Bei der Verwendung von Feuerfestmaterialien schmelzen und erweichen diese leicht durch physikalische, chemische, mechanische und andere Einflüsse bei hohen Temperaturen (in der Regel 1000–1800 °C) oder werden durch Erosion abgetragen, reißen oder beschädigt, was den Betrieb unterbricht. Zudem kann es zu Materialverunreinigungen kommen. Daher müssen Feuerfestmaterialien Eigenschaften aufweisen, die sich an verschiedene Betriebsbedingungen anpassen. Im Folgenden werden vier Indikatoren aufgeführt, die das Hochtemperaturverhalten von Feuerfestmaterialien bestimmen:
(1) Feuerfest
Feuerfestigkeit bezeichnet die Temperatur, bei der ein Material unter Einwirkung hoher Temperaturen einen bestimmten Erweichungsgrad erreicht und charakterisiert dessen Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen. Sie ist die Grundlage für die Beurteilung, ob ein Material als feuerfester Werkstoff geeignet ist. Die Internationale Organisation für Normung (ISO) definiert anorganische, nichtmetallische Werkstoffe mit einer Feuerfestigkeit über 1500 °C als feuerfest. Diese unterscheidet sich vom Schmelzpunkt des Materials und beschreibt umfassend die Eigenschaften eines mehrphasigen Feststoffgemisches aus verschiedenen Mineralien.
Der grundlegendste Faktor für die Feuerfestigkeit ist die chemische Zusammensetzung und Verteilung der Mineralien im Material. Verschiedene Verunreinigungen, insbesondere solche mit starker Lösungsmittelwirkung, können die Feuerfestigkeit erheblich mindern. Daher sollten im Produktionsprozess geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um die Reinheit der Rohstoffe zu gewährleisten und zu verbessern.
Die Feuerfestigkeit ist keine absolute, für einen Stoff spezifische physikalische Größe, sondern ein relativer technischer Indikator, der bei Erreichen eines bestimmten Erweichungsgrades unter festgelegten Prüfbedingungen ermittelt wird. Das Prüfmaterial wird nach einem vorgegebenen Verfahren zu einem Kegelstumpf (im Folgenden: Prüfkegel) und einem genormten Kegelstumpf (im Folgenden: Normkegel) mit einer festgelegten Biegetemperatur und einer bestimmten Heizrate geformt. Die Feuerfestigkeit wird durch Vergleich des Biegegrades des Prüfkegels mit dem des Normkegels bestimmt. Der Kegelstumpf hat eine Seitenlänge von 8 mm an der Unterseite, 2 mm an der Oberseite und eine Höhe von 30 mm. Während der Messung kann sich bei hohen Temperaturen eine flüssige Phase im Kegelstumpf bilden. Mit steigender Temperatur nimmt die Menge der flüssigen Phase zu, deren Viskosität ab und der Kegel erweicht. Sobald ein bestimmter Erweichungsgrad erreicht ist, biegt sich der Kegel aufgrund seines Eigengewichts allmählich. Wenn der Prüfkegel und der Normkegel gleichzeitig so weit gebogen werden, bis ihre Spitze mit dem Chassis in Kontakt kommt, ist die ermittelte Biegetemperatur des Normkegels als Feuerfestigkeit des Prüfkegels maßgebend.
Die sogenannte Erweichungstemperatur unter Last, auch bekannt als Deformationstemperatur von Feuerfestmaterialien, gibt die Beständigkeit des Materials gegenüber der kombinierten Einwirkung von hoher Temperatur und Last unter konstanter Belastung bzw. den Temperaturbereich an, in dem das Material deutliche plastische Verformungen zeigt. Aus der Erweichungstemperatur unter Last lässt sich die maximale Einsatztemperatur des Materials ableiten. Sie repräsentiert die strukturelle Festigkeit des Materials unter vergleichbaren Einsatzbedingungen und dient als Grundlage für die Bestimmung der maximalen Einsatztemperatur.
Der Hauptfaktor, der die Erweichungstemperatur unter Last bestimmt, ist die chemische Mineralzusammensetzung des Materials, die wiederum direkt mit dem Herstellungsprozess zusammenhängt. Die Sintertemperatur hat einen großen Einfluss auf die Erweichungstemperatur unter Last. Eine angemessene Erhöhung der Sintertemperatur führt aufgrund der verringerten Porosität, des Kristallwachstums und der verbesserten Bindung zu einer höheren Erweichungstemperatur unter Last. Eine höhere Reinheit der Rohstoffe und ein geringerer Anteil an niedrigschmelzenden Bestandteilen oder Lösungsmitteln erhöhen die Erweichungstemperatur unter Last. Beispielsweise sind Natriumoxid in Ziegeln und Aluminiumoxid in Quarzglassteinen schädliche Oxide.
(3) Volumenstabilität von feuerfesten Materialien bei hohen Temperaturen
Unter dem Einfluss hoher Temperaturen über einen längeren Zeitraum dehnt sich das feuerfeste Material aus, die sogenannte Restausdehnung. Das Ausmaß dieser Restausdehnung (Verformung) gibt Aufschluss über die Qualität der Hochtemperatur-Volumenstabilität. Je geringer die Restverformung, desto besser die Volumenstabilität; umgekehrt gilt: Je schlechter die Volumenstabilität, desto höher die Wahrscheinlichkeit für Verformungen oder Beschädigungen des Mauerwerks.
Die Veränderung der Wiederverbrennungslinie wird häufig zur Beurteilung der Hochtemperatur-Volumenstabilität des Materials herangezogen, was ein wichtiger Indikator für die Bewertung der Materialqualität ist.
Die meisten feuerfesten Werkstoffe schrumpfen unter Einwirkung hoher Temperaturen. Beim Wiederbrennen schrumpfen die meisten feuerfesten Werkstoffe hauptsächlich, weil die bei hohen Temperaturen entstehende flüssige Phase die Poren füllt und die Partikel dadurch weiter zusammenzieht und verdichtet. Zusätzlich findet eine Rekristallisation statt, die zu einer weiteren Verdichtung des Materials führt. Einige Werkstoffe dehnen sich beim Wiederbrennen jedoch auch aus. So dehnen sich beispielsweise Quarzsteinsteine aufgrund polykristalliner Umwandlungen während des Gebrauchs aus. Dies liegt daran, dass der nicht umgewandelte Quarz im Quarzstein bei hohen Temperaturen weiter in Tridymit oder Quarz umgewandelt wird. Der Quarzanteil im Quarzstein, der sich ausdehnt, beträgt etwa 10 %. Um die Schrumpfung und Ausdehnung des Materials beim Wiederbrennen zu reduzieren, ist es wirksam, die Brenntemperatur und die Haltezeit entsprechend zu erhöhen. Die Temperaturen sollten jedoch nicht zu hoch sein, da dies zur Verglasung der Materialstruktur und damit zu einer geringeren Temperaturwechselbeständigkeit führen kann. Aufgrund der Ausdehnung der Quarzpartikel im Material während des Brennens und der Verwendung, die die Schrumpfung des Tons ausgleicht, ist die Volumenänderung von Halbsilika-Ziegeln gering, und einige von ihnen dehnen sich leicht aus.
(4) Thermoschockbeständigkeit
Die Fähigkeit von feuerfesten Materialien, schnellen Temperaturänderungen ohne Zerstörung zu widerstehen, wird als Thermoschockstabilität bezeichnet. Diese Eigenschaft ist auch als Thermoschockbeständigkeit bekannt.
Der wichtigste Faktor, der die Temperaturwechselbeständigkeit eines Materials beeinflusst, sind seine physikalischen Eigenschaften wie Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit. Generell gilt: Je höher die Wärmeausdehnung, desto geringer die Temperaturwechselbeständigkeit; je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto besser. Darüber hinaus wirken sich Mikrostruktur, Partikelzusammensetzung und -form des feuerfesten Materials auf die Temperaturwechselbeständigkeit aus.
Veröffentlichungsdatum: 15. Juli 2022