تاثیر توزیع اندازه دانه در ریختنی های نسوز

نیاز روزافزون صنایع مصرف‌کننده به فولاد با کیفیت بسیار بالا، صنعت آهن و فولاد را در دهه‌های اخیر به تحولات شگرفی واداشته است. این نیازمندی، تولیدکنندگان را بر آن داشته تا با به کارگیری فرآیندهای پیشرفته،به طور هم¬زمان کیفیت و بهره‌وری محصول خود را ارتقا دهند.
دگرگونی‌های چشمگیر در فناوری‌های تولید فولاد طی سه دهه گذشته، چالش‌های بی‌سابقه¬ای را پیش روی مواد دیرگداز قرار داده است. این مواد اکنون می‌بایست در دمای بسیار بالا، پارامترهای عملیاتی حیاتی را تأمین کنند و در عین حال، عملکرد بهتری با زمان توقف کمتر ارائه دهند.
برای پاسخ به این الزامات، محققان و صنعتگران به سمت دیرگدازهای بی‌شکل (unshaped) روی آورده‌اند تا جایگزین نمونه‌های شکل دار سنتی شوند. در این میان، ریختنی‌ها (castables) به دلیل برخورداری از مزایای ذاتی و قابلیت‌های منحصر به فرد، در تمامی عرصه‌های پژوهشی، توسعه، تولید و کاربرد، گوی سبقت را از انواع دیگر مواد ربوده‌اند. اگرچه اولین حق اختراع مربوط به مواد ریختنی در سال ۱۹۲۳ ثبت شد، اما پیشرفت واقعی در فناوری این مواد تنها پس از توسعه و موفقیت تجاری سیمان آلومینات کلسیم آغاز گردید. دیرگدازهای ریختنی از مخلوط‌های ساده‌ که شامل بخش‌های مختلف آلومینا یا آلومینوسیلیکات‌ها و یک چسباننده بودند، به فرمولاسیون‌های پیچیده و فنی حاوی افزودنی‌های گوناگون ارتقا یافته‌اند که برای کاربردهای بحرانی مختلف با خواص سفارشی‌شده مناسب هستند.
ریختنی¬ها را می‌توان به عنوان مخلوطی آماده‌شده از بخش‌های مختلف دانه‌بندی‌شده (aggregates) به همراه یک عامل پیونددهنده و افزودنی‌ها توصیف کرد که به حالت خشک و به صورت پودر آزاد عرضه می‌شوند. این مخلوط خشک حاوی ذرات، در صنعت مصرف‌کننده با آب (یا سایر چسباننده‌های مایع) بیشتر مخلوط می‌شود. سپس، مخلوط مورد نظر در محل کاربرد ویبره، ریخته‌گری، پمپ یا به صورت پنوماتیک شاتکریت می‌شود تا شکل یا ساختار مورد نظر را تشکیل دهد که با گیرش ماده پیونددهنده، سخت می‌شود و در نهایت پخته می‌شوند و بر اساس زینترینگ استحکام لازم به دست می¬آید.
اکنون برای ساخت هر نوع دیرگداز، به مواد تشکیل‌دهنده در اندازه‌های مختلف نیاز داریم تا شرایط پکینگ و تراکم بهتری فراهم شود. هر اندازه دانه، نمایانگر بعد متوسط خاصی از یک ذره با حداکثر و حداقل اندازه‌های محدودشده است. ذره، قطعه یا بخش بسیار کوچکی (قسمت کوچک) از یک ماده است که می‌توان چندین ویژگی فیزیکی/شیمیایی به آن نسبت داد. اکنون تعریف اندازه ذره اهمیت دارد. برای شکل‌های منظم، مانند کره یا مکعب، اندازه به ترتیب با قطر یا اضلاع آن تعریف می‌شود. اما برای یک ذره با شکل نامنظم، که شرایط واقعی در موارد عملی است، تعریف اندازه متوسط پیچیده می‌باشد. با این حال، به طور متعارف برای دیرگدازها، در کاربردهای عملی از اندازه الک معادل برای نمایش اندازه ذره استفاده می‌شود.
برای دیرگدازهای شکل¬دار، توزیع اندازه ذرات به گونه‌ای برنامه‌ریزی می‌شود که حداکثر دانسیته بالک حاصل گردد. در نتیجه، حداقل فضای خالی درون ساختار باقی خواهد ماند که به تراکم‌بیشتر و استحکام بالاتر منجر می‌شود. این شرایط متراکم حتی پس از پخت در دمای بالا نیز برای توده بسیار فشرده حفظ می‌شود، زیرا در چنین ساختار فشرده‌ای به دلیل مسیر نفوذ کوتاه‌تر و فضای خالی کمتر، زینترینگ بیشتر است. در نهایت، این امر به تولید دیرگدازی با چگالی بالا، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و سایش و غیره منجر می‌شود. با این حال، برای دستیابی به بالاترین میزان تراکم، استفاده از یک اندازه دانه واحد (تک‌پراکنده) هرگز کارساز نخواهد بود. یک سیستم تک‌ پراکنده به سیستمی اطلاق می‌شود که در آن تمامی ذرات دقیقاً یک‌اندازه هستند.
اما در مورد ریختنی‌ها (دیرگدازهای ریختنی)، الزامات متفاوت است. ریختنی‌ها در درجه اول نیاز به جریان‌پذیری داشته و هم¬چنین هم در دمای محیط و هم در دمای بالا به چگالی و استحکام بالا نیاز دارند. این یک نیاز منحصر به فرد در مقایسه با دیرگدازهای شکل دار بوده و همچنین ذاتاً متناقض است، چرا که استحکام از تراکم ناشی می‌شود که به دلیل اصطکاک، حرکت را محدود می‌کند.
جریان‌پذیری ریختنی‌ها برای اهداف کاربردی و عملکرد نهایی آن‌ها بسیار حائز اهمیت است. جریان‌پذیری بهتر هر ریختنی، امکان ایجاد پوشش خوب و ریخته‌گری اشکال پیچیده را فراهم می‌سازد. در این راستا، ریختنی‌های خودجریان‌پذیر (Self-flowing) بهترین گزینه هستند زیرا برای حرکت به انرژی خارجی نیاز ندارند. این مواد تحت وزن خود قادر به جریان یافتن بوده و بهترین عملکرد پوششی را می‌توان از این نوع ریختنی‌ها انتظار داشت. بار دیگر تأکید می‌شود که این جریان‌پذیری، در درجه اول وابسته به توزیع اندازه ذرات و تراکم سیستم ریختنی می‌باشد. بنابراین، همیشه یک مصالحه بین چگالی و استحکام در برابر سهولت نصب برای مواد ریختنی وجود داشته است.
بنابراین برای ریختنی‌ها، در مقایسه با دیرگدازهای شکل¬دار به یک مدل پکینگ متفاوت نیاز است. ریختنی‌ها دارای یک فاز زمینه پیوسته (شامل دانه‌های ریز، ماده اتصال دهنده و افزودنی‌ها) هستند و فاز دانه‌بندی پیوسته (مانند دیرگدازهای شکل¬دار) ندارند. دانه‌ها توسط فاز زمینه از یکدیگر جدا شده‌اند. در نتیجه، تماس نزدیک بین دانه‌ها وجود ندارد. اصطکاک کمتر بین ذرات دانه‌درشت و همچنین در کل توده ریختنی، به آن¬ها اجازه می‌دهد به راحتی حرکت کرده و جریان یابند.
از این رو برای ریختنی‌ها، متراکم‌ترین دانه بندی ذرات مطلوب نیست زیرا جریان را محدود می‌کند. بنابراین، یک مفهوم جدید توزیع اندازه ذرات مورد نیاز است که به آن توزیع پیوسته اندازه ذرات می‌گویند. در این توزیع، اندازه‌های ذرات به صورت پیوسته حضور دارند، نه به صورت گسسته. برای چنین الگویی از بخش‌های مختلف اندازه ذرات استفاده می‌شود. در این حالت فضاها به طور یکنواخت و با حداقل تماس بین ذرات درشت پر می¬شوند.
در یک توزیع پیوسته ایده‌آل، اندازه ذرات به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که هیچ شکاف یا جهش ناگهانی بین اندازه‌های مختلف وجود نداشته باشد. هر بخش ذرات، پل ارتباطی بین بخش درشت‌تر و ریزتر خود است. هر بخش اندازه مورد استفاده برای این نوع توزیع (درشت، متوسط و ریز)، دارای یک مقدار اندازه حداکثر و حداقل است. جایی که حداکثر اندازه یک بخش خاص، حداقل اندازه بخش درشت‌تر قبلی و حداقل اندازه، بخش درشت‌ترِ بخش ریزتر بعدی است. بدین ترتیب، کل محدوده ذرات به صورت پیوسته در سیستم حاضر است.
در یک توزیع پیوسته ایده‌ال، طیف کاملی از اندازه ذرات — از درشت‌ترین تا ریزترین — به صورت پیوسته و بدون حذف هیچ‌یک از اندازه‌های میانی حضور دارد. این امر تضمین می‌کند که هر فضای خالی بین ذرات درشت‌تر، به طور بهینه توسط ذرات ریزترِ هم‌اندازه با آن فضا پر می‌شود. در نتیجه، ساختاری یکپارچه، متراکم و عاری از نقاط ضعف (مانند تخلخل‌های موضعی یا تمرکز تنش) حاصل می‌گردد. این پیوستگی در توزیع اندازه‌ها، اساس دستیابی به خواص رئولوژیکی و مکانیکی برتر در ریختنی‌ها است. در حالی‌که در توزیع گسسته، تنها تعداد محدودی از اندازه‌های ذرات (عموماً دو یا سه اندازه مجزا) مورد استفاده قرار می‌گیرند که بخشی از محدوده کلی اندازه‌ها را پوشش می‌دهند و فاقد تداوم لازم در پرکردن فضاهای خالی بین ذرات هستند.