Geri Dön

Effects of particle granulation optimisation and new binder development on properties of alumina based castable refractories

Tane boyut dağılımı optimizasyonunun ve yeni bağlayıcı geliştirilmesinin alümina esaslı dökülebilir refrakterlerin özelliklerine etkileri

PDF İndir

  1. Tez No: 510832
  2. Yazar: MELİS OKTAY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER SERDAR ÖZGEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 155

Özet

Refrakter malzemeler, yüksek sıcaklık gerektiren endüstriyel süreçlerde yer alan fırın, ekipman veya ünitelerin mekanik, termal ve kimyasal etkilere karşı korunmasını sağlamaktadır. Demir-çelik, refrakter tüketiminin en fazla olduğu endüstri kollarından biridir. Bu endüstrideki gelişmelere paralel olarak, ihtiyaç duyulan refrakterlerin kalitelerinin gelişmesi kaçınılmaz olmaktadır. Bu nedenle sağladığı bir çok avantajdan dolayı dökülebilir refrakter kullanımı son yıllarda hızla artmıştır. Dökülebilir refrakterlerde genel olarak iri ve ince refrakter agregalar, bağlayıcı, dispersan ve diğer ilaveler bulunmaktadır. Partikül boyut dağılımı dökülebilir refrakterler için önemli bir parametredir. Çünkü partikül boyut dağılımı dökülebilir refrakterin hem üretim yöntemini belirlemekte, hem de gözenek, gözenek boyut dağılımı ve yoğunluk gibi yapısal özellikleri istenen seviyelere getirmektedir. Böylece kullanım yerinde arzu edilen mekanik, termo mekanik ve korozyon özellikleri sağlanmaktadır. Servis koşulları ve uygulamalara bağlı olarak farklı çeşitte hammaddeler içeren, düşük çimentolu, çok düşük çimentolu ve çimentosuz dökülebilirler kullanılmaktadır. Dökülebilir refrakterlerin üretiminde bağlayıcı olarak genellikle çimento kullanılmaktadır. Çimento bileşimindeki CaO, refrakterin yüksek sıcaklık özelliklerini olumsuz yönde etkilemektedir. CaO, dökülebilir refrakterin özellikle yüksek sıcaklıktaki korozyon direncini önemli ölçüde zayıflatmaktadır. Refrakterde kullanılan çimento oranının azaltılması düşük sıcaklıkta ergiyen fazların miktarını ve su ihtiyacını düşürmekte ve böylece dökülebilir refrakterin fiziksel ve mekanik özelliklerini geliştirmektedir. Çimento yerine bağlayıcı faz oluşturacak yeni bağlayıcı cinslerinin geliştirilmesi üzerine çalışmalar sürdürülmektedir. Çimento oranının azalması veya CaO içermeyen bağlayıcı sistemlerinin kullanılmasıyla düşük sıcaklıkta ergiyen fazların miktarı ve su ihtiyacı düşürülmekte ve böylece malzemelerin fiziksel, mekanik ve termo mekanik özelliklerinde gelişmeler sağlanmaktadır. Bu çalışmada, çelik pota metalurjisinde kullanılan yüksek alüminalı düşük çimentolu dökülebilir refrakterlerde partikül boyut dağılımının fiziksel, mekanik, termal ve cüruf korozyonu özelliklerine etkisi sistematik ve kapsamlı olarak incelenmiştir. İlk aşamada, ele alınan tabular alümina esaslı referans reçetenin tane boyut dağılımını (q=0.31) kapsayan geniş bir partikül boyut dağılımında iki uç değer seçilmiş (q=0.40 ve q=0.22) ve vibrasyon altında dökümü yapılan bu karışımların görünür gözeneklilik, yığın yoğunluğu, soğuk basma mukavemeti, elastisite modülü, üç nokta eğme mukavemeti testleri yapılmıştır. Refrakterlerde tane boyut dağılım parametresinin artması yapıdaki iri tane oranını arttırdığından, 1500°C de sinterlenmiş numunelerin görünür porozite değerleri %15' ten %17.7' ye yükselmiştir. Numunelerin kompozisyonlarındaki iri tane oranının artmasıyla soğuk basma mukavemeti, elastisite modülü ve eğme mukavemetleri 1500°C pişirme sıcaklığı için azalırken, 1000°C için ise yeterli sinterlenme gerçekleşmemesi nedeniyle 1500°C'deki değerlere göre düşük değerler elde edilmiştir. Refrakterlerin kullanım yerindeki davranışı açısından incelenmesi gereken kalıcı boyut değişimleri, numunelerdeki iri tane oranının artmasıyla azalmıştır. Belirlenen genleşmeler yapıda CA6 fazının oluşmasıyla açıklanmıştır. Suda soğutma metodu uygulanarak yapılan termal şok testleri ile her 5, 10, 15, 20, 25, 30 çevrim sonunda belirlenen mukavemet değişimleri, yapıda artan iri tane oranıyla birlikte azalmıştır. Bu durum, gözeneklilik oranı arttıkça malzemenin termal şok direncinin arttığını göstermiştir. Refrakterlerin termal şok hasar direnç parametreleri (R''') elde edilen eğme mukavemeti ve elastisite modülü değerleri kullanılarak hesaplanmıştır. Bileşiminde iri tane miktarı artan numuneler için, hesaplanan R''' parametresi değerleri de artmıştır. Teorik sonuçlar yapılan termal şok deneyleriyle uyumlu çıkmıştır. Mikroyapı çalışmalarıyla yapıda termal şoktan kaynaklanan gerilmeler nedeniyle meydana gelen çatlak oluşumları incelenmiştir. Sonuçlar dökülebilir refrakterlerde kırılmanın çatlağın izlediği yol üzerindeki tane boyutu ve oryantasyonu ile ilişkili olarak intergranüler ve transgranüler karakterde olduğunu ortaya koymuştur. Arzu edilen mekanik ve termal özelliklerin elde edilmesi sonucunda optimum tane boyut dağılımına sahip q=0.35 reçetesi tasarlanmıştır. Bu bağlamda, refrakterin fiziksel, mekanik ve termal özelliklerini belirlemek amacıyla daha önce yapılan testler tekrarlanmıştır. Referans (q=0.31) numuneler %16.4 poroziteye sahip iken, yeni tasarımın (q=0.35) porozitesi ise %17.7 olarak saptanmıştır. 1500°C ' de sinterlenen numunelerin soğuk basma mukavemeti, elastisite modülü ve eğme mukavemeti değerlerinde de gözenek oranının artması sebebiyle azalma meydana gelmiştir. Termal şok testleri ise, q=0.35 reçetesi kullanılarak üretilen numunelerde termal şok sonrası mukavemet kayıplarının hedeflendiği gibi düşük olduğunu ortaya koymuştur. Bunun nedeni de yine iri tane oranının karışım içinde artmasından bir başka deyişle refrakterin gözenek oranının artmasından kaynaklanmıştır. Karışımda iri/ince tane oranlarındaki değişimin cüruf korozyon direncine etkileri de araştırılmıştır. Bu amaçla 1500°C' de 2 saat ile 1580°C' de 2 ve 4 saat süre ile çelik pota cürufu kullanılarak çimento içeren q=0.31 ve q=0.35 numunelerine statik cüruf pota korozyon testleri uygulanmıştır. Korozyon alan hesaplamaları ve mikroyapı incelemeleri sonucunda, q=0.35 numunelerinde cüruf korozyon hasarının arttığı belirlenmiştir. Tane boyut dağılımı parametresi arttıkça termo mekanik özellikler gelişirken, cüruf korozyon direncinde bir gelişme sağlanamamıştır. Çalışmanın bu safhasında, çimento içeren optimum reçeteyle üretilen refrakterin mekanik özelliklerini ve cüruf korozyon direncini arttırmak amacına yönelik yeni bağlayıcı geliştirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Optimum tane boyut dağılımına (q=0.35) sahip reçeteden %7 çimento ve %6 oranındaki reaktif alüminanın çıkarılarak yerine geliştirilen yeni bağlayıcılar farklı oranlarda karışım içerisinde denenmiştir. Yapılan denemeler görünür gözeneklilik, yoğunluk ve soğuk basma mukavemetlerinin kıyaslanmasıyla sürdürülmüştür. Yeni bağlayıcı sistemi ile oluşturulan dökülebilir refrakterlerin döküm özellikleri, görünür porozite ve mukavemet özellikleri değerlendirilerek kullanılacak bağlayıcı cins ve miktarı için optimum bir bağlayıcı formülasyonu %10 RM16 + %3 ULM11 olarak belirlenmiştir. Belirlenen bu oran ile deneysel çalışmalara devam edilmiş, termal şok direnci ve cüruf korozyon testleri bu reçeteyle üretilmiş numuneler üzerinden yapılmıştır. Kıyaslamalar çimento içeren ve çimento içermeyen her ikisi de q=0.35 tane boyut dağılımına sahip numunelere de uygulanmıştır. Numunelerin kurutma sonrası görünür porozite değerleri aynı seviyede olduğu tespit edilmiştir. 1500°C sinterlenme sıcaklığında elde edilen porozite değerleri, çimento içeren refrakter için %17.7 iken, çimento içermeyen refrakterde %12.2 olarak bulunmuştur. Bu durum beklenildiği üzere soğuk basma mukavemeti, elastisite modulu ve eğme mukavemetlerinde artışa neden olmuştur. Yeni bağlayıcı sistemi içeren refrakterde azalan gözeneklilik nedeniyle mekanik özellikler gelişmiştir. Bu durum, değişen matris ve yüksek sıcaklıkta oluşan bağlayıcı bileşiminden gelen magnezyum alüminat oluşumu ile ilişkilendirilmiş, yapılan faz analizleriyle de desteklenmiştir. Çimento içermeyen dökülebilir refrakterin termal genleşme davranışı ele alındığında ise, çimento içeren refrakterde görülen kalsiyum alüminat fazlarına ait hidratasyon reaksiyonları ile oluşan genleşme yerine farklı faz oluşumlarının etkisiyle büzülme gösterdiği tespit edilmiştir. Yeni bağlayıcı formülasyonu kullanılarak üretilen refrakter numunelere 30 çevrime kadar termal şok testleri uygulanmıştır. Her 5, 10, 15, 20, 25 ve 30 çevrim sonunda belirlenen mukavemet değişimleri çimento içeren optimum refrakter numunelerine göre daha fazla çıkmıştır. Ölçülen görünür çatlak boyları ise çimento içeren optimum reçeteye sahip refrakter numuneleriyle neredeyse aynı seviyede bulunmuştur. Refrakterlerin kullanım yerinde maruz kaldığı cüruf atağına karşı etkileri aynı sıcaklık ve süre koşullarında statik cüruf pota korozyon testi yapılarak incelenmiştir. Korozyon testleri sonrasında cüruf-refrakter etkileşimleri, ilk olarak görsel incelemelerle karşılaştırılmıştır. Çimento içermeyen numunelerin korozyon hasar alanlarında önemli ölçüde azalma sağlanmıştır. Çizgisel, noktasal ve haritalama EDS analizi yapılarak cüruf, cüruf-refrakter arayüzeyi ve refrakter bölgelerindeki Al, Ca, Si ve Mg elementlerinin dağılımları incelenmiştir. Çimento içeren refrakterde cüruf-refrakter arayüzey bölgesinin çimento içermeyen refraktere göre daha geniş olduğu ve cüruftan Ca ve Si elementlerinin refraktere doğru difüzlendiği belirlenmiştir. Ayrıca arayüzeyde oluşan çatlakların kalsiyum alüminat fazlarından kaynaklandığı düşünülmüştür. Çimento içermeyen refrakterde ise reftakter cüruftan Ca absorbe etmekte ve oluşan kalsiyum alüminat fazları az miktarda olduğundan arayüzeyde çatlak oluşumuna sebebiyet vermemiştir. Bağlayıcı bileşiminden gelen magnezyum ile refrakter bileşimindeki alümina birleşerek yüksek sıcaklıklarda meydana gelen magnezyum alüminat fazı cürufun refraktere penetrasyonunu belirgin bir şekilde azaltmıştır. Çimento içeren dökülebilir refrakterlerde çimento yerine bu tez çalışması kapsamında yeni geliştirilen bağlayıcı formülasyonunun kullanılmasıyla üretilen alümina esaslı dökülebilir refrakterin yapısında oluşan farklı fazlar sonucu değişen matris yapısı ve düşük gözeneklilik oranının birlikte etkisi, cüruf ve refrakter arasındaki kimyasal reaksiyonu sınırlandırmıştır. Böylece çimento bağlayıcı içeren refraktere göre hem cüruf korozyon direncinde hem de mukavemet özelliklerinde gelişme sağlanmıştır.

Özet (Çeviri)

The particle size distribution of the aggregates in castable refractories is of prime importance for the determination of the mechanical and thermo mechanical properties of these materials. The study involves the development of particle granulation of a reference castable composition with the aim of improving the mechanical properties and particularly the thermal shock and slag corrosion resistances. Various castable formulations were prepared using a range of tabular and reactive alumina powders with nine different particle size fractions. Four different castable compositions, having the modified Andreasen's distribution coefficient (q) values of 0.22, 0.31, 0.35, and 0.40, were designed. The progress of experimental series was systematically developed towards the optimisation of obtained results. Rheological behaviour of these castable mixtures were examined. Shaped green specimens were produced with vibration casting which were subsequently dried at 110°C and fired at 1000°C and 1500°C. The main physical and mechanical properties of the castables were determined together with their microstructural and phase analyses. Thermal shock tests were applied to the sintered specimens. Fracture behaviour of different formulations based on the q values were determined. Optical examinations on fractured surfaces of the specimens were performed. The results were evaluated in a manner towards reaching the ideal formulation and it was determined as q=0.35, considering properties of the reference castable having q=0.31 value. The study showed that a sensitive and systematic approach to granulation and particle size distribution development is essential for attaining the desired mechanical and thermo mechanical properties of alumina based castable refractories. Recent studies on castable refractories involve development of formulations to increase the mechanical properties and slag corrosion resistance of these materials. These research works involve adjustments of particle size distributions and also development of new additive systems. One of the main drawbacks in the formulation of the castables is the presence of a cement phase, which has negative impacts on the above properties. This thesis work also targeted the application of a recently developed binder system to replace the cement phase. Cement-free alumina based castable refractory materials were developed using three different binders and their effects on mechanical properties and slag corrosion were investigated. Six cement-free compositions were designed based on a cement containing castable with optimum q-value as 0.35 formulation. Rheological behaviour of these castable mixtures were also examined. Shaped cement free green specimens cast under vibration were dried at 110°C, fired at 1000°C and 1500°C. The main physical and mechanical properties of these castables were determined together with microstructural and phase analyses. Also, thermal shock resistance of these sintered specimens was investigated and thermal shock damage of the cement containing and cement-free castables were compared. The best combination of the binders in the formulation, resulting improved casting behavior, and high green/cold compression strengths was determined. Slag corrosion tests for these castables were carried out by the standard crucible method using a commercial steel ladle slag. The extent of slag diffusion and corrosion behavior was studied to select the optimum performing formulation. Cement containing castable with q =0.35 showed better mechanical and thermal shock properties than the reference castable with q=0.31 but slag corrosion resistance was low. Manufacturing cement free castable with q=0.35 by using the new developed binder formulation resulted in low porosity and spinel phase formation in the matrix. This combined effects enhanced the mechanical and thermo mechanical properties, and increased the castable's slag corrosion resistance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    601621

    Kalite bakışı ile ilaç üretim proseslerinin iyileştirilmesi ve etkin madde partikül boyutunun bitmiş ürün çözünme hızına etkisi

    Pharmaceutical manufacturing process improvement with quality focus and effect of api particle size on the finish product dissolution rate

    RAMAZAN BAKAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜSEYİN DEVECİ

  2. Tez No

    389411

    Püskürtmeli kurutma yöntemi ile PVA katkılı TiO2 tozlarının granülasyonu ve sinterlenmiş numunelerin karakterizasyonu

    Optimization of processing parameters of TiO2 based ceramics by sprey drying

    CELAL AVCIOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Seramik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURAK ÖZKAL

  3. Tez No

    251997

    Püskürtmeli kurutma tekniği ile ZnO-PVA tozlarının hazırlanması ve bu tozların yüksek sıcaklık davranışlarının etüdü

    Preparation of ZnO-PVA composite powders with spray drying technique and study of high temperature behaviour of these powders

    ŞEYMA DUMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Seramik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BURAK ÖZKAL

  4. Tez No

    75301

    Çok düşük karbonlu çeliklerin sac şekillendirilebilirliği

    Başlık çevirisi yok

    M.BİNNAZ AKSAKAL KUNAÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET DEMİRKOL

  5. Tez No

    124074

    Guar zamkı kullanılarak hazırlanan kolona özgü ilaç şekilleri üzerine çalışmalar

    Studies on colon specific delivery systems preparad with guar gum

    ARMAĞAN CELKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Eczacılık ve FarmakolojiGazi Üniversitesi

    Farmasötik Toksikoloji Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. FÜSUN ACARTÜRK

Geri Dön