الطوب الحراري هو الطوب الذي تم تطويره ليتحمل درجات الحرارة العالية. يتم تصنيع الطوب الحراري، والذي يسمى أيضًا بالطوب الناري، باستخدام مواد مقاومة للحريق لها نقطة انصهار عالية ومقاومة للإجهاد الحراري. في حين أن القدرة على تحمل الحرارة هي الغرض الأساسي منها، فإن الطوب الحراري يتمتع أيضًا بموصلية حرارية منخفضة مما يجعله أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من المواد الأخرى المقاومة للحريق. يُستخدم الطوب الحراري بشكل شائع في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، ولكن هناك حالات يستخدمها المهندسون في التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة نظرًا لخصائصه العازلة ومقاومته الكيميائية وسلامته الهيكلية.
لا يتعرض الطوب الحراري للتحلل بالحرارة أو الضغط أو المواد الكيميائية. إنها جزء من مجموعة أكبر من المواد التي يعرفها علم المواد بأنها مواد حرارية. يعد الطوب الحراري جزءًا من المجموعة الفرعية "المشكل" من المواد المقاومة للحرارة.
الأنواع الشائعة من الطوب الحراري
للطوب الحراري العديد من التطبيقات، لذلك ابتكر المصنعون أنواعًا مميزة من الطوب لتحمل الظروف المحددة. المواد الأكثر شيوعًا التي يستخدمونها في إنتاج الطوب الناري هي الألومينا والسيليكا والمغنيسيا والطين الناري. يتم خلط هذه المواد بنسب مختلفة لتكوين الأنواع الثلاثة الرئيسية من الطوب الحراري: الطوب الحراري الحمضي والطوب الحراري الأساسي والطوب الحراري المحايد.
تم إدراج بعض الأنواع الأكثر شيوعًا من الطوب الحراري في هذه الفئات الثلاث العريضة.
الطوب الطيني الناري
يصنع المصنعون الطوب الطيني الناري باستخدام مزيج من الطين المسحوق والرمل والسيليكا والألومينا. يستخدم البناة الطوب الطيني الناري في تطبيقات درجات الحرارة المعتدلة مثل المواقد والأفران والمواقد والمداخن. يمكنهم تحمل درجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية. هذا هو النوع الأكثر شيوعًا من الطوب الحراري الذي يستخدمه الناس.
طوب عالي الألومينا
يعد الطوب عالي الألومينا مثاليًا لضبط درجات الحرارة العالية مثل صناعة الصلب والمحارق لأنه يتمتع بثبات حراري جيد ومقاومة للتآكل الكيميائي. كما يوحي اسمها، الألومينا هي المكون الأساسي في الطوب عالي الألومينا.
طوب السيليكا
السيليكا عالية النقاء، أو ثاني أكسيد السيليكون، هي المكون الأساسي لطوب السيليكا. يتميز هذا النوع من الطوب الحراري بنقطة انصهار عالية مع مقاومة لدرجة الحرارة تصل إلى 2000 درجة مئوية. يتمتع هذا الطوب أيضًا بمقاومة عالية للأحماض، لذا فهو مثالي في أفران صناعة الزجاج، وأفران صهر النحاس، وأفران الصلب ذات الموقد المفتوح.
طوب المغنيسيا
يعتبر الطين الناري، الذي يتكون من أكسيد المغنيسيوم، المكون الأساسي لطوب المغنيسيا. يستخدم المصنعون هذا الطوب في المقام الأول بسبب مقاومته للخبث، بما في ذلك الخبث الغني بالحديد والجير. هذا الطوب لديه أوسع تطبيق في صناعة الصلب. أنها تتحمل درجات حرارة تصل إلى 2100 درجة مئوية.
طوب الكروم
يقوم المصنعون ببناء طوب الكروم باستخدام الطين الناري الذي يحتوي على خام حديد الكروم وأكسيد الحديد والبوكسيت والسيليكا. يتمتع هذا الطوب بأكبر قدر من التطبيق في البيئات المسببة للتآكل. يمكن أن يشمل ذلك مناطق محددة في الفرن أو الفرن. يمكنهم مقاومة درجات حرارة تصل إلى 2000 درجة مئوية.
الطوب الكربوني
الطوب الكربوني هو نوع من الطوب الحراري المحايد الذي يتكون من كربونات عالية الجودة بما في ذلك الأنثراسايت وفحم الكوك والجرافيت وعامل ربط. يتمتع الطوب الكربوني بمقاومة ممتازة للصدمات، وموصلية حرارية منخفضة، ودرجة حرارة عالية ومقاومة للتآكل. التطبيق الأساسي للطوب الكربوني هو لصناعة المعادن.
طوب الزركونيا
طوب الزركونيا هو نوع من الطوب المقاوم للحرارة ويتكون من ثاني أكسيد الزركونيوم. يتمتع هذا الطوب بمقاومة ممتازة للصدمات وموصلية حرارية منخفضة. يستخدم المصممون هذا الطوب حيث تتطلب التغيرات السريعة في درجات الحرارة استقراره. وتشمل هذه التطبيقات الأفران المعدنية، وأفران الزجاج، وأفران السيراميك.
الطوب العازل
يتم تصنيع الطوب العازل من مواد مسامية لذلك فهو طوب حراري خفيف الوزن. كما أنها تتمتع بموصلية حرارية منخفضة لذا فهي مثالية لتقليل فقدان الحرارة. بالمقارنة مع الطوب الطيني الناري، فهو يتميز بكثافة أقل ومقاومة حرارية أعلى. هناك مجموعة واسعة من الطوب الحراري العازل. غالبًا ما يكون الطوب العازل خيارًا فعالاً من حيث التكلفة مقارنة بالطوب الحراري الآخر.
صفات وخصائص الطوب الحراري
إن جودة وخصائص المواد التي تشكل الطوب الحراري تسمح لها بالنمو في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.
نقطة انصهار عالية – المواد التي تشكل قاعدة الطوب الحراري مثل السيليكا والكربون والألومينا والزركونيا والمغنيسيا وأكسيد الكروم جميعها لها نقطة انصهار عالية. يسمح تكوين هذه المادة الأساسية للطوب بالحفاظ على سلامته الهيكلية عند درجات حرارة عالية للغاية. الاستقرار الحراري – يمكن للطوب الحراري أن يتحمل التغيرات السريعة في درجة الحرارة دون أن يتشقق أو ينكسر. وهذه جودة قيمة في تطبيقات مثل صناعات الزجاج والصلب والسيراميك حيث يعد التسخين والتبريد جزءًا لا يتجزأ من عملية الإنتاج. المقاومة الكيميائية – تحافظ بعض أنواع الطوب الحراري على السلامة الهيكلية عند تعرضها للمواد الكيميائية. وهذا يجعلها ذات قيمة في التطبيقات التي تتعرض لوجود عوامل التآكل والخبث. العزل الحراري – بعض الطوب الحراري له موصلية حرارية منخفضة. وهذا يسمح لهم بتقليل نقل الحرارة، وتقليل فقدان الطاقة، والحفاظ على استقرار درجة الحرارة. يوفر الطوب الحراري مثل الطوب العازل عزلًا فعالًا في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. القوة الميكانيكية – الطوب الحراري سليم من الناحية الهيكلية مما يسمح له بمقاومة التشقق والإجهاد أثناء الاستخدام المستمر والتآكل. مقاومة التآكل – العديد من تطبيقات الطوب الحراري تخضعها للمواد المتدفقة أو الإجراءات الميكانيكية. يمكن لهذا الطوب أن يتحمل هذا التآكل المستمر، لذلك سيستمر لفترة أطول مع قدر أكبر من السلامة الهيكلية. المسامية / الكثافة – أنواع معينة من الطوب الحراري لها مستويات مختلفة من المسامية التي تحدد قدرتها على مقاومة اختراق الغاز أو السوائل. يتمتع الطوب الكثيف بمستوى أعلى من المقاومة للغازات والمواد الكيميائية، ولكن الطوب المسامي يتمتع بقدرات عزل أكبر. السلامة الهيكلية – يحافظ الطوب الحراري على شكله في أقسى البيئات الكيميائية وأعلى درجات الحرارة. تضمن هذه الجودة طول عمر البطانة المقاومة للحرارة.
تطبيقات للطوب الحراري
إن صفات الطوب الحراري تعني أنها تعمل لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تنطوي على درجات حرارة عالية وظروف قاسية.
صناعة الفولاذ
صناعة الصلب هي المستخدم الرئيسي للطوب الحراري في تطبيقات مثل الأفران العالية، ومغارف الصلب، ومحولات الصلب. يصطف الطوب الحراري على جدران وأسقف وأرضيات هذه المعدات لمنحها القدرة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة والتفاعلات الكيميائية التي ينطوي عليها إنتاج الفولاذ.
صناعة الزجاج
ويستخدم الطوب الحراري في أفران صناعة الزجاج وخزانات صهر الزجاج. أنها توفر العزل والمقاومة للخصائص المسببة للتآكل من الزجاج المنصهر. يحافظ الطوب الحراري أيضًا على سلامته الهيكلية أثناء درجات الحرارة المتغيرة الموجودة في تسخين وتبريد الزجاج.
صناعة المعادن غير الحديدية
تشير صناعة المعادن غير الحديدية إلى المعادن التي لا تحتوي على الحديد أو التي تحتوي على نسبة منخفضة من الحديد. يعد الطوب الحراري شائعًا في صناعة المعادن غير الحديدية لأن هذه المعادن لها نقطة انصهار عالية، ونفايات كيميائية مسببة للتآكل، ومجموعة واسعة من الخصائص المميزة التي تتطلب طوبًا متعدد الاستخدامات.
صناعة بتروكيماوية
يستخدم المصنعون الطوب الحراري في تطبيقات وحدات التكسير التحفيزي وأفران الإيثيلين الشائعة في صناعة البتروكيماويات. يتمتع الطوب الحراري بمقاومة قوية للتآكل والتآكل والاستقرار الكيميائي المطلوب لضمان طول عمر الأفران. كما أنها تتمتع بالعزل الحراري اللازم للتحكم في درجات الحرارة وتحسين كفاءة العملية وتقليل استهلاك الوقود.
صناعة توليد الطاقة
تستخدم محطات توليد الطاقة الطوب الحراري لتبطين الغلايات والمحارق وغيرها من المعدات ذات درجة الحرارة العالية. وهذا يوفر العزل لهذه المعدات ويحمي الآلات والهياكل الحساسة من درجات الحرارة المرتفعة.
صناعة السيراميك والأسمنت
تستخدم مصانع السيراميك والأسمنت الطوب الحراري لتبطين الأفران لحرق السيراميك والفخار والطوب والكتل الأسمنتية.
المسابك
تستخدم المسابك الطوب الحراري في الأفران والبوتقات المستخدمة لصهر وصب المعادن المنصهرة.
الخصائص الفيزيائية للطوب الحراري
الشكل – عادة ما يكون للطوب الحراري شكل مربع أو مستطيل. وهذا يسمح بسهولة التراص والمحاذاة والاستقرار. هناك أيضًا أشكال خاصة من الطوب مثل الدائرية أو المقوسة أو الأوتاد لتطبيقات معينة. الحجم – يأتي الطوب الحراري بأحجام مختلفة ولكن موحدة لضمان سهولة التركيب. البعد النموذجي للطوب الحراري هو 9 بوصة × 4.5 بوصة × 2.5 بوصة (طول × عرض × ارتفاع) أو 230 مم × 115 مم × 75 مم. الوزن – يختلف وزن الطوب الحراري بشكل كبير وفقًا للمادة المستخدمة في صنع الطوب. عادةً ما يكون الطوب العازل هو الطوب الحراري الأخف وزنًا ويتراوح ما بين 2.2 رطل إلى 6.6 رطل (1 كجم إلى 3 كجم) لكل لبنة. طوب الكروم ثقيل بسبب تركيبته الكثيفة. وهي تتراوح من 8.8 رطل إلى 17.6 رطل (4 كجم – 8 كجم) لكل لبنة. اللون – يختلف لون الطوب الحراري حسب المادة. تشمل الألوان الشائعة الأصفر الفاتح والبيج والرمادي الفاتح والأبيض الفاتح والأسود. نسيج السطح – الطوب الحراري صلب ومضغوط. يمكن أن يكون لها سطح أملس أو خشن قليلاً أو محكم اعتمادًا على طريقة التصنيع أو نوع الطوب. نمط السطح – بعض الطوب الحراري له أنماط أو علامات على سطحه بسبب عملية التصنيع. يمكن أن تساعد هذه العلامات في المحاذاة أثناء مرحلة التثبيت. قوة الضغط – تختلف قوة الضغط للطوب الحراري حسب المواد المستخدمة فيه. بشكل عام، يتمتع الطوب الحراري بقوة ضغط تتراوح من بضع مئات من الجنيهات لكل بوصة مربعة (psi) إلى عدة آلاف (psi). يتمتع الطوب العازل بأقل قوة ضغط تبلغ 300 رطل لكل بوصة مربعة إلى 2000 رطل لكل بوصة مربعة. يتمتع طوب الكروم بأعلى قوة ضغط تتراوح من 10000 رطل لكل بوصة مربعة إلى 30000 رطل لكل بوصة مربعة. امتصاص الرطوبة – يقوم المهندسون بتصميم الطوب الحراري بحيث يكون امتصاصه منخفضًا للرطوبة لتقليل آثاره السلبية على أدائهم. مثل جميع الخصائص الفيزيائية، يعتمد الامتصاص على المادة المحددة للطوب الحراري ولكن جميعها لديها معدل امتصاص للرطوبة يتراوح بين 1٪ -6٪. يتمتع الطوب العازل، بسبب طبيعته المسامية، بأعلى نطاق امتصاص، والذي يتراوح بين 2٪ -6٪.
