ข้อดีของอลูมินาเผาแบบตารางในอิฐทนไฟที่มีรูปร่าง

อลูมินาแบบตารางเผาผนึกมีฤทธิ์เผาผนึกสูง ซึ่งสามารถส่งเสริมการรวมกันของซับสเตรตและอนุภาค ด้วยการใช้อลูมินาแบบตารางเผาผนึกในการผลิตอิฐอลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง จากนั้นสังเกตผลกระทบของคอรันดัมเผาแบบต่างๆ ต่อประสิทธิภาพของอิฐอลูมินา วิศวกรพบว่าอนุภาคอลูมินาแบบตารางเผานั้นมีขนาดเล็กและเต็มไปด้วยรูพรุน ในกระบวนการเผาผนึก ลักษณะดังกล่าวจะช่วยกระจายพื้นผิวของการเผาผนึก ซึ่งยังสามารถปรับปรุงความแข็งแรงของการเผาผนึกและความต้านทานการซึมผ่านของอิฐอลูมินาด้วยการรวมซับสเตรตและอนุภาคให้แน่นยิ่งขึ้น

อิฐอลูมินาเป็นผลิตภัณฑ์ทนไฟที่มีคอรันดัมเป็นเฟสผลึกหลัก มีความเสถียรทางเคมีที่ดีและทนทานต่อกรดและตะกรันอัลคาไลน์ โลหะ และแก้วหลอมเหลว ส่วนใหญ่ใช้ในเตาหลอมเหล็ก, เตาหลอมเหล็กร้อน, เตากลั่นนอกเตาหลอมเหล็ก, เตาหลอมแก้ว และเตาอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ปัจจุบันอิฐอลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงในตลาดส่วนใหญ่ผลิตด้วยวัตถุดิบอลูมินาหลอมละลาย การผลิตอลูมินาหลอมนั้นใช้พลังงานมากและมีการสูญเสียจำนวนมากซึ่งไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การใช้วัตถุดิบคอรันดัมหลอมเพื่อผลิตอิฐอลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นเรื่องยากที่จะเผาและมีความสามารถในการต้านทานตะกรันต่ำ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ในฐานะวัสดุทนไฟคุณภาพสูง เทคโนโลยีและผลผลิตของอลูมินาแบบตารางเผาได้รับการปรับปรุงอย่างก้าวกระโดด เรามาดูข้อดีของการทำอิฐอลูมินาด้วยอลูมินาตารางเผากัน

1 การทดสอบ

1.1 วัสดุ

เราใช้อลูมินาแบบตารางเผาผนึกเป็นวัสดุในการทดลองผลิต อลูมินาแบบตารางที่เราใช้มีอัตราความพรุนลักษณะ 5.7% อัตราการดูดซึมน้ำ 1.6% ความหนาแน่นรวม 3.48g/cm3 วัสดุของคู่แข่งคืออลูมินาผสมที่มีอัตราความพรุนลักษณะ 8.8% อัตราการดูดซึมน้ำ 2.4% ความหนาแน่นรวม 3.61g / cm3 ดัชนีมีดังต่อไปนี้:

1.2 การทดลองผลิต

ใช้เครื่องผสมแบบลูกกลิ้งขนาด 15 กิโลกรัม เติมปลายข้าวสำหรับผสมล่วงหน้าเป็นเวลา 3 นาที จากนั้นเติมสารยึดเกาะ 3% และนวดเป็นเวลา 1 นาที และสุดท้ายก็เติมผงละเอียดและนวดเป็นเวลา 15 นาที แล้วขึ้นรูปบนเครื่องอัดไฮดรอลิก 100 ตันด้วยแรงดันในการขึ้นรูปที่ 280 เมกะปาสคาล ตัวอย่างที่ขึ้นรูปคืออิฐทรงกระบอกที่มีอิฐทรงลูกบาศก์ φ50มม.×50มม. ที่มีขนาด 150มม.×25มม.×25มม. และเบ้าหลอมที่มีขนาดภายนอก φ50มม.×50มม. และขนาดรูใน φ25มม.×25มม. ตัวอย่างอิฐถูกสร้างขึ้นในเตาไฟฟ้าที่มีอุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ ซึ่งให้ความร้อนที่ 1,750°C เป็นเวลา 3 ชั่วโมง หลังจากเก็บที่อุณหภูมิ 110°C เป็นเวลา 3 ชั่วโมงแล้วทำให้แห้ง

1.3 การทดสอบประสิทธิภาพ

ทดสอบการเปลี่ยนแปลงของเส้นทำความร้อนถาวร ความหนาแน่นของปริมาตรและความพรุนที่ปรากฏ กำลังรับแรงอัดและความต้านทานแรงดัดงอที่อุณหภูมิปกติ ความต้านทานแรงดัดงอที่อุณหภูมิสูง (ที่ 1,400°C เป็นเวลา 0.5 ชั่วโมง) ของตัวอย่างตามมาตรฐานแห่งชาติ ทดสอบความสามารถในการต้านทานตะกรันโดยวิธีเบ้าหลอมแบบคงที่ และสังเกตโครงสร้างจุลภาคของตัวอย่างด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด SEM

2 ผลลัพธ์และข้อสรุป

2.1 โครงสร้างจุลภาคของวัสดุ

ภาพ ที่ 1  ด้านล่างแสดงโครงสร้างจุลภาคของอนุภาควัตถุดิบ พบว่าอลูมินาแบบตารางเผาประกอบด้วยผลึก oi-Al2O3 ที่มีขนาดอนุภาค 40~120μm และมีรูพรุนทรงกลมปิดอยู่จำนวนหนึ่ง โครงสร้างของอลูมินาหลอมรวมมีความหนาแน่นมากขึ้น มีรูพรุนที่เปิดกว้างและมีขนาดใหญ่ขึ้น

(a) เม็ดอลูมินาแบบตารางเผาผนึก (b) เม็ดอลูมินาแบบหลอมรวม

ภาพที่ 1

 2.2 การอุ่นการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้น

ภาพที่ 2  แสดงกราฟการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นของการอุ่นซ้ำของตัวอย่างที่ทำจากวัตถุดิบที่แตกต่างกัน ผลการทดลองพบว่าตัวอย่างทั้งหมดมีแนวโน้มเกิดการหดตัวจากการไหม้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปริมาณอลูมินาตารางเผาผนึกเพิ่มขึ้น การหดตัวของการเผาจึงเพิ่มขึ้นในระหว่างนี้ เมื่อเปรียบเทียบดัชนีวัตถุดิบ เราพบว่าอนุภาคอลูมินาแบบตารางเผาผนึกมีรูพรุนมากกว่ามาก หากความหนาแน่นที่แท้จริงของ α-Al2O3 คือ 3.99 ก./ซม.3 และความหนาแน่นรวมคือ 3.48 ก./ซม.3 ดังนั้น จำนวนความพรุนทั้งหมดจะอยู่ที่ประมาณ 13% นอกจากนี้ ด้วยขนาดผลึกที่เล็กมากของอลูมินาแบบตารางเผาผนึก ทำให้การเผาผนึกแบบแพร่กระจายและการถ่ายโอนมวลเป็นเรื่องง่ายในกระบวนการเผาผนึก จึงเกิดการหดตัวของปริมาตรเนื่องจากรูขุมขนบางส่วนถูกขจัดออกจากขอบเขตของคริสตัลพร้อมกับการเคลื่อนที่ของสาร ความหนาแน่นรวมของอนุภาคอลูมินาหลอมรวมคือ 3.61g/cm3 และเปอร์เซ็นต์ของรูพรุนทั้งหมดคือประมาณ 9% เนื่องจากอลูมินาผสมถูกผลิตขึ้นโดยการหลอมและการควบแน่นในเตาอาร์คไฟฟ้าที่มีอุณหภูมิสูง วัตถุดิบจึงมีขนาดผลึกขนาดใหญ่และช่องขอบเขตของคริสตัลน้อย ดังนั้นการหดตัวจากการเผาผนึกจึงน้อยกว่าการหดตัวของอนุภาคอลูมินาแบบตารางเผา

ภาพที่ 2 การอุ่นการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นบนตัวอย่างต่างๆ

2.3 มีความพรุนและความหนาแน่นรวมปรากฏชัดเจน

ในภาพที่ 3 โดยทั่วไปตัวอย่างที่มีปริมาณอลูมินาแบบตารางเผาผนึกที่สูงกว่าจะมีความพรุนปรากฏต่ำกว่าและมีความหนาแน่นรวมสูงกว่า เนื่องจากความพรุนปรากฏของอลูมินาตารางเผามีขนาดเล็กมากประมาณ 5.7% ในขณะที่ความพรุนปรากฏของอลูมินาหลอมรวมอยู่ที่ 8.8% นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับอลูมินาหลอมแล้ว รูพรุนในอลูมินาตารางเผาจะถูกเอาออกจากคริสตัลได้ง่ายกว่า ซึ่งช่วยลดความพรุนและมีการหดตัวในปริมาตรมากขึ้น และเพิ่มความหนาแน่นรวมของตัวอย่างอีกด้วย ดังนั้น ความพรุนที่ปรากฏของตัวอย่างที่ถูกเผาจะลดลงตามการเพิ่มขึ้นของเปอร์เซ็นต์อลูมินาแบบตารางเผาผนึก

ภาพที่ 3 เห็นความพรุนและความหนาแน่นรวมของตัวอย่างต่างๆ

ภาพที่ 4  แสดงให้เห็นว่ากำลังรับแรงอัดที่อุณหภูมิปกติ (CCS) ของอิฐ C1 วัสดุอลูมินาเผาแบบตารางบริสุทธิ์นั้นมีค่ามากกว่าอิฐ C5 วัสดุอลูมินาหลอมรวมบริสุทธิ์มาก มีสองเหตุผลหลักสำหรับเรื่องนี้ ประการแรก จากแง่มุมของความแข็งแรงของวัตถุดิบ ขนาดผลึกของวัสดุอลูมินาแบบตารางเผามีขนาดเล็ก และความแข็งแรงของการแตกหัก (σ) ของวัสดุและขนาดคริสตัล (G) มีความสัมพันธ์เชิงหน้าที่ดังต่อไปนี้:

σ=ฉ(G-1/2)

ดังนั้นความแข็งแรงของวัสดุอลูมินาแบบตารางเผาจึงค่อนข้างสูง ในขณะที่วัสดุอลูมินาที่หลอมละลายจะเปราะและลอกออกง่าย (ดังแสดงใน  ภาพที่ 5(a) ) และยังมีเฟส β-Al2O3 จำนวนเล็กน้อยอยู่ด้วย ซึ่งจะช่วยลดความแข็งแรงของวัสดุ

ประการที่สอง จากแง่มุมของสถานะพันธะของวัสดุ พันธะระหว่างอนุภาคอลูมินาแบบตารางเผาผนึกกับสารตั้งต้นนั้นดี เกือบจะเผาเป็นทั้งหมด อนุภาคอลูมินาที่หลอมละลายจะเกาะติดกันไม่ดีกับสารตั้งต้น และรอยแตกรูปวงแหวนจะเกิดขึ้นได้ง่ายรอบๆ อนุภาค  (ภาพที่ 5) (b) ) ด้วยเหตุผลสองประการข้างต้น ความแข็งแรงเชิงกลของอิฐ C1 แบบตารางเผาผนึกบริสุทธิ์จึงดีกว่าอิฐ C5 วัสดุอลูมินาผสมบริสุทธิ์

ภาพที่ 4 กำลังรับแรงอัดที่อุณหภูมิปกติและความต้านทานการดัดงอสำหรับตัวอย่างต่างๆ

ภาพที่ 5 โครงสร้างจุลภาคของตัวอย่างที่ทำจากอลูมินาหลอมรวม

หลังจากเติมตะกรันการแปรสภาพเป็นแก๊ส 20 กรัมลงในเบ้าหลอม (ดูตารางที่ 2 สำหรับองค์ประกอบของตะกรัน) ให้อุ่นเบ้าหลอมไว้ที่ 1550°C ในเตาไฟฟ้าทดสอบที่อัตราการทำความร้อน 100°C/ชม. และเก็บไว้เป็นเวลา 3 ชั่วโมง จากนั้นจึงตัดเบ้าหลอมตาม ทิศทางตามแนวแกนหลังจากเย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง ให้สังเกตการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคในส่วนตามยาว

องค์ประกอบทางเคมีของตะกรันเตาแสดงดังต่อไปนี้:

ภาพที่ 6 โปรไฟล์ป้องกันตะกรันของเบ้าหลอมแบบคงที่

 หลังจากการทดสอบการกัดกร่อนของตะกรันเตาแปรสภาพเป็นแก๊สสารละลายถ่านหินและน้ำ ให้สังเกตโครงสร้างจุลภาคด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ตะกรันของการแปรสภาพเป็นแก๊สของสารละลายน้ำถ่านหินมีรูปร่างเหมือนก้างปลา ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเฟสอะนอร์ไทต์ (ดังแสดงใน  ภาพที่ 7(a) ) ตะกรันทำปฏิกิริยากับอลูมินาในอิฐทดสอบและได้เฟสสปิเนลผสมแมกนีเซียม-อะลูมิเนียม-เหล็ก การวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานแสดงองค์ประกอบของเฟสสปิเนลคอมโพสิตคือ (x/%): MgO 40.43%, Al2O 347.61%, Fe2O3 11.96% เฟสสปิเนลคอมโพสิตแมกนีเซียม-อลูมิเนียม-เหล็กที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาจะสร้างวงแหวนรอบอนุภาคอลูมินา (ดังแสดงใน  Image7(b) ) ความหนาของวงแหวนรอบ ๆ อนุภาคอลูมินาแบบเผาผนึกคือ 60 ~ 90μm และความหนาของวงแหวนรอบ ๆ อนุภาคอลูมินาที่หลอมละลายคือ 50 ~ 70μm จะเห็นได้ว่าตะกรันนั้นง่ายต่อการทำปฏิกิริยากับตารางเผาเนื่องจากการเผาผนึก อลูมินามีกิจกรรมการเผาผนึกขนาดใหญ่ ผลึกเล็กลง รูพรุนปิดมากขึ้น และมีขอบเขตของคริสตัลมากขึ้น ตะกรันสามารถทะลุผ่านขอบเขตของคริสตัลได้ง่าย และทำปฏิกิริยาทางเคมีกับอลูมินาแบบตารางเผาผนึก

(a) ตะกรัน (b) C2 พื้นผิวการทำงาน

ภาพที่ 7 โครงสร้างจุลภาคของตัวอย่างอิฐอลูมินาหลังการทดสอบความต้านทานตะกรันและการกัดกร่อน

ไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจนในความลึกของการกัดเซาะของ C1, C2, C3, C4 และ C5 ทั้งหมดมีขนาดประมาณ 1 มม. รูปที่ 8 แสดงภาพถ่ายโครงสร้างจุลภาคของอิฐ C1 และอิฐ C5 หลังจากการกัดเซาะตามลำดับ ตะกรันจะทำปฏิกิริยากับเมทริกซ์อิฐก่อน ทำให้อนุภาคคอรันดัมปรากฏเป็นรูปร่างเกาะโดดเดี่ยว จากนั้นทำปฏิกิริยากับอนุภาคและกินอนุภาคออกไป

ความลึกของการกัดเซาะทั้งหมดของ C1, C2, C3, C4 และ C5 อยู่ที่ประมาณ 1 มม. ไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจน  ภาพที่ 8  แสดงภาพถ่ายโครงสร้างจุลภาคของอิฐ C1 และอิฐ C5 ตามลำดับหลังจากการกัดเซาะ ขั้นแรกตะกรันจะทำปฏิกิริยากับพื้นผิวอิฐเพื่อทำให้อนุภาคอลูมินากลายเป็นรูปทรงเกาะ จากนั้นทำปฏิกิริยากับอนุภาคเพื่อกัดกินอนุภาค

ภาพที่ 8 โครงสร้างจุลภาคของตัวอย่างอิฐอลูมินาหลังการทดสอบความต้านทานตะกรัน

 ภาพที่ 9 แสดงวิธีการเจาะทะลุของอิฐทดสอบที่มีสูตรต่างกันใกล้เคียงกัน ตะกรันจะแทรกซึมเข้าไปในอิฐตามรูพรุน มีอยู่ในขอบเกรนและรูพรุนในรูปของเฟสแก้วและเฟสอโนไทต์

ภาพที่ 9 โครงสร้างจุลภาคของชั้น C5 ซึมผ่านได้ของตัวอย่างอิฐอลูมินา หลังการทดสอบความต้านทานตะกรัน

แต่ตัวอย่างที่แตกต่างกันแสดงคุณสมบัติป้องกันการซึมผ่านที่แตกต่างกัน ตารางด้านล่างแสดงความลึกของการเจาะทะลุของ SiO2 ในตัวอย่างที่แตกต่างกัน เมื่อปริมาณอลูมินาตารางเผาในอิฐลดลง ความลึกของการเจาะทะลุของตะกรันจึงมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น

มีเหตุผลสองประการสำหรับผลลัพธ์นี้:

1. ตัวอย่างที่มีปริมาณอลูมินาแบบตารางเผาผนึกสูงมีความพรุนปรากฏต่ำกว่า
2. อนุภาควัสดุตารางเผาจะถูกยึดเกาะกับพื้นผิวได้ดีกว่า ซึ่งป้องกันการแทรกซึมของตะกรันเข้าไปในอิฐ

3 บทสรุป

เนื่องจากอลูมินาแบบตารางมีขนาดผลึกเล็ก จึงมีรูพรุนจำนวนมากในอนุภาค ซึ่งมีประโยชน์ในการเผาผนึกด้วยการถ่ายโอนมวล รูขุมขนบางส่วนจะถูกขจัดออกจากคริสตัลตามแนวขอบของคริสตัลตามการเคลื่อนที่ของสาร ทำให้มีการหดตัวของปริมาตร ซึ่งส่งผลให้อัตราการหดตัวเพิ่มขึ้นและความพรุนปรากฏลดลงในการเผาผนึกโดยการเพิ่มปริมาณอลูมินาแบบตารางเผาผนึก

อลูมินาตารางเผาบริสุทธิ์มีโครงสร้างเม็ดละเอียดที่มีความแข็งแรงสูงและมีกิจกรรมการเผาผนึกสูง อนุภาคอลูมินาแบบตารางเผาในอิฐมีพันธะที่ดีกับพื้นผิว ดังนั้นประสิทธิภาพความแข็งแรงเชิงกลจะเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณคอรันดัมเผาเพิ่มขึ้น

เนื่องจากอลูมินาแบบตารางมีข้อดีที่สำคัญสองประการ: มีความพรุนต่ำและความสามารถในการยึดเกาะที่ดีเยี่ยมกับซับสเตรต จึงแสดงให้เห็นว่าอลูมินาแบบตารางเผาสามารถชะลอการแทรกซึมของตะกรันเข้าไปในอิฐได้