Επίδραση των συνθηκών παραγωγής στις ιδιότητες πυρίμαχων υλικών

Abstract

Aiming to the design of refractory products structural, mechanical, and thermal properties were investigated. The selected raw materials were Greek bauxite and chamotte, which is a recycled refractory aluminosilicate material. Three different materials were investigated after mixing both raw materials with an aluminate cement and also bauxite with a phenol formaldehyde resin. Different production conditions and raw materials characteristics were selected (bonding material’s content, raw material’s particle size, molding pressure and firing temperature). After data analysis, mathematical models were obtained for the prediction of all materials’ properties. Regarding the structural properties, true density was found to be dependent only by the raw material. The refractories produced using bauxite exhibited higher density due to faster sintering that occurs during firing, due to their higher content in alumina (Al2O3). In addition, it has been observed that an increase in all production conditions has led to an increase in apparent density and thus a reduction in porosity, with the exception of chamotte’s grain size that did not seem to affect specimens’ density. For the study of mechanical properties an appropriate mathematical model was fitted to the experimental data, containing parameters with physical meaning: maximum stress, maximum strain, modulus of elasticity and viscoelastic parameter. Simple mathematical models were developed to correlate those parameters to the production conditions and raw materials’ characteristics. After data processing it was noticed that when increasing molding pressure, maximum stress and maximum strain increased, while the viscoelastic parameter did not seem to be independent of this change. Firing temperature significantly affects mechanical properties and it caused their increment. Higher bonding agent concentration led to higher compressive strength, while, increased raw materials’ grain size leads to samples with lower elasticity parameter. The examination of thermal properties was performed using thermogravimetry and differential scanning calorimetry, where a small mass loss was recorded. In addition, loss on ignition of the raw materials, as well as water absorption capacity of the different refractories was evaluated. Finally, after thermal shock tests chamotte refractories showed increased resistance in quenching, while bauxitic, cement-bonded refractories presented imperfections after a short number of intervals.

Με στόχο το σχεδιασμό κατάλληλων πυρίμαχων προϊόντων επιλέχθηκε η μελέτη δομικών, μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων, καθώς και η αντοχή σε θερμικό αιφνιδιασμό. Οι πρώτες ύλες που μελετήθηκαν ήταν ελληνικός βωξίτης και σαμμότ, το οποίο αποτελεί μία ανακυκλωμένη πρώτη ύλη αργιλοπυριτικών πυρίμαχων. Έτσι, τα υλικά που εξετάσθηκαν προέκυψαν από την ανάμιξη των δύο πρώτων υλών με αλουμινούχο συνδέτη αλλά και της βωξιτικής πρώτης ύλης με ρητίνη φαινόλης-φορμαλδεΰδης. Επομένως, κρίθηκε αναγκαίο να μελετηθούν διαφορετικές συνθήκες παραγωγής και χαρακτηριστικά των πρώτων υλών και συγκεκριμένα η περιεκτικότητα σε συνδέτη, η κοκκομετρία της πρώτης ύλης, η πίεση μορφοποίησης και η θερμοκρασία έψησης.Μετά την ολοκλήρωση των πειραματικών μετρήσεων ακολούθησε επεξεργασία και προέκυψαν μαθηματικά πρότυπα πρόβλεψης των ιδιοτήτων. Η πραγματική πυκνότητα βρέθηκε ότι εξαρτάται μόνο από το είδος της πρώτης ύλης. Τα βωξιτικά υλικά εμφανίζουν μεγαλύτερη πυκνότητα λόγω της ταχύτερης πυροσυσσωμάτωσης κατά την έψηση. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι αύξηση όλων των παραμέτρων οδηγεί σε αύξηση της φαινόμενης πυκνότητας και μείωση του πορώδους, με εξαίρεση την κοκκομετρία της πρώτης ύλης του σαμμότ, όπου φαίνεται ότι δεν επηρεάζει την πυκνότητα των πυρίμαχων. Για τη μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων χρησιμοποιήθηκε κατάλληλο μαθηματικό πρότυπο και υπολογίστηκαν η μέγιστη τάση και παραμόρφωση, το μέτρο ελαστικότητας και ο ιξωδοελαστικός παράγοντας. Στη συνέχεια, προσαρμόστηκαν μαθηματικά πρότυπα, τα οποία συσχετίζουν τα προαναφερθέντα μεγέθη με τις συνθήκες της διεργασίας. Έτσι, προέκυψε ότι αυξημένη πίεση μορφοποίησης, αυξάνει τόσο τη μέγιστη τάση όσο και τη μέγιστη παραμόρφωση, ενώ δεν επηρεάζει τον ιξωδοελαστικό παράγοντα. Η θερμοκρασία έψησης βρέθηκε ότι παρουσιάζει τη μεγαλύτερη επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες και συγκεκριμένα προκαλεί την αύξησή τους. Επίσης, μεγάλο ποσοστό συνδέτη οδηγεί σε μεγαλύτερη αντοχή σε θραύση, λόγω ανάπτυξης ισχυρότερων δυνάμεων συνοχής, ενώ τα δείγματα που έχουν παρασκευασθεί με χρήση αυξημένης κοκκομετρίας εμφανίζουν μειωμένο μέτρο ελαστικότητας. Επίσης, πραγματοποιήθηκε θερμική ανάλυση με χρήση θερμοζυγού και διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης, όπου παρατηρήθηκε μικρή μεταβολή της μάζας του δείγματος. Τέλος, κατά την πραγματοποίηση των δοκιμών του θερμικού αιφνιδιασμού παρατηρήθηκε ότι τα πυρίμαχα από σαμμότ εμφανίζουν υψηλή αντοχή σε θερμικό αιφνιδιασμό, ενώ τα βωξιτικά πυρίμαχα με αλουμινούχο συνδέτη παρουσιάζουν ατέλειες σε μικρό αριθμό θερμικών κύκλων.