انواع جرم نسوز ریختنی | کاربردها و مراحل اجرای جرم ریختنی نسوز

یک سازه صنعتی با دمای بالا بدون داشتن یک پوشش عایق و مقاوم، کارایی خود را در کوتاه‌ترین زمان ممکن از دست خواهد داد. در میان تمامی مصالح و مواد دیرگداز، جرم ریختنی نسوز به عنوان یکی از کلیدی‌ترین و منعطف‌ترین ابزارها برای عایق‌کاری و ساختاردهی به کوره‌های صنعتی شناخته می‌شود. این ماده که شباهت زیادی به بتن ساختمانی دارد، با فرمولاسیون‌های خاص شیمیایی و ترکیب دانه بندی دقیق تولید می‌شود تا بتواند دماهای بسیار بالا، شوک‌های شدید حرارتی و حملات شیمیایی و سایشی را به خوبی تحمل کند. در بسیاری از صنایع که تنها استفاده از آجر کوره نسوز کافی نیست، می‌توان از انواع جرم نسوز ریختنی نیز استفاده کرد که در ادامه مقاله قصد داریم دقیق‌تر در مورد آن صحبت کنیم.

جرم ریختنی نسوز چیست؟

جرم ریختنی نسوز (Refractory Castable) نوعی ماده نسوز بی‌شکل است که معمولا از ترکیب سنگدانه‌های مقاوم در برابر حرارت، ذرات ریز، مواد اتصال‌دهنده و افزودنی‌های کنترل‌کننده تشکیل می‌شود. این محصول در حالت خشک به محل پروژه منتقل شده و هنگام اجرا با مقدار معینی آب یا بایندر ترکیب می‌شود. مخلوط آماده شده در داخل قالب یا فضای موردنظر ریخته می‌شود و پس از گیرش، عمل آوری و خشک کردن، یک لایه نسوز متراکم و یکپارچه به وجود می‌آورد.

برخلاف آجرهای نسوز پیش‌ساخته که نصب آن‌ها در بخش‌های زاویه‌دار، سقف‌های قوسی و بخش‌های پیچیده کوره با دشواری‌های زیادی همراه است، جرم نسوز ریختنی به راحتی شکل قالب را به خود می‌گیرد. این ویژگی منحصر به فرد نیاز به برش‌کاری آجرها را از بین برده و سرعت اجرای کار را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد.

انواع جرم نسوز ریختنی

جرم‌های ریختنی نسوز تنوع بسیار بالایی دارند و می‌توان هر کدام را برای محدوده دمایی و شرایط محیطی خاصی استفاده کرد. انتخاب بهترین جرم نسوز، نیازمند شناخت انواع این جرم‌ها و بررسی مشخصات آن هاست که در ادامه قصد بررسی هر کدام را داریم.

جرم ریختنی نسوز معمولی (CC)

این گروه قدیمی‌ترین و ساده‌ترین انواع جرم نسوز ریختنی است که درصد سیمان بالایی (حدود ۱۵ تا ۲۵ درصد) دارد. به دلیل بالا بودن میزان سیمان، این جرم‌ها به آب بیشتری برای مخلوط شدن نیاز دارند که در نتیجه پس از خشک شدن و خروج آب، تخلخل بیشتری در ساختار آن‌ها ایجاد می‌شود. دمای کاربردی آن‌ها معمولا متوسط است و برای فضاهایی که تحت فشار مکانیکی شدید یا سایش بالا نیستند، گزینه‌ای اقتصادی به شمار می‌روند.

جرم ریختنی نسوز کم سیمان (LCC)

یکی دیگر از انواع جرم نسوز ریختنی، جرم کم سیمان است که با فناوری‌های جدید و افزودن میکروپودرها تولید می‌شود. میزان سیمان در این جرم نسوز به حدود 4 تا 8 درصد کاهش یافته و همین موضوع باعث شده تا نیاز به آب بسیار کمتری برای روان شدن داشته باشد. در نتیجه، ساختار نهایی این محصول پس از پخت بسیار متراکم‌تر، با تخلخل کمتر و مقاومت فشاری و سایشی فوق‌العاده بالاتر خواهد بود. این جرم‌ها مقاومت عالی در برابر خوردگی توسط سرباره و مذاب دارند.

جرم ریختنی نسوز فوق العاده کم سیمان (ULCC)

در میان انواع جرم نسوز ریختنی، این محصول دارای کمترین درصد سیمان است. به طوری که با افزودنی خاص درصد سیمان این محصول به کمتر از 3% رسیده است. این جرم‌ها رفتاری بسیار نزدیک به سرامیک‌های خالص حرارتی دارند و برای دماهای بسیار بالا و شرایط کاری به شدت سخت طراحی شده‌اند. پایداری حرارتی و مقاومت در برابر خزش (تغییر شکل در دمای بالا) در این نوع جرم‌ها خیره‌کننده است.

مقایسه فنی انواع جرم ریختنی نسوز بر اساس مشخصات فیزیکی

برای انتخاب دقیق‌تر میان انواع جرم نسوز ریختنی، می‌بایست ویژگی‌های فنی این محصولات را بر اساس دیتاشیت تولید کننده بررسی کرد. به طور کلی، میزان سیمان نسوز در هر یک از این جرم‌ها می‌تواند متفاوت باشد؛ اما به طور میانگین در جدول زیر ذکر شده است. هر چقدر درصد سیمان در انواع جرم نسوز ریختنی پایین‌تر باشد، طبیعتا میزان آب مورد نیاز نیز کاهش پیدا می‌کند.

کاربردهای انواع جرم نسوز ریختنی در صنایع مختلف

تنوع فرمولاسیون در تولید انواع جرم نسوز ریختنی به صنایع اجازه می‌دهد تا در بخش‌های مختلف خطوط تولید خود از این ماده کارآمد استفاده کنند. از جمله مهم‌ترین صنایعی که می‌توانند از این محصول استفاده کنند، عبارتند از:

صنایع تولید آهن و فولاد

در کارخانجات ذوب آهن و فولادسازی، دماهای کاری بسیار بالا به همراه وجود مذاب و سرباره فعال، چالش اصلی تجهیزات است. در این صنایع از جرم‌های ریختنی با پایه آلومینا و اسپینل برای لاینینگ تاندیش‌ها، پاتیل‌های حمل مذاب، کوره‌های پیش‌گرم و همچنین سقف کوره‌های قوس الکتریکی استفاده می‌شود. با توجه به مقاومت بالای این محصول و انعطاف پذیری برای اجرا در تجهیزات مختلف، می‌توان دوام و امنیت را تامین کرد.

صنایع تولید سیمان و آهک

کوره‌های دوار سیمان دارای مناطق مختلفی با دماهای متفاوت هستند. دهانه کوره، مناطق پیش‌گرم‌کن و کولر به شدت در معرض سایش شدید ناشی از حرکت ذرات سخت سیمان و شوک‌های حرارتی مداوم هستند. انواع جرم ریختنی نسوز مقاوم به سایش و حاوی سیلیکون کارباید یا آلومینای بالا بهترین گزینه برای عایق کاری کوره‌های دوار سیمان و آهک محسوب می‌شوند.

صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

جرم نسوز ریختنی به عنوان دیواره حفاظتی در راکتورها، واحدهای شکست کاتالیستی (FCCU) و کوره‌های ریفرمر پتروشیمی در برابر گازهای مخرب و بارهای حرارتی سنگین عمل می‌کنند. در این بخش‌ها بهتر از انواع جرم نسوز ریختنی با آهن کم استفاده شود تا از واکنش ناخواسته کاتالیستی جلوگیری گردد.

مزایا و معایب استفاده از جرم‌های ریختنی نسوز در مقایسه با آجر نسوز

هر یک از انواع جرم نسوز ریختنی در کنار داشتن مزایای فراوان، دارای یک سری محدودیت‌های اجرایی هستند. البته وجود این محدودیت‌ها، به معنای نقص در عملکرد آن‌ها نیست؛ اما در مجموع می‌تواند در انتخاب صحیح مشتری تاثیر بگذارد. در ادامه دقیق‌تر مزایا و معایب این محصول را در مقایسه با آجر نسوز کوره بررسی می‌کنیم:

مزایا

• اجرای بدون درز: عدم وجود بندکشی و درز با کمک این جرم‌ها، احتمال فرار گازهای داغ و نفوذ مذاب را به صفر می‌رساند.
• شکل‌پذیری فوق‌العاده: پوشش‌دهی جرم نسوز ریختنی برای هندسه‌های بسیار پیچیده کوره بدون نیاز به تراش دادن آجر سخت بسیار عالیست و محدودیت‌های آجر نسوز را رفع می‌کند.
• سرعت بالای نصب: با انواع جرم نسوز ریختنی و با استفاده از دستگاه‌های شاتکریت (پاشش بتن) یا پمپ‌های مخصوص، می‌توان مساحت‌های بزرگی را در چند ساعت پوشش داد.
• مقاومت عالی در برابر شوک حرارتی: این محصولات به دلیل ساختار یکپارچه و منعطف‌تر نسبت به سازه‌های آجری صلب، تغییرات ناگهانی دما را بهتر تحمل می‌کنند.

معایب

• نیاز به تخصص بالا در اجرا: کیفیت نهایی جرم به شدت به مهارت اپراتور در اختلاط، قالب بندی و میزان آب اضافه شده به محصول بستگی دارد.
• حساسیت بالا به فرآیند خشک کردن: اگر آب موجود در جرم با سرعت نامناسب تبخیر شود، فشار بخار آب محبوس در داخل آن باعث ترکیدگی یا پوسته پوسته شدن ساختار خواهد شد.
• زمان‌بر بودن فرآیند پخت اولیه: کوره باید طبق یک برنامه زمانی بسیار دقیق و آرام گرم شود تا پیوندهای میان جرم نسوز ریخته شده شکل بگیرد.

مراحل اجرایی جرم نسوز ریختنی در کوره‌های صنعتی

مهم‌ترین کاربرد انواع جرم نسوز ریختنی، پوشش دهی کوره‌های صنعتی است که هر مرحله نیازمند رعایت دقیق اصول فنی است. هر گونه سهل انگاری در گام‌های اجرایی این محصولات، می‌تواند منجر به تخریب زودهنگام لاینینگ کوره شده و مشکلاتی را در کوره‌های صنعتی به وجود آورد. در ادامه دقیق‌تر مراحل فنی اجرایی این جرم‌ها را بررسی می‌کنیم:

مرحله اول: آماده سازی سطح زیر کار

پیش از اجرا هر یک از انواع جرم نسوز ریختنی، سطح زیرکار باید از گرد و غبار، قطعات سست، چربی و بقایای نسوز تخریب شده پاک شود. انکرها باید از نظر جنس، فاصله، شکل و اتصال بررسی شوند و قالب نیز به اندازه کافی مقاوم و آب بند باشد. محل‌های انبساط، ضخامت لایه و وضعیت عایق پشتیبان باید مطابق نقشه اجرایی آماده شوند.

مرحله دوم: اختلاط با آب

اختلاط جرم‌های نسوز ریختنی باید با میکسر مناسب و آب تمیز انجام شود. مقدار آب باید دقیقا براساس برگه فنی محصول اندازه‌گیری شود؛ زیرا حتی اضافه کردن بیش از حد آب به داخل جرم نسوز، می‌تواند تخلخل را بالا ببرد. ابتدا مواد خشک برای مدت کوتاهی مخلوط می‌شوند و سپس آب به تدریج افزوده می‌شود. مخلوط آماده باید در زمان کارپذیری تعیین‌شده مصرف شود و اضافه کردن مجدد آب به جرمی که در حال گیرش است، کار درستی نیست.

مرحله سوم: ویبره کردن جرم نسوز

در صورت نیاز به ویبره کردن جرم ریختنی نسوز، ویبره باید به‌اندازه‌ای باشد که هوای محبوس خارج و فضای قالب پر شود. ویبره بیش از حد ممکن است باعث جداشدگی ذرات درشت و ریز شود.

مرحله چهارم: ریختن جرم نسوز در محل

پس از ریختن جرم نسوز در محل، مرحله عمل آوری آغاز می‌شود. واکنش آب و سیمان نسوز باعث گیرش و تشکیل استحکام اولیه خواهد شد. دمای محیط و دمای خود جرم بر کیفیت عمل آوری اثر دارد و اجرای سرد می‌تواند زمان گیرش را افزایش داده و نفوذپذیری یا مقاومت را تحت تاثیر قرار دهد. بهترین دمای پیشنهادی برای عمل آوری این جرم‌های نسوز، 21 تا 32 درجه سانتی گراد است؛ اما همچنان بهترین دما، دمایی است که در برگه فنی محصول ذکر شده باشد.

مرحله پنجم: خشک کردن و گرم کردن کنترل شده

آخرین مرحله جرم نسوز ریختنی، خشک کردن و گرم کردن جرم نسوز ریختنی است. رطوبت آزاد و آب شیمیایی باید به تدریج خارج شوند. افزایش سریع دما می‌تواند فشار بخار داخلی ایجاد کند و باعث ترک، پوسته شدن یا کنده شدن انفجاری پوشش شود. برنامه خشک کردن باید براساس نوع جرم، ضخامت لایه، طراحی کوره و دستور سازنده تنظیم شود. مراحل نصب صحیح جرم ریختنی شامل اختلاط، جایگذاری، عمل‌آوری و خشک‌کردن است و حذف یا کوتاه کردن غیراصولی هر مرحله، عمر پوشش را کاهش می‌دهد.

مراحل خشک کردن و پخت انواع جرم نسوز ریختنی

پس از اتمام مرحله قالب برداری، جرم ریختنی هنوز حاوی مقادیر زیادی آب فیزیکی و شیمیایی است. اگر کوره را به سرعت روشن کنید، این آب به سرعت تبدیل به بخار شده و به دلیل نداشتن راه فرار کافی، فشار داخلی شدیدی ایجاد می‌کند که نتیجه آن خرد شدن و انفجار جرم نسوز خواهد بود. از این جهت مراحل خشک کردن و پخت انواع جرم نسوز ریختنی به شرح زیر هستند:

1. دوره کیورینگ: در این مرحله نگهداری جرم در دمای محیط به مدت ۲۴ ساعت برای تکمیل هیدراتاسیون سیمان انجام می‌شود.
2. پیش گرم تا 110 درجه سانتی گراد: افزایش دما با شیب افزایش دهنده ملایم 5 تا 10 درجه سانتی گراد و توقف طولانی در این دما جهت تبخیر کامل آب فیزیکی آزاد باید رعایت گردد.
3. مرحله گذار تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد: در این مرحله افزایش دما و توقف در این محدوده برای خروج آب‌های پیوندی و هیدراته ساختار سیمان انجام می‌شود.
4. پخت نهایی: افزایش دما تا دمای کاری کوره جهت شکل‌گیری پیوندهای مستحکم میان ذرات جرم نسوز ریختنی انجام می‌شود.

جمع بندی

انواع جرم نسوز ریختنی معمولی، کم سیمان و فوق العاده کم سیمان هر کدام جایگاه خاصی در صنایع مختلف دارند. طبیعتا هر زمانی که نیاز به استحکام بیشتر در جرم ریختنی نسوز باشد، می‌توان نمونه کم سیمان را انتخاب کرد که با مقدار آب کمتری تولید و اجرا می‌شود و برعکس اگر اولویت با کاهش هزینه‌های اجرایی باشد، می‌توان از جرم ریختنی نسوز معمولی استفاده نمود. در صورتی که نیاز به مشاوره برای خرید این محصولات بر اساس نیاز پروژه‌های صنعتی خود دارید، می‌توانید با واحد فروش فرا امیران صحبت کنید.

سوالات متداول

• تفاوت اصلی بین جرم ریختنی معمولی (CC) و کم سیمان (LCC) چیست؟

تفاوت اصلی در مقدار سیمان نسوز به کار رفته و در نتیجه میزان آب مورد نیاز برای اختلاط است. جرم‌های کم سیمان (LCC) دارای سیمان کمتر هستند و میزان آب کمتری نیز نیاز دارند؛ اما جرم نسوز ریختنی معمولی درصد سیمان بالاتری نیز دارد.

• عمر مفید انبارداری جرم ریختنی نسوز چقدر است و چگونه باید نگهداری شود؟

به دلیل وجود سیمان نسوز آلومینایی فعال در فرمولاسیون این جرم‌ها، عمر مفید انبارداری آن‌ها معمولا حداقل 9 ماه از تاریخ تولید در نظر گرفته می‌شود. برای حفظ کیفیت، کیسه‌های این محصول باید روی پالت چوبی یا پلاستیکی و با فاصله از زمین و به دور از رطوبت بالا نگهداری شود.

• آیا می‌توان از آب معمولی چاه یا آب سخت برای اختلاط جرم ریختنی استفاده کرد؟

خیر. بهتر است که از آب آشامیدنی تمیز و فاقد املاح سنگین برای این محصول استفاده شود. وجود ناخالصی‌ها، نمک‌ها و املاح معدنی (مانند کلر، سدیم یا کلسیم اضافی) در آب سخت چاه می‌تواند واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان نسوز را مختل کرده و زمان گیرش اولیه را تحت تاثیر قرار دهد.

•  قیمت جرم نسوز ریختنی بر چه اساسی محاسبه می‌شود؟

قیمت این محصولات به صورت وزنی و بر پایه آنالیز شیمیایی متریال تعیین می‌شود. عواملی که روی قیمت این محصول تاثیر می‌گذارند شامل درصد اکسید آلومینیومی، نوع مواد اولیه پایه و افزودنی‌های به کار رفته هستند.