ทนไฟ
ในวิทยาศาสตร์วัสดุวัสดุทนไฟ (หรือวัสดุทนไฟ ) คือวัสดุที่ทนต่อการสลายตัวจากความร้อนหรือการโจมตีทางเคมี และยังคงความแข็งแรงและความแข็งแกร่งไว้ที่อุณหภูมิสูง[ 1 ] วัสดุทนไฟ เป็น สารประกอบ อนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะซึ่งอาจมีรูพรุนหรือไม่มีรูพรุนก็ได้ และความเป็นผลึกของ วัสดุนั้น มีความหลากหลายมาก อาจเป็น ผลึก ผลึก หลายผลึก อะ มอ ร์ฟัสหรือคอมโพสิตโดยทั่วไปแล้ววัสดุทนไฟจะประกอบด้วยออกไซด์ คาร์ไบด์ หรือไนไตรด์ของธาตุต่อไปนี้ ได้แก่ ซิลิคอน อะลูมิเนียม แมกนีเซียม แคลเซียม โบรอนโครเมียมและเซอร์โคเนียม[ 2 ] วัสดุทนไฟหลายชนิดเป็นเซรามิกแต่บางชนิดเช่นกราไฟต์ไม่ใช่และเซรามิกบางชนิด เช่นเครื่องปั้นดินเผาก็ไม่ถือว่าเป็นวัสดุทนไฟ วัสดุทนไฟแตกต่างจากโลหะทนไฟซึ่งเป็นโลหะ ธาตุ และโลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวสูง
วัสดุทนไฟถูกกำหนดโดยASTM C71 ว่าเป็น "วัสดุที่ไม่ใช่โลหะที่มีคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพที่ทำให้สามารถนำไปใช้กับโครงสร้างหรือเป็นส่วนประกอบของระบบที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า1,000 °F (811 K; 538 °C) " [ 3 ]วัสดุทนไฟใช้ในเตาหลอม เตาเผาเตาเผาขยะและเครื่องปฏิกรณ์นอกจากนี้ยังใช้ในการทำเบ้าหลอมและแม่พิมพ์สำหรับการหล่อแก้วและโลหะอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้าและภาคการหล่อโลหะใช้ประมาณ 70% ของวัสดุทนไฟที่ผลิตทั้งหมด[ 4 ]
วัสดุทนไฟ
วัสดุทนไฟต้องมีความเสถียรทางเคมีและทางกายภาพที่อุณหภูมิสูง ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการใช้งาน วัสดุเหล่านี้ต้องทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน เฉื่อยต่อปฏิกิริยาเคมีและ/หรือมีค่าการนำความร้อนและสัมประสิทธิ์ การ ขยาย ตัวทาง ความร้อน อยู่ในช่วงที่กำหนด
ออกไซด์ของอะลูมิเนียม ( อะลูมินา ) ซิลิคอน ( ซิลิกา ) และแมกนีเซียม ( แมกนีเซีย)เป็นวัสดุที่สำคัญที่สุดที่ใช้ในการผลิตวัสดุทนไฟ ออกไซด์อีกชนิดหนึ่งที่มักพบในวัสดุทนไฟคือออกไซด์ของแคลเซียม ( ปูนขาว ) [ 5 ]ดินเหนียวทนไฟยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตวัสดุทนไฟ
วัสดุทนไฟต้องได้รับการเลือกตามเงื่อนไขที่ต้องเผชิญ การใช้งานบางอย่างต้องการวัสดุทนไฟพิเศษ[ 6 ]เซอร์โคเนียใช้เมื่อวัสดุต้องทนต่ออุณหภูมิสูงมาก[ 7 ]ซิลิคอนคาร์ไบด์และคาร์บอน ( กราไฟต์ ) เป็นวัสดุทนไฟอีกสองชนิดที่ใช้ในสภาวะอุณหภูมิที่รุนแรงมาก แต่ไม่สามารถใช้สัมผัสกับออกซิเจน ได้ เนื่องจากจะเกิดการออกซิเดชันและไหม้
สารประกอบไบนารีเช่นทังสเตนคาร์ไบด์หรือโบรอนไนไตรด์สามารถทนความร้อนได้สูงมากแฮฟเนียมคาร์ไบด์เป็นสารประกอบไบนารีที่ทนความร้อนได้มากที่สุดเท่าที่รู้จัก โดยมีจุดหลอมเหลวที่ 3890 °C [ 8 ] [ 9 ]สารประกอบเทอร์นารีแทนทาลัมแฮฟเนียมคาร์ไบด์มีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดในบรรดาสารประกอบที่รู้จักทั้งหมด (4215 °C) [ 10 ] [ 11 ]
โมลิบเดนัมไดซิลิไซด์มีจุดหลอมเหลวสูงถึง 2030 องศาเซลเซียส และมักใช้เป็นองค์ประกอบความร้อน
การใช้งาน
วัสดุทนไฟมีประโยชน์สำหรับฟังก์ชันต่อไปนี้: [ 12 ] [ 2 ]
- ทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อนระหว่างของเหลวร้อนกับผนังของภาชนะบรรจุ
- ทนทานต่อแรงกดดันทางกายภาพและป้องกันการสึกกร่อนของผนังภาชนะเนื่องจากของเหลวร้อน
- ป้องกันการกัดกร่อน
- ฉนวนกันความร้อน
วัสดุทนไฟมีประโยชน์ในการใช้งานหลายอย่าง ในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา วัสดุทนไฟใช้สำหรับบุเตาเผา เตาเผาแบบธรรมดา เครื่องปฏิกรณ์ และภาชนะอื่นๆ ที่ใช้บรรจุและขนส่งสื่อร้อน เช่น โลหะและตะกรัน [ 13 ]วัสดุทนไฟยังมีการใช้งานที่อุณหภูมิสูงอื่นๆ เช่น เครื่องทำความร้อนแบบใช้ไฟ เครื่องปฏิรูปไฮโดรเจน เครื่องปฏิรูปแอมโมเนียขั้นต้นและขั้นรอง เตาแตกตัว หม้อไอน้ำ เครื่องแตกตัวเร่งปฏิกิริยา เครื่องทำความร้อนอากาศ และเตากำมะถัน[ 12 ]นอกจากนี้ยังใช้สำหรับเคลือบผิวแผ่นเบี่ยงเปลวไฟในโครงสร้างปล่อยจรวด[ 14 ]
การจำแนกประเภทของวัสดุทนไฟ
วัสดุทนไฟสามารถจำแนกประเภทได้หลายวิธี โดยพิจารณาจาก:
- องค์ประกอบทางเคมี
- วิธีการผลิต
- ขนาดและรูปร่าง
- อุณหภูมิหลอมเหลว
- ภาวะดื้อยา
- การนำความร้อน
องค์ประกอบทางเคมี
วัสดุทนไฟที่เป็นกรด
โดยทั่วไปแล้ว วัสดุทนไฟที่เป็นกรดจะไม่ซึมผ่านวัสดุที่เป็นกรด แต่จะถูกกัดกร่อนได้ง่ายโดยวัสดุที่เป็นเบส ดังนั้นจึงใช้ร่วมกับตะกรันที่เป็นกรดในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด วัสดุเหล่านี้ได้แก่ สารต่างๆ เช่นซิลิกาอลูมินาและ อิฐทน ไฟดินเหนียว สารเคมีที่สำคัญที่สามารถกัดกร่อนทั้งอลูมินาและซิลิกาได้คือ กรดไฮโดรฟลูออริก กรดฟอสฟอริก และก๊าซฟลูออริเนต (เช่น HF, F2 [ 15 ] ที่อุณหภูมิสูง วัสดุทนไฟที่เป็นกรดอาจทำปฏิกิริยากับปูนขาวและออกไซด์ที่เป็นเบสได้เช่นกัน
- วัสดุทนไฟซิลิกา เป็นวัสดุทนไฟที่มี ซิลิคอนออกไซด์ (SiO2 มากกว่า 93% มีคุณสมบัติเป็นกรด ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ทนต่อฟลักซ์และตะกรัน และทนต่อการแตกร้าวสูง อิฐซิลิกามักใช้ในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้าเป็นวัสดุเตาหลอม คุณสมบัติที่สำคัญของอิฐซิลิกาคือความสามารถในการรักษาความแข็งภายใต้ภาระสูงจนถึงจุดหลอมเหลว[ 2 ]วัสดุทนไฟซิลิกามักมีราคาถูกกว่าจึงสามารถกำจัดทิ้งได้ง่าย เทคโนโลยีใหม่ที่ให้ความแข็งแรงสูงขึ้นและระยะเวลาการหล่อที่ยาวนานขึ้นโดยใช้ซิลิคอนออกไซด์น้อยลง (90%) เมื่อผสมกับเรซินอินทรีย์ได้รับการพัฒนาขึ้นแล้ว
- วัสดุทนไฟเซอร์โคเนียเป็นวัสดุทนไฟที่ประกอบด้วยเซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZrO₂ เป็นหลัก มักใช้ในเตาหลอมแก้วเนื่องจากมีค่าการนำความร้อนต่ำ ไม่เปียกง่ายด้วยแก้วหลอมเหลว และมีปฏิกิริยากับแก้วหลอมเหลวน้อย วัสดุทนไฟเหล่านี้ยังมีประโยชน์สำหรับการใช้งานในวัสดุก่อสร้างที่อุณหภูมิสูงอีกด้วย
- วัสดุทนไฟอะลูมิโนซิลิเกตส่วนใหญ่ประกอบด้วยอะลูมินา (Al O ) และซิลิกา (SiO ) วัสดุทนไฟอะลูมิโนซิลิเกตอาจเป็นแบบกึ่งกรด แบบผสมดินเหนียวทนไฟ หรือแบบผสมที่มีปริมาณอะลูมินาสูง[ 16 ]
วัสดุทนไฟพื้นฐาน
วัสดุทนไฟพื้นฐานใช้ในพื้นที่ที่มีตะกรันและบรรยากาศเป็นด่าง วัสดุเหล่านี้มีความเสถียรต่อสารอัลคาไลน์ แต่สามารถทำปฏิกิริยากับกรดได้ ซึ่งมีความสำคัญ เช่น เมื่อกำจัดฟอสฟอรัสออกจากเหล็กหล่อ (ดูกระบวนการกิลคริสต์-โทมัส ) วัตถุดิบหลักอยู่ในกลุ่ม RO ซึ่งแมกนีเซีย (MgO) เป็นตัวอย่างที่พบได้ทั่วไป ตัวอย่างอื่นๆ ได้แก่ โดโลไมต์และโครมแมกนีเซีย ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 กระบวนการผลิตเหล็กใช้เพริคลาเซ สังเคราะห์ ( แมกนีไซต์ คั่ว ) เป็นวัสดุบุเตาหลอม
- วัสดุทนไฟแมกนีไซต์ประกอบด้วยแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) ≥ 85% มีความต้านทานต่อตะกรันปูนขาวและตะกรันที่มีเหล็กสูง ทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนได้ดี และทนไฟสูงภายใต้ภาระ และมักใช้ในเตาหลอมโลหะ[ 17 ]
- วัสดุทนไฟโดโลไมต์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยแคลเซียมแมกนีเซียมคาร์บอเนตโดยทั่วไปแล้ว วัสดุทนไฟโดโลไมต์จะใช้ในเตาแปลงและเตากลั่น[ 18 ]
- วัสดุทนไฟแมกนีเซี ย-โครมส่วนใหญ่ประกอบด้วยแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) และโครเมียมออกไซด์ (Cr₂O₃ ทนไฟเหล่านี้มีความทนไฟสูงและทนต่อสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนได้ดี
รีแฟรกทอรีที่เป็นกลาง
วัสดุเหล่านี้ใช้ในพื้นที่ที่มีตะกรันและบรรยากาศเป็นกรดหรือด่าง และมีความเสถียรทางเคมีต่อทั้งกรดและด่าง วัตถุดิบหลักอยู่ในกลุ่ม R2O3 แต่ไม่จำกัดเฉพาะทั่วไปของวัสดุเหล่านี้ ได้แก่อลูมินา ( Al2O3 โครเมียมออกไซด์ Cr2O3 ) คาร์บอน[ 2 ]
- วัสดุทนไฟคาร์บอนกราไฟต์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยคาร์บอนวัสดุทนไฟเหล่านี้มักใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีสภาวะรีดิวซ์สูง และคุณสมบัติการทนไฟสูงทำให้มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยมและทนต่อตะกรันได้ดี
- วัสดุทนไฟโครไมต์ประกอบด้วยแมกนีเซียและโครเมียที่ผ่านการเผาผนึก มีปริมาตรคงที่ที่อุณหภูมิสูง ทนไฟสูง และทนต่อตะกรันได้ดี[ 19 ]
- ทนไฟอะลูมินาประกอบด้วยอะลูมินา (Al₂O₃ ) 50 %
วิธีการผลิต
- กระบวนการอัดแห้ง
- การหล่อแบบหลอมรวม
- ปั้นด้วยมือ
- ขึ้นรูป (แบบปกติ แบบเผา หรือแบบยึดติดทางเคมี)
- วัสดุที่ไม่ขึ้นรูป (คอนกรีตหล่อขึ้นรูป, วัสดุอัดและพ่น, วัสดุหล่อ, ปูนฉาบ, ซีเมนต์แห้งแบบสั่น)
- วัสดุทนไฟแห้งที่ยังไม่ขึ้นรูป
ขนาดและรูปร่าง
วัสดุทนไฟผลิตขึ้นในรูปทรงมาตรฐานและรูปทรงพิเศษ รูปทรงมาตรฐานมีขนาดที่สอดคล้องกับข้อกำหนดที่ผู้ผลิตวัสดุทนไฟใช้ และโดยทั่วไปแล้วจะใช้ได้กับเตาเผาหรือเตาหลอมประเภทเดียวกัน รูปทรงมาตรฐานมักจะเป็นอิฐที่มีขนาดมาตรฐาน9 นิ้ว × 4.5 นิ้ว × 2.5 นิ้ว (229 มม. × 114 มม. × 64 มม.)และขนาดนี้เรียกว่า "ขนาดเทียบเท่าอิฐหนึ่งก้อน" "ขนาดเทียบเท่าอิฐหนึ่งก้อน" ใช้ในการประมาณจำนวนอิฐทนไฟที่ต้องใช้ในการติดตั้งในเตาหลอมอุตสาหกรรม มีรูปทรงมาตรฐานหลายขนาดที่ผลิตขึ้นเพื่อผลิตผนัง หลังคา ซุ้มประตู ท่อ และช่องเปิดทรงกลม เป็นต้น รูปทรงพิเศษผลิตขึ้นโดยเฉพาะสำหรับตำแหน่งเฉพาะภายในเตาหลอมและสำหรับเตาเผาหรือเตาหลอมเฉพาะ รูปทรงพิเศษมักมีความหนาแน่นน้อยกว่าและดังนั้นจึงทนทานน้อยกว่ารูปทรงมาตรฐาน
ไม่มีรูปทรง (เป็นชิ้นเดียว)
วัสดุเหล่านี้ไม่มีรูปแบบที่กำหนดไว้ล่วงหน้า และจะได้รูปทรงก็ต่อเมื่อนำไปใช้งานเท่านั้น วัสดุประเภทนี้เรียกว่าวัสดุทนไฟแบบโมโนลิธิก ตัวอย่างที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ มวลพลาสติกมวลอัดแน่น วัสดุหล่อขึ้นรูป มวลพ่น วัสดุผสมตกแต่ง และปูนฉาบ
วัสดุบุผนังกันสั่นสะเทือนแบบแห้งที่มักใช้ใน เตา หลอมแบบเหนี่ยวนำก็เป็นวัสดุเนื้อเดียวกันเช่นกัน และจำหน่ายและขนส่งในรูปผงแห้ง โดยปกติจะมีส่วนประกอบของแมกนีเซีย/อะลูมินา และมีการเติมสารเคมีอื่นๆ เพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติเฉพาะ วัสดุเหล่านี้กำลังถูกนำไปใช้มากขึ้นในวัสดุบุผนังเตาหลอมเหล็ก แม้ว่าการใช้งานในด้านนี้ยังคงพบได้น้อยก็ตาม
อุณหภูมิหลอมเหลว
วัสดุทนไฟแบ่งออกเป็นสามประเภทตามอุณหภูมิหลอมเหลว (จุดหลอม)
- วัสดุทนไฟทั่วไปมีอุณหภูมิหลอมเหลวอยู่ที่ 1580 – 1780 องศาเซลเซียส (เช่น ดินเหนียวทนไฟ)
- วัสดุทนไฟสูงมีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ 1780 – 2000 องศาเซลเซียส (เช่น โครไมต์)
- วัสดุทนไฟสูงพิเศษมีอุณหภูมิหลอมเหลวสูงกว่า 2000 องศาเซลเซียส (เช่น เซอร์โคเนีย)
ภาวะดื้อยา
ความทนไฟคือคุณสมบัติของวัสดุทนไฟหลายเฟสที่จะถึงระดับความอ่อนตัวเฉพาะที่อุณหภูมิสูงโดยไม่มีภาระ และวัดด้วย การทดสอบเทียบเท่า กรวยไพโรเมตริก (PCE) วัสดุทนไฟถูกจำแนกประเภทดังนี้: [ 2 ]
- ภาษีพิเศษ:ค่า PCE 33–38
- อัตราภาษีสูง:ค่า PCE 30–33
- ภาษีระดับกลาง : ค่า PCE 28–30
- อัตราภาษีต่ำ : ค่า PCE 19–28
การนำความร้อน
วัสดุทนไฟสามารถจำแนกตามค่าการนำความร้อนได้เป็นสามประเภท ได้แก่ วัสดุนำความร้อน วัสดุไม่นำความร้อน และวัสดุฉนวน ตัวอย่างของวัสดุทนไฟนำความร้อน ได้แก่ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และเซอร์โคเนียมคาร์ไบด์ (ZrC) ในขณะที่ตัวอย่างของวัสดุทนไฟไม่นำความร้อน ได้แก่ ซิลิกาและอะลูมินา ส่วนวัสดุทนไฟฉนวน ได้แก่วัสดุแคลเซียมซิลิเกต ดินขาวและเซอร์โคเนีย
วัสดุทนไฟฉนวนใช้เพื่อลดอัตราการสูญเสียความร้อนผ่านผนังเตาเผา วัสดุทนไฟเหล่านี้มีค่าการนำความร้อนต่ำเนื่องจากมีรูพรุนสูง โดยมีโครงสร้างรูพรุนที่ต้องการคือรูพรุนขนาดเล็กที่สม่ำเสมอกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งอิฐทนไฟเพื่อลดค่าการนำความร้อน วัสดุทนไฟฉนวนสามารถจำแนกเพิ่มเติมได้เป็นสี่ประเภท: [ 2 ]
- วัสดุฉนวนกันความร้อน ที่มีอุณหภูมิใช้งาน ≤ 1100 °C
- วัสดุฉนวนทน ไฟที่มีอุณหภูมิใช้งาน ≤ 1400 °C
- วัสดุฉนวนทน ความร้อนสูงที่มีอุณหภูมิใช้งาน ≤ 1700 °C
- วัสดุฉนวน ทนไฟสูงพิเศษที่มีอุณหภูมิใช้งาน ≤ 2000 °C