Dynamic wetting phenomena of CaO-SiO2-Al2O3-Li2O slag on magnesia

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist es, das Benetzungsverhalten von CaO-SiO2-Al2O3-Li2O-Schlacken auf feuerfestem Magnesiamaterial zu untersuchen und dabei den Einfluss von Schlackenzusammensetzungen und Temperaturen auf das Benetzungsverhalten zu untersuchen. Der Fokus der Untersuchung liegt auf dem Einfluss von Li2O auf das Benetzungsverhalten der Schlacke. In der Anfangsphase wurden im Labor Schlackenproben mit unterschiedlichem Li2O-Gehalt hergestellt, wobei die Basizität und der Aluminiumoxidgehalt konstant blieben. Die Pulver der Schlackekomponenten wurden mit einem Turbula-Mischer gemischt. Zum Vorschmelzen der Proben wurde ein vertikaler Rohrofen bei erhöhten Temperaturen verwendet. Gleichzeitig wurden Substrate durch Schneiden und Polieren von feuerfesten Magnesia-Chromit-Materialien vorbereitet. Die Viskositäten der Schlacken als Funktion des Lithiumoxidgehalts und der Temperatur wurden mit dem Viskositätsmodul FactSage 8.2 berechnet. Zusätzlich wurden die Schmelztemperaturen der Schlackensysteme durch thermodynamische Simulationen von FactSage 8.2 bestimmt. Eine weitere Vergleichsstudie zwischen den aus thermodynamischen Simulationen ermittelten und aus den Fallprofilen der Schlacken abgeleiteten Schmelztemperaturen wurde durchgeführt. Um In-situ-Messungen des Kontaktwinkels durchzuführen, wurden kleinere Schlackenstücke mithilfe der Methode des sessilen Tropfens präzise auf dem Substrat abgelagert. Das Experiment wurde mit einem Thermo-Optical Dynamic Wetting Apparatus (TODWA) durchgeführt. Angeschlossen wurde eine Hochgeschwindigkeitskamera zur Aufnahme und Analyse von Tropfenprofilen. Bei den Experimenten wurden die Proben auf eine Temperatur von 1350 °C erhitzt. Die Ausbreitung der Schlacken wurde beobachtet und zur Analyse der Schmelztemperatur und des Benetzungsverhaltens der Schlacken bei höheren Temperaturen aufgezeichnet. Anschließend wurden Hochgeschwindigkeitskamerabilder einer detaillierten Analyse mit der Bildverarbeitungssoftware SCA-20 unterzogen, um Kontaktwinkel genau zu messen. Durch die Erhöhung des Lithiumoxidgehalts wurde die Benetzbarkeit der Schlacken verbessert. Über alle Schlackensysteme hinweg wurde ein konsistentes Benetzungsphänomen beobachtet, das durch höhere Kontaktwinkel bei niedrigeren Temperaturen und anschließende drastische Ausbreitung bei höheren Temperaturen gekennzeichnet ist. Außerdem führte ein höherer Li2O-Gehalt zu einer deutlichen Änderung des Kontaktwinkels und der Schlackenausbreitung bei niedrigeren Temperaturen. Schlacke A (0 % Li2O) begann sich bei 1235 °C auszubreiten, während Schlacke B (2 % Li2O) die Ausbreitung bei einer noch niedrigeren Temperatur von 1180 °C zeigte. Weitere Erhöhungen des Li2O-Gehalts führten zu einer noch früheren Schlackenausbreitung, z.B. Schlacke F (10 % Li2O) zeigte eine Ausbreitung bei etwa 1100 °C. Nach der In-situ-TODWA-Analyse wurden die Schlackenproben für die anschließende Mikrostruktur- und Zusammensetzungsanalyse vorbereitet. Die detaillierte Analyse erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und die Zusammensetzungsanalyse mittels eines EDS-Detektors. Mit zunehmendem Lithiumoxidgehalt verbesserte sich die Benetzbarkeit der Schlacken. Die Ablagerung von Schlacke A (0 % Li2O) auf dem Feuerfestmaterial führte zu einer Zwischenschicht von 405 µm Dicke, während die Ablagerung von Schlacke B (2 % Li2O) zu einer Schicht von nur 120 µm führte. Mit zunehmendem Lithiumoxidgehalt nahm die Dicke der Zwischenschicht kontinuierlich ab. Ein Anstieg des Lithiumoxidgehalts verstärkte auch das Eindringen der Schlacke in das Feuerfestmaterial und die Auflösung von Feuerfestbestandteilen entlang seiner Korngrenzen.

Details

Titel in ÜbersetzungDynamische Benetzungsphänomene von CaO-SiO2-Al2O3-Li2O-Schlacken auf Magnesia
OriginalspracheEnglisch
QualifikationMSc
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung22 März 2024
StatusVeröffentlicht - 2024