المواد الخزفية الصناعية المقاومة للحرارة

تلعب المواد الخزفية المقاومة للحرارة دورًا أساسيًا في معظم (إن لم يكن جميع) صناعات المعالجة عالية الحرارة. فهي تتميز بمقاومة حرارية فائقة وعمر افتراضي طويل. وتستفيد العديد من القطاعات الآن من قدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية دون تشوه أو تليين. وبالتالي، تربط الصناعات بين تقنيات المعالجة المتقدمة والمواد الجديدة، وهو أمر بالغ الأهمية في ابتكار حلول تصنيع قابلة للتطوير.

تتناول هذه المقالة كل شيء عن هذه المواد المستقبلية، بما في ذلك دورها الأساسي في القطاعات الاقتصادية المختلفة.

دعونا نبدأ بالأساسيات!

ما هي المادة السيراميكية المقاومة للحرارة؟

كلمة "سيراميك" مشتقة من الكلمة اليونانية القديمة "كيراموس" وتعني الأشياء المحروقة. تشير "كيراموس" إلى المواد المصنوعة من مواد طبيعية صمدت أمام درجات حرارة عالية. أما السيراميك، فهو يُستخدم الآن على نطاق واسع لوصف المواد غير العضوية وغير المعدنية المستخدمة أو المعالجة في درجات حرارة عالية.

في جوهرها، تتميز المواد المقاومة للحرارة بصلابة ومرونة ونقاء عاليين في درجات الحرارة العالية جدًا. تُستخدم لاحتواء الحرارة أو نقلها. كما يمكن استخدامها للحماية من العمليات والتفاعلات الكيميائية عالية الحرارة.

يتم استغلال قدرة المواد الحرارية على البقاء خاملة كيميائيًا في مثل هذه العمليات ومستقرة ميكانيكيًا في تصنيع المعادن السائلة والسبائك.

في معالجة الزجاج، تحتوي المواد المقاومة للحرارة على الحرارة وتحمي المنتج الزجاجي من التلوث الكيميائي. تستخدمها شركات تصنيع الأسمنت لحماية مصانع الصلب من الحرارة والتفاعلات الكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام المنتجات المقاومة للحرارة لنقل الحرارة في أفران الصهر.

تتميز المواد المقاومة للحرارة عادةً بقدرتها على تحمل البيئات الغازية عالية الحرارة، مما يُسهّل تصنيع منتجات أخرى. ويمكن أن تكون مسامية أو غير مسامية. وحسب درجة تبلورها، تُصنّف السيراميكات المقاومة للحرارة إلى مُركّبة، أو غير متبلورة، أو بلورية، أو متعددة التبلور.

يُجري الكيميائيون والفيزيائيون تعديلات على عناصر مثل الزركونيوم والسيليكون والمغنيسيوم والبورون والكالسيوم لتلبية احتياجات صناعية مختلفة. تُدمج هذه العناصر مع الكربيدات أو الأكاسيد أو النتريدات لتكوين مواد عالية المقاومة، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للحرارة.

على سبيل المثال، أكسيد الزركونيوم (الزركونيا) و كربيد السيليكون مادتان حراريتان عاليتا الجودة، تحافظان على صلابتهما في درجات حرارة عالية جدًا. المركبات الثنائية، مثل نتريد البورون وكربيد التنغستن وكربيد الهافنيوم، شديدة المقاومة للحرارة، حيث تبلغ درجة انصهار الأخير 3890 درجة مئوية.

بعض هذه المركبات يتحمل درجات حرارة عالية، لكنها قد تحترق عند تعرضها لأجواء الأكسجين. بعضها الآخر، مثل ثنائي سيليكون الموليبدينوم، مناسب للاستخدام كعناصر تسخين، بينما يُستخدم بعضها الآخر كمواد تبطين مقاومة للحرارة.

عملية تصنيع السيراميك المقاوم للحرارة

بشكل عام، يجب أن تتحمل المواد المقاومة للحرارة درجات حرارة عالية لا تقل عن 538 درجة مئوية (1000 درجة فهرنهايت). ويجب أن تُظهر قوة ميكانيكية عالية تتميز بمقاومة عالية للتآكل. وللتأقلم مع الأجواء شديدة التآكل، يجب أن تكون مقاومة للمواد الكيميائية حتى في درجات الحرارة العالية. بهذه الطريقة، توفر حماية فعّالة لمعدات التصنيع وتبطينًا للأسطح.

تُصنع هذه المواد في ظروف قاسية. يُستخدم الطين الحراري، الذي يتكون من ما يصل إلى 87.5% من الألومينا وسيليكات الألومنيوم المائية، في تشكيل مواد طينية مقاومة للحرارة. ونظرًا لتنوع احتياجات الصناعة، يمكن استخدام معادن طينية مختلفة مثل الطين الكروي، والطين الشائع، والبنتونيت، والكاولين.

حتى 87% من الألومينايتم استخدام الكروميت والمغنيسيوم وكربيد السيليكون والسيليكا وغيرها من المواد غير الطينية بما في ذلك الزركون لإنتاج مواد حرارية غير طينية.

تتراوح منتجات السيراميك المقاومة للحرارة بين الطوب الحراري التقليدي عالي الحرارة، والطوب الحراري الأحادي الأكياس، والمنتجات الحديثة المتطورة والمعقدة المعالجة بالحرق النهائي. تشمل مكونات المعالجة بالحرق النهائي الحديثة أفران قضبان المقاومة، وأفران الحث بالقنوات، والأفران بدون قلب، والأفران العاكسة، والأفران ذات الأشكال التصادمية، وغيرها.

تُشكّل المكونات المُشكّلة مسبقًا، والتي تُسمى الطوب والأشكال، بلاط أرضيات وجدرانًا وأقواسًا ممتازة لمختلف المعدات عالية الحرارة. تُشكّل المكونات غير المُشكّلة هياكل داخلية متجانسة. وتشمل هذه المكونات ملاط الطوب الحراري، والمواد المصبوبة، والبلاستيك، وخلطات الصب، وغيرها.

عمليات تصنيع المواد المقاومة للحرارة

كما ذكرنا سابقًا، يُستخدم السيراميك الصناعي في جميع العمليات عالية الحرارة. على سبيل المثال، تستخدم المركبات أنواعًا مختلفة من المواد، مثل البلاستيك والزجاج والفولاذ، وجميعها تُصنع في درجات حرارة عالية. يُصنع الفولاذ من الحديد باستخدام عمليات خاصة، حيث يُصهر في بوتقة عند درجات حرارة تزيد عن 2000 درجة مئوية.

تُبطَّن البطانة الداخلية لبوتقة التسخين بمواد سيراميكية لمنع ذوبانها أو تلفها السريع. إليك كيفية تصنيع هذه المنتجات الرائعة:

1معالجة المواد الخام

تتضمن هذه الخطوة تحضير المواد الخام لضمان وصولها إلى الحجم والشكل والكمية المطلوبة. تُسحق المواد الخام وتُطحن قبل التكليس والتجفيف. وحسب رغبة العميل، قد تُخلط المواد الخام جافةً مع المركبات الكيميائية والمعادن قبل التعبئة والشحن، مما يُسهّل الخطوات اللاحقة.

2تشكيل

أحيانًا تُباع المواد الخام كمنتجات منفصلة، وليست مُخلوطة مسبقًا. ويتم ذلك عندما يخلطها المُصنِّع، جافةً كانت أم رطبةً.

3إطلاق النار

تتضمن هذه الخطوة تعريض المادة لدرجات حرارة عالية في فرن النفق لتكوين روابط سيراميكية قوية تُميز المواد المقاومة للحرارة. ثم تُنقل المادة السائبة إلى مادة رابطة قبل تشكيلها.

4المعالجة النهائية

تخضع المادة للتمدد الحراري، وبعد ذلك تُطحن وتُصقل وتُنفث بالرمل للحصول على الحجم والشكل المثاليين. وحسب احتياجات الصناعة، قد يُشَرَّب المنتج النهائي بالقطران والزفت قبل التعبئة.

أنواع المواد المقاومة للحرارة

أكثر أنواع المواد الحرارية الخزفية شيوعًا هي المواد المتجانسة، طين النار، عالية الألومينا، الزركونيا، الكروميت، المغنسيت، والسيليكا. ومع ذلك، يعتمد تصنيفها على تركيبها الكيميائي، وطريقة تصنيعها، ودرجة حرارة انصهارها:

1التركيب الكيميائي

تتكون السيراميكات المقاومة للحرارة ضمن هذه الفئة من مركبات مكونة إما من مكون واحد أو متعدد المكونات مع عناصر غير عضوية وغير معدنية.

• المواد المقاومة للأحماض: يُستخدم في الأجواء الحمضية والخبثية. المواد الأساسية المستخدمة هي السيليكا والزركونيا وسيليكا الألومينا. تشمل المواد الحرارية الرئيسية الطين الناري، كوارتز، والسيليكا.

• المواد المقاومة للحرارة الأساسية: يُستخدم في البيئات القاعدية غير الحمضية. المواد الخام المستخدمة هي أكسيد المغنيسيوم (MgO)، وأكسيد الكالسيوم (CaO)، وكروم المغنسيت، والدولوميت. المواد النموذجية تجمع بين عناصر المغنسيت المحروق، وخامات الكروم، والدولوميت.

• المواد المقاومة للحرارة المحايدة: يُستخدم في بيئات غير قاعدية وغير حمضية. تشمل المواد الخام أكاسيد الألومنيوم والكروم (Al2O3 وCr2O3).

• مواد الزركونيا المقاومة للحرارة: أكسيد الزركونيوم (ZrO2) هو المادة الخام الرئيسية، ويتميز بتحمل درجات الحرارة العالية، وثبات الحجم، وقدرته العالية على مقاومة الحرارة.

2طريقة التصنيع

• المواد الحرارية المحروقة: هذه سيراميكيات صناعية تُصنع باستخدام مواد خام مسحوقة أو حبيبية تُصبّ وتُعجن وتُجفف، ثم تُحرق في درجات حرارة عالية جدًا. ومن الأمثلة على ذلك الطوب عالي الألومينا والسيليكا والطين الناري.

• المواد الحرارية غير المحروقة: استخدم المواد المقاومة للحرارة الحبيبية والمسحوقة مباشرة دون حرقها.

• المواد الحرارية الوظيفية: هذه مواد سيراميكية تُستخدم فيها مواد خام مسحوقة أو حبيبية لتلبية متطلبات محددة من حيث الشكل والصهر. ويمكن حرقها أو عدم حرقها.

• المواد الحرارية المتجانسة: يمكن أن تكون المواد الخام حبيبية أو مسحوقة، ولا تُحرق في درجات حرارة عالية جدًا. كما تُستخدم المواد الخام مباشرةً بعد الخلط والشوي.

3درجة حرارة الاندماج

• المواد الحرارية العادية: تتراوح درجة حرارة الانصهار بين 1580 و1780 درجة مئوية. مثال: طين النار

• المواد عالية المقاومة للحرارة: تتراوح درجة حرارة الانصهار بين ١٧٨٠ و٢٠٠٠ درجة مئوية. مثال: الكروميت

• المواد شديدة المقاومة للحرارة: درجة حرارة انصهارها أعلى من ٢٠٠٠ درجة مئوية. مثال: الزركونيا

الأسئلة الشائعة حول المواد الحرارية الخزفية

1ما هي الخصائص الأكثر مرغوبية للمواد المقاومة للحرارة؟

يجب أن تتمتع المادة المقاومة للحرارة بمقاومة حرارية عالية لتحمل درجات الحرارة العالية ومقاومة الأكسدة العالية والهجمات الكيميائية.

2هل المواد الخزفية المقاومة للحرارة موصلات كهربائية جيدة؟

المواد الحرارية النموذجية تقاوم أو تمنع تدفق التيارات الكهربائية عبرها. ولذلك، تُستخدم كعوازل حرارية وكهربائية جيدة. ومع ذلك، فإن بعض المواد، مثل كربيد السيليكون وكربيد البورون وتحت أكسيد التيتانيوم، موصلة للكهرباء.

3هل يمكن أن يتشوه الطين عند درجات حرارة عالية عند إطلاقه؟

نعم. يتطلب الطين درجات حرارة متوسطة إلى منخفضة أثناء حرقه في الفرن. وإلا، فقد يتشوه أو يذوب، مما يؤدي إلى تسرب التزجيج. في حال حرقه بدرجات حرارة أقل من المطلوبة، قد يصبح المنتج جافًا ولينًا جدًا للاستخدام.

4ما هي مدة صلاحية المواد المقاومة للحرارة عند الاستخدام؟

هذا يعتمد على نوع الصناعة المستخدمة فيها المادة. على سبيل المثال، يمكن لصناعات تصنيع الزجاج استخدام مادة سيراميكية لمدة تصل إلى عشر سنوات. بينما قد تحتاج شركات الصلب إلى استبدال بطانات أسطحها كل بضعة أسابيع.

5ما هي مكونات الطين المقاوم للحرارة؟

المواد الخام الرئيسية للطين المقاوم للحريق هي الألومينا والسيليكا. تُخلط هذه المركبات مع إضافات ومكونات أخرى تعزز مقاومتها للحريق.

6هل يمكن إعادة تدوير المواد الحرارية المستخدمة في البوتقة؟

نعم. يمكن إعادة استخدام المواد الخزفية المقاومة للحرارة التي تعرضت لحرارة شديدة لتبطين الأسطح أو غيرها من الاحتياجات الصناعية.

7ما هي التطبيقات الصناعية للمواد السيراميكية؟

تُستخدم السيراميكات المقاومة للحرارة في صناعات تصنيع الزجاج والبلاستيك والصلب والمعادن وأفران الصهر وشركات التصنيع ذات درجات الحرارة العالية الأخرى.

8أين يمكنني الحصول على كيس من الطين الناري بالقرب مني؟

جي جي سيراميك.كوم شركة رائدة في مجال السيراميك، تعمل منذ ما يقارب عقدين من الزمن. بفضل عمليات التصنيع المتطورة، نضمن لكم الحصول على أكياس طينية حرارية عالية الجودة، وأسمنت حراري قابل للصب، وخرسانة حرارية..كوم تعتبر نقطة البداية المثالية إذا كنت تبحث عن شركة سيراميك متكاملة تشحن منتجاتها إلى أي مكان تتواجد فيه دون تكلفة باهظة.