Der Vorteil von gesinterter tafelförmiger Tonerde in geformten feuerfesten Ziegeln

Gesinterte tafelförmige Tonerde hat eine hohe Sinteraktivität, die die Verbindung von Substraten und Partikeln fördern kann. Durch die Verwendung von gesinterter tafelförmiger Tonerde bei der Herstellung von hochreinen Tonerdesteinen und die anschließende Beobachtung der Wirkung verschiedener gesinterter Korundarten auf die Leistung von Tonerdesteinen stellten die Ingenieure fest, dass die Partikel der gesinterten tafelförmigen Tonerde klein und voller Poren sind. Beim Sinterprozess hilft diese Eigenschaft dabei, das Sintern der Substrate zu verteilen, was auch die Sinterfestigkeit und den Durchlässigkeitswiderstand des Tonerdesteins verbessern kann, indem Substrat und Partikel enger verbunden werden.

Tonerdesteine ​​sind feuerfeste Produkte mit Korund als Hauptkristallphase. Sie haben eine gute chemische Stabilität und sind sehr beständig gegen saure und alkalische Schlacke, Metall und geschmolzenes Glas. Sie werden hauptsächlich in Hochöfen zur Eisenherstellung, Heißluftöfen, Raffinationsöfen außerhalb von Stahlherstellungsöfen, Glasschmelzöfen und petrochemischen Industrieöfen verwendet. Derzeit werden die hochreinen Tonerdesteine ​​auf dem Markt hauptsächlich aus geschmolzenen Tonerderohstoffen hergestellt. Die Herstellung von geschmolzener Tonerde verbraucht viel Energie und verursacht große Verluste, was nicht umweltfreundlich ist. Die Verwendung von geschmolzenem Korundrohstoff zur Herstellung hochreiner Tonerdesteine ​​ist schwierig zu sintern und weist eine geringe Schlackenbeständigkeit auf. In den letzten Jahren wurden die Technologie und die Produktion von gesinterter tafelförmiger Tonerde als hochwertiges feuerfestes Material sprunghaft verbessert. Sehen wir uns die Vorteile der Herstellung von Tonerdesteinen mit gesinterter tafelförmiger Tonerde an.

1 Prüfung

1.1 Werkstoff

Wir verwenden gesinterte tafelförmige Tonerde als Material für die Probeproduktion. Die von uns verwendete tafelförmige Tonerde hat eine Porosität von 5,7 %, eine Wasseraufnahme von 1,6 % und eine Schüttdichte von 3,48 g/cm3. Das Konkurrenzmaterial ist geschmolzene Tonerde mit einer Porosität von 8,8 %, einer Wasseraufnahme von 2,4 % und einer Schüttdichte von 3,61 g/cm3. Die Indizes lauten wie folgt:

1.2 Versuchsherstellung

Mit einem 15 kg-Rollenmischer 3 Minuten lang Körner zum Vormischen hinzufügen, dann 3 % Bindemittel hinzufügen und 1 Minute lang kneten, schließlich feines Pulver hinzufügen und 15 Minuten lang kneten und auf einer 100-t-Hydraulikpresse mit einem Formdruck von 280 MPa formen. Die geformten Proben sind Zylinderziegel mit φ50 mm × 50 mm, Quaderziegel mit 150 mm × 25 mm × 25 mm und Tiegel mit Außenmaß φ50 mm × 50 mm und Innenlochgröße φ25 mm × 25 mm. Die Ziegelproben werden in einem Ultrahochtemperatur-Elektroofen hergestellt, der 3 Stunden lang auf 1750 °C erhitzt wird, nachdem sie 3 Stunden lang bei 110 °C gehalten und getrocknet wurden.

1.3 Leistungstest

Testen Sie die Änderung der Heizlinien, die Volumendichte und scheinbare Porosität, die Druckfestigkeit und Biegefestigkeit bei Normaltemperatur sowie die Biegefestigkeit bei Hochtemperatur (bei 1400 °C für 0,5 h) der Proben nach nationalen Standards. Testen Sie die Schlackenbeständigkeit mit der statischen Tiegelmethode und beobachten Sie die Mikrostruktur der Probe mit einem SEM-Rasterelektronenmikroskop.

2 Ergebnis und Fazit

2.1 Mikrostruktur des Werkstoffes

Das  Bild 1  unten zeigt die Mikrostruktur der Rohmaterialpartikel. Es zeigt sich, dass die gesinterte tafelförmige Tonerde aus oi-Al2O3-Kristallen mit einer Partikelgröße von 40 bis 120 μm besteht und eine bestimmte Anzahl geschlossener kugelförmiger Poren aufweist. Die Struktur der geschmolzenen Tonerde ist dichter, es gibt einige offene Poren mit größerer Größe.

(a) Gesintertes tafelförmiges Aluminiumoxidkorn (b) Geschmolzenes tafelförmiges Aluminiumoxidkorn

Bild 1.

 2.2 Lineare Änderung beim Wiedererhitzen

Bild 2  zeigt die lineare Änderungskurve beim Wiedererhitzen von Proben aus unterschiedlichen Rohstoffen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass alle Proben eine Tendenz zur Brennschrumpfung aufweisen. Mit zunehmendem Gehalt an gesinterter tafelförmiger Tonerde nahm jedoch auch die Brennschrumpfung zu. Beim Vergleich der Rohstoffindizes haben wir festgestellt, dass die Partikel aus gesinterter tafelförmiger Tonerde viel mehr Poren enthalten. Wenn die tatsächliche Dichte von α-Al2O3 3,99 g/cm3 und die Schüttdichte 3,48 g/cm3 beträgt, beträgt die Gesamtporosität etwa 13 %. Außerdem erleichtert die sehr kleine Kristallgröße von gesinterter tafelförmiger Tonerde das Ausbreiten und den Massentransfer beim Sinterprozess. Daher tritt eine Volumenschrumpfung auf, weil einige Poren im Zuge der Bewegung der Substanzen von den Kristallgrenzen entfernt werden. Die Schüttdichte der Partikel aus geschmolzener Tonerde beträgt 3,61 g/cm3 und der Prozentsatz aller Poren beträgt etwa 9 %. Da geschmolzene Tonerde durch Schmelzen und Kondensieren in einem Hochtemperatur-Lichtbogenofen hergestellt wird, weist der Rohstoff eine große Kristallgröße und wenige Kristallgrenzkanäle auf. Daher ist die Sinterschrumpfung geringer als bei gesinterten tafelförmigen Tonerdepartikeln.

Bild 2: Lineare Veränderung beim Wiedererhitzen bei verschiedenen Proben.

2.3 Scheinbare Porosität und Schüttdichte

In Bild 3 ist allgemein zu sehen, dass Proben mit einem höheren Gehalt an gesinterter tafelförmiger Tonerde eine geringere scheinbare Porosität und eine höhere Schüttdichte aufweisen. Dies liegt daran, dass die scheinbare Porosität der gesinterten tafelförmigen Tonerde mit etwa 5,7 % viel geringer ist, während die scheinbare Porosität der geschmolzenen Tonerde 8,8 % beträgt. Darüber hinaus lassen sich die Poren in der gesinterten tafelförmigen Tonerde im Vergleich zur geschmolzenen Tonerde leichter aus dem Kristall entfernen, was die Porosität verringert und zu einer größeren Volumenschrumpfung führt und die Schüttdichte der Probe weiter erhöht. Daher nimmt die scheinbare Porosität der gebrannten Probe mit zunehmendem Anteil an gesinterter tafelförmiger Tonerde ab.

Bild 3 Scheinbare Porosität und Schüttdichte für verschiedene Proben

Bild 4  zeigt, dass die Druckfestigkeit bei Normaltemperatur (CCS) des Ziegels aus reinem gesintertem tafelförmigen Aluminiumoxidmaterial C1 viel größer ist als die des Ziegels aus reinem geschmolzenem Aluminiumoxidmaterial C5. Dafür gibt es zwei Hauptgründe. Erstens ist die Kristallgröße des gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidmaterials aus Sicht der Rohmaterialfestigkeit gering und die Bruchfestigkeit (σ) des Materials und die Kristallgröße (G) haben die folgende funktionale Beziehung:

σ=f(G-1/2)

Daher ist die Festigkeit von gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxidmaterial relativ hoch, während geschmolzenes Aluminiumoxidmaterial spröde ist und sich leicht ablöst (siehe Abbildung  5(a) ). Zudem enthält es eine kleine Menge der β-Al2O3-Phase, die die Festigkeit des Materials verringert.

Zweitens ist die Bindung zwischen den gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidpartikeln und dem Substrat hinsichtlich des Bindungszustands des Materials gut, sie sind fast zu einem Ganzen gesintert. Die geschmolzenen Aluminiumoxidpartikel sind nicht gut mit dem Substrat verbunden und es bilden sich leicht ringförmige Risse um die Partikel  (Bild 5) (b) ). Aus den beiden oben genannten Gründen ist die mechanische Festigkeit von reinem gesintertem tafelförmigen Material C1-Stein besser als die von reinem geschmolzenem Aluminiumoxidmaterial C5-Stein.

Bild 4 Druckfestigkeit und Biegefestigkeit bei Normaltemperatur für verschiedene Proben

Bild 5 Die Mikrostruktur von Proben aus geschmolzenem Aluminiumoxid

Nachdem Sie 20 g Vergasungsschlacke in den Tiegel gegeben haben (Schlackenzusammensetzung siehe Tabelle 2), den Tiegel im Test-Elektroofen mit einer Heizrate von 100 °C/h auf 1550 °C erhitzt und 3 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten haben, und den Tiegel nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur entlang der Axialrichtung geschnitten haben, können Sie die Veränderungen der Mikrostruktur im Längsschnitt beobachten.

Die chemische Zusammensetzung der Hochofenschlacke ist wie folgt:

Bild 6 Statisches Tiegel-Antischlackenprofil

 Nach dem Korrosionstest der Schlacke aus einem Kohle-Wasser-Schlamm-Vergasungsofen beobachten Sie die Mikrostruktur mit einem Elektronenmikroskop. Die Schlacke aus dem Kohle-Wasser-Schlamm-Vergasungsofen hat eine Fischgrätenform und besteht hauptsächlich aus einer Anorthitphase (siehe  Abbildung 7(a) ); die Schlacke reagierte mit der Tonerde in den Teststeinen und bildete eine Magnesium-Aluminium-Eisen-Spinell-Kompositphase. Die Energiespektrumanalyse zeigt die Zusammensetzung der Spinellphase (x/%): MgO 40,43 %, Al2O 347,61 %, Fe2O3 11,96 %. Die durch die Reaktion gebildete Magnesium-Aluminium-Eisen-Spinell-Kompositphase bildet einen Ring um die Tonerdepartikel (siehe  Abbildung 7(b) ). Die Dicke des Rings um die gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidpartikel beträgt 60 bis 90 μm und die Dicke des Rings um die geschmolzenen Aluminiumoxidpartikel beträgt 50 bis 70 μm. Es ist ersichtlich, dass die Schlacke leichter mit den gesinterten tafelförmigen Partikeln reagiert, da die gesinterte Aluminiumoxidpartikel eine große Sinteraktivität, kleinere Kristalle, geschlossenere Poren und mehr Kristallgrenzen aufweisen. Die Schlacke kann leicht entlang der Kristallgrenzen eindringen und chemisch mit der gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidpartikel reagieren.

(a)Schlacke (b)C2 Arbeitsfläche

Bild 7 Mikrostruktur einer Probe aus Aluminiumoxidstein nach dem Schlacken- und Korrosionsbeständigkeitstest

Es gibt keinen offensichtlichen Unterschied in der Erosionstiefe von C1, C2, C3, C4 und C5. Sie betragen alle etwa 1 mm. Abbildung 8 zeigt die Mikrostrukturfotos von C1-Steinen bzw. C5-Steinen nach der Erosion Dadurch erscheinen die Korundpartikel als isolierte Inseln, reagieren dann mit den Partikeln und fressen die Partikel ab.

Die Erosionstiefe von C1, C2, C3, C4 und C5 beträgt ungefähr 1 mm, es gibt also keinen erkennbaren Unterschied.  Bild 8  zeigt die Mikrostrukturfotos von C1- und C5-Steinen nach der Erosion. Die Schlacke reagiert zuerst mit dem Ziegelsubstrat, wodurch die Aluminiumoxidpartikel inselförmig werden, und reagiert dann mit den Partikeln, wodurch die Partikel weggefressen werden.

Bild 8 Mikrostruktur einer Probe aus Aluminiumoxidstein nach dem Schlackenbeständigkeitstest

 Bild 9 zeigt, dass die Penetrationswege von Teststeinen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen ähnlich sind. Die Schlacke dringt entlang der Poren in die Steine ​​ein und existiert in den intergranularen Poren als Glasphase und Anorthitphase.

Bild 9 Mikrostruktur der durchlässigen C5-Schicht einer Probe aus Aluminiumoxidstein nach dem Schlackenbeständigkeitstest

Verschiedene Proben weisen jedoch unterschiedliche Antipermeabilitätseigenschaften auf: Die folgende Tabelle zeigt die Eindringtiefe von SiO2 in verschiedenen Proben. Wenn der Gehalt an gesinterter tafelförmiger Tonerde im Ziegel abnimmt, zeigt die Eindringtiefe der Schlacke eine zunehmende Tendenz.

Für dieses Ergebnis gibt es zwei Gründe:

1. Die Probe mit hohem Gehalt an gesinterter tafelförmiger Tonerde weist eine geringere scheinbare Porosität auf;
2. Die versinterten tafelförmigen Materialpartikel sind besser mit dem Untergrund verbunden, was das Eindringen von Schlacke in die Steine ​​verhindert.

3 Fazit

Aufgrund der geringen Kristallgröße von tafelförmigem Aluminiumoxid gibt es in den Partikeln eine große Anzahl von Poren, was für das Massentransfersintern hilfreich ist. Durch die Bewegung von Substanzen werden einige Poren entlang der Kristallgrenze aus dem Kristall entfernt, wodurch es zu einer Volumenschrumpfung kommt. Dies führt zu einer Erhöhung der Schrumpfungsrate und einer Verringerung der scheinbaren Porosität beim Sintern durch Erhöhung des Gehalts an gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid.

Die reine gesinterte tafelförmige Tonerde hat eine feinkörnige Struktur mit hoher Festigkeit und hoher Sinteraktivität. Die gesinterten tafelförmigen Tonerdepartikel im Ziegel haben eine gute Bindung mit den Substraten, sodass die mechanische Festigkeit mit zunehmendem Gehalt an gesintertem Korund zunimmt.

Da die tafelförmige Tonerde zwei wesentliche Vorteile hat: Geringe scheinbare Porosität und ausgezeichnete Bindungsfähigkeit mit dem Substrat, zeigt sich, dass gesinterte tafelförmige Tonerde das Eindringen von Schlacke in den Ziegel verlangsamen kann.