مقاوم للحرارة

في علم المواد ، المواد المقاومة للحرارة (أو المواد المقاومة للحرارة ) هي مادة مقاومة للتحلل بالحرارة أو الهجوم الكيميائي وتحتفظ بقوتها وصلابتها في درجات الحرارة العالية . ^[1] وهي مركبات غير عضوية وغير معدنية قد تكون مسامية أو غير مسامية، وتتنوع بلوريتها على نطاق واسع: فقد تكون بلورية أو متعددة البلورات أو غير متبلورة أو مركبة . وهي تتكون عادةً من أكاسيد أو كربيدات أو نتريدات من العناصر التالية: السيليكون والألمنيوم والمغنيسيوم والكالسيوم والبورون والكروم والزركونيوم . ^{[2] العديد} من المواد المقاومة للحرارة هي سيراميك ، ولكن بعضها مثل الجرافيت ليس كذلك، وبعض السيراميك مثل الفخار الطيني لا يعتبر مقاومًا للحرارة. تتميز المواد المقاومة للحرارة عن المعادن المقاومة للحرارة ، وهي معادن عنصرية وسبائكها التي لها درجات حرارة ذوبان عالية .

تُعرَّف المواد المقاومة للحرارة في معيار ASTM C71 بأنها "مواد غير معدنية لها تلك الخصائص الكيميائية والفيزيائية التي تجعلها قابلة للتطبيق في الهياكل، أو كمكونات للأنظمة، المعرضة لبيئات تزيد عن 1000 درجة فهرنهايت (811 كلفن؛ 538 درجة مئوية)". ^[3] تُستخدم المواد المقاومة للحرارة في الأفران ، والأفران ، ومحارق النفايات ، والمفاعلات . تُستخدم المواد المقاومة للحرارة أيضًا في صنع بوتقات وقوالب صب الزجاج والمعادن. تستخدم صناعة الحديد والصلب وقطاعات صب المعادن ما يقرب من 70٪ من جميع المواد المقاومة للحرارة المنتجة. ^[4]

يجب أن تكون المواد المقاومة للحرارة مستقرة كيميائيًا وفيزيائيًا في درجات الحرارة العالية. واعتمادًا على بيئة التشغيل، يجب أن تكون مقاومة للصدمات الحرارية ، وأن تكون خاملة كيميائيًا ، و/أو لها نطاقات محددة من التوصيل الحراري ومعامل التمدد الحراري .

تعد أكاسيد الألومنيوم ( الألومينا ) والسيليكون ( السيليكا ) والمغنيسيوم ( المغنيسيا ) من أهم المواد المستخدمة في تصنيع المواد المقاومة للحرارة. ومن الأكاسيد الأخرى الموجودة عادة في المواد المقاومة للحرارة أكسيد الكالسيوم ( الجير ) . [ ^{5] كما تستخدم} الطين الناري على نطاق واسع في تصنيع المواد المقاومة للحرارة.

يجب اختيار المواد المقاومة للحرارة وفقًا للظروف التي تواجهها. تتطلب بعض التطبيقات مواد مقاومة للحرارة خاصة. ^{[6] يتم استخدام} الزركونيا عندما يجب أن تتحمل المادة درجات حرارة عالية للغاية. [ ^7] كربيد السيليكون والكربون ( الجرافيت ) هما مادتان مقاومتان للحرارة تستخدمان في بعض ظروف درجات الحرارة الشديدة للغاية، ولكن لا يمكن استخدامهما في اتصال مع الأكسجين ، حيث سيتأكسدان ويحترقان .

يمكن أن تكون المركبات الثنائية مثل كربيد التنغستن أو نتريد البورون شديدة المقاومة للحرارة. كربيد الهافنيوم هو المركب الثنائي الأكثر مقاومة للحرارة المعروف، حيث تبلغ نقطة انصهاره 3890 درجة مئوية. ^{[8] [9]} يتمتع المركب الثلاثي كربيد التنتالوم الهافنيوم بواحدة من أعلى نقاط انصهار جميع المركبات المعروفة (4215 درجة مئوية). ^{[10] [11]}

يتمتع ثنائي سيليكون الموليبدينوم بنقطة انصهار عالية تبلغ 2030 درجة مئوية ويُستخدم غالبًا كعنصر تسخين .

المواد المقاومة للحرارة مفيدة للوظائف التالية: ^{[12] [2]}

1. يعمل كحاجز حراري بين وسط ساخن وجدار وعاء يحتويه
2. تحمل الضغوطات الفيزيائية ومنع تآكل جدران الأوعية بسبب الوسط الساخن
3. الحماية من التآكل
4. توفير العزل الحراري

تستخدم المواد المقاومة للحرارة في تطبيقات مفيدة متعددة. ففي صناعة المعادن، تُستخدم المواد المقاومة للحرارة في تبطين الأفران والأفران والمفاعلات والأوعية الأخرى التي تحمل وتنقل الوسائط الساخنة مثل المعدن والخبث . وتستخدم المواد المقاومة للحرارة في تطبيقات أخرى عالية الحرارة مثل السخانات المحروقة ومصلحات الهيدروجين ومصلحات الأمونيا الأولية والثانوية وأفران التكسير ومراجل المرافق ووحدات التكسير الحفزية وسخانات الهواء وأفران الكبريت. ^[12] تُستخدم في تغطية عواكس اللهب في هياكل إطلاق الصواريخ. ^[13]

This section needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources in this section. Unsourced material may be challenged and removed. (August 2023) (Learn how and when to remove this message)

يتم تصنيف المواد المقاومة للحرارة بطرق متعددة، بناءً على:

1. التركيب الكيميائي
2. طريقة التصنيع
3. الحجم والشكل
4. درجة حرارة الانصهار
5. مقاومة للحرارة
6. الموصلية الحرارية

المواد المقاومة للحرارة الحمضية غير منفذة للمواد الحمضية بشكل عام ولكن من السهل مهاجمتها بواسطة المواد القاعدية، وبالتالي يتم استخدامها مع الخبث الحمضي في البيئات الحمضية. وهي تشمل مواد مثل السيليكا والألومينا والمواد المقاومة للحرارة من الطوب الطيني . ومن المواد الكيميائية البارزة التي يمكنها مهاجمة كل من الألومينا والسيليكا حمض الهيدروفلوريك وحمض الفوسفوريك والغازات المفلورة (مثل HF وF2 ₎ . ^[14] وفي درجات الحرارة العالية، قد تتفاعل المواد المقاومة للحرارة الحمضية أيضًا مع الجير والأكاسيد القاعدية.

• المواد المقاومة للحرارة من السيليكا هي مواد مقاومة للحرارة تحتوي على أكثر من 93% من أكسيد السيليكون (SiO2 ₎ . وهي حمضية، وتتمتع بمقاومة عالية للصدمات الحرارية، ومقاومة للتدفق والخبث، ومقاومة عالية للتقشر. غالبًا ما تستخدم طوب السيليكا في صناعة الحديد والصلب كمواد للفرن. من الخصائص المهمة لطوب السيليكا قدرته على الحفاظ على الصلابة تحت الأحمال العالية حتى نقطة انصهاره. ^[2] عادةً ما تكون المواد المقاومة للحرارة من السيليكا أرخص وبالتالي يمكن التخلص منها بسهولة. تم تطوير تقنيات جديدة توفر قوة أعلى ومدة صب أطول مع كمية أقل من أكسيد السيليكون (90%) عند مزجها بالراتنجات العضوية.
• تتكون المواد المقاومة للحرارة المصنوعة من الزركونيوم بشكل أساسي من أكسيد الزركونيوم (ZrO2 ₎ . وغالبًا ما تستخدم في أفران الزجاج لأنها تتمتع بموصلية حرارية منخفضة، ولا تبتل بسهولة بالزجاج المنصهر، كما أن تفاعلها مع الزجاج المنصهر منخفض. كما أن هذه المواد المقاومة للحرارة مفيدة أيضًا في التطبيقات في مواد البناء ذات درجات الحرارة العالية.
• تتكون المواد المقاومة للحرارة من سيليكات الألومنيوم بشكل أساسي من الألومينا ( _Al2O3 ) والسيليكا (SiO2 _{) . يمكن} أن تكون المواد المقاومة للحرارة من سيليكات الألومنيوم شبه حمضية أو مركبة من الطين الناري أو مركبة ذات محتوى عالي من الألومينا. ^{[ يحتاج إلى توضيح ] [15]}

تُستخدم المواد المقاومة للحرارة الأساسية في المناطق التي تكون فيها الخبث والجو قاعديين. وهي مستقرة للمواد القلوية ولكنها يمكن أن تتفاعل مع الأحماض، وهو أمر مهم على سبيل المثال عند إزالة الفوسفور من الحديد الزهر (انظر عملية جيلكريست توماس ). تنتمي المواد الخام الرئيسية إلى مجموعة التناضح العكسي، والتي يعد المغنيسيا (MgO) مثالاً شائعًا لها. تشمل الأمثلة الأخرى الدولوميت والكروم والمغنيسيا. في النصف الأول من القرن العشرين، استخدمت عملية صناعة الفولاذ البيركلياز الاصطناعي ( المغنيسيوم المحمص ) كمواد لبطانة الفرن.

• تتكون المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيت من ≥ 85% من أكسيد المغنيسيوم (MgO). تتمتع هذه المواد بمقاومة عالية للخبث الغني بالجير والحديد، ومقاومة قوية للتآكل والتآكل، وقوة تحمل عالية تحت الحمل، وتستخدم عادة في الأفران المعدنية. ^[16]
• تتكون المواد المقاومة للحرارة من الدولوميت بشكل أساسي من كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم . وعادةً ما تُستخدم المواد المقاومة للحرارة من الدولوميت في أفران التحويل والتكرير. ^[17]
• تتكون المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكروم بشكل أساسي من أكسيد المغنيسيوم (MgO) وأكسيد الكروم (Cr ₂ O ₃ ). تتمتع هذه المواد المقاومة للحرارة بقدرة عالية على مقاومة الحرارة وتتمتع بتحمل كبير للبيئات المسببة للتآكل.

_{تُستخدم هذه المواد في} المناطق التي تكون فيها الخبث والغلاف الجوي حمضية أو قاعدية ومستقرة كيميائيًا لكل من الأحماض والقواعد. تنتمي المواد الخام الرئيسية إلى مجموعة R2O3، ولكنها لا تقتصر عليها _{. ومن} الأمثلة _{الشائعة} على هذه المواد الألومينا ( Al2O3 ₎ والكروم ( _Cr2O3 ) والكربون. [ 2 ^]

• تتكون المواد المقاومة للحرارة من الجرافيت الكربوني بشكل أساسي من الكربون . تُستخدم هذه المواد المقاومة للحرارة غالبًا في بيئات شديدة الاختزال، وتسمح لها خصائصها العالية في مقاومة الحرارة بثبات حراري ممتاز ومقاومة للخبث.
• تتكون المواد المقاومة للحرارة من الكروميت من المغنيسيوم المتكلس والكروم. تتمتع بحجم ثابت عند درجات حرارة عالية، ودرجة عالية من المقاومة للحرارة، ومقاومة عالية للخبث. ^[18]
• تتكون المواد المقاومة للحرارة من الألومينا من ≥ 50% من الألومينا ( _{Al2O3 )} .

1. عملية الضغط الجاف
2. قالب مدمج
3. مصبوب يدويا
4. مُشكَّل (عادي، مُحرَّك أو مُرتبط كيميائيًا)
5. غير مشكلة (متجانسة - بلاستيكية، كتلة دق وقذف، قوالب، هاون، أسمنت مهتز جاف).
6. المواد الحرارية الجافة غير المشكلة.

تُصنع المواد المقاومة للحرارة بأشكال قياسية وأشكال خاصة. تتمتع الأشكال القياسية بأبعاد تتوافق مع الاتفاقيات التي يستخدمها مصنعو المواد المقاومة للحرارة وهي قابلة للتطبيق بشكل عام على الأفران أو الأفران من نفس الأنواع. عادةً ما تكون الأشكال القياسية عبارة عن طوب له أبعاد قياسية 9 × 4.5 × 2.5 بوصة (229 مم × 114 مم × 64 مم) ويسمى هذا البعد "مكافئ الطوب الواحد". تُستخدم "مكافئات الطوب" في تقدير عدد الطوب الحراري اللازم لتحويل التركيب إلى فرن صناعي. هناك نطاقات من الأشكال القياسية بأحجام مختلفة يتم تصنيعها لإنتاج الجدران والأسقف والأقواس والأنابيب والفتحات الدائرية وما إلى ذلك. تُصنع الأشكال الخاصة خصيصًا لمواقع محددة داخل الأفران ولأفران أو أفران معينة. عادةً ما تكون الأشكال الخاصة أقل كثافة وبالتالي أقل تحملاً للتآكل من الأشكال القياسية.

هذه المواد لا تتخذ شكلًا محددًا ولا تكتسب شكلها إلا عند الاستخدام. وتُعرف هذه الأنواع باسم المواد المقاومة للحرارة المتجانسة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك الكتل البلاستيكية، والكتل المدكوكة، والكتل القابلة للصب، والكتل القابلة للرش، وخليط التشطيب، وقذائف الهاون.

غالبًا ما تكون بطانات الاهتزاز الجافة المستخدمة في بطانات أفران الحث متجانسة أيضًا، ويتم بيعها ونقلها على شكل مسحوق جاف، عادةً بتركيبة من المغنيسيوم والألومينا مع إضافات من مواد كيميائية أخرى لتغيير خصائص معينة. كما يتم استخدامها بشكل أكبر في بطانات أفران الصهر، على الرغم من أن هذا الاستخدام لا يزال نادرًا.

يتم تصنيف المواد المقاومة للحرارة إلى ثلاثة أنواع بناءً على درجة حرارة الانصهار (نقطة الانصهار).

• تتمتع المواد المقاومة للحرارة العادية بدرجة حرارة انصهار تتراوح بين 1580-1780 درجة مئوية (على سبيل المثال، طين النار)
• تتمتع المواد المقاومة للحرارة بدرجة حرارة انصهار تتراوح بين 1780 إلى 2000 درجة مئوية (على سبيل المثال الكروميت)
• تتمتع المواد المقاومة للحرارة بدرجة حرارة انصهار تصل إلى > 2000 درجة مئوية (على سبيل المثال الزركونيا)

المقاومة للحرارة هي خاصية متعددة المراحل للمواد المقاومة للحرارة للوصول إلى درجة تليين معينة عند درجة حرارة عالية بدون تحميل، ويتم قياسها باستخدام اختبار المكافئ المخروطي الحراري (PCE). يتم تصنيف المواد المقاومة للحرارة على النحو التالي: ^[2]

• الخدمة الفائقة: قيمة PCE تتراوح بين 33 و38
• واجب عالي: قيمة PCE تتراوح بين 30 و33
• واجب متوسط : قيمة PCE تتراوح بين 28 و30
• واجب منخفض : قيمة PCE تتراوح بين 19 و28

يمكن تصنيف المواد المقاومة للحرارة حسب التوصيل الحراري إلى مواد موصلة أو غير موصلة أو عازلة. ومن أمثلة المواد المقاومة للحرارة الموصلة كربيد السيليكون (SiC) وكربيد الزركونيوم (ZrC)، في حين أن أمثلة المواد المقاومة للحرارة غير الموصلة هي السيليكا والألومينا. تشمل المواد المقاومة للحرارة العازلة مواد سيليكات الكالسيوم والكاولين والزركونيا.

تُستخدم المواد العازلة للحرارة لتقليل معدل فقدان الحرارة من خلال جدران الفرن. تتمتع هذه المواد العازلة للحرارة بموصلية حرارية منخفضة بسبب درجة المسامية العالية، مع بنية مسامية مرغوبة من المسام الصغيرة والموحدة الموزعة بالتساوي في جميع أنحاء الطوب الحراري من أجل تقليل الموصلية الحرارية. يمكن تصنيف المواد العازلة للحرارة إلى أربعة أنواع: ^[2]

1. مواد عازلة مقاومة للحرارة مع درجات حرارة تطبيق ≤ 1100 درجة مئوية
2. مواد عازلة مقاومة للحرارة مع درجات حرارة تطبيق ≤ 1400 درجة مئوية
3. مواد عازلة عالية المقاومة للحرارة مع درجات حرارة تطبيق ≤ 1700 درجة مئوية
4. مواد عازلة شديدة المقاومة للحرارة مع درجات حرارة تطبيق ≤ 2000 درجة مئوية

• طوب النار
• فرن البناء