Der Vorteil von gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid in geformten feuerfesten Steinen

Gesintertes tafelförmiges Aluminiumoxid weist eine hohe Sinteraktivität auf, die die Verbindung von Substraten und Partikeln fördern kann. Durch den Einsatz von gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid bei der Herstellung von hochreinen Aluminiumoxidsteinen und der anschließenden Beobachtung der Auswirkungen verschiedener gesinterter Korunde auf die Leistung von Aluminiumoxidsteinen stellten die Ingenieure fest, dass die gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidpartikel klein und voller Poren sind. Im Sinterprozess hilft diese Eigenschaft dabei, das Sintern des Substrats zu verteilen, was auch die Sinterfestigkeit und den Durchlässigkeitswiderstand des Aluminiumoxidsteins verbessern kann, indem Substrat und Partikel enger miteinander verbunden werden.

Tonerdesteine ​​sind feuerfeste Produkte mit Korund als Hauptkristallphase. Sie verfügen über eine gute chemische Stabilität und eine starke Beständigkeit gegenüber saurer und alkalischer Schlacke, Metall und geschmolzenem Glas. Wird hauptsächlich in Hochöfen für die Eisenherstellung, Heißhochöfen im Hochofen, Raffinieröfen außerhalb von Stahlerzeugungsöfen, Glasschmelzöfen und petrochemischen Industrieöfen verwendet. Derzeit werden die auf dem Markt befindlichen hochreinen Aluminiumoxidsteine ​​hauptsächlich aus geschmolzenen Aluminiumoxidrohstoffen hergestellt. Die Herstellung von geschmolzenem Aluminiumoxid verbraucht viel Energie und verursacht große Verluste, was nicht umweltfreundlich ist. Die Verwendung von Schmelzkorund-Rohstoffen zur Herstellung hochreiner Aluminiumoxidsteine ​​ist schwer zu sintern und weist eine geringe Schlackenbeständigkeit auf. In den letzten Jahren als hochwertiges feuerfestes Material, Die Technologie und die Produktion von gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid wurden sprunghaft verbessert. Sehen wir uns die Vorteile der Herstellung von Aluminiumoxidsteinen mit gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid an.

1 Test

1.1 Material

Als Material für die Probeproduktion verwenden wir gesintertes tafelförmiges Aluminiumoxid. Das von uns verwendete tafelförmige Aluminiumoxid hat eine Porositätsrate von 5,7 %, eine Wasserabsorptionsrate von 1,6 % und eine Schüttdichte von 3,48 g/cm3. Das Konkurrenzmaterial ist geschmolzenes Aluminiumoxid mit einer Porositätsrate von 8,8 %, einer Wasserabsorptionsrate von 2,4 % und einer Schüttdichte von 3,61 g/cm3. Die Indizes lauten wie folgt:

1.2 Probefertigung

Geben Sie mit einem 15-kg-Walzenmischer 3 Minuten lang Körner zum Vormischen hinzu, fügen Sie dann 3 % Bindemittel hinzu und kneten Sie 1 Minute lang. Fügen Sie schließlich feines Pulver hinzu und kneten Sie es 15 Minuten lang und formen Sie es auf einer 100-Tonnen-Hydraulikpresse mit einem Formdruck von 280 MPa. Bei den geformten Proben handelt es sich um Zylinderziegel mit einem Durchmesser von 50 mm × 50 mm, quaderförmige Ziegel mit 150 mm × 25 mm × 25 mm und Tiegel mit den Außenabmessungen von 50 mm × 50 mm und einer Innenlochgröße von 25 mm × 25 mm. Die Ziegelproben werden in einem Ultrahochtemperatur-Elektroofen hergestellt, der 3 Stunden lang auf 1750 °C erhitzt wird, nachdem er 3 Stunden lang bei 110 °C gehalten und getrocknet wurde.

1.3 Leistungstest

Testen Sie die permanente Erwärmungslinienänderung, die Volumendichte und scheinbare Porosität, die Druckfestigkeit und Biegefestigkeit bei normaler Temperatur sowie die Biegefestigkeit bei hoher Temperatur (bei 1400 °C für 0,5 Stunden) von Proben nach nationalen Standards. Testen Sie die Schlackenbeständigkeit mit der statischen Tiegelmethode und beobachten Sie die Mikrostruktur der Probe mit dem Rasterelektronenmikroskop.

2 Ergebnis und Fazit

2.1 Mikrostruktur des Materials

Das  Bild 1  unten zeigt die Mikrostruktur der Rohstoffpartikel. Es wurde festgestellt, dass das gesinterte tafelförmige Aluminiumoxid aus oi-Al2O3-Kristallen mit einer Partikelgröße von 40–120 μm besteht und eine gewisse Menge geschlossener kugelförmiger Poren vorhanden ist. Die Struktur von geschmolzenem Aluminiumoxid ist dichter, es gibt einige offene Poren mit größerer Größe.

(a) Gesinterte tafelförmige Aluminiumoxidkörner (b) geschmolzene tafelförmige Aluminiumoxidkörner

Bild 1.

2.2 Lineare Änderung der Nacherwärmung

Das Bild 2 zeigt die lineare Änderungskurve beim Wiedererhitzen von Proben aus verschiedenen Rohstoffen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass alle Proben eine Tendenz zur Brennschrumpfung aufweisen. Mit zunehmendem Gehalt an gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid nahm jedoch in der Zwischenzeit die Brennschrumpfung zu. Beim Vergleich der Rohstoffindizes stellten wir fest, dass die gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidpartikel viel mehr Poren enthalten. Wenn die wahre Dichte von α-Al2O3 3,99 g/cm3 und die Schüttdichte 3,48 g/cm3 beträgt, beträgt die Gesamtporosität etwa 13 %. Darüber hinaus erleichtert die sehr kleine Kristallgröße des gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxids die Ausbreitung und den Massentransfer des Sinterns im Sinterprozess. Dadurch kommt es zu einer Volumenschrumpfung, da bei der Stoffbewegung einige Poren von der Kristallgrenze entfernt werden. Die Schüttdichte von geschmolzenen Aluminiumoxidpartikeln beträgt 3,61 g/cm3. und der Anteil aller Poren beträgt etwa 9 %. Da geschmolzenes Aluminiumoxid durch Schmelzen und Kondensieren in einem Hochtemperatur-Lichtbogenofen hergestellt wird, weist das Rohmaterial eine große Kristallgröße und wenige Kristallgrenzkanäle auf. Daher ist die Sinterschrumpfung geringer als die von gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidpartikeln.

Bild 2: Lineare Änderung beim erneuten Erhitzen an verschiedenen Proben.

2.3 Scheinbare Porosität und Schüttdichte

In Bild 3 ist im Allgemeinen zu sehen, dass die Proben mit einem höheren Gehalt an gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid eine geringere scheinbare Porosität und eine höhere Schüttdichte aufweisen. Dies liegt daran, dass die scheinbare Porosität des gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxids mit etwa 5,7 % sehr gering ist, während die scheinbare Porosität des geschmolzenen Aluminiumoxids 8,8 % beträgt. Darüber hinaus lassen sich die Poren im gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxid im Vergleich zu geschmolzenem Aluminiumoxid leichter aus dem Kristall entfernen, was die Porosität verringert, zu einer größeren Volumenschrumpfung führt und die Schüttdichte der Probe weiter erhöht. Daher nimmt die scheinbare Porosität der gebrannten Probe mit zunehmendem Anteil an gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid ab.

Bild 3 Scheinbare Porosität und Schüttdichte für verschiedene Proben

Bild 4  zeigt, dass die Normaltemperatur-Druckfestigkeit (CCS) des C1-Steins aus reinem gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxidmaterial viel größer ist als die des C5-Steins aus reinem geschmolzenem Aluminiumoxidmaterial. Dafür gibt es zwei Hauptgründe. Erstens ist im Hinblick auf die Festigkeit des Rohmaterials die Kristallgröße des gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidmaterials klein und die Bruchfestigkeit (σ) des Materials und die Kristallgröße (G) weisen die folgende funktionelle Beziehung auf:

σ=f(G-1/2)

Daher ist die Festigkeit des gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidmaterials relativ hoch, während das geschmolzene Aluminiumoxidmaterial spröde ist und sich leicht ablösen lässt (wie in Bild 5(a) gezeigt)  , und es enthält auch eine geringe Menge an β-Al2O3-Phase , was die Festigkeit des Materials verringert.

Zweitens ist die Bindung zwischen den gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidpartikeln und dem Substrat im Hinblick auf den Bindungszustand des Materials gut und nahezu zu einem Ganzen versintert. Die geschmolzenen Aluminiumoxidpartikel sind nicht gut mit dem Substrat verbunden und es bilden sich leicht ringförmige Risse um die Partikel herum  (Bild 5) (b) ). Aufgrund der beiden oben genannten Gründe ist die mechanische Festigkeit von C1-Steinen aus reinem gesintertem tafelförmigem Material besser als die von C5-Steinen aus reinem geschmolzenem Aluminiumoxidmaterial.

Bild 4: Druckfestigkeit und Biegefestigkeit bei normaler Temperatur für verschiedene Proben

Bild 5: Mikrostruktur von Proben aus geschmolzenem Aluminiumoxid

Nach Zugabe von 20 g Vergasungsschlacke in den Tiegel (Schlackenzusammensetzung siehe Tabelle 2), Erhitzen des Tiegels auf 1550 °C im Test-Elektroofen mit einer Heizrate von 100 °C/h und Halten für 3 Stunden und anschließendem Schneiden des Tiegels entlang der Temperatur Beobachten Sie nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur die Mikrostrukturänderungen im Längsschnitt in axialer Richtung.

Die chemische Zusammensetzung der Ofenschlacke ist wie folgt:

Bild 6 Anti-Schlacke-Profil des statischen Tiegels

Beobachten Sie nach dem Korrosionstest der Schlacke eines Kohle-Wasser-Aufschlämmungsvergasungsofens die Mikrostruktur mit einem Elektronenmikroskop. Die Schlacke der Kohlewasseraufschlämmungsvergasung hat die Form einer Fischgräte und besteht hauptsächlich aus der Anorthitphase (wie in  Bild 7(a) dargestellt ); Die Schlacke reagierte mit dem Aluminiumoxid in den Teststeinen und bildete eine Magnesium-Aluminium-Eisen-Verbundspinellphase. Die Analyse des Energiespektrums zeigt, dass die Zusammensetzung der zusammengesetzten Spinellphase (x/%) beträgt: MgO 40,43 %, Al2O 347,61 %, Fe2O3 11,96 %. Die durch die Reaktion gebildete Magnesium-Aluminium-Eisen-Verbundspinellphase bildet einen Ring um die Aluminiumoxidpartikel (wie in  Bild 7(b) gezeigt)). 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 Aluminiumoxidpartikeln reagiert, da diese gesintert sind Aluminiumoxid hat eine große Sinteraktivität, kleinere Kristalle, geschlossenere Poren und mehr Kristallgrenzen. Die Schlacke dringt leicht entlang der Kristallgrenzen ein und reagiert chemisch mit dem gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxid.

(a) Schlacke (b) C2 Arbeitsfläche

Bild 7 Mikrostruktur einer Aluminiumoxid-Ziegelprobe nach dem Schlacken- und Korrosionsbeständigkeitstest

Die Erosionstiefen von C1, C2, C3, C4 und C5 unterscheiden sich nicht wesentlich und betragen alle etwa 1 mm. Abbildung 8 zeigt die Mikrostrukturfotos der Ziegel C1 und C5 nach der Erosion. Die Schlacke reagiert zunächst mit der Ziegelmatrix, Dadurch erscheinen die Korundpartikel inselförmig, reagieren dann mit den Partikeln und fressen die Partikel weg.

Alle Erosionstiefen von C1, C2, C3, C4 und C5 betragen etwa 1 mm, es gibt keinen offensichtlichen Unterschied. Bild 8  zeigt die Mikrostrukturfotos von C1-Steinen bzw. C5-Steinen nach der Erosion. Die Schlacke reagiert zunächst mit dem Ziegelsubstrat, wodurch die Aluminiumoxidpartikel inselförmige Formen annehmen, und reagiert dann mit den Partikeln, um die Partikel abzufressen.

Bild 8 Mikrostruktur einer Aluminiumoxid-Ziegelprobe nach dem Schlackenbeständigkeitstest

Bild 9 zeigt, dass die Penetrationswege von Teststeinen mit unterschiedlichen Rezepturen ähnlich sind. Die Schlacke dringt entlang der Poren in die Ziegel ein und liegt in den Zwischengranularen und Poren als Glasphase und Anorthitphase vor.

Bild 9 Mikrostruktur einer C5-durchlässigen Schicht einer Aluminiumoxid-Ziegelprobe nach dem Schlackenbeständigkeitstest

Verschiedene Proben weisen jedoch unterschiedliche Antipermeabilitätseigenschaften auf: Die folgende Tabelle zeigt die Eindringtiefe von SiO2 in verschiedenen Proben. Mit abnehmendem Gehalt an gesinterter tafelförmiger Tonerde im Stein nimmt die Eindringtiefe der Schlacke zu.

Für dieses Ergebnis gibt es zwei Gründe:

1. Die Probe mit einem hohen Gehalt an gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid weist eine geringere scheinbare Porosität auf;
2. Die gesinterten Tafelmaterialpartikel werden besser mit dem Untergrund verbunden, wodurch das Eindringen von Schlacke in die Ziegel verhindert wird.

3 Fazit

Aufgrund der geringen Kristallgröße von tafelförmigem Aluminiumoxid gibt es in den Partikeln eine große Anzahl von Poren, was für die Massentransfersinterung hilfreich ist. Durch die Stoffbewegung werden entlang der Kristallgrenze einige Poren aus dem Kristall entfernt, es kommt zu einer Volumenschrumpfung. Dies führt zu einer Erhöhung der Schrumpfungsrate und einer Verringerung der scheinbaren Porosität beim Sintern, indem der Gehalt an gesintertem tafelförmigem Aluminiumoxid erhöht wird.

Das reine gesinterte tafelförmige Aluminiumoxid hat eine feinkörnige Struktur mit hoher Festigkeit und hoher Sinteraktivität. Die gesinterten tafelförmigen Aluminiumoxidpartikel im Stein haben eine gute Verbindung mit den Substraten, sodass die mechanische Festigkeit mit zunehmendem Gehalt an gesintertem Korund zunimmt.

Da tafelförmiges Aluminiumoxid zwei wesentliche Vorteile aufweist: geringe scheinbare Porosität und ausgezeichnete Bindungsfähigkeit mit dem Untergrund, zeigt sich, dass gesintertes tafelförmiges Aluminiumoxid das Eindringen von Schlacke in den Ziegel verlangsamen kann.