D. Cölle1, CG Aneziris2, F. Etienne1, MP Wiessler1
1EKW GmbH, Eisenberg, Almanya
2Seramik, Cam ve Yapı Malzemeleri Enstitüsü, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, Almanya
Daniel.Coelle@ekw-refractories.com, www.ekw-refractories.com
ÖZET
Bu makale, TU Bergakademie Freiberg’deki orta ölçekli işletme EKW GmbH ile IKGB, Seramik, Cam ve Yapı Malzemeleri Enstitüsü araştırma kuruluşları arasındaki akıllı işbirliği faaliyetlerini gösteren proje sonuçlarını örnek olması için dikkatlere sunmak arzusundadır. Bu faaliyetlerin içeriği, it-çek teorisindeki ilkeleri izleyen bir fikirden esinlenerek üretilmiştir. Ayrıca, uygulamaya yönelik araştırmalar da rekabetçi pazarın koşullarına göre konumlandırılmıştır. Zorlu araştırma projelerine ve teknoloji ve endüstrinin dışa açıklığına odaklanan şirketlerin gelişim projelerine verilecek finansal desteğin hak edilen şekilde vurgulanması gerekir. Sonuncu ama son derece önemli olarak sunulan bu proje konfigürasyonu, ağ yönetimi ve teknoloji transferini de destekleyerek orta ölçekli işletmeleri ve araştırma kuruluşlarını canlandırmalıdır.
Anahtar kelimeler: Yenilikçi refrakterler, İşbirliği projeleri, Monolitik parçalar ve bileşenler.
1.GİRİŞ
“Son yıllarda, örneğin metal eritme işlemlerinde olduğu gibi yüksek sıcaklık süreçlerindeki hızlı gelişim, refrakter endüstrisini de kökten biçimde hareketlendirmektedir. Özellikle monolitik refrakterler, belirtilen üretim süreçleri ve uygun konstrüksiyonları sayesinde ve genel olarak performans ve maliyet verimlilikleri nedeniyle giderek artan sayıda sorumlu kullanıcı tarafından daha fazla ilgi görmekte ve tanınır olmaktadır. Kapsamlı şekilde gözlemlendiğinde, monolitik refrakter üretim hacmi önemli ölçüde artmış ve monolitik refrakterler de yeni malzeme teknolojileri ile bağlantılandırılmıştır”[1]. Geçen yüzyılın 80’li yıllarında, yüksek fırın raylarının dökme astarında kullanılmak üzer yeni monolitik sistemlerin geliştirilmesi, temel bir kilometre taşıydı [2, 3]. Bu yüksek erime noktalı sentetik hammadde esaslı malzemeler, prensipte şaft fırınlarının kaplanması amacıyla standarda göre geliştirilir. Seramik bilimi ve teknolojisi açısından, silika-alümina sisteminden elde edilen alümosilikat fazlarının uygulanmasının, karbonlu yüksek sıcaklık seramiklerinin köklü bir şekilde işlevselleştirilmesine mükemmel şekilde uygun olduğu düşünülmektedir. Doğal hammaddelerin uygulanması kapsamındaki yeni teknolojik değerlendirmeler, aşağıdaki genel bakışta kısaca özetlenen zorluklarla karşı karşıyadır.
Refrakter mühendisliğinde kompozitler ve malzeme bileşikleri (PRO INNO II)
“Belirlenen alümosilikat hammaddeler ve ticari yapay zift ve farklı grafit tiplerini esas alan bir model-granül sisteminin seçilen içsel etkileşimleri ve yüksek sıcaklık özellikleri, mikroyapı değişimine ve temel mekanik ve termomekanik parametrelere odaklanarak incelenmiştir. Kuvars, kil mineralleri ve jöle fazlarının basitleştirilmiş doğal bir karışımı ve luting kumu (killi kum da denir) arasındaki etkileşimler ve farklı karbon kaynakları incelenmiştir. Bu nedenle, kısmen farklı türlerde doğal grafit ilaveli, modifiye organik kömür katranı zift bazlı bir bağlayıcıya sahip numuneler üretilimiştir ”[4].
“Kompozitlerin temel işlevi, kristalleşen mullit, karbür lifleri ve camsı miktarların birlikte varolma fazlarına dayanmaktadır. Bu yapı, yüksek sıcaklıklarda ortaya çıkan grafitleşmenin etkili bir oksidasyon önleme sistemi olmasıyla ile birlikte yüksek bağlama gücü ve esneklik ile karakterize edilir. Ayrıca, yüksek cüruf nüfuz direncini iyileştirecek faktörler de verilmiştir ”[5].
“Karbon içeren alümina-silikat bileşimleri nedeniyle, önceden şekillendirilmiş gelişmiş uygulamaları mümkün kılmak amacıyla yeni bir malzeme ile birlikte yeni işleme rotası da uygulanmıştır. Özellikle yüksek sıcaklıklarda elde edilen, sıfır büzülme etkili yüksek dayanıklılık daha homojen makro ve mikro yapılı yaklaşımlar için yeni bir platforma imkan tanır ve bu aynı zamanda esnek bağlanma da sağlar. Sonuncusu, esas olarak kombine seramik ve karbonlu bağlanma mekanizmasına dayanmaktadır. Esas olarak seramik bağlanmanın, geleneksel dolgu malzemelerinde kırılganlığa karşı daha yüksek hassasiyete yol açtığı ortaya çıkmaktadır” [4].
“Yaklaşık 1550 °C olan tipik ortam sıcaklıklarında, eritme bölgeleri veya şaft fırınlarının boşaltma delikleri gibi aşındırıcı ve cüruf bakımından zengin bölgeleri, çevresel erime fazlarının potansiyelinin indirgenmesi, oksidasyon sonucu yakıt tükenme etkisi, karbon yapılarının ayrışması ve ergitme fırını içerisinde kısmi türbülans akışına tekabül eden kimyasal etkime ve mekanik erozyonun sebep olduğu aşınmaya gayet aşinadır. Arttırılmış termomekanik özellikler profili ve korozyon hassasiyeti amaçlanır, bu da ortamdaki kimyasal dengeler ve atmosferle ilişkilidir. Bu iş, ticari “en gelişmiş refrakter”e karşılık gelecek şekilde, mikroyapı gelişimine odaklanan özel alümosilikat-karbon-granül bazlı yeni bir kompleks seramik kompozit kavramını ortaya koymaktadır. Amaç şaft fırınları için ekolojik ve ekonomik yönler de dikkate alınarak optimize edilmiş bir refrakter sistemidir ”[5].
“Yeni geliştirilmiş, belirli granüllerin karbon içeren alümosilikat bileşileşimi dahilinde üretilmiş yeni refrakter kompozitler tanıtılmıştır. Bu kompozitlerin temel işlevi, daha homojen makro ve mikro yapılara sahip granülasyon işlemi yaklaşımları ve devamındaki esnek bağlanmalara dayanmaktadır. Yapı, etkili bir oksidasyon inhibisyonu ile birlikte yüksek bağlanma gücü ve esneklik ile karakterize edilir. Ayrıca, yüksek cüruf nüfuz direnci elde etmek için ana faktörler de verilmiştir. Bu şekillendirilmiş malzemelere odaklanmış uygulamalara ilişkin, esasen şaft fırınlarının yüksek korozif bölgelerinde, seçilen fiziksel ve kimyasal özelliklere ait elde edilen sonuçlar, tipik olarak kullanılan Al2O3-SiC-C sistemine dayalı refrakter döküm veya dolgulama harçlarının kullanımının haklılığını doğrulamaktadır”. [6].
“Karbonlu alümosilikat sisteminde, karıştırma ve granülasyon işlemi, özellikle ince hammaddelerin homojenliğini ve ayrışmasını artırır. Karbonlu bağlamanın yanında kombine bir seramik de, karbon matrisinde oksijen difüzyon bariyerlerinin oluşmasına sebep olur. Ek olarak, Al-bazlı antioksidan, geniş sıcaklık aralığında stabil olan in situ (yerinde) Si ve SiC oluşturur. Mevcut hammaddenin, katkı maddelerinin ve işleme sisteminin kombinasyonu dahilinde onaylı düşük oksidasyon hassasiyeti bu duruma özeldir. Mevcut küresel hammadde durumuna da odaklanıldığında bir diğer önemli faktör de şaft fırınlarının kaplanması ve bakımına yönelik, sürdürülebilir refrakter geliştirilmesi için, mevcut monolitik refrakterlerin ikamesi veya optimize edilmesi amacıyla plastikler, dökümü yapılabilir maddeler veya tabancalı-püskürtme karışımları gibi hammaddelerin uygulanacağı bir programla ifade edilebilir.” [7].
Döküm uygulamalarında sürdürülebilir refrakter ürünler için Al2O3-SiO2-C sisteminde malzeme ve prosedür inovasyonu (ZIM)
“Belirli granüllerden oluşan, içeriğinde karbon bulunan yeni bir alümosilikat refrakter incelenmiştir. Daha önce uygulamaya konulmuş bir granüle refrakter bileşiğine dayanarak, karışım optimize edilmiş ve kendine has özellikleri analiz edilmiştir. İnce alümosilikat hammaddelerinin ufalama işlemini iki farklı şekillendirme rotası takip eder. Birincisi tek eksenli presleme tekniği ile, ikincisi ise granülleri dökülebilir hale getirmekle ilgilidir. Örnek olarak kitle yoğunluğu, gözeneklilik, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda dayanıklılık ve oksidasyon direnci gibi temel özellikler araştırılmıştır. Her iki teknik yöntemin de mikro yapısı korundum, kuvars ve mullit oluşumunun başlangıcını içerir. Hem tek eksenli presleme hem de dökme karışımları, iyi mekanik ve termomekanik özellikler gösterdiğinden çok çeşitli, biçimlendirilmiş şekiller ve kurulum yöntemleri sağlar. Alümosilikat granüllerini preslenmiş veya dökümü yapılabilir bir refrakter üründe nakletmek konusundaki yeni yaklaşım, farklı olasılıkların önünü açmaktadır. Alümosilikat agregaları nispeten kolay bir şekilde üretilebilir ve işlenebilir. Ölçülen dayanıklılık yeterlidir ve yüksek sıcaklık özellikleri daha fazla geliştirme için potansiyel sunmaktadır. X-Işını kırınımı ve taramalı elektron mikroskobuyla yapılan analiz, refrakterlerdeki kombine karbon-seramik bağı hususunda ilginç korelasyonlar ortaya çıkarmıştır. Dökme malzemeyle ilgili olarak, döküm karışımında düşük miktarda su bulunduğunda vibrasyonla uygulama yapmak mümkündür. Geliştirilmiş refrakter kompozisyonlarına yönelik, metalürjik süreçler için, yüksek fırınlar ve şaft fırınları gibi, bazı olası uygulamalar hakkında görüş bildirilmiştir.” [8].
Demir ve çelik endüstrisinde (ZIM) eritme teknolojilerindeki uygulamalar için karbon bağlı alümosilikat bazlı SiC-C içeren refrakter fonksiyonel malzemelerde yeni çevre dostu bağlayıcı maddelerin kullanılması
“Üçüncü bir ikili endüstri projesi sırasında, esas olarak demir endüstrisi ergitme teknolojilerindeki uygulamalar için farklı alümosilikat esaslı fonksiyonel seramiklerin üretimini desteklemek amacıyla, yeni kirletici olmayan silisyum karbür-karbon-kompozitlere yönelik matrislerin geliştirilmesi gerçekleştirildi. Farklı koşullardaki ısı uygulaması sırasında, örneğin kısmı oksijen basıncı vb. gibi, sıfıra yakın seviyelerde emisyonuyla kirleten salınımı farkedilir biçimde azaltılmış, seçilmiş, tamamen zararsız organik sistemler, kısmi zift türevli karbonlu bağlayıcı maddelerin ve SiC-C refrakterlerinde sıkça görülen ve tespit edilen bağlayıcıların yerini almaktadır. Isı patlamaları sırasında ortaya çıkan maddeye özgü fazlar sebebiyle sağlamlığın artması ve esnekliğin oluşması beklenebilir. Elbette bu prensip olarak, refrakter kaplamasının kısmi parçalanmasını önler Demir cürufu sıvı faz sisteminin sınır katmanları arasındaki etkileşim yoluyla elde edilen malzeme özelliği, sektörle ilgili korozyon davranışının ve yeni en azından çevreyi kirletmeyen matrislerin gelişmiş teknolojik ve ekonomik faydalarını vurgulamaktadır. Malzemeler esasen aşağıdaki alışıla gelmiş problem çözümleri ve ürünlerin üç özelliği ile daha da karmaşık hale gelirler:
- Maliyet optimizasyonlu hammadde sisteminin şeffaflığı
- Yerel hammaddelerin sürdürülebilirliği
- Sabit kalite seviyesinin ulaşılabilirliği
Esas odak noktası, sağlığı tehlikeye sokan bağlayıcıların terkedilmesi amacını güder. Sentetik hammaddelerden temin edilen ticari olarak ulaşılabilir materyalle geliştirilen malzeme ile, ileri ancak daha önce tanıtılan granule malzeme arasında bir karşılaştırma yapılmaktadır. “Eisenberger Klebsand”, “Luting Kumu” olarak adlandırılan temel doğal hammadde son teknoloji refrakterlerin üretimi için en azından ince ölçekli parçaları ve kısmen nano boyuttaki kristalimsi ve kristalimsi olmayan fazları nedeniyle son derecede uygundur. Örneğin, saf, işlenmemiş bir durumda, iyi tanımlanmış alümosilikatlar, oda sıcaklığı ile yaklaşık 1700 ° C arasındaki geniş bir sıcaklık aralığında arttırılmış mekanik dayanıklılık ile yüksek bir yapışma gücünü bir araya getirir. Grafit ile birleştiğinde, önceki işlerde mükemmel bir oksidasyon davranışı ve güvenilir bir korozyon stabilitesi göstermiştir. Spesifik kalsine grafit kombinasyonu ve karbonhidrat ile bağlı doğal alümosilikatın iki seçilmiş fraksiyonu üzerine, teknik açıdan verimli ve ekonomik çözümlere yoğunlaşılarak, en azından yenilikçi refrakter uygulama konseptleri üretme doğrultusunda basitleştirilmiş bir akıl yürütme gerçekleştirilmektedir” [9].
Genel Değerlendirme
Son yıllarda özellikle ileri malzeme çözümleri gittikçe artan bir ilgi odağı haline gelmiştir. Sabit seviyeli refrakter bileşimlerini dikkate alarak servis aralıklarını en aza indirgemeyi amaçlayan endüstriyel süreçlerin performansını optimize etmek için yenilikçi refrakter konseptler ve malzeme çözümleri gerekmektedir. Bu konu olağanüstü bir öneme sahiptir. Genel olarak EKW’nin çeşitli montaj ve malzeme konseptleri, en gelişmiş endüstriyel uygulamalar için gözle görülür bir esnekliğe odaklanmıştır [10]. Bu bağlamda son olarak konu mükemmel biçimde şöyle formüle edilebilir: “Mekanik, termal, kimyasal ve işlevsel özelliklerin, nano, mikro ve makro seviyelerde malzeme yapısı tarafından belirlendiği ve devamında arayüzey ve yüzeylerde kimyasal ve fiziksel etkileşimlerin gerçekleştiği anlayışı refrakter ürünlerinin devamlı gelişim ve optimizasyonu için sınır tanımayan bir araçtır.”[11].
Referanslar
[1] Cölle D., Gerlach N., Aneziris C.G. Functionalized Systems for monolithics and prefabs. refractoriesWORLDFORUM 7 (2015) [3], 49-58
[2] ABD Patent Başvurusu 4,120,734. Monolithic Refractory Compositions (Monolitik Refrakter Kompozisyonları), 1978
[3] Taniguchi T., Otani M., Iwasaki I., Ishikawa M. Development of Castable Refractories with Powder Aluminium addition for Blast Furnace Thoughs and Runners. Proceedings of the 25th International Colloquium on Refractories (25. Uluslararası Refrakterlere İlişkin Kolokyum Bildirileri) Aachen, Aachen 1982, 523-547
[4] Cölle D., Aneziris C.G., Dudczig S. Evaluation of a carbon containing model-granules-system based on loomy clay raw materials. Proceedings of the 49th International Colloquium on Refractories (49. Uluslararası Refrakterlere İlişkin Kolokyum Bildirileri) Aachen, Aachen 2006, 97-99
[5] Cölle D., Aneziris C.G., Schärfl W., Dudczig S. Novel alumosilicate-carbon composites for application in shaft-furnaces. Proceedings of the UNITECR Dresden (UNITECR Dresden Bildirileri) 2007, 148-151
[6] Schärfl W., Aneziris C.G., Klippel U., Roungos V., Cölle D. Properties and processing of shaped alumosilicate-carbon composites for application in shaft furnaces. Proceedings of the 51st International Colloquium on Refractories (51. Uluslararası Refrakter Kolokyum Bildirileri) Aachen, Aachen 2008, 34-37
[7] Schärfl W., Cölle D., Aneziris C.G., Roungos V. Design and development of alumosilicate-carbon composites for application in shaft furnaces. Proceedings of the UNITECR Salvador de Bahia 2009 (UNITECR Salvador de Bahia 2009 Bildirileri ), CD içerisinde (sayfalandırılmamış)
[8] Siebert M., Aneziris C.G., Gehre P., Schärfl W., Cölle D, Radünz R. Processing and development of carbon containing alumosilicate composite materials. Proceedings of the 53rd International Colloquium on Refractories (53. Uluslararası Refrakter Kolokyum Bildirileri) Aachen, Aachen 2010, 233-235
[9] Cölle D., Aneziris C.G., Werner J. Application of completely new, environmentally friendly alumosilicate function-units in SiC-C containing refractories for the lining of metallurgical treatment environments of the foundry industry. Proceedings of the 55th International Colloquium on Refractories (55. Uluslararası Refrakterlere İlişkin Kolokyum Bildirileri) Aachen, Aachen 2012, 118-120
[10] Cölle D. Neue Impulse für rohstoffoptimierte Hochtemperaturwerkstoffe „Made in Germany“. Ressourceneffizienz Der Innovationstreiber von morgen. Band II der Reihe “Mittelstand im Fokus”. Ingrid Voigt, W. Axel Zehrfeld (Hrsg.) Frankfurter Allgemeine Buch 06/2013: 97-106
[11] Scharrer K. Refractories Make Innovations Happen. cfi/Ber. DKG 89 (2012) [3] E 40