Yazar: Emre Seymenler - Tarih: 20 Ocak 2023 12:48 - Kategori: Genel

---

Endüstriyel tesislerde yer alan fırınlarda ve daha birçok alanda karşımıza çıkan refrakter malzemeler hakkında detaylı bir araştırma sonrasında sizlere en kapsamlı içeriği sunuyoruz. Refrakter nedir, ne işe yarar, bileşenleri nelerdir, nerelerde kullanılır gibi merak ettiğiniz tüm başlıklar bu yazının içerisinde... 

Refrakter Nedir?

Refrakter, endüstriyel tesislerde karşılaşılan çok yüksek derecede sıcaklıklara örneğin 538°C üzerindeki sıcaklıklara dayanacak şekilde üretilmiş seramik malzemelerdir. Isıya oldukça dayanıklı yapısıyla, birçok endüstriyel proses içerisinde yer alan sıcak yüzeyleri kaplamak amacıyla kullanılmaktadır. 

Refrakterler, ısıl gerilime ve ısının neden olduğu diğer fiziksel olaylara karşı dirençli olmalarının yanı sıra, kimyasal maddelerin neden olduğu fiziksel aşınma ve korozyona da dayanabilirler. Bu nedenle, petrokimya ürünlerinin üretimi ve benzinin rafine edilmesi için gereklidirler.

Refrakter ürünler genellikle iki kategoriye ayrılır;  özel veya monolitik refrakterler olarak adlandırılan önceden biçimlendirilmiş şekiller veya biçimlendirilmemiş bileşimler. Bir de konut yalıtımına benzeyen ancak çok daha yüksek sıcaklıklarda yalıtım sağlayan refrakter seramik lifler vardır. Tuğlalar ve şekiller daha geleneksel refrakter formlarıdır ve tarihsel olarak refrakter üretiminin çoğunluğunu oluşturmuştur.

Refrakterler her şekil ve boyutta olabilir. Zeminlerde ve duvarlarda kullanılmak üzere preslenebilir veya kalıplanabilir, birbirine kenetlenen şekillerde ve takozlarda üretilebilir veya kazanların ve potaların iç kısımlarına uyacak şekilde kavisli olabilirler. Bazı refrakter parçalar küçüktür ve karmaşık ve hassas bir geometriye sahiptir; prekast veya füzyon döküm bloklar şeklindeki diğerleri ise masiftir ve birkaç ton ağırlığında olabilir.

Refrakterler Nelerden Yapılır?

Refrakterler, genellikle metalik olmayan doğal ve sentetik malzemelerden veya alümina, ateş kili, boksit, kromit, dolomit, manyezit, silisyum karbür ve zirkonya gibi bileşiklerin ve minerallerin kombinasyonlarından üretilir.

Refrakterler Ne İçin Kullanılır?

Refrakterler basitten (örneğin şömine tuğlası kaplamaları) karmaşık olana (örneğin uzay mekiği için yeniden giriş ısı kalkanları) kadar ısıyı tutmak ve işleme ekipmanını yoğun sıcaklıklardan korumak için kullanılır. Endüstride, her türden kazan ve fırını (reaktörler, potalar, imbikler, fırınlar, vb.) kaplamak için kullanılırlar.

Refrakterin rolü

Refrakter malzemeler, çelik ürünlerinin maliyeti ve kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Son yıllarda çelik ürünlerinin çeşitlenmesi ve temizlik gereksinimleri, yüksek kaliteli refrakterlere olan talebi artırmıştır. Çelik üretimi 1600 santigrat derece gibi yüksek sıcaklıklar gerektirir. Buna ek olarak, çelik üretiminde erimiş çelik, cüruf ve sıcak gazlar gibi yüksek sıcaklık fazları kullanılır. Bu fazlar kimyasal olarak reaktiftir; çelik üretmek için refrakter malzemeler gereklidir. Refrakter maliyeti ürünün maliyetine katkıda bulunduğundan, daha ucuz maliyetle yüksek kaliteli refrakter ana gerekliliktir.

Neden gerekli?

- Reaksiyon odasındaki ısı kayıplarını en aza indirmek için

- Metalik kaplar uygun olmadığı için kimyasal olarak reaktif reaktanların termal enerjiye bağlı olarak ürünlere dönüştürülmesine izin vermek.

Çelik üretiminde, aşağıdaki fazların fizikokimyasal özellikleri önemlidir:

Cüruf: SiO2, P2O5, CaO, MgO, FeO, vb. gibi asidik ve bazik inorganik oksitlerin karışımı; sıcaklık 1400°C ile 1600°C arasında değişir.

Erimiş çelik: Demir içeren karbon, silikon, manganez, fosfor, serseri elementler, metalik olmayan kalıntılar, azot, oksijen ve hidrojen gibi çözünmüş gazlar ve Cr, Ni, Nb, Mo, W, Mo, vb. gibi farklı alaşım elementleri; sıcaklık 1600 ℃

Gazlar: CO, CO2, N2, Fe2O3, Fe3O4 vb. katı parçacıklar içeren Ar; sıcaklık 1300℃ ila 1600℃.

Yukarıdaki fazlar sürekli ve sürekli olarak birbirleriyle temas halindedir ve türbülanslı hareket halindedir.

Refrakter Malzeme Gereksinimleri

Refrakter malzemeler aşağıdakilere dayanabilecek kapasitede üretilmelidir;

• Yüksek sıcaklık
• Ani sıcaklık değişiklikleri
• Servis koşullarında yük
• Fazların kimyasal ve aşındırıcı etkisi

Refrakter malzeme, temas halinde olduğu malzemeyi kirletmemelidir.

Refrakter üretiminde kullanılan bazı saf bileşiklerin erime noktası

Bileşikler - Erime noktası (℃)

• MgO (saf sinterlenmiş) - 2800 ℃
• CaO (limit) - 2571 ℃
• SiC saf - 2248 ℃
• MgO (%90-95) - 2193 ℃
• Cr2O3 - 2138 ℃
• Al2O3 (saf sinterlenmiş) - 2050 ℃
• Fireclay - 1871 ℃
• SiO2 - 1715 ℃
• Kaolin (Al2O3. SiO2) - 1816 ℃
• Kromit (FeO. Cr2O3) - 2182 ℃

Bir refrakterde olması gereken özellikler

Refrakter malzemelerin birçok farklı endüstrideki çeşitlendirilmiş uygulamaları, farklı fazların fizikokimyasal ve termal gereksinimlerini karşılamak için çeşitlendirilmiş özellikler gerektirmektedir. Bazı endüstriyel birimlerde birden fazla faz mevcuttur, örneğin çelik üretim kaplarında cüruf-metal-gazlar yüksek sıcaklıklarda kap içinde aynı anda bulunur. Isıl işlem fırınlarında katı/indirgeyici veya oksitleyici gazlar aynı anda mevcuttur. Aşağıda refrakter malzemelerin özellikleri kısaca açıklanmıştır:

Refrakterlik

Refrakterlik, bir refrakterin yük altında deforme olacağı bir özelliktir. Refrakterlik PCE (Pyrometric cone equivalent) ile gösterilir. Uygulama sıcaklıklarından daha yüksek olmalıdır.

Refrakter yük altında olduğunda refrakterlik azalır. Bu nedenle refrakterlikten ziyade yük altında refrakterlik (RUL) daha önemlidir.

Porozite ve Cüruf geçirgenliği

Gözeneklilik erimiş cüruf, metal ve gazların kimyasal saldırısını etkiler. Gözeneklilikteki azalma mukavemeti ve termal iletkenliği artırır.

Güç

Refrakterin basınç yüklerine, gerilime ve kayma gerilmelerine karşı direncidir.

Daha yüksek fırınlarda, refrakter ağır bir yükü desteklemek zorundadır; bu nedenle sıcaklık ve yükün birleşik etkisi altındaki mukavemet, yani yük altında refrakterlik önemlidir.

Özgül ağırlık

Refrakterin özgül ağırlığı, bir tuğlanın ağırlığını dikkate almak için önemlidir. Daha yüksek özgül ağırlığa sahip tuğlaların maliyeti daha düşük özgül ağırlığa sahip olanlardan daha fazladır. Ancak daha yüksek özgül ağırlığa sahip tuğlaların mukavemeti daha düşük özgül ağırlığa sahip olanlardan daha fazladır.

Dökülme

Dökülme, aşağıdaki nedenlerden dolayı meydana gelebilecek refrakter tuğla kırılması ile ilgilidir:

• Ani ısıtma veya soğutma nedeniyle tuğlada oluşan sıcaklık gradyanı.
• Genişleme nedeniyle refrakter yapıda sıkışma
• Yüzey katmanı ile tuğla gövdesi arasındaki termal genleşme katsayısındaki değişim
• Yüzey tabakası ile tuğla gövdesi arasındaki termal genleşme katsayısındaki değişim, cüruf penetrasyonundan veya yapısal değişimden kaynaklanmaktadır.

Yeniden ısıtmada Kalıcı Doğrusal Değişim (PLC)

Malzemelerde, ısıtma sırasında bazı kalıcı değişiklikler meydana gelir ve bu değişiklikler aşağıdakilere bağlı olabilir

• Allotropik formda değişim
• Kimyasal reaksiyon
• Sıvı faz biçimlendirici
• Sinterleme reaksiyonları

Termal iletkenlik

Tuğlaların termal iletkenliği ısı kayıplarını belirler. Gözeneklilikteki artış ısıl iletkenliği azaltır ancak aynı zamanda mukavemeti de azaltır.

Yığın yoğunluğu

Yığın yoğunluğundaki azalma hacim stabilitesini ve ısı kapasitesini artırır.

Refrakter malzeme türleri

Bu, örneğin refrakterin kimyasal bileşimi veya refrakterin kullanımı veya üretim yöntemi veya fiziksel şekil açısından çeşitli şekillerde tartışılabilir. Aşağıda kimyasal bileşimine ve fiziksel şekline bağlı olarak belirli bir refrakter türü verilmiştir.

A) Kimyasal bileşim

Refrakterler, metalik olmayan elementler içeren tek veya çok bileşenli inorganik bileşiklerden oluşur.

Asit refrakter

Kullanılan ana hammaddeler SiO2, ZrO2 ve alüminosilikattır. Cürufun ve atmosferin asidik olduğu yerlerde kullanılırlar. Bazik koşullar altında kullanılamazlar. Tipik refrakterler ateş kili, kuvars ve silikadır.

Bazik refrakter

Kullanılan hammaddeler CaO, MgO, dolomit ve krom-magnezittir. Bazik refrakterler, ölü yanmış manyezit, dolomit, krom cevheri bileşiminden üretilir.

a) Manyezit: Krom kombinasyonları, bazik cürufun kimyasal etkisine karşı iyi bir dirence ve yüksek sıcaklıklarda mekanik mukavemete ve hacim kararlılığına sahiptir.

b) Manyezit: Değişen miktarlarda karbon içeren karbon refrakter, çelik üretim cüruflarının kimyasal saldırısına karşı mükemmel dirence sahiptir.

c) Kromit-Magnezit refrakter: BOF'un iç astarında ve ıslatma çukurlarının yan duvarlarında kullanılır. (temel refrakter)

d) Manyezit: Doğada temel refrakterdir. Manyezit tuğlalar termal stoğa dayanamaz, yüksek sıcaklıklarda mukavemetini kaybeder ve aşınmaya karşı dirençli değildir.

Nötr refrakter

Nötr refrakter hem asitlere hem de bazlara karşı kimyasal olarak kararlıdır. Al2O3, Cr2O3 ve karbondan üretilirler.

B) Fiziksel form

Genel olarak refrakter malzemeler ya tuğla ya da monolitiktir.

Şekilli refrakterler bazı standart boyutlarda tuğlalar şeklindedir. Bu refrakterler makinede preslenir ve tek tip özelliklere sahiptir. Gerekli boyutlara sahip özel şekiller elle kalıplanır ve belirli fırınlar ve ocaklar için kullanılır. Farklı türleri şunlardır:

• Ramming refrakter malzemesi, dereceli parçacık boyutuna sahip gevşek kuru formdadır. Kullanım için su ile karıştırılırlar. Islak tokmaklama kütleleri açıldıktan hemen sonra kullanılır.
• Dökülebilir refrakter malzemeler, su ile karıştırıldığında hidrolik priz özellikleri kazandıran alüminat çimentosu gibi bağlayıcılar içerir. Bu malzemeler döküm yoluyla yerleştirilir ve refrakter betonlar olarak da bilinir.
• Harçlar, su ile karıştırıldığında plastik hale gelen ince öğütülmüş refrakter malzemelerdir. Bunlar deforme olmuş bir kabuğun yarattığı boşluğu doldurmak ve cüruf girişini önlemek için duvarı gaz geçirmez hale getirmek için kullanılır. Tuğlalar bir yapı sağlamak için harçlarla birleştirilir.
• Plastik refrakterler nem geçirmez ambalajlarda paketlenir ve kullanım sırasında açılır. Plastik refrakterler korozyona karşı yüksek dirence sahiptir.

Monolitik refrakterler

Monolitik refrakterler, çelik üretimi ve diğer metal çıkarma endüstrilerinde geleneksel tuğla refrakterlerin yerini almaktadır. Monolitik refrakterler, derzsiz astar oluşturmak için kullanılabilen gevşek malzemelerdir. Monolitik astarların başlıca avantajları şunlardır

• Rende hacmi kararlılığı
• Daha iyi dökülme eğilimi
• Tuğla kaplamaya kıyasla derzin ortadan kaldırılması
• Sıcak bekleme modunda kurulabilir
• Ulaşım daha kolay

Monolitik refrakterler döküm, püskürtme vb. yöntemlerle monte edilebilir.

Tokmaklama kütleleri çoğunlukla soğuk koşullarda kullanılır, böylece istenen şekiller doğrulukla elde edilebilir.

Yalıtım malzemeleri

Yalıtım malzemelerinin rolü, yüksek sıcaklık reaktörlerindeki ısı kayıplarını en aza indirmektir. Bu malzemeler düşük ısı iletkenliğine sahipken, ısı kapasiteleri yığın yoğunluğuna ve özgül ısıya bağlıdır. Yalıtım malzemeleri yapı olarak gözeneklidir; aşırı ısı tüm yalıtım malzemelerini etkiler. Yalıtım malzemelerinin seçimi, ısı iletkenliğine karşı koyma etkinliğine ve sıcaklığa bağlı olacaktır. Isıl iletkenliği 0.028kcal m℃ olan yüksek alümina ve ısıl iletkenliği 0.04kcal m℃ olan silika vb. yalıtım malzemesi olarak kullanılan diğer malzemeler arasındadır.

Seramik lifler önemli yalıtım malzemeleridir ve erimiş silika, titanya, Zirkonya vb. malzemelerden yün, kısa lifler ve uzun lifler şeklinde üretilirler. Mükemmel yalıtım verimliliğine sahiptirler. Uzun bir ağırlığa sahiptirler.

Refrakter Malzemeleri Kimler Kullanıyor?

• Temel Oksijen Fırınları (BOF) kullanan endüstriler, yani; dökme demir
• Elektrik Ark Ocakları (EAF) kullanan endüstriler, yani; Çelik
• Pota Metalurji Ocakları (LMF) yani; Alaşımlar
• Yüksek sıcaklıklarda kontaminasyonu önlemek isteyen alüminyum üreticileri
• Hidrokarbon endüstrileri, yani petrokimyasal arıtma, yüksek sıcaklıklarda aşındırma
• Cam üreticileri, gözeneksiz refrakterlere ihtiyaç duyar/kullanır
• Seramik üreticileri, sinterleme işlemi sırasında izolasyon

Kaynaklar:

https://www.refractoriesinstitute.org/tri-pages/tri-what-are-refractories.asp

http://www.visorrefractory.com/refractory-bricks.html

https://avesis.yildiz.edu.tr/resume/downloadfile/bcicek?key=40bc70da-af56-441b-8c88-c5e62e61f7ed