Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schmelzgegossene zirkoniumoxidhaltige Feuerfestmaterialien in der Glasindustrie - Struktur und zeitliche Veränderung, insbesondere für hybridbeheizte Glasschmelzwannen

Schmelzgegossene zirkoniumoxidhaltige Feuerfestmaterialien in der Glasindustrie - Struktur und zeitliche Veränderung, insbesondere für hybridbeheizte Glasschmelzwannen

Forschungsziel ist die Erfassung der zeitlichen Veränderungen im Gefügeaufbau und der Mineralogie der schmelzgegossenen Feuerfestmaterialien im industriellen Einsatz und ein besseres Verständnis der Korrosionsmechanismen wie auch des Einflusses der Temperatur. Dies soll dazu beitragen mittel- bis langfristig die Eigenschaften von Feuerfestmaterialien zu verbessern, indem die chemische Zusammensetzung und/oder der Herstellungsprozess an die neuen Anforderungen angepasst und optimiert werden. Zur Minderung der CO2-Emissionen wird für Hybridöfen immer der negative Einfluss auf das Korrosionsverhalten feuerfester Materialien als eines der größten Hemmnisse genannt. Durch die Untersuchung bei einer zyklisch-thermischen Behandlung kann die Eignung der heute üblichen Materialien für den Betrieb von Hybridwannen geprüft werden. Der Lösungsweg beinhaltet die Probenahme neuer und gebrauchter Steine, mikroskopische Analysen und Korrosionsversuche in der Industrie und im Labor. Angewendet werden RFA-Untersuchung, röntgendiffraktometrische Untersuchungen des Phasenbestandes sowie rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen und Röntgenmikroskopie. Diese Ergebnisse werden herangezogen, um Korrosions- und Alterungsmechanismen näher zu beschreiben.

Durch die geplante Einführung von hybridbeheizten Glaswannen ist die Thematik dieses Antrages von ganz besonderer Bedeutung. Gerade KMU haben kein Potential (weder Personal noch finanzielle Mittel), die dafür nötigen Untersuchungen durchzuführen. Diese sind jedoch Voraussetzung, um einen problemlosen Hybridbetrieb zu gewährleisten. Für die Hersteller von Feuerfestprodukten sowie Ofenbauer könnten sich neue Recyclingstrategien ergeben, Ersparnisse durch Einsatz billigerer Rohstoffe, sowie ein verminderter Energiebedarf bei der Herstellung der Feuerfestmaterialien.

Ergebniszusammenfassung:

Neu hergestellte feuerfeste Materialien und Proben von Steinen nach dem Ende der Wannenreise wurden mit hochauflösenden mikroskopischen Verfahren hinsichtlich ihres kristallinen Phasenbestandes untersucht. Die elektronenmikroskopischen Untersuchungen sowie röntgendiffraktometrische Methoden erlauben Aussagen zur Feinstruktur der feuerfesten Materialien und verbessern so das Verständnis zur Bildung bzw. Umwandlung von mineralischen Phasen in den feuerfesten Materialien bei der Herstellung und während der Einsatzzeit sowie bei Korrosionsvorgängen.

Die Feinstrukturuntersuchung erlaubt nicht nur einen Blick auf die Hauptbestandteile, sondern auch auf die Nebenbestandteile und Mineralphasen mit geringen Anteilen und Kristallphasen mit geringer (Teilchen-)Größe. Bisher vermutete und nicht verifizierte Phasenumwandlungen im Einsatz bei hohen Temperaturen konnten nachgewiesen werden. Sich (neu) bildende Phasen sind schon im Anfangsstadium erkennbar. Um den Einfluss von Temperatur und Kinetik zu trennen, wurden entsprechende Versuche unternommen. Das verbesserte Verständnis der Korrosionsmechanismen erlaubt eine optimale Nutzung der Materialien.

Neue Erkenntnisse erlauben auch Rückschlüsse auf Reaktionen und Vorgänge bei der Nutzung erneuerbarer, alternativer Brennstoffe wie Wasserstoff vor allem bei oxy-fuel-befeuerten Glasschmelzwannen. Die post mortem Untersuchung von Steinen aus oxy-fuel (mit Erdgas befeuerten) Wannen ermöglicht, das Verhalten der Materialien bei der Verbrennung von Wasserstoff abzuschätzen und ihr Korrosionsverhalten vorauszusagen. Die erhöhte Verdampfung bzw. Sublimation von Bestandteilen aus der Glasschmelze bzw. von feuerfesten Steinen mit zunehmender Abgasfeuchte spielt hier eine wesentliche Rolle. Vor allem die Verbrennung von (grünem) Wasserstoff mit reinem Sauerstoff führt hier zu bereits erkennbaren Effekten, die dann auch bei Materialien und Schmelzen, die bisher keine Korrosionsprobleme zeigten, zu

"unerwarteten" Problemen führen können.