خاک نسوز

خاک نسوز یا گل آتشخوار، یک نوع رس است که می توانند بدون ترک برداشتن و یا زجاجی شدن، در برابر آتش مقاومت کند. این حرارت معمولاً حرارت یک کوره می باشد که بر اساس استاندارد برای خاک نسوز، دمایی برابر با ۱۵۰۰ درجه ی سانتیگراد دارد. به هر حال، در عمل، خاک های نسوز مورد استفاده در صنعت، نه تنها باید در برابر دماهای بالا مقاوم باشند، بلکه باید در برابر شوک های ناشی از گرم شدن و سرد شدن متوالی نیز مقاوم باشند. این ماده حاوی حداقل ۱۸ % تا ۳۰ درصد و گاهاً بیش از ۳۰ % آلومیناست. این ماده ترکیبی از خواص رس ها و آلومینا را دارد. محصولات تولید شده از خاک نسوز، آجر نسوز نامیده می شود و در بسیاری از بخش های صنعتی، مورد استفاده قرار می گیرد. خاک نسوز معمولا به صورت بسترهای رسوبی در جریان های زغال سنگی، یافت می شود. اکثر خاک نسوزها، حالت پلاستیک دارند اما عموماً وجود خاک های رسی غیر پلاستیک و فلینتی به همراه این مواد موجب می شود تا این مواد قابلیت پلاستیک کمی داشته باشند.
تاریخچه
صنعتگران اهمیت دوام و دیرگدازی آجرهای نسوز را در بسیاری از فرایندهای متالورژیکی، از اوایل انقلاب صنعتی و حتی قبل از آن، فهمیدند. در هند، در میانه ی قرن نوزدهم، از آجر نسوز وارد کشور شد. اگر چه در سال ۱۸۵۹، شرکت Burn شروع به تولید آجر نسوز در داخل کرد. البته این آجرها تا سال ۱۸۷۵، متداول نشدند. در این زمان، برای اولیه بار، از این آجرها در کوره ی نسوز بنگال هند استفاده شد و نتیجه ای مناسبی نیز داد. از آن به بعد، آجر نسوز تولید شده در این کارخانه، بوسیله ی سایر بخش ها نیز، مورد استفاده قرار گرفت. در سال های بعدی، شرکت های دیگری نیز این آجرها را در هند تولید کردند. نسل های جدید این آجرها، قابلیت استفاده در نسل جدید روش های تولید آهن و سایر صنایع را دارای می باشند.
معیار استفاده
خاک نسوز عمدتا از کائولن، مواد گیاهی خام، پیریت، آهک، منیزیا، مواد قلیایی، اکسید تیتانیم و آهن تشکیل شده است. این مسئله موجب می شود تا رنگ این ماده، از سفید، خاکستری، قهوه ای و مشکی، متغیر باشد. اما از لحاظ مینرالی، رنگ از لحاظ استفاده، مشکلی ایجاد نمی کند. مهم ترین خواص که این ماده را از سایر مینرال ها، متمایز می کند، به صورت زیر است:
پلاستیسیته: این ماده برخلاف خاک چینی، پلاستیک است اما انواع مختلفی از خاک نسوز وجود دارد که غیر پلاستیک هستند. این نوع از خاک های نسوز، حاوی رس های فلینتی می باشند.
شرینکیج: علارغم پلاستیسیته ی بالا، شرینکیج این ماده حین خشک کردن و پخت پایین است.
دیرگدازی: این ماده دیرگداز است و دمای ذوب آن در حدود ۱۷۴۰ درجه می باشد.
زجاجی شدن: این ماده زجاجی نمی شود، حتی در صورتی که در دماهای بالا، حرارت دهی شود.
ترکیب شیمیایی: اجزای اصلی این ماده، عبارتند از آلومینا (۱۸-۴۰ %)، سیلیس و اکسید منیزیم. میزان آلومینا، در مورد خاک نسوز فلینتی، بالاتر است. همچنین مواد فلاکسی از جمله اکسیدهای سدیم، پتاسیم و کلسیم در این ماده اندک هستند. این مسئله به دلیل وجود اتمسفر کاهشی ایجاد شده به دلیل جریان های آبی در زیر بستر زغال سنگی، می باشد.
استفاده ها و مشخصات
آجر نسوز: ترکیبی از خواص دیرگدازی بالا و خاصیت زجاجی شدن پایین، موجب شده است تا این ماده، ماده ای مناسب برای تولید آجرهای دیرگداز باشد. آجرهای دیرگداز کاربردهایی را در آسترکاری بویلرها، کوره های سیمان، کوره های بلند، کوره های شیشه سازی و … پیدا کرده اند. عملکرد آسترهای دیرگداز در دیواره ی کوره، نه تنها مقاومت در برابر دمای بالاست، بلکه در واقع مقاومت در برابر نوسانات دمایی، جلوگیری از نفوذ مذاب، جلوگیری از بروز سایش، ایروژن و تخریب بوسیله ی مواد مذاب موجود در کوره، نیز می باشد. در کل، این ماده از لحاظ شیمیایی نباید با مواد مذاب موجود در کوره واکنش دهد. عمر مفید آسترکاری های دیرگداز به طور قابل توجهی بر روی بهره وری مربوط به یک کوره و اقتصاد مربوط به یک کارخانه، مؤثر می باشد. در واقع علت این مسئله این است که هر بار این آسترکاری ها از کار بیفتند، نیاز است تا جایگزینی انجام شود که این مسئله علاوه بر هزینه های مربوط به جایگزینی، موجب ضرر و زیان ناشی از خاموش شدن سیستم را نیز در بر دارد.
برای تولید آجرهای نسوز از خاک نسوز، خاک نسوز با مواد آلومینایی مانند کیانیت، سیلیمانیت و یا بوکسیت مخلوط می شوند و تحت عملیات خردایش و سایش قرار می گیرند. آب به میزان مناسب به این مخلوط افزوده می شود و دوغاب حاصله به منظور انجام فرایند پیرشدن، رها می شود. توده ی پیرسازی شده، سپس با کمک اکسترودر، آب گیری شده و به صورت کیک در می آورد. این کیک قالب گیری شده و به صورت آجر در می آید. سپس آجرهای خام در دمایی در حدود ۱۲۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه حرارت دهی و پخت می شوند.
شرینکیج پایین به این آجرها کمک می کند ات شکل خود را حفظ کرده و بدون ترک خوردن، در برابر دمای بالا، مقاومت کنند. پلاستیسیته یکی از معیارهای مهم این نوع رس می باشد. در واقع با وجود پلاستیسیته این خاک، دیگر نیازی به افزودن رس های پلاستیک وجود ندارد. زجاجی شدن اندک موجب می شود تا آجر نسوز به طور مؤثر در برابر دماهای بالای موجود در کوره ها، مقاومت کند بدون آنکه حتی به صورت جزئی، ذوب شود. برای کاربردهای که در آنها نیاز به مقاومت در برابر دمای بالا مورد نیاز است، میزان آلومینای مربوط به خاک نسوز ممکن است با افزودن مقادیری ماده ی محتوی آلومینای بالا مانند بوکسیت، افزایش یابد. البته در این حالت، دمای پخت مورد نیاز برای این آجرها، بالاتر است.
آلومینا همچنین یک ماده ی دیرگداز است و میزان بالاتر از این ماده، موجب می شود تا خاصیت دیرگدازی بهبود یابد. اما مقادیر بالای آلومینا، همچنین به معنای دمای پخت بالاتر برای آجر و در نتیجه هزینه های تولید بالا می باشد. بنابراین، خاک نسوز با آلومینای بالا، برای تولید آجرهایی ترجیح داده می شوند که در شرایط دما بالا کاربرد دارند. MgO به دلیل دمای ذوب بالا، دیرگدازی خوبی دارد. طبیعت نمگیری این ماده موجب می شود تا نتوان از آن در کاربردهای دما بالا استفاده کرد. در واقع محصولات مورد استفاده تحت این شرایط در معرض بخارات آب نیز قرار دارند.