جرم نسوز ریختنی کم سیمان چیست؟

در صنایع حرارتی مدرن، فولادسازی، پتروشیمی و …، به شدت نیاز به استفاده از مواد نسوز افزایش پیدا کرده است. جرم نسوز ریختنی کم سیمان محصولی است که به صورت ریختنی، اما با سیمان کمتر تولید شده و می‌تواند مقاومت بالایی در برابر آسیب‌ها داشته باشد. اگرچه نسل قدیمی جرم‌های ریختنی نسوز کارایی قابل قبولی داشتند، اما در دماهای بالا واکنشی در آن‌ها ایجاد می‌شد که در نهایت منجر به کاهش استحکام گرم، خزش و نفوذپذیری بالا می‌شد؛ اما امروزه با جرم ریختنی با سیمان کم می‌توان آن را در پروژه‌هایی که تا به امروز محدودیت وجود داشته‌اند، استفاده کرد.

جرم نسوز ریختنی کم سیمان چیست؟

جرم نسوز ریختنی کم سیمان (LLC) یکی از انواع مواد نسوز با میزان کم سیمان بوده که می‌تواند در کنار آجر کوره یا تجهیزات دیگر نسوز، استفاده شود. در جرم‌های ریختنی معمولی، میزان سیمان بین ۱۵ تا ۲۵ درصد وزنی متغیر است. این در حالی است که در جرم‌های کم سیمان، این مقدار به ۳ تا ۸ درصد که معادل تنها ۱ تا ۲.۵ درصد اکسید کلسیم یا CaO در آنالیز شیمیایی است کاهش پیدا می‌کند؛ اما کاهش سیمان به تنهایی کافی نیست، زیرا سیمان عامل چسبندگی بتن است و کاهش آن می‌تواند مشکل ساز باشد.

برای جبران این کاهش، فرمولاسیون جرم ریختنی با سیمان کم بر اساس “مدل توزیع ذرات پیوسته” طراحی می‌شود. در این ساختار از پودرهای بسیار ریز مانند میکروسیلیکا (دوده سیلیسی) و آلومینای فعال به همراه افزودنی‌های شیمیایی به نام پراکنده‌سازها استفاده می‌شود. این مواد باعث دفع بار الکتریکی ذرات از یکدیگر می‌شوند و روانی بتن را به شدت افزایش می‌دهند. میکروسیلیکا و آلومینای فعال نیز در فضاهای خالی میکروسکوپی بین سنگدانه‌های درشت‌تر قرار گرفته و یک شبکه متراکم و غیرقابل نفوذ ایجاد می‌کنند. این ترکیب هوشمندانه باعث می‌شود که ذرات با بالاترین چگالی ممکن در کنار یکدیگر قرار بگیرند.

چرا مقدار سیمان را در این جرم نسوز کاهش می‌دهند؟

یکی از سوالات رایج مصرف کنندگان این است که چرا در میان انواع جرم نسوز ریختنی، بعضی از جرم‌های نسوز با سیمان کمتری تولید می‌شوند؟ با وجود اینکه سیمان نقش کلیدی در گیرش و سخت شدن بتن دارد، در بعضی از شرایط نیازی به استفاده از آن با درصد بالا در جرم نسوز نیست.

سیمان‌های نسوز آلومینایی حاوی مقادیر قابل توجهی اکسید کلسیم (CaO) هستند. هنگامی که کوره روشن می‌شود و دمای محیط از مرز ۱۱۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد عبور می‌کند، فازهای سیمانی شروع به تجزیه شدن می‌کنند. اکسید کلسیم آزاد شده با آلومینا (Al2O3) و سیلیس (SiO2) موجود در سنگدانه‌های نسوز و محیط کوره وارد واکنش می‌شود. این واکنش منجر به تشکیل فازهای معدنی جدیدی با نقطه ذوب پایین می‌شود و مشکلات زیر را به همراه دارد:

• افت استحکام گرم: در دماهای بالا، این فازهای شیشه‌ای حالت خمیری پیدا کرده و مقاومت فیزیکی نسوز را از بین می‌برند.
• پدیده خزش: جرم نسوز تحت بار و وزن خود یا مواد داخل کوره، دچار تغییر شکل پلاستیک و دفرمه شدن می‌شود.
• نفوذپذیری بالا: ذوب شدن فازهای سیمانی راه را برای نفوذ سرباره مذاب و گازهای خورنده به عمق جرم نسوز باز می‌کند.

با کاهش چشمگیر مقدار سیمان در جرم نسوز ریختنی کم سیمان، میزان کلسیم اکسید به حداقل ممکن می‌رسد. در نتیجه، فازهای زودگداز تشکیل نشده و جرم می‌تواند در دماهای بسیار بالا نیز استحکام ساختاری و شبکه کریستالی خود را به بهترین شکل حفظ کند. از همین جهت اگرچه همیشه ضرورتی به کاهش سیمان جرم نسوز نیست، اما در برخی از موارد که نیاز به استفاده از جرم‌های نسوز تا دمای بالای 1700 درجه سانتی گراد است، این محصولات انتخاب خوبی محسوب می‌شوند.

مزایای جرم ریختنی با سیمان کم

جرم ریختنی با سیمان کم با استفاده از نانو ذرات، کنترل توزیع دانه بندی و استفاده از روان کننده‌های پلیمری، یکی از بهترین گزینه‌ها برای اجرا در صنایع است. در این نوع نسوزها، خواص مکانیکی و حرارتی بی نظیری وجود دارند که باعث می‌شود از سایر محصولات موجود در بازار متمایز باشند. از جمله مهم‌ترین مزایای جرم نسوز ریختنی کم سیمان عبارتند از:

تراکم بالا و تخلخل بسیار پایین

در جرم نسوز ریختنی کم سیمان به دلیل استفاده از میکروسیلیکا و پودرهای میکرونیزه، تمامی حفرات مویین و فضاهای خالی بین ذرات درشت پر می‌شود. این امر تخلخل ظاهری جرم نسوز ریختنی را به شدت کاهش می‌دهد که حتی ممکن است تا زیر 15% نیز برسد. این تراکم فوق العاده مانع از نفوذ سرباره‌های خورنده مذاب، فلزات مایع و گازهای مخرب مانند مونوکسید کربن و بخار قلیایی به درون ساختار نسوز می‌شود و عمر مفید پوشش کوره را چند برابر می‌کند.

استحکام مکانیکی سرد و گرم

به لطف پیوندهای سرامیکی قدرتمندی که در غیاب فازهای شیشه‌ای سیمانی شکل می‌گیرد، استحکام فشاری سرد و استحکام خمشی این نوع جرم‌ها، چه پس از خشک شدن و چه پس از پخت در کوره بسیار بالا می‌رود. این استحکام بالا مقاومت استثنایی در برابر سایش ایجاد می‌کند که ویژگی مهمی برای دهانه کوره‌ها و مناطقی که در معرض جریان پرسرعت ذرات جامد هستند، می‌باشد.

ثبات ابعادی و پایداری حجمی

جرم‌های سیمان بالا در حین خشک شدن و پخت، دچار انقباض خطی زیادی می‌شوند که منجر به ایجاد ترک در پوشش کوره می‌گردد. اما در جرم ریختنی با سیمان کم، به دلیل مصرف آب حداقل و ساختار متراکم، انقباض خطی و حجمی پس از پخت به حداقل ممکن (نزدیک به صفر) می‌رسد و لاینینگ نسوز کاملا یکپارچه و بدون ترک باقی می‌ماند.

نیاز به آب حداقل برای مخلوط کردن

جرم‌های نسوز معمولی برای رسیدن به حالت روان و قابل ریخته گری، به ۱۰ الی ۱۵ درصد آب نیاز دارند. آب اضافی پس از تبخیر، تخلخل‌های بزرگی در بتن ایجاد می‌کند. اما جرم‌های کم سیمان، به کمک افزودنی‌های شیمیایی، تنها با ۴ تا ۶ درصد آب به روانی کامل می‌رسند. آب کمتر به معنای تخلخل کمتر، دانسیته بالاتر و استحکام نهایی بیشتر است.

امکان طراحی و تولید با کاربردهای متنوع

یکی از مهم‌ترین نقاط قوت جرم نسوز ریختنی کم سیمان، امکان طراحی آن با کاربردهای متنوع است. به طوری که می‌توان بسته به نیاز و محل اجرای این جرم‌های نسوز، آن‌ها را شخصی سازی و با خواص مکانیکی متنوعی تولید نمود. این موضوع یکی از نقاط قوت کلیدی جرم‌های ریختنی کم سیمان محسوب می‌شود.

تفاوت جرم نسوز ریختنی کم سیمان با جرم نسوز معمولی

جرم نسوز ریختنی کم سیمان به عنوان یکی از انواع جرم‌های نسوز موجود در بازار شناخته می‌شود که مقدار سیمان کمتر و کنترل شده‌ای داشته و میزان آب مورد نیاز آن نیز پایین‌تر است. این جرم‌ها معمولا قیمت بالاتری نسبت به جرم نسوز معمولی دارند، ولی خواص مکانیکی و تراکم ساختاری آن‌ها بهینه سازی شده است.

کاربردهای جرم نسوز ریختنی کم سیمان

تنوع ترکیبات به کار رفته در جرم نسوز ریختنی کم سیمان باعث شده تا بتوان از آن در صنایع حرارتی مختلفی استفاده کرد. این جرم‌ها به تنهایی و یا با ترکیب آجر کوره به صورت لایه بندی شده استفاده می‌شوند و می‌توانند در بخش‌هایی مانند صنایع آهن، فولاد، سیمان و کوره‌های گرم کن مورد استفاده قرار گیرند.

1. صنایع فولاد و آهن

یکی از مهم‌ترین حوزه‌های استفاده از جرم نسوز ریختنی کم سیمان، صنایع فولاد است. دمای بالا، سرباره، فلز مذاب، سایش و شوک‌های مکانیکی باعث می‌شود انتخاب پوشش نسوز در این صنعت بسیار حساس باشد. بسته به فرمولاسیون، جرم نسوز کم سیمان می‌تواند در بخش‌هایی از پاتیل‌ها، تاندیش‌ها، کوره‌ها، کف‌ها، قطعات پیش ساخته نسوز و تجهیزات جانبی به کار رود.

2. صنعت سیمان

تجهیزات کارخانه سیمان با ترکیبی از دمای بالا، سایش ناشی از حرکت مواد و در برخی نواحی حملات شیمیایی و قلیایی مواجه‌اند. به همین دلیل، در بخش‌های مختلف سیستم پخت و انتقال مواد از انواع جرم‌های نسوز استفاده می‌شود. جرم کم سیمان می‌تواند براساس مشخصات فنی محصول برای نقاطی مانند برخی بخش‌های پیش‌گرم‌کن، داکت‌ها، کولر، هود و نواحی دیگر تجهیزات حرارتی انتخاب شود.

3. کوره‌های گرم‌ کن و عملیات حرارتی

کف و دیواره بعضی از کوره‌های گرم کن در معرض فشار مکانیکی، دمای بالا و پوسته‌های اکسیدی و سایش قرار می‌گیرند. جرم‌های کم سیمان با استحکام بالا یکی از گزینه‌های مورد استفاده در این حوزه هستند که می‌توانند دوام بالایی داشته باشند. جرم نسوز ریختنی کم سیمان به علت مقاومت در برابر فشارهای مکانیکی و دمای بالا، می‌توان در این کوره‌ها نقش مهمی را ایفا کند.

4. صنایع ریخته گری

در ریخته گری آهن و فلزات غیرآهنی، بخش‌هایی از کوره، کانال‌های انتقال و تجهیزات نگهداری مذاب به پوشش‌هایی نیاز دارند که در برابر حرارت، سایش و شرایط شیمیایی محیط مقاومت داشته باشند. در این شرایط استفاده از جرم نسوز ریختنی کم سیمان می‌تواند یک راه حل عالی باشد و مقاومت در برابر سایش و شرایط شیمیایی را به بهترین شکل فراهم کند.

5. صنایع آلومینیوم و فلزات غیرآهنی

تماس جرم نسوز با آلومینیوم مذاب، شرایط خاص خودش را دارد. صرفا بالا بودن درصد آلومینا به معنی مناسب بودن محسوب نیست. نفوذ مذاب، تشکیل کوراندوم، واکنش‌های شیمیایی و قابلیت ترشوندگی باید در طراحی جرم لحاظ شود. به همین دلیل تولیدکنندگان برای این صنعت فرمولاسیون‌های اختصاصی ارائه می‌کنند؛ اما انتخاب جرم ریختنی با سیمان کم باید متناسب با نیاز همان پروژه انجام شود.

6. صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی

در واحدهای پالایشگاهی و پتروشیمی که ذرات کاتالیست با سرعت بسیار بالا و در دمای زیاد در حال چرخش هستند، استفاده از جرم نسوز ریختنی کم سیمان بسیار متداول است. می‌توان از این جرم‌ها در راکتورهای شیمیایی و زباله‌سوزهای صنعتی که حاوی گازهای خورنده مانند مونوکسید کربن و هیدروژن هستند نیز استفاده کرد. جرم نسوز ریختنی کم سیمان به دلیل تخلخل بسیار پایین، اجازه نفوذ گازهای مخرب را نمی‌دهد و با ایجاد یک سپر سایشی و شیمیایی مقاوم، ایمنی و تداوم کار راکتورهای پتروشیمی را تضمین می‌کند.

نحوه ریخته گری با جرم نسوز کم سیمان

برای دستیابی به خواص و مشخصات فنی جرم نسوز کم سیمان، نحوه اجرای این محصول باید با دقت بسیار بالا و مطابق با استانداردهای مهندسی انجام شود. این جرم‌ها به شدت نسبت به میزان آب، دمای محیط و زمان میکس حساس هستند و کوچک‌ترین خطا، می‌تواند ساختار شیمیایی بتن را تخریب کند.

مرحله اول: آماده سازی محیط و قالب بندی استاندارد

در قدم اول قبل از اجرای جرم نسوز ریختنی کم سیمان باید سطح کوره یا منطقه مورد نظر از هر گونه گرد و غبار، زنگ زدگی و روغن تمیز شود. قالب‌های مورد استفاده باید کاملا مقاوم و مهاربندی شده باشند. سطح داخلی قالب باید به روغن‌های سوخته آغشته شود. نکته بسیار مهم این است که درزهای قالب باید کاملا آب بندی شوند؛ زیرا این جرم با آب بسیار کمی ساخته می‌شود و خروج حتی مقدار کمی از شیره بتن از درز قالب، باعث ایجاد ساختاری پوک (لانه زنبوری) در قطعه خواهد شد.

مرحله دوم: فرآیند اختلاط و میکس

مهم‌ترین مرحله اجرای جرم ریختنی با سیمان کم، فرآیند ترکیب آن با آب است. حتما باید از میکسر برای ترکیب کردن آب و جرم نسوز استفاده کرد. میکسرهای درام معمولی، توانایی ایجاد روانی در این جرم را ندارند و بهتر است که از میکسرهای پارویی با دور مناسب استفاده کرد. آب مصرفی استفاده شده برای جرم نسوز کم سیمان باید کاملا تمیز با pH خنثی و دمای آن ترجیحا بین ۱۵ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد باشد. میزان آب دقیقا باید مطابق کاتالوگ سازنده (مثلا ۵.۵ درصد وزنی) باشد. حتی ۱ درصد آب اضافی می‌تواند استحکام نهایی جرم را تا ۵۰ درصد کاهش دهد و پدیده جداشدگی ایجاد کند.

مرحله سوم: زمان بندی برای میکس کردن

جرم نسوز ریختنی کم سیمان باید به صورت خشک به مدت 1 تا 2 دقیقه داخل میکسر هم زده شده تا دانه بندی یکنواخت شود. سپس آب اضافه شده و مخلوط کردن برای ۳ الی ۵ دقیقه (بسته به توان میکسر) ادامه می‌یابد. در دقایق اول جرم کاملا خشک به نظر می‌رسد، اما به دلیل وجود روان‌کننده‌ها، ناگهان حالت خمیری و روان به خود می‌گیرد.

مرحله چهارم: بتن ریزی و عملیات ویبره

به دلیل پایین بودن میزان آب، این نوع جرم‌ها در حالت عادی به سختی جریان می‌یابند. بنابراین بلافاصله پس از تخلیه از میکسر، باید در قالب ریخته شده و حتما توسط ویبراتورهای خرطومی متراکم شوند. عملیات ویبره باید به گونه‌ای باشد که تمام حباب‌های هوا خارج شده و شیره بتن به سطح بیاید. از ویبره کردن طولانی مدت در یک نقطه باید پرهیز کرد، زیرا باعث ته نشین شدن سنگدانه‌های درشت و بالا آمدن سیمان و پودرهای ریز می‌شود که در نهایت مقاومت سطح نسوز را کاهش می‌دهد.

مرحله پنجم: عمل آوری جرم نسوز

پس از اتمام ریخته گری، باید دقت کرد دمای محیط نباید کمتر از ۱۰ درجه سانتی‌گراد باشد. قالب‌ها باید حداقل ۲۴ تا ۴۸ ساعت در جای خود باقی بمانند تا گیرش هیدراتاسیون اولیه سیمان انجام شود. برای جلوگیری از تبخیر آب که برای واکنش سیمان ضروری است، روی سطح آزاد بتن با پلاستیک پوشانده می‌شود.

مرحله ششم: خشک کردن و گرم کردن اولیه کوره

مرحله نهایی و حیاتی، خشک کردن و گرم کردن اولیه کوره است. به دلیل تراکم بسیار بالای جرم نسوز ریختنی کم سیمان و عدم وجود تخلخل کافی، آب موجود در ساختار بتن راه فراری ندارد. اگر دمای کوره با سرعت بالا افزایش یابد، آب داخل جرم به سرعت تبدیل به بخار شده و فشار مگاپاسکالی بسیار بالایی در داخل بتن ایجاد می‌کند که منجر به انفجار، ترکیدگی کامل دیوار و پوسته پوسته می‌شود. بنابراین، گرمایش اولیه باید دقیقا مطابق با یک منحنی حرارتی استاندارد، با شیب ملایم و توقف‌های لازم در دماهای تبخیر آب انجام شود.

سخن پایانی

روی کار آمدن جرم نسوز ریختنی کم سیمان، گاهی استراتژیک در جهت افزایش راندمان تولید و کاهش توقف در خط تولید است. این محصول با بهینه سازی مصرف انرژی در صنایع حرارتی، و استحکام بالا، می‌تواند در صنایع فولاد، سیمان و پتروشیمی جایگاه بسیار ویژه‌ای داشته باشد. همانطور که استفاده از آجر نسوز در صنایع فولاد کاربرد دارد، این جرم‌ها نیز می‌توانند با طول عمر بسیار بالا، هزینه‌های نگهداری و تعمیر را به شدت کاهش دهند. کنترل دقیق میزان آب مصرفی و اجرای صحیح منحنی پخت اولیه، از نکات مهم برای اجرای جرم ریختنی با سیمان کم هستند تا بتوان از ویژگی‌های آن‌ها بهره مند شد.

سوالات متداول

• تفاوت جرم نسوز ریختنی کم سیمان با فوق کم سیمان (ULCC) در چیست؟

در جرم‌های کم سیمان (LCC) میزان اکسید کلسیم بین ۱ تا ۲.۵ درصد است، اما در جرم‌های فوق کم سیمان، میزان اکسید کلسیم به ۰.۲ تا ۱ درصد کاهش می‌یابد که مقاومت حرارتی را باز هم افزایش می‌دهد؛ اما اجرای آن حساس‌تر است.

• اگر به جرم ریختنی با سیمان کم آب بیشتری اضافه کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟

اضافه کردن آب بیش از حد مجاز حتی ۱ یا ۲ درصد بالاتر از دستورالعمل باعث شسته شدن میکروسیلیکا، جداشدگی دانه‌ها، افزایش شدید تخلخل و در نهایت افت شدید مقاومت فشاری و سایشی جرم می‌شود.

• چرا برای اختلاط جرم‌های کم سیمان حتما باید از میکسر استفاده کرد؟

در این جرم‌ها از آب بسیار کمی استفاده می‌شود و ذرات میکرونیزه برای پخش شدن و ایجاد روانی، به انرژی برشی بالایی نیاز دارند که میکسرهای معمولی قادر به تامین این انرژی نیستند.

• گیرش اولیه و نهایی این نوع جرم‌ها چقدر زمان می‌برد؟

بسته به دمای محیط و نوع افزودنی‌ها، زمان گیرش اولیه بین ۳۰ تا ۶۰ دقیقه است و گیرش نهایی برای باز کردن قالب‌ها به ۲۴ ساعت زمان نیاز دارد.