تحقیق و بررسی نسل جدید آجرهای نسوز بدون کروم دوستدار محیط زیست
مورد استفاده در منطقه پخت و ترانزیشن بالای کوره های دوار سیمان
از نظر تاریخی، کانی کرومیت اولین افزودنی بود که جهت افزایش انعطاف پذیری در آجرهای منیزیایی کوره دوار سیمان مورد استفاده قرار گرفت. آزمایشات اولیه بر روی آجرهای منیزیا کرومیتی مورد استفاده در منطقه پخت کوره های دوار سیمان طی دهه 1930 شروع و مصرف این آجرها از سال 1940 آغاز گردیده است . آجرهای منیزیا-کرومیتی به دلیل برخی خواص از قبیل کوتینگ پذیری عالی، قیمت مناسب، مقاومت به سایش در حالت گرم، قابلیت تحمل شوک حرارتی و مقاومت به خوردگی در محیط های قلیایی هنوز هم در منطقه پخت کوره های دوار سیمان مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از مهمترین اجزای تشکیل دهنده این آجرها کروم میباشد. کروم موجود در این آجرها کروم سه ظرفیتی (Cr+3) است که به تنهایی مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمیکند. متاسفانه به دلیل وجود اکسید فلزات قلیایی از قبیل Na2O و K2O و همچنین نمکهای قلیایی و سولفاتی در پروسه تولید سیمان در کوره های دوار، کروم سه ظرفیتی به کرم شش ظرفیتی تبدیل میشود. خطراتی که کروم برای سلامتی انسان ایجاد میکند، به حالت اکسیداسیونی آن بستگی دارد. فرم فلزی کروم خاصیت سمی اندکی دارد، اما یون کروم شش ظرفیتی بسیارسمی است. حد مجاز یون کروم شش ظرفیتی در آبهای آشامیدنی حدود mg/l 05/0 تعیین شده است و زمانی که غلظت آن به بیش از این مقدار برسد باعث خطراتی نظیر سرطان پوست و عوارض آلرژیک دیگر میشود. با توجه به برنامه مرکز ملی سم شناسی آمریکا (NTP) و لیست مربوط به آن کروم سه ظرفیتی و ترکیبات حاصل از آن بر روی جانوران آزمایشگاهی اثر سرطانزایی نداشته؛ اما شواهد زیادی دال بر سرطانزا بودن یون کروم شش ظرفیتی و ترکیبات حاصل از آن برای جانوران آزمایشگاهی وجود دارد.
امروزه با توجه به سیاستهای حفظ محیط زیست و حذف آلاینده های خطرناک، رفته رفته آجرهای منیزیا-کرومیتی از گردونه مصرف خارج شده و نسل جدید آجرهای دوست دار محیط زیست و فاقد کروم به بازار عرضه شده است. از جمله این محصولات میتوان به آجرهای منیزیا-اسپینلی معمولی، منیزیا-کلسیم زیرکونات، منیزیا-هرسینیتی، منیزیا گلکسیتی، منیزیا-اسپینلی حاوی زیرکونیا و منیزیا- اسپینلی آهن دار اشاره کرد.
درسال های اخیر اسپینل های زینتره و فیوزد برای استفاده در محصولات دیرگداز برای صنعت سیمان توسعه داده شد. برای تمام انواع اسپینل ها اصل عدم تعادل حرارتی براساس ضریب انبساط حرارتی کمتر منعطف کننده در مقایسه با ماتریس کاملا مشابه می باشد.
نتایج نشان دهنده اثر مثبت اکسید آهن بر روی خصوصیات آجرهای قلیایی مورد استفاده در منطقه پخت کورههای دوار سیمان است. آجرهای نسوز مورد استفاده در کوره دوار سیمان بر اثر چرخش کوره و انبساط حرارتی، در معرض تنشهای مکانیکی زیادی قرار میگیرد که اکسید آهن حساسیت به این تنشها را کم میکند. بدلیل وجود اکسید آهن دو و سه ظرفیتی در منیزیا و جز انعطاف پذیر، توانایی خنثی کردن تنش در آجرهای قلیایی به شکل چشمگیری افزایش مییابد. علی رغم حضور اکسید آهن تا 10%، نسوزندگی برای کاربردهای کوره سیمان به راحتی تأمین میشود، درحالی که قابلیت اطمینان برای بارهای ترمومکانیکی به شکل معنیداری افزایش پیدا میکند.
یکی از محصولات جدید آجر منیزیا-اسپینل آهندار میباشد (که در حال حاضر در چندین کارخانه سیمان مورد استفاده قرار گرفته است) که در کار تحقیقاتی حاضر پارامترهای فیزیکی و کوتینگ پذیری این محصول بدون کروم (با نام تجاری فرواسپین SF) مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج تست های CCS، AP، BD، HMOR و RUL آجر فرواسپین SF در شکل زیر قابل مشاهده است .
بسیاری از محققان بر این عقیده هستند که فاکتورهای اصلی تاثیر گذار بر تشکیل کوتینگ شامل عوامل مکانیکی از قبیل وزن بار کوره، سرعت چرخش کوره و… و عوامل شیمیایی از قبیل ترکیب خوراک خام، نسبت سیلیکا و آلومینا و درصد و ویسکوزیته فاز مایع و … می باشند که بافت و ترکیب آجر بر روی پایداری کوتینگ تاثیر گذار خواهد بود]9[. جدول 3 میزان استحکام شکست نمونه آجرهای فرواسپین SF، منیزیا – اسپینل، منیزیا – هرسینیت و منیزیا – کرومیت را بعد از تست ساندویچ نشان می دهد.
مهمترین نتایج گرفته شده در این کار پژوهشی به صورت زیر است:
1 – با توجه به اینکه آجرهای مورد استفاده در منطقه پخت کوره دوار سیمان نیاز به کوتینگ پذیری مناسب دارند، آجر فرواسپین SF با توجه به کوتینگ پذیری مناسب برای استفاده در این منطقه مطلوب می باشد.
2 – از آنجاییکه آجرهای مورد استفاده در منطقه ترانزیشن بالای کوره دوار سیمان در معرض تنش های مکانیکی، شرایط کوتینگ ناپایدار و حملات شیمیایی زیادی هستند، آجرهای مورد استفاده در این منطقه باید قابلیت نفوذپذیری کم و مقاومت به خوردگی بالایی داشته باشند که آجر فرواسپین SF با توجه به استفاده از اسپینل کریستال درشت و تخلخل پایین برای این منطقه مناسب می باشد.
3 – با توجه به شرایط کوتینگ پذیری مناسب و همچنین مقاومت به خوردگی مطلوب آجر فوق برای استفاده در مناطق پخت و ترانزیشن بالای کوره دوار سیمان مناسب می باشد.