Optik cam üretiminde kullanılan refrakter potalardaki korozyon davranışının incelenmesi

Abstract

Borosilikat crown optik camlar gözetleme teknolojileri, savunma sanayi ve pek çok araştırmanın konusudur. Yaygın olarak kullanılan bir teknik cam türü olmasına karşın halen yeni çalışmaların odağındadır. Borosilikat içeren teknik camların uygulama alanlarının gerektirdiği nitelikler sebebiyle, teknik camlara özgü optik özelliklerin elde edilmesi için başta bor olmak üzere diğer cam bileşenlerinin etkileri oldukça önemlidir. Pota ile optik cam üretiminde korozyonu farklı şekilde etkilemekte ve geleneksel cam üretimindeki korozyon dinamiklerinin dışına çıkmaktadır. Refrakter malzemeler, maruz kalacağı ortamın türüne göre seçilmektedir. Refrakter seçimi yapılırken öncelikle malzemenin ergime ve yumuşama noktaları, yük altındaki deformasyon davranışı, korozyon direnci, porozite miktarı, ısıl şok direnci, ısıl iletim katsayısı ve üretim teknolojisi değerlendirilmektedir. Cam endüstrisinde kullanılan refrakter malzemelerin, ısıya dayanımları her ne kadar önemli olsa da, bu malzemelerin fırının yapısını oluşturmalarının dışında işlevleri ve gereklilikleri de vardır. Üretim çıktısı olan cam için bir hata kaynağı olabildikleri bilinmektedir. İdeal bir refrakter malzemeden, cam üretimi esnasında gerçekleşen etkileşimler sebebiyle cama mümkün mertebe hata vermemesi beklenmektedir. Bu sebeple refrakter malzemelerin prosesteki optimizasyonu, üretim parametrelerinin belirlenmesinde göz önüne alınmalıdır. Bu tez çalışmasında kullanılan AZS (Alümina-Zirkonya-Silika), α-β alümina ve mullit refrakterlerin, borosilikat crown optik cam bileşiminde cam kırığının etkileri de gözetilerek camla temas refrakterlerin korozyon davranışları karşılaştırılmıştır. Cam üretimde ortaya çıkabilecek korozyon ürünleri ve korozyonun şiddeti değerlendirilmiştir. Hem en temel hem de en nitelikli camların pota ile üretilebildiği düşünüldüğünde, temel bir proses olmasına karşın proses tasarımının ve malzeme seçiminin önemi göz ardı edilemez. Refrakter malzeme seçimi yapılırken, camdaki kalite beklentisi ve üretimde sürdürülebilirlik hedeflerini karşılama potansiyelleri sebebiyle AZS (Alümina-Zirkonya-Silika), α-β alümina ve mullit refrakter tercih edilmiştir. Refrakter malzemeler belirlendikten sonra numune hazırlık süreçleri yürütülmüştür. Deney prosesi içerisinde numunelerin optimizasyonu sağlanırken eş zamanlı olarak cam tarafında optik cam kompozisyonu belirlenmiştir. Karot hacmine göre uyumlu olarak 30 gram cam elde edecek şekilde, 2 farklı cam harmanı hazırlanmıştır. Harman hazırlama ve tartım prosesleri yürütülmüştür. Cam bileşimleri, tamamen cam harmanı ve cam harmanı ile eş oranda cam kırığı olacak şekilde iki ayrı koşulda belirlenmiştir. Deneylerin tamamı tesis içindeki aynı fırında yapılmış olup, ticari üretim spesifikasyonları kullanılarak, yüksek kalite optik cam üretimi için mümkün olan en korozif koşullara erişilecek ve ortalama rafinasyonun sağlanacağı ergitme süresi 48 saat olarak seçilmiştir. 1450 ºC proses sıcaklığı olarak seçilmiştir. Isıtma ve ergitme aşamaları için eş koşullar oluşturulmuştur. Numune hazırlık süreci yürütülmüş ve her numune için aynı sistematikte cam, refrakter ve arayüzey analizleri yapılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda, benzer cam bileşimi için farklı refrakter kalitelerinin aşınma davranışı ve farklı bileşimler için aynı kalite refrakterlerdeki aşınma davranışı incelenmiştir. Mikroyapı analiz çalışmaları, yapılan SEM-EDS analizleri ile desteklenmiştir. Tez çalışması sonucunda korozyon davranışı ve refrakter-cam arayüzey incelemeleri yapılmıştır. Arayüzeydeki refrakter incelemelerinin, ölçüm bölgesine göre değişkenlik göstermesi sebebiyle refrakter korozyonunun sistematiği, cam içeriğinde başlangıçta neredeyse hiç bulunmayan ancak süreç içinde cam bünyesine taşınan refrakter kaynaklı yüzdece oksit bileşenler üzerinden yürütülmüştür. Deneysel çalışmalar sonucunda yapının cam kırığı içermesinin korozyon davranışında saptanabilir bir etkisinin olmadığı belirlenmiştir. Aynı cam bileşimine maruz bırakılan numunelerde α-β alüminanın en fazla fiziksel ve kimyasal korozyona uğrayan refrakter numune olduğu tespit edilmiştir. α-β alüminayı sırasıyla mullit ve AZS refrakter izlemiştir. Camla temas refrakterlerinin genel korozyon mekanizmasının cam bileşimlerine etkileri araştırılmıştır. Tez çalışması neticesinde borosilikat optik camların üretiminde α-β alümina refrakterlerin pota ile optik cam üretiminde kullanımının uygun olmadığı belirlenmiştir. Hedef cam bileşiminde bulunan elementlerin mullit refrakterlerde daha fazla oksitte hedef konsantrasyonla benzeştiği tespit edilmiştir. Bu nedenle yapılacak proses geliştirme çalışmaları ile yüksek kalitede pota ile optik cam üretiminde kullanılabilmek için umut vadettikleri belirlenmiştir. AZS refrakterler, ortalama 0,0207- 0,0705 mm aşınma miktarı ile en iyi sonucu vermiş olsa da, AZS refrakter içindeki camsı fazın da camla temasta çözünüp ağ yapısına karışmasıyla birlikte cam bileşiminde benzer şekilde kimyasal olarak çözündüğü belirlenmiştir. Bununla birlikte, AZS refrakterlerin korozyon özelliklerinin başta eksüdasyon olmak üzere sürekli üretim teknolojilerinde kullanımlarında pasifizasyon mekanizmalarının da etkisiyle daha yüksek performans göstereceği öngörülmektedir.