MAKALE
ATIK KORDİYERİTLERİN SERAMİK SEKTÖRÜNDE
KULLANIM OLANAKLARININ ARAŞTIRILMASI
Kemal Köseoğlu
ÖZET
Lina İ. İsrail*
Kordiyeritin termal genleşme katsayısı çok düşük ve termal şok dayanımı çok iyi olduğundan yüksek
sıcaklık gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadır. Seramik fırınlarında plaka, kaset, taşıyıcı kolon
ve fırın kaplama malzemesi olarak kullanılan kordiyeritin ısı değişimine karşı mukavemeti iyi olmalıdır.
Erkan Tınaz
Araştırmada, çelik fabrikasından alınan kordiyerit atıklarına bağlayıcı olarak talk, kil ve pomza taşı
konulmuştur. Öğütülen örnekler ağırlıkça % 6 oranında nemlendirilerek 270 MPa basınç altında 1 cm,
1x5x10 cm ebatlarında preslenmiştir. Hazırlanan numuneler 200 °C sıcaklıkta kurutulmuştur daha
sonra 1200-1250-1300 derecelerde pişirilmiştir.
Yrd. Doç., Dr.,
Ege Üniversitesi, Ege MYO,
Seramik, Cam ve Çinicilik Bölümü,
İzmir
[email protected]
Öğr. Gör., Dr.,
Ege Üniversitesi, Ege MYO,
İzmir
[email protected]
Ege Seramik AŞ., İzmir
[email protected]
Emre Öztürk
Bu çalışmanın amacı atık kordiyerit ile hazırlanan numunelere bazı fiziksel (pişme mukavemeti, pişme küçülmesi ve su emme) ve termal (termal genleşme katsayısı) testler uygulanarak seramik sektöründe kullanım olanaklarının araştırılmasıdır.
Hakan Kıran
Anahtar Kelimeler: Kordiyerit atık, pişme mukavemeti, termal genleşme katsayısı, pişme küçülmesi, su emme.
Ege Seramik AŞ., İzmir
[email protected]
Ege Vitrifiye AŞ., İzmir
[email protected]
INVESTIGATION OF USAGE POSSIBILITIES OF CORDIERITE WASTE IN
CERAMIC SECTOR
ABSTRACT
Due its low thermal expansion coefficient and high thermal shock resistance cordierite is used in applications that necessitate high temperature. Cordierite must show beneficial strength towards heat when
used in ceramic kilns as a plate, cassette, carrier coloumn and coat for furnace material.
Talc, clay and pumice were added to cordierite waste as binding agents which were provided by a
steel factory. The grinded samples were moistened at 6 % w/w and were pressed at 6 MPa pressure to
have tiles 1 cm x 5 cm x 10 cm dimensions. The prepared samples were dried at 200°C and then were
sintered at 1200,1250,1300 °C.
The aim of this study is to apply physical (fired strength,fired shrinkage, and water absorption) and
thermal (thermal shock resistance coefficient) tests for investigating the usage possibility in ceramic
sector.
İletişim yazarı
*
Geliş tarihi
: 20.01.2014
Kabul tarihi
: 14.02.2014
Keywords: Cordierite waste, fired strength, thermal shock resistance coefficient, fired shrinkage, water absorption.
Köseoğlu, K., İsrail, L. İ., Tınaz, E., Öztürk, E., Kıran, H. 2014. “Atık Kordiyeritlerin Seramik Sektöründe Kullanım Olanaklarının Araştırılması,” Mühendis ve Makina, cilt 55,
sayı 649, s. 69-73.
Mühendis ve Makina
55
69 Cilt:
Sayı: 649
Atık Kordiyeritlerin Seramik Sektöründe Kullanım Olanaklarının Araştırılması
Kemal Köseoğlu, Lina İ. İsrail, Erkan Tınaz, Emre Öztürk, Hakan Kıran
1. GİRİŞ
P
laka, kaset ve taşıyıcı kolon gibi refrakter fırın malzemelerin imalinde kullanılan kordiyerit, 2MgO.
Al2O3.5SiO2 kimyasal formülüne sahiptir [1]. ‘Düşük
termal genleşme katsayısı, mükemmel termal şok direnci,
yüksek kimyasal dayanım ve mekanik özellikleri [2-5] sayesinde otomobillerin egzoz sistemlerinde taşıyıcı olarak ve
buna ilaveten yüksek frekans bölgesinde alüminaya kıyasla
düşük dielektrik sabitine sahip olmasından dolayı devrelerde
substrat malzeme olarak da kullanılır’ [4,6].
‘Günümüzde yardımcı malzemeler olmadan saf kordiyerit
malzemelerin üretimi çok zordur. Yardımcı malzemelerin
kullanımı kordiyeritin termal genleşme katsayısını arttırırken
dielektrik özelliklerini de kötüleştirir. Bu yüzden yüksek mukavemetli, düşük termal genleşme katsayılı polikristal kordiyerit seramiklerin hazırlanması zordur çünkü safsızlık duyarlı
pişirme aralığı oldukça dardır’ [7,8].
Refrakter uygulamalarda kordiyerit seramiklerin endüstrisinde doğal hammaddeler kullanılmaktadır. Literatürde yer
alan bazı başlangıç hammaddeleri şöyledir ‘[9]: (i) kaolinit ve
magnezyum bileşiklerinin karışımı [4] (ii) toprak alkali-alümina silikat cam (kaolen, alümina ve magnezit [5] (iii) talk,
kalsine alümina ve uçucu kül [10] (iv) kaolin, talk, silika ve
atık kordiyeritlerin seramik refrakter malzeme olarak kullanımının uygun olup olmadığının araştırılmasıdır.
2. MALZEME VE METOD
Kimyasal analizleri Tablo 1'de verilen hammaddelerin tane
iriliği 63 µm olması amacıyla değirmenlerde (Macchine Macine Schmalta) beş dakika karıştırılıp öğütülmüştür Nüve KD
400 marka etüvde nemini tamamen atıncaya kadar kurutulmuştur. Hammaddeler reçetelere göre (Tablo 2) tartılmıştır.
MMS marka jet değirmenlerde 8 dakika kuru olarak öğütülmüştür. Öğütülen numuneler (K, K1, K2, K3) 300 mikron
elekten geçirildikten sonra % 6 oranında nemlendirilmiştir.
Nemlendirilen numunelerden, Sartorius BP 41005 marka terazide 70 gram tartılarak, Sacmi marka el presinde 280 bar
basınç altında 5 cm x 10 cm x 1 cm ebatlarında tablet halinde
preslenmiştir. Preslenen tabletler 1 saat etüvde kurutulmuştur.
Tabletler Nabertherm G100/9 marka gradyen fırında 1200,
1250 ve 1300 °C'de pişirilmiştir. Pişen tabletlerin küçülme, su
emme yüzdeleri, pişmiş mukavemet ve renk değerleri ölçülmüştür. Mukavemet cihazı olarak Gabrielli Crometro CR4A4-B4 30 kg modeli, renk ölçüm için Erichsen Spectromaster
565-D modeli kullanılmıştır. Termal genleşme katsayı değerleri 50-1300°C sıcaklık aralığında ölçüm yapabilen Netzsch
DİL 402 dilatometre cihazıyla belirlenmştir.
Şekil 1. Standard ve Numunelerin Pişme Küçülmeleri
Tablo 1. Hammaddelerin Kimyasal Analizi
Bileşenler (%)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
TiO2
K 2O
CaO
MgO
Na2O
KK
Kordiyerit
50,12
31,67
2,33
1,27
2,29
0,29
10,71
0,36
0,96
Talk
57,23
1,16
0,65
0,04
0,23
0,87
30,85
0,03
8,56
Kil
54,73
28,35
2,83
1,21
1,34
0,31
0,87
0,5
9,86
71,4
13,68
1,03
0,04
6,03
0,63
0,2
2,75
4,24
Kuvars
98,52
0,44
0,02
0,01
0,05
0,02
0
0,86
0,08
Alumina
0,39
99,1
0,02
0,01
0
0,05
0,2
0
0,23
Manyezit
6,07
3,2
0,43
0,06
0,08
1,76
42,27
0,23
45,9
Pomzataşı
alümina [11] (v) talk, kaolinitik kil, ve gibsit [12] (vi) kaolin,
talk ve magnezyum oksit [2] (vii) talk, kaolin, silika, sepiyolit
ve feldspar [13] (viii) kaolin ve talk’ [14]. Kullanılan ham ve
yardımcı maddelerin tane irilikleri, pişirme rejimi ve sıcaklığı
refrakter üretiminde önemlidir.
Cilt: 55
Sayı: 649
Tablo 2. Hammadde Reçeteleri
Bileşenler (%)
Kstd
K1
K2
K3
Kuvars
51,4
Alumina
34,8
Manyezit
13,8
Çelik fabrikalarında altlık ve tutucu olarak kullanılan koriyerit yapımı malzemeler bir defalık kullanılıp atılmaktadır.
Çalışmada kordiyerit atıkları, talk ve alümina yüzdesi yüksek
kil, talk ve pomza taşı kullanılarak kordiyerit atık zenginleştirilerek yeni reçeteler oluşturulmuştur.
Ara Toplam
100
80
75
75
Talk
5
5
5
Kil
15
15
20
Pomza
5
Bu çalışmanın amacı yardımcı maddelerle zenginleştirilen
Toplam
100
100
100
100
70 Mühendis ve Makina
Şekil 2. Pişme Mukavemetinin Sıcaklıkla Değişimi
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Hazırlanan tabletlerin küçülme değerleri Şekil 1'de verilmiştir.
Standard olarak kullanılan numune sıcaklık artışı ile hızla
küçülmeye uğrarken K1 numunesinde böyle bir değişiklik
gözlenmemiştir. Reçete içersinde pomza taşının yeraldığı K2
numunesi ve kil miktarının en çok olduğu K3 numunesinde
kuvars miktarının fazla olması sebebiyle 1250°C'den sonra
küçülmenin arttığı düşünülmektedir. Şekil 2 sıcaklığa bağlı
olarak pişme mukavemetini göstermektedir.
Kordiyerit fazlarına ilave edilen kil, talk, pomza ve alumina
tozları ile sinterleşmenin daha iyi olduğu ve sinterleşmenin
1250°C'den sonra başladığı görülmüştür. 1300°C'de istenilen
sinterleşmeye ulaşılmıştır. Bu sıcaklıktan sonra gözeneklerin
küçüldüğü ve dolduğu düşünülmektedir. Bu durum mukavemetin artmasına ve dolayısıyla su emme değerlerinin azalmasına (Şekil 3) sebebiyet vermiştir.
Mühendis ve Makina
55
71 Cilt:
Sayı: 649
Atık Kordiyeritlerin Seramik Sektöründe Kullanım Olanaklarının Araştırılması
Kemal Köseoğlu, Lina İ. İsrail, Erkan Tınaz, Emre Öztürk, Hakan Kıran
Dense Ceramics From Magnesium Compounds and Kaolinite Without Additives,’ Ceramics International, vol. 26, no.7,
p.739-743.
Tablo 3. Kordiyeritin Farklı Sıcaklıklardaki Termal Genleşme Katsayısı
Termal Genleşme
Katsayısı x10-6 (K-1)
Kstd
K1
Sıcaklık (°C)
K2
K3
1200
3,16
3,26
3,31
3,21
1250
2,97
2,87
2,81
2,97
1300
2,66
2,76
2,56
2,69
Endüstriyel kordiyerit
2,50
Termal genleşmenin sıcaklıkla değişimi Tablo 3'te verilmektedir. Endüstriyel kordiyeritin termal genleşme katsayısı
2,5x10-6 K-1 'dir. Termal genleşme değerleri tüm numunelerde
sıcaklıkla azalmıştır. 1300°C de tam sinterleşme ile endüstriyel kordiyeritin termal genleşme katsayı değerine yaklaşılmıştır. En iyi sonuç pomza taşı ihtiva eden K2 numunesi ile
elde edilmiştir.
Şekil 3. Su Emme Yüzdesinin Sıcaklıkla Değişimi
Şekil 4 standart ve katkılı malzemelerin farklı sıcaklıklardaki renk değerlerini göstermektedir. Sonuçlar trikromatik renk
koordinatları ve parlaklık değeri olarak verilmiştir. L, değeri
beyazlık derecesini; a, yeşil ve kırmızı renkleri arasındaki; b,
mavi ve sarı renkleri arasındaki değişimi ifade eder.
Tüm sıcaklıklarda standart kordiyerit katkılı kordiyeritlere
göre daha beyazdır (L değeri büyüktür) a değerlerinde büyük
bir değişiklik gözlenmezken, b değerleri katkılı malzemelerde
fazladır. Katkılı malzemeler sarılaşmıştır.
KAYNAKÇA
1.
(a)
(c)
Yılmaz, H., Kara, F. 2010. ‘Refrakter Malzeme Üretimi,’
Ulusal Meslek Yüksekokulları Öğrenci Sempozyumu, 21-22
Ekim 2010, Düzce.
2.
Serkan, A. 2006. www.metalurji.org.tr, ‘Farklı Hammadde
Kaynaklarından Kordiyerit Seramik Üretimi,’ Metalurji Dergisi, s. 145, son erişim tarihi: 23.05.2013.
3.
Yamuna, A., Johnson, R., Mahajan, Y.R., Lalithambika,
M. 2004. ‘Kaolin Based Cordierite for Pollution Control,’ Journal of European Ceramic Society, vol. 24, no.1, p.65-73.
4.
Kobayashi, Y., Sumi, K., Kato, E. 2000. ‘Preparation of
5.
Tulyaganov, D.U., Tukhtaev, M.E., Escalante, J.I., Ribeiro, M.J., Labrincha, J.A. 2002. ‘Processing of Cordierite
Based Ceramics From Alkaline Earth Alumina Silicate Glass,
Kaolin, Alumina and Magnesite,’ Journal of European Ceramic Society, vol. 22, no.11, p.1775-1782.
6.
Knickerbocker, S.H., Kumar, A.H., Herron, L.W. 1993.
‘Cordierite Glass-ceramics for Multilayer Ceramic Packaging,’ American Ceramic Society Bulletin, vol. 72, no.1, p.
90-95.
7.
Oliveiraa, F.A.C., Fernandes, F.C. 2002. ‘Mechanical and
Thermal Behaviour of Cordierite–zirconia Composites,’ Ceramics International, vol. 28, no.1, p. 79-91.
8.
Morell, R. 1979. ‘The Mineralogy and Properties of Sintered
Cordierite Glass Ceramics,’ Proceedings of the British Ceramic Society, vol. 28, p. 53-71.
9.
Goren, R., Gocmez, H., Ozgur, C. 2006. ‘Synthesis of Cordierite Powder From Talc, Diatomite and Alumina,’ Ceramics
International, vol. 32, no.4, p. 407-409.
10.
Kumar, S. Singh, K.K., P. Ramachadrarao. 2000. ‘Synthesis of Cordierite From Fly Ash and Its Refractory Properties,’
Journal of Materials Science Letters, vol. 19, no.14, p.12631265.
11.
Gonzalez-Velasco, J.R., Gutierrez-Ortiz, M.A., Ferret, R.
1999. ‘Synthesis of Cordierite Monolithic Honeycomb by
Solid State Reaction of Precursor Oxides,’ Journal of Materials Science Letters, vol. 34, no.9,p. 1999-2002.
12.
Tamborenea, S., Mazzoni, A.D., Aglietti, E.F. 2003. ‘Mechanochemical Activation of Minerals on Cordierite Synthesis,’ Thermochimica Acta, vol. 411, no. 2, p. 219-224.
13.
Acimovic, Z., Pavlovic, L., Trumbulovic, L., Andric, L.,
Stamatovic, M. 2003. ‘Synthesis and Characterization of
Cordierite Ceramics From Nonstandard Raw Materials for
Application for Foundry,’ Materials Letters, vol. 57,no.18,
p.2651-2656.
14.
Trumbulovic, L., Acimovic, Z., Panic, S., Andric, L.
2003. ’Synthesis and Characterization of Cordierite From
Kaolinite and Talc for Casting Application,’ FME Transactions, vol. 31, no.1, p. 43–47.
(b)
Şekil 4. Standart ve Katkılı Kordiyerit Malzemelerin Renk Değerleri (a) 1200°C, (b)1250°C, (c) 1300°C
Cilt: 55
Sayı: 649
72 Mühendis ve Makina
Mühendis ve Makina
55
73 Cilt:
Sayı: 649
Download

938 KB