مواد نسوز چه هستند و چه کاربردی دارند؟
در صنعت تولید فولاد یکی از مراحل ابتدایی ذوب آهن است. همچنین در طول فرایند نورد گرم لازم است تا شمش های فولادی تا دمای بالایی حرارت داده شوند. تمام این موارد کوره هایی انجام می شود که بدنه ی آنها از مواد نسوز ساخته شده اند. مواد نسوز امروزه نقش بسیار مهمی در صنعت تولید فولاد و سایز صنایعی دارد. مهمترین کاربرد مواد نسوز استفاده از آن ها در ساخت کوره است. کوره هایی که بتوانند دمای بالایی تولید کرده و در دمای بالا ساختار خود را حفظ کنند و اجازه ی تمرکز حرارت در فضای محدودی را ایجاد کنند. در این مقاله ما به معرفی اجمالی مواد نسوز پرداخته ایم.
مقدمه
فولاد، به عنوان یکی از مهمترین مواد مهندسی در صنایع مختلف، از ترکیب آهن و کربن ساخته می‌شود. اما فولاد معمولی به تنهایی نمی‌تواند استحکام و سختی بالایی داشته باشد. برای رفع این مشکل، به فولاد عناصر آلیاژی خاصی اضافه می‌شود که باعث بهبود خواص مکانیکی آن می‌شود. یکی از انواع فولاد که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردش محبوبیت زیادی پیدا کرده، فولاد کم آلیاژ استحکام بالا (HSLA) است.
مواد نسوز
مواد نسوز دسته ای از مواد سرامیکی هستند که قادرند دماهای بالا را تحمل کنند. بخش زیادی از مواد نسوز از یک یا ترکیبی از اکسیدها با دمای ذوب بالا مانند سیلیسیم، آلومینیوم، منگنز، کلسیم و زیرکونیم تشکیل شده اند.
نسوزهای غیر اکسیدی نیز وجود دارند و شامل موادی مانند کاربیدها، نیتریدها، بوریدها و گرافیت هستند. ساختار واقعی یک ماده نسوز به فاکتورهای عملیاتی مانند دما، اتسمفر و موادی که با آن در تماس است بستگی دارد.
تاریخچه فولاد HSLA
آغاز HSLA
کشف این نوع فولاد حاصل تلاش‌های متعدد متالورژیست‌ها و محققان صنعت فولاد در دهه ۱۹۳۰ بود. هدف اصلی آنها بهبود استحکام فولاد در عین حفظ شکل‌پذیری آن بود تا در صنایعی مانند ساختمان‌سازی و هوافضا استفاده شود.
ورود HSLA به کاربردهای نظامی
در جنگ جهانی دوم، نیاز به مواد سبک و مستحکم باعث شد که تحقیقات بر روی فولادهای کم آلیاژ افزایش یابد. در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰، پیشرفت‌های تکنولوژیکی در فرآیند تولید فولاد، منجر به تولید فولادهای HSLA شد که در وسایل نقلیه و تجهیزات نظامی مورد استفاده قرار گرفتند.
بلوغ فولاد HSLA
در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰، افزودن عناصر آلیاژی مانند منگنز، نیکل، کروم و وانادیوم، بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی این فولادها ایجاد کرد. امروزه، فولاد HSLA در صنایع مختلفی مانند خودروسازی، ساختمان‌سازی، کشتی‌سازی و انرژی به کار گرفته می‌شود
نسوزها
مقدار نسوز بودن یک ماده معیاری ست که توانایی آن را در مواجه با دما بدون آنکه دچار تغییر شکل شود نشان می دهد. از شاخص معمولا به کمک مخروط های زیگر (Seger Cones) که موادی سرامیکی مخروط شکل با ترکیبات مختلف هستند اندازه گیری می شود.
هنگامی که ماده نسوز تحت دماهای مختلف قرار می گیرد این مخروطها به مرور در پاسخ با دما نشست می کنند. مقدار نشست مخروط بستگی به ترکیبات آن دارد.
پس از اتمام سیکل حرارت دهی، ماده مورد تست با مخروط زیگر مقایسه می شود و مقدار نسوز بودن آن اندازه گیری می شود. مهم است که در نظر داشته باشیم اگر یک ماده تحت بار قرار داشته باشد ممکن است در دمای کمتری در مقایسه با دمای اندازه گیری شده، نرم شود.
شرایط عملکرد مواد نسوز
اتمسفری که ماده نسوز در آن کار می کندمی تواند مشخص کند که چه موادی باید به کار گرفته شوند. براین نمونه نسوزهای گرافیتی می توانند در عدم حضور اکسیژن و خلا تا چند هزار درجه را تحمل کنند. در شرایطی که اکسیژن وجود دارد ممکن است در دمایی کمتر از 1000 درجه سانتیگراد تصعید شود.
نوع موادی که با نسوز در تماس هستند نیز می تواند ماده مناسب را مشخص کند. برای نمونه در ساخت فولاد، مواد نسوز پایه مورد استفاده قرار می گیرند چرا که مواد نسوز معمولا با سرباره ها در تماس هستند که حاوی اکسیدهای کلسیم و منیزیم هستند. اگر پوشش نسوز از نسوزهای اسیدی ساخته شده باشد ممکن است در تماس با سرباره و پوشش های اسیدی مانند سیلیس بخ سرعت فرسوده شوند.
نقش تخلخل در مواد نسوز
نسوزها همچنین در محدوده های متفاوتی از چگالی و ویژگی ها ساخته می شوند. به طور کلی، نسوزها با تخلخل کم در مقایسه با نسوزهایی که از تخلخل بالاتری برخوردار هستند هدایت گرمایی بالاتری از خود نشان می دهد. آجر معمولا یک عایق خیلی قوی به شمار می آید چرا که مقادیر زیادی از هوا در خود دارد و هوا نیز هادی بسیاری ضعیفی برای گرماست.
البته باید توجه داشت که مواد با تخلخل بالا دردماهای بالا و تماس مستقیم با حرارت تمایل به انقباض یا چروک شدن دارند و عملکرد خوبی از خود نشان نمی دهند.
بههمین دلیل مواد با تخلخل کم در نواحی گرمتر استفاده می شوند و مواد متخلخل تر به عنوان مواد پشتیبان حرارتی استفاده می شوند.
انواع ماده نسوز
نسوزها در فرم های مختلفی وجود دارند. سه فرم اصلی عبارتند از:
اشکال نسوز: این گروه شامل شکل های نسوز از قبل فرم داده شده مانند آجرها هستند که برای ساخت ارسال شده و در محل نصب می شوند.
مونولیت ها (نسوزهای بدون شکل یا یکپارچه): این دسته نسوزها به عنوان نسوزهای بی شکل هم شناخته می شوند در واقع مدلی از سیمان هستند که از خرده های نسوز، خاک نسوز و سیمان نسوز (آلومینات های کلسیم) تشکیل شده است. مونولیت های خشک هستند و مانند سیمان با آب ترکیب می شوند و به شکل مورد نظر فرم داده می شود و در جا حرارت می بینند.
فیبرهای سرامیک: عموما این نوع از نسوزها از مواد بسیار سبک ساخته می شوند که با شکل های مختلفی با کاربردهای متفاوت و دمای کار متفاوت عرضه می شود. در ساخت فیبرهای سرامیک بیشتر از فیبرهای آموینا-سیلیکات، آلومینا و زیرکونیا استفاده می شود.
ویژگی های کلیدی مواد نسوز
- مواد نسوز قدرت بالایی در تحمل دماهای بالا و همچنین حرارت محدود شده در یک فضای محدود مانند کوره را دارند.
- پایداری حرارتی کافی در دماهای بالا و همچنین قبل و بعد از سیکل های دمایی تکرار شونده را دارند.
- ویژگی های مکانیکی (به عنوان نمونه مقاومت فشاری) خود را در دماهای بالا حفظ می کنند.
کاربرد مواد نسوز
پوشش کوره
مواد نسوز به عنوان پوشش کوره ها و برای نگه داشتن حرارت درون قلب کوره استفاده قرار می گیرند. به کمک مواد نسوز به عنوان عایق بهره وری کوره افزایش می یابد، فریم کوره محافظت می شود و کارگرانی که در تماس نزدیک با کوره قرار دارند ایمن خواهند بود.
در ساختمانکوره ها ممکن است از لایه های متفاوتی از مواد نسوز استفاده شود. برای نمونه یک ماده چگال می تواند برای سطح داخلی کوره که با دماهای بالاتری در تماس است به کار برده شود. برای بخش خارجی نیز یک ماده با چگالی کمتر به کار برده می شود که بتواند تا حد ممکن حرارت را داخل کوه نگه دارد. بین ماده پوشش داخلی و خارجی نیز می توان از لایه های متفاوت مواد میانی استفاده کرد. با فاصله گرفتن از سطح داغ کوره، چگالی مواد کمتر شده و خاصیت نسوز بودن کمتری را شاهده خواهیم بود.
از کوره ها در کاربردهای مختلفی مانند ذوب فلزات، عملیات حرارتی، فرایند ساخت شیشه و تولید سرامیک و بسیاری موارد دیگر استفاده می شود.
انواع گریدهای فولاد HSLA
فولادهای HSLA در گریدهای مختلفی تولید می‌شوند که ترکیبات شیمیایی و خواص مکانیکی آنها متفاوت است. برخی از گریدهای معروف عبارتند از:
| گرید | ترکیبات آلیاژی | ویژگی‌ها | کاربردها |
|---|---|---|---|
| ASTM A572 درجه ۵۰ | ۰.۲۳٪ کربن، ۱.۳۵٪ منگنز، ۰.۳۰٪ سیلیکون و مقدار کمی وانادیم و نیوبیم | استحکام و جوش‌پذیری عالی | پل‌ها، ساختمان‌ها، ماشین‌آلات |
| ASTM A656 درجه ۸۰ | ۰.۱۸٪ کربن، ۱.۶۵٪ منگنز، ۰.۶۰٪ سیلیکون و مقدار کمی وانادیم و تیتانیوم | استحکام و چقرمگی بالا | بوم جرثقیل، کامیون، تجهیزات معدن |
| ASTM A588 درجه A | ۰.۱۹٪ کربن، ۱.۲۵٪ منگنز، ۰.۶۵٪ سیلیکون و مقدار کمی مس، نیکل و کروم | مقاومت به خوردگی و استحکام کششی بالا | پل‌ها، ساختمان‌ها و برج‌های انتقال |
مزایای فولاد HSLA
استحکام و خواص مکانیکی بالا: این فولاد علاوه بر افزایش استحکام، شکل‌پذیری و چقرمگی مناسبی دارد.
مقاومت در برابر خوردگی: به دلیل وجود عناصر مانند کروم و نیکل، این فولاد در برابر خوردگی مقاوم‌تر از فولاد کربنی است.
جوش‌پذیری عالی: اتصال این فولادها با روش‌های مختلف جوشکاری بسیار آسان است.
قابلیت بازیافت: HSLA دوست‌دار محیط زیست است و قابلیت بازیافت بدون از دست دادن خواص خود را دارد.
کاربرد گسترده: در خودروسازی، ساخت پل، ساختمان، خطوط لوله، کشتی‌سازی و صنایع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
معایب و محدودیت‌های فولاد HSLA
هزینه بالا: به دلیل استفاده از عناصر آلیاژی، قیمت آن بالاتر از فولاد معمولی است.
کاهش شکل‌پذیری در دماهای پایین: برخی گریدهای HSLA در محیط‌های بسیار سرد، انعطاف‌پذیری کمتری دارند.
پیچیدگی در جوشکاری و عملیات حرارتی: برخی گریدها نیاز به روش‌های خاص جوشکاری یا عملیات حرارتی دارند که هزینه‌های اضافی ایجاد می‌کند.
جمع‌بندی
فولاد HSLA یکی از مهمترین پیشرفت‌های صنعت متالورژی است که با استحکام بالا، جوش‌پذیری، شکل‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. با وجود محدودیت‌هایی مانند هزینه بالا و کاهش شکل‌پذیری در دمای پایین، مزایای این فولاد باعث شده تا به یکی از پرکاربردترین مواد مهندسی تبدیل شود. انتخاب گرید مناسب این فولاد بسته به نیازهای هر صنعت، نقش مهمی در بهره‌وری و عملکرد بهتر آن ایفا می‌کند.
