كان طوب المغنيسيا والكروم هو أقدم المواد الحرارية وأكثرها استخدامًا في منطقة الحرق في أفران الأسمنت.
ومع ذلك، أصبحت مخاطرها البيئية واضحة على نحو متزايد، مما يخلق حاجة ملحة لبدائل صديقة للبيئة واعية بالصحة وفعالة من حيث التكلفة.
لقد ظهر طوب الإسبنيل من حديد المغنيسيا (الألومنيوم) في السنوات الأخيرة كمادة حرارية لمنطقة الاحتراق في قمائن الأسمنت، ويعمل في المقام الأول كبديل لطوب المغنيسيا والكروم.
لقد تم استخدام طوب الدولوميت على المستوى الدولي لسنوات عديدة وهو المادة المقاومة للحرارة الأكثر شيوعًا لمنطقة حرق أفران الأسمنت على مستوى العالم؛ وقد تم تطبيقها بنجاح في العديد من أفران الأسمنت واسعة النطاق.
طوب الدولوميتتوفر مقاومة ممتازة للصدمات الحرارية، وقوة الضغط، ومقاومة القلويات، ومقاومة التآكل الكيميائي. علاوة على ذلك، فهي خالية من الكروم ولا تسبب التلوث البيئي.
في ظل ظروف التشغيل العادية، يتجاوز متوسط عمر الخدمة 12 شهرًا. وبالتالي، يوفر طوب الدولوميت نسبة أداء أفضل للسعر من البدائل الأخرى الخالية من الكروم، مثل طوب الإسبنيل المغنسيوم والألمنيوم أو طوب الإسبنيل المغنسيوم والحديد.
يحتوي طوب الدولوميت الحراري المحتوي على الزركونيوم على نسبة عالية نسبيًا من أكسيد الكالسيوم (CaO). أثناء التشغيل، يتفاعل أكسيد الكالسيوم الموجود داخل الطوب مع سيليكات ثنائي الكالسيوم (C₂S) الموجودة في الكلنكر، مكونًا سيليكات ثلاثي الكالسيوم (C₃S) على سطح الطوب الحراري.
تتميز هذه الطبقة الواقية بمقاومة حرارية عالية وتوافق جيد مع الكلنكر، مما يسهل تكوين طبقة سميكة ومستقرة للفرن.
يحمي طلاء الفرن هذا بطانة الفرن من الهجوم الكيميائي، والتآكل الحراري، والتآكل الميكانيكي المباشر، مع تعزيز الكفاءة الحرارية لفرن الأسمنت في نفس الوقت.
وعلى النقيض من ذلك، فإن طلاءات الفرن لا تلتصق بسهولة بطوب المغنيسيا والكروم، وغالبًا ما تكون الرابطة بين الطلاء والطوب ضعيفة.
يمكن أن يخترق ذوبان الكلنكر والكبريت والقلويات بسهولة الطبقة السطحية ذات درجة الحرارة العالية للطوب من خلال هذه الواجهة الأقل كثافة، مما يتسبب في تدهور مادة الطوب الموجودة أسفل طبقة الفرن.
أثناء إيقاف تشغيل الفرن والتبريد، قد يتحول طلاء الفرن إلى اللون الأسود. يتحول -C₂S الموجود داخل الطلاء إلى -C₂S، مما يتسبب في تمدد حجم الطلاء وإخضاعه للسحق.
عند إعادة تشغيل الفرن، غالبًا ما يتقشر الطلاء على نطاق واسع على مدار عدة نوبات، وقد تنفصل أيضًا الطبقة السطحية المتدهورة من الطوب الحراري.
عندما تتعرض الأسطح ذات درجة الحرارة المرتفعة لطوب المغنيسيا والكروم الذي تم حرقه حديثًا سريعًا للهب، فإنها تكون معرضة بشدة للتدهور الناتج عن التمدد الحراري المفرط والتآكل، مما يؤدي لاحقًا إلى مزيد من الضرر.
وتتجلى هذه الظاهرة بشكل خاص في الأفران التي تخضع لدورات بدء وإيقاف متكررة. وبالتالي، فإن عمر خدمة طوب المغنيسيا والكروم أقصر بكثير من عمر طوب الدولوميت.
تشير الخبرة العملية الواسعة إلى أنه في ظل ظروف العمليات والمعدات المتطابقة، يوفر طوب الدولوميت عمومًا عمر خدمة أطول من الدرجات المكافئة من طوب المغنيسيا والكروم.
وفي حالة طوب الدولوميت المحتوي على الزركونيا، يضاف أكسيد الزركونيوم إلى التركيبة. أثناء عملية التكليس، يتفاعل أكسيد الزركونيوم مع الجير لتكوين مواد الزركونات شديدة المقاومة للحرارة مع نقاط انصهار تصل إلى 2430 درجة.
يؤدي هذا التفاعل إلى توليد شقوق صغيرة داخل الطوب، مما يساعد على وقف انتشار الشقوق الناجمة عن الإجهاد. وهذا يعزز استقرار الصدمة الحرارية للطوب ويقلل من التشظي الحراري أثناء إغلاق الفرن.
طوب الدولوميت قادر أيضًا على الخضوع للتشوه دون التشقق. في اختبارات الحمل ذات درجة الحرارة العالية (1550 درجة، 0.17 نيوتن/مم²)، يمكن أن يتشوه طوب الدولوميت بأكثر من 10% دون أن ينكسر، في حين أن الحراريات القائمة على المغنيسيا تتشقق عادة بعد التشوه بنسبة تقل عن 1%.
عند تعرضه لدرجات حرارة عالية - خاصة داخل المناطق الانتقالية ذات درجات الحرارة المنخفضة - يميل طوب الدولوميت إلى إظهار الزحف بدلاً من خاصية الكسر الهش التي تتميز بها طوب المغنيسيا أو طوب الإسبنيل والمغنيسيا.