Schlüsseleigenschaften feuerfester Materialien: Wärmeleitfähigkeit, Druckfestigkeit und Porosität verstehen

Entscheidend für die Identität des feuerfesten Materials selbst ist, wie es bei erhöhten Temperaturen funktioniert - aber dies ist nicht der einzige Bereich, in dem ein Feuerfestmaterial sich auszeichnen muss. Bestimmte Anwendungen erfordern eine erhöhte Druckfestigkeit und spezifische Porositätsprofile. Das Design zeitgenössischer Gießereiprozesse stützt sich stark auf das Verständnis dieser Faktoren, um ein robustes und produktives System zu gewährleisten.

Feature Pic Feuerfest

Einleitung

Feuerfeste Materialien (Feuerfestmaterialien) sind Materialien, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung sehr beständig gegen erhöhte Temperaturen sind und daher wesentliche Werkzeuge bei der Herstellung von Eisen- und Nichteisenmetallen, hochpräzisen Gussteilen und verschiedenen Schmelzanwendungen sind. Die große Auswahl an feuerfesten Materialien, die nach chemischer Natur in drei große Kategorien fallen - sauer, basisch und neutral - und weiter nach Größe und Form klassifiziert werden, bedeutet, dass sie weltweit die breitesten Anwendungen finden. Die Herstellung von Feuerfestmaterialien folgt im Allgemeinen der Reihenfolge "Verarbeitung, Umformung und anschließendes Brennen von Rohstoffen" mit einer Vielzahl von umformenden Arten.

Ein breiter Überblick über einige gängige feuerfeste Materialien und ihre normalen Gebrauchstemperaturen und Druckfestigkeitsinformationen ist unten gezeigt (5L, M, N)

Material Betriebstemperatur (°C) Druckfestigkeit (MPa)
Schamottziegel (dicht) 1.400 max. 15 - 60
Schamottziegel (60% porös) 1,400 - 1,600 10 - 20
Magnesia-Chromit 60/40 (13 - 22 % Porosität) 1,600 30 - 80
Kieselsäure (Sand, 23% Porosität) 1,630 10
Magnesit 1,600 - 1,800 35 - 60
Chromit (14-21% porös) 1,650 25 - 95
Magnesia-Chromit 35/65 (25 -60 % Porosität) 1,650 25 - 60
Siliziumkarbid-Ton 1,700 80
Forsterit (20% Porosität) 1,730 22
Hohes Aluminiumoxid (18% Porosität) 1,800 + 55
Feuerfest-Zement-Bild

Wärmeleitfähigkeit

Vielleicht ist die "Schlagzahl" bei feuerfesten Materialien, wie hoch die Temperatur ist, der sie standhalten können und wie viel Wärme sie aufnehmen können, um andere Werkzeuge nicht zu beschädigen (z. B. bei abgestimmten Auskleidungen für die Aluminiumverhüttung) (5 ° C).

Die Wärmeleitfähigkeit wird von mehreren Faktoren beeinflusst, aber unter ihnen sind der Schmelzpunkt (der durch die chemische Zusammensetzung des Feuerfestes selbst bestimmt wird) und die Porosität (mehr dazu weiter unten). Chromit und Zirkonoxid sind gängige Beispiele für weit verbreitete feuerfeste Materialien und haben einen Schmelzpunkt von 1.700 bis 2.000 °C bzw. weit über 2.000 °C. Mechanische oder Druckfestigkeit trägt selten zur Wärmeleitfähigkeit bei.

Weitere Klassifizierungen von feuerfesten Materialien sind durch Betriebstemperaturen, die durch Porosität informiert werden, im Wesentlichen:

Hitzebeständig bis 1.100 °C
Feuerfest bis oder gleich 1.400 °C

Hoch feuerfest bis 1.700 °C

Ultra hoch feuerfest Über 1.700 °C

Pyrometrische Kegeläquivalente (PCEs) sind Messungen dafür, wie stark eine Keramik bei Temperatur, aber nicht unter Last erweicht. Feuerfestmaterialien können nach PCE-Wert gruppiert werden, von Super duty über high und intermediate bis low Duty, entsprechend den Werten von 33-38, 30-33, 28-30 bzw. 19-28. Ein niedriger PCE-Wert bedeutet, dass das Feuerfest eine niedrigere Temperatur hat, bei der es arbeiten kann, bevor es sich verformt und Risse riskiert. Eine detaillierte Erörterung der PCE-Werte würde den Rahmen dieses Artikels sprengen.

roter heißer Stahl aus grünem Sandformen

Druckfestigkeit

Wie bei jedem industriellen Prozess ist neben der Langlebigkeit auch die Wartungsanforderung eines Systems von entscheidender Bedeutung. Es liegt auf der Liegt auf der Liegt auf der Einem liegt auf der Grundlage, dass jedes Material, das physikalisch stärker ist (in Bezug auf druckfest oder anderweitig), länger hält, ohne zu brechen, wodurch der Wartungsaufwand reduziert und die Lebensdauer des Systems erhöht wird (5B). Da einige feuerfeste Materialien relativ teuer sind, ist es eine Aufgabe, einen Metallgussvorgang beispielsweise für die Wartung pausieren zu müssen, was Zeit, Kosten und Komplexität erhöht.

Die Druckfestigkeit variiert mit der Temperatur, daher ist dies eines der Leitprinzipien bei der Feuerfestauswahl. "Kriechversuche" werden seit langem an feuerfesten Materialien durchgeführt, wobei die Tests druckbelastet bei erhöhten Temperaturen auf feuerfeste Materialien ausüben. "Kriechen" in diesem Sinne bezieht sich auf den Begriff der Ausdehnung oder Kontraktion (und damit der Elastizität, aber die Biegefestigkeit würde den Rahmen dieses Artikels sprengen), wobei mehr Bewegung weitgehend auf eine Schwächung bei einer bestimmten Temperatur oder einem bestimmten Druck hinweist. Testergebnisse zeigen, dass hochreine Kieselsäurefeuerfeststeine von bestimmten Arten von Feuerziegeln aus Feuerton bei moderaten Temperaturtests bis zu 1.000 °C (5A) übertroffen werden.

Wie aus den Beispielen in der obigen Tabelle ersehen ist, hat die Druckfestigkeit wenig Einfluss auf die Feuerfestigkeit.

Betrachtet man Beispiele, bei denen
Feuerfestmaterialien Kohlenstaub enthalten
- wie viele Feuersteine, wurde festgestellt, dass die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Druckfestigkeit und Porengröße abnimmt (dh poröser) (5H). Bei der Betrachtung von feuerfesten Bindemitteln (d. h. Materialien, die das feuerfeste Material vor dem Brennen zusammenhalten) ist die Verwendung von Anthrazit als solches Bindemittel in Bezug auf die Zugabe der Druckfestigkeit weit überlegen als ein harziges oder faseriges organisches Material (5K).

Die Druckfestigkeit ist auch bei der Herstellung des Feuerfestes wichtig, nicht nur beim Einsatz des Feuerfestes. Überlegungen sollten in Bezug auf die Druckfestigkeit angestellt werden, wenn die Pressmethode zur Bildung von Feuerfestziegeln verwendet wird. Es besteht wenig bis gar keine Gefahr von Problemen während des Pressprozesses, wenn das feuerfeste Material selbst gegen höchste Drücke beständig ist.

Öfen, die Kohlestaub verwenden können
Giesserei

Porosität

Porosität ist das Maß dafür, wie porös ein Material ist, d.h. wie viele kleine Kanäle in der Masse eines Materials vorhanden sind, die Flüssigkeiten oder Gase passieren lassen können. Hochporöse Materialien werden in vielen industriellen Bereichen geschätzt, nicht zuletzt in der Katalyse, wo hochporöse Zeolithe als einige der produktivsten Katalysatoren gelten, aber auch die Porosität spielt eine wertvolle Rolle bei der Entwicklung und Implementierung des feuerfesten Materials.

Als Faustregel gilt: Je höher die Porosität in einem Material, desto weniger dicht ist es und desto schlechter ist ein Wärmeleiter. Beide Phänomene werden durch die Löcher im Schüttgut erklärt, die mit Luft (oder einem anderen Gas - Gase sind schlechte Wärmeleiter) gefüllt werden. Es liegt also nahe, dass mehr Löcher mehr Luft bedeuten, was eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit bedeutet (5I). In Kombination mit einem Material, das bereits eine sehr hohe Temperaturtoleranz aufweist, ergibt dies ein hervorragendes feuerfestes Material. Ein weiterer Vorteil von poröseren Materialien ist, dass die Transportkosten aufgrund ihres geringeren Gewichts pro gegebener Volumeneinheit reduziert werden.

Tundish-Auskleidungen sind Paradebeispiele dafür, wo Porosität wichtig ist, wo oft erhöhte Strukturen nicht so schwer sein müssen, da sie unter Last zusammenbrechen können. Gängige
Magnesia-Chrom-Feuerfestmaterialien
werden hier unter anderem aus diesem Grund verwendet (5D). Ihre porösen Strukturen helfen bei der Reinigung des geschmolzenen Metalls, verhindern Oxidation und absorbieren nichtmetallische Verunreinigungen, wenn das geschmolzene Metall durchgeht (5F). Porosität ist auch ein wichtiger Faktor für feuerfesten Putz, der nicht schwer oder sehr dicht sein kann, sonst funktioniert er einfach nicht gut als "Klebstoff", um feuerfeste Ziegel zu binden oder rissige Feuerfestmaterialien zu flicken (5E).

Darüber hinaus ist bei Grünsandgussteilen die Porosität des
feuerfesten Materials auf Chrombasis
entscheidend, um aufgebaute Gase entweichen zu lassen (5G) - wenn dies nicht erreicht wird, kann dies zu Oberflächendefekten oder Benetzung führen. Porosität, wie erwähnt, trägt zur Wärmeisolierung bei, da Luft ein schlechter Temperaturleiter ist. Darüber hinaus ist allgemein anerkannt, dass Porosität direkt mit der Permeabilität zusammenhängt. Die Permeabilität ist einer der wichtigsten bestimmenden Faktoren für die Langlebigkeit feuerfester Materialien(5J).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Netzwerk aus gleichmäßigen, kleinen und gleichmäßig verteilten Poren vorteilhaft ist und die geringste Wärmeleitfähigkeit bietet.

Feuerfest-Kohlestaub

Idealisierte Feuerfestmaterialien

Aus der Kombination des oben genannten Wissens kann eine Schlussfolgerung gezogen werden, was ein idealisiertes feuerfestes Material sein könnte. Sicherlich müsste das Material chemisch aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt bestehen; ausgezeichnet sein, um schweren Gewichten und starken Drücken zu widerstehen, die auf ihn ausgeübt werden, ohne zu brechen; und relativ porös sein, um die Wärme effektiv abzuleiten.

Es sollte beachtet werden, dass die Wahl des Feuerfests auf der Grundlage der chemischen Identität, der Druckfestigkeit und der Porosität neben der Art des Feuerfests (sauer, basisch, neutral) und der Frage, ob die Form des Feuerfests für den gesamten Prozess geeignet ist, getroffen werden muss. Glücklicherweise ermöglichen moderne Produktionstechniken eine große Vielfalt an Materialien in praktisch jeder Form und Größe, um für eine bestimmte industrielle Aufgabe bei erhöhter Temperatur ideal geeignet zu sein.

Beratung von Manganoxid

  • Die Wahl der feuerfesten Materialien hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich - aber nicht beschränkt auf - thermische Beständigkeit, Druckfestigkeit und Porosität
  • Diese Faktoren sind oft voneinander abhängig und müssen bei der Auswahl eines feuerfesten Materials oder eines zusammengesetzten feuerfesten Materials im Ganzen berücksichtigt werden.
  • Hochthermisch beständige Materialien sind die offensichtliche erste Wahl für ein feuerfestes Material, da es sich um eine Hochtemperaturumgebung handelt, in der fast alle Feuerfestmaterialien arbeiten.
  • Materialien mit hohen Druckfestigkeitswerten sind nützlich, da sie für praktisch jeden Prozess (insbesondere im Metallguss) verwendet werden können, bei dem große Gewichtskräfte auf das Feuerfest gelegt werden - eine verbesserte Kapazität für extreme Belastungen bedeutet, dass das Material im Laufe der Zeit nicht bricht und langlebigkeit sorgt
  • Hochporöse Materialien werden wegen ihres geringen Gewichts-Volumen-Verhältnisses geschätzt, und zusätzlich bedeutet die Porenhaftung selbst, dass das Material ein schlechterer Leiter ist (dh besserer Wärmeisolator).
chrome_sand
coal_dust
Chromitmehl im Topf

Verweise

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