المواد المقاومة للحرارة لأفران الأسمنت الدوارة: إنجاز مزدوج في حماية البيئة والأداء

يُعد فرن الأسمنت الدوار الجهاز الحراري الأساسي في أنظمة إنتاج الأسمنت، ويعتمد تشغيله المستقر طويل الأجل بشكل كبير على الأداء الشامل للمواد المقاومة للحرارة. مع توجه صناعة الأسمنت نحو التنمية الخضراء، تقوم الأفران الدوارة، بالإضافة إلى عملية تكليس الكلنكر، بمعالجة النفايات الصلبة مثل النفايات الصلبة البلدية وإطارات السيارات المستعملة والحمأة. على الرغم من أن بيئة درجات الحرارة العالية تُسهم في المعالجة الآمنة للنفايات الصلبة، إلا أن أبخرة القلويات وأملاح الكلوريد وأنظمة الخبث المعقدة الناتجة أثناء الاحتراق تُفاقم بشكل كبير التآكل والحمل الحراري على البطانة المقاومة للحرارة، مما يفرض متطلبات أعلى على مقاومتها للتآكل واستقرارها الحراري وعزلها الحراري وأدائها في توفير الطاقة.

"الثورة البيئية" في المواد المقاومة للحرارة: من المواد المحتوية على الكروم إلى المواد الخالية من الكروم

لطالما كانت المواد المقاومة للحرارة المصنوعة من أكسيد المغنيسيوم والكروم، نظرًا لمقاومتها الممتازة لدرجات الحرارة العالية ومقاومتها للتآكل، المادة الرئيسية للأجزاء الحيوية في أفران الأسمنت الدوارة. ومع ذلك، فإن الكروم سداسي التكافؤ (Cr⁶⁺) الذي تحتويه هذه المواد شديد السمية، مما يشكل مخاطر بيئية وصحية أثناء الإنتاج والاستخدام والتخلص منها. مع تشديد اللوائح البيئية، تدخل المواد المقاومة للحرارة في صناعة الأسمنت بسرعة عصر "المواد الخالية من الكروم"، حيث أصبحت مواد المغنيسيا-الألومينا سبينيل، والمغنيسيا-الحديد-الألومينا سبينيل، ومواد المغنيسيا-الكالسيوم خيارات بديلة تدريجيًا، ولكل منها مزاياها وقيودها الخاصة في الأداء والتطبيق.

تُعرف مواد المغنيسيا-الألومينا سبينيل المقاومة للحرارة بنقطة انصهارها العالية وصلابتها العالية ومعامل التمدد الحراري المنخفض، ولها مقاومة جيدة للتآكل لكل من الخبث الحمضي والقلوي، مما يجعلها من المواد الشائعة الاستخدام لبطانات أفران الأسمنت. ومع ذلك، فإن أداءها في تغطية الكلنكر ضعيف، مما يجعل من الصعب تكوين "طبقة واقية طبيعية" مستقرة، كما أن موصليتها الحرارية عالية نسبيًا، وهو ما لا يُساعد على عزل الفرن وتوفير الطاقة. تركز اتجاهات التحسين المستقبلية على تثبيت الطور البلوري عن طريق إضافة أكاسيد العناصر الأرضية النادرة وبناء هيكل مسامي دقيق لتقليل الموصلية الحرارية، مع الحفاظ على الأداء في درجات الحرارة العالية وتحسين كفاءة الطاقة وعمر الخدمة.

حققت مواد المغنيسيا-الحديد-الألومينا سبينيل المقاومة للحرارة، من خلال إدخال عناصر الحديد، تحسينًا في الأداء بناءً على نظام المغنيسيا-الألومينا سبينيل. لقد تحسنت قدرة هذه المواد على مقاومة التآكل الناتج عن الكلنكر، ومقاومة التآكل القلوي، ومقاومة الصدمات الحرارية بشكل ملحوظ، كما انخفضت موصليتها الحرارية نسبيًا، مما يجعلها مادة تطبيقية مهمة في منطقة الاحتراق. ومع ذلك، لا يزال هذا النظام يواجه تحديات مثل ارتفاع تكلفة المواد الخام ومحدودية إمكانية تحسين الخصائص الحرارية. ستركز الأبحاث المستقبلية على استخدام المنتجات الثانوية الصناعية لاستبدال بعض المواد الخام، وتبسيط عملية التلبيد، وتقليل الموصلية الحرارية ومعاملات التمدد الحراري من خلال إضافة مكونات متعددة.

تُعتبر المواد الحرارية المصنوعة من أكسيد المغنيسيوم والكالسيوم من أكثر المواد الحرارية الأساسية الواعدة الخالية من الكروم. يتفاعل أكسيد الكالسيوم الحر فيها بسهولة مع كلنكر الأسمنت، مما يُظهر أداءً ممتازًا في تبطين الأفران ومقاومة فائقة للوسائط القلوية عالية الحرارة، مع الاستفادة أيضًا من وفرة مصادر المواد الخام ومزايا التكلفة الكبيرة. ومع ذلك، فقد أعاقت مقاومتها الضعيفة للترطيب تطبيقاتها الهندسية لفترة طويلة. تُظهر الأبحاث الحالية أن إدخال أكسيد الزركونيوم وأكسيد الحديد النانوي لتكوين طور حماية مستقر يمكن أن يقلل بشكل كبير من معدل الترطيب. ومع ذلك، يبقى كيفية تثبيط الترطيب دون إضعاف قدرة تبطين الفرن تحديًا تقنيًا رئيسيًا للتطبيق واسع النطاق لهذا النظام.

التوقعات المستقبلية: بناء نظام مواد حرارية "شامل"

مع استمرار تقدم صناعة الأسمنت نحو اتجاهات منخفضة الكربون وذكية ومعالجة النفايات الصلبة، يتحول البحث والتطوير في المواد الحرارية للأفران الدوارة من تحسين الأداء الفردي إلى تصميم شامل متعدد الأبعاد. ستركز الأبحاث المستقبلية على ما يلي:

أولاً، استخدام المحاكاة العددية والبحث الميكانيكي للكشف بعمق عن آليات تكوين وتطور بطانة الفرن، مما يوفر أساسًا نظريًا لتصميم تركيبات المواد؛

ثانيًا، تعزيز التكامل التكنولوجي متعدد التخصصات، وإدخال تقنية النانو وطرق التصميم الهيكلي المستوحاة من الطبيعة لتحسين مقاومة التآكل والاستقرار الحراري بشكل منهجي.

ثانيًا، تعزيز التكامل التكنولوجي متعدد التخصصات، وإدخال تقنيات النانو وأساليب التصميم الهيكلي المستوحاة من الطبيعة لتحسين مقاومة التآكل والاستقرار الحراري بشكل منهجي؛

ثالثًا، التنسيق بين الأداء والتكلفة والخصائص البيئية لتطوير أنظمة مواد حرارية متخصصة أكثر ملاءمة لظروف التشغيل المعقدة واحتياجات المعالجة المشتركة للنفايات الصلبة.

من المواد المحتوية على الكروم إلى المواد الخالية منه، ومن مقاومة التآكل وحدها إلى توفير الطاقة الشامل وحماية البيئة، يُؤثر التطور التكنولوجي للمواد الحرارية المستخدمة في أفران الأسمنت الدوارة تأثيرًا عميقًا على مسار التنمية المستدامة لصناعة الأسمنت. ومع التقدم المستمر في مفاهيم تصميم المواد وتقنيات التصنيع، ستواصل المواد الحرارية عالية الأداء ومنخفضة التأثير البيئي توفير "حاجز حماية حرارية" أكثر موثوقية لأفران الأسمنت الدوارة.