Feuerfest-Technik

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Feuerfeste Erzeugnisse
2.1 Dicht geformte saure Steine
2.2.1 Kieselglassteine
2.2.2 Kohlenstoff- und Graphitsteine
2.2 Dicht geformte basische Steine
2.2.1 Magnesiasteine
2.2.2 Dolomit- und Magnesiadolomitsteine
2.3 Ungeformte feuerfeste Erzeugnisse

3 Beispiele von Ofenausmauerungen

4 Zusamme nfassung

5 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Feuerfeste Erzeugnisse gibt es nicht erst seit der industriellen Revolution, sondern sie sind schon seit ungefähr 2500 Jahren vor Christus (Bronzezeit) bekannt. Wer sie genaue erfunden/entdeckt hat, ist nicht genau zu bestimmen, aber es wird den Chinesen oder den Phöniziern zugeschrieben. Die Steine bestanden aus gebranntem Ton. Aus diesen Steinen wurden Schmelzöfen für Gold, Silber und Kupfer hergestellt. Diese Steine würden den heutigen Ansprüchen nicht mehr genügen, aber zu dieser Zeit haben sie ihren Zweck erfüllt. Mit den Jahren wurden die Anspruche immer größer und auch die Einsatzgebiete immer vielfältiger, so daß es heute eine große Vielzahl an verschiedenen feuerfesten Werkstoffen gibt.

Definition von Feuerfesterzeugnissen:

Sammelbegriff für keramische Halb- und Fertigprodukte (Massen, Baustoffe, Mörtel, u. a.), die vorwiegend nach grobkeramischer Technologie gefertigt werden und deren Kegelfallpunkt oberhalb 1520 °C (SK 18) liegt.

Als hochfeuerfest werden Erzeugnisse bezeichnet, die einen höheren Erweichungspunkt haben als 1780 °C (SK 37).

Die Einsatzgebiete der feuerfesten Materialien sind überall dort, wo Temperaturen von über 1000 °C im Dauerbetrieb nötig sind (Stahlherstellung, Glaswannen, Ze- mentherstellung, Müllverbrennung, Keramikherstellung, u.a.). Darüber hinaus die- nen sie Abgrenzung von heißem Ofenraum zur Umgebung und sind in Wärmeü- bertragern enthalten.

Derzeit werden jährlich ungefähr 22-25 Mill. Tonnen feuerfester Produkte erzeugt. Die Eisen- und Stahlindustrie ist immer noch der größte Abnehmer, obwohl in den letzten 30 Jahren der mittlere spezifische Verbrauch von 50 auf 20 kg Ff/t Stahl ge- sunken ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nach der Umwandlung in Cristobalit werden die Eigenschaften cristobalitreicher Silikasteine erreicht.

Kieselglaserzeugnisse werden hauptsächlich in der Glasindustrie verwendet. Beim Schmelzen von Borosilikatgläsern als Heißreparaturmaterial oder in Form von Rollen beim Transport von Flachglas. Aber auch in der NE-Metallindustrie als Ausgüße und als säurefeste Auskleidung in der chemischen Industrie und bei Heißreparaturen in Koksöfen.

2.2.2 Kohlenstoff- und Graphitsteine

Das chemische Element Kohlenstoff kommt als amorpher Kohlenstoff und in vier Modifikationen als Carben, Fulleren, Graphit und Diamant vor.

Als Rohstoffe werden die natürlichen Vorkommen, synthetisch hergestellte Produkte sowie Abfallprodukte von der Kohle Verkokung verwendet. Hierzu zählen z.B. Ze- chenkoks und elektrisch kalzinierter Anthrazit. Als Binder werden Teerpeche, Pet- rolpeche und verschiedene Harze eingesetzt. Nach der Sinterung bilden diese eine Koksmatrix. Zur Stärkung der Bindematrix werden z.B. SiO2, Al2O3, Ti, etc. hinzuge- geben.

Die Rohstoffe werden in beheizten (T £ 160 °C) Mischanlagen mit Teer vermischt („grüne Masse“) und im heißem Zustand weiterverarbeitet. Die Steine werden gepreßt oder gestampft. Die Formlinge werden anschließend unter Luftabschluß bei Temperaturen bis zu 1400 °C gebrannt. Hierbei wird das Bindemittel in Koks umgewandelt. Die Steine können nachverdichtet werden, dies geschieht durch Imprägniermittel, die eingebrannt werden.

Kohlenstoff und der Graphit haben keinen Schmelzpunkt. Des weiteren haben sie eine konstante bzw. leicht steigende Festigkeit mit steigender Temperatur, gute bis sehr gute Wärmeleitfähigkeit und niedrige Ausdehnungskoeffizienten. Die Kohlenstoff- oder Graphitsteine haben eine geringere Rohdichte und Festigkeit als manch andere feuerfesten Steine. Die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffsteine lassen bei Temperaturen ab 1600 °C nach, da sie ab dieser Temperatur angraphitiert werden und ab 2000 °C graphitieren.

Die Anwendung von Kohlenstoff- und Graphitsteinen sind beschränkt, da sie eine große Anfälligkeit gegen Sauerstoff, Wasserdampf und CO2 bei Temperaturen über 400 °C haben. Unter reduzierender Atmosphäre liegt die Anwendungsgrenze, z.B. im Hochofen bei 1100 °C, bei anderen Anwendungen bis 3000 °C und höher. In großen Blöcken werden die Steine als Auskleidung im unteren Teil des Hochofens verwendet. Sie werden auch bei der Herstellung von Aluminium eingesetzt, aber hier dienen sie mehr der kothodischen Stromabführung. Für die Herstellung von schmelzgegossenen Korundsteinen werden Graphitplatten als Formsteine verwandt.

2.2 Dicht geformte basische Steine

2.2.1 Magnesiasteine

Magnesia kommt reichlich in der Natur vor. Magnesit MgCO3 und Magnesiumchlo- rid MgCl2 aus Salzsolen, Salzlagern und industriellen Ablaugen. Der Hauptbestandteil der Magnesiasteine ist der Periklas MgO. Periklas hat einen hohen Schmelzpunkt (TSchelz~2800 °C), eine hohe Wärmeleitfähigkeit und keine Mo- difikationsänderungen. Die Steine weisen eine große Beständigkeit gegen basische Fremdstoffe (z.B. Stahlwerksschlacken) auf. Die Beständigkeit und der Schmelzpunkt hängen sehr stark von der Art und Menge der Begleitoxide ab. Magnesiasteine haben aber einen entscheidenden Nachteil, sie haben eine hohe Wärmedehnung und einen hohen E-Modul, so daß sie empfindlich gegen Temperaturwechsel reagieren.

Die Steine werden eingeteilt nach ihrer Zusammensetzung, nach ihrem Eisengehalt und ihrem CaO/SiO2-Gehalt. Sie enthalten mindestens 80 % MgO. Es gibt reichlich Quellen für die Magnesiaherstellung. Die dominierende Quelle ist hierbei der Magnesit (MgCO3), er kommt fein- und grobkristallin vor. Des weiteren gibt es noch das Magnesiumchlorid (MgCl2), das aus Meerwasser, Salzsolen, Salzlagern und industriellen Ablaugen (Brisen) stammt.

Es gibt zwei Magnesiatypen:

- Sintermagnesia (höheren Stellenwert),
- Schmelzmagnesia.

Bei der Sintermagnesia werden die Rohstoffe gemischt und in einem zweistufigen Prozeß dicht gesintert, da hochwertiger Magnesia meist nicht in einem Brand zu er- reichen ist. Der Zweistufenprozeß besteht aus einem Calcinier- und einem Sinter- brand.

Schmelzmagnesia wird in elektrischen Lichtbögen bei Temperaturen von über 2800 °C chargenweise aufgeschmolzen.

Die Herstellung der Steine erfolgt durch Pessen. Das Sintern erfolgt zumeist in Tunnelöfen bei Temperaturen von 1500-1800 °C.

Die Zerstörung der Steine erfolgt zu meist durch tiefenreiche Infiltration und Korro- sion von silikatischen und ferriteschen Schmelzen. Die Schmelzen erstarren meist fraktioniert und die infiltrierte Zone versprödet und platzt bei Spannungswechsel ab. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit und das hohe Wärmespeichervermögen der Magnesiasteine werden sie auch in Wärmespeicher- bzw. -tauscheraggregaten ein- gesetzt. Des weiteren werden sie in der Eisen- und Stahlindustrie als Verschleiß- und Dauerfutter in SM- und Elektrolichtbogenöfen sowie in Roheisenmischern und als Dauerfutter in Sauerstoffblaskonvertern verwandt. Eine weitere Anwendung sind in Glasschmelzöfen (Regenerativkammern und Brennerbereich) und in Öfen der Nicht- eisenmetallindustrie (Cu, Ni, Pb, Sn, Zn, Al).

2.2.2 Dolomit- und Magnesiadolomitsteine

Dolomitsteine (Dolomit: CaO × MgO) sind basische Produkte auf der Basis von Sinterdolomit und/oder Schmelzdolomit. Sie bestehen aus ca. 60% CaO und etwa 40% MgO. Die Steine enthalten weniger als 3% Nebenbestandteile, wie z.B. SiO2, Fe2O3, Al2O3 und MnO, jeweils in Form von Calciumverbindungen.

Magnesia-Dolomit-Steine sind Mischprodukte aus Sinter(Schmelz-)dolomit und Sinter(Schmelz-)magnesia im Verhältnis 90/10 bis 30/70. Der MgO-Gehalt reicht von 45-80 Gew%. Die Magnesia dient zur Verbesserung der Feuerfestigkeit und des Verschlackungswiderstandes.

Das Sinter- bzw. Schmelzkorn ist Anfällig für die Hydration an feuchter Luft, dies gilt auch für die daraus hergestellten Produkte. CaO reagiert mit dem Wasser aus der Luft zu Ca(OH)2 unter starker Volumenzunahme.

Zur Herstellung werden die Steine verpreßt und in Tunnelöfen bei mindestens 1500 °C gebrannt. Nach dem Brand werden sie mit Bitumen oder Paraffin imprägniert. Bei Dolomit- und Magnesiadolomitsteinen kann der Verschlackungswiderstand durch die Zugabe von Ruß gesteigert werden.

Durch die Anfälligkeit von Wasser sollte die Steine nach dem Einbau in den Ofen möglichst bald auf Temperaturen oberhalb von 600 °C aufgeheizt werden. Dolomit- und Magnesiadolomitsteine weisen einige guten Eigenschaften auf, wie z.B. hoher Widerstand gegen basische, eisenoxidarme Schlacken, gutes Ansatzverhalten in der Brennzone des Zementdrehrohrofens u.a.

Hingegen haben sie auch einige Nachteile:

- Hydratationsempfindlichkeit,
- geringer Widerstand gegen saure Schlacken,
- Abplatzungen bei stark schlackeninfiltrierten Steinfeuerseiten,
- Reaktion des CaO-Anteil mit SO3 und CO2 zu Salzen, im Zementofen.

Die Steine werden in der Stahlindustrie (z.B. Stahlbehandlungspfannen, Elektrolicht- bogenöfen), in Zementdrehrohröfen, Kalkschachtöfen und Dolomitdrehrohröfen verwandt.

2.3 Ungeformte feuerfeste Erzeugnisse

Ungeformte feuerfest Erzeugnisse bestehen aus den gleichen Rohstoffen wie die Steine. Sie werden im Ofen (Verwendungsort), meist hinter Schalungen in großen Feldern eingebracht, sie bilden die Ofenauskleidung.

Definition: „[...] Gemenge, die aus Zuschlagstoffen und einem oder mehreren Bindemitteln bestehen, aufbereitet zum direkten Gebrauch, entweder im Anlieferungszustand oder nach Zugabe einer oder mehrerer geeigneter Flüssigkeiten [...]. Sie können metallisch, organisch oder keramische Fasern enthalten. Dieses Gemenge ist entweder dicht oder isolierend. Isolierende Gemenge sind solche, die eine Gesamtporosität von > 45% besitzen.“

Sie können eingeteilt werden nach:

1) Art der Verwendung

- monolithische Konstruktionen (fugenfrei),
- Reparaturen und
- Verlegen und Verfugen (Mörtel),

2) Art der Bindung

- hydraulische Bindung mit Erstarren und hydraulischem Erhärten bei Raumtemperatur,
- keramische Bindung mit Erhärten durch Versinterung beim Brand,
- chemische Bindung mit Erhärten durch chemisch, jedoch nicht hydrau- lischen Reaktion bei Raumtemperatur oder einer Temperatur unterhalb der keramischen Bindung und
- organische Bindung mit Verfestigung oder Erhärtung bei Raumtempe- ratur oder bei höheren Temperaturen.

3) Produktarten

- Feuerbetone (dicht oder isolierend),
- Formbare feuerfeste Werkstoffe („bildsame“ Massen; Rammmassen, Stichlochmassen),
- Spritzmassen (verflüssigte Betone, Feuerbetone),
- Feuerfeste Mörtel,
- Sonstige ungeformte feuerfeste Erzeugnisse (Trockenmassen, Ein- pressmassen, Massen für den Oberflächenschutz).

4) Art der chemischen Zusammensetzung

- Al2O3 - SiO2 - Erzeugnisse (Alumosilikate),
- Basische Erzeugnisse (z.B. Dolomit),
- Spezielle Erzeugnisse (z.B. Cordierit),
- Kohlenstoffhaltige Erzeugnisse (mehr als 1% Kohlenstoff oder Graphit).

3 Beispiele von Ofenausmauerungen

Porzellan Rollenofen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

De>Fasermaterial

Wandbereich:

Tonerdehaltige Steine, von Innen nach Außen hin mit abnehmenden Al2O3-Gehalt. Außenwand und Boden:

Isolierplatten aus Calciumsilikat.

Am Brenner:

Sillimanitsteine

In der Brennzone haben die Steine in diesem Fall einen höheren Tonerdegehalt als im Einfahrtsbereich.

Tunnelofen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

De>Tonerdehaltige Steine und Isolierbeton

Wandbereich:

Tonerdehaltige Steine

Außenwand:

Isolierplatten aus Calciumsilikat

Am Brenner:

Sillimanitsteine

NA-Öfen SS 2001

Feuerfest - Technik Regina Woloskiewitsch

Datum 02.01.2001

Elektro-Lichtbogenofen

Phase (hot spot):

MACARBON®-Steine (MgO-Steine mit Kohlenstoff) mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt und Zusatz von Schmelzmagnesia/Antioxidantien.

Zwischenphase (cold spot):

MACARBON®-Steine aus Sintermagnesia, evtl. mit Zusatz von Schmelzmagnesia. Badbereich

MACARBON®-Steine in Sinter- oder LC-Sinter-Qualität. Schlackenlinie und Boden

MACARBON®-Steine mit Schmelzmagnesia.

4 Zusammenfassung

Es gibt sehr viele feuerfeste Erzeugnisse, um die richtigen für einen Ofen auszuwäh- len, müssen vorher Informationen über die Einsatzbedingungen vorliegen. Dadurch ist es möglich, thermische, mechanische oder chemische Beanspruchungen richtig zu bewerten.

5 Literaturverzeichnis

Fanzott, Senta M.: Moderne Feuerfest-Technik - Rohstoffe, Produkte, Anwendung. Landsberg/Lech: Verlag moderne industrie, 1989.

Heuschkel Hermann, Heuschkel Gisela, Muche Klaus: ABC Keramik - Feinkeramik, Grobkeramik, Feuerfestkeramik, Technische Keramik. Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie 1990, 2. Auflage.

Westmark, Heribert: Feuerfeste Baustoffe in der Eisen- und Stahlindustrie

Routschka, Gerald (Hrsg.): Taschenbuch Feuerfest Werkstoffe. Essen: Vulkan-Verlag 2001, 3. Auflage.

Didier-Werke AG, Feuerfeste Werkstoffe und ihre Merkmale

³ ) Feuerfestindustrie, Kohlevergasung, Wärmekraftanlagen, thermische Reststoff- verwertung, Elektrospeicheröfen etc.

Es können vier Arten von feuerfesten Erzeugnissen unterscheiden werden:

- geformte Erzeugnisse (Steine,)
- ungeformte Erzeugnisse (Bau- und Reparaturmassen, Verfugungsstof- fe, u.a.),
- Funktionalprodukte (Konstruktionselemente) und
- wärmedämmende Erzeugnisse

Diese werden u.a. nach ihrem chemischen Reaktionsverhalten eingeteilt:

- sauer: Silikasteine, tonerdereiche Steine, Kohlenstoff- und Grafitsteine, u.a.,
- basisch: Magnesiasteine, Dolomitsteine, u.a. und
- neutral: zirkonhaltige Steine, Forsteritsteine, u.a.

Die Einteilung kann auch durch andere Kriterien bestimmt sein, z.B. durch den Herstellungsprozeß oder durch die verwendeten Rohstoffe.

2 Feuerfeste Erzeugnisse

2.1 Dicht geformte saure Steine

2.2.1 Kieselglassteine

Kieselglas (amorphe Kieselsäure) wird durch elektrisches Schmelzen von Quarzsanden im Absenkverfahren oder im rotierenden Elektro-Lichtbogenofen hergestellt. Durch rasches Abkühlen entstehen Blöcke aus amorphen SiO2. Die Blöcke werden naß aufgemahlen. Die Steine werden im Schlickerguß hergestellt. Diese werden bei ca. 1100 °C gebrannt, wobei aber ein Kompromiß zwischen Verfestigung und Entglasung eingegangen werden muß.

Die charakteristische Eigenschaft dieser Erzeugnisse ist ihre extrem niedrige thermische Dehnung (rd. 0,06 % bei 1000 °C, hingegen Silikasteine rd. 1,3-1,5 % bei 1000 °C), die ein rasches Auf- bzw. Abheizen der Öfen gestattet. Des weiteren weisen die Steine eine geringe Wärmeleitung (l = 1 W/mK zwischen 20 und 1000 °C) auf. Ab etwa 1150 °C beginnt die Kristallisation von a-Cristobalit. Hierbei geht die geringe thermische Dehnung verloren, aber die Volumendehnung ist gering.