حراريات

Waleed Khalifa.jpg وليد خليفة
ساهم بشكل رئيسي في تحرير هذا المقال

الحراريات (Refractories) هي كلمة تشير للمواد التي تحتفظ بمقاومتها الميكانيكية عند درجات الحرارة العالية. وتشمل الخزفيات الحرارية و الفلزات الحرارية، و أما الخزفيات الحرارية فهى ما يطلق عليها غالبا واختصارا الحراريات و ستعمل في تبطين و حشو الأجزاء المتعرضة للحرارة الشديدة في الأفران الصناعية والمتالورجية.[1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

المواد الحرارية

نحو 70% من كل الحراريات المستخدمة في الصناعة تصنع في هيئة طوب أو أشكال، مثل طوب العَقْد والطُوَيْبَات (الشَقْفَات) والطوب العِدِل والصابونى والإسفينى والتاجى والمقوس الظهر والمستدق والعَضُدِى، وغير ذلك من الأشكال الخاصة والمسجلة. وقد يكون الطوب المشكل مترابط كيميائيا باستخدام إضافات تمنح الطوب مقاومة (ميكانيكية) في درجة حرارة الغرفة، وقد يحرق أو تشعل فيه النار في درجات حرارة عالية، للحصول على الخصائص الفيزيائية المرغوبة. والثلاثين في المائة المتبقية من الحراريات المستخدمة تُنتَج في هيئة حراريات سائبة غير مشكلة، تسمى عادة الحراريات اللاوصلية، وتضم هذه المجموعة عدة أصناف، هى حراريات تُصب (قابلة للصب) وخلائط القذف والحراريات اللدنة وخلائط الدَكّ. وعند الإنشاء توضع هذه المواد مباشرة في الفرن لتكوين البطانة الحرارية ثم تحرق في مكانها.

والملاطات تعتبر أيضاً حراريات لاوصلية؛ وتتكون من حبيبات ومُلَدِّنَات، وتستخدم في رَصّ (صَفّ) وتثبيت الطوب الحرارى. وتصنف الملاطات إلى ملاطات هوائية الشَكّ (هوائية التجمد) وأخرى حرارية الشك. الأنواع الهوائية الشك تحتوى على كيمياويات مثل سليكات الصوديوم أو البوتاسيوم أو روابط (مواد رابطة) فوسفاتية تمدها بالمقاومة (الميكانيكية) المناسبة في درجة حرارة الغرفة. وتحتوى الملاطات حرارية الشَكّ على حبيبات حرارية بدون إضافات كيميائية، وتكتسب مقاومتها فقط بعد التسخين لدرجات حرارة عالية حيث تتكون رابطة خزفية بين الحبيبات. وغالباً ما تستخدم المواد الحرارية العازلة في التطبيقات المرتفعة درجة الحرارة للتقليل من فقدان الحرارة وتوفير الوقود. ويمكن أن توجد هذه الحراريات في هيئة طوب عازل أو لوح أو بطانية ألياف حرارية، أو أشكال خاصة مصبوبة تحت تفريغ.

نادراً ما تستخدم طلاءات خزفية تتحمل درجات الحرارة العالية في التطبيقات الحرارية، لأنها تُستهلك عادة بسرعة أو تَبْلَى وتهترئ عن مواضعها أثناء الخدمة. إلا أنه في تطبيقات معينة يمكن إطالة عمر الأجزاء المصنوعة من فلزات حرارية أو من الحراريات الخزفية العادية بوضع طبقة عالية الكثافة من مادة حرارية على سطحها بالرش باللهب أو البلازما. وهذه الطلاءات محدودة الاستخدام في بعض التطبيقات الخاصة ولا تستخدم في الأفران المعتادة.


التركيب الكيميائي

تتكون معظم الحراريات الصناعية من أكاسيد فلزات أو من الكربون أو الجرافيت أو من كربيد السليكون. أما المواد الحرارية الأجدد مثل الكربيدات والنيتريدات والبوريدات والسليسيدات فتستخدم عامة في تطبيقات خاصة لإعتبارات اقتصادية. والأكاسيد الحرارية الأكثر استخداماً هى SiO2 وAl2O3 وMgO وCaO وCr2O3 وZrO2. والحراريات المحتوية على SiO2 وZrO2 يشار إليها بالحراريات الحمضية، وتلك المحتوية على MgO وCaO بالحراريات القاعدية، وتلك المصنوعة من Al2O3 وCr2O3 بالحراريات المتعادلة. وهذا ترميز قديم، وبالرغم من أنه ليس حقيقياً جداً من الناحية الكيميائية، إلا أنه جد مفيد في مناقشة تفاعلات الأخباث عالية درجة الحرارة الملامسة للحراريات. فعلى سبيل المثال تتفاعل المغنسيا أو الجير مع السليكا في درجة حرارة أدنى بكثير من نقطة انصهار أى منهما. وبناءاً على ذلك يجب الانتباه والحذر للتأكد من أن التركيبات الكيميائية للمواد الحرارية المستخدمة في تلامس مع بعضها البعض لا تتفاعل في درجة حرارة أدنى من تلك المتوقعة أثناء الخدمة (جدول 1).

"جدول 1 درجات الحرارة التقريبية (ْم) للتفاعلات الأولية بين الحراريات."
التركيب مغنسيا مغنسيا-كروم كروم 90٪ ألومينا 70٪ ألومينا
مغنسيا مثال ≥ 1700 1700 ≥ 1700 1600
مغنسيا-كروم ≥ 1700 مثال ≥ 1700 1650 1650
كروم 1700 ≥ 1700 مثال 1650 1600
90٪ ألومينا ≥ 1700 1600 1650 مثال ≥ 1700
70٪ ألومينا 1650 1550 1600 ≥ 1700 مثال
طين حرارى 1400 1600 1600 1700 1700
كربيد سليكون 1500 1500 1500 1650 1650
سليكا، عادية 1500 1500 1650 1650 1500
سليكا، فائقة الأداء 1500 1550 1650 1650 1650

تصنع الحراريات الشائعة عادة من المواد الموجودة في الطبيعة، ولكن مع الاتجاه إلى اسنخدام درجات حرارة أعلى في العديد من التطبيقات زادت الحاجة لاستخدام الأكاسيد المجهزة كيميائياً والأكاسيد عالية النقاوة. ومن الأمثلة على ذلك الألومينا عالية النقاوة، المنتجة بطريقة "باير"، والمغنسيا عالية النقاوة المُحَضَّرَة بترسيب هيدروكسيد المغنسيوم أو بتكليس كلوريد الكالسيوم، والزركونيا المجهزة كيميائياً.

تصنيف الحراريات

الحراريات الأساسية

كربيد السليكون

يُصنع كربيد السليكون المستخدم كمادة حرارية خام بواسطة مصانع إنتاج الحبيبات الحاكة (الكاشطة)، ويتم ذلك في أفران كهربائية من خليط من الكوك ورمل السليكا. المادة النهائية صلدة للغاية (9,1 على مقياس "موز") وذات موصلية حرارية عالية ومقاومة جيدة في درجات الحرارة المرتفعة، بالإضافة إلى معامل تمدد منخفض ومقاومة جيدة جداً للصدمات الحرارية. هذه الخصائص بالإضافة إلى استقرار كيميائى وفيزيائى كبير، فهو ينحل في درجة حرارة 2185 ْم، ويتأكسد ببطء في الهواء، ولكنه مستقر نسبياً في الظروف المُخْتَزِلة، هذه الخصائص جعلته مادة قيمة للاستخدامات الحرارية. تستخدم هذه المادة في درجات حرارة 1535-1650 ْم في العديد من التطبيقات، مثل الأشكال الحرارية لجدران أفران الغلايات، وطوب البناء الشبكى للمسترجعات الحرارية، واللِفاعات (وهى حواجز تفصل بين اللهب وبين الشحنة في الفرن ومفردها لِفَاع)، وقضبان مَزَالِق الأفران، وملحقات القمائن وأحواض وحدات تنقية الخارصين. يوضح جدول 3 تحليل لبعض رتب كربيدات السليكون الحرارية.

رتب كربيدات السليكون الحرارية.png

يتصف هذا الطوب بمعامل تمدد عالٍ جداً بين درجة حرارة الغرفة و500 ْم، ومن ثم يجب أن يسخن ويبرد ببطئ شديد في هذا المدى من درجات الحرارة. ولطوب السليكا قدرة كبيرة على تحمل الأحمال في درجات الحرارة العالية. وتوجد منه ثلاثة أنواع: طوب فائق الأداء، ومحتواه من الألومينا والقلويات منخفض جداً؛ وطوب معتاد أو عادى الأداء؛ وطوب أفران الكوك.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

حراريات طبيعية

طوب السليكا

يصنع طوب السليكا من المعادن الموجودة طبيعياً مثل المرويت (الكوارتزيت) وتجمعات حصى السليكا والنوفاكوليت. وهذه المواد الخام المستخدمة في صناعة حراريات السليكا المعتادة، كما هو مبين في جدول 2، يجب أن تحتوى على مستويات سليكا عالية (99% أو أكثر) وشوائب منخفضة وخاصة الألومينا والقلويات، لأنها يمكن أن تقوم بدور الصهور أثناء حرق المادة الحرارية فتقلل من مقاومة المنتج النهائى الكلية للحرارة. ويترابط هذا الطوب عادة بإضافة 3-3,5% CaO. وتتكون كمية قليلة من الزجاج عند الحرق، وتتحول البقية المتبقية من مادة المرويت الخام إلى تريدميت وكريستوبليت.

أنواع سليكا حرارية.png

يتصف هذا الطوب بمعامل تمدد عالٍ جداً بين درجة حرارة الغرفة و500 ْم، ومن ثم يجب أن يسخن ويبرد ببطئ شديد في هذا المدى من درجات الحرارة. ولطوب السليكا قدرة كبيرة على تحمل الأحمال في درجات الحرارة العالية. وتوجد منه ثلاثة أنواع: طوب فائق الأداء، ومحتواه من الألومينا والقلويات منخفض جداً؛ وطوب معتاد أو عادى الأداء؛ وطوب أفران الكوك.

السليكا المصهورة. تنتج السليكا المصهورة بالصهر الفعلى لأنواع مخصوصة من رمال السليكا عالية الرتبة منتقاة خصيصاً لهذا الغرض في فرن قوس كهربائية أو مقاومة كهربائية أو أى فرن آخر مناسب. فيتم تحويل المادة الخام المتبلورة إلى زجاج غير متبلور يسمى السليكا المصهورة. تختلف خصائص هذه المادة الخام المصهورة جدياً عن خصائص رمل المرو الأصلى، وخاصة تميز السليكا المصهورة بمعامل تمدد حرارى منخفض جداً. وتتصف كذلك منتجات السليكا المصهورة بموصلية حرارية منخفضة ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية. وقد وجدت تركيبات السليكا المصنوعة من السليكا المصهورة تطبيقات مناسبة في الترقيع الساخن للبطانات الحرارية، وتطبيقات أخرى مثل الأحجبة الحرارية حيث تتفاقم الصدمات الحرارية.

طوب نصف سليكى

يصنع هذا الطوب من الطين (الطَفْل) السليكى ويحتوى في أكثره على كريستوبليت مترابط بطور زجاجى. ويحتوى هذا الطوب في المعتاد على 18-25% ألومينا و72-80% سليكا. ولهذا الطوب مقدرة ممتازة على تحمل الأحمال حتى 1300 ْم، ولكنه مثل طوب السليكا العادى ذو تمدد حرارى عالٍ نسبياً بين درجة حرارة الغرفة و500 ْم.

طوب الطين الحرارى

يصنع هذا الطوب من الطين الحرارى (أو يقال له الطين النارى) الموجود في الطبيعة، والذى يحتوى في المعتاد على ألومينا تترواح بين 25 و45%. وتزداد مقاومته للحرارة مع زيادة محتواه من الألومينا ونقص محتوى الشوائب مثل القلويات وأكسيد الحديد. وتقاس مقاومة الحرارة لهذه النوعية من الطوب في الغالب بالمخروط البيرومترى المكافئ، الذى يبين تأثير درجة الحرارة والزمن على المادة الحرارية. تتكون معظم الأطيان الحرارية من معدن الكاولينيت (Al2O3·2SiO2·2H2O)، مع كميات صغيرة من معادن طينية أخرى ومرويت (كوراتزيت) و أكسيد حديد وتيتانيا وشوائب قلوية. وتستخدم الأطيان كما تستخرج (تُعدَّن) أو بعد التكليس، الذى تتكسر خلاله الأطيان إلى موليت (3Al2O3·2SiO2) وزجاج سِليكى. وتتوزع مكامن الطين الحرارى توزيعاً كبيراً في أنحاء العالم.

التحليل الكيميائي لبعض الأطيان الحرارية 2.png

وبالرغم من أن الأطيان كانت من بين أول المواد الخام المستخدمة في عمل الحراريات، إلا أن استخدامها تناقص لأن الاحتياجات المطلوبة من الحراريات الحديثة قد استدعت استبدالها بمواد أفضل أداءاً. ومع ذلك فالأطيان ما زالت مادة هامة في الصناعة. فقد تستخدم كمواد رابطة أو ملدنات أو كرُكَام لإنتاج الحراريات، يوضح جدول 4 بعض خصائص الأطيان.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

حراريات حمضية

حسب طريقة التصنيع

الشكل الفيزيائي

Shaped

Unshaped

Refractory anchorage

Refractory heat-up

انظر أيضا

المصادر

وصلات خارجية