مقاوم للحرارة

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
الطوب الحراري في عربة طوربيد تستخدم لنقل الحديد المنصهر

في علم المواد ، تُعرف المواد المقاومة للحرارة بأنها مواد تقاوم التحلل بفعل الحرارة أو التفاعلات الكيميائية، وتحافظ على قوتها وصلابتها عند درجات الحرارة العالية . [ 1 ] وهي مركبات غير عضوية وغير فلزية ، قد تكون مسامية أو غير مسامية، وتختلف درجة تبلورها اختلافًا كبيرًا: فقد تكون بلورية ، أو متعددة التبلور ، أو غير متبلورة ، أو مركبة . تتكون عادةً من أكاسيد أو كربيدات أو نتريدات العناصر التالية: السيليكون ، والألومنيوم ، والمغنيسيوم ، والكالسيوم ، والبورون ، والكروم ، والزركونيوم . [ 2 ] العديد من المواد المقاومة للحرارة هي مواد خزفية ، ولكن بعضها ، مثل الجرافيت، ليس كذلك، وبعض أنواع الخزف، مثل الفخار الطيني، لا تُعتبر مواد مقاومة للحرارة. وتُفرّق المواد المقاومة للحرارة عن المعادن المقاومة للحرارة ، وهي المعادن الأساسية وسبائكها التي تتميز بدرجات انصهار عالية.

تُعرّف المواصفة القياسية ASTM C71 المواد الحرارية بأنها "مواد غير معدنية ذات خصائص كيميائية وفيزيائية تجعلها مناسبة للاستخدام في الهياكل، أو كمكونات للأنظمة، المعرضة لبيئات تزيد درجة حرارتها عن 1000 درجة فهرنهايت (811 كلفن؛ 538 درجة مئوية)". [3] تُستخدم المواد الحرارية في الأفران، والمحارق، والمفاعلات . كما تُستخدم أيضًا في صناعة البواتق والقوالب لصب الزجاج والمعادن . ويستهلك قطاعا صناعة الحديد والصلب وصب المعادن ما يقارب 70% من إجمالي المواد الحرارية المنتجة. [ 4 ]   

المواد المقاومة للحرارة

يجب أن تكون المواد المقاومة للحرارة مستقرة كيميائياً وفيزيائياً عند درجات الحرارة العالية. وبحسب بيئة التشغيل، يجب أن تكون مقاومة للصدمات الحرارية ، وخاملة كيميائياً ، و/أو أن تتمتع بنطاقات محددة من الموصلية الحرارية ومعامل التمدد الحراري .

تُعدّ أكاسيد الألومنيوم ( الألومينا ) والسيليكون ( السيليكا ) والمغنيسيوم ( المغنيسيا ) من أهم المواد المستخدمة في صناعة المواد الحرارية. كما يُعدّ أكسيد الكالسيوم ( الجير ) من الأكاسيد الشائعة الأخرى في هذه المواد. [ 5 ] وتُستخدم الطينات النارية أيضاً على نطاق واسع في صناعة المواد الحرارية.

يجب اختيار المواد المقاومة للحرارة وفقًا للظروف التي تواجهها. تتطلب بعض التطبيقات مواد مقاومة للحرارة خاصة. [6] يُستخدم الزركونيا عندما يجب أن تتحمل المادة درجات حرارة عالية للغاية. [7] يُعد كربيد السيليكون والكربون (الجرافيت ) مادتين أخريين مقاومتين للحرارة تُستخدمان في بعض ظروف درجات الحرارة القاسية جدًا، لكن لا يمكن استخدامهما في وجود الأكسجين ، لأنهما ستتأكسدان وتحترقان.

تُعدّ المركبات الثنائية ، مثل كربيد التنجستن أو نتريد البورون، شديدة الانصهار. ويُعتبر كربيد الهافنيوم أكثر المركبات الثنائية المعروفة انصهارًا، حيث تبلغ درجة انصهاره 3890  درجة مئوية. [ 8 ] [ 9 ] أما المركب الثلاثي، كربيد التنتالوم والهافنيوم، فيمتلك إحدى أعلى درجات الانصهار بين جميع المركبات المعروفة (4215  درجة مئوية). [ 10 ] [ 11 ]

يتميز ثاني سيليسيد الموليبدينوم بنقطة انصهار عالية تبلغ 2030 درجة مئوية ويستخدم غالبًا كعنصر تسخين .

الاستخدامات

تُعد المواد المقاومة للحرارة مفيدة للوظائف التالية: [ 12 ] [ 2 ]

  1. يعمل كحاجز حراري بين وسط ساخن وجدار وعاء يحتوي عليه
  2. مقاومة الإجهادات الفيزيائية ومنع تآكل جدران الأوعية بسبب الوسط الساخن
  3. الحماية من التآكل
  4. توفير العزل الحراري

تُستخدم المواد الحرارية في تطبيقات متعددة ومفيدة. ففي صناعة المعادن، تُستخدم لتبطين الأفران والمفاعلات وغيرها من الأوعية التي تحتوي على مواد ساخنة مثل المعادن والخبث وتنقلها . [ 13 ] كما تُستخدم في تطبيقات أخرى تتطلب درجات حرارة عالية، مثل السخانات التي تعمل بالوقود، ومُصلِحات الهيدروجين، ومُصلِحات الأمونيا الأولية والثانوية، وأفران التكسير، والغلايات، ووحدات التكسير التحفيزي، وسخانات الهواء، وأفران الكبريت. [ 12 ] وتُستخدم أيضًا في تغطية عواكس اللهب في هياكل إطلاق الصواريخ. [ 14 ]

تصنيف المواد المقاومة للحرارة

تُصنف المواد المقاومة للحرارة بطرق متعددة، بناءً على:

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

التركيب الكيميائي

المواد الحرارية الحمضية

تتميز المواد الحرارية الحمضية عمومًا بمقاومتها للمواد الحمضية ، ولكنها تتأثر بسهولة بالمواد القاعدية، ولذلك تُستخدم مع الخبث الحمضي في البيئات الحمضية. وتشمل هذه المواد السيليكا والألومينا والطوب الطيني الناري . ومن أبرز المواد الكيميائية التي تتفاعل مع كل من الألومينا والسيليكا حمض الهيدروفلوريك وحمض الفوسفوريك والغازات المفلورة (مثل HF وF₂ ) . [ 15 ] عند درجات الحرارة العالية، قد تتفاعل المواد الحرارية الحمضية أيضًا مع الجير والأكاسيد القاعدية.

  • المواد الحرارية السيليكية هي مواد حرارية تحتوي على أكثر من 93% من أكسيد السيليكون (SiO₂ ) . تتميز هذه المواد بحموضتها، ومقاومتها العالية للصدمات الحرارية، ومقاومتها للتدفقات والخبث، ومقاومتها العالية للتقشر. تُستخدم قوالب السيليكا بكثرة في صناعة الحديد والصلب كمواد للأفران. ومن أهم خصائص قوالب السيليكا قدرتها على الحفاظ على صلابتها تحت الأحمال العالية حتى نقطة انصهارها. [ 2 ] عادةً ما تكون المواد الحرارية السيليكية أرخص ثمناً، وبالتالي يسهل التخلص منها. وقد طُوّرت تقنيات جديدة توفر قوة أعلى وعمرًا أطول للصب مع كمية أقل من أكسيد السيليكون (90%) عند مزجها مع الراتنجات العضوية.
  • المواد الحرارية الزركونية هي مواد حرارية تتكون أساسًا من أكسيد الزركونيوم (ZrO₂ ) . تُستخدم هذه المواد بكثرة في أفران الزجاج نظرًا لانخفاض موصليتها الحرارية، وعدم سهولة ترطيبها بالزجاج المنصهر، وانخفاض تفاعلها معه. كما تُعدّ هذه المواد الحرارية مفيدة أيضًا في تطبيقات مواد البناء التي تتحمل درجات الحرارة العالية.
  • تتكون المواد الحرارية المصنوعة من الألومينوسيليكات بشكل أساسي من الألومينا (Al₂O₃ ) والسيليكا (SiO₂ ) . ويمكن أن تكون هذه المواد شبه حمضية، أو مركبة من الطين الناري، أو مركبة ذات محتوى عالٍ من الألومينا. [ 16 ]

المواد الحرارية الأساسية

تُستخدم المواد الحرارية القاعدية في المناطق التي تكون فيها الخبث والجو قاعديين. وهي مستقرة في وجود المواد القلوية، ولكنها 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 RO، ومن الأمثلة الشائعة عليها المغنيسيا (MgO). ومن الأمثلة الأخرى الدولوميت والكروم-مغنيسيا. خلال النصف الأول من القرن العشرين، استخدمت عملية صناعة الصلب البيريكلاس الاصطناعي ( المغنيزيت المحمص ) كمادة لتبطين الأفران.

  • تتكون المواد الحرارية المغنيسيتية من ≥ 85% من أكسيد المغنيسيوم (MgO). تتميز بمقاومة عالية للخبث الغني بالجير والحديد، ومقاومة قوية للتآكل والصدأ، ودرجة حرارة عالية تحت الحمل، وتستخدم عادةً في أفران التعدين. [ 17 ]
  • تتكون المواد الحرارية الدولوميتية بشكل أساسي من كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم . وعادةً ما تُستخدم هذه المواد في أفران التحويل والتكرير. [ 18 ]
  • تتكون المواد الحرارية المصنوعة من المغنيسيا والكروم بشكل أساسي من أكسيد المغنيسيوم (MgO) وأكسيد الكروم (Cr₂O₃ ) . تتميز هذه المواد الحرارية بمقاومة عالية للحرارة وقدرة فائقة على تحمل البيئات المسببة للتآكل.

المواد الحرارية المحايدة

تُستخدم هذه المواد في المناطق التي تكون فيها الخبث والجو إما حمضية أو قاعدية، وهي مستقرة كيميائيًا تجاه كل من الأحماض والقواعد. تنتمي المواد الخام الرئيسية إلى مجموعة R₂O₃، ولكنها لا تقتصر عليها . ومن الأمثلة الشائعة على هذه المواد: الألومينا (Al₂O₃ ) ، والكروميا ( Cr₂O₃ ) ، والكربون . [ ٢ ]

  • تتكون المواد الحرارية المصنوعة من الجرافيت الكربوني بشكل أساسي من الكربون . تُستخدم هذه المواد الحرارية غالبًا في البيئات شديدة الاختزال، وتتيح لها خصائصها من حيث ارتفاع درجة الحرارة استقرارًا حراريًا ممتازًا ومقاومة للخبث.
  • تتكون المواد الحرارية الكروميتية من المغنيسيا والكروميا المتلبدة. وتتميز بحجم ثابت عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة عالية للحرارة، ومقاومة عالية للخبث. [ 19 ]
  • تتكون المواد الحرارية المصنوعة من الألومينا من ≥ 50٪ من الألومينا (Al 2 O 3 ).

طريقة التصنيع

  1. عملية الضغط الجاف
  2. مصبوب ملتحم
  3. مصبوب يدويًا
  4. مُشكَّل (عادي، أو مُسخَّن، أو مرتبط كيميائياً)
  5. غير مُشكَّل (متجانس-بلاستيكي، كتلة الدك والرش، مواد صب، ملاط، أسمنت جاف مهتز).
  6. المواد الحرارية الجافة غير المشكلة.

الحجم والشكل

تُصنع المواد الحرارية بأشكال قياسية وأشكال خاصة. تتميز الأشكال القياسية بأبعاد تتوافق مع المعايير المتبعة لدى مصنعي المواد الحرارية، وهي قابلة للتطبيق عمومًا على الأفران من نفس النوع. عادةً ما تكون الأشكال القياسية عبارة عن طوب بأبعاد قياسية تبلغ 229 مم × 114 مم × 64 مم ( 9 بوصات × 4.5 بوصات × 2.5 بوصات ) ، ويُطلق على هذا البُعد اسم "مكافئ الطوبة الواحدة". تُستخدم "مكافئات الطوب" في تقدير عدد الطوب الحراري اللازم لتجهيز فرن صناعي. تتوفر مجموعة من الأشكال القياسية بأحجام مختلفة، تُصنع لإنتاج الجدران والأسقف والأقواس والأنابيب والفتحات الدائرية، وما إلى ذلك. أما الأشكال الخاصة، فتُصنع خصيصًا لمواقع محددة داخل الأفران، ولأفران معينة. عادةً ما تكون الأشكال الخاصة أقل كثافة، وبالتالي أقل مقاومة للتآكل من الأشكال القياسية.          

غير مُشكَّل (متجانس)

هذه المواد لا تُشكّل بشكل مُحدد، وإنما تُعطى شكلاً عند التطبيق. تُعرف هذه الأنواع باسم المواد الحرارية المتجانسة. ومن الأمثلة الشائعة عليها: الكتل البلاستيكية، وكتل الدك ، والمواد المصبوبة، وكتل الرش، وخلطات التشطيب، والملاط.

تُستخدم بطانات الاهتزاز الجافة، التي غالبًا ما تُستخدم في بطانات أفران الحث، وهي أيضًا متجانسة، وتُباع وتُنقل على شكل مسحوق جاف، وعادةً ما تكون تركيبتها من المغنيسيا/الألومينا مع إضافة مواد كيميائية أخرى لتغيير خصائص محددة. كما أنها تجد استخدامات متزايدة في بطانات أفران الصهر، على الرغم من أن هذا الاستخدام لا يزال نادرًا.

درجة حرارة الانصهار

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

  • تتميز المواد الحرارية العادية بدرجة انصهار تتراوح بين 1580 و 1780  درجة مئوية (مثل الطين الناري).
  • تتميز المواد المقاومة للحرارة العالية بدرجة انصهار تتراوح بين 1780 و 2000  درجة مئوية (مثل الكروميت).
  • تتميز المواد الحرارية الفائقة بدرجة انصهار تزيد عن 2000  درجة مئوية (مثل الزركونيا).

مقاومة

تُعرف خاصية مقاومة الحرارة بأنها قدرة المادة الحرارية متعددة الأطوار على الوصول إلى درجة تليين محددة عند درجة حرارة عالية دون تحميل، ويتم قياسها باستخدام اختبار المخروط الحراري المكافئ (PCE). تُصنف المواد الحرارية إلى: [ 2 ]

  • الخدمة الشاقة: قيمة PCE من 33 إلى 38
  • الخدمة الشاقة: قيمة PCE من 30 إلى 33
  • واجب متوسط : قيمة PCE من 28 إلى 30
  • خدمة منخفضة : قيمة PCE من 19 إلى 28

الموصلية الحرارية

يمكن تصنيف المواد الحرارية حسب موصليتها الحرارية إلى موصلة وغير موصلة وعازلة. من أمثلة المواد الحرارية الموصلة كربيد السيليكون (SiC) وكربيد الزركونيوم (ZrC)، بينما من أمثلة المواد الحرارية غير الموصلة السيليكا والألومينا. أما المواد الحرارية العازلة فتشمل سيليكات الكالسيوم والكاولين والزركونيا.

تُستخدم المواد الحرارية العازلة لتقليل معدل فقدان الحرارة عبر جدران الأفران. تتميز هذه المواد بانخفاض موصليتها الحرارية نظرًا لارتفاع درجة مساميتها، حيث يُفضل أن تكون ذات بنية مسامية تتكون من مسام صغيرة ومتجانسة موزعة بالتساوي في جميع أنحاء الطوب الحراري لتقليل الموصلية الحرارية إلى أدنى حد. ويمكن تصنيف المواد الحرارية العازلة إلى أربعة أنواع: [ 2 ]

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

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ أيلسا ألابي ومايكل ألابي (1996). قاموس موجز لعلوم الأرض . منشورات أكسفورد الورقية، مطبعة جامعة أكسفورد.
  2. 1 2 3 4 5 6 "المواد الحرارية وتصنيفها" . IspatGuru . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 مارس 2020 .
  3. ↑ ASTM المجلد 15.01 المواد الحرارية؛ الكربون المنشط، السيراميك المتقدم
  4. ↑ "ما مدى برودة المواد المقاومة للحرارة؟" (ملف PDF) . مجلة معهد جنوب أفريقيا للتعدين والمعادن . 106 (سبتمبر): 1-16 . 2008. تاريخ الاطلاع: 22 أبريل 2016 .
  5. ↑ جروفر، ميكيل ب. (7 يناير 2010). أساسيات التصنيع الحديث: المواد والعمليات والأنظمة . جون وايلي وأولاده . ISBN 9780470467008.
  6. ↑ سونتاج، كيس، بانهيدي، ويبر (2009). "حلول جديدة لأثاث الأفران للسيراميك التقني". منتدى السيراميك الدولي . 86 (4): 29-34 .{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  7. ↑ روزا، جريج (2009). الزركونيوم . مجموعة روزن للنشر. ISBN 9781435850705.
  8. ↑ هيو أو. بيرسون (1992). دليل الترسيب الكيميائي للبخار (CVD): المبادئ والتكنولوجيا والتطبيقات . ويليام أندرو. الصفحات 206 وما بعدها. ISBN  978-0-8155-1300-1تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 أبريل 2011 .
  9. ↑ الهافنيوم، مؤرشف بتاريخ 11 أغسطس 2017 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine )، مختبر لوس ألاموس الوطني
  10. ↑ موسوعة ماكجرو هيل للعلوم والتكنولوجيا: مرجع دولي في خمسة عشر مجلدًا، بما في ذلك فهرس . ماكجرو هيل. 1977. ص 360. ISBN  978-0-07-079590-7تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 أبريل 2011 .
  11. ^ "الهافنيوم" . الموسوعة البريطانية . Encyclopædia Britannica، Inc. تم استرجاعه في 17 ديسمبر 2010 .
  12. 1 2 علاء، حسين. "مقدمة في المواد الحرارية" (ملف PDF) . الجامعة التقنية - العراق . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 20 نوفمبر 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 مارس 2020 .
  13. ↑ "التطورات في السيراميك المقاوم للحرارة لتطبيقات المعادن غير الحديدية". نشرة الجمعية الأمريكية للسيراميك . 105 (2): 39.
  14. ↑ "المواد المقاومة للحرارة للتحكم في تآكل نظام حماية عاكس اللهب: دراسة استقصائية للصناعات المماثلة و/أو مرافق الإطلاق" . ناسا، يناير 2009
  15. ↑ "أكوراتوس" . خصائص سيراميك أكسيد الألومنيوم، Al2O3 . 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 نوفمبر 2014 .
  16. ^ بولوبويارينوف، د.ن. (1960). سيراميك شديد الالتصاق ومتعدد المواد . موسكو.{{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  17. ↑ "مواد حرارية من المغنيسيت" . www.termorefractories.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 سبتمبر 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 مارس 2020 .
  18. ↑ "طوب الدولوميت وطوب المغنيسيا والدولوميت" . www.ruizhirefractory.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 24 يناير 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 مارس 2020 .
  19. ↑ "مواد حرارية من الكروميت" . termorefractories.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 سبتمبر 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 مارس 2020 .