندما يتشكل الكريستوبالايت شبه القابل للاستقرار، مما يعزز الذوبان المستمر للمونوكوارتز والكريستوبالايت شبه القابل للاستقرار في الطور السائل المتشكل، مما يجعله ذوبانًا مفرط التشبع من السيليكون والأكسجين، ثم يتبلور بشكل مستمر من الذوبان في شكل ترايديميت مستقر. في هذا الوقت، كلما زادت لزوجة الطور السائل، زادت سرعة تحويل طوب السيليكا، وزادت احتمالية حدوث تشققات في جسم الطوب الأخضر. ولذلك، من أجل منع طوب السيليكا من التعرض لتغييرات في الشكل البلوري أثناء عملية الحرق، مصحوبة بتغييرات كبيرة في الحجم تؤدي إلى تكوين الشقوق، يجب اتخاذ تدابير العملية التالية:
(1) التحكم في معدل التسخين لنطاقات حرارة حرق مختلفة. يجب إبطاء معدل التسخين عندما تكون درجة الحرارة أقل من 600 درجة. يمكن تسريع معدل التسخين عندما تكون درجة الحرارة بين 600 درجة و 1000 درجة. يجب أن يكون معدل التسخين بطيئًا عندما تكون درجة الحرارة بين 1100 درجة و1300 درجة. عندما تكون درجة الحرارة بين 1300 درجة ودرجة حرارة الحرق (1430 درجة إلى 1450 درجة)، يجب أن يكون معدل التسخين هو الأبطأ أثناء عملية الحرق. عندما يتم تبريد طوب السيليكا المحروق إلى أقل من 600 درجة، خاصة عند 300 درجة، يجب تبريده ببطء. يمكن لهذا أن يخفف بشكل فعال تغير حجم التحول البلوري، مما يجعل محتوى التريديميت والكريستوبالايت أعلى ويتجنب تكوين الشقوق.
(2) يجب استخدام جو مختزل أثناء-مرحلة الحرق ذات درجة الحرارة المرتفعة، وهو ما يساعد على تمعدن أكسيد الحديد التكافؤ المنخفض-ويعزز إنتاج-التريديمايت على نطاق واسع. بخلاف ذلك، في الجو المؤكسد، خاصة عندما يكون المعدن غير كافٍ، يتم تحويل معظم -الكوارتز إلى -كريستوباليت. يسمى هذا التحويل "التحويل الجاف". أثناء التحويل الجاف، بسبب التوسع غير المتساوي في الحجم لجسم الطوب ونقص الضغط المؤقت للطور السائل، سوف يصبح هيكل المنتج فضفاضًا ومتشققًا. في الوقت نفسه، يجب إجراء العزل المناسب عند درجات حرارة مختلفة لحرق طوب السيليكا لضمان أن يكون لطوب السيليكا تركيبة طورية معقولة وتلبية متطلبات الاستخدام.
(3) تحسين-نظام تحميل المنتج شبه النهائي لتقليل احتمالية حدوث تشققات. الشقوق المستعرضة في الطوب الحراري السيليكا، أي الشقوق الموازية لاتجاه ضغط المنتج، عادة ما تكون ناجمة عن التسخين غير المتساوي للأجزاء المختلفة من المنتج أثناء إطلاق النار. وتظهر غالبًا على السطح المكشوف-للنار خارج كومة الطوب، وخاصة سطح المنتج العلوي. تشققات الشبكة على سطح طوب السيليكا الناري، بالإضافة إلى التفاوت المجهري للجسم الأخضر نفسه بسبب العجن غير المتساوي أو التغيرات في المواد الخام، عادة ما يكون سببها تسخين المنتج عند درجة حرارة عالية جدًا مع تقلبات كبيرة. عند التحميل، يجب وضع طوب السيليكون الخاص داخل عربة الفرن، ويجب وضع الطوب العادي القياسي خارج عربة الفرن؛ يجب وضع الأجزاء البارزة من الطوب ذي الأشكال الخاصة- أو الأجزاء المعرضة للتشققات إلى الداخل؛ يجب تغطية الجزء العلوي من عربة الفرن ببعض الطوب الرقيق لتجنب التأثير المباشر من اللهب، وما إلى ذلك. وإلا، سيحدث المزيد من الشقوق.
تعتبر الشقوق عاملاً رئيسياً يؤثر على إنتاجية وأداء الطوب السيليكوني. يعد إتقان عمليات التشكيل والحرق بالضغط أمرًا أساسيًا لمنع حدوث تشققات في طوب السيليكا. تختلف التحويلات النظرية والفعلية للمواد الخام السيليكا، ويجب تعديل جدول الحرق في الوقت الفعلي بناءً على التغيرات في المواد الخام ونوع الطوب وعوامل أخرى. يعد إعداد وجودة فراغات طوب السيليكا من العوامل المهمة، بل والحاسمة. فقط من خلال التحكم الصارم في كل خطوة من خطوات العملية يمكن-إنتاج طوب السيليكا عالي الأداء بكفاءة وباستهلاك منخفض للطاقة.
