طوب المغنيسيا والمنتجات الحرارية القائمة على المغنيسيا للاستخدام في درجات الحرارة العالية

يُعد طوب المغنيسيا مادة حرارية قاعدية (أساسية) تُنتج من المغنيسيت المُلبَّد الذي تتجاوز درجة نقاوته 87%. وفي طوب المغنيسيا، يعمل معدن "البريكلاس" (Periclase) بمثابة الطور البلوري الرئيسي، بينما تُشكّل الأطوار الثانوية - مثل الإسبينيل المركب، والمونتيسيليت، والفورستيريت، بالإضافة إلى كمية صغيرة من الطور الزجاجي - البنية المجهرية للمادة. يُظهر طوب المغنيسيا مقاومة قوية للبيئات القلوية، في حين تكون مقاومته للوسائط الحمضية ضعيفة. كما أن مواد مثل أكسيد البورون (B₂O₃) تُحدث تأثيراً صهارياً قوياً على طوب المغنيسيا؛ إذ يمكن حتى للكميات الضئيلة من B₂O₃ الموجودة في الطوب أن تقلل من مقاومته للزحف (Creep) عند درجات حرارة تتراوح بين 1200 درجة مئوية و1250 درجة مئوية.

ينتمي الطور الرابط في طوب المغنيسيا بشكل أساسي إلى نظام CMS-M₂S، وهو ما يمنح الطوب موصلية حرارية جيدة. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض الموصلية الحرارية لطوب المغنيسيا، بينما تزداد سعته الحرارية. يتميز طوب المغنيسيا بمقاومة حرارية عالية (Refractoriness)، تتجاوز عموماً 2000 درجة مئوية، إلا أن درجة حرارة التلين تحت الحمل (Load softening temperature) تبلغ حوالي 1550 درجة مئوية. كما يتسم طوب المغنيسيا بمقاومة ضعيفة نسبياً للصدمات الحرارية. ويعتمد أداء طوب المغنيسيا على خصائص المواد الخام، والتركيب المعدني، والبنية المجهرية، كما يرتبط ارتباطاً وثيقاً بكثافة الطوب نفسه.

أما طوب المغنيسيا-السيليكا، فيُستخدم في إنتاجه المغنيسيت عالي السيليكا كمادة خام، حيث يتراوح محتوى ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) فيه عادةً بين 5% و11%. ويؤثر هذا التركيب على الأطوار المعدنية وأداء طوب المغنيسيا في تطبيقات محددة.

المواد الخام وعملية الإنتاج

يقوم المصنعون بإنتاج طوب المغنيسيا عن طريق سحق المواد الخام المغنيسية وتحويلها إلى ركام خشن ومساحيق دقيقة. ويقوم العمال بتحديد نسب المواد وفقاً لتركيبات محددة، ثم يضيفون إليها مواد رابطة لخلطها والحصول على دفعة متجانسة. بعد ذلك، يتم تشكيل الخليط، وتجفيفه، وحرقه لتكوين طوب المغنيسيا المُلبَّد. وتتراوح درجة حرارة الحرق لطوب المغنيسيا العادي بين 1500 درجة مئوية و1650 درجة مئوية، في حين يتطلب طوب المغنيسيا عالي النقاوة درجات حرارة حرق تتراوح بين 1700 درجة مئوية و1900 درجة مئوية. يتبع طوب المغنيسيا المُرتبط كيميائيًا مسار إنتاج مشابهًا، ولكنه يستخدم مواد رابطة كيميائية بدلًا من التلبيد بدرجة حرارة عالية. لا يتطلب هذا النوع من طوب المغنيسيا درجات حرارة حرق عالية، ويكفيه معالجة حرارية مناسبة بدرجة حرارة منخفضة لتشكيل طوب مغنيسيا غير محروق.

يتميز طوب المغنيسيا بمقاومة ضعيفة للترطيب. فعند تعرضه للماء، يتفاعل بسهولة مع الماء، مما يؤدي إلى تشققه وانخفاض قوته. لذلك، يجب على المصنّعين والمستخدمين حماية طوب المغنيسيا من الرطوبة والمطر والثلج أثناء التخزين والنقل.

طوب المغنيسيا-الكروم

طوب المغنيسيا-الكروم هو منتج حراري أساسي يحتوي على 55%–80% من أكسيد المغنيسيوم (MgO) و8%–20% من أكسيد الكروم الثلاثي (Cr₂O₃). تتكون بلورات طوب المغنيسيا-الكروم الرئيسية من البيريكلاس والإسبينيل المركب (XO·Y₂O₃). في هذا التركيب، يتكون أكسيد الزانثان (XO) بشكل أساسي من أكسيد المغنيسيوم (MgO) وأكسيد الحديد (FeO)، بينما يتكون أكسيد الإيتريوم (Y₂O₃) بشكل أساسي من أكسيد الكروم (Cr₂O₃) وأكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) وأكسيد الحديد (Fe₂O₃). النسبة المولية لأكسيد الزانثان إلى أكسيد الإيتريوم متساوية تقريبًا، ويذوب فائض أكسيد الإيتريوم في الإسبينيل المركب. كما توجد كميات ضئيلة من أطوار السيليكات، مثل الفورستريت والمونتيسيلليت.

يُصنع طوب المغنيسيا-الكروم باستخدام المغنيسيا والكروميت عاليي الجودة المُلبّدين كمواد خام رئيسية. يحتوي الكروميت عادةً على 30%–15% من أكسيد الكروم (Cr₂O₃) و1%–5% من أكسيد الكالسيوم (CaO). عملية إنتاج طوب المغنيسيا-الكروم مشابهة لعملية إنتاج طوب المغنيسيا. يستخدم طوب المغنيسيا-الكروم المُرتبط كيميائيًا محاليل أملاح المغنيسيوم غير العضوية كمواد رابطة.

أثناء عملية الحرق، تتفاعل أكاسيد المغنيسيوم (MgO) مع أكاسيد الكروم (Cr₂O₃) أو الألومنيوم (Al₂O₃) أو الحديد لتكوين أطوار الإسبينيل، مما قد يُسبب تمددًا وتفككًا. ولتجنب هذه المشاكل، يُمكن استخدام الكلنكر المُصنّع مُسبقًا من المغنيسيا والكروم. يجب إجراء عملية الحرق عند درجة حرارة أعلى من 1600 درجة مئوية في جو مؤكسد. في حال تغير الجو، قد يخضع أكسيد الحديد الثلاثي (Fe₂O₃) الموجود في الكروميت لتفاعلات أكسدة واختزال، مُكوّنًا أكاسيد حديد مختلفة، بينما قد يُختزل الكروم الثلاثي (Cr₂O₃) أيضًا إلى حالات تكافؤ أخرى. قد تُلحق هذه التفاعلات المتكررة الضرر بطوب المغنيسيا-الكروم، لذا يُفضّل عمومًا استخدام المنتجات ذات المحتوى العالي من أكسيد المغنيسيوم (MgO) والمحتوى المنخفض من أكسيد الكروم الثلاثي (Cr₂O₃).

أنواع طوب المغنيسيا-الكروم

بناءً على المواد الخام وعمليات الإنتاج، يُمكن تصنيف طوب المغنيسيا-الكروم إلى عدة أنواع:

طوب المغنيسيا-الكروم المصبوب بالصهر

يُصنع طوب المغنيسيا-الكروم المصبوب بالصهر عن طريق الصهر الكهربائي وصب المغنيسيا والكروميت. يتميز هذا النوع من الطوب بمسامات كبيرة ولكنها معزولة، وكثافة عالية، وقوة عالية، ومقاومة عالية للتآكل. يتأثر طوب المغنيسيا-الكروم المصبوب بالصهر بتغيرات درجة الحرارة، ولكنه يتميز بثبات حراري جيد ودرجة حرارة تليين عالية تحت الأحمال.

طوب المغنيسيا-الكروم ذو الترابط المباشر

يُصنع طوب المغنيسيا-الكروم ذو الترابط المباشر من المغنيسيا المُلبَّدة ومعدن الكروميت، مع الحفاظ على محتوى منخفض من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂). ويتم حرقه عند درجات حرارة تتجاوز 1700 درجة مئوية لتكوين ترابط مباشر بين حبيبات البيريكلاس والكروميت. وتشمل خصائصه النموذجية ما يلي: 82.61% أكسيد المغنيسيوم (MgO)، و8.72% أكسيد الكروم (Cr₂O₃)، و2.02% ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂)، ومسامية ظاهرية بنسبة 15%، وكثافة ظاهرية قدرها 3.08 جم/سم³، ومقاومة للضغط تبلغ 59.8 ميجاباسكال، ودرجة حرارة التلين تحت الحمل تبلغ 1765 درجة مئوية، ومقاومة للصدمات الحرارية (عند التبريد بالماء من 1100 درجة مئوية) تصل إلى 14 دورة، ومقاومة للانحناء تبلغ 8.33 ميجاباسكال.

طوب المغنيسيا-الكروم ذو الترابط السيليكاتي

يُنتج طوب المغنيسيا-الكروم ذو الترابط السيليكاتي باستخدام المغنيسيا المُلبَّدة والكروميت بنسب ملائمة، ويتم حرقه عند درجة حرارة تقارب 1600 درجة مئوية. ويشمل تركيبه المعدني البيريكلاس، والإسبينيل، وكميات صغيرة من السيليكات. كما يشمل تركيبه الكيميائي النموذجي نسباً تتراوح بين 2.98% و4.50% لثاني أكسيد السيليكون (SiO₂)، وبين 61.75% و72.69% لأكسيد المغنيسيوم (MgO)، وبين 10.04% و14.90% لأكسيد الكروم (Cr₂O₃). وتتراوح المسامية الظاهرية لهذا الطوب بين 18% و21%، ومقاومة الضغط بين 36.1 و50.0 ميجاباسكال، ودرجة حرارة التلين تحت الحمل بين 1600 و1640 درجة مئوية.

طوب المغنيسيا-الكروم المُعاد ترابطه وشبه المُعاد ترابطه

يُنتج طوب المغنيسيا-الكروم المُعاد ترابطه من مادة "الكلنكر" المنصهرة من المغنيسيا والكروم، وذلك من خلال عملية إعادة التلبيد. ويحتوي هيكل هذا الطوب على مسام موزعة بانتظام وأطوار مصفوفة دقيقة تتخللها شقوق دقيقة (ميكروية)، مما يعزز مقاومته للصدمات الحرارية مقارنةً بالمنتجات المصبوبة المنصهرة. أما طوب المغنيسيا-الكروم شبه المُعاد ترابطه، فيجمع بين خصائص النوع المُعاد ترابطه والنوع ذي الترابط المباشر؛ وتتفاوت خصائصه النموذجية، إلا أنها تُظهر عموماً توازناً جيداً في كل من المتانة والأداء الحراري.

طوب المغنيسيا-الكروم المُتفاعل مسبقاً

يُستخدم في تصنيع طوب المغنيسيا-الكروم المُتفاعل مسبقاً مادة "الكلنكر" المكونة من المغنيسيا والكروم، والتي تكون قد خضعت لتفاعل مسبق بشكل كلي أو جزئي. تحدث تفاعلات جزئية بين المغنيسيا والكروميت أثناء التكليس، مما يقلل المسامية ويحسن مقاومة درجات الحرارة العالية. يتميز هذا النوع بتكلفة إنتاج أقل مقارنةً بالمنتجات المعاد ربطها.

طوب المغنيسيا والكروم المُرتبط كيميائيًا (غير المحروق)

يُصنع طوب المغنيسيا والكروم غير المحروق عن طريق خلط المغنيسيا والكروميت المُلبّدين مع مواد رابطة كيميائية ومعالجتهما في درجات حرارة منخفضة. تتصلب بعض المنتجات في درجة حرارة الغرفة، بينما يتطلب البعض الآخر تسخينًا متوسطًا. أثناء الاستخدام في درجات حرارة عالية، تتشكل أطوار ربط خزفية، مما يُحسّن الأداء. تشمل الخصائص النموذجية: MgO 52.73%، Cr₂O₃ 18.08%، SiO₂ 5.0%، مسامية ظاهرية 10.9%، مقاومة ضغط 58 ميجا باسكال، ودرجة حرارة تليين تحت الحمل تتراوح بين 1520 و1530 درجة مئوية.