خصوصیات نسوز کوره بلند (Blast Furnace Refractories) در قسمت های مختلف را با توجه به شرایط کار آن ناحیه می توان به شکل زیر تقسیم بندی نمود:

الف) گلوی کوره تا خط بار

این ناحیه کوره بلند، تحت تاثیر نیروهای ضربه ای و سایشی شدید قرار دارد. عامل مخرب دیگری که در این ناحیه وجود دارد، رسوب کربن است. به منظور جلوگیری از اثرات مضر ضربه و سایش، نسوز گلوی کوره بلند، با صفحات فولادی مقاوم به سایش پوشیده و تجهیز می شود. اما این صفحات کاتالیزور مناسبی برای واکنش رسوب کربن هستند. به منظور کم کردن این اثر، می توان صفحات مزبور را پوشش داد یا از عملیات ماسه زنی استفاده کرد. طراحی دهانه کوره بلند نیز سهم به سزایی در خوردگی و سایش دیواره ها دارد. شکل زیر دو نوع دهانه را در حالت ابتدایی و پس از فرسایش نشان می دهد.

مسئله دیگری که در نسوز این ناحیه از کوره ممکن است رخ دهد، رسوب فلزاتی مثل روی و سرب در داخل نسوز است که باعث انهدام آن ها می شود. اگر چه تخریب قلیایی ها در قسمت های پایین تنوره کوره بلند چشمگیرتر است، ولی تا حدود خط بار نیز تاثیر قلیایی هایی مانند اکسیدهای سدیم و پتاسیم و ... بر روی نسوزها مشاهده شده است.

ب) بدنه کوره یا تنوره

تنوره کوره بلند فعال ترین محل برای واکنش رسوب کربن است. با توجه به اینکه واکنش به دما وابسته است و در دمای حدود 450 درجه سانتی گراد بیشترین سرعت را دارد، بنابراین واکنش مزبور بر حسب فاصله از خط بار می تواند در مقاطع و ضخامت های مختلف از نسوز تنوره کوره بلند رخ دهد. مثلا در قسمت های پایین تنوره کوره بلند، بیشترین رسوب کربن در مناطقی از دیواره نسوز که نزدیک به جوشن است رخ می دهد در حالیکه در قسمت های بالای تنوره، رسوب کربن بیشتر در آجرهای نزدیک به داخل کوره و در سطح داخلی کوره بلند رخ می دهد. بنابراین، خسارت مربوط به رسوب کربن در تمام طول تنوره و در تمام ضخامت دیواره کوره بلند وارد می شود.

در کوره های جدید که دیواره تنوره به وسیله جعبه های آب سرد می شود مسئله ذکر شده در بالا وجود ندارد. دو سوم پایین تنوره کوره بلند حساس ترین ناحیه برای فعالیت و خسارت ناشی از قلیایی ها است. در نسوز های تخریب شده که از این نواحی بدست آمده گاهی تا 30 درصد عناصر قلیایی مشاهده شده است. واکنش عناصر قلیایی با نسوز دیواره کوره بلند باعث تشکیل ترکیبات سه تایی در قشر سطحی آجر شده (ترکیباتی با دمای یوتکتیک پایین) که خود باعث ایجاد پوسته ای با مقاومت کم به ضخامت چند سانتی متر در سطح نسوز می شود. بنابراین، به نظر می رسد فرسایش نسوز در قسمت تنوره بیشتر به علت تراشه شدن یا پوسته شدن قشر مذکور باشد. با توجه به آنچه گفته شد نسوز کوره بلند در قسمت تنوره یا بدنه باید نسبت به رسوب کربن و قلیایی ها مقاوم باشد. بنابراین باید کاملا متراکم بوده و نفوذ پذیری کمی نسبت به گازها داشته باشد. آجرهای نسوز در این قسمت باید حاوی حداقل مقدار آهنباشد زیرا وجود آهن در نسوز، واکنش رسوب کربن را تسریع می کند. نسوزی که در این قسمت استفاده می شود معمولا رسی بوده و دارای 39 تا 42 درصد آلومینا می باشد. حتی از نسوز هایی با بیش از 42 درصد آلومینا هم استفاده شده است.

ج) نسوز ناحیه شکم و لوله های دم

نسوزهای ناحیه شکم کوره بلند در معرض دمای بالا و مواد سرباره هستند و بیشترین خسارت وارده به نسوزهای این منطقه بدین دلیل می باشد. بدون استفاده از خنک کننده، از مواد نسوز متداول مانند نسوزهای آلومینایی، آلومینوسیلیکاتی و حتی مواد نسوز مرغوب تر مانند مولایت هم نمی توان برای مدت زیاد استفاده کرد. نحوه و الگوی فرسایش در نسوزهای این قسمت بستگی به محل و فاصله خنک کننده ها دارد و منطبق بر الگوی درجه حرارت است. به عبارت دیگر بیشترین فرسایش در نواحی بین دو سرد کننده، جایی که اثر سرد کنندگی کمتر و دما بالاتر می باشد، رخ می دهد. در کوره های بلند جدید برای افزایش بازده تولید، دمش هوا با سرعت بیشتر و دماهای بالاتر انجام می شود، هم چنین مواد سوختی کمکی (مانند گاز یا سوخت مایع) نیز توسط هوای دم به کوره تزریق می شود. این شرایط، کار مواد نسوز را در ناحیه شکم و لوله های دم مشکل تر نموده و باعث فرسایش بیشتر آن ها می شود. به طوری که حتی از آجرهای نسوز متداول هم نمی توان در ناحیه شکم استفاده نمود. استفاده از نسوزهای کربنی درناحیه شکم به مقدار زیادی مشکلات این ناحیه را حل کرده است و نسوزهای کربنی ممکن است از مواد نفتی، آنتراسیت یا کک ساخته شوند. آجرهای پایه گرافیتی دارای 98-96 درصد کربن و در حدود 2.5-1 درصد مخلوط سیلیس و آلومینا دارند. در آجر های پایه آنتراسیتی مقدار کربن در حدود 94-88 درصد و مقدار مخلوط آلومینا و سیلس آن ها در محدوده 5 تا 10 درصد است.

به طور کلی، آجرهای نسوز کربنی مزایای زیر را در مقایسه با نسوزهای رسی دارند:

1- مقاومت شیمیایی بسیار خوبی در مقابل سرباره و فلز مذاب دارند.

2- ضریب هدایت حرارتی نسوزهای کربنی بیش از نسوز های رسی است بنابراین بهتر سرد می شوند.

3- تغییرات حجمی کمی دارند به عبارت دیگر، ضریب انبساط کمی دارند.

4- استحکام کافی در دماهای بالا دارند.

5- تخلخل کم داشته و غیر قابل نفوذ در مقابل مذاب می باشند.

تنها عیبی که آجرهای نسوز کربنی دارند، خطر اکسیداسیون آن ها در تماس با اکسیژن و آب است. چنانچه آب یا هوا از جایی به سطح نسوزهای کربنی نفوذ کند، باعث اکسیداسیون و تخریب آن ها می شود، هم چنین اکسیدهای موجود در سرباره ممکن است باعث خورده شدن این نسوزها شوند. در هر صورت نسوزهای کربنی گران قیمت تر هستند و نیاز به طراحی دقیق تری دارند ولی در عوض عمر طولانی تر دارند و می توان با استفاده از آن ها ضخامت نسوز دیواره های کوره بلند را کاهش داد. هدایت حرارتی خوب نسوز های کربنی باعث شده که خنک کردن کوره بلند بهتر شود ولی همانطور که گفته شد، بایستی از سیستم خنک کننده دقیقی استفاده کرد تا از نشت احتمالی آب جلوگیری شود (استفاده از خنک کننده های خارجی). نسوزهای ساخته شده از مواد نفتی مقاومت کمتری دارند. بنابراین، استفاده از آن ها برای ناحیه شکم کوره بلند توصیه نمی شود. در اطراف لوله های دم و مجاری خروج مذاب و سرباره به علت شرایط اکسید کننده، از نسوزهای رسی استفاده می شود.

د) نسوز بوته کوره بلند

بوته کوره بلند، محل جمع آوی مذاب و سرباره است. بنابراین نسوز آن بایستی در شرایط بسیار سختی کار کند و باید دارای شرایط زیر باشد:

1- دماهای بالا را تحمل کند (حدود 1600 درجه سانتی گراد).

2- با سرباره و فلز مذاب واکنش ندهد.

3- در مقابل نفوذ فلز مذاب مقاوم باشد.

4- در مقابل شوک حرارتی مقاوم بوده و در عین حال تخلخل آن کم باشد.

در گذشته برای این قسمت کوره بلند، از آجرهای نسوز آلومینوسیلیکاتی با درصد بالای آلومینای استفاده می شد ولی امروزه از نسوزهای کربنی استفاده می شود. مسئله مهمی که در آجر چینی بوته وجود دارد، امکان نشت مذاب از بین اتصالات آجرهای نسوز است. برای پیشگیری از این مسئله، آجرهای نسوز مصرفی در این قسمت را بایستی در حد امکان بزرگ ساخت ( به صورت بلوک های نسوز) و ابعاد آن نیز بایستی دقیق باشد تا فصل مشترک بین آجرها (یا بند آجرها) ظریف و حداقل باشد. به علت هدایت حرارتی خوب کربن، سرد کردن بوته با آب مفید بوده و عمر نسوز بوته را طولانی می کند. از آنجا که نسوزهای کربنی هیچ نوع واکنشی با سرباره نمی دهند، فرسایش نسوز دیواره های بوته منحصرا به علت سایش در اثر حرکت فلز مذاب و اکسیداسیون است. مسئله اکسیداسیون در اطراف مجرای خروج مذاب جدی تر است و گاهی رطوبت موجود در مذاب نسوز که برای مسدود کردن مجرا به کار می رود، عامل اکسید شدن نسوز می شود.

کف بوته کوره بلند علاوه بر دمای بالا، تحت تاثیر نیروی فشاری زیادی است. بنابراین استفاده از آجر یا بلوک های نسوز با تخلخل زیاد ممکن است باعث نفوذ مواد به کف کوره و در نتیجه نشست آن (انقباض) شود. در گذشته کف کوره تماما از نسوزهای رسی با 40 تا 45 درصد آلومین ساخته می شد ولی امروزه استفاده از بلوک های کربنی در کف کوره نیز متداول شده است. در اولین تلاش های انجام شده برای این منظور ، ابتدا در آمریکا 112 سانتیمتر (45 اینچ) از ضخامت کف کوره بلند از نسوز کربنی ساخته و در زیر آن از نسوز رسی استفاده شد. این طراحی با شکست مواجه شد زیرا به علت هدایت حرارتی خوب کربن، خط انجماد پایین تر از نسوز کربنی و در داخل نسوز های رسی واقع می شود هم چنین نسوزهای کربنی به علت وزن مخصوص کم، در جای خود باقی نمانده و آجرها یا بلوک های نسوز در سطح مذاب شناور می شوند. برای رفع اشکال دوم، کف کوره را به شکل مقعر ساختند و از بلوک های کربنی موج دار استفاده نمودند. برای رفع اشکال اول ضخامت نسوز کربنی را در کف تا 270 سانتیکتر (9 فوت) افزایش دادند و استفاده از خنک کننده های افقی برای کف بوته پیشنهاد شد. استفاده از خنک کننده های آبی افقی برای کف بوته کوره بلند اگرچه بسیار موثر است ولی ریسک بسیار بزرگی است زیرا نفوذ احتمالی آب از این خنک کننده ها، ایجاد انفجار در کف کوره می کند که صدمات زیادی به همراه دارد. اخیرا برخی از کوره ها از سیستم های خنک کننده به صورت دمش هوا در کف کوره بلند استفاده کرده اند.

نسوز برج های گرم کننده هوا

برج گرم کننده از دو قسمت اصلی محفظه احتراق و ناحیه مشبک یا لانه زنبوری تشکیل شده است. شراط خاصی که در این برج ها وجود دارد، مسئله نوسان های حرارتی (شوک حرارتی) در اثر سرد شدن و گرم شدن متوالی، گرد و غبار موجود در گاز مورد مصرف و نیاز به بیشترین سطح برای تبادل حرارت در ناحیه مشبک است. نسوز مورد استفاده در این برج ها باید نسبت به شوک حرارتی حداقل حساسیت را داشته باشد و در برابر سرد و گرم شدن، مقاومت خوبی داشته باشد. برای اینکه نسوز مقاومت بالایی در مقابل شوک حرارتی داشته باشد، بایستی میزان تخلخل آن زیاد باشد ولی با توجه به اینکه آجرهای نسوز در مناطق پایین بایستی وزن آجرهای بالایی را تحمل کنند و از طرفی مشکل نفوذ گرد و غبار موجود در گاز به داخل منافذ آجر، عملا نمی توان تخلخل آجرهای نسوز را افزایش داد. در برج های گرم کننده، از گاز کوره بلند به عنوان سوخت استفاده می شود. این گاز اگر چه قبلا توسط دستگاه های مختلف تمیز شده است اما باز هم مقداری مواد جامد ریز با خود دارد. این مواد شامل اکسیدهای آهن، ذرات آهک و مواد قلیایی است. رسوب این مواد روی نسوز برج های گرم کننده باعث تخریب آن ها می شود، بنابراین بایستی نسوز در مقابل این مواد نیز مقاوم باشد. هم چنین گاز مصرفی بایستی کاملا تمیز باشد. در مورد آجرهای نسوز ناحیه لایه زنبوری علاوه بر خصوصیاتی که ذکر شد، بایستی بیشترین سطح تبادل گرما را داشته باشند. آجرهای این ناحیه به علت شکل خاصی که دارند سال ها به صورت دستی تهیه می شدند که کیفیت مناسبی نداشتند اما امروزه با دستگاه های پیشرفته می توان به کیفیت مطلوب تری رسید. برای داشتن حداکثر تبادل حرارت، آجرهای ناحیه مشبک را به اشکال هندسی مشخصی می سازند که انواع آن ها در شکل روبرو آمده است. ساده ترین و ارزان ترین نوع آجر چینی که بیشترین کاربرد را دارد، نوع حصیری می باشد. در این روش، آجرهای ساده را طوری کنار هم قرار می دهند که بین آن ها فضاهای خالی مکعب مستطیل شکل ایجاد شود. این نوع آجرچینی کیفیت یکنواخت تری دارد. آجر چینی ناحیه مشبک به دو صورت انجام می شود:

- روش قدیمی

در این روش، آجر چینی ناحیه مشبک به صورت کاملا متحدالشکل و یکنواخت می باشد. به عبارت دیگر مجراهایی که بین آجرها برای عبور گاز تعبیه شده، از بالا تا پایین ناحیه مشبک یک اندازه و دارای سطح مساوی برای انتقال حرارت هستند.

2- روش جدید

در این روش، آجر چینی ناحیه مشبک طوری طراحی شده که ظرفیت گرمایی بر حسب متر مربع سطح گرم کننده به طور یکنواخت توزیع شود و از بالا به پایین کم می شود. در اغلب سیستم ها، مقطع کانال ها از بالا به پایین کم می شود یعنی مجاری عبور هوا و گاز در بالا بزرگتر و در پایین کوچکترند. به عبارت دیگر سطح گرم کننده در پایین زیادتر است. این روش طراحی رژیم حرارتی بهتری را در ناحیه مشبک ایجاد می کند.

بر حسب شرایط کار قسمت های مختلف برج گرم کننده، ممکن است از نسوزهای مختلفی استفاده شود. نسوز های نقاط مختلف برج های گرم کننده به صورتی انتخاب شده که مقاومت خزشی مناسب بر حسب دمای مورد استفاده را داشته باشند. نسوزهای مورد مصرف در برج های گرم کننده بایستی در مقابل نوسان های حرارتی و اثرات مواد گداز آور قلیایی و اکسیدهای آهن مقاوم باشند. در قسمت هایی از برج که دما بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد نیست و در لایه های خارجی دیواره، می توان از نسوز های رسی با حدود 40 درصد آلومینا استفاده کرد. در دیواره مقابل مشعل،نقاط بالای محفظه احتراق و نواحی مشبک که نسوز بایستی دماهای بالا را تحمل کند هم چنین مقدار گرمای زیادی را در خود ذخیره کند، معمولا از نسوزهایی با مقادیر زیاد آلومینا مانند مولایت و یا سیلیمانیت استفاده می کنند. این نسوزها دارای وزن مخصوص، نقطه خمیری شدن و ثبات حجمی بالاتری در مقایسه با نسوزهای رسی معمولی هستند. بالا بودن وزن مخصوص این نسوز ها برای داشتن ذخیره حرارتی بیشتر است و در هر صورت برخی از کارخانه های جدید که از برج های گرم کننده بزرگ استفاده می کنند، ترجیح داده اند که تناوب زمانی کار برج ها را کوتاه تر کنند تا از نسوزهای ارزان تر استفاده کنند. عمر نسوزهای برج های گرم کننده شدیدا به مقدار ناخالصی ها و آلودگی های گاز (به خصوص مواد قلیایی و اکسیدهای آهن) و دوره فعالیت آن ها بستگی دارد.

علل عمده از بین رفتن و فرسایش نسوزها در داخل کوره بلند به قرار زیر است:

1- سایش و ضربه

نسوز کوره بلند، به خصوص در قسمت های بالا (گلو و خط بار) در اثر برخورد و تماس با مواد شارژ، تحت تاثیر نیروهای سایشی و ضربه ای قرار دارند. میزان تاثیر این نیروها در خراب شدن نسوز کوره بلند تابع شرایط فیزیکی بار کوره بلند و نحوه بارگیری است. سایش نسوز اگر چه در قسمت های پایین کوره بلند کمتر است ولی خطرناک تر می باشد زیرا ایجاد خراش در نسوز کوره بلند در قسمت های زیر خط بار، باعث تشدید نفوذ تجزیه کننده هایی مانند اکسید کربن و قلیایی ها می شود.

2- رسوب کربن

گاز CO در دمای بالا پایدارتر از گاز دی اکسید کربن است و هر چه دما کمتر شود، ترتیب پایداری برعکس می شود. بنابراین در کوره بلند در قسمت های بالای تنوره در اثر کاهش دما، گاز طبق واکنش رسوب کربن تجزیه خواهد شد. در شرایط کوره بلند، این واکنش در دمای حدود 500 درجه سانتی گراد رخ می دهد. عامل دیگری که درانجام واکنش رسوب کربن موثر است، وجود اکسید آهن است که به عنوان کاتالیزور عمل می کند. بنابراین واکنش بالا در حضور اکسید آهن، سریع تر انجام می شود. انجام واکنش رسوب کربن در سطح آجرهای نسوز کوره بلند، باعث رسوب کربن در منافذ آجرها و روی سطح آجر ها می شود در نتیجه باعث ترک خوردن و تجزیه آجر می شود. معمولا مقاومت آجر و مصالح نسوز را در مقابل رسوب کربن توسط عبور دادن جریان گاز CO از روی آجر در دمای حدود 450 درجه سانتی گراد و اندازه گیری زمان لازم جهت تجزیه آن تعیین می کنند. این آزمایش با استاندارد های مختلف انجام می شود. روش های دیگری هم برای تعیین مقاومت آجر و یا حساسیت آجر نسبت به رسوب کربن، وجود دارد. در روش دیگر، از درون استوانه ای که شامل آجر نسوز خرد شده است به مدت 4 ساعت گاز CO در دمای 450 درجه سانتی گراد عبور می دهند و وزن گاز دی اکسید کربن خارج شده از استوانه را که مقیاسی از رسوب کربن و خوردگی آجر است، اندازه گیری می کنند. با توجه به آنچه گفته شد، برای اینکه آجر نسوز یا آستر کوره بلند در مقابل رسوب کربن مقاوم باشد بایستی اولا کاملا متراکم با قابلیت نفوذ پذیری کم باشد، ثانیا عاری از مواد آهن دار باشد و ثالثا خوب پخته شده باشد.

3- بخار های فلزات قلیایی

چنانچه در بار کوره بلند ترکیبات قلیایی که دمای تبخیر پایین دارند وجود داشته باشند، در قسمت های پایین کوره بخار می شوند و در قسمت های بالای کوره هنگام نفوذ در داخل آجرها مجددا متبلور می شوند. این عمل که همراه با تشکیل ترکیباتی مانند نفلین یا کالیوفیلیت در آجر نسوز است، باعث ترک برداشتن و تجزیه آجر می شود. از جمله مواد مضر در کوره بلند روی و سرب است. روی و سرب در قسمت های گرم کوره بخار شده و در قسمت های سرد ضمن نفوذ به داخل آجرها اکسید و منجمد می شوند. اکسیداسیون این مواد در داخل منافذ آجر نسوز همراه با افزایش حجم است که باعث متلاشی شدن آجر می شود.

4- تاثیر سرباره

با توجه به بازیسیته سرباره در کوره بلند، بایستی مواد نسوزی که در تماس با سرباره هستند به صورتی انتخاب شوند که با سرباره واکنش شیمیایی انجام ندهند. در این رابطه باید تاثیر خاکستر کک را در ناحیه لوله های دم در نظر داشت.

5- دما

تنها نسوز ناحیه احتراق و بوته کوره بلند است که در دماهای بالا کار می کند در نتیجه نسوزهای این ناحیه بایستی نقطه خمیر شدن بالایی داشته باشد.

برای اینکه عمر نسوز کوره بلند افزایش یابد، خنک کردن نسوزهای کوره بلند لازم است. ساده ترین راه برای خنک کردن پوسته خارجی و نهایتا آجر چینی کوره، ریختن آب بر روی جوشن یا پوسته فلزی کوره بلند است. این روش امروزه فقط در مواقع اضطراری به کار می رود و معمولا از سرد کننده های داخلی استفاده می شود. برای سرد کردن بدنه یا تنوره کوره بلند، از خنک کننده های جعبه ای که ابعاد آن به اندازه آجر نسوز است و از جنس برنز، مس یا فولاد می باشد، استفاده می شود. این جعبه ها که در داخل آن ها آب جریان دارد، به صورت شطرنجی در داخل دیواره کوره نصب می شود. دستگاه های سرد کننده صفحه ای از صفحات چدنی تشکیل شده اند که داخل آن ها لوله های فولادی بدون درز برای گردش آب قرار داده شده است. این صفحات با ابعاد و شکل های مخصوص برای قسمت های مختلف کوره بلند ساخته می شوند. سرد کننده های صفحه ای که در تنوره کوره بلند به کار می روند، بر اساس شکل، دارای جریان آب افقی و عمودی است. در قسمت های بوته، شکم کوره بلند و ناحیه لوله های دم نیز از خنک کننده های صفحه ای استفاده می شود. کف بوته کوره بلند، یعنی زیر بلوک های کربنی نیز توسط خنک کننده های صفحه ای یا لوله های هوا سرد می شود.