Makale: Atık Kordiyeritlerin Seramik Sektöründe Kullanım Olanaklarının Araştırılması / Investigation of Usage Possibilities of Cordierite Waste in Ceramic Sector

MAKALE

Cilt: 55 Sayı: 649 Mühendis ve Makina

69

INVESTIGATION OF USAGE POSSIBILITIES OF CORDIERITE WASTE IN

CERAMIC SECTOR

Kemal Köseoğlu Yrd. Doç., Dr.,

Ege Üniversitesi, Ege MYO, Seramik, Cam ve Çinicilik Bölümü, İzmir

kemal.koseoglu@ege.edu.tr Lina İ. İsrail* Öğr. Gör., Dr.,

Ege Üniversitesi, Ege MYO, İzmir

linaisrail@gmail.com Erkan Tınaz Ege Seramik AŞ., İzmir etinaz@egeseramik.com Emre Öztürk Ege Seramik AŞ., İzmir eozturk@egeseramik.com Hakan Kıran Ege Vitrifiye AŞ., İzmir hkiran@egeseramik.com

ATIK KORDİYERİTLERİN SERAMİK SEKTÖRÜNDE

KULLANIM OLANAKLARININ ARAŞTIRILMASI

ÖZET

Kordiyeritin termal genleşme katsayısı çok düşük ve termal şok dayanımı çok iyi olduğundan yüksek sıcaklık gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadır. Seramik fırınlarında plaka, kaset, taşıyıcı kolon ve fırın kaplama malzemesi olarak kullanılan kordiyeritin ısı değişimine karşı mukavemeti iyi olma-lıdır.

Araştırmada, çelik fabrikasından alınan kordiyerit atıklarına bağlayıcı olarak talk, kil ve pomza taşı konulmuştur. Öğütülen örnekler ağırlıkça % 6 oranında nemlendirilerek 270 MPa basınç altında 1 cm, 1x5x10 cm ebatlarında preslenmiştir. Hazırlanan numuneler 200 °C sıcaklıkta kurutulmuştur daha sonra 1200-1250-1300 derecelerde pişirilmiştir.

Bu çalışmanın amacı atık kordiyerit ile hazırlanan numunelere bazı fiziksel (pişme mukavemeti, piş-me küçülpiş-mesi ve su empiş-me) ve termal (termal genleşpiş-me katsayısı) testler uygulanarak seramik sektö-ründe kullanım olanaklarının araştırılmasıdır.

Anahtar Kelimeler: Kordiyerit atık, pişme mukavemeti, termal genleşme katsayısı, pişme

küçül-mesi, su emme.

ABSTRACT

Due its low thermal expansion coefficient and high thermal shock resistance cordierite is used in appli-cations that necessitate high temperature. Cordierite must show beneficial strength towards heat when used in ceramic kilns as a plate, cassette, carrier coloumn and coat for furnace material.

Talc, clay and pumice were added to cordierite waste as binding agents which were provided by a steel factory. The grinded samples were moistened at 6 % w/w and were pressed at 6 MPa pressure to have tiles 1 cm x 5 cm x 10 cm dimensions. The prepared samples were dried at 200°C and then were sintered at 1200,1250,1300 °C.

The aim of this study is to apply physical (fired strength,fired shrinkage, and water absorption) and thermal (thermal shock resistance coefficient) tests for investigating the usage possibility in ceramic sector.

Keywords: Cordierite waste, fired strength, thermal shock resistance coefficient, fired shrinkage,

wa-ter absorption.

* _{İletişim yazarı}

Geliş tarihi : 20.01.2014 Kabul tarihi : 14.02.2014

Köseoğlu, K., İsrail, L. İ., Tınaz, E., Öztürk, E., Kıran, H. 2014. “Atık Kordiyeritlerin Seramik Sektöründe Kullanım Olanaklarının Araştırılması,” Mühendis ve Makina, cilt 55,

Cilt: 55

Sayı: 649

70

71

Atık Kordiyeritlerin Seramik Sektöründe Kullanım Olanaklarının Araştırılması Kemal Köseoğlu, Lina İ. İsrail, Erkan Tınaz, Emre Öztürk, Hakan Kıran

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA

Hazırlanan tabletlerin küçülme değerleri Şekil 1'de verilmiş-tir.

Standard olarak kullanılan numune sıcaklık artışı ile hızla küçülmeye uğrarken K1 numunesinde böyle bir değişiklik gözlenmemiştir. Reçete içersinde pomza taşının yeraldığı K2 numunesi ve kil miktarının en çok olduğu K3 numunesinde kuvars miktarının fazla olması sebebiyle 1250°C'den sonra

küçülmenin arttığı düşünülmektedir. Şekil 2 sıcaklığa bağlı olarak pişme mukavemetini göstermektedir.

Kordiyerit fazlarına ilave edilen kil, talk, pomza ve alumina tozları ile sinterleşmenin daha iyi olduğu ve sinterleşmenin 1250°C'den sonra başladığı görülmüştür. 1300°C'de istenilen sinterleşmeye ulaşılmıştır. Bu sıcaklıktan sonra gözeneklerin küçüldüğü ve dolduğu düşünülmektedir. Bu durum mukave-metin artmasına ve dolayısıyla su emme değerlerinin azalma-sına (Şekil 3) sebebiyet vermiştir.

Şekil 1. Standard ve Numunelerin Pişme Küçülmeleri

Şekil 2. Pişme Mukavemetinin Sıcaklıkla Değişimi

1. GİRİŞ

P

mal-zemelerin imalinde kullanılan kordiyerit, 2MgO.

Al2O3.5SiO2 kimyasal formülüne sahiptir [1]. ‘Düşük

termal genleşme katsayısı, mükemmel termal şok direnci, yüksek kimyasal dayanım ve mekanik özellikleri [2-5] sa-yesinde otomobillerin egzoz sistemlerinde taşıyıcı olarak ve buna ilaveten yüksek frekans bölgesinde alüminaya kıyasla düşük dielektrik sabitine sahip olmasından dolayı devrelerde substrat malzeme olarak da kullanılır’ [4,6].

‘Günümüzde yardımcı malzemeler olmadan saf kordiyerit malzemelerin üretimi çok zordur. Yardımcı malzemelerin kullanımı kordiyeritin termal genleşme katsayısını arttırırken dielektrik özelliklerini de kötüleştirir. Bu yüzden yüksek mu-kavemetli, düşük termal genleşme katsayılı polikristal kordi-yerit seramiklerin hazırlanması zordur çünkü safsızlık duyarlı pişirme aralığı oldukça dardır’ [7,8].

Refrakter uygulamalarda kordiyerit seramiklerin endüstri-sinde doğal hammaddeler kullanılmaktadır. Literatürde yer alan bazı başlangıç hammaddeleri şöyledir ‘[9]: (i) kaolinit ve magnezyum bileşiklerinin karışımı [4] (ii) toprak alkali-alü-mina silikat cam (kaolen, alüalkali-alü-mina ve magnezit [5] (iii) talk, kalsine alümina ve uçucu kül [10] (iv) kaolin, talk, silika ve

alümina [11] (v) talk, kaolinitik kil, ve gibsit [12] (vi) kaolin, talk ve magnezyum oksit [2] (vii) talk, kaolin, silika, sepiyolit ve feldspar [13] (viii) kaolin ve talk’ [14]. Kullanılan ham ve yardımcı maddelerin tane irilikleri, pişirme rejimi ve sıcaklığı refrakter üretiminde önemlidir.

Çelik fabrikalarında altlık ve tutucu olarak kullanılan kori-yerit yapımı malzemeler bir defalık kullanılıp atılmaktadır. Çalışmada kordiyerit atıkları, talk ve alümina yüzdesi yüksek kil, talk ve pomza taşı kullanılarak kordiyerit atık zenginleşti-rilerek yeni reçeteler oluşturulmuştur.

Bu çalışmanın amacı yardımcı maddelerle zenginleştirilen

atık kordiyeritlerin seramik refrakter malzeme olarak kullanı-mının uygun olup olmadığının araştırılmasıdır.

2. MALZEME VE METOD

Kimyasal analizleri Tablo 1'de verilen hammaddelerin tane iriliği 63 µm olması amacıyla değirmenlerde (Macchine Ma-cine Schmalta) beş dakika karıştırılıp öğütülmüştür Nüve KD 400 marka etüvde nemini tamamen atıncaya kadar kurutul-muştur. Hammaddeler reçetelere göre (Tablo 2) tartılmıştır. MMS marka jet değirmenlerde 8 dakika kuru olarak öğütül-müştür. Öğütülen numuneler (K, K1, K2, K3) 300 mikron elekten geçirildikten sonra % 6 oranında nemlendirilmiştir. Nemlendirilen numunelerden, Sartorius BP 41005 marka te-razide 70 gram tartılarak, Sacmi marka el presinde 280 bar basınç altında 5 cm x 10 cm x 1 cm ebatlarında tablet halinde preslenmiştir. Preslenen tabletler 1 saat etüvde kurutulmuştur. Tabletler Nabertherm G100/9 marka gradyen fırında 1200, 1250 ve 1300 °C'de pişirilmiştir. Pişen tabletlerin küçülme, su emme yüzdeleri, pişmiş mukavemet ve renk değerleri ölçül-müştür. Mukavemet cihazı olarak Gabrielli Crometro CR4-A4-B4 30 kg modeli, renk ölçüm için Erichsen Spectromaster 565-D modeli kullanılmıştır. Termal genleşme katsayı değer-leri 50-1300°C sıcaklık aralığında ölçüm yapabilen Netzsch DİL 402 dilatometre cihazıyla belirlenmştir.

Bileşenler (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O CaO MgO Na2O KK

Kordiyerit 50,12 31,67 2,33 1,27 2,29 0,29 10,71 0,36 0,96 Talk 57,23 1,16 0,65 0,04 0,23 0,87 30,85 0,03 8,56 Kil 54,73 28,35 2,83 1,21 1,34 0,31 0,87 0,5 9,86 Pomzataşı 71,4 13,68 1,03 0,04 6,03 0,63 0,2 2,75 4,24 Kuvars 98,52 0,44 0,02 0,01 0,05 0,02 0 0,86 0,08 Alumina 0,39 99,1 0,02 0,01 0 0,05 0,2 0 0,23 Manyezit 6,07 3,2 0,43 0,06 0,08 1,76 42,27 0,23 45,9

Tablo 1. Hammaddelerin Kimyasal Analizi

Bileşenler (%) Kstd K1 K2 K3 Kuvars 51,4 Alumina 34,8 Manyezit 13,8 Ara Toplam 100 80 75 75 Talk 5 5 5 Kil 15 15 20 Pomza 5 Toplam 100 100 100 100

Cilt: 55

Sayı: 649

72

73

Atık Kordiyeritlerin Seramik Sektöründe Kullanım Olanaklarının Araştırılması Kemal Köseoğlu, Lina İ. İsrail, Erkan Tınaz, Emre Öztürk, Hakan Kıran

Dense Ceramics From Magnesium Compounds and Kaolini-te Without Additives,’ Ceramics InKaolini-ternational, vol. 26, no.7, p.739-743.

5. Tulyaganov, D.U., Tukhtaev, M.E., Escalante, J.I., Ribe-iro, M.J., Labrincha, J.A. 2002. ‘Processing of Cordierite

Based Ceramics From Alkaline Earth Alumina Silicate Glass, Kaolin, Alumina and Magnesite,’ Journal of European Cera-mic Society, vol. 22, no.11, p.1775-1782.

6. Knickerbocker, S.H., Kumar, A.H., Herron, L.W. 1993. ‘Cordierite Glass-ceramics for Multilayer Ceramic Packa-ging,’ American Ceramic Society Bulletin, vol. 72, no.1, p. 90-95.

7. Oliveiraa, F.A.C., Fernandes, F.C. 2002. ‘Mechanical and Thermal Behaviour of Cordierite–zirconia Composites,’ Ce-ramics International, vol. 28, no.1, p. 79-91.

8. Morell, R. 1979. ‘The Mineralogy and Properties of Sintered Cordierite Glass Ceramics,’ Proceedings of the British Cera-mic Society, vol. 28, p. 53-71.

9. Goren, R., Gocmez, H., Ozgur, C. 2006. ‘Synthesis of

Cor-dierite Powder From Talc, Diatomite and Alumina,’ Ceramics International, vol. 32, no.4, p. 407-409.

10. Kumar, S. Singh, K.K., P. Ramachadrarao. 2000.

‘Synthe-sis of Cordierite From Fly Ash and Its Refractory Properties,’ Journal of Materials Science Letters, vol. 19, no.14, p.1263-1265.

11. Gonzalez-Velasco, J.R., Gutierrez-Ortiz, M.A., Ferret, R. 1999. ‘Synthesis of Cordierite Monolithic Honeycomb by Solid State Reaction of Precursor Oxides,’ Journal of Mate-rials Science Letters, vol. 34, no.9,p. 1999-2002.

12. Tamborenea, S., Mazzoni, A.D., Aglietti, E.F. 2003. ‘Mec-hanochemical Activation of Minerals on Cordierite Synthe-sis,’ Thermochimica Acta, vol. 411, no. 2, p. 219-224.

13. Acimovic, Z., Pavlovic, L., Trumbulovic, L., Andric, L., Stamatovic, M. 2003. ‘Synthesis and Characterization of

Cordierite Ceramics From Nonstandard Raw Materials for Application for Foundry,’ Materials Letters, vol. 57,no.18, p.2651-2656.

14. Trumbulovic, L., Acimovic, Z., Panic, S., Andric, L. 2003. ’Synthesis and Characterization of Cordierite From Kaolinite and Talc for Casting Application,’ FME Transac-tions, vol. 31, no.1, p. 43–47.

Termal genleşmenin sıcaklıkla değişimi Tablo 3'te veril-mektedir. Endüstriyel kordiyeritin termal genleşme katsayısı

2,5x10-6 _K-1 _{'dir. Termal genleşme değerleri tüm numunelerde}

sıcaklıkla azalmıştır. 1300°C de tam sinterleşme ile endüst-riyel kordiyeritin termal genleşme katsayı değerine yaklaşıl-mıştır. En iyi sonuç pomza taşı ihtiva eden K2 numunesi ile elde edilmiştir.

Şekil 4 standart ve katkılı malzemelerin farklı sıcaklıklarda-ki renk değerlerini göstermektedir. Sonuçlar trikromatik renk koordinatları ve parlaklık değeri olarak verilmiştir. L, değeri beyazlık derecesini; a, yeşil ve kırmızı renkleri arasındaki; b, mavi ve sarı renkleri arasındaki değişimi ifade eder.

Tüm sıcaklıklarda standart kordiyerit katkılı kordiyeritlere göre daha beyazdır (L değeri büyüktür) a değerlerinde büyük bir değişiklik gözlenmezken, b değerleri katkılı malzemelerde fazladır. Katkılı malzemeler sarılaşmıştır.

KAYNAKÇA

1. Yılmaz, H., Kara, F. 2010. ‘Refrakter Malzeme Üretimi,’ Ulusal Meslek Yüksekokulları Öğrenci Sempozyumu, 21-22 Ekim 2010, Düzce.

2. Serkan, A. 2006. www.metalurji.org.tr, ‘Farklı Hammadde

Kaynaklarından Kordiyerit Seramik Üretimi,’ Metalurji Der-gisi, s. 145, son erişim tarihi: 23.05.2013.

3. Yamuna, A., Johnson, R., Mahajan, Y.R., Lalithambika, M. 2004. ‘Kaolin Based Cordierite for Pollution Control,’

Jo-urnal of European Ceramic Society, vol. 24, no.1, p.65-73.

4. Kobayashi, Y., Sumi, K., Kato, E. 2000. ‘Preparation of Termal Genleşme Katsayısı x10-6 _(K-1₎ Kstd K1 K2 K3 Sıcaklık (°C) 1200 3,16 3,26 3,31 3,21 1250 2,97 2,87 2,81 2,97 1300 2,66 2,76 2,56 2,69 Endüstriyel kordiyerit 2,50

Tablo 3. Kordiyeritin Farklı Sıcaklıklardaki Termal Genleşme Katsayısı

Şekil 3. Su Emme Yüzdesinin Sıcaklıkla Değişimi

(a)

(b)

(c)