Einfluss des Zusatzes von Andalusit, Al2O3-ZrO2-SiO2und Al2O3-ZrO2auf die elastischen und mechanischen Eigenschaften eines hochtonerdehaltigen Feuerbetons

Die Optimierung der Zusammensetzung von Feuerbetonen ist seit Jahren der Schlüssel zur Verbesserung der Standzeiten von ungeformten Feuerfestprodukten im Einsatz in der Eisen- und Stahlindustrie. In dieser Studie wird der Zusatz von funktionalen Aggregaten in zementarmen, hochtonerdehaltigen Feuerbetonen mit dem Ziel untersucht, die elastischen und mechanischen Eigenschaften des Feuerbetons zu modifizieren. Dies kann zu einer Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit führen. Es wurden verschieden zusammengesetzte Feuerbetone auf Basis von Tonerde betrachtet. Als Referenzmaterial diente ein reiner Hochtonerde-Feuerbeton. Für die anderen Zusammensetzungen wurde jeweils die größte Kornfraktion (2,24–3,0 mm) der Referenzmischung durch eines der drei zu untersuchenden Aggregate ersetzt. Andalusit wurde mit dem Ziel eingesetzt, die Bildung von Mikrorissen durch in-situ-Mullitbildung zu begünstigen. Zudem entstehen beim Sintern des Andalusits Glasphasen. Beide Mechanismen erklären die verringerten elastischen und mechanischen Eigenschaften und darüber hinaus die Verringerung der eingespeicherten elastischen Energie im Werkstoff. Der Einsatz von Al2O3-ZrO2-Aggregaten kann ebenfalls zu Rissbildung führen, da das zikonoxidhaltige Aggregat und die Kalziumaluminat-Matrix unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Des Weiteren kommt es bei hohen Temperaturen zu einer martensitischen Umwandlung des Zirkonoxids, die mit einer erheblichen Volumenänderung einhergeht. Dies könnte die erhöhte mechanische Belastung an den Korngrenzen zwischen Aggregaten und Matrix erklären. Das dritte eutektische Aggregat besteht aus Al2O3-ZrO2-SiO2und wird eingesetzt, um den Einfluss von Zirkonoxid im Beisein einer Glasphase zu untersuchen. Diese Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit der Modifikation der elastischen und thermomechanischen Eigenschaften durch Einsatz von Andalusitaggregaten im Feuerbeton und dem Einfluss dieser auf die Thermoschockbeständigkeit. For many years the optimization of refractory castable formulations has been a key factor in improving the service life of unshaped materials during their application in the steel and iron industry as well as in the metallurgical industry. The incorporation of functional aggregates in common low cement castables based on tabular alumina raw materials was investigated within the framework of the study presented herein. Such an addition of eutectic aggregates aims to modify the elastic and mechanical properties of the castable leading to eventual thermal shock resistance amelioration. Different high alumina-based formulations were investigated. Starting with a reference pure tabular alumina-based castable, the largest grain fraction (2.24–3.0 mm) of this first formulation was replaced by three different aggregates. Andalusite was incorporated to favour microcrack formation due to in situ mullite and ensuing glass formation during the sintering process. Both mechanisms may explain the depletion of elastic and mechanical properties and furthermore the decrease of the stored elastic energy of the castable. Al2O3-ZrO2addition may also result in crack formation because of expansion mismatch between the calcium aluminate matrix and the zirconia-containing aggregate. The martensitic transformation of zirconia at high temperature characterized by a considerable volume expansion is the second factor explaining the increase in mechanical stresses at the level of the grain boundaries between aggregates and matrix. An alternative to these materials was the examination of Al2O3-ZrO2-SiO2eutectic aggregates in order to study the influence of zirconia in the presence of a silica glassy phase. This study will focus on the modification of the elastic and thermo-mechanical properties of the andalusite-based castable in comparison with the reference castable (without functional aggregate incorporation) to discuss the impact of such aggregates on thermal shock resistance.