לבני סיליקההם חומרים עקשן על בסיס חומצה- המורכבים בעיקר מטרידימיט, קריסטובליט וכמויות קטנות של שאריות קוורץ וזכוכית. הם מציעים עמידות חזקה בפני סיגים על בסיס חומצה-, אך הם רגישים לקורוזיה על ידי סיגים אלקליים ופגיעים לקורוזיה על ידי תחמוצות כגון Al₂O₃, K₂O ו- Na₂O. העמידות שלהם בעומס גבוהה, נעה בין 1640 מעלות ל-1680 מעלות, קרוב לנקודות ההתכה של טרידימיט וקריסטובליט (1670 מעלות ו-1713 מעלות, בהתאמה). החיסרון הגדול ביותר שלהם הוא ההתנגדות הנמוכה של זעזועים תרמיים, אבל העמידות שלהם דומה לעמידותם בעומס. הם עומדים בשימוש{10} לטווח ארוך בטמפרטורות גבוהות ללא עיוות, ומסייעים להבטיח את החוזק המבני של מבני בנייה במהלך הפעולה.
לבני סיליקה משמשות בעיקר בקירות מחיצה של תאי הפחממה והבעירה של תנורי קוק, כמו גם בגגות או קמרונות של בורות טבילה, תנורי פיצוץ חמים, תנורי חום פתוחים-חומצה וכבשני זכוכית. בטכנולוגיית ייצור ברזל, טכנולוגיות חדשות כמו הפחתה ישירה והפחתה מותכת הופכות בהדרגה לכוחות יצרניים. בתעשיית הקוקס פותח "קוק נוצר" המיוצר ללא שימוש בתנור קוק, שיכול להחליף חלקית קולה מסורתית.
לבנים עקשן סיליקה, כמו רוב הלבנים העקשניות המחוברות, מיוצרות בתהליך חצי-יבש ונשרפות בכבשני מנהרות. סדקים המתרחשים בתהליך הייצור הם אחת הסיבות העיקריות לשיעור הגריטה הגבוה.
סוגי סדקים בלבני סיליקה
סדקים בלבני סיליקון יכולים להיות מסווגים כמו סדקים משטחים וסדקים פנימיים, האחרונים ידועים גם בשם סדקי שכבה. סדקים על פני השטח מסווגים עוד כסדקים רוחביים, סדקים אורכיים וסדקים ברשת. לבני סיליקה מיוצרות בשיטת חצי-לחיצה יבשה-ליצירת גופים ירוקים צפופים. סדקים המתרחשים לאורך כיוון הלחץ המופעל על הגוף הירוק הם סדקים רוחביים, בעוד שסדקים המתרחשים בניצב לכיוון הלחץ הם סדקים אנכיים. סדקי רשת מורכבים ממספר סדקים המופצים בתבנית קורי עכביש על פני לבני סיליקה.
בדרך כלל, עבור לבני סיליקה סטנדרטיות, הגוף הירוק נלחץ בעובי שלו. תהליך היווצרות של לבני אש סיליקה הוא למעשה תהליך של דחיסה של החלקיקים בתוך הריק והוצאת אוויר, ובכך ליצור ריק צפוף. לאחר לחיצה במכונה, הלבנים מציגות יתרונות כמו צפיפות גבוהה, חוזק, ייבוש מינימלי וכיווץ שריפה וממדי מוצר נשלטים בקלות. עם זאת, אם תהליך הכבישה-במכונה נשלט בצורה לא נכונה, עלולים להיווצר סדקים למלריים בניצב לכיוון הלחץ בחסר במהלך תהליך הלחץ. לכן, סדקים למלריים, או פשוט למינציות, בתוך לבני סיליקה הם גם סדקים אורכיים.
ניתן לזהות למינציות גדולות מיד לאחר יצירת הלבנים או ייבושן. עם זאת, למינציות קטנות בתוך הלבנים הופכות למורגשות רק לאחר השריפה, מכיוון שהן ממשיכות להתרחב עקב מתחים תרמיים במהלך השריפה. לבנים המכילות סדקים, במיוחד למינציות, נוטות להישבר, מה שהופך אותן לבלתי שמישות ומפחיתות את התפוקה של מוצרי לבני סיליקה.
אמצעים מרכזיים להיווצרות ומניעת סדקים בלבני סיליקה
1. לחיצה במכונה
למינציות בלבני סיליקה נגרמות בעיקר על ידי שליטה לא נכונה של תהליך הכבישה-במכונה ולעיתים מכונים סדקים דחוסים-במכונה. חומרי הגלם והחסר של לבנים עקשניות סיליקה מורכבים משלושה שלבים של חומר: מוצק, מים או קלסרים אחרים ואוויר. במהלך כל התהליך של יציקת דחיסה מכנית או לחיצת קוביות, כמות הפאזות המוצקות והנוזליות אינה משתנה, בעוד שכמות האוויר בחסר נדחסת ומצטמצמת עקב פעולת הלחץ, וגם נפח החסר הדחוס מצטמצם בהתאם. ניתן לחלק באופן גס את תהליך לחיצת התבנית לשלושת השלבים הבאים: (1) בשלב הראשון, תחת פעולת הלחץ, החלקיקים בחסר מתחילים לנוע ולהתעצב מחדש לערימה צפופה יותר. המאפיין של תהליך זה הוא דחיסה ברורה. כאשר הלחץ עולה לערך מסוים, הוא נכנס לשלב השני. (2) בשלב השני החלקיקים עוברים עיוות שביר ואלסטי. לאחר דחיסת החסר במידה מסוימת, דחיסה נוספת נבלמת. כאשר הלחץ עולה ומגיע לכוח החיצוני שגורם לחלקיקים להתעוות שוב, הריק נדחס מחדש-, וצפיפות החסר גדלה בהתאם. שלב זה הוא שלב בו הדחיסה והלחץ הופכים לקצרים ותכופים. (3) בשלב השלישי, בלחץ הגבול, הצפיפות היחסית של הריק היא יציבה ביסודה וקשה להגדילה. לחיצת הקוביות של ריק הלבנים הושלמה. במהלך תהליך יציקת הדחיסה, יש לשלוט בהתרחבות המאוחרת של הגוף הירוק עקב תופעות לוואי אלסטיות לפחות מ-2%. אי ביצוע זה יגרום לרוב לדחיית המוצר במהלך תהליך הלחיצה. אם הגוף הירוק יוצר "צפיפות שכבתית" לאורך כיוון הלחץ המופעל, עם הפרש צפיפות העולה על 2%, סביר להניח שיתרחש סדקים בשכבות בתוך הגוף הירוק. זה מוביל להתפשטות תרמית לא אחידה במהלך השריפה, וכתוצאה מכך מתח תרמי משמעותי והיווצרות סדקים אורכיים במקביל לשכבות הצפיפות, וכתוצאה מכך דחיית המוצר.
במהלך יציקת דחיסה משתמשים בלחץ כדי להתגבר על חיכוך פנימי בין חלקיקים, חיכוך חיצוני בין חלקיקים לדופן התבנית ועיוות של הגוף הירוק הנלחץ. ככל שהמרחק מראש הלחיצה גדל, הלחץ הפנימי של הגוף הירוק יורד.
לכן, כאשר לוחצים על לבני סיליקה, עדיף להשתמש בתבניות קצרות עם יחס רוחב-גובה קטן, ולא בתבניות גבוהות עם יחס רוחב-גובה גדול, כדי להבטיח פיזור לחץ אחיד בתוך הגוף הירוק. במקביל, חומרים פלסטיים וחומרי שטח מסוימים מוכנסים לריק כדי להפחית את החיכוך הפנימי והפסדי העברת הלחץ; גימורים של עובש משופרים או משומנים כדי להפחית את החיכוך החיצוני; לחיצה דו-צדדית- משמשת להפחתת היחס L/D של הריק; ולחיצות מרובות, החל מקל ולאחר מכן כבד, משמשות כדי למנוע הצטברות לחץ מוגזמת בתוך הריק ולחסל תופעות לוואי אלסטיות. אמצעים אלה משפרים את אחידות הלחץ והצפיפות בתוך הריק. זה מונע צפיפות גבוהה ליד משטח הלחץ וצפיפות נמוכה הרחק ממשטח הלחץ בתוך ריק לבני הסיליקה, ובכך מפחית את היווצרות של צפיפות שכבות וסדקים.
בנוסף, החסר לבני סיליקה מוכנים על ידי ערבוב של אגרגט, קלינקר, אבקת טחנת כדורים, מינרליזטור, משקאות פסולת עיסת סולפיט ופלסטיקאי. שיפור תהליך הלישה הריק יכול גם לעזור להגדיל את צפיפות הריק. מבחינת טכנולוגיית הערבוב הפיזיקלית, תנועת החומרים באותו שלב נקראת ערבוב, תנועת החומרים בשלבים שונים נקראת ערבוב, וערבוב של נוזלים ומוצקים בצמיגות גבוהה- נקראת לישה (לישה וערבוב). באמצעות לישה נכונה ניתן לצפות אבקה עדינה מסביב לחלקיקים גדולים יותר, להסיר גזים ביעילות ולהגביר את הצפיפות של הלבנה, ובכך להפחית את נקבוביות הלבנה.
2. תהליך ירי
סינטרה של לבני סיליקה היא בעצם טרנספורמציה פוליקריסטלית של SiO2. תחת פעולתם של מינרליזטורים, חומר הגלם של הסיליקה מושחת באיטיות, הופך למעשה לטרידימיט וכריסטובליט, עם כמות קטנה בלבד של קוורץ שיורית. במהלך השימוש, לבני סיליקה חוות הרחבת נפח כוללת של 1.5% עד 2.2% כשהן מחוממות ל-1450 מעלות. התרחבות שיורית זו אוטמת את חיבורי הטיט, ומבטיחה אטימות טובה וחוזק מבני בבנייה של לבני סיליקה. יתר על כן, טרנספורמציה רב גבישית זו של SiO2 מכתיבה שלבני אש סיליקה יהיו המוקד של ניטור חומרים עקשן במהלך שלב השריפה הראשוני בכבשן, כאשר קצב חימום איטי ואחיד הוא המאפיין. מכיוון שהטרנספורמציה הגבישית של - ו--קריסטובליט בלבני סיליקה מלווה בהשפעה משמעותית של נפח בטווח הטמפרטורות של 150-300 מעלות, יש לנקוט משנה זהירות כדי להעלות לאט את הטמפרטורה בטווח זה במהלך שריפת הכבשן.
ניתן לסכם את השינויים הפיזיקליים והכימיים המתרחשים במהלך השריפה של לבני סיליקה באופן הבא:
① שאריות לחות בלבנים מוסרת מתחת ל-150 מעלות.
② Ca(OH)2 מתחיל להתפרק בין 450-550 מעלות ומסתיים ב-550 מעלות. בשלב זה, הקשרים בין חלקיקי לבני הסיליקה נשברים על ידי פעולת CaO וחומרים אחרים, וכתוצאה מכך ירידה בחוזק ולבנה שבירה.
③ ב-550-650 מעלות, לבני קוורץ הופכות למונוקוורץ, מה שגורם להרחבת נפח.
④ ב-600-700 מעלות, מתרחשת תגובה של פאזה מוצקה בין CaO ל-SiO2, המגבירה את חוזק הלבנים.
⑤ ב-800-1100 מעלות, מתרחשת בלבנים תגובה נוזלית-, המגבירה במהירות את חוזק הלבנים. החל מ-1100 מעלות, קצב המרת הקוורץ עולה באופן משמעותי, ונוצר קוורץ בצפיפות נמוכה, מה שגורם להרחבת נפח משמעותית.
⑥ ב-1300-1350 מעלות, עקב העלייה בכמות הטרידימיט והקריסטובליט, המשקל הסגולי האמיתי של הגוף הירוק יורד, והתרחבות הנפח גדלה, מה שעלול להוביל לסדקים.
⑦ ב-1350-1470 מעלות, מידת המרת הקוורץ וההרחבה הנובעת מכך גדולים מאוד. רק מונוקוורץ, קריסטובליט מט-יציי, מינרליזטורים וזיהומים מקיימים אינטראקציה ליצירת שלב נוזלי, ופולשים לחלקיקי הקוורץ ליצירת סדקים כאשר נוצר קריסטובליט מט-יציי, מה שמקדם פירוק רציף של מונוקוורץ וקריסטובליט מט-יציי בשלב הנוזלי שנוצר, מה שהופך אותו לשלב הנוזלי שנוצר, מה שהופך אותו לחלקיקי הקוורץ ליצירת סדקים, וממיסים ברציפות את ההמסה והחמצן המתכת בסיליקון, וממיסים ברציפות צורה של טרידימיט יציב. בשלב זה, ככל שהצמיגות של השלב הנוזלי גדול יותר, כך מהירות ההמרה של לבני סיליקה תהיה מהירה יותר, והאפשרות לסדקים בגוף ירוק הלבנים גדלה. לכן, על מנת למנוע מלבנת הסיליקה לעבור שינויים בצורת גביש במהלך תהליך השריפה, המלווים בשינויי נפח גדולים המובילים להיווצרות סדקים, יש לנקוט באמצעי התהליך הבאים:
(1) בקרת קצב החימום של טווחי טמפרטורות שריפה שונים. יש להאט את קצב החימום כאשר הטמפרטורה נמוכה מ-600 מעלות. ניתן להאיץ את קצב החימום כאשר הטמפרטורה היא בין 600 מעלות ל-1000 מעלות. קצב החימום צריך להיות איטי כאשר הטמפרטורה היא בין 1100 מעלות ל-1300 מעלות. כאשר הטמפרטורה היא בין 1300 מעלות לטמפרטורת השריפה (1430 מעלות עד 1450 מעלות), קצב החימום צריך להיות האיטי ביותר במהלך תהליך השריפה. כאשר לבני הסיליקה המשורפות מתקררות מתחת ל-600 מעלות, במיוחד ב-300 מעלות, יש לקרר אותן באיטיות. זה יכול למעשה לחסן את השינוי בנפח של טרנספורמציה הגבישית, להגדיל את התוכן של טרידימיט וקריסטובליט ולהימנע מהיווצרות סדקים.
(2) יש להשתמש באווירה מצמצמת במהלך שלב השריפה בטמפרטורה-גבוהה, אשר תורמת למינרליזציה של תחמוצת ברזל נמוכה- ומקדמת את הייצור-בקנה מידה גדול של טרידימיט. אחרת, באווירה מחמצנת, במיוחד כאשר המינרליזטור אינו מספיק, רוב הקוורץ - הופך לכריסטובליט -. המרה זו נקראת "המרה יבשה". במהלך המרה יבשה, עקב התרחבות נפח לא אחידה של גוף הלבנים והיעדר מתח חציצה של שלב נוזלי, מבנה המוצר ישתחרר וסדוק. יחד עם זאת, יש לבצע בידוד נכון בשלבי טמפרטורה שונים של שריפת לבני סיליקה על מנת להבטיח שלבני הסיליקה הרכב פאזה סביר ועומדות בדרישות השימוש.
(3) שפר את מערכת טעינת המוצרים המוגמרים למחצה- כדי להפחית את ההסתברות לסדקים. סדקים רוחביים בלבני עקשן סיליקה, כלומר סדקים במקביל לכיוון הלחץ של המוצר, נגרמים לרוב מחימום לא אחיד של חלקי המוצר השונים בזמן השריפה. הם מופיעים בעיקר על המשטח החשוף-לאש מחוץ לערימת הלבנים, במיוחד על פני השטח של המוצר העליון. סדקי הרשת על פני השטח של לבני אש סיליקה, בנוסף לאי אחידות המיקרוסקופית של הגוף הירוק עצמו עקב לישה לא אחידה או שינויים בחומרי הגלם, נגרמים בדרך כלל מחימום המוצר בטמפרטורה גבוהה מדי עם תנודות גדולות. בעת הטעינה, יש למקם לבני סיליקון מיוחדות בתוך מכונית הכבשן, ולבנים רגילות רגילות צריכות להיות ממוקם מחוץ למכונית הכבשן; יש למקם את החלקים הבולטים של לבנים בצורת- מיוחדות או חלקים המועדים לסדקים פנימה; יש לכסות את החלק העליון של מכונית הכבשן בכמה לבנים דקות כדי למנוע פגיעה ישירה מהלהבה וכו'. אחרת, יתרחשו סדקים נוספים.
סדקים הם גורם מרכזי המשפיע על התפוקה והביצועים של לבני סיליקון. שליטה בתהליכי הדפוס והשריפה היא המפתח למניעת סדקים בלבני סיליקה. המרות תיאורטיות וממשיות של חומרי גלם סיליקה משתנות, ויש להתאים את לוח הזמנים של השריפה בזמן אמת על סמך שינויים בחומרי הגלם, סוג הלבנים וגורמים נוספים. ההכנה והאיכות של ריקים לבני סיליקה הם גורמים חשובים, אפילו קריטיים. רק על ידי שליטה קפדנית בכל שלב בתהליך ניתן לייצר לבני סיליקה בעלות ביצועים גבוהים ביעילות ובצריכת אנרגיה נמוכה.
