Silika tuğlalaresas olarak tridimit, kristobalit ve az miktarda artık kuvars ve camdan oluşan asit- bazlı refrakter malzemelerdir. Asit- bazlı cürufa karşı güçlü bir direnç sunarlar, ancak alkalin cürufun neden olduğu korozyona karşı hassastırlar ve Al₂O₃, K₂O ve Na₂O gibi oksitlerin neden olduğu korozyona karşı hassastırlar. Yük altında refrakterlikleri yüksektir, 1640 dereceden 1680 dereceye kadar değişir, tridimit ve kristobalitin erime noktalarına yakındır (sırasıyla 1670 derece ve 1713 derece). En büyük dezavantajları düşük termal şok dirençleridir, ancak refrakterlikleri yük altındaki refrakterliklerine benzer. Yüksek sıcaklıklarda deformasyona uğramadan uzun süreli kullanıma dayanırlar ve çalışma sırasında yığma yapıların yapısal dayanıklılığının sağlanmasına yardımcı olurlar.
Silika tuğlalar öncelikle kok fırınlarının karbonizasyon ve yanma odalarının bölme duvarlarında, ayrıca ıslatma çukurlarının, sıcak yüksek fırınların, asit açık-ocaklı fırınların ve cam fırınların çatılarında veya tonozlarında kullanılır. Demir üretim teknolojisinde doğrudan indirgeme ve eriyik indirgeme gibi yeni teknolojiler giderek üretici güçlere dönüşüyor. Kok sanayinde, geleneksel kokunun yerini kısmen alabilecek, kok fırını kullanılmadan üretilen bir "biçimlendirilmiş kok" geliştirilmiştir.
Çoğu sinterlenmiş refrakter tuğla gibi silika refrakter tuğlalar da yarı-kuru bir işlem kullanılarak üretilir ve tünel fırınlarında pişirilir. Üretim sürecinde oluşan çatlaklar hurda oranının yüksek olmasının ana nedenlerinden biridir.
Silika Tuğlalarda Çatlak Çeşitleri
Silikon tuğlalardaki çatlaklar, yüzey çatlakları ve iç çatlaklar olarak sınıflandırılabilir; iç çatlaklar aynı zamanda katman çatlakları olarak da bilinir. Yüzey çatlakları ayrıca enine çatlaklar, boyuna çatlaklar ve ağ çatlakları olarak sınıflandırılır. Silika tuğlalar, yoğun yeşil kütleler oluşturmak için yarı-kuru pres-şekillendirme yöntemi kullanılarak üretilir. Yaş gövdeye uygulanan basınç doğrultusunda oluşan çatlaklar enine çatlak, basınç yönüne dik olarak oluşan çatlaklar ise düşey çatlaklardır. Ağ çatlakları, silika tuğlanın yüzeyinde örümcek ağı şeklinde dağılmış birkaç çatlaktan oluşur.
Tipik olarak standart bir silika tuğla için yeşil gövde, kalınlığı boyunca bastırılır. Silika ateş tuğlalarının şekillendirilme prosesi, esas olarak, boşluk içindeki parçacıkların sıkıştırılması ve havanın çıkarılması, böylece yoğun bir boşluk oluşturulması işlemidir. Makineyle-preslendikten sonra tuğlalar, yüksek yoğunluk, dayanıklılık, minimum kuruma ve pişme büzülmesi ve kolayca kontrol edilen ürün boyutları gibi avantajlar sergiler. Bununla birlikte, makine-presleme işleminin uygun şekilde kontrol edilmemesi durumunda, basınçlandırma işlemi sırasında işlenmemiş parçada basınç yönüne dik katmanlı çatlaklar oluşabilir. Bu nedenle silika ateş tuğlaları içindeki katmanlı çatlaklar veya basitçe laminasyonlar da uzunlamasına çatlaklardır.
Tuğlalar oluşturulduktan veya kurutulduktan hemen sonra büyük laminasyonlar tespit edilebilir. Bununla birlikte, tuğlaların içindeki küçük laminasyonlar, pişirme sırasındaki termal gerilimler nedeniyle genişlemeye devam ettikleri için ancak pişirildikten sonra fark edilebilir hale gelir. Çatlak içeren tuğlalar, özellikle de laminasyonlar kırılmaya eğilimlidir, bu da onları kullanılamaz hale getirir ve silika tuğla ürünlerinin verimini azaltır.
Silika Tuğlalarda Çatlak Oluşumu ve Önlenmesi İçin Temel Önlemler
1. Makine Presleme
Silika tuğlalardaki laminasyonlar öncelikle makine-presleme işleminin yanlış kontrolünden kaynaklanır ve bazen makineyle-preslenmiş çatlaklar olarak anılırlar. Silika refrakter tuğlaların hammaddeleri ve boşlukları üç fazlı maddeden oluşur: katı, su veya diğer bağlayıcılar ve hava. Mekanik sıkıştırmalı kalıplama veya kalıp presleme işleminin tamamı sırasında, katı ve sıvı fazların miktarı değişmezken, işlenmemiş parçadaki hava miktarı, basınç etkisi nedeniyle sıkıştırılır ve azalır ve sıkıştırılmış işlenmemiş malzemenin hacmi de buna göre azalır. Kalıp presleme işlemi kabaca aşağıdaki üç aşamaya ayrılabilir: (1) İlk aşamada, basınç etkisi altında işlenmemiş parçadaki parçacıklar hareket etmeye ve daha yoğun bir yığın halinde yeniden şekillenmeye başlar. Bu sürecin özelliği bariz sıkıştırmadır. Basınç belli bir değere çıktığında ikinci aşamaya geçilir. (2) İkinci aşamada parçacıklar kırılgan ve elastik deformasyona uğrar. İşlenmemiş parça belirli bir dereceye kadar sıkıştırıldıktan sonra daha fazla sıkıştırma engellenir. Basınç arttığında ve parçacıkların tekrar deforme olmasına neden olan dış kuvvete ulaştığında, işlenmemiş malzeme yeniden-sıkıştırılır ve işlenmemiş malzemenin yoğunluğu da buna göre artar. Bu aşama sıkıştırma ve basınçlandırmanın kısa ve sıklaştığı bir aşamadır. (3) Üçüncü aşamada, sınır basıncı altında işlenmemiş parçanın bağıl yoğunluğu temel olarak stabildir ve arttırılması zordur. Boş tuğlanın kalıp preslenmesi tamamlandı. Sıkıştırmalı kalıplama işlemi sırasında, elastik etkiler nedeniyle ham gövdenin gecikmiş genleşmesi %2'den daha az olacak şekilde kontrol edilmelidir. Bunun yapılmaması çoğu zaman presleme işlemi sırasında ürünün reddedilmesiyle sonuçlanacaktır. Yeşil gövde, uygulanan basınç yönü boyunca %2'yi aşan bir yoğunluk farkıyla "katmanlı yoğunluk" oluşturursa, yeşil gövde içinde katmanlı çatlamanın meydana gelmesi muhtemeldir. Bu, pişirme sırasında eşit olmayan termal genleşmeye yol açarak önemli termal strese ve yoğunluk katmanlarına paralel uzunlamasına çatlakların oluşmasına neden olarak ürünün reddedilmesine neden olur.
Sıkıştırmalı kalıplama sırasında, parçacıklar arasındaki iç sürtünmeyi, parçacıklar ile kalıp duvarı arasındaki dış sürtünmeyi ve preslenmiş ham gövdenin deformasyonunu yenmek için basınç kullanılır. Pres kafasına olan mesafe arttıkça yeşil gövdenin iç basıncı azalır.
Bu nedenle silika tuğlaları preslerken yeşil gövde içerisinde eşit basınç dağılımını sağlamak için büyük en boy oranına sahip uzun kalıplar yerine küçük en boy oranına sahip kısa kalıplar kullanmak en iyisidir. Aynı zamanda, iç sürtünmeyi ve basınç iletimi kayıplarını azaltmak için işlenmemiş parçaya belirli plastikleştiriciler ve yüzey aktif maddeler eklenir; dış sürtünmeyi azaltmak için kalıp yüzeyleri iyileştirildi veya yağlandı; işlenmemiş parçanın L/D oranını azaltmak için çift-taraflı presleme kullanılır; ve işlenmemiş parça içinde aşırı basınç birikimini önlemek ve elastik sonradan etkileri ortadan kaldırmak için hafiften başlayarak daha sonra ağıra kadar çoklu basınçlandırmalar uygulanır. Bu önlemler işlenmemiş parça içindeki basınç ve yoğunluğun tekdüzeliğini artırır. Bu, silika tuğla boşluğunda basınç yüzeyi yakınında yüksek yoğunluğu ve basınç yüzeyinden uzakta düşük yoğunluğu önler, böylece katman yoğunluğunun ve çatlakların oluşumunu azaltır.
Ayrıca agrega, klinker, bilyalı değirmen tozu, mineralleştirici, sülfit hamuru atık sıvısı ve plastikleştiricinin karıştırılmasıyla silika tuğla boşlukları hazırlanır. Boş yoğurma işleminin iyileştirilmesi aynı zamanda boş parçanın yoğunluğunun arttırılmasına da yardımcı olabilir. Fiziksel karıştırma teknolojisi açısından, malzemelerin aynı fazdaki hareketine karıştırma, malzemelerin farklı fazlardaki hareketine karıştırma, yüksek-viskoziteli sıvı ve katıların karıştırılmasına ise yoğurma (yoğurma ve karıştırma) adı verilir. Uygun yoğurma yoluyla, ince toz daha büyük parçacıkların etrafına kaplanabilir, böylece gazlar etkili bir şekilde giderilebilir ve tuğlanın yoğunlaşması arttırılabilir, böylece tuğlanın gözenekliliği azaltılabilir.
2. Pişirim Süreci
Silika tuğlaların sinterlenmesi esas olarak SiO2'nin çok kristalli bir dönüşümüdür. Mineralleştiricilerin etkisi altında, silika ham maddesi yavaş yavaş sinterlenir, esas olarak tridimit ve kristobalite dönüşür ve yalnızca az miktarda artık kuvars kalır. Kullanım sırasında silika ateş tuğlaları 1450 dereceye kadar ısıtıldığında toplam %1,5 ila %2,2 arasında bir hacim genleşmesi yaşar. Bu artık genleşme harç derzlerini kapatarak silika tuğla duvarlarda iyi bir sızdırmazlık ve yapısal dayanıklılık sağlar. Ayrıca, SiO2'nin bu çok kristalli dönüşümü, silika ateş tuğlalarının, ilk fırın ateşleme aşamasında refrakter malzeme izlemenin odak noktası olmasını ve yavaş ve tekdüze bir ısıtma hızının karakteristik olmasını gerektirir. Silika ateş tuğlalarında - ve -kristobalitin kristal dönüşümüne 150-300 derece sıcaklık aralığında önemli bir hacim etkisi eşlik ettiğinden, fırın pişirimi sırasında bu aralıktaki sıcaklığın yavaş yavaş artırılmasına özel dikkat gösterilmelidir.
Silika tuğlaların pişirilmesi sırasında meydana gelen fiziksel ve kimyasal değişiklikler şu şekilde özetlenebilir:
① Tuğlalarda kalan nem 150 derecenin altına atılır.
② Ca(OH)2 450-550 derece arasında bozunmaya başlar ve 550 derecede tamamlanır. Bu noktada CaO ve diğer maddelerin etkisiyle silika tuğla parçacıkları arasındaki bağlar kırılır, bu da mukavemetin azalmasına ve tuğlanın kırılgan olmasına neden olur.
③ 550-650 derecede, -kuvars tuğlalar monokuvars'a dönüşerek hacim genişlemesine neden olur.
④ 600-700 derecede CaO ile SiO2 arasında katı faz reaksiyonu meydana gelir ve tuğlanın mukavemeti artar.
⑤ 800-1100 derecede, tuğlalarda bir sıvı-faz reaksiyonu meydana gelir ve tuğla mukavemeti hızla artar. 1100 dereceden itibaren kuvarsın dönüşüm hızı önemli ölçüde artar ve düşük yoğunluklu kuvars oluşarak önemli hacim genişlemesine neden olur.
⑥ 1300-1350 derecede tridimit ve kristobalit miktarının artmasına bağlı olarak yeşil cismin gerçek özgül ağırlığı azalır ve hacim genleşmesi artar, bu da çatlamaya neden olabilir.
⑦ 1350-1470 derecede kuvars dönüşüm derecesi ve bunun sonucunda ortaya çıkan genleşme çok büyüktür. Yalnızca monokuvars, yarı kararlı kristobalit, mineralleştiriciler ve safsızlıklar, sıvı bir faz oluşturmak üzere etkileşime girer ve yarı kararlı kristobalit oluştuğunda çatlaklar oluşturmak için kuvars parçacıklarını istila eder; bu, monokuvars ve yarı kararlı kristobalitin oluşan sıvı fazda sürekli çözünmesini teşvik eder, onu aşırı doymuş bir silikon ve oksijen eriyiği haline getirir ve daha sonra eriyikten kararlı tridimit formunda sürekli olarak kristalleşir. Şu anda, sıvı fazın viskozitesi ne kadar yüksek olursa, silika tuğlanın dönüşüm hızı o kadar hızlı olur ve yeşil tuğla gövdesinde çatlak olasılığı da artar. Bu nedenle, silika tuğlanın pişirme işlemi sırasında kristal form değişikliklerine uğramasını ve buna eşlik eden büyük hacim değişikliklerinin çatlak oluşumuna yol açmasını önlemek için aşağıdaki işlem önlemlerinin alınması gerekir:
(1) Farklı pişirme sıcaklığı aralıklarının ısıtma hızını kontrol edin. Sıcaklık 600 derecenin altına düştüğünde ısıtma hızı yavaşlatılmalıdır. Sıcaklık 600 derece ile 1000 derece arasında olduğunda ısıtma hızı hızlandırılabilir. Sıcaklık 1100 derece ile 1300 derece arasında olduğunda ısıtma hızı yavaş olmalıdır. Sıcaklık 1300 derece ile pişirme sıcaklığı (1430 derece ila 1450 derece) arasında olduğunda, pişirme işlemi sırasında ısıtma hızı en yavaş olmalıdır. Pişmiş silika tuğlalar 600 derecenin altına, özellikle 300 derecenin altına soğutulduğunda yavaş yavaş soğutulmalıdır. Bu, kristal dönüşümünün hacim değişimini etkili bir şekilde tamponlayabilir, tridimit ve kristobalit içeriğini daha yüksek hale getirebilir ve çatlak oluşumunu önleyebilir.
(2) Yüksek-sıcaklıktaki pişirme aşamasında, düşük-değerli demir oksidin mineralizasyonuna yardımcı olan ve büyük-ölçekli tridimit üretimini teşvik eden indirgeyici bir atmosfer kullanılmalıdır. Aksi takdirde, oksitleyici bir atmosferde, özellikle mineralizatörün yetersiz olduğu durumlarda, -kuvarsın büyük bir kısmı -kristobalite dönüşür. Bu dönüşüme "kuru dönüşüm" denir. Kuru dönüşüm sırasında tuğla gövdesinin eşit olmayan hacim genleşmesi ve sıvı faz tamponlama geriliminin olmayışı nedeniyle ürün yapısı gevşeyecek ve çatlayacaktır. Aynı zamanda, silika tuğlaların makul bir faz bileşimine sahip olmasını ve kullanım gereksinimlerini karşılamasını sağlamak için silika tuğla pişirmenin farklı sıcaklık aşamalarında uygun yalıtım yapılmalıdır.
(3) Çatlak olasılığını azaltmak için yarı-mamul ürün yükleme sistemini iyileştirin. Silika refrakter tuğlalarda enine çatlaklar yani ürünün basınç yönüne paralel çatlaklar genellikle pişirme sırasında ürünün çeşitli parçalarının eşit olmayan şekilde ısınmasından kaynaklanır. Çoğunlukla tuğla yığınının dışındaki, yangına- maruz kalan yüzeyde, özellikle de üst ürünün yüzeyinde görünürler. Silika ateş tuğlalarının yüzeyindeki ağ çatlakları, eşit olmayan yoğurma veya hammaddelerdeki değişiklikler nedeniyle yeşil gövdenin mikroskobik düzgünsüzlüğüne ek olarak, genellikle ürünün büyük dalgalanmalarla çok yüksek bir sıcaklıkta ısıtılmasından kaynaklanır. Yükleme sırasında, fırın arabasının içine özel silikon tuğlaların yerleştirilmesi gerekir ve standart sıradan tuğlaların fırın arabasının dışına yerleştirilmesi gerekir; özel-şekilli tuğlaların çıkıntılı kısımları veya çatlamaya eğilimli kısımları içeriye doğru yerleştirilmelidir; Alevin doğrudan darbesini önlemek için fırın arabasının üstü ince tuğlalarla kaplanmalıdır. Aksi takdirde daha fazla çatlak oluşacaktır.
Çatlaklar silikon tuğla verimini ve performansını etkileyen önemli bir faktördür. Pres kalıplama ve pişirme süreçlerinde uzmanlaşmak, silika tuğlalardaki çatlakları önlemenin anahtarıdır. Silika hammaddelerinin teorik ve fiili dönüşümleri farklılık gösterir ve pişirme programı, hammaddelerdeki, tuğla tipindeki ve diğer faktörlerdeki değişikliklere göre gerçek zamanlı olarak ayarlanmalıdır. Silika tuğla boşluklarının hazırlanması ve kalitesi önemli, hatta kritik faktörlerdir. Yüksek-performanslı silika tuğlalar, yalnızca her işlem adımını sıkı bir şekilde kontrol ederek verimli bir şekilde ve düşük enerji tüketimiyle üretilebilir.
