Vorhersage des Hochtemperaturverhaltens von Feuerbetonen beim Einsatz von sekundären Rohstoffen mit Verunreinigungen

Das Forschungsvorhaben adressierte die Herausforderung auf Seiten der Wirtschaft, dass aus ökonomischen, ökologischen und rechtlichen Gründen zunehmend sekundäre Rohstoffe zur erstellung von feuerfesten Erzeugnissen verwendet werden. Die Auswirkungen der mit solchen sekundären Rohstoffen eingebrachten Verunreinigungen auf das Verhalten der feuerfesten Erzeugnisse ist jedoch nicht immer klar. Das Forschungsziel war also, das Wissen über die Auswirkungen von Verunreinigungen aus sekundären Rohstoffen auf das Verarbeitungsverhalten und das Hochtemperaturverhalten von feuerfesten Werkstoffen zu erweitern.

Dazu wurden musterhafte, aber verbreitete primäre Rohstoffe gezielt mit gängigen Elementen verunreinigt und zu Muster-Feuerbetonen verarbeitet. An diesen Muster-Feuerbetonen wurden die Zusammenhänge zwischen Verunreinigungen (Art und Menge) und dem Verarbeitungs- und Hochtemperaturverhalten untersucht. Dazu wurde auch ein Prüfverfahren aufgebaut, das die Einsatzbedingungen feuerfester Erzeugnisse (thermischer Gradient, unterdrückte Ausdehnung) nachstellt. Die Untersuchungen des Hochtemperaturverhaltens erfolgten anhand genormter (RuL, creep under compression) und ungenormter (FE-REM, MMH, RFDA) Methoden.

In diesem Zusammenhang sollte der Begriff der Feuerfestigkeit (engl. refractoriness) neu definiert werden. Nahe der bisher so definierten Anwendungsgrenztemperatur besteht im Wirklichkeit ein Temperaturfenster, das durch die Bildung von Schmelzphasen und den Übergang von sprödem zu duktilem Verhalten charakterisiert wird und damit verbessertes Hochtemperaturverhalten ermöglicht.

Die Definition und Entwicklung einer systematischen Herangehensweise zur Herstellung von hochtonerdehaltigen Rohstoffen mit definiertem Anteil an Verunreinigungen lieferte umfassende neue Erkenntnisse für die Feuerfesthersteller. Bei der Substitution der hergestellten verunreinigten Rohstoffe zeigte sich, dass die Partikelgrößenverteilung eine vorrangige Rolle spielt. Die Einstellung einer mit der zu substituierenden Kornfraktion vergleichbaren Partikelgrößenverteilung ist unumgänglich zur Untersuchung des Einflusses von Verunreinigungen auf die Verarbeitungseigenschaften, das Abbindeverhalten und die Kaltbiegefestigkeit der Feuerbetone.

Die kristallographische und bruchmechanischen Untersuchungen, sowie Temperaturleitfähigkeitsuntersuchungen ergaben, dass der Einfluss der Verunreinigungen und der Zusatz von Spinellprekursoren auf das thermochemische Verhalten von Feuerbetonen bei hohen Temperaturen (Festigkeitsverlust, Entwicklung von Duktilität, Bildung von Schmelzphasen) sehr gut nachvollzogen werden können. Es konnte sehr gut aufgezeigt werden, dass eine geringe Menge an Schmelzphase von Vorteil sein könnte, insbesondere um die Duktilität des Materials zu erhöhen, ohne seine mechanische Festigkeit zu stark zu beeinträchtigen. Anders formuliert bergen Verunreinigungen bzw. Sekundärrohstoffe interessante Potentiale für die Entwicklung von Feuerfesterzeugnissen mit verbesserten thermochemischen Verhalten in gezielten Temperaturbereichen und für ausgewählte Anwendungen

Mit Hilfe eines neu entwickelten Prüfsystems, das gleichzeitig einen thermischen Gradienten im Probekörper hervorruft und Lasten in zwei Richtungen senkrecht zum thermischen Gradienten unmittelbar in der Nähe der Heißseite des Probekörpers aufbringt, konnte eine Mikrostruktur im Labor generiert werden, die das Gefüge von Feuerfestzustellungen im Betrieb angemessen widerspiegelt. Dies gewährt einen einzigartigen Einblick, um das Betriebsverhalten von Feuerfestzustellungen noch besser zu verstehen