چکیده

رفتار زینتر دولومیت استخراج‌شده از ناحیه سیله-اچمل در قونیه (ترکیه) مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش‌های زینتر در دماهای مختلف 1600°C، 1650°C، 1700° C و با زمان ماندگاری‌های متفاوت (2، 4 و 6 ساعت) بر روی نمونه‌هایی انجام شد که یا خالص بودند یا حاوی مقادیر مشخصی از پوسته آهن با اندازه کمتر از 45 میکرون (98.66) درصد وزنی (Fe₂O₃) بودند.

دانسیته ظاهری و تخلخل ظاهری نمونه‌های زینترشده (دولوما) اندازه‌گیری شد و تفاوت‌های حاصل از شرایط مختلف زینتر بررسی گردید.

نتایج اصلی این تحقیق عبارت‌اند از:

1. افزودن اکسید آهن موجب کاهش دمای زینتر دولومیت خام شد که به تشکیل فاز مایع نسبت داده می‌شود.
2. فازهای جدید تشکیل‌شده، اتصال خوبی با سطح گرانول‌های زینترشده ایجاد کردند، که موجب کاهش ناحیه تأثیرپذیر و افزایش مقاومت در برابر آبدیدگی شد.

در نتیجه، نشان داده شد که افزودن مقدار کمی Fe₂O₃ (به اندازه‌ای که موجب خوردگی نشود) می‌تواند فرآیند زینتر را در دماها و زمان‌های پایین‌تر انجام‌پذیر سازد. این رفتار می‌تواند استفاده از دولوماهای داخلی را تشویق کند.

واژگان کلیدی: دولومیت، دولوما، قابلیت زینتر، فاز مایع، اکسید آهن

مقدمه

دولوما (دیرگداز حاصل از دولومیت) ترکیبی از آهک (CaO) و پریکلاز (MgO) در نسبت وزنی نظری 60/40 است که پس از کلسیناسیون حاصل می‌شود. نقطه ذوب آلیاژ یوتکتیکی CaO–MgO برابر با 2370°C است.

بر اساس منابع، دولومیت مورد استفاده برای تولید صنعتی باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد:

• MgO بیشتر از 18 درصد وزنی
• نسبت CaO/MgO کمتر از 1.6
• ناخالصی‌ها (SiO₂، Fe₂O₃، Al₂O₃) بین 0.5 تا 1.5 درصد وزنی
• اندازه دانه کمتر از 0.3 میلی‌متر
• بیشترین میزان یکنواختی

ویژگی‌های فیزیکی مورد انتظار عبارتند از:

• خلوص بالاتر از 98٪
• دانسیته بالای  3 g/cm³
• تخلخل ظاهری کمتر از 8٪
• اندازه دانه بین 2 تا 20 میکرون

با توسعه صنعت فولاد، مصرف دیرگدازهای بازی (Basic refractories) افزایش یافته است. گرچه دیرگدازهای MgO و MgO-Cr در فولادسازی بیشتر از دولومیت استفاده می‌شوند، اما دولومیت به دلیل خواص متالورژیکی، قیمت پایین و پایداری حرارتی بالا مورد توجه است. در ترکیه، عمده دولومیت مصرفی وارداتی است، در حالی‌که منابع معدنی فراوانی در کشور وجود دارد.

تحقیقات نشان داده‌اند که افزودن Fe₂O₃ (مثلاً به‌صورت پوسته آسیاب) موجب بهبود زینتر دولوما در دمای بالا (بیش از 1600°C) می‌شود، اما در غلظت‌های بیش از 2٪، مقاومت آن در برابر خوردگی سرباره کاهش می‌یابد.

روش آزمایش

دولومیت استخراج‌شده از معدن قونیه برای آنالیز شیمیایی و بررسی اندازه دانه‌ها خرد و الک شد. نمونه‌ها برای آنالیز شیمیایی به اندازه ذرات زیر 74 میکرون خرد شدند. آنالیز شیمیایی در جدول زیر آمده است:

ترکیب شیمیایی دولومیت خام (درصد وزنی):

آزمایش‌های XRD نشان دادند که ماده خام حاوی بیش از 99% دولومیت است (با کسری بسیار کم از کلسیت). میانگین اندازه ذرات حدود 200 میکرون بود.

دولومیت خام پس از شستشو، خردایش و الک به محدوده 3 تا 6 میلی‌متر آماده شد. سپس سه گروه از نمونه‌ها تهیه شدند:

• نمونه خالص
• نمونه با 0.5٪ وزنی Fe₂O₃
• نمونه با 1.0٪ وزنی Fe₂O₃ (افزودنی‌ها از پوسته آهن آسیاب‌شده زیر 45μm)

تمام نمونه‌ها به‌مدت نیم‌ساعت در آسیاب شیشه‌ای مخلوط مرطوب شدند، سپس در دمای 110°C به‌مدت 2 ساعت خشک شدند و در دماهای 1600، 1650 و 1700°C برای 2، 4 و 6 ساعت زینتر شدند.

اندازه‌گیری دانسیته با روش آرکیمد انجام شد. بررسی‌های میکروسکوپی نوری و SEM برای تحلیل ریزساختار انجام گرفت. ترکیب فازهای جامد با XRD و EDS بررسی شد.

نتایج و بحث

1. چگالش (تراکم‌پذیری)

نتایج نشان داد که در دمای 1600°C، زینتر کامل رخ نمی‌دهد، اما با افزودن Fe₂O₃ دانسیته افزایش یافت. این افزایش در محدوده 0–0.5٪ Fe₂O₃ مشاهده شد، اما در غلظت‌های بالاتر کاهش پیدا کرد. در دماهای 1650°C و 1700°C، اثر افزودنی تقریباً یکسان بود. افزایش دانسیته نشان‌دهنده بهبود زینتر و کاهش دمای بهینه زینتر است.

شکل 1: منحنی‌های تراکم دولوماهای مختلف

شکل 2: تأثیر زمان خیساندن بر تراکم دولومای حاوی 0.5 درصد وزنی Fe2O3.

2. اثر زمان ماند (Soaking Time)

در دمای 1600°C، نمونه حاوی 0.5٪ Fe₂O₃ پس از 4 ساعت دانسیته 2.95 g/cm³ یافت، اما این مقدار در 6 ساعت تغییر چشمگیری نکرد. در دمای 1650°C، افزایش دانسیته سریع‌تر بود و پس از 6 ساعت به 3.17 g/cm³ رسید. ایجاد فاز مایع کافی در زمان‌های طولانی‌تر به بهبود زینتر کمک کرد، اما فاز مایع زیاد ممکن است موجب رشد ناپیوسته دانه‌های پریکلاز و در نتیجه ایجاد تخلخل بسته شود که مانع چگالش بیشتر می‌گردد.

3. فازها و ریزساختار دولوما

تحلیل فازی نشان داد که در دماهای مختلف و پس از 2 ساعت زینتر، آهک آزاد بسیار کم بود و با افزایش زمان و افزودن Fe₂O₃ ناپدید شد. این نشان‌دهنده تأثیر مثبت افزودنی در کاهش تمایل به آبدیدگی است. فازهای MgO (پریکلاز)، C₄AF (براون‌میلریت) و C₂F در نمونه‌های حاوی Fe₂O₃ بیشتر مشاهده شدند، در حالی‌که فازهای C₂S در دماهای پایین‌تر و C₃S و M₂S (فورستریت) در دماهای بالا دیده شدند.

نکته: طبق نام‌گذاری سرامیکی:

• C = CaO
• A = Al₂O₃
• F = Fe₂O₃
• M = MgO
• S = SiO₂

ریزساختار نمونه حاوی 0.5٪ Fe₂O₃ که در 1650°C برای 4 ساعت زینتر شده بود، شامل پریکلاز (خاکستری تیره)، CaO (خاکستری روشن) و فاز غالب C₄AF (سفید) بود. افزایش اندازه دانه‌های پریکلاز مقاومت به آبدیدگی را افزایش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

• افزودن مقدار کمی Fe₂O₃ (حدود 0.5٪) موجب کاهش دمای زینتر، افزایش چگالی، تسریع فرآیند و بهبود ساختار دولوما می‌شود.
• در مقادیر بالاتر، تأثیر منفی بر چگالش و مقاومت شیمیایی دارد.
• بهینه‌ترین شرایط برای زینتر، دمای 1650°C و زمان ماند 4 ساعت با افزودن 0.5٪ Fe₂O₃ است.
• این روش می‌تواند راه را برای استفاده از دولومیت داخلی در صنعت فولاد هموار کند.

منابع

[1] G. Routschka: Feuerfeste Werkstoffe 2. Auflage, Vulkan Verlag, Essen, (1987)

[2] M. O’Driscoll: Refractory Dolomite, Industrial Minerals, June, 35-43, (1998)

[3] Didier: Didier Refractory Techniques-Refractory Materials and their Properties, English

Handbook, (1982)

[4] S. Atay: Izmir Iron-Steel Coorperation Inc., Aplication of Dolomite Ladle Refractories and their

Performance, Turkish Ceramic Society Seminar, 28-29 April, Erdemir, (1994)

[5] W. Meyer, A. Franchi, G. Buchebner and M. Willingshofer: Veitsch-Radex Rundschau, 2,

(1998), p.32

[6] A. Güney: Domestic Mining Improvement Fund, Inventory of Turkish Dolomite, Assosiation of

Istanbul Mine Experters, Istanbul, (1999)

[7] E.J. Koval, G.L. Messing and R.C. Bradt: Ceramic Bulletin, 63(2), (1984), p.274

[8] J.H. Chesters: Refractories: Production and Properties, Iron and Steel Institute, London, (1973)

[9] K.K. Kappmeyer: The Importance of Microstructural Considerations in the Performance of

Steel Plant Refractories, Ed. Fulrath and Pask, Chapter 23, Robert Krieger Publishing

Company, New York, (1998)

[10] J.B. Baldo and R.C. Bradt: J.Am.Ceram.Soc., 71 (9), (1988), p.720

[11] H.A. Yeprem: Characterisation of Sintering of a Local Dolomite for Prodution of Dolomite

Refractory, PhD Thesis, Yıldız Technical University, Turkey, (2003)

[12] A.B. Searle and R.W. Grimshaw: The Chemistry and Physics of Clays and Other

Ceramic Materials, 3. Edition, Ernest Benn Limited, London, (1960)

[13] J.White: High Temperature Oxides, ed. A.M. Alper, Part I: Magnesia, Lime and

Chrome Refractories, Academic Press, New York and London, (1970)

پیوست :

Fe2O3 Additions on Sinterability of Konya Dolomite