Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung und Verbesserung des thermomechanischen Verhaltens von Feuerbetonen unter zyklischer thermischer Belastung durch Optimierung des Sinterverhaltens

In generic use, monolithic refractory materials are mixed and installed on site into aggre-gates for thermal treatment, e.g. steel ladles. After installation, the monolithic refractory materials are being dried and heated up, but often not up to the later service temperature (typically for steel ladles, heating-up before first tapping of liquid steel is finished when 1100 °C is attained, but liquid steel is tapped into steel ladles at up to 1750 °C). In this example, the first tapping of liquid steel into a relined ladle boosts the temperature of the monolithic refractory material from 1100 °C to 1750 °C at the hot face.

The common opinion about monolithic refractory materials with cement bonding is that their hydraulic bonding system is responsible for strength in the green state, and that they are being dehydrated completely during the heating-up procedure. However, refractory installa-tions generally work in a temperature profile. It is therefore obvious that a monolithic re-fractory lining is heterogeneous over the thickness of the lining, where only the first few centimetres can develop a ceramic bonding, followed by a dehydrated and thus mechani-cally weak transition zone, and at the cold face even hydrate phases may still be found. Accordingly, there is also a strength profile over the thickness of the lining.

During their use, these refractory linings undergo mechanical loading and subsequent wear, which removes parts of the hot face and brings material from the transition zone to the hot face of the installation. The life of a monolithic refractory lining is thus highly dynamic, and the development of mechanical strength in the material depends not only on temperature, but also on time. It is therefore the objective of the research project to understand and optimise the sintering behaviour of monolithic refractory materials in function of temperature and time, to generate strong refractory linings in a highly dynamic environment.

Ergebniszusammenfassung:

Untersuchungen zum Austausch von Al2O3-Feinkörnungen in der Matrix von Feuerbetonen, zur Variation der Partikelgrößenverteilung und zur Auslagerung bei verschiedenen Temperaturen und Zeiten haben gezeigt, dass diese Faktoren das Festigkeitsverhalten, die Gefügeentwicklung und die Sinteraktivität maßgeblich beeinflussen.

Der Spinellprecursor Magnesit kann von den Herstellern als Alternative zu gesintertem MgO wirtschaftlich genutzt werden. MgO hat die negative Eigenschaft der zerstörenden Brucitbildung während des Trocknungsvorganges, was eine Verwendung von Mikrosilika unabdingbar macht. Magnesit als Rohmaterial kann kostengünstig verwendet und Mikrosilika so gespart werden. Mit ähnlicher Korngröße bietet Magnesit schon in kleinen prozentualen Zusätzen eine gute Alternative, feinkörnig und homogen dispergierte Spinelle in-situ zu bilden und sorgt zudem für einen frühzeitigeren Sinterbeginn. Ein weiterer Vorteil ist, dass die feuerfesten Massen durch den Verzicht auf SiO2 temperaturbeständiger werden.

Mit mehr als 130 Hochtemperatur-Keilspaltversuchen wurden die Einflüsse von Temperatur, Expositionsdauer bei hohen Temperaturen, Änderung der Partikelgrößenverteilung in der Feuerbetonmatrix, Zusatz von Spinellprecursor und auch einer Änderung des Bindesystems charakterisiert. Dabei wurde nach bestem Wissen der Forschungsteams zum ersten Mal ein eindeutiger und direkter Beweis eines Spröd-Duktil-Übergangs bei Feuerbetonen vorgelegt. Es konnte sehr gut aufgezeigt werden, dass eine optimierte Partikelgrößenverteilung sich nicht nur vorteilhaft auf die Festigkeit auswirkt, sondern auch eine gute Duktilität bei hohen Temperaturen ermöglicht.

Die Simulation des Aufheizens einer Stahlpfanne hat gezeigt, dass die Verschiebung des Spröd-Duktil-Übergangs zu niedrigen Temperaturen ein viel versprechender Ansatz ist, um die Schädigungstoleranz von monolithischen feuerfesten Zustellungen zu verbessern.