TY - THES

T1 - Untersuchung des Einflusses von Silikat/Borat-Additiven auf die Eigenschaften und Phasenzusammensetzung von feuerfesten MgO-C Baustoffen

AU - Glanzer, Maximilian

N1 - gesperrt bis 25-07-2024

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Ziel dieser Arbeit war es die Anwendbarkeit von Talk, Mikrosilika, B2O3 und Borosilikatglas als Antioxidantien in MgO-C Feuerfestprodukten zu erforschen, um die bisher gängigen Antioxidantien B4C, Al und Si aus Kostengründen zu ersetzen. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden mit einer bereits in Betrieb befindlichen additivfreien Referenzprobe verglichen. Um festzustellen, ob es zu den gewünschten Karbidbildungen zwischen Kohlenstoff und den Antioxidantien kommt, welche eine der Grundlagen für die Einsetzbarkeit als Antioxidantien bilden, wurden Vorversuche im Kleinmaßstab durchgeführt. Im Zuge dieser wurden Tabletten bestehend aus Ruß und dem jeweiligen Antioxidans bei verschiedenen Temperaturen gebrannt. Die gebrannten Proben wurden mittels eines Auflichtmikroskops, RDA und REM hinsichtlich ihrer Phasenzusammensetzung untersucht. Auf Grund der Ergebnisse der Vorversuche, sowie vorhergehender Berechnungen mittels der Software FactSage, wurden die Karbidbildungen bestätigt und als Brenntemperatur für die folgenden Versuche im Labormaßstab 1500°C und 1600°C festgelegt.Um die Anwendbarkeit der Antioxidantien (Talk, Borosilikatglas, B2O3 und Mikrosilika) mittels einer bereits für die Herstellung von MgO-C Feuerfeststeinen in Betrieb befindlichen Rezeptur zu überprüfen, wurden Prüfkörper gegebener Rezeptur, jedoch mit unterschiedlichen Antioxidantien hergestellt. Die Menge an verwendetem Antioxidans wurde auf Basis einer Referenzrezeptur mit metallischen Al berechnet. Diese wurde so gewählt, dass mit den jeweiligen Oxiden die äquivalente Metallmenge in die Rezeptur eingebracht wird. Auf Grund einer mangelnden Entlüftung während des Pressvorganges der Prüfkörper waren deutliche Lagenrisse an den Grünkörpern sichtbar, weshalb bei Zylindern mit B2O3 als Additiv der Bindemittelgehalt reduziert wurde. Dies führte jedoch zu keiner Verminderung der Lagenrisse, weshalb die restlichen Zylinder wieder mit dem ursprünglichen Bindemittelgehalt hergestellt wurden. Die gepressten Zylinder wurden für 10 Stunden bei 150°C getrocknet und anschließend bei gegebenem Temperaturprogramm unter reduzierenden Bedingungen (eingebettet in Kohlegrieß) gebrannt. Die gebrannten Zylinder wurden sowohl hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften als auch in Hinblick auf deren Phasenzusammensetzung untersucht. Alle Zylinder wiesen im Vergleich zum antioxidansfreien Referenzprodukt eine geringere Dichte, sowie eine höhere Porosität auf. Talk und Borosilikatglas zeigten die geringsten Dichteabnahmen mit weniger als 0,1 g/cm3 im Vergleich zum Referenzprodukt, während B2O3 eine um 0,6 g/cm3 geringere Dichte als das Referenzprodukt aufwies. Die Volumsausdehnung der Zylinder mit Mikrosilika als Additiv stieg von 0,35% bei 1500°C Brenntemperatur auf 2,8% bei 1600°C an. Sämtliche anderen Proben wiesen bei 1500°C und bei 1600°C Brenntemperatur ein ähnliches Volumsänderungsverhalten auf. Die Volumszunahme der borhaltigen Zylinder lag bei über 12,5 Vol.%, was unter anderem auch durch die starke Rissbildung ersichtlich war. Jede der Proben wies bei 1500°C Brenntemperatur einen höheren E-Modul als das Referenzprodukt auf, wobei auch hier Borosilikatglas die höchsten Werte erreichte. Bei 1600°C zeigten Talk, Mikrosilika und B2O3 ähnliche Werte wie das Referenzprodukt, während Borosilikatglas mehr als doppelt so hohe Werte erzielte.Die Untersuchung der vorliegenden Phasen in den Zylindern wurde mittels Auflichtmikroskops, Röntgendiffraktometrieanalyse und Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Um eine Bestimmung der Elemente zu ermöglichen, wurde eine energiedispersive Röntgenspektroskopie am REM durchgeführt. Bei den Zylindern mit borhaltigen Antioxidantien konnte die Bildung von Mg3B2O6 (M3B) am REM festgestellt werden, welche auch in den FactSage Berechnungen vorhergesagt wurde. Die RDA ergab diese Phasenbildung jedoch nur bei den Zylindern mit B2O3 als Additiv. Forsterit wurde in allen SiO2 haltigen Proben gebildet (Talk, Mikrosilika und Borosilikatglas) und auch in allen Untersuchungen bestätigt. Eine SiC Bildung konnte jedoch nur bei Mikrosilika Zugabe festgestellt werden. Verunreinigungen anderer Elemente waren auf die Magnesia Rohstoffe, oder auf die Kohlenstoffträger zurückzuführen, da diese auch bei der Untersuchung der Referenzzylinder mittels des REM vorgefunden wurden.

AB - Ziel dieser Arbeit war es die Anwendbarkeit von Talk, Mikrosilika, B2O3 und Borosilikatglas als Antioxidantien in MgO-C Feuerfestprodukten zu erforschen, um die bisher gängigen Antioxidantien B4C, Al und Si aus Kostengründen zu ersetzen. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden mit einer bereits in Betrieb befindlichen additivfreien Referenzprobe verglichen. Um festzustellen, ob es zu den gewünschten Karbidbildungen zwischen Kohlenstoff und den Antioxidantien kommt, welche eine der Grundlagen für die Einsetzbarkeit als Antioxidantien bilden, wurden Vorversuche im Kleinmaßstab durchgeführt. Im Zuge dieser wurden Tabletten bestehend aus Ruß und dem jeweiligen Antioxidans bei verschiedenen Temperaturen gebrannt. Die gebrannten Proben wurden mittels eines Auflichtmikroskops, RDA und REM hinsichtlich ihrer Phasenzusammensetzung untersucht. Auf Grund der Ergebnisse der Vorversuche, sowie vorhergehender Berechnungen mittels der Software FactSage, wurden die Karbidbildungen bestätigt und als Brenntemperatur für die folgenden Versuche im Labormaßstab 1500°C und 1600°C festgelegt.Um die Anwendbarkeit der Antioxidantien (Talk, Borosilikatglas, B2O3 und Mikrosilika) mittels einer bereits für die Herstellung von MgO-C Feuerfeststeinen in Betrieb befindlichen Rezeptur zu überprüfen, wurden Prüfkörper gegebener Rezeptur, jedoch mit unterschiedlichen Antioxidantien hergestellt. Die Menge an verwendetem Antioxidans wurde auf Basis einer Referenzrezeptur mit metallischen Al berechnet. Diese wurde so gewählt, dass mit den jeweiligen Oxiden die äquivalente Metallmenge in die Rezeptur eingebracht wird. Auf Grund einer mangelnden Entlüftung während des Pressvorganges der Prüfkörper waren deutliche Lagenrisse an den Grünkörpern sichtbar, weshalb bei Zylindern mit B2O3 als Additiv der Bindemittelgehalt reduziert wurde. Dies führte jedoch zu keiner Verminderung der Lagenrisse, weshalb die restlichen Zylinder wieder mit dem ursprünglichen Bindemittelgehalt hergestellt wurden. Die gepressten Zylinder wurden für 10 Stunden bei 150°C getrocknet und anschließend bei gegebenem Temperaturprogramm unter reduzierenden Bedingungen (eingebettet in Kohlegrieß) gebrannt. Die gebrannten Zylinder wurden sowohl hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften als auch in Hinblick auf deren Phasenzusammensetzung untersucht. Alle Zylinder wiesen im Vergleich zum antioxidansfreien Referenzprodukt eine geringere Dichte, sowie eine höhere Porosität auf. Talk und Borosilikatglas zeigten die geringsten Dichteabnahmen mit weniger als 0,1 g/cm3 im Vergleich zum Referenzprodukt, während B2O3 eine um 0,6 g/cm3 geringere Dichte als das Referenzprodukt aufwies. Die Volumsausdehnung der Zylinder mit Mikrosilika als Additiv stieg von 0,35% bei 1500°C Brenntemperatur auf 2,8% bei 1600°C an. Sämtliche anderen Proben wiesen bei 1500°C und bei 1600°C Brenntemperatur ein ähnliches Volumsänderungsverhalten auf. Die Volumszunahme der borhaltigen Zylinder lag bei über 12,5 Vol.%, was unter anderem auch durch die starke Rissbildung ersichtlich war. Jede der Proben wies bei 1500°C Brenntemperatur einen höheren E-Modul als das Referenzprodukt auf, wobei auch hier Borosilikatglas die höchsten Werte erreichte. Bei 1600°C zeigten Talk, Mikrosilika und B2O3 ähnliche Werte wie das Referenzprodukt, während Borosilikatglas mehr als doppelt so hohe Werte erzielte.Die Untersuchung der vorliegenden Phasen in den Zylindern wurde mittels Auflichtmikroskops, Röntgendiffraktometrieanalyse und Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Um eine Bestimmung der Elemente zu ermöglichen, wurde eine energiedispersive Röntgenspektroskopie am REM durchgeführt. Bei den Zylindern mit borhaltigen Antioxidantien konnte die Bildung von Mg3B2O6 (M3B) am REM festgestellt werden, welche auch in den FactSage Berechnungen vorhergesagt wurde. Die RDA ergab diese Phasenbildung jedoch nur bei den Zylindern mit B2O3 als Additiv. Forsterit wurde in allen SiO2 haltigen Proben gebildet (Talk, Mikrosilika und Borosilikatglas) und auch in allen Untersuchungen bestätigt. Eine SiC Bildung konnte jedoch nur bei Mikrosilika Zugabe festgestellt werden. Verunreinigungen anderer Elemente waren auf die Magnesia Rohstoffe, oder auf die Kohlenstoffträger zurückzuführen, da diese auch bei der Untersuchung der Referenzzylinder mittels des REM vorgefunden wurden.

KW - MgO

KW - C

KW - refractories

KW - antioxidants

KW - feuerfeste Baustoffe

KW - MgO-C

KW - Antioxidantien

M3 - Masterarbeit

ER -