الخصائص الرئيسية للمواد الحرارية: فهم الموصلية الحرارية، القوة الضاغطة والمسامية

حاسمة لهوية المواد الحرارية نفسها هو كيف يؤدي في درجات حرارة مرتفعة - ولكن هذا ليس المجال الوحيد الذي يحتاج إلى الانكسار للتفوق. تتطلب بعض التطبيقات مستويات مرتفعة من القوة الضاغطة وملامح المسامية المحددة. يعتمد تصميم عمليات المسبك المعاصرة بشكل كبير على فهم هذه العوامل لضمان نظام قوي ومنتج.

ميزة بيك الحراري

مقدمة

المواد الحرارية (الانكسار) هي مواد مقاومة بدرجة عالية لدرجات الحرارة المرتفعة، وذلك من خلال تركيبتها الكيميائية، مما يجعلها أدوات أساسية في إنتاج المعادن الحديدية وغير الحديدية، والمصبات عالية الدقة ومختلف تطبيقات الصهر. الوقوع في ثلاث فئات واسعة بطبيعتها الكيميائية - الحمضية والأساسية والمحايدة - وتصنيفها بشكل أكبر من حيث الحجم والشكل، واختيار واسع من المواد الحرارية يعني أنها تجد أوسع التطبيقات في جميع أنحاء العالم. إنتاج الانكسار عموما يتبع تسلسل 'معالجة المواد الخام، وتشكيل ثم اطلاق النار' مع مجموعة متنوعة من أنواع تشكيل المتاحة.

ويرد أدناه نظرة عامة واسعة لبعض المواد الحرارية الشائعة ودرجات حرارة الخدمة العادية ومعلومات القوة الضغطية (5L، M، N)

مادي درجة حرارة الخدمة (°C) قوة ضغط (MPa)
الطوب فايركلاي (كثيفة) 1400 كحد أقصى. 15 - 60
الطوب فايركلاي (60٪ مسامية) 1,400 - 1,600 10 - 20
المغنيسيا كروميت 60/40 (13 - 22 ٪ المسامية) 1,600 30 - 80
السيليكا (الرمل، 23٪ المسامية) 1,630 10
المغنيسيت 1,600 - 1,800 35 - 60
الكروميت (14-21٪ مسامية) 1,650 25 - 95
المغنيسيا كروميت 35/65 (25 -60 ٪ المسامية) 1,650 25 - 60
سيليكون كربيد الطين 1,700 80
فورستريت (20٪ مسامية) 1,730 22
الألومينا عالية (18٪ المسامية) 1,800 + 55
انكسار- أسمنت مميزة-pic

الموصلية الحرارية

ولعل "الرقم الرئيسي" عندما يتعلق الأمر بالمواد الحرارية هو مدى ارتفاع درجة الحرارة التي يمكن أن تتحملها ومقدار الحرارة التي يمكن أن تمتصها حتى لا تلحق الضرر بالأدوات الأخرى (على سبيل المثال في حالة بطانات التوندي لصهر الألمنيوم)(5C).

تتأثر الموصلية الحرارية بعدة عوامل ، ولكن الرصاص فيما بينها هو نقطة الانصهار (التي يمليها التركيب الكيميائي للانكسار نفسه) والمسامية (أكثر أدناه). الكروميت والزركونيا هي أمثلة شائعة على المواد الحرارية المستخدمة على نطاق واسع ولها نقطة انصهار من 1700 إلى 2000 درجة مئوية وأكثر بكثير من 2000 درجة مئوية على التوالي. نادرا ما تساهم القوة الميكانيكية أو الضغطية في التوصيل الحراري.

مزيد من التصنيفات للمواد الحرارية هي حسب درجات حرارة الخدمة ، والتي يتم إبلاغها بالمسامية ، في الأساس:

مقاوم للحرارة يصل إلى أو يساوي 1,100 درجة مئوية
الانكسار حتى أو يساوي 1400 درجة مئوية

ارتفاع الانكسار حتى أو يساوي 1700 درجة مئوية

الحرارية العالية جدا أكثر من 1,700 درجة مئوية

مكافئات المخروط الحراري (PCEs) هي مقاييس لمدى تليين السيراميك في درجة الحرارة ولكن ليس تحت الحمل. ويمكن تجميع الانكسارات حسب قيمة PCE، من الخدمة الفائقة إلى الرسوم المرتفعة والمتوسطة إلى المنخفضة، بما يتوافق مع قيم 33-38 و30-33 و28-30 و19-28 على التوالي. انخفاض قيمة PCE يعني أن الحراري لديه درجة حرارة أقل حيث يمكن أن تعمل قبل التشوه والمخاطرة بالتصدع. مناقشة مفصلة قيم PCE خارج نطاق هذه المقالة.

الصلب الساخن الأحمر المصنوعة من قوالب من القوالب الخضراء

قوة ضغط

وكما هو الحال مع أي عملية صناعية، فإن مقدار الصيانة المطلوبة للنظام هو اعتبار حاسم إلى جانب طول العمر. ومن المنطقي أن أي مادة أقوى ماديا (من حيث القوة الضاغطة أو غير ذلك) سوف تستمر لفترة أطول دون كسر، وبالتالي تقليل متطلبات الصيانة وتعزيز عمر النظام (5B). مع بعض المواد الحرارية كونها مكلفة نسبيا، الحاجة إلى وقفة عملية الصب المعدنية، على سبيل المثال، للصيانة هي المهمة التي تضيف الوقت والتكلفة والتعقيد.

قوة الضغط لا تختلف مع درجة الحرارة، وبالتالي هذا هو واحد من المبادئ التوجيهية في اختيار الحراري. وقد أجريت اختبارات "الزحف" منذ فترة طويلة على المواد الحرارية، مع تطبيق الاختبارات الضغط في درجات حرارة مرتفعة على المواد الحرارية. 'زحف' في هذا المعنى يشير إلى فكرة التوسع أو الانكماش (وبالتالي مرونة، ولكن القوة المرنة خارج نطاق هذه المادة) مع المزيد من الحركة التي تدل إلى حد كبير على إضعاف في أي درجة حرارة معينة أو ضغط. تظهر نتائج الاختبارات أن الطوب الحراري للسيليكا عالي النقاء يتفوق عليه أنواع معينة من الطوب الناري المصنوع من طين النار في اختبار درجة حرارة معتدل يصل إلى 1000 درجة مئوية (5A).

كما يمكن أن نرى في الأمثلة في الجدول أعلاه، قوة ضغط يحمل تأثير يذكر على الانكسار.

وبالنظر إلى الأمثلة التي
تشمل فيها الانكسارات غبار الفحم
- مثل العديد من الطوب الناري، ذكر أن الموصلية الحرارية تنخفض مع زيادة القوة الضاغطة وحجم المسام (أي أكثر مسامية)(5H). عند النظر في المجلدات الحرارية (أي المواد التي تجمع المواد الحرارية قبل إطلاق النار) ، فإن استخدام anthracite على هذا النحو الموثق هو أعلى بكثير من حيث إضافة قوة ضاغطة من مادة عضوية راتنجية أو ليفية (5K).

قوة الضغط مهم جدا في تصنيع الحراري، وليس فقط عندما يتم نشر الانكسار. وينبغي النظر فيما يتعلق بقوة الضغط إذا تم استخدام طريقة الضغط لتشكيل الطوب الحراري. هناك خطر ضئيل أو معدوم من المشاكل أثناء العملية الملحة إذا كانت المادة الحرارية هي نفسها مقاومة لأعلى الضغوط.

الأفران التي قد تستخدم غبار الفحم
مسبك

المساميه

المسامية هي مقياس لمدى سهولة اختراق المادة ، أي عدد القنوات الصغيرة الموجودة في جميع أنحاء الجزء الأكبر من المواد التي قد تسمح للسوائل أو الغازات بالمرور. وتحظى المواد المسامية للغاية بتقدير كبير في العديد من المناطق الصناعية، ليس أقلها في الحفز حيث تعتبر الزيوليت المسامية للغاية من أكثر المحفزات إنتاجية حولها، ولكن أيضا للمسامية دور قيم تلعبه في تصميم وتنفيذ المواد الحرارية.

كقاعدة عامة ، كلما زاد مستوى المسامية في المادة ، كلما كانت أقل كثافة وكلما كان موصلا حراريا أكثر فقرا. ويفسر كل من هذه الظواهر من خلال الثقوب في المواد السائبة التي يتم شغلها مع الهواء (أو غاز آخر - الغازات هي الموصلات الفقيرة للحرارة). ومن المنطقي إذن أن المزيد من الثقوب يعني المزيد من الهواء، مما يعني ضعف الموصلية الحرارية (5I). هذا عندما يقترن المواد التي لديها بالفعل التسامح عالية جدا لدرجة الحرارة يجعل لمواد الحرارية ممتازة. ومن المزايا الأخرى للمواد التي يسهل اختراقها تخفيض تكاليف النقل، نظرا لانخفاض وزنها لكل وحدة من وحدات الحجم.

بطانات التونديش هي أمثلة رئيسية على المكان الذي تكون فيه المسامية مهمة ، حيث تحتاج الهياكل المرتفعة في كثير من الأحيان إلى أن لا تكون ثقيلة لدرجة أنها قد تنهار تحت الحمل. وتستخدم
الانكسار الكروم
المغنيسيا المشتركة هنا لهذا السبب، من بين أسباب أخرى(5D). تساعد هياكلها المسامية في تنقية المعدن المنصهر ، ومنع الأكسدة وامتصاص الشوائب غير المعدنية أثناء مرور المعدن المنصهر من خلال (5F). المسامية هو عامل مهم للجص الحراري، أيضا، والتي لا يمكن أن تكون ثقيلة أو كثيفة جدا وإلا فإنه ببساطة لن تعمل بشكل جيد كما 'الغراء' لربط الطوب الحراري معا، أو التصحيح حتى الانكسار متصدع (5E).

وعلاوة على ذلك، في حالة صب الرمال الخضراء، المسامية من المواد الحرارية القائمة على الكروم أمر بالغ الأهمية في السماح للغازات
المبنية
للهروب (5G) - الفشل في تحقيق ذلك يمكن أن يؤدي إلى عيوب سطحية أو التبول. المسامية، كما ذكر، يساهم في العزل الحراري، والهواء هو موصل درجة الحرارة الفقراء. وبالإضافة إلى ذلك، من المسلم به على نطاق واسع أن المسامية ترتبط ارتباطا مباشرا بال نفاذية. نفاذية هي واحدة من العوامل الرئيسية الحاكمة في طول عمر المواد الحرارية (5J).

وخلاصة القول، شبكة من المسام موحدة وصغيرة وموزعة بالتساوي مفيد ويوفر أقل الموصلية الحرارية.

الحراري-غبار الفحم

الحراريات المثالية

الجمع بين المعرفة المذكورة أعلاه، يمكن استخلاص استنتاج حول ما يمكن أن تكون المواد الحرارية المثالية. ومن المؤكد أن المواد تحتاج إلى أن تكون مؤلفة كيميائيا من مادة عالية نقطة انصهار؛ أن تكون ممتازة في مقاومة الأوزان الثقيلة والضغوط القوية المفروضة عليه دون كسر؛ وتكون مسامية نسبيا، وذلك لتبد الحرارة على نحو فعال.

وتجدر الإشارة إلى أن اختيار الانكسار على أساس الهوية الكيميائية، والقوة الضاغطة والمسامية يجب أن يتم جنبا إلى جنب مع طبيعة الانكسار (الحمضية والأساسية والمحايدة) وما إذا كان شكل الانكسار مناسبا للعملية بشكل عام. لحسن الحظ، تسمح تقنيات الإنتاج الحديثة بتنوع واسع من المواد في أي شكل وحجم تقريبا، بحيث تكون مناسبة بشكل مثالي لمهمة صناعية معينة في درجة حرارة مرتفعة.

موجز

  • يعتمد اختيار المواد الحرارية على العديد من العوامل بما في ذلك - على سبيل المثال لا الحصر - المقاومة الحرارية والقوة الضاغطة والمسامية
  • غالبا ما تكون هذه العوامل مترابطة وتحتاج إلى النظر فيها بشكل عام عند اختيار مادة انكسارية أو مادة مقاومة للكسارة المركبة
  • المواد المقاومة للحرارة العالية هي الخيار الأول الواضح للمواد الحرارية ، لأنها بيئة عالية الحرارة تعمل فيها جميع الانكسارات تقريبا
  • المواد ذات قيم القوة الضغطية العالية مفيدة لأنها يمكن استخدامها لأي عملية تقريبا (خاصة في الصب المعدني) حيث يتم وضع قوى الوزن الكبيرة على الحراري - القدرة المعززة للأحمال القصوى تعني أن المادة لن تنكسر بمرور الوقت ، مما يوفر طول العمر
  • يتم تقدير المواد المسامية للغاية بسبب انخفاض نسبة الوزن إلى الحجم ، بالإضافة إلى أن تكون مسامية في حد ذاتها تعني أن المادة موصل أفقر (أي عازل أفضل للحرارة)
chrome_sand
coal_dust
دقيق الكروميت في وعاء

مراجع

1 م. ه. فان دي فورد وجي دبليو ميثام، الانكسارات والمواد العازلة،في: مواد لتطبيقات الهندسة ذات درجة الحرارة العالية، سبرينغر، هايدلبرغ، 2000

2 المواد الحرارية والعازلة، في: الاستخدام الفعال للطاقة (إد الثاني)،I. G.C. درايدن (إد)، بتروورث، لندن، 1982

3 مواد الانكسار؛ دليل الجيب: التصميم، الخصائص، الاختبار، ج. روتشكا (إد)، فولكان فيرلاغ، إيسن، 2008

4 ر. ر. ميلر وآخرون، (ج. تشيم) المهندس. بيانات, 1962, 7, 251

5 أ. أ. ناتسنكو وآخرون.

6 L. E. Mong، السلوك المرن وزحف الطوب الحراري تحت الأحمال الشد والضاغط، وزارة التجارة الأمريكية، واشنطن العاصمة، 1946

7 م. ه. رحمن وآخرون، بروسيديا المهندس، 2015، 105 ، 121

8 Y. Li وآخرون، تجارب الأداء الميكانيكي لمواد صدم موقد الفرن الانفجار وقذائف الهاون الحرارية لبنة الكربون في المؤتمر الدولي الثاني حول هندسة المواد وتطبيقها ، شنغهاي ، 2015

9 ك. كاسويا وآخرون، ج. فيس. الكيمياء. الرقم المرجعي. البيانات 1985، 14، 947

10 ر. كرومارتي وآخرون، ج. س. عفر. معاهد. دقيقه. ميتال., 2014,114, 4

11 S. Aminorroya وآخرون, تقييم مسحوق التونديش الأساسية للصب المستمر للصلب النظيف, في AIS التكنولوجيا - مؤتمر تكنولوجيا الحديد والصلب والمعرض, كليفلاند, 2006

12 م. كالانتار وآخرون، ج. ماتر. المهندس. الاداء.، 2010، 19، 237

13 س. دالكويست و ت. غوتوسكي، تحليل دورة الحياة لتقنيات التصنيع التقليدية: صب الرمال في 2004 المؤتمر الدولي للهندسة الميكانيكية ASME والمعرض،2004، أناهايم، الولايات المتحدة الأمريكية

14 G. R Eusner وJ. T. Shapland، نفاذية الانكسارات فرن الانفجار في الاجتماع السادس عشر لجمعية السيراميك الأمريكية،بيتسبرغ، 1958