China kiln refractory bricks

بحث حول تآكل طوب الكوراندوم وطوب الموليت بسبب خبث الفرن الدوار

خلاصة

تُركز هذه الدراسة على مشكلة تآكل طوب الكوراندوم الحراري وطوب الموليت الحراري في منطقة احتراق أفران حرق النفايات الخطرة الدوارة. بأخذ عينات من الطوب المُستعمل من شركة مُعينة، واستخدام تقنيات XRD وSEM وEDS لتحليل البنية الدقيقة وتركيب الطوب المتبقي، استكشفنا آلية تآكل طوب الكوراندوم وطوب الموليت تحت تأثير الخبث المُحتوي على الهالوجينات وأملاح الصوديوم العالية. أظهرت النتائج أن أملاح الصوديوم وأملاح البوتاسيوم، بالإضافة إلى عناصر مثل البروم والكلوريد في الخبث، تتمتع بقدرة تآكل واختراق عالية. إن المواد ذات نقطة الانصهار المنخفضة والكثافة المنخفضة مثل كلوريد الصوديوم، وبروم البوتاسيوم، والصوداليت المتولدة في المصفوفة لا تقلل فقط من أداء الطوب في درجات الحرارة العالية في منطقة الاحتراق، مما يؤدي إلى تسريع التآكل والتآكل بواسطة المواد، ولكنها تسبب أيضًا توسعًا لا رجعة فيه في حجم الطوب، مما يؤدي إلى التقشر أثناء تشغيل الفرن الدوار.

1. المقدمة

مع التطور السريع للصناعة، يتزايد إنتاج النفايات الخطرة يومًا بعد يوم. وقد استُخدمت أفران حرق النفايات الخطرة الدوارة، باعتبارها المعدات الأساسية لمعالجة النفايات الخطرة، على نطاق واسع نظرًا لكفاءتها العالية وقدراتها على المعالجة المستقرة. وكثيرًا ما يُستخدم طوب كوراندوم الحراري، المعروف بصلابة وصلابته العالية، وطوب موليت، المعروف بثباته الحراري الجيد ومقاومته للتآكل، في الأجزاء الرئيسية من الأفران الدوارة، وخاصة منطقة الاحتراق. إلا أن التركيب المعقد للنفايات الخطرة يؤدي إلى إنتاج خبث يحتوي على هالوجينات (مثل الكلور والبروم) وأملاح صوديوم عالية المحتوى أثناء عملية الحرق. ويؤدي هذا الخبث إلى تآكل طوب كوراندوم وطوب موليت بشدة، مما يُقصّر من عمر الطوب، ويتطلب صيانة متكررة للفرن الدوار، ويزيد من تكلفة ومخاطر السلامة المتعلقة بمعالجة النفايات الخطرة. لذلك، فإن استكشاف آلية تآكل مثل هذه الخبث على الطوب الكوراندوم والطوب الموليت له أهمية كبيرة لتحسين استقرار وكفاءة اقتصادية أفران حرق النفايات الخطرة الدوارة.

2. القسم التجريبي

2.1 جمع العينات

تم اختيار طوب كوراندوم وطوب موليت مستعملين من منطقة احتراق فرن دوار لحرق النفايات تابع لشركة معالجة نفايات خطرة. أُخذت عينات من نقاط متعددة في مواقع مختلفة (مثل منتصف جدار الفرن، بالقرب من مدخل التغذية، إلخ) لضمان تمثيل العينات. قُطعت العينات بأحجام مناسبة: استُخدم بعضها لملاحظة شكلها العياني، وطُحن بعضها الآخر إلى مسحوق لتحليل تركيبها، بينما حُفظت العينات المتبقية في بنيتها الأصلية لأبحاث البنية المجهرية.

2.2 طرق التحليل

١. تحليل حيود الأشعة السينية (XRD): استُخدم جهاز حيود الأشعة السينية لاختبار مسحوق الطوب الأرضي. بتحليل أنماط الحيود، تم تحديد تركيب طور الطوب والأطوار الجديدة المتكونة بعد تآكل الخبث، واستكشاف قواعد تغير الطور.

2. المجهر الإلكتروني الماسح (SEM): بعد رش العينات بالذهب، تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح لمراقبة البنية الدقيقة للطوب، بما في ذلك شكل المصفوفة والركام، وتوزيع الشقوق، وخصائص واجهة التآكل، للحصول على معلومات هيكلية مجهرية.

3. مطيافية تشتت الطاقة (EDS): تم إجراء مطيافية تشتت الطاقة، بالاشتراك مع المجهر الإلكتروني الماسح، على مناطق مختلفة من الطوب لتحديد التركيب العنصري وتوزيع المحتوى لكل جزء، وتوضيح مسار الاختراق ومناطق الإثراء لمكونات الخبث في الطوب.

3. النتائج والمناقشة

3.1 تحليل مورفولوجيا العيانية

أظهر طوب كوراندوم وطوب موليت الحراري المُستخدم خصائص تآكل واضحة على السطح. في بعض المناطق، كان سطح طوب كوراندوم الحراري خشنًا مع وجود العديد من حفر التقشر بأعماق متفاوتة، بينما أظهر طوب موليت الحراري تشققات وتآكلًا أكثر في الحواف. تآكلت حواف وزوايا بعض الطوب بشدة، وانخفضت أبعادها بشكل ملحوظ. في المناطق ذات تركيز الخبث العالي، مثل المناطق القريبة من مدخل التغذية، كان تآكل كلا النوعين من الطوب أكثر حدة، مما يشير إلى أن درجة تلامس الخبث ومدة بقائه مع الطوب لهما تأثير كبير على تأثير التآكل.

3.2 نتائج تحليل حيود الأشعة السينية

كان الطور الرئيسي لطوب كوروندوم الحراري الأصلي هو كوروندوم ($Al_2O_3$)، وتألف طوب الموليت بشكل أساسي من الموليت ($3Al_2O_3 \cdot 2SiO_2$. بعد تآكل الخبث، ظهرت قمم طور جديدة في أنماط حيود الأشعة السينية، بما في ذلك سوداليت ($Na_8[AlSiO_4]_6Cl_2$)، وكلوريد الصوديوم ($NaCl$)، وبروميد البوتاسيوم ($KBr$)، إلخ. تولد السوداليت عن طريق التفاعل الكيميائي بين أملاح الصوديوم في الخبث ومكونات الطوب. استهلك تكوينه المراحل الرئيسية في الطوب، مما أدى إلى تدمير البنية الأصلية للطوب. أدى وجود أملاح منخفضة درجة الانصهار مثل $NaCl$ و $KBr$ إلى تقليل درجة انصهار سطح الطوب، مما جعل كل من طوب كوروندوم وطوب موليت أكثر عرضة للتآكل بواسطة المواد في درجات الحرارة العالية.

3.3 نتائج تحليل SEM - EDS

١. الخصائص المجهرية: أظهرت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) تآكلًا شديدًا في جزء المصفوفة في كلٍّ من طوب الكوراندوم والطوب الحراري الموليت. عند سطح التآكل، ظهرت شقوق ومسام دقيقة كثيرة، وتغلغل الخبث داخل الطوب عبر هذه القنوات. في طوب الكوراندوم، أحاط الخبث ببلورات الكوراندوم تدريجيًا وذابت؛ أما في طوب الموليت الحراري، فقد تضرر هيكل الموليت. ومع ازدياد التآكل، ضعفت قوة الترابط بين الجسيمات في كلا النوعين من الطوب.

2. قانون توزيع العناصر: أشار تحليل EDS إلى أن عناصر مثل Na وK وBr وCl في الخبث موزعة على سطح الطوب وداخله. على سطح الطوب، كان محتوى هذه العناصر مرتفعًا نسبيًا. ومع امتداده إلى داخل الطوب، انخفض محتوى العناصر تدريجيًا، ولكن لا يزال هناك إثراء واضح حول الشقوق والمسام. من بينها، تفاعل عنصر Na مع المكونات الموجودة في الطوب لتكوين سوداليت، مما أدى إلى إنشاء شبكة طورية منخفضة نقطة الانصهار مستمرة في المصفوفة. يوجد عنصرا Cl وBr بشكل أساسي في شكل هاليدات. كانت هذه الهاليدات منخفضة نقطة الانصهار سائلة عند درجات حرارة عالية، مما أدى إلى تسريع اختراق الخبث في الطوب.

3.4 مناقشة آلية التآكل

١. التآكل الكيميائي: تتفاعل أملاح الصوديوم (مثل Na2O) الموجودة في الخبث كيميائيًا مع مكونات طوب الكوراندوم والطوب الحراري الموليتي لتكوين أطوار منخفضة درجة الانصهار مثل الصوداليت، مما يقلل من مقاومته للحرارة ومتانته في درجات الحرارة العالية. في الوقت نفسه، تتفاعل عناصر الهالوجين مثل الكلور والبروم مع المكونات المعدنية في الطوب لتكوين هاليدات متطايرة، مما يزيد من إتلاف هيكل الطوب. يُغير التآكل الكيميائي تركيب الطور والتركيب الكيميائي للطوب، مما يُضعف أدائه.

٢. التأثيرات الفيزيائية: تذوب المواد منخفضة نقطة الانصهار والكثافة، مثل كلوريد الصوديوم (NaCl) وبروم البوتاسيوم (KBr)، عند درجات حرارة عالية، وتملأ مسام وشقوق الطوب، مما يتسبب في تمدده الحجمي. ونتيجةً لتقلبات درجات الحرارة أثناء تشغيل الفرن الدوار، يُولّد هذا التمدد الحجمي غير القابل للعكس تركيزًا للإجهاد داخل الطوب. وعندما يتجاوز الإجهاد حدّ قوة الطوب، يحدث التقشر. إضافةً إلى ذلك، يُقلّل وجود خبث منخفض نقطة الانصهار من لزوجة سطح الطوب، مما يُسهّل تآكل المواد وتآكل الطوب، مما يُسرّع تآكل طوب الكوراندوم وطوب الموليت.

4. الخاتمة

1. الخبث المحتوي على الهالوجينات وأملاح الصوديوم العالية في أفران حرق النفايات الخطرة الدوارة له تأثير تآكل قوي على الطوب الكوراندوم والطوب الحراري الموليت، وذلك بشكل رئيسي من خلال التآكل الكيميائي والتأثيرات الفيزيائية.

٢. يؤدي التآكل الكيميائي إلى تغيير في طور الطوب، مما يُنتج أطوارًا منخفضة درجة الانصهار، مثل السوداليت. أما التأثيرات الفيزيائية فتتسبب في تمدد حجم الطوب وتقشره نتيجةً لتكوين مواد منخفضة درجة الانصهار، وفي الوقت نفسه، تُفاقم تآكل الطوب وتآكله بفعل المواد.

٣. تكشف هذه الدراسة عن آلية التآكل، مما يوفر أساسًا نظريًا لتطوير مواد حرارية جديدة ذات مقاومة ممتازة للتآكل، وتحسين تصميم واستخدام طوب الكوراندوم وطوب الموليت الحراري في أفران حرق النفايات الخطرة الدوارة. ويمكن أن تركز الأبحاث اللاحقة على منع تكوين الأطوار منخفضة نقطة الانصهار، وتحسين أداء الطوب المقاوم للتمدد، مما يزيد من عمر المواد الحرارية.