Metalurji
refrakterler ve endüstri fırınları
Öğretim Üyesi:Adem ŞAHİN
malzemebilimi.net
REFRAKTERLER ve ENDÜSTRİ FIRINLARI DERS
NOTU
REFRAKTÖR MALZEMELER
ADEM ŞAHİN
www.malzemebilimi.net
I
İÇİNDEKİLER
REFRAKTERLER
1. TARİHSEL GELİŞMELER .............................................................................1
2. REFRAKTERLERİN KLASİFİKASYONU ..................................................6
2.1. Kimyasal ve Mineralojik Özelliklerine Göre Sınıflandırma ..........................6
2.1.1. Asidik Refrakterler:..................................................................................7
2.1.2. Bazik Refrakterler: ...................................................................................9
2.1.3. Nötr Refrakterler: ...................................................................................10
2.2. Hammadde Çeşitlerine Göre Sınıflandırma: ................................................13
2.2.1. Kil Refrakterler: .....................................................................................13
2.2.2. Kil İçermeyen Refrakterler: ...................................................................14
2.3. Refrakterlik Isısına Göre Sınıflandırma: ......................................................16
2.4. Üretim Metoduna veya Fiziksel Özelliklerine Göre Sınıflandırma .............16
2.4.1. Şekillendirilmiş Refrakterler: .................................................................17
2.4.2. Şekillendirilmiş Refrakterler: .................................................................18
2.5. Bağlanma Yapısına veya Şekline Göre Sınıflandırma:................................19
2.6. Toplam Porozite Oranına Göre Sınıflandırma: ............................................19
2.7. Kullanım (Uygulama) Alanına Sınıflandırma: ............................................19
3. REFRAKTER MALZEMELERDEN BEKLENEN ÖZELLİKLER .........19
4. REFRAKTER HAMMADDELERİ ...............................................................21
5. REFRAKTER ÜRETİMİ................................................................................29
5.1. Refrakterlerin İç Yapıları: ............................................................................29
5.2. Refrakter Malzeme Üretimi .........................................................................31
5.2.1. Geleneksel Toz Üretim Yöntemiyle Refrakter Malzeme Üretimi .........32
5.2.1.1 İri Tane Boyutuna Sahip Refrakter Ürün Üretimi ............................32
5.2.1.2 İnce Tane Boyutuna Sahip Refrakter Seramik Üretimi ....................36
5.2.1.3 Ergiterek Döküm Yoluyla Üretilen Ürünler .....................................36
5.2.1.4 Seramik Fiber (elyaf) Ürünler ...........................................................40
5.3. Refrakter Tuğla Boyutları ve Boyutsal Toleranslar .....................................41
5.4. Kalite Kontrol ..............................................................................................43
II
6. RERAKTER MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ VE TEST ETME ......43
6.1 Porozite .........................................................................................................45
6.2. Bulk (Hacim) Yoğunluğu.............................................................................47
6.3. Soğuk Ezme Dayanımı .................................................................................49
6.4. Refrakterlik (Yumuşama Sıcaklığı) .............................................................50
6.5. Yük Altında Refrakterlik (Yük Altında Yumuşama Sıcaklığı) ...................53
6.6.Yük Testi .......................................................................................................54
6.7. Sabit Sıcaklık Testi ......................................................................................54
6.8. Genleşme ve Küçülme Testi (Yeniden İsıtma Testi) ...................................54
6.9. Isıl Genleşme................................................................................................55
6.10. Isıl İletkenlik ..............................................................................................56
6.11.Sıcaklık Değişimlerine Dayanım (Termal-Isıl Şoklara Dayanım) ............58
6.12. Sıcak Mekaniksel Özellikler ......................................................................61
6.13. Geçirgenlik .................................................................................................62
6.14. Korozyon Direnci .......................................................................................63
6.15. Basınç Altında Sürünme ............................................................................64
6.16. Elektrik Direnci ..........................................................................................64
6.17. Cüruf Direnci (Cüruf Testleri) ...............................................................65
6.18. Kimyasal ve Mineralojik Kompozisyon ....................................................66
6.19. Aşınma Direnci ..........................................................................................66
6.20. X—Işınları Difraksiyon Analizi................................................................66
6.21. DTA ve TGA Analizi .................................................................................67
7. REFRAKTER MALZEME TÜRLERİ .........................................................67
7.1. Asidik Refrakterler .......................................................................................67
7.1.1. Silika ......................................................................................................67
7.1.2 Alüminasilikat Refrakterler .....................................................................73
7.1.2.1 Kilin Pişirilmesinde İç Yapı Gelişimi ...............................................76
7.1.2.2. Şamot ...............................................................................................79
7.1.2.3.Yüksek Alüminalı Refrakterler .........................................................82
7.2. Bazik Refrakter Ürünler ...............................................................................84
7.3. İzolasyon Tuğlaları ve Hafif Ateş Tuğlaları ................................................86
III
7.5. Özel Seramikler............................................................................................88
7.5.1. Oksit Seramikler ....................................................................................89
7.5.1.1. Silisyumkarbür .................................................................................92
7.5.1.2. Silisyumnitrür...................................................................................95
7.5.2. Karbon Refrakterler ...............................................................................97
8. REFRAKTER MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI ..................99
8.1 Refrakterlerde Kullanım Şartlarında Oluşan Etkileşimler ..........................101
8.1.1. Refrakterlerle Sıvılar Reaksiyonlar ......................................................101
8.1.2 Refrakterler ve Gazlar Arasındaki Reaksiyonlar ..................................106
8.1.3. Refrakterler Arasındaki Reaksiyonlar ..................................................106
8.2.1. Yüksek Fırın Refrakterleri ...................................................................109
8.2.2. Torpedo Ladles ....................................................................................112
8.2.3 BOF (Bazik Oksijen Fırın) Vesselleri (kapları) ....................................112
8.2.4. Elektrik Ark Fırınları (EAF) Vessel’leri (Kapları) ..............................113
8.2.5 Potalar (Ladles) .....................................................................................114
8.2.6. Sürekli Döküm .....................................................................................116
8.3 Demir Dışı Metallerin Üretiminde Kullanılan Refrakterler ........................118
8.3.1 Alüminyum Ergitme ve Reverber Tipi Fırınlar (Uzun Alevli Fırınlar) 118
8.3.2 Bakır Reverber Tipi Fırınları ve Konvertör Tipi Fırınlar .....................119
8.4 Cam Ergitme Endüstrisi ..............................................................................119
1
REFRAKTERLER
1. TARİHSEL GELİŞMELER
Refrakter terimi Latince kökenli bir kelime olup “refractorius” den
gelmekte ve stubborn yani inatçı manasına diğer bir değişle yüksek sıcaklıklara
dayanıklı manasına gelmektedir. Refrakterlerin genel tanrımı ise şu şekilde
yapılabilir; yüksek sıcaklıklara dayanabilen, yüksek sıcaklıklarda ve bulunduğu
atmosfer ortamında fiziksel ve kimyasal özelliklerini koruyabilen malzemelerdir.
Bu nedenle; yüksek sıcaklıklara dayanabilen, yüksek sıcaklıklarda özelliklerini
kaybetmeden koruyabilen herhangi bir malzeme su isimle anılabilir. Örneğin; W,
Ta, Mo, Nb gibi refrakter metaller. Bunlara refrakter metaller denmesinin sebebi
çok yüksek ergime sıcaklıklarına sahip olmalarıdır. Bu özellik bu metallerin
yüksek sıcaklıklarda kullanılmalarına imkân verir. ( Bu metaller, 200 425
0
C’lar
arasında hızla oksitlenerek yapılarını empürite alırlar ve kırılgan hale gelirler.
Dolayısıyla oksitlenmelerini önlemek için bu metallerin dökümü, kaynağı, toz
metalürjisiyle üretilmeleri sırasında özel önlem almak gerekir.)
Fakat bir seramik mühendisine refrakter ismi genellikle demir, çelik,
metal, cam ve seramik üretiminde yüksek sıcaklık işleklerdi sırasında kullanılan
seramiği hatırlatır. Ateşe dayanıklı malzemenin (Refrakterin) tarihçesi uygarlık
tarihi kadar eskidir. Ateşin bulunması ile birlikte, ateşe dayanıklı malzemeye
gereksinim duyulduğu açıktır o zamanlar ateş yakılan yerlerin çamur veya
balçıkla sıvandığı arkeolojik kazılarda görülmektedir. Gelişen uygarlık düzeyi ile
ateşe dayanıklı malzeme türleri ve şekilleri de gelişme göstermiş, sanayileşme ile
birlikte, bu malzemelerde büyük hakleler yapılmıştır.
Refrakterlerin ilk olarak kullanımı insanlığın metali üretebilmeyi başardığı
zamanlara dayanır. Özellikle Refrakterlerin ilk kullanımları demiri ergitmek ve
saflaştırmak için fırınları inşa ettikleri zaman dayanır. Metal fırınlar yüksek
sıcaklık elde edebilmek için yatık yakılan yerlerdir. Bu nedenle, bu fırınlar
üretilen ergimiş metali tutabilmek için yüksek ergime sıcaklığına sahip katı
malzemelerle astarlanmalıdırlar. Bazen bu amaçlarının yanında refrakterler
ergimiş metalin saflaştırılması gayesiyle de kullanılmıştırlar. (Refrakterlerin bazı
bileşenleri kimyasal olarak ergimiş metalle reaksiyona girer).
2
İlk olarak kullanılan refrakter astarları şüphesiz ki oksit flukslar içeren
silisli kayalardır. Bu flukslar silisli kayanın, komşu bölgesinde oluşan yüksek
sıcaklık sonucu sinter8lenmesi ve camlaşması içindir.
Camların ergitilmesi için çok eski devirlerde kullanılan potalar ateş kili,
refrakteriyle astarlanmıştır. Bu sebeptendir kilin kaliteli olarak ulaşabileceği
bölgelerde, tabii ki diğer şartlarında elvermesiyle cam endüstrisi gelişmiştir.
İngiltere’de Stourbidge ve Almanya’da Klingerber bu bölgelerdendir. Bu durum
19. yüzyılın başlarına kadar devam etmiştir. Geçmişte kireç taşı da metal
fırınlarda astar malzeme olarak kullanılmıştır. Örneğin kıyılarda toplanan deniz
kabukları ilkel toplumlarda bu amaçla kullanılmıştır.
Fırında pişirilerek yapılan ilk refrakter tuğlaların Fenikeliler veya Çinliler
tarafından kuvartz (silis) içeren killerden yapıldığı tahmin edilmektedir. Bu
refrakterler düşük kapasitede cam ve metal ergitme fırınlarını ihtiyacını birkaç
yüzyıl karşılamıştır. 19.yy’ın başlarında ise ön pişirilmiş kilin, kil içerisine
katılmasının tuğlalarla boyutsal hassasiyet ve pişirilme esnasında düşük
küçülmelerden dolayı stabilite kazandırmıştır. Bu gelişmelerle refrakter
teknolojisi kil endüstrisinden ayrılmış ve özel refrakter tuğlaların çalışılmasına
başlanmıştır.
Dünyada Refrakter Malzemelerin Tarihsel Gelişimi Şu Şekildedir:
1820 Demir ve çelik endüstrisi için silika tuğlaların geliştirilmesine
başlandı ve ateşkili tuğlaların gaz retort’larında kullanımına gidildi.
1860 Magnezitin refrakter malzeme olarak kullanımı düşünüldü. Bundan
20 yıl sonra magnezit tuğla Avusturya’da geliştirildi.
1870 Düşük demirli Bositten refrakter potalar üretildi.
1880 Krom cevheri tuğlaları fırınlarda kullanılmaya başlandındı.
1892 ABD’de SİC başarılı olarak üretildi.
1914 Plastisi ateşkili karışımı geliştirildi.
1928 ABD’de fused cast refrakterlerin üretimine başlandı.
1945 Seramik fiber ve fiber ürünlerinin ilk gelişimi
Türkiye’de Refrakter Malzemenin Tarihsel Gelişimi İse Şöyledir:
3
Yurdumuzda da şüphesiz ki çok eski zamanlardan beri ateşe dayanıklı
malzemeler bilinmektedir fakat modern anlamda ateşe dayanıklı malzeme olarak
sinter-manyezit ilk olarak 1934 yılında Kırıkkale Çelik Fabrikasında üretilmiştir
Sinter – Manyezit, düşey tip dolamit ocağında toz demir cevheri ile karışt4ırılmak
ve kok ile ısıtılmak süretiyle elde edilmiştir. Bu üretim 1941 yılına kadar
sürdürülmüştür. 1940 yılında Karabük civarında dolomit yataklarının bulunması
nedeniyle sinter-manyezit yerine sinter dolomit üretimine geçilmiş aynı yıl
İstanbul’da Dr. Birtek tarafından kurulan “Alev” markalı şamot tuğla fabrikası
faaliyete başlamıştır bu fabrika savaş boyunca Karabük ve Kırıkkale fabrikaları ile
diğer işletmelerin şamot tuğla ihtiyacının bir kısmını karşılamıştır. Savaş bittikten
sonra ve 1947’de Filyos kurulmaya başladıktan sonra Alev marka şamot üreten bu
fabrika faaliyetini durdurmuş ve yerini daha büyük kuruluşlara bırakmıştır.
Refrakter endüstrisinin gelişimi diğer endüstrilere benzerdir. Başlangıçta
sadece küçük atölyelerde manüel ve mekanik yöntemlerle çalışmalar yapılıyordu.
Daha sonra otomatik prosesler ve bilimsel araştırmalar yapılmaya başlandı.
1960’ların başlarından itibaren talebin artmaya başlaması ile kalite artmaya
başladı ve maliyet düşürücü teknikler geliştirildi.
Gelişen sanayileşme ile birlikte, refrakter malzemelerde büyük hamleler
yapılmıştır. Günümüzde ateşe dayanıklı malzeme türleri ve bunlardan beklenen
hizmetler (daha yüksek sıcaklıklara ve bu sıcaklılardaki korozif ve mekanik
etkilere, ani sıcaklık değişimlerine gibi) çok artmış ve ağırlaşmıştır. Bu nerenle;
yeni şartları karşılayacak ateşe dayanıklı malzeme türleri oluşturulmuş ve bugün
evlerdeki soba, şömine ve kaloriferlerden başlayarak, sanayinin hemen her
kolunda az veya çok miktarlarda bir veya birkaç tür ateşe dayanıklı malzeme
kullanılması kaçınılmaz bir zorunluluk halini almıştır.
Günümüzde tüketilen seramik malzemeler içerisinde refrakter malzemeler
% olarak küçümsenmeyecek bir hacme sahiptir. Bununla birlikte, seramik
pazarında parasal olarak da büyük bir hacme sahiptir.
Refrakter malzeme tüketen en önemli endüstri yaklaşık %65’lik bir pay ile
demir-çelik endüstrisidir. Diğer refrakter malzeme tüketen endüstri dalları ise,
cam endüstrisi %8, çimento sanayi %8 ve seramik endüstri %8 şeklinde
dağılmaktadır.
4
Diğer tüketim dalları ise demir-dışı metallerin üretiminde ve
petrokimyasalların üretiminde ve diğerlerdin şeklinde dağılmaktadır. En büyük
refrakter tüketici demir-çelik endüstrisi olması dolayısıyla, demir-çelik pazarında
meydana gelen gelişmeler (tüketimin artması veya düşmesi) ve bu endüstri
dalında ki teknolojik gelişmeler refrakter endüstrisini yakından ilgilendirir.
Sürekli döküm, alttan üflemeli ve karıştırmalı bazik oksijen konvektörleri, pota
metalürjisi (karıştırma ve gaz giderme) gibi teknolojik gelişmeler genelde yüksek
mal alma (tapping) sıcaklıklarına, daha uzun bekleme sürelerine ve ergimiş
metalde büyük bir türbülansa neden olmuşlardır. Ortaya çıkan bu zor koşullar ise
geleneksel refrakterlerin kullanım sürelerinin azalmasına yol açmıştır. Bu ise
dayanımı daha yüksek ve daha kaliteli refrakterlerin kullanılmasına gereksinim
doğurmuştur. Daha yüksek kaliteli refrakterlerin geliştirilmesi ve üretilmesi ise
çeliğin tonu başına harcanan sipesifik refrakter tuğlanın tüketiminin düşmesine
yol açmıştır.
Piyasada ticari olarak satılan farklı refrakter çeşitleri mevcuttur. Bu
refrakterlerin her biri kompleks kompozisyonlara ve mikro yapılara sahiptirler
aşağıdaki tabloda refrakter malzemelerde yaygın olarak görülen fazlalar diğer bazı
özellikleriyle birlikte verilmiştir.
5
Tablo 1: Refrakter mikro yapısında bulunan yaygın fazlar ve bazı özellikleri.
Faz Kimyasal Formül Sembol Tm
0
C Önemli özellik
Karbon C - 4000
*
Oksitlenir
Silika SİO
2
S 1723 Polimorfik
Transformasyon
Alümina AI
2
O
3
A 2050
Magnezya MgO M 2800 Hidranlanır
Kalsiyum Oksit Cao C 2572 Hidranlanır
Dolomit MgO.CAO MC
Forsterit 2MgO.SİO
2
M
2
S 1890
Spinel MgO.AI
2
O
3
MA 2135
Mullit 3AI
2
O
3
.2SİO
2
A
3
S
2
1810
Enstatik MgO.SİO
2
MS 1557
Dikalsiyum silikat 2CaO.SiO
2
C
2
S 2130 Polimorfik
transformasyon
Kromit Cr
2
O
3
K 2275 Uçucudur
Zirkonyum oksit ZrO
2
Z 2690 Polimorfik
transformasyon
Silisyum karbür SiC - 2500
*
Oksitlenir
Silisyum nitrür Si
3
N
4
- 1878
*
Oksitlenir
Sadece ayrışma olduğunu gösterir ergime olmaz.
Refrakter nadiren saf ve tek fazlı malzemeler olarak bulunurlar.
Refrakterler, Tablo 1’de verilen fazların birkaçını içeren bir mikroyapıya sahip
olabilirler.
Refrakterler şekilli olarak üretilip satılabildiği gibi (örneğin tuğlalar)
şekilsiz olarak da üretilip satılabilirler (monolitik refrakterler), şekilsiz refrakterler
malzemeler (dökülebilir, kalıplanabilir, sıvanabilir, püskürtülebilir) kullanıldıkları
yerde şekillendirilebilir ve genellikle fırın astar tamiratlarında kullanılırlar.
Günümüzde kullanılan refrakterlerin çoğu hala kil esaslı alüminasilikat (silisli
ateşkili, ateş tuğlası ve alüminalı ateşkili) ve alümina (andalusit, mullit ve boksit
esaslı) tuğlalardır. Alüminasilikat tuğlalar günümüzde üretilen ağırlıkça %50’sine
karşılık gelirler.
Ateşkili, ball kili gibi kristal boyutları çok ince ve oldukça küçük boyutta
empüriteler içerirler. Ateşkilinin oluşumu kömür madeni ile birlikte olduğundan
kömür ateşkilindeki alkalileri alarak bu kile refrakterlik özelliği sağlar.
6
Daha öncede tanımlandığı gibi refrakter malzeme yüksek sıcaklığa direnç
gösterebilen ve bu sıcaklıkta ergimeden ve deforme olmadan kalabilen
malzemelerdir. Yüksek sıcaklık terimi göreceli bir kavramdır. Bir malzeme
1600
0
C tamamen ergimesine karşın, 1200
o
C’da ergimeden ve deforme olmadan
kalabilir. 1600
o
C’un üzerinde ergiyen bir malzeme şüphesiz refrakterlik özelliğine
sahiptir. Fakat aynı şey 1400 veya 1500
o
C’un üçeri için geçerli değildir. Bu
nedenle refrakter malzemelerin yumuşama sıcaklıkları için çeşitli tanımlamalar
yapılmıştır. Genelde refrakterlerin pinometre konisinin yumuşama sıcaklığı
minimum 1500
o
C olmalıdır. Refrakter malzemelerin kullanım sıcaklıkları 1000-
1800
o
C arasında değişir, 2000
o
C üzerinde de kullanılan refrakterler vardır.
2. REFRAKTERLERİN KLASİFİKASYONU
Refrakter malzemeler birçok özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Bu
sınıflandırma refrakterlerin kimyasal ve mineralojik içeriklerine, kullanılan
hammadde çeşitlerine, ateşe dayanıklılıklarına veya refrakterlik ısısına, nihai ürün
şekillerine veya ürünün fiziksel şekline, kullanım alanına ve refrakter
malzemedeki bağlanmanın yapısına göre yapılabilir. Bunlardan bazılarını
ayrıntıları ile inceleyelim:
2.1. Kimyasal ve Mineralojik Özelliklerine Göre Sınıflandırma
En çok kullanılan sınıflandırma şeklidir. Refrakter malzemelerin bu
şekilde sınıflandırılmalarının nedeni, refrakter malzemelerin kullanıldıkları
fırınlarda özellikle metalürji fırınlara ısı ile beraber değişik karakterli cüruflara ve
ergitme yöntemlerine karşı dayanıklılık göstermeleri istenmesidir.
7
Şekil 2.1. Cürufum Ergitme Fırınlarından Ayrılması
Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi metal ergitme fırınlarında metal ve
cüruf birbirinden ayrılır. Fırın duvarını oluşturan refrakter malzemelerin seçimi
ise cüruf metal ve ergitme yöntemlerinin özelliğine göre yapılması gerekmektedir.
Kimyasal ve mineralojik özelliklerine göre refrakterleri üçe ayırabiliriz.
2.1.1. Asidik Refrakterler:
SiO2 oranı yüksek olan refrakterlere asidik refrakterler denir. Asidik
refrakterlerin bazıları şunlardır:
Silika (SiO
2
)
- Yarı silika
- Alümina silikat
- Şamot kil
- Şamot kaolin
- Silimanit
- Mullit
- Boksit
- Korund
Asidik refrakterlerin bazı kimyasal ve fiziksel özellikleri Tablo 2.1’de verilmiştir.
8
Tablo 2: Asidik refrakterlerin bazı kimyasal ve fiziksel özellikleri
Refrakter
cinsi
SiO
2
Al
2
O
3
+Ti
O
2
Fe
2
O
3
CaO R2O Su emme
%
Erime
0
C İçine giren
hammaddeler
Silika 93-98 < 2,5 < 3 1-3 < 0.5 16-25 1660-1700 Kuars kalker
Yarı
silika
63-85 10-32 1-2 <1 <1.5 17-27 1450-1550 Kuars-şamot, kil
Şamot 51-64 32-45 1-2 <1 <1 18-30 1300-1420 Şamot kil
Alümina
silikat
43-45 49-53 1-2 <1 <1 18-27 1460-1530 Şamot kil
Korunt
katkılı
38-40 44-45 1-2 <1 <1 16-22 1450-1550 Korunt, şamot
Silimanit 35 64 1 <1 <1 15-20 1600 Korunt alümina
Mullit 28 68 1-2 <1 <1 20-25 1670 Andoluzit
Boksit 12 85 <2 0,5 <1 18-25 1550 Boksit kil
Korunt 5 93 <1 0,5 <1 15-22 1600 Korunt alumina
kil
Asidik refrakterler, asidik karakterli cüruflara karşı ve ısısı devamlılık arz
eden fırınların kemerlerinde kullanılır. Ayrıca asidik refrakterler, metalürji
sanayinde asit yöntemle çalışan çelik üretim fırınlarında, cam fırınlarında, kok
fırınlarında ve tünel seramik fırınlarının kemerlerinde kullanılırlar.
Silika tuğlalar, SiO
2
içeren kuvarsit, ganister, kumtaşı, silis kumu, kuvars
gibi doğal maddeler ile %1-2.5 kadar sönmüş kirecin (Ca(OH)
2
) oluşturduğu
karışımın yüksek basınçlı preslerde basılmasıyla şekillendirilir. Silika tuğlalar
1400-1500
o
C’larda çok yavaş ısıtılarak pişirilir. Pişme süresi yaklaşık 2-3 hafta
sürer. Fırının veya tuğlaların soğutulması da yavaş olmalıdır. Silika tuğlaların
temel faz yapısı tridimittir. Kuvars kristobalit, tridimit dönüşümünde tepkime
hızının artırılabilmesi için %1-1.5 Na
2
O ve %1-1.5 Fe
2
O
3
bileşimine ilave edilir.
Silika dışındaki asidik refrakterler yukarıda verilen sıralamadı SiO
2
yüzdesi azalan Al
2
O
3
’ün arttığı oranda ısıya dayanıklılık artmakta ve daha yüksek
dereceli fırınlarda ve imkanlarda kullanılmaktadır.
Asidik refakterlerin kullanım alanları şu şekilde sıralanabilir.
- Cam endüstrisi cam eritme fırınlarında
- Demir çelik endüstrisinde asidik yönelme çalışan metalürji fırınlarda
(yüksek fırın, ark fırınları, sıcak metal tankları)
- Çimento endüstrisinde döner fırınlarda
- Antrasit kömürlerden kok ve gaz elde etme fırınlarında
9
- Seramik sanayinde pişirme fırınlarında
- Termik santrallerde
- Kimya endüstrisinin çeşitli dallarında kullanılan fırınlarda
- Sobaların iç kapsamlarında ve şöminelerde
- Elektrik ocaklarında rezistans yuvası
- Kalorifer kazanlarının ateş bölgesinde
- Kireç kalsine fırınlarda
- Metal döküm sistemlerinde pota tıkaçları, metal akıtma yolluklarında
kullanılmaktadır.
Asidik refrakterlerin kullanım için örülmelerinde genleşmeleri dikkate
alınarak derz boşlukları bırakılması gerekmektedir.
Tuğlaların örülmesinin sağlıklı olabilmesi için yapıştırıcı olarak kullanılan
harçlarında aynı özellikteki refrakter malzemelerden hazırlanmış olması
gerekmektedir.
Aynı refrakter malzemeler ile refrakter beton harçları da hazırlanabilir.
Beton harçları ile bazı refrakter ürünler daha önce hazırlanan kalıplar içine
dökülerek üretilirler. Sıvı haldeki refrakter harçları aynı zamanda püskürtme sureti
ile sıva şeklinde de kullanılabilir.
2.1.2. Bazik Refrakterler
CaO ve MgO gibi bazik oksitler içerirler. Bunlara magnezit özellikle
refrakterler de denir. Magnezit refrakterlerin temel hammaddesi kalsine edilmiş
MgO’dir. Bazik refrakterlerin bazıları:
- Magnezit
- Magnezit –krom
- Krom- magnezit
- Dolomit
Bazik refrakterlerin bazı kimyasal ve fiziksel özellikleri Tablo 2.1.’de
verilmiştir.
10
Tablo 2.1. Bazik Refrakterlerin Bazı Kimyasal ve Fiziksel Özellikleri
Refrakter
cinsi
MgO CaO Al
2
O
3
Fe
2
O
3
Cr
2
O
3
SiO
2
Su
emme
%
Kullanım
C
o
İçine giren
maddeler
Magnezit 80-90 1-4 1.5 4-10 - 1-3 18-24 1500-1700 Zinter magnezit
Magnezit
krom
55-80 1-3 2-7 6-12 6-20 2-6 22 1400-1500 Zinter magnezit
kromit cevher
Krom
magneziti
25-55 0.5-2 2-15 8-15 20-45 3-7 15-30 1500-1600 Zinter magnezit
kromit cevher
Dolomit 32-40 59-62 1-3 - - 1 18-22 1480 Dolomit, zift
Bazik refrakterler, bazik özellikli cüruflara ve yüksek ısıya dayanıklılık
gösterdikleri için bazik karakterli fırınlarda kullanılırlar. Bunların bazı kullanım
alanları şunlardır: Siemens martin fırınlarında, LD konvertörlerinde, Bazik ark
ocaklarında, Çimento fırınlarında
2.1.3. Nötr Refrakterler:
Kimyasal özellikleri bakımından hem aside hem baza dayanıklılık
özelliğine sahip refrakterlerdir. Al2O3 ve Cr2O3 gibi oksitleri ve C, SiC gibi oksit
olmayan bileşimlerden oluşurlar. Bunlardan bazıları:
- Kromit
- Krom – manyezit
- SiC
- Grafit
- Karbon Malzemeler
- Krom – alümina
- Alümina
Nötr refrakterler, metalürji sanayinde asit ve bazik refrakterlerin birbirini
etkilememesi için bu iki refrakter cinsi arasında nötr bir yüzey yaratmak üzere
kullanılırlar. Bazik ve asit cüruflar birleştikleri noktada bileşimlerinden oluşan
sıvı fırın duvarlarını etkiler, araya konulan nötr refrakterler bu etkilenmeye önler.
Kromit refrakterler demirli krom cevherinin (FeO–Cr
2
O
3
) kimyasal
bağlayıcılar ile karıştırılarak şekillendirilmesi ile elde edilirler.
Karbon refrakterler kül miktarları çok düşük olan kok kömürü tozlarının
zift ile karıştırılması ile şekillendirilirler ve genellikle yüksek fırınlarda
11
kullanılırlar. Grafit, zift ve şamot kullanarak yapılan grafit refrakterler metal
ergitmede kullanılan çeşitli potalarda, yüksek fırınlarda, cüruf ve sıvı metal
akıtma kapaklarında kullanılırlar.
SiC refrakterler SiO
2
’nin C ile beraber yüksek sıcaklıklarda pişirilmesi ile
suni olarak elde edilirler. Daha sonra kil gibi bağlayıcılarla şekillendirilirler.
Ayrıca nötr refrakter sınıfına giren diğer bir refrakter çeşidi de forsterit
refrakterlerdir. Forsterit refrakterler bileşimine göre bazik sınıfta da yer alabilir.
Farsterit yapımında hammadde olarak kullanılan olivin kayaçları forsterit
(2MgO.SiO
2
) ve fayalit (2FeO.SiO
2
) minerallerinden oluşur. Ayrıca serpantin
(3MgO.2SiO
2
. 2H
2
O) ve talk (3MgO.4Si
2
. 2H
2
O) mineralleri de kullanılır.
Forsterit ergime noktası 1890
0
C. Serpantin ve talk kullanılması ergime derecesini
düşürür. Forsterit oranı fazla olan olivin kayacı direkt fırın tuğlası olarak
şekillendirilir. Demir cevherinin eriyiği 1800
0
C’a kadar forsterit tuğlaları
etkilemez.
Kimyasal ve mineralojik özelliklerine göre yapılan bu sınıflamanın
yanında ISO (International Standart Organisation) ve buna dayalı olarak
hazırlanan TSE (Türk Standartları Enstitüsü)’nün aynı özelliklere göre yapılan
tanımlama ve sınıflandırması yukarıda açıklanan geleneksel tanımlama ve
sınıflamadan oldukça farklıdır. Fakat bu sınıflandırma uluslar arası düzeyde kabul
görmüştür. Bu tanımlama ve sınıflandırma aşağıdaki gibidir:
Ateşe dayanıklı (refrakter) malzeme; metaller ve metal alaşımları dışında
olup, ateşe dayanıklılık sıcaklığı 1500
o
C’dan az olmayan malzeme ve
mamullerdir.
ISO ve TSE’ne göre yapılan sınıflandırma, özet şeklinde Tablo 2.2.’de
verilmiştir. İzolasyon malzemesi için ISO’nın aynı standartları mevcuttur.
12
Tablo 2.2. Ateşe Dayanıklı (Refrakter) Malzemenin Sınıflandırılması
Ateşe Dayanıklı (Refrakter) Malzemenin
Sınıfları
Sıkıştırılmış ve
şekillendirilmiş Türler
Çok ince, ince, kaba çok kaba tane büyüklüğünde
öğülerek ve eleyerek hazırlanan, belirli oranlarda
birbirine karıştırılmak ve karışıma belirli türde ve
oranda bağlayıcı ilave etmek sureti ile kullanılan
malzemeler
Sınıf ismi Esas madde türü Malzeme türleri Bağlayıcı türleri
Yüksek
alümino
mamuller
group I
Al 2O 3 ? %5G
Yüksek alüminalı
tuğla Gr 1
y. Alüminalı Harç
“ sıvama malz.
“ kuru dövme mlz
“ plastik mlz
“ ateş betonu
“ püskürtme mlz
1.SERAMİK
BAĞLAYICILAR
pişirme hararetinde
yapıştırmayı ve
sertleştirmeyi
sağlar.
2. HİDROLİK
BAĞLAYICILAR
Orta hararetinde ve
kullanıldığı yerde
yapıştırmayı ve
sertleşmeyi sağlar.
3.KİMYASAL
MİNERAL VE
MİNERAL
ORGANİK
BAĞLAYICILAR.
Kimyasal
tepkileme
(reaksiyon) ile oda
hararetinde veya
daha az yüksek
hararetle
yapışmayı
sertleşmeyi sağlar.
4. ORGANİK
BAĞLAYICILAR
Oda hararetinde
yapıştırmayı ve
sertleştirmeyi
sağlar.
Yüksek
alümino
mamuller
group II
%45 ? Al 2O 3j%5G
Şamot
mamuller
%3O
%80 m.tuğla pişmiş
“ “ emaye
“ “ zift Bağ,
Sinter manyezit
Manyezit harcı
“ sıvama mlz
“ kuru dövme mlz
“ plastik mlz
“ ateş betonu
“ püskürtme mlz
Manyezli
krom
mamuller
%55 ? MgO<%80
Mg cr tuğla pişmiş
“ “ kum bağlı
“ “ saç kaplı
“ sıvama mlz.
“ kuru dövme mlz
“ plastik mlz
“ püskürtme mlz
Krom
manyezit
mam.
%25 ? MgO<%55
Cr. Mg. Tugla pişmiş
“ “ kum bağlı
“ “ saç kaplı
Mg-cr cr-mg harçları
“ sıvama mlz.
“ kuru dövme mlz
“ plastik mlz
“ püskürtme mlz
13
2.2. Hammadde Çeşitlerine Göre Sınıflandırma:
Refrakter malzemenin üretiminde kullanılan hammaddelere göre
refrakterleri iki sınıfa ayırmak mümkündür. Kil refrakterler ve kil içermeyen
refrakterler.
2.2.1. Kil Refrakterler:
Kil refrakterler esas olarak iki sınıfa ayrılırlar. Ateşkili (şamot) ve Yüksek
alümina.
Şamot: Genel olarak kaolinit mineralini içerirler. Bununla birlikte,
bünyelerinde düşük miktarlarda diğer kil mineralleriyle TİO
2,
Fe
2
O
3
ve alkali
oksitler gibi bazı empüritelerde mevcuttur. Killer madenden çıkarıldıktan sonra
kullanılabildikleri gibi kalsinasyona tabi tutulduktan sonra da kullanılabilirler.
Kalsinasyon sonucunda killen mullit ve silisli cama dönüşür. Ham kilin AIO
yüzdesi pişme sonunda ateş zayiatı nedeni ile oransal olarak yükselmiş olur.
Şamotun refrakterlik özelliği, içerisinde bulunan alümine miktarının artmasıyla ve
Fe
2
O
3
ve alkali oksit gibi empürite miktarlarının azalmasıyla artar. Şamot
hammaddeleri dünya üzerinde geniş bir şekilde dağılmıştır.
Yüksek Alümina: Genel olarak boksitten ve % 50 – 87,5 Al
2
O
3
içeren
hammaddelerden elde edilir. Bu seviyenin üzerinde Al
2
O
3
içeren hammaddeler kil
olmayan ve çok yüksek oranda alümina içeren refrakter sınıfına girerler. Boksit
doğal olarak oluşan bir hammaddedir ve temel olarak gibsit (Al(OH)
3
) içerir.
Fakat değişen miktarlarda kaolinit ve düşük miktarlarda demir oksit ve TİO
2
empüriteleri içerirler. Pişirme esnasında boksitte yüksek düzeyde uçucu miktarı
mevcut olduğundan boksit kullanmadan önce yüksek sıcaklıkta kalsinasyona tabi
tutulur. Kalsinasyon sonucunda korund ve mullitten oluşan yoğun bir yapı elde
edilir.
En fazla kullanılan ve yüksek refrakterlik derecesine haiz kalsine edilmiş
boksit Gine ve Surinam’dan elde edilir. Son yıllarda bu ülkelere Çin de dahil
olmuştur. % 50 -75 alümina içeren kalsine edilmiş kaolinitik boksit ABD’den
(Alabama ve Georgia) sağlanır.
14
2.2.2. Kil İçermeyen Refrakterler:
Bu tip refrakterler bazik sınıfa giren refrakterlerden (magnesya, dolomit,
krom oksit ve bunların kombinasyonları) yüksek alüminalı refrakterlerden, mullit,
silika, SİC ve ZrO2’den oluşurlar.
Bazik Refrakterler: Temel hammaddeleri kalsine edilmiş MgO, Dolomit,
krom cevheri, magnezit-dolomit, magnezit-karbon, dolomit-karbon ve magnezit –
krom karışımlarından oluşur.
Magnezya veya MgO tuğlalar esas olarak periklas mineralini içerirler.
MgO tuğlalar için ana hammadde kalsine edilmiş magnezit kullanılır. Fakat MgO
tuğlalar içindaha yüksek sıcaklıklara dayanımı ve daha az empürite içermeleri
arzu edildiğinde deniz suyundan veya yeraltı tuzlu sularından daha saf MgO
eldesi oldukça ilgi çekmiştir. Bu yöntemde sulardan Mg, Mg (OH)
2
olarak
çökertilir ve Mg (OH)
2
’nin kalsinasyonu ile %98 safiyette MgO elde edilir.
Dolomit tuğla kalsine edilmiş doğal dolomit mineralinden
(CaCO
3
.MgCO
3
) elde edilir. Dolomitin kireç bileşeni hidratlaşmaya yatkın
olduğundan dolomitten yapılmış pişirilmemiş tuğlada genellikle katran veya zift
ile kaplanır. Refrakter dolomit %5-7 kadar zift karıştırılarak şekillendirilir. Zift
burada iyi bir bağlayıcılık görevi görür. Daha sonra katran veya zift ile kullanım
süresini artırmak için doyurulur. Burada ise şekillendirilen refrakter dolomit
vakum atında zift banyosuna daldırılır ve gözenekler ziftle kaplanır. Böylece
dolomit tuğlalar daha kararlı hale gelirler. Zift sıcaklıkta karbonlaşır. Tuğla
cürufla temas etmeye başladığında cüruf karbonu ıslatamaz ve cürufun refrakterle
teması önlenmiş olur. Böylece tuğlanın ömrü uzatılabilir.
Çok Yüksek Alümina İçerenler: Bular boksit veya alümina içeren
minerallerin ergitilmesiyle veya sinterlenmesiyle elde edilirler. Bunların alümina
içerikleri %87.5’dan %100’ün biraz altına kadar değişir. Bu tür refrakterler
1815
o
C’lara kadar stabildirler.
Mullit: Mullit (3Al
2
O
3
.2SiO
2
) refrakterleri kıyanit, silimanit, andalüsit,
boksit veya %70 oranında alümina veren alümina –silikat malzemelerinden
yapılırlar. Bu sayılan malzemeler mullitin oluşması için çok yüksek sıcaklıkta
sinterlenir veya elektrik fırınlarında ergitilirler. Mullit, alümina silikat
bileşiklerinin en stabilidir. Bu refrakterler çok düşük empürite oranına sahiptirler
ve yüksek sıcaklıkta yük altında deformasyona karşı dirençlidirler.
15
Silika: Doğal olarak oluşan bir mineraldir ve yeryüzünde çok bulunur.
Kuvarsit veya silika kum topaklarından elde edilen tuğlalarda bağlanma bünyeye
katılan ve pişirme esnasında camsı faz oluşturan% 3-3,5 Civarındaki CaO ile
sağlanır. Silika tuğla oda sıcaklığı ile 500
o
C arasında çok yüksek ısıl genleşme
katsayısına sahiptir ve bu nedenle bu sıcaklıklar arasında çok yavaş bir şekilde
ısıtılıp soğutulmalıdır. Ayrıca silika refrakterler devitürifikasyona maruz
kaldıklarından kullanım sıcaklıkları 1250
o
C’u aşmamalıdır.
Silika tuğlalar 3 farklı kalitede bulunabilir
Yüksek kalitede: Çok düşük alümine ve alkali içeriğine sahiptir
Normal kalite
Kok fırını kalitesinde
Son yıllarda ergitelerek elde edilen silika (fused silika) veya amorf silika
ısıl şokların önem kazandığı uygulamalarda kullanılır. Amorf silika kristalin
silikadan çok daha düşük ısıl genleşme katsayılara sahiptir.
Yarı –silika tuğla, silisli killerden üretilir ve camsı fazlarla birbirine
bağlanmış kristobalitlerden oluşur. % 18-25 alümina ve %72-80 silika içerir. Bu
refrakter malzeme 1300
o
C’a kadar yük taşıma kabiliyeti yüksektir. Fakat normal
silika gibi 20-500
o
C arasında yüksek ısıl genleşme katsayısına sahiptir.
Silisyum Karbür (SiC): SiC, kum (silis) ve kokun elektrik fırınında
reaksiyonu sonucunda elde edilir. SiC, çok yüksek ısıl iletkenliğe sahiptir, yüksek
sıcaklıklarda yük taşıma kabiliyeti yüksektir ve ani ısı değişimlerine karşı
dayanıklıdır.
Zirkon: Doğal olarak oluşmuş bir zirkonyum silikat (Zro
2
.SiO
2
)
mineralidir. Yüksek sıcaklıklarda çok uzun sürelerde bile hacimsel stabiletesi
yüksektir. Zirkon tuğlalar zirkon’un yüksek alümina içeren malzemelerle
birleştirilip klasik olarak sinterlenmesi veya eritilip dökülmesiyle elde edilir. Eğer
zirkon refrakterler yüksek safiyette sentetik ZrO
2
’den ede ediliyorlarsa, bunlar
düşük miktarlarda kireç MgO, veya ltriyum oksit ile stabilize edilmelidir. Zirkon
tuğlaların ergime sıcaklıkları 1800
o
C ve kullanma sıcaklıkları 1480
o
C’dur. Zirkon
tuğlalar asidik karakterli refrakterlerdir. Zirkon refrakterler, ergimiş cama
dayanıklı cam tanklarının yapılında kullanılırlar.
16
Tablo 2.3. Refrakter Malzemelerin Kompozisyonu ve Bazı Özellikleri
Cinsi Kompozisyon
%
O
2
’li
ortamda
kullanma
sıcaklığı
o
C
Isıl
300
o
C
İletkenlik
800
o
C
Kkal/min
o
C
1200
o
C
197kPa’lık yük
altında
Refrakterlik,
o
C
Silika 93-96 SiO
2
1700 0,8-1,0 1,2-1,4 1,6-1,8 1650–1700
Şamot 15-45 Al
2
O
3
55-80 SiO
2
1300-1450 0.8-0.9 1.0-1.2 2.5-2.8 1250–1450
Magnezit 80-95 MgO
Fe
2
O
3
Al
2
O
3
1800 3.8-9.7 2.8-4.7 2.5-2.8 1500–1700
Kromit 30-45Cr
2
O
3
14-19MgO
10-17 Fe
2
O
3
15-33Al
2
O
3
1700 1.3 1.6 1.8 1400–1450
Krom
magnezit
>60 MgO
Fe
2
O
3
.Al
2
O
3
1800 1.9-3.5 1.4-2.5 1.8 1500–1600
2.3. Refrakterlik Isısına Göre Sınıflandırma:
Refrakterlik özelliği denilen bu ısı,, refrakter malzemenin kendi ağırlığı
altında deforme olmasızın şeklini koyup fonksiyonunu yapabileceği son sıcaklık
sınırıdır.
Bu ısının tayini için refrakter malzeme mamurundan yapılan seger
piramitleri kullanılır. Refrakter malzemeden yapılan seger piramidinin yarım
eğildiği nokta o refrakterin Refrakterlik ısısı ve özelliği olan derecedir. Kısaca SK
(Seger Konisi) veya PCE (Pyrometric Cone Equivalent) olarak gösterilir.
Yapılan bu sınıflamaya göre refrakterler:
Kalite SK Sıcaklık
o
C
Düşük 19-28 1400-1580
Orta 28-30 1580- 1770
Yüksek 30-33 1778-2000
Süper 33 üstü 2000 ve üstü
2.4. Üretim Metoduna veya Fiziksel Özelliklerine Göre Sınıflandırma
(Nihai Ürün Şekline Göre):
Bu metoda göre refrakter malzemeleri şu şekilde sınıflandırabiliriz:
17
2.4.1. Şekillendirilmiş Refrakterler:
Çeşitli şekillendirme yöntemleri ile şekil verilmiş muntazam veya gayri
muntazam şekildeki refrakterlerdir. Şekillendirme yöntemlerinden bazıları
şunlardır:
Sulu Şekillendirme: Litre ağırlığı 1850 gr/lt ve üstündeki ağırlıktaki
refrakter hamuru kalıplara (alçı olabilir) dökülerek elde edilen şekillendirme
yöntemidir. Komplike olan şekiller veya ince et kalınlığı gerektiren refrakterler
için kullanılır.
Yaş Şekillendirme: Bünyesinde %13–20 kadar su bulunan refrakter
hamurunun vakum preslerden devamlı çıkan bloktan kesilerek dikdörtgen prizma
şeklinde elde edilen refrakterlerdir veya karışık şekillen olup, çelik veya tahtadan
yapılmış kalıplara elle veya el vibratörleri ile basılmak suretiyle üretilirler.
Kalıplara yaş basılarak yapılan refrakterlerin işçilik maliyeti yüksektir.
Dolaylısıyla bu tip refrakterler sayısal olarak az ihtiyaç duyulan ve karmaşık
şekille refrakterler için uygulanır. Kalıplardan ürünün kolay ayrılması için kalıplar
açılır ve kapanır ve parçalı yapılır ve kalıp yüzeylerinin düzgün ve parlak olması
sağlanır. Ayrıca kalıp yüzeyleri her seferinde yağlanır. Yaş usulle elde edilen
refrakterlerdin yüzeyleri tam düzgün değildir, boyutları da %100 kesin olmayıp ?
toleransları vardır.
Yarı Yaş Şekillendirme: Bünyesinde % 5-9 kadar su bulunan refrakter
hamurunun toz halindeki hidrolik preslerde yüksek basınçla preslenmesi ile elde
edilen şekillendirme yöntemidir. Genellikle düz şekille ve az karmaşık
refrakterlerdin şekillendirilmesinde kullanılır. Yüzey ve ölçüler yaş usule göre
daha düzgün ve a toleranslıdır.
Kuru Şekillendirme: Bünyesinde %2-5 kadar rutubet bulunan toz
refrakter hamurunun yüksek basınçlı presler veya izostatik preslerde preslenmesi
ile çok düzgün yüzeyin ölçüleri sabit ve seri üretimi gereken düzgün şekilli tuğla
ve plakaların üretiminde kullanılır.
Ergitilerek Döküm Yolu İle Şekillendirme: Refrakter malzemelerin
ergime noktasına kadar ısıtılıp ergitilerek özel kalıplara dökülmesi yöntemi ile
şekillendirmedir. Porozitesi düşük olması gereken refrakterlerde bu yöntemi
kullanılır. Porozitenin yüksek olması cürufla temas eden yüzeyi arttırır ve cürufun
aşındırıcı özelliği refrakterlerin süratli aşınmasına sebep olur. Ergitilerek kalıplara
18
dökülen refrakterlerde porozite kalmaz ve çok yüksek sıcaklıklar ve özel
yöntemler gerekmektedir. Genellikle ark fırınlarında yapılan ergitme işlemi ile
sıvı hale gelen refrakter malzeme grafit gibi refrakterlik özelliği yüksek olan
kalıplar içine dökülür.
Bu yöntemle elde edilen refrakterlerden bazıları:
1. Yüksek alüminalı korund, mullit
2. Zr içeren ZrO
2
tuğlalar
3. MgO içeren periklas tuğlalar
4. Kromit içeren tuğlalar
Yukarıda verilen şekillendirme yöntemlerinde rutubet azaldıkça refrakter
hamur bünyesinde bulunması gereken plastik bağlayıcı kil oranı da azalmaktadır.
Böylece daha yüksek alümina yüzdesi elde etme imkânı da şekillendirmeye bağlı
olarak artabilir veya sınırlı kalkmak zorundadır.
2.4.2. Şekillendirilmiş Refrakterler:
Şekillendirilmiş refrakter özellikle malzemelerdir. Genellikle tek başına
kullanılmayıp çeşitli bağlayıcılar ile karışım haline getirilip çeşitli yerlerde çeşitli
amaçlar için kullanılır. Şekilsiz refrakterler; toz, kum, granül, iri taneli ve elyaf
(lif) şeklinde olabilir.
Pişme öncesi kırılıp pişirilebildikleri gibi refrakter malzemelerin
pişiriminden sonra kırılarak da elde edilebilir. Yüksek derecelerde pişirilen
refrakter hammaddeler küçülmesini ve bünyesindeki reaksiyonları önceden
tamamlamış bir hammadde olarak şekiller refrakterlerde kullanılarak küçülme ve
reaksiyonların meydana getirecekleri sakıncalar ortadan kaldırılmış olur ve daha
yüksek ısıya dayanıklı refrakterler elde edilmesi kolaylaştırılır.
Şekilsiz refrakterlere katılan bazı bağlayıcılar şunlardır: Kil, cam suyu,
fosforit asit, ateş çimentosu, Ca alümina çimentosu, sönmüş kireç ve dekstrin.
Şekilsiz refrakter malzemeler monolitik refrakterler olarak da adlandırılırlar.
Şekilsiz refrakter malzemeler dökülebilir, kalıplanabilir, sıvılanabilir ve
püskürtülebilir şekilde kullanılabilir. Bu refrakterler kullanıldıkları yerlerde
şekillendirilebilirler ve genellikle fırın astar tamiratlarında kullanılırlar.
Şekillendirilmemiş refrakterlerin sinterleme işlemi fırında kullanılacakları
yerlerde şekillendirildikten sonra fırın ısıtılarak yerinde gerçekleştirilir.
19
Şekillendirilmemiş refrakterler sınıfına giren diğer refrakter malzeme de
(elyaf, lif) şeklindeki ürünlerdir. Bunlar elyaf dokuma, elyaf blok. Elyaf fitil, pres
elyaf plaka ve tuğla şeklinde olabilir.
2.5. Bağlanma Yapısına veya Şekline Göre Sınıflandırma:
Bu sınıflamaya göre refrakter malzemeleri 3 sınıfa ayırabiliriz. Bunlar:
A. 150
o
C’un altında bağlanma; pişirilmemiş ürünler
— Seramik bağ (kil bağı)
— İnorganik kimyasal bağ
— Hidrolik bağ
— Organik bağ
B. 150
o
C – 800
o
C’lar arasında bağlanma, ısıl işleme tabi tutulan ürünler
— İnorganik kimyasal bağ
— Hidrolik bağ
C. 800
o
C’un üzerinde bağlanma
— Pişirme (seramik bağ)
— Füzyon ve katılaşma
2.6. Toplam Porozite Oranına Göre Sınıflandırma:
a. Yoğunluğu yüksek refrakter ürünler <%45 (hacimce)
b. Yalıtkan refrakter ürürle >%45 (hacimce)
2.7. Kullanım (Uygulama) Alanına Sınıflandırma:
Demir–çelik sektöründe, Seramik sektöründe, Cam fırınlarda, Çimento
sektöründe.
3. REFRAKTER MALZEMELERDEN BEKLENEN ÖZELLİKLER
1.Yüksek sıcaklıklara deforme olmadan, ergimeden kullanılma amacına
yönelik dayanıklılık. Sıcaklığın yanında refrakter malzemenin kullanıldığı
atmosferde refrakter malzemenin özelliklerini etkiler. Dolayısıyla malzemenin
yüksek sıcaklıklarda bulunduğu fırın atmosferinde biçimini ve rijitliğini
korumalıdır. Yani mekanik etkilere veya fiziksel aşınmalara karşı dirençli
olmalıdır.
2. Yüksek ısılarda yüklendiği ağırlığı deforme olmadan ve ezilmeden
taşımalıdır.
20
3. Termal şoklara (yani ani ısıtma ve soğutma şoklarına) dayanmalı,
ufalanmamalı, çatlayıp dökülmemelidir.
4. Devamlı doldurulup boşaltılan şarjlardan doğan sürtünmeye ve
erozyona karşı dirençli olmalıdır.
5. Bulunduğu ortamın kimyasal etkilerine direnç göstermelidir. Yani
ortamdaki korozif kimyasallara karşı dirençli olmalıdır. Pişme ve ergime sırasında
oluşan ergimiş metal, metal buharları SO
2
, SO
3
, CO, CO
2
, CO
3
gibi gazlara, su
buharı. Klor gibi malzeme ve kimyasallarını etkilerine karşı dayanıklı olmalıdır.
6. Yerine göre ısıyı izole eden, yerine göre ısıyı iyi ileten (yalıtkanlık veya
iletkenlik) gaz geçirgenliği ve geçirmezliği gibi özel istekleri karşılamalıdır.
7. Yüksek sıcaklıkta ve ısı değişimlerinde boyut değişmesi hiç veya çok az
olma gibi çok yönlü özelliklere sahip olmalıdır.
Kullanım amacına göre çeşitli refrakter bulunmaktadır. Bahsi edilen
özellerde bu değişik refrakterlerin değişik özellikleridir. Tüm refrakterler aynı
özellikte olmayıp kullanım yeri ve amacına göre gerekli olan özellikler üretim
sırasındaki özel hammadde reçete, şekillendirme ve pişirim ile sağlanır. Bu
nedenle, refrakter seçimi yapılırken aşağıdaki hususlar göz önünde
bulundurulmalıdır;
a. Refrakter malzemenin kullanılacağı yer
b. Sistem kesintili mi yoksa süreklimi çalıştırılacak
c. Sistemde kullanılacak yakıt çeşidinin refrakter malzeme üzerine etkisi
d. Fırının işletme sıcaklığı refrakter malzemenin kullanıldığı yerdeki
sıcaklık nedir ve kesintili çalışmada en yükse ve düşük sıcaklıklar ve
çalışma periyodu
e. Ergitilen malzeme. Fırın atmosferi, cüruf ve uçucu küllerin refrakter
malzeme üzerine kimyasal etkisi
f. Muhtemel mekanik zorlamalar ve bunların büyüklükleri
g. Eğer fırın tuğlaların değiştirilmesine ihtiyaç duyuluyorsa daha önceden
kullanılan refrakter malzemeler nelerdir ve kullanılan bu refrakter
malzemelerin işletme koşullarına bağlı olarak performansları nasıldır?
Refrakter malzemelerin fırınlardaki zorlanma durumları ve buna bağlı
özellikleri genel olarak tablo 3.1.’de verilmiştir. Tablo 3.1. göstermektedir ki
21
refrakter malzemelerden çok yönlü özellikler beklenmektedir. Fakat bütün
özellikleri bakımından mükemmel olan ve her ihtiyaca cevap verebilecek olan
refrakter malzeme temin etmek mümkün değildir. Bu nedenle, bütün koşullar göz
önünde bulundurularak istenen özellikleri sağlayan optimum bir seçim
yapılmalıdır.
4. REFRAKTER HAMMADDELERİ
Refrakter üretiminde kullanılan hammaddeler ikiye ayrılırlar:
1. Doğal Hammaddeler
2. Sentetik Hammaddeler
Doğal hammaddeler, doğal olarak bulundukları şekilde kullanılan
hammaddelerdir. Sentetik hammaddeler ise üretiminde kullanılacakları
refrakterlerin kullanım sıcaklıklarından daha yüksek sıcaklıklarda kalsine,
sinterleme ve ergitme (sıvalaştırma) işlemleri ile elde edilirler. Son yıllarda
yüksek safiyette birkaç sentetik hammadde yüksek performanslı refrakter talebi
arttığı için önemli hale geldi. Sentetik hammaddeler birkaç özel üretici tarafından
üretilir ve genellikle belirli partikül boyut dağılımına sahiptir veya ince toz
halindedir.
22
Tablo 3.1 Refrakter Malzemelerde İşletme Koşulları Ve Kullanma Özellikleri
İŞLETME FAKTÖRLERİ KULLANMA ÖZELLİKLERİ
Işıl zorlamalar
Fırın çeşidi
Fırın büyüklüğü
Fırın sıcaklığı
Refrakter malzemenin kullanıldığı yer
a. Çok yönlü ya da tek yönlü ısınma
b. Yüklenme ve gerilik durumu
1. Ateşe dayanıklılık
Basınçta ataşe dayanıklılık
Sıcakta burulma
Sürekli dayanıklılık
2. Sıcaklık değişimine dayanıklılık
ISITMA TEKNİĞİ İLE İLGİLİ
ZORLAMALAR
Fırın hacmindeki sıcaklık dağılımı
Birim zamandaki verilen enerji miktarı
Duvardaki sıcaklık düşüşü
Isınma ısısı, ısı transferi
Periyodik ya da sürekli olarak fırının çalışması ve
yükleme
1. Isı iletme kabiliyeti
2. Özgül Isı
3. Özgül ağırlık
4. Sıcaklık değişimine dayanıklılık
MEKANİK ZORLAMALAR
Fırın konstrüksiyonu
Isıtılacak parçaların sabit ya da hareketli olması
Parçaların fiziksel özellikleri
Parçaların fırında izlediği yol
Yanmış gazların hızı
Uçan tozların miktarı ve özellikleri
Yükleme ve boşaltma, titreşimlerden dolayı
fırındaki deformasyonlardan ileri gelen diğer
mekanik zorlamalar
1. Soğukta basma dayanımı
2. Değişik sıcaklıklarda aşınma
dayanımı
3. Sıcakta basma dayanımı
4. Toplam gözeneklilik
5. Isıl genleşme
KİMYASAL ZORLAMALAR
Fırın atmosferi
Yanma ürünü gazlar
Yanma artıkları uçan tozlar
Nem ve su buharının etkileri
Isıtılan parçaların kimyasal özellikleri
Ergitilen maddelerin kimyasal özellikleri
Cüruf ve diğer maddelerin kimyasal özellikleri
1. Kimyasal konsantrasyon
2. Gözeneklilik
3. Gaz geçirgenliği
4. Fiziksel – Kimyasal olaylara karşı
reaksiyon dayanıklılığı
23
İnce tozlardan tane üretmek için sentetik malzemeler briket halinde yüksek
sıcaklıkta (1800
o
C veya üzerinde) sinterlenir veya elektrik ark fırınlarında
ergitilir, dökülür ve kırılır. Ergitilip dökülen taneler çok düşük poroziteye (<
hacimce %3) ve iri kristal boyutlarına sahiptirler.
Refrakter endüstrisi çok çeşitli hammaddeler, bağlayıcılar ve özel ilaveler
tüketir. Hammaddelerin çoğu doğal olarak oluşan ve zenginleştirilerek kırma
işlemine tabu tutulan minerallerden oluşur. Doğal refrakter hammaddeleri
ısıtıldıklarında büyük ağırlık kayıplarına ve hacim değişikliklerine maruz kalırlar.
Bu nedenle döner şaft fırınlarda veya tünel fırınlarda ön pişirmeye tabi tutulurlar.
Tane veya grog olarak adlandırılan pişirilmiş kırılmış malzemenin normalde
gerçek porozitesi hacimce %10’nun altındadır. Ön pişirme işlemine tabi
tutulmadan kullanılabilen doğal hammaddeler Tablo 4.2.’de verilmiştir. Tablo
4.3’de ise önemli refrakter hammaddeleri tipik özellikleriyle, uygulama alanları ve
sağlandıkları kaynaklarla birlikte verilmiştir. Tablo 4.3.’de ayrıca refrakter yapıyı
oluşturan malzemeler, bağ sistemleri (kalıcı ve geçici) ve diğer bazı ilavelerde
verilmiştir.
Daha önceleri refrakter sanayine refrakter hammaddelerinin sağlanması
yerel olarak hammaddelerin teminine bağlıyken şimdilerde ise uluslar arası
düzeyde ticarete bağlıdır. Bunun bazı istisnaları vardır. Örneğin; ABD ve
Avrupa’da silika ve dolomit temini Japonya’da düşük kaliteli kil temini gibi.
En fazla tüketilen malzemeler yalnızca standart minerallerle kalmayıp aynı
zamanda içyapılara dizayn edilmiş MgO gibi ürünleri ve SiC, ZrO
2
gibi pahalı ve
yüksek performanslı ürünleri de kapsar. Şamot, boksit, magnezya, (MgO) ve
grafitin tüketimi tüm refrakterler içerisinde önemli bir paya sahiptir fakat bunların
tüketiminin düşmesi beklenmektedir. Bunun sebebi, daha gelişmiş performans
beklentisidir. Bununla birlikte, SiC, ZrO
2
gibi ürünlerin ise tüketiminin artması
beklenmektedir.
Çoğu durumlarda birbirine yapışma özellikleri olmayan refrakter
hammadde karışımları uygun bir bağlayıcı ile veya birkaç bağlayıcı
kombinasyonu ile üretim esnasında veya refrakterlerin kullanımı sırasında yeterli
dayanımı sağlayacak şekilde bağlanırlar.
24
Tablo 4.1. Bazı Refrakter Hammaddelerinin Formül, Moleküler Ağırlık ve
Ergime Noktaları.
Refrakter malzemelerde kullanılan bağlayıcı sistemleri pişirilmiş
ürünlerde kullanılan lignosulfates gibi geçici bağlardan, karbon bağlı ürünlerde
kullanılan reçine gibi bağlayıcılardan ve dökülebilir refrakterlerde kullanılan
25
kalsiyum alümina çimentosu gibi kalıcı bağlardan oluşur. (Tablo4.3. ve Tablo
4.4.)
Tablo 4.2. Refrakter Seramiklerin Üretiminde Kullanılan Temel Hammaddeler
26
Tablo 4.3 Refrakter. Malzeme Üretiminde Kullanılan Refrakter Hammaddelerin,
Bağlayıcıların ve Özel İlavelerin Kompozisyonları, Uygulama Alanları ve Temin
Edildikleri Yerler.
27
Tablo 4.4 Refrakter Hammaddelerin Üretiminde Kullanılan Bazı Önemli
Bağlayıcı (Bağlayıcılar genelde su ve diğer bağlayıcılarla kombinasyon halinde
kullanılır. Bağlayıcıların kullanılma miktarları ve bağ oluşma sıcaklıkları Tablo da
verilmiştir.)
28
Tablo 4.5 Refrakter Hammaddelerin Üretiminde Kullanılan Bazı önemli özel
ilaveler (Özel ilaveleri miktar olarak genelde %5'in altında kullanılırlar. Özel
ilavelerin kullanılma amaçlan Tablo da belirtilmiştir.)
Refrakter malzemelerde özel ilaveler (Tablo 4.5) refrakterin
işlenebilirliğini, şekillendirilebilirliğini veya refrakter yapısının modifikasyonu ve
pişmiş malzemenin özelliklerinin modifikasyonu için kullanılırlar.
Poröz hammaddeler ve seramik fiberler (lifler) ısı yalıtkan refrakterlerin
üretiminde kullanılırlar.
Refrakter hammaddeleri değişik kalite kontrol testine tabi tutulurlar. Tablo
4.6 bize killere (ve bazı refrakter hammaddelerine) ve bunlardan üretilecek
refrakter tanelerine uygulanması gereken bazı kalite kontrol testlerini vermektedir.
29
Tablo 4.6 Refrakter Hammaddelerine Ve Bunlardan Üretilen Refrakter Tanelerine
Uygulanacak Kalite Kontrol Testleri
5. REFRAKTER ÜRETİMİ
5.1. Refrakterlerin İç Yapıları:
Refrakter tuğlanın içyapısı üretildiği yönteme bağlı olarak değişmektedir.
Refrakterler; nihai bir ürün oluşturmak için oksit tozu, ince grafit tabakaları ve
polimer reçine gibi birçok farklı malzemenin birleştirilmesiyle üretilirler. Tozlar
seramik üretiminde olduğu gibi yüksek safiyette olmayabilir ve refrakterler geniş
tane boyutu dağılımına sahiptirler. Bunun sebebi, küçük mikron altı partiküllerin
birkaç mm'ye kadar varabilen büyük partiküller arasında yer alarak
densifikasyonun Büyük bir kısmının refrakter toza şekil verme esnasında
oluşmasını sağlamaktır (pişirilmemiş refrakterler %80–85 yoğunlukta olabilirler)
Pişirme esnasında çok az bir densifikasyon oluşur. Bu densifikasyon daha,
çok bir bağlanma işlemidir ki bunla bileşenlerden biri bağ vazifesi görerek, iri
taneleri bir zamk gibi birbirine bağlar. Bu bağ iki yolla sağlanabilir.
1. Kilin reaksiyona girmesi sonucu soğuma esnasında cama dönüşen düşük
miktarda bir sıvı oluşur.
2. Karbonlu yapıştırıcı ayrışarak karbon bağı oluşturur.
Pişirme esnasında ince taneli partiküller sinterlendiği halde (densifikasyon
oluştuğu halde) refrakterde meydana gelen distorsiyon ve küçülme bir bütün
olarak ele alındığında minimum düzeydedir ve hatta genişleme (şişme) meydana
gelebilir. Refrakterlerde küçülmenin minimize edilmesinin sebebi, büyük
küçülmelerden (hacim değişimlerinden) dolayı meydana gelen stresleri büyük
boyuttaki refrakterler karşılayamaz.
Böyle bir üretim metodu refrakterlerde istenen özellikleri sağlayan
genellikle yoğun porozitenin olduğu karmaşık bir içyapı kazandırır. Şekil 5.1
Killer Killer + Tane Tane
—Plastisite
—Deflocculan Davranışı
—Pişme Davranışı (küçülme,
Genleşme)
—Kimyasal Analiz
—Nem İçeriği
—Mineraloji Kompozisyon
—Refrakterlik
—Tane (Partikül) Boyutu
Dağılımı
—Tane Yoğunluğu
—Tane Porozitesi
—Kristal Büyüklüğü
—Sinterleme Davranışı
30
pişirilmiş bir refrakterin ideal olan iç yapısını şematik diagram olarak
göstermektedir. Bu yapı büyük ve birbirinden ayrı aggregate (filler) denen
refrakter tane partiküllerinden ve bunları birbirine bağlayan bir bağ fazından
(matriks) oluşur.
Şekil 5.1 Geniş Boyut Dağılımına Sahip Tozlardan Klasik Yöntemle Üretilen
Refrakter Malzemelerin İç yapılarının Şematik Diagramı.
Refrakterler uzun zaman ve yüksek sıcaklık gerektiğinden asla %100
yoğunluk e!de edilinceye kadar pişirilmezler; Aynı zamanda termal şoka dayanım
gibi bazı ezellikler istendiğinden refrakterlerde porların varlığı istenen bir
durumdur. Tipik olarak refrakterler %85 oranında yoğunluğa sahiptirler.
Mühendislik seramikleri ile refrakterler arasındaki bariz iki fark:
1. Refrakterler çok büyük tanelere sahiptirler
2. Refrakterlerde porozite yoğunluğu daha yüksektir.
Refrakter içyapılarının yaygın bir özelliği de içyapıda mikro çatlakların
bulunmasıdır. Bu mikro çatlaklar iki nedenden dolayı oluşabilir:
1.Farklı fazların ısıl genleşme uyuşmazlıklarından
31
2. Küçük partiküllerin sinterleşme sonrasında densifikasyonun ve bununda
küçük partiküller gibi hızla sinterleşmeyen büyük partiküller arasında çatlaklar
oluşturması.
Eğer bu çatlakların boyutu kritik değerin altındaysa bu mikro çatlaklar
yapıya dayanım kazandırır. Bunun sebebi mevcut mikro çatlakların çatlak
ilerleme sine direnç oluşturması sebebiyledir. Ayrıca mikro çatlaklar refrakterin
ısıl şoklara karış dayanımının artmasını sağlar.
Füzyon döküm yöntemiyle üretilen refrakter malzemelerin şematik iç
yapıları Şekil 5.2'de verilmiştir. Ergimiş durumdan kristalizasyon ve bunu takip
eden tane gelişimi birkaç mm uzunluğunda olabilen birbirine geçmiş tane yapısını
vermektedir. Bu yöntemle üretilen refrakterlerde porozite oranı düşüktür ve iç
yapıda çok az amorf faz oluşur.
Şekil 5.2 Füzyon Döküm Yöntemiyle Üretilmiş Bir Refrakter Tuğlanın İç
Yapısını Gösteren Şematik Diagramı.
5.2. Refrakter Malzeme Üretimi
Refrakter tuğlaların üretiminde füzyon döküm (elektrodöküm veya
elektrofüzyon) kullanılmasına rağmen en yaygın metot geleneksel toz prosesi
yöntemidir. Her iki yöntemde de amaç, ticari olarak makul bir maliyetle
termodinamik olarak dengeye yakın bir yapı üretmektir. Bunun sebebi ise
refrakterler yüksek sıcaklıklarda kullanıldıklarından, kullanımları esnasında
dengeye ulaşma eğilimindedirler. Refrakter mühendisinin amacı refrakter
malzemeden kullanıldığı atmosferde ve sıcaklıklarda dayanım gibi özelliklerinde
düşme elmasına rağmen ekonomik bir performans elde etmektir.
32
5.2.1. Geleneksel Toz Üretim Yöntemiyle Refrakter Malzeme Üretimi
Endüstride kullanılan refrakterlerin büyük bir bölümü doğadan alınan
hammaddelerin şekillendirilmesiyle üretilir. Doğadan alınan hammaddeler,
kırıcılardan geçirilerek istenen büyüklükte taneler haline getirilir ve daha sonra
değirmenlerde öğütülerek-ince tozlar haline getirilir. Refrakter malzeme için
gerekli konsantrasyonda harmanlama yapılır ve bağlayıcı maddeler ilave edilir.
Toz halindeki refrakter malzemelere fırın içerisinde sinterleme yapılabilir. Ayrıca,
istenilen boyutlarda kalıplar içerisinde hamur olarak konur, yüksek güçlü
preslerde sıkıştırılır, kurutulur ve pişirilir. Yapılan bu genel tanımlama klasik
seramik üretim tekniğiyle aynıdır. Refrakter malzemelerin üretiminde kullanılan
metotları daha detaylı olarak açıklarsak;
5.2.1.1 İri Tane Boyutuna Sahip Refrakter Ürün Üretimi
(genelde ? 6 mm):
Üretim prosesi aşağıdaki kademelerden oluşur.
a)Hazırlama, b)Şekil verme, c)Kurutma, d)ısıl işlem (800°C'a kadar) veya
pişirme, e)lsıl işlem sonrası işlemler ve f)Paketleme.
Kuru presleme yöntemiyle üretilmiş şamot tuğlanın üretim sırasındaki akış
diyagramı Şekil 5.3'de verilmiştir. Uniform (yeknesak) ürünler elde edebilmek
için üretim kademelerinin her biri elektronik olarak kontrol edilmektedir.
a)Hazırlama: Hammaddeler çeşitli kırıcılar kullanmak suretiyle kırılır ve
klasifikasyon işlemine tabi tutulur. Daha sonra işlenen bu hammadde bağlayıcı,
özel ilaveler ve su ile (%20'ye kadar) dökülebilir bir karışım elde etmek için bir
karıştırıcıya beslenir.'Karıştırma zamanı ve şiddetinin karışımın ve nihai ürün
üzerine etkisi büyüktür.
Karışımı oluşturan ilavelerin ve hammaddelerin partikül boyutu
dağılımlarının refrakter seramik malzemelerin özellikleri üzerine etkisi önemlidir.
Genelde 3 veya 4 farklı boyutta partiküller kullanılır. Bunlar iri, orta, ince ve çok
ince şeklinde değişiri. İnci ( <0.1.mm) ve çok inçe partiküller bunlara bağlayıcısız
karışımlarda ihtiyaç duyulur. Pişmiş ürünün matriks kısmını oluştururlar
.
33
Şekil 5.3 Kuru Presleme Yöntemiyle Üretilen Şamot Tuğlanın Akış Diagramı. (a.
hammadde stoklama, b. kil kırıcı, c. kil değirmeni, d. kurutma kulesi klasifikatör,
e. depolama siloları, f. sıvı bileşenleri karıştırma, g. iri kırıcı, h. ince kırıcı, i.
Asansör, j. elek, k. besleme silosu, I. bilyalı değirmen, m. havalı klasifikatör, n.
terazi, o. besleme silosu, p.sıvı bileşenleri besleme ayar yeri, g. karıştırıcı,
r.sürtünmeli pres, s. hidrolik pres, t. şekillendirme, u.fırın arabası, v. tünel fırın tip
kurutucu, w. tünel fırın, x.tuğla depolama/yükleme)
Matriks kısmı özellikle korozyon direncinde önemli bir rol oynar.
Refrakter malzemenin ısıl şoklara dayanımı arttırmak için iri partiküllerin
miktarını arttırmak gerekmektedir. Tablo 5.1. refrakter tuğlalar ve dökülebilir
refrakterler için tipik partikül boyutunu vermektedir.
34
Tablo 5.1. Tipik Refrakter Seramikler İçin Tane Boyutları
Refrakter Tane Boyutu % Bağlayıcı / su / ilave
1-5m 0.1-1mm <0.1mm
Silika tuğla 40 25 35 Kireç / %2 su / %1.5 sülfit
suyu
Şamot Tuğla
(kuru preslenir)
35 25 40
(kil dahil)
%15 kil / % 5 su
MgO Tuğla 45 20 35
(%10<0.06mm)
%2 su / sülfit suyu
Geleneksel dökülebilir 25 30 35 (çimento
dahil)
% 15 çimento / % 9 su
Düşük çimento
(dökülebilir)
35 25 40
(%10<0.01mm)
%5 çimento / % 5 ince oksit
tozu / % 5 su
b. Şekil Verme: Tercih edilen şekillendirme metodu dökülebilir karışımın
özelliklerine ( su içeriği ve plastiği) ve üründe aranan özelliklere, üretilecek parça
sayısına ve üretilecek şeklin kompleks olup olmamasına bağlıdır. Aşağıdaki
şekillendirme metotları kullanılabilir.
- Ekstrüzyon: Plastik karışımlar (yüksek kil içerikli ve su içeriği ? %8)
için ekstrüzyon yöntemi, kuru karışımlar ( su içeriği %2-6) için hidrolik, darbeli,
sürtünmeli ve dönen masa presleri kullanılır. Basınç normalde 10-120 N/mm
2
.
- Titreşimli Presler: Şekillendirilmemiş refrakterlerin ön üretilmiş
parçalarında kullanılır.
- İzostatik Presleme: Genelde ince taneli ve yüksek kaliteli ürünler izin
kullanılır ve basınç <300 N/mm
2
’dir. Bu yöntemle üretilen ürünler uniformdur ve
porozitesi düşüktür. Fakat üretim hızı bu yöntemde düşüktür.
- Slip Döküm: Başlıca ince seramikler, özel şekiller için kullanılır. Slipin
su içeriği %10-20’dir. Presleme sırasında bazı ürünlerde (örneğin şamot) vakum
uygulamak suratiyle havası alınır. Bu şekilde daha ders (yoğun ) bir ürün elde
edilir ve tabakalaşma riski azaltılır.
c. Kurutma: Şekillendirilmeden sonra tuğlalar kurutma odalarında veya
tünel tip kurutucularda kurutulur. Bu kurutma fırınlarının yakıtı bir pişirme fırının
artık ısısı olabilir. Sadece tamamen kurutulmuş şekiller bir çatlama tehlikesi
olmadan pişirilebilir, kurutma işlemek tuğla boyutuna ve karışımın kurumaya
35
karşı hassasiyetine bağlı olarak birkaç günden birkaç haftaya karar sürebilir.
Büyük şekillerin kurutulmaları, kurutma havasının nem içeriği kontrol edilerek
kurutulur.
d. Isıl İşlem: Kimyasal (fosfal), organik ve hidrolik bağlı şekillen genelde
600
o
C’a kadar ısıtılırlar. Bunun nedeni:
1. Hidrat şeklindeki suyu uzaklaştırmak.
2. Kimyasal bağın güçlenmesini sağlamak
3. Uçucu organik bileşenleri uzaklaştırmak
e) Pişirme: Pişirme sonucunda, refrakter malzemelerde; reaksiyonların,
yeniden kristalleşmelerin veya sıvı fazın oluşması neticesinde, karakteristik bir
seramik içyapısı gelişir. Pişirme sıcaklığının arttırılmasıyla porozite
miktarı azalır fakat kristal boyutları ve dayanım artar. Pişirme
neticesinde meydana gelen küçülme ve genleşmelerle refrakter tuğlanın boyutları
değişir. Bu durumda kalıplar hazırlanırken genleşmenin göz önünde
bulundurulması gerekir. Pişirme sıcaklığı, belirtilen boyutsal toleransları
aşmayacak şekilde belirli bir sıcaklıkla limitlendirilmelidir.
Pişirme için çok çeşitli fırınlar kullanılabilir (çember fırın, tünel fırın gibi)
ve yakıt olarak gaz ya da petrol kullanılabilir. Bazı refrakter tuğla çeşitleri için
pişirme sıcaklıkları ve enerji ihtiyaçları şu şekildedir;
Malzeme Pişirme Sıcaklığı (°C) Enerji İhtiyacı (kj/kg)
Şamot tuğla 1250–1500. 3500
Silika tuğla 1450–1500
Yüksek aiimüna içerikli tuğla 1500–1800 ? 1600°C, 6000 kj/kg
MgO tuğla 1500–1800 ? 1800°C, 10.000 kj/kg
f. Isıl İşlem Sonrası İşlemler: Özel uygulamalar için, pişirilmiş tuğlalar
(özellikle büyük şekiller veya bloklar) yüksek boyutsal hassasiyete ulaşmak için
kesilirler veya zımparalanırlar.
Cüruf direncini arttırmak için, çelik endüstrisinde kullanılan bazik tuğlalar
vakum altında katran, zift veya reçine ile doyurulurlar.
Yalıtkan Refrakter Ürünler ve Porozitesi Yüksek, Refrakter Seramik
Üretimi:
36
Refrakterlerde yüksek porozite elde edebilmek için (>%45) dört ayrı
strateji izlenebilir;
1. Yanıcı veya uçucu maddelerin karışıma ilavesi (talaş tozu, kok,
granüle plastik),
2. Poroz hammaddelerin kullanılması (diatomit, perlit, gibi);
3. Gaz üreten katkılarla köpük oluşturulması (metal tozlan),
4. Stablize edilmiş köpüklerin ilavesi.
Yalıtkan tuğlaların birçoğu yanıcı ilaveler ile üretilen preslenmiş şamot
ürünlerdir. Şekillendirilmemiş yalıtkan refrakter ürünler yalnızca poroz
hammaddeleri içerirler.
5.2.1.2 İnce Tane Boyutuna Sahip Refrakter Seramik Üretimi
Bu tip refrakter malzemeler özel amaçlar maksadıyla düşük oranlarda
kullanılır. Bunlar genelde spesifik şekillerde, düşük miktarlarda tüketilirler
(örneğin; tüpler, potalar, tabaklar vb.). Bu tip refrakterler çok düşük poroziteye
sahiptir.
Bu tip refrakter malzemelerin üretimleri için iri taneli refrakter malzeme
üretiminde kullanılan hammaddelerin çok ince boyutta ve yüksek saflıkta olanları
kullanılır. Bununla birlikte, diğer oksit tozları veya. oksit olmayan tozlarda
kullanılabilir. Bunları üretmek için özel prosesler ve toz metalürjisi yöntemleri
kullanılabilir. Şekillendirme genelde slip döküm ve izostatik presleme ile yapılır.
Sinterleme, 1450-1900°C' larda yapılır. Pişme sırasında küçülme olabilir (%25'e
kadar lineer küçülme). Daha sonra zımparalama ile hassas boyutlara ulaşılabilir.
Yoğun, ince taneli refrakter ürünler ısıl şoklara karşı çok hassastır.
5.2.1.3 Ergiterek Döküm Yoluyla Üretilen Ürünler (Fused
Casting/Electrocast/ Eiectrofused)
Metallerin aksine, ticari olarak seramik malzemeleri ergiterek elde etmek
(üretmek), aşağıda verilen nedenlerden dolayı pek geçerli bir yöntem değildir.
Bunun nedenleri;
1. Seramikler yüksek erime sıcaklıklarına sahiptir,
2. Üretim için özel bir yüksek sıcaklığa dayanıklı kaba (yere) gereksinim
vardır,
3. Yüksek küçülme oranlarına sahiptirler,
37
4. Bazı seramikler (Si
3
N
4
gibi) ergimeden önce dekompoze olurlar.
Bununla birlikte, bazı şekillendirilmiş seramik parçalar, özellikle refrakter
bloklar ve tek kristaller, ergitme yöntemi ile üretilirler ve bazı tozlar (kahverengi
ve beyaz ergitilmiş alimüna gibi) ergitilip dökülmüş malzemenin kırılmasıyla elde
edilirler. Tozların füzyonla üretilmesinin yanında, bloklarında bu yöntemle
üretilmelerinin nedeni, uzun ve kontrollü soğutma evrelerini kullanarak bloklarda
oluşan stresleri azaltmak içindir.
Füzyon döküm tekniği ile üretilen refrakterler geleneksel yöntemlerle
üretilen refrakterlerden birkaç daha pahalıdırlar. Bunun nedeni füzyon döküm
yöntemi enerji yoğun bir prosestir. Fakat bu teknikle üretilmiş refrakterler termal
şoklara çok hassas olmalarına rağmen, gelişmiş içyapılara ve özelliklere
sahiptirler. Füzyon-döküm tekniğiyle üretilmiş bir refrakterin tipik bir iç yapısı
Şekil 5.2'de görülmektedir. Ergimiş sıvıdan kristalizasyon ve tane gelişimi birkaç
mm uzunluğunda olabilen, birbirine kilitlenmiş tane yapısını oluşturur. Bu
yöntemle üretilen refrakterlerde porozitenin çok düşük seviyelerde olması ve
camsı faz oranının küçük olması, bu refrakterlerin yüksek kimyasal direncin önem
kazandığı yerlerde kullanılmasına imkan tanır. (cüruf / ergimiş sıvı geçirgenliği –
bu iş yapı tarafından sınırlandırılır) örneğin; bu tip refrakterler oldukça korozif
olan ergimiş silikaya karşı dirençli olduklarından cam ergitme tanklarında
kullanılırlar. Burada kullanılan kompozisyon AZS (Al
2
O
3
-ZrO
2
-SiO
2
) sistemine
dayanır. Bu yöntemle üretilen refrakterlerin çoğu Al
2
O
3
- ZrO
2
-SiO
2
– (Cr
2
O
3
)
sistemine aittir. Diğer önemli füzyon refrakter kompozisyonları şunlardır; silika,
mullit, MgO, zirkon, alümina, magnezya – krom ve ? - alüminadır.
İnce öğütülmüş hammaddeler (alimüna, zirkon, ZrO
2
, krom cevheri, krom
oksit ve özel ilaveler) bir elektrik ark fırınında ergitilir ve kum veya grafit kalıba
dökülür. Bu yöntemle üretilen şekillerin boyutları küçük parçalardan, uzunluğu
1m veya daha çok olan bloklara kadar değişir.
Daha yavaş veya daha hızlı soğutmanın sonucunda bir fused-döküm
tuğlanın karakteristik texture yapısı gelişir. Bu yapı yoğun bir yapıdır (pratik
olarak açık porozite içermez) ve kristalin mineral fazlar arasında bağ yapısı
mevcuttur (intercrystalline bonding of the mineral phases). Füzyon-döküm
yöntemiyle üretilmiş AZS tuğlalar yüksek oranda camsı faz (%20) içerir fakat bu
38
camsı fazın bağ-fazı fonksiyonu yoktur sadece basit olarak kristaller arasındaki
boşlukları doldurur.
Bu yöntemle üretilen refrakterler yoğun bir yapıya sahiptirler. Bu özellik
bunların dayanımlarının ve korozyon, erozyon dirençlerinin yüksek olasına yol
açar. Bu refrakterlerin dezavantajları, düşük termal şok dayanımları ve soğuma
sırasında oluşan segregasyon ve küçülmeler (controction) sebebiyle oluşan yapısal
inhomojenitedir. Bazı Füzyon-döküm yöntemiyle üretilen refrakterlerin özellikleri
Tablo 5.2'de verilmiştir.
39
Tablo 5.2 Füzyon Dökümle Üretilmiş Refrakterlerin Özellikleri
40
5.2.1.4 Seramik Fiber (elyaf) Ürünler
Fiber nedir? Fiberler, polikristalin veya amorf seramik çubuklardır ve
uzunlukları çaplarının en az 10 katı kadardır, çapları 250 ? m'den daha azdır.
(İnsan saçının çapı yaklaşık 50 ? m'dir).
Yapılan bir başka tanımlamaya göre seramik fiberler, ı'sf yalıtkan
malzeme olarak kullanılabilen sentetik mineral fiberlerdir ve alkali veya toprak
alkali metal oksit içerikleri ağırlıkça %2'den azdır. Çoğu seramik fiberler amorf
veya kristalin alimüna silikatlar ve kristalin korund'dur. Fiberler;
1. Amorf Refrakter Seramik Fiberler: Alumina içerikleri %45-60'dır.
Alimüna silikat hammaddelerinin (örneğin kalsine edilmiş kaolin) veya silika ve
kalsine edilmiş aluminanın füzyon-döküm yöntemiyle elde edilirler. ZrO
2
, Cr
2
O
3
,
B
2
0
3
ve diğer bazı ilavelerle fiberin özellikleri değiştirilir. Ergimiş, akıcı-sıvı;
yüksek hızlı hava ve/veya buhar kullanılarak, çarpma yöntemiyle veya aşağıya
doğru dönen tekerlekler üzerine akış yöntemiyle fiber şekline inceltilebilir.
2. Polikristal Fiberler; % 62-100 Al
2
O
3
içeren bu fiberler alimüna
tozlardan, kolloidal silika vb.'lerden sol-jel yöntemiyle üretilirler. Fiber
üretildikten sonra kurutulur ye kalsine edilir. ZrO
2
gibi diğer oksit tip fiberlerde
aynı yöntemle üretilir. Bu fiberler oldukça pahalıdır. Maliyeti düşürmek için
polikristalin fiberler düşük maliyetli amorf fiberlerle karıştırılır.
Fiberler bağlanmamış gevşek bir şekilde kullanılabilir veya fiber herhangi
bir esnek veya rijit bir şekle dönüştürülebilir. Battaniyeler ve tekstiller air-laid
sistemiyle yapılmış ürünlere örnektir. Fiberler özel şekillere dönüştürülerek
kullanılabildikleri gibi (örneğin vakum döküm yöntemiyle, seramik fiber organik
ve inorganik bağlayıcıların ve fıllers ilavesi ile su kullanılarak çamur haline
getirilir ve vakum altında kalıplara dökülür) şekillendirilmemiş refrakter olarak da
kullanılırlar (dökülebilir, püskürtülebilir).
Seramik fiber ürünler çok düşük hacim yoğunluğuna, (0.05-0.3 g/cm
3
yani
porozite>%90) ve genel olmamakla birlikte düşük ısıl iletkenliğe sahiptir.
Yalıtkan tuğlaların aksine seramik fiber ürünlerin ısıl iletkenlikleri yoğunluğun
artmasıyla azalır. Seramik fiberlerin ısıl iletkenlikleri, yalıtkan tuğlalarla
41
karşılaştırıldıklarında, artan sıcaklıklarda daha çok artar. Isıl şoklara karşı
dayanımları ise oldukça yüksektir.
5.3. Refrakter Tuğla Boyutları ve Boyutsal Toleranslar
Genel kullanıma ait tuğla boyutları (dikdörtgen tuğlalar, kemer
tuğlaları^paralel olmayan arkalıklar gibi) uluslararası standartlara tabidir (ISO
5019/1-6). Standart dikdörtgen tuğla boyutları şöyledir;
1. 230 mm x 111 mm x 64 veya 76mm
2. 250 mm x 124 mm x 64 veya 76mm
Bununla birlikte fırınlarda kullanılan birçok standart olmayan şekiller
vardır. Bunlar bazı özel fırınlar ve uygulamalar için kullanılır (örneğin
nozüllerde). Bazı şekillendirilmiş tuğla çeşitleri Şekil 5.4'de verilmiştir.
Boyutsal toleranslar değişik referans kitaplarında tarif edilmiştir. Refrakter
malzemenin yapısına, üretim metoduna ve uygulanacak alana bağlı olarak tipik
spesifikasyonlar şöyledir;
1. Boyutsal hassasiyet max.: % 1-2.5 (min. 2-3 mm.)
2. Max. çarpıklık (warpage): % 1.5
3. Max. taper
± 1 mm radyal yükseklik için < 250 mm.
± 2 mm radyal yükseklik için > 250 mm.
İşlenen tuğlalar (zımparalanarak düzenlenen) ve bloklar 0.1 mm'lik bir
boyutsal hassasiyet kazanırlar.
42
Şekil 5.4 Amaç ve Kullanım yerine Göre Ateş Tuğlaları.
43
5.4. Kalite Kontrol
Kalite kontrol sistemleri istatistiksel proses kontrolün yanında başarısızlık
modu analizleri sonuçlarıyla tamamlanmış, desteklenmiş İSO 9000–9004
sistemine dayanır. Kalite kontrol, hammaddelerin tesliminden bitmiş ürünlerin
nakliyesine kadar üretim prosesindeki bütün adımlarla bütünleşmiştir.
Numune hazırlama ve uygun test koşulları ISO 5022 (şekillendirilmiş
ürünler için) ve ISO 8656-1 (şekillendirilmemiş ürünler için) de tanımlanmıştır.
Tahribatsız yollarla inceleme (görsel değerlendirme) sadece "iyi" veya "kötü"
şeklinde bir sonuca vardırır. Değişkenlerin veya özelliklerin daha detaylı bir
şekilde değerlendirilmesi ölçülebilen özelliklerin elde edildiği tahribatlı
muayeneyi gerekli kılar. Bu testler temel olarak kimyasal niteliktedir ve normalde
üçten fazla fiziksel karakteristiği içermez (açık porozite, oda sıcaklığında dayanım
ve sıcak dayanım veya yük altında refrakterlik).
6. RERAKTER MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ VE TEST
ETME
Refrakter ürünlerin özellikleri genel olarak kimyasal kompozisyonları ve
yapıları tarafından: belirlenir. Burada belirtilen yapı terimi/refrakter malzemeleri
oluşturan bileşenlerin-tipini, miktarını, boyutunu, şeklini ve düzenini
belirtmektedir. Yani refrakter malzemeyi oluşturan mineraller ve bunların partikül
boyut dağılımı refrakter malzemelerin özelliklerini etkiler. Partikül boyutları 6
mm'den 74 ? m'nin altına kadar değişir. Pişme esnasında ince taneler daha büyük
taneler arasında seramik bağ oluştururlar. Refrakter seramikler genellikle 3"
yapısal element içerir: İri taneler, yapıştırıcı (bağlayıcı) matriks ve porlar.
Refrakter malzemelerde istenen özellikler, çoğu standart haline getirilmiş
olan çeşitli testler uygulanarak araştırılır. Elde edilen değerler uygulanan test
metotlarına bağlıdır. Tablo 6.1'de refrakter malzemelere uygulanan bazı önemli
test metotları verilmiştir. Tablo 6.2'de ise pişirilmiş refrakter tuğlaların bazı tipik
fiziksel özellikleri verilmiştir.
44
Tablo 6.1. Refrakter Seramik Malzemelerin Test Edilen Karakretistikt Özellikleri
45
Tablo 6.2. Bazı Pişirilmiş Refrakter Tuğlaların Fiziksel Özellikleri
Belirli spesifik testlerin belirli refrakterlere uygulanması daha yararlı
olduğu halde aşağıda verilen test metotları genel olarak bir çok refraktere
uygulanır. Özellikle belirli bir özellik test edilecekse bu test ayrıca
uygulanmalıdır.
6.1 Porozite
Tuğla içindeki gözenek hacminin malzeme hacmine oranı % por oranını
verir. Seramik malzemeler içinde iki tür porozite olabilir. Bunlar;
a. Görünür veya açık, porozite: Yüzeyle bağlantısı olan porlara denir.
Malzemedeki mevcut açık porların toplam malzeme hacmine oranı ile bulunur.
b. Kapalı porozite: Yüzey ile bağlantısı olmayan porlardır. Malzemedeki
mevcut kapalı porların toplam malzeme hacmine oranı ile bulunur.
Görünür porozite ile kapalı porozitenin toplamı malzemedeki gerçek veya
toplam poroziteyi verir.
Seramik malzeme sinterlenmeden önce malzemede mevcut bütün porlar
açık porlardır. Fakat malzeme sinterlendiğinde açık porların hacmi azalır ve çoğu
46
açık por kapalı pora dönüşür. Ham malzemedeki porların yapısının pişirilmiş
malzemedeki porların yapısı üzerine etkisi büyüktür.
Görünür porozitesi düşük olan refrakterler, cürufun ve fluks'ın refraktere
sızmasına karşı daha dayanıklıdır. Ayrıca korozyana ve erozyona karşı da daha
dayanıklıdırlar.
Isıl iletkenlikte poroziteden etkilenir. Tipik olarak yalıtkan refrakterler
daha çok poroziteye sahiptirler. Bunun nedeni porların düşük ısıl iletkenliğe sahip
olmaları nedeniyledir.
Refrakter malzemenin gözenekliliği azaldıkça, cüruf ya da fırın gazları
içersindeki tozlara 'dayanıklılığı o nispette artmaktadır.
Refrakter malzemenin dayanımı refrakter malzemedeki por miktarı
azaldıkça artar.
Birçok refrakterin görünür porzitesi %20–30 arasında değişir. Refrakter
malzemede gözenikliliği azaltmak daha yüksek basınçlı hidrolik presler
kullanmakla mümkündür. ... Gözenekliliğin azalmasıyla, özgül ağırlıkta.artar.
Hafif şamot tuğlalarda gözeneklilik %50-70, özgül ağılık 1 t/m
3
'tür. Normal şamot
tuğlada gözeneklilik %25, özgül ağırlık ise 2,25 t/m
3
kadardır.
Porozite Ölçümü: Seramik malzemelerde açık porlar genellikle cıva
porozimetresi kullanılarak ölçülür. Kapalı porlar ise açık porların miktarı
bulunduktan sonra matematiksel olarak hesaplanır veya mikroskopla parlatılmış
kısımlar yahut kırılmış yüzeyler incelenerek hesaplanabilir. Kantitatif porozite
ölçümleri stereolojik teknikler kullanılarak yapılabilir.
Normal Suyla Ölçüm: Malzemeyi temsil eden 40-50 gr kadar bir numune
tuğla alınır ve yüzeyi zımparalanır. 110°C' da yaklaşık 2-3 saat kurutulur ve
hassas bir şekilde tartılır (Wd). Daha sonra seramik suya batırılır ve suda askıda
olduğu halde tartılır (Ws). Daha sonra numune sudan çıkarılarak tekrar tartılır
(Ww).
Burada tamamen Archimed kanunu uygulanır. Yani cisim sıvıya
batırıldığında ona sıvının uyguladığı bir kuvvet vardır, (diğer bir deyişle, sadece
katıyı yukarıya doğru itiyor, boşlukları itmiyor) Görünür porozite şu formülle
bulunur;
47
D
S
Ww Wd
Görünür Porozite
Ww Ws
B
Gerçek Porozite Gerçek yoğunluk veya özgül ağırlık
B Hacimyoğunluğu
W
B
Ww W
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
??
Civa porozimetri cihazı kullanılarak ölçüm: Alınan numune
kurutulduktan sonra su veya hava geçirmez bir kaba konur. Kabın tamamen
havası boşaltıldıktan sonra bir miktar cıva ile doldurulur. Daha sonra artan
miktarlarda cıvaya basınç uygulanır. Her basınç artışında numune ve civanın
hacmi ölçülür. Düşük basınçlarda cıva sadece büyük porlara gireceği için hacim
değişikliği küçük olabilir.
Modern cıva porozimetreleri bilgisayarla bağlantılıdır ve por boyutunun
basınca, por yüzey alanın basınca, % porozitenin vs. ilişkisini hesaplayan
programlar ile donatılmıştır.
Şekil 6.1. Silikon nitrürün çeşitli aşamalardaki civa porozimetresi ile ölçüm
sonuçları
6.2. Bulk (Hacim) Yoğunluğu
Refrakter malzemelerin ne kadar ısı depolayabileceğini hesaplayabilmek
için bulk yoğunluğunun bilinmesi gerekmektedir. Bulk yoğunluğu şöyle tarif
edilir;
48
Bulk Yoğunluğu = Kütle/Bulk Hacmi = Kütle (Katı Hacmi+Porozite
Hacmi), (gr/cm
3
) Malzemenin yoğunluğunu birkaç faktör etkiler. Bunlar,
1. Elementlerin boyutu ve atomik ağırlığı,
2. Kristal yapıdaki atomların paketlenme sıklığı
3. Mikro yapıdaki porozite miktarı,
Malzemenin yoğunluğundan bahsederken farklı terimler kullanılabilir.
Bunlar; kristallografik yoğunluk, teorik yoğunluk, hacim yoğunluğu, özgül
ağırlık, relatif yoğunluk. Bunların her biri farklı manalar ifade etmektedir. Relatif
yoğunluk; hacim yoğunluğunun teorik yoğunluğa oranı olarak tanımlanır ve
genelde % teorik yoğunluk olarak ifade edilir.
Seramik malzemelerin birçoğu birden fazla faz içerir. Bu fazların her birini
kristallografik yoğunluğu farklıdır ve genel bir kristallografik yoğunluk kavramı
bu karışık fazlar ve porları içeren malzeme için uygun bir bilgi vermez. Bu
durumda hacim yoğunluğundan bahsedilir.
Hacim yoğunluğunun bilinmesi porozitenin hesaplanabilmesi, refrakter
astarının ağırlığının hesaplanması, depolanacak ısı miktarının hesabı vb. için
gereklidir. Hacim yoğunluğu malzemenin teorik yoğunluğundan etkilenir.
Refrakter seramik malzemelerin yoğunlukları 2.2 gr/cm
3
(fused silika) 5.9 gr/cm
3
(ZrO
2
) arasında değişir.
Porozite ile relatif yoğunluk arasında direkt bir ilişki vardır. Relatif
yoğunluk artarsa malzemenin porozitesi düşük demektir. Dolayısı ile porozite için
bahsedilen özellikler hacim yoğunlu için de geçerlidir. Örneğin malzemenin
hacim yoğunluğu düşükse ısıl iletkenlik düşük, yalıtkanlık ise yüksektir.
Belirli boyutlara sahip refrakter astarının ısı depolama kabiliyeti direkt
olarak malzemenin hacim yoğunluğuyla orantılıdır. İyi bir yalıtkan refrakter
malzemeyi (yani düşük hacim yoğunluğuna sahip) istenilen sıcaklığa getirmek
İçin daha az, ısıya gereksinim, vardır.
Seramik malzemelerin teorik yoğunluğu direkt olarak piknometre cihazı
ile ölçülebilir. Bunun için malzeme toz haline getirilir ve kapalı porlar elimine
edilir. Buna toz yoğunluğu da denir. Hazırlanan toz, hacmi bilinen bir piknometre
şişesine konur ve tartılır. Daha sonra içine sıvı eklenir ve partiküller arasında veya
partiküllerin yüzeyinde adsorplanan hava kabarcıklarını uzaklaştırmak için ısıtılır.
Bu sistemde sadece sıvı ve katı hacimlerinin kalması için şişe tekrar tartılır. İkisi
49
arasındaki fark sıvının hacmini verir. Daha sonra elde edilen bu hacim piknometre
şişesinin hacminden çıkarılır ve tozun hacmi bulunur.
Seramik malzemenin hacim yoğunluğunun hesaplanmasında en fazla
kullanılan metot civanın hacim değişimine dayanır. Bu metotta belirli çap ve
kalınlıktaki numuneler ilk önce kurutulur. Kurutulan numune tartılır (W
S
).
Ağırlığı bilinen civa ölçüm cihazında tartı kefesine konur. Numune tutucu
indirilerek civanın yüzeyine tam temas ettirilir ve bu durumda ağırlık kaydedilir
(W
M
). Numune civanın içerisine konularak numune tutucu vasıtasıyla civanın
içine daldırılır ve bu durumda ağırlık kaydedilir (W
M
+ s). W
M
ile W
M
+ s
arasındaki fark yer değiştiren civanın ağırlığına eşittir. Bu ağırlık farkından ve
civanın yoğunluğundan (
M
? ) faydalanılarak aşağıdaki formülle malzemenin bulk
yoğunluğu bulunur (
S
? ).
SM
S
M S M
Wx
WW
?
?
?
?
?
6.3. Soğuk Ezme Dayanımı
Bu test inşaat tuğlalarına uygulanan basma dayanımı ile aynıdır. Fakat
refrakter tuğlalar daha pahalı olduğu için deneyler daha az sayıda numuneler
üzerinde yapılır (10 yerine 5 veya 3 ).
Soğukta basınç mukavemet değeri malzemenin sinterleşme derecesini
gösterir. Pişmiş tuğla yüzeyinin cm
2
' sine yapılan basınç kuvveti ile ölçülür ve
kg/cm
2
olarak ifade edilir. Tuğlaların üretimi sırasında maruz bırakıldıkları
presleme basıncı, iyi pişirme ve tuğla kalitesi ile yakından ilgilidir. Soğukta
basınç mukavemeti değerine; hammaddenin karakteristiği, tane dağılımı ve
pişirilme sıcaklığı etki eder:
Bu testin yapılış, nedeni refrakter malzemenin taşınması sırasındaki ve
düşük sıcaklıktaki darbe ve aşınma dayanımlarını ölçmektir. Örneğin; fırın
örüldüğünde refrakterler dayanabilecek mi? Bu testin sonuçları malzemenin
kullanım sıcaklığındaki dayanımı hakkında bir fikir vermez. Fakat iyi kalite
tuğlaların yüksek ısı altında yüksek basınca dayanabilmesi (yüksek, sıcaklıklarda
uzun ömürlü olabilmesi) için bu tuğlanın soğukta yüksek bir basınç mukavemeti
göstermesi gerekir.
50
Refrakter: malzemelerin soğukta ezme dayanımına, yapının dokusu ve
gözenek miktarı oldukça fazla etki edebilir. Kural olarak camsı fazın miktarının
yükselmesiyle dayanım artar. Alışılmış tarzdaki üretimde ulaşılan basma
dayanımı değerleri fırın içerisinde kullanım için yeterlidir. Taşıma esnasında
kayıpları önlemek için en azından 3 MPa dayanım gereklidir. Ayrıca, eğer
refrakter malzeme bir itme fırınında ya da makara tabanlı fırında taban kaplama
malzemesi olarak kullanılıyorsa, soğukta basma dayanım değeri, bir ölçüde
aşınma dayanımı için de esas teşkil eder. İlk yaklaşım olarak, mekanik dayanım
ve aşınma direnci yaklaşık 1000°C'a kadar durumunu korur. Daha yüksek
sıcaklıklarda camsı fazın artmasıyla birlikte aşınma dayanımı azalır.
Hassas seramik teknolojisine göre üretilen ateşe dayanıklı oksit ve
bağlantılarının basma dayanımı, ince taneli olmalarından ve bu malzemelerde çok
az gözenek bulunmasından dolayı oldukça yüksektir.
6.4. Refrakterlik (Yumuşama Sıcaklığı)
Refrakter malzemenin en önemli özelliğidir. Refrakterlik değeri, refrakter
malzemenin yumuşamaya veya deformasyona başladığı sıcaklığı gösterir.
Refrakter malzemeler için net bir ergime sıcaklığı noktası yoktur. Çünkü bu
malzemeler çok bileşenli malzemelerdir. Sıcaklığının artmasıyla refrakter
malzemelerde boy kısalması ve daha sonra da yumuşama görülür. Yumuşayan
refrakter malzemenin sıcakta dayanımı çok azalır ve sıfıra yakın bir değere düşer.
Bu olayların meydana geldiği sıcaklık ne kadar yüksekse refrakter malzeme o
kadar iyidir. Refrakterlik değeri mekanik mukavemeti göstermez.
Şekil 6.2 Fırında Seger Piramitleri.
51
Şekil 6,3’te ise SİO
2
ve Al
2
O
3
karışımı ile elde edilen refrakter
malzemelere ait denge diyagramı ve malzeme grupları görülmektedir. % 4–12
AI2O3 konsantrasyon aralığında, ötektik noktadan dolayı ergime sıcaklığı çok
düşüktür ve bu malzemeler fırınlarda kullanılmazlar.
Tablo 6.3. Önemli Refrakter Malzemeler, Konsantrasyon ve Özellikleri
52
Şekil 6.3. SiO
2
– Al
2
O
3
Denge Diyagramı
Konsantrasyon Refrakter cinsi Seger piramit no
% 1-5 Al
2
O
3
Silika 32-34
% 12-22 Al
2
O
3
Asit şamot 27-29
% 22-32 Al
2
O
3
Yan asit şamot 30-32
% 32-45 Al
2
O
3
Bazik şamot 35-38
% 45-66 Al
2
O
3
Silimanit 35-38
% 66-78 Al
2
O
3
Mullit (SAiPg.SiC^) 39
% 78-94 Al
2
O
3
Korund 39-42
% 94-100 Al
2
O
3
Monofrax 45
Bilhassa alümina silikat refrakterler için çok önem taşıyan bu testte ısıtma
yavaş yavaş yapılmalıdır. Deney likit gaz ve oksijen gazı ile gaz fırınında yapılır,
önce yumuşar sonra ısıtma 1000
o
C'a kadar 10°C/dk. 1000°C'nin üstünde ise 1–
5°C/dk. hızla yapılmalıdır. Sağlıklı sonuç almak için deney en az iki defa
tekrarlanmalıdır.
Oldukça yüksek miktarda SiO
2
ihtiva eden, ötektik altındaki karışımlar
çok az miktarda bağlayıcı ile kullanılırlar ve bu refrakterlere silika adı verilir. Bu
malzemeler yaklaşık 1550°C'a kadar rintliklerini korurlar ve ergime sıcaklığına
yaklaşıldığında ancak yumuşama gösterirler (Şekil 6.3). Buna karşılık %12-45
arasında Al
2
O
3
ihtiva eden, ötektik üstü karışımlar Şamot olarak adlandırılırlar ve
53
yumuşama olayı konsantrasyona bağlı olarak 1200-1300° C sıcaklıklarında başlar
ve sıcaklık artıkça boy kısalması giderek artar ve 1300-1600° C arasında ergimeye
ulaşır (Şekil 6.3). Şamot ve silika refrakterler endüstri fırınlarında en çok
kullanılan sıcaklığa dayanıklı malzemelerdir. Fiyatları da diğer refrakterlere
nazaran daha ucuzdur.
Refrakterlerin yumuşama sıcaklığına; karışımın konsantrasyonu dışında,
refrakterin üretim şekli ile ilgili olan gözeneklilik ya da özgül ağırlık ve fırın
içerisinde refrakterin maruz kaldığı, basınç gibi, çalışma koşulları da etkilidir.
Günümüzde refrakterlerin yumuşama sıcaklığı ile ilgili iki tür standart mevcuttur;
1. Amerikan standardında PCE ( Pyrometric Cone Equevalent)
2. Alman standardında SK ( Seger Kegel)
Bu nedenle koni numaralarına karşılık gelen sıcaklık değerleri de farklı
olmaktadır.
6.5. Yük Altında Refrakterlik (Yük Altında Yumuşama Sıcaklığı)
Yük testinde ısıtma periyotları sırasında meydana gelen değişiklikler
nadiren kaydedildiği için bu test, yük altında yumuşama sıcaklığı testiyle veya
sürtünme testiyle değiştirilmiştir.
Refrakter tuğlalar yüksek sıcaklıklarda yük altında mukavemet ihtiyaç
duyarlar. Bunun sebebi; gerçek kullanımda refrakterlerin hepsi az veya çok bir
yüke maruz kalırlar. Fiziksel olay olarak adlandırılan, malzemenin yük altında
yumuşamasına veya yük altındayken yumuşamanın başladığı sıcaklığa yük altında
refrakterlik denir. Yüksek sıcaklık çalışmalarında yük altında refrakterlik
değerinin göz önüne alınmasında fayda vardır. Yük altında refrakterlik özellikle
ergime ve yumuşama noktalan birbirinden farklı refrakterlere uygulanır Yük
altında refrakterliğe etki eden faktörler; hammaddenin özelliği, tane boyu dağılımı
ve malzemenin pişme sıcaklığıdır.
Yük altında refrakterlik testi, pişmiş refrakterlerin sabit basınç altında ve
yükselen sıcaklıkla yumuşama durumunun gelişimini belirlemek için uygulanır.
Yük altında yumuşama durumu, saf malzemelerin ergime aralığını belirtmez.
Fakat yük altında yumuşama sıcaklığı malzemenin bileşimi ve düşük ergime
noktalı katkı maddelerinin dağılma derecesi tarafından etkilenir. Her refrakter
tuğlanın kendine özgü yumuşama eğrisi verir.
54
Yük altında yumuşama eğrileri, numunelerdeki lineer genleşmeyi ve
yükleme plakalarında buna uygun yükselmeyi ve sonunda numunelerde kısalma
olayını gösterir. Yük altında yumuşama sıcaklığına porozite ve pişirme sıcaklığı
da etki eder.
6.6.Yük Testi
Refrakterin yüksek, sıcaklıklarda dayanabileceği yük derecesini gösteren
bir testtir: En yaygın metot şu şekilde uygulanır: tuğla bir ucu üzerine yerleştirilir
ve 170 kPa (25 psi)'lık dikey bir yük uygulanır. Refrakter maksimum sıcaklığa
çıkartılır ve burada 90 dk tutulur. Testten önce ve sonra yapılan ölçümlerle oluşan
çökme bulunur.
6.7. Sabit Sıcaklık Testi
Bu test birçoğu tarafından yük altında yumuşama sıcaklığı testine tercih
edilir. Bu testte yük altında yumuşama sıcaklığı testinde olduğu gibi aynı test
düzeneği ile gerçekleştirilir. Fakat burada sıcaklık 1400, 1500 veya 1600° 'a-
ulaştığında, numune bu sıcaklıkta bir süre tutulur ve numunede meydana gelen
değişiklikler kaydedilir.-Bunun sonucunda numunenin belirli bir süre sonra
başarısızlığa uğradığı görülür veya bu sıcaklıkta belli bir süre sonra % (x)
oranında deformasyon kaydedilir. Bu test diğer teste göre belli bir sıcaklıkta belli
bir yüke maruz kalan refrakterlerin performanslarının değerlendirilmesinde daha
başarılıdır. Bu testin diğer bir avantajı ise yük altında yumuşama sıcaklığı testinde
refrakterin uzunluk değişiminin ölçümlerine SiC desteklerde meydana gelen
genleşmeler dahil edilirken bu testte ise SİC desteklerinde meydana gelen
genleşme ihmal edilebilir derecededir (çünkü sıcaklık düşüktür). Refrakter
malzemenin sıcakta dayanıklılığının yüksek olması istenir. Yüksek sıcaklıkta
ısıtılan parçaların ya da eriyiğin refrakterle teması ve fırın gazlarının sürüklediği
tozlar refrakterlerde aşınma meydana gelir. Sıcakta dayanım değeri oda
sıcaklığına nazaran çok fazla düşer. Refrakterlerde oda sıcaklığında dayanım 30–
40 N/mm
2
iken, yüksek sıcaklıklarda yaklaşık olarak 0.15-0.3 N/mm
2
kadardır.
6.8. Genleşme ve Küçülme Testi (Yeniden Isıtma Testi)
Bu testin amacı refrakter malzemenin kullanım sırasında kalıcı küçülme
veya genleşmesini tespit etmektir. Testte tuğlaların ölçümleri yapılır ve fırına-
55
yerleştirilir. Fırın belirli bir hızda belirli bir sıcaklığa çıkarılarak belirli bir süre
(5–24 saat) tutulur ve daha sonra fırın soğutulur. Tuğla boyutları ölçülür ve
değişikli tespit edilir. Test numunesinin yüksek sıcaklığa çıkarılarak soğutulması
numunede kalıcı küçülme ve genleşme oluşturur. Bu testte refrakter malzemenin
kullanım esnasında nasıl bir davranış göstereceği tespit edilir. Test sıcaklılığı
kullanım sıcaklığına bağlıdır. Genellikle bu test iki numuneye uygulanır.
Eğer refrakter malzeme büyük miktarda bir küçülme gösterirse malzemede
çatlaklar oluşabilir. Tersi bir durum da yani genleşme durumu da tehlikelidir.
Çünkü bu refrakter tuğlaların birbirine basınç uygulamasına ve buda refrakter
astarının bozulmasına yol açar. Yüksek yoğunluğa sahip tuğlalar maksimum
kullanılma sıcaklıklarında % 1-1.5'dan fazla lineer genleşme göstermemeleri
gerekir. Genleşme ve küçülmeyi belirlemek için uygun olan testler ISO 2477
(yalıtkan refrakterler) ve ISO 2478 (yoğun tuğlalar)'da tanımlanır. Bazı
refrakterlerin küçülme limitleri şöyledir;
- Yalıtkan ateş tuğlaları max. % 2
- Seramik fiber ürünler max. % 4
- Dökülebilir refrakterler max. %2
- Kalıplanabilir karışımlar max. % 3
6.9. Isıl Genleşme
Isıl genleşme bir malzeme sabitidir ve genel olarak seramiğin içerdiği
temel bileşen tarafından saptanır (örneğin; SiO
2
, MgO). Silika ve ZrO
2
içeren
seramikler hariç, pişmiş seramik ürünler düz bir ısıl genleşme eğrisine sahiptirler.
Refrakter malzemelerin genleşme dereceleri kimyasal kompozisyonları ile
ilgilidir. Kullanılan refrakter malzemeler içerisinde MgO en yüksek ısıl genleşme
katsayısına, fused veya. amorf silika' da en düşük ısıl genleşme katsayısına
sahiptir.
Buna karşın silisli cam 5x10
-7
1/.K ile çok düşük ve lineer genleşme
gösterir, bu sebeple de sıcaklık değişimlerine dayanıklıdır.
Isıl genleşme testi şu şekilde gerçekleştirilir; 10 mm çapında, 20 mm
uzunluğundaki silindirik numune cihaza yerleştirilir. İstenilen sıcaklığa belli bir
sabit hızla çıkılır ve sıcaklığa bağımlı boyut değişimi grafiğe aktarılarak belirli
sıcaklık aralığında uzama tespit edilir.
56
6.10. Isıl İletkenlik
İçerisinde yakıt yakılan, refrakter bir fırın duvarının minimum ısıl
iletkenliğe sahip olması arzu edilir. Böylece fırın içerisindeki ısının dışarıya
sızması minimize edilir Buna karşılık, endirekt olarak ısıtılan hücre fırınlar ya da
potalarda, .ısının içeriye iyi geçebilmesi içini refrakter malzemenin imkân
nispetinde yüksek ısıl iletkenliğe sahip olması gerekir. En yüksek sıcaklık fırın
duvarının iç yüzeyinde ve en düşük sıcaklık ise fırın duvarının dış yüzeyinde olur.
Sıcaklık fırın duvarının kalınlığına bağlı olarak azalarak değişir.
Fırın duvarlarında birim alandan dışarıya sızan ısı miktarı; fırının iç ve dış
sıcaklıkları arasındaki fark ve refrakter malzemenin ısıl iletkenliği ile doğru
orantılı, duvar kalınlığı ile ters orantılı olarak değişir, Duvarın dış yüzeyine ısıyı
izole eden bir malzeme (asbest levha); koymak suretiyle, kaybedilen. ısı miktarı
büyük oranda azaltılabilir. Bu şekilde sıcaklık değeri artar fakat sıcaklığın
yükselmesi refrakter malzemenin ömrünü azaltır. Konstrüktürler, çalışma
sıcaklığı, yakıt tasarrufu ve fırın ömrünü göz önünde tutarak ekonomik çalışma
koşullarını sağlayacak şekilde dizayn ve malzeme sağlamalıdırlar.
Refrakter malzemeler içerisinde SiC çok yüksek ısıl iletkenliğe sahiptir.
Genel olarak ısıl iletkenlik; kimyasal kompozisyona, poroziteye, sıcaklığa,
kristalin kompozisyona ve mevcut kristalin ve camsı fazın tipine bağlıdır. Genel
kural olarak ısıl iletkenlik kristalin oksitler için artan sıcaklıkla düşer, fakat amorf
malzemeler için artan sıcaklıkla artar. Hidratlaşmış kalsiyum alüminat bileşikleri
içeren dökülebilir ve püskürtülebilir refrakter malzemelerin ısıl iletkenlikleri
oldukça farklıdır. Kalsiyum alüminat çimentosundan hidratlaşmış su
uzaklaştırılırsa, ısıl iletkenliği oldukça düşer.
Refrakter malzemelerde porozite oranı arttıkça ısıl iletkenlik düşer ayrıca
porların büyüklüğünün ve dağılımının da ısıl iletkenliğe etkisi vardır. Bunların
yanında ısıl iletkenlik, tuğla harmanının mineralojik bileşimine, tanecik
boyutlarına ve pişirme sıcaklığına da bağlıdır. Bununla birlikte özellikle poroz
ürünlerde fırın atmosferinin de ısıl iletkenlik üzerine etkisi büyüktür.
Sayılan bu etkenlerden dolayı her refrakter malzemenin ısıl iletkenliğinin
mutlak değeri çok farklıdır. Refrakter ürünlerin ısıl iletkenlikleri; 0.05 W/m.K
(seramik fiberler)'den, 100 W/m.K' e kadar değişebilir.
57
Korund gibi mono kristalli tuğlaların ısıl iletkenliklerim artan sıcaklıkla
oldukça, azalır. Bu durum radyasyonla ısı transferi, gerçekleşip (>800°C) toplam
iletkenliğe bir, katkısı oluncaya kadar devam eder. Kompleks bir yapıya sahip
olan ürünler (örneğin; silika tuğla ki bu birkaç kristalin faza sahiptir ve amorf faz
oranı yüksek ürünler) normalde monokristalin malzemelerden daha düşük ısıl
iletkenliğe sahiptirler. Bu durumda ise ısıl iletkenlik sıcaklıkla yavaş bir biçimde
artar.
Oksitli malzemelerde kovalent ya da iyon bağlantısı ısı transferi için
elektron içermediğinden, refrakterlerin ısı iletme kabiliyetleri, metallerden daha
düşüktür. AI
2
O
3
ve MgO malzemelerinin 1200°C'in üzerinde ısı iletme
kabiliyetlerinin yükselmesi radyasyonla; ısı transfer kabiliyetinin artmasından
kaynaklanır. Hafif tuğla da olduğu gibi, çok büyük, gözeneklere sahip
malzemelerde, gözenek cidarları radyasyon alış verişine iştirak ettiklerinden
dolayı, yüksek sıcaklıklarda ısı iletme kabiliyetlerinde yükselme görülür.
Radyasyon katkısı, sıcaklığın üçüncü dereceden üstüyle (T
3
) ve gözenek
büyüklüğü ile orantılıdır. Boyuna gözenekler doğrultusunda ısı akışı oldukça
yüksektir.
58
Tablo 6.4. Refrakter Malzemelerin Isı İletme Katsayıları
Malzeme Özgül
ağırlık
Sıcaklığa
o
C bağlı olarak Isı iletme katsayısı
W/m.k
Şamot tuğla
Silika tuğla
Silimanit
Hafif ateş tuğlası
Hafif ateş tuğlası
Sillimanit hafif tuğla
Kg/m
3
0 200 400 600 800 1000
o
C
1850
1850
2400
775
1100
1100
0.87
0.87
1.71
0.17
0.36
0.23
0.96
1.02
1.64
0.21
0.39
0.26
1.05
0.28
1.58
0.24
0.44
1.17
1.14
1.34
1.53
0.29
0.18
0.3
1.23
1.47
1.51
0.34
0.52
0.35
1.33
1.65
1.49
0.38
0.6
0.42
İzolasyon tuğlası
İzolasyon tuğlası
Vermikulit tuğla
1450
700
600
0.087
0.153
0.151
0.109
0.167
0.130
0.181
0.181
0.150
0.199
0.197
0.172
0.216
0.224
Alüminyum
Dökme demir
Çelik %1,3
o
C
Bakır
Pirinç
2700
7600
7850
8930
8500
229
50
45
387
112
229
46,5
45
372
134
232.6
40.7
38
360
145
35
35
350
151
Porselen
Grafit
2290 1.2 35
6.11.Sıcaklık Değişimlerine Dayanım (Termal-Isıl Şoklara Dayanım)
Refrakter malzemenin önemli bir özelliğidir İşletme esnasında ısıtma ve
soğutma veya sıcaklık salınımları, malzemenin yüzeyi ve merkezi arasında
sıcaklık farkları ve bunun sonucu olarak da ısıl genleşme gerilimleri meydana
gelir
Örneğin, bir cisim her tarafından soğutulduğunda, yüzey boyunca çekme
gerilmeleri ve merkezinde ise basma gerilmeleri meydana gelir Bu tıp ısıl işlemler
sırasında meydana gelen gerilmeler malzemenin dayanımını aşarsa, çatlaklar ya
da kopmalar meydana getirerek malzemeyi tahrip eder
Gerilmelerin akma ile yok olması ancak yüksek kullanım sıcaklıklarında
mümkündür Örneğin şamot tuğlasında yaklaşık 950°C de bulunan camsı fazın
59
donuşum sıcaklığının üzerinde olabilir. Refrakter malzeme daha düşük
sıcaklıklarda kırılgandır. Bundan dolayı 900- 1100°C arasında sıcaklık
değişikliklerine karşı hassastır.
Termal şoka mukavemet refrakter malzemenin kırılmadan ve şekil
değiştirmeden sıcaklık değişimlerine karşı koyabilme özelliğidir. Termal şok testi
yüksek alümina tuğla kaplı fırında yapılmaktadır. Teste başlamadan önce fırın
sıcaklığı 900-1000°C'da tutulur. Tuğlanın yarısı fırında olacak şekilde 10–15 dk
bekletilir. Tuğlalar su içine daldırılır ve 3 dk bekletildikten sonra sudan
çıkarılarak, açık hava da 10–15 dk bekletilerek her kaldırmadan sonra çatlaklar
kâğıt üzerine çizilir. Bu işleme her numune için 10 defa veya numune elde-
parçalanıncaya kadar devam edilir. Refrakter malzemelerin sıcaklık değişimlerine
karşı dayanımlarının tespiti yapılırken prizmatik ya da silindirik numuneler akan
soğuk su altında defalarca soğutulabildiği gibi, eğer soğutma hızı fazla olduğu
takdirde, soğutma işleminde basınçlı hava yada sakın hava da kullanılabilir (TS
4401, TS 4402).
Kısmen zaman gerektiren ani soğutma deneyi, ani soğutma işleminden
sonra eğme dayanımı düşmesi yada rezonans frekans ile kısaltılabilir. Bu yöntem
daha çok oksit seramik malzemelerin denenmesinde uygulanır. Tablo 6.5'de bazı
refrakter malzemelerde, sıcaklık değişim dayanımlarının esas olabilecek deney
sonuçları görülmektedir. Silika tuğla 200°C'da çok hassastır ve suda en fazla 1–2
soğutma yapılabilir. Buna karşın, 600°C'nin üzerinde ani-sıcaklık değişimlerine
karşı, yaklaşık olarak hassas olmayan bir malzeme görünümündedir. Bunun
sebebi, bu malzemenin ısıl genleşme karakteristiğidir. Manyezit tuğla rijit bir
yapıya sahip olduğundan kötü bir ısıl şok dayanımına sahiptir. Bu özelliği Al
2
O
3
ilave edilmesi ve pişirmede yapıda spinel (MgO. Al
2
O
3
) oluşturulmasıyla
iyileştirilebilir. SiC tuğlaların, ısı iletim kabiliyetleri yüksek olduğundan dolayı,
sıcaklık değişimlerine karşı da dayanıklıdır. Buna karşın sinter korund, yüksek
mekanik dayanımına rağmen, genleşme katsayısı çok büyük ve yapı ince taneli ve
sıkı olduğundan, çatlaklar tuğla boyunca devam ettiği ve tahribat meydana
geldiğinden dolayı, sıcaklık değişimlerine hassastırlar. Rijit bir malzeme olan
kordierit (2Mg0.2AI
2
O
3
5SİO
2
) ise, küçük ısıl genleşmesi (10x10
-7
1/K) ve az ısıl
gerilmeden dolayı, sıcaklık değişimlerine dayanıklıdır. Ancak bu malzeme dar
sinterleme aralığından dolayı zor üretilir.
60
Tablo 6.5 Normal Tuğla Yöntemine Göre, Refrakter Malzemelerin Sıcaklık
Değişimlerine Dayanımı.
Refrakter türü Ani soğutma sayısı
Silika 1...2
Şamot 10...>50
Korund şamot 7...10
Mullit şamot 10...25
Manyezit tuğla 1...5
Kromit tuğla 1...2
Döner fırınlar uygun işletme rejimlerinde 1dk içinde 1.35–2 devir
yaparlar. Bu dönüş esnasında fırın tuğla örtüsü en az iki defa sıcak fırın gazlarına
ve yine en az iki defa da soğuk pişme malzemesine maruz kalır. Yani fırın tuğla
örtüsü hem ısınır hem de soğur ve olay periyodik olarak fırının çalışma süresinde
devam eder durur.
Kullanım esnasında, cüruf nüfuzuyla malzemenin yapısı ve kimyasal
bileşimi değişirse, refrakter malzemenin sıcaklık değişimlerine dayanımı da
etkilenebilir. Bu durumda daha çok plaka formunda kopmalar meydana gelir.
Bazı durumlarda da cürufa tuz ve cam eriyiği gibi eriyik akışları ya da
uçan küllerin etkisiyle, refrakter malzemede tahribat meydana gelir. Eriyik akışı
ve refrakter malzemenin kimyasal bileşimi ne kadar çok benzerse, kimyasal
potansiyel fark sıfıra doğru azalacağından, reaksiyon miktarı o ölçüde az olur.
Burada, "Faust Kaidesi" olarak tanımlanan asitli cüruflarda, asidik refrakter
malzemeler ve bazik cüruflarda, bazik refrakter malzemelerin kullanılması kuralı
geçerlidir.
Isıl şok direnci testine tesir eden etkileri şöyle sıralayabiliriz
— Numune ve test koşulları,
—Tuğla taneleri arasındaki bağın zayıflığı,
— Tuğlanın bünyesindeki gerginlikler,
— Farklı ısıl genleşme gösteren tabakaların, zonlarının olması,
— Hammaddenin orijini, pişirme sıcaklığı ve densifikasyonu,
—Tuğlanın yabancı maddeleri bünyesine alması
61
Bu nedenle yalnızca refrakterin kullanma koşullarını yansıtarak yapılan
testler olumlu sonuçlar verir. Isıl şok testlerindeki parametrelerinin
uygulanmasıdır. Refrakter malzemenin ısıl şok dayanımının değerlendirilmesinde
iki önemli parametre tanımlanmıştır.
""
2
.
var
WE
R Tahripedicidüzeydebirkırılmanın olmasıdurumunda
S
??
0.5
2
( ) sin .
.
mod
mod
ST
W
R Çatlakilerleme destabildirveyayarı stabildir
E
WK ırılmaiçin gerekli iş S Kopma ülü
E Elastisite ülü Isıl genleşme katsayısı
?
?
??
??
??
Refrakter malzemelerde genelde 3 tip spalling mevcuttur; termal,
mekaniksel ve yapısal.
Termal spalling durumunda; tuğladaki stresler sıcaklık gradyentleri
tarafından oluşturulur ve bunlar ısıl genleşme nedeniyledir. Bozulmanın ardından
tuğla küp şeklinde olma eğilimindedir.
Mekaniksel spâlling uygun olmayan ısıl genleşme nedeniyledir. Bu durum,
sıcak yüzeyde yüksek stres konsantrasyonuna sebep olur. Bu tip spalling, tuğlanın
sıcak yüzeyindeki köşelerde meydana gelen kırılmalardan tanınabilir.
Yapısal spalling diğer malzemelerin veya cürufun tuğlayla reaksiyona
girerek tuğlanınkinden farklı ısıl genleşme katsayısına sahip olan kristalin fazlar
üretmesiyle oluşur. Bu tip spalling, sıcak yüzeyin kristalleşmesi ile oluşabilir.
Bir refrakter malzemenin ısı değişikliğine direnci ne kadar fazla ise,
refrakterin ısı altında genleşmesi o kadar düşüktür.
Bir refrakterin porozitesi ne kadar yüksek ise ısı değişikliğine mukavemeti
de o-kadar fazladır. Refrakterin, ısı değişikliğine mukavemeti ise; ısı iletkenliği ve
kırılma mukavemeti ile doğru orantılıdır.
Isı değişikliğine karşı mukavemeti arttırmak için orta boyutlu tane
fraksiyonu mümkün mertebe az ilave edilmelidir.
6.12. Sıcak Mekaniksel Özellikler
Termomekaniksel davranışlar refrakter ürünün kullanımı esnasında
oldukça önemlidir ve yüksek sıcaklık dayanım testiyle karakterize edilebilir.
62
Mukavemet kompleks bir parametredir ve malzeme içerisindeki amorf fazın
yapısına, miktarına ve özelliklerine bağlıdır Termal davranışın sıcaklık bağımlılığı
kullanılan yükleme tipinin bir fonksiyonudur (eğme, basma, germe veya burma ).
Termomekaniksel karakterin ölçülmesinin yaygın bir yolu, "Sıcak kaplama
modülü (dayanımı)' dır (ISO 5013). Bu test genelde refrakter ürünlerin kalite
kontrolünde uygulanır. Polikristalin tuğlalarda (eğer camsı faz oranı da düşükse),
(örneğin, korund veya magnezya) mukavemet sıcaklık arttıkça yavaş düşme
gösterir. Fakat malzemede bir sıvı faz oluşursa sıcak mukavemet değeri aniden
düşebilir. Yüksek camsı faz içeren refrakter ürünlerde (örneğin; şamot tuğla) sıcak
mukavemet maksimumu, camsı fazın yumuşamaya başladığı sıcaklıkta oluşur.
Böyle bir maksimum eğer yapıda stresler oluşursa da oluşabilir.
Şekil 6.4'de bazı refrakter tuğlaların sıcak dayanım (mukavemet)
modülleri verilmiştir.
Şekil 6.4 Bazı Refrakter Tuğlaların Sıcaklık Dayanım Modülleri
Test şöyle uygulanır; iki ucu destek üzerine konmuş test numunesi, özel
hazırlanmış bir düzenekte spesifik bir sıcaklığa çıkarılır ve ortasından kuvvet
uygulanarak kırılır. Numuneyi kırmak için, harcanan kuvvetle sıcak kopma
modülü hesaplanır. Bu testin amacı refrakter malzemenin yüksek sıcaklıkta ne
kadar bir yüke ve darbeye dayanabileceğini ölçmektir.
6.13. Geçirgenlik
Refrakter malzemeden bir gazın geçiş oranını belirtir. Eğer geçecek gaz
refrakter malzemeyle reaksiyona girecekse bu özellik önem kazanır. Gaz refrakter
malzemede porlardan geçtiğinden dolayı, geçirgenlik özelliğine refrakterdeki
63
porların boyutu ve dağılımının önemli etkisi vardır. Refrakterlerin geçirgenliğini
ölçmek için 50, mm'lik bir refrakter küp hazırlanır ve bu bir plastik kap içerisine
yerleştirilir. Kabın içi-numunenin üst seviyesine kadar cıva ile doldurulur. Çünkü
civa gazın numunenin yan yüzeylerinden kaçmasını önleyerek sadece bir yüzde
akmasını sağlar. Buna alternatif olarak numune bir kauçuk veya lastik içine
yerleştirilir. Lastik sıkıştırıldığında gaz sadece refrakterden bir yönde akar. Çeşitli
gazlar kullanılarak ve akış hızları gaz-metre (flowmetre) ile kontrol edilerek,
refrakterin geçirgenliği ölçülür.
6.14. Korozyon Direnci
Temel olarak korozif maddelerin ve refrakter malzemelerin kimyasal
bileşiminden etkilenir. Porozite, por boyut dağılımı ve refrakter malzemenin
mineral yapısı reaksiyon kinetiğini belirler. Refrakter malzemelerin korozyonu
spesifik işletme koşullarından büyük oranda etkilenir (fırın atmosferi, sıcaklık,
astardaki sıcaklık gradyenti, ilave sıcaklık değişikliklerinden dolayı çatlak
oluşumu, korozif ortamın statik ve dinamik hareketi). Bu nedenle laboratuarda
yapılarak elde edilen cüruf testi sonuçları deney ortamı, normal çalışma ortamı
oluşturulmadan yapılmışsa çok sınırlıdır.
Refrakter ürünler 3 temel korozif stres türüne maruz kalırlar;
a. Atmosferin Etkileri ve Atmosferdeki Değişiklikler: Refrakter
malzemelerin bileşenlerinden birinin valansında meydana gelen değişiklik
(örneğin, demir oksit) ve V
2
O
5
gibi maddelerin absorbsiyonu tuğla yapısında
gevşemelere neden olur Çok düşük miktarlarda metalik demirin veya demir
oksidin şamot veya boksit gibi ürünlerdeki mevcudiyeti karbonun, karbon
monoksitten (500–700) ve metandan (>900°C) oluşmasını sağlar Ayrıca oluşan
kristalizasyon basıncı tuğla yapısını bozar (CO parçalanması) Buharlaşma prosesi
redükleyici atmosfer altında hız kazanır.
b. Buharlar, Uçan Tozlar ve Yoğunlaşıcı Atakları: Bu sınıfta korozif
maddeler refrakter malzeme ile yanma gazlarıyla taşınması neticesinde temas
ettirilirler. Belirli sıcaklık zonlarında mevcut olan komponentler refrakterlerle
reaksiyona girer. Bu tür korozyon ıslatmayı, difüzyonu, doyurmayı
64
(impregnation), ergimiş damlacıkların oluşmasını ve periyodik ergimeyi ve
katılaşmayı içerir.
c. Cüruf, Ergimiş-Sıvı ve Diğer Akıcı Ortam Tarafından Ataklar:
Cüruflar ve ergimiş sıvılar tarafından-neden olunan korozif proses, aynı zamanda
ve yerde oluşan ve genelde tamamlayıcı bir yolla interaksiyona giren olayların
sonucudur (ıslatma, eritme, difüzyon, serbest ve zorlanmış konveksiyon). Erken
aşınma üçlü faz bölgesinde gerçekleşir.
6.15. Basınç Altında Sürünme
Refrakter ürünler genellikle uzun bir zaman periyodu içinde yüksek
sıcaklığa ve basınca maruz kalırlar. Bu ise refrakter astarının ömrünü
etkileyen
tedrici küçülme ve sürünme prosesi ile sonuçlanır.-Bu tür davranışlar sabit
sıcaklık ve basınç altında gerçekleştirilen sürünme testiyle karakterize edilir (ISO
3187) Test ISO 1893'te tanımlandığı şekilde gerçekleştirilir, istenilen sıcaklığa
ulaşıldığında bu sıcaklıkta 25 saat kalınır. Yükleme koşulları çalışma koşullarına
benzer seçilir. Sonuçlar
sürünme eğrisinden 25 saat sonra okunur.
Daha uzun süreler için sonuçlar ekstrapolasyon yöntemi uygulanarak
bulunur. Kaba hesaplamalar için basınç altındaki sürünmedeki artışın uygulanan
basınç kuvveti ile orantılı olduğu kabul edilir. Sıcaklığın 100° C artması,
sürünmeyi 5-6 kadar arttırır.
6.16. Elektrik Direnci
Refrakter malzemelerin elektrik direnci, elektrik fırınlarının yalıtımında
önemlidir. Geleneksel refrakter malzemelerin oda sıcaklığındaki elektrik direnci
yüksektir (>10
5
? .m), yani iletkenlikleri düşüktür. Fakat artan sıcaklıkla elektrik
direnci düşer (1400°C'larda 1 ? .m'ye ulaşır) veya iletkenlik artar. Çok düşük
miktarlarda yabancı maddeler bile elektrik direncini düşürür. Elektrik direnci
özelliğine elektrikle ısıtılan fırınlarda dikkat etmek gerekir. Direnç tellerinin
bağlanma yerlerinde ve yataklandıkları yerlerde kısa devre meydana gelebilir
İletkenlik, sıcaklığın artmasıyla birlikte doğru orantılı olarak artma
göstermektedir.
65
6.17. Cüruf Direnci (Cüruf Testleri)
Refrakter malzemenin cüruf ile reaksiyon derecesini bulabilmek için
uygulanabilecek birçok metot vardır Birçok metot olmasının sebebi ise cürufun
refrakter malzeme üzerindeki etkisinin çok yonlu olmasıdır Örneğin, cürufun
refrakteri çözücü etkisi, erozif etkisi, ıslatma etkisi, refrakterin cürufu ıslatma
etkisi, gibi.
a. Pota Metodu: Bu test yönteminde test edilecek refrakter malzemenin
yüzeyinde 35 mm derinliğinde 44 mm çapında bir oyuk hazırlanır Buraya 50 gr
kadar ince öğütülmüş cüruf doldurulur Numune fırında belli bir sıcaklığa ısıtılır
ve burada belirli, bir sure bekletilir Refrakter malzeme oyuk açılan yerden ikiye
ayrılır ve cürufla refrakter arasındaki reaksiyon derecesi tespit edilir.
b-Cüruf Damlatma Testi: Hazırlanan cüruf çubuklar sıcak bir firma su
soğutmalı ceketler içerisinden beslenir. Cüruf ergir ve yatayla 30°'lik açı yapacak
şekilde yerleştirilmiş numune üzerine damlar. Cürufun refrakteri ıslatıp,
ıslatmamasına göre cüruf refrakter üzerinde geniş bir alana yayılır veya sadece dar
bir alanı kaplar.
c.Cüruf Tuğla Piramidi (Ergime Saptamaları): Refrakterlerin cüruf
içerisinde çözünmesin hakkında bir fikir verir. Seri halinde tuğla - cüruf karışımı
piramitleri hazırlanır. Bunların ergime dereceleri saptanır. % cüruf- ergime
sıcaklığı grafiği çizildiğinde refrakter ile cüruf arasında ötektik bir formasyonun
olduğu görülür.
d. Diğer Cüruf Test Metodu: Bir silindir kap (iki ucu da açık) test
edilecek refrakter ile astarlanır. Bu silindir yatayla açı yapacak şekilde eğilir.
Silindir döndürülür ve silindir döndürüldükçe bir brülörle alt ucundan ısıtılır,
cüruf ise üst taraftan akıtılır. Cüruf ile refrakter arasında reaksiyon olur. Bu testte
refrakterde korozyon nedeniyle oluşacak kaybın derinliği ölçülür.
Cüruf atağına etki eden faktörler şunlardır;
—Hammadde orijini (genel olarak fırın karakterine göre fırın astarı
seçmek şarttır),
—Refrakterin porozitesi ne kadar düşük ise cüruf atağı o kadar azdır,
—Refrakterin bünyesindeki zayıf bağlar cüruf atağını arttırır.
66
—Cürufun refrakteri korozyon ve erozyona uğramasını (aşındırmasını)
önlemek için refrakterin ısıtılmaması gereklidir. Böylece refrakterin cürufa karşı
dayanıklılığı artar, ayrıca refrakter yüzeyinin cürufla kaplanmasıyla cüruf atağı
önlenmiş olur.
— Sıcaklık arttıkça cüruf atağı da artmaktadır. Dolayısıyla refrakter ile
cüruf arasındaki reaksiyon hızlanmaktadır ve de cüruf vizkozitesi düşerek
aşındırması da artmaktadır.
6.18. Kimyasal ve Mineralojik Kompozisyon
Bu özellik klasifikasyon ve çalışma koşulları için bir temel
oluşturmaktadır. Refrakter malzemenin belirli koşullar altında ne kadar
dayanabileceğini gösterir. Örneğin; şamotta ve yüksek alüminalı refrakterlerde,
alümina oranı arttıkça refrakterük genelde artar. Empüritelerin varlığı veya soda,
potas-, kireç, demir oksit gibi ikincil oksitlerin mevcudiyeti düşük ergime
sıcaklılığına camsı fazlara yol açtığı için refrakterliği düşürür.
Bununla birlikte kimyasal kompozisyon korozyon direncinin
belirlenmesinde de etkilidir. Örneğin; asit refrakterler; bazik flukslar, bazik
cüruflar ve bazik refrakterlerle reaksiyona giren önemli miktarda silika içerirler.
Safsızlıkları düşük olan saf malzemelerde, kimyasal kompozisyon
teknolojik özelliklere göre ikinci planda yer alır.
6.19. Aşınma Direnci
Aşınma testinde refrakter malzemenin yüzeyi 1000g SİC ile aşındırılır.
SiC test parçasına 90°'de çarpar. SiC ün tane boyutu ve testin süresi yeniden
üretilebilirlik (yapılabilirlik) açısından kontrol edilmelidir. Test numuneleri
deneyden önce ve sonra tartılarak refrakter malzemenin hacim kaybı bulunmalı ve
aşınma direnci tespit edilmelidir.
6.20. X—Işınları Difraksiyon Analizi
Refrakter malzemedeki kompleks fazları analiz, etmek, faz
diyagramlarının incelenmesi, kristallerin varlığının tespiti gibi amaçlar için
kullanılırlar. Ayrıca "Lave Metodu" kullanılarak kristallerin büyüklüğü tahmin
edilebilir.
67
6.21. DTA ve TGA Analizi
Differential Thermal Analiysis ve Thermogravimetry Analiysis' in
kısaltılması olan DTA ve TGA analizleri, hammaddenin ısıtılması sırasında
kristallerin dönüşümleri, endotermik ve egzotermik reaksiyonlarla, kristal yapının
değişmesi ve kalitatif olarak kristal yapısının bulunması için uygulanmaktadır.
7. REFRAKTER MALZEME TÜRLERİ
Refrakter malzemeleri en genel sınıflandırma şekline göre 3 gruba
ayırmıştık; Asidik, bazik ve nötr refrakterler. Asidik refrakterler yüksek-miktarda
SİO
2
içerirler ve bunlar, yüksek sıcaklıklarda bazik refrakterler, cüruflar ve fluxlar
ile reaksiyona girerler. Bazik refrakterler, CaO ve MgO veya her ikisini içerirler
ve yüksek sıcaklıklarda asidik refrakterler, cüruflar ve asitlerle reaksiyona girerler.
Nötr refrakterler ise ne asidik ne de bazik karakterlidir. Nötr refrakterler, yüksek
sıcaklıklarda asidik ve bazik malzemelere, cüruflara ve fluxlara karşı dayanıklıdır.
Nötr refrakterler teriminin kullanımı öncelikle sadece krom refrakterlerini
kapsarken magnezya ve krom içerikli refrakterlerin geliştirilmesi kullanım
karışıklığına neden olmuştur.
Refrakter malzemeler kullanılırken asidik ve bazik karakterli refrakterlerin
temas etmemesine özen gösterilmelidir. Bunun sebebi, temas ettiklerinde
reaksiyona girerek düşük ergime sıcaklığına sahip bir bileşiğin oluşmasına neden
olurlar. Bir astarda her ikisinin birden kullanımı gerekiyorsa bu iki tip bir nötr
refrakter tabakasıyla birbirinden ayrılır.
Bahsedilen bu refrakter çeşitlerine ilave olarak bazen özel refrakterler
terimi de kullanılmaktadır. Bu tip refrakterler ZrO
2
, SiC ve Sİ
3
N
4
gibi yüksek
maliyetli refrakterleri kapsar. Şimdi bu refrakter çeşitlerini sırayla görelim;
7.1. Asidik Refrakterler
7.1.1. Silika
Silika hammaddeleri olarak genelde her yerde bulunabilen ganister, silika
ve kil gibi silisli kayalar dahil kuvarsitler ( alümina, calcio ve titanya gibi düşük
empürite içerikli düşük miktarda kuvars içerir) ve flint (kolloidal silika) kullanılır.
Silika tuğlaların Sİ0
2
içeriği %93'den fazladır.
68
Silika 3 temel polimorfik şekilde bulunur. Bunlar; kuvars, tridimit ve
kristobalittir. Her bir kristal yapı SİO
4
tetrahedra' ların farklı düzlemleri sonucu
oluşmuştur. Her bir kristal formu ( kuvars, tridimit ve kristobalit ) artan sıcaklığın
kazandırmış olduğu stabilite ile daha yüksek simetriye sahip iki veya daha çok alt
formdan (alt gruptan) oluşmuştur. Formların stabil olduğu termodinamik aralıklar
Tablo 7.1'de ve çeşitli formların uzay grupları Tablo 7.2' de verilmiştir.
Tablo 7.1 Silika polimorflarının stabil oldukları sıcaklık aralıkları,
Polimorf Stabilite Aralığı (
o
C) Dönüşüm Sıcaklığı (
o
C)
Kuvars -870 573 ?? ?
Tridimit 870 -1470 117 163
1
?? ?
12
?? ?
Kristobalit 1470 – 1720 200 – 275
? - ?
Tablo 7.2 Silika polimorflarının kristal bilgileri
Polimorf Kristal simetrisi Uzay Grup
Düşük Kuvars ( ? ) Hexagonal P3
1
21
Yüksek Kuvars ( ? ) Hexagona P6
2
22
Düşük tridimit ( ? ) Monoklinik C
C
Düşük tridimit(
1
? )
- -
Yüksek tridimit (
2
? )
Hexagonal P6
3
/ mmm
Düşük kristobalit ( ? ) Tetragonal P4
1
2
Yüksek kristobalit ( ? ) Tetragonal
42d
( Şekil 7.1 )'de gösterildiği gibi yer değiştirici dönüşümler, büyük hacim
değişimleriyle sonuçlanırlar. Örneğin; 573 °C'da ? -kuvarstan, ? ’-ya dönüşüm
gibi. Bu dönüşümleri, kapsayan bir ısıl çevirimin kuvars içeren malzemelerin
mekanik özellikleri üzerine etkisi çok olumsuz olur.
69
Şekil 7.1. Kuvars, Kristobalit ve Tridimitin spesifik hacimlerinin sıcaklığına
bağımlılığı.
Bu nedenle silika içeren malzemeler oda sıcaklığından 600°C’a
ısıtıldıklarında özel dikkat gerektirirler. Bununla birlikte silika içeren malzemeler
600 °C in üzerine çıkarıldıklarında 1500
o
C’a kadar çok düşük ? değeri ile
mükemmel ısıl Şok direncine sahip olurlar ve yumuşama sıcaklıklarının birkaç
o
C
altına kadar yük altında oldukça dayanıklıdırlar.
Şekil 7.2 1000° C - 1200°C’larda CaO ve SiO
2
arasındaki reaksiyonlar
70
Optik mikroskopta incelendiğinde ( Şekil 7.3 ), kullanılmaya başlamadan
önce tuğlanın iç yapısı şu şekildedir; ince tiridimit taneleri (T), üçlü noktalarda
birkaç silika camsı faz ve CaO' ten yoksun kristobalit bölgeleri (C) ve parlak geçiş
kuvars taneleri (Q). Ayrıca yapıda sık olmasa da ?? ? kuvars dönüşümünden
kaynaklanan kırık taneler bulunur. Bu nedenle, artık kuvars miktarını minimum
Düzeyde tutmak önemlidir. Kristobalit, orijinal kuvars tanelerinin tane
sınırlarından kaynaklanan balık pulu morfolojisine sahiptir. İçyapıda, belirtildiği
gibi, kireç silikat sıvısı kristobalit - tridimit dönüşümünde flux görevi görür.
Kullanımda kireç içyapıda difüzyona uğrar ve bu nedenle kullanılan tuğlalarda
daha yüksek oranda kristobalit bulunur.
71
Şekil 7.3. Kullanımdan önce silika tuğlanın tipik iç yapısı. Burada; iki farklı
tabaka gözlenmiştir. İnce tiridimit taneleri ( T ) ve bu tanelerin üçlü birleşme
noktalarında silika camı. Kristobalit taneleri ( C ), daha parlak optik kuvars ( Q ).
Silika, tuğlalar yoğun (1.85- g/cm
3
) ve çok yoğun (süper yoğun 1.97g/cm
3
)
olmak üzere ikiye ayrılır. Silika tuğlaların genel özellikleri tablo 7.3'de verilmiştir.
Süper yoğun tuğlalar düşük poroziteye sahiptirler ve tiridimit içerikleri yüksektir.
Tablo 7.3. Silika tuğlaların özellikleri
Kompozisyon (% Ağır. ) Yoğun Süper yoğun
Sİ0
2
95.5 96.5
A1
2
0
3
0.8 0.7
Fe
2
0
3
0.4 0.35
CaO 2.4 2.1
Na
2
0 + K
2
0 0.25 0.25
Görünen Parazite (%) 18.5-23 14.5
Hacim Yoğunluğu (g/cm
3
) 1.85 1.97
Soğuk Ezme Dayanımı ( Mpa ) 33 80
Refrakterlik (° C) 1710 1710
Silika tuğlalar 600 – 1450°C’larda çok yüksek stabiliteye sahiptirler ve
genelde kok fırın astarlarında kullanılırlar. Süper yoğun tuğlalar düşük porozite
içeriklerinden ve yüksek tiridimit içeriklerinden dolayı ısıl iletkenlikleri yüksektir.
72
Silika tuğlalar monte edildikten sonra 600
o
C'a ısıtılır ve 10 haftadan fazla bu
sıcaklıkta beklenir. Eğer bundan sonra bu refrakterler devamlı surette 600°C'in
üzerinde tutulurlarsa. 25 yıl kadar kullanılabilirler. Bu tuğlalar cam tanklarının
çatı yapımında da kullanılırlar.
Silika tuğlalar asit karakterli olduklarından, bazik karakterli cüruf ve
ergiyiklerde kullanılmazlar. Bu durum, özellikle soda, alkali buharı ya da demiri
ve kireci zengin cüruflar içinde geçerlidir ve alkali silikat ergiyikleri (camlar) çok
az etkileme yapar. Silika tuğlaların açık gözeneklerine ince akışkan eriyikler
kolayca nüfuz edebilir. İlave çekme görülmediğinden ve duvarlar çatlaksız ve gaz
geçirgenliği olmayacak şekilde inşa edilmesi gerektiğinden dolayı, kok fırınlarının
kamara duvarları da silika tuğladan yapılır. % 2–4 kadar Fe
2
O
3
ilavesi ile tuğlanın
rengi koyulaşır. Siyah silika tuğla olarak tanımlanan bu refrakterler, daha yüksek
soğukta basma dayanımına sahiptirler, fakat ateşe dayanımları daha düşüktür.
Silika tuğlalar düşük sıcaklıklarda (<600° C ) sıcaklık dalgalanmalarından
oldukça etkilenir ve malzemede çatmalar olur. Bu durumu kendisini tuğla
dökülmesi olarak gösterir. Yüksek sıcaklıklarda ise bahsettiğimiz gibi yüksek
özelliklere sahiptir. Uygulama alanları
—Kök fırınlarında
—Cam ergitme fırınlarında
—Seramik endüstrisinde
—Siemens - Martin fırın kapağında
—Hot blast stoves
Fused amorf silika ise 1200 ° C lara kadar mükemmel hacim stabilitesine
sahip olması dolayısıyla çok kullanılır. 1200 ° C da metastabil kristobalite
kristalize olur. Saf kumun ergitilip ani soğutulması ile elde edilen füzyon taneleri
çok yüksek safiyette refrakter elde etmek için sinterlenir. Elde edilen ürün düşük a
değerine ( 0.5x10
-6
1/K ) ve iyi ısıl şok direncine sahiptir.
Füzyon silikanın uygulama alanları; laboratuar eşyalarında, çelik fırınlan
için nozüllerde, kok fırınlarında, kapılar ve yükleme kapılarında, ergimiş
alüminyum ve bakır üretiminde oluk ağzı ve oluklarda, kimyasal endüstride
kullanılan asidik cihazların astarlarında, cam endüstrisinde kullanılır.
73
7.1.2 Alüminasilikat Refrakterler
Çalışma sıcaklıkları birkaç 100° C in üzerinde olup da şamot tuğlalar veya
alüminasilikat refrakterler kullanmayan birkaç endüstri vardır. Asidik alümina
silikat refrakterler basit, ucuz, genel amaçlı ve yüksek performanslı malzemeler
olarak birçok sınıfları vardır. Bununla birlikte artan sıcaklıklar ve modem sıvı
metal prosesinin yol açtığı serti şiddetli ortam, alüminasilikat refrakterinin
kullanımını düşüşe ve bunların MgO - C ve AI
2
O
3
- C gibi refrakterlerle yer
değiştirmesine neden oldu. Alüminasilikat tuğlalar, refrakter tuğlalar içinde
oldukça geniş yer kaplar. Her çeşit endüstriye] fırınlarda; kullanılır;
Alüminasilikat tuğla üretilirken pişme esnasında kristal suyun ayrılmasıyla
ağırlığından % 10–15 azalma gözlenir. Bunun sonucunda tuğlada çekme ve
çatlaklar görülebilir. Alüminasilikat tuğlaların SK. Değerleri 34' ün altındadır. En
basit" alüminasilikat refrakterler AI
2
O
3
- SiO
2
ikili faz - denge diyagramına
dayanır Şekil 7.4, 7.5 ve 7.6 ) Bu sisteme ait refrakterler şu şekilde tanımlanır
silika ( < % 7 Ağır Alümina ), şamot ( % 7–50 Ağır. Alümina ) ve alümina (> %
50 Ağır. Alümina).
Tablo 7.4'de bu sınıftaki refrakterlerin grup ve alt grupları verilmiştir.
Şekil 7.4 Aramaki ve Roy
tarafından hesaplanan Alümina -Silika
faz diyagramı
.
74
Tablo 7.4. Alüminasilikat refrakter sınıfı
Refrakter Alt grup % Ağır. Al
2
O
3
Silika -- <7
Ateş kili Silisli
Şamot
Alüminalı
7-12
21-38
38-50
Yüksek-Alüminalı Silimanit
Mullit
Korund (boksit)
50-65
65-75
75-98
Şekil 7.4, 7.5 ve 7.6 kullanılarak faz stabilitesi tahmini yapılırken dikkat
edilmelidir. Alümina - silika ikili denge diyagramı faydalı bir rehber olmasına
rağmen, alüminasilikat refrakterlerin dengeye ulaşılacakları zannedilmemelidir.
Örneğin; %30 alümina içeren tuğla kompozisyonu 870°C’nin üzerinde
yakıldığında bile çok miktarda serbest kuvars ile birlikte önemli miktarlarda Fe
2
0
3
TİO
2
ve alkali oksit gibi-oksitleri içerir. Bu fazların varlığı üçlü veya daha
kompleks denge diyagramlarının düşünülmesini gerektirir ve bu şekilde bile
dengeye ulaşmak mümkün olmayabilir. Bu oksitler kullanılan hammaddelerden
kaynaklanabilir veya kısıtlı olarak prosesi kolaylaştırmak için katılabilir. Fakat
bunların varlığı çok düşük miktarlarda olsalar-bile oluşacak sıvı fazın miktarını
arttırdıklarından, yüksek sıcaklıkta tuğlanın mukavemetinde kritik rol oynarlar.
Silikaya dayanan ikili sistemler A ve B tipi olarak ikiye ayrılırlar. A tipi
ikili diyagramlar, ergime sıcaklığında önemli bir düşüşe neden olan ötektik bir faz
oluştururlar. (Şekil 7.7.a) silikaya a tipi ilaveler Al
2
O
3
, Na
2
O, K
2
O ve TiO
2
’dir.
Bu oksitlerin düşük miktarda kullanılması bile silika da flux görevi görür yani
ergime sıcaklığını düşürür. B tipi ilaveler (örneğin CaO, MgO ve FeO) denge
diyagramında ötektiğin daha yüksek ilave oranına kaymasına neden olan iki sıvı
bölgenin oluşmasına neden olur. (Şekil 7.7.b) bu ise ergime sırasında viskoz bir
sıvının oluşmasına neden olur yanı B tipi empüriteler daha az tehlikelidir. Bu
durum silika üretilirken sinterleme de neden CaO’in A tipi empüritelere tercih
edildiğini ve neden alkali empüritelerin kaliteli alüminasilikat refrakterlerde
minimum düzeyde tutulmaya çalışıldığını açıklar.
75
Şekil 7.5 Aksoy ve Pak tarafından hesaplanan faz diyagramı (1975). Kesik çizgili
ve noktalı kesik çizgi metastabil faz uzantılarını temsil eder.
Şekil 7.6 Kluk taraf ından öne s ür ülen faz diyagram ı
76
Şekil 7.7 SiO
2
ve diğer oksitler arasındaki şematik ikili faz denge diyagramı.
(a) A tipi empüriteler, düşük ergime sıcaklıklı ötektiğin oluşmasına yol
açar.
(b) B tipi empüriteler, iki sıvı fazlı bileşiğin oluşmasına yol açarak viskoz
sıvı faz oluşumuyla ötektiği daha yüksek ilave içeriğine doğru kaydırmaktadır.
Alüminasilikat tuğlaların içyapısını fiziksel olarak düzenlemek,
iyileştirmek (porozite, tane boyutu, tane şekli ve camsı matriks) özellikle oda
sıcaklığında birçok özelliği kontrol etmek bakımından önemliyken, kimyasal
kompozisyon ise yüksek sıcaklık davranışının tespit edilmesinde kritik rol oynar.
Ayrıca bunlarda silika oranı ve düşük empürite içeriği ( özellikle alkaliler)
düşünülmek zorundadır.
7.1.2.1 Kilin Pişirilmesinde İç Yapı Gelişimi
Le Chatelier’in (Bull. Soc. Franc. Minneral 10, 204–211, 1887)
çalışmasından itibaren kaolinit kilinin pişirilmesiyle oluşan proses üzerine yoğun
çalışmalar yapılmıştır. Bununla birlikte, Brindley ve Nakohira' nın (J. Amer.
Ceram. Soc. 42 (7), 311–314, 314-8, 319-24, 1959) reaksiyon sırası
anlaşılabilmiştir. Brown et. al. Tarafından (J. Amer. Ceram. Soc. 68 (6), 298–301,
1985) ve Mc Kenzie et. al. (J. Amer. Ceram. Soc. 68 (6), 293–7, 1985) tarafından
yapılan çalışmalar, reaksiyon sırasını detaylı olarak ortaya koymuştur. Kildeki
(birleşik) su 500
o
C da uçar ve metakaolinit oluşur.
2 2 5 4 2
500
( ) 2
o
C
Al Si O OH Metakaolin H O
Kaolinit
?
??
77
Metakaolin yapısı camsıdır ve distorsiyna uğramış Al-O tetrahedralarından
oluşan susuz bölgelerden oluşur. 970° C'da en son kalan hidroksilin
uzaklaşmasıyla metakaolin dekopizasyonu önemli miktarda serbest amorf
silikanın ayrışmasına ve kötü kristalin mullitin ve kübik, kusurlu - spinel ve kristal
yapısı ? - AI
2
O
3
' e benzer bir fazın oluşmasına neden olur. Mullit ve spinel formu
arka arkayadır. Mullit düzenli oktahedral ve tetrahedral simetriye sahip Al - O
ünitelerinin eksikliğinde ortaya çıkar. Oluşan spinel fazın ? - Al
2
O
3
mü? Yoksa
Al
2
O
3
ve SiO
2
içeren kusurlu spinel fazı mı? Olduğu hakkında anlaşmazlık vardır.
Bazılarına göre spinel mullit kompozisyonuna (3AI
2
O
3
.2SİO
2
) sahiptir. Kullanılan
başlangıç maddelerindeki değişiklikler gözlenen farklı sonuçların sebebi olabilir.
Spinel kristalleri 1020° C da 10–50 mm çapındadır. İlk başta mullit oluştuğunda
alüminaca zengindir fakat yüksek sıcaklıklarda silikayı bünyesine alır ve 3Al
2
O
3
.
2SiO
2
bileşimine yaklaşır.
970
2 3 6 2 13 2
33
min
o
C
Metakaolin Al O Al Si O SiO
Kusurlu Alü alı Cam
Spinel Mullit
? ? ? ? ? ?
1125
o
C’nin üzerine ısıtma ile spinel fazı mullite dönüşür ( amorf silikanın
bir kısmı ile reaksiyona girerek). Geri kalan silika kristobaliti oluşturur.
1125
6 2 13 2
2
o
C
Al Si O SiO
Mullit Kusurlu
spinel
?? ? ? ?
Görülüyor ki kaolinit kilin pişirilmesi sonucu en son oluşan fazlar mullit
ve silikadır. 1200
o
C’de pişirilen kaolinit tek kristalinin TEM çalışması
göstermiştir ki, mullit kristalleri C aksisi ile acicular’dır ve orijinal metakaolin
tabakalarına diktir.
Alüminasilikat refrakterlerde çok az miktarda empüritelerin veya fluxların
varlığı bile ( ki bunlar endüstriyel refrakterlerde daima mevcuttur) faz ilişkilerinde
önemli değişikliklere neden olur ve fazların stabilite sıcaklıklarını değiştirir.
Genelde hammaddelerde mevcut olan emprüritelerin ilk ergimiş sıvının oluşma
sıcaklığına ( ötektik sıcaklığa) etkileri şöyledir;
78
Şamot ve yüksek alüminalı tuğlaların refrakterlik özellikleri ve maksimum
kullanım sıcaklıkları Şekil 7,8’de verilmiştir. Şamot refrakter bölgesinde
refrakterlik alkali oksit ve toprak alkali içeriği yüksek olduğundan dolayı saf
SiO
2
-Al
2
O
2
sisteminde liküdüs eğrisınin oldukça altına düşer.
Maksimum kullanım sıcaklıklarının refrakter malzemenin ömrünü Önemli
bir şekilde etkileyen zamana bağlı küçülme ve sürtünmeden dolayı düşük olduğu
açıktır. Isıl gradyentler altında kullanım (refrakter duvarında olduğu gibi ) ve yarı
izotermal koşullar altında kullanım ( rejeneratörlerde kontrol ediciler ) arasında da
ayırım yapmak gereklidir. Yüksek alüminalı tuğlalardaki geniş kullanım sıcaklık
aralıkları bu tuğlaların farklı kimyasal ve mineralojik kompozisyonlarının etkisini
göstermektedir.
79
Şekil 7.8. Refrakterlik yük altında refrakterlik, Şamot ve yüksek alüminalı
tuğlaların max. Kullanma sıcaklıkları.
7.1.2.2. Şamot
ISO 1109' a göre şamot tuğlalar %10–45 Al
2
O
3
içerirler. Şamot tuğlalar
genellikle kuru preslenmiş kilin yeniden istenilen şekle preslenmesiyle üretilirler.
Gelişmiş refrakterlik-yük altında mukavemet ve-ısıl-şok direnci ağır (severe)
uygulama şartlan için idealdir ve bu özellikle yüksek alümina içerikli killerin
kullanılmasıyla elde edilir (alüminalı şamot tuğlalar). Yalnızca alümina içeriğinin,
Boksit gibi bir hammadde kullanılarak arttırılması çok düşük etkilere sahiptir.
Çünkü kullanılan düşük alüminalı kil özelliklerini refraktere aksettirecektir. Bu
nedenle veya bu durumun iyi anlaşılamaması nedeniyle geçmişte bu refrakterlerde
bazı sorunlar yaşanmıştır. Şamot refrakterlerin tipik özellikleri Tablo 7.5' te
verilmiştir.
80
Tablo 7.5 Şamot Refrakterlerin Tipik Özellikleri
Kompozisyon (% Ağır.) Şamot Alüminalı Şamot
SıO
2
59 53
AI2O3 25 42-43.5
Tİ0
2
0.6 1.4-1.7
Fe
2
0
3
5.9 0.9-2.0
CaO + MgO 0.6 0.25-0.7
Na
2
0 + K
2
0 2.3 0.5-0.8
Görünen Porozite ( %) 20 12-17
Hacim Yoğunluğu ( g/cm
3
) 2.12 2.3
Soğuk Ezme Dayanımı ( Mpa ) 31 42-59
Eğme Dayanımı ( Mpa ) 2-10 7-10
Refrakteriik (° C) 1595-1605 1740-1780
Isıl Genleşme ( x10
-6
1/°C) 5.1 5.1
(20°-1200°)
Ana fazlar Alüminasilikat camsı faz, Alüminasilikat camsı faz,
Mullit Mullit
Ateş tuğlasının (şamot) içyapısı kil bağıyla bir arada tutulan yoğun ön
pişirilmiş kili ( şamot grog) göstermektedir. Burada şamot terimi % 40-44 Al
2
O
3
içeren pişirilmiş alümina silikatı göstermektedir. Diğer bir deyişle şamot
neredeyse saf kaolinitik kil kompozisyonudur. Ateş tuğlasında (şamotta) mullit ve
silikat camsı fazı ana fazlardır. Bununla birlikte, yapıda bağda pişirme esnasında
kilin küçülmesinden kaynaklanan resinle? dolu geniş çatlaklar vardır (C) (Şekil
7.9). Alüminalı şamotların düşük empürite ve yüksek alümina içerikleri bunların
refrakterlik özelliklerini yükseltir. Bunlar (alüminalı şamotlar) düşük poroziteye
sahip olacak şekilde üretildiklerinden yüksek yoğunluklara, basma mukavemetine
ve ısıl şok direncine sahiptirler. Kil ve su ile karıştırılan şamot tuğlalar
preslenerek şekillendirildikten sonra tünel fırında 450–730°C’lar da yaklaşık 36
saat pişirilir. Daha sonra 3–5 gün 1280–1350° C sıcaklığında tutulur ve çok yavaş
soğutulur. Pişirme sonunda, suyun yok olmasıyla tuğla boyutları küçülür, çekme
yapar. Refrakter malzemeler içerisinde oldukça geniş bir kullanım alanına sahip
olan şamot tuğlalar refrakter malzemelerin toplam miktarının yaklaşık olarak %
65' ini kapsar.
81
Şekil 7.9. Şamot tuğlanın iç yapısı, şamot agrega taneleri kilin oluşturduğu bağ ile
bir arada tutulmaktadır. Reçine ile doldurulmuş çatlaklar (C); kilin pişirilmesi ile
oluşan küçülmeden meydana gelirler.
Uygulama alanları: Şamot refrakter malzemelerin kullanım alanlarını
şöyle sıralayabiliriz;
1. Çelik endüstrisinde fırınların çatılarında ve tutma hendeklerinin
(soaking pits) astarlarında (ki burada sıcak billet'lar daha fazla işleme tutulmadan
önce ısıtılırlar). Fakat sürekli dökümün uygulamasının artması bu bahsedilen
uygulamada düşüşe neden olacaktır.
2. Cam ve tavlama fırınlarında
3. Rejeneratörlerde kafes yapımında
4. Çeliğin dökülmesinde aşınma malzemesi (kanal tuğlası, çarpma
seti, yolluk ağzı)
5. Kazan tesislerinde ve ev pişirme fırınlarında, sobalarda,
şöminelerde en ucuz malzeme olarak kullanılır.
6. Demir-dışı metallerde uygulamaları; bakır reverbar fırınlarında ve
kurşun cüruf (dross) fırınlarında
7. Yüksek fırınlarda, yüksek fırın ısıtma ünitelerinde
8. Çimento fırınlarında, kireç fırınlarında
9. Potalarda
10. Kok fırınlarında
82
7.1.2.3.Yüksek Alüminalı Refrakterler
Tablo 7.4'de gösterildiği gibi yüksek alüminalı refrakterler 3 alt gruba
ayrılırlar; silimanit, mullit ve korund ( boksit). Alümina refrakterlerin bazı
özellikleri Tablo 7.6' da verilmiştir.
Tablo 7.6 Alümina Refrakterlerin Tipik Özellikleri
Boksit Esaslı
Kompozisyon (% Ağır,) Silimanit Mullit Yüksek Alümina
SiO
2
39-42.5 23.2 6.5-9.5
Al
2O3
55.4-59 74.2 82.5-88.2
TiO
2
0.3-0.5 0.2 2.4-3.5
Fe
2
O
3
1.0-1.2 0.7 1.5-2.0
CaO + MgO 0.2-0.3 0.1 0.4-0.5
Na
2
O + K
2
O 0 3-0.4 1.0 0.2-0.3
Görünen Porozite (%) 13-16 13-17 17-21
Hacim Yoğunluğu (g/cm ) 2.5 2.6 2.75-2.9
Soğuk Ezme Dayanımı ( Mpa ) 27-60 60-65 55-100
Eğme Dayanımı (Mpa ) 7-11 7-14 5-14
Refrakterlik (
o
C) 1750-1810 1880 1860-1920
Isıl Genleşme (x10
-6
1/°C ) 6.5 4.5-6 7.3-10.2
(20°-1200°)
Ana fazlar Mullit, Mullit, Korund, Mullit,
Camsı faz Camsı faz Camsı faz
Tablo 7.5 ve 7.6'nın incelenmesi gösteriyor ki silika oranı ve empürite;
içeriği azaldıkça malzemenin refrakterliği artar. Bununla birilikte alümina-silika
ikilisinde ötektik bölgesinden kaçınılmıştır. Alkalilerin alüminasilikat camsı bağ
flux etkisi yüksek sıcaklık açısından kritiktir. Şekil 7.10 yüksek alkali içeriğinin
tipik alüminasilikat refrakterler üzerine genel etkilerini göstermektedir (ölçümler
pirometrik konilerle yapılmıştır). Bunun yanında, diğer oksit empüritelerin
mevcudiyetine silika oranında refrakterliği etkileyeceği unutulmamalıdır. Fakat
alkalilerin etkisi çok daha fazladır.
83
Şekil 7.10 % Alkali içeriğinin alümina silikat refrakterlerin refrakterlikleri üzerine
etkisi
Şamot üretimi için kullanılan ateşe dayanıklı hammaddelerin, Al
2
O
3
miktarı en fazla % 45 kadardır. En iyi şartlarda 1450° C’ye kadar kullanılabilen
şamot’un ateşe dayanımını iyileştirmek için Şekil 7.4’de verildiği gibi,
hammaddedeki alüminyum oksit miktarının yükseltilmesi gereklidir % 71,8 Al
2
O
3
miktarının üzerinde, Al
2
O
3
- SiO
2
sisteminde 1810°C ye kadar ergime olayı
görülmez ve saflığı yüksek hammadde kullanımında çok yüksek ateşe dayanıklılık
değerine ulaşılır. Bu grupta, alüminyum silikat, silimanit, andolusit ve siyanit
(AI
2
O
3.
SİO
2
) sentetik sinter ya da ergitme mullit (3AI
2
O
3
.2SİO
2
) ve ayrıca
ergitme korund sayılabilir. Çok sayıdaki kombinasyon olanağı, doğal olarak çok
sayıda kalite çeşidini ortaya çıkarır.
Hammadde olarak, taneli ergitme korundlu alüminyum silikat alınırsa,
Al
2
O
3
miktarı % 60–90 arasında olan korund şamot elde edilir. T
0,5
değeri, korund
miktarına ve bağlantının iyiliğine bağlı olarak 1450–1600° C arasında olur. Bu
değer, mullit tuğlalara nazaran daha düşüktür, ancak pahalı kalite korund
malzemelerde 1600°C'nin üzerinde kullanım da mümkündür. Korund şamotlar,
asit ve bazik karakterli şamotlara karşı çok iyi dayanım yanında, yüksek mekanik
dayanım ve aşınma dayanımı da gösterirler. Sıcaklık değişimlerine dayanımı,
mullitin yaklaşık 45x10
-7
1/K olan ısıl genleşmesine karşılık iki kat olan 87x10
-7
1/K genleşmesinden dolayı, mullit şamotlara nazaran daha düşüktür. Kaba
seramik üretim tarzıyla malzemenin porozitesini büyük ölçüde yok etmek ve
böylece kimyasal dayanımı iyileştirmek için, yüksek alüminyum oksit miktarı ve
zirkonyumlu maddeler, ergitme tekniğiyle de üretilebilirler.
84
Bunun için, alüminyumoksit, kısmen zirkonyumsilikat ( ZrO
2
.SİO
2
), SİO
2
veya Na
2
O ilavesiyle, ark fırınlarında 2000° C' nin üzerindeki sıcaklıklarda
ergitilir ve daha sonra kuvars kumu, çelik döküm ya da grafit kalıplara dökülür.
Metal dökümde olduğu gibi benzer olarak, ergiyiğin soğuması sırasında boşluk
oluşma tehlikesi vardır. Ergitilerek dökülen ürünlerin porozitesi, çok ya da az
boşluklarla birlikte % 3' ün altında kalır. 200 Mpa'dan daha yüksek soğukta basma
değeri, yüksek aşınma dayanımı ve 1700° C' nin üzerinde olan T
0,5
değeriyle de
ateşe yüksek dayanım garanti edilir. Korozyon dayanımı da oldukça iyidir. Bu
üstün özelliklerine karşın, ergitmeyle dökülen tuğlalar, teknikte geniş bir alanda
kullanılmaktadır. Fiyatlarının yüksek olması, kötü sıcaklık değişimlerine
dayanımı ve ısı iletme kabiliyeti, bu durumu yaratmaktadır. Bunlar daha çok cam
ergitme fırınlarında tercih edilir.
7.2. Bazik Refrakter Ürünler
Bazik refrakter ürünler olarak daha çok, MgO, CaO ve Cr
2
O
3
içeren
tuğlalar ve tozlar anlaşılır. Çeşitleri, manyezit tuğla ( periglas tuğla MgO ) krom
manyezit tuğla ( periklaskromit tuğla ), sinter dolomit tuğla ( CaO, MgO )ve
fosterit tuğla ( 2MgO.SiO
2
) olarak sayılabilir. Bunlar büyük ölçüde metalürjide
ve çimento endüstrisinde, özellikle bazik karakterli cüruflara karşı dayanıklı
olduklarından kullanılırlar. Oldukça iyi olan sıcaklık yüklenebilirliklerinden
dolayı, fırında ergitme gücünü çok arttırırlar.
Manyezit tuğlalar demiroksit, bazik cüruf ve alkalilere karşı üstün
kimyasal dayanım gösterirler. Önemli miktarda kromit (FeO.Cr
2
0
3
) içeren krom
cevheri ilavesiyle, ürünlerin cüruflara karşı dayanımı daha da artar ve bunun
yanında, sıcaklık değişimlerine dayanım ve hacim dayanımı çok daha iyileşir.
Krom cevheri bir miktar arıtılmış manyezit içerdiğinden dolayı, T
0,5
ile belirtilen
ateşe dayanıklılıkta biraz düşme olur. Pratikte daha çok %10 ile %20
Cr
2
O
3
içeren
manyezit-krom cevherli ürünler kullanılır. Krom cevheri zengin tuğlalarda
demiroksidin difüzyonuyla tuğla yapısında, aşınma meydana gelir.
Pişirilmiş magnezya ürünlerin yanında, dayanımları MgCl
2
ya da MgSO
4
yardımıyla kimyasal bağlantıyla sağlanan pişirilmemiş tuğlalar da mevcuttur.
Kimyasal bağlantılı tuğlalar da, 900 °C de en düşük dayanım değeri görülür. Daha
yüksek sıcaklıklarda seramik bağlantı meydana gelir. Pişirilmemiş ürünler,
kısmen sac muhafazalı asma tavan tuğlası olarak (Ferroclip) ya da harçsız
85
yerleştirmede (Stelîclad tuğla) kullanılır. Sac muhafaza tufallaşır ve demiroksit
tuğlayla magnesioferrite dönüşür. Bu şekilde elde edilmiş monolitik duvarlar,
cüruflara karşı çok dayanıklıdır.
Şekil 7.11. MgO – SiO
2
faz diyagramı
MgO – SiO
2
sisteminde 1890
o
C ergime sıcaklıklı forsterit (2MgO. SiO
2
)
bağlantısı meydana gelir. Forsteritin özellikleri şimdiye kadar açıklanan bazik
ürünler civarındadır. Ancak MgO – FeO – SiO
2
sisteminde üçlü ötektik 1250
o
C
sıcaklığında meydana geldiğinden, forsterit tuğlalar Fe
2
O
3
’e bazik cüruflara karşı
hassastırlar. Bunlar demir, olmayan metallerin üretildiği metalürji fırınlarında ve
cam fırınlarında kafes tuğlası olarak sınırlı bir şekilde kullanılabilirler.
86
Tablo 7.8. TS 5480' e (Şubat 1998) göre, kupol ocaklarında kullanılan şamot ve
semi (yarı) silika tuğlaların ve TS 5410' a (Aralık 1987) göre çimento döner
fırınlarında kullanılan şamot ve yüksek alüminalı tuğlaların özellikleri.
TS 5480
TS 5410
Birimi
Sömi
silika
Şamot Şamot Yüksek alüminalı
SS SA DAS 1 DAS 2 DYA 1 DYA 2
SıO
2
Al
2
O
3
Al
2
O
3
%
%
<85
10-30
30-45
>40
>35
>70 >50
Yük altında refrakterlik
T
o.5
(0 2 MPa)
°C min - - 1420 1380 1530 1500
Refrakterlık SK No
mın
27 30 33 31 36 34
Özgül ağırlık (görünür) g/cm3 min 1,80 1,95 2,1 2,0 2,3 2,2
Görünür porozite % max 26 24 20 22 23 22
Soğukta basma
dayanımı
MPa mm 20 25 30 30 40 35
Kalıcı boyut değişikliği
(1400 °C 'de)
% - ±0,5 - - -
7.3. İzolasyon Tuğlaları ve Hafif Ateş Tuğlaları
Fırınlarda ve ısının var olduğu her türlü konstrüksiyonlarda ısı izolasyonu
için yüksek gözenekli (%40 ile %70) izolasyon tuğlalar kullanılır, ancak bunlar
ateşe dayanıklı değildir. Bunların "üretiminde, ya içerdikleri yanıcı maddelerle
(odun talaşı, linyit kömürü, naftalin) yüksek gözenekli hammadde, (kieselgur)
kullanılır ya da dikkatlice kurutulan stabilize edilmiş köpüklerden yararlanılır,
İzolâsyon tuğlalarının büyük bir kısmı alüminyum silikat esaslıdır. Havanın kötü
iletken olmasından yararlanılarak üretilen bu malzemelerin ısı tutma etkisi,
gözeneğin dışında gözeneğin büyüklüğün ve gözenek dağılımına da bağlıdır.
Kieselgur tuğlaları, oldukça düşük ısı iletme kabiliyetine sahiptirler. Bunlar, oda
sıcaklığından 1000 °C ye kadar yaklaşık 0,07 ile 0,1 W/m.K ısı iletme kabiliyeti
gösterirler. Ancak kieselgur tuğlalar, 900 °C ye kadar hacim dayanımına
sahiptirler.
Son yıllarda, ısı izolasyonu için seramik bağlantılar ve bunlardan üretilen
dokuma battaniye ya da plaka türü malzemeler de kullanılmaktadır. Ergitilen ve
87
0,003 mm kalınlığa kadar lifli halde işlenebilen kaolin ve benzeri maddeler,
yaklaşık 1500 °C ye kadar kullanılmaktadır. Seramik fiber adı verilen bu
izolasyon malzemeleri, ergiyik metal ya da sıvıların temas etmediği fırın
atmosferinde, klasik refrakter malzemelere nazaran daha ince olarak, montajı ve
kolaylıkla yapılabilecek şekilde ülkemizde de yaygın kullanılmaktadır.
Metalürjide, kimya endüstrisinde, enerji üretiminde ve seramik
endüstrisinde fırın yapımında ateş betonunun kullanımı giderek artmaktadır.
Dökülebilir refrakter adı da verilen ateş betonu, şamot, korund veya silika gibi
ateşe dayanıklı granül maddelerden ve kimyasal ya da hidrolik sertleşebilen
bağlama maddelerinden meydana gelir. Karışım, genellikle su ile hazırlanır ve
beton teknolojisine uygun olarak doldurma, sarsma, dökme ile büyük bloklar
halinde tuğla formuna getirilebilir ya da direkt olarak fırın içerisine tatbik edilir.
Bu teknolojinin üstünlüğü, yapım ve tamirat sürelerini çok kısaltması ve pek az
işletme maliyeti olmasıdır.
Ateş betonunun ateş dayanımı, yüksek sıcaklıklarda bağlantı
malzemesinin, karakteristiklerine bağlıdır. Kimyasal bağlayıcı olarak, su camı ya
da fosforik asit kullanılabilir. Örnek olarak, şamot grandi ateş betonunda %15 ile
25 su camı ve bağlantı hızlandırıcı olarak da %10 ile 15 Na
2
SiF
6
ile yüksek
alkalilere karşı 900 °C ye kadar kullanılabilir. Buna karşılık %15 ile 30 portland
çimentosu ile bağlantılı şamot 1150 °C ye kadar kullanılabilir. Kuvarsit ve su
camı bazlı olarak üretilebilen silika beton, alkalilere ve sülfirik asitle çok şiddetli
reaksiyon yaptığından ve bunun sonucu sertleştiğinden dolayı, 1500 °C ye kadar
kullanılabilir.
Genel olarak yüksek kullanım sıcaklıkları için/bağlama maddesi olarak
alüminyum oksit bağlama çimentosu kullanılır. Bu çimento, alüminyumoksit ve
kalsiyumoksidin ark fırınında ergitilmesiyle elde edilir. Bu esnada CaO. Al
2
O
3
,
Ca0.2Al
2
O
3
ve alfa- Al
2
O
3
teşekkül eder. Kalsiyum alüminatın hidrolik özellikleri
betonun bağlantısını etkiler ve diğer iki faz ateşe dayanımı sağlar. %40 Al
2
O
3
’lü
alüminyum oksit ergitme çimentosu yaklaşık 1300 °C ye ve, yüksek kaliteli şamot
ilavesiyle 1400 °C ye kadar kullanılabilir. Ayrıca, %65 ile 70 Al
2
O
3
'lü çimento ile
yüksek kaliteli refrakter alüminyum oksitlerle takviye edilerek, 1550 ile 1750 °C
ye kadar çıkılması mümkündür.
88
Hidrolik bağlantılı ateş betonunda biraz dikkatli olunmalıdır. Isıtmada
bağlantı maddesinin hidrat fazında suyun alınmasından dolayı, tuğlanın ısıtılan
bölgesinde mekanik dayanım düşer. Ancak, seramik bağlantılar katılmasıyla
tekrar iyileşme görülür. Tek yanlı ateşe maruz kalan ateş betonu elemanlarında, bu
koşulun etkisi yoktur. Bu durum, su camı bağlantılı betonlarda görülmez.
Ateş betonu, sıcaklık değişimlerine karşı yüksek dayanıma (15 ile 25 hızlı
soğutma ve daha çok) sahiptir. Cüruf tahribine karşı, %29 ile 30 kadar olan
yüksek gözeneğinden dolayı pek dayanıklı değildirler. Keza, aşınma dayanımı da
pekiyi "değildir. Süngerimsi maddeler, hafif şamot ya da pomza taşı ilavesiyle,
500 ile 1000 kg/m
3
ham özgül ağırlıklı afif ateş betonu da üretilebilir.
Ayrıca, sıkıştırma maddesi ya da plastik olarak kullanım da olanaklıdır.
Hamur haline getirildikten sonra, tamir amacıyla kullanılabilir ya da plastik olarak
tatbik edilebilir. Kimyasal ya da hidrolik bağlayıcı madde içermediklerinde,
kullanım sıcaklığı civarında dayanımda önemli ölçüde yükselme meydana gelir.
7.5. Özel Seramikler
Özel seramiklerden ateşe dayanıklı ve yüksek sıcaklığa dayanıklı malzeme
olarak, daha çok oksit, silisyum karbür ve silisyum nitrür seramikler teknikte
kullanılır.
Yeni üretim teknolojilerinin kullanımıyla bağlantılı olarak, yüksek ısıya
dayanıklı özel seramiklerde de önemli gelişmeler sağlanmaktadır. Ticari amaçlı
üretilen seramiklerle bu tür özel seramiklerin aralarında büyük özellik farkları
mevcuttur. Örneğin, Al
2
O
3
SiC ve Si3N
4
’ün eğmede kırılma dayanımları,
%100'den daha fazla fark gösterir.
Benzer amaçlı kullanılan metalik malzemelere nazaran özel seramiklerin
daha düşük özgül ağırlık, daha iyi yüksek sıcaklık dayanımı ve daha iyi korozyon
dayanımı gibi üstünlükleri olmalıdır. Ancak süper alaşımlara ulaşabilen en üst
kullanım sıcaklığı olan yaklaşık 1050
o
C’nin üzerine çıkılmak istenildiğinde,
seramiklerin konstrüksüyonlarda meydana getirdikleri sakıncalar da göz önünde
tutulmak koşulu ile alternatifsiz olarak özel seramiklerle çalışması gerekir.
Silisyumkarbür, sılisyumnitrür ya da SiC – Si
3
N
4
bağlı seramiklerle, örneğin
küçük gaz tribünlerinde konstriksiyon malzemesi olarak, komplike konstrüksiyon
parçalarının yapımında yararlanılır.
89
7.5.1. Oksit Seramikler
Oksit seramikler, yüksek ateşe dayanıklı malzeme olarak dikkatte değer
özelliklere sahiptirler. Bu özelliklere mümkün olduğu kadar fazla arıklıktaki
maddelerle ulaşılabilir. Çünkü faz diyagramlarından da görülebileceği gibi,
karışımların ergime sıcaklıkları, komponentlere nazaran daha düşüktür. Bundan
dolayı, kural olarak oksit seramik malzemeler bir tek oksitten meydana gelir:
Oksitlerin çok iyi olan arıklığı ve yüksek ergime derecelerinden dolayı
üretimlerinde, özellikle sinterlemede özel bazı kurallar geçerlidir.
Sinterleme olayını aktifleştirmek için, hammaddeler çok ince öğütülmeli
(ortalama tane büyüklüğü 5 ? m 'den az) ve tozlar büyük bir özgül yüzeyle ve
hata yoğunluğuyla sinterleme yapılabilmelidir. Sinterlemenin hidroksit ve
karbonat ya da %0,5 ila 3kadar özel oksitlerin ilavesiyle yapılması da
mümkündür. Gözeneksiz oksit seramik malzeme imal edebilmek için, hidrojen
atmosferde, vakumda ya da aynı zamanda basınç kullanımıyla (sıcak presleme)
sinterleme veya izostatik sıcak ilave presleme gereklidir.
Sinter korund, en geniş kullanıma sahip oksit seramik malzemedir yalnızca
? - korund’tan meydana gelir ve sıcaklık yükselmesinde dönüşüm meydana
getirmez. T
0.5
değeri 1860
o
C olduğundan 1800
o
C’ye kadar kullanılabilir. Dikkat
çeken özelliği, yüksek sertliğe sahip olması ve aşınma ile basma dayanımının
yüksek olmasıdır. Basma dayanımı yüksek sıcaklıklarda da iyidir, örneğin 1400
°C de basma dayanımı 250 MPa kadardır.
Dayanım, çok arık hammadde kullanılması ve MgO ilavesiyle,
sinterlemede diskontinü (süreli olmayan) tane büyümesi engellenirse ve yapı ince
kristalin halde kalabilirse daha da iyileşir. 1 ila 3 ? m kristalin büyüklüğü için,
basma dayanımında en yüksek değer olarak 5000 MPa değerine ulaşılır. Ancak,
sinter korundun sıcaklık değişimlerine dayanımı, rölatif olarak iyi sayılabilen ısı
iletme kabiliyetine karşın (20°'de 30W/m.K ve 1000°C'de 7,5 W/m.K) biraz
düşüktür. Bunun sebebi, ısıl genleşme katsayısının 82.10"
7
1/K gibi bir değer
olarak yüksek olmasıdır.
90
Al
2
O
3
içerisinde ince disperse olmuş ZrO
2
dağılımıyla (veya diğer özel metal
olmayanlar) dayanım ve sinler korundun kırılma sürekliliğini önemli ölçüde
yükseltilebilir. Sinter sıcaklığından soğutma esnasında tetragonal yapıda hacimce
zengin monoklinik ZrO
2
dönüşmesi meydana gelir ve bu esnada ZrO
2
partiküllerinin çevresinde direkt olarak çok sayıda mikro çatlak teşekkül eder.
Tablo 7.9. Birkaç sıcağa dayanıklı oksidin önemli özellikleri
Bu durum, dayanım kötüleşmesi yaratır. Diğer taraftan, AI
2
O
3
matriks
içerisinde ZrO
2
partiküllerinin dönüşümü ile basınç bölgeleri dönüşümüyle
dayanım yükselir. Hangi mekanizmanın etkili olacağı, ZrO
2
partiküllerinin
büyüklüğüne bağlıdır.
Özgül elektrik direnci, 380°C de yaklaşık 10
5
? m ve 1100°C de 10
4
? m
kadardır. Bu değerler, yalnızca magnezyum oksitle karşılaştırabilir. Bundan
dolayı, şinter korund yüksek sıcaklıklarda elektriksel izolatör olarak (ısıtma
direnci taşıyıcısı, tutuşturma, bujisi) kullanılır. Kimyasal dayanımı çok iyidir.
Korund en stabil oksitlerden sayılır. Yalnızca soda eriyiği cak ve cüruf eriyikleri,
sinter korundu yüksek sıcaklıklarda yavaşça etkiler. Hidrojen, metal ya da
karbonla redüklenmez ve bundan dolayı arı metallerin ergitilmesinde pota
malzemesi olarak kullanılabilir.
Ergime
sıcaklığı
o
C
20...
1500 °C
arasında
ortalama
genleşme
katsayısı.
10
-7
l/K
Elastiklik
modülü
GPa
Eğme
dayanımı
MPa
Basma
dayanımı
MPa
Özgül
ağırlık
g/cm
3
2000
°C'de
buhar
basıncı
Pa
SnO
2
>1900 40
240
110…140 -
1,00
-
Al
2
O
3
2050 82 300…410 35…60 2000…4000 3,95 3.10
-2
Cr
2
O
3
2340 100 - 140 - 5,12 -
CaO 2560 138 - - - 3,36 1.10
o
BeO 2570 98 270…300 110…270 800…1800 3,01 1.10
-1
ZrO
2
2690 - 140…180 160…180 780…1600 5,56 9,10
-3
MgO 2800 150 110…350 160 840…1400 3,58 1.10
1
HfO
2
2840 71 - - 840…1400 9.68 3.10
-3
ThO
2
3300 101 140…250 56…110 - 10,00 5.10
-3
91
Sinter korund malzemelerin iyileştirilmiş mekanik özellikleri ve yüksek
aşınma dayanımı, yalnızca yüksek sıcaklık malzemesi değil, ayrıca diğer
kullanma alanlarında da yararlanmayı sağlar. Örneğin doz vanaları, özel yatak
zarftan (uzay araçlarında) ve pompa pistonlarında
kullanılabilir. Na-buharlaşma
ampullerinde yakma borusu olarak transparent (saydam) korund seramik
kullanılır. Bunun üretiminde hammadde olarak çok arık korund, pek az gözenekli
olarak kullanılır ve sinterleme hidrojen atmosferde yapılır.
Magnezyumoksit, Al
2
O
3
'e nazaran daha yüksek ergime sıcaklığına
sahiptir. Özel bir durum söz konusu olmadığında, MgO 1400°C de sıkı
sinterlenebilir. Korunda benzer olarak, yüksek sıcaklıklarda elektrik izolatörü
olarak (1700 °C de özgül elektrik direnci 1,2
2
.10 ? m) ve bazik eriyiklere karşı
pota malzemesi olarak kullanılır. Yüksek ısıl genleşme katsayısından-dolayı, bu
malzemenin sıcaklık değişimlerine karşı dayanımı düşüktür.
Sinter Spinellden (MgO.AlO
3
) yapılmış parçalarda, sinter korunda benzer
mekanik özelliklere ulaşır. Korunda nazaran daha bazik olduğundan dolayı,
tuğlalarda bazit maddelere karşı daha büyük direnç vardır.
Zirkonyum oksit’in çok sayıda modifikasyonu vardır. Oda sıcaklığında ve
üzerinde, 1100 °C de reversibil olarak %8 hacim artmasıyla tetragonal
modifikasyonla dönüşen, monoklinik baddeleyit yapı vardır. 2300°C nin üzerinde,
kübik forma dönüşür. Büyük hacim değişmeleri sonucu yapının bozulmasını
engellemek için tetragonal yüksek sıcaklık modifikasyonunu stabilize etmek için
%10 ila 25 mol CaO ya da MgO ilave edilir: ZrO
2
'nin sıcaklık değişimlerine
dayanımı sinter korundtan daha iyidir. Stabilize Zirkonyum oksit'in ateşe
dayanımı iyi olduğundan 2300°C'ye kadar kullanılabilir. Asit cüruflara ve metal
ergiyiklerine karşı en yüksek sıcaklığa kadar dayanıklı olduğundan, daldırma
pirometrelerde koruyucu boru ve pota malzemesi olarak kullanılır.
Toryumoksit, 3300°C ergime sıcaklığı ile ateşe dayanıklıdır ve CaF
2
ilavesiyle sinterlenir. Büyük genleşme katsayısından dolayı sıcaklık değişimlerine
çok duyarlıdır. Oksitleyici atmosferlerde ya da vakumda yüksek sıcaklıkta ergiyen
metaller için pota malzemesi olarak kullanılır.
92
7.5.1.1. Silisyumkarbür
Diğer bir seramiklerle karşılaştırıldığında SiC’ün çok üstün olan özelliği
çok iyi ısı iletme kabiliyeti (Tablo 7.10) olmasıdır. Böylece termal şok işleminde
çözülen gerilmelerin bir kısmı ısı akışı ile dengelenir. Isıl genleşme katsayısı
nispeten büyük olmasına karşın sıcaklık değişimlerine karşı dayanımı sinter
korundtan daha iyi silisyumnitrürden daha kötüdür. Silisyum karbür 2830 °C'de
ergir, fakat 2000°C'de dissosiasyon görülür. Ticari SİC (karborandum),
hekzagonal modifikasyonunu ( ? -SiC) ve arıtılamayan elemanlara bağlı olarak
yeşil ve siyah arasında renklerde olur.
Silisyumkarbür 800
o
C’nin üzerinde oksitlenmeye başlar bu esnada
oksidasyonun devamını engelleyen SiO
2
koruyucu tabaka yapısı teşkil eder.
Örneğin Fe
2
O
3
’ü zengin ya da bazik eriyikler SiO
2
’yi çözerlerse, şiddetli yanma
ile birlikte tahribat meydana gelir bu tahribat tanelerin kil ile bağlanmasıyla
azaltılabilir. Ancak, bağlantı kili SiO
2
yi redükleyeceğinden dolayı, bu tür
ürünlerin redükleyici atmosferde kullanılmaması gerekir. Bu tür kil bağlantılı
silisyum karbür malzemelerde SiC miktarı %50 ila 90 arasındadır. SiC tanelerinin
iyi ısı iletme kabiliyeti, bu malzemede de yeterli sıcaklık değişimlerine dayanım
sağlar. Bunlar, hücrelerin (mulf) üretiminde, pota malzemesi olarak ve kazanlarda
ateş tuğlası olarak kullanılırlar. Kullanım sıcaklığı sınırı, SiC miktarına bağlı
olarak 1500 ila 1700 °C arasındadır ve bu sıcaklık sahasında ısı iletme kabiliyeti 4
ila 12 W/m.K kadardır. %90'lık SiC ürünler, 80 ila 100 MPa basma dayanımı
gösterirler ve aşınmaya dayanıklıdırlar.
93
Tablo 7.10. Sülsyumkarbür ve silisyumnitrür seramiklerinin özellikleri
Şekil 7.12 Değişik özel seramiklerin eğmede kırılma dayanımı (a) ve kırılma
sünekli
1. Sıcak preslenmiş Si
3
N
2. Sıcak preslenmiş SiC.
3. Kendiliğinden bağlı SiC
4. Reaksiyon sinterlenmiş Si
3
N
4
5. Rekristalize
Özgül Eğmede kırılma Elastiktik Isı iletme Isıl genleşme
ağırlık
g/cm.3
dayanımı (0 ilâ
500 °C arasında
ortalama değer)
MPa
modülü
GPa
katsayısı
W/m.K
katsayısı
.10
-6
l/K
Rekristalize SiC 2,6 125 206 23 4,8
Kendinden bağlı SiC 3,12 480 410 33 4,4
Sıcak preslenmiş SiC 3,21 700 380 100 4,3
îzostatik preslenmiş ve
reaksiyon sın terlenmiş
S1
3
N
4
2,55 280 180 15 2,8
Sıcak preslenmiş Sİ
3
N
4
3,19 800 310 30 3,2
Özgül Eğmede kırılma Elastiktik Isı iletme Isıl genleşme
ağırlık
g/cm.3
dayanımı (0 ilâ
500 °C arasında
ortalama değer)
MPa
modülü
GPa
katsayısı
W/m.K
katsayısı
.10
-6
l/K
Rekristalize SiC 2,6 125 206 23 4,8
Kendinden bağlı SiC 3,12 480 410 33 4,4
Sıcak preslenmiş SiC 3,21 700 380 100 4,3
îzostatik preslenmiş ve
reaksiyon sın terlenmiş
S1
3
N
4
2,55 280 180 15 2,8
Sıcak preslenmiş Sİ
3
N
4
3,19 800 310 30 3,2
94
Gözeneği az ila pratik olarak gözeneksiz kabul edilebilir parçaların
üretimi, sıcak preslemeyle kendinden bağlı silisyumkarbür olarak yapılır. Bunun
için SiC tozlar, katran gibi karbür içeren maddelerle karşılaştırılır, preslenir ve
pişirilir. Bu esnada bağlantı maddeleri koklaşır. Si buharıyla mütakip işlem ile ya
da Si emdirilerek, primer SİC partiküllerini (hekzagonal faz) çevreleyen karbon
örtüsü, SİC'e (sekonder SiC, kübik faz) dönüştürülür. Şekil 7.12, değişik SiC
tiplerinin mekanik karakteristiklerini ve Tablo 7.10 diğer özelliklerini
vermektedir. Gözenekli olan çeşitleri, çok yüksek sıcaklıklarda uygun mekanik
karakteristiklere sahip olduğundan kullanılırlar.
Benzer mekanik özellikler ve iyileştirilmiş sıcaklık değişimlerine dayanım
ile oksidasyon dayanımı, bağlantı fazı olarak görev yapan Sİ
3
N
4
içeren SİC-Sİ
3
N
4
karışık seramiklerinde görülür. Bunun için, silisyum preslenir ve 1500°C'de azot
akımı içerisinde sinterleme yapılır, bu esnada Si elemanı Sİ
3
N
4
'e dönüşür.
Silisyumkarbür seramikleri, yanma kamaları için astar olarak, roket tahrik
sistemlerinde egzoz konisi yapımında ve diğer oldukça yüksek sıcaklık zorlaması
olan durumlarda kullanılırlar.
Karşılaştırabilir mekanik özellik değerinde, silisyumnitrür seramikler,
silisyumkarbür seramiklere nazaran daha iyi sıcaklık değişimlerine dayanım (Bkz.
Şekil 7.12 ve Tablo 7.10), ayrıca daha iyi korozyon dayanımı gösterirler. Bundan
dolayı, tercihen korozyona dayanıklı yüksek sıcaklık malzemesi olarak teknikte
kullanılırlar.
95
7.5.1.2. Silisyumnitrür
Silisyumnitrür çok sayıdaki metal eriyiğinden en azından vakumda ve
koruyucu gazda etkilenmez. Geçiş metallerin (Fe, Co, Ni, Cr) eriyikleri silüzür ve
azot teşkil ettirmesinde tahribat olur. Asitlere, özellikle sülfirik aside ve birçok tuz
eriyiğine karşı dirençlidir. Arı azot ve soygaz atmosferde Si
3
N
4
yaklaşık olarak
1900
o
C’deki dissosiasyon sıcaklığına kadar dayanıklıdır. Oksitleyici atmosfer
içerisinde Si
3
N
4
’ü ilave bir oksidasyondan koruyan SiO
2
tabakası teşekkül eder.
Kütle artışı örneğin 1100
o
C’de 100 saat sonunda yalnızca 1mg/cm
2
kadardır.
1600
o
C’de çok iyi oksidasyon dayanımına sahiptir. Oksidasyon karakteristiği
sıcaklıkla birlikte artan oksijen difüzyonu hızının sağladığı tabakaya bağımlıdır.
Sılisyumnitrür seramikler, sıcak preslenmiş ya da reaksiyon sinterlenmiş
(reaksiyon bağlı) halde kullanılırlar. Reaksiyon sinterlemede, kullanım amacına
baplı olarak silisyum tozları, form parçaya uygun olarak değişik yöntemlerle
sıkıştırılır (Tablo7.11), yaklaşık 1400 °C'de N
2
veya NH
3
akımında sinterlenir ve
aynı zamanda sılisyumnitrüre dönüştürülür. Bu esnada, Sİ
3
N
4
'ün özgül hacmi,
silisyuma nazaran daha büyük olduğundan, form parçanın dış ölçülerinde önemli
bir değişme olmaksızın gözenekler büyür. Azot verme ara etabında henüz talaşlı
şekillendirme yapılabildiğinden, %0,1 toleransa kadar hassas parçaların üretimi de
yapılabilir.
Tablo 7.11 Silisyum tozlarına form verme yöntemleri ve üretim tarzına bağlı
olarak sılisyumnitrür parçaların kullanım olanakları.
Silisyum tozlarına form verme
Yöntemleri
Sılisyumnitrür seramiklerin kullanım olanakları
Cidar kalınlığı, çapı ve boyu çok değişik
boruların üretimi için sürekli presleme
Alüminyum endüstrisinde gaz iletme boruları,
Termoeleman koruyucu boruları, ısı dönüştürme
modülleri
Hassas parçalarda nitrasyon öncesi ilave
İşlemeli izostatik presleme
Yanma kamerası borusu, gaz türbinlerinde küçük
parçalar, sıcak gaz yatakları, sıcak pres matriksleri
Üst ve alt stampalı matrislerde form
kalıplarda Presleme
Döküm nozulu, subab yuvası, izolasyon parçası,
sürekli döküm memesi, gaz yakıcı memesi •
Büyük parça sayılarında komplike
formdaki parçaların üretimi için sürekli
döküm
Türbin kanadı, salmastra, asit pompalan için subab,
kaynak memesi
96
Silisyumnitrür seramikler, 1300°C sıcaklığına kadar sürekli
kullanılabilirler. Bundan dolayı, dökümle üretilen alüminyum, pirinç, kurşun,
kalay, çinko ve magnezyum için kalıp konstrüksiyon malzemesi için çok tercih
edilirler. Ayrıca, Tablo 7.11'de verilen örneklere ilave olarak yükseklik borusu,
döküm bileziği ve ergitme teknesi astarlanması, şamandıra, doz vanası, döküm
kanalı kapatma sistemi, enjeksiyon döküm ile kokil döküm ve benzeri yerlerde
kullanılır. 1000°C'nin üzerinde sıcaklığa sahip gaz ve sıvılardan ısının geri
kazanılmasında, reküperatörler için ve gaz-sıvı karıştırıcılarda da silisyumnitrür
kullanılabilir.
97
7.5.2. Karbon Refrakterler
Karbon esaslı malzemeler yüksek sıcaklık dayanımları dikkate değer
elektriksel termomekanik ve kimyasal özelliklerine karşın ekonomik nedenlerle
tenkitte pek az kullanılırlar. Karbon refrakterlerin özellikleri, metaller ve metal
olmayanlar arasındadır. Bundan dolayı, malzemelerden özel nitelikler
gerektiğinde bu malzemelerden yararlanılır.
Seramik teknolojisiyle üretilen ve karbon refrakterlerin büyük bir
miktarını teşkil eden, alışılmış tarz karbon refrakterlerin yanında, camsı tarzlı,
pirolitik ya da fleksibil özel karbon malzemeler de vardır. Bu özel amaçlı karbon
refrakterler, hidrokarbon piroliz yöntemiyle elde edilirler.
Tablo 7.12 Karbon refrakterlerin özellikleri.
Özellik Birim Büyük
Karbon
Refrakter
Tuğla Formunda Grafit
Sürekli
Preslenmiş
Kalıpta
Preslenmiş
İzostatik
Preslenmiş
Tane, max.
çapı
mm 12 07 0.1 0.1
Ham özgül
ağırlık
g/cm
3
1.55-1 83 1.70 1.80 1.83
Basma
dayanımı
MPa 20-85 40-37 72-80 84
Eğmede
kırılma
Dayanımı
MPa 5-40 15-25 32-40 35
Elastiklik
modülü
GPa 4-6 5 5-15 7-10 8.5
Isı iletme
kabiliyeti
W/m.K 60-175 116-209 75-93 87
Özgül elektrik
direnci
10
-6
? m 10-24 5-12 14-18 15
Isıl genleşme
Katsayısı
10
-6
.1/K 1.8-3.2 1.0-2.9 2.4-2.8 2.5
Doğada karbonun üç modifikasyonu olduğu bilinir. Kübik elmas
(diamant), hekzagonal grafit ve amorf karbon en stabil modifikasyonu, grafittir.
Diamant, yaklaşık olarak 2000 °C sıcaklıkta grafit olarak parçalanır Amorf karbon
98
da, 2000°C'nin üzerine ısıtıldığında grafite dönüşür. Grafit, tabaka kafes sistemine
sahiptir. Bu sistemde, aynı tabakada bulunan atomlar birbirleriyle sıkı, fakat diğer
tabakadakilerle daha zayıf bağlantı içerisindedirler. Tabakaların birbiri üzerinde
kolayca kayabilmesinden dolayı, sıcaklıklarda yağlama maddesi olarak kullanılır.
Karbon modifikasyonlarında, ısıl genleşme çok azdır. Bu değer, 4.10
-6
1/K'den azdır, Yükselen sıcaklıkla birlikte, genleşme katsayısı biraz artar. Amorf
karbondan yapılmış tuğlaların pişirme sıcaklığının üzerine ısıtılmasında, boy
kısalması olayı görülür. Bu boy kısalmaları, ısıl genleşmeyi büyük ölçüde karşılar.
Amorf karbonun grafite dönüşmesinde boy kısalması tekrar görülür (özgül ağırlık,
1,88'den 2,07 kg/m
3
'ye yükselir). Çok fazla grafitleştirilmiş malzemelerde, tekrar
kısalma olayı görülmez. İyi ısı iletme kabiliyeti, ralitif
olarak düşük ısıl genleşme
katsayısı ve küçük elastik modülü (Tablo 7.12), karbon refrakterlere iyi bir
sıcaklık değişimlerine dayanım sağlar.
Karbonun ısıl dayanımı çok yüksektir. Ancak dayanımı çevreleyen
ortamdan, özellikle atmosferdeki oksitleyici ve diğer oksitleyici maddelerden
dolayı hemen düşer Grafitin ergime sıcaklığı, tam olarak bilinmez, yaklaşık olarak
3500°C'ye ısıtılmak suretiyle, amorf karbonun grafite dönüşmesi sağlanır
(grafitleştirme) ve böylece, elektrik ve ısı iletme kabiliyeti iyileştirilirken,
sertliğinde azalma meydana gelir.
Karbon refrakterler, hem kompakt form parçalar halinde ve nemde
sıkıştırma maddesi olarak kullanılabilir. Pişirilmiş ve daha az sertliği olan
grafitleştirilmiş refrakterler de talaşlı şekil verme yapılabilir. Böylece, fırın ve
ısıtıcı haznelerde kullanılan blokların nihai olarak tam işlenmesiyle, boşluk
bırakmadan ve harç kullanmadan yararlanma sağlanır.
Özek karbon refrakterlerin üretiminde, hidrokarbonların termik olarak
parçalanmasından (piroliz) yararlanılır. Özel selüloz fazerlerden ya da diğer
organik fazerlerin piroüzi ile 1200 ila 2800 MPa dayanımlı ve 175 ila 400 GPa
elastiklik modüllü karbon fazerler elde edilir. Bunlar, yüksek polimerlerle takviye
edilerek örgülü hale getirilirler. Duromerlerin pirolizi ile de camsı karbon elde
edilir. Camsı kavramı, özgül ağırlık ve kırılganlık olarak cama benzemesi, fakat
yapısının farklı olması anlamında kullanılır. Eğer pirolizde teşekkül eden karbon,
sıcak yüzeye çarptırılırsa, pirokarbon (1500 ila 1700 °C de ya da prografit elde
99
edilir. Alışılmış tarz karon refrakterler üzerinde pirokarbon ya da pirografitin
ayrıştırılmasıyla oksidasyon dayanımı iyileştirilir.
Metal ergiyikleri ve cüruflara karşı, grafitin üstün olan kimyasal
özelliklerinden dolayı, kille bağlanmış grafit potalar ve tuğlalar, yapılabilir. Bu
amaçla, doğrudan elde edilen grafit, %40 ila 60 ateşe dayanıklı kil ile karıştırılır,
su ile plastik hale getirilir, form verilir ve 1400°C’de pişirilir. Grafit, cüruf
ergiyiği ile şamotun tahribatını engellediğinden dolayı, fırın atmosferindeki
oksijenle grafitin önceden oksidasyonu, şamotu korur. Grafit potalar, daha çok
döküm endüstrisinde kullanılır.
8. REFRAKTER MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI
Refrakter malzemelerin kullanım esnasında performanssı aşağıdaki
faktörlere bağlıdır.
1. Kullanılan refrakter malzemelerin özellikleri
2. İnşa, astar ve tuğla dizaynı. Ayrıca inşa tekniği ve inşadan sonra
uygulanan kurutma ve ön ısıtma yöntemi
3. Çalışma koşulları
Refrakter malzemeler hakkında verilen bilgiler refrakterin kullanım
sıcaklığı sınırını veya maksimum kullanım sıcaklığını verir. Bu bilgiler,
refrakterin kullanım esnasında korozif etkilere maruz kalmadan kullanılabileceği
maksimum sıcaklığı belirtmektedir. Refrakter malzemenin maksimum kullanım
sıcaklığını kesin olarak saptamak için henüz belirli bir test yoktur. Bu nedenle,
belirtilen sıcaklıklar uygun sıcaklık testleriyle (yük altında refrakterlik, sıcak
mekaniksel özellikler yeniden ısıtma testi) desteklenen pratik tecrübelere
dayanmaktadır. Refrakter ürünler için kullanılan klasifikasyon sıcaklıkları
kullanım sıcaklıklarından daha düşüktür.
Birçok durumda refrakter seramikler yoğun bir ısıl, termomekanik,
mekanik ve korozif streslere maruz kalırlar. Korozyon refrakter malzemenin
çalışma koşullarındaki özelliklerini önemli derecede etkileyecek veya değiştirecek
en önemli faktördür. Bu nedenle refrakter malzemeler seçilirken kullanım
esnasındaki şartlara, koşullara dikkat edilmesi gerekmektedir. Bu ise refrakter
üretici, fırın inşaatçısı ve kullanıcı arasında yakın bir dayanışmayı gerektirir.
100
Genel olarak spesifik bir uygulama için refrakter seramik malzeme “ısmarlama”
üretilir.
Refrakter malzeme seçilirken çalışma koşulları değerlendirildikten sonra,
refrakterden beklenen görevler ve kullanım süresi uzunluğu dikkate alınmalıdır.
Kullanım esnasında refrakter malzemenin verimliliğini (ömrünü)
düşürecek etkenler şunlar, olabilir;
1. Kimyasal ataklar (örneğin, cüruf otokları, gazlar ve duman otokları
gibi)
2. İşletim koşulları (sıcaklık ve çevrim gibi)
3. Mekaniksel kuvvetler ( aşınma, erozyon ve fiziksel darbe gibi)
Refrakter malzemenin seçimini etkileyen dizayn faktörleri, ise şunlardan
etkilenir;
1. Malzeme tipi ve inşa (tuğlamı yoksa monolitik malzememi)
2. Refrakter malzemenin özellikleri (refrakterin bileşimi,
kompozisyonu, ısı depolama veya bırakma özelliği gibi)
3. Kullanım esnasında ısıl özellikler ( sabit veya değişken sıcaklıklara
mı maruz kalacak )
4. Refrakterin mukavemeti ( hangi tür streslere maruz kalacak )
5. Isıl fonksiyon ( yalıtkanlık, ısı transferi, kayıplar)
Proses koşullarının refrakter malzemelerin özellikleri üzerine etkilerini
Tablo 8,1’de özetleyebiliriz:
101
Tablo 8.1 Proses Koşullarının Refrakter Malzemenin Özelliklerine Etkisi
Kullanım Durumu Kimyasal Direnç
Oksitleyici Oksitler ve oksit kombinasyonları (örneğin, silikatlar ve şamot)
etkilenmez. Karbon ve grafit etkilenir. SiC 1650 C°'a kadar stabildir.
Su Buharı Düşük sıcaklıklarda manyezit refrakterlerde hidratlaşmaya neden olur.
Karbon ve grafitin 705C° 'un üzerinde oksitlenmesine neden olur
Hidrojen Silika ve silika içeren refrakterler 1100° C un üzerinde etkilenir.
Yüksek alüminalı, ZrO
2
, MgO ve kalsiyum alüminat refrakterler iyi
direnç gösterir.
Sülfür veya Sülfatlar 870 C°'un üzerinde sülfür silika içeren refrakterlerle reaksiyona girer.
Karbon ve yüksek saflıktaki oksitler iyi direnç gösterirler. Kalsiyum-
alüminat çimentosu portland çimentosundan daha dayanıklıdır.
Redükleyici Atmosfer Çoğu refrakterler stabildir. Fakat demir oksit empüriteler indirgendiği
zaman ve özellikle ısıl çevrime uğradığı zaman çökmeye sebep olurlar.
CO Demir empüriteleri, şamot refrakterlerde karbonun deposizyonu için
katakist olarak görev yaparlar. CO grafit ve SiC'ü oksitleyerek bazik
refrakterlerde yıkıcı etkilere sebep olurlar.
Klorin ve Florin
(CI, F)
650° C un üzerinde klorin silikatlara zararlıdır. F, grafit hariç tüm
refrakterlere zararlıdır. Bazik refrakterler her ikisine karşı zayıf direnç
gösterirler.
Asitler Bazik refrakterler oldukça kötü direnç gösterirler. Şamot ve yüksek
alüminalı refrakterler HF hariç iyi direnç gösterirler. SiC iyi direnç
gösterir. C ve grafit reaksiyona girmez.
Alkaliler Şamot ve yüksek alüminalı refrakterler düşük sıcaklıklarda iyi
performans gösterirler. Magnezit refrakterler iyiye yakın krom
refrakterler kötü ve grafit mükemmel direnç gösterir.
8.1 Refrakterlerde Kullanım Şartlarında Oluşan Etkileşimler
8.1.1. Refrakterlerle Sıvılar Reaksiyonlar
Ergimiş metaller cüruflar ile karıştırıldığında çok daha az reaktiftirler. Bu
nedenle refrakter malzemenin kimyasal şartlara dayanımı genellikle refrakterin
cüruf direnciyle ilgilidir. Bu ise cürufun ve refrakterin kompozisyonu ve
özellikleri ile ilgilidir. Direnci etkileyen diğer faktörler ise şunlardır.
1. Sıcaklık
2. Isıl çevrimin şiddeti veya proses şoku
3. Refrakterle temasta olan cürufun çalkalanma derecesi ve cürufun hızı
102
4. Maruz kalınan aşınma
Bu koşullar düşünüldüğünde benzer fırınlarda kullanılan benzer
refrakterlerin farklı çalışma koşulları altında tamamı ile farklı aşınmaya maruz
kalmaları şaşırtıcı değildir.
Cürufların refrakterlerin bazikliği (veya baziklik derecesi) bazik oksitlerin
asit oksitlere oranıyla saptanır. Fakat genellikle bu oran en etkili asidik ve bazik
oksitler olan kirecin silikaya oranı olarak alınır. (CaO / SiO
2
). Bununla birlikte
çok kompleks formüllerde kullanılır. Moleküler teoriye göre; en basit şekliyle bir
cürufun asitlik derecesi cürufla SiO
2
’ye (veya asidik oksitlere) bağlı oksijenin
diğer bazik oksitlerdeki FeO, CaO, MgO vb= MeO toplam oranı olarak belirtilir.
2
()
( . .)
()
no SiO
Asitlik Derecesi AD
no MeO
?
?
Bu teoriye göre baziklik derecesi, mevcut bazik oksitlerin mol sayılarının
SiO
2
'nine mol sayısına bölümüdür.
2
..
nMeO
BaziklikDerecesi BD
nSiO
?
?
Örnek %44 SiO
2
, %36 FeO ve %20 CaO şeklinde ağırlıkça % cinsinden
bileşimi verilmiş bir cüruf için asittik ve baziklik derecelerini bulunuz?
100 g kabul edersek;
2
22
22
1 20
44 0.73 1.46 0
60 1 01
molSiO Atom
gSiO x molSiO x Atomgr
grSiO m SiO
??
36 1 0
0.50 0.50 0
72 1
20 1
0.36 0 0.36 0
56 1
1.46
. . 1.7
0.50 0.36
0.5 0.36 0.86
. . 1.2
0.73 0.73
grFeO Atom
molFeOx Atom gr
grCaO molFeO
grFeO AtomO
molCa x Atom gr
grCaO molCaO
AD
BD
? ? ?
? ? ?
?
??
?
? ?
?
?
?
? ? ?
?
?
Genel bir kural olarak
103
2
2
1 var .
1.
CaO
iseasidikrefraktarleregerek dır
SiO
CaO
isebunlarbazikcüruflardır vebazik refrakterlereihtiyaçduyarlar
SiO
?
?
Şamot ve alümina silikat refrakterler
2
1
CaO
ise
SiO
? Cüruflara karşı oldukça etkilidirler. Fakat oldukça yüksek
miktarda Fe ve Mn oksit içeren cüruflar yüksek alüminalı cüruflara gereksinim
duyarlar.
2
1
CaO
ise
SiO
? ; olduğundan alümina refrakterler şamot refrakterlere göre
daha üstün özelliklere sahiptirler.
2
1
CaO
ise
SiO
? MgO, MgI – CaO ve MgO – Cr
2
O
3
gibi bazit refrakterlerin
kullanılması lazımdır.
104
105
106
Refrakter malzemeye cüruf sızması refrakterin yapısını; por oranını,
yoğunluğunu, mineralojik yapısını ve mukavemetini değiştirmek suretiyle
değiştirmektedir. Eğer yapısı değişmiş refrakter ısıl bir çevrime maruz kalırsa
veya cürufun kristalizasyonu sonucu hacim değişimi olursa, refrakterde
yoğunlaşmış zonun arka kısmında stres konsantrasyonu birikimi olur ve bu
refrakterde çatlama veya spellingle sonuçlanır. Yapısal değişime bir örnek
magnezit-kromit refrakterlere demir oksidin etkisidir. Magnezit-kromit
refrakterine sızan (difuze olan) demir oksit latisin aşırı uzamasına (genleşmesine)
neden olur. Bunun sebebi, demir ve krom iyonlarının magnezya-krom spinelinde
eşit olmayan difuzyonudur. Bu ise demir-tuğla fazında porların oluşmasına yol
açar.
8.1.2 Refrakterler ve Gazlar Arasındaki Reaksiyonlar
Refrakterlerle gazlar arasındaki reaksiyonlar oldukça yıkıcı düzeyde
olabilir. Gazlar genellikle porlara sızarak refrakterin yapısını bozarlar. Refrakter
malzeme, düşük, yoğunluğa sahip ye bileşiklerin oluşumuyla genleşir veya
büzülür. Bunun yanında, refrakter malzemenin refrakterlik özellikleri düşük
ergime sıcaklığına sahip bileşiklerin oluşumuyla önemli derecede düşer. Buna bir
örnek yüksek fırınlarda kullanılan alüminasilikat refrakterinin CO tarafından
dağılması, parçalanmasıdır.
8.1.3. Refrakterler Arasındaki Reaksiyonlar
Tablo 8.3'te belirli sıcaklık aralıklarında refrakterlerin birbirleriyle uyuşma
durumları verilmiştir. Birbirine benzemeyen ayrı özellikteki refrakterler yüksek
sıcaklıklarda birbirleriyle kuvvetli bir şekilde reaksiyona girerler. Faz
diyagramları, refrakterler arasındaki reaksiyonlar hakkında bilgi edinebilmek için
en değerli kaynaktır. Refrakter malzemelerin kullanıldıkları endüstri dalına göre
tüketim dağılımını şu şekilde verebiliriz;
107
? Demir-Çelik Endüstrisi %55-60
? Çimento ve kireç Endüstrisi %5-8
? Cam Endüstrisi %5-8
? Seramik Endüstrisi %5-8
? Demir dışı Metaller End. %2-5
? Kimyasal ve Petro kimyasal End %2-4
? Enerji- Üretimi End. %2-4
Şekillendirilmemiş refrakterlerin büyük bir kısmı ise ( yaklaşık %80'i)
demir-çelik endüstrisinde kullanılır. Petro-kimyasal endüstri hariç diğer
endüstriler genel olarak şekillendirilmiş refrakter kullanır. Şekillendirilmemiş
refrakter sınıfında yer alan birleştirici malzemeler toplam refrakter üretiminin %3-
5'ini kapsar. Tablo 8.5 refrakter malzemelerin demir-çelik endüstrisinde
tüketimleri hakkında bize genel bir bilgi vermektedir.
108
109
8.2.1. Yüksek Fırın Refrakterleri
Modern Yüksek Fırınlar (YF) günde 4000 – 10000 ton civarında sıcak
metal üretirler ve redükleyici CO zengin atmosferde çalışırlar. Bunun yanında,
sistemde korozif ergimiş Flukslar metal ve cüruflar mevcuttur.
Pik demir üretiminde en önemli proses olan yüksek fırının basit şematik
şekli şekil 8.2 de görülmektedir. Yüksek fırınlarda pik demir basit olarak şu
şekilde' üretilmektedir Uygun kompozisyona cevher zenginleştirme işlemleriyle
(yıkama ve manyetik veya flotasyonla zenginleştirme) ayarlanan cevher fırın için
gerekli tane iriliğine getirildikten sonra (paketleme suretiyle) kok ve cüruf
yapıcılarla birlikte yüksek fırına şarj edilmektedir. Cüruf yapıcı olarak en çok
kullanılan kireç taşı (kalker) hem silisi maddelerle birleşerek istenilen
viskozitedeki cürufu teşkil eder, hem cevher ve kok’ta kükürtle birleşip kalsiyum
sülfür yaparak çelik bünyelerinde zararlı olan S’u temizler.
Şarj malzemelerinin fiziksel yapısı ve fırın içindeki dağılış tarzı ergitme
işlemini etkilemektedir. Fırın içerisinde reaksiyonlar esas itibariyle "eksi "yön"
"prensibine göre, yukarıdan aşağıya, inen katı, şarj ile aşağıdan yukarıya, yükselen
redükleyici gazlar arasıda meydana gelmektedir. Bu nedenle kullanılan tozlu
malzemenin fırındaki gaz akımını engellemesi yanında yeterinden daha iri
malzemenin de reaksiyonlar için yeterli redükleme suresi geçmeden gazların fırını
terk etme mahsuru vardır. Bu nedenle tane boyutları optimum bir şekilde
ayarlanmalıdır. Son 10 yıldır yüksek fırınların işletiminde önemli değişiklikler
yapılmıştır. Daha geniş çaplı fırınlar çalışma hacmi arttığından dolayı tercih
edilmektedir.
110
111
Yüksek fırında refrakter veya astar problemine karşı iki farklı çözüm
düşünülebilir çözüm ısıl çözümdür. Bu çözüme göre yüksek ısıl iletkenliğe sahip
refrakterler güçlü soğutma sistemleriyle birlikte kullanılarak yüksek fırının iç
duvarlarında düşük sıcaklıklar elde etmeye dayanır. Buradaki fikir, sıcaklığı 1150
°C' in altında tutarak ((bu sıcaklık solüsyonda %5 C bulunan Fe 'in donma
çizgisidir) Fe-C denge diyagramına bakınız) katı demir tabakasının duvarda
çökelmesini sağlamak suretiyle aşınmayı önlemektedir.
İkinci çözüm ise refrakter çözümüdür. Bu çözüme göre termo–mekaniksel
ve termo–kimyasal özellikleri iyi olan düşük ısıl iletkenliğe sahip refrakter
kullanarak karbon hazne refrakterlerin tam üzerinde bulunan seramik bir kap
(bardak) sistemi oluşturmaktır. Oluşturulan bu sistemin avantajları şunlardır; ısı
kayıpları daha düşüktür. Bu ise termo-mekaniksel streslerin ve yüksek sıcaklıkta
alkalilerin karbon tuğlalar atıkların azalmasına neden olur. Bununla birlikte,
seramik kap dizaynını ok iyi soğutulması gerekmektedir. Seramik kap sisteminin
bir dezavantajı cüruftaki solüsyona karşı hassaslığıdır.
Yüksek fırının üst kısımları (upper -stack) şiddetli aşınmalara ve ısıl
şoklara maruz kalırlalar Ateş
-
tuğlası ve yüksek alüminalı refrakterler buralarda
başarılı bir şekilde
kullanılır Bosh, karın ve alt kısımları (lower stack) yüksek
sıcaklık, yüksek dolgulu ısı. fluksları, alkaliler diğer sıvılar ve buhar fazlan
tarafından kimyasal atıklar ve aşınma gibi bir ve birkaçının kombinasyonundan
oluşan zararlı etkilere maruz kalırlar. Bu bölgeler için yüksek alüminalı astarlar
kullanılır. Avrupa'da buralarda kullanılmak için başarılı bir şekilde krom- alümina
ürünler geliştirilmiştir. Bununla birlikte, buralarda kullanılan en iddialı
112
malzemeler SiC'e dayanır. Yeni gelişmeler saylon bağlı SiC refrakterlerin
buralarda kullanımına yöneliktir. Ön şekillendirilmiş nitrür bağlı SiC tuğlalar su
soğutmalı bakır tüyerlerden YF'nın baca alt bölgelerine (lower stack) kadar
kullanılır.
8.2.2. Torpedo Ladles
Torpedo ladles’lerr 260-500 ton civarında sıcak metali yüksek fırından
primer çelik üretim yerine taşımak için kullanılırlar. Sıvı metal genellikle BOS
fırınına akmadan önce torpedo ladle’den transfer potasına aktarılır. Bu transfer
potaları reaksiyon kapları olabilir ve sülfür giderme işlemleri bu aşamada
yapılabilir. Transfer potaları eğer metali herhangi bir işleme tabi tutmak için
kullanılmıyorsa ve yalnızca transfer amaçlı olarak kullanıyorsa astarları flint, kil,
andolusit veya boksit tuğlalardan oluşur.
Refrakteri zift ile doyurma işlemi cüruf direncini arttırabilir. Yüksek
alüminalı tuğlalar oksidasyona hassas çatı kısımlarında kullanılabilir ve karbon
bağlı korund tuğlalar cüruf hattında kullanılabilir. Metallerin işleme tabi tutulduğu
potlar (torpedo ve transfer potası) daha şiddetli, zor koşullara maruz kalırlar ve
kaliteli refrakterlere ihtiyaç duyarlar.
8.2.3 BOF (Bazik Oksijen Fırın) Vesselleri (kapları)
Bazik oksijen fırınları dünya çelik üretiminin %70’ini üretir. Bu fırın için
hammaddeler % 30 hurda ve % 70 yüksek fırında elde edilen sıvı metaldir. 1950
yıllarından itibaren BOF’ların avantajlarından dolayı kullanımı hızla artmıştır.
Basit şekil olarak Şekil 8.6’da gösterilmektedir. Bunların kapasiteleri 300 + sıvı
metale kadar çıkmaktadır.
113
Şekil 8.6. Tipik Bazik – Oksijen Fırını
8.2.4. Elektrik Ark Fırınları (EAF) Vessel’leri (Kapları)
EAF'ları çelik yapmak için uygundur çünkü bunlarda tamamen % 100
hurda kullanılabilir. Bu ise, kok fırınlarına ve yüksek fırında üretilen pik demire
ihtiyacı ortadan kaldırır. EAF'larının kapasiteleri muntazam bir şekilde artmıştır.
Modern yüksek güçlü EAF'ları fırdöndü bir çatı ile birlikte su soğutmalı dairesel
banyo içerirler.
Bazik cüruf kullanılan fırınlarda fırın tabanı magnezya tuğladan yapılır.
Yan duvarlar pişirilmiş veya kimyasal bağlı magnezya - krom tuğlalardan oluşur.
Yüksek aşınmaya maruz bölgelerde füzyon dökümle üretilmiş kompozisyonlar
kullanılır.(Şekil 8.8) Tipik olarak çatı yapımında % 70–90 alümina tuğla
kullanılır.
EAF teknolojisindeki son gelişmeler süper yüksek güçlerin ve su soğutma
sistemlerinin kullanılmasını kapsamaktadır. Su soğutma sistemleri MgO - grafit
refrakteriyle birlikte kullanılır. Bu ise EAF'nın daha hızlı bir şekilde
114
kullanılmasını sağlar, (yani şarjdan şarja veya metal olmadan olmaya zaman
kısadır.) Şekil 8.9'da tipik bir EAF'nın dizaynı görülmektedir. Çatı ve kenar
duvarları su soğutmalı çelik panellerden yapılmıştır. Oysa hazne, kısmı yüksek
yoğunluğa sahip MgO monolitik refrakterden yapılır. MgO - grafit temel cüruf
hattı malzemesidir ve ısıl iletkenliği maksimize edip su soğutma sisteminin tüm
avantajlarını kullanabilmek için yüksek oranlarda (%20) grafit kullanılır. Su
soğutma ile cüruf panel üzerinde katılaşır ve yerinde refrakter görevi görür. Astar
ömrü yaklaşık 130–1000 ısıtmadır.
Primer çelik yapım fırınlarından (BOF ve EAF) alınan çelik rafinasyon
veya ikincil çelik yapım proseslerinin gerçekleştirildiği potalara alınır.
8.2.5 Potalar (Ladles)
Potalar aslında orijin olarak çeliğin primer çelik yapım ünitelerinden ingot
döküm bölümüne taşınmasında kullanılıyorlardı. Bu nedenle, ucuz ve düşük
kaliteli refrakterler astar olarak kullanılıyordu. Fakat modern çelik pota
astarlarının sürekli dökümden önce ikincil çelik yapım işlemleri esnasındaki çok
zor koşullara dayanabilmeleri gerekmektedir. Çeşitli alaşımlandırma, karıştırma
ve gaz giderme prosedürleri ve korozif cüruf oluşumu refrakter astarında
aşınmanın daha fazla olması anlamına gelmektedir. Endüstride birçok tip pota
astarı kullanılmaktadır. Pota yan duvarları ve tabanları yüksek alüminalı (boksit
veya andolusit), bazik (pişirilmiş dolomit) magnezya - karbon veya zirkon tuğla
veya benzer kompozisyonlu monolitik malzemeler kullanılabilir.
Bununla birlikte, alümina - spinel dökülebilir malzemesinin Japonya'da
kullanımı oldukça popülerdir ve bu malzemenin kolay elde edilebilirliği ve uzun
astar ömrü bunun daha fazla yaygınlaşacağının işaretidir. Cüruf hattı malzemesi
birçok tip MgO - grafitten biri olabilir (oksidasyon direncini artırmak için metol
ilaveli veya direk bağlı MgO - krom malzemesi gibi).
115
Şekil 8.8. Çelik üretimi için tipik Elektrik Ark Fırını
116
Şekil 8.9. Elektrik Ark Fırını yan duvarları ve çatısı, su soğutulması ile birlikte
tipik dizaynı
Çoğu potalar tabanda veya taban yan duvarlarında (where tap stream
impocts) aşınma çok hızlıdır. Ön dökülmüş düşük çimentolu altlıklar veya
alümina - spinel dökülebilir refrakterler veya %90 Al
2
O
3
içeren yüksek sıcaklık
mukavemetine sahip refrakterler veya MgO - % 15-20 C refrakterler ve metal
ilaveleri bu bölgelerde kullanılabilir. Çalışma astarının arkasındaki güvenlik astarı
şamot veya %50 – 70 alüminalı tuğla olabilir. Rafine için dökülen potalardan
çelik sürekli döküm ünitesindeki tandişlere (tundish) alınır.
8.2.6. Sürekli Döküm
Şekil 8.10 ve 8.11 sürekli dökümün genel dizaynını göstermektedir. Çoğu
sürekli döküm holloware (örneğin pota örtüsü, durdurucu çubuklar, daldırılmış
giriş nozülleri, dönel valf, daldırılmış giriş örtüleri) izostatik preslenmiş alümina
grafit karışımlarına dayanır. Potadan tandişe ve tandişten kalıba geçiş esnasında
kullanılan örtü nitrojen veya oksijen olarak inklüzyon oluşumunu önlemek içindir.
Alümina - grafit pota örtüsü pota açıldığında soğuk olduğu için gelen sıvı çeliğin
ısısına dayanabilecek şekilde yüksek ısıl şok direncine sahip olmalıdır. Gelişmiş
ısıl şok direnci duvarın 3-5 mm dâhili (iç) tabakasının dekarbürizasyonuyla
kazanılabilir.
Yarı daldırılmış giriş nozülü (submerged entr nozzler = SEN) iyi slob
kalitesi için önemlidir. Tipik alümina - grafit SEN 'I % 55-60 fused alümina içerir.
Bu alümina reçine kullanarak C bağıyla bağlanmış grafit tabakalarının
117
karışımından oluşmaktadır. İzostatik preslemeden sonra eşya 800 – 1000°C ' de
sinterlenir. Karışım, bununla birlikte, amorf C fused, silika, ince partiküllü silika
ve alümina, oksidasyon direnci için metalik Si dahili bir sırlama kazandırmak ve
aynı zamanda oksidasyon direncini artırmak gayesiyle bir fluks gibi bileşenleri
içerir. ZrO
2
- grafit bölgeleri (zonları) nozüllere yüksek cüruf direnci istenen
bölgelerde katılır. Yaygın olarak, in taneli (0,5–2 mm), elektrofüzyonla üretilmiş,
CaO ile stabilize edilmiş ZrO
2
kullanılır. Durdurucu çubuğun görevi tandişten
kalıba akan çeliğin akışını kontrol etmektir. Durdurucu çubuk uçları erozyon ve
korozyona maruz kaldığından-genellikle MgO - grafit veya ZrO
2
– grafitten
yapılırlar.
Şekil 8.10 Sürekli Döküm Şekil 8.11 Sürekli Döküm Parçaları
Ünitesinin Parçaları
118
8.3 Demir Dışı Metallerin Üretiminde Kullanılan Refrakterler
Üretilen metalin özelliklerine ve reaktivitesine bağlı olarak uygulamalar
demir çelik endüstrisinden farklı olabilir. Bununla birlikte, demir dışı metallerin
üretiminde de çelik endüstrisinde olduğu gibi sürekli proseslere geçiş vardır.
Şimdi alüminyum ve bakır endüstrilerinde kullanılan refrakterleri görelim.
8.3.1 Alüminyum Ergitme ve Reverber Tipi Fırınlar (Uzun Alevli
Fırınlar)
Alüminyum; hafif ağırlığı, oksidasyon direnci ve iyi elektrik iletkenliği
sebebiyle dünyada artan miktarlarda kullanılmaktadır. Diğer birçok metalin aksine
alüminyum üretildiği boksit cevherinden redükleme yöntemiyle elde edilmez.
Boksit kimyasal olarak basınç altında kostik soda ile sodyum alüminat üretmek
üzere reaksiyona sokulur. Üretilen sodyum alüminat çözeltisinden alüminyum
hidroksit çöktürülür. Üretilen alüminyum hidroksit döner fırınlarda istenilen
sıcaklıklarda kalsine edilerek suyu uçurulur ve ticari saflıkta alümina elde edilir.
Kullanılan sıcaklıklar ve şarj edilen malzemenin hayli aşındırıcı özelliğe sahip
olması uygun refrakterlerin
kullanılmasını ve uygun astar inşasını gerekli kılar.
Fırının yüksek sıcaklık bölgelerinde yüksek kaliteli şamot tuğlalar astar olarak
kullanılır. Fırının daha az sıcak bölgelerinde yüksek kaliteli şamot tuğlalar çok
uzun süreli kullanılabilirler.
Alüminanın alüminyum metaline indirgenmesi (redüksiyonu) pot (madeni
kap) denilen elektrolitik indirgeme hücrelerinde gerçekleştirilmektedir. Hücreler,
genellikle karbon bloklarla veya karbon pasta ile astarlanır. Hücre tabanları
genellikle karbon pasta ile donatılır. Bununla birlikte tabanda çelik malzeme ile
karbon arasında yalıtkan alümina veya toz şeklinde diğer bazı malzemeler
kullanılır. Bazı hücrelerde yalıtkan ateş tuğlası kullanılmaktadır.
Hücrelerde kullanılan karbon anotlar Soderberg (yerinde-pişen) veya ön
pişirilmiş tipte olabilirler. Ön pişirilmiş anotlar kullanıldığı zaman, bunlar ring tipi
fırınlarda veya sürekli tünel fırınlarda kullanılır. Yüksek kaliteli ve çok yüksek
kaliteli şamot tuğlalar uzun yıllardır kullanılmakta ve olumlu sonuçlar
vermektedir.
Alüminyum ergitme ve tutma işlemleri için kullanılan reverber tipi
fırınlarda kullanılan refrakterlerin çeşidi; fırın dizaynına, ergitme oranına, şarj
edilen metal veya hurdanın türüne, istenilen alaşımın türüne ve diğer işletme
119
koşullarına bağlı olarak değişir. Taban ve 350 veya 400 mm'ye kadar eşik seviyesi
üstü yarı duvarlar en önemli bölgelerdir. En ekonomik şartlar için en uygun
refrakterlerin seçilmesi gerekir. Korozyon reaksiyonlarına direnç ve sıvı
alüminyum metalinin ve alaşımlarının sızması büyük öneme haizdir. Çünkü
bunlar mekaniksel zorlamalara karşı dayanımı etkilerler.
Belirli tip fosfat bağlı %85'iik alümina tuğlalar alüminyum ergitme
fırınları için geliştirilmiştir. Bu refrakterler alüminyum alaşımları ile reaksiyonlara
ve cüruf birikmesine oldukça dayanıklıdırlar ve işletim sıcaklıklarında iyi
mukavemete sahiptirler, %85'lik alümina harcı; alüminyum ergitme fırınında
tabanda ve yan duvarlarının ait kısımlarında kullanılan çeşitli refrakterlerin
yerleştirilmesinde kullanılır. Taban ve yan duvarların alt kısımlarında monolitik
refrakter tercih edilirse, fosfat bağlı plastik refrakterler ve dökülebilir refrakterler
kullanılabilir.
8.3.2 Bakır Reverber Tipi Fırınları ve Konvertör Tipi Fırınlar
Bakır üretiminde reverber fırınları şu amaçlarla kullanılır:
a. Bakır cevherinin veya konsantrelerinin ergitilmesinde,
b. Bilister bakırın rafine edilmesinde (bilister bakır konvertörden alınan
bakırdır ve relatif olarak daha saftır.
c. Döküm için bakırın ergitilmesi veya hurda bakım rafine edilmesinde
Belirtilen her bir proses farklı fırınlarda gerçekleştirilir. Artan üretim
oranlan beraberinde yükse işletim sıcaklıklarını, artan kimyasal reaksiyon
aktivitelerini ve daha büyük metal, cüruf ve gaz hacimlerini getirir.
8.4 Cam Ergitme Endüstrisi
Cam ergitme endüstrisinde kullanılan refrakterler, ergimiş cam için bir kap
vazifesi görmelerinin yanında ısıl yalıtkanlık sağlarlar ve ısı alış-verişinde ortam
vazifesi fonksiyonunu yerine getirirler.
1. Ergitme Teknesi; Karışımın şarj edildiği ve ergitildiği ve camın
konvektif (sıvının veya gazın ısınarak buharlaşması ve soğuk bölgelerde tekrar
yoğunlaşması) akımlarının karışım etkisiyle homojenize edildiği arka uç
kısımdaki melter (ergitici). Karışımın fırına şarj edildiği çok yüksek aşınmaların
meydana geldiği ve geniş sıcaklık gradyentlerinin ve streslerin oluştuğu
Dognouse.
120
121
2. Çalışma Teknesi: Ön hazneye (forehearth) girmeden önce cam
sıcaklığının düşürüldüğü rafinasyon veya işleme kısmı.
3. Soğutma Fırını: Cam sıcaklığının homojenize edildiği ye daha fazla
düşürüldüğü forenearth (ön hazne) kısmı. Bu bölümden cam döküm için değişik
istasyonlara aktarılır.
Tablo 8.6. Cam Tank Fırınlarında Kullanılan Refrakterler
Refrakter
Oranı
(%Ağ)
Uygulama
Füzyon döküm AZS 14 Cam temas bölgeleri
<%45 alümina 20 Üstyapı, Destek (Arka) Astarları
> % alümina 29 Üstyapı, Destek (Arka) astarları,
On hazne (forehearth)
Kapağı
Silika 12 Crown (tepe)
Bazik 16 Kontrol ediciler
8.4.1.Cam Temas Refrakterleri
Ergimiş cam ile direkt temas halinde bulunan refrakterlerin
a şa ğıdaki özelliklere sahip olmas ı gerekir.
a. Ergimiş cam tarafından neden olunan korozyona dayanıklı olmalıdır.
Çünkü refrakter korozyonu sonucu oluşan ürünler camın yapısına girer ve camın
nihai özelliklerini etkiler. Refrakter malzeme corrodable fazlar içermemelidir
çünkü bunlar cam ürününü renklendirir. Görüldüğü gibi cam ergitme işleminde
refrakterin korozyonu metal ergitme işlemindeki refrakter korozyonundan daha
önemlidir. Çünkü metal ergitmede refrakter korozyon ürünleri cürufa karışır ve
böylece uzaklaştırılır.
b. Isıl şok direnci cam tankında oluşan geniş sıcaklık gradyentlerinden
dolayı önemlidir.
Yoğun zirkon (ZrSiO
4
) ve sinterlenmiş alümina bazı uygulamalar da
kullanılmasına rağmen şu anda cam tanklarında kullanılan en çok yaygın temas
refrakterleri füzyon dökümle üretilmiş AZS (Al
2
O-ZrO
2
-SİO
2
)' dir. Bunlar,
alümina zirkon oksit ve silika tozlarının (veya alümina ve zirkonun) karışımlarının
122
elektrik ark fırınında grafit elektrotlar kullanılarak ergitilmesi ile üretilir. Bunlar
daha sonra >1750°C sıcaklıklarda kum kalıplara dökülür. Katı bir yüzey
oluştuktan sonra kalıplardan alınan döküm yalıtkan bir toz içine gömülerek 2
hafta süreyle tavlanır. Yavaş soğuma çatlakları minimize etmek için gereklidir.
Bloklar daha sonra elmasla şekillendirilir.
Tipik AZS kompozisyonları ağırlıkça %45-51 Al
2
O
3
, 33-41 ZrO
2
, 10-15
SiO
2
ve 1-1.5 Na
2
O. Bununla birlikte, yüksek oranda (%95) ZrO
2
içeren
kompozisyonlar özel uygulamalar için geliştirilmiştir (örneğin, cam fiber). Şekil
8.16'da füzyon döküm AZS bloğunun merkezinden alınmış numunenin içyapısı
görülmektedir. Mikro yapı, Al
2
O
3
/ZrO
2
ötektiğine yakın yapılı latalardan, daha
büyük yuvarlağımsı ZrO
2
tanelerinden, ? -AI
2
O
3
(korund) tanelerinden ve ZrO
2
içeren alüminasilikat camdan oluşmaktadır.
Dökümün kenar bölgelerine yakın yerlerdeki tane boyutları
merkezdekilere göre daha küçüktür. Bunun sebebi, kenar bölgelerdeki daha hızlı
soğumadır. ZrO
2
’nin büyük kısmı iskelet yapısı şeklindedir ve bu yapının
korozyonla bozulması zordur (veya korozyonla ZrO
2
'yi çıkarıp atmak zordur). Bu
yapı korozyon ürünlerini oluştukları yerde tutar. Mikroyapıdaki cam istenen
sıcaklıkta deforme olup ısıtma esnasında 1000–1200°C, soğuma esnasında 1000–
800°C’larda oluşan triklinik monoklinik ZrO
2
dönüşümünden kaynaklanan büyük
stresleri tutabilmek için yeterince viskozdur. Camın viskozitesi dikkatlice kontrol
edilmelidir. Çünkü cam çok akıcı bloktan dışarı sızar. Yüksek ZrO
2
içeren
kompozisyonlar daha gelişmiş koro direncine sahiptirler. Bununla birlikte,
%41'den fazla ZrO
2
içeren bileşimler triklinik-monoklinik dönüşümünden
kaynaklanan stresleri tutabilme açısından problemlere neden olurlar.
AZS bloklarının yüksek korozyon direnci içyapıdaki öz morfolojiden,
yoğun blokların düşük geçirgenliğinden ve refrakter duvarının yanındaki - ergimiş
cam içerisindeki alüminadan kaynaklanmaktadır. Cam içerisinde çözünen alümina
refraktere bir viskoz sınır tabakası oluşturur ve bu tabaka cam tarafından camda
extra tabaka olmadan geçilemez. Refrakter yapısındaki ZrO
2
düşük çözülebilirliğe
sahiptir ve bunun sonucunda alüminaya doymuş interface tabakasında düşük
çözülme oranlarına sahiptir.
Yeni CrO
3
ve ZrO
2
(ACZS)'ye dayanan ve %26-30 Cr
2
O
3
içeren füzyon
döküm refrakterleri cam tank fırınlarının bazı bölümlerinde kullanılır. Örneğin
123
doghouse köşesi bloklarında ve bej kısmında. Bu bölümler en yüksek aşınmaya
maruz kalırlar. Bu refrakterler klasik AZS sistemine dayanırlar. Fakat alüminanın
bir kısmı Cr
2
O
3
yer değişmiştir. Bunlarda içyapı a krom – alümina katı
eriyiğinden (%52), ZrO
2
(%28) ve camsı faz (%20)’den meydana gelir.
Cam ergitme fırının ömrü 10-22 yıldır. Bu 1940’larda 12-18 ay
arasındaydı. Bu artmanın sebebi refrakter tipi ve kalitelerindeki gelişmelerden
dolayıdır.
Şekil 8.14 Tipik Cam Tankı Fırınının Çalışma Bölgeleri
124
Şekil 8.15. Cam Üretim Fırınının Kesit Görünümü
Şekil 8.16. Füzyon Dökümle üretilmiş AZS refrakterlerin iç yapısı (Z) Beyaz
ZrO
2
taneleri.