Smarte Feuerfestlösung für spannungsbelastete Drehöfen

1 Einleitung

So sank der spezifische basische Feuerfestverbrauch von 1,2 kg/t Klinker im Jahr 1970 auf einen Wert von derzeit 0,72 kg/t Klinker (Bild 1). Zu diesem sehr positiven Wert, selbst mit zunehmender Verwendung alternativer Brenn- und Rohstoffe, hat sicherlich in neuerer Zeit auch die Entwicklung der AF-Technologie durch die ­Refratechnik Cement GmbH beigetragen.

2 Einsatz therm­omechanisch

unempfindlicher Magnesiachromitsteine

Der damals neu entwickelte PERILEX® 80 baut dagegen auf einem europäischen Magnesiasinter auf, dem durch ausgefeilte Brenntechnik und Einsatz speziell ausgesuchter Chromerze eine besonders elastische Art der direkten Brückenbindung zwischen Chromerz und Magnesiamatrix verliehen wurde (Bild 2).

Zusätzlich besitzt die verwendete Sintermagnesia eine effektive Kristallplastizität, so dass auftretende thermomechanische Spannungen durch das Drehofenmauerwerk nicht nur elastisch, sondern auch plastisch rissfrei abgebaut werden können. Die Ein­bindung grobkristalliner Periklase in eine Periklas-Magnesioferrit-Spinellmatrix zusammen mit der minimierten Menge an elastifizierendem Chromerz verleiht dem Stein ein ausgewogenes Gebrauchsverhältnis zwischen Temperaturwechselbeständigkeit, spannungsabbauendem Kriechverhalten und chemischer Resistenz. Diese herausragenden Eigenschaften [2] sorgten dafür, dass PERILEX® 80 häufig unter mechanischer und/oder thermomechanischer Belastung ein besseres Ergebnis als Magnesiaspinellsteinsorten erzielte.

Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wurden von PERILEX® 80 seit dem Jahr 1967 weit mehr als 2 Mio. t hergestellt (> 200 Millionen Steine). In den Dimensionen der Zementindustrie ist das eine Ausmauerungsstrecke von 208 km in einem Ofen mit 4,50 m Durchmesser.

3 Grundlagen des

thermomechanischen Spannungsabbaus

Ein weiterer Faktor des zerstörungsfreien, thermomechanischen Spannungsabbaus ist das Fließen, im Labor simuliert durch die Methode des Druckfließens nach [4] (Bild 5). Dieses Verfahren dient zur Beurteilung der zeitlichen Verformung bei konstantem Druck und konstanter Temperatur über einen definierten Zeitraum, meist 25 Stunden. Generell ist ein ausgewogenes Verhalten anzustreben, da ein zu geringes Druckfließen die thermomechanischen Spannungen nicht mindert und zu Abplatzungen führen kann, wenn die Steinelastizität nicht ausreichend ist. Ein zu hohes Druckfließen bei gleichzeitig niedriger Druckfeuerbeständigkeit (Druckerweichen) hält höheren thermischen Beanspruchungen nicht ausreichend stand. Generell ist ein hoher ta-Wert von ≥ 1550 °C der Druckfeuerbeständigkeit für den Einsatz basischer Steine in Zementdrehöfen notwendig.

Bild 5 zeigt typische Kurven von Steinen mit niedrigem und mit erhöhtem Druckfließen. Für den thermomechanischen Spannungsabbau kennzeichnende Größen sind D_max als maximale Dehnung des Steines und verantwortlich für die Höhe der sich ausbildenden Spannung, und D_max-Z (25 h) als Maß für den thermomechanischen Spannungsabbau.

4 Entwicklung und Eigenschaften

spannungsminimierender, chromerzfreier Steine

Aufgrund neuer Rohstoffentwicklungen [5] [6] konnte das Konzept eines pleonastischen Spinells als Elastifizierer auch auf ein Produkt auf Basis eines eisenreichen Rohstoffes übertragen werden. Pleonastischer Spinell, also ein Spinell aus dem System MgO-Al₂O₃-FeO_x, ist in seiner Zusammensetzung einem Chromerz verwandter als beispielsweise Magnesiumaluminiumspinell (Tab. 1). Das Chromoxid des Chromerzes wird durch die Oxide Al₂O₃, MgO und im geringeren Umfang auch durch Fe₂O₃ ersetzt.

Unter Anwendung der bewährten AF-Technologie konnte aus dem vom PERILEX® 80 bekannten verfügbaren eisenoxidhaltigen Magnesiasinter und dem synthetischen Rohstoff pleonastischer Schmelzspinell der thermomechanisch unempfindliche Stein PERILEX® CF entwickelt werden, der außergewöhnliche physika­lische Eigenschaften und eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit aufweist. Gegenüber einem ­PE­RILEX® 80, mit seinen besonderen Einsatzeigenschaften, konnte die mechanische Festigkeit unter Beibehaltung der bewährten Feuerfestigkeit um mehr als 20 % erhöht werden (Bild 6).

Aufgrund einer signifikant niedrigeren Porosität von ca. 13–15 % gegenüber einem Wert von 17–19 % bei Magnesiac­hromitsteinen wird, in Verbindung mit einer Senkung der Gasdurchlässigkeit von ca. 4 nPm auf 3 nPm, sogar eine deutliche Erhöhung des Infiltrationswiderstandes um 25 % erreicht, ohne dass andere Eigenschaften beeinflusst werden.

Der Spannungsempfindlichkeitsindex und die Elastizität entsprechen denen des PERILEX® 80. Die für den thermomechanischen Spannungsabbau entscheidende Größe des Druckfließens bleibt erhalten, daher ist auch PERILEX® CF spannungsreduzierend und thermoplastisch (Bild 7). Die thermochemischen Vorteile des pleonastischen Spinells resultieren auch aus dem Gefügedesign (Bild 8).

Ein (MgO-freier) Hercynit kann mit der ihn umgebenden Matrix durch Diffusion von MgO und Eisenoxid interagieren [7], woraus lokale Porositäten und Gefügeinhomogenitäten resultieren, die einem Angriff durch Zementklinkerschmelze weniger Widerstand entgegensetzen. Im Gegensatz dazu werden derartige aktive Reaktionen mit dem MgO-haltigen, pleonastischen Spinell nicht beobachtet, so dass eine Korrosionsbeständigkeit auf hohem Niveau gegeben ist. Der pleonastische Spinell verhält sich dabei ähnlich wie der Magnesiumaluminiumspinell, der ebenfalls nicht signifikant mit seiner Umgebung interagiert.

Obwohl Magnesiachromitsteine technisch unbestritten nach wie vor Standarderzeugnisse für Zementöfen sind, hat ihre Bedeutung gegenüber spinellhaltigen Magnesiast­einen aus Umweltgründen signifikant abgenommen. In oxidierender Atmosphäre und in Gegenwart von Alkalioxiden, also Bedingungen, wie sie in Zementöfen vorherrschen können, kann es zu einer Zersetzung des Chromerzes unter Bildung von toxischem Alkalichromat kommen [8]. Neben der Umweltbelastung wird auch der Elastifizierer korrodiert, so dass die Steine zusätzlich verspröden können. Dieses Verhalten lässt sich gut im sogenannten Alkalitiegeltest nach [9] bei einer Temperatur von 1350 °C mit Kaliumcarbonat als Reagenz simulieren (Bild 9). Der Tiegel eines Magnesiachromitsteines zeigt an den Stellen, an denen das Chromerz vorlag, deutliche Löcher, bedingt durch den Abbau dieses Minerales. Die Folgen sind der Verlust der Steinelastizität und die Bildung von Chromat. Bei einem Tiegel aus dem chromerzfreien PERILEX® CF ist eine derartige Reaktion naturgemäß nicht zu beobachten, da er keine durch Alkalien korrodierbaren Minerale enthält.

Neben dem Vorteil des thermochemisch beständigen Pleonastes, der gegenüber Zementklinkerangriff stabiler als ein Hercynit ist [10], kommt zusätzlich der Nutzen eines eisenreichen Magnesiasinters zum Tragen, der eine größere Ansatzfreudigkeit als ein eisenarmer natürlicher oder synthetischer Magnesiasinter zeigt (Bild 10).

Das Ansatzverhalten von Magnesiapleonaststeinen auf Basis dieser Rohstoffe ist aufgrund der Gegenwart von pleonastischem Spinell, Magnesioferrit und auch Belit demjenigen von Magnesiahercynitsteinen oder sogar Magnesiachromitsteinen überlegen. Die Gegenwart hochviskoser Calciumferrit- und Calciumaluminatverbindungen aus Reaktionen zwischen Brenngut und Steinkomponenten fördert die Bildung von Ze­mentklin-keransatz auf der Feuerfestzustellung [6].

5 Zustellungsempfehlungen

PERILEX® CF zeigt eine hohe Beständigkeit gegenüber Alkalispalling, einen hohen Infiltrationswiderstand, eine niedrige Porosität, reduzierte Gasdurchlässigkeit, eine ausgezeichnete Gefügeelastizität und eine ausgeprägte Thermoplastizität, aus der eine niedrige mechanische Spannungsempfindlichkeit resultiert. PERILEX® CF eignet sich aufgrund dieser Eigenschaftskombination vornehmlich für die Zustellung der zentralen Brennzone und thermisch normal sowie thermomechanisch hoch belasteten oberen Übergangszonen (Bild 12).

6 Zusammenfassung

In einer Vielzahl von Einsätzen hat sich das Konzept des chromerzfreien PERILEX® bestätigt, so dass ein neues, innovatives und zukunftssicheres basisches Produkt für die Zustellung von Zementdrehöfen zur Verfügung steht.