Cüruf Esaslı Cam-seramiklerin Sinterleme Yöntemleri İle Geliştirilmesi

Abstract

Cam-seramik malzemelerin üretilmesinde, çeşitli prosesler sonucu ortaya çıkan katı atıkların kullanılması yaygındır. Entegre demir-çelik tesislerinin atığı olan yüksek fırın cüruflarından cam-seramik üretiminin geleneksel yöntemi, cürufun ergitilerek bir kalıpta şekillendirilmesi ve ardından ısıl işlemle çekirdeklendirilmesi ve oluşan kristallerin büyütülmesi işlemlerinden oluşmaktadır. Malzemenin cam geçiş sıcaklığının 10-15 C üzerindeki bir sıcaklık çekirdeklendirme, DTA diyagramındaki ekzotermik pikin birkaç derece üzerindeki sıcaklık ise kristal büyütme için kullanılmaktadır. Bu iki sıcaklık genellikle 1000 C’nin altındadır. Bu geleneksel yöntemde, ne var ki, yüksek fırın tesisinden ayrılmış hammaddenin yaklaşık 1600 C gibi oldukça yüksek sıcaklığa ısıtılarak tekrar ergitilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, toz haline getirilen yüksek fırın cürufu ergitilmeden presle şekillendirilerek ve ardından ısıl işlem uygulanarak cam-seramik üretilebilirlik araştırılmıştır. Kristallerin oluşumunu kolaylaştırmak için cüruf tozuna aşılayıcı maddeler olarak belirli oranlarda TiO2 ve P2O5 karıştırılmıştır. Tozlar metal bir kalıp içerisinde kompaktlanarak tabletler üretilmiştir. Tabletlere DTA diyagramına göre 780 °C sıcaklıkta çekirdeklendirme ve 910 °C sıcaklıkta kristal büyütme işlemleri uygulanmıştır. Yapılan bu ısıl işlemlerden sonra tabletler XRD, optik mikroskop, üç nokta eğme deneyi, sertlik ölçümleri ve SEM ile karakterize edilmiştir. Yapılan karakterizasyon çalışmalarıyla; amorf olan yüksek fırın cürufu tozu tabletlerinin çekirdeklendirilmesi ve oluşan yarı kararlı bölgelerin büyütülmesi ile kristalleşmelerin sağlandığı ve % 6 TiO2 ilave edilmiş karışım ile üretilen tabletlerin 28 saat çekirdeklendirilmesinin ardından 2 saat kristal büyütme uygulanması sonrasında başlıca akermanit, gehlenit, bredigit, perovskit, kuvarz fazlarının kristallerinin oluştuğu belirlenmiştir. Çekirdeklendirme ve kristal büyütme işlemleri uygulanmış tabletlerin sertlik değerleri 102 ile 343 kg/mm2 (HV500) arasında, üç nokta eğilme dayanımları da 40 ile 135 MPa arasında değişmiştir.

Usage of the solid wastes that occur as the results of several processes is common in the production of glass-ceramic materials. The traditional method of glass-ceramic production from the blast-furnace slag, which is the solid waste of integrated iron and steel facilities, contains melting the slag prior to shaping it in a simple mould and then making it nucleate and grow the crystals that have been formed, by several step heat treatment. Heating 10 or 15 C above the glass transformation temperature is applied for the nucleation, whereas heating is applied a few degrees above the exothermic peak observed on the DTA diagram for growing the crystals that have been formed. These two temperatures are usually below 1000 C. In this traditional method, however, the raw material coming from the blast-furnace facilities has to be re-melted by heating it up to temperatures as high as 1600 C. In this work, a new method to produce glass-ceramics was searched which is based on shaping the blast-furnace slag, which had been ground to dust size, by cold pressing and later on applying heat treatment, without the case of melting. As catalyst, certain amounts of TiO2 and P2O5 were added in the slag dust to facilitate the nuclei growth. Tablets have been produced by the compaction of the slag dust in a metal mould. These tablets have been nucleated in 780 C and the originated nuclei have been grown in 910 C. The heating temperatures have been determined by the use of DTA. After this two-stage heat treatment, tablets have been characterised by XRD, optical microscopy, biaxial flexure strength test, hardness measurements and SEM. Within these characterisation studies, it was understood that crystallisation was achieved by the nucleation and crystal growth of the blast-furnace slag which was originally amorphous. Crystal phases of akermanite, gehlanite, bredigite, perovskite and quartz were observed after 28 hours nucleation heat treatment prior to 2 hours crystal growth applied to the tablets containing 6% TiO2. Hardness values of the crystallised tablets range from 102 to 343 kg/mm2 following the application of 500 g load. Biaxial flexure strength values of the nucleated tablets have been measured between 40 and 135 MPa.