TEKNİK MAKALE 69. Sayı (Kasım-Aralık 2007)

Ömer KARA Sanifoam Sünger San. ve Tic A. Ş. Genel Müdür Yrd. (Üretim)Geçen sayımızda seramik fiberleri konusuna bir giriş yapmış ve ürünün özellikleri ile kullanım yerleri hakkında bilgiler vermiştik.
3. SERAMİK FİBERLERİN KULLANIM YERLERİ

3.1. Refrakter Üzerine Battaniye Uygulaması

Refrakter üzerine battaniye uygulaması eski fırınların üzerine, refraktere fazla hasar vermeden uygulanabileceği gibi yeni fırınlara da uygulanabilir. Bu uygulamada herhangi bir risk de yoktur. Hem tünel hem de kamara tipi fırınlara uygulanabilir. Bu amaçla kullanılabilecek fiberlerin en yüksek kullanım sıcaklığı 1425 ¡C olduğu için, çoğu seramik endüstrisinde kullanılır.

3.2.Fiber Blok Uygulaması

Bu bloklar genellikle refrakter çimento (yüksek alüminalı çimento) ile duvara bağlanır. Refrakter duvara çivi çakmak zorunluluğu olmadığı için bu yöntem daha çok tercih edilir.  b'deki W doğrultusunda pişme ölçülmesi fazla, L doğrultusunda azdır. Pişme sırasında blokların ucunda ayrılma olur. Oysa a'da bloklar arasında bu büzülmeler dengelenmektedir. Üniblok ve z bloklar da kullanılmaktadır.

3.3. Kağıt Astarlama

Kağıt şeklindeki fiberler üst üste yerleştirilir. Fiber kağıtlar birbirine ve mineral veya kaya yününe, sıcağa dayanıklı çeliklerle tutturulur.

3.4. Stak (Yığın) Astarlama

Şerit şeklindeki fiber plakaların yüzeyi duvara dik olacak şekilde, duvara yaslanır. Sıcağa dayanıklı çelik tellerle kaya yönünden gövdeye tutturulur.

3.5. Seramik Fiber Duvar

Sıcak yüzeyle temas eden fiber katman en yoğun olacak şekilde üst üste yerleştirilir. Seramik fiberler kalsiyum alüminat (yüksek alüminalı) çimento ile karıştırılarak rijit bünye üretilebilmektedir. Bu şekilde elde edilen refrakterin yoğunluğu, cam ve mineral yün ile elde edilen rijit bünyelerden daha düşüktür.

3.6. Otomotiv

3.6.1. Filtrasyon: Seramik fiber kağıt şeklinde hava yastığı, filtre tutucularında iyi bir filtre ortamı sağlamaktadır. Hava yastığı açılması sırasında, katı parçacıkların hava yastığına veya insana zarar vermesini engeller.

3.6.2. Egzost Sistemi: Seramik fiberler, aracın egzost sisteminde ısı yalıtımında ısı kalkanı ve gürültü önleyici olarak kullanılır.

3.6.3. Yüksek Sürtünme Yüzeyleri: Seramik fiberler yüksek sıcaklıklarda bile rotor aşınmalarına sebebiyet vermeden fren sürtünme yüzeyinde stabilite sağlar.

3.6.4. Isı Kalkanı ve Gürültü Yalıtımı: Seramik fiberler turbonun ve egzostun geçtiği yerlerde ısı kalkanı ve gürültü yalıtım plakaları olarak kullanılır.

3.7. Uzay ve Uçak Endüstrisi

3.7.1. Kokpit Ses Kayıt Cihaz Kutusu, Data Kayıt Cihaz Kutusu: Kalıplanmış seramik fiberden yapılmış kutular büyük yangınlarda cihazı korumak için kullanılmaktadır.

3.7.2. Havalandırma Kanalları: Esnek seramik fiberler buzlanma önleyici ve hava kaçaklarını önleyici olarak kullanılır.

3.7.3. Uçak İçi Fırın: Seramik fiberler uçak içinde servis amaçlı kullanılan fırınların yalıtımında kullanılmaktadır.

3.7.4. Yardımcı Güç Ünitesi: Seramik fiberler yardımcı güç üniteleri etrafında etkili bir yangın yalıtım ve ısı kalkanı olarak kullanılmaktadır.

4. Seramİk Fİberlerİn KullanIm AvantajlarI

Seramik fiberlerin kimyasal özellikleri, ateş tuğlası ve dökülebilir refrakterlerin kimyasal özellikleriyle benzer olmasına rağmen fiziksel ve termal özellikleri birbirinden çok farklıdır. Konstrüksiyonlardan biri plastik refrakter olan bir karşılaştırma yapılmış ve benzer sonuçlar bulunmuştur.Bazı yeni fırınların tamamı seramik fiberden yapılabilmektedir.

4.1. Isı Depolama

Fiberlerin arası boş olduğu için, ısı depolama kabiliyetleri çok düşüktür. Bu nedenle, ateş tuğlası fırın konstrüksiyonlarına göre %98 oranında daha az enerji depolamaktadırlar. Bu nedenle kesikli çalışan kamara tipi fırınlarda çok etkin kullanılmaktadır. Bu tür uygulamalarda seramik fiber uygulamaları tartışılmazdır. Seramik fiberler, eskiden yapılmış kamara tipi fırınlara da uygulanabilmektedir. Sıcak yüzey sıcaklığı 1050 ¡C olan eski bir fırının iç yüzeyine 50 mm seramik fiber uygulandığını düşünelim. Sıcaklık gradyanı bir üstteki şekildeki gibi değişirken, geçiş yolu ile ısı kaybı %27, depolanan enerji %21 azalır. Kullanılan seramik fiber, kısa zamanda kendini amorti etmektedir. Ateş tuğlası gibi refrakterler, ısıl ataleti nedeniyle fırınların hızlı ısınmalarını engeller. Fiberler ise kolaylaştırır. Hızlı ısınma ve soğuma fırın kapasitesini artırır.

4.2. Isıl İletkenlik

Isıl iletkenlik çok düşük olduğu için, seramik fiber duvarlar çok ince olarak ortaya çıkmaktadır. Fiberli ve fibersiz fırınların ısı kayıplarını karşılaştırmak yanlış olur. Çünkü duvar kalınlığını artırarak, ısıl yalıtım gücü artırılabilir. Fiberlerin ısıl iletkenliği, artan işlem sıcaklığı ile artmaktadır. Dizayn yaparken bunun göz önüne alınması gerekmektedir.

4.3. Fırın Hacmi ve Ağırlığı

Aynı ısıl yalıtım gücüne ve aynı dış hacme sahip iki fırında seramik fiberler, yapılan ateş tuğlasına göre % 96 daha hafiftir. Özellikle tünel fırın arabalarında bu önemlidir. Fırın hacim oranı verilmemekle beraber, fırın duvar kalınlığı %43 azalmaktadır. Fırında faydalı hacim oranı artmaktadır. Hafiflik, özellikle fırın tavan uygulamaları için çok önemlidir, bu amaçla da kullanılmaktadır. Yeni fırın kılıfları, geleneksel paslanmaz çelik kılıfların sadece 1/10 ağırlığındadır. Faydalı hacim sabit tutulursa, fırın dış hacmi küçüleceğinden fırın kılıfı da küçülecektir.

4.4. Çabuk Yerleştirme ve Tamirat

Seramik fiberler standart ölçülerde imal edildiği için yerleştirilmeleri ve hasar görmeleri durumunda tamir edilmeleri çabuk ve kolaydır. Refrakterlere uygulanan kurutma işlemi uygulanmadığı için fırın daha çabuk devreye sokulmaktadır. Dökülebilir refrakterlerde hidratasyon ve katılaşma için ayrıca bekleme gerekmektedir. Seramiklerde bu tip gecikmeler olmaz. Bununla beraber, mevcut fırınlarda, dökülen fiber kırıntılarını uzaklaştırmak hala sorun olmaya devam etmektedir. Seramik fiber konstrüksiyonlarının tamir yöntemi henüz iyileştirme aşamasındadır. Hasar gören yer kesilir, çıkarılır. Yerine geometrisi düzgün parça konur ve tamirat tamamlanır.

4.5. Isıl Şok Dayanımı

Pişmiş tuğlalar fırın duvarında kullanıldığı zaman, sıcaklığa bağlı olarak genleşir. Soğurken büzülür ve iç gerilmelere maruz kalır. Seramik fiberler boşluklu olduğundan bu tür zorlamalara maruz kalmazlar. Hızlı ısınma ve soğuma, yani termal şok, fiberlerde hasar meydana getirmez.

4.6. Kimyasal Etkilere Direnç

Seramik fiberler kimyasal maddelere, özellikle HF ve fosforik asit hariç asitlerin çoğuna ve pek çok alkaliye dayanıklıdır. Japonya’da üretilen alümina-zirkon elyaflı tabaka malzeme, sürekli çalışan laboratuvar fırınlarında 1600¡C’de sorunsuzca kullanılmaktadır. Zirkonya fiberlerin yüksek sıcaklıkta kimyasal direnci, alümina fiberlerden hala üstündür. Genel kural olarak yüksek alüminalı malzemeler, yüksek sıcaklıkta, oksidan olmayan atmosferlere çok iyi bir dayanım gösterirler. Kimyasal işlem uygulayarak yüzey hataları azaltılabilir ve mukavemet artırılabilir.Tüm bu avantajlarının yanı sıra, kür ve kurutma gibi işlemlere gerek duyulmaz. Mükemmel ses yalıtımı sağlarlar. Esnektir. Su ve buhar özelliklerini bozmaz. Kullanmadan önce kurumalarını sağlamak yeterlidir. Isı yansıtma özellikleri yüksektir.

5. SONUÇ

Seramik fiberler ilk defa 1950’de keşfedilmelerine rağmen ancak 1970’lerdeki enerji krizinden sonra yaygın kullanılmaya başlanmıştır. Camsı fiberler yüksek sıcaklıkta zamanla büzüldüğü için bloklar arası boşluk doğmakta, buradan giren sıcak gazlar kancaları veya telleri hasara uğratmakta ve fırın dış sıcaklığının yükselmesine neden olmaktadır. Bu sakıncaların görülmesinden sonra kristal seramikler geliştirilmiştir. Aynı sorunlar bunlarda yaşanmaz. Seramik fiberlerin ısı depolama kabiliyetleri çok düşük olduğu için özellikle kesikli çalışan kamara tipi fırınlarda, ısıl işlem fırınlarında, tünel fırın arabalarında çok etkin ısı tasarrufu sağlamaktadır. Depolanan ısıda % 98’e varan ısı tasarrufu sağlanır. Aynı sistemlerde ağırlık azalması sağlarlar. Tünel fırın arabaları hafifler. Bu fırınlarda hızlı ısınabilme ve soğuyabilme nedeniyle kapasitede önemli artışlar olmaktadır.

Isı yalıtım gücü yüksek olduğu için duvarlar çok incelmiş, faydalı hacim artmıştır. Fiber konstrüksiyonların yerleştirilmesi ve tamiri kolaydır. Termal şoklara dayanıklıdır. Termal dökülme olmaz. HF ve fosforik asit hariç asitlerin çoğuna dayanıklıdırlar.

Seramik fiberler, MoSi2 ısıtıcılarla birlikte hızlı ısınan ve soğuyan laboratuvar tipi fırınlarda kullanılmaktadır. Kamara tipi fırınlarda, ısıl işlem fırınlarında, fırın arabalarında, tüm eski seramik fırınlarının iç yüzeyinin kaplanmasında kullanılmaktadır. Fiber bileşimine az miktarda krom oksit katılması, fiberlerin kararlığını 1412 ¡C’a kadar artırır. Seramik fiberlerin buhar türbinlerinde kullanılmaya başlamasından sonra, sulu çözeltilerden etkilendikleri anlaşılmıştır. Düşük ph'larda iyon değiştirme prosesi gerçekleşir. Fiber yüzeyindeki sodyum iyonu, küçük çaplı hidrojen atomu ile yer değiştirir. Yüzeyde iç gerilmeler meydana gelebilir, Si-O-SiO yapısı bozulabilir. Fiberler, seyreltik çözeltilerden çok etkilenirler.

Isı yalıtım elemanı olarak geniş çaplı olarak fırın tasarımlarında kullanılan seramik fiberler, gelişen teknolojinin değişik hammadde ihtiyaçlarını da etkili bir şekilde karşılamaya devam etmektedir. Ağırlıklı olarak otomotiv endüstrisinde yüksek sıcaklıklarda ısı kalkanı olarak görev aldığı gibi ayrıca üstün ses yalıtım özellikleri ile bu amaca da hizmet etmektedir. Yine ses yalıtımının öne çıktığı fakat çalışma sıcaklıklarının yüksek olduğu bölgelerde, uzay araçlarında, uçaklarda, motosikletler dahil tüm araçların egzost susturucularında kullanımı, her geçen gün değişen regülasyonlardan dolayı hızla artmaktadır.

Bunun yanında çeşitli reçine ve kimyasallarla güçlendirilerek ve kalıplanarak iyi bir yangın yalıtım malzemesi haline dönüştürülebilmektedir. Ayrıca, yine yüksek sıcaklıklarda sürtünme yüzeylerinde ve vibrasyon ajanları olarak kullanım alanları bulunmaktadır.

KAYNAKLAR

1.Yaman, C. "Seramik Fiberlerin Özellikleri ve Isı Tasarrufu Amacıyla Kullanılması" 4. Seramik Teknik Kongresi,  Kimya Mühendisleri Odası, 459Ğ465 (1990).

2. Arcasoy, A. Seramik Elyaflı Yalıtım Malzemelerinin Seramik Fırınlarındaki Enerji Tasarrufu Bildiriler Kitabı, Seramik Teknik Kongresi, Kimya Mühendisleri Odası, 430-435,   Ağustos 1987.

3. Teknotherm Kataloğu, Seramik Elyaf

4. Yaman, C. 1998 "Seramik Fiberlerin Özellikleri ve Kullanım Alanları" Metal Dünyası Ocak 1998,

5. Thermal Ceramic Kataloğu