WO2008107076A2 - Keramisches erzeugnis für hochtemperaturanwendungen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein keramisches Erzeugnis für Hochtemperaturanwendungen, womit Anwendungstemperaturen über 1.000° C gemeint sind. Keramische Erzeugnisse für Hochtemperaturanwendungen werden beispielsweise zur Auskleidung von Industrieöfen benötigt.

Description

„Keramisches Erzeugnis für Hochtemperaturanwendungen"
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft ein keramisches Erzeugnis für Hochtemperaturanwendungen, womit Anwendungstemperaturen über 1.000° C gemeint sind.
Keramische Erzeugnisse für Hochtemperaturanwendungen werden beispielsweise zur Auskleidung von Industrieöfen benötigt. Dies können Öfen zur Aufbereitung, Behandlung oder zum Transport einer metallurgischen Schmelze sein, aber auch Öfen zum Brennen bestimmter Produkte, beispielsweise zum Calzinieren von Kalkstein oder zum Brennen von Zementklinker. Ohne die Erfindung insoweit zu beschränken werden der Stand der Technik und die erfindungsgemäße Lehre nachstehend anhand keramischer Erzeugnisse für die Auskleidung von Zement Drehrohröfen (Zementrotieröfen) beschrieben. Insbesondere die thermisch höher beanspruchten Bereiche (wie die Brennzone mit einlauf- und auslaufseitigen Übergangszonen oder der Ofenauslauf) sind meist mit basischen Feuerfestbaustoffen zugestellt (ausgekleidet). Reine MgO-Produkte weisen zwar eine hohe Feuerfestigkeit auf, sind aber extrem spröde. Dies ist gerade bei rotierenden Öfen nachteilig. Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Gefügeelastizität durch Spinellzusätze zu erhöhen (DE 44 03 869).
Die thermomechanische Beanspruchung ist nur ein Aspekt bei der Beurteilung des Verschleißverhaltens.
Insbesondere dort, wo gebrannte geformte feuerfeste Erzeugnisse eingesetzt werden kommt es zu einer Infiltration schmelzflüssiger Phasen, die beim Brennen von Zementklinker gebildet werden.
„stahl und eisen Special" November 2006 enthält einen Aufsatz von Dr. Peter Bartha „A MgO-C material type for application heavily loaded with alkali". Es wird beschrieben, dass der Kohlenstoff-Zusatz die Infiltration von Schmelzen erschwert (anti-wetting effect). Es wird weiters beschrieben, dass Produkte aus einem grobkörnigen MgO-Rohstoff (Korngröße bis 5 mm) geringere Festigkeiten aufweisen als entsprechende Produkte mit kleineren MgO-Korngrößen (bis 1 ,2 mm). Dabei wird erklärt, dass die Festigkeitsverbesserung durch einen erhöhten Anteil an flüssigem Kunstharz (Bindemittelkomponente) und eine homogenere Struktur erreicht wird. Die aus „stahl und eisen" bekannten MgO-C-Erzeugnisse enthalten Kohlenstoff in Form von Flockengraphit. Dieser Graphit weisWn Richtung seiner Schichtebenen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Beim (uniaxialen) Pressen ordnen sich diese Schichtebenen senkrecht zur Presskraft an. Diese Richtung entspricht nach Einbau der Steine dem Radius des Zementdrehrohrofens und damit der Richtung des Wärmeflusses. Dadurch kann die Wärmeleitfähigkeit in radialer Richtung des Drehrohrofens sehr viel höher als senkrecht dazu sein. Dadurch kommt es zu relativ hohen Temperaturen im Umfangsbereich der Ausmauerung, also im Bereich des äußeren Stahlmantels des Ofens. Dies ist nachteilig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Erzeugnis der vorgenannten Art insbesondere für Hochtemperaturanwendung in Zementdrehrohröfen bereitzustellen, das neben guten mechanischen Eigenschaften möglichst viele der folgenden Kriterien erfüllt: Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schmelzen und Gasen, weitestgehend isotrope Wärmeleitfähigkeit, vorteilhafte Gefügeflexibilität.
In systematischen Versuchen wurden die Einflüsse von Rohstoffen, deren Korngrößen, Masseanteile, Bindemittel etc. untersucht.
Dabei wurde festgestellt, dass die Kohlenstoff-Komponente in Hinblick auf die Infiltrationsbeständigkeit des keramischen Erzeugnisses wichtig ist und sich dann nicht nachteilig auf die Wärmeleitfähigkeit des Produktes auswirkt, wenn die Kohlenstoff-Komponente in einer Teilchengröße dso, vorteilhaft CI95 < 125 μm vorliegt. Auf diese Weise wird die Orientierung von Graphitschichten entlang bestimmter Schichtebenen deutlich reduziert oder vermieden. Die Verwendung von feinteiligem Kohlenstoff führt zu einer weitestgehend isotropen Verteilung des Kohlenstoffs und damit zu einer weitestgehend isotropen Wärmeleitfähigkeit des zugehörigen Produktes.
Auch die oxidischen Komponenten des Versatzes zur Herstellung des keramischen Erzeugnisses werden erfindungsgemäß in einer Kornfraktion dso, nach einer Ausführungsvariante d95 von jeweils < 125 μm eingesetzt.
Danach betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform ein keramisches Erzeugnis für Hochtemperaturanwendungen, das zu 30 - 100 Masse-% wie folgt aufgebaut ist:
- mindestens einer MgO-hältigen Komponente aus der Gruppe: Sintermagnesia, Schmelzmagnesia, Dolomasinter, Schmelzdoloma,
- in einer Kornfraktion dso < 125 μm,
- in einem Masseanteil von 70-93 %,
- mindestens einer kohlenstoffhaltigen Komponente aus der Gruppe: Graphit, Ruß, calcinierter Anthrazit, Elektrodenbruch,
- in einer Teilchengröße dso < 125 μm,
- in einem Masseanteil von 7-30 %,
- optional: mindestens einer sonstigen Feststoffkomponente in einem Masseanteil < 10 %,
- hergestellt durch Granulierung von 100 M.-% der Feststoffkomponenten in Kombination mit mindestens einem temporären Bindemittel und anschließendem Verpressen. Die Granulierung umfasst verwandte Misch- und Kompaktierungsverfahren wie Brikettierung, Strangpressen. Für die Granalien gilt:
Die MgO-hältige Komponente kann Magnesiasinter aus natürlichen Rohstoffen, synthetische Sintermagnesia, aber auch Dolomasirfter aus natürlichen Rohstoffen oder Schmelzdoloma sein. Der Eisengehalt, gerechnet als Fe2O3, sollte in der Regel < 1 M.-%, bezogen auf 100 M.-% der MgO-hältigen Komponente, liegen, nach Ausführungsformen unter 0,6 beziehungsweise 0,3 M.-%. Dadurch wird vermieden, dass bei der Anwendung im Hochtemperaturbereich eine Reduktion des Fe2O3 zu metallischem Eisen erfolgt, wodurch der Kohlenstoff oxidieren könnte und der Kohlenstoffgehalt reduziert würde.
Die sonstigen Feststoffkomponenten sind optional und umfassen beispielsweise: Metallpulver, beispielsweise auf Basis Silizium, Aluminium, Magnesium oder Legierungen daraus. Diese Metallpulver können im Produkt mehrere Funktionen erfüllen. Sie gewährleisten einen geringen Sauerstoffpartialdruck und verhindern dadurch einen vorzeitigen Abbrand des Kohlenstoffs. Sie bilden auch Carbide, beispielsweise Aluminiumcarbid - Al4C3 - oder Siliziumcarbid - SiC -, die sich günstig auf die Bindung des keramischen Systems auswirkt. Diese sonstigen Feststoffkomponenten werden nach einer Ausführungsform ebenfalls in einer Kornfraktion dso < 125 μm, nach einer Variante d95 < 125 μm eingesetzt.
Das Bindemittel zur Aufbereitung von Granalien aus den Feststoffkomponenten wie Magnesia, Doloma, Graphit kann ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel wie Kunstharz, Steinkohleteerpech, Steinkohleteer oder ein bituminöses Produkt sein. Konkrete Beispiele für das Bindemittel sind Phenolformaldehydharze, die in wässriger Form (als Resole) oder in nicht- wässriger Lösung (als Novolakharze) eingesetzt werden können. Die Aufbereitung der Versatzkomponenten zu Granalien erfolgt mit üblicher Granuliertechnik auf eine Granaliengröße von < 5 mm oder < 3 mm, insbesondere < 1 mm. Es ist günstig, wenn die Granaliengröße d5o unter 1 mm liegt. Nach einer Ausführungsform liegt auch der Wert d95 unter 1 mm. Mit Hilfe der Granulierung werden die feinteiligen Versatzkomponenten und das Bindemittel homogen vermischt. Anschließend erfolgt die Herstellung zu Formteilen, wie Steinen, beispielsweise mit einer hydraulischen Presse, wobei das Formteil zuvor üblicherweise getrocknet (gehärtet) wird, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 90° und 150° C. Das Produkt kann aus einem Versatz hergestellt sein, der vollständig oder teilweise aus den genannten Granalien besteht.
Der Masseanteil der MgO-hältigen Komponente an den Granalien liegt nach einer Ausführungsform oberhalb 80 %, der Masseanteil der kohlenstoffhaltigen Komponente an den Granalien nach einer weiteren Ausführungsform über 10 %.
Die Korngröße der MgO-hältigen Granalien-Komponente kann auf Werte dso oder dp5 < 50 μm herabgesetzt werden. Gleiches gilt alternativ oder kumulativ für die kohlenstoffhaltige Komponente sowie die sonstigen Feststoffkomponenten.
Die Granalien können auch als Bestandteil eines Versatzes verwendet werden, der nicht granulierte Komponenten enthält. Der Granalienanteil beträgt dabei > 30 M.-%, nach Ausführungsformen > 40 M.-%, > 60 M.-%, > 85 M.-%, > 95 M.-%.
Nicht granulierte Versatz-Anteile bestehen ausschließlich oder überwiegend aus Komponenten, die bei Hochtemperaturanwendungen feuerfest sind, insbesondere MgO-hältigen Komponenten in konventionellen Körnungen (bis 6mm), aber auch vollständig oder teilweise in feinteiliger Form (<250μm). Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung von Granalien mit einem' Durchmesser dg5 < 1 mm, die anschließend zu Formteilen verpresst werden. Diese Formteile gelangen ungebrannt zur Anwendung. Die feuerfesten Eigenschaften des Produktes entwickeln sich also erst beim Einsatz beispielsweise in einem Zement-Drehrohrofen. Ein erfindungsgemäßes Erzeugnis kann sowohl gebrannt wie ungebrannt sein.
Trotz eines relativ hohen Anteils an feinteiligem (d8o<3μm) Kohlenstoff ( 10 M.-% und mehr) lassen sich die Produkte verpressen. Dies ist vor allem auf die Granulierung zurückzuführen. Gleichzeitig wird eine Bildung zusammenhängender Graphitschichten aus einzelnen oder kontaktierenden Graphitteilchen ebenso weitgehend vermieden wie die Ausrichtung von Schichtebenen senkrecht zur Pressrichtung. Vorteilhaft stellt sich aufgrund der Feinteiligkeit des Kohlenstoffs eine isotrope Wärmeleitfähigkeit des Produktes ein. Im Vergleich zu konventionellen Magnesiacarbonprodukten ist festzustellen: Bei gleicher Zusammensetzung ist die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Produktes geringer als das Maximum der Wärmeleitfähigkeit eines konventionellen Magnesiacarbonsteins mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit. Dies hat folgende Gründe: Bei einem Magnesiacarbonstein herkömmlicher Technologie steht für die Verteilung des Kohlenstoffträgers (insbesondere für den Graphit) nur das Matrixvolumen zwischen den Grobkörnern zur Verfügung. Dadurch ergeben sich zahlreiche Kontakte der einzelnen Graphitteilchen untereinander. Das erhöht die Wärmeleitfähigkeit. Bei einem erfindungsgemäßen Erzeugnis wird der Kohlenstoffträger demgegenüber im feinteiligen und homogenen Produkt(anteil) gleichmäßig dispergiert. Teilchenkontakte des Kohlenstoffträgers sind deutlich seltener und die Wärmeleitfähigkeit ist geringer. Dies gilt insbesondere für Produkte, die neben den genannten Granalien eine weitere, bei der Anwendung feuerfeste Komponente enthalten. Diese Komponente kann eine MgO-hältige Komponente wie Sinter- oder Schmelzmagnesia, Sinterdoloma oder dergleichen sein. Die weitere Versatz- und Produkt-Komponente kann als Grobkorn eingesetzt werden. Im Verhältnis zu den Bestandteilen der Granalien bedeutet Grobkorn erfindungsgemäß über 125μm beziehungsweise: dso>O,5mm, beispielsweise l -4mm. Der Grobkornanteil, der im Produkt mindesten 30 Masse-% ausmachen kann, kann auch >50 Masse-% oder >60 Masse-% betragen. Um die Wirkung der Granalien nicht zu gefährden betragt der Granalienanteil regelmäßig aber > 30 Masse-%. Durch die Grobkornkomponente wird die Wärmeleitung im Produkt vorteilhaft und zusätzlich unterbrochen, weil sich durch das Grobkorn der Abstand der Kohlenstoff-Teilchen vergrößert.
Der in der Tabelle angegebene Restkohlenstoffgehalt bezieht sich auf einen Wert nach reduzierender Verkokung bei 1.000° C.
Alle Gewichtsangaben in Masseprozent.
Nach der Herstellung der Produkte aus Granalien bzw. Granalien und Feuerfest-Zusatzkomponente erfolgt je nach Bindemittel eine Härtung beziehungsweise Temperung bei Temperaturen zwischen 150 und 35O0C.
Figure imgf000010_0001
Tabelle 2:
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Claims

„Keramisches Erzeugnis für Hochtemperaturanwendungen"P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Keramisches Erzeugnis für Hochtemperaturanwendungen, das zu 30 - 100 Masse-% wie folgt aufgebaut ist:
1.1.1 mindestens einer MgO-hältigen Komponente aus der Gruppe: Sintermagnesia, Schmelzmagnesia, Dolomasinter, Schmelzdoloma,
1.1.2 in einer Kornfraktion d5o < 125 μm,
1.1.3 in einem Masseanteil von 70-93 %,
1.2.1 mindestens einer kohlenstoffhaltigen Komponente aus der Gruppe: Graphit, Ruß, Elektrodenbruch, calcinierter Anthrazit,
1.2.2 in einer Teilchengröße dso < 125 μm,
1.2.3 in einem Masseanteil von 7-30 %,
1.3 optional: einer oder mehreren sonstigen Feststoffkomponenten in einem Masseanteil < 10 %,
1.4 hergestellt durch Granulierung von 100 M.-% der Feststoffkomponenten 1.1 bis 1.3 in Kombination mit mindestens einem temporären Bindemittel und anschließendem Verpressen.
2. Erzeugnis nach Anspruch 1 mit einem Masseanteil der MgO- hältigen Komponente an den Granalien > 80 %.
3. Erzeugnis nach Anspruch 1 mit einem Masseanteil der C-hältigen Komponente an den Granalien > 10 %.
4. Erzeugnis nach Anspruch 1 mit mindestens einer sonstigen Feststoffkomponente aus der Gruppe: Metalle, Metalloxide, Metallcarbide, Metallnitride.
5. Erzeugnis nach Anspruch 1 mit mindestens einer MgO-hältigen Komponente in einer Kornfraktion d95 < 125 μm.
6. Erzeugnis nach Anspruch 1 mit mindestens einer kohlenstoffhaltigen Komponente in einer Teilchengröße d95 < 125 μm.
7. Erzeugnis nach Anspruch 1 , dessen sonstige Feststoff - komponente(n) in einer Kornfraktion dso < 125 μm vorliegt/vorliegen.
8. Erzeugnis nach Anspruch 1 mit einer Granaliengröße d5o < 1 mm.
9. Erzeugnis nach Anspruch 1 mit einer Granaliengröße d95 < 1 mm.
10. Erzeugnis nach Anspruch 1 , bei dem mindestens 50 M.-% der Feststoffkomponenten in einer Teilchengröße dps < 50 μm vorliegen.
1 1. Erzeugnis nach Anspruch 1 , das neben dem aus Granalien gebildeten Masseanteil mindestens eine weitere, bei der Anwendung feuerfeste Komponente enthält.
12. Erzeugnis nach Anspruch 1 1 , dessen weitere Komponente eine
MgO-hältige Komponente wie Sinter- oder Schmelzmagnesia ist.
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