البحث في تحسين بنية وأداء طوب كربون المغنيسيا

للتكيف مع المتطلبات المتطورة لصناعة الصلب، لا سيما في مجال صناعة الصلب النظيف، والحفاظ على الطاقة، وخفض الانبعاثات، والاستخدام الأمثل للموارد، أصبح تطوير طوب كربون المغنيسيا منخفض الكربون محورًا بحثيًا حيويًا. ومع ذلك، غالبًا ما يُضعف تقليل محتوى الكربون مقاومة المادة للصدمات الحرارية ومقاومة تآكل الخبث، مما يستلزم ابتكارات في التصميم الإنشائي للحفاظ على أدائها أو تحسينه.

أولًا: استخدام مصادر الكربون النانوي

يستخدم طوب كربون المغنيسيا التقليدي عادةً رقائق الجرافيت كمصدر للكربون، مما يوفر مقاومة ممتازة للصدمات الحرارية والخبث. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التركيب المتباين الخواص للجرافيت بسهولة إلى تركيز الإجهاد الحراري والتشقق الهيكلي. وقد لجأ الباحثون إلى مصادر الكربون النانوي، مثل الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs)، والجرافيت الموسع (EG)، وأسود الكربون (CB)، لاستبدال جزء من الجرافيت في تركيبات طوب كربون المغنيسيا. تساعد هذه المواد النانوية في الحفاظ على استقرار الصدمات الحرارية ومقاومة الكسر في ظل ظروف منخفضة الكربون. ومع ذلك، فإن تطبيقاتها الصناعية محدودة بسبب تكلفتها العالية، وضعف تشتتها، وقابليتها للأكسدة والتدهور الهيكلي عند درجات الحرارة المرتفعة.

II. اختيار الركام وتعديل السطح

يُستخدم المغنيسيا المنصهرة عادةً كركام في طوب المغنيسيا الكربوني، إلا أن معامل تمددها الحراري العالي قد يُسبب تشققات مجهرية بعد التسخين المتكرر، مما يُضعف الهيكل. وقد حسّن الباحثون التوافق الحراري من خلال زيادة استخدام المغنيسيا متوسطة وكبيرة الحبيبات، أو من خلال استخدام ركام الإسبنيل (MgAl₂O₄). بالإضافة إلى ذلك، تُعزز طرق تعديل السطح - مثل رش البلازما، وطلاءات أكسيد الزركونيوم النانوي، ومعالجات مسحوق الألومنيوم - الترابط السطحي بين الركام والمصفوفة. وقد حسّنت هذه التعديلات من مقاومة الطوب للصدمات الحرارية، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من العمل لتحسين التحكم في سمك الطلاء، وجودة الترابط السطحي، والتجانس.

III. تعديل روابط راتنج الفينول

يتحلل راتنج الفينول، المستخدم عادةً كمادة رابطة في طوب المغنيسيا الكربوني، إلى كربون زجاجي أثناء المعالجة الحرارية، مما يؤدي إلى هشاشة وضعف في الأداء. ومن خلال إدخال محفزات معادن انتقالية مثل النيكل والحديد، تمكن الباحثون من تكوين أنابيب نانوية كربونية وغيرها من البنى النانوية الكربونية في الموقع أثناء التحلل الحراري. تتميز هذه الخصائص بقدرتها على امتصاص الإجهاد وانحراف الشقوق، مما يُحسّن المتانة وأداء الصدمات الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يُعزز هذا التعديل تكوين أطوار سيراميكية مثل MgAl₂O₄ وAlN. ومع ذلك، غالبًا ما تتركز البنى النانوية الكربونية في المسام، مُشكلةً فجوات ثانوية تُقلل من التوصيل الحراري ومقاومة التآكل. ويلزم تحسين التشتت وتوافق المصفوفة لتحقيق نتائج أفضل.

رابعًا: مضادات الأكسدة عالية الكفاءة وتكوين الطور السيراميكي في الموقع

لا تزال أكسدة مصادر الكربون مسارًا رئيسيًا لتحلل طوب المغنيسيا الكربوني في البيئات عالية الحرارة. لمواجهة ذلك، أدرج الباحثون مضادات أكسدة معدنية (مثل Al وSi وFe) وكربيدات (مثل SiC وB₄C)، والتي تتفاعل في الموقع عند درجات حرارة عالية لتكوين أطوار سيراميكية. هذه الأطوار - مثل β-Si₃N₄ على شكل شعيرات - قادرة على سد المسام، وزيادة الكثافة الظاهرية، وتحسين مقاومة الأكسدة والتآكل بشكل ملحوظ. في بعض الدراسات، تم أيضًا إدخال إضافات متطورة مثل Ti₃AlC₂ (مادة طور MAX) ومساحيق ZrN النانوية لتعزيز مقاومة الصدمات الحرارية لطوب كربون المغنيسيا منخفض الكربون.

V. اتجاهات التطوير والتحديات

على الرغم من التقدم الكبير المحرز في تحسين طوب كربون المغنيسيا منخفض الكربون من خلال إضافة الكربون النانوي، وهندسة المواد الخام، وتعديل الراتنج، والتعزيز الخزفي في الموقع، إلا أن العديد من التحديات لا تزال قائمة. وتشمل هذه التحديات ارتفاع تكاليف المواد الخام، وعمليات التصنيع المعقدة، وصعوبة توزيع الإضافات الوظيفية بالتساوي داخل المصفوفة. ينبغي أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين بنية الشبكة الخزفية، وتحسين آليات الترابط بين السطوح، وتطوير أساليب فعّالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير لتحضير المواد المضافة. ستدعم هذه الجهود التطبيق الأوسع لطوب الكربون المغنيسيا عالي الأداء ومنخفض الكربون في صناعة الصلب وغيرها من الصناعات عالية الحرارة.