Feuerfestmaterialien klassifiziert

Feuerfeste Materialien
sind ein weit gefasster Begriff für jedes Material, das bei hohen Temperaturen weitgehend tolerant ist und bei hohen Temperaturen gegen chemische Angriffe resistent ist.

Es gibt viele Klassen von feuerfesten Materialien und eine breite Palette von Materialien, die in diese Kategorien fallen. Hier wird eine Vielzahl solcher Materialien diskutiert und nach ihrer chemischen Zusammensetzung kategorisiert. Es gibt viele andere Möglichkeiten, feuerfeste Materialien zu kategorisieren, wie sie hergestellt werden und welche physikalische Form sie annehmen, zum Beispiel monolithisch oder geformt.

Viele - aber nicht alle - feuerfesten Materialien teilen einen gemeinsamen Produktionsweg durch einen sequenziellen Prozess: Rohstoffverarbeitung, Umformung und anschließendes Brennen. Nicht alle feuerfesten Materialien werden im herkömmlichen Sinne verwendet, einige werden in andere Materialien eingearbeitet, seien es feuerfeste oder andere. Mehr als 70 % aller hergestellten Feuerfeststoffe werden in der Metallindustrie verwendet(1).

Die Klassifizierung umfasst hier nicht alle feuerfesten Materialien, um der Kürze halber. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung einiger feuerfester Materialien für Anwendungen außerhalb ihrer Kategorien unter bestimmten Qualifikationen und Gründen erfolgt. Der Hauptgrund für die Einstufung nach chemischer Zusammensetzung ist, dass sich viele Feuerfeststoffe in jeder Kategorie bei den gebräuchlichsten Projekten weitgehend gleich verhalten werden, da sie mit der in-Prozess-Atmosphäre oder der produzierten Schlacke reagieren oder nicht reagieren. Einige Beispiele aus jeder Klasse werden detailliert beschrieben.

Die drei breitesten Klassen von feuerfestem Material - nach chemischer Zusammensetzung - sind sauer, einfach und neutral.

Sauren

Säurefeste Feuerfeststoffe sind die Feuerfeststoffe, die bei hohen Temperaturen leicht mit Basen reagieren. Die häufigsten Beispiele für saure Feuerfeststoffe sind Feuerton und Kieselsäure. Weitere Beispiele sind Aluminosilikate und Zirkonia. Saure Feuerfeststoffe eignen sich am besten dort, wo die Schlacke/Atmosphäre selbst sauer ist, da dies bedeutet, dass es keinen Angriff oder Eine Reaktivität geben wird, was eine lange feuerfeste Lebensdauer gewährleistet(2).

Silica

Kieselsäure ist das gängigste Feuerfestmaterial. Mit einem Schmelzpunkt von 2.230 °C ist seine Verwendung weit verbreitet (3). Feuerziegel, die für ihre Langlebigkeit und Beständigkeit gegen einige der höchsten Temperaturen geschätzt werden, sind ein Beispiel für ein überwiegend kieselfestes Material. Andere Verwendungen jenseits von Ziegeln wurden demonstriert, wie z. B. ein tundish Futter und in Keramik und Zement.

Fire Clay

Beliebt für die Bildung von Tiegeln und einer ganzen Reihe von metallverarbeitenden Werkzeugen, Feuerton ist ein Ton, der hauptsächlich aus Hydroussilikaten aus Aluminium besteht, oft auch mit Kieselsäure.

Gemahlenes Glas

Bodenglas
, obwohl kein echtes Feuerfest an sich, bietet verbesserte Eigenschaften zu breiteren feuerfesten Materialien. Ähnlich wie Kieselsäure, seine primäre Komponente, verhält sich gemahlenes Glas wie ein saures Feuerfest. Ein besonders nützliches Merkmal bei der Verwendung von Erdglas als Teil eines Feuerfestes aus Tundish oder Ofenauskleidung ist, dass es in der Lage ist, Eisenoxid aus geschmolzenem Eisen und Stahl zu entfernen(4). Es wurde berichtet, dass geschliffenes Glas als Flussmittel wirken kann, wenn es als Komponente in einer feuerfesten Auskleidung verwendet wird. Dies hilft bei der Reinigung des geschmolzenen Metalls(5). Nachgelagerte Vorteile wie verbesserte Zerspanbarkeit können ebenfalls beobachtet werden.

Bodenglas wurde auch als Bestandteil in anderen säurehaltigen Feuerfeststoffen wie Kieselsäure-Feuerziegeln verwendet, wo solche Ziegel in Stahl- und Glasöfen zu finden sind(6).

Torbogenkorridor aus feuerfesten Ziegeln

Basic

Ergänzend zur Idee der sauren Feuerfeststoffe sind grundlegende Feuerfeststoffe. Diese reagieren oft mit Säuren bei hohen Temperaturen. Magnesit, Zirkonia und Dolomit sind weit verbreitete Beispiele. Grundlegende Feuerfeststoffe eignen sich daher am besten dafür, wann die produzierte Schlacke/Atmosphäre auch einfach ist. Typische Anwendungsfälle für Grundfeuerfeststoffe sind für NICHTeisenmetallurgische Operationen. Grundfeuerfeste sind oft die Feuerfeststoffe mit der höchsten Temperatur - aber das bedeutet erhöhte Kosten(7).

Zirconia

Zirkonia ist ein grundfeuerfestes Feuerfest, das thermisch stabil bis 15.000 °C ist und häufig für Glasöfen und andere Öfen verwendet wird, in denen die höchsten Temperaturen erforderlich sind. Attraktiv, es reagiert nicht mit flüssigen Metallen und so ist ein weit verbreitetes Material.

Magnesit

Magnesit, MgCO₃, ist ein Feuerfest, das hauptsächlich für Fälle mit sehr einfachen oder eisenreichen Schlacken verwendet wird, mit denen es nicht reagiert, aber ihre Refraktorität ist nicht die höchste. Magnesit-Chrom und Chrom-Magnesit (entsprechend mit dem Inhalt des vorherrschenden Materials benannt) sind mischfeste Feuerfeststoffe. Typischerweise für Hochtemperaturabflüsse von Öfen und Ofenauskleidungen verwendet. Magnesit- und Chrommischfeuerfeststoffe bieten eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Spalling (8).

Neutrale Feuerfeststoffe

Viele der Mitglieder der "neutralen" Klasse der Feuerfeststoffe fallen in zwei Unterkategorien, Oxide und Kohlenstoff. Neutraloxide werden für ihre mangelnde Reaktivität mit Säuren und Basen geschätzt und werden oft als überlegene Feuerfeststoffe für ihre breite Nützlichkeit und Leistung über eine breite Anzahl von Anwendungen angesehen.

Neutrale Feuerfeststoffe werden in vielen Anwendungen eingesetzt, da sie sowohl gegenüber sauren als auch grundlegenden Atmosphären und Schlacken tolerant sind. Kohlenstoff-Refraktories werden häufig in reduzierenden Umgebungen verwendet(9).

Anthrazit

Kontraintuitiv wird Anthrazit seit langem als Feuerfest verwendet. Als Beispiel für ein neutrales feuerfestes Material bedeutet seine Aufnahme, dass es keine Reaktivität mit sauren oder grundlegenden Atmosphären oder Schlacken gibt. Kalziniertes Anthrazit (CA) ist eine wärmebehandelte Version von Anthrazit, das stärker und deutlich poröser ist als unbehandeltes Anthrazit.

Während der Kalzinierung - die über einen elektrischen Heizprozess erfolgen kann, der elektrisch kalziniertes Anthrazit, ECA produziert - beginnt Anthrazit bei etwa 2.200 °C(10) mit der Graphitisierung zu erbeginnen. Aufgrund der Graphitisierung wird synthetischer Graphit durch den EuRH gebildet(11). Graphit selbst ist ein feuerfestes Material.

Für gegossene Feuerfeststoffe hat CA kleine und durchgängig große Poren. Von besonderem Nutzen für die Eisenmetallproduktion findet kalziniertes Anthrazit eine umfangreiche Verwendung in monolithischen, gussbaren graphitischen Feuerfeststoffen(12).

Bei Schmelzanwendungen weisen CA/ECA interessante elektrische Widerstandsprofile auf(13), während Anthrazit ein schlechter Leiter ist, ist CA/ECA ein guter Leiter. CA/ECA-produzierte Elektroden für Schmelzanwendungen weisen eine langsame Oxidationsrate, hohe mechanische Festigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Elektroden werden aus Monolithen von ECA, Halbmonolithen oder einem Kompressionsprozess mit hochleistungsstarken Harzen gebildet, die kleinere Monolithenabschnitte zusammenkleben(14).

CA und ECA sind aufgrund ihrer preiswerten Natur, ihres guten Reinheitsgrads, das sich aus hochwertigem Anthrazit ergibt, und ihrer breiten Anwendbarkeit beliebte feuerfeste Entscheidungen.

Kohlenstaub

Als Zusatzstoff bei der Herstellung von feuerfesten Ziegeln wird seit langem
Kohlenstaub
verwendet(15). Es hat sich gezeigt, dass sich vor allem Feuersteine auf Tonbasis, die mit unterschiedlichen Mengen Kohlenstaub über verschiedene Mahlgrößen hinweg gedopt worden waren, als Wärmeisolatoren hochwirksam erwiesen(16), wodurch herkömmlicher Ton auf den Zustand des feuerfesten Materials angestiegen ist.

geschmolzenes Metall wird mit Füllsand in Form gegossen

Chromit

Chromit ist das natürlich vorkommende Chromerz. Er hat einen Schmelzpunkt von 2.040°C und ist "fast chemisch inert"(17). In feuerfester Ziegelform ist Chromit thermisch stabil gut über 1.900°C, wobei die mechanische Festigkeit erhalten bleibt(18). Einer der vielen Vorteile für Chromit-Feuerfeststoffe ist ihre Verformungsbeständigkeit, d.h. sie halten bei hohen Temperaturen ein konstantes Volumen aufrecht.

Chrommehl
ist ein fein gemahlenes Pulver aus Eisenchromit und wird neben dem grundlegenden feuerfesten Magnesit ausgiebig verwendet, um magnesit-chrome und
chrommagnesit-feuerfeste Ziegel
(19,20) zu bilden, die häufig beim Bau von Öfen und Öfen verwendet werden. Darüber hinaus können feuerfeste Ziegel auch mit überwiegend Chromit(21) oder mit dem neutralen feuerfesten Aluminiumoxid hergestellt werden, das in seiner unraffinierten Bauxitform zugesetzt werden kann, wodurch die mechanische Festigkeit deutlich verbessert wird(22).

geschmolzenes Metall wird in Formen mit Füllsand gegossen

Andere Methoden der feuerfesten Klassifikation(23)

Neben der chemischen Zusammensetzung gibt es drei weitere wichtige Klassifizierungsmethoden für Feuerfeststoffe. Die Beschreibungen innerhalb jeder Kategorie führen dazu, wie das fertige Feuerfest verwendet wird. Beispielsweise kann ein unförmiges (Form-)Feuerfest (Verfahren) Feuerfest in einer Aluminiumschmelzanwendung verwendet werden.

Formular

Wie bereits erwähnt, sind die beiden allgemeinen Klassifikationen von feuerfesten Materialien "geformt" und "unförmig". "Geformte" Feuerfeste sind besser als feuerfeste Steine bekannt, während "unförmige" Feuerfeststoffe besser als Monolithen bekannt sind.

Herstellungsverfahren

Feuerfeste können mit mehreren Methoden hergestellt werden, von denen die meisten dazu neigen, mit der bereits erwähnten"Materialverarbeitung, Umformung und dann Feuerung"übereinzustimmen. Beispiele für feuerfeste Herstellungsverfahren sind Trockenpressen, Sicherungsguss und Handformung. Rammen von Massen, Schießen, Sprühen und gießbare Prozesse neigen dazu, mit unförmigen Formen in Verbindung gebracht zu werden.

Fusionstemperaturen

Die Fusionstemperatur bezieht sich auf den Temperaturbereich, nach dem Feuerfeststoffe bewertet werden. "Normale" Feuerfeststoffe werden im Bereich von ca. 1.500 bis 1.800 °C; "hohe" Feuerfeststoffe von ca. 1.800 bis 2.000 °C; und Superfeuerfeststoffe über 2.000 °C. Typische Beispiele sind Feuerton/-Stein, Chromit/Chromit-Magnesit bzw. Zirkonia.

Beratung von Manganoxid

Nach chemischer Zusammensetzung werden feuerfeste Materialien in saure, basis- und neutrale Klassen eingeteilt
Saure Feuerfeststoffe sind solche, die gegen saure Schlacken/Umgebungen beständig sind, Beispiele sind Kieselsäure und gemahlenes Glas
Umgekehrt sind grundlegende Feuerfeststoffe solche, die gegenüber grundlegenden Schlacken/Umgebungen wie Zirkonia und Magnesit tolerant sind.
Neutrale Feuerfeststoffe reagieren nicht mit basischen oder sauren Schlacken, und als solche haben sie einen breiteren Anwendungsbereich, aber in einigen Fällen kann ihre Refraktorik nicht so hoch sein. Beispiele sind Chromit und Anthrazit/kalziniertes Anthrazit
Es gibt andere Methoden zur Kategorisierung von Feuerfeststoffen, einschließlich nach Form, Herstellungsverfahren und Fusionstemperatur

Verweise

1 A.M. Garbers-Craig, J. S. Afr. Inst. Min. Metallurg., 2008, 108, 1

2 J. A. Bonar et al., Bin. Ceram. Soc. Bull.Transportjahr 1980, 59, 4

3 A. Muan und S. Somiya, J. Am. Ceram. Soc.Transportjahr 1959, 42, 603

4 E. T. Turkdogan, Eisen- und Stahlerzeugung, 2004, 31, 131

5 E. T. Turkdogan, Eisen- und Stahlerzeugung, 2004, 31, 131

6 US-Patent US3360387A, 1967, abgelaufen

7 M. L. Van Dreser und W. H. Boyer, J. Am. Ceram. Soc.Transportjahr 1963, 46, 257

8 C. G. Aneziris et al., Interceram., 2003, 6, 22

9 E.M.M Ewais, J. Ceram. Soc. JapanTransportjahr 2004, 112, 517

10 A.B Garcia et al., Kraftstoffprozess. Tech.Transportjahr 2002, 79, 245

11 C. E. Burgess-Clifford et al., Kraftstoffprozess. Tech., 2009, 90, 1515

12 P. Jelének und J. Beo, Arch. Giesserei. Eng.Transportjahr 2000, 8, 67

13 I.M Kashlev und V.M. Strakhov, Koks und Chemie, 2008, 61, 136

14 B. Chatterjee, Anwendung von Elektroden in Ferrolegierungsöfen, in: 4. Refresher Kurs auf FerroLegierungen, Jamedpur, Indien, 1994

15 H.B Simpson, J. Am. Ceram. Soc. 1932, 15, 520

16 M. H. Rahman et al., Procedia Eng., 2015, 105, 121

17 J. O. Nriagu and E. Nieboer (Eds.), Chromium in the Natural and Human Environments, Wiley-Interscience, New York, 1988

18 E. Ruh und J. S. McDowell, J. Am. Ceram. Soc., 1962, 45, 189

19 US-Patent US4366256A, 1982, abgelaufen

20 W. E. Lee und W.M. Rainforth, Ceramic Microstructures - Property Control by Processing, Chapman and Hall, London, 1994

21 K. Matusmoto, Chem. Abst., 1963, 59, 3626

22 T. R. Lyman und W. J. Rees, Trans. Ceram. Soc. 1937, 36, 110

23 C. Schacht, Refractories Handbook, CRC Press, Boca Raton, USA, 2004 (für den gesamten Abschnitt)

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