Yüksek fırın cürufundan radyasyon kalkanlama özelliğine sahip camların geliştirilmesi
Development of radiation shielding glass materials utilizing blast furnace slag
- Tez No: 948923
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞENOL YILMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, metalurji endüstrisinin önemli yan ürünlerinden biri olan yüksek fırın cürufunun (YFC) geri dönüşüm potansiyeli değerlendirilerek, radyasyon zırhlama amacıyla kullanılabilecek çevresel ve ekonomik açıdan sürdürülebilir cam malzemelerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. YFC esaslı cam bileşimi hazırlanarak, radyasyon zırh özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla Bi2O3, La2O3, TeO2 ve BaCO3 ağır metal oksit katkı oranları ağırlıkça %10, %20 ve %30 olarak belirlenmiştir ve bu katkıların yüksek fırın cüruf camının özelliklerini nasıl değiştirdiği değerlendirilmiştir. Üretilen camlar, yalnızca radyasyon zırhlama performansları bakımından değil, aynı zamanda yapısal ve fiziksel, termal ve mekanik özellikleri yönünden de detaylı şekilde incelenmiştir. Fiziksel özellikler kapsamında deneysel yoğunluk ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Molar hacim, oksijen molar hacim ve oksijen paketleme yoğunluğu hesaplanmaları teorik olarak yapılmıştır. Yapısal karakterizasyon için ise x-ışını kırınımı (XRD) ve Raman spektroskopisi analizleri gerçekleştirilmiştir. Diferansiyel termal analiz (DTA) yöntemiyle camların termal özellikleri belirlenirken, mekanik özellikleri ise Makishima-Mackenzie modeli kullanılarak teorik olarak belirlenmiştir. Saf YFC camının yoğunluğu yaklaşık 2,80 g/cm³ olarak belirlenirken, katkı oranı ve türüne bağlı olarak yoğunluk değerlerinin 2,90-3,36 g/cm³ aralığında değiştiği görülmüştür. Katkıların yoğunluğu artırıcı etkisi bakımından sıralama La2O3 > Bi2O3 > BaCO3 > TeO2 şeklinde gerçekleşmiştir. Yapısal incelemelerde, 30La2O3 ve 30TeO2 katkılı camlarda kristalizasyon gözlenmişken, diğer tüm camlar amorf yapı özelliğini korumuştur. Yüsek fırın cüruf bileşimine yapılan katkılar sonrasında teorik olarak hesaplanan mekanik özelliklerde düşüş meydana gelmiş ancak buna rağmen camların mekanik değerlerinin literatürde bildirilen camların mekanik değerleri arasıda yer aldığı belirlenmiştir. Ayrıca katkılarla birlikte camların cam geç sıcaklık (Tg) ve kristallenme sıcaklık (Tc) değerleri genel olarak düşüş sergilemiştir. Radyasyon zırhlama özellikleri, gama enerjileri olan 81, 276, 356, 662, 1173 ve 1332 keV'de incelenmiştir. Saf YFC camı için lineer zayıflatma katsayısı (μ) 0,63 ile 0,15 cm⁻¹; kütle zayıflatma katsayısı (μ/ρ) 0,225 ile 0,053 cm²/g; yarı değer kalınlığı (HVL) ise 1,09 ile 4,51 cm arasında değişmiştir. Elde edilen veriler, bazı ticari camlarla karşılaştırıldığında 662 keV'de RS253, RS253-G18 ve RS323-G19 (ağ. %33 PbO içeriği), saf YFC camının daha iyi zırhlama performansı gösterdiğini ortaya koymuştur. Katkı ilavesiyle bu performans parametreleri daha da geliştirilmiş; en üstün sonuçlar ağ. %30 Bi2O3 katkılı camda elde edilmiştir. 30Bi2O3 camının lineer zayıflatma katsayısı değerleri 2,76–0,209 cm⁻¹; kütle zayıflatma katsayısı değerleri 0,822–0,055 cm²/g; yarı değer kalınlık değerleri ise 0,25–3,31 cm arasında ölçülmüştür. Radyasyon zırhlama etkinliği, katkı türlerine göre değerlendirildiğinde genel sıralama Bi2O3 > La2O3 > BaCO3 > TeO2 şeklinde olmuştur. Özellikle düşük enerjili gama fotonları için katkıların etkisi belirgin şekilde artmış, yüksek enerjili fotonlarda ise zırhlama etkinliği daha sınırlı kalmıştır. Sonuç olarak, YFC esaslı camlar, hem endüstriyel atıkların geri kazanımını sağlayarak çevreye katkı sunmakta hem de ekonomik bir radyasyon zırh malzemesi alternatifi oluşturmaktadır. Özellikle Bi2O3 katkısı ile güçlendirilmiş YFC camları, düşük ve orta enerjili gama fotonlarına karşı üstün zayıflatma kapasitesi göstermiştir. Böylece, bu çalışma geri dönüşümlü hammaddelerle çevre dostu, toksik olmayan, yüksek performanslı ve düşük maliyetli radyasyon koruyucu camların geliştirilmesine bilimsel bir temel oluşturmuştur.
Özet (Çeviri)
Radiation is a physical phenomenon widely used in various fields, including medicine, industry, defense, and energy production. However, the potential harmful effects of ionizing radiation on living organisms and the environment have made radiation protection an increasingly important issue. To enhance the safety of radiation-based systems and to protect personnel and the environment, there is a growing need for shielding materials that can block or limit radiation transmission. In this context, the development of radiation shielding materials has become one of the critical research areas of contemporary science and technology. Lead, a traditional shielding material, is highly effective but its toxic nature, environmental risks, and limitations in processing have accelerated the search for alternative materials. Similarly, although concrete is a widely used structural material that can partially block radiation, it remains insufficient against high-energy radiation and may undergo structural degradation upon long-term exposure. For these reasons, the development of safer and more sustainable radiation shielding materials has become a scientific and technological necessity. In recent years, glass and glass-ceramic systems have emerged as alternative solutions for radiation shielding applications. Owing to their amorphous structures, glasses possess a homogeneous internal network and can become highly effective at attenuating ionizing radiation when enriched with specific elements. Particularly, glass systems modified with high atomic number oxides offer not only efficient radiation shielding but also a more environmentally friendly and sustainable material alternative. This study aims to develop eco-friendly and cost-effective radiation shielding glasses through the valorization of blast furnace slag (BFS), an industrial by-product. Generated in large quantities during integrated iron and steel production, BFS possesses a chemical composition with significant vitrification potential. However, its use in high value-added applications remains limited. Utilizing BFS in glass production may contribute both to mitigating an environmental issue and to providing sustainable and economical radiation shielding solutions. Accordingly, this study investigates the radiation shielding performance of BFS-based glasses, in which high atomic number metal oxides (Bi2O3, La2O3, TeO2, BaCO3) were incorporated at varying concentrations to enhance shielding efficiency. The additives were introduced into the BFS-based glass matrix at weight percentages of 10%, 20%, and 30%. The glass samples were synthesized by the melt-quenching technique at 1500 °C for 2 hours, followed by annealing at 600 °C to relieve internal stresses. The produced glass samples were comprehensively evaluated in terms of their physical, structural, thermal, and radiation shielding properties. In the physical characterization, density, molar volume, oxygen molar volume, and oxygen packing density were calculated. For structural characterization, X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy techniques were employed. Differential thermal analysis (DTA) was used to investigate the thermal behavior of the glasses, including their glass transition (Tg) and crystallization (Tc) temperatures. Additionally, the mechanical properties of the glass samples were theoretically estimated using the Makishima–Mackenzie model. The density of the pure BFS glass was measured to be approximately 2.80 g/cm³, while the density values of the doped samples ranged from 2.90 to 3.36 g/cm³, depending on the type and concentration of the additives. In terms of the densification effect of the dopants, the order was determined as La2O3 > Bi2O3 > BaCO3 > TeO2. Structural analysis revealed partial crystallization in the samples containing 30% La2O3 and 30% TeO2, whereas all other samples retained their amorphous structure. Following the additions made to the blast furnace slag-based composition, a decrease was observed in the theoretically calculated mechanical properties. Nevertheless, the mechanical values of the glasses were found to fall within the range reported for similar glasses in the literature. Additionally, with the incorporation of additives, the glass transition temperature (Tg) and crystallization temperature (Tc) values of the glasses generally exhibited a decreasing trend. Radiation shielding properties of the glasses were evaluated using gamma photons with energies of 81, 276, 356, 662, 1173, and 1332 keV. For the pure BFS glass, the linear attenuation coefficient (μ) ranged from 0.63 to 0.15 cm⁻¹, the mass attenuation coefficient (μ/ρ) from 0.225 to 0.053 cm²/g, and the half-value layer (HVL) from 1.09 to 4.51 cm. When compared to certain commercial lead-containing glasses (e.g., RS253, RS253-G18, and RS323-G19 (containing 33 wt% PbO), the pure BFS glass exhibited superior shielding performance, particularly at 662 keV. The incorporation of metal oxides into the glass matrix led to a substantial enhancement in the radiation shielding efficiency of the blast furnace slag (BFS)-based glasses. Among all the glass compositions studied, the sample containing 30 weight percent (wt%) of bismuth oxide (Bi2O3) exhibited the most superior performance. This particular glass sample achieved linear attenuation coefficient (μ) values that ranged from 2.76 cm⁻¹ at lower photon energies to 0.209 cm⁻¹ at higher photon energies. In addition to that, the mass attenuation coefficient (μ/ρ) values for the same sample varied between 0.822 cm²/g and 0.055 cm²/g, depending on the gamma photon energy level. Furthermore, the half-value layer (HVL) values were measured to be in the range of 0.25 cm to 3.31 cm, indicating a strong capacity to attenuate gamma radiation. When evaluated specifically at a gamma photon energy of 662 keV, the 30 wt% Bi2O3-doped BFS glass showed a clearly superior radiation attenuation capability. At this energy level, the sample demonstrated lower HVL values compared to several widely used commercial radiation shielding glasses. These commercial references included RS253, RS253-G18, and RS323-G19, all of which contain approximately 33 wt% of lead oxide (PbO), as well as RS360, which contains around 45 wt% PbO. Despite the high lead content in these commercial glasses, the 30 wt% Bi₂O₃ glass not only matched but exceeded their shielding performance at key energy levels. This comparison strongly highlights the effectiveness of the lead-free BFS-based glass and suggests its high potential as a safer and more environmentally sustainable alternative to conventional lead-containing radiation shielding materials. These findings underscore the outstanding radiation shielding performance of the lead-free BFS-based glass doped with 30 wt% Bi2O3. Among all the fabricated samples, this composition exhibited the most effective attenuation behavior, particularly evident in its low half-value layer (HVL) values and high linear attenuation coefficients (μ), especially at a photon energy of 662 keV. The glass achieved these results without incorporating any lead compounds, which makes the outcome even more significant from both environmental and health perspectives. When compared with commercial radiation shielding glasses, the 30 wt% Bi2O3-doped BFS glass demonstrated superior performance. Notably, it outperformed RS253 and RS253-G18 (both of which are lead-free glasses) as well as RS323-G19 and RS360, which contain 33 wt% and 45 wt% PbO, respectively. The fact that a lead-free formulation can surpass high-lead-content commercial glasses in terms of shielding efficiency strongly highlights the potential of Bi2O3 as an effective and environmentally friendly alternative to toxic lead-based materials. This suggests that high levels of radiation attenuation can be achieved through careful compositional design without relying on hazardous substances. In evaluating the relative effectiveness of the different metal oxide additives used in the BFS glass matrix, a distinct order was observed. The contribution to gamma-ray attenuation followed the trend: Bi2O3 > La2O3 > BaCO3 > TeO2. This hierarchy is closely related to the atomic number and density of the respective oxides, which directly influence their interaction probability with gamma photons. Bismuth oxide, with its high atomic number (Z = 83), provided the most substantial improvement in shielding performance. Moreover, the influence of these additives was found to be more pronounced at lower gamma photon energies. This is primarily due to the dominant role of photoelectric absorption at these energy levels, where high-Z elements like bismuth are especially effective. At higher photon energies (such as 1173 keV and 1332 keV) the relative contribution of the additives decreased somewhat, due to the increasing influence of Compton scattering and pair production mechanisms. Nonetheless, the 30 wt% Bi2O3-doped glass maintained a high level of attenuation across the entire tested energy range. Overall, the results demonstrate that 30 wt% Bi2O3-doped BFS glass is a highly promising candidate for use in radiation shielding applications. Its superior performance, combined with its non-toxic, lead-free composition, makes it an excellent sustainable alternative to conventional lead-based shielding materials for use in medical, nuclear, and industrial fields.
Benzer Tezler
- 1985-1986 yıllarında Polatlı Devlet Hastanesine kaza nedeniyle başvuranların incelenmesi
Başlık çevirisi yok
FERHAN ŞENOL
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
İlk ve Acil YardımGazi ÜniversitesiKazaların Çevresel ve Teknik Araştırması Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. DR. HİKMET PEKCAN
- Devrelerin büyük işaret cevaplarının bilgisayar yardımıyla bulunması
Başlık çevirisi yok
NÜKHET GÜNEYİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜR TÜTÜNCÜOĞLU
- Bir ilaç fabrikasında personel gereksinmesinin belirmesi seçilmesi ve elde tutulmasına yönelik bir uygulama çalışması
Başlık çevirisi yok
EMİNE BOZBAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1989
İşletmeİstanbul ÜniversitesiÇalışma Ekonomisi ve Endüstri İlişkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUĞRAY KAYNAK
- Çimentonun sertleşmesi üzerinde kimyasal komponentlerin etkisi
Başlık çevirisi yok
NACİYE TÜRKEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Kimya MühendisliğiUludağ ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEBE
- 1981 Türkiye tarımsal yapısının önemli bileşenleri ve tarımsal bölgelerin elde edilmesi
Principle components of Turkey's agricultural structure and to determine agricultural rigions in 1981
İHSAN KARABULUT