Optimisation of high-temperature thermal shock resistance of alumina-based refractory monolithics

In praktisch allen periodisch betriebenen Öfen und industriellen Hochtemperaturaggregaten wirken sich die Temperaturwechsel lebenszeitbegrenzend auf feuerfeste Zustellungen aus. Das Forschungsprojekt zielte auf ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Ausgangsrohstoffen von Feuerbetonen und der aus der Einsatztemperatur resultierenden Mikrostruktur dieser Feuerbeetone sowie Hochtemperatureigenschaften und deren Einfluss auf das Thermoschockverhalten ab. Dadurch soll die Temperaturwechselbeständigkeit von Feuerbetonen im Betrieb verbessert und die Lebensdauer von Öfen und industriellen Hoch-temperaturaggregaten verlängert werden.

FGF (Hochtemperatur-Thermoschockprüfung): Eine neu entwickelte, praxisnahe Hoch-temperatur-Thermoschock-Prüfmethode erlaubt, das Verhalten feuerfester Erzeugnisse bei Einsatztemperatur besser als bisher im Labor zu charakterisieren. Die Prüfmethode ist in einem Laborofen mit 1750 °C Maximaltemperatur und kontrollierter, d.h. auch sauerstofffreier Atmosphäre eingebaut. Bei der Methode werden Prüfkörper (Zylinder, Ø 50x100 mm) abwechselnd an ihrer Stirnseite in Kontakt mit einem heißen Wärmespeicherkörper gebracht (aufsteigender Thermoschock) und in einem kühleren Bereich des Ofens wieder abgekühlt. So können zyklische Thermoschocks zwischen 1000 °C und 1700 °C realisiert werden. Die Art der Temperaturbeaufschlagung an der Stirnseite des Prüfkörpers ist typisch für viele industrielle Anwendungen (z.B. Oberfläche von monolithischen Zustellungen, E-Ofen-Deckel etc). Analysen der Probekörper zeigen, wie nach jeder Temperaturbeaufschlagung im Bauteil Schädigungen auftreten, aber auch Gefüge versintern oder ausheilen. In gebrannten geformten feuerfesten Produkten (z.B. in hochtonerdereichen Steinen) folgt der Schädigungsverlauf weitgehend dem thermischen Gradient. Solche Steine zeigen mehr Schäden in der Nähe der Heißseite, wo die mechanischen Eigenschaften üblicherweise durch die hohen Temperaturen geschwächt und Wärmespannungen meistens höher sind. Hingegen führen Versinterungsprozesse in Folge der Temperaturbeaufschlagung bei zementgebundenen hochtonerdereichen Feuerbetonen zu einer Ertüchtigung der Werkstoffe in der Nähe der Heißseite. Mit steigender Anzahl von Temperaturzyklen akkumulieren sich aber Schäden im Werkstoff, während Sinterungsprozesse sich nur begrenzt fortsetzen können. Hochgebrannte hochtonerdereiche Feuerbetone verhalten sich also wie der hochtonerdereiche Stein und sind nicht mehr in der Lage, von Versinterungsprozessen zu profitieren.

Hochschule Koblenz (Material- und Mikrostrukturdesign): Magnesit kann als Spinellprecursor von Herstellern von Feuerbetonen als Alternative zu gesintertem MgO wirtschaftlich genutzt werden. MgO hat die negative Eigenschaft der zerstörenden Brucitbildung während des Trocknungsvorganges, was eine zusätzliche Verwendung von Mikrosilika im Versatz erfordert. Mikrosilika ist jedoch nachteilig für die Hochtemperatureigenschaften von Feuerbetonen. Magnesit als Rohmaterial ist kostengünstig und spart zudem Mikrosilika ein. Mit ähnlicher Korngröße bietet Magnesit schon in kleinen prozentualen Zusätzen eine gute Alternative, feinkörnig und homogen dispergierte Spinelle in-situ zu bilden, die für ein verbessertes Hoch-temperatur-Thermoschockverhalten von Feuerbetonen sorgen. Die mit der Hochtemperatur-Thermoschock-Prüfmethode durchführten Untersuchungen konnten in Kombination mit thermomechanischen Charakterisierungen (FGF) zeigen, dass ein hohes Sinterpotential der Feuerbeton-Matrix die Auswirkungen von Thermoschocks stark mindern oder mindestens verzögern kann. Konkret bieten hochtonerdereiche spinelbildende Feuerbetonen ein verbessertes Sinterpotential gegenüber nicht spinelbildenden Feuerbetonen. Dabei erhöht Magnesit als Spinellprecusor das Sinterpotential weiter.

CRIBC (Bildgebendes Verfahren zur Mikrostrukturanalyse): Durch „Photo Stitching Software“ können aus einzelnen Gefügebildern große hochauflösende Schliffbilder erstellt wer-den, die eine repräsentative Abbildung der Feuerfest-Mikrostruktur ermöglichen. Damit wird eine statistische Analyse der Mikrostruktur (Partikelgrößenverteilung, Winkligkeit/Rundheit von Körnern, Homogenität) von Feuerbetonen möglich. Fraktografische Untersuchungen der Bruchpfade bekräftigen den Effekt des Material- und Mikrostruktudesigns über das Bruchverhalten der Feuerbetone mit Magnesit-Zusatz. Während spröde Feuerbetone kaum Sekundärrisse (Branching) beim Thermoschock auswiesen, förderte der Zusatz von Spinellprecursoren Rissverzweigungen unter Belastung.